CN1867419A - 用于使用微微秒激光器处理存储器连结的基于激光的系统 - Google Patents

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博·古
唐纳德·V·斯马特
詹姆士·J·科丁利
乔汉·李
唐纳德·J·斯维特科夫
夏普德·D·约翰逊
乔纳森·S·艾尔曼
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Abstract

一种用于在微观区域内处理靶物质的基于激光的系统，其不会导致靶物质周围的至少一种物质的电或物理特性发生不期望的变化，所述系统包括一个种子激光器，一个光学放大器和一个光束传送系统。种子激光器用于产生一序列具有预先确定的第一波长的激光脉冲。光学放大器用于放大至少一部分脉冲序列，以获得一个放大的输出脉冲序列。光束传送系统用于传送放大脉冲序列中的至少一个脉冲，并将其聚焦于靶物质上。至少一个输出脉冲具有一个在大约(10)微微秒到小于(1)毫微秒范围内的脉冲持续时间。脉冲持续时间处于一个热处理范围内。至少一个聚焦输出脉冲在靶物质内的一个位置处具有充足的能量密度，以减少靶物质的反射率，并有效地将聚焦输出引入靶物质内，以去除靶物质。

Description

用于使用微微秒激光器处理存储器连结的基于激光的系统
相关申请的相互参考
本申请是2001年8月28日提交的序列号为No.09/941,389的美国专利的部分继续申请，其标题为“具有能量效率的，用于处理靶物质的基于激光的方法和系统”，其为1999年12月28日提交的序列号为No.09/473,926，现为US6281471的美国专利的继续申请。美国专利US6281471所公布的全部内容在此引入作为参考。本申请同时是2002年3月27日提交的序列号为No.10/107,890的美国专利的部分继续申请，其标题为“用于处理多材料设备的基于热的激光器的方法和系统”，其要求了2001年3月29日提交的序列号为No.60/279,644的美国临时申请的权益。以美国专利申请公开号US20020167581公布的序列号为No.10/107,890的美国专利申请所公布的全部内容在此引入作为参考。
发明背景
1.技术领域
本发明涉及激光处理方法和系统领域，具体涉及一种用在微观区域处理靶物质的方法和系统，例如基片上靶物质的基于激光的显微机械加工。本发明可特别地应用于，但不限于，冗余的半导体存储器设备的激光修复。
2.背景技术
在经济性和设备性能的驱使下，DRAMs和逻辑设备的物理尺寸已经非常小了。近年来，不仅设备小了，而且互连和连结厚度也急剧地减小。
关于基于激光的材料处理的总说明可在美国激光研究学会(2003)(Laser Institute of America(2003))的“激光材料处理手册”中找到。主题包括激光钻孔，切割，整修，显微机械加工和连结切割/制造。
一些连结的热激光处理，例如在美国激光研究(2001)第十九章595-615页的激光材料处理手册中的“连结切割/制造”中所描述的，是基于连结上的氧化物和连结本身之间的不同的膨胀。不同的膨胀导致被氧化物包含的熔化连结具有高的内应力。连结上的氧化物必须包含熔化状态下的连结足够长的时间，使得有足够的内应力以使氧化物破裂并急速地去除连结材料。如果应力太低，连结就不会被去除干净。备选的激光波长和激光控制致力于增加激光“能量窗口”且不破坏基片和与连结相邻的材料。
关于连结吹放方法和系统，包括材料处理系统，系统设计和设备设计描述的进一步信息可在下述有代表性的美国专利和公布的美国专利申请中找到：美国专利号4,399,345；4,532,402；4,826,785；4,935,801；5,059,764；5,208,437；5,265,114；5,473,624；6,057,180；6,172,325；6,191,486；6,239,406；2002-0003130；和2002-0005396。
其他的提供关于存储电路连结处理，或相似的激光处理应用背景的代表性出版物包括：“线性单片电路的激光调整”，Litwin and Smart，ICAELO，(1983)；“激光可编程存储器中靶连结爆裂的计算机仿真”，Scarfone，Chlipala(1986)；“精确激光显微机械加工”，Boogard，SPIEVol.611(1986)；“用于特定用途集成电路(asics)的激光处理”，SPIE Vol.774，Smart(1987)；“氙激光修复液晶显示器”，Waters，Laser andOptronics(1988)；“激光束处理和圆片规模集成化”，Cohen(1988)；“存储器冗余连结处理的优化”，Sun，Harris，Swenson，Hutchens，Vol.SPIE2636(1995)，“激光金属切割能量处理窗口分析”，Bernstein，Lee，Yang，Dahmas，IEEE Trans.On Semicond.Manufact.，Vol.13，No.2.(2000)；“连结切割/制造”，美国激光研究(2001)第十九章595-615页的激光材料处理手册。
下一代动态随机存取存储器(DRAM)的要求包括精细间距连结，其连结宽度小于0.5微米且连结间距(中心到中心的间隔)小于2微米(例如1.33微米)。目前的商用激光存储器连结修复系统使用光量开关的，钕基固体激光器，其波长大约为1到1.3微米且脉冲宽度大约为4到50毫微秒(ns)，其非常不适合于满足上述需求。大的(波长限制)光点尺寸和热效应(脉冲宽度限制)是两个限制因素。
在INTERNATIONAL JOURNAL OF ADVANCEDMANUFACTURING TECHNOLOGY(2001)18：323-331中，公布了铜激光处理的结果。使用了一个三倍频率的钇铝石榴石激光器，其脉冲宽度为50毫微秒(ns)。测量的热影响区(HAZ)对于6×108W/cm2的辐照度大约为1微米，而对于大约2.5×108W/cm2的辐照度，其不超过3微米。
为了解决所述问题，人们已经进行了一些尝试。可参考下述美国专利和公布的申请：5,208,437；5,656,186；5,998,759；6,057,180；6,300,590；6,574,250；WO 03/052890；和欧洲专利EP 0902474。总的来说，传统的光量开关毫微米固体激光器即使是短波长，由于其热处理的本质，也不能处理精细间距连结。毫微微秒的脉冲宽度时，材料的相互作用可能是基本上无热的过程，但是毫微微秒激光器的复杂性，高成本和可靠性可能限制其实际的实现。对设备和材料进行修改以支撑激光修复是昂贵的，且仅仅如此可能是不充分的。一个用于精细间距连结处理的改进方法和系统需要避免与热效应相关的问题，且仍旧能够提供高的重复频率的有效的连结去除，而且没有毫微微秒激光器的复杂性。
发明概述
本发明的一个目的是提供一种方法或设备，用以改善存储器连结的激光处理(例如，去除，消融，切断，“吹放”等)的质量
本发明的一个目的是提供一种用于微观区域靶物质的激光处理方法或设备。
为了实现本发明的上述目的，提供一种用于在微观区域处理靶物质的基于激光的系统，其会不导致靶物质周围的至少一种物质的电或物理特性发生不期望的变化。所述系统包括一个种子激光器，一个光学放大器和一个光束传送系统。种子激光器用于产生一序列具有预先确定的第一波长的激光脉冲。光学放大器用于放大至少一部分脉冲序列，以获得一个放大的输出脉冲序列。光束传送系统用于传送放大脉冲序列中的至少一个脉冲，并将其聚焦于靶物质上。至少一个输出脉冲具有一个在大约(10)微微秒到小于(1)毫微秒范围内的脉冲宽度。脉冲宽度处于一个热处理范围内。至少一个聚焦输出脉冲在靶物质内的一个位置处具有充足的能量密度，以减少靶物质的反射率，并有效地将聚焦输出引入靶物质内，以去除靶物质。
所述系统可进一步包括一个偏转器，其用于传送脉冲序列。
所述系统可包括一个变形光学子系统，其用于产生非圆形聚焦输出脉冲。
所述系统可包括一个前置放大器，其用于在光学放大之前，将种子激光序列预先放大至预先确定的脉冲能量水平。
所述系统可进一步包括一个转换器，其用于在光学放大之前，将第一波长转换为第二波长。
所述系统可进一步包括一个调制器，其用于根据位置或速度信息，可控制地选择至少一部分放大脉冲序列，以在相对运动过程中使连结和激光束同步，从而提供至少一个输出脉冲序列到光学放大。
所述系统可进一步包括一个调制器，其用于根据位置或速度信息，可控制地选择至少一部分放大脉冲序列，以在相对运动过程中使连结和激光束同步，从而在光学放大之前，提供至少一个脉冲以在要求时处理靶连结。
所述系统激光脉冲序列可具有大于约1MHz的重复频率，且其中，一个调制器可控制地选择脉冲序列，以将重复频率减小到大约10KHz到100KHz的范围内。
所述系统激光脉冲序列可包括至少一个脉冲，其具有大于约1毫微秒的脉冲宽度，且所述系统进一步包括一个调制器，其用于压缩或限幅至少一个毫微秒脉冲，以产生脉冲宽度在大约10ps到小于1ns范围内的一个脉冲。
至少一个种子激光器可以是光量开关微型激光器或激光器二极管。
所述调制器可以是一个位于种子激光器和放大器之间的压缩器，且压缩在放大之前执行。
所述调制器可以是一个位于放大器之后的限幅器，且限幅在放大之后执行。
种子激光器可以是一个二极管泵浦固体激光器。
二极管泵浦固体激光器可以是一个光纤激光器。
种子激光器可以是一个主动锁模或被动锁模激光器。
种子激光器可以是一个高速半导体激光器二极管。
可使用至少一个光纤光学放大器来执行放大。
光纤光学放大器可具有一个大约30dB的增益。
所述系统可进一步包括一个转换器，其用于将放大脉冲序列中的至少一个脉冲的激光波长从第一波长转换为小于大约1微米的第二波长。
为了进一步实现本发明的目的，提供一种用于在微观区域处理靶物质的基于激光的系统，其会不导致靶物质周围的至少一种物质的电或物理特性发生不期望的变化。所述系统包括用于产生激光脉冲序列的装置，调制器装置，以及用于传送和聚焦至少一个输出脉冲的装置。脉冲序列的每个脉冲可以具有在大约10微微秒到小于1毫微秒范围内的脉冲宽度，所述脉冲宽度在一个热处理范围内。调制器装置可用于可控制地选择至少一部分脉冲序列，从而提供至少一个脉冲以在要求时处理靶连结。至少一个输出脉冲可被传送并聚焦到靶物质上。用于传送和聚焦的装置可包括一个光学系统。至少一个聚焦输出脉冲在靶物质内的一个位置处具有充足的能量密度，以减少靶物质的反射率，并有效地将聚焦输出引入靶物质内，以去除靶物质。
激光脉冲序列可以是一个放大脉冲序列，且其中，用于产生脉冲的装置可包括一个主控振荡器的功率放大器(MOPA).
系统调制器装置可包括一个声光调制器或电光调制器。
电光调制器可以是一个马赫曾德耳(Mach-Zehnder)调制器。
用于传送的装置可包括一个光束偏转器，其用于根据靶物质相对于至少一个脉冲的位置和速度中的至少一个，将至少一个脉冲偏转至靶物质。
仍然为了进一步实现本发明的目的，提供一种用于在微观区域处理靶物质的基于激光的系统，其会不导致靶物质周围的至少一个物质的电或物理特性发生不期望的变化。所述系统包括一个第一激光器和一个第二激光器，一个光束组合器，其用于组合脉冲，至少一个光学放大器，以及一个光束传送系统。第一激光器和第二激光器可用于产生多个激光脉冲，所述脉冲之间具有时间间隔。至少一个光学放大器可用于放大至少多个脉冲的一部分。控制器可用于根据预先确定的靶物质的物理特性控制脉冲的时间间隔。光束传送系统可用于传送并聚焦至少一个放大脉冲至靶物质上，至少一个输出脉冲具有在大约10微微秒到小于1毫微秒范围内的脉冲宽度。脉冲宽度可在一个热处理范围内。至少一个聚焦输出脉冲通常在靶物质内的一个位置处具有充足的能量密度，以减少靶物质的反射率，并有效地将聚焦输出引入靶物质内，以去除靶物质。
系统控制器可进一步包括一个延迟线。
预先确定的物理特性包括一个不同的热特性。
系统预先确定的物理特性包括蒸气等离子体羽流的损耗。
放大器可以是一个光纤光学放大器。
第一和第二激光器的至少一个可以是一个二极管泵浦光纤激光振荡器。
第一和第二激光器的至少一个可以是一个半导体激光二极管。
时间间隔可具有大约2毫微秒到10毫微秒的范围。
参照附图，可以从下述实现本发明的最佳模式的详细描述中容易地看出本发明的上述目的以及其他目的、特征和优点。
附图说明
根据下面的描述，所附的权利要求，以及附图，可以更好地理解本发明的特征，状况和优点：
图1a是一个方框图，其显示了一个用于连结去除的激光处理系统的一部分，其在本发明的至少一个实施例中使用了至少一个脉冲；
图1b是一个方框图，其显示了图1a的外部调制器子系统的一部分，其中一个放大脉冲序列的一部分被可控制地选择，以用于连结的“在空中”处理；
图1c是在一排连结中的一个靶连结的示意性顶视图(未按比例尺绘制)，其以实例的形式，显示了在连结相对于激光束的移动过程中，聚焦激光输出在靶连结上；
图2(a-b)是方框图，其显示了备选的固体激光子系统的一些元件，其每一个都具有一个主控振荡器的功率放大器(MOPA)，其可被包括在本发明的至少一个实施例中；
图3是一个示意图，其显示了一种方案，其用于组合激光脉冲，或使用多个激光器通过延迟触发脉冲产生密集的脉冲序列；
图4是一个图表，其显示了不同热特性的连结和其下基片的爆裂的实例仿真结果，其通过应用具有预先确定延迟的两个脉冲，在不损坏基片的情况下去除连结；
图5a以实例的形式图解了热影响区(HAZ)，光点尺寸和连结间距之间的关系；
图5b以实例的形式图解了流量阈值与激光脉冲宽度之间的依存关系，并显示了相应于本发明的实施例的典型的脉冲宽度范围和脉冲参数；
图5d以实例的形式图解硅的吸收系数于波长的依存关系，并显示了相应于本发明的实施例的典型的激光波长；
图6a是一个方框图，其显示了一个激光子系统的元件，其中图2a或2b的一个种子激光器是一个二极管泵浦固体激光振荡器，且一个二极管泵浦固体激光放大器用于放大种子激光器的输出；
图6b是一个方框图，其显示了一个激光子系统的元件，其中图2a或2b的一个种子激光器，例如，可以是一个微微秒激光二极管或微芯片激光器，其用于产生微微秒脉冲；
图7(a-c)是一个方框图，其显示了另外的设计备选方案，其可用于本发明的一个实施例，包括放大，波长转换，以及“脉冲分频”/“脉冲选择”中至少一个的配置；
图8(a-e)是一个示意图，其显示典型的主控振荡器的功率放大器(MOPA)配置的细节，其可用于本发明的至少一个实施例，其中一个种子激光器通过至少一个光纤光学放大器被放大，以产生微微秒激光，且包括至少一个用于选择脉冲的调制器；和
图9是一个基于激光的存储器修复系统的方框图，其包括一个微微秒激光系统，并进一步显示了本发明的一个实施例。
优选实施例的详细描述
●概述——激光系统体系结构
参照图1a，方框图图解了一个激光处理系统100的一部分，其使用至少一个具有微微秒脉冲宽度(也就是，脉冲持续时间等)1041(例如，在半功率处测量)的输出脉冲104去除导电性连结107，并显示了一些主要系统部件，其被包括在所示的本发明的至少一个实施例中。本发明的至少一个实施例可在子系统101中包括一个二极管泵浦固体激光器，以产生具有脉冲宽度1041的中间脉冲103，所述脉冲宽度位于优选的微微秒范围内。例如，所述激光器可以是可用的商用二极管泵浦固体(主动或被动)锁模激光器。为了以优选的波长操作，系统101的输出103可以被光学转换器105(例如，一个谐波发生器)转换波长，例如从近红外波长转换为可见或近紫外波长。
单个或多个脉冲可被选择并传送至连结107，且根据连结107，基片110，上绝缘层1091和下绝缘层1092中的至少一个的物理特性，所述被传送脉冲可具有一个预先确定的脉冲宽度以及脉冲之间的时间间隔。光束传送系统可包括偏振控制器，传递光学装置，光束扩展装置，缩放光学装置，以一个物镜，以在连结107产生一个接近衍射极限的光点。可选的外部调制器子系统108可在计算机控制下操作，以在要求时提供脉冲以及变化脉冲功率。举例来说，脉冲组106内的脉冲102省略(如虚线所示)。专利号US5998759和US6281471的美国专利(例如，第12栏，第63行-第14栏，第33行，以及‘471专利的附图)讲述了调制器的使用，以在连结和激光处理系统中的激光束相对运动期间，当要求时提供一个脉冲，以辐射连结。
参照图1b，其显示了图1a中的外部调制器子系统的一部分的一个方框图，其中脉冲序列103的一部分被可控制地选择，以在基片110和激光束(“在空中”)相对运动期间用于处理连结。动作可以是三维的：X动作113，基片110的Y动作(未显示)，所述基片通常安装在一个晶片台上，以及光束传送系统内的至少一个光学元件114的Z轴向动作。参考专利号US6114118和US64830711的美国专利，其转让本发明的专利受让人，以用于相对于一个连结的位置定位晶片和激光束腰的精确定位方法和系统。控制器121通常根据涉及连结位置相对于激光束位置的位置信息，速度信息，或者位置和速度信息两者，产生控制信号122。控制信号122通常选通(也就是，控制)光学开关120。光学开关120通常提供输出脉冲106，其为输入脉冲序列103的一部分。因此，当调制器(例如调制器108)用于选择至少一个输出脉冲104时，所产生的脉冲103可具有一个被控制的输出重复频率以及时间间隔，所述脉冲104辐射一个和多个连结(或其他显微结构)。光束传送系统中的至少一个光学元件114可用于高速精确定位光束腰，并进一步优化聚焦输出脉冲的传送。
参照图1c，靶连结107上的典型的脉冲激光输出包括两个与所选择的脉冲104相应的聚焦激光脉冲1042，其每一个都具有相同的光点尺寸。距离113与相对运动113期间脉冲之间的时间间隔相对应。如果距离1043占连结宽度的相对较小的部分，例如小于25％，连结中所包含的能量部分将接近精确的光点定位。距离(或位移)1044通常表示激光输出的有效尺寸，其等于精确定位的激光点的尺寸。当时间脉冲间隔增加时，相对运动的速度也增加，或者使用更精细的连结间距(中心到中心的间隔)以应对增加方案。
公布的美国专利申请US2002/0167581，其转让本发明的专利受让人，且在此引入作为参考，描述了用于将激光脉冲引导至一个或多个连结的不同的方法和子系统。光学子系统或变异体通常包括一个高速、单轴偏转器，当需要时，其可被结合入光束图1a中的传送系统。可特别参考‘581中的图19和20以及相应的描述部分，以了解‘581所公布内容的进一步信息。此外，聚焦输出可包括多个光点，其具有至少一个不等的光点分布或能量密度。例如，所述公布内容的图17图解了一个用作“清理光束”的聚焦脉冲。
参照图2a，其显示了一个备选固体激光器子系统的额外细节的方框图，其可被包括在本发明的一个实施例中。一个种子激光器(例如，振荡器211)产生一个脉冲序列214，脉冲通常具有足够的能量，以适合于激光放大器212的放大。种子激光器可以以预先确定的频率或“增益关联”而“自由激光振荡”，以在计算机控制下产生脉冲。为了脉冲激光放大器稳定可靠的操作，一个实际的考虑方案是在额定的平均功率内操作。所述操作考虑方案可导致在给定脉冲能量，脉冲数量和重复频率之间的达到工程平衡。
在一个备选方案中，显示于图2b(未按比例尺绘制)，脉冲序列214的一部分可被一个适合的调制器配置1081(与图1a中的108相似或相同)可控制地选择，以在基片110和激光束(“在空中的”)相对运动期间处理连结，不过其是在脉冲序列的放大212之前，所述放大将脉冲序列放大至连结处理所需的能量水平。“脉冲分频”，“脉冲限幅”或“脉冲选择”操作可用于配合激光放大器212的重复频率，其可在种子激光器211的重复频率的数量级之下。例如如果R是脉冲序列214的重复频率，那么R/n就是当每个第n个脉冲被选择时，调制器1081的输出的重复频率。如果214表示一个50MHZ的脉冲序列，当n＝1000时，调制器的输出将是50kHz。在至少一个实施例中，脉冲序列重复频率可被非整数除(例如19.98)并在一个相对小的范围内变化，以同步所选择的脉冲和连结的位置，从而补偿运动系统的变化。可通过在108，1081中的之一或两者的控制器121执行所述操作，并可根据位置和/或速度信息。
在本发明的至少一个实施例中，多个相邻的脉冲可被选择。举例来说，激光放大器212显示了三对从脉冲序列214中选出的连续的放大脉冲，给定的一对其后可被选择性地应用于连结107，同时提供了一个减小的输入重复频率以及对于放大器212来说低的平均输入功率。如果214表示一个100MHZ的脉冲序列，一对连续的输出脉冲之间的间隔将为10毫微秒。通过量和重复频率通常是相关的。优选地，放大器输出频率应足够提供快速的连结处理频率以及“即时脉冲”能力，同时要限制系统位置和/或速度控制的复杂性。优选地，放大器输出103，106的三对典型脉冲在连结和激光束的相对运动113期间，可被应用于同样数量的三个连续的连结。外部调制器108可用于帮助不被处理的连结阻挡激光能量。
同样地，依靠放大器212的光谱响应，可选的波长转换器1051可用于将种子激光器211的波长匹配至放大器212良好的(或兼容的)波长范围。调制器子系统1081和波长转换器1051可单独使用或与子系统108结合使用，以根据特定应用的特殊设计标准，将最终的脉冲时间间隔和能量水平控制为适合的量值。
参照图3，其显示了另一个备选方案，其使用多个激光器，通过延迟触发脉冲，合并激光脉冲，或产生一序列密集的脉冲。触发脉冲之间预先确定的延迟(例如，t1到t2)可确定用于多脉冲应用的时间间隔。合并的输出可为光学放大器提供种子脉冲。例如，两个或多个脉冲(或脉冲组)可用于分割连结107。所述方案可用于提供准确的时间脉冲间隔的控制(例如，对于脉冲对的2-10毫微秒，100-500MHZ有效比率或“猝发传输率”)。
如美国专利申请公布号2002/0167581(‘581)中所公布的，其被在此引入作为参考，并转让本发明的专利受让人，激光系统可包括一个可编程的数字延迟线301，其用于控制脉冲时间间隔t2-t1，激光器302，一个用于光束合并的偏振管303，以及可选的放大器304，以当需要时提升能量水平。举例来说，为了了解额外的细节，可特别参考‘581中的第120-122段，194-197段，以及权利要求。
子系统101内的激光彼此通常在大约0.150微米到1.3-1.55微米的范围内，后面的范围相应于用于高速电信的二极管激光波长。在一个实例中，激光波长可被倍乘(例如，三倍)，或通过转换器105被拉曼位移为近红外，可见，或紫外波长。
●激光器参数和连结去除
随着连结间距和尺寸的减小的趋势，为了不损坏基片110或可能不需要处理的相邻的连结(未显示)而去除连结107，需要综合考虑至少三个参数：(a)在靶上的激光束尺寸和其震深；(b)光束定位精确度(例如，三维空间中，相对于连结的激光束腰的位置-例如至少一个元件114的受控的X-Y动作和Z轴动作)；和(c)热影响区(HAZ)。
参照图5a，其中在3-5微米范围内的连结间距521，理论最小间距遵循公式：
最小间距＝光束半径+位置误差+0.5连结宽度               (1)其中，激光束所产生的热效应被认为是可忽略的。
例如，GIS Lumonics Model M430存储器修复系统，本发明专利受让人所制造，提供了一个大约1.6微米的典型光点尺寸，且大约+/-0.2微米的定位误差。典型的脉冲宽度为大约4-10毫微秒，且相应的热影响区大约微.85-1.4微米。
Model M430系统能够处理具有最小间距约为2微米的的连结(假设连结宽度约为0.5微米)。
然而，当间距接近热扩散长度的尺寸时，连结107区域内的热效应可能显著增加。那么所述公式变为：
最小间距＝光束半径+位置误差+0.5连结宽度+HAZ           (2)其中HAZ(热影响区)522时热效应测度。热影响区(HAZ)通常由(D*t)0.5所确定，其中D是热扩散系数和激光脉冲宽度。材料熔化或蒸发深度的实际值也要依靠靶上的实际能量和功率密度。
HAZ可扩展过聚焦光点523并相反地影响与光点相邻的周围区域。在一些情况下，被影响的区域可能要比光点本身大几倍。相对较大的HAZ通常会使得激光处理的可控性和精确度更差。在吹放连结的情况下，相对较大的HAZ尺寸也可能是处理窗口(邻接的连结损坏)上限的限制因素之一。
倘若相对于连结合适地定位，衍射极限光点和短的激光波长(例如，0.355微米)可将此问题减轻到某种程度。然而，如果系统(包括X、Y、Z动作子系统)的定位公差524是+/-.1微米(对于高速连结处理来说有些严格的要求)，对一个.38微米宽度的连结释放激光束可能需要大约0.58微米的光点尺寸。假设0.355微米的波长，以及10毫微秒(ns)的脉冲宽度，估计HAZ大约为1.3微米。同样地，处理连结的实际限制可相应地约为1.9微米间距。因此，通常希望脉冲宽度更短。
减小脉冲宽度通常也可减少HAZ。然而，当热效应相对于光束尺寸和位置误差变得非常小的时候，在改善其他的重要贡献因素(例如，光束尺寸和定位)之前，进一步减少热效应可能会是不必要的。热效应从毫微秒范围减少到微微秒范围，对于处理较精细间距连结可能是足够的。对于去除(也就是，分割，“吹放”，消融，等)精细间距连结来说，可不必进一步将脉冲宽度减小到毫微微秒范围以消除所不希望的热效应。
根据本发明，有限的热交互通常发生在热影响区内，所述区域基本上小于连结间距和激光输出相对于靶结构的相对位置的累积公差。例如，大约0.3微米到大约1微米的热影响区(HAZ)通常用于2微米或更小的连结间距的改善处理。优选地，HAZ将在三维空间中小于激光输出的定位公差(例如，在每个方向上都小于0.1微米，且通常可被认为是可忽略的)。
本参考引用的专利号6,281,471的美国专利详细说明了短的、快速上升时间的脉冲使用的基本原理。特别地，第4栏，第45行-第5栏，第19行详细说明了减小反射率以改善与靶物质的耦合的效果。如果在金属靶结构(例如，铝)上的辐照度大于约109W/cm2，靶结构的反射率被减小且结构能量的耦合被改善。热扩散率(相对于HAZ)通常随着脉冲宽度的平方根变化。短的激光脉冲通常可减小或防止热扩散到熔化的连结下面的基片，以及热侧向传导至与连结相邻的材料。
当连结间距变得更加精细的时候，毫微秒脉冲的热交互可能会愈加无序，从而导致连结去除的精度不足。如图5b中所图解的，可加热并熔化相对较大体积的材料，并通过蒸汽压力和结构辐射压力的反作用所驱动的熔化排出来实现材料去除。在精细尺度下，除材料的形状和体积可以是不规则的，并包括一个不可接受的大的统计变化。对于微微秒高峰值功率脉冲，交互可能变成非线性的，最初伴随着雪崩电离，其中金属中的高自由电子密度导致了反射率的减小，伴随着减少的统计变化。对于所述短脉冲，激光能量通常限制在一个薄层里，且通常快速地蒸发。使用开始消融的减小激光流量，材料去除通常变得更加精确和确定。使用微微秒脉冲的材料的去除可进一步包括通过材料排出(固体和蒸汽)，从激光处理区域去除热。微微秒量级的连结去除处理，例如叠加的绝缘层1091和内层1092，可以是消融去除和热机械压力的混合。对于脉冲宽度和能量密度，通过材料排出从连结处理区域去除热，通常有助于靶连结结构的去除。
举例来说，图5c显示了对于两个典型的绝缘材料(例如，参见专利号5,656,186的美国专利和公布文献Du et al.，“具有从7ns到150fs的脉冲宽度的，依靠SiO2中碰撞电离的激光感应击穿”，Appliedphys.，lett.，64(23)，6 June 1994，pp 3071-3073)在流量阈值的变化。众所周知，由于较高的自由电子密度，对于金属来说，流量阈值通常非常低(例如，十倍或更多)。在击穿点之下时，阈值501、502随着材料而变化，但是统计变化(误差棒所示)通常相对较小。在图解的实例(出版物中所公布的数据所提供)中，501变化1/(脉冲宽度)，而502几乎近似为常量(如‘186专利中所述)。在击穿点之上时，近似平方根的关系，不过显示了随着脉冲而增加的变化，特别是在毫微秒量级。
金属击穿点的特征脉冲宽度通常可为大约10ps(例如，见利号5,656,186的美国专利)。根据本发明，典型的脉冲宽度小于1毫微秒，且最优选地，非常接近击穿点的特征脉冲宽度，使得有害的热效应可以被忽略(例如，本发明生产减小的HAZ和统计变化)。然而，本发明的连结去除过程通常是一个热过程。因为激光脉冲宽度长于击穿点，并优选地接近击穿点，所以激光脉冲和材料之间的交互主要是一个热过程。
本发明将提供一个有效的连结去除处理，而不是一个由光学吸收深度所定义的慢的蚀刻处理，其对于大多数的金属来说，仅相当于每脉冲几毫微秒。由于击穿点是由材料所决定的，因而脉冲宽度的下端也是由材料所决定的。一个优选脉冲的最小脉冲宽度可以在几微微秒(ps)到大约10ps的范围内。最大脉冲宽度通常小于大约1毫微秒(ns)，并通常将由容许的热影响区所确定。通常，本发明的脉冲宽度将在从击穿点之上到小于1ns的范围之内。一个脉冲宽度可以在大约10-100ps的范围505之内，如40-100ps。一个最优选的脉冲宽度是在大约10ps到大约40ps，或大约10ps到大约50ps的范围506之内。
产生微微秒脉冲的激光系统相对于毫微微秒激光器来说，通常更简单，更可靠和稳定，以及更加经济。一个显著的不同是用于毫微微秒高峰值功率脉冲的生成的脉冲压缩的实现。
多个参考文献进一步详细说明了毫微微秒-微微秒脉冲范围的交互。例如，Chichkow et al.，“固体的毫微微秒，微微秒和毫微秒激光消融”，APPLIED PHYSICS，A 63，109-115，1196提供了理论背景和实验结果。毫微微秒脉冲被发现可忽略传导入靶的热，以得到一个好的近似值，且其过程可认为是一个从固体到蒸汽的直接转换，从而导致了精确的激光处理。消融深度与激光脉冲流量成对数依赖关系。对于微微秒脉冲，消融伴随着热传导和在例如金属的靶内的一个熔化区的形成。当传导入靶的热可以忽略的时候，(其是一个相当粗略的假设)，那么对于微微秒脉冲来说，消融深度和流量的对数依赖关系通常是可能的。然而，由于热波的传播和大的熔化材料层的形成，在毫微秒范围内的处理通常被认为要复杂的多。
Jandeleit et al.，“薄铜膜的微微秒激光消融”，APPLIED PHYSICS，A63，117-121，1996，公布了消融实验结果，其中使用微微秒脉冲在熔融石英上的薄铜膜上钻孔。虽然具有大于击穿点的特征脉冲宽度的高密度微微秒脉冲通常遵循平方根关系，但是当与毫微秒和更长的脉冲相比较时，减小的热影响区和较低的热负荷可提供快速的加热和靶物质的去除。每40ps波长为1.053微米的脉冲，在大约3.1um直径的光点上的大约1010-1011W/cm2的密度去除(平均)大约.1-.2μm的材料。与已知的铜的波长1.053微米的光学吸收深度的结果相比较，说明了热传导通常确定了消融深度。在被去除材料中的脉冲-脉冲变化可能是显著的(例如，2∶1)。然而，HAZ相对较小，且间接地损坏也最小。
因此，从大约10-25ps到击穿点(通常小于10ps)之下的脉冲宽度所具有的益处，相对于通过光束光点尺寸的减小和整个系统能力的定位误差的改善而得到的益处而言，通常并不显著。此外，毫微微秒激光源的成本通常比微微秒激光系统高的多，特别是基于光纤激光的微微秒激光系统。
连结处理包括靶结构的去除，其通常是一个金属薄膜。连结通常被具有不同的热和光性质的材料(例如，钝化层1091、1092、基片110)所围绕。同样，相对于与相似“容积”的材料交互的材料处理来说，某些多材料交互机制可能有些复杂。通常至少一个尺寸(例如，连结宽度)是相当于可见光或紫外(UV)光的波长的。还有，随着更精细连结间距技术的出现，连结处理装置的设计人员需要仔细考虑封闭在连结尺寸内的光点能量的分数。在至少一个实施例中，激光波长小于一微米，例如，0.90微米或更小，以获得连结上更小的光点尺寸连同减小的脉冲宽度。
由于最小的光点尺寸通常是与波长成比例的，因而任何波长的减小都将有益于可能达到的最小光点尺寸的减小。此外，在所述的更短的波长时，对于同样的光点尺寸，聚焦深度通常更大。例如，对于一个1064nm的激光，受衍射限制的光点尺寸近似于(也就是，大致，几乎，大约，基本)1.2微米(受衍射限制的光点尺寸＝(常量)*波长*透镜的孔径焦距比)。当波长减小到0.8微米时，受衍射限制的光点尺寸将相应地减小20％，也就是，近似0.9微米。通常，对于精细间距处理，小于大约1.5微米的光点尺寸是优选的且最优选的是1微米或更小。在本发明的至少一个实施例中，可使用非圆形的光点外形(例如，变形光学子系统生成的椭圆形光点)(例如，参见美国专利申请号US2002/0167581)。特别地，在第133-136段图解了在至少一个实施例中，一个非圆形的光点是如何可以改善封闭在连结中的能量的。
可能会遇到材料变化(例如，变化，或者由于设计，由于处理缺陷，或者作为处理的副产品)，其通常被预期，以随着间距减小，进一步影响处理能量窗口。连结可以是金属(例如，铝、铜、金，等)，多晶硅，或难熔的金属。连结可覆盖至少一层氮化硅(Si3N4)1091，且一层二氧化硅(SiO2)1092可分隔基片110和连结107。不过，在一些情况下，连结可能不覆盖一个外层。此外，基片或绝缘层以及下一代的绝缘体(例如，低k聚合材料)中存在的杂质、掺杂物，每个都会严重影响材料的光学特性。在大于绝缘体1091、1092的吸收边，并小于基片110的吸收边的波长范围内，使用长的激光脉冲时，很容易就会损伤基片。
对于激光波长，连结107是基本可反射的。根据本发明，激光输出波长通常在基片吸收边之下，并因此相应于一个吸收和/或反射波长区域。激光波长通常在绝缘层1091、1092的吸收边之上，在一个实例中，绝缘层可以是无机的，且对于一个与目前的半导体存储器一起使用的典型的无机钝化层来说，通常将相应于一个充分最大化的发射区域。
参照图5d，显示了硅的吸收系数中典型的变化，其吸收在短波长时非常高。掺杂质(未显示)通常可改变吸收并将近红外吸收边移位值更短的波长。公布的欧洲专利申请EP 0 902 474，1999年3月17日公布，教导了使用一个或多个材料遮蔽基片，以避免基片损伤。使用所述修改，更短波长的激光可用于连结间距的减小。遮蔽材料可以是金属，复合金属，或绝缘体。所述修改也可与本发明一起使用，以进一步增强性能。
根据本发明，激光波长可以从低于大约0.4μm到大约1.55μm的范围内。典型的波长可以是在紫外范围(例如，514，212-266nm)近紫外(例如，510，355mm)，可见(例如，511，大约500nm，例如532nm)和近红外光谱(512，大约750-850nm或513，大约1μm)。可以看到，硅吸收在整个波长范围变化大约1000∶1。优选的波长可以是在从大约.18微米到大约.55微米的范围内。其下限可由层的吸收来确定。对于硅基片，在较短波长时，吸收和反射都增加。在整个感兴趣的波长范围，硅半导体的特性从近红外类似绝缘体的特性到紫外范围内的类似金属的特性急剧变化。对于二氧化硅和氮化硅，在整个可见和近红外范围内，内部透射和单表面反射基本不变。对于典型的大能带隙绝缘材料，光谱透射曲线通常显示在紫外波长时透射有某种程度的减小。例如，在激光科学和技术手册中(HANDBOOK OF LASER SCIENCE AND TECHNOLOGY)，说明了当波长大于.18μm时二氧化硅的透射范围。二氧化硅和氮化硅的吸收系数在可见范围内(＞400nm)都保持相对较低并在紫外范围内逐渐增加。
如果预先确定的波长低于基片的吸收边，基片上的脉冲能量密度可能减少，且处理窗口可能被至少一个因素增加：(a)光束发散性(聚焦的浅深度)；(b)绝缘表面反射；(c)光束衍射；(d)多散射(例如，由搀杂物或杂质引起)；(e)内部反射(其可能随着聚焦激光束的数值孔径变化)；(f)多层干涉；和(g)在微观结构内的非线性吸收(如果在三维空间中正确定位，那么在高峰值功率激光脉冲的前缘，金属中的自由电子密度增加吸收，且去除连结材料的频率可比基片的快。基片受离开连结的能量的辐照(例如，较低峰值的密度)，且具有比连结更少的自由电子。
为了处理小于0.5微米厚的连结，例如，铝或铜连结，峰值能量密度(Joules/cm2)范围从大约0.2J/cm2到300J/cm2，其典型值在2-80J/cm2范围。峰值功率密度范围从大约5×109W/cm2到1.2×1013W/cm2，其典型值在5×1010-2×1012W/cm2范围。对于一个具有1微米光点尺寸的40ps脉冲宽度的激光，用于分离小于0.5微米厚度的连结的脉冲能量范围通常在0.001-3微焦耳范围内，典型值在0.02-1焦耳范围。
或者单脉冲或者多脉冲都可用于去除连结。如果一个单脉冲用于去除连结，微微秒激光系统通常提供在10KHz-120KHz重复频率的，每脉冲大约1-5微焦耳的范围。一个典型的范围是从小于大约1微焦耳到最大2微焦耳。优选地，使用一个振荡器/放大器配置来实现单脉冲处理，例如图2a中所示的种子/放大器配置。
在本发明的一个实施例中，多脉冲可用于去除连结，其中微微秒激光系统提供在至少1MHZ重复频率的，每脉冲至少0.001微焦耳(1毫微焦耳(nj))。在三维空间中的，连结和激光束之间的相对运动过程中(例如，沿X-Y轴5-50mm/sec)，应用于连结的脉冲可被认为是用于连结去除的单脉冲。在本发明的另一个实施例中，可以以10-100MHZ的重复频率应用大约15-20个脉冲，每个具有使用单脉冲去除连结所需能量的十分之一，同时通过一个连结的部分。
本发明的实施例也可以包括多个密集的放大脉冲，例如，两个或多个脉冲，其每个具有使用单脉冲去除连结所需能量的大约50％。通过激光系统101内的调制器子系统1081，外部调制器子系统108，或其组合的控制，可选择脉冲。
在一个多脉冲处理中，可根据连结和周围材料的预先确定的物理特性(例如，不同的热特性)，选择用于根据需要辐照连结的脉冲之间的时间间隔。参照图4，仿真结果，例如，证明了利用连结和其下的基片的不同热特性的效果，其通过应用两个具有如所示的预先确定的延迟的脉冲，以去除连结而不损伤基片。根据获得的仿真结果(在此例中，使用了具有方形形状的毫微秒脉冲)，具有“单爆发”能量的50％能量的“双爆发”(例如两个脉冲)非常引人注意。硅基片通常用作散热片，且其相对于连结非常快速地冷却。如图5a中所示，其结果显示基片110仅在10到20ns内就稳定到室内温度。连结107(铜)的恢复非常慢，其说明了明显不同的热特性。根据所述结果，第二个脉冲通常也将清理在切割位置(也就是，连结去除)的残余物，从而导致一个“开路”。
如果，例如，使用一个60MHZ锁模系统(例如，微微秒脉冲)，输出脉冲序列的连续脉冲之间的间隔可于预先确定的间隔紧密相配合。例如，如果希望更大的时间间隔，可使用一个高速调制器配置以选择任何脉冲序列或脉冲组。更高的重复频率可用于减小脉冲时间间隔，或者如图3中所示，可提供第二个激光。例如，可生成两个激光，每个都具有从大约40ps到100ps范围内的脉冲宽度且间隔2-10ns。举例来说，光量开关微激光可用于提供重复频率大约10KHz-100KHz的几毫微秒的脉冲宽度。可进行毫微秒脉冲的进一步处理(如所示，例如，在图8b中所显示的实施例)，其中一个高速调制器用于“切片”或压缩脉冲至微微秒量级，继之以放大。关于时间脉冲成形的进一步细节，可参见美国专利号US6281471和US4483005(标题“影响脉冲宽度”)，其被转让给本发明的专利受让人。
可利用其他的物理特性。应用超短脉冲于不同的材料，例如在50毫微微秒到几微微秒范围内，激光束的等离子体屏蔽通常是可忽略的，如几个参考文献中所述(例如，Zhu et al.，“激光参数和材料特性对使用毫微微秒激光脉冲的微钻孔的影响”，APPL.PHY.A 67(Suppl.)5367-5371(1999)。尽管不如在毫微微秒范围内的操作那么有效率，具有优选的接近击穿点和比击穿点长一些的(例如，长5％到25％的范围)脉冲宽度的微微秒脉冲可提供比毫微秒更好的激光能量的耦合。例如，脉冲可在大约10ps到100ps的范围内，且最优选地在大约10ps到大约40ps的范围内，或10ps到大约50ps的范围内。较长脉冲的能量耦合，例如10-30毫微秒，由于排出的蒸气/等离子体/羽流，可能会严重退化。此外，入射的光束可散射，并产生大量离开连结的能量，其可减小处理能量窗口。
因此尽管对于“在空中”去除的目的来说，一系列微微秒脉冲相当于一个多毫微秒脉冲，但是当使用多个的，其每个在脉冲之间都具有至少几毫微秒的时间间隔的脉冲时，激光与材料的全面交互作用和处理结果可能非常不同。美国专利US6552301公开了超快激光脉冲猝发的使用，每个脉冲都具有小于大约10ps的脉冲宽度，并在各个脉冲之间具有时间间隔，以利用前一脉冲与靶物质的交互作用所产生的选择瞬间效应的持续。此外，“使用在1054nm的微微秒脉冲(ps-pulse)猝发的透明玻璃和铝的激光显微机械加工”，Heman，CLEO 2000，CDF3，(2000)，公开了7.5ns脉冲间隔将羽流吸收效应减小到一定程度。时间间隔可根据(至少)第一个高峰值功率微微秒脉冲应用之后，用于蒸气/等离子体/羽流的实际耗散的时间间隔来预先选择。典型的范围是大约5ns到几百毫微秒。附加的脉冲可随后应用于有效的耦合。
此外，当具有高功率密度(例如，109-1013W/cm2)的微微秒脉冲应用于连结时，依赖密度的非线性吸收，例如在绝缘层1092或其他相邻材料内，在连结被去除之后可减弱入射能量，并可减小基片或间接连结损坏的可能性。杂质(由于设计，或是处理缺陷或副产品)晶格缺陷或各种处理缺陷的存在可增强在一个或更多绝缘层中的非线性吸收。此外，一些低k绝缘体例如聚合绝缘体的光学特性可通过非线性吸收来支持材料的受控去除。
●微微秒激光实施例
钕(Nd)杂质固体激光器(Nd:YAG，Nd:YLF，Nd:YVO4)或其他稀土元素(例如，镱(Yb)，钕(Nd)，铒(Er))杂质光纤激光器的固体激光波长可以是1.3、1.18、1.09、1.064、1.053，或1.047微米。优选的激光波长的也可以是这些和其他适合激光的第二、第三、第四，和第五谐波，以获得更小的光点尺寸和更大的聚焦深度，从而满足特定应用的设计标准。例如，也可使用激光波长在紫外(例如，自第三谐波的355nm，自第四谐波的266nm，和自第五谐波的212nm)，可见(例如，自第二谐波的532nm)，近红外波长(例如，700-900nm)的激光源，其相对于传统的波长可改善光点尺寸。
钛蓝宝石锁模超快激光器(mode locked Ti：sapphire ultra fast laser)是一个这样的激光系统，其产生脉冲宽度在750到850nm范围的微微秒范围的激光脉冲。另一个是稀土元素杂质光纤激光器，其产生在800-980nm范围的波长。
现在将更加详细地描述可包括在本发明的实施例中的典型激光子系统。在一个实施例中，相应于图1a，可包括一个经济适用的二极管泵浦，被动锁模或主动锁模系统。外部调制器系统108可被实现以传送选择的106脉冲至连结107。
在图2a中显示了可用于本发明至少一个实施例的另外一个激光配置。在一个MOPA(Master Oscillator Power-Amplifier主控振荡器的功率放大器)配置中，微微秒种子激光器(例如，振荡器产生一个在用于放大的范围内的输出)和(功率)放大系统用于获得所需的脉冲能量。
参照图6a，显示了一个方框图，其图示了激光子系统的额外的细节，其中图2a或图2b中的种子激光器211是二极管泵浦固体激光振荡器602。二极管泵浦固体激光放大器603可用于放大种子激光器的输出。振荡器602可以是锁模二极管泵浦固体振荡器种子。外部调制器子系统108可用于控制每个连结上的脉冲数量以及脉冲之间的时间间隔。锁模振荡器相对于传统的光量开关激光器来说，通常是以非常高的重复频率(＞1MHZ)运行。激光系统以可包括图2b的带有控制信号202(例如，在典型的20-150KHz范围内)的调制器子系统1081，以连结相对于激光束运动期间，处理连结时，控制在每个靶上的脉冲数量。在任何情况下，种子激光器(例如，其，如果适合，可以是封装的经济适用的激光源)可包括一个内部前置放大器，以将脉冲能量放大至适合的范围，以用于功率放大器603的功率放大。
一个备选配置可包括一个二极管泵浦，锁模，微微秒光纤激光振荡器，以作为种子激光器602。如果二极管泵浦、固体放大器603是光纤光学放大器，那么就可构造全光纤激光系统。
在美国专利No.5,400,350、5,701,319，和5,818,630中公开了适用于放大高功率短脉冲，特别是超短脉冲的典型光纤配置。典型的激光器包括IMRA所提供的Femtolite和Watlite系列，’350、’319和’630专利的专利受让人。通过镱光纤放大、基于Femtolite的光源，已经实现了降至0.1ps持续时间的，具有1瓦特的平均功率的，具有在1.03-1.06微米范围内的输出波长的脉冲。其他的波长，(例如，780nm)和1.03-1.06微米激光的倍频(第二谐波)输出也可来自IMRA。在美国专利No.6,281,471(转让给本发明的专利受让人)和International Published Patent Application WO98/92050中也有额外的信息。
各种其他的固体激光放大器配置可适用于本发明的至少一个实施例。平面波导技术可很好地适用于高峰值功率，短脉冲的应用。转让给本专利的专利受让人的美国专利公布2003/0161375，2003/0160034，和2003/0021324，以及相关参考文献公开了一些波导放大器实施例。尽管不如光纤放大器技术那么容易实现，波导设计可提供高峰值功率输出和好的光束质量，而没有所不希望的种子波长的拉曼位移(Raman shifting)。平面波导放大器也可以很好地适用于毫微微秒脉冲放大器。
参照图6b，显示了一个方框图，其图示了一个备选激光子系统的额外细节，其中图2的种子激光器是一个微微秒激光二极管611，其用于产生微微秒脉冲。二极管种子激光器可以直接调制。
可替换地，二极管激光器可用于产生毫微秒脉冲，其在激光系统中被进一步处理以产生微微秒脉冲(如更多的细节显示，例如，与图8b一起)。
在此外的另一个配置中，种子激光器611可以是主动和被动光量开关微芯片激光器。可来自Advanced Optical Technology的AOT-YVO-1Q是经济适用的微型激光器的一个实例。例如AOT以20KHz重复频率提供可行的2毫微秒脉冲宽度。倍频形式也是可行的(532nm)。JDS Uniphase也可提供微型激光器。在任一情况下，调制器可用于减小脉冲宽度，如更多的细节显示，例如，与图8b一起。二极管泵浦光纤激光放大器可用于放大种子激光器的输出。
一个优选的实施可包括二极管激光器，其作为种子和光纤激光器的放大器，以获得微微秒激光脉冲。光纤激光系统可具有简洁，良好的光束质量和控制，高的系统可靠性，容易的热管理，以及免维护操作的优点。美国专利US6281471和WO 98/92050公布了主控振荡器的功率放大器(MOPA)的多个特征，其中使用了光纤放大器来放大二极管种子激光器。
在至少一个实施例中，可通过种子激光器的“增益关联”控制序列脉冲的时间间隔，例如，如美国专利US6281471中所讲述的。高速脉冲激光设计通常单独和组合利用光量开关、增益关联、或锁模操作。可使用“脉冲抽运”(例如，图6a的泵浦二极管模块的实时控制)，其所提供的输出稳定性是可接受的。美国专利US5812569公开了稳定脉冲固体激光器输出能量的一个典型方法。
激光子系统101(且来自放大器603)的输出可以是被转换器转换了的波长。波长转换器，包括谐波生成模块，或其他波长转换器可用于根据处理的需求将波长转换为更短或更长的波长。波长转换或变换技术已经众所周知，并有文件资料(被证明)。波长转换器的实例包括拉曼位移器、频率上转换或下转换、倍频，等等。例如Concept Design Inc.提供毫微微秒钛蓝宝石输出(基波长在750-850nm范围内)的第二、第三、和第四谐波变换，其可生成如大约215nm短的可行的波长。Coherent，SpectraPhysics，和Lumera提供另外的产品，其包括超快速频率变换器。
参照图7(a-c)显示了方框图，其图示了可用于激光子系统101内的各种备选配置。在图7a中，波长转换器701置于种子激光器和放大器之间。在此情况下，种子激光器的波长与功率放大器的不同。因此，执行波长转换以将输出波长从种子激光器转换至功率放大器范围内的波长。波长转换器的实例包括拉曼位移器、频率上转换或下转换、倍频，等等。
图7b仍图示了另一个配置，其中前置放大器702置于种子激光器阶段和功率放大器阶段之间。前置放大器通常在功率放大之前放大微微秒种子激光器的输出，使得脉冲功率通常在适于光纤激光放大器(或其他适合的放大器)放大的有利范围内。优选地，前置放大器也是基于光纤的。
图7c仍图示了另外一个配置，其包括置于功率放大前面的调制器703。当功率放大器和种子激光器之间的重复频率不同时，通常要使用调制器(例如，降值计数器或分频器)。通常，锁模种子激光器的重复频率是相对高的，其在MHZ范围内。然而，由于额定的平均限制功率，功率放大器所需的重复频率可在几到几百KHz的范围内。因此，所述设备作为“降值计数器”或“脉冲选取器”操作(例如，相似于或等价于图1a和1b的调制器子系统和光学开关)。优选地，光学开关与调制器子系统108一起，被基于位置和/或速度信息的控制信号所驱动，并因而与激光处理系统的其他部件同步。这样的降值计数设备的一个实例可以是声-光调制器或其他的高速光学开关。所述设备可单独使用或与调制器108组合，用于选择被传送至连结或其他靶结构的脉冲。波长转换器105可置于输出处，如图7(a-c)中所示。
参照图8(a-c)，显示了示意性方框图，其进一步详细图示了典型激光系统的构造，其可用于本发明的实施例中。举例来说，种子激光可以是经济适用的半导体激光二极管，以及放大器系统包括至少一个光纤放大器，且可包括几个放大阶段。
图8a图示了一个带有多阶段放大器配置的种子激光器。通常，种子器(振荡器)以可调整(也就是说，可修改，可选择，等)的、上至100KHz或10MHZ的重复频率，产生微微秒持续时间(10ps-1ns)的脉冲。典型的单元可以是100KHz重复频率的40-50ps持续时间。前置放大器和功率放大器阶段两者都包括。基于光纤的，优选单模式，前置放大器8111通常将脉冲从种子器放大至导致在最后的光纤功率放大器8112(其可以是多阶段放大器)饱和的水平级。基于光纤的功率放大器通常被设置以使得产生的输出能量水平在大约5微焦耳到50微焦耳的范围内，其通常足以通过单脉冲去除连结并补偿光学系统内部的耗散。对于波长1微米的输出来说，通常选用镱杂质光纤。所述光纤可以是保偏(PM)光纤。
图8b显示了可被包括在本发明实施例中的备选配置的构造的额外的细节。调制激光二极管821可产生毫微秒脉冲(未按照比例显示了两个脉冲8211)。每个脉冲可在1-200nj的能量范围内，其每个具有大约2-10ns的典型脉冲宽度。光量开关微型激光器可作为二极管的替换，可根据特定的设计考虑和标准在两个选择之间进行权衡。绝缘体831通常用于减小噪声水平，例如由背射所引起的噪声。所述脉冲随后被二极管泵浦(泵浦二极管(多于一个)824)和镱放大器822放大。放大可以是大约30dB，以将脉冲能量提升至微焦耳范围并克服系统内部的各种耗散。
第二绝缘体831通常用于减小由背射引起的噪声水平。偏振器826通常用于保持光束的偏振，以满足设计标准，且光纤布拉格光栅(FiberBragg Gratings，FBG)用作波长敏感滤波器。脉冲宽度随后可通过非常高速的GHz强度调制器827被“限幅”至毫微秒范围，其优选地具有至少10GHz的全功率波段宽度。备选地，可通过Mach-Zehnder调制器827实现一个更高效的配置，其中毫微秒脉冲被压缩至微微秒范围，生成在近似10ps范围的脉冲宽度。显示(未按照比例)了放大的输出脉冲(多于一个)8271，其被去除或被压缩部分用虚线表示。在此情况下，放大器822以最终所需要的重复频率操作。
图8c显示了可被包括在本发明实施例中的，备选种子大气和“脉冲选取器”配置的构造细节。总体上，图8c的配置与图7b的相似，不过，例如没有波长转换。微微秒脉冲8311可直接从种子二极管829生成，或者通过种子二极管829的外部调制器(未显示)以数倍最终所需要重复频率(例如，1-100KHz的数倍)生成。脉冲能量通常可以是大约1nj。如上所述，在脉冲重复频率通过适合的、用作“降值计数器”或“脉冲选取器”(例如，1-100KHz)的调制器1081而被减小到所需要的最终值之前，一般通过放大器8111放大(例如，大约30db)信号。显示了所选择的脉冲(多于一个)8281。
所选择的微微秒脉冲8281可随后通过额外的阶段被放大。图8d显示了两阶段放大器的一个配置。如上所述，部件可包括绝缘体831以减小噪声水平，偏振器826以保持光束的偏振，以及作为波长滤波器的光纤布拉格光栅825。光纤放大器841和842通常都分别被二极管(或二极管阵列)8411和8421泵浦。第一阶段可以是30db、单模式、镱放大器。第一阶段可以是具有30db增益的“大模式”或“大核”镱放大器。各种已知技术的方法可用于控制输出模式和相应的光束质量，以及用于噪声(ASE)抑制(例如，参见美国专利No.5,818,630和5,400,350，以及WO 98/92050)，使得产生一个接近受衍射限制的输出光束，以用于传送至连结。图8c-8d的三阶段系统可产生在十几到成百未焦耳范围内的输出，其光束质量近似于受衍射限制。
传送泵浦能量至光纤放大器的方法和系统已经众所周知。举例来说，图8e显示了将二极管激光能量耦合入光纤放大器的一种方法。与一光学系统组合的分色镜850可通过垂直的分开的光纤端852将抽运光传送至镱杂质、双包层的光纤851内。放大器输出可通过相似的分配置传送，其中抽运能量855通过光纤再循环。技术人员将能够了解和理解，不同类型的、用于种子和放大器激光器的激光源的其他可能的合适组合可以被实现，以满足特定应用的设计标准。
●存储器修复系统
参照图9，显示了一个基于激光的存储器修复系统的方框图，其包括一个微微秒激光系统，且进一步图示了本发明的多个主要系统部件。
可以实现使用微微秒激光的完全的显微机械加工站。微微秒激光系统的至少一个实施例可被整合入GSI Lumonics所生成的M430系列中，或具有适合的亚微米公差和用于高速显微机械加工的性能规格的、其他显微机械加工系统中。下面的附加专利和公布申请列表，其已转让给本发明的专利受让人，描述了与存储器修理的方法和系统相关的多个方面：
1.美国专利US5300756，标题“用于使用相移片调整激光束分离集成电路连接路径的方法和系统”；
2.美国专利US6144118，标题“高速精确定位设备”；
3.美国专利US6181728，标题“控制激光偏振”；
4.美国专利US5998759，标题“激光处理”；
5.美国专利US6281728，标题“高能量效率的、用于处理靶物质的基于激光的方法和系统”；
6.美国专利US6340806，标题“用于使用放大波长转换脉冲序列处理靶物质的高能量效率的方法和系统”；
7.美国专利申请序列号为No.09/572925，标题“用于精确定位材料处理激光束的腰以在激光处理位置内处理微观结构的方法和系统”，2000年5月16日提交，且2001年12月公布的WO 0187534A2，现在为美国专利US6483071，S.N.09/572.925的分案申请；
8.美国专利US6300590，标题“激光处理”；和
9.美国专利US6339604，标题“激光系统中的脉冲控制”。
根据本文讲述，显而易见，本发明用于处理具有小于2微米间距的连结，其具有可忽略的热影响区，且没有毫微微秒激光系统的复杂性。通过一个或更多微微秒脉冲可以有助于精确的连结去除。此外，相对于慢的蚀刻处理，可高效率地完成连结的去除，且相对于传统的毫微秒连结处理方法，具有改善的精确度。根据本发明的连结处理可以在高速激光处理系统中运行。
虽然图示和描述了本发明的实施例，但是并不意味着所述实施例图示和描述了本发明的所有可能的形式。更确切地，本说明书中所使用的文字是描述性文字，而不是限制性文字，且应该理解可以实现各种变化而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (32)

1.一种基于激光的系统，其用于在微观区域内处理靶物质而不会导致靶物质周围的至少一种物质的电或物理特性发生不期望的变化，所述系统包括：
一种子激光器，其用于产生具有第一预先确定波长的一序列激光脉冲；
一光学放大器，其用于放大至少一部分所述脉冲序列，以获得一个放大的输出脉冲序列；和
一光束传送系统，其用于传送和聚焦所述放大脉冲序列中的至少一个脉冲至所述靶物质，所述至少一个输出脉冲具有在大约10微微秒到小于1毫微秒范围内的脉冲宽度，所述脉冲宽度在一热处理范围内，且所述至少一个聚焦输出脉冲在所述靶物质内的一位置处具有充足的能量密度，以减少所述靶物质的反射率，并有效地将所述聚焦输出耦合入所述靶物质内，以去除所述靶物质。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述光束传送系统进一步包括一偏转器，其用于传送脉冲序列。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述光束传送系统包括一变形光学子系统，其用于产生非圆形聚焦输出脉冲。
4.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括一前置放大器，其用于在所述光学放大之前，将所述种子激光序列预先放大至预先确定的脉冲能量水平。
5.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括一转换器，其用于在所述光学放大之前，将所述第一波长转换为第二波长。
6.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括一调制器，其用于根据位置或速度信息，可控制地选择至少一部分所述放大脉冲序列，以在相对运动过程中同步连结和激光束位置，从而提供所述至少一个输出脉冲序列至所述光学放大。
7.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括一调制器，其用于根据位置或速度信息，可控制地选择至少一部分所述脉冲序列，以在相对运动过程中同步连结和激光束位置，从而提供至少一个脉冲以在所述光学放大之前，在要求时处理所述靶连结。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述系统激光脉冲序列具有大于约1MHz的重复频率，且其中一调制器可控制地选择所述脉冲序列，以将重复频率减小至大约10Khz到100Khz的范围内。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光脉冲序列包括至少一个具有大于约1毫微秒的毫微秒宽度的脉冲，且所述系统进一步包括一个调制器，其用于压缩或限幅所述至少一个毫微秒脉冲，以产生具有在大约10ps到小于1ns范围内的所述宽度的一个脉冲。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述至少一个种子激光器是光量开关微型激光器或激光二极管。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述调制器是置于所述种子激光器和所述放大器之间的一个压缩器，且压缩在放大之前执行。
12.根据权利要求9所述的系统，其中所述调制器是置于所述放大器之后的一个限幅器，且限幅在放大之后执行。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述种子激光器是二极管泵浦固体激光器。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述二极管泵浦固体激光器是光纤激光器。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述种子激光器是主动锁模或被动锁模激光器。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述种子激光器是高速半导体激光二极管。
17.根据权利要求1所述的系统，其中使用至少一个光纤光学放大器来执行放大。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述光纤光学放大器具有大约30dB的增益。
19.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括一转换器，其用于将所述放大脉冲序列中的至少一个脉冲的所述激光波长从所述第一波长转换为小于大约1微米的第二波长。
20.一种基于激光的系统，其用于在微观区域内处理靶物质，其不会导致靶物质周围的至少一种物质的电或物理特性发生不期望的变化，所述系统包括：
用于产生激光脉冲序列的装置，所述脉冲序列的每个脉冲具有在大约10微微秒到小于1毫微秒范围内的脉冲宽度，所述脉冲宽度在一热处理范围内；
调制器装置，其用于可控制地选择至少一部分所述脉冲序列，从而提供至少一个输出脉冲以在要求时处理所述靶物质；和
装置，其用于传送和聚焦所述至少一个输出脉冲至所述靶物质，其包括一光学系统，所述至少一个聚焦输出脉冲在所述靶物质内的一位置处具有充足的能量密度，以减少所述靶物质的反射率，并有效地将所述聚焦输出耦合入所述靶物质内，以去除所述靶物质。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述激光脉冲序列是一放大脉冲序列，且其中用于产生脉冲的所述装置可包括一主控振荡器的功率放大器(MOPA)。
22.根据权利要求20所述的系统，其中调制器装置包括声-光调制器或电-光调制器。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述电-光调制器是一马赫曾德耳(Mach-Zehnder)调制器。
24.根据权利要求20所述的系统，其中用于传送的所述装置包括一光束偏转器，其用于根据所述靶物质相对于所述至少一个脉冲的至少一个位置和速度中，将至少一个脉冲偏转至所述靶物质。
25.一种基于激光的系统，其用于在微观区域内处理靶物质，其不会导致靶物质周围的至少一种物质的电或物理特性发生不期望的变化，所述系统包括：
第一激光器和第二激光器，其用于产生多个激光脉冲，其在所述脉冲之间具有时间间隔；
光束组合器，其用于组合所述脉冲
至少一个光学放大器，其用于放大所述多个脉冲的至少一部分；
控制器，其用于根据所述靶物质的预先确定的物理特性控制所述脉冲的所述时间间隔；和
光束传送系统，其用于传送并聚焦至少一个放大脉冲至所述靶物质，所述至少一个输出脉冲具有在大约10微微秒到小于1毫微秒范围内的脉冲宽度，脉冲宽度在一热处理范围内，且所述至少一个聚焦输出脉冲在所述靶物质内的一位置处具有充足的能量密度，以减少所述靶物质的反射率，并有效地将所述聚焦输出耦合入所述靶物质内，以去除所述靶物质。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述系统控制器进一步包括一延迟线。
27.根据权利要求25所述的系统，其中所述预先确定的物理特性包括不同的热特性。
28.根据权利要求25所述的系统，其中所述预先确定的物理特性包括蒸气等离子体羽流的耗散。
29.根据权利要求25所述的系统，其中所述放大器是光纤光学放大器。
30.根据权利要求25所述的系统，其中至少一个所述第一和第二激光器是二极管泵浦光纤激光振荡器。
31.根据权利要求25所述的系统，其中至少一个所述第一和第二激光器是半导体激光二极管。
32.根据权利要求25所述的系统，其中所述时间间隔为大约2毫微秒到10毫微秒的范围。
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