CN102361724B - 用短激光脉冲的定值的丛波的激光微加工 - Google Patents

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Abstract

一组激光脉冲束或丛波是用于微加工目标结构。每个丛波包括短激光脉冲，其具有约小于1纳秒的时序脉冲宽度。激光微加工方法包括产生激光脉冲的丛波和调整一用于加工目标位置的脉冲激光的丛波的波封。该方法包括调整丛波的波封：基于在该目标位置处的第一特征的加工特性，将在该丛波中的一个或多个第一激光脉冲选择地调整成第一振幅；以及基于在该目标位置处的第二特征的加工特性，将在该丛波中的一个或多个第二激光脉冲选择地调整成第二振幅。该方法还包括引导该振幅经调整的激光脉冲的丛波到该目标位置。

Description

用短激光脉冲的定值的丛波的激光微加工
技术领域
本发明涉及激光微加工。特别是，本发明涉及激光系统和方法，其使用一短或超短激光脉冲的定制的丛波。
背景技术
激光微加工制程包括，例如，半导体存储器连接处理、材料调整、晶圆/面板划线、晶圆/面板切割以及通孔钻孔。一般来说，根据将进行处理的特定材料和目标结构、使用的激光源和使用的脉冲重复率，激光微加工可使用具有，例如，1.3微米、1.064微米、1.053微米或1.047微米和其谐波波长的激光脉冲，并且脉冲宽度在一纳秒范围(如几纳秒至约200纳秒之间)中。例如，激光微加工制程，如晶圆切割，可以使用具有小于约1纳秒的脉冲宽度且几赫兹至约300千赫兹之间或更高的脉冲重复率的锁模激光脉冲。
在制造半导体存储器阵列芯片完成之后，在芯片的暴露表面上的集成电路(integrated circuit，IC)图案一般都以钝化材料的电性绝缘材料层所覆盖。例如，典型的钝化材料包括树脂或热塑性聚合物，如聚酰亚胺、SiO2或SiN。做这种最终的“钝化”层的目的是防止芯片表面与环境湿度起化学反应，以保护表面远离环境中的微粒，并吸收机械应力。钝化后，该芯片被安装在嵌入金属互连的电子封装中，其允许存储器单元的探测和功能测试。当许多存储器单元的一者被确定为错误的，该单元透过切断传导互连或电线来禁用，其连接该单元到在阵列中它的邻近的单元。导线对“多余”的复数个存储器单元的一者也可能切断以启动多余存储器单元以用于更换有问题的单元。通过“连结处理”或“连结吹制”来禁用及/或启动个别存储器单元是透过激光微加工设备来完成，其拥有可以同时指挥激光束能量从而选择地去除在一位于高的地区的连结材料而没有传授破坏至相邻、低于或高于目标的材料。可藉不同激光束的波长、光斑大小、脉冲重复频率、脉冲形状或其它空间或时间光束参数来实现选择地处理指定的连结，其中这些参数影响目标的互动与提供的激光能量。
激光微加工制程，其需要在存储器阵列或其它IC类型的芯片中的电性传导连结后处理，使用具有快速上升前端的锋利脉冲(例如，0.1至10纳秒的上升时间)以实现期望的质量、产量和可靠性。为了干净地断绝连结，在切割通金属互连之前，激光脉冲穿透该覆盖的钝化层。出自现有的固体激光器的典型脉冲的上升端随脉冲宽度而改变。在连结处理中使用传统的高斯型激光脉冲具有5至20纳秒脉冲宽度和倾斜、逐步上升前端，往往导致在钝化层中“过度坑(over crater)”，特别是如果其厚度过大或不平衡。过度坑降低IC芯片的可靠性。
覆盖钝化层的断裂行为以通过Yunlong Sun在他的博士论文题目为“Laserprocessing optimization of semiconductor based devices”(Oregon GraduateInstitute，1997)中良好地分析。由于钝化层厚度是一个重要的参数，特定钝化层材料的最佳厚度可取决于Sun的分析模拟。在IC制造制程中难维持钝化层的晶圆级制程式控制可能导致非最佳的厚度和差的晶圆间或晶圆对晶圆的厚度均匀性。因此，在使用在后处理中的最佳激光脉冲特点可能有助于弥补在钝化层中的错误定位尺寸和来源差异。
Smart在美国专利第6281471号中建议基本上使用方形激光脉冲来用于连结处理。这种锐利端脉冲可能由主振荡器激光耦合光纤放大器(masteroscillator laser with a fiber amplifier，MOPA)而产生。这种低功率主振荡器采用了半导体激光，其能够产生具有快速上升时间的方形脉冲。另一方面，Yunlong Sun等人的美国专利第7348516号(其专利转让给本发明的受让人)指出，尽管为垂直上升端，基本上方形激光脉冲不是用于连结处理的最好的激光脉冲形状。相反地，Sun等人介绍了使用一种特别定制的激光脉冲形状，在实施例中，类似于椅子，具有快速上升的峰值或多个峰值，以最有效地处理连结，遵循在信号强度中落下(drop-off)以保持在关掉之前的低功耗水平的相对平稳。这样具有高的峰值功率且低的平均功耗的定制的激光脉冲已成功地产生了所谓脉冲切片技术，其可通过电光调变器(electro-optical modulation，EOM)或声光调变器(acousto-optical modulation，AOM)的一方来实施。例如，传统的主动Q开关固体激光提供具有高强度和高脉冲能量的纳秒晶种脉冲，然后光环切割装置将标准激光脉冲转换到理想的定制脉冲的形状。
Xiaoyuan Peng等人的美国专利申请第12/057264号(其申请案让与给本发明的受让人)教导光环切割计划实施，例如，用于半导体连结处理的紫外光(UV)激光系统。另外，一特别定制的激光脉冲可能会通过MOPA(主振荡器、功率放大器)所产生，它采用一种作为动力放大器的增益光纤。使用MOPA是有利的，因为它构成在指定的固定频率处的稳定的信号源。
Pascal Deladurantaye的美国专利公开申请案第2006/0159138号描述了形状脉冲激光，其具有两调变器来调整连续波(continuous wave，CW)光束的形状以产生各种形状的脉冲。然而，自连续光束产生脉冲激光是相当低的，因此需要更多的放大。由于如此低的峰值功率信号可能会受到噪声的影响，这会导致脉冲至脉冲的不稳定，因此将两调变器同步以保持脉冲稳定和能源稳定是较佳地，但也进一步增加复杂性和成本。
上述系统和方法通常使用具有在纳秒范围中的脉冲宽度的激光脉冲。然而，在纳秒范围中的脉冲宽度的激光脉冲具有缺点。正如已详细讨论于YunlongSun的未公开博士论文题目为“Laser processing optimizaion of semiconductorbased devices”(Oregon Graduate Institute，1997)，传统的具有纳秒脉冲宽度的激光连结加工可以依靠加热、熔化和蒸发该连结，并且以一激光脉冲来创造机械应力建立到爆炸地打开覆盖钝化层。这种传统的连结加工激光脉冲产生大热影响区(heat affected zone，HAZ)，其可能恶化装置的质量，其中包括切断连结。例如，当该连结相对是较厚的，或者该连结材料过于反射以至不能吸收足够量的激光脉冲能量，每激光脉冲的更多能量是用来切断连结。增加激光脉冲能量增加了对IC芯片的损坏风险，包括在覆盖钝化层上的不正常或过大开孔，在底层钝化层中的断裂，对周边连结结构的破坏和对硅(Si)基板的破坏。但是，在一个无风险范围之中使用激光脉冲能量在厚连结往往导致不完整的连结切断。
因此，已完成使用超快激光(或皮秒或飞秒激光)来处理半导体材料(如IC芯片的连结)的调查。不过，单一超快脉冲的高峰值功率可能容易损坏的底层Si基板，其在许多应用中为不可接受的。一个解决通过超快激光所导致的高峰值功率基板破坏问题是使用具有较小峰值功率的超快脉冲丛波或列。具有低峰值强度的脉冲也具有在材料中产生较小的有效点大小的效果。使用超快脉冲列的问题是许多商业地使用脉冲选择器的超快激光在1千赫兹到200千赫兹之间的脉冲重复率。没有脉冲选择器，锁模激光器运行在一固定的重复率，其一般是在几十兆赫兹范围。这样的重复率可能难以直接适用于连结，因为阶段的移动(通常大约400毫米/秒)是过于缓慢以至于不能在数十纳秒的激光脉冲间隔时间其间移动“下一个”激光脉冲到“下一个”连结。
Yunlong Sun等人的美国专利第6574250号发出(其中该专利转让给本发明的受让人)使用超短激光脉冲的丛波来断绝传导连结。在丛波之间的每个激光脉冲的脉冲宽度可能是在25皮秒和100飞秒之间。Bo Gu等人的美国专利申请公开案第2007/0199927号利用具有至少一脉冲的激光，其脉冲维持时间在约10皮秒和约不到1纳秒之间的范围。从Lumera激光有限公司的AchimNebel等人表现被动锁模激光器，其使用数字时序控制以生成脉冲的序列或群体。见2006年Photonis West中的LASE会议“Generation of TailoredPicosecond-Pulse-Trains for Micro-Machining”：超快激光第六章第6108-37号商业且生物医学文件。该系统由Achim Nebel等人所教导并基于通过高电压电光(EO)脉冲选择器所产生的“双开关”计划，该高电压电光(EO)脉冲选择器驱动电压通过普克尔盒(Pockels cell)的半波并且在一周期产生两个HV。在脉冲群体之间的延迟时间是变化的。
发明内容
一组激光脉冲束或丛波用于微结构的目标。目标结构可能会或在半导体装置，例如，有多个层次。每个丛波包括短脉冲激光与脉冲宽度的时间小于大约1纳秒。在一些实施例，每个激光脉冲时间有脉冲宽度之间的范围内约1纳秒和大约100飞秒。
在一个实施例，激光微加工方法，包括产生丛波的激光脉冲和调整的一个波封丛波脉冲激光加工目标位置。该方法包括调整丛波的波封选择性调整一个或多个第一激光脉冲在丛波，第一个振幅的基础上加工特性的一个特征在目标位置，并有选择地调整一个或多个秒激光脉冲在丛波，一第二幅加工特性的基础上的第二个功能的目标位置。该方法还包括指导振幅调整丛波激光脉冲到目标位置。
在另一实施例，激光微加工方法包括发电连发激光脉冲，调整丛波波封丛波的第一个激光脉冲的基础上的第一个目标类型和调整丛波波封第二丛波基于激光脉冲第二个目标类型。该方法还包括导引的第一丛波激光脉冲到第一个目标位置的第一个目标类型，并导引第二丛波激光脉冲到第二个目标位置的第二个目标类型。在某些这种实施例，振幅一个或多个在一个丛波脉冲设置为接近于零，这样的丛波形成“双丛波。”其它方面的优势将明显从下面的详细描述首选的实施例，这得参考所附图式。
在另一实施例，激光微加工方法进一步包括：将在该第一丛波中的一个或多个第三激光脉冲选择地调整至一第三振幅；其中该一个或多个第三激光脉冲时间发生在该一个或多个第一激光脉冲和该一个或多个第二激光脉冲之间；以及其中该第三振实质上为零，这样在该一个或多个第一激光脉冲和该一个或多个第二激光脉冲之间具有差距。
在另一实施例，激光微加工方法进一步包括：基于在该第二目标位置处的第三特征的加工特性，将在该第二丛波中的一个或多个第三激光脉冲选择地调整至一个或多个第三振幅；以及基于在该第二目标位置处的第四特征的加工特性，将在该第二丛波中的一个或多个第四激光脉冲选择地调整至一个或多个第四振幅。
在另一实施例，激光微加工方法进一步包括：基于一第三目标类型来调整激光脉冲的第三丛波的丛波波封；以及导引该激光脉冲的第三丛波到第三目标类型的第三目标位置上。
附图说明
图1A和1B根据实施例来图解说明激光脉冲丛波；
图2图解说明丛波波封的例子，其按照一定的实施例来产生；
图3是根据实施例的激光微加工的流程图；
图4A是多层半导体装置的透视图，其根据实施例来使用依序的激光脉冲丛波来切割；
图4B根据实施例来图式说明如图A所示的目标位置的顶部放大图；
图5根据实施例来图式说明处理的具有电性传导连结的晶圆；
图6为根据实施例的激光微加工的流程图；
图7是根据实施例的用于产生短或超短激光脉冲的定制丛波的激光系统的方块图；
图8是根据实施例的具有可编辑的丛波脉冲激光的激光系统的方块图；
图9是根据实施例的超快激光源的方块图，其中包括高速分布反馈二极管；
图10是根据实施例的典型光纤锁模主振荡器，可作为如图8的超快激光源使用；
图11是根据实施例的晶种激光的方块图，其通过激光系统的使用产生已成型丛波波封；
图12是根据实施例的具有晶种激光的激光系统的方块图，其选择性结合第一超快激光源和第二超快激光源的输出；
图13A、13B和13C是按照一定的实施例的各自激光系统的方块图，其执行不同的预先放大器(第一阶段)和功率放大器(第二阶段)的配置；
图14是根据实施例的激光系统的方块图，包括用于波长转换的谐波产生器。
具体实施方式
在某些实施例中，使用一组激光脉冲束或丛波用于微加工目标结构。目标结构可以在半导体装置上或中，例如，具有不同激光加工特性的多个层。或者，目标结构可包括单一材料，其具有多种激光加工特性。例如，材料顶面、材料的大小或内部部分以及材料底面可有不同的激光加工特性。此外，激光加工特性可改变在材料之间的不同深度。
每个丛波包括具有时序脉冲宽度的短激光脉冲，该时序脉冲宽度约小于1纳秒。在一些实施例中，每个激光脉冲具有在约1纳秒和约100飞秒范围之间的时序脉冲宽度。小于10皮秒的时序脉冲宽度大约可称作“超短”或“超快”激光脉冲。
在某些实施例中，丛波包括多数短或超短的锁模激光脉冲。在其它的实施例中，多数短或超短激光脉冲通过非锁模的激光源所产生。在丛波中的每个脉冲的激光脉冲参数(例如，如脉冲能量和峰值功率)可根据不同特征或目标结构的层的特性或者不同的处理要求来单独控制。例如，可配置一个或多个在丛波中的第一激光脉冲以处理半导体装置的第一层，可能配置一个或多个第二激光脉冲以处理半导体装置的第二层，以及可配置在丛波中的其它脉冲以处理在半导体装置中的其它层。因此，透过有选择地控制振幅轮廓或激光脉冲丛波的波封，增加激光加工质量以用于目标结构的每个特征。此外，短或超短激光脉冲的丛波提供更多的总激光能量到具有较低峰值强度(其是与使用单一短或超短激光脉冲相比而论)的目标结构强度。
现在参考图式，相似的参考数字是指相似元件。为清楚起见，参考数是第一次使用。在下面的说明中，许多具体细节提供了深入了解披露于下的实施例。然而，相关领域中具有通常智识者将了解：在没有一个或多个具体细节或者其它方法、组件或材料下，本文所述的实施例能够实现。此外，在某些情况下，众所皆知的结构、材料或操作不显示或详细说明，以避免妨碍实施例的概念。此外，介绍的特征、结构和特性可以任何适当的方式合并在一个或更多的实施例中。
图1A和1B根据实施例来生动地说明激光脉冲丛波110。每个丛波110包括多数短或超短激光脉冲112。在这个例子中，每个丛波110包括四个激光脉冲112。然而，技术人士会明白此处所披露的内容，丛波110可包括激光脉冲112的任意数量。例如，在实施例中，每丛波110可包括三至十个激光脉冲112。
如上所述，每个激光脉冲112具有时序脉冲宽度，其约小于1纳秒。在某些实施例中，每个激光脉冲112的时序脉冲宽度在约1纳秒和约100飞秒之间的范围。此外，或在其它的实施例中，在丛波110中的激光脉冲112的脉冲重复率是在约100kHz和约300MHz之间的范围。在其它的实施例中，在丛波110中的激光脉冲112的脉冲重复率是在约100kHz和约500MHz之间的范围。此外，或在其它的实施例中，每个激光脉冲112的波长在约2微米和0.2微米之间的范围。此外，或在其它的实施例中，连续丛波110可以约1kHz和约500kHz之间的速度来重复。此外，或在其它的实施例中，每个丛波110的时序宽度是在约1纳秒和约1微秒之间的范围。
如图1A所示，在丛波110中的每个激光脉冲112可能生成相同的振幅。如图1B所示，每个激光脉冲112的振幅可单独地调节，致使每个丛波110具有理想轮廓或丛波波封114。可以基于对预期的目标结构或处理要求来选择丛波波封114的形状。例如，如上所述，一个或多个激光脉冲112的振幅可以选择，以处理目标结构的第一特征，一个或多个不同的激光脉冲112的振幅可以选择，以处理目标结构的第二特征。因此，在丛波110中的两个或多个连续的激光脉冲112可具有用于处理相同特征的相同的振幅，以及两个或多个在丛波中的连续的激光脉冲112可具有用于处理不同特征的不同的振幅。两个或多个连续的激光脉冲112也有用于处理相同特征的不同振幅。例如，第一激光脉冲112可具有用于去除在目标位置处的第一部分特征的第一振幅，以及第二激光脉冲112可具有用于去除在目标位置处的相同第二部分特征的第二振幅。
图2以图说明丛波波封，其可根据特定的实施例来产生。虽然图2说明13种不同的丛波波封形状(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(1)和(m)，技术人士将了解，所说明的形状仅是通过例子的方式所提供，根据所披露的系统和方法，可产生不同丛波波封形状的任何数量。此外，如上所述，所选的波封形状可以根据特定目标结构或材料。如图2所示，可以调整一个或多个在丛波中的激光脉冲的振幅以接近零，进而在丛波中的第一组脉冲和丛波中的第二组脉冲之间形成间隙200(见丛波波封形状(k)、(1)和(m))。因此，可配置丛波以形成两个丛波或“双重丛波”。
例如，Yunlong Sun等人的美国专利第7348516号(以下简称“′516专利”)，该专利让与给本发明的受让人，其描述了使用一种特别定制的激光脉冲形状，在实施例中，类似于椅子，具有快速上升的峰值或多个峰值以最有效地处理连结，随后在信号强度中的掉落保持在关掉以前的低功耗水平的相对平稳。这种椅子型脉冲对应于图2的丛波波封形状(h)。在′516专利中，单一纳秒脉冲是成形的，而当前应用的形状是相当于多个短或超短激光脉冲的丛波波封。在其它材料加工应用中，可以使用所预期的分离峰时间的多个峰值，如图2所示的丛波波封形状(c)、(d)、(e)、(k)、(1)和(m)，按顺序加热材料，消除了一部分的材料以创造缝，并清除了缝。用于许多不同的应用的许多其它丛波波封形状将出现在基于此处的实施例的该领域的技术人士。
图3是根据实施例的激光微加工制程300的流程图。关于图1A、1B和3，该方法300包括产生激光脉冲112的丛波110的步骤310。该方法300还包括调整丛波波封114的步骤312，其通过调整一个或多个第一激光脉冲112到第一振幅以处理在目标位置处的第一特征，并调整一个或多个第二激光脉冲到第二振幅以处理在目标位置处的第二特征。该方法300还包括导引激光脉冲112的振幅经调整的丛波110到目标位置的步骤314。
不同类型的目标可具有用于激光加工的不同类型的特征。例如，图4A是多层半导体装置或平面装置400的透视图，其根据实施例来绘制使用的接续的激光脉冲丛波110。该装置400包括形成在基板406上的层402、404。层402、404可包括例如材料，如铜、铝、SiO2、SiN、氟氧化硅化玻璃(fluorsilicated glass，FSG)、有机硅酸盐玻璃(organosilicated glass，OSG)、SiOC、SiOCN及其它用于集成电路制造的材料。此外，层402、404可是低k钝化层，其中包括，例如，如SiOF或SiOB的无机材料或者如基于聚酰亚胺或基于聚对二甲苯的聚合物的有机材料。基板406可包括，例如硅、FR4、玻璃、聚合物、金属、复合材料和其它用于集成电路制造的材料。
电子电路(未显示)可以形成在主动装置区域中，其与其它通过道412所分离。在这个例子中，半导体装置或平面装置400是被绘制，激光切割道414、416形成在道412的两侧。图4A说明在在线的毗邻目标位置418符合激光切口416。为了清楚的说明，图4B以图式说明放大的如图4A中根据实施例的目标位置418的上视图。当激光切割道416继续形成在装置400上，第一激光脉冲丛波110照亮第一目标位置420。然后，第二激光脉冲丛波110照亮第二目标位置422。这个制程一直持续到了第N次激光脉冲丛波照亮第N目标位置424，以完成在装置400中的激光切割道416。
关于第一激光脉冲丛波110，例如，可配置一个或多个第一激光脉冲112的振幅以消除顶层402，进而揭露在第一目标位置420处的底层404。同样地，可配置一个或多个第二激光脉冲112的振幅以消除层404，进而形成在第一目标位置420处的切割道416。此外，可配置一个或多个第三激光脉冲112的振幅以删除部分或全部(例如，切割)基板406。
又如对不同类型的目标和目标特征，其可以激光脉冲112的定制丛波110来处理，图5以图式来说明根据一个实施例的具有电性传导连结509的晶圆505的处理。依顺序的连结吹制制程包括每趟连结运行510即横越芯片505的扫描XY运动阶段(未显示)。反复来回扫描整个晶圆505以完成晶圆加工。在处理Y轴连结运行512(虚线所示)之前，机器一般来回扫描处理所有X轴连结运行510(如图所示的实线)。这个例子只是说明。其它配置的连结运行和处理方式是可能的。例如，它可以透过移动晶圆或光学轨来处理连结。此外，连接带和连结运行可能无法处理连续的运动。
为了说明，在X轴连结运行510和Y轴连结运行512的交错附近的一部分晶圆505被放大，以说明以群体或连接带排列的复数个连结509。在加工制程期间，第一目标位置514是被激光脉冲112的第一定制丛波110所照射以吹制连结509的一者。然后，第二目标位置516被激光脉冲112的第二定制丛波110所照射以吹制连结509的另一者。每个定制丛波110可包括被配置以删除覆盖的钝化层(未显示)的一个或多个第一激光脉冲112以及被配置以删除在相应的目标位置514和516处的连结509的一个或多个第二激光脉冲112。
技术人士将了解自本文所披露的内容，根据此处的实施例，许多其它目标类型和目标特征可被处理。此外，各个丛波110的形状可根据特定的目标类型来动态地选择。因此，具有不同目标类型的装置可以具有不同的丛波波封的激光脉冲112的丛波来处理。
例如，图6为根据实施例的激光微加工600的流程图。关于图1A、1B和6，该方法包括基于第一目标类型来产生激光脉冲112的丛波110的步骤610和调整激光脉冲112的第一丛波110的丛波波封114的步骤612。该方法还包括导引614激光脉冲112的第一丛波110到第一类的第一目标的步骤600。该方法还包括基于第二目标类型来调整600激光脉冲112的第二丛波110的丛波波封114的步骤616，并导引激光脉冲112的第二丛波110到第二目标类型的第二目标的步骤618。第一目标类型及/或第二目标类型可包括，例如，划线的目标、切割的目标、电性传导连结切断的目标、材料微调的目标和通孔形成的目标。
图7是根据实施例的用于产生短或超短激光脉冲的定制丛波的激光系统700方块图。激光系统700包括激光光源710、调变器712和控制器714。该系统700可能还包括可选择的放大器716。激光源710产生一系列短或超短的锁模激光脉冲。激光源710可能包括，例如，二极管泵浦固态激光器或光纤激光器。调变器712脉冲调变激光源710所提供的激光脉冲。调变是基于控制自控制器714收到的信号。因此，控制器714可以用于特定应用或目标类型的理想的丛波波封来编辑。可选择的放大器716放大通过调变器712所提供的激光脉冲的定制丛波。
其它的系统配置可使用于产生短或超短激光脉冲的定制丛波。例如，某些实施例可以使用披露在美国专利申请号：12/354,373的系统和方法，这是让与给本申请案的受让人。这几个实施例是以图8、9、10、11、12、13A、13B、13C和14而说明如下。
图8是根据实施例的激光系统800的方块图。激光系统800包括晶种激光810、预先放大器812和功率放大器814。晶种激光810包括超快激光源816和高速光学调变器818。超快激光源816提供了一组超快激光脉冲820到高速光学调变器818。在实施例中，每个超快激光脉冲820的时序脉冲宽度在约300飞秒和约1纳秒之间的范围。
超快激光源816提供了在高重复率的超快激光脉冲820。在实施例中，超快激光源816操作在约1Hz和约100kHz之间的范围的重复率。在其它的实施例中，重复率是在约100kHz和约80MHz之间的范围。技术人士将从本文所披露的了解更高的重复率也可使用。例如，在一些实施例中，重复率可以使用高达500MHz或更高。在另一项实施例中，重复率可高达约10GHz或更高。
在实施例中，超快激光源816包括高速超快半导体二极管。例如，图9是根据实施例的超快激光源816的方块图，其中包括高速分布式反馈(high-speed distributed feedback，DFB)二极管910。DFB二极管910通过高速驱动器914所产生的晶种脉冲信号912来调变，以提供一组在高重复率的超快激光脉冲820。在某些实施例中，激光源816包括光学调变器。例如，激光源816可包括20GHz的带宽调变器，其能够提供50皮秒脉冲宽度。技术人士将从本文所披露的内容了解到光学调变器可高于或低20GHz操作。例如，在实施例中，光学调变器可操作在高达约40GHz的带宽。
使用DFB二极管910作为激光源816在紧凑且非常坚固的设置中提供了广泛的可调性、窄线宽以及高输出功率。例如，在DFB二极管910中的频率选择性元素(未显示)，如光栅，是被整合到半导体的主动区域。因此，单频操作及高同调性(例如，在约50公尺至约200公尺之间的相干长度)在没有任何大尺寸光学下被得到，使DFB二极管910特别适合使用在恶劣的工业环境或空运应用。
显示于图9的DFB二极管910可以按照一定的实施例来调整，无论是透过改变温度(例如，通常在约25GHz/K的调整率)或工作电流(例如，通常在1GHz/mA至约2GHz/mA的调整率)。当目前的调整有利于迅速调变任务时，热调整具有提供非常大的模态跳跃自由调整范围(例如，高达约1200GHz)的好处。一般来说，DFB激光的波长是以改变激光电流或芯片温度来调整。电调变适合用于在小范围内的快速频率扫描(例如，在约0.1奈米和约0.2奈米之间范围的线宽，处于kHz到MHz范围的调变频率)。较大的调整范围高达约3奈米是通过改变激光温度来实现，通常在约40℃的间隔上。
所列举的，DFB二极管910可能是配备偏振保持(polarization maintaining，PM)光纤耦合器(未显示)的DFB二极管，其可从德国慕尼黑的TopticaPhotonics，AG获得。又例如，二极管910可包括具有直接调变源的超快增益开关二极管，其提供50皮秒脉冲宽度，如德国柏林PicoQuant GmbH所具体表现的。
回至图8，其它的实施例中，超快激光源816可能包括固态超快激光器、被动锁模光纤主振荡器、组合的多纤维主振荡器、被动锁模半导体激光器或任何其它高重复率超快激光。例如，图10是一个典型的光纤锁模主振荡器的方块图，其可使用根据实施例的图8的超快激光源816。在如图10的这个例子中，光纤锁模主振荡器包括单一模态增益光纤(single mode gain fiber，SMF)1010，其构成激光谐振腔，一端通过半导体可饱和吸收镜(semiconductorsaturable absorber mirror，SESAM)1012所终止和另一端通过如光纤光栅1014的波长选择器所终止。增益光纤1010是通过例如，激光二极管(未显示)所泵浦，其输出引入到谐振器透过波长多任务分工器(wavelength divisionmultiplexer，WDM)1016。在操作中，如图10的光纤锁模主振荡器产生在高重复率下的一组超快激光脉冲820，如上所述。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8所示，提供一组超快激光脉冲的820给高速光学调变器818，其中独立地调整每个脉冲的振幅以获得所需的用于特定材料加工应用的丛波波封形状。高速光学调变器818可进行编辑以控制在波封、丛波波封的时间宽度及/或丛波波封的振幅和特定形状下的超快脉冲的时间间隔。可编辑的丛波波封可透过，例如，脉冲挑选(例如，选择脉冲以控制脉冲或脉冲重复频率之间的距离)，高速调变，晶种源电气调变在半导体增益开关超快激光或结合上述两者的情况下来获得。在某一实施例中，高速光学调变器818包括Mach-Zehnder干涉仪(未显示)，其调整一组超快激光脉冲的功率以获取理想的丛波波封。
根据某一实施例的丛波波封的时间宽度是在约10皮秒和约1纳秒之间的范围。在其它的实施例中，丛波波封的时间宽度在约1纳秒和约10纳秒之间的范围。在其它的实施例中，丛波波封的时间宽度在约10纳秒和约100纳秒之间的范围。在其它的实施例中，丛波波封的时间宽度在约100纳秒和约1微秒之间的范围。根据特定的应用，丛波波封可有其它的时间宽度。
在某一实施例中，丛波波封的上升时间及/或下降时间小于1纳秒。例如，上升时间及/或下降时间可在约10皮秒和约1纳秒之间的范围。更快或更慢上升/下降时间也可用于不同的应用。例如，上升时间及/或下降时间可在约1纳秒和约5纳秒之间的范围。能够提供具有快速上升时间及/或下降时间的丛波波封的激光系统是有用的，例如，连结切断应用，因为它降低了在覆盖钝化层中产生坑口的风险。
预先放大器812和功率放大器814提供适当的放大到超快激光脉冲的已成型丛波，其提供于高速光学调变器818的输出处。按照一定的实施例，预先放大器812可包括光子晶体、LMA增益光纤或单模增益光纤。此外，或在其它的实施例中，功率放大器814包括固态增益介质。正如下面所讨论，在某些实施例中，预先放大器812和功率放大器814可包括光纤或固态放大器的任何组合。
图11是根据实施例的晶种激光810的方块图，其通过如图8中所示的激光系统800所使用以产生已成型丛波波封。如图11的晶种激光810包括超快激光光源816、脉冲选择器1110和脉冲成型器1112。在这实施例中的超快激光源816是光纤锁模主振荡器，包括图10上所述的，SMF1010、SESAM1012、光纤光栅1014和WDM1016。
脉冲选择器1110可包括，例如，声光(AO)调变器或电光(EO)调变器，其被配置以改变一组超快脉冲820的重复率。如上所述，主要锁模频率取决于谐振器的长度，这是给定于固定振荡器。例如，锁模频率可约1GHz，这用于加工某些材料可不是理想的。因此，脉冲选择器1110传递由光纤锁模主振荡器在选定的速度中所提供的脉冲以降低重复率(例如，改变它从约1GHz到约500MHz或更低的重复率，如几赫兹)，如图11所代表的一组超快激光脉冲1114。另一个例子中，更多的时间延迟可增加在两个丛波中的超快激光脉冲中，以允许散热。因此，脉冲选择器1110可用于选择性地改变在超快激光脉冲之间的间距来控制在材料加工期间的加热。
脉冲成型机1112可能包括，例如，EO调变器，其配置以选择性地提供振幅调变到一组超快激光脉冲1114的每个脉冲中。因此，脉冲成型机1112选择性地塑造了丛波波封1116，如图11所示。如上述关于图8的叙述，然后激光脉冲的已成型丛波在应用于工件之前，可提供到预先放大器812和功率放大器814。
可增加重复率，并进一步通过选择性合并两个或更多的超快激光源来控制。例如，图12是具有晶种激光810的激光系统800的方块图，其根据实施例来选择性结合第一超快激光源1210和第二超快激光源1212的输出。这些输出可以结合起来，例如，增加提供至高速光学调变器818的一组超快激光脉冲820的总重复率。
第一超快激光源1210和第二超快激光源1212可每个包括超快激光源的实施例的任何例子(在此讨论或以其它该领域中的方式)。在实施例中，第一脉冲选择器1214可以用来选择地减少第一超快激光源1210的重复率，并且第二脉冲选择器1216可用于选择地减少第二超快激光源1212的重复率。晶种激光810也可包括控制器1218以与第一脉冲选择器1214和第二脉冲选择器1216联系，以选择地控制各自的重复率。因此，控制器1218控制一组超快激光脉冲820的整体重复率，以及在一组超快激光脉冲820中的任何两个脉冲之间的时间间隔。如上所述，然后提供一组超快激光脉冲到用于丛波波封成型、预先放大器812和功率放大器814的高速光学调变器818。
图13A、13B和13C为各自激光系统800的方块图，其按照一定的实施例来实施预先放大器812(第一阶段)和功率放大器814(第二阶段)的不同配置。在图13A、13B及13C所示的示范性实施例中的每个包括晶种激光810(如图8所述)，以提供选择性已成型丛波波封。在图13A中，预先放大器812和功率放大器814每个包括一个或多个增益光纤放大器。在图13B中，预先放大器812和功率放大器814每个包括一个或多个固态放大器。在图13C中，混合放大器用于包含一个或多个增益光纤放大器的预先放大器812和包含一个或多个固态放大器的功率放大器814中。虽然没有显示，在其它的实施例中，图13C的混合放大器可逆转，这样预先放大器812包括固态放大器并且功率放大器814包括增益光纤放大器。在其它的实施例中，预先放大器812及/或功率放大器814的组合可包括增益光纤放大器和固态放大器。每个增益光纤放大器可包括，例如，镱(Yb)、铒(Er)或钕(Nd)的玻璃。当只有两个放大器显示在每个实施例中时，按照一定的实施例，放大器可被添加已产生至少1kW的峰值功率输出。该混合或“串联”配置在峰值功率水平大于1kW处是更强大的，因为他们包括大量的固态放大器。
图14为激光系统800的方块图，其中根据实施例包括用于波长转换的谐波发生器1410。该激光系统800包括如图8所述的具有超快激光源816的晶种激光810。超快激光源816可是线偏振、窄带源。例如，超快激光源816可具有小于1奈米左右的带宽，而放大器812、814可被配置以保持偏极，这是适合于非线性转换以通过谐波产生器来缩短波长或通过Raman或OPO来增长波长。因此，谐波产生器1410可用于获取波长范围，如绿色、紫外线(UV)或深紫外线(DUV)。
本文所披露的实施例提供了用于材料的激光加工的独特优势，包括，例如，多层半导体装置或平板装置的加工，以期望处理这些层的一个或多个时不会造成装置基板的损坏。常规的纳秒激光脉冲可能不适合用于加工在分层装置中的次微米大小的特征，因为所造成的热影响区是大的，并且可能损害邻近和潜在的结构，或者因为不同层需要不同的激光参数以提供可以接受的制程质量，其中单一纳秒脉冲可能不会实现。常规的皮秒激光器也可能不适合用于加工半导体层，因为需要大的峰值功率，可能造成重大加热到底层基板。因此，于本文所披露的丛波脉冲激光结合纳秒和皮秒脉冲类型的有用特征。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种激光微加工的方法，其特征在于，包括：
产生一激光脉冲的丛波；
调整该激光脉冲的丛波以产生选择性已成型的单一丛波波封，该调整包括：
基于在一目标位置处的第一层的加工特性，将在该单一丛波波封中的一个或多个第一激光脉冲选择地调整成第一振幅；
基于在该目标位置处的第二层的加工特性，将在该单一丛波波封中的一个或多个第二激光脉冲选择地调整成第二振幅；以及
引导该第一振幅和第二振幅经调整的激光脉冲的丛波到该目标位置，该激光脉冲的该单一丛波波封在相同的该目标位置处加工该第一层及该第二层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，产生该激光脉冲的丛波包括：
产生具有小于或等于1纳秒的各自时序脉冲宽度的锁模激光脉冲。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该各自时序脉冲宽度在1纳秒至100飞秒之间。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括：
产生100kHz至500MHz之间区域的重复率的激光脉冲。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，产生该激光脉冲的丛波包括：
产生在1纳秒至1微秒之间范围的时间宽度的丛波。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该目标位置择自以下一组目标类型，其包括：
一电性传导连接切断目标、一材料微调目标、一通孔形成目标、一划线目标以及一切割目标。
7.一种激光微加工方法，其特征在于，其包括：
产生激光脉冲的丛波；
基于一第一目标位置的一第一目标类型来调整激光脉冲的第一丛波的丛波波封，其中调整该激光脉冲的第一丛波的丛波波封包括：
基于在该第一目标位置处的第一层的加工特性，将在该第一丛波中的一个或多个第一激光脉冲选择地调整成一第一振幅；以及
基于在该第一目标位置处的第二层的加工特性，将在该第一丛波中的一个或多个第二激光脉冲选择地调整成一第二振幅；
基于一第一目标位置的一第二目标类型来调整激光脉冲的第二丛波的丛波波封；
导引该激光脉冲的第一丛波到该第一目标类型的该第一目标位置上；以及
导引该激光脉冲的第二丛波到该第二目标类型的该第二目标位置上。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该第一目标类型和该第二目标类型选自以下群组，其包括：
一电性传导连接切断目标、一材料微调目标、一通孔形成目标、一划线目标以及一切割目标。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括：
将在该第一丛波中的一个或多个第三激光脉冲选择地调整至一第三振幅；
其中该一个或多个第三激光脉冲时间发生在该一个或多个第一激光脉冲和该一个或多个第二激光脉冲之间；以及
其中该第三振幅实质上为零，这样在该一个或多个第一激光脉冲和该一个或多个第二激光脉冲之间具有差距。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括：
基于在该第二目标位置处的第三层的加工特性，将在该第二丛波中的一个或多个第三激光脉冲选择地调整至一个或多个第三振幅；以及
基于在该第二目标位置处的第四层的加工特性，将在该第二丛波中的一个或多个第四激光脉冲选择地调整至一个或多个第四振幅。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括：
基于一第三目标类型来调整激光脉冲的第三丛波的丛波波封；以及
导引该激光脉冲的第三丛波到第三目标类型的第三目标位置上。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，产生激光脉冲的丛波包括：
产生连续的丛波，其具有在1kHz至500kHz之间的重复率。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，产生激光脉冲的丛波包括：
产生具有在1纳秒至1微秒之间范围的时间宽度的每一丛波。
14.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，产生激光脉冲的丛波包括：
产生锁模激光脉冲包括由小于或等于1纳秒的个别时序脉冲宽度。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，该个别时序脉冲宽度在1纳秒至100飞秒之间的范围。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括：
产生该激光脉冲，其具有在100kHz至500MHz之间范围的重复率。
17.一种激光微加工系统，其特征在于，其包括：
产生激光脉冲的丛波的工具；
调整该激光脉冲的丛波的波封的工具以产生选择性已成型的单一丛波波封，该调整包括：
基于在一目标位置处的第一层的加工特性，将在该单一丛波波封中的一个或多个第一激光脉冲选择地调整至一第一振幅；以及
基于在该目标位置处的第二层的加工特性，将在该单一丛波波封中的一个或多个第二激光脉冲选择地调整至一第二振幅；以及
导引该第一振幅和第二振幅经调整的激光脉冲的丛波到该目标位置的工具，使得该激光脉冲的该单一丛波波封在相同的该目标位置处加工该第一层及该第二层。
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