CN105583526B - 基于激光的材料加工方法和系统 - Google Patents

Abstract

不同的实施例可用于工件的靶材料的基于激光的改性，同时有利地实现在加工处理能力和/或质量上的改进。加工方法的实施例可包括以足够高的脉冲重复率将激光脉冲聚焦和引导至工件的一区域，以便材料被有效地从所述区域去除，并且在所述区域内、接近所述区域或两者的不想要的材料量相对于以较低重复率可获得的量有减少。在至少一个实施例中，超短脉冲激光系统可包括至少一个光纤放大器或光纤激光器。不同的实施例可适用于在半导体基片上或内切片、切割、划片和形成结构。工件材料还可包括金属，无机或有机电介质，或要通过飞秒和/或皮秒脉冲并且在某些实施例中用脉冲宽度达到几纳秒的脉冲进行微加工的任何材料。

Description

基于激光的材料加工方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求下述申请的优先权：申请日为2008年3月21日、发明名称为“基于激光的材料加工方法和系统(LASER-BASED MATERIAL PROCESSINGMETHODS AND SYSTEMS)”的美国临时专利申请号61/038,725；申请日为2008年11月3日、发明名称为“基于激光的材料加工方法和系统(LASER-BASED MATERIAL PROCESSING METHODSAND SYSTEMS)”的美国临时专利申请号61/110,913；和申请日为2009年2月13日、发明名称为“基于激光的材料加工方法和系统(LASER-BASED MATERIAL PROCESSING METHODS ANDSYSTEMS)”的美国临时专利申请号61/152,625；每个前述临时申请的公开内容以全文形式在此被结合入本文作为引用。本申请与申请日为2008年1月22日、发明名称为“ULTRASHORTLASER MICRO-TEXTURE PRINTING(超短激光微结构打印)”的共同待审国际专利申请PCT/US08/51713相关，该PCT申请要求申请日为2007年1月23日、发明名称为“ULTRASHORT LASERMICRO-TEXTURE PRINTING(超短激光微结构打印)”的美国临时专利申请60/886,285的优先权。本发明还与申请日为2004年3月31日、发明名称为“FEMTOSECOND LASER PROCESSINGSYSTEM WITH PROCESS PARAMETERS,CONTROLS AND FEEDBACK(具有工艺参数、控制和反馈的飞秒激光加工系统)”的美国专利申请10/813,269相关，该美国申请现为美国专利7,486,705。上述专利申请和专利的每一篇均为本申请的受让人所有。上述申请和专利的每一篇的公开内容以其全文形式在此被结合入本文作为引用。

技术领域

本发明总体涉及脉冲激光器和利用高重复率脉冲激光加工材料。

背景技术

包括例如薄硅晶圆切割、印刷电路板(PCB)钻孔、太阳能电池制造和平板显示器制造的若干个材料加工应用涉及类似的材料加工技术和问题。早先的解决方案包括机械和平板印刷加工技术。不过，装置尺寸的减小、装置复杂度的增大和化学加工的环境代价使得所述行业朝向激光加工方法转变。现在采用通常波长为1μm或具有绿光或UV波长的频率转换形式的大功率二极管泵浦固态激光器。在某些应用中采用的一种方法包括以较高的扫描速度反复通过来逐渐切穿材料。在所述应用中，存在三个主要问题：(a)清晰利落的切割所需的材料而不对材料造成损害(例如，残余应力，脱层，热引起的材料改性等)，(b)实现商用可行的足够高量的材料去除率，和(c)重铸材料的减少和消除。

为有效和高质量基于激光的材料加工已经提出了不同的选择，包括以高重复率操作具有较少的碎屑和熔化。不过，限制在加工位置附近积聚再沉积材料的问题还没有充分解决，并且这一般是个难以克服的问题。由于快速加工需要高材料去除率，从加工位置射出的较大量被烧蚀材料一般可能包括熔融物、较大量的固体材料和蒸汽的一种或多种。还可能再沉积下至纳米级(例如10nm)的精细分布的微粒。

在不同的应用中，通过工艺改造解决了限制积聚的问题。例如，在某些当前的半导体工业技术中，基片可能用牺牲层材料进行涂层，所述牺牲层材料在激光加工后用再沉积材料去除。该工艺步骤可以单独使用或结合基片的后处理用各种化学溶剂去除重铸物进行使用。不过，所述技术通过增加额外的加工步骤和额外的消耗材料而降低了处理能力并增加了成本。就这点而论，优选的解决方案会消除对所述碎屑去除的需要。

处理碎屑可包括熔渣，熔化区域，热影响区，等等。在某些情况，利用传统的非化学清洁技术，例如在超声波浴中清洗，不能有效地去除碎屑。

此外，集成电路和半导体装置中采用的低介电材料和复合层对于基于激光的材料加工的某些实施提出了挑战。低介电材料可包括介电常数小于二氧化硅的介电常数的材料。例如，低介电材料可包括电介质材料，例如掺杂的二氧化硅，聚合物电介质等等。

发明内容

由于前述的挑战和限制，发明人认识到存在不仅要有效加工材料还要限制再沉积材料的积聚的需要。非常需要能够除去昂贵加工步骤的解决方案。因此，本文所披露的系统和方法的不同实施例可用于工件的靶材料的基于激光的改性，同时实现在加工处理能力和/或质量上的改进。

在一个概况方面，提供了激光加工工件的方法。所述方法包括以足够高的脉冲重复率将激光脉冲聚焦和引导至工件的一区域，使得材料被有效地从所述区域去除，并且相对于以较低重复率可获得的数量在所述区域内或邻近所述区域的不想要材料的数量降低了。例如，在所述方法的某些实施例中，脉冲重复率可在约100kHz-5MHz的范围内。

在另一概况方面，激光加工工件的方法可包括以足够高的脉冲重复率将激光脉冲聚焦和引导至工件的一区域，使得一个或多个材料内的热积聚被控制以便能提供快速材料去除，同时限制被加工区域周围的再沉积材料的积聚。所述方法可控制热影响区(HAZ)。

在另一概况方面，激光加工工件的方法包括用具有一脉冲宽度的激光脉冲照射工件的至少一个材料。可将激光脉冲聚焦在所述至少一个材料中的光斑上。所述聚焦的光斑可以相对于材料以一扫描速度进行相对扫描。在某些实施中，所述工件包括有图案的区域和光面(bare)半导体晶圆区域。所述有图案的区域可包括电介质材料和金属材料中的至少一种。在某些实施例中，用于去除至少一部分有图案区域的扫描速度明显小于用于去除至少一部分光面晶体区域的扫描速度。

在某些实施例中，对于照射有图案区域的相邻聚焦光斑之间的重叠明显大于对于照射光面晶体区域的相邻聚焦光斑之间的重叠。例如，在某些情况，照射有图案区域的重叠可以大于约95％。

在某些实施例中，在有图案区域内的至少一部分材料利用在约100ps至约500ps范围内的脉冲宽度进行改性。在某些实施例中，在半导体晶圆区域内的至少一部分材料利用在约100fs至约10ps范围内的脉冲宽度进行改性。

至少一个实施例包括适于实施上述激光加工方法的实施例的超短脉冲激光系统。至少一个实施例包括超短脉冲激光系统，所述激光系统包括至少一个光纤放大器或光纤激光器。至少一个实施例包括被设置成“全光纤”设计的超短脉冲激光系统。

在不同的实施例中，脉冲激光系统提供至少一个脉冲的脉冲宽度小于约10ps。在某些实施例中，至少一个脉冲的脉冲宽度小于约几纳秒，例如亚纳秒脉冲。

本发明提供了划片、切片、切割或加工以从多材料工件的一区域去除材料的方法的实施例。在某些实施例中，所述方法包括将激光脉冲导向多材料工件的至少一个材料。激光脉冲的脉冲宽度可以在几十飞秒至约500皮秒的范围内，并且脉冲重复率为几百kHz至约10MHz。所述工件可包括图案和半导体晶圆，并且所述图案(晶圆)可包括电介质材料和金属材料中的至少一种。所述方法还可包括将激光脉冲聚焦成光斑尺寸在几微米至约50μm(1/e²)范围内的激光光斑，并且相对于至少一个材料以一扫描速度定位激光光斑，使得用于从至少一部分图案(晶圆)去除材料的相邻聚焦光斑之间的重叠明显大于用于从至少一部分半导体晶圆去除材料的相邻聚焦光斑之间的重叠。在某些有优势的实施例中，所述方法控制工件的一个或多个材料内的热积聚，同时限制该区域周围的再沉积材料的积聚。

本发明提供了加工包括图案(pattern)和半导体晶圆的工件的方法的实施例。所述图案(晶圆)包括电介质材料和金属材料中的至少一种。在某些实施例中，所述方法包括用包含脉冲宽度在约100ps至约500ps范围内的激光脉冲改性至少一部分图案(晶圆)，并且用包含脉冲宽度在约100fs至约10ps范围内的激光脉冲改性至少一部分半导体晶圆。

本发明提供了激光加工具有半导体材料的多材料工件的方法的实施例。在某些实施例中，所述方法包括以约100kHz至约10MHz范围内的脉冲重复率将激光脉冲聚焦和引导至工件的一区域，并且重复率足够高使得材料被有效地从该区域去除，并且相对于以低于约100kHz的较低重复率可获得的数量，该区域内或邻近该区域的不想要的材料的数量被限制了。

在其它实施例中，提供了激光加工具有半导体材料的多材料工件的方法。在某些所述实施例中，所述方法包括用聚焦激光脉冲以一扫描速率和脉冲重复率反复照射工件的至少一个靶材料。重复率可以在至少约几百kHz至约10MHz的范围内，并且扫描速率可以在约0.2m/s至约20m/s的范围内。在所述方法的不同实施例中，至少某些聚焦激光脉冲具有与至少一个其它脉冲的非零空间重叠系数，脉冲宽度小于约1ns，脉冲能量在约100nJ至约25μJ的范围内，聚焦(1/e²)的光斑尺寸在约5μm至约50μm的范围内，并且在靶材料的能流在约0.25J/cm²至约30J/cm²的范围内。

本发明披露了加工多材料工件的方法的实施例。所述工件可包括半导体材料和图案，并且所述图案可包括电介质材料和金属材料中的至少一种。在某些实施例中，所述方法包括用一系列激光脉冲照射工件，其中所述一系列激光脉冲的至少两个脉冲具有适用于工件的不同材料的不同特征。所述方法还包括控制热影响区(HAZ)，使得至少一个HAZ产生在去除至少一个电介质材料期间，并且相对于产生在去除一部分半导体材料期间的至少一个HAZ在深度上增加了金属材料。

本发明披露了加工包括图案和半导体晶圆区域的工件的方法的实施例。所述图案可包括电介质材料和金属材料。在某些实施例中，所述方法包括用聚焦的激光脉冲改变至少一部分图案，其中至少一个聚焦脉冲包括在约100fs至约500ps范围内的脉冲宽度。所述方法还包括在图案的部分中积聚充分的热量以避免电介质材料从金属材料的脱层。

本发明提供了划片、切片、切割或加工具有半导体材料的多材料工件的基于激光的系统的实施例。在某些实施例中，基于激光的系统包括光脉冲源和光学放大系统，所述光学放大系统被设置成将来自所述光脉冲源的脉冲放大成脉冲能量为至少约1μJ，并且产生的输出光脉冲的至少一个脉冲宽度在约500fs至几百皮秒的范围内。所述系统还可包括调制系统，它包括至少一个光学调制器，被设置成将输出光脉冲的重复率调节在约100kHz至约10MHz的范围内；和光束传送系统，它被设置成将脉冲激光束聚焦并传送至工件，以便脉冲光束聚焦成在约15μm至约50μm范围内的光斑尺寸(1/e²)。所述系统还包括定位系统，它被设置成相对于工件的一个或多个材料以约0.1m/sec至约20m/sec范围内的扫描速度扫描光束，和控制器，它被设置成连接至至少所述定位系统。所述控制器可被设置成在加工所述工件期间以所述重复率控制相邻聚焦光束之间的空间重叠。

本文披露了划片、切片、切割或加工具有半导体材料的多材料工件的基于激光的系统的实施例。所述系统的实施例包括光脉冲源和光学放大系统，所述光学放大系统被设置成放大来自所述光脉冲源的脉冲，并产生输出脉冲，所述输出脉冲的至少一个脉冲宽度在几十飞秒至约500皮秒的范围内。所述系统还包括调制系统，它包括至少一个光学调制器，被设置成提供的输出光脉冲的重复率在至少约1MHz至小于约100MHz的范围内。所述系统还包括光束传送系统，它被设置成将脉冲激光束聚焦和传送至工件，使得脉冲光束聚焦成光斑尺寸(1/e²)为至少约5微米；和定位系统，它被设置成以在工件的一个或多个材料上或内产生光斑重叠的扫描速度来扫描光束。在不同的实施例中所述光斑重叠可以是以所述重复率和光斑尺寸的至少约95％。

本发明提供了在具有半导体材料的工件上或工件内切片、切割、划片或形成结构的系统的实施例。在某些实施例中，所述系统包括脉冲激光系统，它被设置成用聚焦激光脉冲以一扫描速度和脉冲重复率反复照射材料的至少一部分。所述重复率可在约100kHz至约5MHz的范围内，并且高到足以从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围不想要材料的积聚。所述系统还包括光束传送系统，它被设置成聚焦和传送激光脉冲，和定位系统，它被设置成以一扫描速度相对于半导体基片定位激光脉冲。所述定位系统可包括光学扫描器和基片定位器的至少一个。在某些实施例中，控制器被设置成连接至脉冲激光系统、光束传送系统和定位系统。所述控制器可被设置成以一重复率在加工工件期间控制相邻聚焦激光脉冲之间的空间重叠。

附图说明

图1A-1C示意性地示出了表示用于材料去除的多程(多次通过)基于激光的方法的实施例的俯视图和剖视图。

图1D-1E示意性地示出了表示N次通过后加工深度和形成不想要的再沉积材料之间的关系的剖视图。图1E示意性地表示用脉冲激光系统的至少一个实施例可获得的结果。

图1F示意性地示出了适于通过激光脉冲加工工件的激光系统的实施例。

图1G-1至1G-3示意性地示出了有图案晶圆的部分的示例。图1G-1示出了具有若干个芯片(die,晶粒)的晶圆，图1G-2示出了图1G-1所示晶圆的一部分的展开图，而图1G-3示出了晶圆的一部分的剖视测试图。

图2A-2B示意性地示出了通过激光脉冲串加工工件的系统的实施例。

图3示意性地示出了通过激光脉冲串加工工件的系统的另一实施例。

图4A示意性地示出了通过激光脉冲串加工工件的系统的另一实施例。

图4B示意性地示出了大模场面积光纤的实施例，所述大模场面积光纤包括用稀土离子掺杂的纤芯，可用于光纤放大器或由多模泵源泵浦的激光器中。

图5示意性地示出了通过激光脉冲串加工工件的系统的另一实施例，所述系统具有根据工艺和/或靶信息的反馈和控制。

图6A和6B分别示出了示意性表示和照片，示出对应于通过激光脉冲串加工工件的实施例的实验系统。

图7示意性地示出了用于量化加工质量的一种示例技术，以便获得接近加工位置的烧蚀体积和再沉积体积的近似值。

图7A-7F示出了由硅样品获得的示例扫描电子显微镜(SEM)剖视图，其中所述实验结果是通过改变图6A和6B的示例系统的激光加工参数获得的。

图8是曲线图，示出了根据扫描速度和重复率烧蚀截面积对再沉积截面积之比的示例。

图9是曲线图，进一步示出了截面积对扫描速度的示例，规范用于光斑的平均功率和空间重叠。

图10A-1和10A-2示出了示例的SEM截面，其中再沉积材料的量足够低使得传统的超声波清洁能够有效地进一步去除碎屑，所述结果应用于例如薄晶圆切片和类似应用。

图10B是对应于图10A-1和10A-2所示数据的烧蚀深度对重铸(recast)高度之比的曲线图。

图11A-11C示出了比较单和双脉冲加工的结果的示例SEM截面。

图11D-11E是曲线图，示出了对应于图11A-11C的SEM图像的烧蚀深度对重铸高度之比。

图12A-12B是SEM图像，示出了利用脉冲激光系统的实施例的晶圆切割(切片)的一部分，以及在传统的超声波清洁之后所获得的结果。

图13A-1-13A-3是SEM图像，示出了利用约200ps的脉冲宽度通过不同的重复率和扫描速度所获得的结果。

图13A-4-13A-5是曲线图，分别示出了加权的烧蚀截面积(平方微米)和烧蚀深度对重铸高度之比，对应于图13A-1-13A-3所示的数据。

图14和14A-1和14A-2示意性地示出了用于测试半导体装置的芯片强度的结构的各种示例，而图14B和14C是曲线图，示出了在通过来自图6A 和6B所示的示例实验系统的超短脉冲加工样品后所获得的芯片强度测量结果的示例。

图15A-15D示出了SEM图像的示例，以及通过图6A和6B的示例实验系统产生的超短脉冲划片和/或切割的样品的剖面。

图16A-16D示出了SEM图像的示例，示出飞秒和皮秒划片结果。

图17示出了实验测试结果，示出用500fs压缩脉冲或300ps非压缩脉冲切割的硅芯片的芯片强度。图17还包括公开的纳秒激光结果和机械测试结果以供比较。圆圈用于示出在张力下的芯片的结果，而方块用于示出在压力下的芯片的结果。对应于实验测试结果的平均值(和误差棒)是用500fs和300ps脉冲的各实验测试结果的水平(向右)偏移。

现在将参照上述总结的附图描述这些和其它特征。本发明的附图和相关的说明用于阐述实施例而不是限制本发明的范围。

具体实施方式

在下文的详细说明中，靶材料一般是指由一个或多个激光脉冲改性的工件的至少一个区域内或上的材料。靶材料可包括具有不同物理特性的多种材料。

在下文的详细说明中，重复率除非特别说明一般是指在激光加工材料的过程中被传送至靶材料的激光脉冲的频率。所述频率可对应于由激光源产生的脉冲的频率，但在例如一个脉冲或脉冲群被选通并传送至靶材料的实施例中所述频率也可相对于源频率被降低。

在下文的详细说明中，涉及在靶材料、靶区域等内或附近限制不想要的材料的积聚。除非特别说明，供选择的语言不被解释为仅是两个(或更多)选择中的一个，而是可包括两者(或更多)选择。

本文所用的术语碎屑(debris)没有限制，一般是指在局部区域内或附近不想要的材料积聚。碎屑可由激光-材料相互作用和/或热影响区(HAZ)引起。重铸、熔渣、再沉积和其它相关术语也是本领域公知的。通常，热影响区包括材料的加热和冷却足够快以形成熔化物，并且区域的范围包括取决于脉冲持续时间和各种材料参数。短脉冲，尤其是超短脉冲，已知使热量局部化并减小热影响区的尺寸。

概述

实施例一般适用于激光加工工件，并尤其适用于微加工应用。例如，不同的实施例可适用于切割、切片、划片、和/或雕刻半导体基片以形成通常横向尺寸在约1微米至约100微米并且深度从几微米至几百微米的结构。例如，某些实施例可用于制备在各种材料中的精确沟和槽。对于各种微电子应用，需要在硅片中具有极其精确的沟槽。若干个研究组已证实利用激光强度刚好在烧蚀阈值之上的飞秒激光脉冲可获得最好的结果(参见例如，Barsch,Korber,Ostendorf,和Tonshoff，“Ablation and Cutting of Planar SiliconDevices using Femtosecond Laser Pulse”，Appl.Physics A 77,pp.237-244,(2003)和Ostendorf,Kulik,和Barsch,“Processing Thin Silicon with Ultrashort-pulsedLasers Creating an Alternative to Conventional Sawing Techlniques”，Proceedings of the ICALEO,Jacksonville，USA，2003年10月)。

当前，微流控设备制备的优选方法是通过光刻加工，通常涉及若干个周期的紫外线(UV)光曝光，随后是溶剂蚀刻。飞秒激光能够直接加工适度纵横比的盲孔和通孔(1:10-1:100，取决于基片材料、激光参数和孔直径)。

公知相对于传统的纳秒激光，超短激光脉冲提供重要的优势：减小的HAZ，减小的残余应力，对于材料烧蚀阈值变化的降低的敏感度。此外，已确定通过缩放激光平均功率(假设在靶上的能流大于材料烧蚀阈值)和利用高速度多程(通过)光束扫描可实现相当高的处理速度。超短激光加工一般也被认定为减少熔渣、残渣、熔化形成物，或其它不想要的激光-材料相互作用的副产品的合适方法。不过，也已确定单独使用超短脉冲不能保证改进的质量。许多早期的实验在真空中进行，这简化了加工。可以在在先的美国临时专利申请中找到关于用超短脉冲进行材料加工，微加工用于半导体装置制造的一个或多个半导体、金属或介质材料，激光-材料相互作用机制，和用于微加工的系统的对不同出版物、专利和已公开专利申请的引用。

本文所披露的实施例可用于在材料中形成高纵横比结构，其中深度对宽度之比是大的。所述结构，有时被称为槽或沟，可通过从工件表面可控地去除材料而形成。可通过在靶区域上重复地扫描聚焦激光脉冲，用一机构将靶材料和/或激光脉冲相对于彼此定位来去除材料。

某些实施例可用于激光切割材料，尤其是半导体基片。所述实施例还可包括作为所述过程一部分的高纵横比结构的形成。例如，薄晶圆切片有利地可利用清晰和精确的切割以分离晶圆芯片而不会损坏附近电路或结构。可利用聚焦激光脉冲以切穿(过)整个晶圆来切片晶圆，在某些实施例中可能在切割过程中改变焦点在深度上的位置。可替换的，激光脉冲可形成高纵横比结构，例如预定深度的窄和深的切割。随后利用非激光方法分离剩余材料的薄的深度部分。在任何情况，充分好地控制碎屑和污染物可能是有利的。

图1A-1C是示意性的示图，示出了基于激光的材料改性的工艺的一部分。示出了具有重叠系数的聚焦激光光斑1000-a，1001-a的示例，在某些实施例中所述重叠系数可能是光斑直径的一小部分。重叠系数可能与图1A中示意性示出的不同。例如，重叠系数可以从光斑到光斑大致相同(例如，如图1A示意性所示)或重叠系数可以光斑与光斑不同。不同的激光(多次)通过可以采用不同的重叠系数(和/或光斑形状，光斑直径等)。在不同的实施例中，某些相邻光斑可以基本重叠(例如，重叠系数是光斑直径的一小部分)或某些相邻光斑可被间隔开(例如，重叠系数大致与光斑直径相同或重叠系数大于光斑直径)。在不同的实施例中，重叠系数可被选择以提供具有例如平滑直边的加工结构，或被选择以影响区域内的热积聚。在所述实施例中，重叠系数(或其它参数)可在加工前被预先选择，在加工过程中被动态地选择和调整，或者可以采用预先选择和动态选择的组合。尽管图1A示出了聚焦激光光斑1000-a和1001-a是具有相同光斑直径的圆形，在其它实施例中聚焦激光光斑可以具有其它的形状和尺寸。在光斑形状、光斑尺寸、重叠系数等上的多种变化是可行的。

光斑可用单程通过或多程通过，例如用扫描机构(未示出)应用至工件的靶材料。在图1A-1C中，上部示图示意性地示出了激光脉冲的第一程通过(第1程)，而下部示图示出了激光脉冲的第N程通过(第N程)。在不同的实施例中，可以使用任何适宜次数N的加工通过，例如1，2，5，10，100，250，700，1000或更多次(程)通过。靶区域的简化上部示意图在图1B中示出，图中示出了通过圆形光斑1000-a，1001-a去除材料的区域。该区域的横向尺寸约为光斑直径，尽管一般已知通过超短脉冲，在小于光斑尺寸的区域上可控地去除材料是可行的，如同例如在美国专利5,656,186中所披露的。在图1A-1C中所示的上部视图中，去除材料的区域示意性地示出为矩形，尽管至少正交于扫描方向的边缘通常是稍微圆的，尤其是采用具有椭圆或圆形截面的聚焦激光束。

通过不同的实施例，可以形成结构，其中激光光斑去除靶材料的深度部分，例如，在某些实施例中约0.5μm或几微米。在单程通过中，去除了较小的深度部分1000-c(参见图1C中的上部示图)。第二程(次)通过或第N程(次)通过随后去除了额外的深度部分，如由曲线1001-c(参见图1C中的下部示图)所示意性表示的。在第N程(次)通过后，形成了具有希望深度和/或空间轮廓的结构。可替换的，通过足够大量的通过次数，材料可被干净利落地切断(例如，一直切割通过材料，有时称为“穿透(breakthrough)”)。在不同的实施例中，N程(次)通过的数量可以是1，2，3，4，5，10，25，100，250，500，750，1000，1500，2000，5000，或更多。可以根据下述因素选择通过的次数，所述因素包括，例如，结构的所需深度和/或空间轮廓，形成工件的材料，是否希望穿透，等等。通过的次数可以在加工过程中动态调整。

图1B示意性地示出了从工件之上观察的简单线性/矩形的加工图案。不过，加工的结构可以是通过规划激光脉冲源和靶材料的相对位置(例如，通过下文将进一步说明的扫描机构)而形成的圆形、椭圆形、交错的、螺旋形或其它任意形状。类似的，聚焦光斑的分布可以是非圆的和/或具有高斯(Gaussian)或非高斯光斑轮廓。此外，可以根据深度形成不同的形状，例如锥形的，阶梯形的，和/或弧形结构，其中结构的宽度以预定的方式或大致如此随深度变化。高纵横比结构可单独形成或结合其它结构，并且可被连接至具有较低纵横比结构的区域，例如大直径孔。通过本文所披露的系统和方法很多变化是可行的。

“挖沟(trench digging)”的实施例或其它应用的一些受关注参数可包括，例如，沟(槽)的形状、深度和质量。不过，在许多应用中，再沉积材料通常被称为重铸物或熔渣，可形成在窄沟的边缘处或非常接近窄沟的边缘。再沉积材料的数量一般随着加工深度的增加而增加。

图1D示意性地示出了加工结构1001-c的剖视图，所述加工结构具有一深度(如图1A-1C中所示)，然而还具有可观的再沉积材料1005-a。再沉积材料1005-a可以在工件的表面之上和/或加工结构1001-c内。未加工基片的基线如图1D和1E中的虚线所示。再沉积材料还可积聚在结构或靶区域内，例如在基线之下的几微米的深度内(见图1D)。

图1E表示通过脉冲激光实施例可获得的示例结果，其中对于固定次数的N次通过，减少了再沉积材料1005-b的积聚(与图1D示意性所示的结果相比)。如图1E所示，再沉积材料的截面积减小了(相对于图1D)，和/或材料沉积的类型是以细粒的形式而非较大尺寸的熔化物。例如，在某些实施例中，所述结果可通过增大激光重复率，并且在本示例中保持其它激光参数近似不变可获得。在不同的实施例中，可以在靶区域内、接近靶区域或二者减少再沉积材料的积聚。在不同的实施例中，可以在靶区域内、接近靶区域或二者改变再沉积材料的性质(例如，微粒的尺寸分布)。图1C，1D和1E示意性地示出了加工的结构1000-c和1001-c具有的截面形状大体如梯形。梯形的截面形状旨在示意性表示，并不旨在限制可通过本文所述的基于激光的加工系统和方法的不同实施例加工的结构的截面形状(或任何其它特征)。在其它实施例中，结构可被加工成不具有梯形截面形状，例如，三角形形状，矩形形状，圆形形状，会聚至最小宽度远小于最大宽度的锥形形状，或任何其它合适的形状。许多结构形状和尺寸是可行的。此外，再沉积材料1005-a，1005-b的截面尺寸和形状是示意性的，并不旨在限制可能的再沉积材料的尺寸和/或形状。

举例来说，在硅基片上加工实验的结果显示了令人惊讶的结果：增大激光脉冲的激光重复率从约200kHz到约1MHz，同时保持近似恒定的激光脉冲能量、焦斑尺寸和脉冲持续时间，产生了相对于材料再沉积量增大的材料去除量。所述实验利用基于光纤的超短啁啾脉冲激光系统进行。结果暗示几百kHz直到几MHz的脉冲重复率可在加工质量上提供显著的改进。例如，在某些应用中，可能不需要其它加工步骤来去除再沉积材料。

获得即是希望的结构形状又有再沉积材料的减少最好通过超短脉冲，例如脉冲的宽度小于约10ps来实现。不过，具有约200ps较长脉冲的增大的重复率也是有益的。相对于较慢的重复率减少了再沉积材料的积聚。对于某些应用，具有较长脉冲宽度，例如达几纳秒，或低于10ns也可以找到益处。

实施例因此减少了熔渣和/或其它不想要的材料的量(和/或改变再沉积材料的性质)，同时提供结构的希望形状、深度和/或宽度。举例来说，并且如下文所示，高重复率加工影响了再沉积材料的性质和数量。

在某些实施例中，质量的测量可以是加工结构的深度和/或体积相对于峰高，平均高度，和/或再沉积材料的体积。另一种示例的质量测量可以是结构深度相对于再沉积材料的总体积。合适的质量测量可通过受影响区域的截面样本或体积量化来获得。可采用各种工具来量化性能，例如，表面计量工具如白光干涉仪，原子力显微镜(AFM)，或类似的工具(例如，可从Veeco Instrument Inc.,Woodbury,New York获得)。所述工具可提供改进的测量准确性和精确性，具有自动或半自动操作的能力。例如，商用工具已经证实了用于测量样品和较大材料体积的表面粗糙度的能力，并且AFM可用于量化深度结构(特征)的结构。

在某些应用中，例如切片或划片，可提供不同的质量测量。例如，量化再沉积材料的体积可以是有用的测量，并且可结合切割质量作为整体质量因数。不同的实施例可具体应用于希望高效率的加工操作，并且其中再沉积材料的积聚是不利的或换句话说是不希望的。

在某些实施例中，微加工可包括半导体晶圆的激光划片，切片，或类似的加工，所述半导体晶圆可以是光的(bare,裸的)或有图案的。划片和切片是两种公认需要的应用。划片通常去除支承在硅基片上的多种材料的一层或多层。随后通过机械切片机分离晶圆的芯片。随着硅基片厚度减至低于100μm，例如50μm，已经显露了对基于激光的基片切片的增大需求。不过，在某些实施例中，要求快速激光加工速度以使取代传统的机械切片合理化。此外，在某些实施例中，减小或避免了不希望的热效应以确保随后封装工艺的可靠性。

图1G-1(不按比例)示意性地示出了有图案的半导体晶圆120的示例，所述晶圆具有排列成行和列的若干个芯片，其间具有道(street)127。在传统的系统中，晶圆通常是激光划片的，并利用切割机切割。当厚度减小到低于约100μm，例如50μm或75μm，机械切片变得更加困难。因此，需要利用激光切片以减少或排除机械切片。

图1G-2示意性地示出了晶圆120的示例部分125。举例来说，沿所述道在区域127-B中进行切片。所述区域可包括若干材料和光晶圆部分。在所述道中示出的电路结构，例如高密度格栅(栅极)层129，可用于在切片之前进行电气或其它功能测试。邻近道127的区域包含高密度有源电路，可包括焊球的互连，或其它组合。在某些具有优势的实施例中，实施切片或划片以干净利落地切割晶圆而不对电路造成损坏，不引入可观的碎屑或热影响区(HAZ)，并提供足够的芯片强度。

图1G-3示意性地示出了一部分晶圆的截面侧视图129-1，图1G-2的细格栅区域129。所述格栅可通过一种或多种介质和金属材料覆盖。

由于潜在的加工速度是将激光技术应用于薄晶圆切片的一个可能原因，用于切片非常薄的晶圆的实用系统要能够以高速度去除相当大量的材料。

所述道中的工件材料可包括但不限于，金属，无机电介质，有机电介质，半导体材料，低k介质材料，或其组合。材料的组合能够以非常不同的空间图案和/或在深度上层叠来排列。例如，微电子电路可包括具有交替层的铜和低k材料的部分，由上面的钝化层覆盖。材料的其它组合和/或结构是可行的。

各种研究披露了微加工硅的结果和模型。例如，Crawford等人在“Femtosecondlaser machining of groove in Silicon with 800nm pulses”，Applied Physics A 80，1717-1724(2005)中研究了根据脉冲能量，平移速度，通过的次数和偏振方向(平行vs.(对)垂直于平移方向，并具有圆偏振)的烧蚀速率(在真空中)。激光参数包括在800nm波长的150fs脉冲，激光脉冲重复率为1KHz。最大平移速度为约500μm/sec。光斑尺寸为约5μm。

报道了单程(次)和多程(次)通过的结果，并分析了运动效应。披露了一个模型，它包括运动的效应，其中假设脉冲间具有高度重叠。该方法包括确定在沿槽中心的一点处积聚的能流。尽管提供了有用的构架以供分析，已认识到对于每个脉冲有效的能流可能有些变化，并且单个或几个脉冲照射可产生与多个脉冲相比非常不同的结果，无论靶是否移动。一些结论反映了在槽宽度上的少许平移效应，由于粗糙度和碎屑所述效应难以量化。所述结果也与其它研究进行了比较。识别了各种其它形态。

用线性模型遍及所有的通过不能预测烧蚀性能。已报道的烧蚀深度/每脉冲远低于1μm一般通过能流达到几焦耳/cm²来观察。偏振效应略微明显，其中通过平行于平移方向的偏振分支。通过槽的形成观察到预期的烧蚀深度限制，显而易见是由于槽底部处的不足的能流。在一个示例中，头几次通过导致大量的材料以近线性方式被去除。不过，超出二十次通过则射出的材料量减少。在脉冲的边缘接近槽缘，显然材料再沉积与材料去除竞争。在大量次数的通过后，通过额外次的通过预计槽缘被大量地侵蚀。

通过我们的实验将重复率增加至约几百KHz或更大，并且在某些实施例中优选达到至少约1MHz，与低于几百KHz所得到的结果相比提高了被去除材料对再沉积材料之比。所述结果通过适于高处理能力加工的平移速度获得，并且所述平移速度接近高速镜系统的运动速度的一些当前限制。此外，至少一些结果表明过高的重复率会导致不希望的热效应，重铸，和一般不想要的HAZ引起的材料改性。同时实现高处理能力和减少的碎屑是总体目标和可通过某些实施例实现的有益结果。

举例来说，划片和/或切片50μm厚或类似基片可通过聚焦光斑尺寸为至少15μm，并在某些实施例中通过光斑尺寸在约15-50μm的范围内进行。可以采用其它光斑尺寸，例如，几微米(例如，在一种情况中为约3微米)。在某些实施例中，使用从约1微米至约5微米范围内的光斑尺寸。被去除材料的量一般由一个或多个因素确定，包括扫描速度，光斑重叠，重复率(每秒传送至表面的脉冲)，脉冲能量，和光斑直径。在某些实施例中，表面上相邻光斑之间的充分重叠提供了切割或划片相对均匀宽度的图案。在某些实验系统中，光斑尺寸为约15μm的至少几微焦耳的较高脉冲能量通常会导致在直径为约15-20μm的区域内的烧蚀。扫描系统，例如基于检流计的镜扫描器，可提供高达约10-20m/sec的扫描速度。

材料去除要求不同，并且通过适当选择包括脉冲能量、重复率和速度参数的一个或多个因素可以增大或减小区域内的热积聚。在某些实施例中，可能希望增加区域内的热积聚以便于材料的去除。在不同的实施例中，以高频率和降低的运动速度应用超短脉冲，以引起类似于非超短脉冲的热效应。在至少一个实施例中，可以调节脉冲能量、重复率、速度和脉冲宽度中的一个或多个。在某些实施例中，可用的脉冲能量会是至少约5μJ，重复率可被调节达到约10MHz，表面处的光束速度可以在约0.1m/sec直到约10m/sec的范围内，并且脉冲宽度设置在从低于1皮秒直到几纳秒的范围内。举例来说，通过1MHz频率，40μm光斑，和0.1m/sec的速度，光斑间的重叠超过99％。局部的热积聚可能是明显的。如果保持1MHz频率，并且速度增加至约5m/sec，光斑重叠减小50倍，在加工区域内具有减小的热积聚。因此，在不同有优势的实施例中，可以采用在约0.001至约0.99范围内的重叠系数。其它的范围是可行的。

由于对于不同的晶圆设计在道内的材料可能不同，希望激光系统的某些实施例能提供某些参数在较宽范围的调节。例如，扫描速度，脉冲能量，重复率(脉冲撞击表面的频率)，脉冲宽度和光斑尺寸优选可在较宽范围进行调节，例如在某些实施例中为至少2:1。一个或多个所述参数，例如脉冲宽度，速度和重复率可在大于10:1的范围上进行调节。在其它实施例中其它的可调节范围是可行的。

由于不同的材料特性，对于划片和光硅片切片可能需要不同的激光和速度参数。在某些实施例中，用较高脉冲能量和脉冲间的高重叠(例如大于99％的重叠)增大热积聚会便于材料的去除。在某些所述实施例中，要保持足够控制良好的热影响区(HAZ)以避免间接损害或增加的碎屑。

通常的多材料装置，例如有图案的晶圆，可包括在深度上层叠的导体、电介质、和半导体材料。可以在例如1MHz的重复率，约40μm的光斑尺寸，并以在相邻光斑之间产生约75％至大于99％之间的重叠的移动速度进行通常的多材料装置的加工。

举例来说，通过脉冲重复率在约几百kHz至约10MHz的范围内，可以控制扫描速度使得能够调整热积聚以便于材料去除同时限制碎屑和控制HAZ。在某些实施例中，金属和介质层的去除能够以明显低于用于去除光硅片的扫描速度的扫描速度进行。结果，用于去除金属和介质中的至少一种的相邻光斑之间的重叠可大于用于光晶圆加工的重叠(例如，在某些实施例中至少大约10倍)。在某些情况，聚焦光斑尺寸在约15-40μm的范围内，并通常约30-40μm，可提供高处理能力。

再次参见图1G-2，在某些晶圆设计中可以减小道127的宽度，例如至几十微米。光斑尺寸从某些优选值之上(例如：在某些情况为约40μm)的相应减少可能是有利的。例如，约5μm的光斑尺寸对于在宽度为约25μm的道内切割、划片、或其它加工操作可能是有用的。某些激光参数可相应缩放，并且可采用不同的设计选择以避免与某些参数相关的物理限制。可使用其它的光斑尺寸，例如，几微米(例如，在一种情况为约3微米)。在某些实施例中，使用从约1微米至约5微米范围内的光斑尺寸。对于加工窄道宽度(例如，小于几十微米)，约几微米的光斑尺寸可能是有利的。

再次参见图1G-2，示出了道127内的切割路径127-b，在该示例中切割路径127-b居中于道区域。已知可以通过激光，例如纳秒脉冲激光，和切片机的结合进行晶圆划片和断开。在某些实施例中，纳秒激光可以在距离道的中心大致相等的距离划两条线。居中于道的切片刀被用于切过剩余的晶圆，从而产生单独的芯片。本文所述的实施例还可用于沿任何路径(例如，晶圆的预定路径)改变材料，和/或可用于不同的组合(例如，与切片机)。待改性和加工的材料可包括金属，包括低k材料的电介质，和/或半导体。此外，在某些实施例中，加工超薄晶圆，例如50μm厚的晶圆，可以通过用飞秒激光切穿晶圆的整个厚度或其相当一部分进行。某些实施例可减少或淘汰机械切割所述超薄晶圆的使用。

例如，在某些实施例中，对于精确定位的要求可能增加，但降低了总脉冲能量。公知在特定波长减小的光斑尺寸导致减小的聚焦深度(DOF)。DOF的减小一般随着光斑尺寸的平方而不同。如果要求在大深度范围上进行加工，在某些情况可能应用各种公知的用于动态聚焦的方法和系统或其改进。举例来说，随着光斑尺寸从50μm减小至5μm，DOF减小100倍。另一方面，在光斑区域上实现给定能流的总脉冲能量随光斑直径的平方减小。在某些实施例中，低得多的最大脉冲能量可用于更小的光斑尺寸，并且最大脉冲能量可以是，例如约100nJ，或达到约1μJ，用于加工各种电介质，导体，和半导体材料。较小的光斑尺寸可能还导致对运动控制的一些考虑。在某些实施例中可采用降低的扫描速度，但是也增大了对精确定位的要求。

因此，在某些实施例中，当以给定能流和重复率加工时，可以向下缩减脉冲能量和速度。举例来说，假设脉冲重叠超过99％(例如：至少99.5％)，1MHz重复率，和约4μm的光斑尺寸(例如：从某些实施例所用的40μm光斑尺寸有大致10倍的减少)，在该示例中，相应的扫描速度在10mm/sec的量级。由于光斑尺寸减小10倍，可以获得脉冲能量可从至少几微焦(例如：5μJ)的范围缩减至低于100纳焦(例如：50nJ)的能流。

类似的，在某些实施例中，重复率可增加至几十MHz，并具有较低的脉冲能量用于某些微加工操作。例如，一些切割或划片应用可能要求用较低的能流选择性地去除单层材料，或几层。

参见图1G-3，多层中的一层通过阴影区域(不必然按比例)示意性地表示，并可包括电介质和/或金属材料。在某些加工应用中在改变上面的层之后下面的光晶圆(无阴影)由激光加工。发明人还发现了热处理(例如，热积聚)和/或足够的热影响区(HAZ)减少或避免了复合层或某种材料(例如，低k电介质)的脱层和/或裂化。另外，与超短脉冲相关的减小的HAZ可能有益于切穿晶圆以便分离芯片。举例来说，如果纳秒脉冲被用于既去除层又切片硅晶圆，可能性能是不足够或不可预测的。例如，已知由纳秒脉冲造成的过量HAZ导致了较弱的芯片强度和各种其它材料问题。

在不支持任何特定理论的情况下，当用激光脉冲照射晶圆时，晶圆中的电子几乎立即从激光束吸收能量。由于热电子和晶格之间的碰撞，电子系统和晶格之间的热平衡很快得到实现，并且暴露的区域温度上升。根据材料达到平衡的时间不同，并且可以是几百飞秒至几十皮秒。暴露区域内的热能会传递给它的周围较冷区域。冷却速率受几个参数影响，例如：材料，较热和较冷区域之间的温差，以及温度分布。作为示例参照依据，硅停留在其熔化温度之上的近似时间段为约几百ps。

当纳秒(或更长脉冲持续时间)激光用于切片或划片工艺时，受照射区域保持在其熔化温度之上达一延长的时段。“融化池”会形成并在冷却时会收缩。“沸腾”和“冷却”的过程导致裂化，表面粗糙和HAZ中的空隙。所述过程可能是不稳定的，而材料改性的质量难以预测。

在某些实施例中飞秒脉冲照射提供浅HAZ，但是由于超短脉冲宽度出现与装置的下面层很少相互作用。飞秒加热过程几乎是瞬间的，将HAZ限制在限定的厚度，并且不明显影响设置在改性材料之下的层。在某些所述实施例中，可实现更为平滑和可预测的表面形态。

不过，由于在某些所述实施例中由超短激光脉冲形成的非常浅的HAZ，发生多种材料几乎没有或没有材料改性。例如，可能缺少层之间的熔化。因此，在这些实施例中利用飞秒激光脉冲可能稍微限制多层装置的切片或划片性能，尤其是具有至少一种低k材料的装置。此外，某些所述实施例中可能出现脱层。不过，发明人发现，如在下文所述的实验中所示，在本文所述的系统和方法的某些实施例中，增大脉冲能量和/或能流，和/或减小扫描速度，在多材料靶区域中提供了良好的加工结果。因此，本文所述的发明人的成果可用于控制靶的一种或多种材料内的热积聚和/或HAZ。例如，本文所述的系统和方法的实施例可被设置成在靶中提供足够高的热积聚以减少或避免脱层(例如，电介质材料和金属材料的脱层)。

在某些实施例中可使用多个激光器，并设置在具有多个源的集成激光器系统中，或设置为具有可调脉冲宽度的源。举例来说，可采用较长的脉冲宽度，例如几百皮秒并达到几纳秒，以增大HAZ用于处理工件的第一深度部分，并尤其用于去除低k层和/或其它金属和/或其它电介质。所述金属可包括但不限于，铜、铝、和/或金。电介质材料可包括但不限于，二氧化硅，氮化硅，和/或各种有机或无机材料。电介质和/或金属材料的排列在三维空间中可能不同，如图1G-1至1G-3所示的示例中示意性地示出。

在某些实施例中，超短脉冲可用于处理工件的第二深度部分，产生可忽略的HAZ。在不同的实施例中，飞秒脉冲被用于至少切穿整个晶圆，或晶圆的相当一部分，并尤其用于切割非常薄的晶圆，例如厚度为100μm或更小的晶圆。此外，在某些所述实施例中，至少一部分的金属和/或电介质的加工也通过飞秒脉冲进行。

在至少一个实施例中，采用单个激光源。激光参数的调整可平衡加工区域内的热生成和从区域向外传递热量。减少或避免了脱层和/或不想要的热应力。

在不同的实施例中，皮秒脉冲宽度可用于去除低k材料。例如，至少一个脉冲可以在约100ps-约500ps的范围内，约100ps-约250ps，或约200ps-约500ps的范围内。在某些实施例中，例如，至少一个脉冲在30-40μm的光斑直径上可具有的脉冲能量可以在约2μJ-10μJ的范围内，对应至少约0.15J/cm²的能流。所述示例的脉冲宽度和能流可产生足够的HAZ用于加工金属和电介质，并且在一时间段内提供多层材料的材料改性(例如，熔化和去除)。不过，已熔化材料的任何区域还足够浅(例如：不太深)，以便减少或避免不想要的裂化、表面粗糙和/或HAZ中的空隙。在其它实施例中，可采用其它的脉冲宽度，脉冲能量，光斑直径，和能流。

在某些装置设计中，可以减小道127的宽度。激光系统的实施例就可被设置成具有减小的光斑尺寸用于在狭窄区域中加工。在某些所述实施例中，可以减小脉冲能量同时保持给定的能流。不过，在一些应用中，较高的能流可被选择用于加工并且对于加工各种金属和电介质是有利的。

用于微加工的脉冲激光系统的示例实施例

图1F示意性地示出了适于用激光脉冲加工工件的系统100的实施例。系统100包括激光系统104，所述激光系统可操作地连接至控制器114和扫描系统106。在某些实施例中，激光系统104被设置成输出包括一个或多个超短脉冲(USP)的激光脉冲。例如，在至少一个实施例中，激光系统104包括USP激光器。在不同的实施例中，系统100会提供在相当范围上的某些脉冲参数的调节。所述参数可包括脉冲能量，脉冲重复率，脉冲宽度，光斑直径，相邻光斑的重叠，和扫描速度中的一个或多个。举例来说，可以产生可调节重复率达到约1MHz或达到约10MHz的脉冲。输出脉冲可具有的能量为约1μJ或更高，例如达到约5-20μJ，并且脉冲宽度为约1ps或更短。下文将描述系统100的不同实施例的进一步细节。

以至少几百KHz的重复率工作的放大激光系统，特别是基于超短(脉冲)光纤的啁啾脉冲放大系统(FCPA)，可适用于加工若干种类型的有图案和无图案的基片。通过放大的超短脉冲串可获得高脉冲能量，例如几微焦。在某些实施例中，可获得在至少微焦范围内的足够的脉冲能量，通过15-40μm通常的光斑直径提供高处理能力。

在某些实施例中，可使用多次(程)通过。用于(多次/程)通过的脉冲能量可能与用于额外次(程)通过的能量相同或不同。此外，在某些实施例中，可以改变不同次(程)通过之间的脉冲能量。

在某些实施例中，可以调节不同次通过之间的其它激光脉冲参数。例如，较长脉冲宽度可用于去除至少导体和/或电介质材料。所述脉冲宽度可达到几纳秒(ns)，小于1ns，或约500ps或更短。可以采用超短脉冲以切割下面(层)的硅材料，例如用亚皮秒脉冲。

在某些实施例中，长和短脉冲可应用于各次通过，或在某些实施例中通过在任何单次通过期间将激光的脉冲串施加至材料的靶区域。在某些情况，脉冲串能够以预定重复率施加，并且可包括至少第一和第二激光脉冲在时间上错位或重叠，并且第一脉冲宽度可能大于第二脉冲宽度，并在某些实施例中在持续时间上大于10ps，第二脉冲宽度是超短脉冲，例如亚皮秒脉冲。脉冲串中脉冲的脉冲间隔为约1μsec至0.1μsec，并且在某些实施例中可以采用更短的间隔。第二脉冲宽度可以如上：亚皮秒(例如：>100fs)至约10ps，并且一般小于约50ps。此外，第一和第二不限定于时间顺序，而可以适用任何顺序。例如，相反的顺序可由相应的顶侧或底侧最初扫描引起。

对于某些微加工的实施例，一个可行的优选激光系统会以可调节重复率(传送至表面的脉冲)为约几百kHz至10MHz提供至少约5μJ的脉冲能量，并且会连接至扫描器以便以达到约10m/sec的速率进行扫描。所述系统可包括光学功率放大器以提供高脉冲能量和足够高的处理能力。优选系统的至少一部分是基于光纤的。

在一个优选实施例中，激光源包括Yb-掺杂的放大光纤激光器(例如，FCPA μJ，可从IMRA America获得)。所述激光器在商用固态激光系统上提供若干个主要的优势。例如，该激光源提供的可变重复率在约100KHz至5MHz的范围上。比仅有振荡器系统更高的脉冲能量允许在焦点几何体上的更大灵活性(例如：对于给定能流的更大光斑尺寸)。在至少一个实施例中，达到约10μJ的脉冲能量能够以约1MHz的重复率施加，至少约1μJ以5MHz的频率。比各种固态再生放大系统更高的重复率允许更快的速度。尽管已经证实某些振荡器产生微焦脉冲能量，其复杂度至少可与CPA系统相比。

所述能量还可通过利用功率放大器的基于光纤的系统的实施例获得，例如至少一个大模放大器产生近衍射极限的输出光束。在至少一个实施例中，大模放大器可接收来自锁模光纤振荡器的低能量脉冲，并将脉冲放大至微焦水平。优选的，振荡器和功率放大器成一体以形成全光纤系统。存在多种可能性。

在某些实施例中，尤其对于通过较低脉冲能量和/或较高重复率进行加工，可以采用全光纤超短脉冲激光系统。所述系统可包括基于光纤的脉冲放大系统，产生的脉冲宽度低于1ps。来自光纤振荡器的低能量脉冲可通过光学开关选择，并通过光纤放大器放大到至少约100nJ。在较低的能量，亚皮秒脉冲可通过光纤放大器进行放大。在其它实施例中，全光纤啁啾脉冲放大系统可包括脉冲展宽器和脉冲压缩器。所述压缩器可包括执行至少部分脉冲压缩的光纤压缩器，体压缩器(bulk compressor)，或其组合。许多改变是可行的，包括进一步放大，谐波变换等等。

不同的实施例包括基于光纤的啁啾脉冲放大系统，适用于多种微加工应用。所述系统特别适于利用高达几十微焦和高达最大值为约100μJ的脉冲能量加工材料。光斑直径可在从约1微米至约100μm的范围内。在某些实施例中，光斑尺寸可在约10μm至100μm的范围内，或10μm至约60μm，或25μm至50μm。脉冲宽度可以在从几十飞秒(例如50fs)至约500皮秒的范围内。参数一般提供的能量密度接近或高于被加工工件材料的烧蚀阈值，并且所需的总能量可取决于例如光斑直径。工件材料可包括但不限于，金属，无机电介质，有机电介质，半导体材料，低k电介质材料，或其组合。

图1F示意性地示出了第一实施例的系统100，它能够用于加工工件，例如半导体基片。系统100包括激光系统104和扫描系统106。在该实施例中，扫描系统106包括两个光束偏转器108，例如检流计的扫描镜，能够进行二维扫描。在其它实施例中，可以使用不同数量和/或类型的扫描镜。在某些实施例中，扫描可以是一维的。扫描系统106还可包括聚焦光学器件110，例如，能够在靶基片112处产生基本平的视场的F-theta(平场聚焦)透镜。例如，在某些实施例中，F-theta透镜被设置成产生20μm激光聚焦光斑，具有覆盖约800mm²区域(面积)的基本平的视场。在其它实施例中，例如对于晶圆切割或切片的应用，可以采用具有覆盖约60mm x 60mm面积的基本平的视场的10-50μm激光聚焦光斑。扫描系统106(和/或其它系统部件)可通过控制器114进行控制。例如，控制器114可包括一个或多个通用和/或专用计算机，其对于系统100可以是远程的和/或本地的。

在其它实施例中，在扫描系统106中可使用其它光学元件(例如，镜，透镜，光栅，空间光调制器，等等)。本领域技术人员会认识到要形成在基片中的图案可通过许多方法(包括有线和/或无线技术)与系统100通信。在某些实施例中，图案通过包括曲线和/或多边形的矢量图形表示，并可包括三维加工指令。许多变化是可行的。

在某些实施例中，激光系统104可包括USP激光器，它被设置成输出一个或多个超短(USP)脉冲。超短脉冲的持续时间可例如小于约10ps。在图1F所示的示例系统100中，激光系统104可包括基于光纤的激光器，它能够产生超快脉冲串。例如，激光器可包括可从IMRAAmerica公司(Ann Arbor，Michigan)获得的FCPA μJ激光器。激光脉冲的波长可以为约1μm。在某些实施例中，使用更短波长的激光脉冲，例如，约520nm波长的绿光脉冲。在其它实施例中，可以实施任何其它合适的激光系统。在某些实施例中，激光系统104可产生脉冲宽度小于约10ps的激光脉冲。例如，脉冲宽度可在从约100fs至约1ps的范围内。在某些实施例中，脉冲宽度在从约10fs至约500ps的范围内。在激光系统104的其它实施例中，使用其它脉冲宽度，例如≤10ns，≤1ns，≤100ps，≤1ps，和/或≤100fs。

在某些实施例中，激光系统104可包括基于二极管的和/或微芯片激光种子源，并可输出持续时间为约一纳秒，几纳秒，和/或直到约10纳秒的脉冲。激光系统104可包括任何适当类型的激光，用于输出具有希望特性的脉冲。

在某些实施例中，采用较高激光重复率以实现较快的激光加工。例如，重复率可大于500kHz。在某些实施例中，可以采用约1MHz至10MHz的重复率。其它重复率是可行的。根据本文所披露的成果，在某些实施例中可使用较高重复率，以减少图1D中示意性所示出的再沉积材料1005-a的数量。在某些实施例中，数十或数百个激光脉冲可在每个焦斑直径中重叠，所述焦斑直径可以是约20μm的直径，或在某些实施例中为10-50μm。在其它实施例中，不同数量的脉冲可重叠。例如，在某些实施例中，几个脉冲可重叠，例如3个脉冲。较高重复率的另一可能的优势是与采用较低重复率时相比能够以更短的时间加工基片。就此，在某些实施例中，提高了系统100的处理能力同时具有改进的质量。

图2A示意性地示出了可用于通过超快脉冲串加工半导体靶基片112的系统200的实施例。该系统200总体可类似于图1F示意性所示的实施例。图2A所示实施例中的激光系统104包括在图1F所示实施例中未示出的光学内部脉冲调制器202。光学调制器202可用于调制激光脉冲串的重复率。在某些实施例中，激光脉冲串包括一个或多个超短脉冲，例如一个或多个超短脉冲串。在某些实施例中，调制器202适合将激光脉冲重复率从振荡器重复率(在某些光纤激光实施例中通常为约50MHz)改变至加工重复率(通常小于或为约1MHz)。例如，调制器202可被设置成使得只有来自振荡器脉冲串的每第N个脉冲传输至最终的功率放大器，或传输脉冲群。在某些实施例中，实施所述振荡器放大器结构以便产生高能量脉冲串可能是合宜的，其中为了改进振荡器稳定性，使用50MHz量级的振荡器重复率。所述振荡器放大器系统对于本领域技术人员是公知的。

在某些实施例中，内部调制器202使得放大器中的平均功率和热状态保持基本相同，同时基本上瞬时改变脉冲能量和脉冲峰值功率。内部调制器202可包括声-光调制器或任何其它合适的光学调制器。在某些实施例中，激光系统104输出脉冲能量高于约1μJ，脉冲持续时间小于约10ps，和脉冲重复率大于约100kHz的脉冲。

图2A所示的实施例还包括频率转换器204，例如二次谐波产生(SHG)转换器。在该实施例中，SHG转换器和内部调制器202的组合提供“快速快门(fast shutter)”，因为谐波转换效率与激光脉冲能量成比例。因此，通过调节来自振荡器的激光重复率，基本瞬时的开/关加工光束(例如，透射的SHG光束)是可能的。所述快速快门在机械上是不可能的，并且难以对高激光功率在光学上进行实施而不导致光束质量、脉冲持续时间等的下降。一些实施例可包括三次谐波产生转换器和/或四次谐波产生转换器或任何其它合适的谐波产生转换器。

图2A所示的实施例还包括控制器114，所述控制器可用于控制激光系统104，扫描系统106，频率转换器204和/或其它系统部件。例如，在某些实施例中，调制器202和扫描系统106(例如，扫描镜108和/或聚焦光学器件110)的控制可被链接，以便能够更大的控制激光照射条件，从而更大的控制加工深度和横向伸展。例如，在某些实施例中，控制器114被设置成在以脉冲重复率加工靶材料期间控制相邻聚焦脉冲(或脉冲群)间的空间重叠。

图2B示意性地示出了能够用于通过超快脉冲串加工靶基片的系统230的实施例。在该实施例中，激光系统104包括啁啾脉冲放大系统，例如，基于光纤的啁啾脉冲放大(FCPA)系统。使用FCPA系统的优点包括改进的效率和可靠性。此外，由于光纤放大器的输出能量和峰值功率一般随振荡器重复率的增大而减小，通过基本恒定的平均输出功率或通过固定的泵浦功率，根据重复率的光纤放大器输出能量和功率变化可被利用以提供改进的FCPA性能。

转让给本申请受让人的不同美国专利披露了利用紧凑光纤结构的啁啾脉冲放大系统。下述各美国专利的公开内容以其全文形式被结合入本文作为引用：Galvanauskas等人的授权日为1996年3月12日的美国专利No.5,499,134，发明名称为“Optical PulseAmplification Using Chirped Bragg Gratings”；Harter等人的授权日为1997年12月9日的美国专利No.5,696,782，发明名称为“High Power Fiber Chirped PulseAmplification Systems Based On Cladding Pumped Rare-Earth Doped Fiber”；和Gu等人的授权日为2006年9月26日的美国专利No.7,113,327，发明名称为“High Power FiberChirped Pulse Amplification System Utilizing Telecom-Type Components”(下文被称为“’327专利”)。在这些专利中公开的任何激光系统以及其它商用“全光纤”激光系统可用于图2B所示的系统230。

在某些实施例中，激光系统104包括FCPAμJ激光器(可从本申请的受让人IMRAAmerica公司获得)，它在压缩器252的输出提供激光脉冲。输出脉冲能够以高达约1MHz的可调节重复率产生。输出脉冲可具有约1μJ或更高的能量，和约1ps或更短的脉冲宽度。在某些实施例中，如果峰值功率和脉冲能量低到足以避免非线性效应，光纤压缩器而不是体(bulk)输出压缩器可用于脉冲压缩。在某些实施例中，光子能带隙光纤或光子晶体光纤可被单独使用或与体压缩器(bulk compressor)或大面积光纤结合使用以提供增大的输出能量和峰值功率。

在图2B示意性所示的系统230的实施例中，激光系统104包括单程(通过)基于光纤的啁啾脉冲放大系统。激光系统104包括高重复率源232，光纤展宽器236，光纤前置放大器240，脉冲选择器/调制器244，光纤功率放大器248，和压缩器252。压缩器252的输出可以是超短脉冲串。在某些实施例中，压缩器252可被解谐以提供更长的脉冲宽度(例如，约200ps)。在其它实施例中，没有使用压缩器252，并且激光系统104输出脉宽达到约1纳秒，几纳秒，和/或高达约10纳秒的脉冲。在某些实施例中，激光系统104可包括一个或多个单程和双程前置放大器，单程或双程展宽器，和功率放大器结构(未示出)，其能够以类似的包装尺寸提供更长的展宽的脉冲宽度和更高的脉冲能量。某些实施例可包括保偏(PM)光纤放大器，振荡器，和展宽器光纤。如上文所述，控制器114可被设置成通过扫描系统106将脉冲协调传送至靶基片112。在不同的实施例中，控制器114可用于控制一些或所有的激光系统104的部件，扫描系统106，和/或其它系统部件。在一个实施例中，控制器114被设置成通过控制脉冲选择器/调制器244来控制激光系统104。如上文所述，扫描系统106可包括，例如，扫描镜108，例如检流计扫描镜。扫描系统106还可包括聚焦光学器件110。

高重复率源232可提供以远高于1MHz，例如，在约20MHz至约100MHz范围内的重复率工作的自由运行(free-running)脉冲串。锁模激光器，包括基于全光纤的被动锁模或其它装置，可用于产生所述重复率。例如，相应的脉冲宽度可以从约几百飞秒至约10皮秒的范围内。在其它实施例中，可使用非锁模激光源。例如，准连续波半导体激光的输出可被调制并被光学压缩以产生皮秒或飞秒脉冲。合适的激光源包括披露于Harter申请的美国专利申请号10/437,057，发明名称为“Inexpensive Variable Rep-Rate Source For High-Energy,Ultrafast Lasers”，现美国专利申请公开号为2004/0240037，该申请转让给本申请的受让人，并以其全文形式在此被结合入本文作为引用。

光纤展宽器236可包括一长度的光纤(例如，约100m至1km，取决于光纤色散)以展宽来自高重复率源232的脉冲，以便避免非线性效应和/或对前置放大器240和/或光纤功率放大器248的损坏。展宽器236可包括光纤布喇格(Bragg)光栅(FBG)，啁啾FBG，或其组合。展宽器236可包括具有不规则三阶色散(TOD)的光纤，以便部分补偿可能积聚在系统中的残留TOD(如果存在的话)。在某些实施例中，大部分的残留TOD是由于使用不匹配的展宽器(基于光纤的)和压缩器色散(基于体光栅的)而产生。在不同的示例实施例中，展宽脉冲的宽度为约50ps，在从约100ps至约500ps的范围内，或在达到约1ns的范围。在双程结构中也可以提供脉冲展宽。

在某些激光系统104中作为可选的光纤前置放大器240放大从高重复率源232发射出的脉冲能量。所述源232可发射能量从约几百pJ至约1nJ，并达到约5nJ的脉冲。在某些实施例中，在前置放大器240的输出端的脉冲能量可以高于约1nJ，例如，在从约1nJ至约20nJ的范围内，并且在某些实施例中达到约100nJ。在某些实施例中，大模放大器可被用作前置放大器以便产生微焦种子脉冲。例如，由本申请的受让人开发的提供高质量输出光束的不同放大器选择(例如：利用多模光纤的放大器，大芯泄漏信道光纤，光子晶体光纤，和/或光子带隙光纤)将在下文进一步描述并可用作前置放大器，功率放大器，或总体用作多级放大器的至少一部分。

脉冲选择器和/或调制器244可被设置成选择性地将脉冲传输至功率放大器248。脉冲选择器和/或调制器244可包括声-光调制器(AOM)，电-光调制器(EOM)，高速Mach-Zehnder(马赫-泽德尔)装置(MZ)，和/或电吸收调制器(EAM)。AOM不需要高压电子设备，并且商用数字驱动器电子设备使用方便。Mach-Zehnder装置(MZ)与具有GHz带宽和低驱动电压的光学设备集成在一起，并且在许多情况要求偏振的输入光束。在某些实施例中，集成的MZ装置的较小区域可能限制可用的峰值功率。在某些实施例中，脉冲展宽器236减少入射在调制器244上的峰值功率，如在’327专利中所述。MZ装置已被用在1.55μm电信波长，并且MZ装置目前可用在1μm波长。’327专利披露了使用MZ调制器的啁啾脉冲放大系统。在某些实施例中，脉冲选择器/调制器244可提供约20dB至约30dB的强度控制，并且可用于基于根据输入的功率放大器248的传输特性至少部分地控制输出强度。

在某些实施例中，光纤功率放大器248包括多模光纤放大器，它被设置成提供基本上在基模的输出。例如，系统可采用美国专利No.5,818,630所述的光纤功率放大器，所述美国专利5,818,630授权给Fermann等人，发明名称为“Single-Mode Amplifiers andCompressors Based on Multi-Mode Fiber”，转让给本申请的受让人，并在此以其全文形式被结合入本文作为引用。多模光纤放大器在不希望的非线性和增益饱和开始之前产生高于在单模(SM)光纤可获得的峰值功率和脉冲能量。在其它实施例中，可使用大面积放大器，例如光子带隙或光子晶体设计。通过泄漏模式设计已证实高质量输出光束，例如，披露于美国专利申请号11/134,856，发明名称为“Single Mode Propagation in Fibers and Rodswith Large Leakage Channal”，专利申请公开号为2006/0263024，转让给本申请的受让人，并在此以其全文形式被结合入本文作为引用。

如上文所述，在某些实施例中压缩器252是全光纤压缩器。不过，如果峰值功率太高，例如在某些实施例中为约100kW或更高，非线性效应可能限制全光纤压缩器的性能。可能存在光纤设计的紧凑性和与体压缩器相关的灵活性之间的权衡。在某些实施例中，光纤和体部件(bulk component)均可被用于激光系统104。

高重复率源232可产生输出波长为约1μm的脉冲。在某些实施例中，系统230包括可选的频率转换器256。例如，频率转换器256可包括倍频器，三倍频器，和/或四倍频器，产生相应的可见(例如，绿光)或紫外线输出波长(对于1μm输入波长)。在某些实施例中，频率转换器256可包括参数放大器。通过较高的峰值强度一般提高了转换效率。因此，可以设置有利的频率转换器256以接收压缩器252的输出。在一个示例实施例中，频率转换器256被设置成提供二次、三次、和四次谐波产生。利用I型非临界相位匹配三硼酸锂(LBO)晶体完成二次谐波产生。通过在II型临界相位匹配LBO晶体中和频混合基次谐波和二次谐波产生三次谐波。I型LBO和I型β硼酸钡(BBO)晶体也可用于三次谐波产生的实施例中，产生近UV输出波长。I型临界相位匹配β硼酸钡(BBO)晶体通过倍频二次谐波光产生四次谐波。在该示例实施例中，在基波长为1040nm具有50μJ，500fs脉冲的光被输入频率转换器256，它分别对二次，三次，和四次谐波频率提供53％，25％，和10％的转换效率。在100kHz的激光重复率，该示例实施例在1040nm下产生约5.00W的平均功率，以及在520nm下约2.62W，在346nm下约1.20W，和在260nm下约504mW的平均转换功率。转换后的脉冲能量在520nm下为约26μJ，在346nm下为约12μJ，和在260nm下为约5μJ。可用于提供频率转换的超短脉冲的激光系统104的进一步细节披露于Shah等人的题为“12μJ,1.2W Femtosecond Pulse Generation at 346nm froma Frequency-tripled Yb Cubicon Fiber Amplifer，”，2005，CLEO 2005Postdeadline，CPDB1，该文献以其全文形式在此被结合入本文引用。

控制器114可用于协调扫描光束的定位和激光脉冲的选择。在某些实施例中，当高重复率源232是自由运行时，利用耦合至高速光电检测器(未示出)的光纤的一长度来检测一部分光束。光电检测器输出向控制器114提供同步信号。同步信号有利的可以是数字信号。扫描系统106可包括2-D检流计镜108，例如，可从SCANLAB America公司(Naperville，Illinois)获得的II 14扫描头。使用所述扫描头的优势包括它们是低惯性装置并具有用户友好(界面)的商用控制器以便镜位置和/或速率信号易于可编程。扫描系统106和控制器114还可用于任何合适的平移台，旋转台，和机械臂(未示出)的组合以定位靶基片112。在某些实施例中，可以省略扫描镜108和用于相对移动激光束和靶基片112的任何其它合适的系统。合适的聚焦光学器件110(例如，F-theta透镜和/或高分辨率物镜)可用于将每个激光脉冲聚焦到靶材料的表面上或靶材料中。由于材料的色散，一些折射光学元件可能引入光斑位置和聚焦误差，或其它时间或空间变形。在某些实施例中，使用设计用于超短激光脉冲光束的商用光学元件。在某些实施例中，控制器114被设置成在加工靶材料期间控制相邻聚焦激光脉冲(或激光脉冲群)之间的空间重叠。

在某些实施例中，可能需要基本连续地使放大器工作以减少损坏的可能性和提供从放大器的最大能量提取。光纤放大器特别适于放大高速脉冲串。不过，在某些实施例中，出现增大的放大器损坏的风险并且在不进行材料加工(”空转时间”)的延长时间段期间产生不希望的放大自发射(ASE)。例如，在某些放大器中，空转时间段可能在从几十微秒至几百毫秒或更大的范围内。在某些光纤放大器中，约100μs的空转时间可能足以使增益增大至足够的水平以便在高增益(强泵浦)条件下自由产生激光。在约25-40μs的空转时间后，如果注入种子脉冲，放大器中积累的增益可能具有足够的增益以产生能够引起对输出光纤面造成损坏的高能量脉冲。因此，在某些实施例中，通过动态调整输入脉冲能量和/或控制泵浦二极管电流提供激光部件的稳定性和保护，如披露于例如Nati等人的美国专利申请No.10/813,173，发明名称为“Method And Apparatus For Controlling And Protecting PulsedHigh Power Fiber Amplifier Systems”，美国专利公开号为2005/0225846，该文献转让给本申请的受让人，并且该文献以其全文形式在此被结合入本文引用。

在系统230的不同实施例中，控制器114可被设置成在空转时间期间以高重复率(例如，从约50MHz至约100MHz)使脉冲选择器/调制器244工作。在空转时间期间，放大器248一般在非饱和状态工作。功率放大器的平均输出可能在基波长稍微增大。在空转时间和“活动”时间(当系统230加工靶时)之间调制脉冲能量可能足以提供光束的快速快门(例如，“关”和“开”功能)。在某些实施例中，在一些空转时间期间靶基片112上的激光能流可能高于烧蚀和/或表面改性阈值，但是“空转”和“活动”时间段之间的能流的调制可能足以用于加工控制。在某些实施例中，可选的快门260可用于控制入射在靶基片112上的能量。可选的快门260可包括声光装置，光学-机械快门，和/或电-光快门。

系统230的某些实施例包括可提供例如倍频和/或三倍频的频率转换器256。在某些所述实施例中，在频率转换器256的输出端的脉冲能量和/或峰值功率可能较低。在所述情况，转换器256的输出可以是较低的能量脉冲，其中大部分的能量在基波长并聚焦在靶上；能量可能低于靶材料的烧蚀和/或表面改性阈值。在某些系统实施例中，约20dB至约30dB的调制器调整可提供在较宽工作范围上的强度控制，以便避免改变靶材料的特性。

在某些实施例中，可采用技术来衰减不想要的光束能量。例如，不想要的能量可以用光谱过滤器(未示出)去除。在某些实施例中，由于用于I型相位匹配的基频和谐频之间的偏振态的不同，偏振滤光可能是可行的。还可以控制脉冲选择器/调制器244以限制至放大器248的能量。扫描系统106中的聚焦光学器件(或者其它聚焦光学器件，如果不用扫描器)可能针对加工波长(如果使用可选的频率转换器256则可以是频率转换后的波长)而优化。在某些实施例中，聚焦光学器件可被设置使得基波长的光斑尺寸增大，以便减小靶基片112表面处的能量密度。

在主动(活动)加工期间，控制器114可用于向脉冲选择器/调制器244提供信号以“计数(down count)”或以其它方式选择脉冲。在某些实施例中，加工重复率可以从约100KHz至约10MHz。在主动(活动)加工期间，激光器在饱和状态或接近饱和状态工作可能是有利的，以便从光纤放大器提取最大的能量。

图3示意性地示出了系统300的实施例，它能够用于通过超快脉冲串加工工件(或靶基片)。该系统300可能总体类似于图1F和2A,2B所示的实施例。系统300还可包括机械臂系统304，它连接至靶基片112并被设置成操纵相对于扫描光束的靶位置(和/或方向)。机械臂系统304可以是单轴或多轴系统。在某些实施例中，扫描系统106包括扫描头，它相对于靶基片112移动。实施例提供扫描光束和靶基片112之间相对移动的可能优势是系统可实现非平表面的加工。

在图1F，2A，2B和3分别示意性所示的系统100,200,230,和300的某些实施例中，激光光斑尺寸主要由扫描系统106中的F-theta透镜确定。在某些实施例中，为了使图像具有合理的加工区域，采用大于约10μm的光斑尺寸。激光系统104的某些实施例能够加工更小的光斑尺寸(例如，≤1μm)。对于所述小聚焦尺寸，在某些实施例中采用明显较低的脉冲能量。为了在足够大的工作区域上获得足够高的分辨率，靶和光束可以相对于彼此移动。例如，靶可以相对于基本不动的激光束移动(或反之亦然)。

在系统100,200,230,和300的某些实施例中，可以沿激光系统104和扫描系统106之间的光学路径设置可变望远镜。在某些所述实施例中，可以从扫描系统106略去F-theta透镜。可变望远镜可用于动态改变系统的焦距并且可在靶基片112上提供聚焦光斑尺寸的连续变化。商用的可变望远镜系统可包括，例如，从SCANLAB America公司(Naperville，Illinois)可获得的varioSCAN动态聚焦装置。具有动态聚焦的所述系统具有3D调整光束焦点位置的能力，和跟随或补偿靶表面位置中变化的有用能力，所述靶表面位置中的变化可能由于基片翘曲或其它平面度偏差而造成。

图4A示意性地示出了系统400.的实施例，它能够用于通过超快脉冲串加工半导体基片。该实施例包括激光系统104和平移台408，所述平移台被设置成相对于激光束移动靶基片112。在某些实施例中，平移台408保持具有较高平移速度的基本恒定的运动，以便实现足够高的加工速度。在某些实施例中，平移台408可包括X-Y或X-Y-Z平移台。例如，平移台408可包括可从Aerotech公司(Pittsburgh，Pennsylvania)获得的Nano-Translation(ANTTM)台。相对控制脉冲激光束和靶基片的定位的许多技术是已知的，例如，披露于Baird等人的美国专利No.6,172,325，发明名称为“Laser Processing Power OutputStabilization Apparatus and Method Employing Processing Position Feedback”。在某些实施例中，控制器114可能执行控制指令，用于协调扫描系统106和平移台408，例如，可从Aerotech公司(Pittsburgh，Pennsylvania)获得的Nmark^TM控制软件。

在图4A示意性所示的系统400的某些实施例中，调制器402可用于提供基本瞬时的激光调制，以便改进激光-材料相互作用的控制。调制器402一般可类似于结合图2所述的调制器202，或者调制器402可以是如图4A示意性所示的外部调制器。在某些实施例中，控制器114提供调制器402和平移台408的链接控制。

在某些实施例中，本文所述的系统(例如，系统100,200,230,300和400)可利用激光束相对于靶基片的多程(次)通过来加工靶基片。例如，在不同的实施例中可使用十次或更多次通过，并且可能几百次以便形成非常高纵横比的结构。可以调节能流(和/或其它系统参数)以控制在给定(次数)通过期间的材料去除。

在不同的实施例中，系统可以利用关于靶的激光系统的状态的信息和根据反馈信号控制激光参数，如披露于例如申请日为2004年3月31日的美国专利申请No.10/813,269，发明名称为“Femtosecond laser processing system with process parameters,control and feedback”，(此后称为’269申请)，该文献转让给本申请的受让人，并且以其全文形式在此被结合入本文引用。

在某些实施例中，可以提供一系统，其中每个激光脉冲可具有各自的特征。至少一个激光脉冲可以是超短脉冲。系统可包括用于产生如实施例100,200,230,300,400中的一个或多个所提供的脉冲或高重复率脉冲串的激光装置。另外，可以包括控制激光装置的控制装置，和监控脉冲宽度，波长，重复率，偏振，和/或包括脉冲串的脉冲的时间延迟特征的光束操纵装置。在某些实施例中，系统可以根据对控制装置所测量的脉冲宽度，波长，重复率，偏振和/或时间延迟特征产生反馈数据。在一个实施例中，激光装置可包括利用展宽器光栅和压缩器光栅的光纤放大器。光束操纵装置可包括各种装置，包括例如，测量激光脉冲的脉冲持续时间的光学开关装置，测量来自激光装置的激光脉冲输出的功率的功率计，和/或测量激光脉冲的重复率的光电二极管。在某些使用频率转换器的实施例中，例如倍频器或三倍频器，光束操纵装置将部分产生的激光脉冲的基频光学地转换成一个或多个其它光学频率，并且包括至少一个光学元件将激光脉冲的基频的一部分转换成至少一个较高阶谐波信号。光学元件可包括非线性晶体装置，它具有控制晶体方向的控制器。在某些实施例中，用于转换光频的装置有益地包括分光计，它测量非线性晶体装置的脉冲输出的一个或多个预定参数并产生用于控制装置的反馈。另一个实施例的光束操纵装置包括望远光学装置，以控制激光脉冲输入的尺寸、形状、发散度和/或偏振，并引导光学器件以控制激光脉冲在靶基片上的撞击位置。系统还可包括光束分析仪，它监控激光脉冲的特征并产生用于控制装置的反馈。上述系统具有几种用途，包括但不限于，改变靶基片的折射率；表面标记，亚表面标记，和/或表面构造靶基片；制备孔，通道，沟，槽，通孔(via)，和/或靶基片中的其它结构，和沉积和/或去除靶基片上的薄层材料。

如图5的激光加工系统的实施例所示，控制装置5300连接至激光装置5100。激光系统总体类似于’269申请的图5示意性所示的激光系统的实施例。控制装置5300监控若干个输出激光参数，例如，平均输出功率，脉冲串(重复率和/或脉冲串方式结构)，脉冲持续时间(和/或时间相位，例如，FROG，频率分辨光学开关)，和/或空间相位(波前传感器)。受监控的参数连接至控制装置5300以便通过反馈回路改变激光性能(脉冲能量，重复率和脉冲持续时间)。此外，反馈回路可连接至压缩器调准(例如，光栅分离)以便预啁啾激光脉冲，从而补偿由随后的激光系统模块的部件造成的光色散。控制装置5300可包括，例如，台式计算机，便携式计算机，平板电脑，手持式电脑，工作站计算机或任何其它通用和/或专用计算或通信设备。控制装置5300可执行任何公知的MAC-OS，WINDOWS，UNIX，LINUX，或其它适当的计算机操作系统(未示出)。控制装置5300可以通过物理链接和/或无线链接网络连接至其它计算装置。控制装置5300可包括输入设备，输出设备，随机存储器(RAM)，和/或只读存储器(ROM)，CD-ROM，DVD装置，硬盘驱动器，和/或其它磁性或光学存储介质，或其它适当的存储和取回装置。控制装置5300还可包括具有系统时钟或其它合适的计时装置或软件的处理器。输入设备可包括键盘，鼠标，触摸屏，压敏板或其它合适的输入设备，而输出设备可包括视频显示器，打印机，磁盘驱动器或其它合适的输出设备。

在某些实施例中，可以包括其它的工具以监控靶基片的状态，和/或确认/控制相对于靶基片表面的聚焦位置。例如，可以采用照明和光学显微镜观察系统(未示出)以定位对准标记，确认/否认激光破坏，和测量激光影响的结构体积和/或形态。通过包括光谱诊断例如激光诱导击穿光谱(LIBS)和/或激光诱导荧光可获得额外的数据。还可以采用精确确定从靶表面至焦点的距离的测距工具。在某些应用中，确定距离可能是有利的，因为一个应用可包括微米级材料加工。还可以使用使靶基片表面成像的摄像系统。在所述尺寸，小误差/不确定性可能降低用户精确控制激光/材料相互作用的能力。这可能变得复杂，因为几种所述应用可能涉及具有非平面表面材料的亚表面加工。来自观察/光谱工具的信号可反馈给其它系统部件(例如，控制装置，用于转换光学频率的装置等等)，以精确影响激光/材料相互作用的程度和性质。此外，来自测距工具和/或观察/光谱工具的信号可被反馈控制工件位置。扫描机构导向光学器件，它可包括基于检流计的镜扫描器和可能的一个或多个额外的精确定位器，并且控制装置5300使得光束被准确地传送至靶基片。

因此，在本文所述系统的某些实施例中，激光控制和诊断允许主动控制加工参数以便确保激光强度保持在希望的(和/或最佳的)范围，从而保证一致的结构尺寸，材料去除率，和热效应。此外，控制光束的尺寸、形状、散度和/或偏振的能力使得进一步改进(和/或优化)加工结构(例如，槽和/或沟)的形状和/或边缘质量成为可能。例如，已经证实使用其主轴平行于平移方向的高度椭圆光束能够产生的沟比使用圆聚焦光束可能产生的沟具有更高的纵横比和更好的表面质量(参见例如，Barsch，Korber，Ostendorf，和Tonshoff的“Ablation and Cutting of Planar Silicon Devices using Femtosecond LaserPulses，”Appl.Physics A 77，pp.237-244，(2003)和Ostendorf，Kulik，和Barsch的“Processing Thin Silicon with Ultrashort-pulsed Lasers Creating anAlternative to Conventional Sawing Techniques，”Proceedings of the ICALEO，Jacksonville，USA，2003年10月)。还显示了相对于扫描方向调整激光偏振可影响飞秒加工槽的表面和边缘质量。如通过本文所述激光系统的不同实施例实现的主动监控和独立控制激光和脉冲参数的能力，对于在制备结构(包括例如表面槽和/或沟)中实现可复制的微米级精确度是有利的。

具有反馈和控制的系统的进一步细节披露于’269申请，例如，图7-13和’269申请的相应段落。

在某些实施例中，通过具有总能量足以用于材料去除的皮秒脉冲串可以进行加工。例如，脉冲宽度可以在约10ps至约500ps的范围内。在某些实施例中，可以不采用脉冲压缩器。在所述实施例中，可以放大来自一个或多个激光源的脉冲以产生加工脉冲。所述结构可能大体类似于系统100,200,230,300和400的实施例，但省略了脉冲压缩器。

实施例可应用于多种微加工应用，并且很好地匹配在微电子中的应用，包括例如晶圆切割，切片，划片，和类似的应用。在某些实施例中，利用适于所述应用的方法和装置可以对系统实施例100,200,230,300和400中所示的元件进行合适的改动。例如，在一个实施例中，基片定位机构可包括X-Y-Z台408，和额外的旋转机构以提供6-轴能力和/或以保持靶基片(例如，晶圆)的平面度和共面性。例如，晶圆可通过另一材料(例如，胶带)固定至专用的支架(例如，硅片夹)以供切割操作。

系统100,200,230,300和400的某些实施例包括激光器和放大器的不同组合。尽管在某些实施例中基于光纤的技术是优选的，但不同的实施例可采用波导激光器和/或放大器，再生放大器，等等。在某些实施例中，所述技术可与光纤放大器，激光器，和/或一长度的未掺杂传输光纤结合使用。例如，在一个实施例中，被动Q-开关微片激光器可以稍低于1MHz的重复率，例如达到约100-500kHz或更大些，产生几微焦的脉冲能量。脉冲宽度可在约1ps至约100ps的范围内。在某些实施例中，微片激光器可注入光纤放大器，例如披露于上述结合入本文引用的Harter的美国专利申请No.10/437,057。

在某些实施例中，可采用小于几纳秒的脉冲宽度，例如亚纳秒脉冲或脉宽为约500ps或更小的脉冲。100,200,230,300和400所示实施例的合适改动包括基于二极管或微片激光器种子源，消除脉冲展宽器和脉冲压缩器的至少一个，减少数量的放大器级，消除放大器级，等等。

例如，上述结合入本文作为引用的美国专利申请No.10/437,057披露了利用种子和微片激光源的不同实施例，所述种子和微片激光源通过各种光纤和非光纤元件被放大和压缩以产生超短脉冲宽度。在一个实施例中，利用半导体激光二极管产生几纳秒的种子脉冲，其部分利用GHz电-光调制被选择，并随后进一步被加工以便获得放大的和压缩的脉冲。通常的重复率为小于约10MHz。所披露的结构提供了本领域技术人员可用的元件和子系统以构造较高重复率(例如，500kHz-10MHz)短脉冲(亚-皮秒至约几纳秒)，以便产生预定公差内的几何结构，并且在以较高重复率工作时在加工位置上或非常接近加工位置处具有减少的再沉积材料的积聚。

多种变化是可行的。例如，在某些实施例中，Q-开关微片激光器可提供脉宽在几皮秒至几十皮秒的脉冲，但是以几十kHz直到约100kHz的频率(重复率)。在某些实施例中，可以明显增大工作重复率，例如达到500kHz或几MHz，脉冲宽度可容忍的增大达到亚纳秒宽度。实施例可能可选的包括光纤放大器。举例来说，R.Fluck，B.Braun，E.Gini，H.Melchior，和U.Keller，在“Passively Q-switched 1.34μm Nd：YVO₄Microchip Laser withSemiconductor Saturable Absorber Mirror”，Optics letters，Vol.22，No.13披露了性能类似于1μm形式的早先1.3μm被动Q-开关激光器。SESAM(半导体可饱和吸收镜)在泵浦功率，晶体长度，和设计上的变化导致脉冲宽度为230ps至12ns和重复率为30kHz至4MHz。

某些实施例可包括由本申请的所有人，IMRA America公司开发的早期型号GXP脉冲星的改动。系统采用了半导体种子激光器和至少一个光纤光学放大器。多种其它结构是可行的。

不同的实施例可以提供在约几(a few)百皮秒至数(several)百皮秒范围内的脉冲宽度。激光系统可包括FCPA系统。在某些采用皮秒或更长脉冲的实施例中，可以除去任何脉冲压缩器。可替换的，系统可被设置成产生放大的皮秒脉冲而没有啁啾脉冲放大，例如，优选通过光纤放大器系统。

再次参见图4A，激光系统104可包括锁模光纤振荡器或其它种子源，和具有光纤功率放大器的光纤放大器系统。在不同的实施例中，光纤功率放大器包括多模光纤放大器，它被设置成基本以基模提供输出。例如，系统可采用如美国专利号5,818,630所述的光纤功率放大器，该专利授权给Fermann等人，发明名称为“Single-Mode Amplifiers andCompressors Based on Multi-Mode Fibers”，转让给本申请的受让人，并且以其全文形式在此被结合入本文作为引用。在不希望的非线性和增益饱和开始之前，多模光纤放大器产生的峰值功率和脉冲能量高于单模(SM)光纤可获得的。在其它实施例中，可以采用大面积放大器，例如光子带隙或光子晶体光纤设计。通过泄漏模式设计已证实高质量输出光束，例如，披露于美国专利申请号11/134,856，发明名称为“Single Mode Propagation inFibers and Rods with Large Leakage Channels”，美国公开号为2006/0263024，转让给本申请的受让人，并且以其全文形式在此被结合入本文作为引用。

在至少一个实施例中，放大器可被包括在激光系统104中。图4B示意性地示出了大模面积光纤的示例实施例470，所述大模面积光纤包括用稀土离子掺杂的纤芯，所述大模面积光纤可用于光纤放大器，或用于由多模泵浦源泵浦的激光器。例如，实施例470可包括在图4A示意性所示的激光系统104中。输入光束456可通过锁模振荡器，半导体二极管，二极管和电-光调制器，和/或其它合适源产生。在用大模放大器放大之前，前置放大器可提高脉冲能量水平。激光系统104还可包括脉冲选择器，偏振控制器，和/或光束成形光学器件以便在放大之前和/或之后调节脉冲。在图4B所示的实施例470中，光纤450分别具有直的输入和输出端451,452，和其间的盘绕部分。多模泵浦455被用于利用耦合透镜454泵浦放大器或激光器。输入光束456通过透镜453射入光纤450。输出457由分色镜458分离。在其它实施例中，光纤450和/或其它部件可被设置成与图4B示意性所示的不同。此外，不同的部件可被除去，添加，和/或不同于图4B的示例实施例470所示设置。

在用于产生具有减小或可忽略的非线性效应的飞秒，皮秒，和/或纳秒范围的高峰值功率脉冲的全光纤设计中可以采用不同的激光器或放大器实施例。还可在FCPA系统中采用激光器或放大器以进一步增大可用的脉冲能量。在一个示例实施例中，可以采用约70μm-100μm或更大的纤芯直径以产生能量为几mJ至约10mJ的纳秒脉冲。在另一实施例中，可以产生示例脉冲宽度为约1-10ps的超短脉冲，输出能量在约10μJ至几百μJ的范围内。在不同的实施例中，可以采用大于约100KHz，和达到至少几MHz的脉冲重复率。在100MHz至1GHz范围内的重复率也是可能的，取决于平均额定功率和系统要求。举例来说，如披露于PCT申请No.PCT/US2008/074668，该申请的发明名称为“Glass Large-Core Optical Fiber”，为本发明的受让人所有，并且以其全文形式在此被结合入本文引用，从微片激光器发射的25KHz重复率，5μJ脉冲能量，和600ps脉冲宽度的输入脉冲在大芯泄漏信道光纤中被放大至约400μJ，产生近衍射极限的输出光束，并且没有由非线性效应造成的变形。在实验中，没有使用脉冲展宽或压缩。可以获得较高的脉冲能量和重复率。因此，基于光纤的放大激光结构存在多种可能性。

实验结果-硅沟槽挖掘和晶圆切片示例

随后的实验结果演示了用于“沟槽挖掘”和“晶圆切片”的系统和方法的实施例。在这些示例实验中，一般利用具有亚皮秒脉冲宽度的超短脉冲加工硅基片。一些结果通过脉冲宽度达到约200ps的脉冲而得到。

实验系统

如图6A示意性所示，实验结构包括激光系统104，所述激光系统提供大于10μJ的可用脉冲能量，脉冲宽度在从约500fs至约500ps的范围内，并且重复率超过100kHz。可以改变实验系统的激光参数，尽管不必所有的参数彼此独立。例如，脉冲能量影响最小可获得的脉冲宽度。在某些实验中，在基片表面处的通常聚焦光斑尺寸为约15μm，它在10μJ的能量下提供约5-6J/cm²的平均能流和接近10¹³W/cm²的功率密度。在重复率为500kHz，在某些实验中由系统产生的平均功率为约5W。

图6B示出了系统的照片。实验设置包括排烟装置614，它可操作地去除在加工过程中产生的微粒状烟气。排烟装置614在抽取速率为每分钟约350立方英尺下工作。实验设置包括XYZ运动系统610。

测量工具，方法，和说明

图7示意性地示出了用于量化加工质量的示例技术，以便获得接近加工位置的烧蚀量和再沉积量的近似值。对于某些加工应用，沟槽深度相对于重铸峰值或平均高度的粗略测量结果可能足以定量激光参数对加工质量的影响。不过，对于其它加工应用，表征材料去除的量相比于材料重铸的量可能更为准确。

作为示例，图7示意性地示出了定量基于激光的材料加工的一种可行的方法。从例如通过扫描电子显微镜(SEM)所获得的沟槽的截面图像可见，烧蚀区域近似于用三角形匹配沟槽的垂直平分线的形状(图7中的阴影线三角形)。三角形近似值还用于模拟材料重铸的量(图7中的交叉阴影线的三角形)。因此沟槽(或其它结构)质量通过三角形烧蚀面积对三角形重铸面积之比定量。在下文的示例结果中，采用可从JEOL USA公司(Peabody，Massachusetts)获得的JEOL JSM6060SEM。利用自动或半自动工具可获得其它测量结果，所述工具例如全自动SEM系统，白光干涉仪，表面轮廓综合测量仪，和/或原子力显微镜。

一些测量，尤其是那些具有200ps的较长脉冲宽度的，通过用围绕区域的多边形模拟沟槽和重铸物并由多边形的面积估计所述区域面积。在不同的实施例中，多边形可具有3,4,5,6,7,8，或更多边。在其它实施例中，可采用不同的形状来估计沟槽和/或重铸区域(面积)。例如，一个结构的截面轮廓可由样条曲线(spline)，最佳拟合曲线等等模拟。在其它实施例中，沟槽和/或重铸区域面积可通过“拟合”于结构(例如，大体类似于利用梯形法则或Simpson’s(辛普森)法则模拟曲线下的区域)的多个几何形状(例如，矩形，梯形，等等)的求和面积来估计。可采用多种数值技术来估计面积。

图7A-7F示出了从硅样本获得的截面的SEM照片。照片显示了在下文中将会描述的在实验中观察到的趋势。图7A-7F包括激光参数值，其为近似值，但已知具有足够的准确性以支持下文阐述的任何结论。图7A-7F包括比例尺以表示SEM照片中所示的不同结构的尺寸。

下文和相应的附图中介绍了以不同的扫描速度加工(或处理)通过的次数N。在不同的实施例中，扫描器结构提供扫描速度(例如以m/s测量)，但是在某些实施例中，在固定速率(在示例实验中为10m/s)可能出现回描周期。由于在下文所述示例实验中的回描周期期间激光源是有源的，激光曝光(照射)稍大于所列的脉冲能量，并且额外的曝光可从10m/s回描速度对所列扫描速度之比确定。

改变脉冲能量的示例影响(效应)

图7A和7B示出了改变激光能量的一些示例实验影响(效应)。在这些示例中，在加工过程中200kHz激光重复率，15μm聚焦光斑直径，和约33％空间重叠是固定的。图7A示出了脉冲能量为约10μJ的结果，而图7B示出了脉冲能量为约20μJ的结果。图7A和7B的图像板示出了100次通过，200次通过，和400次通过的结果。将脉冲能量从10μJ增大至20μJ通过增大次数的加工通过提供了更大的穿透深度。更大的脉冲能量还在烧蚀结构周围产生更大量的再沉积材料。例如，在利用20μJ脉冲能量的400次通过后，这在本示例中大体对应最大的加工深度，该加工产生了约15μm峰-到-峰的再沉积材料。相反，使用10μJ脉冲，只测量到约10μm峰-到-峰的再沉积材料。因此，更大的烧蚀量导致更大的再沉积量。

扫描速度和效率对比不想要的再沉积材料的示例影响(效应)

图7C包括的SEM照片示出了扫描速度，效率，和再沉积材料积聚的影响(效应)。在本示例中，500kHz的激光重复率，15μm 1/e²聚焦光斑直径，10μJ脉冲能量，和100次通过是固定的参数。扫描速度在约0.5m/s至约8m/s的范围内变化。随着扫描速度在此范围内增大，入射脉冲的空间重叠和总入射能量减少，并且烧蚀量和再沉积量均减小。减小的空间重叠降低了每单位面积的热负载并降低了随后激光脉冲与“受激”材料的相互作用。随着扫描速度在此范围内的增大，烧蚀深度对重铸高度之比增大，这导致了更干净的加工。这个趋势不是不寻常的，并且通常在利用纳秒固态激光系统的高速/多次通过切割和螺旋钻孔应用的过程中可观察到。

激光重复率的示例影响(效应)

图7D-7F示出了激光重复率对加工质量的示例影响(效应)。在本示例中，约15μm(1/e²)的固定聚焦光斑直径，20μJ的脉冲能量，和200次的加工通过是固定的参数。在图7D-7F的每个附图中，图像板示出了扫描速度从约0.5m/s变化至约10m/s的结果。图7D-7F所示的实验结果分别以约200kHz,350kHz,和500kHz的激光重复率进行。图7D-7F包括比例尺以表示烧蚀和再沉积横截面的尺寸。在本示例中，采用约20μJ的脉冲能量，并且扫描速度和重复率均变化。

烧蚀结构的深度和面积以及重铸材料的高度和面积利用结合图7所述的技术进行测量，并且实验的结果总结在下表中。在这些示例表格中，加工质量的测量是结构的烧蚀面积对邻近烧蚀结构的再沉积材料面积之比。加工效率可以通过加工速度(例如，每秒烧蚀面积)相对于平均功率(一般假设相同的脉冲能量)来表征。图7D-7F所示和示例表格所总结的实验数据通过改变重复率和扫描速度并使其它参数固定而获得。该数据可用于确定对于表格中所总结实验的质量和加工效率之间的示例关系。

对应于图7D-7F所示结果的表格

图8是曲线图，示出了在图7D-7F所示实验结果的不同激光重复率下相对于扫描速度的烧蚀截面积对再沉积截面积之比。该曲线图显示了对于大于约2m/s的扫描速度烧蚀结构的质量随重复率的增大而提高。

图9示出了加工效率的示例。绘制了对于图7D-7F所示的结果加权烧蚀截面积对比扫描速度。为了说明在平均功率和空间重叠的不同，烧蚀面积被与激光重复率的差异成比例的加权因子相乘。加权因子对于200kHz为1，对于350kHz为0.57，而对于500kHz为0.4。图9的曲线图显示了对于大于2m/s的扫描速度烧蚀的效率独立于重复率。因此，加工质量(在较高重复率)的提高没有以加工效率作为代价而明显妥协。

增大激光重复率明显影响再沉积材料的性质和数量。再次参见图1A-1E，实验结果显示了从靶区域1001-c去除材料对再沉积材料1005-b之比的理想的增大。与图7A-7C所示的可预测趋势相反，所观察到的高重复率的影响(参见，例如图7D-7F)是无法预料和预想不到的。

尽管没有必要去实施所披露的系统和方法的实施例以理解这些预想不到结果的操作机构并且不支持任何特定理论，所显示的通过增大重复率的改进可能是在脉冲间间隔从约10μs减小至1μs时烧蚀羽流和随后的激光脉冲之间的相互作用的结果。在某些实验中这可能暗示再沉淀材料可包括细微粒。此外，结果暗示可能存在先前未利用的激光-材料相互作用范围，受重复率影响。

清洁和后处理的示例

图10A-1和10A-2示出了示例的SEM截面，其中再沉积材料的量足够低使得传统的超声波清洁能有效地进一步去除碎屑。这些实验结果可应用于，例如，薄晶圆切片和类似的应用。固定的激光参数是500kHz重复率，10μJ脉冲能量，和100次加工通过。对于图10A-1和10A-2所示的实验结果，扫描速度从约0.5m/s变化至约8m/s。在图10A-1和10A-2的左侧板中的SEM图像是在超声波清洁之前，而在图10A-1和10A-2的右侧板中的SEM图像是在超声波清洁之后。图10A-1和10A-2中的SEM照片大体示出了在清洁后再沉积材料量的明显减少。

图10B是对应于图10A-1和10A-2所示数据的烧蚀深度对重铸高度之比的曲线图。图10B的曲线图示出了在超声波清洁后在重铸高度上的额定二倍减小。在某些情况，清洁后留下的再沉积材料的高度等于或接近结合图7所述方法的实际测量极限，例如，约1μm，在1000X放大率。图10A-1,10A-2，和10B的实验结果总结在下面的表格中。

对应于图10A-1,10A-2，和图10B所示结果的表格

“双-脉冲”实验的示例

还进行了“双脉冲”实验。在这些实验中，以约1Mhz的重复率产生单个的脉冲和成对的脉冲。每对脉冲之间的时间间隔是约20ns，对应于约50MHz的瞬时猝发重复率。图11A-11C示出了示例SEM截面，比较单和双脉冲加工的结果。图11D-11E是曲线图，示出了烧蚀深度对重铸高度之比，对应于图11A-11C的SEM图像。图11A和11B示出了用约1MHz的重复率产生的“单脉冲”进行实验的结果。脉冲能量在图11A中为约5μJ而在图11B中为约10μJ。图11C示出了用约1MHz的重复率和约50MHz的瞬时猝发重复率产生的“双脉冲”进行实验的结果。在图11A-11C所示的实验中，扫描速度在约0.5m/s至约10m/s的范围内变化。在所有的实验中，采用200次加工通过。图11A，11B中的图像与图11C中的图像比较表明，与单脉冲相比双脉冲的性能降低。图11D和11E的曲线图也显示了双脉冲实验的性能降低。这些结果可能暗示非常高的瞬时重复率，例如大于约10MHz可能限制这些激光系统参数在硅中的性能(特别是在中等至高速扫描速度)。这些结果进一步总结在下面的表中。

对应于图11A-11E所示结果的表格

晶圆切片和超声波清洁的示例实验结果

图12A-12B示出了薄晶圆切片获得的实验结果的示例SEM照片。SEM照片示出从100-μm厚的硅片中切割一部分10x 4mm²的芯片。选择该尺寸是因为它是微处理器芯片的常用尺寸。图12A和12B所示的SEM照片分别对应扫描速度为约7m/s的700和500次通过。激光脉冲能量设定为20μJ以便实现在靶晶圆中的最大激光穿透深度。由于在这些实验中所用的激光的10W平均功率极限，最大激光重复率为500kHz。激光光斑尺寸为30μm(1/e²)。通过这些参数，激光没有完全穿透基片。在这些示例实验中，激光沟槽充当划痕，随后是机械断开(沿划痕线)以完成芯片分离。

图12A和12B中的SEM照片显示了边缘几乎没有裂纹并示出非常少的熔化熔渣。大部分留在表面上的微粒碎屑可易于除去，例如，利用SharperTek SH80-D-2L超声波清洁器应用约30秒的较短超声波浴(参见，例如，图12B所示的清洁前和清洁后的结果。)

用较长脉冲持续时间的示例实验

利用较长脉冲宽度获得了实验数据。图13A-1-13A-3是SEM图像，示出了通过脉冲宽度为约200ps的脉冲所获得的结果。以不同的扫描速度采用200kHz，350kHz，和500kHz的重复率。在这些实验中，解调脉冲压缩器以便产生约200ps的脉冲宽度和20μJ的脉冲能量。实验结果也令人吃惊。在用较长脉冲持续时间的这些实验中降低不想要材料的数量的趋势继续。不过，相比于用较长脉冲的实验，用超短脉冲可获得更好的结构质量，沟槽形状，和可重复性。

图13A-4-13A-5是对应于图13A-1-13A-3的SEM图像的曲线图。如上所述改变了用于确定面积的测量方法(例如，使用多边形)。图13A-4-13A-5中的曲线图暗示在较长的脉冲宽度下可能影响加工结果的可预测性和可重复性。图13A-5尤其有意思。烧蚀面积对重铸面积之比在较高的重复率改进并可与200kHz数据区别开。在不同的实施例中，烧蚀面积对重铸面积之比可大于约0.5，大于约1.0，大于约2.0，或某些其它值。

图13A-1-13A-3的实验结果总结在下面的表中。

对应于图13A-1-13A-5所示结果的表格

基于实验结果的评论

本文所披露的实验结果根据多个相互依附的变量，例如，扫描速度，激光能量，激光功率，脉冲功率密度，光斑直径，光斑重叠，脉冲宽度，重复率，瞬时猝发重复率，能流，加工通过的次数，等等。

实验结果显示从至少几百kHz到约1MHz增大激光重复率对减少再沉积材料量的令人吃惊的影响。在重复率达到约5MHz并可能达到约10MHz可能出现再沉积材料的进一步减少。不过，在非常高的重复率(例如，大于约10MHz或约20MHz)下可能降低加工效率和质量的改进组合，并且相应的平均激光功率会非常高。因此，在不同的激光加工应用中，重复率范围的上界和下界均对于避免降低的性能可能是决定性的。此外，在低于约10MHz的上界，除了减少再沉积材料的积聚外，加工还可避免不希望的热积聚效应。

对于至少其它半导体材料，包括例如GaAs，可获得类似的结果。类似的，对于除了半导体基片外的工件可获得益处。可进一步调节激光参数，例如波长，尽管一般已知在某些超短脉冲宽度(例如从约50fs至约1ps的范围内)的烧蚀阈值比在较长脉冲宽度(例如10ps至1ns脉冲宽度)下更少依赖于波长。

根据不同的实施例，基于激光的加工可以通过能流高于材料的烧蚀阈值至烧蚀阈值的20倍来进行。例如，在某些实施例中，能流的优选范围可以是烧蚀阈值的约5至约15倍。

用约1-30μJ的脉冲能量并且通常5-25μJ以便有效和高质量加工可以进行硅片加工的实施例。重复率高于几百kHz，例如大于500kHz是有优势的。有益的范围可以为约500kHz至约5MHz，并且可以在1MHz至约10Mz的范围内。

在某些实施例中扫描速率某种程度上依赖于光斑尺寸。光斑尺寸可以在从约10μm至约100μm的范围内，而扫描速度可以在从约0.2m/s至20m/s的范围内。

如上所述，烧蚀量对再沉积量的高比率可通过不同的实施例获得。可以在不明显牺牲加工效率的情况下获得加工质量。

示例实验结果—芯片强度

除了减少的碎屑，在某些所披露的系统和方法的实施例中，利用超短脉冲可获得相对于UV纳秒激光在芯片强度上明显的改进。用光的50μm厚晶圆所获得的实验结果表明了通过适当脉冲参数的所述改进。

图14,14A-1，和14A-2示意性地示出了用于芯片强度测量的一些结构。图14部分根据下述文献作了改动，所述文献是来自Li等人的“Laser dicing and subsequent diestrength enhancement technologies for ultra-thin wafer”，Electronic Componentsand Technology Conference，IEEE，(2007)，pp 761-766。应力(MPa)可估算如下：

σ(应力)＝3FL/2bh²

其中F(牛顿)是断裂负载，L(mm)是跨距，b是样本宽度(mm)而h是样本厚度(mm)。

图14A-1对应于样本设置在张力下的侧视图，其中支撑样本，使激光切割方向(用箭头示出)面向3点固定中的一点。图14A-2的相反设置对应于设置在压力下的样本。后者明显符合如Li等人的图3所示，图3，和相应的段落所讨论的“活性层(active layer)向上”测量结构。

实验结果-50μm光晶圆的芯片强度

下面的表格示出了在十次晶圆切割实验过程中变化的激光脉冲参数。“双脉冲”实验对应于具有20ns间隔的两个脉冲，其中脉冲对以500KHz重复率重复。700fs脉冲宽度和500KHz重复率是恒定的。

图14B是图表，示出了芯片强度测量的结果(总结在上表中)，所有以图14A-2所示的压力进行。在上表中，第一栏是实验序号，第二栏是最大弯曲载荷(N)，第三栏是最大弯曲载荷的标准偏差，第四栏是在最大载荷下的弯曲应力(MPa)，第五栏是在最大载荷下弯曲应力的标准偏差，第六栏是在最大弯曲载荷下的弯曲伸展(nm)，第七栏是在最大弯曲载荷下弯曲伸展的标准偏差，第八栏是平均激光功率(W)，第九栏是脉冲持续时间(fs)，第十栏是脉冲能量(μJ)，第11栏是脉冲重复率(kHz)，第12栏是扫描速度(m/s)，第13栏是通过的次数，第14栏表示使用单脉冲还是双脉冲，和第15栏备注是进行完整(全部)切割还是进行部分切割。

实验1和5证实对于部分(不完整)激光切割的情况统计分布是较大的。

实验2-4示出对于全部切割，最大弯曲应力明显减小，从781至252MPa，具有减小的扫描速度，从5至0.1m/s。

实验5和6示出了在某些实施例中对于合理的加工速率，5μJ是不够的脉冲能量，具有的光斑尺寸为约40μm(1/e²)。通过单脉冲或双脉冲，全部(完整)切割需要至少3000次通过。不过，下文部分的实验会示出5μJ足以切割50μm硅样本，具有减小的光斑尺寸为约20μm，对应在能流上的4倍增加。

实验7和9证实利用500kHz的双脉冲群(利用20ns间隔的两个10μJ脉冲)导致比利用500kHz的单10μJ脉冲更弱的芯片强度。

基于实验结果的评论

用50μm样本的实验结果表明通过合适的利用高重复率超短脉冲激光系统切片50-μm厚的硅晶圆可以相对于传统的纳秒激光切片在芯片断裂强度和碎屑产生的明显减少上至少有一些改进。实验表明相对于所报道的UV DPSS结果，在芯片强度上可获得2-3倍的改进，或可能更大。

实验结果显示利用光束扫描系统(在这些实验中)可获得最好的芯片强度结果，其中所述光束扫描系统以高速(>1m/s)使光束光栅化达足够的次数以实现全部(完整)切割。

实验结果表明对于该实验设置，明显较少的通过次数和较慢的扫描速度降低了切割质量和芯片强度。不完整的切割一般是不希望的。

此外，为了在激光光斑尺寸获得实用的加工速度，需要较高的脉冲能量。例如，对于40μm光斑尺寸(1/e²)，至少约5μJ的脉冲能量应用于Si样本。晶圆加工一般可以通过光斑尺寸在约15-40μm的范围，并可优选在约30-40μm的范围内进行。最小能流可以是约1J/cm²。覆盖40μm光斑尺寸的5μJ能量对应于约0.4J/cm²，并且对应于上面表格中的最小能流。其它光斑尺寸，能量，和能流可用于其它实施例。

利用机械切片刀通常获得最高的芯片断裂强度。不过，加工速度与晶圆厚度成比例明显减小。

将所述结果与关于芯片强度的已公开数据比较是有启发性的。用DPSS UV激光器和机械锯获得的芯片强度测量结果的示例比较可见于：(a)Toftness等人的“Lasertechnology for wafer dicing and microvia drilling for next generationwafers”，Proc.SPIE Vol.5713，pp 54-66(2005)，和(b)Li等人的“Laser dicing andsubsequent die strength enhancement technologies for ultra-thin wafer”，Electronic Components and Technology Conference，IEEE，(2007)，pp761-766。

在Toftness等人的第3部分，讨论了两种方式的“薄晶圆切片(Thin WaferDicing)”的各个方面。按照SEMI标准G86-0303测试了75,80,或180μm厚的晶圆。特别地，对于75微米和3点芯片强度比较，分别对锯和激光数据获得了444MPa和280MPa数据。与激光分布相比锯的数值范围相当宽。

Li等人的pp761-763提供了50μm样本的刀刃和激光切片芯片强度之间的比较。报道了在压力和张力下获得的3点测量的结果。结果表明在压力或张力下刀刃结果相差无几。不过，如在Li等人的图3中所示，355nm UV的脉冲激光加工产生了非常不同的结果。在压力下(“活性层向上”)，测量到大约450MPa，大致是张力下所获得强度的两倍。刀刃的结果在600-700MPa的范围内，在所有情况下超过激光结果。因此，结果表明用UV DPSS系统加工产生的芯片强度值是用机械切割所获得的通常结果的大约50％。

参见图14C，示出了压力和张力实验的破坏应力，显示发现压力设置对于超短加工较弱(至少在破坏应力方面)。该结果还支持由于明显不同的加工性质，超短脉冲激光切片导致与UV纳秒激光不同的破坏机制。

因此，至少某些结果表明最坏情况的超短测量设置(例如，压力)相对于DPSS系统的最好情况设置具有改进。

足够快速率的超短加工可产生的芯片强度结果可比得上或可能稍小于机械切割可获得的芯片强度结果。在某些情况，通过至少500kHz的重复率，约20-40μm范围内的光斑尺寸，和至少约5μJ的脉冲能量进行加工。

所述超短加工可产生的芯片强度在约400MPa-至少700MPa的范围内，并且在某些情况有更大的值，例如达到约900MPa或大于1000MPa。

上述结果表明用超短加工可以改进芯片强度。不过，已知芯片强度可被几个因素影响。此外，一些信息表明芯片强度对于基于激光加工的某些实施例比碎屑减少具有更小的整体重要性，尤其对于加工有图案的晶圆。

此外，期望通过比5-20μJ更低的脉冲能量、40μm光斑尺寸的超短加工改进芯片强度。不过，因为在某些实施例中高处理能力可能是有利的，所述方法对于某些所述实施例一般被认为是有缺陷的。一种可能的晶圆加工系统有利地可同时提供足够的芯片强度，低碎屑，和高处理能力。

此外，如将在下面的实验中示出，在某些情况，在切割有图案晶圆时低脉冲能量可产生其它不良影响。

示例实验结果–有图案的晶圆划片/切割

再次参见图1G-2，示意性地示出了有图案晶圆的俯视图，其中多种材料和图案重叠在道127内的激光加工路径127-b。材料和图案可被设置以提供电测或其它功能。可以存在材料的多种组合，具有不同的热、光、电或机械特性。

例如，如图1G-2示例大体所示，微处理器结构可以是复杂的并包括不同的图案和材料。形成于细栅格上的金属、低k电介质图案、功能电路层可均被支撑在硅基片上并由上面的钝化层覆盖(未示出)。

如前所述，材料可包括但不限于，金属，无机电介质，有机电介质，半导体材料，低k电介质材料，或其组合。材料的组合可被设置成不同的空间图案和在深度上层叠。例如，微电子电路可包括具有交替层的铜和低k材料的部分，由上面的钝化层覆盖。对于半导体结构存在许多可能性。

下面的实验结果会显示划片通过设置在道内的活性材料层而不产生明显的材料碎屑。尽管难以直接测量热影响区域(HAZ)的程度，总体目的是干净地去除多种材料，具有可忽略的熔化，并且对层形态不造成明显的改变。

在上述示例中用于切割光硅晶圆的参数为有图案的晶圆划片/切割提供了至少有用的起点。在下面实验中所用的示例参数可提供一些有图案晶圆的好的划片表现。可以采用其它参数。

用有图案的晶圆/多材料装置的示例实验结果

研究了下述类型的有图案晶圆：

实验1：GaN在铜上(LED装置)，

实验2：有图案的微电子电路，

实验3：微处理器装置，和

实验4：闪存装置。

实验1：

通过GaN在铜上的加工获得了特别令人鼓舞的结果。该结果通过可以非常适合切割若干种光晶圆的参数获得：10μJ，500kHz，约7m/sec，具有约1000-1500次通过，以及约30-40μm(1/e²直径)的光斑尺寸。图15A是示出几乎没有或没有碎屑的高质量切割1505的SEM图像。图15B是切割的侧视图。在图像中可识别不同的材料，包括上面的材料1510，GaN材料1515，和内层1520。在激光加工后没有试图去清洁样本。

实验2：

激光划片了具有上面钝化层，多个铜和低k电介质的交替层和硅基片的微电子电路。首先用100次通过，约7m/sec的扫描速度，10μJ脉冲能量和500kHz进行加工。图15C和图15D是SEM图像，分别示意性地示出了铜垫片和一些低k脱层的不完整切割。激光参数导致了钝化层的去除，但是仅部分去除了铜层。切割区域还示出了明显的表面结构。通过脱层和裂纹1530的证据表明低k电介质去除是不完整的。在某些情况，扫描速度的降低和脉冲的空间重叠的相应增大可改进铜的去除。

实验3A：

用10μJ脉冲能量和500kHz重复率加工微处理器装置。在相应的扫描速度为约7.0,5.0和2.0m/sec下，通过的次数为200,100和50。若干SEM图像(未示出)显示了通过扫描速度和扫描次数在切割质量上的变化。选择通过的特定次数以完全切割穿过钝化、金属和电介质层，下至下面的硅基片。通过的次数与扫描速度大致成反比。

如前面所观察到的，对于最高的扫描速度产生了最少的碎屑和HAZ。这尤其从如图1G-2示意性所示的道127的激光路径127-b内或附近的顶(上)层和埋置格栅层之间的切割宽度的不同得到证明。举例来说，图1G-2和图1G-3示意性地示出了格栅层129，并且在本实验中如图所示在激光路径中。划片实验导致对于扫描速度为约2.0m/s的50次通过的情况与约7.0m/s的200次通过的情况相比在划痕边缘处的暴露的埋置栅格层的面积明显更大。

因此，与上述实验2的结果相反，本实验证实了用于光晶圆加工的通常参数在某些情况下可能也适用于加工有图案的晶圆。

实验3B：

另一实验用实验3A的激光参数，但用约7m/sec的200次通过进行。在本实验中，在“道”内的某些区域中可观察到电介质和金属层之间的脱层。所述脱层在某些应用中可能是重要的问题，因为引起的裂纹可以在芯片分离后传播通过装置并最终可能甚至造成装置故障。减少脱层的步骤在下文的实验3C中讨论。

实验3C

进一步的实验示出低k电介质和金属层之间的脱层/裂化受实验系统中扫描速度的变化的影响。用5μJ脉冲能量在500kHz重复率进行激光加工。只有单次通过被用于测试。将扫描速度从10.0m/s的最大值降至250mm/s减少了脱层/裂化。

还研究了脉冲能量的影响，尤其对于250mm/s的单次扫描通过。在这些实验中最小需要2μJ来烧蚀本样本的金属和非金属区域。不过，在相同的扫描条件下2μJ能量比用5μJ和10μJ所观察到的造成更多的脱层/裂化。此外，比较了在250mm/s下单次通过的5和10μJ结果。没有发现在脱层/裂化上的明显或显著的不同。较高的脉冲能量在示例中通过提供完全切割穿过最厚的金属区域是有益的，从而提供最高的处理能力。

增大的放大率被用于评价形成于具有厚金属垫的区域的划痕。所述区域利用10μJ脉冲在500kHz重复率进行划片。确认了250mm/s的单次通过足以完全切隔穿过钝化、金属、和电介质层，并到达本样本的基硅片。在本示例中，通过500KHz的重复率，40μm的光斑尺寸，和250mm/sec的扫描速度，光斑重叠为约99％。结果示出了可忽略的HAZ和最小的碎屑再沉积。

此外，本样本的钝化层是聚酰亚胺，一种热敏聚合物。尽管观察表明钝化层从划片区域收回，没有发现碳化的证据。所述碳化是与热激光加工效应相关的常见的不利结果。

这些实验的一个令人惊讶的结果是脱层依赖于脉冲能量和扫描速度。在脉冲能量上增大2.5倍可改进结果，并且发现合理的工作范围在达到至少10μJ的较高脉冲能量。在40μm光斑上约5μJ的最小能流为约0.4J/cm²，其中所述光斑尺寸提供高处理能力。

实验3D：

在实验1-3C所述的先前实验结果中，聚焦光斑直径为35-40μm(1/e²直径)。为了便于在1MHz的实验，光斑直径减小至20μm。这样，在20μm光斑上的5μJ(例如，1.6J/cm²的能流)高到足以完全划片通过微处理器样本的道中的活性层。

对于本示例，重复率增大至1MHz还使得划片速度的线性增大。在本示例中，在约400-500mm/s之间的最佳速度避免了电介质和金属层之间的脱层。这也是避免热积聚的可能问题的足够快的扫描速度。举例来说，通过每脉冲约5μJ的通常能量和500KHz-1MHz脉冲重复率，约0.2m/sec至1m/sec的速度可适用于干净的去除低k电介质。在1MHz，并且用0.5m/sec的速度和20μm的光斑尺寸，大致的脉冲重叠为约98％。

在本实验中，光斑直径和入射脉冲能量的减少还减少了活性和钝化层的切割宽度。此外，活性和钝化层之间切割宽度的不同允许切口内更陡峭的侧壁。

实验4

加工闪存装置。所述装置也是由多种材料在道中形成，在某些情况是在细栅格中。所述结构包括薄硅基片(通常50-75μm厚)，具有由钝化层涂层的金属和电介质层。

传统的机械切片导致表现明显的边缘崩角，和电介质层的某些脱层。

采用超短脉冲切割穿过整个50-μm晶圆厚度。类似于实验1和2但不同于实验3，一个可行的优选切片方法是采用以较高平移速度(例如，约7.0m/s)的多次通过(例如，在本案中为550次)。可以采用更少次数的通过(例如，小于550)来切割整个晶圆。光斑直径为20μm，如同在实验3D中。不过，脉冲能量为10μJ和重复率为500kHz，如同在实验1-3C中。

本实验表明当限制(如果不是最小化)碎屑再沉积和HAZ时，显示了整个晶圆厚度的有效切割。在实验中没有发现脱层问题，这可能至少部分是由于特定的装置结构。应当指出，在激光切割之后没有采用后处理来清洁样本。

机械切割通常在切割过程中使用大量的水来清洁/冷却刀刃。有可能大多数的激光切片碎屑可以通过标准的晶圆旋转清洗/干燥系统去除而不需要专门的保护涂层。

该闪存应用要求完全切割穿过晶圆，而一个担忧是激光引起的对切割胶带的损坏。在传统的纳秒激光切割中，激光的光/热穿透进入胶带一般相当深，这可能明显降低胶带强度并且使分离后芯片的随后“拾取和放置”复杂化。在纳秒UV激光切片的情况，在行业中作了很大努力来开发专门的激光切割胶带，它限制激光穿透进入胶带的深度。通过超短脉冲激光加工，可能选择参数，例如激光通过的次数，以便完全切割穿过基片但不明显损坏胶带。超短激光烧蚀的精确性质减少或消除了对专用胶带的需要，从而标准的机械切割胶带仍可以使用。

基于示例实验结果的评论

可能希望改变激光参数和扫描速度以便实现最好的划片结果。

较高的重复率(例如在500kHz至约1MHz的范围内)导致低水平的碎屑，如同光晶圆实验所观察到的。一般，足够高的重复率会避免碎屑的积聚。不过，重复率增大到高于几MHz的值(例如几十MHz或更高)可能在某些情况增加热效应和HAZ引起的材料改性。可能对于某些划片/切片的实施例，扫描速度和激光光斑尺寸足够大以提供可接受的处理能力是有利的。

由于在图案构造和相邻芯片间道中的材料的不同，一些复杂的晶圆设计可能要求相对更多的实验以确认加工操作参数。因此，可能对于激光和加工系统，提供激光参数(例如，脉冲能量，扫描速度，等等)的足够调整是有利的。

某些示例显示，对于某些实施例根据只是在隔离区域中使碎屑和HAZ最小化来设定加工条件是不够的。在某些情况，不同次通过之间可以调整参数以确定合适的加工参数。工件的非常复杂的图案设计可能将加工窗口限制于在可调范围内的较窄参数设置，或可能导致在加工处理能力上的某些妥协。

激光参数在较宽范围上的灵活性和可调节性有利地可提供对在道中具有多种材料的有图案晶圆的加工。在这些实验中示出在微焦脉冲能量，500kHz-1MHz，覆盖通常20-40μm光斑尺寸，和约0.2-10m/sec下工作一般是有益的。

对于加工某些有图案的和光的晶圆部分发现了令人惊讶的依赖于脉冲能量/能流和速度的组合。用固定的参数，更慢的速度趋于产生增大的脉冲重叠和晶圆区域的暴露，例如，具有多层的“最上层”有图案的晶圆部分。增大的速度和减小的光斑间的空间重叠趋于适用于光晶圆加工。一旦完成最初的划片，对于厚晶圆的某些实施例，可以利用机械锯切割下面的基片(通常是硅)。

可替换的，用于薄晶圆的激光切割参数可以是合适的。具体地讲，对于100μm，75μm，50μm或其它薄基片，(例如，图1F或图6A所示的)相同的高重复率超短脉冲光纤激光器可用于活性层划片(在某些情况通过通常较低次数的较慢扫描)和用于基片切割(在某些情况通过通常较大量的较高速度扫描)。某些参数包括，例如，脉冲能量，重复率(例如，脉冲施加于基片的重复率)和扫描速度在某些实施例中在较大范围上可调节是有利的。

某些超短激光脉冲晶圆切片实施例可行的高程度的深度精确度可被采用和校准，以便完整地切割晶圆材料而不明显切入/切割穿过下面的切割胶带。这样，可以接受标准的机械切割胶带，尽管已知传统的纳秒UV激光切片要求使用专门设计的切割胶带。

加工有图案晶圆的参数可能与加工通常光晶圆的加工参数重叠或不同。因此，提供在足够宽的范围上进行参数调整的激光加工系统可适用于加工各种半导体基片，包括有图案的和无图案的。一些实验一般希望针对不同的生产设计，以优化加工。

用于在近IR波长下加工薄(例如：50μm，75μm，等等)有图案的或无图案的硅晶圆的参数的一些值和/或范围在某些优选实施例中可包括下述的一些或所有：

波长：约1μm

通过的次数：10-1000(通常)，可达到约1500

光斑尺寸(1/e²)：10-50μm，20-40μm(通常)

脉冲宽度：亚皮秒(例如：>100fs)至约10ps，小于约50ps

脉冲能量：约2-20μJ，5-10μJ(通常)，较高的能量通常限制脱层，并用高处理能力加工铜

最小的能流：大于约0.4J/cm²(例如：在40μm光斑1/e²直径上约5μJ)

重复率：500kHz-5MHz(传送至靶表面)

扫描速度：0.1m/sec-10m/sec，对于无图案的晶圆通常>1m/sec，对于有图案的晶圆通常<5m/sec，对于通常的低k材料为0.2m/s-1m/sec

上述值和范围是示例；在其它实施例中其它的值和范围是可行的。

在某些实施例中，可以以较慢的扫描速度进行一次或多次初始的通过以去除金属和/或电介质材料，例如多层。可以以增大的速度进行额外(次数)的通过，以便切割半导体晶圆，例如支撑金属和/或电介质层的下面的硅基片。

举例来说，初次的通过(例如，用于电介质/导体的去除)可以利用在大于约2μJ并达到约10μJ范围内的脉冲能量在约0.2m/sec至1m/sec下进行。可以在达到约10m/sec的速度用上述的脉冲能量进行额外次数的通过。聚焦光斑尺寸可以在约20-40μm(1/e²直径)的范围内。最小能流为约0.4J/cm²。脉冲宽度可以是约10ps或更小。初次和/或额外次数的通过的其它参数是可行的。

示例实验结果-飞秒和皮秒脉冲

用fs和ps脉冲的划片示例

进行了其它实验，以比较通过飞秒和皮秒脉冲所获得的划片结果。所用的系统结构类似于图6A示意性所示的系统。在这些实验中，激光系统104包括由IMRA America公司(Ann Arbor，Michigan)制造的D-10K激光器。

脉冲激光光束通过D-10K激光器生成，所述激光器被设置成具有脉冲压缩器，在某些实验中产生亚皮秒输出脉冲。输出波长为1.04μm，并且在1MHz重复率下产生每脉冲10μJ能量的脉冲串。飞秒和皮秒脉冲的脉冲能量是大致相等的。在压缩之前，激光脉冲持续时间为约300ps，并对应于锁模振荡器的展宽和放大的输出。在本实验中，通过移去脉冲压缩器获得300ps的脉冲。压缩的脉冲宽度为约500fs。在一组示例实验中(例如，图17的左侧示出示例结果)，采用了具有约5μJ脉冲能量的压缩脉冲。在所有的这些示例实验中，利用F-theta透镜聚焦激光束，并且100μm厚的硅晶圆置于透镜的焦平面处或附近。脉冲激光束扫描通过硅晶圆以便用多次通过来划痕晶圆。对于每次通过，激光束用下文讨论的扫描速度一次通过晶圆进行扫描。

图16A-16D示出了利用500fs激光脉冲(图16A和16C)和用300ps激光脉冲(图16B和16D)划片的无图案硅晶圆的示例扫描电子显微镜(SEM)图像。图16A和16C所示的结果用约120mm/s的扫描速度获得，而图16B和16D所示的结果用约320mm/s的扫描速度获得。图16A和16B所示的激光划片槽的SEM图像是裂开(划片后)表面的侧视图。图16C和16D所示的SEM图像分别是图16A和16B所示槽的部分的俯视图。

在这些示例实验中，用飞秒脉冲比用皮秒脉冲产生的重铸要少得多。用500fs激光脉冲划片的硅样本在图16A和16C中没有示出可观察到的重铸区域。因此，确定在本示例实验中通过飞秒激光脉冲只产生了非常浅的HAZ。不过，在图16B和16D所示的示例实验结果中，用300ps脉冲划片导致在划片槽周围具有明显的重铸区域。重铸(在图16B中由箭头示出，标记为“ps Recast(ps重铸”)表示硅的熔化，并且在这些实验中用300ps脉冲比用500ps脉冲具有更大的HAZ。在图16B所示实验中用300ps脉冲产生的重铸被认为是再沉积材料的热熔化的结果。在晶圆加工的前述实施例所示的飞秒加工的某些示例中，可能不发生再沉积材料的熔化(或可能比用较长的脉冲，例如>100ps的脉冲在更少程度上出现)。在不支持或要求任何特定理论或解释的情况下，与亚皮秒激光烧蚀相关的微粒状碎屑的重铸可能涉及稍微不同于例如对于较长脉冲持续时间可能出现的热熔化(例如在利用脉冲宽度大于100ps的某些实验中所观察到的)现象。结合图13A-1至13A-5(利用200ps脉冲)所述示例的未压缩测试结果示出在某些情况用较长脉冲宽度可能降低硅晶圆切割的质量。然而，在300ps加工所观察到的熔化和重铸是温和的(例如，与纳秒加工相比)。例如，图16B没有示出材料改性区域中的裂化。

与图16A和16C所示用亚皮秒脉冲的示例实验相比，图16B和16D所示的300皮秒示例实验结果显示了平滑的划痕表面。尽管飞秒脉冲产生具有较浅HAZ的较平划片槽(参见图16A)，但划痕表面布满纹理(参见图16C)。在没有受限于任何特定理论或解释的情况下，认为所述纹理由激光诱导表面周期结构(LIPSS)引起。在这些实验中用300ps脉冲的划片形成更为平滑的表面，明显是上述熔化过程的结果。另一方面，在所示的示例中脉冲宽度足够短，以避免形成在程度上可与晶圆结构(例如，导体，电介质层)相比的表面变化。因此，在这些示例实验中，300ps脉冲具有比用500fs脉冲更为平滑的划痕表面。因此，在某些实施例中，可采用较长的脉冲宽度(例如，在某些实施例中长于约100ps)以在工件中产生平滑和基本无纹理的金属材料、电介质材料和/或半导体材料的表面部分。

实验结果还显示用飞秒脉脉冲或用具有几百皮秒脉冲宽度的皮秒脉冲可获得良好的芯片强度。例如，图17示出了用500fs(压缩的D-10K输出脉冲)和300ps(未压缩的D-10K输出脉冲)的硅芯片切割的芯片强度。在图17中，各实验结果以空心环(在张力下的芯片)和空心正方形(在压力下的芯片)示出。对应于实验结果的平均值(和误差棒)以实心圆(在张力下的芯片)或实心正方形(在压力下的芯片)示出，其从实验结果水平偏移。为了比较，示出了在Li等人的“Laser dicing and subsequent die strength enhancementtechnologies for ultra-thin wafer”，Electronic Components and TechnologyConference，IEEE，(2007)，pp761-766中所披露的机械和纳秒激光切片的结果。图17所示的示例结果表明用300ps激光脉冲切片产生的芯片强度类似于用500fs激光脉冲切割的芯片的芯片强度，并且从300ps和500fs脉冲获得的这些实验芯片强度比用纳秒激光切割的芯片的芯片强度更强。

基于示例实验结果的评论

在不同的实施例中，可能更有效地进行低k电介质划片，其中HAZ足够大以导致在与多层相交的深度区域上的材料改性。HAZ的程度(例如，深度程度)有利地可被限制以减少或避免裂化，空隙，或大量不想要的再沉积材料。此外，在某些实施例中，系统被设置成使得相对于在去除一部分工件的半导体材料的过程中所产生的HAZ，在去除工件中电介质材料(例如，低k电介质)和/或金属材料的过程中所产生的HAZ在深度上增大了。例如，在某些实施例中，在去除电介质材料和/或金属材料的过程中所产生的HAZ的深度程度可以延伸通过(和/或相交)材料的多层。

图16B示出了材料去除的示例，其中热互作用导致再沉积材料，但是在没有裂化和空隙的情况下是非灾难性的。图16A示出了超短(fs)激光烧蚀机构的示例，其中去除了材料的深度部分，具有减少的或可忽略的再沉积(与图16B中的示例相比)。在这些具有光硅片的实验中，存在某些重铸而没有裂化或其它不希望的改性表明HAZ足以去除低k材料的上面层。此外，实验结果再次确认用飞秒加工光晶圆减少或避免了重铸，熔渣，熔化区域等，并且证实了飞秒脉冲用于切割晶圆的整个厚度或其大部分的益处。

在某些微加工操作中利用静电吸引从靶材料射出的带电粒子可以进一步减少碎屑积聚。美国专利6,770,544，发明名称为“Laser Cutting Method”披露了所述技术。带正电荷或负电荷的集尘电极可以安装在晶圆切割系统或其它微加工装置的激光照射器附近。通过该结构，由激光照射产生的带电部分可由集尘电极静电吸引，从而阻止带电部分沉积在激光照射器的附近。所述方法可用于多种实施例以进一步增强性能。品质因数可至少部分取决于喷射物中带电和中性粒子的相对分布。

其它实施例，特征，和示例应用

如本文所述，在加工靶基片的过程中不想要的材料可积聚在靶区域内，区域附近，或两者。减少再沉积材料量和/或改变碎屑构成的实施例可减少或省略额外的加工步骤。例如，对于半导体加工，可以充分减少不想要材料的数量以便传统的超声波清洁可用于去除一些或所有的不想要材料。此外，利用本文所述的激光系统的某些实施例可导致再沉积细微粒而非“团状”材料。在所述实施例中，可能不需要使用化学侵蚀或其它清洁步骤。

本文所述系统和方法的多个实施例可应用于加工半导体基片。一些实施例有利地可减少或消除对当前在行业中用于碎屑去除所用的专门涂层和/或侵蚀步骤的需要。一些实施例可提供额外和/或不同的优势。本文披露了某些其它实施例的示例。这些其它实施例旨在说明不同系统和方法的某些有优势的示例，并且不旨在限定本发明的范围。

在一个实施例中，提供了激光加工工件的方法。所述方法可包括以足够高的脉冲重复率将激光脉冲聚焦和引导至工件的区域以便从所述区域去除材料并且在所述区域内或附近不想要材料的量相对于以较低重复率可获得的量有减少。在至少一些实施例中，工件的区域包括半导体晶圆，并且不想要材料量包括再沉积材料。在不同的所述实施例中，再沉积材料限于厚度小于约20μm，小于约10μm，小于约5μm，小于约4μm，或小于约3.5μm。

至少一个实施例包括激光加工靶材料以去除材料的深度部分的方法。所述方法可包括：用聚焦激光脉冲以一扫描速率和脉冲重复率反复地照射靶材料的至少一部分。重复率足够高以有效地从靶位置去除材料的相当深度部分并且限制在靶位置内或附近积聚不想要的材料。在不同的实施例中，去除材料的深度可大于约10μm，大于约25μm，大于约50μm，大于约75μm，大于约100μm，大于约125μm，大于约150μm，或某些其它深度。在某些实施例中，去除材料的深度足以完全切割通过靶材料，其中所述靶材料具有的厚度大于约10μm，大于约25μm，大于约50μm，大于约75μm，大于约100μm，或某些其它深度。在一些实施例中，深度部分包括较浅的沟槽，它的深度可以是例如小于约10μm，小于约5μm，或某些其它值。在不同的实施例中，被去除材料的宽度可以在从约5μm至约100μm的范围内，在从约10μm至约50μm的范围内，在从约20μm至约40μm的范围内，或某些其它范围。

至少一个实施例包括加工靶材料的方法，用于在靶材料上或内切割、切片、划片或形成结构中的至少一种。所述方法可包括用聚焦激光脉冲以一扫描速率和脉冲重复率反复地照射靶材料。在某些情况重复率可在至少约100kHz至约10MHz的范围内。在某些情况扫描速率可在约0.2m/s至约20m/s的范围内。在某些情况扫描速率可在约0.5m/s–约10m/s的范围内。在某些实施例中，至少某些聚焦脉冲具有下述中的至少一种：与至少一个其它脉冲的非零空间重叠系数，低于约1ns的脉冲宽度，在约5μJ至约25μJ范围内的脉冲能量，在约10μm至约50μm范围内的聚焦1/e²光斑尺寸。所述脉冲可在靶材料处产生约0.25J/cm²至约30J/cm²的能流。

在一些实施例中，通过在靶材料的至少一部分上多次通过进行照射。在一些实施例中，至少一部分聚焦激光脉冲从靶材料去除至少5μm深度部分的材料。

在加工多材料工件的方法的一些实施例中，工件包括半导体材料和图案，并且所述图案包括电介质材料和金属材料中的至少一种。所述方法可包括用一系列激光脉冲照射工件。在某些实施例中，所述一系列激光脉冲中的至少两个脉冲具有适用于工件的不同材料的不同特征。所述方法还可包括控制热影响区(HAZ)使得相对于在去除一部分半导体材料的过程中所产生的至少一个HAZ，在去除电介质材料和金属材料中的至少一种的过程中所产生的至少一个HAZ在深度上增大了。在一些实施例中，至少一些激光脉冲具有不同的脉冲宽度，并且控制HAZ包括将不同的脉冲宽度施加于工件材料。所述脉冲宽度可以在约100fs至约500ps的范围内。在一些实施例中，不同的特征包括下述中的至少一个：脉冲能量，峰值功率，和工件处的空间重叠。控制HAZ可包括将具有不同特征中至少一个的脉冲施加于不同的工件材料。在至少一个实施例中，一系列脉冲中的至少一个脉冲提供从约0.25J/cm²至约30J/cm²范围内的能流。

本发明披露了用于在半导体基片的材料上或内切片、切割、划片和形成结构中至少一种的系统的实施例。所述系统可包括脉冲激光系统，它被设置成用聚焦激光脉冲以一扫描速率和脉冲重复率反复地照射至少一部分材料。所述重复率可以足够高，以便有效地从靶位置去除相当深度部分的材料并且限制在靶位置附近积聚不想要的材料。在一些实施例中所述重复率可以在从约100kHz至约5MHz的范围内。所述系统可包括光学系统，以传送和聚焦激光脉冲；和光束定位系统，它被设置成以一扫描速率相对于半导体基片定位激光脉冲。所述定位系统可包括光学扫描器和基片定位器中的至少一个。所述系统还可包括控制器，它连接至激光系统，光学系统，和定位系统。

在一些实施例中，该系统还包括连接至激光系统和控制器的光束操纵器。所述光束操纵器、激光系统和控制器可操作以获得表示基片和激光系统中至少一个的状态的信号。所述控制器可操作以产生控制信号，以便改变激光系统和基片中至少一个的状态。

在一些实施例中，激光源包括光纤激光器，光纤放大器，被动Q-开关微芯片激光器，和锁模振荡器。所述系统可被设置成以所述重复率产生脉宽在从约50fs至几纳秒范围内的至少一个脉冲。

在一些实施例中，所述系统被设置成提供脉冲宽度小于约10ps的至少一个激光脉冲。在其它实施例中，所述系统可被设置成提供脉冲宽度在约50fs至约500ps范围内的至少一个脉冲。在一些实施例中，所述脉冲激光系统包括超短激光器和用于放大超短脉冲的光学放大器的至少一个。在一些实施例中，所述系统被设置成以小于约10MHz的脉冲重复率工作。

至少一个实施例包括激光加工靶材料以在靶材料中形成高纵横比结构的方法，所述结构具有足够大的深度对宽度之比，并且结构深度为至少约5微米。所述方法可包括用一系列聚焦激光脉冲以一扫描速率和脉冲重复率照射靶材料。所述方法还可包括控制一系列激光脉冲的一个或多个特征。受控的脉冲特征可包括能流，脉冲能量，与一系列激光脉冲中至少一个其它脉冲的非零空间重叠系数，和脉冲宽度。相对于以较低重复率的基本相同脉冲特征和扫描速率可获得的质量，所述重复率和扫描速率足够高使得结构的质量得以改进。

至少一个实施例包括激光加工靶材料的方法。至少一个实施例包括用以系列聚焦激光脉冲以一扫描速率和脉冲重复率照射靶材料。所述方法还可包括控制一系列激光脉冲的一个或多个特征。所述一系列脉冲的受控脉冲特征可包括能流，至少约5微焦的脉冲能量，与一系列脉冲中的至少一个其它脉冲的非零空间重叠系数，和脉冲宽度。加工质量可通过测量一些去除材料内或附近的再沉积材料来表征。相对于通过以低于约1MHz的较低重复率的基本相同脉冲特征和扫描速率可获得的质量，所述重复率和/或扫描速率足够高使得加工质量得以改进。

至少一个实施例包括加工靶材料以在靶材料上或内切割、切片、划片和/或形成结构的方法。所述靶材料可包括半导体，金属，或电介质。例如，靶材料可包括硅。所述电介质可包括低k电介质。所述方法可包括用一系列聚焦激光脉冲以一扫描速率和脉冲重复率照射靶材料。所述方法还可包括控制一系列激光脉冲的一个或多个特征。所述一系列脉冲的受控脉冲特征可包括能流，至少约5微焦的脉冲能量，与所述一系列脉冲中的至少一个其它脉冲的非零空间重叠系数，和脉冲宽度。至少一个脉冲的能量可以在从约5μJ至约25μJ的范围内，脉冲宽度可小于约1ps，聚焦光斑尺寸可以在从约10μm至约50μm的范围内，在基片处产生的能流在从约0.25J/cm²至约30J/cm²的范围内。在一些实施例中，重复率可以在从至少约500kHz至约10MHz的范围内，并且扫描速度可以在从约0.2m/sec至约20m/sec的范围内。

在不同的实施例中，脉冲宽度小于1ps。

在一些实施例中，脉冲宽度可以达到几纳秒。

在一些实施例中，亚纳秒脉冲宽度可以小于1ns，例如500ps或更小。

在一些实施例中，可以使用从几十飞秒至约500ps的脉冲宽度。

在不同的实施例中，脉冲宽度足够短以避免在靶材料内或附近的不希望的微裂或其它缺陷。

在不同的实施例中，脉冲宽度足够短以限制以较高的重复率积聚不想要的材料。

在不同的实施例中，脉冲宽度足够短以便在预定公差内形成结构形状。

足够短以形成预定的结构形状的脉冲宽度可以小于约100ps。

在不同的实施例中，重复率的上限可以是约2.5MHz，约5MHz，或约10MHz，并且可被选择以便避免一个或多个热积聚效应和再沉积材料的积聚。

在不同的实施例中，较高的重复率可小于约2.5MHz。

在不同的实施例中，较高的重复率可小于约5MHz。

在某些实施例中，较高的重复率可小于约10MHz。

至少一个实施例包括适于执行本文所述激光加工的方法的任一实施例的超短脉冲激光系统。

至少一个实施例包括超短脉冲激光系统，所述系统包括光纤放大器或光纤激光器的至少一个。

在单次通过的过程中已去除材料的深度部分可以是约0.5μm或更大。

重复率可以至少为约1MHz。

不想要材料的横截面可被限制在亚微米尺寸。

相对于结构附近再沉积材料的测量，结构质量可测量为已形成结构的深度Z。

在至少一个实施例中，重复率可以为至少约500kHz至约5MHz，并且较低的重复率在约10kHz至约250kHz的范围内。

在至少一个实施例中，重复率可以为约500kHz至约10MHz，并且较低的重复率在约10kHz至小于约400kHz的范围内。

在至少一个实施例中，重复率可以为约500kHz至约2.5MHz，并且较低的重复率可以在约10kHz至小于约400kHz的范围内。

所述重复率可以在至少约500kHz至约10MHz的范围内，并且在主动(活动)加工期间脉冲的平均功率可以低至约2.5W。

至少一个实施例包括适于执行上述形成高纵横比结构的方法的实施例的超短脉冲激光系统。

靶材料可包括半导体，例如，硅。

脉冲能量可以至少为约1微焦，并且足够高使得在聚焦1/e²光斑直径的至少一部分上能流超过靶材料的烧蚀阈值。

照射可以通过在材料上多次通过进行，并且任一次通过期间可形成结构深度的深度部分。

在至少一个实施例中，重复率可以为至少1MHz。

靶材料上的能流，脉冲持续时间，和激光光斑重叠可保持大致恒定。

质量的测量可包括下述中的至少一个：平均高度，体积，和在靶材料附近的区域上再沉积材料的面积。

质量的测量可包括下述中的至少一个：峰值高度，所述区域内横截面的平均高度。

质量的另一测量还可包括形成于靶材料中的结构的深度对任一上述质量测量值之比。

在不同的实施例中，重铸材料量的近似减少可包括重铸粒子尺寸的明显减小。

通过的次数N可以在从约10次通过至约1000次通过的范围内。

能流可以为约5倍至约20倍高于材料的烧蚀阈值。

能流可以在约0.25J/cm²至约30J/cm²的范围内。

脉冲宽度可以低于约1ps。

扫描速率可以为约10m/s并且聚焦脉冲可包括约10微米至约100微米的1/e²光斑尺寸。

在一些实施例中，靶材料可包括硅晶圆，并且加工可包括晶圆划片或切片。

在一些实施例中，再沉积材料量可以足够低以省略用于去除较大量再沉积材料的加工步骤。

在一些实施例中，再沉积材料量可以足够低使得超声波清洁能够去除再沉积材料，而不需要基片涂层或化学侵蚀。

在一些实施例中，重复率可达到约10MHz并且平均功率为至少约25W，并达到约100W。

光斑的空间重叠可以在从约10％至约50％的范围内。

在一些实施例中，脉冲的功率密度可以在从约10¹²至约10¹⁴W/cm²的范围内，并且脉冲可以具有小于约10ps的脉宽。

在一些实施例中，脉冲的功率密度可以在从约10¹⁰至约10¹³W/cm²的范围内，并且脉冲可以具有小于约500ps的脉宽。

至少一个实施例包括用于划片、切片或类似加工多材料工件的基于激光的系统。所述工件包括半导体部分，例如半导体基片。所述系统包括：光脉冲源。包括至少一个大模光纤放大器的光学放大系统将来自所述源的脉冲放大到至少约1μJ的能量，并且产生至少一个脉冲宽度在约500fs至几百ps范围内的输出脉冲。所述系统包括调制系统，所述调制系统包括至少一个光学调制器，在约几百KHz至约10MHz的范围内调节传送至表面的脉冲的重复率。光束传送系统在一个或多个材料上的约5-50μm的光斑尺寸(1/e²)上传送聚焦光斑，并且扫描系统被用于以约0.1m/sec至20m/sec的速率扫描聚焦光斑。在一些实施例中，光斑尺寸(1/e²)可以在约15-50μm的范围内。

不同的实施例还可包括：基于光纤的啁啾脉冲放大系统，它具有设置在所述源和大芯放大器之间的脉冲展宽器；脉冲压缩器，它减小用大芯光纤放大的脉冲的脉冲宽度。一些实施例包括光学放大系统，它可操作以产生具有约20μJ的脉冲能量，约10W平均功率的输出脉冲，光纤振荡器，和一个或多个接收来自振荡器脉冲的高增益放大器，被设置成全光纤设计。

在不同的实施例中，所述系统可包括：

具有锁模光纤振荡器的光脉冲源；

具有光纤激光器，光纤放大器，被动Q-开关微芯片激光器，和锁模振荡器中的至少一个的源；

降低从光学放大器发射出的脉冲宽度的脉冲压缩器；

设置在所述源和光学放大器之间的脉冲展宽器；

脉冲展宽器可包括一长度的光纤；

能流在光斑区域内可以为至少约0.25J/cm²，或至少约1J/cm²，并且可以是材料决定的；

光斑尺寸(1/e²直径)可以在约30-40μm的范围内；

脉冲能量在约1μJ至约20μJ的范围内。

不同实施例的脉冲激光系统可包括：光脉冲源，和光学放大系统，包括至少一个大模光纤放大器，它将来自所述源的脉冲放大为至少约1μJ的能量，并产生至少一个脉冲宽度在约100fs至1ps范围内的超短输出脉冲。所述系统优选可调节以在至少约几百KHz至约10MHz范围内的重复率传送输出脉冲。

不同的实施例还可包括：

至少约10W的可用平均功率；

基于光纤的啁啾脉冲放大系统；

具有至少一个多模光纤放大器的大模光纤放大器，大芯泄漏信道光纤(LCF)，光子晶体光纤(PCF)，和光子带隙光纤(PBGF)。一个或多个所述放大器可被设置成使得输出的是近衍射极限光束。

至少一个实施例包括划片、切片或类似加工具有半导体材料部分的多材料工件的方法。所述方法包括：用脉冲宽度在约500fs至几百ps范围内和重复率为几百kHz至约10MHz的的激光脉冲照射工件的至少一种材料。所述脉冲聚焦在约15-50μm(1/e²)的光斑尺寸内，并且聚焦光斑以约0.1m/sec至20m/sec的速率在至少一种材料上或内扫描。所述照射控制在一种或多种材料内的热积聚以便提供快速的材料去除，同时通过控制热影响区(HAZ)限制被加工区域周围的碎屑积聚。

在不同的实施例中：

所述工件厚度为小于约100μm；

所述工件由有图案层和光半导体晶圆部分构成。所述有图案层可具有电介质和金属材料中的至少一种。

为了加工某些材料，用于去除至少一部分有图案层的扫描速度可能明显小于用于去除光晶圆部分的扫描速度。在一些实施例中，相邻聚焦光斑之间的重叠对于有图案层的照射可能比对于光晶圆部分的照射明显更大。用于照射有图案层的光斑尺寸可不同于用于照射光晶圆部分的光斑尺寸。

通过至少约95％的光斑重叠可进行有图案的晶圆部分的去除。在一些实施例中光斑重叠可能大于约99％。

所述脉冲能量可以在约1μJ至约20μJ的范围内。

有图案的部分可以按约0.1-0.5m/sec的速率进行扫描。

脉冲能量可以为至少约1μJ，并且在导体或电介质材料上或内的能流可能足够高以避免电介质材料的脱层。

通过用于去除有图案层的能流超过用于去除光晶圆部分的能流可以进行某些基片的加工。在一些实施例中，用于去除至少某些有图案部分的热积聚超过用于去除至少某些半导体晶圆的热积聚。在一些所述实施例中，可以改变脉冲能量，脉冲宽度，重复率，能流，光斑重叠系数，和/或扫描速率，以便在工件的一个或多个区域中提供可控的热积聚。

至少一个实施例包括激光加工工件的方法。所述方法包括以足够高的脉冲重复率将激光脉冲聚焦和引导至工件的一区域，使得在一种或多种材料内的热积聚受控以便提供快速的材料去除，同时通过控制热影响区(HAZ)限制被加工区域周围的再沉积材料的积聚。

不同的实施例可包括用于划片、切片或类似加工具有半导体材料部分的多材料工件的基于激光的系统。所述系统包括光脉冲源，和光学放大系统。所述放大系统包括至少一个大模光纤放大器，它放大来自所述源的脉冲，并产生至少一个脉冲宽度在约500fs至几百ps范围内的输出脉冲。在其它实施例中，所述放大系统可被设置成产生至少一个脉冲宽度在从几十飞秒至约500皮秒范围内的输出脉冲。所述系统还包括调制系统，包括至少一个光学调制器，用于将传送至表面的脉冲的重复率调节在至少约1MHz至小于100MHz的范围内。光束传送系统在一种或多种材料上至少约5微米的光斑直径(1/e²)上传送聚焦脉冲。包括至少一个光束偏转器的扫描系统在所述重复率和光斑尺寸以产生至少约95％的光斑重叠的扫描速率扫描聚焦脉冲。

在不同的实施例中：

至少一些输出脉冲具有至少约100nJ的脉冲能量。

所述光斑重叠可超过约99％。

所述源和放大系统可以是全光纤的。

所述放大系统可包括基于光纤的啁啾脉冲放大器。

在基于激光的系统的一些实施例中，所述基于激光的系统被设置成使得：

第一输出脉冲具有大于约10ps的脉冲宽度并且第二输出脉冲具有小于1ps的脉冲宽度。

所述第一输出脉冲和第二输出脉冲在时间上重叠。

所述第一输出脉冲和第二输出脉冲在时间上间隔小于约1μs。

当扫描速率是第一速率时第一输出脉冲是输出，当扫描速率是第二速率时第二输出脉冲是输出，第一速率小于第二速率。

在至少一个实施例中，多材料工件可包括有图案区域和半导体晶圆区域，所述有图案区域具有电介质和金属材料中的至少一种。加工工件的方法的实施例可包括下述中的一些：用脉冲宽度在约100ps至约500ps范围内的脉冲改性在有图案区域内的至少一部分材料，和用脉冲宽度在约100fs至约10ps范围内的脉冲改性至少一部分半导体晶圆区域。在一些实施例中，至少一个脉冲包括在约100ps至500ps范围内的脉冲宽度，和至少一个脉冲包括小于约10ps的脉冲宽度。在一些实施例中，至少一个脉冲的脉冲能量为至少约100nJ。在一些实施例中，所述图案包括电介质材料和金属材料，并且在至少一部分所述图案内的热积聚足够高以减少或避免电介质材料从金属材料的脱层。在一些实施例中，由改性至少一部分所述图案产生的热影响区(HAZ)的深度部分大于由改性至少一部分半导体晶圆产生的HAZ的深度部分。

本文所披露的用于材料加工的方法的不同实施例可利用本文所述的脉冲激光系统的至少一些实施例来实现。在不同的实施例中，所述脉冲激光系统可包括至少一个光纤放大器或光纤激光器。例如，用于材料加工的方法的实施例可利用结合图1F，2A，2B，3，4A，4B，5，6A，和/或6B所示和所述系统的实施例和/或其它的脉冲激光系统来实现。在一些实施例中，所述激光系统(或其部件，例如振荡器和/或放大器)可利用全光纤设计实施。

本文所述的示例实验，实验数据，表格，图表，曲线图，照片，附图，和加工和/或工作参数(例如，值和/或范围)旨在说明所披露系统和方法的工作条件并且不旨在限制本文所述方法和系统的不同实施例的工作条件的范围。此外，本文所述的实验，实验数据，计算数据，表格，图表，曲线图，照片，附图，和其它数据演示了所披露系统和方法的实施例可有效地工作以产生一个或多个希望的结果的不同范围。所述工作范围和希望的结果不仅仅限于特定值的工作参数，条件，或所示结果，例如，在表格，图表，曲线图，附图，或照片中，还包括包含或涵盖这些特定值的合适的范围。因此，本文所述的值包括表格，图表，曲线图，附图，照片等中所列或所示的任何值之间的值的范围。此外，本文所述的值包括或许通过表格，图表，曲线图，附图，照片等中所列或所示的其它值演示的高于或低于在表格，图表，曲线图，附图，照片等中所列或所示的任何值的值的范围。此外，尽管本文所披露的数据可以建立一个或多个有效的工作范围和/或一个或多个希望的结果用于某些实施例，应当理解，并不是每个实施例要求以每个所述工作范围可操作或要求产生每个所述希望的结果。此外，所披露系统和方法的其它实施例可以在不同于结合本文的示例实验，实验数据，表格，图表，曲线图，照片，附图，和其它数据所示和所述的其它工作范围中工作和/或产生其它结果。

其它系统，设置和参数可用于其它实施例，可提供相同或不同的结果。许多变化是可行的并且在本发明的范围内是可预期的。可以添加，去除，或重新设置薄膜，层，部件，特征，结构，和/或元件。此外，可以添加、去除或重新排序加工或方法步骤。

本文所述方法的某些加工步骤或动作可实施于硬件，软件或固件，可通过一个或多个通用和/或专用计算机，处理器，或控制器执行，包括一个或多个浮点门阵列(FPGA)，可编程的逻辑装置(PLD)，特定用途集成电路(ASIC)，和/或其它合适的处理装置。在某些实施例中，由控制器或控制装置提供的一个或多个功能可被实现为由一个或多个处理装置可执行的软件，指令，逻辑，和/或模块。在一些实施例中，所述软件，指令，逻辑，和/或模块可被存储在计算机可读介质上，所述计算机可读介质包括实现在物理存储装置和/或便于传输信息的传播介质上的存储介质。在不同的实施例中，所披露方法的一些或所有步骤或动作可通过一个或多个处理装置自动执行。许多变化是可行的。

为了本发明的目的，本文披露了某些方面，优势，和新颖性特征。应当理解，根据任何特定的实施例不必然可实现所有所述的优势。因此，例如，本领域的技术人员会认识到，所述系统和方法可以体现或执行以便获得本文所披露的一个优势或一组优势，而不必然获得本文所披露或表明的其它优势。此外，实施例可包括若干个新颖性特征，没有单独的一个所述新颖性特征完全负责实施例的希望属性或对于实现本文所述的系统和方法是必不可少的。此外，在本文所披露的任何方法或工艺中，所述方法或工艺的动作或操作可以按任何合适的顺序执行并且不必然限于任何特定的所披露顺序。

本文所用的有条件语言，尤其是例如，“可以(can)”，“可(could)”，“可能(might)”，“可能(may)”，“例如”等等，除非特别说明，或在所用的上下文中可以理解，一般旨在表达某些实施例包括，而其它实施例不包括，某些特征，元件，和/或步骤。因此，所述有条件语言一般不旨在意指特征、元件和/或步骤对于一个或多个实施例无论如何是要求的，或者一个或多个实施例必然包括决定性的逻辑，不管有或没有编写者输入或提示，这些特征、元件和/或步骤是否包括在或在任何特定实施例中执行。术语“包括(comprising)”，“包括(including)”，“具有”等是同义词并是包含式使用的，以开放式的方式，并且不排除其它元件、特征、动作、操作，等等。此外，术语“或”使用其包括含义(而不是其排除含义)，因此在使用时，例如，连接一组元件，术语“或”表示一个，一些，或一组中所有的元件。

尽管已经描述了本文所述的本发明的某些实施例，但这些实施例只是以示例的方式呈现，并且不旨在限制本文所披露的本发明的范围。涉及贯穿本发明的“某(一)些实施例”，“(一个)实施例”等等，表示结合实施例所述的特定特征，结构，步骤，工艺，或特点包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本发明出现的短语“在某些实施例中”，“在(一个)实施例中”等等不必然全部是指相同的实施例，而可以是指相同或不同实施例中的一个或多个。实际上，本文所述的新颖方法和系统可以各种其它形式体现；此外，在不背离本文所述的本发明的精神的前提下，可以对本文所述的方法和系统进行各种省略，替换，等同，和改变。

Claims (31)

1.一种基于激光的系统，所述基于激光的系统用于划片、切片、切割或加工包括半导体材料和图案的多材料工件，同时限制再沉积材料的积聚，所述图案包括电介质材料和金属材料的至少一种，所述系统包括：

至少一个光学脉冲源，所述至少一个光学脉冲源被设置成产生长脉冲宽度可达到10纳秒的长脉冲和超短脉冲宽度在从10飞秒到500皮秒范围内的超短脉冲，所述长脉冲宽度长于所述超短脉冲宽度；

光学放大系统，所述光学放大系统被设置成放大来自所述至少一个源的脉冲并产生具有至少一个脉冲宽度在从几十飞秒至500皮秒范围内的输出脉冲；

调制系统，所述调制系统包括至少一个光学调制器，被设置成提供输出光学脉冲的重复率；

光束传送系统，所述光束传送系统被设置成将脉冲激光束聚焦和传送至所述工件；和

定位系统，所述定位系统被设置成相对于工件的一种或多种材料在多程通过中定位光束，所述定位系统被设置成以所述重复率和光斑尺寸在工件的一种或多种材料上或内产生预选定的光斑重叠因子的速率来定位光束，所述预选定的光斑重叠因子在75％和99％之间或超过99％；

其中基于激光的系统被设置成使得：

长脉冲被传送到所述图案而超短脉冲被传送到所述半导体材料，

在由长脉冲去除图案的部分期间产生的热影响区的深度程度大于在由超短脉冲去除半导体材料的部分期间产生的热影响区的深度程度，和

在至少一部分的图案内的热积聚足够高以避免所述一部分的图案与半导体材料的脱层。

2.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中图案包括电介质材料和金属材料。

3.根据权利要求2所述的基于激光的系统，其中在至少一部分的图案内的热积聚足够高以避免电介质材料与金属材料的脱层。

4.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中至少一些输出脉冲具有的脉冲能量为至少100nJ。

5.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中至少一些输出脉冲具有的脉冲能量在1μJ-20μJ的范围内。

6.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中所述源和放大系统被设置为全光纤设计。

7.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中放大系统包括基于光纤的啁啾脉冲放大器，所述基于光纤的啁啾脉冲放大器包括被设置成用于啁啾脉冲放大的脉冲展宽器和压缩器。

8.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中放大系统包括至少一个大模光纤放大器。

9.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中定位系统包括光束偏转器。

10.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中光学放大系统被设置成将来自所述源的脉冲放大到能量为至少1μJ并产生具有至少一个脉冲宽度在100fs-10ps范围内的超短输出脉冲，所述光学放大系统包括至少一个大模光纤放大器，所述至少一个大模光纤放大器包括掺杂的大芯泄漏信道光纤放大器、光子晶体光纤、或光子带隙光纤中的至少一个，其中至少一个光纤放大器被设置成使得所述基于激光的系统发射近衍射极限的脉冲输出光束；并且其中所述基于激光的系统被设置成可调节以在从100kHz至10MHz范围内的重复率产生脉冲输出光束。

11.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中至少一些输出脉冲提供从0.25J/cm²-30J/cm²范围内的能流。

12.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中至少一些输出脉冲提供从工件的至少一种材料的烧蚀阈值之上到20倍的所述至少一种材料的烧蚀阈值的范围内的能流。

13.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中半导体材料具有一厚度，并且半导体的厚度通过超短脉冲切割。

14.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中在输出光学脉冲的重复率下发生的再沉积材料的积聚足够低以便省略去除较大量的再沉积材料的随后的加工操作。

15.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中再沉积材料的量足够低使得超声波清洁系统能够去除再沉积材料而不需要基片涂层或化学浸蚀。

16.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中用于从至少一部分的图案去除材料的光斑重叠比用于从至少一部分的半导体材料去除材料的光斑重叠大至少十倍。

17.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中所述重复率在至少500kHz到小于5MHz的范围。

18.根据权利要求1所述的基于激光的系统，其中脉冲光束被聚焦成至少5微米的光斑尺寸(1/e²)。

19.一种基于激光的系统，所述基于激光的系统用于划片、切片、切割或加工具有图案和半导体材料的多材料工件，所述图案包括电介质材料和金属材料中的至少一种，所述基于激光的系统包括：

光学脉冲源；

光学放大系统，所述光学放大系统被设置成将来自所述源的脉冲放大到脉冲能量为至少1μJ并且产生具有至少一个脉冲宽度在从500fs至几百皮秒范围内的输出光学脉冲，其中光学放大系统包括基于光纤的脉冲放大系统，并且光学放大系统包括至少一个大模光纤放大器；

调制系统，所述调制系统包括至少一个光学调制器，被设置成将输出光学脉冲的重复率调节在100kHz-10MHz的范围内；

光束传送系统，所述光束传送系统被设置成将脉冲激光束聚焦和传送至工件；

定位系统，所述定位系统以一扫描速度相对于至少一种材料定位激光光斑，使得用于从至少一部分的图案去除材料的相邻聚焦光斑之间的重叠因子明显大于用于从至少一部分的半导体晶圆去除材料的相邻聚焦光斑之间的重叠因子；和

控制器，所述控制器被设置成连接至至少所述定位系统，所述控制器被设置成在以所述重复率加工工件的过程中控制相邻聚焦光束之间的空间重叠因子；

其中在至少一部分的图案内的热积聚足够高以避免所述一部分的图案与半导体材料的脱层。

20.根据权利要求19所述的基于激光的系统，其中光学脉冲源包括光纤振荡器并且放大系统的一个或多个放大器是光纤放大器，并且其中振荡器和放大系统被设置为全光纤设计。

21.根据权利要求19所述的基于激光的系统，其中基于光纤的放大系统可操作地设置为啁啾脉冲放大系统，包括脉冲展宽器和脉冲压缩器。

22.根据权利要求19所述的基于激光的系统，其中光学放大系统被设置成将来自所述源的脉冲放大到能量为至少1μJ并且产生具有至少一个脉冲宽度在100fs-10ps范围内的超短输出脉冲，其中至少一个大模光纤放大器包括掺杂的大芯泄漏信道光纤放大器、光子晶体光纤或光子带隙光纤中的至少一个，其中至少一个光纤放大器被设置成使得基于激光的系统发射近衍射极限的脉冲输出光束；并且其中基于激光的系统被设置成可调节以在100kHz-10MHz范围内的重复率产生脉冲输出光束。

23.根据权利要求19所述的基于激光的系统，其中至少一些输出脉冲在工件上或工件内提供从0.25J/cm²至30J/cm²范围内的能流。

24.根据权利要求19所述的基于激光的系统，其中至少一些输出脉冲提供在从工件的至少一种材料的烧蚀阈值之上到20倍的至少一种材料的烧蚀阈值范围内的能流。

25.根据权利要求19所述的基于激光的系统，其中所述系统被可操作地设置成划片、切片、切割或加工多材料工件，同时限制在工件上的再沉积材料的积聚。

26.根据权利要求25所述的基于激光的系统，其中在所述输出光学脉冲的重复率发生的再沉积材料的积聚足够低以便省略去除较大量的再沉积材料的随后的加工操作。

27.根据权利要求25所述的基于激光的系统，其中再沉积材料的量足够低使得超声波清洁系统能够去除再沉积材料而不需要基片涂层或化学浸蚀。

28.根据权利要求19所述的基于激光的系统，其中用于从至少一部分的图案去除材料的光斑重叠因子比从至少一部分的半导体材料去除材料的光斑重叠因子大至少十倍。

29.根据权利要求19所述的基于激光的系统，其中所述重复率在从至少500kHz到小于5MHz的范围内。

30.根据权利要求19所述的基于激光的系统，其中脉冲光束在工件上或工件内被聚焦成至少5微米的光斑尺寸(1/e²)。

31.根据权利要求19所述的基于激光的系统，其中定位系统被可操作地设置成以0.1m/sec-20m/sec范围内的扫描速率扫描光束。