CN102334249B - 用于微加工的脉冲时间可程序化超快突发模式激光 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光处理系统，提供一超快激光脉冲的突发，其具有选择性成形的突发波封。一突发式脉冲激光包含一高重复率超快激光，以发出一脉冲串列，该串列中的每一脉冲均具有一独立控制的振幅。在脉冲群集中每一超快脉冲的个别振幅界定出一″突发波封″。除了独立控制突发波封内每一超快脉冲的振幅之外，此系统同时也可以提供介于每一超快脉冲间的间隔及/或突发波封的整体时间宽度的选择性控制。因此，该系统提供用于特定激光处理应用的突发波封的选择性成形。

Description

用于微加工的脉冲时间可程序化超快突发模式激光
技术领域
本发明揭示有关于激光微加工(laser micromachining)。特别是关于使用超快激光脉冲的突发(burst)的激光系统及方法。
背景技术
在半导体存储器阵列晶片制造完成之后，晶片曝光表面上的集成电路(IC)图案是以一钝化材料(passivating material)的电性绝缘层密封。典型的钝化材料包括合成树脂(resin)或者诸如聚亚酰胺(polyimide)的热塑性塑胶聚合物(thermoplastic polymer)。此最后″钝化(passivation)″层的目的在于防止晶片表面与周遭湿气产生化学反应、防护表面受环境微粒影响、以及吸收机械应力。钝化密封之后，晶片被安置于一电子封装之中，该电子封装内嵌允许该存储器单元被以探针检测及功能性测试的金属连接。当一备用存储器单元被判定故障之时，其通过切断该单元连接其在阵列中的邻接单元的金属连接，或称导线，以禁能该单元。通过″连接处理″或者″连接烧断″对个别存储器单元加以禁能系利用能够控驭激光光束能量的激光微加工设备达成，以选择性地在范围高度集中的小区域内移除连接材料而不致损伤移除标的邻近、下方、或上方的材料。选择性地处理一指定连接的实行可以是通过改变激光光束波长、光斑尺寸、脉冲重复率(pulse repetition rate)、脉冲形状、或者影响能量传送的其他空间或时间射束参数。
需要对存储器阵列或者其他形式IC晶片中的导电连接进行后处理的激光微加工制程是运用具有快速上升前缘(例如，具有1至2纳秒(nanosecond)上升时间)的陡峭脉冲以达成预定的品质、良率、以及可靠度。为了干净俐落地切断一连接，激光脉冲在切穿金属连接之前先穿透上方叠覆钝化层。现有固态激光的典型脉冲的上升缘随着脉冲宽度而改变。在连接处理中使用一具有5至20纳秒脉冲宽度和一和缓倾斜上升前缘的传统高斯型态激光脉冲往往在钝化层中造成一″过度凹陷(over crater)″，特别是若其厚度太大或不均匀时。过度凹陷降低了IC晶片的可靠度。
上方叠覆钝化层的破裂反应已由Yunlong Sun在其题为″半导体式元件的激光处理最佳化(Laser processing optimization of semiconductor based devices)″的博士论文(1997，Oregon研究院)中充分地加以分析。由于钝化层厚度是一重要的参数，一特定钝化层材料的最佳厚度可以由基于Sun的分析的模拟而决定。在IC生产期间，维持钝化层晶圆层次制程控制的困难度可能导致非最佳化的厚度以及晶圆与晶圆间较差的厚度一致性。因此，在后处理中所使用激光脉冲的最佳化特性可以有助于钝化层的错置尺寸以及变异源头的补偿。
编号No.6,281,471的Smart所提的美国专利案提出在连接处理中使用大致方波形状的激光脉冲。此一陡峭信号缘脉冲可以通过将一主振荡器激光连接一光纤放大器(MOPA)而产生。此低功率主振荡器运用一二极管激光，其能够产生一具有快速上升时间的方波形状脉冲。另一方面，受让予本专利申请案受让人，由Yunlong Sun等人提申的编号No.7,348,516的美国专利案指出，虽然一大致方波形状的激光脉冲具有一垂直上升缘，但其并非用于连接处理的最佳激光脉冲形状。反之，Sun等人在一实施例中揭示使用一形状类似椅子的特制激光脉冲形状，其具有一快速上升的峰值或者多重峰值以有效地处理连接，且信号强度之后急遽下降，而在关闭之前平稳维持于一较低的功率位准。此一特制激光脉冲，具有高峰值功率但低平均功率，经由所谓的脉冲分截(pulse slicing)技术成功产生，可以通过光电式调变(electro-opticalmodulation；简称EOM)或声光式调变(acousto-optical modulation；简称AOM)实施。举例而言，一传统的主动式Q型开关固态激光提供具有高强度及高脉冲能量的纳秒级种子脉冲，且随后一光回圈分截装置将一标准激光脉冲转换成一预定的特制脉冲形状。
由Xiaoyuan Peng等人提申，受让予本专利申请案受让人的编号No.12/057,264美国专利申请案教示一光回圈分截机制，实施于一诸如用于半导体连接处理的紫外线(UV)激光系统。或者，一特制激光脉冲可以由使用一增益光纤(gain fiber)做为功率放大器的MOPA产生。使用MOPA的优点在于其在一特定的固定频率下构建出一稳定的信号源。
由Pascal Deladurantaye提申的美国专利申请案No.2006/0159138描述一种成形脉冲激光，其中二调变器塑造一连续波(continuous wave；简称CW)光射束的形状以产生各种不同形状的脉冲。然而，从一CW光射束产生脉冲激光相当没有效率，且因此需要更多的放大动作。由于此一低峰值信号可以被杂讯影响，其造成脉冲与脉冲间的不稳，故该二调变器最好彼此同步以维持脉冲稳定性和能量稳定性，从而进一步增加复杂度和成本。
以上的系统及方法基本上使用具有纳秒范围脉冲宽度的激光脉冲。但脉冲宽度在纳秒范围的1μm和1.3μm激光波长具有许多缺点。举例而言，此种红外线(IR)激光光束对一高导电性金属连接的能量耦合效率极差。此外，用于切断连接的IR激光光束实际可达成的光斑尺寸相当大而限制了连接宽度和连接间距的关键尺寸。如同Yunlong Sun在″用于半导体式元件的激光处理最佳化(Laser Processing Optimization for Semiconductor Based Devices)″(未公开发行的博士论文，Oregon科技研究院，1997)中所详述，具有纳秒级脉冲宽度的传统激光连接处理可以依靠对连接进行加热、熔化、以及蒸发而建立一机械式应力结构以利用单一激光脉冲爆开上方叠覆的钝化层。此一传统式连接处理激光脉冲产生一极大的热影响区(heat affected zone；HAZ)，其可能降低包含被切断连接的元件品质。举例而言，当连接太厚或者连接材料的反射性太高而无法吸收足够的激光脉冲能量时，相对于每一激光脉冲需要使用更多能量以切断连接。增加激光脉冲能量将增加IC晶片的损伤风险，包含在上方叠覆钝化层中的不规则或过大开孔、在下方叠覆钝化层的裂缝、对相邻连接结构的损伤、以及对硅(Si)基板的破坏。然而，对厚连接使用一无风险范围内的激光脉冲能量通常会造成连接的切断不完全。
因此才产生关于使用超快激光(微微秒(picosecond)或飞秒(femtosecond)激光)处理诸如IC晶片中的连接等半导体材料的研究。然而，单一超快脉冲的高峰值功率可以轻易地损伤叠覆于其下的Si基板，此在许多应用中是无法接受的。由超快激光造成的高峰值功率基板损伤问题的解决办法之一是使用具有较小峰值功率的超快脉冲的突发或者串列。一脉冲串列同时也具有在材料中产生较小有效光斑尺寸的效应。使用一连串超快脉冲的问题之一在于许多市面上可取得的使用脉冲选择器(pulse picker)的超快激光具有千赫(kilohertz)范围的脉冲重复率。不使用脉冲选择器，一锁模激光(mode-locked laser)运作于一基本上位于数十兆赫(megahertz；即MHz)范围的固定重复率。此一重复率可能难以套用于连接，因为平台移动的速度通常大约每秒400毫米(mm/s)，此使得激光光斑可以在小于大约500纳秒内即飞越一目标连接。因此，脉冲串列应用中所使用的激光可能需要起码大约100MHz的脉冲重复率。
由Bo Gu等人提申的美国专利申请案No.2007/0199927中，其使用具有至少一脉冲的激光，该脉冲的脉冲持续时间的范围介于大约10微微秒与小于大约1纳秒之间。来自Lumera Laser GmbH公司的Achim Nebel等人曾展示一种被动式锁模激光，其使用数位时序控制以产生脉冲序列或群集。参见″产生用于微加工的微微秒脉冲串列(Generation of TailoredPicosecond-Pulse-Trains for Micro-Machining)″，其发表于Photonics West2006，LASE Conference：超快激光的商业及生医应用(Commercial andBiomedical Applications of Ultrafast Lasers)VI Paper No.6108-37。由AchimNebel等人所教示的系统是基于通过高电压光电式(EO)脉冲选择器所产生的一种″双开关″机制，其驱动一通过一波克斯盒(Pockels cell)半波的电压并在一个周期中产生二个HV脉冲。介于脉冲群集间的延迟时间是可以改变的。此功能对于材料处理提供一定程度的弹性。然而，一脉冲突发的波封(envelope)是无法改变的，此限制了该系统在许多微加工应用上的使用。此外，AchimNebel等人提出的解决办法既巨大又昂贵。由于腔体长度极长，机械及热能上的需求相当高，一80MHz锁模腔通常超过1公尺。
发明内容
在一实施例中，一激光系统配置以利用超快激光脉冲的选择性成形突发(selectively shaped burst)处理一材料。此系统包含一突发式脉冲激光(burstpulse laser)，配置以发射一由一选择性成形突发波封所界定的三或多个激光脉冲的突发。上述的突发式脉冲激光更进一步配置以选择性地在该突发波封内调整介于该三或多个激光脉冲间的时间间隔以及该突发波封的时间宽度。此系统也包含一或多个放大器，配置以放大该三或多个激光脉冲群组以获得该突发波封的一预定形状。在某些实施例中，该突发式脉冲激光包含一用以发射一连串激光脉冲的激光源(laser source)，以及一接收该连串激光脉冲的光学调变器(optical modulator)。该光学调变器配置以在振幅上调变该连串激光脉冲，以产生上述由该选择性成形突发波封所界定的三或多个激光脉冲的突发。
在另一实施例中，一种以超快激光脉冲的选择性成形突发处理材料的方法包含在一第一重复率提供一连串激光脉冲、依据一选择性成形的突发波封调变该连串激光脉冲、以及选择性地调整在该突发波封内的三或多个激光脉冲间的间隔。上述的调变包含针对振幅调整在该突发波封内的三或多个激光脉冲。
参照以下较佳实施例的详细说明，本发明的进一步特色及优点将更趋于明显，该等说明是配合所附的图式进行。
附图说明
图1是依据一实施例的具有可程序化突发式脉冲激光的激光系统的功能方块图。
图2是依据一实施例的一超快激光源的功能方块图，其包含一高速分散式回馈二极管(distributed feedback diode)。
图3是一典型光纤锁模主振荡器的功能方块图，依据一实施例，其可以被使用做为图1的超快激光源。
图4图绘式地例示可以依据某些实施例产生的示范性突发波封。
图5是依据一实施例的可被上述激光系统使用以产生成形突发波封的一种子激光的功能方块图。
图6是依据一实施例的一激光系统的功能方块图，其具有一种子激光，该种子激光选择性地结合一第一超快激光源与一第二超快激光源的输出。
图7A、图7B、及图7C分别是依据某些实施例实施不同组态的前置放大器(pre-amplifier)(阶段1)以及功率放大器(阶段2)的激光系统的功能方块图。
图8是依据一实施例的激光系统的功能方块图，其包含一用以进行波长转换的谐振产生器(harmonic generator)。
图9A、图9B、图9C及图9D例示依据某些实施例的一激光光束与一工件间各种不同的交互作用实例。
具体实施方式
依据一实施例，一激光处理系统以一时间可程序化突发模式产生超快激光脉冲。一突发式脉冲激光包含一高重复率超快激光，配置以发出一脉冲串列，该串列中的每一脉冲均具有一独立控制的振幅。在脉冲群集或″突发″中每一超快脉冲的个别振幅，配合介于脉冲间的间隔，界定出一″突发波封″。除了脉冲突发中每一超快脉冲振幅的独立控制之外，该系统同时也可以提供针对介于每一超快脉冲间的间隔及/或突发波封的整体时间宽度的选择性控制。因此，该系统提供用于特定激光处理应用的突发波封的选择性成形。由于脉冲群集内的每一超快脉冲均可以具有微微秒范围或者甚至飞秒范围的时间宽度，故该激光系统可以使用于诸如高效率及高品质的材料加工。
在某些实施例中，如以下所详述，该激光系统包含一具有超快激光源的种子激光以及一用以成形突发波封的高速光学调变器。此激光系统也包含一或多个放大器级以在该系统施加脉冲至一工作表面之前先放大激光脉冲的成形突发。上述的超快激光源可以包含一半导体激光、一光纤激光、或者一固态激光。在某些实施例中，该超快激光源可以是一线性偏极化的窄频宽激光源。因此，该系统可以使用谐振产生以提供较短的波长及/或使用拉曼光谱(Raman)和光学参数产生(optical parametric generation；OPO)以提供较长的波长。其可以通过使用例如脉冲选择、高速调变、在半导体增益开关超快激光情形下的种子源电性调变、或者前述方式的组合以获得可程序化的形状。一前置放大器可以包含，举例而言，光子晶体(photonic crystals)、大模数区(largemode area；简称LMA)增益光纤、或者一单模增益光纤。一后置放大器(功率放大器)可以包含，举例而言，一固态增益介质。如以下所述，在某些实施例中，上述的前置放大器和后置放大器可以包含光纤或固态放大器的任意组合。揭示于本说明书的实施例提供多样性的超快激光源以套用于许多不同应用中的高品质材料处理。
以下的说明将参照所附的图式进行，图式中相同的参考编号代表相同的构件。为了清楚起见，每一参考编号的第一个数字均表示其对应构件首次出现的图式编号。在以下的说明中，其提供许多特定的细节以对所揭示的实施例能有全盘了解。然而，本领域普通技术人员应能体认，此处所述的实施例均能在缺少一或多个上述细节下付诸实现，或者是以其他方法、组件、或者材料达成之。此外，在一些情况中，现有的结构、材料、或动作均未显示于图中或者不做详细的描述，以免混淆实施例的特色。另一方面，所揭示的特征、结构、或者特性均可以以任何适当的方式结合于一或多个实施例当中。
图1是依据一实施例的一激光系统100的功能方块图。激光系统100包含一种子激光110、一前置放大器112、以及一功率放大器114。种子激光110包含一超快激光源116以及一高速光学调变器118。超快激光源116提供一连串超快激光脉冲120至高速光学调变器118。在一实施例中，每一超快激光脉冲120的时间脉冲宽度范围介于大约300飞秒与大约1纳秒之间。
超快激光源116以一高重复率提供该超快激光脉冲120。在一实施例中，超快激光源116运作的重复率范围介于大约1Hz(赫兹)与大约100kHz(千赫兹)之间。在其他实施例中，其重复率范围介于大约100kHz与大约80MHz(兆赫)之间。由此处的揭示，本领域普通技术人员应能体认出其也可以使用更高的重复率。举例而言，在某些实施例之中，其可以使用高达500MHz或更高的重复率。在另一实施例中，其重复率可以高达大约10GHz(千兆赫)或者更高。
在一实施例中，超快激光源116包含一高速超快半导体二极管。举例而言，图2是依据一实施例的一超快激光源116的功能方块图，其包含一高速分散式回馈(简称DFB)二极管210。该DFB二极管210是由一高速驱动器214产生的种子脉冲信号212调变以在一高重复率提供该连串超快激光脉冲120。在某些实施例中，激光源116包含一光学调变器。举例而言，激光源116可以包含一20GHz频宽的调变器，其能够提供50微微秒的脉冲宽度。本领域普通技术人员应能由此处的揭示体认出上述的光学调变器可以运作于20GHz以上或以下。举例而言，在一实施例中，该光学调变器可以运作于一高达大约40GHz的频宽。
使用此DFB二极管210做为激光源116在一小巧且坚固的架构下提供宽可调性、窄线宽、以及高输出功率。举例而言，该DFB二极管210内部的一频率选择构件(未显示于图中)，诸如一布雷格光栅(Bragg grating)，被整合入半导体的有效区段中。因此，其在不使用任何大型光学模组下达成单频率运作以及高同调性(coherence，例如，其同调长度的范围介于大约50米及大约200米之间)，使得该DFB二极管210特别适合使用于严酷的工业环境下或者是用于空中传播的应用。
依据某些实施例，显示于图2中的DFB二极管210可以通过改变温度(例如，通常其调整率大约是25GHz/K)或者运作电流(例如，通常其调整率是从大约1GHz/mA到大约2GHz/mA)而加以调整。虽然电流调整较适于快速调变的作业，但热能调整具有提供极大的免于模式跳跃(mode-hop free)的调整范围(例如，高达大约1200GHz)的优点。一般而言，一DFB激光的波长是通过改变激光电流或者是晶片温度而加以调整。电性调变适合于在一小范围内的快速频率扫描(例如，对于范围介于大约0.1纳米及大约0.2纳米之间的线宽，而调变频率在kHz到MHz的范围内)。高达大约3纳米的较大调整范围是通过改变激光温度达成，通常在一大约40℃的区间中。
举例而言，该DFB二极管210可以是一配备偏极化保持(polarizationmaintaining；PM)光纤耦合器(未显示于图中)的DFB二极管，其可以自德国Munich的Toptica Photonics AG公司取得。举另一实例，二极管210可以包含一超快增益开关式二极管，具有一提供50微微秒脉冲宽度的直接调变源，如德国Berlin的PicoQuant GmbH公司所展示。
回到图1，在其他实施例中，上述的超快激光源116可以包含一固态超快激光、一被动式锁模光纤主振荡器、一多重光纤主振荡器的组合、一被动式锁模半导体激光、或者任何其他高重复率的超快激光。举例而言，图3是一典型光纤锁模主振荡器的功能方块图，依据一实施例，其可以被使用做为图1的超快激光源116。在如图3所显示的实例之中，光纤锁模主振荡器包含一单模增益光纤(简称SMF)310，其构成一激光谐振器(laser resonator)，该激光谐振器在一端终结于一半导体饱和吸收镜(semiconductor saturable absorbermirror；简称SESAM)312而在另一端终结于诸如一光纤光栅314的波长选择器。增益光纤310，举例而言，被一激光二极管(未显示于图中)所激发，其输出经由一分波多工器(wavelength division multiplexer；WDM)316被导入该谐振器。运作之时，图3所示的光纤锁模主振荡器以一高重复率产生如前所述的该连串超快激光脉冲120。光纤锁模主振荡器的脉冲重复率是由谐振器的长度所决定。
如图1所示，该连串超快激光脉冲120被输入至上述高速光学调变器118，其独立地调整每一脉冲的振幅，以得到用于一特定材料处理应用的预定突发波封形状。高速光学调变器118可以被程序设定以控制波封内的超快脉冲的时间间隔、突发波封的时间宽度、及/或突发波封的振幅和特定形状。其可以通过使用例如脉冲选择(例如，选择脉冲以控制脉冲间的距离或者脉冲重复频率)、高速调变、在半导体增益开关超快激光情形下的种子源电性调变、或者前述方式的组合以获得可程序化的突发波封。在一实施例中，高速光学调变器118包含一马赫-任德光干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)(未显示于图中)，其调变该连串超快激光脉冲的功率以得到一预定的突发波封。
依据一实施例，突发波封的时间宽度范围是介于大约10微微秒以及大约1纳秒之间。在其他实施例中，突发波封的时间宽度范围是介于大约1纳秒以及大约10纳秒之间。在其他实施例中，突发波封的时间宽度范围是介于大约10纳秒以及大约100纳秒之间。在其他实施例中，突发波封的时间宽度范围是介于大约100纳秒以及大约1微秒之间。取决于特定应用，突发波封可以具有其他时间宽度。
在一实施例中，突发波封的上升时间及/或下降时间小于1纳秒。例如，其上升时间及/或下降时间的范围可以是介于大约10微微秒及大约1纳秒之间。不同的应用也可以使用较快或者较慢的上升/下降时间。例如，其上升时间及/或下降时间的范围可以是介于大约1纳秒及大约5纳秒之间。激光系统提供具有快速上升时间及/或下降时间的突发波封的能力对于诸如连接切断等应用是相当有用的，因为其降低了在上方叠覆钝化层产生过度凹陷的风险。
前置放大器112以及功率放大器114对高速光学调变器118输出端的超快激光脉冲成形突发提供适当的放大。依据某些实施例，前置放大器112可以包含光子晶体、LMA增益光纤、或者单模增益光纤。此外，或者在其他实施例中，功率放大器114包含一固态增益介质。如以下所述，在某些实施例中，前置放大器112和功率放大器114可以包含光纤或固态放大器的任意组合。
图4图绘式地例示依据某些实施例可以产生的示范性突发波封。虽然图4仅例示十种不同突发波封的形状(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、及(j)，本领域普通技术人员应能体认此等例示的形状仅用于举例，依据揭示于此的系统及方法，其可以产生任何数量的不同突发波封形状。此外，如上所述，所选择的波封的形状可以是基于一特定的材料处理应用。
举例而言，受让予本专利申请案受让人，由Yunlong Sun等人提申的编号No.7,348,516的美国专利在其一实施例中描述其使用一形状类似椅子的特制激光脉冲形状，具有一快速上升的峰值或者多重峰值以有效地处理连接，且信号强度之后急遽下降，而在关闭之前平稳维持于一较低的功率位准。此一椅子形状的脉冲对应至图4中所示的突发波封形状(h)。在其他材料处理应用中，其可以使用多重峰值，诸如显示于图4中的突发波封形状(c)、(d)、及(e)，以相继地对材料加热，移除一部分材料以形成一切口，并清理该切口。由于超快激光源116结合高速光学调变器118能够提供在其波封内具有微妙结构的包含超快脉冲的各种不同脉冲形状，本领域普通技术人员基于本文中的实施例应能针对许多不同应用领会出许多适用的其他突发波封形状。
图5是依据一实施例的可被激光系统100使用以产生成形突发波封的一种子激光110的功能方块图。图5所示的种子激光110包含一超快激光源116、一脉冲选择器510、以及一脉冲整形器(pulse shaper)512。在此实施例中的超快激光源116是一光纤锁模主振荡器，如以上参照图3时所述其包含SMF 310、SESAM 312、光纤光栅314、以及WDM 316。
举例而言脉冲选择器510可以包含一声光式(AO)调变器或一光电式(EO)调变器，用以改变该连串超快脉冲120的重复率。如前所述，主要锁模频率是由谐振器的长度所决定，此对一特定振荡器而言是固定的。举例而言，该锁模频率可以是大约1GHz，此对于某些材料的处理可能不尽理想。因此，脉冲选择器510使得由光纤锁模主振荡器提供的脉冲以一选择速率通过以降低其重复率(例如，将其自大约1GHz改变成大约500MHz或更低的频率，诸如数个赫兹)，如图5中的连串超快激光脉冲514所示。举另一实例而言，其可以在一突发中的二个超快激光脉冲之间加入额外的时间延迟以利散热。因此，脉冲选择器510可用以选择性地改变超快激光脉冲间的间隔以在材料处理期间控制热度。
脉冲整形器512可以包含，举例而言，一EO调变器用以选择性地对该连串超快激光脉冲514中的每一脉冲提供振幅调变。因此，脉冲整形器512选择性地塑造突发波封516的形状，如图5所示。如参照图1时所述，激光脉冲的成形突发接着可以在被施加至一工件之前被输出至前置放大器112及功率放大器114。
重复率可以被增加并通过选择性地结合二或多个超快激光源而进一步加以控制。举例而言，图6系依据一实施例的一激光系统100的功能方块图，其具有一种子激光110，种子激光110选择性地结合一第一超快激光源610与一第二超快激光源612的输出。例如，其可以结合该等输出以增加输出至高速光学调变器118的连串超快激光脉冲120的整体重复率。
上述的第一超快激光源610以及该第二超快激光源612可以各自包含本说明书实施例所述的示范性超快激光源或者相关领域中所现有者。在一实施例中，其可以使用一第一脉冲选择器614以选择性地降低该第一超快激光源610的重复率，且可以使用一第二脉冲选择器616以选择性地降低该第二超快激光源612的重复率。种子激光110同时也可以包含一控制器618连接该第一脉冲选择器614以及该第二脉冲选择器616以选择性地控制各别的重复率。因此，控制器618控制该连串超快激光脉冲120的整体重复率以及该连串超快激光脉冲120内任意二脉冲间的时间间隔。如上所述，该连串超快激光脉冲120接着被输出至高速光学调变器118以进行突发波封的成形，而后依序输出至前置放大器112、以及功率放大器114。
图7A、图7B、及图7C分别是依据某些实施例实施不同组态的前置放大器112(阶段1)以及功率放大器114(阶段2)的激光系统100的功能方块图。显示于图7A、图7B、及图7C中的每一示范性实施例均包含种子激光110，如以上参照图1时所述，以提供选择性成形的突发波封。在图7A中，前置放大器112以及功率放大器114均包含一或多个增益光纤放大器。在图7B中，前置放大器112以及功率放大器114均包含一或多个固态放大器。在图7C中，其使用一混合式放大器，其中前置放大器112包含一或多个增益光纤放大器，而功率放大器114则包含一或多个固态放大器。虽然未显示于图中，但在其他实施例中，图7C所示的混合式放大器前后结构可以颠倒，使得前置放大器112包含固态放大器而功率放大器114包含增益光纤放大器。在其他实施例中，前置放大器112及/或功率放大器114可以包含增益光纤放大器及固态放大器的任意组合。每一增益光纤放大器可以包含，举例而言，镱(Ytterbium；Yb)、铒(Erbium；Er)、或者钕(Neodymium；Hd)玻璃。虽然上述每一实施例中均仅显示二个放大器级，但依据某些实施例，其可以加入更多级放大器以产生至少1kW(千瓦)的峰值功率输出。上述的混合式或″串联式″架构对于超过1kW的峰值功率等级更形稳健，因为其包含大型固态放大器。
图8系依据一实施例的激光系统100的功能方块图，其包含一用以进行波长转换的谐振产生器810。激光系统100包含如参照图1时所述的具有超快激光源116的种子激光110。超快激光源116可以是一线性偏极化的窄频宽激光源。举例而言，超快激光源116可以具有一小于大约1纳米的频宽，且放大器112、114可以用以维持偏极化，其适于非线性转换以通过谐振产生转换至较短的波长或者透过拉曼光谱或OPO转换至较长的波长。因此，其可以利用谐振产生器810以获得诸如绿光、紫外线(UV)、或者深紫外线(DUV)的波长范围。
本文所揭示的实施例针对材料的激光处理提供一些独特的优点，举例而言，诸如用于多重叠层半导体元件的处理，其目的在于处理一或多个此等叠层而不致于对元件基板造成损伤。传统的纳秒激光脉冲可能不适合于叠层半导体元件中次微米尺寸的形态处理，因为其产生的热影响区极大且可能损伤相邻以及下层的结构。传统的微微秒激光可能也不适合于半导体叠层的处理，因为所需的巨大峰值功率可能对下层基板产生大量的热度。因此，本发明揭示的突发式脉冲激光110结合纳秒及微微秒脉冲型态的有用特征。
通过示范本文所揭示实施例的一些优点，图9A、图9B、图9C、及图9D例示一激光光束910与一工件912间的各种交互作用实例。如以下所述，所例示的实例显示一突发式脉冲在脉冲峰值功率、热影响区、以及相邻与下层结构热度的控制上允许极大的弹性。其可以利用一选择性成形的突发波封以对材料中的热分布概况进行有效的控制。
图9A图绘式地例示上述激光光束910与工件912间的交互作用，此例中的工件912包含一中央金属线914和二外侧金属线915，其均位于形成于一硅(Si)基板918上的二氧化硅(SiO2)层916之内。在此实例中，激光光束910具有一大约1064纳米的波长、每一金属线914、915均约300纳米厚、介于线间的距离(间距)大约1微米、而激光光点尺寸大约2.4微米(激光光点尺寸稍微与邻接的金属线915交叠)。
在此实例中，其欲利用一第一脉冲或脉冲突发移除中央金属线914上层的SiO2材料916，以及中央金属线914的一部分。虽然在此实例未显示于图中，但其应理解，后续的脉冲或脉冲突发可以移除中央金属线914的残余部分。此最好在不伤及环绕外侧金属线915的SiO2材料916、外侧金属线915本身、或者Si基板918下完成。
图9B、图9C、及图9D以图绘形式分别例示沿金属线914、915宽度方向所取的工件912二维剖面视图的模拟输出。例示的模拟输出包含显示为工件912内部光亮区域的热影响区，热度较强者被表示成相对较亮的阴影。例示的模拟输出也包含中央金属线914上的全白区域，表示已自该位置移除的材料。
在图9B之中，所例示的模拟输出是施用一具有现有的15微微秒脉冲宽度的单一激光脉冲至工件912的结果。如图所示，该15微微秒现有脉冲在接近金属线914、915处产生极小的热影响区，且仅加热于中央金属线914的上半部。然而，该单一15微微秒脉冲的巨大峰值功率在下层的Si基板918中产生大量热度，如图中的热影响区922所示。此外，由于曝光于激光光束910的边缘，邻近金属线915中也产生显著的热度，如图中的热影响区923所示。
在图9C之中，所例示的模拟输出是施用一具有现有的25纳秒脉冲宽度的单一激光脉冲至工件912的结果。如图所示，该25纳秒脉冲产生一极大的热影响区924(扩及相邻金属线915)。
在图9D之中，所例示的模拟输出是依据所揭示实施例施用一脉冲突发至工件的结果。如图所示，施加脉冲突发产生最符合需要的结果。中央金属线914上产生的热影响区926极小，且在Si基板918上无明显的热度。此外，邻近金属线915中由于曝光于激光光束910的边缘所产生的热度明显小于图9B所示运用现有的15微微秒脉冲的情形。本领域普通技术人员应能理解，前述实施例的细节可以在未脱离本发明的基本原理下进行许多修改。本发明的范畴因此应由以下的申请专利范围所界定。

Claims (19)

1.一种使用超快激光脉冲的选择性成形突发来处理材料的激光系统，该系统包含：
一突发式脉冲激光，配置以发射一由一选择性成形的突发波封所界定的三或多个激光脉冲的突发，其中该突发式脉冲激光更进一步配置以选择性地在该突发波封内调整介于该三或多个激光脉冲间的时间间隔和该突发波封的时间宽度；以及
一或多个放大器，配置以放大该三或多个激光脉冲群组以获得该突发波封的一预定形状，
其中该突发式脉冲激光包含：
一第一激光源，配置以在一第一重复率发射一连串激光脉冲；以及
一光学调变器，接收该连串激光脉冲，该光学调变器配置以在振幅上调变该连串激光脉冲，以产生由该选择性成形的突发波封所界定的该三或多个激光脉冲的突发，以及
其中该选择性成形的突发波封包含一范围介于10微微秒及1纳秒间的上升时间。
2.如权利要求1所述的激光系统，其特征在于，该第一激光源包含一超快激光源且该第一激光源所发射的该连串激光脉冲中的每一脉冲均包含一范围介于大约300飞秒及大约1纳秒之间的时间脉冲宽度。
3.如权利要求2所述的激光系统，其特征在于，该突发式脉冲激光更进一步配置以选择性地在介于大约1纳秒及大约1微秒的范围内调整该突发波封的时间宽度。
4.如权利要求2所述的激光系统，其特征在于，该第一重复率的范围介于1Hz和大约100kHz之间。
5.如权利要求2所述的激光系统，其特征在于，该第一重复率的范围介于大约100kHz和大约10GHz之间。
6.如权利要求2所述的激光系统，其特征在于，该超快激光源包含一分散式回馈二极管。
7.如权利要求2所述的激光系统，其特征在于，该超快激光源包含一光纤锁模主振荡器，其包含一单模光纤形成一激光谐振器，该激光谐振器在一端终结于一半导体饱和吸收镜而在另一端终结于一波长选择器。
8.如权利要求1所述的激光系统，其特征在于，该突发式脉冲激光更包含一脉冲选择器，配置以提供该突发波封内介于该三或多个激光脉冲间的选择性可调整时间脉冲间隔。
9.如权利要求8所述的激光系统，其特征在于，该脉冲选择器选择自包含一声光式元件和一光电式元件的群组中。
10.如权利要求1所述的激光系统，其特征在于，该光学调变器包含一光电式调变器。
11.如权利要求1所述的激光系统，其特征在于，该光学调变器包含一马赫-任德光干涉仪。
12.如权利要求1所述的激光系统，其特征在于，该突发式脉冲激光更包含一第一脉冲选择器，配置以将该第一激光源所发射的该连串激光脉冲选择性地自该第一脉冲重复率改变至一第二脉冲重复率。
13.如权利要求12所述的激光系统，其特征在于，该突发式脉冲激光更包含：
一第二激光源，配置以在一第三重复率发射一连串激光脉冲；
一第二脉冲选择器，配置以将该第二激光源所发射的该连串激光脉冲选择性地自该第三重复率改变至一第四重复率；
一光束结合器，配置以结合该第一脉冲选择器在该第二脉冲重复率提供的该连串激光脉冲与该第二脉冲选择器在该第四脉冲重复率提供的该连串激光脉冲，以在一结合的第五脉冲重复率提供结合的激光脉冲串列至该光学调变器；以及
一控制器，连接该第一脉冲选择器与该第二脉冲选择器，该控制器配置以使该第一脉冲选择器与该第二脉冲选择器同步，从而选择性地调整该突发波封内介于该三或多个激光脉冲间的时间间隔，其中该控制器选择该第二脉冲重复率和该第四脉冲重复率。
14.如权利要求1所述的激光系统，其特征在于，该一或多个放大器包含：
一或多个前置放大器，选择自包含一增益光纤放大器和一固态放大器的群组；以及
一或多个功率放大器配置以进一步放大该一或多个前置放大器的输出，该一或多个功率放大器选择自包含一增益光纤放大器和一固态放大器的群组。
15.如权利要求1所述的激光系统，其特征在于，更包含一谐振产生器以提供该突发波封内的脉冲的波长转换。
16.一种使用超快激光脉冲的选择性成形突发处理材料的方法，该方法包含：
在一第一重复率提供一连串激光脉冲；
基于一选择性成形的突发波封调变该连串激光脉冲，其中该调变包含针对振幅调整该突发波封内的三或多个激光脉冲，其中该选择性成形的突发波封包含一范围介于10微微秒及1纳秒间的上升时间；以及
选择性地调整该突发波封内介于该三或多个激光脉冲间的间隔。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，该调变更包含选择性地调整该突发波封的一时间宽度。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，更包含选择性地将该连串激光脉冲自该第一重复率改变至一第二重复率。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，更包含将该突发波封内的脉冲波长转换成不同的波长。
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