專利名稱：用于使用微微秒激光器處理存儲器連結(jié)的基于激光的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光處理方法和系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種用在微觀區(qū)域處理靶物質(zhì)的方法和系統(tǒng)，例如基片上靶物質(zhì)的基于激光的顯微機(jī)械加工。本發(fā)明可特別地應(yīng)用于，但不限于，冗余的半導(dǎo)體存儲器設(shè)備的激光修復(fù)。
2.背景技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備性能的驅(qū)使下，DRAMs和邏輯設(shè)備的物理尺寸已經(jīng)非常小了。近年來，不僅設(shè)備小了，而且互連和連結(jié)厚度也急劇地減小。
關(guān)于基于激光的材料處理的總說明可在美國激光研究學(xué)會(2003)(Laser Institute of America(2003))的“激光材料處理手冊”中找到。主題包括激光鉆孔，切割，整修，顯微機(jī)械加工和連結(jié)切割/制造。
一些連結(jié)的熱激光處理，例如在美國激光研究(2001)第十九章595-615頁的激光材料處理手冊中的“連結(jié)切割/制造”中所描述的，是基于連結(jié)上的氧化物和連結(jié)本身之間的不同的膨脹。不同的膨脹導(dǎo)致被氧化物包含的熔化連結(jié)具有高的內(nèi)應(yīng)力。連結(jié)上的氧化物必須包含熔化狀態(tài)下的連結(jié)足夠長的時間，使得有足夠的內(nèi)應(yīng)力以使氧化物破裂并急速地去除連結(jié)材料。如果應(yīng)力太低，連結(jié)就不會被去除干凈。備選的激光波長和激光控制致力于增加激光“能量窗口”且不破壞基片和與連結(jié)相鄰的材料。
關(guān)于連結(jié)吹放方法和系統(tǒng)，包括材料處理系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備設(shè)計描述的進(jìn)一步信息可在下述有代表性的美國專利和公布的美國專利申請中找到美國專利號4,399,345；4,532,402；4,826,785；4,935,801；5,059,764；5,208,437；5,265,114；5,473,624；6,057,180；6,172,325；6,191,486；6,239,406；2002-0003130；和2002-0005396。
其他的提供關(guān)于存儲電路連結(jié)處理，或相似的激光處理應(yīng)用背景的代表性出版物包括“線性單片電路的激光調(diào)整”，Litwin and Smart，ICAELO，(1983)；“激光可編程存儲器中靶連結(jié)爆裂的計算機(jī)仿真”，Scarfone，Chlipala(1986)；“精確激光顯微機(jī)械加工”，Boogard，SPIEVol.611(1986)；“用于特定用途集成電路(asics)的激光處理”，SPIE Vol.774，Smart(1987)；“氙激光修復(fù)液晶顯示器”，Waters，Laser andOptronics(1988)；“激光束處理和圓片規(guī)模集成化”，Cohen(1988)；“存儲器冗余連結(jié)處理的優(yōu)化”，Sun，Harris，Swenson，Hutchens，Vol.SPIE2636(1995)，“激光金屬切割能量處理窗口分析”，Bernstein，Lee，Yang，Dahmas，IEEE Trans.On Semicond.Manufact.，Vol.13，No.2.(2000)；“連結(jié)切割/制造”，美國激光研究(2001)第十九章595-615頁的激光材料處理手冊。
下一代動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)的要求包括精細(xì)間距連結(jié)，其連結(jié)寬度小于0.5微米且連結(jié)間距(中心到中心的間隔)小于2微米(例如1.33微米)。目前的商用激光存儲器連結(jié)修復(fù)系統(tǒng)使用光量開關(guān)的，釹基固體激光器，其波長大約為1到1.3微米且脈沖寬度大約為4到50毫微秒(ns)，其非常不適合于滿足上述需求。大的(波長限制)光點(diǎn)尺寸和熱效應(yīng)(脈沖寬度限制)是兩個限制因素。
在INTERNATIONAL JOURNAL OF ADVANCEDMANUFACTURING TECHNOLOGY(2001)18323-331中，公布了銅激光處理的結(jié)果。使用了一個三倍頻率的釔鋁石榴石激光器，其脈沖寬度為50毫微秒(ns)。測量的熱影響區(qū)(HAZ)對于6×108W/cm2的輻照度大約為1微米，而對于大約2.5×108W/cm2的輻照度，其不超過3微米。
為了解決所述問題，人們已經(jīng)進(jìn)行了一些嘗試?？蓞⒖枷率雒绹鴮＠凸嫉纳暾?,208,437；5,656,186；5,998,759；6,057,180；6,300,590；6,574,250；WO 03/052890；和歐洲專利EP 0902474。總的來說，傳統(tǒng)的光量開關(guān)毫微米固體激光器即使是短波長，由于其熱處理的本質(zhì)，也不能處理精細(xì)間距連結(jié)。毫微微秒的脈沖寬度時，材料的相互作用可能是基本上無熱的過程，但是毫微微秒激光器的復(fù)雜性，高成本和可靠性可能限制其實(shí)際的實(shí)現(xiàn)。對設(shè)備和材料進(jìn)行修改以支撐激光修復(fù)是昂貴的，且僅僅如此可能是不充分的。一個用于精細(xì)間距連結(jié)處理的改進(jìn)方法和系統(tǒng)需要避免與熱效應(yīng)相關(guān)的問題，且仍舊能夠提供高的重復(fù)頻率的有效的連結(jié)去除，而且沒有毫微微秒激光器的復(fù)雜性。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個目的是提供一種方法或設(shè)備，用以改善存儲器連結(jié)的激光處理(例如，去除，消融，切斷，“吹放”等)的質(zhì)量本發(fā)明的一個目的是提供一種用于微觀區(qū)域靶物質(zhì)的激光處理方法或設(shè)備。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，提供一種用于在微觀區(qū)域處理靶物質(zhì)的基于激光的系統(tǒng)，其會不導(dǎo)致靶物質(zhì)周圍的至少一種物質(zhì)的電或物理特性發(fā)生不期望的變化。所述系統(tǒng)包括一個種子激光器，一個光學(xué)放大器和一個光束傳送系統(tǒng)。種子激光器用于產(chǎn)生一序列具有預(yù)先確定的第一波長的激光脈沖。光學(xué)放大器用于放大至少一部分脈沖序列，以獲得一個放大的輸出脈沖序列。光束傳送系統(tǒng)用于傳送放大脈沖序列中的至少一個脈沖，并將其聚焦于靶物質(zhì)上。至少一個輸出脈沖具有一個在大約(10)微微秒到小于(1)毫微秒范圍內(nèi)的脈沖寬度。脈沖寬度處于一個熱處理范圍內(nèi)。至少一個聚焦輸出脈沖在靶物質(zhì)內(nèi)的一個位置處具有充足的能量密度，以減少靶物質(zhì)的反射率，并有效地將聚焦輸出引入靶物質(zhì)內(nèi)，以去除靶物質(zhì)。
所述系統(tǒng)可進(jìn)一步包括一個偏轉(zhuǎn)器，其用于傳送脈沖序列。
所述系統(tǒng)可包括一個變形光學(xué)子系統(tǒng)，其用于產(chǎn)生非圓形聚焦輸出脈沖。
所述系統(tǒng)可包括一個前置放大器，其用于在光學(xué)放大之前，將種子激光序列預(yù)先放大至預(yù)先確定的脈沖能量水平。
所述系統(tǒng)可進(jìn)一步包括一個轉(zhuǎn)換器，其用于在光學(xué)放大之前，將第一波長轉(zhuǎn)換為第二波長。
所述系統(tǒng)可進(jìn)一步包括一個調(diào)制器，其用于根據(jù)位置或速度信息，可控制地選擇至少一部分放大脈沖序列，以在相對運(yùn)動過程中使連結(jié)和激光束同步，從而提供至少一個輸出脈沖序列到光學(xué)放大。
所述系統(tǒng)可進(jìn)一步包括一個調(diào)制器，其用于根據(jù)位置或速度信息，可控制地選擇至少一部分放大脈沖序列，以在相對運(yùn)動過程中使連結(jié)和激光束同步，從而在光學(xué)放大之前，提供至少一個脈沖以在要求時處理靶連結(jié)。
所述系統(tǒng)激光脈沖序列可具有大于約1MHz的重復(fù)頻率，且其中，一個調(diào)制器可控制地選擇脈沖序列，以將重復(fù)頻率減小到大約10KHz到100KHz的范圍內(nèi)。
所述系統(tǒng)激光脈沖序列可包括至少一個脈沖，其具有大于約1毫微秒的脈沖寬度，且所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個調(diào)制器，其用于壓縮或限幅至少一個毫微秒脈沖，以產(chǎn)生脈沖寬度在大約10ps到小于1ns范圍內(nèi)的一個脈沖。
至少一個種子激光器可以是光量開關(guān)微型激光器或激光器二極管。
所述調(diào)制器可以是一個位于種子激光器和放大器之間的壓縮器，且壓縮在放大之前執(zhí)行。
所述調(diào)制器可以是一個位于放大器之后的限幅器，且限幅在放大之后執(zhí)行。
種子激光器可以是一個二極管泵浦固體激光器。
二極管泵浦固體激光器可以是一個光纖激光器。
種子激光器可以是一個主動鎖?；虮粍渔i模激光器。
種子激光器可以是一個高速半導(dǎo)體激光器二極管。
可使用至少一個光纖光學(xué)放大器來執(zhí)行放大。
光纖光學(xué)放大器可具有一個大約30dB的增益。
所述系統(tǒng)可進(jìn)一步包括一個轉(zhuǎn)換器，其用于將放大脈沖序列中的至少一個脈沖的激光波長從第一波長轉(zhuǎn)換為小于大約1微米的第二波長。
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供一種用于在微觀區(qū)域處理靶物質(zhì)的基于激光的系統(tǒng)，其會不導(dǎo)致靶物質(zhì)周圍的至少一種物質(zhì)的電或物理特性發(fā)生不期望的變化。所述系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生激光脈沖序列的裝置，調(diào)制器裝置，以及用于傳送和聚焦至少一個輸出脈沖的裝置。脈沖序列的每個脈沖可以具有在大約10微微秒到小于1毫微秒范圍內(nèi)的脈沖寬度，所述脈沖寬度在一個熱處理范圍內(nèi)。調(diào)制器裝置可用于可控制地選擇至少一部分脈沖序列，從而提供至少一個脈沖以在要求時處理靶連結(jié)。至少一個輸出脈沖可被傳送并聚焦到靶物質(zhì)上。用于傳送和聚焦的裝置可包括一個光學(xué)系統(tǒng)。至少一個聚焦輸出脈沖在靶物質(zhì)內(nèi)的一個位置處具有充足的能量密度，以減少靶物質(zhì)的反射率，并有效地將聚焦輸出引入靶物質(zhì)內(nèi)，以去除靶物質(zhì)。
激光脈沖序列可以是一個放大脈沖序列，且其中，用于產(chǎn)生脈沖的裝置可包括一個主控振蕩器的功率放大器(MOPA).
系統(tǒng)調(diào)制器裝置可包括一個聲光調(diào)制器或電光調(diào)制器。
電光調(diào)制器可以是一個馬赫曾德耳(Mach-Zehnder)調(diào)制器。
用于傳送的裝置可包括一個光束偏轉(zhuǎn)器，其用于根據(jù)靶物質(zhì)相對于至少一個脈沖的位置和速度中的至少一個，將至少一個脈沖偏轉(zhuǎn)至靶物質(zhì)。
仍然為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供一種用于在微觀區(qū)域處理靶物質(zhì)的基于激光的系統(tǒng)，其會不導(dǎo)致靶物質(zhì)周圍的至少一個物質(zhì)的電或物理特性發(fā)生不期望的變化。所述系統(tǒng)包括一個第一激光器和一個第二激光器，一個光束組合器，其用于組合脈沖，至少一個光學(xué)放大器，以及一個光束傳送系統(tǒng)。第一激光器和第二激光器可用于產(chǎn)生多個激光脈沖，所述脈沖之間具有時間間隔。至少一個光學(xué)放大器可用于放大至少多個脈沖的一部分。控制器可用于根據(jù)預(yù)先確定的靶物質(zhì)的物理特性控制脈沖的時間間隔。光束傳送系統(tǒng)可用于傳送并聚焦至少一個放大脈沖至靶物質(zhì)上，至少一個輸出脈沖具有在大約10微微秒到小于1毫微秒范圍內(nèi)的脈沖寬度。脈沖寬度可在一個熱處理范圍內(nèi)。至少一個聚焦輸出脈沖通常在靶物質(zhì)內(nèi)的一個位置處具有充足的能量密度，以減少靶物質(zhì)的反射率，并有效地將聚焦輸出引入靶物質(zhì)內(nèi)，以去除靶物質(zhì)。
系統(tǒng)控制器可進(jìn)一步包括一個延遲線。
預(yù)先確定的物理特性包括一個不同的熱特性。
系統(tǒng)預(yù)先確定的物理特性包括蒸氣等離子體羽流的損耗。
放大器可以是一個光纖光學(xué)放大器。
第一和第二激光器的至少一個可以是一個二極管泵浦光纖激光振蕩器。
第一和第二激光器的至少一個可以是一個半導(dǎo)體激光二極管。
時間間隔可具有大約2毫微秒到10毫微秒的范圍。
參照附圖，可以從下述實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式的詳細(xì)描述中容易地看出本發(fā)明的上述目的以及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。


根據(jù)下面的描述，所附的權(quán)利要求，以及附圖，可以更好地理解本發(fā)明的特征，狀況和優(yōu)點(diǎn)圖1a是一個方框圖，其顯示了一個用于連結(jié)去除的激光處理系統(tǒng)的一部分，其在本發(fā)明的至少一個實(shí)施例中使用了至少一個脈沖；圖1b是一個方框圖，其顯示了圖1a的外部調(diào)制器子系統(tǒng)的一部分，其中一個放大脈沖序列的一部分被可控制地選擇，以用于連結(jié)的“在空中”處理；
圖1c是在一排連結(jié)中的一個靶連結(jié)的示意性頂視圖(未按比例尺繪制)，其以實(shí)例的形式，顯示了在連結(jié)相對于激光束的移動過程中，聚焦激光輸出在靶連結(jié)上；圖2(a-b)是方框圖，其顯示了備選的固體激光子系統(tǒng)的一些元件，其每一個都具有一個主控振蕩器的功率放大器(MOPA)，其可被包括在本發(fā)明的至少一個實(shí)施例中；圖3是一個示意圖，其顯示了一種方案，其用于組合激光脈沖，或使用多個激光器通過延遲觸發(fā)脈沖產(chǎn)生密集的脈沖序列；圖4是一個圖表，其顯示了不同熱特性的連結(jié)和其下基片的爆裂的實(shí)例仿真結(jié)果，其通過應(yīng)用具有預(yù)先確定延遲的兩個脈沖，在不損壞基片的情況下去除連結(jié)；圖5a以實(shí)例的形式圖解了熱影響區(qū)(HAZ)，光點(diǎn)尺寸和連結(jié)間距之間的關(guān)系；圖5b以實(shí)例的形式圖解了流量閾值與激光脈沖寬度之間的依存關(guān)系，并顯示了相應(yīng)于本發(fā)明的實(shí)施例的典型的脈沖寬度范圍和脈沖參數(shù)；圖5d以實(shí)例的形式圖解硅的吸收系數(shù)于波長的依存關(guān)系，并顯示了相應(yīng)于本發(fā)明的實(shí)施例的典型的激光波長；圖6a是一個方框圖，其顯示了一個激光子系統(tǒng)的元件，其中圖2a或2b的一個種子激光器是一個二極管泵浦固體激光振蕩器，且一個二極管泵浦固體激光放大器用于放大種子激光器的輸出；圖6b是一個方框圖，其顯示了一個激光子系統(tǒng)的元件，其中圖2a或2b的一個種子激光器，例如，可以是一個微微秒激光二極管或微芯片激光器，其用于產(chǎn)生微微秒脈沖；圖7(a-c)是一個方框圖，其顯示了另外的設(shè)計備選方案，其可用于本發(fā)明的一個實(shí)施例，包括放大，波長轉(zhuǎn)換，以及“脈沖分頻”/“脈沖選擇”中至少一個的配置；圖8(a-e)是一個示意圖，其顯示典型的主控振蕩器的功率放大器(MOPA)配置的細(xì)節(jié)，其可用于本發(fā)明的至少一個實(shí)施例，其中一個種子激光器通過至少一個光纖光學(xué)放大器被放大，以產(chǎn)生微微秒激光，且包括至少一個用于選擇脈沖的調(diào)制器；和圖9是一個基于激光的存儲器修復(fù)系統(tǒng)的方框圖，其包括一個微微秒激光系統(tǒng)，并進(jìn)一步顯示了本發(fā)明的一個實(shí)施例。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述●概述——激光系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)參照圖1a，方框解了一個激光處理系統(tǒng)100的一部分，其使用至少一個具有微微秒脈沖寬度(也就是，脈沖持續(xù)時間等)1041(例如，在半功率處測量)的輸出脈沖104去除導(dǎo)電性連結(jié)107，并顯示了一些主要系統(tǒng)部件，其被包括在所示的本發(fā)明的至少一個實(shí)施例中。本發(fā)明的至少一個實(shí)施例可在子系統(tǒng)101中包括一個二極管泵浦固體激光器，以產(chǎn)生具有脈沖寬度1041的中間脈沖103，所述脈沖寬度位于優(yōu)選的微微秒范圍內(nèi)。例如，所述激光器可以是可用的商用二極管泵浦固體(主動或被動)鎖模激光器。為了以優(yōu)選的波長操作，系統(tǒng)101的輸出103可以被光學(xué)轉(zhuǎn)換器105(例如，一個諧波發(fā)生器)轉(zhuǎn)換波長，例如從近紅外波長轉(zhuǎn)換為可見或近紫外波長。
單個或多個脈沖可被選擇并傳送至連結(jié)107，且根據(jù)連結(jié)107，基片110，上絕緣層1091和下絕緣層1092中的至少一個的物理特性，所述被傳送脈沖可具有一個預(yù)先確定的脈沖寬度以及脈沖之間的時間間隔。光束傳送系統(tǒng)可包括偏振控制器，傳遞光學(xué)裝置，光束擴(kuò)展裝置，縮放光學(xué)裝置，以一個物鏡，以在連結(jié)107產(chǎn)生一個接近衍射極限的光點(diǎn)?？蛇x的外部調(diào)制器子系統(tǒng)108可在計算機(jī)控制下操作，以在要求時提供脈沖以及變化脈沖功率。舉例來說，脈沖組106內(nèi)的脈沖102省略(如虛線所示)。專利號US5998759和US6281471的美國專利(例如，第12欄，第63行-第14欄，第33行，以及‘471專利的附圖)講述了調(diào)制器的使用，以在連結(jié)和激光處理系統(tǒng)中的激光束相對運(yùn)動期間，當(dāng)要求時提供一個脈沖，以輻射連結(jié)。
參照圖1b，其顯示了圖1a中的外部調(diào)制器子系統(tǒng)的一部分的一個方框圖，其中脈沖序列103的一部分被可控制地選擇，以在基片110和激光束(“在空中”)相對運(yùn)動期間用于處理連結(jié)。動作可以是三維的X動作113，基片110的Y動作(未顯示)，所述基片通常安裝在一個晶片臺上，以及光束傳送系統(tǒng)內(nèi)的至少一個光學(xué)元件114的Z軸向動作。參考專利號US6114118和US64830711的美國專利，其轉(zhuǎn)讓本發(fā)明的專利受讓人，以用于相對于一個連結(jié)的位置定位晶片和激光束腰的精確定位方法和系統(tǒng)?？刂破?21通常根據(jù)涉及連結(jié)位置相對于激光束位置的位置信息，速度信息，或者位置和速度信息兩者，產(chǎn)生控制信號122?？刂菩盘?22通常選通(也就是，控制)光學(xué)開關(guān)120。光學(xué)開關(guān)120通常提供輸出脈沖106，其為輸入脈沖序列103的一部分。因此，當(dāng)調(diào)制器(例如調(diào)制器108)用于選擇至少一個輸出脈沖104時，所產(chǎn)生的脈沖103可具有一個被控制的輸出重復(fù)頻率以及時間間隔，所述脈沖104輻射一個和多個連結(jié)(或其他顯微結(jié)構(gòu))。光束傳送系統(tǒng)中的至少一個光學(xué)元件114可用于高速精確定位光束腰，并進(jìn)一步優(yōu)化聚焦輸出脈沖的傳送。
參照圖1c，靶連結(jié)107上的典型的脈沖激光輸出包括兩個與所選擇的脈沖104相應(yīng)的聚焦激光脈沖1042，其每一個都具有相同的光點(diǎn)尺寸。距離113與相對運(yùn)動113期間脈沖之間的時間間隔相對應(yīng)。如果距離1043占連結(jié)寬度的相對較小的部分，例如小于25％，連結(jié)中所包含的能量部分將接近精確的光點(diǎn)定位。距離(或位移)1044通常表示激光輸出的有效尺寸，其等于精確定位的激光點(diǎn)的尺寸。當(dāng)時間脈沖間隔增加時，相對運(yùn)動的速度也增加，或者使用更精細(xì)的連結(jié)間距(中心到中心的間隔)以應(yīng)對增加方案。
公布的美國專利申請US2002/0167581，其轉(zhuǎn)讓本發(fā)明的專利受讓人，且在此引入作為參考，描述了用于將激光脈沖引導(dǎo)至一個或多個連結(jié)的不同的方法和子系統(tǒng)。光學(xué)子系統(tǒng)或變異體通常包括一個高速、單軸偏轉(zhuǎn)器，當(dāng)需要時，其可被結(jié)合入光束圖1a中的傳送系統(tǒng)?？商貏e參考‘581中的圖19和20以及相應(yīng)的描述部分，以了解‘581所公布內(nèi)容的進(jìn)一步信息。此外，聚焦輸出可包括多個光點(diǎn)，其具有至少一個不等的光點(diǎn)分布或能量密度。例如，所述公布內(nèi)容的圖17圖解了一個用作“清理光束”的聚焦脈沖。
參照圖2a，其顯示了一個備選固體激光器子系統(tǒng)的額外細(xì)節(jié)的方框圖，其可被包括在本發(fā)明的一個實(shí)施例中。一個種子激光器(例如，振蕩器211)產(chǎn)生一個脈沖序列214，脈沖通常具有足夠的能量，以適合于激光放大器212的放大。種子激光器可以以預(yù)先確定的頻率或“增益關(guān)聯(lián)”而“自由激光振蕩”，以在計算機(jī)控制下產(chǎn)生脈沖。為了脈沖激光放大器穩(wěn)定可靠的操作，一個實(shí)際的考慮方案是在額定的平均功率內(nèi)操作。所述操作考慮方案可導(dǎo)致在給定脈沖能量，脈沖數(shù)量和重復(fù)頻率之間的達(dá)到工程平衡。
在一個備選方案中，顯示于圖2b(未按比例尺繪制)，脈沖序列214的一部分可被一個適合的調(diào)制器配置1081(與圖1a中的108相似或相同)可控制地選擇，以在基片110和激光束(“在空中的”)相對運(yùn)動期間處理連結(jié)，不過其是在脈沖序列的放大212之前，所述放大將脈沖序列放大至連結(jié)處理所需的能量水平。“脈沖分頻”，“脈沖限幅”或“脈沖選擇”操作可用于配合激光放大器212的重復(fù)頻率，其可在種子激光器211的重復(fù)頻率的數(shù)量級之下。例如如果R是脈沖序列214的重復(fù)頻率，那么R/n就是當(dāng)每個第n個脈沖被選擇時，調(diào)制器1081的輸出的重復(fù)頻率。如果214表示一個50MHZ的脈沖序列，當(dāng)n＝1000時，調(diào)制器的輸出將是50kHz。在至少一個實(shí)施例中，脈沖序列重復(fù)頻率可被非整數(shù)除(例如19.98)并在一個相對小的范圍內(nèi)變化，以同步所選擇的脈沖和連結(jié)的位置，從而補(bǔ)償運(yùn)動系統(tǒng)的變化?？赏ㄟ^在108，1081中的之一或兩者的控制器121執(zhí)行所述操作，并可根據(jù)位置和/或速度信息。
在本發(fā)明的至少一個實(shí)施例中，多個相鄰的脈沖可被選擇。舉例來說，激光放大器212顯示了三對從脈沖序列214中選出的連續(xù)的放大脈沖，給定的一對其后可被選擇性地應(yīng)用于連結(jié)107，同時提供了一個減小的輸入重復(fù)頻率以及對于放大器212來說低的平均輸入功率。如果214表示一個100MHZ的脈沖序列，一對連續(xù)的輸出脈沖之間的間隔將為10毫微秒。通過量和重復(fù)頻率通常是相關(guān)的。優(yōu)選地，放大器輸出頻率應(yīng)足夠提供快速的連結(jié)處理頻率以及“即時脈沖”能力，同時要限制系統(tǒng)位置和/或速度控制的復(fù)雜性。優(yōu)選地，放大器輸出103，106的三對典型脈沖在連結(jié)和激光束的相對運(yùn)動113期間，可被應(yīng)用于同樣數(shù)量的三個連續(xù)的連結(jié)。外部調(diào)制器108可用于幫助不被處理的連結(jié)阻擋激光能量。
同樣地，依靠放大器212的光譜響應(yīng)，可選的波長轉(zhuǎn)換器1051可用于將種子激光器211的波長匹配至放大器212良好的(或兼容的)波長范圍。調(diào)制器子系統(tǒng)1081和波長轉(zhuǎn)換器1051可單獨(dú)使用或與子系統(tǒng)108結(jié)合使用，以根據(jù)特定應(yīng)用的特殊設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，將最終的脈沖時間間隔和能量水平控制為適合的量值。
參照圖3，其顯示了另一個備選方案，其使用多個激光器，通過延遲觸發(fā)脈沖，合并激光脈沖，或產(chǎn)生一序列密集的脈沖。觸發(fā)脈沖之間預(yù)先確定的延遲(例如，t1到t2)可確定用于多脈沖應(yīng)用的時間間隔。合并的輸出可為光學(xué)放大器提供種子脈沖。例如，兩個或多個脈沖(或脈沖組)可用于分割連結(jié)107。所述方案可用于提供準(zhǔn)確的時間脈沖間隔的控制(例如，對于脈沖對的2-10毫微秒，100-500MHZ有效比率或“猝發(fā)傳輸率”)。
如美國專利申請公布號2002/0167581(‘581)中所公布的，其被在此引入作為參考，并轉(zhuǎn)讓本發(fā)明的專利受讓人，激光系統(tǒng)可包括一個可編程的數(shù)字延遲線301，其用于控制脈沖時間間隔t2-t1，激光器302，一個用于光束合并的偏振管303，以及可選的放大器304，以當(dāng)需要時提升能量水平。舉例來說，為了了解額外的細(xì)節(jié)，可特別參考‘581中的第120-122段，194-197段，以及權(quán)利要求。
子系統(tǒng)101內(nèi)的激光彼此通常在大約0.150微米到1.3-1.55微米的范圍內(nèi)，后面的范圍相應(yīng)于用于高速電信的二極管激光波長。在一個實(shí)例中，激光波長可被倍乘(例如，三倍)，或通過轉(zhuǎn)換器105被拉曼位移為近紅外，可見，或紫外波長。
●激光器參數(shù)和連結(jié)去除隨著連結(jié)間距和尺寸的減小的趨勢，為了不損壞基片110或可能不需要處理的相鄰的連結(jié)(未顯示)而去除連結(jié)107，需要綜合考慮至少三個參數(shù)(a)在靶上的激光束尺寸和其震深；(b)光束定位精確度(例如，三維空間中，相對于連結(jié)的激光束腰的位置-例如至少一個元件114的受控的X-Y動作和Z軸動作)；和(c)熱影響區(qū)(HAZ)。
參照圖5a，其中在3-5微米范圍內(nèi)的連結(jié)間距521，理論最小間距遵循公式最小間距＝光束半徑+位置誤差+0.5連結(jié)寬度 (1)其中，激光束所產(chǎn)生的熱效應(yīng)被認(rèn)為是可忽略的。
例如，GIS Lumonics Model M430存儲器修復(fù)系統(tǒng)，本發(fā)明專利受讓人所制造，提供了一個大約1.6微米的典型光點(diǎn)尺寸，且大約+/-0.2微米的定位誤差。典型的脈沖寬度為大約4-10毫微秒，且相應(yīng)的熱影響區(qū)大約微.85-1.4微米。
Model M430系統(tǒng)能夠處理具有最小間距約為2微米的的連結(jié)(假設(shè)連結(jié)寬度約為0.5微米)。
然而，當(dāng)間距接近熱擴(kuò)散長度的尺寸時，連結(jié)107區(qū)域內(nèi)的熱效應(yīng)可能顯著增加。那么所述公式變?yōu)樽钚￠g距＝光束半徑+位置誤差+0.5連結(jié)寬度+HAZ (2)其中HAZ(熱影響區(qū))522時熱效應(yīng)測度。熱影響區(qū)(HAZ)通常由(D*t)0.5所確定，其中D是熱擴(kuò)散系數(shù)和激光脈沖寬度。材料熔化或蒸發(fā)深度的實(shí)際值也要依靠靶上的實(shí)際能量和功率密度。
HAZ可擴(kuò)展過聚焦光點(diǎn)523并相反地影響與光點(diǎn)相鄰的周圍區(qū)域。在一些情況下，被影響的區(qū)域可能要比光點(diǎn)本身大幾倍。相對較大的HAZ通常會使得激光處理的可控性和精確度更差。在吹放連結(jié)的情況下，相對較大的HAZ尺寸也可能是處理窗口(鄰接的連結(jié)損壞)上限的限制因素之一。
倘若相對于連結(jié)合適地定位，衍射極限光點(diǎn)和短的激光波長(例如，0.355微米)可將此問題減輕到某種程度。然而，如果系統(tǒng)(包括X、Y、Z動作子系統(tǒng))的定位公差524是+/-.1微米(對于高速連結(jié)處理來說有些嚴(yán)格的要求)，對一個.38微米寬度的連結(jié)釋放激光束可能需要大約0.58微米的光點(diǎn)尺寸。假設(shè)0.355微米的波長，以及10毫微秒(ns)的脈沖寬度，估計HAZ大約為1.3微米。同樣地，處理連結(jié)的實(shí)際限制可相應(yīng)地約為1.9微米間距。因此，通常希望脈沖寬度更短。
減小脈沖寬度通常也可減少HAZ。然而，當(dāng)熱效應(yīng)相對于光束尺寸和位置誤差變得非常小的時候，在改善其他的重要貢獻(xiàn)因素(例如，光束尺寸和定位)之前，進(jìn)一步減少熱效應(yīng)可能會是不必要的。熱效應(yīng)從毫微秒范圍減少到微微秒范圍，對于處理較精細(xì)間距連結(jié)可能是足夠的。對于去除(也就是，分割，“吹放”，消融，等)精細(xì)間距連結(jié)來說，可不必進(jìn)一步將脈沖寬度減小到毫微微秒范圍以消除所不希望的熱效應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明，有限的熱交互通常發(fā)生在熱影響區(qū)內(nèi)，所述區(qū)域基本上小于連結(jié)間距和激光輸出相對于靶結(jié)構(gòu)的相對位置的累積公差。例如，大約0.3微米到大約1微米的熱影響區(qū)(HAZ)通常用于2微米或更小的連結(jié)間距的改善處理。優(yōu)選地，HAZ將在三維空間中小于激光輸出的定位公差(例如，在每個方向上都小于0.1微米，且通常可被認(rèn)為是可忽略的)。
本參考引用的專利號6,281,471的美國專利詳細(xì)說明了短的、快速上升時間的脈沖使用的基本原理。特別地，第4欄，第45行-第5欄，第19行詳細(xì)說明了減小反射率以改善與靶物質(zhì)的耦合的效果。如果在金屬靶結(jié)構(gòu)(例如，鋁)上的輻照度大于約109W/cm2，靶結(jié)構(gòu)的反射率被減小且結(jié)構(gòu)能量的耦合被改善。熱擴(kuò)散率(相對于HAZ)通常隨著脈沖寬度的平方根變化。短的激光脈沖通?？蓽p小或防止熱擴(kuò)散到熔化的連結(jié)下面的基片，以及熱側(cè)向傳導(dǎo)至與連結(jié)相鄰的材料。
當(dāng)連結(jié)間距變得更加精細(xì)的時候，毫微秒脈沖的熱交互可能會愈加無序，從而導(dǎo)致連結(jié)去除的精度不足。如圖5b中所圖解的，可加熱并熔化相對較大體積的材料，并通過蒸汽壓力和結(jié)構(gòu)輻射壓力的反作用所驅(qū)動的熔化排出來實(shí)現(xiàn)材料去除。在精細(xì)尺度下，除材料的形狀和體積可以是不規(guī)則的，并包括一個不可接受的大的統(tǒng)計變化。對于微微秒高峰值功率脈沖，交互可能變成非線性的，最初伴隨著雪崩電離，其中金屬中的高自由電子密度導(dǎo)致了反射率的減小，伴隨著減少的統(tǒng)計變化。對于所述短脈沖，激光能量通常限制在一個薄層里，且通常快速地蒸發(fā)。使用開始消融的減小激光流量，材料去除通常變得更加精確和確定。使用微微秒脈沖的材料的去除可進(jìn)一步包括通過材料排出(固體和蒸汽)，從激光處理區(qū)域去除熱。微微秒量級的連結(jié)去除處理，例如疊加的絕緣層1091和內(nèi)層1092，可以是消融去除和熱機(jī)械壓力的混合。對于脈沖寬度和能量密度，通過材料排出從連結(jié)處理區(qū)域去除熱，通常有助于靶連結(jié)結(jié)構(gòu)的去除。
舉例來說，圖5c顯示了對于兩個典型的絕緣材料(例如，參見專利號5,656,186的美國專利和公布文獻(xiàn)Du et al.，“具有從7ns到150fs的脈沖寬度的，依靠SiO2中碰撞電離的激光感應(yīng)擊穿”，Appliedphys.，lett.，64(23)，6 June 1994，pp 3071-3073)在流量閾值的變化。眾所周知，由于較高的自由電子密度，對于金屬來說，流量閾值通常非常低(例如，十倍或更多)。在擊穿點(diǎn)之下時，閾值501、502隨著材料而變化，但是統(tǒng)計變化(誤差棒所示)通常相對較小。在圖解的實(shí)例(出版物中所公布的數(shù)據(jù)所提供)中，501變化1/(脈沖寬度)，而502幾乎近似為常量(如‘186專利中所述)。在擊穿點(diǎn)之上時，近似平方根的關(guān)系，不過顯示了隨著脈沖而增加的變化，特別是在毫微秒量級。
金屬擊穿點(diǎn)的特征脈沖寬度通常可為大約10ps(例如，見利號5,656,186的美國專利)。根據(jù)本發(fā)明，典型的脈沖寬度小于1毫微秒，且最優(yōu)選地，非常接近擊穿點(diǎn)的特征脈沖寬度，使得有害的熱效應(yīng)可以被忽略(例如，本發(fā)明生產(chǎn)減小的HAZ和統(tǒng)計變化)。然而，本發(fā)明的連結(jié)去除過程通常是一個熱過程。因?yàn)榧す饷}沖寬度長于擊穿點(diǎn)，并優(yōu)選地接近擊穿點(diǎn)，所以激光脈沖和材料之間的交互主要是一個熱過程。
本發(fā)明將提供一個有效的連結(jié)去除處理，而不是一個由光學(xué)吸收深度所定義的慢的蝕刻處理，其對于大多數(shù)的金屬來說，僅相當(dāng)于每脈沖幾毫微秒。由于擊穿點(diǎn)是由材料所決定的，因而脈沖寬度的下端也是由材料所決定的。一個優(yōu)選脈沖的最小脈沖寬度可以在幾微微秒(ps)到大約10ps的范圍內(nèi)。最大脈沖寬度通常小于大約1毫微秒(ns)，并通常將由容許的熱影響區(qū)所確定。通常，本發(fā)明的脈沖寬度將在從擊穿點(diǎn)之上到小于1ns的范圍之內(nèi)。一個脈沖寬度可以在大約10-100ps的范圍505之內(nèi)，如40-100ps。一個最優(yōu)選的脈沖寬度是在大約10ps到大約40ps，或大約10ps到大約50ps的范圍506之內(nèi)。
產(chǎn)生微微秒脈沖的激光系統(tǒng)相對于毫微微秒激光器來說，通常更簡單，更可靠和穩(wěn)定，以及更加經(jīng)濟(jì)。一個顯著的不同是用于毫微微秒高峰值功率脈沖的生成的脈沖壓縮的實(shí)現(xiàn)。
多個參考文獻(xiàn)進(jìn)一步詳細(xì)說明了毫微微秒-微微秒脈沖范圍的交互。例如，Chichkow et al.，“固體的毫微微秒，微微秒和毫微秒激光消融”，APPLIED PHYSICS，A 63，109-115，1196提供了理論背景和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。毫微微秒脈沖被發(fā)現(xiàn)可忽略傳導(dǎo)入靶的熱，以得到一個好的近似值，且其過程可認(rèn)為是一個從固體到蒸汽的直接轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致了精確的激光處理。消融深度與激光脈沖流量成對數(shù)依賴關(guān)系。對于微微秒脈沖，消融伴隨著熱傳導(dǎo)和在例如金屬的靶內(nèi)的一個熔化區(qū)的形成。當(dāng)傳導(dǎo)入靶的熱可以忽略的時候，(其是一個相當(dāng)粗略的假設(shè))，那么對于微微秒脈沖來說，消融深度和流量的對數(shù)依賴關(guān)系通常是可能的。然而，由于熱波的傳播和大的熔化材料層的形成，在毫微秒范圍內(nèi)的處理通常被認(rèn)為要復(fù)雜的多。
Jandeleit et al.，“薄銅膜的微微秒激光消融”，APPLIED PHYSICS，A63，117-121，1996，公布了消融實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中使用微微秒脈沖在熔融石英上的薄銅膜上鉆孔。雖然具有大于擊穿點(diǎn)的特征脈沖寬度的高密度微微秒脈沖通常遵循平方根關(guān)系，但是當(dāng)與毫微秒和更長的脈沖相比較時，減小的熱影響區(qū)和較低的熱負(fù)荷可提供快速的加熱和靶物質(zhì)的去除。每40ps波長為1.053微米的脈沖，在大約3.1um直徑的光點(diǎn)上的大約1010-1011W/cm2的密度去除(平均)大約.1-.2μm的材料。與已知的銅的波長1.053微米的光學(xué)吸收深度的結(jié)果相比較，說明了熱傳導(dǎo)通常確定了消融深度。在被去除材料中的脈沖-脈沖變化可能是顯著的(例如，2∶1)。然而，HAZ相對較小，且間接地?fù)p壞也最小。
因此，從大約10-25ps到擊穿點(diǎn)(通常小于10ps)之下的脈沖寬度所具有的益處，相對于通過光束光點(diǎn)尺寸的減小和整個系統(tǒng)能力的定位誤差的改善而得到的益處而言，通常并不顯著。此外，毫微微秒激光源的成本通常比微微秒激光系統(tǒng)高的多，特別是基于光纖激光的微微秒激光系統(tǒng)。
連結(jié)處理包括靶結(jié)構(gòu)的去除，其通常是一個金屬薄膜。連結(jié)通常被具有不同的熱和光性質(zhì)的材料(例如，鈍化層1091、1092、基片110)所圍繞。同樣，相對于與相似“容積”的材料交互的材料處理來說，某些多材料交互機(jī)制可能有些復(fù)雜。通常至少一個尺寸(例如，連結(jié)寬度)是相當(dāng)于可見光或紫外(UV)光的波長的。還有，隨著更精細(xì)連結(jié)間距技術(shù)的出現(xiàn)，連結(jié)處理裝置的設(shè)計人員需要仔細(xì)考慮封閉在連結(jié)尺寸內(nèi)的光點(diǎn)能量的分?jǐn)?shù)。在至少一個實(shí)施例中，激光波長小于一微米，例如，0.90微米或更小，以獲得連結(jié)上更小的光點(diǎn)尺寸連同減小的脈沖寬度。
由于最小的光點(diǎn)尺寸通常是與波長成比例的，因而任何波長的減小都將有益于可能達(dá)到的最小光點(diǎn)尺寸的減小。此外，在所述的更短的波長時，對于同樣的光點(diǎn)尺寸，聚焦深度通常更大。例如，對于一個1064nm的激光，受衍射限制的光點(diǎn)尺寸近似于(也就是，大致，幾乎，大約，基本)1.2微米(受衍射限制的光點(diǎn)尺寸＝(常量)*波長*透鏡的孔徑焦距比)。當(dāng)波長減小到0.8微米時，受衍射限制的光點(diǎn)尺寸將相應(yīng)地減小20％，也就是，近似0.9微米。通常，對于精細(xì)間距處理，小于大約1.5微米的光點(diǎn)尺寸是優(yōu)選的且最優(yōu)選的是1微米或更小。在本發(fā)明的至少一個實(shí)施例中，可使用非圓形的光點(diǎn)外形(例如，變形光學(xué)子系統(tǒng)生成的橢圓形光點(diǎn))(例如，參見美國專利申請?zhí)朥S2002/0167581)。特別地，在第133-136段圖解了在至少一個實(shí)施例中，一個非圓形的光點(diǎn)是如何可以改善封閉在連結(jié)中的能量的。
可能會遇到材料變化(例如，變化，或者由于設(shè)計，由于處理缺陷，或者作為處理的副產(chǎn)品)，其通常被預(yù)期，以隨著間距減小，進(jìn)一步影響處理能量窗口。連結(jié)可以是金屬(例如，鋁、銅、金，等)，多晶硅，或難熔的金屬。連結(jié)可覆蓋至少一層氮化硅(Si3N4)1091，且一層二氧化硅(SiO2)1092可分隔基片110和連結(jié)107。不過，在一些情況下，連結(jié)可能不覆蓋一個外層。此外，基片或絕緣層以及下一代的絕緣體(例如，低k聚合材料)中存在的雜質(zhì)、摻雜物，每個都會嚴(yán)重影響材料的光學(xué)特性。在大于絕緣體1091、1092的吸收邊，并小于基片110的吸收邊的波長范圍內(nèi)，使用長的激光脈沖時，很容易就會損傷基片。
對于激光波長，連結(jié)107是基本可反射的。根據(jù)本發(fā)明，激光輸出波長通常在基片吸收邊之下，并因此相應(yīng)于一個吸收和/或反射波長區(qū)域。激光波長通常在絕緣層1091、1092的吸收邊之上，在一個實(shí)例中，絕緣層可以是無機(jī)的，且對于一個與目前的半導(dǎo)體存儲器一起使用的典型的無機(jī)鈍化層來說，通常將相應(yīng)于一個充分最大化的發(fā)射區(qū)域。
參照圖5d，顯示了硅的吸收系數(shù)中典型的變化，其吸收在短波長時非常高。摻雜質(zhì)(未顯示)通常可改變吸收并將近紅外吸收邊移位值更短的波長。公布的歐洲專利申請EP 0 902 474，1999年3月17日公布，教導(dǎo)了使用一個或多個材料遮蔽基片，以避免基片損傷。使用所述修改，更短波長的激光可用于連結(jié)間距的減小。遮蔽材料可以是金屬，復(fù)合金屬，或絕緣體。所述修改也可與本發(fā)明一起使用，以進(jìn)一步增強(qiáng)性能。
根據(jù)本發(fā)明，激光波長可以從低于大約0.4μm到大約1.55μm的范圍內(nèi)。典型的波長可以是在紫外范圍(例如，514，212-266nm)近紫外(例如，510，355mm)，可見(例如，511，大約500nm，例如532nm)和近紅外光譜(512，大約750-850nm或513，大約1μm)?？梢钥吹?，硅吸收在整個波長范圍變化大約1000∶1。優(yōu)選的波長可以是在從大約.18微米到大約.55微米的范圍內(nèi)。其下限可由層的吸收來確定。對于硅基片，在較短波長時，吸收和反射都增加。在整個感興趣的波長范圍，硅半導(dǎo)體的特性從近紅外類似絕緣體的特性到紫外范圍內(nèi)的類似金屬的特性急劇變化。對于二氧化硅和氮化硅，在整個可見和近紅外范圍內(nèi)，內(nèi)部透射和單表面反射基本不變。對于典型的大能帶隙絕緣材料，光譜透射曲線通常顯示在紫外波長時透射有某種程度的減小。例如，在激光科學(xué)和技術(shù)手冊中(HANDBOOK OF LASER SCIENCE AND TECHNOLOGY)，說明了當(dāng)波長大于.18μm時二氧化硅的透射范圍。二氧化硅和氮化硅的吸收系數(shù)在可見范圍內(nèi)(＞400nm)都保持相對較低并在紫外范圍內(nèi)逐漸增加。
如果預(yù)先確定的波長低于基片的吸收邊，基片上的脈沖能量密度可能減少，且處理窗口可能被至少一個因素增加(a)光束發(fā)散性(聚焦的淺深度)；(b)絕緣表面反射；(c)光束衍射；(d)多散射(例如，由攙雜物或雜質(zhì)引起)；(e)內(nèi)部反射(其可能隨著聚焦激光束的數(shù)值孔徑變化)；(f)多層干涉；和(g)在微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)的非線性吸收(如果在三維空間中正確定位，那么在高峰值功率激光脈沖的前緣，金屬中的自由電子密度增加吸收，且去除連結(jié)材料的頻率可比基片的快?；茈x開連結(jié)的能量的輻照(例如，較低峰值的密度)，且具有比連結(jié)更少的自由電子。
為了處理小于0.5微米厚的連結(jié)，例如，鋁或銅連結(jié)，峰值能量密度(Joules/cm2)范圍從大約0.2J/cm2到300J/cm2，其典型值在2-80J/cm2范圍。峰值功率密度范圍從大約5×109W/cm2到1.2×1013W/cm2，其典型值在5×1010-2×1012W/cm2范圍。對于一個具有1微米光點(diǎn)尺寸的40ps脈沖寬度的激光，用于分離小于0.5微米厚度的連結(jié)的脈沖能量范圍通常在0.001-3微焦耳范圍內(nèi)，典型值在0.02-1焦耳范圍。
或者單脈沖或者多脈沖都可用于去除連結(jié)。如果一個單脈沖用于去除連結(jié)，微微秒激光系統(tǒng)通常提供在10KHz-120KHz重復(fù)頻率的，每脈沖大約1-5微焦耳的范圍。一個典型的范圍是從小于大約1微焦耳到最大2微焦耳。優(yōu)選地，使用一個振蕩器/放大器配置來實(shí)現(xiàn)單脈沖處理，例如圖2a中所示的種子/放大器配置。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，多脈沖可用于去除連結(jié)，其中微微秒激光系統(tǒng)提供在至少1MHZ重復(fù)頻率的，每脈沖至少0.001微焦耳(1毫微焦耳(nj))。在三維空間中的，連結(jié)和激光束之間的相對運(yùn)動過程中(例如，沿X-Y軸5-50mm/sec)，應(yīng)用于連結(jié)的脈沖可被認(rèn)為是用于連結(jié)去除的單脈沖。在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，可以以10-100MHZ的重復(fù)頻率應(yīng)用大約15-20個脈沖，每個具有使用單脈沖去除連結(jié)所需能量的十分之一，同時通過一個連結(jié)的部分。
本發(fā)明的實(shí)施例也可以包括多個密集的放大脈沖，例如，兩個或多個脈沖，其每個具有使用單脈沖去除連結(jié)所需能量的大約50％。通過激光系統(tǒng)101內(nèi)的調(diào)制器子系統(tǒng)1081，外部調(diào)制器子系統(tǒng)108，或其組合的控制，可選擇脈沖。
在一個多脈沖處理中，可根據(jù)連結(jié)和周圍材料的預(yù)先確定的物理特性(例如，不同的熱特性)，選擇用于根據(jù)需要輻照連結(jié)的脈沖之間的時間間隔。參照圖4，仿真結(jié)果，例如，證明了利用連結(jié)和其下的基片的不同熱特性的效果，其通過應(yīng)用兩個具有如所示的預(yù)先確定的延遲的脈沖，以去除連結(jié)而不損傷基片。根據(jù)獲得的仿真結(jié)果(在此例中，使用了具有方形形狀的毫微秒脈沖)，具有“單爆發(fā)”能量的50％能量的“雙爆發(fā)”(例如兩個脈沖)非常引人注意。硅基片通常用作散熱片，且其相對于連結(jié)非常快速地冷卻。如圖5a中所示，其結(jié)果顯示基片110僅在10到20ns內(nèi)就穩(wěn)定到室內(nèi)溫度。連結(jié)107(銅)的恢復(fù)非常慢，其說明了明顯不同的熱特性。根據(jù)所述結(jié)果，第二個脈沖通常也將清理在切割位置(也就是，連結(jié)去除)的殘余物，從而導(dǎo)致一個“開路”。
如果，例如，使用一個60MHZ鎖模系統(tǒng)(例如，微微秒脈沖)，輸出脈沖序列的連續(xù)脈沖之間的間隔可于預(yù)先確定的間隔緊密相配合。例如，如果希望更大的時間間隔，可使用一個高速調(diào)制器配置以選擇任何脈沖序列或脈沖組。更高的重復(fù)頻率可用于減小脈沖時間間隔，或者如圖3中所示，可提供第二個激光。例如，可生成兩個激光，每個都具有從大約40ps到100ps范圍內(nèi)的脈沖寬度且間隔2-10ns。舉例來說，光量開關(guān)微激光可用于提供重復(fù)頻率大約10KHz-100KHz的幾毫微秒的脈沖寬度?？蛇M(jìn)行毫微秒脈沖的進(jìn)一步處理(如所示，例如，在圖8b中所顯示的實(shí)施例)，其中一個高速調(diào)制器用于“切片”或壓縮脈沖至微微秒量級，繼之以放大。關(guān)于時間脈沖成形的進(jìn)一步細(xì)節(jié)，可參見美國專利號US6281471和US4483005(標(biāo)題“影響脈沖寬度”)，其被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的專利受讓人。
可利用其他的物理特性。應(yīng)用超短脈沖于不同的材料，例如在50毫微微秒到幾微微秒范圍內(nèi)，激光束的等離子體屏蔽通常是可忽略的，如幾個參考文獻(xiàn)中所述(例如，Zhu et al.，“激光參數(shù)和材料特性對使用毫微微秒激光脈沖的微鉆孔的影響”，APPL.PHY.A 67(Suppl.)5367-5371(1999)。盡管不如在毫微微秒范圍內(nèi)的操作那么有效率，具有優(yōu)選的接近擊穿點(diǎn)和比擊穿點(diǎn)長一些的(例如，長5％到25％的范圍)脈沖寬度的微微秒脈沖可提供比毫微秒更好的激光能量的耦合。例如，脈沖可在大約10ps到100ps的范圍內(nèi)，且最優(yōu)選地在大約10ps到大約40ps的范圍內(nèi)，或10ps到大約50ps的范圍內(nèi)。較長脈沖的能量耦合，例如10-30毫微秒，由于排出的蒸氣/等離子體/羽流，可能會嚴(yán)重退化。此外，入射的光束可散射，并產(chǎn)生大量離開連結(jié)的能量，其可減小處理能量窗口。
因此盡管對于“在空中”去除的目的來說，一系列微微秒脈沖相當(dāng)于一個多毫微秒脈沖，但是當(dāng)使用多個的，其每個在脈沖之間都具有至少幾毫微秒的時間間隔的脈沖時，激光與材料的全面交互作用和處理結(jié)果可能非常不同。美國專利US6552301公開了超快激光脈沖猝發(fā)的使用，每個脈沖都具有小于大約10ps的脈沖寬度，并在各個脈沖之間具有時間間隔，以利用前一脈沖與靶物質(zhì)的交互作用所產(chǎn)生的選擇瞬間效應(yīng)的持續(xù)。此外，“使用在1054nm的微微秒脈沖(ps-pulse)猝發(fā)的透明玻璃和鋁的激光顯微機(jī)械加工”，Heman，CLEO 2000，CDF3，(2000)，公開了7.5ns脈沖間隔將羽流吸收效應(yīng)減小到一定程度。時間間隔可根據(jù)(至少)第一個高峰值功率微微秒脈沖應(yīng)用之后，用于蒸氣/等離子體/羽流的實(shí)際耗散的時間間隔來預(yù)先選擇。典型的范圍是大約5ns到幾百毫微秒。附加的脈沖可隨后應(yīng)用于有效的耦合。
此外，當(dāng)具有高功率密度(例如，109-1013W/cm2)的微微秒脈沖應(yīng)用于連結(jié)時，依賴密度的非線性吸收，例如在絕緣層1092或其他相鄰材料內(nèi)，在連結(jié)被去除之后可減弱入射能量，并可減小基片或間接連結(jié)損壞的可能性。雜質(zhì)(由于設(shè)計，或是處理缺陷或副產(chǎn)品)晶格缺陷或各種處理缺陷的存在可增強(qiáng)在一個或更多絕緣層中的非線性吸收。此外，一些低k絕緣體例如聚合絕緣體的光學(xué)特性可通過非線性吸收來支持材料的受控去除。
●微微秒激光實(shí)施例釹(Nd)雜質(zhì)固體激光器(Nd:YAG，Nd:YLF，Nd:YVO4)或其他稀土元素(例如，鐿(Yb)，釹(Nd)，鉺(Er))雜質(zhì)光纖激光器的固體激光波長可以是1.3、1.18、1.09、1.064、1.053，或1.047微米。優(yōu)選的激光波長的也可以是這些和其他適合激光的第二、第三、第四，和第五諧波，以獲得更小的光點(diǎn)尺寸和更大的聚焦深度，從而滿足特定應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。例如，也可使用激光波長在紫外(例如，自第三諧波的355nm，自第四諧波的266nm，和自第五諧波的212nm)，可見(例如，自第二諧波的532nm)，近紅外波長(例如，700-900nm)的激光源，其相對于傳統(tǒng)的波長可改善光點(diǎn)尺寸。
鈦藍(lán)寶石鎖模超快激光器(mode locked Tisapphire ultra fast laser)是一個這樣的激光系統(tǒng)，其產(chǎn)生脈沖寬度在750到850nm范圍的微微秒范圍的激光脈沖。另一個是稀土元素雜質(zhì)光纖激光器，其產(chǎn)生在800-980nm范圍的波長。
現(xiàn)在將更加詳細(xì)地描述可包括在本發(fā)明的實(shí)施例中的典型激光子系統(tǒng)。在一個實(shí)施例中，相應(yīng)于圖1a，可包括一個經(jīng)濟(jì)適用的二極管泵浦，被動鎖模或主動鎖模系統(tǒng)。外部調(diào)制器系統(tǒng)108可被實(shí)現(xiàn)以傳送選擇的106脈沖至連結(jié)107。
在圖2a中顯示了可用于本發(fā)明至少一個實(shí)施例的另外一個激光配置。在一個MOPA(Master Oscillator Power-Amplifier主控振蕩器的功率放大器)配置中，微微秒種子激光器(例如，振蕩器產(chǎn)生一個在用于放大的范圍內(nèi)的輸出)和(功率)放大系統(tǒng)用于獲得所需的脈沖能量。
參照圖6a，顯示了一個方框圖，其圖示了激光子系統(tǒng)的額外的細(xì)節(jié)，其中圖2a或圖2b中的種子激光器211是二極管泵浦固體激光振蕩器602。二極管泵浦固體激光放大器603可用于放大種子激光器的輸出。振蕩器602可以是鎖模二極管泵浦固體振蕩器種子。外部調(diào)制器子系統(tǒng)108可用于控制每個連結(jié)上的脈沖數(shù)量以及脈沖之間的時間間隔。鎖模振蕩器相對于傳統(tǒng)的光量開關(guān)激光器來說，通常是以非常高的重復(fù)頻率(＞1MHZ)運(yùn)行。激光系統(tǒng)以可包括圖2b的帶有控制信號202(例如，在典型的20-150KHz范圍內(nèi))的調(diào)制器子系統(tǒng)1081，以連結(jié)相對于激光束運(yùn)動期間，處理連結(jié)時，控制在每個靶上的脈沖數(shù)量。在任何情況下，種子激光器(例如，其，如果適合，可以是封裝的經(jīng)濟(jì)適用的激光源)可包括一個內(nèi)部前置放大器，以將脈沖能量放大至適合的范圍，以用于功率放大器603的功率放大。
一個備選配置可包括一個二極管泵浦，鎖模，微微秒光纖激光振蕩器，以作為種子激光器602。如果二極管泵浦、固體放大器603是光纖光學(xué)放大器，那么就可構(gòu)造全光纖激光系統(tǒng)。
在美國專利No.5,400,350、5,701,319，和5,818,630中公開了適用于放大高功率短脈沖，特別是超短脈沖的典型光纖配置。典型的激光器包括IMRA所提供的Femtolite和Watlite系列，’350、’319和’630專利的專利受讓人。通過鐿光纖放大、基于Femtolite的光源，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了降至0.1ps持續(xù)時間的，具有1瓦特的平均功率的，具有在1.03-1.06微米范圍內(nèi)的輸出波長的脈沖。其他的波長，(例如，780nm)和1.03-1.06微米激光的倍頻(第二諧波)輸出也可來自IMRA。在美國專利No.6,281,471(轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的專利受讓人)和International Published Patent Application WO98/92050中也有額外的信息。
各種其他的固體激光放大器配置可適用于本發(fā)明的至少一個實(shí)施例。平面波導(dǎo)技術(shù)可很好地適用于高峰值功率，短脈沖的應(yīng)用。轉(zhuǎn)讓給本專利的專利受讓人的美國專利公布2003/0161375，2003/0160034，和2003/0021324，以及相關(guān)參考文獻(xiàn)公開了一些波導(dǎo)放大器實(shí)施例。盡管不如光纖放大器技術(shù)那么容易實(shí)現(xiàn)，波導(dǎo)設(shè)計可提供高峰值功率輸出和好的光束質(zhì)量，而沒有所不希望的種子波長的拉曼位移(Raman shifting)。平面波導(dǎo)放大器也可以很好地適用于毫微微秒脈沖放大器。
參照圖6b，顯示了一個方框圖，其圖示了一個備選激光子系統(tǒng)的額外細(xì)節(jié)，其中圖2的種子激光器是一個微微秒激光二極管611，其用于產(chǎn)生微微秒脈沖。二極管種子激光器可以直接調(diào)制。
可替換地，二極管激光器可用于產(chǎn)生毫微秒脈沖，其在激光系統(tǒng)中被進(jìn)一步處理以產(chǎn)生微微秒脈沖(如更多的細(xì)節(jié)顯示，例如，與圖8b一起)。
在此外的另一個配置中，種子激光器611可以是主動和被動光量開關(guān)微芯片激光器?？蓙碜訟dvanced Optical Technology的AOT-YVO-1Q是經(jīng)濟(jì)適用的微型激光器的一個實(shí)例。例如AOT以20KHz重復(fù)頻率提供可行的2毫微秒脈沖寬度。倍頻形式也是可行的(532nm)。JDS Uniphase也可提供微型激光器。在任一情況下，調(diào)制器可用于減小脈沖寬度，如更多的細(xì)節(jié)顯示，例如，與圖8b一起。二極管泵浦光纖激光放大器可用于放大種子激光器的輸出。
一個優(yōu)選的實(shí)施可包括二極管激光器，其作為種子和光纖激光器的放大器，以獲得微微秒激光脈沖。光纖激光系統(tǒng)可具有簡潔，良好的光束質(zhì)量和控制，高的系統(tǒng)可靠性，容易的熱管理，以及免維護(hù)操作的優(yōu)點(diǎn)。美國專利US6281471和WO 98/92050公布了主控振蕩器的功率放大器(MOPA)的多個特征，其中使用了光纖放大器來放大二極管種子激光器。
在至少一個實(shí)施例中，可通過種子激光器的“增益關(guān)聯(lián)”控制序列脈沖的時間間隔，例如，如美國專利US6281471中所講述的。高速脈沖激光設(shè)計通常單獨(dú)和組合利用光量開關(guān)、增益關(guān)聯(lián)、或鎖模操作?？墒褂谩懊}沖抽運(yùn)”(例如，圖6a的泵浦二極管模塊的實(shí)時控制)，其所提供的輸出穩(wěn)定性是可接受的。美國專利US5812569公開了穩(wěn)定脈沖固體激光器輸出能量的一個典型方法。
激光子系統(tǒng)101(且來自放大器603)的輸出可以是被轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換了的波長。波長轉(zhuǎn)換器，包括諧波生成模塊，或其他波長轉(zhuǎn)換器可用于根據(jù)處理的需求將波長轉(zhuǎn)換為更短或更長的波長。波長轉(zhuǎn)換或變換技術(shù)已經(jīng)眾所周知，并有文件資料(被證明)。波長轉(zhuǎn)換器的實(shí)例包括拉曼位移器、頻率上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換、倍頻，等等。例如Concept Design Inc.提供毫微微秒鈦藍(lán)寶石輸出(基波長在750-850nm范圍內(nèi))的第二、第三、和第四諧波變換，其可生成如大約215nm短的可行的波長。Coherent，SpectraPhysics，和Lumera提供另外的產(chǎn)品，其包括超快速頻率變換器。
參照圖7(a-c)顯示了方框圖，其圖示了可用于激光子系統(tǒng)101內(nèi)的各種備選配置。在圖7a中，波長轉(zhuǎn)換器701置于種子激光器和放大器之間。在此情況下，種子激光器的波長與功率放大器的不同。因此，執(zhí)行波長轉(zhuǎn)換以將輸出波長從種子激光器轉(zhuǎn)換至功率放大器范圍內(nèi)的波長。波長轉(zhuǎn)換器的實(shí)例包括拉曼位移器、頻率上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換、倍頻，等等。
圖7b仍圖示了另一個配置，其中前置放大器702置于種子激光器階段和功率放大器階段之間。前置放大器通常在功率放大之前放大微微秒種子激光器的輸出，使得脈沖功率通常在適于光纖激光放大器(或其他適合的放大器)放大的有利范圍內(nèi)。優(yōu)選地，前置放大器也是基于光纖的。
圖7c仍圖示了另外一個配置，其包括置于功率放大前面的調(diào)制器703。當(dāng)功率放大器和種子激光器之間的重復(fù)頻率不同時，通常要使用調(diào)制器(例如，降值計數(shù)器或分頻器)。通常，鎖模種子激光器的重復(fù)頻率是相對高的，其在MHZ范圍內(nèi)。然而，由于額定的平均限制功率，功率放大器所需的重復(fù)頻率可在幾到幾百KHz的范圍內(nèi)。因此，所述設(shè)備作為“降值計數(shù)器”或“脈沖選取器”操作(例如，相似于或等價于圖1a和1b的調(diào)制器子系統(tǒng)和光學(xué)開關(guān))。優(yōu)選地，光學(xué)開關(guān)與調(diào)制器子系統(tǒng)108一起，被基于位置和/或速度信息的控制信號所驅(qū)動，并因而與激光處理系統(tǒng)的其他部件同步。這樣的降值計數(shù)設(shè)備的一個實(shí)例可以是聲-光調(diào)制器或其他的高速光學(xué)開關(guān)。所述設(shè)備可單獨(dú)使用或與調(diào)制器108組合，用于選擇被傳送至連結(jié)或其他靶結(jié)構(gòu)的脈沖。波長轉(zhuǎn)換器105可置于輸出處，如圖7(a-c)中所示。
參照圖8(a-c)，顯示了示意性方框圖，其進(jìn)一步詳細(xì)圖示了典型激光系統(tǒng)的構(gòu)造，其可用于本發(fā)明的實(shí)施例中。舉例來說，種子激光可以是經(jīng)濟(jì)適用的半導(dǎo)體激光二極管，以及放大器系統(tǒng)包括至少一個光纖放大器，且可包括幾個放大階段。
圖8a圖示了一個帶有多階段放大器配置的種子激光器。通常，種子器(振蕩器)以可調(diào)整(也就是說，可修改，可選擇，等)的、上至100KHz或10MHZ的重復(fù)頻率，產(chǎn)生微微秒持續(xù)時間(10ps-1ns)的脈沖。典型的單元可以是100KHz重復(fù)頻率的40-50ps持續(xù)時間。前置放大器和功率放大器階段兩者都包括?；诠饫w的，優(yōu)選單模式，前置放大器8111通常將脈沖從種子器放大至導(dǎo)致在最后的光纖功率放大器8112(其可以是多階段放大器)飽和的水平級?；诠饫w的功率放大器通常被設(shè)置以使得產(chǎn)生的輸出能量水平在大約5微焦耳到50微焦耳的范圍內(nèi)，其通常足以通過單脈沖去除連結(jié)并補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的耗散。對于波長1微米的輸出來說，通常選用鐿雜質(zhì)光纖。所述光纖可以是保偏(PM)光纖。
圖8b顯示了可被包括在本發(fā)明實(shí)施例中的備選配置的構(gòu)造的額外的細(xì)節(jié)。調(diào)制激光二極管821可產(chǎn)生毫微秒脈沖(未按照比例顯示了兩個脈沖8211)。每個脈沖可在1-200nj的能量范圍內(nèi)，其每個具有大約2-10ns的典型脈沖寬度。光量開關(guān)微型激光器可作為二極管的替換，可根據(jù)特定的設(shè)計考慮和標(biāo)準(zhǔn)在兩個選擇之間進(jìn)行權(quán)衡。絕緣體831通常用于減小噪聲水平，例如由背射所引起的噪聲。所述脈沖隨后被二極管泵浦(泵浦二極管(多于一個)824)和鐿放大器822放大。放大可以是大約30dB，以將脈沖能量提升至微焦耳范圍并克服系統(tǒng)內(nèi)部的各種耗散。
第二絕緣體831通常用于減小由背射引起的噪聲水平。偏振器826通常用于保持光束的偏振，以滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，且光纖布拉格光柵(FiberBragg Gratings，F(xiàn)BG)用作波長敏感濾波器。脈沖寬度隨后可通過非常高速的GHz強(qiáng)度調(diào)制器827被“限幅”至毫微秒范圍，其優(yōu)選地具有至少10GHz的全功率波段寬度。備選地，可通過Mach-Zehnder調(diào)制器827實(shí)現(xiàn)一個更高效的配置，其中毫微秒脈沖被壓縮至微微秒范圍，生成在近似10ps范圍的脈沖寬度。顯示(未按照比例)了放大的輸出脈沖(多于一個)8271，其被去除或被壓縮部分用虛線表示。在此情況下，放大器822以最終所需要的重復(fù)頻率操作。
圖8c顯示了可被包括在本發(fā)明實(shí)施例中的，備選種子大氣和“脈沖選取器”配置的構(gòu)造細(xì)節(jié)?？傮w上，圖8c的配置與圖7b的相似，不過，例如沒有波長轉(zhuǎn)換。微微秒脈沖8311可直接從種子二極管829生成，或者通過種子二極管829的外部調(diào)制器(未顯示)以數(shù)倍最終所需要重復(fù)頻率(例如，1-100KHz的數(shù)倍)生成。脈沖能量通?？梢允谴蠹s1nj。如上所述，在脈沖重復(fù)頻率通過適合的、用作“降值計數(shù)器”或“脈沖選取器”(例如，1-100KHz)的調(diào)制器1081而被減小到所需要的最終值之前，一般通過放大器8111放大(例如，大約30db)信號。顯示了所選擇的脈沖(多于一個)8281。
所選擇的微微秒脈沖8281可隨后通過額外的階段被放大。圖8d顯示了兩階段放大器的一個配置。如上所述，部件可包括絕緣體831以減小噪聲水平，偏振器826以保持光束的偏振，以及作為波長濾波器的光纖布拉格光柵825。光纖放大器841和842通常都分別被二極管(或二極管陣列)8411和8421泵浦。第一階段可以是30db、單模式、鐿放大器。第一階段可以是具有30db增益的“大模式”或“大核”鐿放大器。各種已知技術(shù)的方法可用于控制輸出模式和相應(yīng)的光束質(zhì)量，以及用于噪聲(ASE)抑制(例如，參見美國專利No.5,818,630和5,400,350，以及WO 98/92050)，使得產(chǎn)生一個接近受衍射限制的輸出光束，以用于傳送至連結(jié)。圖8c-8d的三階段系統(tǒng)可產(chǎn)生在十幾到成百未焦耳范圍內(nèi)的輸出，其光束質(zhì)量近似于受衍射限制。
傳送泵浦能量至光纖放大器的方法和系統(tǒng)已經(jīng)眾所周知。舉例來說，圖8e顯示了將二極管激光能量耦合入光纖放大器的一種方法。與一光學(xué)系統(tǒng)組合的分色鏡850可通過垂直的分開的光纖端852將抽運(yùn)光傳送至鐿雜質(zhì)、雙包層的光纖851內(nèi)。放大器輸出可通過相似的分配置傳送，其中抽運(yùn)能量855通過光纖再循環(huán)。技術(shù)人員將能夠了解和理解，不同類型的、用于種子和放大器激光器的激光源的其他可能的合適組合可以被實(shí)現(xiàn)，以滿足特定應(yīng)用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
●存儲器修復(fù)系統(tǒng)參照圖9，顯示了一個基于激光的存儲器修復(fù)系統(tǒng)的方框圖，其包括一個微微秒激光系統(tǒng)，且進(jìn)一步圖示了本發(fā)明的多個主要系統(tǒng)部件。
可以實(shí)現(xiàn)使用微微秒激光的完全的顯微機(jī)械加工站。微微秒激光系統(tǒng)的至少一個實(shí)施例可被整合入GSI Lumonics所生成的M430系列中，或具有適合的亞微米公差和用于高速顯微機(jī)械加工的性能規(guī)格的、其他顯微機(jī)械加工系統(tǒng)中。下面的附加專利和公布申請列表，其已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的專利受讓人，描述了與存儲器修理的方法和系統(tǒng)相關(guān)的多個方面1.美國專利US5300756，標(biāo)題“用于使用相移片調(diào)整激光束分離集成電路連接路徑的方法和系統(tǒng)”；2.美國專利US6144118，標(biāo)題“高速精確定位設(shè)備”；3.美國專利US6181728，標(biāo)題“控制激光偏振”；4.美國專利US5998759，標(biāo)題“激光處理”；5.美國專利US6281728，標(biāo)題“高能量效率的、用于處理靶物質(zhì)的基于激光的方法和系統(tǒng)”；6.美國專利US6340806，標(biāo)題“用于使用放大波長轉(zhuǎn)換脈沖序列處理靶物質(zhì)的高能量效率的方法和系統(tǒng)”；7.美國專利申請序列號為No.09/572925，標(biāo)題“用于精確定位材料處理激光束的腰以在激光處理位置內(nèi)處理微觀結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)”，2000年5月16日提交，且2001年12月公布的WO 0187534A2，現(xiàn)在為美國專利US6483071，S.N.09/572.925的分案申請；8.美國專利US6300590，標(biāo)題“激光處理”；和9.美國專利US6339604，標(biāo)題“激光系統(tǒng)中的脈沖控制”。
根據(jù)本文講述，顯而易見，本發(fā)明用于處理具有小于2微米間距的連結(jié)，其具有可忽略的熱影響區(qū)，且沒有毫微微秒激光系統(tǒng)的復(fù)雜性。通過一個或更多微微秒脈沖可以有助于精確的連結(jié)去除。此外，相對于慢的蝕刻處理，可高效率地完成連結(jié)的去除，且相對于傳統(tǒng)的毫微秒連結(jié)處理方法，具有改善的精確度。根據(jù)本發(fā)明的連結(jié)處理可以在高速激光處理系統(tǒng)中運(yùn)行。
雖然圖示和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，但是并不意味著所述實(shí)施例圖示和描述了本發(fā)明的所有可能的形式。更確切地，本說明書中所使用的文字是描述性文字，而不是限制性文字，且應(yīng)該理解可以實(shí)現(xiàn)各種變化而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于激光的系統(tǒng)，其用于在微觀區(qū)域內(nèi)處理靶物質(zhì)而不會導(dǎo)致靶物質(zhì)周圍的至少一種物質(zhì)的電或物理特性發(fā)生不期望的變化，所述系統(tǒng)包括一種子激光器，其用于產(chǎn)生具有第一預(yù)先確定波長的一序列激光脈沖；一光學(xué)放大器，其用于放大至少一部分所述脈沖序列，以獲得一個放大的輸出脈沖序列；和一光束傳送系統(tǒng)，其用于傳送和聚焦所述放大脈沖序列中的至少一個脈沖至所述靶物質(zhì)，所述至少一個輸出脈沖具有在大約10微微秒到小于1毫微秒范圍內(nèi)的脈沖寬度，所述脈沖寬度在一熱處理范圍內(nèi)，且所述至少一個聚焦輸出脈沖在所述靶物質(zhì)內(nèi)的一位置處具有充足的能量密度，以減少所述靶物質(zhì)的反射率，并有效地將所述聚焦輸出耦合入所述靶物質(zhì)內(nèi)，以去除所述靶物質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光束傳送系統(tǒng)進(jìn)一步包括一偏轉(zhuǎn)器，其用于傳送脈沖序列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光束傳送系統(tǒng)包括一變形光學(xué)子系統(tǒng)，其用于產(chǎn)生非圓形聚焦輸出脈沖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括一前置放大器，其用于在所述光學(xué)放大之前，將所述種子激光序列預(yù)先放大至預(yù)先確定的脈沖能量水平。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括一轉(zhuǎn)換器，其用于在所述光學(xué)放大之前，將所述第一波長轉(zhuǎn)換為第二波長。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括一調(diào)制器，其用于根據(jù)位置或速度信息，可控制地選擇至少一部分所述放大脈沖序列，以在相對運(yùn)動過程中同步連結(jié)和激光束位置，從而提供所述至少一個輸出脈沖序列至所述光學(xué)放大。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括一調(diào)制器，其用于根據(jù)位置或速度信息，可控制地選擇至少一部分所述脈沖序列，以在相對運(yùn)動過程中同步連結(jié)和激光束位置，從而提供至少一個脈沖以在所述光學(xué)放大之前，在要求時處理所述靶連結(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)激光脈沖序列具有大于約1MHz的重復(fù)頻率，且其中一調(diào)制器可控制地選擇所述脈沖序列，以將重復(fù)頻率減小至大約10Khz到100Khz的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述激光脈沖序列包括至少一個具有大于約1毫微秒的毫微秒寬度的脈沖，且所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個調(diào)制器，其用于壓縮或限幅所述至少一個毫微秒脈沖，以產(chǎn)生具有在大約10ps到小于1ns范圍內(nèi)的所述寬度的一個脈沖。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個種子激光器是光量開關(guān)微型激光器或激光二極管。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述調(diào)制器是置于所述種子激光器和所述放大器之間的一個壓縮器，且壓縮在放大之前執(zhí)行。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述調(diào)制器是置于所述放大器之后的一個限幅器，且限幅在放大之后執(zhí)行。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述種子激光器是二極管泵浦固體激光器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述二極管泵浦固體激光器是光纖激光器。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述種子激光器是主動鎖?；虮粍渔i模激光器。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述種子激光器是高速半導(dǎo)體激光二極管。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中使用至少一個光纖光學(xué)放大器來執(zhí)行放大。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述光纖光學(xué)放大器具有大約30dB的增益。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括一轉(zhuǎn)換器，其用于將所述放大脈沖序列中的至少一個脈沖的所述激光波長從所述第一波長轉(zhuǎn)換為小于大約1微米的第二波長。
20.一種基于激光的系統(tǒng)，其用于在微觀區(qū)域內(nèi)處理靶物質(zhì)，其不會導(dǎo)致靶物質(zhì)周圍的至少一種物質(zhì)的電或物理特性發(fā)生不期望的變化，所述系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生激光脈沖序列的裝置，所述脈沖序列的每個脈沖具有在大約10微微秒到小于1毫微秒范圍內(nèi)的脈沖寬度，所述脈沖寬度在一熱處理范圍內(nèi)；調(diào)制器裝置，其用于可控制地選擇至少一部分所述脈沖序列，從而提供至少一個輸出脈沖以在要求時處理所述靶物質(zhì)；和裝置，其用于傳送和聚焦所述至少一個輸出脈沖至所述靶物質(zhì)，其包括一光學(xué)系統(tǒng)，所述至少一個聚焦輸出脈沖在所述靶物質(zhì)內(nèi)的一位置處具有充足的能量密度，以減少所述靶物質(zhì)的反射率，并有效地將所述聚焦輸出耦合入所述靶物質(zhì)內(nèi)，以去除所述靶物質(zhì)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述激光脈沖序列是一放大脈沖序列，且其中用于產(chǎn)生脈沖的所述裝置可包括一主控振蕩器的功率放大器(MOPA)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中調(diào)制器裝置包括聲-光調(diào)制器或電-光調(diào)制器。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述電-光調(diào)制器是一馬赫曾德耳(Mach-Zehnder)調(diào)制器。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中用于傳送的所述裝置包括一光束偏轉(zhuǎn)器，其用于根據(jù)所述靶物質(zhì)相對于所述至少一個脈沖的至少一個位置和速度中，將至少一個脈沖偏轉(zhuǎn)至所述靶物質(zhì)。
25.一種基于激光的系統(tǒng)，其用于在微觀區(qū)域內(nèi)處理靶物質(zhì)，其不會導(dǎo)致靶物質(zhì)周圍的至少一種物質(zhì)的電或物理特性發(fā)生不期望的變化，所述系統(tǒng)包括第一激光器和第二激光器，其用于產(chǎn)生多個激光脈沖，其在所述脈沖之間具有時間間隔；光束組合器，其用于組合所述脈沖至少一個光學(xué)放大器，其用于放大所述多個脈沖的至少一部分；控制器，其用于根據(jù)所述靶物質(zhì)的預(yù)先確定的物理特性控制所述脈沖的所述時間間隔；和光束傳送系統(tǒng)，其用于傳送并聚焦至少一個放大脈沖至所述靶物質(zhì)，所述至少一個輸出脈沖具有在大約10微微秒到小于1毫微秒范圍內(nèi)的脈沖寬度，脈沖寬度在一熱處理范圍內(nèi)，且所述至少一個聚焦輸出脈沖在所述靶物質(zhì)內(nèi)的一位置處具有充足的能量密度，以減少所述靶物質(zhì)的反射率，并有效地將所述聚焦輸出耦合入所述靶物質(zhì)內(nèi)，以去除所述靶物質(zhì)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)控制器進(jìn)一步包括一延遲線。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述預(yù)先確定的物理特性包括不同的熱特性。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述預(yù)先確定的物理特性包括蒸氣等離子體羽流的耗散。
29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述放大器是光纖光學(xué)放大器。
30.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中至少一個所述第一和第二激光器是二極管泵浦光纖激光振蕩器。
31.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中至少一個所述第一和第二激光器是半導(dǎo)體激光二極管。
32.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述時間間隔為大約2毫微秒到10毫微秒的范圍。
全文摘要
一種用于在微觀區(qū)域內(nèi)處理靶物質(zhì)的基于激光的系統(tǒng)，其不會導(dǎo)致靶物質(zhì)周圍的至少一種物質(zhì)的電或物理特性發(fā)生不期望的變化，所述系統(tǒng)包括一個種子激光器，一個光學(xué)放大器和一個光束傳送系統(tǒng)。種子激光器用于產(chǎn)生一序列具有預(yù)先確定的第一波長的激光脈沖。光學(xué)放大器用于放大至少一部分脈沖序列，以獲得一個放大的輸出脈沖序列。光束傳送系統(tǒng)用于傳送放大脈沖序列中的至少一個脈沖，并將其聚焦于靶物質(zhì)上。至少一個輸出脈沖具有一個在大約(10)微微秒到小于(1)毫微秒范圍內(nèi)的脈沖持續(xù)時間。脈沖持續(xù)時間處于一個熱處理范圍內(nèi)。至少一個聚焦輸出脈沖在靶物質(zhì)內(nèi)的一個位置處具有充足的能量密度，以減少靶物質(zhì)的反射率，并有效地將聚焦輸出引入靶物質(zhì)內(nèi)，以去除靶物質(zhì)。
文檔編號H05K3/00GK1867419SQ200480029770
公開日2006年11月22日 申請日期2004年10月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月10日
發(fā)明者博·古, 唐納德·V·斯馬特, 詹姆士·J·科丁利, 喬漢·李, 唐納德·J·斯維特科夫, 夏普德·D·約翰遜, 喬納森·S·艾爾曼 申請人:通明國際科技有限公司