DPSS UV Laser Projection Ablation of IC Substrates using an INVAR Mask

손현기․최한섭․박종식

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Journal of KSLP, Vol. 15, No. 4, December 2012

INVAR 마스크 응용 반도체 기판 소재의 고체 UV 레이저 프로젝션 어블레이션

손현기^⌧,*, 최한섭^**, 박종식^***

*

한국기계연구원 광응용기게연구실,

(주)큐엠씨, 연구소,

(주)리스광시스템 기술부설연구소

DPSS UV Laser Projection Ablation of IC Substrates using an INVAR Mask

Hyonkee Sohn^*, Hanseop Choe^**, Jong-Sig Park^***

*

Department of Laser & Electorn Beam Application, KIMM

**

R&D Division, QMC Co., Ltd.

***

Applied Optics Team, LEES Optical System Inc.

Abstract

Due to the fact that the dimensions of circuit lines of IC substrates have been forecast to reduce rapidly, engraving the circuit line patterns with laser has emerged as a promising alternative. To engrave circuit line patterns in an IC substrate, we used a projection ablation technique in which a metal (INVAR) mask and a DPSS UV laser instead of an excimer laser are used. Results showed that the circuit line patterns engraved in the IC substrate have a width of about 15μm and a depth of 13μ m. This indicates that the projection ablation with a metal mask and a DPSS UV laser could feasibly replace the semi-additive process (SAP).

Keywords: Projection ablation(프로젝션 어블레이션), INVAR mask(INVAR 마스크), DPSS UV laser(DPSS

UV 레이저), IC substrate(반도체 기판), Buildup film(빌드업 필름)

1. 서 론

CPU와 같은 high-end IC 칩의 실장(mounting)에 사용되는 반도체 기판(IC substrate)은 세라믹 분말 (ceramic fillers)이 함유된 폴리머 필름(buildup film)을 반복적으로 적층하는 방식으로 제작된다.

현재 반도체 기판의 도선(circuit line) 패터닝 양산 공정에 적용되고 있는 SAP(semi-additive process) 는 에칭을 기반으로 양각 형태로 도선 패턴을 제 작하고 있으나, 향후 반도체 기판의 도선 패턴 선 폭이 지속적으로 감소할 것으로 전망되어 레이저 를 이용한 음각 형태(embedded)의 도선 패턴을 제 작하는 공정 개발 연구가 진행되고 있다.

반도체 기판에 음각 도선 패턴을 가공하기 위한 레이 저 패터닝 공정은 집속된(focussed) 레이저 빔을 이용하 는 직접식 어블레이션(direct ablation) 방식과 가공할 패턴이 형성된 마스크와 균일화된(homogenized) 레이

투고일 : 2012년 12월 17일 심사완료일 : 2012년 12월 18일 게재승인일 : 2012년 12월 20일

교신저자 : 손현기 ⌧ [email protected]

저 빔을 이용하는 프로젝션 어블레이션(projection abla- tion) 방식이 있다. 전자의 경우 가공하고자 하는 도선 패턴 각각을 레이저 빔으로 직접 가공하게 되어 가공시 간이 길어지는 단점이 있으며 , 후자의 경우 높은 생산성 을 보이나 , 엑시머(excimer) 레이저와 마스크를 사용하 므로, 초기 투자 및 유지비용이 높고, 폴리머 소재를 어블레이션 할 수 있는 높은 에너지의 레이저 빔을 견딜 수 있는 마스크 제작이 어려운 단점이 있다.

본 연구에서는 고체 UV 레이저와 금속 마스크 (INVAR 소재)를 적용한 프로젝션 어블레이션을 이용 하여 반도체 기판에 음각 도선 패턴을 가공하는 공정에 대한 실험적 연구를 수행한다. 고체 UV 레이저는 엑시 머 레이저에 비해 가격이 낮고 유지 및 보수가 용이한 장점이 있다.

2. 실험 방법

반도체 기판의 음각 도선 패턴을 프로젝션 어블레이

션하기 위해 사용된 고체 UV 레이저의 사양은 파장

355nm, 평균출력 33W, 펄스 반복율 300kHz, 펄스폭

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한국레이저가공학회지 제15권 제4호, 2012년 12월 40ns 등이다. 레이저 빔을 집속하는 telecentric f-θ 렌즈의

사양은 초점거리 150mm, 초점 직경 25μm, 조사면적 40mm × 40mm 등이며, 프로젝션 렌즈의 비율은 1:1로 설계 및 제작되었다.

Fig. 1 Experimental setup.

Fig. 2 Schematic of the experimental setup.

실험에서 레이저 빔은 레이저 스캐너(intelliScan 20, Scanlab)를 이용하여 래스터(raster) 방식으로 40mm × 40mm의 전체 영역에 조사하였다. 레이저 출력 안정성을 확보하기 위해 고체 UV 레이저 자체 출력은 고정하고 beam splitter와 ND 필터를 이용하여 출력을 미세 조정하 였다.

레이저 출력, 펄스 반복률, 조사 속도를 변화시키면 서 INVAR 마스크의 선폭과 동일한 선폭을 갖는 도선 패턴이 반도체 기판에 가공되는 조건을 도출하였으 며, 이때 도선 패턴의 세장비(aspect ratio)는 반도체 기판 도선 패턴의 요구 조건에 따라 1이 되는 조건을 최적 조건으로 하였다.

3. 결과 및 토론

3.1 INVAR 마스크 가공

프로젝션 어블레이션에 사용된 금속 마스크는 내열강인 두께 30μm의 INVAR 소재를 피코초

레이저로 가공하였다. 레이저 빔을 집속하기 위 해서는 telecentric f-θ 렌즈를 이용하였다. Telecentric f-θ 렌즈의 초점거리는 100mm이며, 초점 직경은 20μm이다. 가공 실험에서 피코초 레이저의 파장 은 515nm, 평균출력은 1W, 펄스 에너지는 5μJ로 설정하였다.

Fig. 3 Picosecond laser system (left) and the fabricated INVAR mask (right).

Fig. 4 Optical images of the fabricated INVAR mask (bottom width (left): 16μm and top width (right):

40μm).

Fig. 5 The designed circuit line pattern (left) and the fabricated INVAR mask (right).

기초 실험을 위해 선형(straight line) 패턴을 갖 는 마스크(fig. 3,4)와 적용 가능성 테스트를 위해 샘플 도선 패턴을 갖은 마스크(fig. 5)를 동일한 공정 조건으로 가공하였다. INVAR 소재의 열변 형을 최소화하기 위해 레이저 빔을 반복적으로 조사하였으며, 가공된 INVAR 마스크의 선폭은 하부 16μm, 상부 40μm로 측정되었다. 샘플 도선 패턴 마스크의 면적은 프로젝션 어블레이션에서 사용된 telecentric f-θ 렌즈의 조사면적과 동일하 게 40mm × 40mm으로 가공하였다.

3.2 반도체 기판의 프로젝션 어블레이션

선형 패턴을 갖는 INVAR 마스크(fig. 3)를 사

용하여 반도체 기판에 점, 선 패턴 가공 실험을

수행하여 프로젝션 비율(1:1)을 만족하는 가공 조

손현기․최한섭․박종식

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Journal of KSLP, Vol. 15, No. 4, December 2012 건을 도출하였다. 실험에서 레이저 빔을 선형 패 턴에 수직한 방향으로 조사하였다.

Fig. 6 Dot pattern fabricated in the IC substrate.

Fig. 7 Confocal microscope images of the dot pattern (top width: 16μm, bottom width: 20μm and depth: 15μm).

마스크와 동일한 선폭과 세장비가 1이 되는 가공 조건은 레이저 출력 110mW, 펄스 반복률 100kHz, 조사 속도 150mm/sec로 도출되었다. 레이저 빔은 1회 조사되었으며, 반도체 기판에 가공된 사각형 점 패턴의 치수는 마스크 패턴과 수직 방향으로는 16μm, 수평 방향으로 20μm로 측정되었다(fig. 6,7). 수직 방향의 선폭은 마스크 패턴에 의해 크기가 결정 된 것이며, 이때 도선 패턴의 선폭은 약 16μm로 측 정되었다(fig. 7).

Fig. 8 Optical images of the straight circuit line fabricated in the IC substrate.

동일한 가공 조건으로 선형 패턴을 가공하였으며, 이때 인접한 레이저 빔의 경로 간 중첩율은 70%로 하였을 때 균일한 선폭을 얻을 수 있었다(fig. 8).

가공된 선형 패턴의 치수를 측정한 결과 선폭은 16μm, 깊이는 15μm로 확인되었다(fig. 9,10).

Fig. 9 SEM images of the straight circuit line fabricated in the IC substrate (pattern width: 16μm).

Fig. 10 Confocal microscope images of the straight circuit line fabricated in the IC substrate (pattern width: 16μm and depth: 15μm).

Fig. 11 Projection ablation of the sample circuit line pattern into the IC substrate.

점, 선 패턴 가공 실험에서 도출한 가공 조건으로

샘플 도선 패턴 가공을 실험을 수행하였다. 실험

에 사용된 샘플 도선 패턴은 실제품의 일부분을

수정한 것이다. 샘플 도선 패턴의 면적은 40mm ×

40mm로 레이저 빔 조사를 위해 설계 및 제작한

telecentric f-θ 렌즈의 조사 면적과 동일하다. 실험

에서 레이저 빔을 레스터(raster) 방식으로 조사하

였으며, fig. 11에서 INVAR 마스크와 프로젝션 렌

즈를 통과한 레이저 빔이 마스크 형상대로 반도체

기판 위에 조사되는 것을 볼 수 있다.

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한국레이저가공학회지 제15권 제4호, 2012년 12월 Fig. 12 The fabricated sample circuit line pattern (left)

and the detailed optical image of some circuit lines fabricated in the IC substrate (right).

Fig. 13 Confocal images of the sample circuit line patterns fabricated in the IC substrate.

측정 결과, 반도체 기판 위에 형성된 샘플 도선 패턴의 치수는 선폭 15μm이며, 깊이는 13μm로 확인되었다. 따라서 INVAR 마스크를 사용한 프 로젝션 어블레이션 공정에서 반도체 기판에 선폭 15μm이하, 세장비 ~1인 도선 패턴을 가공할 수 있으므로 기존의 에칭 기반 SAP를 대체할 수 있 는 가능성을 확인하였다.

실험에서 INVAR 마스크는 유리 기판 사이에 고 정하였으며, 패턴이 조밀한 부분은 마스크가 유리 기판에 밀착되지 않아 가공된 패턴의 선폭 오차가 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 사용된 마스 크는 내열강인 INVAR 소재이나, 도출된 가공 조건 하에서 가공 시 열축적(heat accumulation)이 발생하 여 다수 사용 시 변형이 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 일반적으로 사용되는 크롬(chromium) 박막 마스크에 비해 내열성이 매우 높으나, 여전히 신뢰 성 있는 대체 마스크의 적용이 필수적이다.

4. 결 론

피코초 레이저로 가공한 INVAR 마스크와 고체 UV 레이저를 이용한 프로젝션 어블레이션 공정을 반도체 기판의 음각 도선 패턴 가공에 적용하여 선폭 15μm, 깊이 13μm을 갖는 샘플 도선 패턴을 가공하였다. 현재 양산에 적용되고 있는 SAP 공정 에서 17μm의 선폭을 갖는 도선 패턴이 가공되고 있으므로, INVAR 마스크와 고체 UV 레이저를 이

용한 프로젝션 어블레이션 공정이 SAP을 대체할 수 있는 가능성이 있다고 할 수 있다. 실험에 적용 된 INVAR 마스크는 다수 사용 시 열축적 현상이 발생하여 변형이 발생하므로, 장기간 사용 할 수 있는 마스크의 적용 또는 개발이 필수적이다.

후 기

본 연구는 산업원천기술개발사업인 고밀도 인쇄 회로 기판용 laser direct polymer patterning 기술 개발과제(과제번호 : 10035494)의 지원으로 수행되 었습니다.

References

1) http://www.itrs.net/Links/2010ITRS/2010Update/

ToPost/2010Tables_Interconnect_FOCUS_E1_IT RS.xls.

2) Sohn, H., Shin, D-S and Choi, J., “Fabrication of embedded circuit patterns for IC substrates using UV laser,” J. of KSLP, Vol. 14, No. 1, pp. 14-18, 2011.

3) Lankard, J. R. and Wolbold, G., “Excimer laser ablation of polymide in a manufacturing facility,”

Appl. Phys. A, 54, 355-359, 1992.

4) Yeh, J. T. C., “Laser ablation of polymer,” J of Vacuum Sci & Tech A: Vacuum, Surfaces, and Films, Vol. 4, No. 3, pp. 653-658, 1986 5) Perriere, J., Millon, E. and Fogarassy, E.,

“Recent advanced in laser processing of

materials,” Elsevier Ltd., London, 2006.