專利名稱：基于激光的材料加工方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及脈沖激光器和利用高重復率脈沖激光加工材料。
背景技術(shù)：
包括例如薄硅晶圓切割、印刷電路板(PCB)鉆孔、太陽能電池制造和平板顯示器 制造的若干個材料加工應(yīng)用涉及類似的材料加工技術(shù)和問題。早先的解決方案包括機械和 平板印刷加工技術(shù)。不過，裝置尺寸的減小、裝置復雜度的增大和化學加工的環(huán)境代價使得 所述行業(yè)朝向激光加工方法轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)在采用通常波長為lPm或具有綠光或UV波長的頻率 轉(zhuǎn)換形式的大功率二極管泵浦固態(tài)激光器。在某些應(yīng)用中采用的一種方法包括以較高的掃 描速度反復通過來逐漸切穿材料。在所述應(yīng)用中，存在三個主要問題(a)清晰利落的切割 所需的材料而不對材料造成損害(例如，殘余應(yīng)力，脫層，熱引起的材料改性等)，(b)實現(xiàn) 商用可行的足夠高量的材料去除率，和(c)重鑄材料的減少和消除。為有效和高質(zhì)量基于激光的材料加工已經(jīng)提出了不同的選擇，包括以高重復率操 作具有較少的碎屑和熔化。不過，限制在加工位置附近積聚再沉積材料的問題還沒有充分 解決，并且這一般是個難以克服的問題。由于快速加工需要高材料去除率，從加工位置射出 的較大量被燒蝕材料一般可能包括熔融物、較大量的固體材料和蒸汽的一種或多種。還可 能再沉積下至納米級(例如lOnm)的精細分布的微粒。在不同的應(yīng)用中，通過工藝改造解決了限制積聚的問題。例如，在某些當前的半導體工業(yè)技術(shù)中，基片可能用犧牲層材料進行涂層，所述犧牲層材料在激光加工后用再沉積 材料去除。該工藝步驟可以單獨使用或結(jié)合基片的后處理用各種化學溶劑去除重鑄物進行 使用。不過，所述技術(shù)通過增加額外的加工步驟和額外的消耗材料而降低了處理能力并增 加了成本。就這點而論，優(yōu)選的解決方案會消除對所述碎屑去除的需要。處理碎屑可包括熔渣，熔化區(qū)域，熱影響區(qū)，等等。在某些情況，利用傳統(tǒng)的非化學 清潔技術(shù)，例如在超聲波浴中清洗，不能有效地去除碎屑。此外，集成電路和半導體裝置中采用的低介電材料和復合層對于基于激光的材料 加工的某些實施提出了挑戰(zhàn)。低介電材料可包括介電常數(shù)小于二氧化硅的介電常數(shù)的材 料。例如，低介電材料可包括電介質(zhì)材料，例如摻雜的二氧化硅，聚合物電介質(zhì)等等。

發(fā)明內(nèi)容
由于前述的挑戰(zhàn)和限制，發(fā)明人認識到存在不僅要有效加工材料還要限制再沉積 材料的積聚的需要。非常需要能夠除去昂貴加工步驟的解決方案。因此，本文所披露的系 統(tǒng)和方法的不同實施例可用于工件的靶材料的基于激光的改性，同時實現(xiàn)在加工處理能力 和/或質(zhì)量上的改進。在一個概況方面，提供了激光加工工件的方法。所述方法包括以足夠高的脈沖重 復率將激光脈沖聚焦和引導至工件的一區(qū)域，使得材料被有效地從所述區(qū)域去除，并且相 對于以較低重復率可獲得的數(shù)量在所述區(qū)域內(nèi)或鄰近所述區(qū)域的不想要材料的數(shù)量降低 了。例如，在所述方法的某些實施例中，脈沖重復率可在約100kHz-5MHz的范圍內(nèi)。在另一概況方面，激光加工工件的方法可包括以足夠高的脈沖重復率將激光脈沖 聚焦和引導至工件的一區(qū)域，使得一個或多個材料內(nèi)的熱積聚被控制以便能提供快速材料 去除，同時限制被加工區(qū)域周圍的再沉積材料的積聚。所述方法可控制熱影響區(qū)(HAZ)。在另一概況方面，激光加工工件的方法包括用具有一脈沖寬度的激光脈沖照射工 件的至少一個材料。可將激光脈沖聚焦在所述至少一個材料中的光斑上。所述聚焦的光斑 可以相對于材料以一掃描速度進行相對掃描。在某些實施中，所述工件包括有圖案的區(qū)域 和光面(bare)半導體晶圓區(qū)域。所述有圖案的區(qū)域可包括電介質(zhì)材料和金屬材料中的至 少一種。在某些實施例中，用于去除至少一部分有圖案區(qū)域的掃描速度明顯小于用于去除 至少一部分光面晶體區(qū)域的掃描速度。在某些實施例中，對于照射有圖案區(qū)域的相鄰聚焦光斑之間的重疊明顯大于對于 照射光面晶體區(qū)域的相鄰聚焦光斑之間的重疊。例如，在某些情況，照射有圖案區(qū)域的重疊 可以大于約95%。在某些實施例中，在有圖案區(qū)域內(nèi)的至少一部分材料利用在約lOOps至約500ps 范圍內(nèi)的脈沖寬度進行改性。在某些實施例中，在半導體晶圓區(qū)域內(nèi)的至少一部分材料利 用在約lOOfs至約10ps范圍內(nèi)的脈沖寬度進行改性。至少一個實施例包括適于實施上述激光加工方法的實施例的超短脈沖激光系統(tǒng)。 至少一個實施例包括超短脈沖激光系統(tǒng)，所述激光系統(tǒng)包括至少一個光纖放大器或光纖激 光器。至少一個實施例包括被設(shè)置成“全光纖”設(shè)計的超短脈沖激光系統(tǒng)。在不同的實施例中，脈沖激光系統(tǒng)提供至少一個脈沖的脈沖寬度小于約10ps。在 某些實施例中，至少一個脈沖的脈沖寬度小于約幾納秒，例如亞納秒脈沖。
本發(fā)明提供了劃片、切片、切割或加工以從多材料工件的一區(qū)域去除材料的方法 的實施例。在某些實施例中，所述方法包括將激光脈沖導向多材料工件的至少一個材料。 激光脈沖的脈沖寬度可以在幾十飛秒至約500皮秒的范圍內(nèi)，并且脈沖重復率為幾百kHz 至約10MHz。所述工件可包括圖案和半導體晶圓，并且所述圖案(晶圓)可包括電介質(zhì)材 料和金屬材料中的至少一種。所述方法還可包括將激光脈沖聚焦成光斑尺寸在幾微米至 約50i!m(l/e2)范圍內(nèi)的激光光斑，并且相對于至少一個材料以一掃描速度定位激光光斑， 使得用于從至少一部分圖案(晶圓)去除材料的相鄰聚焦光斑之間的重疊明顯大于用于從 至少一部分半導體晶圓去除材料的相鄰聚焦光斑之間的重疊。在某些有優(yōu)勢的實施例中， 所述方法控制工件的一個或多個材料內(nèi)的熱積聚，同時限制該區(qū)域周圍的再沉積材料的積 聚o本發(fā)明提供了加工包括圖案(pattern)和半導體晶圓的工件的方法的實施例。所 述圖案(晶圓)包括電介質(zhì)材料和金屬材料中的至少一種。在某些實施例中，所述方法包 括用包含脈沖寬度在約lOOps至約500ps范圍內(nèi)的激光脈沖改性至少一部分圖案(晶圓)， 并且用包含脈沖寬度在約lOOfs至約10ps范圍內(nèi)的激光脈沖改性至少一部分半導體晶圓。本發(fā)明提供了激光加工具有半導體材料的多材料工件的方法的實施例。在某些實 施例中，所述方法包括以約100kHz至約10MHz范圍內(nèi)的脈沖重復率將激光脈沖聚焦和引導 至工件的一區(qū)域，并且重復率足夠高使得材料被有效地從該區(qū)域去除，并且相對于以低于 約100kHz的較低重復率可獲得的數(shù)量，該區(qū)域內(nèi)或鄰近該區(qū)域的不想要的材料的數(shù)量被 限制了。在其它實施例中，提供了激光加工具有半導體材料的多材料工件的方法。在某些 所述實施例中，所述方法包括用聚焦激光脈沖以一掃描速率和脈沖重復率反復照射工件的 至少一個靶材料。重復率可以在至少約幾百kHz至約10MHz的范圍內(nèi)，并且掃描速率可以 在約0. 2m/s至約20m/s的范圍內(nèi)。在所述方法的不同實施例中，至少某些聚焦激光脈沖具 有與至少一個其它脈沖的非零空間重疊系數(shù)，脈沖寬度小于約1ns，脈沖能量在約lOOnJ至 約25 y J的范圍內(nèi)，聚焦(1/e2)的光斑尺寸在約5 ym至約50 ym的范圍內(nèi)，并且在靶材料 的能流在約0. 25J/cm2至約30J/cm2的范圍內(nèi)。本發(fā)明披露了加工多材料工件的方法的實施例。所述工件可包括半導體材料和圖 案，并且所述圖案可包括電介質(zhì)材料和金屬材料中的至少一種。在某些實施例中，所述方法 包括用一系列激光脈沖照射工件，其中所述一系列激光脈沖的至少兩個脈沖具有適用于工 件的不同材料的不同特征。所述方法還包括控制熱影響區(qū)(HAZ)，使得至少一個HAZ產(chǎn)生在 去除至少一個電介質(zhì)材料期間，并且相對于產(chǎn)生在去除一部分半導體材料期間的至少一個 HAZ在深度上增加了金屬材料。本發(fā)明披露了加工包括圖案和半導體晶圓區(qū)域的工件的方法的實施例。所述圖案 可包括電介質(zhì)材料和金屬材料。在某些實施例中，所述方法包括用聚焦的激光脈沖改變至 少一部分圖案，其中至少一個聚焦脈沖包括在約lOOfs至約500ps范圍內(nèi)的脈沖寬度。所 述方法還包括在圖案的部分中積聚充分的熱量以避免電介質(zhì)材料從金屬材料的脫層。本發(fā)明提供了劃片、切片、切割或加工具有半導體材料的多材料工件的基于激光 的系統(tǒng)的實施例。在某些實施例中，基于激光的系統(tǒng)包括光脈沖源和光學放大系統(tǒng)，所述光 學放大系統(tǒng)被設(shè)置成將來自所述光脈沖源的脈沖放大成脈沖能量為至少約1 u J，并且產(chǎn)生的輸出光脈沖的至少一個脈沖寬度在約500fs至幾百皮秒的范圍內(nèi)。所述系統(tǒng)還可包括調(diào) 制系統(tǒng)，它包括至少一個光學調(diào)制器，被設(shè)置成將輸出光脈沖的重復率調(diào)節(jié)在約100kHz至 約10MHz的范圍內(nèi)；和光束傳送系統(tǒng)，它被設(shè)置成將脈沖激光束聚焦并傳送至工件，以便脈 沖光束聚焦成在約15 y m至約50 y m范圍內(nèi)的光斑尺寸(1/e2)。所述系統(tǒng)還包括定位系統(tǒng)， 它被設(shè)置成相對于工件的一個或多個材料以約0. lm/sec至約20m/sec范圍內(nèi)的掃描速度 掃描光束，和控制器，它被設(shè)置成連接至至少所述定位系統(tǒng)。所述控制器可被設(shè)置成在加工 所述工件期間以所述重復率控制相鄰聚焦光束之間的空間重疊。本文披露了劃片、切片、切割或加工具有半導體材料的多材料工件的基于激光的 系統(tǒng)的實施例。所述系統(tǒng)的實施例包括光脈沖源和光學放大系統(tǒng)，所述光學放大系統(tǒng)被設(shè) 置成放大來自所述光脈沖源的脈沖，并產(chǎn)生輸出脈沖，所述輸出脈沖的至少一個脈沖寬度 在幾十飛秒至約500皮秒的范圍內(nèi)。所述系統(tǒng)還包括調(diào)制系統(tǒng)，它包括至少一個光學調(diào)制 器，被設(shè)置成提供的輸出光脈沖的重復率在至少約1MHz至小于約100MHz的范圍內(nèi)。所述 系統(tǒng)還包括光束傳送系統(tǒng)，它被設(shè)置成將脈沖激光束聚焦和傳送至工件，使得脈沖光束聚 焦成光斑尺寸(1/e2)為至少約5微米；和定位系統(tǒng)，它被設(shè)置成以在工件的一個或多個材 料上或內(nèi)產(chǎn)生光斑重疊的掃描速度來掃描光束。在不同的實施例中所述光斑重疊可以是以 所述重復率和光斑尺寸的至少約95%。本發(fā)明提供了在具有半導體材料的工件上或工件內(nèi)切片、切割、劃片或形成結(jié)構(gòu) 的系統(tǒng)的實施例。在某些實施例中，所述系統(tǒng)包括脈沖激光系統(tǒng)，它被設(shè)置成用聚焦激光脈 沖以一掃描速度和脈沖重復率反復照射材料的至少一部分。所述重復率可在約100kHz至 約5MHz的范圍內(nèi)，并且高到足以從靶位置有效地去除材料的大量深度上部分并限制在靶 位置周圍不想要材料的積聚。所述系統(tǒng)還包括光束傳送系統(tǒng)，它被設(shè)置成聚焦和傳送激光 脈沖，和定位系統(tǒng)，它被設(shè)置成以一掃描速度相對于半導體基片定位激光脈沖。所述定位系 統(tǒng)可包括光學掃描器和基片定位器的至少一個。在某些實施例中，控制器被設(shè)置成連接至 脈沖激光系統(tǒng)、光束傳送系統(tǒng)和定位系統(tǒng)。所述控制器可被設(shè)置成以一重復率在加工工件 期間控制相鄰聚焦激光脈沖之間的空間重疊。


圖1A-1C示意性地示出了表示用于材料去除的多程(多次通過)基于激光的方法 的實施例的俯視圖和剖視圖。圖1D-1E示意性地示出了表示N次通過后加工深度和形成不想要的再沉積材料之 間的關(guān)系的剖視圖。圖1E示意性地表示用脈沖激光系統(tǒng)的至少一個實施例可獲得的結(jié)果。圖1F示意性地示出了適于通過激光脈沖加工工件的激光系統(tǒng)的實施例。圖1G-1至1G-3示意性地示出了有圖案晶圓的部分的示例。圖1G-1示出了具有 若干個芯片(die，晶粒)的晶圓，圖1G-2示出了圖1G-1所示晶圓的一部分的展開圖，而圖 1G-3示出了晶圓的一部分的剖視測試圖。圖2A-2B示意性地示出了通過激光脈沖串加工工件的系統(tǒng)的實施例。圖3示意性地示出了通過激光脈沖串加工工件的系統(tǒng)的另一實施例。圖4A示意性地示出了通過激光脈沖串加工工件的系統(tǒng)的另一實施例。圖4B示意性地示出了大模場面積光纖的實施例，所述大模場面積光纖包括用稀土離子摻雜的纖芯，可用于光纖放大器或由多模泵源泵浦的激光器中。圖5示意性地示出了通過激光脈沖串加工工件的系統(tǒng)的另一實施例，所述系統(tǒng)具 有根據(jù)工藝和/或靶信息的反饋和控制。圖6A和6B分別示出了示意性表示和照片，示出對應(yīng)于通過激光脈沖串加工工件 的實施例的實驗系統(tǒng)。圖7示意性地示出了用于量化加工質(zhì)量的一種示例技術(shù)，以便獲得接近加工位置 的燒蝕體積和再沉積體積的近似值。圖7A-7F示出了由硅樣品獲得的示例掃描電子顯微鏡(SEM)剖視圖，其中所述實 驗結(jié)果是通過改變圖6A和6B的示例系統(tǒng)的激光加工參數(shù)獲得的。圖8是曲線圖，示出了根據(jù)掃描速度和重復率燒蝕截面積對再沉積截面積之比的 示例。圖9是曲線圖，進一步示出了截面積對掃描速度的示例，規(guī)范用于光斑的平均功 率和空間重疊。圖10A-1和10A-2示出了示例的SEM截面，其中再沉積材料的量足夠低使得傳統(tǒng) 的超聲波清潔能夠有效地進一步去除碎屑，所述結(jié)果應(yīng)用于例如薄晶圓切片和類似應(yīng)用。圖10B是對應(yīng)于圖10A-1和10A-2所示數(shù)據(jù)的燒蝕深度對重鑄(recast)高度之 比的曲線圖。圖11A-11C示出了比較單和雙脈沖加工的結(jié)果的示例SEM截面。圖11D-11E是曲線圖，示出了對應(yīng)于圖11A-11C的SEM圖像的燒蝕深度對重鑄高 度之比。圖12A-12B是SEM圖像，示出了利用脈沖激光系統(tǒng)的實施例的晶圓切割(切片) 的一部分，以及在傳統(tǒng)的超聲波清潔之后所獲得的結(jié)果。圖13A-1-13A-3是SEM圖像，示出了利用約200ps的脈沖寬度通過不同的重復率 和掃描速度所獲得的結(jié)果。圖13A-4-13A-5是曲線圖，分別示出了加權(quán)的燒蝕截面積(平方微米)和燒蝕深 度對重鑄高度之比，對應(yīng)于圖13A-1-13A-3所示的數(shù)據(jù)。圖14和14A-1和14A-2示意性地示出了用于測試半導體裝置的芯片強度的結(jié)構(gòu) 的各種示例，而圖14B和14C是曲線圖，示出了在通過來自圖6A和6B所示的示例實驗系統(tǒng) 的超短脈沖加工樣品后所獲得的芯片強度測量結(jié)果的示例。圖15A-15D示出了 SEM圖像的示例，以及通過圖6A和6B的示例實驗系統(tǒng)產(chǎn)生的 超短脈沖劃片和/或切割的樣品的剖面。圖16A-16D示出了 SEM圖像的示例，示出飛秒和皮秒劃片結(jié)果。圖17示出了實驗測試結(jié)果，示出用500fs壓縮脈沖或300ps非壓縮脈沖切割的硅 芯片的芯片強度。圖17還包括公開的納秒激光結(jié)果和機械測試結(jié)果以供比較。圓圈用于示 出在張力下的芯片的結(jié)果，而方塊用于示出在壓力下的芯片的結(jié)果。對應(yīng)于實驗測試結(jié)果 的平均值(和誤差棒)是用500fs和300ps脈沖的各實驗測試結(jié)果的水平(向右)偏移?，F(xiàn)在將參照上述總結(jié)的附圖描述這些和其它特征。本發(fā)明的附圖和相關(guān)的說明用 于闡述實施例而不是限制本發(fā)明的范圍。
具體實施例方式在下文的詳細說明中，靶材料一般是指由一個或多個激光脈沖改性的工件的至少 一個區(qū)域內(nèi)或上的材料。靶材料可包括具有不同物理特性的多種材料。在下文的詳細說明中，重復率除非特別說明一般是指在激光加工材料的過程中被 傳送至靶材料的激光脈沖的頻率。所述頻率可對應(yīng)于由激光源產(chǎn)生的脈沖的頻率，但在例 如一個脈沖或脈沖群被選通并傳送至靶材料的實施例中所述頻率也可相對于源頻率被降 低。在下文的詳細說明中，涉及在靶材料、靶區(qū)域等內(nèi)或附近限制不想要的材料的積 聚。除非特別說明，供選擇的語言不被解釋為僅是兩個(或更多)選擇中的一個，而是可包 括兩者(或更多)選擇。本文所用的術(shù)語碎屑(debris)沒有限制，一般是指在局部區(qū)域內(nèi)或附近不想要 的材料積聚。碎屑可由激光-材料相互作用和/或熱影響區(qū)(HAZ)引起。重鑄、熔渣、再沉 積和其它相關(guān)術(shù)語也是本領(lǐng)域公知的。通常，熱影響區(qū)包括材料的加熱和冷卻足夠快以形 成熔化物，并且區(qū)域的范圍包括取決于脈沖持續(xù)時間和各種材料參數(shù)。短脈沖，尤其是超短 脈沖，已知使熱量局部化并減小熱影響區(qū)的尺寸。fi述實施例一般適用于激光加工工件，并尤其適用于微加工應(yīng)用。例如，不同的實施 例可適用于切割、切片、劃片、和/或雕刻半導體基片以形成通常橫向尺寸在約1微米至約 100微米并且深度從幾微米至幾百微米的結(jié)構(gòu)。例如，某些實施例可用于制備在各種材料 中的精確溝和槽。對于各種微電子應(yīng)用，需要在硅片中具有極其精確的溝槽。若干個研究 組已證實利用激光強度剛好在燒蝕閾值之上的飛秒激光脈沖可獲得最好的結(jié)果(參見例 如，Barsch,Korber,Ostendorf,禾口 Tonshoff,"Ablation and Cutting of Planar Silicon Devices using Femtosecond Laser Pulse，，，Appl. Physics A 77, pp. 237-244, (2003) 禾口 Ostendorf, Kulik,禾口 Barsch, "Processing Thin Silicon with Ultrashort-pulsed Lasers Creating an Alternative to Conventional Sawing Techlniques",Proceedings of the ICALE0, Jacksonville, USA,2003 年 10 月)。當前，微流控設(shè)備制備的優(yōu)選方法是通過光刻加工，通常涉及若干個周期的紫 外線(UV)光曝光，隨后是溶劑蝕刻。飛秒激光能夠直接加工適度縱橫比的盲孔和通孔 (1 10-1 100，取決于基片材料、激光參數(shù)和孔直徑)。公知相對于傳統(tǒng)的納秒激光，超短激光脈沖提供重要的優(yōu)勢減小的HAZ，減小的 殘余應(yīng)力，對于材料燒蝕閾值變化的降低的敏感度。此外，已確定通過縮放激光平均功率 (假設(shè)在靶上的能流大于材料燒蝕閾值)和利用高速度多程(通過)光束掃描可實現(xiàn)相當 高的處理速度。超短激光加工一般也被認定為減少熔渣、殘渣、熔化形成物，或其它不想要 的激光-材料相互作用的副產(chǎn)品的合適方法。不過，也已確定單獨使用超短脈沖不能保證 改進的質(zhì)量。許多早期的實驗在真空中進行，這簡化了加工?？梢栽谠谙鹊拿绹R時專利 申請中找到關(guān)于用超短脈沖進行材料加工，微加工用于半導體裝置制造的一個或多個半導 體、金屬或介質(zhì)材料，激光-材料相互作用機制，和用于微加工的系統(tǒng)的對不同出版物、專 利和已公開專利申請的引用。本文所披露的實施例可用于在材料中形成高縱橫比結(jié)構(gòu)，其中深度對寬度之比是 大的。所述結(jié)構(gòu)，有時被稱為槽或溝，可通過從工件表面可控地去除材料而形成?？赏ㄟ^在靶區(qū)域上重復地掃描聚焦激光脈沖，用一機構(gòu)將靶材料和/或激光脈沖相對于彼此定位來 去除材料。某些實施例可用于激光切割材料，尤其是半導體基片。所述實施例還可包括作為 所述過程一部分的高縱橫比結(jié)構(gòu)的形成。例如，薄晶圓切片有利地可利用清晰和精確的切 割以分離晶圓芯片而不會損壞附近電路或結(jié)構(gòu)?？衫镁劢辜す饷}沖以切穿(過)整個晶 圓來切片晶圓，在某些實施例中可能在切割過程中改變焦點在深度上的位置?？商鎿Q的，激 光脈沖可形成高縱橫比結(jié)構(gòu)，例如預定深度的窄和深的切割。隨后利用非激光方法分離剩 余材料的薄的深度部分。在任何情況，充分好地控制碎屑和污染物可能是有利的。圖1A-1C是示意性的示圖，示出了基于激光的材料改性的工藝的一部分。示出了 具有重疊系數(shù)的聚焦激光光斑1000-a，1001-a的示例，在某些實施例中所述重疊系數(shù)可能 是光斑直徑的一小部分。重疊系數(shù)可能與圖1A中示意性示出的不同。例如，重疊系數(shù)可以 從光斑到光斑大致相同(例如，如圖1A示意性所示)或重疊系數(shù)可以光斑與光斑不同。不 同的激光(多次)通過可以采用不同的重疊系數(shù)(和/或光斑形狀，光斑直徑等)。在不 同的實施例中，某些相鄰光斑可以基本重疊(例如，重疊系數(shù)是光斑直徑的一小部分)或某 些相鄰光斑可被間隔開(例如，重疊系數(shù)大致與光斑直徑相同或重疊系數(shù)大于光斑直徑)。 在不同的實施例中，重疊系數(shù)可被選擇以提供具有例如平滑直邊的加工結(jié)構(gòu)，或被選擇以 影響區(qū)域內(nèi)的熱積聚。在所述實施例中，重疊系數(shù)(或其它參數(shù))可在加工前被預先選擇， 在加工過程中被動態(tài)地選擇和調(diào)整，或者可以采用預先選擇和動態(tài)選擇的組合。盡管圖1A 示出了聚焦激光光斑1000-a和1001-a是具有相同光斑直徑的圓形，在其它實施例中聚焦 激光光斑可以具有其它的形狀和尺寸。在光斑形狀、光斑尺寸、重疊系數(shù)等上的多種變化是 可行的。光斑可用單程通過或多程通過，例如用掃描機構(gòu)(未示出)應(yīng)用至工件的靶材料。 在圖1A-1C中，上部示圖示意性地示出了激光脈沖的第一程通過(第1程)，而下部示圖示 出了激光脈沖的第N程通過(第N程)。在不同的實施例中，可以使用任何適宜次數(shù)N的加 工通過，例如1，2，5，10，100，250，700，1000或更多次(程)通過。靶區(qū)域的簡化上部示意 圖在圖1B中示出，圖中示出了通過圓形光斑1000-a，1001-a去除材料的區(qū)域。該區(qū)域的橫 向尺寸約為光斑直徑，盡管一般已知通過超短脈沖，在小于光斑尺寸的區(qū)域上可控地去除 材料是可行的，如同例如在美國專利5，656，186中所披露的。在圖1A-1C中所示的上部視 圖中，去除材料的區(qū)域示意性地示出為矩形，盡管至少正交于掃描方向的邊緣通常是稍微 圓的，尤其是采用具有橢圓或圓形截面的聚焦激光束。通過不同的實施例，可以形成結(jié)構(gòu)，其中激光光斑去除靶材料的深度部分，例如， 在某些實施例中約0.5 ym或幾微米。在單程通過中，去除了較小的深度部分1000-c (參見 圖1C中的上部示圖)。第二程(次)通過或第N程(次)通過隨后去除了額外的深度部分， 如由曲線1001-c(參見圖1C中的下部示圖)所示意性表示的。在第N程(次)通過后，形 成了具有希望深度和/或空間輪廓的結(jié)構(gòu)?？商鎿Q的，通過足夠大量的通過次數(shù)，材料可被 干凈利落地切斷(例如，一直切割通過材料，有時稱為“穿透(breakthrough)”)。在不同的 實施例中，N 程(次)通過的數(shù)量可以是 1，2，3，4，5，10，25，100，250，500，750，1000，1500， 2000，5000，或更多?？梢愿鶕?jù)下述因素選擇通過的次數(shù)，所述因素包括，例如，結(jié)構(gòu)的所需 深度和/或空間輪廓，形成工件的材料，是否希望穿透，等等。通過的次數(shù)可以在加工過程中動態(tài)調(diào)整。圖IB示意性地示出了從工件之上觀察的簡單線性/矩形的加工圖案。不過，加工 的結(jié)構(gòu)可以是通過規(guī)劃激光脈沖源和靶材料的相對位置(例如，通過下文將進一步說明的 掃描機構(gòu))而形成的圓形、橢圓形、交錯的、螺旋形或其它任意形狀。類似的，聚焦光斑的分 布可以是非圓的和/或具有高斯(Gaussian)或非高斯光斑輪廓。此外，可以根據(jù)深度形成 不同的形狀，例如錐形的，階梯形的，和/或弧形結(jié)構(gòu)，其中結(jié)構(gòu)的寬度以預定的方式或大 致如此隨深度變化。高縱橫比結(jié)構(gòu)可單獨形成或結(jié)合其它結(jié)構(gòu)，并且可被連接至具有較低 縱橫比結(jié)構(gòu)的區(qū)域，例如大直徑孔。通過本文所披露的系統(tǒng)和方法很多變化是可行的?！巴跍?trench digging) ”的實施例或其它應(yīng)用的一些受關(guān)注參數(shù)可包括，例如， 溝(槽)的形狀、深度和質(zhì)量。不過，在許多應(yīng)用中，再沉積材料通常被稱為重鑄物或熔渣， 可形成在窄溝的邊緣處或非常接近窄溝的邊緣。再沉積材料的數(shù)量一般隨著加工深度的增 加而增加。圖ID示意性地示出了加工結(jié)構(gòu)1001-c的剖視圖，所述加工結(jié)構(gòu)具有一深度(如 圖1A-1C中所示)，然而還具有可觀的再沉積材料1005-a。再沉積材料1005_a可以在工件 的表面之上和/或加工結(jié)構(gòu)1001-c內(nèi)。未加工基片的基線如圖ID和IE中的虛線所示。再 沉積材料還可積聚在結(jié)構(gòu)或靶區(qū)域內(nèi)，例如在基線之下的幾微米的深度內(nèi)(見圖1D)。圖IE表示通過脈沖激光實施例可獲得的示例結(jié)果，其中對于固定次數(shù)的N次通 過，減少了再沉積材料1005-b的積聚(與圖ID示意性所示的結(jié)果相比)。如圖IE所示，再 沉積材料的截面積減小了(相對于圖1D)，和/或材料沉積的類型是以細粒的形式而非較 大尺寸的熔化物。例如，在某些實施例中，所述結(jié)果可通過增大激光重復率，并且在本示例 中保持其它激光參數(shù)近似不變可獲得。在不同的實施例中，可以在靶區(qū)域內(nèi)、接近靶區(qū)域或 二者減少再沉積材料的積聚。在不同的實施例中，可以在靶區(qū)域內(nèi)、接近靶區(qū)域或二者改變 再沉積材料的性質(zhì)(例如，微粒的尺寸分布)。圖1C，1D和IE示意性地示出了加工的結(jié)構(gòu) 1000-c和1001-c具有的截面形狀大體如梯形。梯形的截面形狀旨在示意性表示，并不旨在 限制可通過本文所述的基于激光的加工系統(tǒng)和方法的不同實施例加工的結(jié)構(gòu)的截面形狀 (或任何其它特征)。在其它實施例中，結(jié)構(gòu)可被加工成不具有梯形截面形狀，例如，三角形 形狀，矩形形狀，圓形形狀，會聚至最小寬度遠小于最大寬度的錐形形狀，或任何其它合適 的形狀。許多結(jié)構(gòu)形狀和尺寸是可行的。此外，再沉積材料1005-a，1005-b的截面尺寸和 形狀是示意性的，并不旨在限制可能的再沉積材料的尺寸和/或形狀。舉例來說，在硅基片上加工實驗的結(jié)果顯示了令人驚訝的結(jié)果增大激光脈沖的 激光重復率從約200kHz到約1MHz，同時保持近似恒定的激光脈沖能量、焦斑尺寸和脈沖持 續(xù)時間，產(chǎn)生了相對于材料再沉積量增大的材料去除量。所述實驗利用基于光纖的超短啁 啾脈沖激光系統(tǒng)進行。結(jié)果暗示幾百kHz直到幾MHz的脈沖重復率可在加工質(zhì)量上提供顯 著的改進。例如，在某些應(yīng)用中，可能不需要其它加工步驟來去除再沉積材料。獲得即是希望的結(jié)構(gòu)形狀又有再沉積材料的減少最好通過超短脈沖，例如脈沖的 寬度小于約IOps來實現(xiàn)。不過，具有約200ps較長脈沖的增大的重復率也是有益的。相對 于較慢的重復率減少了再沉積材料的積聚。對于某些應(yīng)用，具有較長脈沖寬度，例如達幾納 秒，或低于IOns也可以找到益處。實施例因此減少了熔渣和/或其它不想要的材料的量(和/或改變再沉積材料的性質(zhì))，同時提供結(jié)構(gòu)的希望形狀、深度和/或?qū)挾?。舉例來說，并且如下文所示，高重復率 加工影響了再沉積材料的性質(zhì)和數(shù)量。在某些實施例中，質(zhì)量的測量可以是加工結(jié)構(gòu)的深度和/或體積相對于峰高，平 均高度，和/或再沉積材料的體積。另一種示例的質(zhì)量測量可以是結(jié)構(gòu)深度相對于再沉積 材料的總體積。合適的質(zhì)量測量可通過受影響區(qū)域的截面樣本或體積量化來獲得。可采用 各種工具來量化性能，例如，表面計量工具如白光干涉儀，原子力顯微鏡(AFM)，或類似的工 具(例如，可從Veeco Instrument Inc.，Woodbury, New York獲得)。所述工具可提供改 進的測量準確性和精確性，具有自動或半自動操作的能力。例如，商用工具已經(jīng)證實了用于 測量樣品和較大材料體積的表面粗糙度的能力，并且AFM可用于量化深度結(jié)構(gòu)(特征)的 結(jié)構(gòu)。在某些應(yīng)用中，例如切片或劃片，可提供不同的質(zhì)量測量。例如，量化再沉積材料 的體積可以是有用的測量，并且可結(jié)合切割質(zhì)量作為整體質(zhì)量因數(shù)。不同的實施例可具體 應(yīng)用于希望高效率的加工操作，并且其中再沉積材料的積聚是不利的或換句話說是不希望 的。在某些實施例中，微加工可包括半導體晶圓的激光劃片，切片，或類似的加工，所 述半導體晶圓可以是光的(bare，裸的)或有圖案的。劃片和切片是兩種公認需要的應(yīng)用。 劃片通常去除支承在硅基片上的多種材料的一層或多層。隨后通過機械切片機分離晶圓的 芯片。隨著硅基片厚度減至低于100 μ m,例如50 μ m,已經(jīng)顯露了對基于激光的基片切片 的增大需求。不過，在某些實施例中，要求快速激光加工速度以使取代傳統(tǒng)的機械切片合理 化。此外，在某些實施例中，減小或避免了不希望的熱效應(yīng)以確保隨后封裝工藝的可靠性。圖IG-I(不按比例)示意性地示出了有圖案的半導體晶圓120的示例，所述晶圓 具有排列成行和列的若干個芯片，其間具有道(street) 127。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，晶圓通常是 激光劃片的，并利用切割機切割。當厚度減小到低于約ΙΟΟμπι，例如50μπι或75μπι，機械 切片變得更加困難。因此，需要利用激光切片以減少或排除機械切片。圖1G-2示意性地示出了晶圓120的示例部分125。舉例來說，沿所述道在區(qū)域 127-Β中進行切片。所述區(qū)域可包括若干材料和光晶圓部分。在所述道中示出的電路結(jié)構(gòu)， 例如高密度格柵(柵極)層129，可用于在切片之前進行電氣或其它功能測試。鄰近道127 的區(qū)域包含高密度有源電路，可包括焊球的互連，或其它組合。在某些具有優(yōu)勢的實施例 中，實施切片或劃片以干凈利落地切割晶圓而不對電路造成損壞，不引入可觀的碎屑或熱 影響區(qū)(HAZ)，并提供足夠的芯片強度。圖1G-3示意性地示出了一部分晶圓的截面?zhèn)纫晥D129-1，圖1G-2的細格柵區(qū)域 129。所述格柵可通過一種或多種介質(zhì)和金屬材料覆蓋。由于潛在的加工速度是將激光技術(shù)應(yīng)用于薄晶圓切片的一個可能原因，用于切片 非常薄的晶圓的實用系統(tǒng)要能夠以高速度去除相當大量的材料。所述道中的工件材料可包括但不限于，金屬，無機電介質(zhì)，有機電介質(zhì)，半導體材 料，低k介質(zhì)材料，或其組合。材料的組合能夠以非常不同的空間圖案和/或在深度上層疊 來排列。例如，微電子電路可包括具有交替層的銅和低k材料的部分，由上面的鈍化層覆 蓋。材料的其它組合和/或結(jié)構(gòu)是可行的。各種研究披露了微加工硅的結(jié)果和模型。例如，Crawford等人在“Femtosecondlaser machining of groove in Silicon with 800 nm pulses，，，Applied Physics A 80,1717-1724(2005)中研究了根據(jù)脈沖能量，平移速度，通過的次數(shù)和偏振方向(平行 vs.(對)垂直于平移方向，并具有圓偏振)的燒蝕速率(在真空中)。激光參數(shù)包括在 800nm波長的150fs脈沖，激光脈沖重復率為ΙΚΗζ。最大平移速度為約500 μ m/sec。光斑 尺寸為約5 μ m。報道了單程(次)和多程(次)通過的結(jié)果，并分析了運動效應(yīng)。披露了一個模 型，它包括運動的效應(yīng)，其中假設(shè)脈沖間具有高度重疊。該方法包括確定在沿槽中心的一點 處積聚的能流。盡管提供了有用的構(gòu)架以供分析，已認識到對于每個脈沖有效的能流可能 有些變化，并且單個或幾個脈沖照射可產(chǎn)生與多個脈沖相比非常不同的結(jié)果，無論靶是否 移動。一些結(jié)論反映了在槽寬度上的少許平移效應(yīng)，由于粗糙度和碎屑所述效應(yīng)難以量化。 所述結(jié)果也與其它研究進行了比較。識別了各種其它形態(tài)。用線性模型遍及所有的通過不能預測燒蝕性能。已報道的燒蝕深度/每脈沖遠低 于Iym—般通過能流達到幾焦耳/cm2來觀察。偏振效應(yīng)略微明顯，其中通過平行于平移 方向的偏振分支。通過槽的形成觀察到預期的燒蝕深度限制，顯而易見是由于槽底部處的 不足的能流。在一個示例中，頭幾次通過導致大量的材料以近線性方式被去除。不過，超出 二十次通過則射出的材料量減少。在脈沖的邊緣接近槽緣，顯然材料再沉積與材料去除競 爭。在大量次數(shù)的通過后，通過額外次的通過預計槽緣被大量地侵蝕。通過我們的實驗將重復率增加至約幾百KHz或更大，并且在某些實施例中優(yōu)選達 到至少約1MHz，與低于幾百KHz所得到的結(jié)果相比提高了被去除材料對再沉積材料之比。 所述結(jié)果通過適于高處理能力加工的平移速度獲得，并且所述平移速度接近高速鏡系統(tǒng)的 運動速度的一些當前限制。此外，至少一些結(jié)果表明過高的重復率會導致不希望的熱效應(yīng)， 重鑄，和一般不想要的HAZ引起的材料改性。同時實現(xiàn)高處理能力和減少的碎屑是總體目 標和可通過某些實施例實現(xiàn)的有益結(jié)果。舉例來說，劃片和/或切片50 μ m厚或類似基片可通過聚焦光斑尺寸為至少 15 μ m，并在某些實施例中通過光斑尺寸在約15-50 μ m的范圍內(nèi)進行?？梢圆捎闷渌獍?尺寸，例如，幾微米(例如，在一種情況中為約3微米)。在某些實施例中，使用從約1微米 至約5微米范圍內(nèi)的光斑尺寸。被去除材料的量一般由一個或多個因素確定，包括掃描速 度，光斑重疊，重復率(每秒傳送至表面的脈沖)，脈沖能量，和光斑直徑。在某些實施例中， 表面上相鄰光斑之間的充分重疊提供了切割或劃片相對均勻?qū)挾鹊膱D案。在某些實驗系統(tǒng) 中，光斑尺寸為約15 μ m的至少幾微焦耳的較高脈沖能量通常會導致在直徑為約15-20 μ m 的區(qū)域內(nèi)的燒蝕。掃描系統(tǒng)，例如基于檢流計的鏡掃描器，可提供高達約10-20m/sec的掃 描速度。材料去除要求不同，并且通過適當選擇包括脈沖能量、重復率和速度參數(shù)的一個 或多個因素可以增大或減小區(qū)域內(nèi)的熱積聚。在某些實施例中，可能希望增加區(qū)域內(nèi)的熱 積聚以便于材料的去除。在不同的實施例中，以高頻率和降低的運動速度應(yīng)用超短脈沖，以 引起類似于非超短脈沖的熱效應(yīng)。在至少一個實施例中，可以調(diào)節(jié)脈沖能量、重復率、速度 和脈沖寬度中的一個或多個。在某些實施例中，可用的脈沖能量會是至少約5yj，重復率 可被調(diào)節(jié)達到約10MHz，表面處的光束速度可以在約0. lm/sec直到約lOm/sec的范圍內(nèi)， 并且脈沖寬度設(shè)置在從低于1皮秒直到幾納秒的范圍內(nèi)。舉例來說，通過IMHz頻率，40 μ m光斑，和0. lm/sec的速度，光斑間的重疊超過99%。局部的熱積聚可能是明顯的。如果保 持IMHz頻率，并且速度增加至約5m/sec，光斑重疊減小50倍，在加工區(qū)域內(nèi)具有減小的熱 積聚。因此，在不同有優(yōu)勢的實施例中，可以采用在約0. 001至約0. 99范圍內(nèi)的重疊系數(shù)。 其它的范圍是可行的。由于對于不同的晶圓設(shè)計在道內(nèi)的材料可能不同，希望激光系統(tǒng)的某些實施例能 提供某些參數(shù)在較寬范圍的調(diào)節(jié)。例如，掃描速度，脈沖能量，重復率(脈沖撞擊表面的頻 率)，脈沖寬度和光斑尺寸優(yōu)選可在較寬范圍進行調(diào)節(jié)，例如在某些實施例中為至少2 1。 一個或多個所述參數(shù)，例如脈沖寬度，速度和重復率可在大于10 1的范圍上進行調(diào)節(jié)。在 其它實施例中其它的可調(diào)節(jié)范圍是可行的。由于不同的材料特性，對于劃片和光硅片切片可能需要不同的激光和速度參數(shù)。 在某些實施例中，用較高脈沖能量和脈沖間的高重疊(例如大于99%的重疊)增大熱積聚 會便于材料的去除。在某些所述實施例中，要保持足夠控制良好的熱影響區(qū)(HAZ)以避免 間接損害或增加的碎屑。通常的多材料裝置，例如有圖案的晶圓，可包括在深度上層疊的導體、電介質(zhì)、和 半導體材料?？梢栽诶鏘MHz的重復率，約40 μ m的光斑尺寸，并以在相鄰光斑之間產(chǎn)生 約75%至大于99%之間的重疊的移動速度進行通常的多材料裝置的加工。舉例來說，通過脈沖重復率在約幾百kHz至約IOMHz的范圍內(nèi)，可以控制掃描速度 使得能夠調(diào)整熱積聚以便于材料去除同時限制碎屑和控制HAZ。在某些實施例中，金屬和介 質(zhì)層的去除能夠以明顯低于用于去除光硅片的掃描速度的掃描速度進行。結(jié)果，用于去除 金屬和介質(zhì)中的至少一種的相鄰光斑之間的重疊可大于用于光晶圓加工的重疊(例如，在 某些實施例中至少大約10倍)。在某些情況，聚焦光斑尺寸在約15-40 μ m的范圍內(nèi)，并通 常約30-40 μ m,可提供高處理能力。再次參見圖1G-2，在某些晶圓設(shè)計中可以減小道127的寬度，例如至幾十微米。光 斑尺寸從某些優(yōu)選值之上(例如在某些情況為約40 μ m)的相應(yīng)減少可能是有利的。例 如，約5 μ m的光斑尺寸對于在寬度為約25 μ m的道內(nèi)切割、劃片、或其它加工操作可能是有 用的。某些激光參數(shù)可相應(yīng)縮放，并且可采用不同的設(shè)計選擇以避免與某些參數(shù)相關(guān)的物 理限制?？墒褂闷渌墓獍叱叽?，例如，幾微米(例如，在一種情況為約3微米)。在某些實 施例中，使用從約1微米至約5微米范圍內(nèi)的光斑尺寸。對于加工窄道寬度(例如，小于幾 十微米)，約幾微米的光斑尺寸可能是有利的。再次參見圖1G-2，示出了道127內(nèi)的切割路徑127_b，在該示例中切割路徑127_b 居中于道區(qū)域。已知可以通過激光，例如納秒脈沖激光，和切片機的結(jié)合進行晶圓劃片和斷 開。在某些實施例中，納秒激光可以在距離道的中心大致相等的距離劃兩條線。居中于道 的切片刀被用于切過剩余的晶圓，從而產(chǎn)生單獨的芯片。本文所述的實施例還可用于沿任 何路徑(例如，晶圓的預定路徑)改變材料，和/或可用于不同的組合(例如，與切片機)。 待改性和加工的材料可包括金屬，包括低k材料的電介質(zhì)，和/或半導體。此外，在某些實 施例中，加工超薄晶圓，例如50 μ m厚的晶圓，可以通過用飛秒激光切穿晶圓的整個厚度或 其相當一部分進行。某些實施例可減少或淘汰機械切割所述超薄晶圓的使用。例如，在某些實施例中，對于精確定位的要求可能增加，但降低了總脈沖能量。公 知在特定波長減小的光斑尺寸導致減小的聚焦深度(DOF)。DOF的減小一般隨著光斑尺寸的平方而不同。如果要求在大深度范圍上進行加工，在某些情況可能應(yīng)用各種公知的用于 動態(tài)聚焦的方法和系統(tǒng)或其改進。舉例來說，隨著光斑尺寸從50 μ m減小至5 μ m, DOF減小 100倍。另一方面，在光斑區(qū)域上實現(xiàn)給定能流的總脈沖能量隨光斑直徑的平方減小。在某 些實施例中，低得多的最大脈沖能量可用于更小的光斑尺寸，并且最大脈沖能量可以是，例 如約IOOnJ,或達到約1 μ J，用于加工各種電介質(zhì)，導體，和半導體材料。較小的光斑尺寸可 能還導致對運動控制的一些考慮。在某些實施例中可采用降低的掃描速度，但是也增大了 對精確定位的要求。因此，在某些實施例中，當以給定能流和重復率加工時，可以向下縮減脈沖能量和 速度。舉例來說，假設(shè)脈沖重疊超過99% (例如至少99. 5% )，IMHz重復率，和約4 μ m的 光斑尺寸(例如從某些實施例所用的40 μ m光斑尺寸有大致10倍的減少)，在該示例中， 相應(yīng)的掃描速度在lOmm/sec的量級。由于光斑尺寸減小10倍，可以獲得脈沖能量可從至 少幾微焦(例如:5μ J)的范圍縮減至低于100納焦(例如:50nJ)的能流。類似的，在某些實施例中，重復率可增加至幾十MHz，并具有較低的脈沖能量用于 某些微加工操作。例如，一些切割或劃片應(yīng)用可能要求用較低的能流選擇性地去除單層材 料，或幾層。參見圖1G-3，多層中的一層通過陰影區(qū)域(不必然按比例)示意性地表示，并可 包括電介質(zhì)和/或金屬材料。在某些加工應(yīng)用中在改變上面的層之后下面的光晶圓(無陰 影)由激光加工。發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)了熱處理(例如，熱積聚)和/或足夠的熱影響區(qū)(HAZ) 減少或避免了復合層或某種材料(例如，低k電介質(zhì))的脫層和/或裂化。另外，與超短脈 沖相關(guān)的減小的HAZ可能有益于切穿晶圓以便分離芯片。舉例來說，如果納秒脈沖被用于 既去除層又切片硅晶圓，可能性能是不足夠或不可預測的。例如，已知由納秒脈沖造成的過 量HAZ導致了較弱的芯片強度和各種其它材料問題。在不支持任何特定理論的情況下，當用激光脈沖照射晶圓時，晶圓中的電子幾乎 立即從激光束吸收能量。由于熱電子和晶格之間的碰撞，電子系統(tǒng)和晶格之間的熱平衡很 快得到實現(xiàn)，并且暴露的區(qū)域溫度上升。根據(jù)材料達到平衡的時間不同，并且可以是幾百飛 秒至幾十皮秒。暴露區(qū)域內(nèi)的熱能會傳遞給它的周圍較冷區(qū)域。冷卻速率受幾個參數(shù)影響， 例如材料，較熱和較冷區(qū)域之間的溫差，以及溫度分布。作為示例參照依據(jù)，硅停留在其熔 化溫度之上的近似時間段為約幾百ps。當納秒(或更長脈沖持續(xù)時間)激光用于切片或劃片工藝時，受照射區(qū)域保持在 其熔化溫度之上達一延長的時段?！叭诨亍睍纬刹⒃诶鋮s時會收縮。“沸騰”和“冷卻” 的過程導致裂化，表面粗糙和HAZ中的空隙。所述過程可能是不穩(wěn)定的，而材料改性的質(zhì)量 難以預測。在某些實施例中飛秒脈沖照射提供淺HAZ，但是由于超短脈沖寬度出現(xiàn)與裝置的 下面層很少相互作用。飛秒加熱過程幾乎是瞬間的，將HAZ限制在限定的厚度，并且不明顯 影響設(shè)置在改性材料之下的層。在某些所述實施例中，可實現(xiàn)更為平滑和可預測的表面形 態(tài)。不過，由于在某些所述實施例中由超短激光脈沖形成的非常淺的HAZ，發(fā)生多種材 料幾乎沒有或沒有材料改性。例如，可能缺少層之間的熔化。因此，在這些實施例中利用飛 秒激光脈沖可能稍微限制多層裝置的切片或劃片性能，尤其是具有至少一種低k材料的裝置。此外，某些所述實施例中可能出現(xiàn)脫層。不過，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如在下文所述的實驗中所 示，在本文所述的系統(tǒng)和方法的某些實施例中，增大脈沖能量和/或能流，和/或減小掃描 速度，在多材料靶區(qū)域中提供了良好的加工結(jié)果。因此，本文所述的發(fā)明人的成果可用于控 制靶的一種或多種材料內(nèi)的熱積聚和/或HAZ。例如，本文所述的系統(tǒng)和方法的實施例可被 設(shè)置成在靶中提供足夠高的熱積聚以減少或避免脫層(例如，電介質(zhì)材料和金屬材料的脫 層)。在某些實施例中可使用多個激光器，并設(shè)置在具有多個源的集成激光器系統(tǒng)中， 或設(shè)置為具有可調(diào)脈沖寬度的源。舉例來說，可采用較長的脈沖寬度，例如幾百皮秒并達到 幾納秒，以增大HAZ用于處理工件的第一深度部分，并尤其用于去除低k層和/或其它金屬 和/或其它電介質(zhì)。所述金屬可包括但不限于，銅、鋁、和/或金。電介質(zhì)材料可包括但不 限于，二氧化硅，氮化硅，和/或各種有機或無機材料。電介質(zhì)和/或金屬材料的排列在三 維空間中可能不同，如圖IG-I至1G-3所示的示例中示意性地示出。在某些實施例中，超短脈沖可用于處理工件的第二深度部分，產(chǎn)生可忽略的HAZ。 在不同的實施例中，飛秒脈沖被用于至少切穿整個晶圓，或晶圓的相當一部分，并尤其用于 切割非常薄的晶圓，例如厚度為ΙΟΟμπι或更小的晶圓。此外，在某些所述實施例中，至少一 部分的金屬和/或電介質(zhì)的加工也通過飛秒脈沖進行。在至少一個實施例中，采用單個激光源。激光參數(shù)的調(diào)整可平衡加工區(qū)域內(nèi)的熱 生成和從區(qū)域向外傳遞熱量。減少或避免了脫層和/或不想要的熱應(yīng)力。在不同的實施例中，皮秒脈沖寬度可用于去除低k材料。例如，至少一個脈沖可以 在約IOOps-約500ps的范圍內(nèi)，約IOOps-約250ps，或約200ps_約500ps的范圍內(nèi)。在 某些實施例中，例如，至少一個脈沖在30-40 μ m的光斑直徑上可具有的脈沖能量可以在約 2 μ J-IO μ J的范圍內(nèi)，對應(yīng)至少約0. 15J/cm2的能流。所述示例的脈沖寬度和能流可產(chǎn)生 足夠的HAZ用于加工金屬和電介質(zhì)，并且在一時間段內(nèi)提供多層材料的材料改性(例如，熔 化和去除)。不過，已熔化材料的任何區(qū)域還足夠淺(例如不太深)，以便減少或避免不想 要的裂化、表面粗糙和/或HAZ中的空隙。在其它實施例中，可采用其它的脈沖寬度，脈沖 能量，光斑直徑，和能流。在某些裝置設(shè)計中，可以減小道127的寬度。激光系統(tǒng)的實施例就可被設(shè)置成具 有減小的光斑尺寸用于在狹窄區(qū)域中加工。在某些所述實施例中，可以減小脈沖能量同時 保持給定的能流。不過，在一些應(yīng)用中，較高的能流可被選擇用于加工并且對于加工各種金 屬和電介質(zhì)是有利的。用于微加工的脈沖激光系統(tǒng)的示例實施例圖IF示意性地示出了適于用激光脈沖加工工件的系統(tǒng)100的實施例。系統(tǒng)100 包括激光系統(tǒng)104，所述激光系統(tǒng)可操作地連接至控制器114和掃描系統(tǒng)106。在某些實施 例中，激光系統(tǒng)104被設(shè)置成輸出包括一個或多個超短脈沖(USP)的激光脈沖。例如，在至 少一個實施例中，激光系統(tǒng)104包括USP激光器。在不同的實施例中，系統(tǒng)100會提供在相 當范圍上的某些脈沖參數(shù)的調(diào)節(jié)。所述參數(shù)可包括脈沖能量，脈沖重復率，脈沖寬度，光斑 直徑，相鄰光斑的重疊，和掃描速度中的一個或多個。舉例來說，可以產(chǎn)生可調(diào)節(jié)重復率達 到約IMHz或達到約IOMHz的脈沖。輸出脈沖可具有的能量為約1 μ J或更高，例如達到約 5-20 μ J，并且脈沖寬度為約Ips或更短。下文將描述系統(tǒng)100的不同實施例的進一步細節(jié)。以至少幾百KHz的重復率工作的放大激光系統(tǒng)，特別是基于超短(脈沖)光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)(FCPA)，可適用于加工若干種類型的有圖案和無圖案的基片。通過放大 的超短脈沖串可獲得高脈沖能量，例如幾微焦。在某些實施例中，可獲得在至少微焦范圍內(nèi) 的足夠的脈沖能量，通過15-40 μ m通常的光斑直徑提供高處理能力。在某些實施例中，可使用多次(程)通過。用于(多次/程)通過的脈沖能量可 能與用于額外次(程)通過的能量相同或不同。此外，在某些實施例中，可以改變不同次 (程)通過之間的脈沖能量。在某些實施例中，可以調(diào)節(jié)不同次通過之間的其它激光脈沖參數(shù)。例如，較長脈沖 寬度可用于去除至少導體和/或電介質(zhì)材料。所述脈沖寬度可達到幾納秒(ns)，小于1ns， 或約500ps或更短?？梢圆捎贸堂}沖以切割下面(層)的硅材料，例如用亞皮秒脈沖。在某些實施例中，長和短脈沖可應(yīng)用于各次通過，或在某些實施例中通過在任何 單次通過期間將激光的脈沖串施加至材料的靶區(qū)域。在某些情況，脈沖串能夠以預定重復 率施加，并且可包括至少第一和第二激光脈沖在時間上錯位或重疊，并且第一脈沖寬度可 能大于第二脈沖寬度，并在某些實施例中在持續(xù)時間上大于10ps，第二脈沖寬度是超短脈 沖，例如亞皮秒脈沖。脈沖串中脈沖的脈沖間隔為約1 μ sec至0. 1 μ sec，并且在某些實施 例中可以采用更短的間隔。第二脈沖寬度可以如上亞皮秒(例如> IOOfs)至約10ps， 并且一般小于約50ps。此外，第一和第二不限定于時間順序，而可以適用任何順序。例如， 相反的順序可由相應(yīng)的頂側(cè)或底側(cè)最初掃描引起。對于某些微加工的實施例，一個可行的優(yōu)選激光系統(tǒng)會以可調(diào)節(jié)重復率(傳送至 表面的脈沖)為約幾百kHz至IOMHz提供至少約5 μ J的脈沖能量，并且會連接至掃描器以 便以達到約lOm/sec的速率進行掃描。所述系統(tǒng)可包括光學功率放大器以提供高脈沖能量 和足夠高的處理能力。優(yōu)選系統(tǒng)的至少一部分是基于光纖的。在一個優(yōu)選實施例中，激光源包括Yb-摻雜的放大光纖激光器(例如，F(xiàn)CPA μ J， 可從IMRA America獲得)。所述激光器在商用固態(tài)激光系統(tǒng)上提供若干個主要的優(yōu)勢。例 如，該激光源提供的可變重復率在約IOOKHz至5MHz的范圍上。比僅有振蕩器系統(tǒng)更高的 脈沖能量允許在焦點幾何體上的更大靈活性(例如對于給定能流的更大光斑尺寸)。在 至少一個實施例中，達到約10 μ J的脈沖能量能夠以約IMHz的重復率施加，至少約1 μ J以 5MHz的頻率。比各種固態(tài)再生放大系統(tǒng)更高的重復率允許更快的速度。盡管已經(jīng)證實某些 振蕩器產(chǎn)生微焦脈沖能量，其復雜度至少可與CPA系統(tǒng)相比。所述能量還可通過利用功率放大器的基于光纖的系統(tǒng)的實施例獲得，例如至少一 個大模放大器產(chǎn)生近衍射極限的輸出光束。在至少一個實施例中，大模放大器可接收來自 鎖模光纖振蕩器的低能量脈沖，并將脈沖放大至微焦水平。優(yōu)選的，振蕩器和功率放大器成 一體以形成全光纖系統(tǒng)。存在多種可能性。在某些實施例中，尤其對于通過較低脈沖能量和/或較高重復率進行加工，可以 采用全光纖超短脈沖激光系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可包括基于光纖的脈沖放大系統(tǒng)，產(chǎn)生的脈沖寬 度低于lps。來自光纖振蕩器的低能量脈沖可通過光學開關(guān)選擇，并通過光纖放大器放大到 至少約lOOnJ。在較低的能量，亞皮秒脈沖可通過光纖放大器進行放大。在其它實施例中， 全光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)可包括脈沖展寬器和脈沖壓縮器。所述壓縮器可包括執(zhí)行至少部 分脈沖壓縮的光纖壓縮器，體壓縮器(bulk compressor)，或其組合。許多改變是可行的，包 括進一步放大，諧波變換等等。
不同的實施例包括基于光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)，適用于多種微加工應(yīng)用。所述 系統(tǒng)特別適于利用高達幾十微焦和高達最大值為約IOOyJ的脈沖能量加工材料。光斑 直徑可在從約1微米至約100 μ m的范圍內(nèi)。在某些實施例中，光斑尺寸可在約ΙΟμπ!至 100 μ m的范圍內(nèi)，或10 μ m至約60 μ m，或25 μ m至50 μ m。脈沖寬度可以在從幾十飛秒(例 如50fs)至約500皮秒的范圍內(nèi)。參數(shù)一般提供的能量密度接近或高于被加工工件材料的 燒蝕閾值，并且所需的總能量可取決于例如光斑直徑。工件材料可包括但不限于，金屬，無 機電介質(zhì)，有機電介質(zhì)，半導體材料，低k電介質(zhì)材料，或其組合。圖IF示意性地示出了第一實施例的系統(tǒng)100，它能夠用于加工工件，例如半導體 基片。系統(tǒng)100包括激光系統(tǒng)104和掃描系統(tǒng)106。在該實施例中，掃描系統(tǒng)106包括兩個 光束偏轉(zhuǎn)器108，例如檢流計的掃描鏡，能夠進行二維掃描。在其它實施例中，可以使用不 同數(shù)量和/或類型的掃描鏡。在某些實施例中，掃描可以是一維的。掃描系統(tǒng)106還可包 括聚焦光學器件110，例如，能夠在靶基片112處產(chǎn)生基本平的視場的F-theta(平場聚焦) 透鏡。例如，在某些實施例中，F(xiàn)-theta透鏡被設(shè)置成產(chǎn)生20 μ m激光聚焦光斑，具有覆蓋 約800mm2區(qū)域(面積)的基本平的視場。在其它實施例中，例如對于晶圓切割或切片的應(yīng) 用，可以采用具有覆蓋約60mmX60mm面積的基本平的視場的10-50 μ m激光聚焦光斑。掃 描系統(tǒng)106(和/或其它系統(tǒng)部件)可通過控制器114進行控制。例如，控制器114可包括 一個或多個通用和/或?qū)Ｓ糜嬎銠C，其對于系統(tǒng)100可以是遠程的和/或本地的。在其它實施例中，在掃描系統(tǒng)106中可使用其它光學元件(例如，鏡，透鏡，光柵， 空間光調(diào)制器，等等)。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認識到要形成在基片中的圖案可通過許多方法 (包括有線和/或無線技術(shù))與系統(tǒng)100通信。在某些實施例中，圖案通過包括曲線和/或 多邊形的矢量圖形表示，并可包括三維加工指令。許多變化是可行的。在某些實施例中，激光系統(tǒng)104可包括USP激光器，它被設(shè)置成輸出一個或多個超 短(USP)脈沖。超短脈沖的持續(xù)時間可例如小于約10ps。在圖IF所示的示例系統(tǒng)100中， 激光系統(tǒng)104可包括基于光纖的激光器，它能夠產(chǎn)生超快脈沖串。例如，激光器可包括可從 IMRA America公司(Ann Arbor, Michigan)獲得的FCPA μ J激光器。激光脈沖的波長可 以為約1 μ m。在某些實施例中，使用更短波長的激光脈沖，例如，約520nm波長的綠光脈沖。 在其它實施例中，可以實施任何其它合適的激光系統(tǒng)。在某些實施例中，激光系統(tǒng)104可產(chǎn) 生脈沖寬度小于約IOps的激光脈沖。例如，脈沖寬度可在從約IOOfs至約Ips的范圍內(nèi)。 在某些實施例中，脈沖寬度在從約IOfs至約500ps的范圍內(nèi)。在激光系統(tǒng)104的其它實施 例中，使用其它脈沖寬度，例如彡10ns，彡1ns，彡lOOps，彡lps，和/或彡IOOfs0在某些實施例中，激光系統(tǒng)104可包括基于二極管的和/或微芯片激光種子源，并 可輸出持續(xù)時間為約一納秒，幾納秒，和/或直到約10納秒的脈沖。激光系統(tǒng)104可包括 任何適當類型的激光，用于輸出具有希望特性的脈沖。在某些實施例中，采用較高激光重復率以實現(xiàn)較快的激光加工。例如，重復率可大 于500kHz。在某些實施例中，可以采用約IMHz至IOMHz的重復率。其它重復率是可行的。 根據(jù)本文所披露的成果，在某些實施例中可使用較高重復率，以減少圖ID中示意性所示出 的再沉積材料1005-a的數(shù)量。在某些實施例中，數(shù)十或數(shù)百個激光脈沖可在每個焦斑直徑 中重疊，所述焦斑直徑可以是約20 μ m的直徑，或在某些實施例中為10-50 μ m。在其它實 施例中，不同數(shù)量的脈沖可重疊。例如，在某些實施例中，幾個脈沖可重疊，例如3個脈沖。較高重復率的另一可能的優(yōu)勢是與采用較低重復率時相比能夠以更短的時間加工基片。就 此，在某些實施例中，提高了系統(tǒng)100的處理能力同時具有改進的質(zhì)量。圖2A示意性地示出了可用于通過超快脈沖串加工半導體靶基片112的系統(tǒng)200 的實施例。該系統(tǒng)200總體可類似于圖IF示意性所示的實施例。圖2A所示實施例中的激 光系統(tǒng)104包括在圖IF所示實施例中未示出的光學內(nèi)部脈沖調(diào)制器202。光學調(diào)制器202 可用于調(diào)制激光脈沖串的重復率。在某些實施例中，激光脈沖串包括一個或多個超短脈沖， 例如一個或多個超短脈沖串。在某些實施例中，調(diào)制器202適合將激光脈沖重復率從振蕩 器重復率(在某些光纖激光實施例中通常為約50MHz)改變至加工重復率(通常小于或為 約IMHz)。例如，調(diào)制器202可被設(shè)置成使得只有來自振蕩器脈沖串的每第N個脈沖傳輸至 最終的功率放大器，或傳輸脈沖群。在某些實施例中，實施所述振蕩器放大器結(jié)構(gòu)以便產(chǎn)生 高能量脈沖串可能是合宜的，其中為了改進振蕩器穩(wěn)定性，使用50MHz量級的振蕩器重復 率。所述振蕩器放大器系統(tǒng)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的。在某些實施例中，內(nèi)部調(diào)制器202使得放大器中的平均功率和熱狀態(tài)保持基本相 同，同時基本上瞬時改變脈沖能量和脈沖峰值功率。內(nèi)部調(diào)制器202可包括聲-光調(diào)制器 或任何其它合適的光學調(diào)制器。在某些實施例中，激光系統(tǒng)104輸出脈沖能量高于約1 μ J， 脈沖持續(xù)時間小于約10ps，和脈沖重復率大于約IOOkHz的脈沖。圖2A所示的實施例還包括頻率轉(zhuǎn)換器204，例如二次諧波產(chǎn)生(SHG)轉(zhuǎn)換器。在 該實施例中，SHG轉(zhuǎn)換器和內(nèi)部調(diào)制器202的組合提供“快速快門(fast shutter) ”，因為 諧波轉(zhuǎn)換效率與激光脈沖能量成比例。因此，通過調(diào)節(jié)來自振蕩器的激光重復率，基本瞬時 的開/關(guān)加工光束(例如，透射的SHG光束)是可能的。所述快速快門在機械上是不可能 的，并且難以對高激光功率在光學上進行實施而不導致光束質(zhì)量、脈沖持續(xù)時間等的下降。 一些實施例可包括三次諧波產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器和/或四次諧波產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器或任何其它合適的諧 波產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器。圖2A所示的實施例還包括控制器114，所述控制器可用于控制激光系統(tǒng)104，掃描 系統(tǒng)106，頻率轉(zhuǎn)換器204和/或其它系統(tǒng)部件。例如，在某些實施例中，調(diào)制器202和掃 描系統(tǒng)106 (例如，掃描鏡108和/或聚焦光學器件110)的控制可被鏈接，以便能夠更大的 控制激光照射條件，從而更大的控制加工深度和橫向伸展。例如，在某些實施例中，控制器 114被設(shè)置成在以脈沖重復率加工靶材料期間控制相鄰聚焦脈沖(或脈沖群)間的空間重 疊。圖2B示意性地示出了能夠用于通過超快脈沖串加工靶基片的系統(tǒng)230的實施 例。在該實施例中，激光系統(tǒng)104包括啁啾脈沖放大系統(tǒng)，例如，基于光纖的啁啾脈沖放大 (FCPA)系統(tǒng)。使用FCPA系統(tǒng)的優(yōu)點包括改進的效率和可靠性。此外，由于光纖放大器的輸 出能量和峰值功率一般隨振蕩器重復率的增大而減小，通過基本恒定的平均輸出功率或通 過固定的泵浦功率，根據(jù)重復率的光纖放大器輸出能量和功率變化可被利用以提供改進的 FCPA性能。轉(zhuǎn)讓給本申請受讓人的不同美國專利披露了利用緊湊光纖結(jié)構(gòu)的啁啾脈沖放大 系統(tǒng)。下述各美國專利的公開內(nèi)容以其全文形式被結(jié)合入本文作為引用Kalvanauskas 等人的授權(quán)日為1996年3月12日的美國專利No. 5，499，134，發(fā)明名稱為“Optical Pulse Amplification Using Chirped Bragg Gratings，，；Harter 等人的授權(quán)日為 1997年 12 月 9 日的美國專利 No. 5，696，782，發(fā)明名稱為 “High Power FiberChirped Pulse Amplification Systems Based On Cladding Pumped Rare-Earth DopedFiber，，；禾口 Gu 等 人的授權(quán)日為2006年9月26日的美國專利No. 7，113，327，發(fā)明名稱為“High Power Fiber Chirped Pulse Amplification System Utilizing Telecom-Type Components，，(下文被 稱為“’ 327專利”)。在這些專利中公開的任何激光系統(tǒng)以及其它商用“全光纖”激光系統(tǒng) 可用于圖2B所示的系統(tǒng)230。在某些實施例中，激光系統(tǒng)104包括FCPA μ J激光器(可從本申請的受讓人IMRA America公司獲得)，它在壓縮器252的輸出提供激光脈沖。輸出脈沖能夠以高達約IMHz 的可調(diào)節(jié)重復率產(chǎn)生。輸出脈沖可具有約IyJ或更高的能量，和約Ips或更短的脈沖寬 度。在某些實施例中，如果峰值功率和脈沖能量低到足以避免非線性效應(yīng)，光纖壓縮器而不 是體(bulk)輸出壓縮器可用于脈沖壓縮。在某些實施例中，光子能帶隙光纖或光子晶體光 纖可被單獨使用或與體壓縮器(bulk compressor)或大面積光纖結(jié)合使用以提供增大的輸 出能量和峰值功率。在圖2B示意性所示的系統(tǒng)230的實施例中，激光系統(tǒng)104包括單程(通過)基于 光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)。激光系統(tǒng)104包括高重復率源232，光纖展寬器236，光纖前置放 大器240，脈沖選擇器/調(diào)制器244，光纖功率放大器248，和壓縮器252。壓縮器252的輸 出可以是超短脈沖串。在某些實施例中，壓縮器252可被解諧以提供更長的脈沖寬度(例 如，約200ps)。在其它實施例中，沒有使用壓縮器252，并且激光系統(tǒng)104輸出脈寬達到約 1納秒，幾納秒，和/或高達約10納秒的脈沖。在某些實施例中，激光系統(tǒng)104可包括一個 或多個單程和雙程前置放大器，單程或雙程展寬器，和功率放大器結(jié)構(gòu)(未示出)，其能夠 以類似的包裝尺寸提供更長的展寬的脈沖寬度和更高的脈沖能量。某些實施例可包括保偏 (PM)光纖放大器，振蕩器，和展寬器光纖。如上文所述，控制器114可被設(shè)置成通過掃描系 統(tǒng)106將脈沖協(xié)調(diào)傳送至靶基片112。在不同的實施例中，控制器114可用于控制一些或所 有的激光系統(tǒng)104的部件，掃描系統(tǒng)106，和/或其它系統(tǒng)部件。在一個實施例中，控制器 114被設(shè)置成通過控制脈沖選擇器/調(diào)制器244來控制激光系統(tǒng)104。如上文所述，掃描系 統(tǒng)106可包括，例如，掃描鏡108，例如檢流計掃描鏡。掃描系統(tǒng)106還可包括聚焦光學器件 110。高重復率源232可提供以遠高于IMHz，例如，在約20MHz至約100MHz范圍內(nèi)的重 復率工作的自由運行(free-running)脈沖串。鎖模激光器，包括基于全光纖的被動鎖模 或其它裝置，可用于產(chǎn)生所述重復率。例如，相應(yīng)的脈沖寬度可以從約幾百飛秒至約10皮 秒的范圍內(nèi)。在其它實施例中，可使用非鎖模激光源。例如，準連續(xù)波半導體激光的輸出 可被調(diào)制并被光學壓縮以產(chǎn)生皮秒或飛秒脈沖。合適的激光源包括披露于Harter申請的 美國專利申請?zhí)?10/437，057，發(fā)明名稱為 “Inexpensive Variable Rep-Rate Source For High-Energy, Ultrafast Lasers”，現(xiàn)美國專利申請公開號為2004/0240037，該申請轉(zhuǎn)讓給 本申請的受讓人，并以其全文形式在此被結(jié)合入本文作為引用。光纖展寬器236可包括一長度的光纖(例如，約IOOrn至1km，取決于光纖色散)以 展寬來自高重復率源232的脈沖，以便避免非線性效應(yīng)和/或?qū)η爸梅糯笃?40和/或光 纖功率放大器248的損壞。展寬器236可包括光纖布喇格(Bragg)光柵(FBG)，啁啾FBG， 或其組合。展寬器236可包括具有不規(guī)則三階色散(TOD)的光纖，以便部分補償可能積聚在系統(tǒng)中的殘留TOD (如果存在的話)。在某些實施例中，大部分的殘留TOD是由于使用不 匹配的展寬器(基于光纖的)和壓縮器色散(基于體光柵的)而產(chǎn)生。在不同的示例實施 例中，展寬脈沖的寬度為約50ps，在從約IOOps至約500ps的范圍內(nèi)，或在達到約Ins的范 圍。在雙程結(jié)構(gòu)中也可以提供脈沖展寬。在某些激光系統(tǒng)104中作為可選的光纖前置放大器240放大從高重復率源232發(fā) 射出的脈沖能量。所述源232可發(fā)射能量從約幾百ρJ至約lnj，并達到約5nJ的脈沖。在 某些實施例中，在前置放大器240的輸出端的脈沖能量可以高于約InJ，例如，在從約InJ至 約20nJ的范圍內(nèi)，并且在某些實施例中達到約lOOnJ。在某些實施例中，大模放大器可被用 作前置放大器以便產(chǎn)生微焦種子脈沖。例如，由本申請的受讓人開發(fā)的提供高質(zhì)量輸出光 束的不同放大器選擇(例如利用多模光纖的放大器，大芯泄漏信道光纖，光子晶體光纖， 和/或光子帶隙光纖)將在下文進一步描述并可用作前置放大器，功率放大器，或總體用作 多級放大器的至少一部分。脈沖選擇器和/或調(diào)制器244可被設(shè)置成選擇性地將脈沖傳輸至功率放大器 248。脈沖選擇器和/或調(diào)制器244可包括聲-光調(diào)制器(AOM)，電-光調(diào)制器(EOM)，高速 Mach-Zehnder (馬赫-澤德爾)裝置(MZ)，和/或電吸收調(diào)制器(EAM)。AOM不需要高壓電 子設(shè)備，并且商用數(shù)字驅(qū)動器電子設(shè)備使用方便。Mach-Zehnder裝置(MZ)與具有GHz帶寬 和低驅(qū)動電壓的光學設(shè)備集成在一起，并且在許多情況要求偏振的輸入光束。在某些實施 例中，集成的MZ裝置的較小區(qū)域可能限制可用的峰值功率。在某些實施例中，脈沖展寬器 236減少入射在調(diào)制器244上的峰值功率，如在’ 327專利中所述。MZ裝置已被用在1. 55 μ m 電信波長，并且MZ裝置目前可用在1 μ m波長。’ 327專利披露了使用MZ調(diào)制器的啁啾脈沖 放大系統(tǒng)。在某些實施例中，脈沖選擇器/調(diào)制器244可提供約20dB至約30dB的強度控 制，并且可用于基于根據(jù)輸入的功率放大器248的傳輸特性至少部分地控制輸出強度。在某些實施例中，光纖功率放大器248包括多模光纖放大器，它被設(shè)置成提供基 本上在基模的輸出。例如，系統(tǒng)可采用美國專利No. 5，818，630所述的光纖功率放大器，所 述美國專利5，818，630授權(quán)給Fermann等人，發(fā)明名稱為“Single-Mode Amplifiers and Compressors Based on Multi-Mode Fiber”，轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人，并在此以其全文形式 被結(jié)合入本文作為引用。多模光纖放大器在不希望的非線性和增益飽和開始之前產(chǎn)生高于 在單模(SM)光纖可獲得的峰值功率和脈沖能量。在其它實施例中，可使用大面積放大器， 例如光子帶隙或光子晶體設(shè)計。通過泄漏模式設(shè)計已證實高質(zhì)量輸出光束，例如，披露于美 國專利申請?zhí)?11/134，856，發(fā)明名稱為 “Single Mode Propagation in Fibers and Rods with Large Leakage Channal ”，專利申請公開號為2006/0263024，轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓 人，并在此以其全文形式被結(jié)合入本文作為引用。如上文所述，在某些實施例中壓縮器252是全光纖壓縮器。不過，如果峰值功率太 高，例如在某些實施例中為約IOOkW或更高，非線性效應(yīng)可能限制全光纖壓縮器的性能?？?能存在光纖設(shè)計的緊湊性和與體壓縮器相關(guān)的靈活性之間的權(quán)衡。在某些實施例中，光纖 和體部件(bulk component)均可被用于激光系統(tǒng)104。高重復率源232可產(chǎn)生輸出波長為約1 μ m的脈沖。在某些實施例中，系統(tǒng)230包 括可選的頻率轉(zhuǎn)換器256。例如，頻率轉(zhuǎn)換器256可包括倍頻器，三倍頻器，和/或四倍頻 器，產(chǎn)生相應(yīng)的可見(例如，綠光)或紫外線輸出波長(對于Iym輸入波長)。在某些實施例中，頻率轉(zhuǎn)換器256可包括參數(shù)放大器。通過較高的峰值強度一般提高了轉(zhuǎn)換效率。因 此，可以設(shè)置有利的頻率轉(zhuǎn)換器256以接收壓縮器252的輸出。在一個示例實施例中，頻率 轉(zhuǎn)換器256被設(shè)置成提供二次、三次、和四次諧波產(chǎn)生。利用I型非臨界相位匹配三硼酸鋰 (LBO)晶體完成二次諧波產(chǎn)生。通過在II型臨界相位匹配LBO晶體中和頻混合基次諧波和 二次諧波產(chǎn)生三次諧波。I型LBO和I型β硼酸鋇(BBO)晶體也可用于三次諧波產(chǎn)生的實 施例中，產(chǎn)生近UV輸出波長。I型臨界相位匹配β硼酸鋇(BBO)晶體通過倍頻二次諧波 光產(chǎn)生四次諧波。在該示例實施例中，在基波長為1040nm具有50μ J，500fs脈沖的光被輸 入頻率轉(zhuǎn)換器256，它分別對二次，三次，和四次諧波頻率提供53 %，25 %，和10 %的轉(zhuǎn)換效 率。在IOOkHz的激光重復率，該示例實施例在1040nm下產(chǎn)生約5. OOff的平均功率，以及在 520nm下約2. 62W,在346nm下約1. 20W,和在260nm下約504mW的平均轉(zhuǎn)換功率。轉(zhuǎn)換后的 脈沖能量在520nm下為約26 μ J，在346nm下為約12 μ J，和在260nm下為約5 μ J?？捎糜?提供頻率轉(zhuǎn)換的超短脈沖的激光系統(tǒng)104的進一步細節(jié)披露于Shah等人的題為“12 μ J， 1. 2ff Femtosecond Pulse Generation at 346 nm from a Frequency-tripled Yb Cubicon Fiber Amplifer, ",2005, CLEO 2005 Postdeadline，CPDB1，該文獻以其全文形式在此被結(jié) 合入本文引用?？刂破?14可用于協(xié)調(diào)掃描光束的定位和激光脈沖的選擇。在某些實施例中，當 高重復率源232是自由運行時，利用耦合至高速光電檢測器(未示出)的光纖的一長度 來檢測一部分光束。光電檢測器輸出向控制器114提供同步信號。同步信號有利的可以 是數(shù)字信號。掃描系統(tǒng)106可包括2-D檢流計鏡108，例如，可從SCANLAB America公司 (Naperville, Illinois)獲得的hurrySCAN II 14掃描頭。使用所述掃描頭的優(yōu)勢包括它 們是低慣性裝置并具有用戶友好(界面)的商用控制器以便鏡位置和/或速率信號易于可 編程。掃描系統(tǒng)106和控制器114還可用于任何合適的平移臺，旋轉(zhuǎn)臺，和機械臂(未示 出)的組合以定位靶基片112。在某些實施例中，可以省略掃描鏡108和用于相對移動激光 束和靶基片112的任何其它合適的系統(tǒng)。合適的聚焦光學器件110(例如，F(xiàn)-theta透鏡和 /或高分辨率物鏡)可用于將每個激光脈沖聚焦到靶材料的表面上或靶材料中。由于材料 的色散，一些折射光學元件可能引入光斑位置和聚焦誤差，或其它時間或空間變形。在某些 實施例中，使用設(shè)計用于超短激光脈沖光束的商用光學元件。在某些實施例中，控制器114 被設(shè)置成在加工靶材料期間控制相鄰聚焦激光脈沖(或激光脈沖群)之間的空間重疊。在某些實施例中，可能需要基本連續(xù)地使放大器工作以減少損壞的可能性和提供 從放大器的最大能量提取。光纖放大器特別適于放大高速脈沖串。不過，在某些實施例 中，出現(xiàn)增大的放大器損壞的風險并且在不進行材料加工(”空轉(zhuǎn)時間”)的延長時間段期 間產(chǎn)生不希望的放大自發(fā)射(ASE)。例如，在某些放大器中，空轉(zhuǎn)時間段可能在從幾十微 秒至幾百毫秒或更大的范圍內(nèi)。在某些光纖放大器中，約1OOu s的空轉(zhuǎn)時間可能足以使 增益增大至足夠的水平以便在高增益(強泵浦)條件下自由產(chǎn)生激光。在約25-40 μ s的 空轉(zhuǎn)時間后，如果注入種子脈沖，放大器中積累的增益可能具有足夠的增益以產(chǎn)生能夠引 起對輸出光纖面造成損壞的高能量脈沖。因此，在某些實施例中，通過動態(tài)調(diào)整輸入脈沖 能量和/或控制泵浦二極管電流提供激光部件的穩(wěn)定性和保護，如披露于例如Nati等人 的美國專利申請 No. 10/813，173，發(fā)明名稱為 “Method And Apparatus For Controlling And Protecting Pulsed High Power Fiber Amplifier Systems，，，美國專利公開號為2005/0225846，該文獻轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人，并且該文獻以其全文形式在此被結(jié)合入本文引用。在系統(tǒng)230的不同實施例中，控制器114可被設(shè)置成在空轉(zhuǎn)時間期間以高重復率 (例如，從約50MHz至約100MHz)使脈沖選擇器/調(diào)制器244工作。在空轉(zhuǎn)時間期間，放大 器248 —般在非飽和狀態(tài)工作。功率放大器的平均輸出可能在基波長稍微增大。在空轉(zhuǎn)時 間和“活動”時間(當系統(tǒng)230加工靶時)之間調(diào)制脈沖能量可能足以提供光束的快速快 門(例如，“關(guān)”和“開”功能)。在某些實施例中，在一些空轉(zhuǎn)時間期間靶基片112上的激 光能流可能高于燒蝕和/或表面改性閾值，但是“空轉(zhuǎn)”和“活動”時間段之間的能流的調(diào) 制可能足以用于加工控制。在某些實施例中，可選的快門260可用于控制入射在靶基片112 上的能量?？蛇x的快門260可包括聲光裝置，光學_機械快門，和/或電_光快門。系統(tǒng)230的某些實施例包括可提供例如倍頻和/或三倍頻的頻率轉(zhuǎn)換器256。在 某些所述實施例中，在頻率轉(zhuǎn)換器256的輸出端的脈沖能量和/或峰值功率可能較低。在所 述情況，轉(zhuǎn)換器256的輸出可以是較低的能量脈沖，其中大部分的能量在基波長并聚焦在 靶上；能量可能低于靶材料的燒蝕和/或表面改性閾值。在某些系統(tǒng)實施例中，約20dB至 約30dB的調(diào)制器調(diào)整可提供在較寬工作范圍上的強度控制，以便避免改變靶材料的特性。在某些實施例中，可采用技術(shù)來衰減不想要的光束能量。例如，不想要的能量可以 用光譜過濾器(未示出)去除。在某些實施例中，由于用于I型相位匹配的基頻和諧頻之 間的偏振態(tài)的不同，偏振濾光可能是可行的。還可以控制脈沖選擇器/調(diào)制器244以限制 至放大器248的能量。掃描系統(tǒng)106中的聚焦光學器件(或者其它聚焦光學器件，如果不 用掃描器)可能針對加工波長(如果使用可選的頻率轉(zhuǎn)換器256則可以是頻率轉(zhuǎn)換后的波 長)而優(yōu)化。在某些實施例中，聚焦光學器件可被設(shè)置使得基波長的光斑尺寸增大，以便減 小靶基片112表面處的能量密度。在主動(活動)加工期間，控制器114可用于向脈沖選擇器/調(diào)制器244提供信 號以“計數(shù)(down count)”或以其它方式選擇脈沖。在某些實施例中，加工重復率可以從約 1OOKHz至約1OMHz。在主動(活動)加工期間，激光器在飽和狀態(tài)或接近飽和狀態(tài)工作可 能是有利的，以便從光纖放大器提取最大的能量。圖3示意性地示出了系統(tǒng)300的實施例，它能夠用于通過超快脈沖串加工工件 (或靶基片)。該系統(tǒng)300可能總體類似于圖IF和2A，2B所示的實施例。系統(tǒng)300還可包 括機械臂系統(tǒng)304，它連接至靶基片112并被設(shè)置成操縱相對于掃描光束的靶位置(和/或 方向)。機械臂系統(tǒng)304可以是單軸或多軸系統(tǒng)。在某些實施例中，掃描系統(tǒng)106包括掃描 頭，它相對于靶基片112移動。實施例提供掃描光束和靶基片112之間相對移動的可能優(yōu) 勢是系統(tǒng)可實現(xiàn)非平表面的加工。在圖1-F，2A，2B和3分別示意性所示的系統(tǒng)100，200，230，和300的某些實施例 中，激光光斑尺寸主要由掃描系統(tǒng)106中的F-theta透鏡確定。在某些實施例中，為了使圖 像具有合理的加工區(qū)域，采用大于約10 μ m的光斑尺寸。激光系統(tǒng)104的某些實施例能夠 加工更小的光斑尺寸(例如，≤1μm)。對于所述小聚焦尺寸，在某些實施例中采用明顯較 低的脈沖能量。為了在足夠大的工作區(qū)域上獲得足夠高的分辨率，靶和光束可以相對于彼 此移動。例如，靶可以相對于基本不動的激光束移動(或反之亦然)。在系統(tǒng)100，200，230，和300的某些實施例中，可以沿激光系統(tǒng)104和掃描系統(tǒng)106之間的光學路徑設(shè)置可變望遠鏡。在某些所述實施例中，可以從掃描系統(tǒng)106略 去F-theta透鏡?？勺兺h鏡可用于動態(tài)改變系統(tǒng)的焦距并且可在靶基片112上提供聚 焦光斑尺寸的連續(xù)變化。商用的可變望遠鏡系統(tǒng)可包括，例如，從SCANLAB America公司 (Naperville, Illinois)可獲得的varioSCAN動態(tài)聚焦裝置。具有動態(tài)聚焦的所述系統(tǒng)具 有3D調(diào)整光束焦點位置的能力，和跟隨或補償靶表面位置中變化的有用能力，所述靶表面 位置中的變化可能由于基片翹曲或其它平面度偏差而造成。圖4A示意性地示出了系統(tǒng)400.的實施例，它能夠用于通過超快脈沖串加工半 導體基片。該實施例包括激光系統(tǒng)104和平移臺408，所述平移臺被設(shè)置成相對于激光 束移動靶基片112。在某些實施例中，平移臺408保持具有較高平移速度的基本恒定的 運動，以便實現(xiàn)足夠高的加工速度。在某些實施例中，平移臺408可包括X-Y或X-Y-Z平 移臺。例如，平移臺408可包括可從Aerotech公司(Pittsburgh, Pennsylvania)獲得的 Nano-Translation(ANTTM)臺。相對控制脈沖激光束和靶基片的定位的許多技術(shù)是已知 的，例如，披露于Baird等人的美國專利No. 6，172，325，發(fā)明名稱為“Laser Processing Power Output Stabilization Apparatus and Method Employing Processing Position Feedback”。在某些實施例中，控制器114可能執(zhí)行控制指令，用于協(xié)調(diào)掃描系統(tǒng)106和平移 臺 408，例如，可從 Aerotech 公司(Pittsburgh，Pennsylvania)獲得的 Nmark 控制軟件。在圖4A示意性所示的系統(tǒng)400的某些實施例中，調(diào)制器402可用于提供基本瞬時 的激光調(diào)制，以便改進激光_材料相互作用的控制。調(diào)制器402 —般可類似于結(jié)合圖2所 述的調(diào)制器202，或者調(diào)制器402可以是如圖4A示意性所示的外部調(diào)制器。在某些實施例 中，控制器114提供調(diào)制器402和平移臺408的鏈接控制。在某些實施例中，本文所述的系統(tǒng)(例如，系統(tǒng)100，200，230，300和400)可利用
激光束相對于靶基片的多程(次)通過來加工靶基片。例如，在不同的實施例中可使用十 次或更多次通過，并且可能幾百次以便形成非常高縱橫比的結(jié)構(gòu)?？梢哉{(diào)節(jié)能流(和/或 其它系統(tǒng)參數(shù))以控制在給定(次數(shù))通過期間的材料去除。在不同的實施例中，系統(tǒng)可以利用關(guān)于靶的激光系統(tǒng)的狀態(tài)的信息和根據(jù) 反饋信號控制激光參數(shù)，如披露于例如申請日為2004年3月31日的美國專利申請 No. 10/813，269,發(fā)明名禾爾為"Femtosecond laser processing system with process parameters, control and feedback”，(此后稱為，269申請)，該文獻轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓 人，并且以其全文形式在此被結(jié)合入本文引用。在某些實施例中，可以提供一系統(tǒng)，其中每個激光脈沖可具有各自的特征。至少一 個激光脈沖可以是超短脈沖。系統(tǒng)可包括用于產(chǎn)生如實施例100，200，230，300，400中的一 個或多個所提供的脈沖或高重復率脈沖串的激光裝置。另外，可以包括控制激光裝置的控 制裝置，和監(jiān)控脈沖寬度，波長，重復率，偏振，和/或包括脈沖串的脈沖的時間延遲特征的 光束操縱裝置。在某些實施例中，系統(tǒng)可以根據(jù)對控制裝置所測量的脈沖寬度，波長，重復 率，偏振和/或時間延遲特征產(chǎn)生反饋數(shù)據(jù)。在一個實施例中，激光裝置可包括利用展寬器 光柵和壓縮器光柵的光纖放大器。光束操縱裝置可包括各種裝置，包括例如，測量激光脈沖 的脈沖持續(xù)時間的光學開關(guān)裝置，測量來自激光裝置的激光脈沖輸出的功率的功率計，和/ 或測量激光脈沖的重復率的光電二極管。在某些使用頻率轉(zhuǎn)換器的實施例中，例如倍頻器 或三倍頻器，光束操縱裝置將部分產(chǎn)生的激光脈沖的基頻光學地轉(zhuǎn)換成一個或多個其它光學頻率，并且包括至少一個光學元件將激光脈沖的基頻的一部分轉(zhuǎn)換成至少一個較高階諧 波信號。光學元件可包括非線性晶體裝置，它具有控制晶體方向的控制器。在某些實施例 中，用于轉(zhuǎn)換光頻的裝置有益地包括分光計，它測量非線性晶體裝置的脈沖輸出的一個或 多個預定參數(shù)并產(chǎn)生用于控制裝置的反饋。另一個實施例的光束操縱裝置包括望遠光學裝 置，以控制激光脈沖輸入的尺寸、形狀、發(fā)散度和/或偏振，并引導光學器件以控制激光脈 沖在靶基片上的撞擊位置。系統(tǒng)還可包括光束分析儀，它監(jiān)控激光脈沖的特征并產(chǎn)生用于 控制裝置的反饋。上述系統(tǒng)具有幾種用途，包括但不限于，改變靶基片的折射率；表面標記， 亞表面標記，和/或表面構(gòu)造靶基片；制備孔，通道，溝，槽，通孔(via)，和/或靶基片中的 其它結(jié)構(gòu)，和沉積和/或去除靶基片上的薄層材料。如圖5的激光加工系統(tǒng)的實施例所示，控制裝置5300連接至激光裝置5100。激 光系統(tǒng)總體類似于’ 269申請的圖5示意性所示的激光系統(tǒng)的實施例?？刂蒲b置5300監(jiān)控 若干個輸出激光參數(shù)，例如，平均輸出功率，脈沖串(重復率和/或脈沖串方式結(jié)構(gòu))，脈沖 持續(xù)時間(和/或時間相位，例如，F(xiàn)R0G，頻率分辨光學開關(guān))，和/或空間相位(波前傳感 器)。受監(jiān)控的參數(shù)連接至控制裝置5300以便通過反饋回路改變激光性能(脈沖能量，重 復率和脈沖持續(xù)時間)。此外，反饋回路可連接至壓縮器調(diào)準(例如，光柵分離)以便預啁 啾激光脈沖，從而補償由隨后的激光系統(tǒng)模塊的部件造成的光色散?？刂蒲b置5300可包 括，例如，臺式計算機，便攜式計算機，平板電腦，手持式電腦，工作站計算機或任何其它通 用和/或?qū)Ｓ糜嬎慊蛲ㄐ旁O(shè)備?？刂蒲b置5300可執(zhí)行任何公知的MAC-OS，WINDOWS，UNIX， LINUX，或其它適當?shù)挠嬎銠C操作系統(tǒng)(未示出)?？刂蒲b置5300可以通過物理鏈接和/或 無線鏈接網(wǎng)絡(luò)連接至其它計算裝置。控制裝置5300可包括輸入設(shè)備，輸出設(shè)備，隨機存儲 器(RAM)，和/或只讀存儲器(ROM)，CD-ROM，DVD裝置，硬盤驅(qū)動器，和/或其它磁性或光學 存儲介質(zhì)，或其它適當?shù)拇鎯腿』匮b置。控制裝置5300還可包括具有系統(tǒng)時鐘或其它合 適的計時裝置或軟件的處理器。輸入設(shè)備可包括鍵盤，鼠標，觸摸屏，壓敏板或其它合適的 輸入設(shè)備，而輸出設(shè)備可包括視頻顯示器，打印機，磁盤驅(qū)動器或其它合適的輸出設(shè)備。在某些實施例中，可以包括其它的工具以監(jiān)控靶基片的狀態(tài)，和/或確認/控制相 對于靶基片表面的聚焦位置。例如，可以采用照明和光學顯微鏡觀察系統(tǒng)(未示出)以定位 對準標記，確認/否認激光破壞，和測量激光影響的結(jié)構(gòu)體積和/或形態(tài)。通過包括光譜診 斷例如激光誘導擊穿光譜(LIBS)和/或激光誘導熒光可獲得額外的數(shù)據(jù)。還可以采用精 確確定從靶表面至焦點的距離的測距工具。在某些應(yīng)用中，確定距離可能是有利的，因為一 個應(yīng)用可包括微米級材料加工。還可以使用使靶基片表面成像的攝像系統(tǒng)。在所述尺寸， 小誤差/不確定性可能降低用戶精確控制激光/材料相互作用的能力。這可能變得復雜， 因為幾種所述應(yīng)用可能涉及具有非平面表面材料的亞表面加工。來自觀察/光譜工具的信 號可反饋給其它系統(tǒng)部件(例如，控制裝置，用于轉(zhuǎn)換光學頻率的裝置等等)，以精確影響 激光/材料相互作用的程度和性質(zhì)。此外，來自測距工具和/或觀察/光譜工具的信號可 被反饋控制工件位置。掃描機構(gòu)導向光學器件，它可包括基于檢流計的鏡掃描器和可能的 一個或多個額外的精確定位器，并且控制裝置5300使得光束被準確地傳送至靶基片。因此，在本文所述系統(tǒng)的某些實施例中，激光控制和診斷允許主動控制加工參數(shù) 以便確保激光強度保持在希望的(和/或最佳的)范圍，從而保證一致的結(jié)構(gòu)尺寸，材料去 除率，和熱效應(yīng)。此外，控制光束的尺寸、形狀、散度和/或偏振的能力使得進一步改進(和/或優(yōu)化)加工結(jié)構(gòu)(例如，槽和/或溝)的形狀和/或邊緣質(zhì)量成為可能。例如，已經(jīng)證實使 用其主軸平行于平移方向的高度橢圓光束能夠產(chǎn)生的溝比使用圓聚焦光束可能產(chǎn)生的溝 具有更高的縱橫比和更好的表面質(zhì)量(參見例如，Barsch，Korber,OstendorfJP Tonshoff 的"Ablation and Cutting of Planar Silicon Devices using Femtosecond Laser Pulses, "Appl.Physics A 77，pp.237-244，(2003)和 Ostendorf，Kulik，和 Barsch 的 "Processing Thin Silicon with Ultrashort-pulsed Lasers Creating an Alternative to Conventional Sawing Techniques, '^Proceedings of the ICALEO,Jacksonville,USA, 2003年10月)。還顯示了相對于掃描方向調(diào)整激光偏振可影響飛秒加工槽的表面和邊緣 質(zhì)量。如通過本文所述激光系統(tǒng)的不同實施例實現(xiàn)的主動監(jiān)控和獨立控制激光和脈沖參數(shù) 的能力，對于在制備結(jié)構(gòu)(包括例如表面槽和/或溝)中實現(xiàn)可復制的微米級精確度是有 利的。具有反饋和控制的系統(tǒng)的進一步細節(jié)披露于’ 269申請，例如，圖7-13和’ 269申 請的相應(yīng)段落。在某些實施例中，通過具有總能量足以用于材料去除的皮秒脈沖串可以進行加 工。例如，脈沖寬度可以在約IOps至約500ps的范圍內(nèi)。在某些實施例中，可以不采用脈 沖壓縮器。在所述實施例中，可以放大來自一個或多個激光源的脈沖以產(chǎn)生加工脈沖。所 述結(jié)構(gòu)可能大體類似于系統(tǒng)100，200，230，300和400的實施例，但省略了脈沖壓縮器。實施例可應(yīng)用于多種微加工應(yīng)用，并且很好地匹配在微電子中的應(yīng)用，包括例如 晶圓切割，切片，劃片，和類似的應(yīng)用。在某些實施例中，利用適于所述應(yīng)用的方法和裝置可 以對系統(tǒng)實施例100，200，230，300和400中所示的元件進行合適的改動。例如，在一個實 施例中，基片定位機構(gòu)可包括X-Y-Z臺408，和額外的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)以提供6-軸能力和/或以保 持靶基片(例如，晶圓)的平面度和共面性。例如，晶圓可通過另一材料(例如，膠帶)固 定至專用的支架(例如，硅片夾)以供切割操作。系統(tǒng)100，200，230，300和400的某些實施例包括激光器和放大器的不同組合。盡 管在某些實施例中基于光纖的技術(shù)是優(yōu)選的，但不同的實施例可采用波導激光器和/或放 大器，再生放大器，等等。在某些實施例中，所述技術(shù)可與光纖放大器，激光器，和/或一長 度的未摻雜傳輸光纖結(jié)合使用。例如，在一個實施例中，被動Q-開關(guān)微片激光器可以稍低 于IMHz的重復率，例如達到約100-500kHz或更大些，產(chǎn)生幾微焦的脈沖能量。脈沖寬度可 在約Ips至約IOOps的范圍內(nèi)。在某些實施例中，微片激光器可注入光纖放大器，例如披露 于上述結(jié)合入本文引用的Harter的美國專利申請No. 10/437,057。在某些實施例中，可采用小于幾納秒的脈沖寬度，例如亞納秒脈沖或脈寬為約 500ps或更小的脈沖。100，200，230，300和400所示實施例的合適改動包括基于二極管或 微片激光器種子源，消除脈沖展寬器和脈沖壓縮器的至少一個，減少數(shù)量的放大器級，消除 放大器級，等等。例如，上述結(jié)合入本文作為引用的美國專利申請No. 10/437，057披露了利用種子 和微片激光源的不同實施例，所述種子和微片激光源通過各種光纖和非光纖元件被放大和 壓縮以產(chǎn)生超短脈沖寬度。在一個實施例中，利用半導體激光二極管產(chǎn)生幾納秒的種子脈 沖，其部分利用GHz電-光調(diào)制被選擇，并隨后進一步被加工以便獲得放大的和壓縮的脈 沖。通常的重復率為小于約10MHz。所披露的結(jié)構(gòu)提供了本領(lǐng)域技術(shù)人員可用的元件和子系統(tǒng)以構(gòu)造較高重復率(例如，500kHz-10MHz)短脈沖(亞-皮秒至約幾納秒)，以便產(chǎn)生 預定公差內(nèi)的幾何結(jié)構(gòu)，并且在以較高重復率工作時在加工位置上或非常接近加工位置處 具有減少的再沉積材料的積聚。多種變化是可行的。例如，在某些實施例中，Q-開關(guān)微片激光器可提供脈寬在幾 皮秒至幾十皮秒的脈沖，但是以幾十kHz直到約IOOkHz的頻率(重復率)。在某些實施 例中，可以明顯增大工作重復率，例如達到500kHz或幾MHz，脈沖寬度可容忍的增大達到 亞納秒寬度。實施例可能可選的包括光纖放大器。舉例來說，R. Fluck, B. Braun, E.Gini, H. Melchior,禾口 U. Keller,在"Passively Q-switched 1. 34 μ m Nd YVO4 Microchip Laser with Semiconductor Saturable Absorber Mirror，，, Optics letters, Vol. 22,No. 13 披露 了性能類似于ι μ m形式的早先1. 3 μ m被動Q-開關(guān)激光器。SESAM(半導體可飽和吸收鏡) 在泵浦功率，晶體長度，和設(shè)計上的變化導致脈沖寬度為230ps至12ns和重復率為30kHz 至 4MHz。某些實施例可包括由本申請的所有人，IMRA America公司開發(fā)的早期型號GXP脈 沖星的改動。系統(tǒng)采用了半導體種子激光器和至少一個光纖光學放大器。多種其它結(jié)構(gòu)是 可行的。不同的實施例可以提供在約幾(a few)百皮秒至數(shù)(several)百皮秒范圍內(nèi)的脈 沖寬度。激光系統(tǒng)可包括FCPA系統(tǒng)。在某些采用皮秒或更長脈沖的實施例中，可以除去任 何脈沖壓縮器。可替換的，系統(tǒng)可被設(shè)置成產(chǎn)生放大的皮秒脈沖而沒有啁啾脈沖放大，例 如，優(yōu)選通過光纖放大器系統(tǒng)。再次參見圖4A，激光系統(tǒng)104可包括鎖模光纖振蕩器或其它種子源，和具有光纖 功率放大器的光纖放大器系統(tǒng)。在不同的實施例中，光纖功率放大器包括多模光纖放大 器，它被設(shè)置成基本以基模提供輸出。例如，系統(tǒng)可采用如美國專利號5，818，630所述的 光纖功率放大器，該專利授權(quán)給Fermarm等人，發(fā)明名稱為“Single-Mode Amplifiers and Compressors Based on Multi-Mode Fibers”，轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人，并且以其全文形式 在此被結(jié)合入本文作為引用。在不希望的非線性和增益飽和開始之前，多模光纖放大器產(chǎn) 生的峰值功率和脈沖能量高于單模(SM)光纖可獲得的。在其它實施例中，可以采用大面 積放大器，例如光子帶隙或光子晶體光纖設(shè)計。通過泄漏模式設(shè)計已證實高質(zhì)量輸出光 束，例如，披露于美國專利申請?zhí)?1/134，856，發(fā)明名稱為“Single Mode Propagation in Fibers and Rods with Large Leakage Channels”，美國公開號為 2006/0263024，轉(zhuǎn)讓給本 申請的受讓人，并且以其全文形式在此被結(jié)合入本文作為引用。在至少一個實施例中，放大器可被包括在激光系統(tǒng)104中。圖4B示意性地示出了 大模面積光纖的示例實施例470，所述大模面積光纖包括用稀土離子摻雜的纖芯，所述大模 面積光纖可用于光纖放大器，或用于由多模泵浦源泵浦的激光器。例如，實施例470可包括 在圖4A示意性所示的激光系統(tǒng)104中。輸入光束456可通過鎖模振蕩器，半導體二極管， 二極管和電_光調(diào)制器，和/或其它合適源產(chǎn)生。在用大模放大器放大之前，前置放大器可 提高脈沖能量水平。激光系統(tǒng)104還可包括脈沖選擇器，偏振控制器，和/或光束成形光學 器件以便在放大之前和/或之后調(diào)節(jié)脈沖。在圖4B所示的實施例470中，光纖450分別具 有直的輸入和輸出端451，452，和其間的盤繞部分。多模泵浦455被用于利用耦合透鏡454 泵浦放大器或激光器。輸入光束456通過透鏡453射入光纖450。輸出457由分色鏡458分離。在其它實施例中，光纖450和/或其它部件可被設(shè)置成與圖4B示意性所示的不同。 此外，不同的部件可被除去，添加，和/或不同于圖4B的示例實施例470所示設(shè)置。在用于產(chǎn)生具有減小或可忽略的非線性效應(yīng)的飛秒，皮秒，和/或納秒范圍的高 峰值功率脈沖的全光纖設(shè)計中可以采用不同的激光器或放大器實施例。還可在FCPA系統(tǒng) 中采用激光器或放大器以進一步增大可用的脈沖能量。在一個示例實施例中，可以采用約 7(^111-10(^111或更大的纖芯直徑以產(chǎn)生能量為幾1^至約IOmJ的納秒脈沖。在另一實施 例中，可以產(chǎn)生示例脈沖寬度為約I-IOps的超短脈沖，輸出能量在約10 μ J至幾百μ J的 范圍內(nèi)。在不同的實施例中，可以采用大于約ΙΟΟΚΗζ，和達到至少幾MHz的脈沖重復率。 在IOOMHz至IGHz范圍內(nèi)的重復率也是可能的，取決于平均額定功率和系統(tǒng)要求。舉例來 說，如披露于PCT申請No. PCT/US2008/074668,該申請的發(fā)明名稱為“Glass Large-Core Optical Fiber”，為本發(fā)明的受讓人所有，并且以其全文形式在此被結(jié)合入本文引用，從微 片激光器發(fā)射的25KHz重復率，5 μ J脈沖能量，和600ps脈沖寬度的輸入脈沖在大芯泄漏信 道光纖中被放大至約400 μ J，產(chǎn)生近衍射極限的輸出光束，并且沒有由非線性效應(yīng)造成的 變形。在實驗中，沒有使用脈沖展寬或壓縮。可以獲得較高的脈沖能量和重復率。因此，基 于光纖的放大激光結(jié)構(gòu)存在多種可能性。實驗結(jié)果_硅溝槽挖掘和晶圓切片示例隨后的實驗結(jié)果演示了用于“溝槽挖掘”和“晶圓切片”的系統(tǒng)和方法的實施例。 在這些示例實驗中，一般利用具有亞皮秒脈沖寬度的超短脈沖加工硅基片。一些結(jié)果通過 脈沖寬度達到約200ps的脈沖而得到。實驗系統(tǒng)如圖6A示意性所示，實驗結(jié)構(gòu)包括激光系統(tǒng)104，所述激光系統(tǒng)提供大于10 μ J的 可用脈沖能量，脈沖寬度在從約500fs至約500ps的范圍內(nèi)，并且重復率超過IOOkHz?？梢?改變實驗系統(tǒng)的激光參數(shù)，盡管不必所有的參數(shù)彼此獨立。例如，脈沖能量影響最小可獲得 的脈沖寬度。在某些實驗中，在基片表面處的通常聚焦光斑尺寸為約15μπι，它在IOyJ的 能量下提供約5-6J/cm2的平均能流和接近1013W/cm2的功率密度。在重復率為500kHz，在 某些實驗中由系統(tǒng)產(chǎn)生的平均功率為約5W。圖6B示出了系統(tǒng)的照片。實驗設(shè)置包括排煙裝置614，它可操作地去除在加工過 程中產(chǎn)生的微粒狀煙氣。排煙裝置614在抽取速率為每分鐘約350立方英尺下工作。實驗 設(shè)置包括XYZ運動系統(tǒng)610。測量工具，方法，和說明圖7示意性地示出了用于量化加工質(zhì)量的示例技術(shù)，以便獲得接近加工位置的燒 蝕量和再沉積量的近似值。對于某些加工應(yīng)用，溝槽深度相對于重鑄峰值或平均高度的粗 略測量結(jié)果可能足以定量激光參數(shù)對加工質(zhì)量的影響。不過，對于其它加工應(yīng)用，表征材料 去除的量相比于材料重鑄的量可能更為準確。作為示例，圖7示意性地示出了定量基于激光的材料加工的一種可行的方法。從 例如通過掃描電子顯微鏡(SEM)所獲得的溝槽的截面圖像可見，燒蝕區(qū)域近似于用三角形 匹配溝槽的垂直平分線的形狀(圖7中的陰影線三角形)。三角形近似值還用于模擬材料重 鑄的量(圖7中的交叉陰影線的三角形)。因此溝槽(或其它結(jié)構(gòu))質(zhì)量通過三角形燒蝕面 積對三角形重鑄面積之比定量。在下文的示例結(jié)果中，采用可從JEOL USA公司(Peabody， Massachusetts)獲得的JEOL JSM6060 SEM0利用自動或半自動工具可獲得其它測量結(jié)果， 所述工具例如全自動SEM系統(tǒng)，白光干涉儀，表面輪廓綜合測量儀，和/或原子力顯微鏡。一些測量，尤其是那些具有200ps的較長脈沖寬度的，通過用圍繞區(qū)域的多邊形模擬溝槽和重鑄物并由多邊形的面積估計所述區(qū)域面積。在不同的實施例中，多邊形可具 有3，4，5，6，7，8，或更多邊。在其它實施例中，可采用不同的形狀來估計溝槽和/或重鑄區(qū) 域(面積)。例如，一個結(jié)構(gòu)的截面輪廓可由樣條曲線(spline)，最佳擬合曲線等等模擬。 在其它實施例中，溝槽和/或重鑄區(qū)域面積可通過“擬合”于結(jié)構(gòu)(例如，大體類似于利用 梯形法則或Simpson’ s (辛普森)法則模擬曲線下的區(qū)域)的多個幾何形狀(例如，矩形， 梯形，等等)的求和面積來估計?？刹捎枚喾N數(shù)值技術(shù)來估計面積。圖7A-7F示出了從硅樣本獲得的截面的SEM照片。照片顯示了在下文中將會描述 的在實驗中觀察到的趨勢。圖7A-7F包括激光參數(shù)值，其為近似值，但已知具有足夠的準確 性以支持下文闡述的任何結(jié)論。圖7A-7F包括比例尺以表示SEM照片中所示的不同結(jié)構(gòu)的 尺寸。下文和相應(yīng)的附圖中介紹了以不同的掃描速度加工(或處理)通過的次數(shù)N。在 不同的實施例中，掃描器結(jié)構(gòu)提供掃描速度(例如以m/s測量)，但是在某些實施例中，在固 定速率(在示例實驗中為lOm/s)可能出現(xiàn)回描周期。由于在下文所述示例實驗中的回描 周期期間激光源是有源的，激光曝光(照射)稍大于所列的脈沖能量，并且額外的曝光可從 lOm/s回描速度對所列掃描速度之比確定。改變脈沖能量的示例影響(效應(yīng))圖7A和7B示出了改變激光能量的一些示例實驗影響(效應(yīng))。在這些示例中，在 加工過程中200kHz激光重復率，15 μ m聚焦光斑直徑，和約33%空間重疊是固定的。圖7A 示出了脈沖能量為約10 μ J的結(jié)果，而圖7B示出了脈沖能量為約20 μ J的結(jié)果。圖7Α和 7Β的圖像板示出了 100次通過，200次通過，和400次通過的結(jié)果。將脈沖能量從IOyJ增 大至20 μ J通過增大次數(shù)的加工通過提供了更大的穿透深度。更大的脈沖能量還在燒蝕結(jié) 構(gòu)周圍產(chǎn)生更大量的再沉積材料。例如，在利用20 μ J脈沖能量的400次通過后，這在本示 例中大體對應(yīng)最大的加工深度，該加工產(chǎn)生了約15μπι峰-到-峰的再沉積材料。相反，使 用10 μ J脈沖，只測量到約10 μ m峰-到-峰的再沉積材料。因此，更大的燒蝕量導致更大 的再沉積量。掃描速度和效率對比不想要的再沉積材料的示例影響(效應(yīng))圖7C包括的SEM照片示出了掃描速度，效率，和再沉積材料積聚的影響(效應(yīng))。 在本示例中，500kHz的激光重復率，15 μ m 1/e2聚焦光斑直徑，10 μ J脈沖能量，和100次通 過是固定的參數(shù)。掃描速度在約0.5m/s至約8m/s的范圍內(nèi)變化。隨著掃描速度在此范圍 內(nèi)增大，入射脈沖的空間重疊和總?cè)肷淠芰繙p少，并且燒蝕量和再沉積量均減小。減小的空 間重疊降低了每單位面積的熱負載并降低了隨后激光脈沖與“受激”材料的相互作用。隨 著掃描速度在此范圍內(nèi)的增大，燒蝕深度對重鑄高度之比增大，這導致了更干凈的加工。這 個趨勢不是不尋常的，并且通常在利用納秒固態(tài)激光系統(tǒng)的高速/多次通過切割和螺旋鉆 孔應(yīng)用的過程中可觀察到。激光重復率的示例影響(效應(yīng))圖7D-7F示出了激光重復率對加工質(zhì)量的示例影響(效應(yīng))。在本示例中，約 15um(l/e2)的固定聚焦光斑直徑，20 μ J的脈沖能量，和200次的加工通過是固定的參數(shù)。 在圖7D-7F的每個附圖中，圖像板示出了掃描速度從約0. 5m/s變化至約lOm/s的結(jié)果。圖 7D-7F所示的實驗結(jié)果分別以約200kHz，350kHz，和500kHz的激光重復率進行。圖7D-7F 包括比例尺以表示燒蝕和再沉積橫截面的尺寸。在本示例中，采用約20 μ J的脈沖能量，并 且掃描速度和重復率均變化。燒蝕結(jié)構(gòu)的深度和面積以及重鑄材料的高度和面積利用結(jié)合圖7所述的技術(shù)進行測量，并且實驗的結(jié)果總結(jié)在下表中。在這些示例表格中，加工質(zhì)量的測量是結(jié) 構(gòu)的燒蝕面積對鄰近燒蝕結(jié)構(gòu)的再沉積材料面積之比。加工效率可以通過加工速 度(例如，每秒燒蝕面積)相對于平均功率(一般假設(shè)相同的脈沖能量)來表征。圖 7D-7F所示和示例表格所總結(jié)的實驗數(shù)據(jù)通過改變重復率和掃描速度并使其它參數(shù)固 定而獲得。該數(shù)據(jù)可用于確定對于表格中所總結(jié)實驗的質(zhì)量和加工效率之間的示例關(guān)
權(quán)利要求
1.一種劃片、切片、切割或加工以從多材料工件的一區(qū)域去除材料的方法，所述方法包括將激光脈沖引向多材料工件的至少一種材料，所述激光脈沖具有從幾十飛秒至約500 皮秒范圍內(nèi)的脈沖寬度和幾百kHz至約10MHz的脈沖重復率，所述工件包括圖案和半導體 晶圓，所述圖案包括電介質(zhì)材料和金屬材料中的至少一種；將所述激光脈沖聚焦成光斑尺寸在從幾微米至約50 ymd/e2)范圍內(nèi)的激光光斑；和以一掃描速度相對于所述至少一種材料定位所述激光光斑，使得用于從至少一部分圖 案上去除材料的相鄰聚焦光斑之間的重疊明顯大于用于從至少一部分半導體晶圓上去除 材料的相鄰聚焦光斑之間的重疊，其中所述方法控制在所述工件的一種或多種材料內(nèi)的熱積聚，同時限制在所述區(qū)域周 圍再沉積材料的積聚。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述半導體晶圓的厚度小于約lOOym。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中至少一個激光脈沖的脈沖能量在從約1P J至約 20 y J的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述光斑尺寸在從約15y m至約50 y m的范圍內(nèi)， 并且用于從所述圖案去除材料的掃描速度在從約0. lm/sec至約0. 5m/sec的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述激光脈沖通過超短脈沖激光系統(tǒng)輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中至少一個激光脈沖的脈沖能量為至少約lOOnJ，所 述圖案包括所述金屬材料和所述電介質(zhì)材料，并且在所述至少一部分圖案內(nèi)的熱積聚足夠 高以避免所述電介質(zhì)材料從所述金屬材料的脫層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用于去除所述至少一部分圖案的熱積聚超過用于 去除所述至少一部分半導體晶圓的熱積聚。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用于去除至少一部分所述圖案的脈沖寬度在從約 100ps至約500ps的范圍內(nèi)，并且用于去除至少一部分所述晶圓的脈沖寬度在從約lOOfs至 約10ps的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用于去除至少一部分所述圖案的掃描速度明顯小 于用于去除至少一部分所述晶圓的掃描速度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述掃描速度在約0.lm/sec至約lOm/sec的范 圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中至少一部分所述定位通過光束偏轉(zhuǎn)器進行。
12.—種加工包括圖案和半導體晶圓的工件的方法，所述圖案包括電介質(zhì)材料和金屬 材料中的至少一種，所述方法包括用包括從約lOOps至約500ps范圍內(nèi)的脈沖寬度的激光脈沖改變至少一部分所述圖 案；和用包括從約lOOfs至約10ps范圍內(nèi)的脈沖寬度的激光脈沖改變至少一部分所述半導 體晶圓。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中由所述改變至少一部分所述圖案產(chǎn)生的熱影響 區(qū)(HAZ)的深度部分大于由所述改變至少一部分所述半導體晶圓產(chǎn)生的HAZ的深度部分。
14.一種激光加工具有半導體材料的多材料工件的方法，所述方法包括以在從約100kHz至約10MHz范圍內(nèi)的脈沖重復率并且以足夠高的重復率將激光脈沖 聚焦和引向工件的一區(qū)域，使得材料被有效地從所述區(qū)域去除并且在所述區(qū)域內(nèi)或附近的 不想要的材料的量相對于以低于約100kHz的較低重復率可獲得的量受到限制。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述半導體材料包括半導體晶圓，所述量的不 想要的材料包括再沉積材料，并且其中所述再沉積材料被限制于厚度小于約4 u m。
16.一種激光加工具有半導體材料的多材料工件的方法，所述方法包括用聚焦激光脈沖以一掃描速率和脈沖重復率反復地照射所述工件的至少一種靶材料， 所述重復率在至少約幾百kHz至約10MHz的范圍內(nèi)，所述掃描速率在約0. 2m/s至約20m/s 的范圍內(nèi)，其中至少某些所述聚焦激光脈沖與至少一個其它脈沖具有非零空間重疊系數(shù)，脈沖寬 度小于約1ns，脈沖能量在約lOOnJ至約25ii J的范圍內(nèi)，聚焦1/e2光斑尺寸在約5 u m至 約50 u m的范圍內(nèi)，并且在所述靶材料處的能流在約0. 25J/cm2至30J/cm2的范圍內(nèi)。
17.—種加工多材料工件的方法，所述工件包括半導體材料和圖案，所述圖案包括電介 質(zhì)材料和金屬材料中的至少一種，所述方法包括用一系列激光脈沖照射所述工件，所述一系列激光脈沖中的至少兩個脈沖具有適用于 所述工件的不同材料的不同特征；和控制熱影響區(qū)(HAZ)使得相對于在去除一部分所述半導體材料的過程中所產(chǎn)生的至 少一個HAZ，在去除電介質(zhì)材料和金屬材料中的至少一種的過程中所產(chǎn)生的至少一個HAZ 在深度上增大了。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中至少一些激光脈沖具有不同的脈沖寬度，并且 控制HAZ包括將不同的脈沖寬度施加于所述工件材料，所述脈沖寬度在約lOOfs至約500ps 的范圍內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述不同的特征包括下述中的至少一個脈沖 能量，峰值功率，和所述工件處的空間重疊，并且所述控制HAZ包括將具有至少一個不同特 征的脈沖施加于所述不同的工件材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述一系列激光脈沖中的至少一個脈沖提供從 約0. 25J/cm2至約30J/cm2范圍內(nèi)的能流。
21.—種加工包括圖案和半導體晶圓區(qū)域的工件的方法，所述圖案包括電介質(zhì)材料和 金屬材料，所述方法包括用聚焦激光脈沖改變至少一部分所述圖案，至少一個聚焦脈沖包括在約lOOfs至約 500ps范圍內(nèi)的脈沖寬度；和在所述圖案的所述部分中積聚足夠的熱量以避免所述電介質(zhì)材料從所述金屬材料的 脫層。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述電介質(zhì)材料包括低k材料。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中至少一個聚焦激光脈沖具有至少約1u J的脈沖能量°
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述施加的能流為至少約0.4J/cm2。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述脈沖寬度在從約lOOfs至約10ps的范圍內(nèi) 并且至少一個聚焦激光脈沖具有從約1 u J至約10u J范圍內(nèi)的脈沖能量，并且所述方法還包括相對于所述圖案定位所述脈沖，以便相鄰聚焦脈沖之間的空間重疊超過約95%。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述脈沖寬度和所述積聚足夠的熱量產(chǎn)生所述 金屬材料，電介質(zhì)材料，或半導體材料的平滑和基本無紋理的表面部分。
27.一種用于劃片、切片、切割或加工具有半導體材料的多材料工件的基于激光的系 統(tǒng)，所述基于激光的系統(tǒng)包括光學脈沖源；光學放大系統(tǒng)，所述光學放大系統(tǒng)被設(shè)置成將來自所述源的脈沖放大到至少約1 P J 的脈沖能量并且產(chǎn)生具有至少一個脈沖寬度在從約500fs至幾百皮秒范圍內(nèi)的輸出光學 脈沖；調(diào)制系統(tǒng)，所述調(diào)制系統(tǒng)包括至少一個光學調(diào)制器，被設(shè)置成將所述輸出光學脈沖的 重復率調(diào)節(jié)在從約100kHz至約10MHz的范圍內(nèi)；光束傳送系統(tǒng)，所述光束傳送系統(tǒng)被設(shè)置成將脈沖激光束聚焦和傳送至所述工件，其 中脈沖光束被聚焦成在約15ym至50i!m范圍內(nèi)的光斑尺寸(1/e2)；定位系統(tǒng)，所述定位系統(tǒng)被設(shè)置成以從約0. lm/sec至約20m/sec范圍內(nèi)的掃描速率相 對于所述工件的一種或多種材料掃描所述光束；和控制器，所述控制器被設(shè)置成連接至至少所述定位系統(tǒng)，所述控制器被設(shè)置成在以所 述重復率加工工件的過程中控制相鄰聚焦光束之間的空間重疊。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述光學放大系統(tǒng)包括基于光纖的啁啾脈沖放 大系統(tǒng)。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述光學放大系統(tǒng)包括至少一個大模光纖放大器。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述光學放大系統(tǒng)可操作以產(chǎn)生脈沖能量達到 約20 y J的輸出脈沖并產(chǎn)生達到約10W的平均功率。
31.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述光學脈沖源包括光纖振蕩器并且所述放大 系統(tǒng)的一個或多個放大器是光纖放大器，并且其中所述振蕩器和放大系統(tǒng)可被設(shè)置為全光 纖設(shè)計。
32.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述光學脈沖源包括光纖激光器，光纖放大器， 被動Q-開關(guān)微芯片激光器，和鎖模振蕩器中的至少一種。
33.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述基于激光的系統(tǒng)可操作以在所傳送脈沖光 束的聚焦光斑尺寸內(nèi)提供至少約0. 25J/cm2的能流。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中所述能流為至少約lj/cm2。
35.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述脈沖能量在約1P J至約20 y J的范圍內(nèi)。
36.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述重復率在從約100kHz至約5MHz的范圍內(nèi)。
37.一種用于劃片、切片、切割或加工具有半導體材料的多材料工件的基于激光的系 統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括光學脈沖源；光學放大系統(tǒng)，所述光學放大系統(tǒng)被設(shè)置成放大來自所述源的脈沖并產(chǎn)生至少一個脈 沖寬度在從幾十飛秒至約500皮秒范圍內(nèi)的輸出脈沖；調(diào)制系統(tǒng)，所述調(diào)制系統(tǒng)包括至少一個光學調(diào)制器，被設(shè)置成提供輸出光學脈沖的重復率在從至少約1MHz至小于約100MHz的范圍內(nèi)；光束傳送系統(tǒng)，所述光束傳送系統(tǒng)被設(shè)置成將脈沖激光束聚焦和傳送至所述工件，其 中脈沖光束被聚焦成至少約5微米的光斑尺寸(1/e2)；和定位系統(tǒng)，所述定位系統(tǒng)被設(shè)置成以一掃描速率掃描所述光束以在工件的一種或多種 材料上或內(nèi)產(chǎn)生光斑重疊，在所述重復率和所述光斑尺寸下光斑重疊為至少約95%。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的基于激光的系統(tǒng)，其中至少一些所述輸出脈沖具有至少約 100nJ的脈沖能量。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的基于激光的系統(tǒng)，其中所述光斑重疊超過約99%。
40.根據(jù)權(quán)利要求37所述的基于激光的系統(tǒng)，其中所述源和放大系統(tǒng)被設(shè)置成全光纖 設(shè)計。
41.根據(jù)權(quán)利要求37所述的基于激光的系統(tǒng)，其中所述放大系統(tǒng)包括基于光纖的啁啾 脈沖放大器，所述基于光纖的啁啾脈沖放大器包括脈沖展寬器和壓縮器設(shè)置用于啁啾脈沖 放大。
42.根據(jù)權(quán)利要求37所述的基于激光的系統(tǒng)，其中所述放大系統(tǒng)包括至少一個大模光 纖放大器。
43.根據(jù)權(quán)利要求37所述的基于激光的系統(tǒng)，其中所述定位系統(tǒng)包括光束偏轉(zhuǎn)器。
44.根據(jù)權(quán)利要求37所述的基于激光的系統(tǒng)，其中所述光學放大系統(tǒng)被設(shè)置成將來 自所述源的脈沖放大到至少約1 P J的能量并且產(chǎn)生具有至少一個脈沖寬度在約lOOfs至 約10ps的超短輸出脈沖，所述光學放大系統(tǒng)包括至少一個大模光纖放大器，所述至少一個 大模光纖放大器包括摻雜的大芯泄漏信道光纖放大器，光子晶體光纖，和光子帶隙光纖中 的至少一個，其中至少一個光纖放大器被設(shè)置成使得所述基于激光的系統(tǒng)發(fā)射近衍射極限 的脈沖輸出光束；并且其中所述基于激光的系統(tǒng)被設(shè)置成可調(diào)節(jié)以在從約幾百kHz至約 10MHz范圍內(nèi)的重復率產(chǎn)生所述脈沖輸出光束。
45.一種用于在具有半導體材料的工件上或內(nèi)切片、切割、劃片或形成結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，所 述系統(tǒng)包括脈沖激光系統(tǒng)，所述脈沖激光系統(tǒng)被設(shè)置成用聚焦激光脈沖以一掃描速率和脈沖重復 率反復地照射至少一部分所述材料，其中所述重復率在約100kHz至約5MHz的范圍內(nèi)并且 足夠高以便從靶位置有效地去除材料的相當深度部分并且限制在靶位置周圍的不想要的 材料的積聚；光束傳送系統(tǒng)，所述光束傳送系統(tǒng)被設(shè)置成聚焦和傳送所述激光脈沖；定位系統(tǒng)，所述定位系統(tǒng)被設(shè)置成以所述掃描速率相對于所述半導體基片定位所述激 光脈沖，所述定位系統(tǒng)包括光學掃描器和基片定位器中的至少一個；和控制器，所述控制器被設(shè)置成連接至所述脈沖激光系統(tǒng)，所述光束傳送系統(tǒng)，和所述定 位系統(tǒng)，所述控制器被設(shè)置成在以所述重復率加工所述工件的過程中控制相鄰聚焦激光脈 沖之間的空間重疊。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，還包括光束操縱器，所述光束操縱器被設(shè)置成連接 至激光系統(tǒng)和控制器，所述光束操縱器，所述激光系統(tǒng)，和所述控制器可操作以獲得表示所 述基片和所述激光系統(tǒng)中的至少一個的狀態(tài)的信號，并產(chǎn)生控制信號以改變所述基片和所 述激光系統(tǒng)中的至少一個的狀態(tài)。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其中所述脈沖激光系統(tǒng)包括激光源，所述激光源包 括光纖激光器，光纖放大器，被動Q-開關(guān)微芯片激光器，和鎖模振蕩器中的至少一個，所述 脈沖激光系統(tǒng)被設(shè)置成以所述重復率產(chǎn)生脈沖寬度在從約50fs至幾納秒范圍內(nèi)的至少一 個脈沖。
全文摘要
不同的實施例可用于工件的靶材料的基于激光的改性，同時有利地實現(xiàn)在加工處理能力和/或質(zhì)量上的改進。加工方法的實施例可包括以足夠高的脈沖重復率將激光脈沖聚焦和引導至工件的一區(qū)域，以便材料被有效地從所述區(qū)域去除，并且在所述區(qū)域內(nèi)、接近所述區(qū)域或兩者的不想要的材料量相對于以較低重復率可獲得的量有減少。在至少一個實施例中，超短脈沖激光系統(tǒng)可包括至少一個光纖放大器或光纖激光器。不同的實施例可適用于在半導體基片上或內(nèi)切片、切割、劃片和形成結(jié)構(gòu)。工件材料還可包括金屬，無機或有機電介質(zhì)，或要通過飛秒和/或皮秒脈沖并且在某些實施例中用脈沖寬度達到幾納秒的脈沖進行微加工的任何材料。
文檔編號B23K26/06GK102006964SQ200980109436
公開日2011年4月6日 申請日期2009年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日
發(fā)明者L·沙阿, 許景周, 趙奎千 申請人:Imra美國公司