레이저 처리 방법 및 장치 document_id A220623066996

레이저 처리는 다양한 결과를 달성하기 위해 다양한 전자 디바이스 상에서 사용된다. 일반적으로, 전자 디바이스는 소재로 언급된 동일한 구성요소의 실질적으로 평면 어레이로서 전자 디바이스의 다양한 제조 스테이지에서 나타난다. 소재의 예는 특히 반도체 웨이퍼, 인쇄 또는 에칭 배선 또는 회로 보드, 또는 세라믹 또는 실리콘 기판 상에 장착된 수동 또는 능동 구성요소 어레이를 포함한다. 일반적으로, 소재는 개별적으로 또는 일괄적으로 레이저 처리를 수행하는 특정 장치로/로부터 운반되고, 이것은 종종 자동적으로 언로딩되고 로딩될 수 있는 카세트 또는 매거진(magazine)에 운송된다. 레이저 처리라는 용어는 소재를 장치 상에 로딩하는 것과, 소재를 장치에 정렬하는 것과, 레이저 처리를 수행하는 것과, 소재를 장치로부터 언로딩하는 것을 포함한다. 레이저 처리는 다양한 프로세스를 달성하는 다양한 레이저를 이용하여 다수의 상이한 소재 상에서 수행될 수 있다. 레이저 처리의 예는 구멍 및/또는 비아(via) 형성을 달성하기 위한 단일 또는 다층 소재의 레이저 처리와, 웨이퍼 다이싱 또는 개별화(singulation)를 달성하기 위한 반도체 웨이퍼의 레이저 처리를 포함한다. 본 명세서에 기재된 레이저 처리 방법은, 또한 반도체 링크(퓨즈)의 제거, 열 어닐링, 수동 구성요소의 트리밍(trimming), 또는 실리콘을 포함하는 웨이퍼 또는 세라믹을 포함하는 기판을 자르거나 개별화하는 것을 포함하지만 여기에 한정되지 않는 많은 다른 유형의 레이저 물질 상호작용 프로세스에 적용될 수 있다. 여러 요인은 레이저 처리 장치의 바람직함을 결정한다. 이들 요인은 정밀도, 품질, 유용성, 융통성 및 처리량(throughput)을 포함한다. 이들 요인은 또한 다기능 성능을 갖는 그러한 장치를 포함한다. 다른 기능을 장치에 추가하는 것은 그러한 장치의 사용자가 상이한 장치 사이에서 소재를 전달하는 것을 피하고, 상이한 장치의 제거를 통해 비용을 감소시키거나, 이둘 모두에 의해 처리량을 얻게 한다. 처리량은 소재당 처리 비용에 대한 직접적인 영향으로 인해 매우 중요한 고려사항이다. 시스템 처리량은 물질 제거율, 소재 및 레이저 빔 위치 지정 속도 및 다른 시스템 오버헤드(system overhead)를 포함하는 여러 요인들의 함수이다. 시스템 오버헤드는 물질 제거 또는 변형이 직접 수반되지 않은 레이저 처리 장치의 모든 동작을 위한 시간이다. 시스템 오버헤드는, 소재의 로딩 및 언로딩, 소재의 정렬, 소재의 검사, 기계적 구성요소가 다음 동작을 안정시키는(settle) 것을 대기함, 레이저 및 다른 전자 구성요소가 전력 공급 또는 파라미터 변경시 전기적으로 안정시키는(settle) 것을 대기함을 포함할 수 있다. 레이저 처리에 의해 다층 기판에서 비아 형성을 위한 물질 제거율은 처리되는 다층 기판의 복잡도에 의해 부분적으로 결정되며, 이러한 복잡도는 일반적으로 레이저 시스템 설계자의 제어를 너머서는 요인의 함수이다. 도 1은 층(12, 14, 16 및 18)을 포함하는 임의 유형의 예시적인 다층 소재(10)를 도시한다. 일반적으로, 층(12 및 14)은, 각각이 알루미늄, 구리, 금, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 백금, 은, 티타늄, 텅스텐, 금속 질화물, 또는 이들의 조합을 포함하는 금속 층이다. 금속 층(12 및 14)은 약 9㎛ 내지 약 36㎛의 두께를 가질 수 있지만, 9㎛보다 얇거나, 72㎛만큼 두껍거나 그 이상일 수 있다. 각 층(16)은 일반적으로 벤조시클로부탄(BCB), 비스말이미드 트리아진(BT), 카드보드, 시안산염 에스테르, 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리머 합금, 또는 이들의 조합과 같은 표준 유기 유전 물질을 포함한다. 각 유기 유전 층(16)은 일반적으로 금속 층(12 및 14)보다 더 두껍다. 유기 유전 층(16)의 두께는 약 30㎛ 내지 약 1600㎛일 수 있다. 유기 유전 층(16)은 얇은 강화 구성요소 층(18)을 포함할 수 있다. 강화 구성요소 층(18)은 짜여지거나(woven) 또는 유기 유전 층(16)에 분산된, 예를 들어 아라미드 섬유, 세라믹 또는 유리로 된 섬유 매트 또는 분산 입자를 포함할 수 있다. 강화 구성요소 층(18)은 일반적으로 유기 유전 층(16)보다 훨씬 더 얇고, 약 1㎛ 내지 약 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 강화 물질은 또한 분말로서 유기 유전 층(16)에 주입될 수 있다. 이러한 분말형 강화 물질을 포함하는 강화 구성요소 층(18)은 인접하지 않고 균일하지 않을 수 있다. 층(12, 14, 16, 18)은 내부적으로 인접하지 않고, 균일하지 않고, 고르지 않을 수 있다. 금속, 유기 유전체 및 강화 구성요소 물질로 된 여러 층을 갖는 스택은 2mm보다 두꺼운 총 두께를 가질 수 있다. 도 1에서 일례로 도시된 임의의 소재(10)가 5개의 층을 갖지만, 본 발명은 단일 층 기판을 포함하는 임의의 원하는 수의 층을 갖는 소재 상에서 실시될 수 있다. 레이저 처리 장치에 대한 물질 제거율은 또한 이용가능한 펄스당 레이저 에너지 및 펄스 반복율에 의해 한정된다. 증가된 처리의 처리량은 절제(ablation), 열 증발, 또는 이들의 조합을 통해 물질 제거를 야기하는데 충분한 펄스 에너지에서 펄스 반복율을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 그러나, 처리 응용에 사용된 대부분의 레이저에 대해, 펄스 에너지는 펄스 반복율에 대략 반비례한다. 그 결과, 물질 제거를 야기하는데 필요한 최소 펄스 에너지, 및 에너지가 이용가능한 최대 펄스 반복율에 의해 결정된 최대 물질 제거율이 있을 수 있다. 이용가능한 펄스 에너지 및 펄스 속도에 관해 레이저의 선택은 레이저 처리 시스템 설계자의 선택을 한정시킬 수 있는 기술 발달, 비용, 및 다른 성능 파라미터에 의해 달성된다. 레이저 처리 장치의 시스템 처리량에 영향을 주는 다른 요인은 레이저 빔 위치 지정 속도이다. 레이저 처리는 일반적으로 소재 상의 특정 지점에서 레이저 빔을 향하게 하는 것과, 레이저 펄스의 특정 지속기간 또는 개수에 대해 레이저를 동작시키는 것을 수반한다. 레이저 빔은 소재, 레이저 빔 또는 이들의 조합을 이동시킴으로써 소재 상의 특정 지점에서 향하게 된다. 레이저 빔은, 레이저 처리가 달성되는 소재 상의 특정 위치로 향하게 될 수 있고, 후속적으로 추가 처리가 달성되는 다음 위치로 향하게 될 수 있다. 대안적으로, 레이저 빔은 소재에 대해 실질적으로 연속하여 이동하도록 향하게 될 수 있고, 그런 후에 레이저 빔은, 처리가 펄싱에 의해 달성되는 소재 상의 경로를 운행(describing)하거나, 다른 경우 레이저 빔과 소재 사이의 상대 운동 동안 레이저를 동작시킨다. 레이저 처리는 또한 이들 방법의 조합에 의해 달성될 수 있다. 이들 방법 모두에 공통적인 것은, 물질 제거율이 소재에 대한 레이저 빔 위치가 변경될 수 있는 속도에 의해 영향을 받는다는 것이다. 여러 요인은 비용, 정밀도, 전력 소모 및 크기를 포함하는 레이저 빔 위치 지정 속도를 결정하는 움직임 제어 구성요소의 선택에 영향을 미친다. 또한 레이저 전력이 일정한 반복가능한 결과를 보장하기 위해 처리 동안 안정할 필요가 있다. 이것을 달성하기 위해, 장치는 일반적으로, 레이저 전력을 모니터링하고, 레이저가 필요한 파라미터 내에서 동작하는 것을 확인하기 위해 처리 동안 레이저 전력 또는 에너지 검출기를 이용한다. 레이저 및 전력/에너지 검출기 모두는 시스템 오버헤드에 기여하는데, 이는 이들이 턴 온 이후에 안정화될 시간을 필요로 하여, 이를 통해 턴 온될 때마다 시스템 처리량을 감소시키기 때문이다. 레이저는 레이저가 턴 온되는 시간 길이에 비교적 한정되고 이에 비례하는 유용한 수명을 갖는 고가의 구성요소이다. 따라서, 레이저는, 일반적으로 소재의 로딩 및 언로딩과 같은 시스템 동작 동안 연장된 기간 동안 휴지 상태에 있는 경우 턴 오프된다. 시스템 처리량은 또한 시스템 오버헤드에 의해 영향을 받을 수 있다. 이것은 소재의 로딩, 정렬 및 언로딩에 필요한 시간을 포함한다. 도 2는 순차적으로 소재를 로딩, 처리 및 언로딩하는 종래의 장치에 대한 타이밍도를 도시한다. 도 2에 도시된 타이밍 차트의 검사는, 레이저 처리 장치 상에서 시간(0 내지 t2)으로서 도면에 도시된, 소재를 처리하는데 필요한 총 시간의 상당량이 시간 소비 처리(22)(시간 t2-t1)에 관련하여 로딩, 정렬, 및 레이저가 안정(settle)하기를 대기함(20)(시간 0 내지 t1)의 오버헤드 활동에 소비된다. 몇몇 레이저 처리 시스템은 동시에 2 이상의 위치를 처리하기 위해 2 이상의 레이저 빔을 적용한다. 2개의 레이저를 사용하는 종래의 장치의 예는 미국 특허 출원 공개공보 2005/00985496, "레이저 빔 가공 장치"에 기재된 장치이다. 본 명세서에 개시된 장치는 이 장치에 장착되고, 2개의 레이저 빔으로 동시에 처리된다. 도 3은 2개의 소재를 동시에 처리함으로써 증가하는 처리량에 대한 이러한 종래의 접근법의 타이밍도를 도시한다. WP1 및 WP2로 표시된 2개의 시간 라인은 동시에 2개의 소재에 적용되는 처리를 나타낸다. 소재 모두는 시간 기간(30 및 32) 동안 로딩된다. 소재 모두는 시간 기간(34 및 36) 동안 처리된다. 시간 기간(38 및 40) 동안, 소재 모두는 언로딩되고, 새로운 소재는 장치에 로딩된다. 2개의 새로운 소재 상의 처리는 시간 기간(42 및 44) 동안 발생한다. 이러한 장치가 단일 스테이션의 종래 기술의 장치의 처리량의 2배까지 산출할 수 있더라도, 도 3에서의 타이밍도의 실험은 소재의 로딩 및 언로딩에 바쳐진 상당한 시스템 오버헤드를 보여준다. 이러한 로드 및 언로드 시간 동안, 레이저는 소재를 처리하지 않고, 일반적으로 턴 오프된다. 이러한 접근법은, 레이저 빔을 소재로 향하게 하는데 필요한 추가 레이저 및 광학 및 기계적 구성요소를 추가하는 복잡도 및 증가하는 비용을 경험하지만, 레이저의 턴 온 및 안정화와 연관된 처리 시간 지연을 피하지 못한다. 장치가 레이저 및 광학 구성요소의 이용을 개선시킴으로써 소재를 처리하기 위해 단일 또는 다중 레이저 빔을 이용할 때 처리량을 증가시킬 수 있는 전자 구성요소의 레이저 처리를 수행하는 것이 계속해서 요구된다.