JP2017526533A - 基板上でレーザーアブレーションを実行する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

レーザーアブレーションを実行する装置及び方法が開示されている。典型的な装置では、空間光変調器が、固体レーザーからのパルスレーザーを変調させるのに用いられる。二段階縮小プロセスは、中間結像面内のフィードバックセンサへのアクセスを可能にする一方で、前記空間光変調器での放射線強度を相対的に低く維持することを可能にするのに用いられる。【選択図】図１１

Description

本発明は、固体レーザー及びプログラム可能な空間光変調器を用いた基板上でのレーザーアブレーションの実行に関する。

レーザーは、最新のプリント回路基板（ＰＣＢ）の製造に広く用いられている。特に周知の例は、多層ＰＣＢ中でのブラインドコンタクトホール−いわゆるマイクロビア−の穴開けである。この場合、紫外（ＵＶ）固体レーザーは通常、下側の銅の層へのコンタクトを可能にするように上側の銅の層と下地の誘電層を貫通する穴を開けるのに用いられる。場合によっては、このプロセスの費用対効果は、２つの異なる材料を除去する２つの異なるレーザープロセスを用いることによって改善される。ＵＶダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザーは通常、上側の銅の層中に穴を開けて下側の誘電層を曝露するのに用いられ、かつ別なプロセスでは、ＣＯ_２レーザーが、各穴の下で曝露される誘電材料を除去するのに用いられる。

近年、新たな型の高密度多層回路基板製造技術が提案された。特許文献１及びヒューメラー（Ｈｕｅｍｏｅｌｌｅｒ）他による２００６年に太平洋マイクロエレクトロニクスシンポジウム（２００６ Ｐａｃｉｆｉｃ Ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ）での発表“Ｕｎｖｅｉｌｉｎｇ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”は、「レーザー埋め込み回路技術」の概念について説明している。この新たな技術では、レーザーは、有機誘電基板内に微細な溝、大面積のパッドとコンタクトホールを直接的にアブレーションによって生成するのに用いられる。溝はパッド及びコンタクトホールに接続する。それによりレーザー成形及び後続の金属メッキ後に、誘電層の上側表面内に埋め込まれた微細導体とパッドの複雑なパターンで構成される第１層が、下側の金属層へ接続する深いコンタクトホールで構成される第２層と共に形成される。この新たな技術の進展に関するさらなる情報は、２０１１年１１月９〜１１日に台湾で開催された第１２回電子回路世界大会（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｗｏｒｌｄ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ）での論文ＥＵ１６５（デビッド・バロン）とＴＷ０８６−２（ユー・リンリーとバーバラ・ウッド）で発表された。

現在まで、パルスＵＶレーザーが、直接描画法又はマスクイメージング法のいずれかを用いることによって単一プロセスにおいて溝、パッド、及びコンタクトホールを形成する方法で用いられてきた。

直接描画法は一般的に、ビームスキャナを用いることによって、基板表面にわたってレーザーからの集束ビームを移動させることで、スクライビングによって溝を形成し、かつ、パッドとコンタクトホールをも形成する。この直接描画法は、高ビーム品質のＵＶダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザーからの高集束ビームを用いるので、微細な溝のスクライビングに非常によく適している。また直接描画法は、パッド及びコンタクトホールの構造に関して層の深さがそれぞれ異なることが求められても巧く処理できる。この方法によって、各異なる深さの溝、パッド、及びコンタクトホールは容易に形成され得る。しかしＵＶ ＤＰＳＳレーザーの低パルスエネルギーは、アブレーションを可能にするに非常に小さな集束スポットを求める−これは狭いトラック及び穴の形成にとって便利である−ため、この方法は、大面積の部位及び底面から材料を除去するのに効率的な方法ではない。この直接描画法ではまた、溝とパッドとの間の共通部で一定の深さを維持することが困難である。埋め込み導体に基づいてＰＣＢを作製するのに適した直接レーザー描画装置の説明は、２０１１年１１月９〜１１日に台湾で開催された第１２回電子回路世界大会（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｗｏｒｌｄ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ）での論文ＴＷ０８６−９（ウェミ・チェンとマーク・ウンラス）で発表された。

マスクイメージング法は一般的に、ＵＶエキシマレーザーを用いて、回路設計の一の層又は階層の完全な詳細を含むマスクに照射する。マスクの像は、誘電材料をアブレーションするのに十分なエネルギーレベルのレーザーパルスで、その層上の回路の全領域が基板上に再現されるように縮小される。形成される回路が大きい場合、マスクと基板との同期した相対運動が、全パターンを転写するのに用いられる。大きな基板面積を網羅するエキシマレーザーマスク投影及び関連方法は、長年にわたって知られてきた。非特許文献１は、この方法について説明している。

マスクの全面積が像転写プロセス中に照射されるので、この方法は、形成される個々の構造の全面積の影響を受けにくく、そのため微細な溝、大面積のパッドと底面の形成に非常に適している。溝とパッドとの間の共通部で一定の深さを維持する点でも優れている。しかし回路が極端に密な場合を除くと、このマスクイメージング法は、直接描画法よりも顕著にコストがかかる。その理由は、エキシマレーザーの購入及び動作コストのいずれも非常に高いからである。マスクイメージングはまた、回路の各層について新たなマスクを用いる必要がある点で、非常に不自由でもある。

後者の制約は特許文献２で説明された装置によって克服される。この場合、エキシマレーザー走査マスク投影システムは、絶縁層中で同一の深さの溝及びパッドで構成される層を形成するのに用いられ、かつ、別のプロセスにおいて、別のビーム供給システムによって供給される第２レーザーを用いることによって、下地の金属層へより深く入り込むコンタクトホールが形成される。この二段階プロセスは、構造が様々な深さを有しなければならないという要求に対処する方法である。しかしこの二段階プロセスも依然として、エキシマレーザーの使用に係る高コストに悩まされる。

特許文献３は、固体レーザーによって生成されるスポットがマスク全体にわたってラスタスキャンされる代替方法を開示している。固体レーザーによって照射されるマスクパターンの像は、基板上に投影され、かつ、そのマスクパターンに対応する構造はアブレーションによって生成される。この方法は、高価なエキシマレーザーを必要としないが、依然としてマスクを用いることに伴う不自由さに悩まされる。構造の各層を生成するには、異なるマスク又はマスク上の各異なる領域が必要である。生成されている構造への修正が必要な場合、全く新しいマスクが必要となる恐れがある。マスクパターンに属する誤りが生成されている構造中に検出される場合、新しいマスクが必要となる恐れがある。

米国特許出願公開第2005/0041398 A1号公報 米国特許出願公開第2008/0145567 A1号公報 国際公開第2014/0688274 A1号公報

Proc SPIE 1997, vol. 3223, p 26 (Harvey & Rumsby) Proc SPIE., 1996 (2921), p684

本発明の目的は、上述の従来技術の問題の１つ以上を少なくとも部分的に解決することである。具体的に本発明の目的は、高スループット、低コスト、高い自在性、並びに／又は、高レベルの制御性及び／若しくは信頼性を可能にするレーザーアブレーションを実行する装置並びに方法を供することである。

本発明の態様によると、パルスレーザービームを供するように構成される固体レーザー、プログラム可能な空間光変調器であって、該空間光変調器へ入力される制御信号によって定められるパターンによって前記パルスレーザービームを変調させるように構成される空間光変調器、第１結像面内の複数のとり得る場所のうちの一で選択的に前記パターンの像を生成するように構成される走査システム、及び、前記第１結像面内の各異なる場所で複数の前記パターンの像を順次生成するように前記走査システムと前記空間光変調器を制御するように構成される制御装置を有する、基板上でレーザーアブレーションを実行する装置が供される。

エキシマレーザーではなく固体レーザーを用いることで、所有者のコストは顕著に減少する。それに加えて、エキシマレーザーは一般的には、前記空間光変調器を損傷させないために最大出力未満で動作させなければならないので、効率が低下する。

空間光変調器を用いることで、前記基板上でのアブレーションの前記パターンを動的に変化させることが可能となるので、自由度と制御力が増大する。

空間光変調器を用いる高解像度の従来技術に係るシステムは、前記パターンの標的（たとえば基板）上へ前記空間光変調器によって定められたパターンを投影する固定された光学系（つまり走査能を備えない）を用いる傾向にある。前記固定された光学系は、前記基板上に生成された前記パターンが前記空間光変調器で定められた前記パターンを小さくしたものとなるように縮小されてよい。前記縮小は、前記基板に十分高いエネルギー密度を供して前記基板の表面をアブレーションする一方で、前記空間光変調器への損傷を避けるため、前記空間光変調器には十分低いパルスエネルギー密度で照射する。前記縮小はまた、前記基板上に微細な部位を生成することをも容易にする。前記空間光変調器によって定められるパターンが前記基板上の各異なる場所で生成される必要がある場合、前記基板は、前記空間光変調器に対して走査されてよい。前記固定された光学系を用いることで、前記光学系の設計要求が簡略化され、かつ、高精度でのパターンの生成が容易になる。しかしレーザーアブレーションの文脈では、高速で前記基板の大領域を照射できることが望ましい。これを実現する一の方法は、非常に多数の個別にアドレス指定可能な素子（たとえば多数のマイクロミラー）を空間光変調器に供することである。このようにして、前記基板の各場所での前記基板上へ投影され得る前記パターンの面積の大きさは、少数の素子を備える空間光変調器を用いて可能な面積よりも大きくなり得る。しかしより多くの素子を有する空間光変調器を供することはより高価になる恐れがある。前記空間光変調器は大きくされる必要があると思われる。大きくなることで前記空間光変調器は、正確に（たとえば均一に）照射することが難しくなる恐れがある。そのような空間光変調器によって定められた前記パターンを前記基板上へ照射することは難しくなる恐れがある。

代替方法は前記基板をより迅速に走査することである。しかしこれは、必要な加速及び位置の精度を供するため、洗練されたモーターと基板載せ台を必要とする。

ＤＰＳＳレーザーはたとえば、そのパラメータ設定において広範に調節可能である。このため前記ＤＰＳＳレーザーは、全出力を維持しながら、相対的に低いパルスエネルギーを高周波数で供給することが可能となる。前記高周波数で前記レーザーの全出力を利用することで一般的には、毎秒数メートルのオーダーの前記基板と前記ビームとの間での相対速さが求められると思われる。そのような相対速さを基板の走査のみを用いて実現することは難しい。

本願実施形態によって供される解決策は、前記基板の走査の代わりに（又はそれに加えて）前記空間光変調器からの像を走査する。このようにして、非常に多数の素子を有する空間光変調器も、前記基板を迅速に走査するための複雑な機構も必要とすることなく（ただしそのような空間光変調器や複雑な機構が用いられてもよい）、複雑なパターンが前記基板上の広範な領域にわたって迅速に生成され得る。前記空間光変調器の像の走査は、一般的には固定された（非走査）光学系の場合よりも複雑な光学系を必要とする。しかし本願発明者等は、前記空間光変調器及び／又は前記基板走査システム（もしあるのであれば）においてスループットの増大並びに／又はコスト及び複雑さの減少という利点は、前記のより複雑な光学系の実装に係る課題を上回ると認識していた。上述の例では、毎秒数メートルのオーダーの速さで前記基板を動かすことを必要とするＤＰＳＳレーザーの利用が提案されている。この速さで前記基板を動かすのは非現実的であると考えられる一方で、レーザービームを走査するビームスキャナの使用に基づいて等価な走査速さを実現することは、現在利用可能なレーザービームスキャナの動作範囲内で十分である。

本願の実施形態では、前記基板は前記第１結像面内に設けられる。前記第１結像面内に前記基板を設けることで、当該装置の全体の光学に関する要件が簡略化される。

本願の実施形態では、当該装置はさらに、前記基板上の各異なる位置で前記パターンの複数の像を生成するように構成される投影系を有し、かつ、前記パターンの複数の像が前記第１結像面内の各異なる位置で生成されている一方で、前記投影系の最終素子は、前記空間光変調器に対して静止して保持されるように構成される。よって前記投影系の最終素子はいかなる走査プロセスにも直接巻き込まれない。前記投影系の静止した最終素子（又は完全に静止した投影系）を有することで、前記アブレーションプロセスによって生成される残余物を除去する装置（たとえば吸引装置）の配置が容易になる。

代替実施形態では、前記基板は第２結像面内に供され、かつ、当該装置は、前記第１結像面内の像の縮小版を、前記第２結像面内の前記基板上に投影する投影系をさらに有する。

よって前記空間光変調器の像は、前記基板と前記空間光変調器との間の中間位置に存在する結像面（本願では前記第１結像面と指称する）内に生成される。このような配置は、前記第１結像面が中間位置に供されていない場合には不可能な方法で、センサ又は他の装置による前記第１結像面へのアクセスを可能にする。前記基板が前記第１結像面に供されるとき、たとえば前記基板の存在は、センサ又は他の装置によるアクセスを阻害する。前記空間光変調器によって生成される像へのセンサ又は他の装置によるアクセスが可能となることで、前記像の特性を測定することが可能となる。たとえば前記像の品質に関するパラメータが測定され得る。前記測定は、たとえばフィードバック配置において前記走査システム及び／又は前記空間光変調器の動作の制御に用いられてよい。

前記像が走査及び／又は縮小された後に（前記第１結像面内の）前記像の特性を測定することで、（複数の）前記走査及び／又は縮小プロセスによって導入される誤りを検出することが可能となる。アクセス可能な中間結像面を有しない空間光変調器を用いるシステムでは、前記像は、前記空間光変調器の出力及び／又は前記基板自身でしかチェックされ得ない。

この型の実施形態では、前記投影系の最終素子はまた、前記パターンの複数の像が前記第１結像面内の各異なる位置に生成される一方で、前記空間光変調器に対して静止して保持されるように構成されてよい。よって前記投影系の最終素子は、如何なる走査プロセスにも巻き込まれない。上述したように、前記投影系の静止した最終素子（又は完全に静止した投影系）を有することで、前記アブレーションプロセスによって生成される残余物を除去する装置の配置が容易になる。

本願の実施形態では、前記第１結像面内に生成される前記パターンの像が前記空間光変調器での前記パターンに対して縮小されるように、前記走査システムは構成される。前記空間光変調器での前記パターンを縮小することで、前記基板でのアブレーションの実行を可能にするのに前記空間光変調器で必要とされる強度は減少する。多くの型の空間光変調器では、損傷又は寿命が短くなる危険性なしに前記空間光変調器によって処理され得る放射線強度には制限が存在する。前記空間光変調器と前記第１結像面との間で前記パターンを縮小することで、前記基板上でより微細な構造を生成することも容易になる。

本願の実施形態では、前記基板が第２結像面内に供され、かつ、当該装置は、前記第１結像面内の像の縮小版を前記第２結像面内の前記基板上に投影する投影系をさらに有する実施形態の状況において、前記空間光変調器と前記第１結像面との間での前記パターンの縮小は実行される。よって二段階縮小プロセスが用いられる。前記二段階縮小プロセスの利用はさらに、任意の一の段階の縮小要求を緩和することによって、前記空間光変調器と前記基板との間での全体的な縮小を望ましくすることを容易にし、かつ、自由度をも改善することをも容易にする。前記全体の縮小は、２つの段階のうちの一を置換又は修正して、前記２つの段階のうちの他を置換又は修正しないことによって要求に従った調節がなされてよい。

本発明の他の態様によると、固体レーザーを用いてパルスレーザービームを供する段階、プログラム可能な空間光変調器へ制御信号を入力することで、パターンによって前記パルスレーザービームを変調させる段階、及び、前記空間光変調器によって定められるパターンの複数の像を第１結像面内の各異なる位置で順次生成する段階を有する方法が供される。

上述の実施形態では、前記基板は前記第１結像面内に設けられてよい。上述の実施形態では、代わりに前記基板は第２結像面内に供され、かつ、当該方法は、前記第１結像面内の像の縮小版を前記第２結像面内の前記基板上へ投影する段階をさらに有してよい。
ここで添付図面を参照しながら単なる例示によって本発明を説明する。

内部に生成されることが要求される構造の型を示す典型的なＨＤＩプリント回路基板の斜視図である。 プリント回路基板が上側誘電層と下側誘電層を有する図１と同様の斜視図である。 上に薄い保護層又は犠牲層が生成された他の典型的なプリント回路基板の断面図である。 誘電層内に埋め込み構造を生成する既知の装置の概略図である。 誘電層内に埋め込み構造を生成する他の既知の装置の概略図である。 誘電層内に埋め込み構造を生成するさらに他の既知の装置の概略図である。 誘電層内に埋め込み構造を生成するさらに他の既知の装置の概略図である。 誘電層内に埋め込み構造を生成するさらに他の既知の装置の概略図である。 本願の実施形態によるアブレーションを実行する装置の概略図である。 本願の他の実施形態によるアブレーションを実行する装置の概略図である。 本願の他の実施形態によるアブレーションを実行する装置の概略図である。

図１は、高密度インターコネクト（ＨＤＩ）プリント回路基板（ＰＣＢ）又は集積回路（ＩＣ）基板の断面を示し、かつ、生成が要求される「埋め込み」構造の型を示唆している。電気回路を構成するようにパターニングされた銅の層１が、誘電コア層２上で支持されている。銅の層１は、内部に様々な構造がレーザーアブレーションによって生成された上側誘電層３によってオーバーコーティングされる。溝４，４’，４’’、大きなパッド５、及び小さなパッド６と７はすべて、上側誘電層３の全厚さ未満の同一厚さを有する。ＩＣ基板では、要求される溝の幅とパッドの直径は一般的にそれぞれ、５〜１５μｍ及び１００〜３００μｍで、深さは５〜１０μｍである。ＨＤＩ ＰＣＢでは、溝はより広くかつ深くてよい。パッド７内部のコンタクトホール（又はビア）８は、レーザーアブレーションによってより深くまで生成される。それによりすべての上側誘電層材料は、下に位置するある面積の銅の回路を曝露するように除去される。コンタクトホールの深さは一般的に、パッド及び溝の深さの２倍であってよい。

図２は、図１と同様のＨＤＩ ＰＣＢ又はＩＣ基板の断面を示している。しかしこの場合、銅の層の上部の上側誘電層は、異なる材料の２つの層、上側誘電層９、及び下側誘電層１０で構成される。溝４，４’，４’’、大きなパッド５、及び小さなパッド６と７はすべて、上側の層９を貫通するが、下側の層１０へは顕著に入り込まない。コンタクトホール８は、下に存在するある面積の銅の回路を曝露するように下側誘電層１０を貫通する。

図３は、構造のレーザーパターニング前に材料の薄い保護層又は犠牲層１１が誘電層３の上側に付与されたＨＤＩ ＰＣＢの断面を示している。そのような保護層は一般的にせいぜい数ミクロンの厚さで、かつ、そのような保護層の主目的は、レーザーアブレーションプロセス中に誘電層３の上側表面を損傷から保護することである。構造のレーザーアブレーション中、ビームは、保護層の材料へ入り込み、かつ、下に存在する誘電層３中の材料を要求される深さまで除去する。レーザーアブレーションプロセスの完了後であって後続のプロセス前に、保護層は通常、誘電材料を曝露するように除去される。

図４は、誘電層中に埋め込み構造を生成するのに広く用いられている既知の装置を示している。エキシマレーザー１２はパルスＵＶビーム１３を放出する。パルスＵＶビーム１３は、ホモジナイザーユニット１４によって整形され、ミラー１５によって向きを変えられ、かつ、マスク１６の全体を均一に照射する。投影系１７は、誘電体によってコーティングされた基板１８の表面上でマスクの像を縮小する。それにより基板１８でのビームのエネルギー密度は、誘電材料をアブレーションし、かつ、マスクパターンに対応する層中の構造を生成するのに十分となる。

レンズ１９は、レンズ１７が最適に機能するようにレンズ１７へ入射するビームを制御する役割を果たすフィールドレンズである。各レーザーパルスでは、マスク上のパターンが誘電体の表面上に十分明確な深さまで加工される。典型的には、各レーザーパルスによって加工される深さは、数分の一ミクロンであるため、何ミクロンもの深さを有する溝とパッドを生成するには多くのレーザーパルスが必要となる。各異なる深さの部位が基板表面に加工されることが要求される場合、第１高さを画定するマスクは、低い高さを画定する他のマスク２０と交換される。その後レーザーアブレーションプロセスが反復される。

各マスクの全面積と基板上の対応する領域を一のレーザーパルスで照射するには、レーザーからの高エネルギーを有するパルスが必要となる。たとえばデバイスのサイズが10×10ｍｍ（１ｃｍ^２）で作られる場合、効率的なアブレーションに要求されるパルスエネルギー密度は約０．５Ｊ／ｃｍ^２なので、基板で必要とされるパルスあたりの合計エネルギーは０．５Ｊである。光学系内での損失のため、レーザーからは顕著に大きなパルスあたりのエネルギーが必要となる。ＵＶエキシマレーザーはこの用途には非常に適している。なぜなら一般的にはＵＶエキシマレーザーは、低繰り返し周波数では高パルスエネルギーで動作するからである。最大３００Ｈｚの繰り返し周波数で最大１Ｊの出力パルスエネルギーを放出するエキシマレーザーは容易に利用可能である。大きなデバイスの製造又は低パルスエネルギーでのエキシマレーザーの利用を可能にするための様々な光学的取り組みが考えられてきた。

図５は、ビーム整形光学系２１がマスク１６の表面で線ビームを生成するように構成される場合を表す従来技術を示している。この線ビームは、マスクの全幅を網羅するのに十分な長さである。線ビームは、ミラー１５の１Ｄ運動によって、マスクの表面にわたって線に対して垂直な方向に走査される。位置２２から２２’までの線でミラー１５を動かすことによって、マスクの全面積は順次照射され、それに対応して、基板上の加工されるべき全面積が順次処理される。マスク、投影系、及び基板はすべて、ミラー１５が動いている間は静止した状態で維持される。

ミラーは、正確な数のレーザーパルスを基板の各領域へ衝突させることで要求された深さの構造を生成することを可能にする速さで動かされる。たとえば、３００Ｈｚで動作するエキシマレーザー、及び、基板で１ｍｍの幅を有する線ビームでは、各レーザーパルスが深さ０．５ミクロンの材料を除去する場合、１０ミクロンの深さを有する構造を生成するのに単位面積あたり２０のレーザーパルスが必要となる。係る構成では、１５ｍｍ／ｓｅｃの速さで基板全体にわたって線ビームを動かすことが必要となる。マスクでのビームの速さは、レンズの縮小率に等しい因子を乗じた分、基板でのビームの速さよりも速い。

図６は、他の既知の構成を示し、かつ、レーザーパルスエネルギーが制限される問題に対処する代替方法を表している。これは、静止しているビームに対して正確に関連するようにマスクと基板の両方を動かす段階を含む。ビーム整形光学系２１は、マスクの全幅を広げる長さを有する線ビームを生成する。この場合図示されているように、ミラー１５は静止したままで、かつ、マスク１６は直線的に動かされる。基板上にマスクの正確な像を生成するため、図示されているように、結像レンズ１７の縮小率をマスクの速さに乗じたものに関連する速さで基板１８をマスクとは反対の方向に動かすことが必要である。そのようなマスクと基板が関連する１Ｄ運動システムは、半導体製造用のエキシマレーザーウエハ露光装置において周知である。

エキシマレーザーはまた、処理されるべきデバイスの面積が非常に大きく、かつ、各レーザーパルスのエネルギーがそのデバイスの全幅にわたって線ビームを生成するのに不十分である状況では、２Ｄマスク及び基板走査法と併用されてきた。非特許文献２は、そのようなシステムについて記載している。係るシステムは、高精度のマスクと試料台の制御を必要とし、それに加えて、走査帯の重なりの制御が非常に難しい場合に、基板上の領域内で均一なアブレーション深さを得るため複雑である。

図７は、ＵＶエキシマレーザーの代わりに固体レーザーが用いられる既知の構成を示している。その構成は、マスク投影光学系が、基板内の回路層の構造を画定するのに用いられること以外は図４、図５、及び図６に示した構成と同様である。

レーザー５２は出力ビーム２３を放出する。出力ビーム２３は、マスク１６で適切なサイズの円形又は他の形状のスポットを生成するように、光学系２４によって整形される。その結果レンズ１７によって基板表面１８上に結像した後、エネルギー密度は基板表面１８上の材料をアブレーションするのに十分となる。２Ｄスキャナユニット２５は、マスク１６の全面積が網羅されるように２Ｄラスタスキャンでマスク１６全体にわたってスポットを動かす。それに対応して基板１８で処理される全面積もまた網羅されることで、基板表面へマスク１６上のパターンの像がインプリントされる。レンズ１７は、画像側で望遠機能を有してよい。このことは、基板までの距離の変動が像のサイズを変えないように、平行ビームがレンズによって生成されることを意味する。これにより、光軸に沿って高い精度で基板を位置設定する必要がなくなり、かつ、基板の非平坦性に適応することが可能となる。

望遠機能の条件が満たされるようにスキャナ２５の複数のミラーの間に存在する面をレンズ１７の入射瞳２６へ結像するレンズ１９が供される。レンズ１７が、誘電層の表面に５μｍ以下の明確に確定された構造を正確に生成するのに十分な光学解像度を有することが重要である。解像度は、波長と開口数によって決定される。３５５ｎｍのレーザー波長では、これは、約０．１５以上の開口数に相当する。

レンズ１７についての他の要求は、基板でのレーザーパルスのエネルギー密度は材料をアブレーションするのに十分な高さだが、マスクでのエネルギー密度はマスク材料−石英基板上のパターニングされたクロム層であってよい−が損傷を受けない程度に低くなるように、マスク上のパターンを基板上で縮小することである。レンズの倍率は３倍以上がほとんどの場合において適切であることがわかった。基板でのエネルギー密度が０．５Ｊ／ｃｍ^２であれば一般的には、ほとんどのポリマー誘電材料をアブレーションするのに十分である。よって３倍のレンズ縮小率で、かつ、レンズでの適当な損失があると考えれば、マスクでの対応するエネルギー密度は０．０７Ｊ／ｃｍ^２で、これはクロム又は石英マスクの損傷レベルを十分下回るレベルである。

図８は、図７の構成を用いた２層構造を生成する一の方法を示している。第１マスク１６の全面積が、上側層の溝とパッド構造を生成するように走査される。それに続いて、第１マスク１６は、構造を介して下側層に係るパターンを有する第２マスク３３に置き換えられる。マスクの正確な位置合わせは当然のこととして、２つのレーザーによって加工されるパターンが基板表面上で正確に重なることを保証することが求められる。そのような多重連続走査法（ａ ｍｕｌｔｉｐｌｅ，ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｓｃａｎｎｅｄ ｍａｓｋ ａｐｐｒｏａｃｈ）は、下側層のパターンが有する部位が高密度であることで、下側層のマスクの全部又は大部分の走査が効率的となるときに好ましい。他方、ほんのわずかな深い部位−たとえば上側層のマスクによって画定されたパッド領域内部に位置するビア−が必要な場合、他の方法が考えられる。たとえば、レーザーが、ビアの位置で長期間静止して保持される「ポイント＆シュート」法（“ｐｏｉｎｔ ａｎｄ ｓｈｏｏｔ” ｍｅｔｈｏｄ）が用いられて良い。

本発明の実施形態が以降の図９で示され、かつ、後述される。

基板１８上でレーザーアブレーションを実行する装置５０が供される。装置５０は固体レーザー５２を有する。固体レーザーは、パルスレーザービームを供するように構成されてよい。固体レーザー５２は、ＱスイッチＣＷダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザーであってよい。係るレーザーは、エキシマレーザーとは非常に異なり、高い（数ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）の繰り返し周波数で低エネルギー（たとえば０．１ｍＪ〜数十ｍＪ）のパルスを放出するように動作をする。多くの型のＱスイッチＤＰＳＳレーザーが現在容易に利用可能である。本願の実施形態では、ＵＶ領域で動作する多モードＤＰＳＳレーザーが用いられている。ＵＶは、広範な誘電材料のアブレーションに適し、かつ、結像レンズの光学解像度はＵＶよりも長い波長よりも優れている。それに加えて、多モードレーザービームのインコヒーレントな性質によって、回折効果に悩まされることなく高解像度の像を照射することが可能となる。単一モードレーザーは像の照射には適さない。とはいえ単一モードレーザーは別個の小さなスポットへの集束にはよい。より波長が長く、かつ、よりモードビーム出力の低い他のパルスＤＰＳＳレーザーが用いられてもよい。

たとえば、約１０ｋＨｚの繰り返し周波数で２０，４０，又は８０Ｗの出力を与えることで、それぞれ２，４，及び８ｍＪの出力パルスエネルギーを与えるように３５５ｎｍの波長で動作可能なＵＶ ＭＭ ＣＶダイオード励起固体レーザーが用いられて良い。他の例は、６ｋＨｚの繰り返し周波数で４０Ｗ、つまりパルスあたり６．７ｍＪを与えるＭＭ ＵＶ ＤＰＳＳレーザーである。さらに他の例は、約１００ｋＨｚの繰り返し周波数で２０又は２８Ｗの出力を与えることで、それぞれ０．２及び０．２８ｍＪの出力パルスエネルギーを与えるように３５５ｎｍの波長で動作可能なＵＶ低モードＣＷダイオード励起固体レーザーである。

レーザー５２からの出力ビーム２３は、直接的又は間接的にプログラム可能な空間光変調器５４へ導光される。（図示されているように）本願の実施形態では、装置５０はビーム整形器６４を有する。ビーム整形器６４は、出力ビーム２３のエネルギープロファイルを修正するように構成されてよい。たとえばビーム整形器６４は、トップハット型の強度プロファイルをビーム２３へ与えるように構成されてよい。

空間光変調器は、空間的に変化する変調を光ビームへ与える機能を備える。プログラム可能な空間光変調器は、制御信号に応じて変調を変化させることが可能な変調器である。制御信号はコンピュータによって供されてよい。本願の実施形態では、変調器５４はマイクロミラーのアレイを有する。本願の実施形態では、アレイは２次元アレイである。マイクロミラーの各々は個別にアドレス指定可能である。そのため制御信号は、各ミラーについて、そのミラーが、基板へ到達する方向へ放射線を反射させるか、又は、（たとえば代わりに放射線が吸収される放射線シンクへ放射線を導光することによって）基板への到達を妨げる方向へ放射線を反射させるかを独立に特定することができる。他の空間光変調器の形態もまた当技術分野において既知であり、本発明の実施形態の状況において用いられ得る。

図示された実施形態では、変調器５４は、制御装置６０によって供される制御信号によって定められるパターンでパルスレーザービームを変調させるように構成される。変調器５４からの出力ビーム６２は走査システム５６へ入力される。走査システム５６はたとえば２次元ビームスキャナを有してよい。走査システム５６は、第１結像面１０１内の複数のとり得る位置のうちの一でパターンの像を選択的に生成するように構成される。本願の実施形態では、複数のとり得る位置は、変調器５４の参照フレーム内において互いに異なる。制御装置６０は、走査システム５６と変調器５４を制御して第１結像面内の各異なる位置での複数のパターンの像を順次（異なる時期にたとえば次々に）生成するように構成される。本願の実施形態では、各異なる位置は、変調器５４の参照フレーム内において互いに異なる。本願の実施形態では、変調器５４は、第１結像面内の各異なる位置で複数の像を生成する間、静止したままである。図９に示された実施形態では、基板１８は第１結像面１０１内に供される。他の実施形態では、後述するように、基板１８は異なる面内に供されてよい。一連の像は、ラスタスキャンパターンで生成されてよい。任意で像は、互いにぴったり合う形状をとる。このようにして、個々の像よりも大きな領域は、走査された一連の像によって連続的に（ギャップなしで）パターニングされてよい。たとえば個々の像の各々は正方形又は長方形で、かつ、像は、より大きな正方形又は長方形で構成される領域を連続的に網羅するように走査されてよい。

本願の実施形態では、走査システム５６は、第１結像面１０１内で生成されるパターンの像が、空間光変調器５４でのパターンに対して縮小されるように、構成される。よって空間光変調器５４上で生成されたパターンよりも小さなパターンの像が、第１結像面１０１上に生成される。図９に示された例では、縮小は、投影系５８内で適切に配置された１つ以上の光学素子によって実現される。

本願の実施形態では、投影系５８の最終素子（つまり基板へ導かれる光路に沿った最後の素子）は、基板１８にわたる像の走査中に変調器５４に対して静止して保持されるように構成される。従ってアブレーションは、（静止した最終素子の直下の）局在化した領域内で起こる。最終素子が、たとえば基板にわたるパターンの走査に関与するように動けるとすると、アブレーションは、より広い位置の範囲で起こるだろう。アブレーションが起こり得る位置の範囲を制限することで、実効的に残余物を除去する配置が容易になる。残余物除去装置は、小型及び／又は単純に（たとえばリアルタイムでアブレーションプロセスを追跡するために移動可能にするのではなく恒久的な位置をとるように）載置可能であってよい。

本願の実施形態では、制御装置は、基板１８上に生成される一連の像中の各像が、レーザー５２からの各異なる単一パルスから生成されるように構成される。これは本質的なことではない。他の実施形態では、制御装置６０は、レーザーからの２つ以上の異なるパルスによって、生成される一連の像中の１つ以上の像の各像を準備してよい。本願の実施形態では、変調器５４は、レーザー５２の連続するパルス間での異なるパターンによってパルスレーザービームを変調させることが可能である。これにより、パターンが一のパルスから次のパルスまでで変化することで、基板上の複雑なパターン（たとえば、一連の像のうちの少なくともその一部をなす像の群について、一の像から次の像へ変化する一連の像から生成されるパターン）の照射が容易になり得る。

図１０は、基板１８が第２結像面１０２内に供される装置の例を表している。第２結像面１０２は、ビーム伝播方向から見て第１結像面１０１の向こうに存在する。図９の実施形態同様、走査システム５６も、第１結像面１０１内の複数のとり得る位置で変調器５４によって生成されるパターンの像を選択的に生成するように構成される。第２結像面１０２内の基板１８へ第１結像面１０１内の像の縮小版を投影する投影系６２が供される。投影系６２は、第１結像面１０１内の各異なる位置に生成されるパターンの複数の像を、基板１８上の対応する複数の位置へ投影する。

図１０に示された特別な例では、装置５０は、第１投影系５８と第２投影系６２の２つの投影系を有する。第２投影系６２は、図９を参照しながら上で説明した第１投影系５８と同一又は同様に構成されてよい。第１投影系５８はたとえば、変調器５４上に生成されるパターンの縮小像を第１結像面１０１内に生成して良い。上述したように第２投影系は、第１結像面１０１内の像の縮小版を基板１８上に投影する。従ってこの実施形態は、二段階縮小プロセスを供する。

本願明細書の導入部で述べたように、第１結像面１０１が基板１８と変調器５４との間の中間位置に存在するように装置５０の光学系を配置することで、第１結像面１０１へのアクセス可能性は増大する。たとえば、第１結像面１０１が中間位置に供されない場合には不可能な方法で、センサ又は他のデバイスによる第１結像面１０１へのアクセスが可能（又は容易）となる。基板１８が第１結像面１０１に供されるとき、たとえば基板１８の存在がセンサ又は他のデバイスによるアクセスを阻害する。

本願の実施形態では、センサ６４は、第１結像面１０１内又はそれに隣接して供される。係る実施形態の例が図１１に示されている。センサ６４は、第１結像面１０１内に生成される像の特性を測定するように構成されてよい。前記特性はたとえば、集束量の指標、パターン中の１つ以上の部位の位置の精度、たとえばラインのような部位の幅又はライン間の間隔（たとえば最小ライン幅又は間隔）の指標、強度の精度の指標（同一強度を有することが意図される領域にわたる強度の均一性）のうちの１つ以上を有してよい。

本願の実施形態では、制御装置６０は、センサ６４によって測定された特性を用いて、変調器５４と走査システム５６の一方又は両方の動作を制御するように構成される。たとえば制御装置６０は、走査システムの動作特性−たとえば公称走査経路−を調節することによって、センサ６４によって検出される像の品質におけるずれに応答するように構成されてよい。あるいはその代わりに又はそれに加えて、制御装置６４は、変調器５４の動作特性を調節することによってずれに応答してよい。たとえば変調器５４上に生成される像は、センサ６４によって第１結像面１０１内で検出される歪み又は誤りを補償するように修正されてよい。センサ６４は、接続線６６を介して制御装置６０へ接続されてよい。センサ６４はフィードバックループ内で動作するように構成されてよい。

図１１の実施形態は、センサ６４及びセンサ６４と制御装置６０との間の接続線６６の存在を除けば、図１０を参照しながら上述した実施形態と同一である。

第１結像面１０１内の各異なる位置にわたる変調器５４によって画定される像の走査は、その像へ歪みを導入する恐れがある。これはたとえば、変調器５４と第１結像面１０１内の各異なる位置との間に存在する光路長がそれぞれ異なることに起因して起こり得る。歪みは、光軸に近い走査位置よりも、光軸から離れた走査位置で大きくなり得る。本願の実施形態では、これら及び／又は他の歪みは、パターンの像が第１結像面１０１内の生成されるべき位置の関数として、変調器５４によって画定されるパターンを調節することによって、少なくとも部分的に補正され得る。変調器５４によって画定されるパターンをどのように調節すべきかを明確にする校正データを得るために校正測定が実行されてよい。

上述の実施形態のいずれ又は他の実施形態においても、走査システム５６は１Ｄ、２Ｄ、又は３Ｄ走査システムであってよい。走査システムはたとえば、１Ｄ、２Ｄ、又は３Ｄビームスキャナ、及び、該ビームスキャナからの出力から像を生成するように構成される付属の光学（たとえばレンズ）系を有してよい。走査システム５６が１Ｄ走査システムであるとき、走査システム５６は、変調器５４上で走査線（たとえば直線）に沿ってパターンの像を走査するように構成され、かつ、当該装置は、走査線に対して垂直な方向に沿って基板１８を動かすように構成されてよい。係る構成はたとえば、基板１８上で像のラスタスキャンを生成するのに用いられてよい。走査システム５６が２Ｄ走査システムであるとき、走査システム５６は、第１結像面内において光軸に対して垂直な２つの互いに垂直な軸に対して任意に変位する変調器５４上のパターンの像を位置設定する機能を有してよい。走査システム５６が３Ｄ走査システムであるとき、走査システム５６は、第１結像面の領域内において３次元で変調器上のパターンの像を位置設定する機能を有してよい。この構成は、２Ｄ走査システムと同じように像を位置設定する機能を有し得るが、光軸に平行な方向に沿って集束位置を変化させる付加的可能性をも有し得る。この機能は、光軸から離れた第１結像面内の位置での光路の増大に起因して起こり得る集束誤差を補正するのに有用となり得る。

Claims (33)

1. 基板上でレーザーアブレーションを実行する装置であって、
   パルスレーザービームを供するように構成される固体レーザー、
   プログラム可能な空間光変調器であって、該空間光変調器へ入力される制御信号によって定められるパターンによって前記パルスレーザービームを変調させるように構成される空間光変調器、
   第１結像面内の複数のとり得る場所のうちの一で選択的に前記パターンの像を生成するように構成される走査システム、及び、
   前記第１結像面内の各異なる場所で複数の前記パターンの像を順次生成するように前記走査システムと前記空間光変調器を制御するように構成される制御装置、
   を有する装置。
2. 前記基板が前記第１結像面内に設けられる、請求項１に記載の装置。
3. 前記基板上の各異なる位置に前記パターンの複数の像を生成するように構成される投影系をさらに有する請求項２に記載の装置であって、
   前記投影系の最終素子は、前記第１結像面内の各異なる位置に前記パターンの複数の像が生成される一方で、前記空間光変調器に対して静止して保持されるように構成される、
   装置。
4. 前記第１結像面内に生成される前記像を縮小、かつ、第２結像面内の前記基板上へ前記の縮小された像を投影するように構成される投影系をさらに有する請求項１に記載の装置であって、
   前記投影系は、前記第１結像面内の各異なる位置に生成される前記パターンの複数の像を、前記基板上の対応する複数の位置へ投影するように構成される、
   装置。
5. 前記投影系の最終素子が、前記第１結像面内の各異なる位置に前記パターンの複数の像が生成される一方で、前記空間光変調器に対して静止して保持されるように構成される、請求項４に記載の装置。
6. 前記第１結像面内に生成される前記像の特性を測定するように構成されるセンサをさらに有する、請求項４又は５に記載の装置。
7. 前記制御装置が、前記センサによって測定された特性を用いて、前記変調器と前記走査システムの一方又は両方の動作を制御するように構成される、請求項６に記載の装置。
8. 前記走査システムが、前記第１結像面内で生成される前記パターンの像が前記空間光変調器での前記パターンに対して縮小されるように、構成される、請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載の装置。
9. 前記制御装置は、前記の順次生成された像の各々が前記固体レーザーからの各異なる単一パルスから生成され得るように構成される、請求項１乃至８のうちいずれか一項に記載の装置。
10. 前記プログラム可能な空間光変調器が、前記固体レーザーからの連続するパルス間での各異なるパターンによって前記パルスレーザービームを変調させることが可能となるように構成され、
    前記パターンは一のパルスから次のパルスまでで変化され得る、
    請求項１乃至９のうちいずれか一項に記載の装置。
11. 前記制御装置は、前記パターンが生成されるべき前記第１結像面内の位置の関数として、前記第１結像面内に生成される前記パターンを調節するように構成される、
    請求項１乃至１０のうちいずれか一項に記載の装置。
12. 前記空間光変調器がミラーのアレイを有する、請求項１乃至１１のうちいずれか一項に記載の装置。
13. 前記各異なる位置が前記プログラム可能な空間光変調器の参照フレーム内において互いに異なる、請求項１乃至１２のうちいずれか一項に記載の装置。
14. 前記走査システムが前記パターンの像を生成可能な前記第１結像面内の複数のとり得る位置は、前記プログラム可能な空間光変調器の参照フレーム内において互いに異なる複数の位置である、請求項１乃至１３のうちいずれか一項に記載の装置。
15. 前記走査システムが２次元ビームスキャナを有する、請求項１乃至１４のうちいずれか一項に記載の装置。
16. 前記プログラム可能な空間光変調器が複数のアドレス指定可能な素子を有する、請求項１乃至１５のうちいずれか一項に記載の装置。
17. 前記プログラム可能な空間光変調器が個別にアドレス指定可能な素子の２次元アレイを有する、請求項１６に記載の装置。
18. 前記プログラム可能な空間光変調器が、前記第１結像面内の各異なる位置に前記パターンの複数の像を生成する間に静止したままとなるように構成される、請求項１乃至１７のうちいずれか一項に記載の装置。
19. 基板上でレーザーアブレーションを実行する方法であって、
    固体レーザーを用いてパルスレーザービームを供する段階、
    プログラム可能な空間光変調器へ制御信号を入力することで、パターンによって前記パルスレーザービームを変調させる段階、及び、
    前記空間光変調器によって定められるパターンの複数の像を第１結像面内の各異なる位置で順次生成する段階、
    を有する方法。
20. 前記基板が前記第１結像面内に設けられる、請求項１９に記載の方法。
21. 投影系が、前記基板上の各異なる位置に前記パターンの複数の像を生成するのに用いられ、かつ、
    前記投影系の最終素子が、前記第１結像面内の各異なる位置に前記パターンの複数の像が生成される一方で、前記空間光変調器に対して静止して保持されるように構成される、
    請求項１９又は２０に記載の方法。
22. 前記第１結像面内の前記像の縮小版を、第２結像面内の前記基板上へ投影する段階をさらに有する請求項１９乃至２１のうちいずれか一項に記載の方法であって、
    前記第１結像面内の各子となる位置に存在する像は、前記基板上の対応する格異なる位置へ投影される、
    方法。
23. 投影系が、前記第１結像面内の前記像の縮小版を、前記基板上へ投影するのに用いられ、かつ、
    前記投影系の最終素子が、前記第１結像面内の各異なる位置に前記パターンの複数の像が生成される一方で、前記空間光変調器に対して静止して保持されるように構成される、
    請求項２２に記載の方法。
24. 前記第１結像面内に生成される前記像の特性を測定する段階、及び、
    前記の測定された特性を用いて、前記変調器と前記走査システムの一方又は両方の動作を制御する段階、
    をさらに有する請求項１９乃至２３のうちいずれか一項に記載の方法。
25. 前記第１結像面内で生成される前記パターンの像の各々が、前記アレイでの前記パターンに対して縮小される、請求項１９乃至２４のうちいずれか一項に記載の方法。
26. 前記第１結像面内で生成される像が互いにぴったり合う形状をとる、請求項１９乃至２５のうちいずれか一項に記載の方法。
27. 前記各異なる位置が前記プログラム可能な空間光変調器の参照フレーム内において互いに異なる、請求項１９乃至２６のうちいずれか一項に記載の方法。
28. ２次元ビームスキャナが、前記各異なる位置で前記空間光変調器によって画定されるパターンの像を生成するのに用いられる、請求項１９乃至２７のうちいずれか一項に記載の方法。
29. 前記プログラム可能な空間光変調器が複数の個別にアドレス指定可能な素子を有する、請求項１９乃至２８のうちいずれか一項に記載の方法。
30. 前記プログラム可能な空間光変調器が個別にアドレス指定可能な素子の２次元アレイを有する、請求項２９に記載の方法。
31. 前記プログラム可能な空間光変調器が、前記第１結像面内の各異なる位置に前記パターンの複数の像を生成する間、静止して保持される、請求項１９乃至３０のうちいずれか一項に記載の方法。
32. 先に添付図面の図９を参照して、かつ／あるいは、図９で表されているように実質的に動作するように構成されるレーザーアブレーションを実行する装置。
33. 先に添付図面の図９を参照して、かつ／あるいは、図９で表されているように実質的に動作するように構成されるレーザーアブレーションを実行する方法。

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