專利名稱：在多層電路中形成通孔的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在無機介質層中形成通孔的方法。它尤其涉及在多層電路用介質層中快速形成密集的通孔圖案的方法。
通孔是用于連接多層電路中可操作的相鄰諸層的導電通道。在多層電路中形成通孔的傳統(tǒng)方法是在基底導體圖案上絲網(wǎng)印刷一層糊狀介質漿料圖案，借此通過掩蔽的不透明區(qū)形成通孔。然后將印刷上去的介質層經(jīng)過焙燒，并通過絲網(wǎng)印刷把導電的糊狀厚膜漿料充填于通孔中。制造通孔的另一種方法是在介質生帶(greentape未經(jīng)焙燒)上穿孔，再用上述方式通過絲網(wǎng)印刷充填通孔，并焙燒此介質生帶，以去除有機中間物。但是，這些在多層電路中制造通孔的方法均有其局限性，也即在厚膜情況下，通孔直徑需為8-10mil或更大，在未焙燒的介質生帶情況下，通孔直徑需為4mil或更大，只有這樣，才能可靠地制成形狀一致、勻稱的通孔，如果試圖用這些方法制作更小的通孔，則在印刷和焙燒過程中通孔有填滿堵塞的傾向。
為改進傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷方法，許多實驗家提出采用激光鉆孔來形成通孔。例如，柯卡(Cocca)等人建議，對覆蓋在厚膜導體上的未焙燒厚膜介質用激光鉆孔(柯卡(Coccaetal)等，在高密度多層厚膜電路用介質中通孔的激光鉆作，固態(tài)技術，1978年9月號，63-66頁)。在用這種方法鉆作通孔時，柯卡等人用脈沖式TAG(釔鋁石榴石)激光器，功率水平為42-47MJ，單個激光脈沖，它造成被激光所鉆出通孔下面金導體圖案的去除。此外，巴雷特(Barrettetal.)等人揭示了已焙燒介質層的激光鉆孔方法，采用脈沖式YAG激光器，功率1W，Q率為1KHz。研究表明，鉆孔的深度與給定功率水平下的脈沖數(shù)直接相關(巴雷特等人，激光鉆作厚膜通孔的掃描電子顯微鏡分析方法，混合電路，1984年春季第4期，61-63頁)。
最近，在1990年10月25日提交的流水號為PCT/US90/06160的專利申請中，川崎(Kawasaki)等人公布了采用激光束在無機絕緣(介質)層中形成通孔的方法，此絕續(xù)層在光反射襯底上具有透明的保護層，用厚膜漿料充填通孔后除去保護層，然后重復上述步驟，以獲取所要的層數(shù)，此后將整個組件一起焙燒。
另外，在1991年8月1日提出的流水號為07/739.205的美國專利申請中，揭示了一種在脈沖頻率為1KHz等仔細控制的工作條件下，利用YAG激光器在未焙燒介質層中鉆孔的方法。脈沖激光束利用一種脈沖電流計光束定位儀定位，以便于快速鉆出一系列單個通孔。
每一種用激光鉆作通孔的已有技術方法不是采用YAG就是采用CO2激光器，或者用波長相對較長的激光，它們依賴于用密集的強熱促使有機物質幾乎爆炸燒蝕。這些方法在很多場合下均適用。但是，它們在鉆出極小通孔時不太理想，因為通孔的分辨率低于所希望的。當多層器件帶有密集的通孔圖案，例如每cm220個通孔或更多時，精細的通孔分辨率尤其重要。
因此本發(fā)明的主要目的在于提供一種在未焙燒層中快速形成尺寸預定的高密度通孔陣列圖案的方法，該未焙燒層包括彌散分布在基本不含有揮發(fā)性有機溶劑的可燒蝕有機中間物的微細介質固體粒子，層厚為1～1，000微米，該方法包括下列步驟(a)準備一光束分割裝置，它將一束準分子(Excimer)激光束分割成多束尺寸預定的較小光束，這些較小的光束排列成通孔陣列圖案中選中部分的圖案;
(b)調(diào)節(jié)光束分割裝置在未焙燒層上部暴露表面與準分子激光束光源之間的相對位置，使得從光束分割裝置發(fā)出的呈現(xiàn)陣列圖案形狀的這些較小準分子激光束投射到未焙燒層表面的預定區(qū)域;
(c)將這些較小的準分子激光束按下述條件投射到介質層的表面，即(1)功率水平為0.1～10J/cm2和(2)鉆孔速率為每一脈沖0.2～2μm，以從暴露在激光束下的介質層區(qū)域中完全燒去有機中間物，而不致增加該處介質固體的密度;
(d)在未焙燒層的其它預定區(qū)域重復步驟(b)和(c)，直到完成未焙燒層中通孔陣列圖案為止。
本發(fā)明的方法任務在于在多層電路中迅速而又準確地形成通孔和通道。具體而言，本發(fā)明的任務是在焙燒前，在生帶和厚膜介質材料中準確而又快速地形成一大片4～6mil或更小的精細通孔圖案。
多層電路中的通道用于將由較薄介質材料層隔離開的各導電層的電路圖案在電氣上相連接?？紤]到將復雜的多層電路對面積的要求降至最低所必需的極大電路密度，通路在位置和構形上都必須準確，且要非?？斓匦纬?，例如，一塊4×4英寸的多層電路的單個介質層可能需要數(shù)量級為10，000個之多的通道，而由其制成的器件可能包含多達60層這樣的介質層。此外，這類器件常常需要大批量生產(chǎn)，例如，每日生產(chǎn)數(shù)千件。
關于利用激光對包括多層電路用介質層在內(nèi)的各種有機和無機材料進行鉆孔和作標記，已有技術有很多這方面的介紹。確實，在如何以適當?shù)闹圃焖俾蕵O快地鉆出通孔方面已取得不少重要進展。但是，隨著多層器件的線寬和間距變得更為細小，通孔圖案變得更為密集，要改進通孔的分辨率就變得日益重要。申請人發(fā)現(xiàn)，利用由準分子激光器產(chǎn)生的那種短波長光束，可以在極大程度上實現(xiàn)這點。
準分子激光器是種高功率激光，在紫外線頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生集中的光束。其產(chǎn)生激光的能力基于對各種雙原子氣體分子的激發(fā)。具體講，準分子激光器構成-激光器家族，所發(fā)光的波長范圍為157～353nm。最常用的4種準分子是XeF(353nm)，XeCl(308nm)，KrF(248nm)和ArF(193nm)，本發(fā)明優(yōu)先采用后面兩種。將準分子激光器用于本發(fā)明的一個優(yōu)點在于，它所產(chǎn)生的光更能夠在有機膜層中引起光化學反應。事實上已經(jīng)斷定，“準分子激光器的短波長輸出能使化學鍵真正地直接斷開，從而提供一種非熱方式控制反應的裝置。(茲諾汀斯，T.A.，準分子激光器嶄露頭角的半導體處理技術，《固態(tài)技術》，1986年9月號)。具體而言，可在顯著減低的熱條件下獲得類似程度的反應。
由于準分子激光器發(fā)出的光束相當之大，故可將它方便地分割成許多尺寸適合于通孔鉆作的較小光束。這樣，準分子激光器在這種用途下的一個優(yōu)點就是能同時鉆作出大量通孔。因而不必在每個通孔完成之后將目標物或激光光源重新定位。此外，如果需要的話，那些通孔可以具有不同的尺寸和形狀。再有，本發(fā)明不局限于形成通孔。它也可用于燒蝕襯底，以形成凹坑或凹陷。
光束的分割用常規(guī)的掩模，或者通過光學法利用諸如計算機產(chǎn)生的全息圖之類裝置加以實現(xiàn)。作為例示，在激光光源和要鉆孔的未焙燒介質層之間，設置帶有不透明和透明或開口區(qū)域的常規(guī)掩模，這些區(qū)域呈現(xiàn)所欲形成的通孔圖案。掩?？梢灾苯又糜诮橘|表面，或者可以從表面上移開，激光束通過光學透鏡系統(tǒng)聚焦?？梢钥吹?，當從介質層的一個區(qū)域轉向另一區(qū)域時，可以移動要鉆孔的工件，或者移動激光源，或者移動兩者，以實現(xiàn)激光束在工件上的再定位。
本發(fā)明方法的眾多優(yōu)點之一在于，它適用于通常的厚膜導體、介質材料和介質生帶以及用這些材料形成電路的常規(guī)技術領域。
這樣，導電層或金屬化可由通常的厚膜導電漿料形成，后者由彌散分布在其流變性適合于絲網(wǎng)印刷的有機中間物中的微細導電金屬或金屬氧化物顆粒組成。這種可印刷的厚膜漿料也可包含微細的無機粘合劑顆粒。在印刷上適當?shù)碾娐穲D案后，將導電厚膜層經(jīng)過焙燒，以使有機中間物揮發(fā)和使固體成分燒結。
介質層最好用生介質帶迭合一層或多層而成。生介質帶由彌散分布在聚合物母體中的諸如鈦酸鋇、氧化鋁或玻璃之類微細介質材料構成，當?shù)系纳鷰г谘趸蚍茄趸瘹夥罩斜簾龝r，聚合物母體可以熱解。在焙燒時，聚合物母體被熱解(燒除)，介質材料則被燒結和/或致密化。介質層也可以用一層厚膜介質漿料形成。
這類厚膜導體的成分和生介質帶及其使用方法在電子材料領域中是眾所周知的。
所有欲在本發(fā)明中使用的襯底材料的一個必要條件是它們在形成薄層(例如600μm)之后必須堅硬，并且大小穩(wěn)定。亦即在焙燒時，不應產(chǎn)生任何明顯的彎曲度。本發(fā)明中最常采用的襯底將由氧化鋁之類電絕緣的陶瓷材料做成。但是，在某些場合，襯底可以由迭合的生帶、導熱金屬或者諸如瓷鋼一類涂覆有陶瓷的金屬做成。
生帶層中的通孔一般用兩種方法之一填充。一種技術是通過絲網(wǎng)印刷，將厚膜導電漿料直接填入通孔中。另一種方法是在絲網(wǎng)印刷導電覆蓋層期間，利用厚膜漿料流體填入通孔。
本發(fā)明的方法可用來制備例如包含15至60層導電層的多層電路。生帶厚度通常為50至400μm。另一方面，未焙燒厚膜層的厚度通常為25至50μm。
但本發(fā)明的方法可用來對厚達1000mil的介質材料進行鉆孔。
為了說明本發(fā)明應用于燒蝕介質襯底的情況，茲舉例如下。對于兩種不同的生帶成分用準分子激光器不同功率水平的光束在四種不同的生帶上進行鉆孔。在例1和例2中，生帶的介質部分是一含有氧化鋁填充劑的鉛硼硅酸鹽玻璃，而在例3和例4中，生帶的介質部分是一含有堇青石填充劑的硼硅酸鹽玻璃。每一種生帶均以3.2和8.0J/cm2的能量密度水平進行燒蝕。這些試驗的結果在下表中給出功率和薄膜成分對未焙燒生帶鉆孔速率的影響
②含有堇青石填充劑的硼硅酸鹽玻璃;
上述數(shù)據(jù)表明，功率水平對鉆孔速率有很大影響，但有機物和介質固體相對數(shù)量上較小的差別則否。然而含堇青石填充劑的生帶具有明顯較高的鉆孔速率則表明，介質固體的性質極大地影響本發(fā)明所能達到的鉆孔速率。
權利要求
1.一種在未焙燒層中快速形成尺寸預定的高密度通孔陣列圖案的方法，該未焙燒層包含有分布在基本不含揮發(fā)性有機溶劑的可燒蝕有機中間物中微細的介質固體顆粒，層厚為1～1000μm，其特征在于，它包括下列步驟(a)準備一光束分割裝置，它將一束準分子激光束分割成多束尺寸預定的較小光束，這些較小的光束排列成通孔陣列圖案中選中部分的圖案；(b)調(diào)節(jié)光束分割裝置在未焙燒層上部暴露表面與準分子激光束光源之間的相對位置，使得從光束分割裝置發(fā)出的呈現(xiàn)陣列圖案形的這些較小準分子激光束投射到未焙燒層表面的預定區(qū)域；(c)將這些較小的準分子激光束按下述條件投射到電介質層的表面，即功率水平為0.1～10J/cm2和(2)鉆孔速率為每一脈沖0.2～2μm，以暴露在激光束下的介質層區(qū)域中完全燒去有機中間物，而不致增加該處介質固體的密度；(d)在未焙燒層的其它預定區(qū)域重復步驟(b)和(c)，直到未焙燒層中通孔陣列圖案完成為止。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在通孔形成之后將一股氣流對準未焙燒層的目標區(qū)域，以除去介質層被燒蝕區(qū)域中殘留的任何剩余固體。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，激光束的功率水平不高于1J/cm2。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，激光束分割裝置是一塊帶孔的掩模，掩模帶有對準分子激光束而言不透明和透明的區(qū)域，透明區(qū)域按通孔的圖案排列。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，掩模與未焙燒層按共形接觸方式定位。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，激光束分割裝置通過光學法用計算機產(chǎn)生的全息圖形成呈現(xiàn)圖案陣列的多束激光束。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，未焙燒層區(qū)域上圖案化的通孔密度至少為每cm220個通孔。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，未焙燒層是生帶。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，未焙燒層是經(jīng)過加熱干燥從而去除掉揮發(fā)性溶劑的厚膜漿料。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，介質固體包括堇青石和硼硅酸鹽玻璃。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，介質固體包括氧化鋁和鉛硼硅酸鹽玻璃。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于，可燒蝕有機中間物包括丙烯酸聚合物。
13.如權利要求1所述的方法，其特征在于，準分子選自XeF和ArF。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在多層電路中快速形成密集通孔圖案的方法，其中介質層通孔利用受控工作條件下的準分子激光器鉆孔形成。
文檔編號H05K1/03GK1091233SQ94100039
公開日1994年8月24日 申請日期1994年1月7日 優(yōu)先權日1993年1月8日
發(fā)明者杰伊·羅伯特·多爾夫曼, 理查德·雷蒙德·德勞特, 托馬斯·戴維·蘭澤, 亞瑟·哈維·莫納, 戴維·勒魯瓦·薩頓 申請人:E.I.內(nèi)穆爾杜邦公司