JP2003518440A - 標的材を処理するエネルギー効率に優れたレーザーベースの方法およびシステム - Google Patents

標的材を処理するエネルギー効率に優れたレーザーベースの方法およびシステム

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Abstract

(57)【要約】 標的材料を包囲している材料の電気特性および／または物理特性に望ましくない変化を生じること無しに、微細領域の微小構造体のような標的材料を処理する方法およびシステムが提供される。このシステムは、処理制御信号を発生させる制御装置と、処理制御信号に基づいて変調された駆動波形を発生させる信号発生装置とを備えている。このシステムは、レーザーパルス列を或る反復率で発生させるための、利得スイッチ制御のパルス式半導体シードレーザーを備えている。駆動波形がレーザーをポンピングし、パルス列のパルスごとに所定の波形を有するようにしている。更に、このシステムは、パルス列を光増幅させて、パルスの所定形状をそれほど変化させずに、増幅パルス列を得るようにしたレーザー増幅器を備えている。増幅パルスは各々が実質的に方形の時間出力密度と、急峻な立上がり時間と、パルス持続時間と、パルス降下時間とを有している。このシステムは、増幅パルス列の少なくとも一部を搬送し、標的材料上に合焦させるビーム搬送／合焦サブシステムを更に備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、標的材を処理するための、エネルギー効率に優れた、レーザーベー
スの方法およびシステムに関するものである。特に、本発明は、半導体基板上の
回路素子の一部を融除し、或いは、これ以外の変化をさせるパルス式レーザービ
ームの用途に関連しており、メモリ修復を目的として、金属、珪化物重合体、お
よび、シリコン重合体の接合部を気化させる処理に特に適用できる。とりわけ、
周囲の領域および基板に損傷を与えることなく、非同質性の光特性または熱特性
を有していることが多い微小な構造体を融除し、或いは、変化させるのが望まし
い場合のマイクロ加工および他の修復作業においては、また別な応用例が見出せ
る。同様に、マイクロ電気機械加工装置などの他の微細半導体装置にも、材料処
理作業が適用され得る。微小光ファイバープローブを用いた微細組織または細胞
の融除のような医療用途も存在している。
【０００２】
【従来の技術】
メモリのような半導体装置は、通例、主要シリコン基板により支持された、酸
化シリコンのような透明な絶縁体層に導電接合部が固着されている。このような
半導体装置のレーザー処理の間、ビー部が接合部または回路素子に入射している
最中は、幾分かのエネルギーが基板または他の構造体にも達している。ビームの
出力や、ビームの適用の時間の長さや、その他の動作パラメータ次第で、シリコ
ン基板および／またはその隣接部が過熱状態となり、損傷を受けることがある。 幾つかの先行技術の引例が、基板の損傷抑制についての重要なパラメータとし
て波長選択の重要性を教示している。米国特許第4,399,345号、第5,265,114号、
第5,473,624号、第5,569,398号は、1.2μmを越える範囲の波長を選択してシリコ
ン基板の損傷を回避する利点を開示している。 上述の第'759号特許の開示はシリコンの波長特性に関して更に入念に説明して
いる。シリコンにおける吸収率は、室温で約1.12ミクロンまで吸収率の急上昇を
見せて約１ミクロンに落ち着いたあと、急速に下落する。1.12ミクロンよりも大
きい波長では、シリコンは一層容易に導電作用を生じ、従って、シリコンから材
料を除去すると同時に、より良好な部分歩留まりを得ることが可能である。約１
ミクロンの範囲では、吸収係数は４桁の大きさの係数分だけ減少し、0.9ミクロ
ンから1.2ミクロンへ移行する。標準のレーザー波長が1.047ミクロンから1.2ミ
クロンへ移行すると、曲線は２桁の大きさの下落を示す。これは、波長の極めて
わずかな変化に対する激烈な吸収率変化を示している。従って、基板の吸収率の
立上がり端縁を越える波長でレーザーを作動させると基板への損傷をうまく回避
し、これは、接合部に関してレーザービームがわずかに不整合である場合、或い
は、合焦点が接合部構造を超えて外に延びている場合には、特に重要と成る。更
に、処理中に基板温度が上昇すると、吸収曲線の推移は、熱暴走状態や破局的損
傷に至る可能性のある赤外線領域内へと進むことになる。
【０００３】 液晶修復の問題は金属接合部の融除の問題に類似している。吸収比率を最大限
にする波長選択の原理は、同じ目的では、すなわち、基板を損傷せずに金属を除
去することを目的とした場合には、前述の開示内容に類似する態様で緑色の波長
領域に適用されるのが有利であった。フロロッド（Florod）から製造されている
システムが「キセノンレーザー修復用液晶表示装置（Xenon Laser Repairs Liqu
id Crystal Displays）」と題する出版物、「レーザーズ・アンド・オプトロニ
クス（Lasers and Optronics）」39頁から41頁（1988年４月刊行）に記載されて
いる。 波長選択が有利であることが実証されたので、他のパラメータを調節してレー
ザ処理ウインドウを改善させることができることが認識されている。例えば、エ
ル・エム・スカーフォン（L.M. Scarfone）およびジェイ・ディー・クリパラ（J
.D. Chlipala）著の1986年刊行版の371頁の「シリコンメモリのレーザープログ
ラム可能な余剰領域における標的接合部爆破のコンピューターシミュレーション
（Computer Simulation of Target Link Explosion in Laser Programmable Red
undancy）」において、「接合部除去過程ごとにレーザー波長および多様な材料
厚さを選択して吸収率を向上させ、他の部分で吸収率を低下させて、構造体の残
存部に損傷を与えるのを防止するのが望ましい」旨が注記されている。本件出願
人が共著者となっている「線形モノリシック回路のレーザー調整（Laser Adjust
ment of Linear Monolithic Circuit）」と題するリトウイン(Litwin）およびス
マート（Smart）著の100/アメリカレーザー協会（LIA）会報38号、ICAELO刊（19
83年）の論文にあるように、一般的に接合部または回路素子の下方により厚い層
が存在している有用性と、加熱用パルスの持続時間を制限することの有用性も認
識されている。 第'759号特許は、より長い波長を選択することで生じる見返りについて、特に
、Nd：YAGレーザーから得られるスポット寸法、焦点深度、パルス幅に関する妥
協点について教示している。これらパラメータは、精度がいや増す次元における
レーザー処理について、また、周囲の構造体への付帯的損傷の恐れが存在する場
合のレーザー処理について、決定定な重要性を備えている。
【０００４】 事実、産業界が継続して推進している目標が、より高密度のマイクロ構造と、
これに関連する、深さまたは横方向寸法が１ミクロンの何分の１かである幾何学
的構造であるため、処理ウインドウの幅を広ける改良はいずれも有利である。エ
ネルギー制御と標的吸収率の公差は、この尺度でマイクロ構造を処理するのに必
要なエネルギーと比較して、大きくなっている。上述の説明から、レーザー処理
パラメータが、約１μmの小さいレーザースポットを要件としているマイクロ加
工の応用例では必ずしも互いに無関係とは言えないことに注目するべきである。
具体的には、一般に、例えば1.2μmなどの短い波長を利用してスポット寸法およ
びパルス幅を最小限にしても、吸収率の対比は最大にはならない。半導体装置の
製造業者は、過去に開発された製品を製造しながら、異なる構造および異なる過
程を通例採用している、より進んだ改良版の製品を開発し市場参入させるのが常
套的である。大半の現行のメモリ製品は珪化物重合体またはシリコン重合体の接
合部を利用しながら、金属製のより小型の接合構造を用いて、256メガビットメ
モリのような一層進んだ製品を得ている。0.3ミクロンから0.5ミクロンの薄い酸
化シリコン層の上に在る１ミクロン幅で３分の１ミクロン深さの接合部がこのよ
うな大型メモリに現在も利用されている。従来、製造施設は、1.047μmから1.32
μmの従来の波長のQスイッチ制御によるダイオードポンプ式YAGレーザー、およ
び、その波長で作動可能な関連装備と、シリコンによりより低い吸収率を得ると
認識されている波長領域で作動可能な関連装備とを利用してきた。しかし、こう
いった利用者は、融除部位付近の導電性残留物または汚染物質のせいで後ほどチ
ップ欠損が生じる危険も無く接合構造を清浄に剪断する成果を生む装備改良の恩
恵を認識しもしている。
【０００５】 上記以外の自由度として、レーザーパルスエネルギー密度（標的まで搬送され
る）とパルス持続時間とが挙げられる。先行技術では、パルス幅を制限してマク
ロ加工応用例において損傷回避を図るべきであることが教示されている。例えば
、米国特許第5,059,764号では、Qスイッチ制御のレーザーシステムを利用して、
とりわけ、約10ナノ秒から50ナノ秒の比較的短いパルスを生成するレーザー処理
ワークステーションが開示されている。材料処理の各応用例（接合部のブロー成
形や高精度型彫による半導体メモリ修復など）については、出力パルス幅が比較
的短くなるようにするべきであり、50ナノ秒よりも短い、30ナノ秒などのパルス
幅が大半の応用例で必要となることが開示されている。パルス幅を適切に選択す
ることで融除処理（溶融処理を行わない蒸発処理）が可能となる。 高速パルス式レーザ設計はQスイッチ制御動作、利得スイッチ制御動作、また
は、モードロック式制御動作を利用することができる。標準のQスイッチ制御式
パルスレーザおよび他のパルス式レーザのパルス持続時間とパルス形状は、パル
スの開始時の継続する閾値に相対する母集団反転と光子数密度を記述している結
合率の等式を積分することにより、基本レベルに近似される。Qスイッチ制御の
事例については、基準化された尺度に基づき、閾値に対する反転母集団中の原子
数が多いほど、パルスの立上がり時間が速く、パルス幅は狭く、ピークエネルギ
ーが高くなる。この比率が減少するにつれて、パルス形状が広くなるのに伴って
、エネルギー濃度も低くなる。
【０００６】 Qスイッチ制御式レーザーパルスはガウス時間分布か、或いは、ガウス形と指
数関数的減衰末尾との混合に酷似していることが多い。第'759号特許に開示され
ているように、より短い波長のダイオードポンプ式システムは、半出力点（すな
わち、パルス持続時間の標準指定）で測定された場合で、尚且つ、有利な波長領
域で作動された場合には、約10ナノ秒という比較的短いパルスを生成することが
できる。動作がうまくいっているにもかかわらず、本件出願人は、標準ダイオー
ドポンプ型Qスイッチレーザーシステムの時間パルス計上特性に関与する制約を
幾つか見出しており、その制約とは、具体的には、実際の立上がり時間の制約、
互いに隣接する半値点の間の出力分布、および、パルス減衰特性のことであるが
、これらは、本発明の方法およびシステムを利用して改善されると、金属接合部
をブロー成形処理する適用例では顕著に向上した結果をもたらした。 本件明細書の残余の部分も含め、「パルス成形」という語は、「形状」という
語が時間の関数として検出器で表される出力に言及している場合に、電磁放射の
検出器で検出されるレーザーパルスの発生について述べたものである。更に、「
パルス幅」または「パルス持続時間」という語は、別途言及がない限り、半値全
幅（FWHM）について述べたものである。また、Qスイッチ制御されたパルスは、
例えば、実質的にガウス形の中心ローブと比較的遅い減衰の指数関数的末尾との
混合に酷似しているこのがある標準のQスイッチ制御式システムにおいて得られ
るようなパルスの時間分布について包括的に言及したものである。これらの波形
は、レーザー関係の文献中では「Qスイッチ制御式パルスエンベロープ」と正式
呼称される。図１ｃはこのようなパルスを例示している。
【０００７】 米国特許第5,208,437号（すなわち、第'437号特許）では、１ナノ秒より短い
パルス幅仕様がメモリ修復応用例について指定されていた。「下位層に損傷を与
えずにアルミニウム薄膜をレーザー切断する処理（Laser Cutting of Aluminum
Thin Film with No Damage to Under Layers）」と題するCIRP年会報第28/1巻、
1979年刊に開示された第'437号特許の共同発明者による初期の労作として、上述
のような「ガウス」形状を有し得る比較的短いレーザーパルスを用いた試験的結
果が挙げられる。これらの結果は、「『アルミニウムなどから作成された』相互
接続パターンの所望部分が切断される時には、相互パターンの下方に配置されて
いる層に損傷を与えずに行える」ことを示していた。実質的に106Ｗ/cm2のエネ
ルギー密度で実質的に１ナノ秒以下のパルス幅を得る仕様が、この装置について
開示されていた。しかしながら、空間的にはビームは相互接続パターンに対応す
るように成形されていたにもかかわらず、時間パルス成形処理の方法に関しては
何の開示もなかった。更に、超高速範囲の特定パルス幅で多層の高密度メモリ装
置に実施した出願人の解析は、第'437号特許で採用された100ピコ秒から300ピコ
秒で取り組まれたが、満足のゆくものではなかった。この制約を克服するには、
目下のところ、容認できないレベルまでレーザー処理速度を低速化することにな
っても、多数のパルスを生成して各標的部位を処理するのに超高速レーザーシス
テムを必要とする。 超高速級に続いて、マイクロ加工作業についての試験結果が開示された。超高
速パルスは約１フィート秒（10-15秒）から１ピコ秒（10-12秒）の持続時間を有
しており、時間尺度を減じた場合は、数百ピコ秒から数百ナノ秒の範囲で観察さ
れるのとは基本的に異なる原子および分子の状態の材料特性を活用している。 米国特許第5,656,186号と、「超短波レーザーパルスで精加工に取り組む（Ult
rashort Laser Pulses Tackle Precision Machining）」と題するレーザー・フ
ォーカス・ワールド（Laser Focus World）誌の1997年8月号の101頁から118頁の
掲載論文において、数種類の波長における加工作業か解析されており、合焦ビー
ムの回折制限されたスポット寸法よりも相当に短い加工特性寸法が披露されてい
る。
【０００８】 超高速パルス発生用のレーザーシステムは複雑さがシステムごとに異なり、そ
れらの具体的な実施形態は米国特許第5,920,668号および第5,400,350号と、「超
高速レーザーが実験室から逸出（Ultrafast Lasers Escape the Lab）」と題す
るフォトニクス・スペクトラ（Photonics Spectra）誌の1998年7月号の157頁か
ら161頁に記載されている。これらの実施例は一般に、増幅の前にモードロック
された超高速パルスをパルス伸張させて、増幅器飽和とそれに続く極度に狭い幅
への圧縮を回避する方法を含んでいる。この技術は、或る等級のマイクロ加工処
理と、恐らくは、より精尺度の「ナノ加工処理」作業とについて有望であり、後
者の恩恵は回折制限より低い加工処理により得られる。しかし、本件出願人は、
現時点の実際上の制約に付随して、金属接合部ブロー成形やこれに類似するマイ
クロ加工の応用例などの応用例についてはパルスごとに得られる出力では多数の
パルスを得る要件として容認できない要件に行き着くことを看破した。 出願人は短波パルスの使用の理論的解釈について詳述したいと思い、その根拠
が多岐にわたるので高速立上がり時間のパルスについては本明細書後段で示し、
多数の理論と実験に基づく論文と書籍とを当該課題について著述してきた。諸原
理は、実質的に異なる光特性と熱特性を有している材料により標的材料が包囲さ
れている多数のレーザー処理応用例にまで及んでいるが、金属接合部の融除が１
例として挙がっている。以下の引例１から引例３はその具体例である １． ジョン・エフ・レディ（John F. Ready）著、「高出力出レーザー
放射の効果（Effects of High Power Laser Radiation）」、ニューヨークのア
カデミック・プレス（Academic Press）から1971年刊行、115頁から116頁に掲載
。 ２． シドニー・エス・キャーシャン（Sidney S. Charschan）著、「レ
ーザーによる材料処理のガイド（Guide for Material Processing by Laser）」
、メリーランド州ボルティモアのザ・ポール・エム・ハロッド・カンパニー（Th
e Paul M. Harrod Company）から1977年刊行、５頁から13頁に掲載。 ３． ジョゼフ・バーンスタイン（Joseph Bernstein）、ジェイ・エイチ
・リー（J.H. Lee）、ギャン・ヤン（Gang Yang）、タリク・エー・ダーマス（T
ariq A. Dahmas）共著、「レーザー金属切断エネルギー処理ウインドウの解析（
Analysis of Laser Metal-Cut Energy Process Window）」、（刊行予定中）。
【０００９】金属反射率 レーザーパルスの出力密度が増大すると、金属反射率は減少する（引例１）。
金属の屈折率は材料中の自由電子の導電率に直接比例する。高強度レーザーによ
りもたらされるような高電界密度では、電子と格子の間の衝突時間が低減される
。この衝突時間の短縮により導電率が減少し、よって、反射率も低下する。例え
ば、レーザー出力密度が109ワット/ｃｍ2まで増大すると、アルミニウムの反射
率は92％から25％より低いレベルまで減少する。このため、反射に至るまでにお
こるレーザーエネルギー損を回避するために、可能な限り短い時間のうちに作業
片において高出力密度を達成することが有利である。
【００１０】熱拡散率 レーザーパルス期間に熱が移動する距離Dは、以下のように、レーザーパルス
に比例している。
【数１】 この場合、ｋは材料の熱拡散率であり、ｔはレーザーパルスの長さである。 このため、短いレーザーパルスは溶融接合部より下方の基板への熱散逸を防止
するとともに、接合部と連続している材料への横方向への熱伝達も防止している
ことが分かる。しかし、パルスは、接合部材料を隅々まで加熱するのに十分な長
さがなければならない。
【００１１】熱応力と接合部の除去 レーザーエネルギーの吸収により、標的金属接合部が熱上昇し、膨張しようと
する。しかし、接合部を包囲している酸化物は膨張する材料を含有している。こ
のため、酸化物内に応力が蓄積される。或る点では、膨張する金属の圧力が酸化
物の降伏点を超過しており、酸化物はひび割れ、金属接合部が細かい粒子の蒸気
へと分解してゆく。金属接合部の主要なひび割れ点は最大応力点で発生し、最大
応力点は、図１ｂに示されているように、接合部の上面と底面の両方の端縁部に
位置している。 接合部を覆う酸化物が幾分か薄い場合には、酸化物のひび割れが接合部の頂面
のみで発生し、酸化物と接合部が図１ａに示されているように奇麗に除去されて
しまう。しかし、酸化物が幾分か厚い場合には、接合部の底面ばかりか、頂面に
おいてもひび割れが発生し、図１ｂに例示されているように、ひび割れは基板に
まで伝播する。この状況は大変望ましくない。 Ｑスイッチ制御式レーザーシステムを修正して、多様な形状の短波パルスを供
与することができる。高ピーク出力を生成する典型的な先行技術のレーザー、す
なわち、短波パルスレーザーは標準Ｑスイッチ制御式レーザーである。これらの
レーザーは、頃合のパルス立上がり時間を有している時間パルスを生成する。レ
ーザービームの各部をスイッチにより遮断するポッケルスセルパルススライサを
利用することにより、この時間形状を変えることが可能となる。本発明の出願人
により発明され、同一譲受人に譲渡された米国特許第4,483,005号（すなわち、
第'005号特許）では、レーザービームパルス幅に影響を及ぼす（すなわち、パル
ス幅を低減する）多様な方法が開示されている。第'005号特許に教示されている
ように、レーザーパルスは、中心ローブの外側のエネルギーを切捨てることによ
り「非ガウス形」成形ビームを生成するように幾分かは成形することができる。
比較的広いＱスイッチ制御式波形が狭い均一な形状に変形される必要がある場合
には、パルスエネルギーの細かい何分の１かの部分だけが利用されることになる
ことに留意するべきである。例えば、ガウス形パルスを部分的に切捨てて急峻な
立上がり時間と狭いパルス幅に10％の範囲内までの平坦部を設けることで、約65
％分だけパルスエネルギーが低減される。 同様に、米国特許第4,114,018号（第'018号特許）では、時間パルスを成形し
て方形波パルスを生成することが開示されている。図７は比較的平坦なレーザー
出力の時間間隔を例示している。第'018号の特許を受けた方法では、所望のパル
スを発生させるために、ビーム強度の或る時間区分を除去することが必要である
。
【００１２】 先行技術に優る望ましい改良により、高度にエネルギーを封じ込めながら、パ
ルス持続時間内に急速に減衰する末尾を伴って短波パルスを発生させる効率的な
方法が提供される。これを達成するために、Ｑスイッチ制御式パルスエンベロー
プのパルス形状とは異なるパルス形状を生成するレーザー技術が好ましい。この
ようなパルスは高速立上がり時間、中心ローブにおける均一なエネルギー、急速
な減衰を特徴とする。 標準Ｑスイッチ制御式のNd：YAG以外のレーザーにより生成されるような高速
立上がり時間の高出力密度パルスなら、この仕事を最も良好に達成する。 上述のような利点は、従来のQスイッチ制御式固体ダイオード技術またはラン
プポンプ式YAG技術からは相当にかけ離れたレーザー技術を利用したシステムに
おいて好ましい態様で実現される。 標準Qスイッチ制御式パルスとは異なる形状を有しているパルスを生成する、
すなわち、高速立上がり時間、中心ローブにおける比較的均一かつより高エネル
ギー濃度、高速降下時間を特徴とするパルスを生成する方法およびシステムにつ
いて、先行技術に優る改良が望まれる。
【００１３】 改良成果は金属接合部ブロー成形の応用例で得られると、本件出願人は判断し
た。例えば、上層絶縁体が存在している金属接合部処理については、非ガウス形
の実質的に矩形のパルス形状が特に有利である。本件出願人の成果は、約１ナノ
秒の高速立上がり時間、好ましくは約0.5ナノ秒の立上がり時間は上層の酸化物
に熱衝撃を与え、これが接合部のブロー成形過程を容易にすることを示している
。更に、より高い出力密度では、高速で立上がる短波パルスに伴って反射率が低
減される。実質的に均一なパルス形状を示す約５ナノ秒パルス持続時間により、
より大量のエネルギーが接合部に結合されて、接合部除去についてのエネルギー
要件を低下させることができる。約２ナノ秒の急速な降下時間は、基板損傷の可
能性を排除するのに重要となる。更に、時間内にほぼ方形波の出力密度パルスを
生成する利点は、必要な時には出力密度が最高レベルにあり、必要でない時には
パルスが消失する点である。 短波高速立上がりパルスは、熱が接合部の下位部分まで拡散できるようになる
前に、接合部の頂面が先に溶融して膨張することができるようにする。このため
、接合部の頂面に応力が蓄積され、基板に達するひび割れを生じることなく、最
上層のひび割れを促進する。
【００１４】
【発明が解決するべき課題】
本発明の目的は小型の利得スイッチ制御式レーザーシステムを提供することで
あり、このシステムは、数ナノ秒の短い持続時間と急速な降下時間とを特徴とす
る１ナノ秒を下回る立上がり時間のパルスを生成する能力を有している。現在の
技術レベルの高速パルスシステムは、低出力半導体シードレーザーを迅速かつ直
接に変調して、抑制されたパルス形状を生成する利得スイッチ制御式技術を組み
込んでおり、この場合のパルス形状は、高出力レーザーダイオードまたは高出力
レーザーダイオード配列がポンプレーザーとして採用されているクラッドポンプ
式光ファイバーシステムのようなレーザー増幅器で実質的に増幅される。かかる
レーザーシステムは米国特許第5,694,408号およびPCT出願番号PCT/US98/42050号
に記載されており、例えば、米国特許第5,400,350号に記載されているシステム
のような或る超高速チャープ式パルス増幅システムの「構築用ブロック群」であ
った。 本発明の一般的な目的は、先行技術のレーザー処理法およびシステムのなかで
も、とりわけ、標的材料附近の領域の光特性および/または熱特性が実質的に異
なっている先行技術のレーザー処理法およびシステムを向上させることである。
本発明の一般的な目的は、マイクロ加工と、例えば、半導体メモリ上の接合部ま
たは他の相互接続部のレーザー融除、トリミング、ドリル加工、マーキング、マ
イクロ加工などのレーザー材料処理応用例とを実施するレーザーパルス成形能力
を提供することである。所定の波形形状は、標準Qスイッチ制御式システムのレ
ーザーとは異なる利得スイッチ制御式レーザーから発生される。
【００１５】 本発明の目的は、16メガビットから256メガビットの半導体修復のような半導
体処理を目的とした改良案とその限界域を提供することであり、上述の改良案の
結果、融除部位附近の導電性残留物や汚染物のせいで後ほど装置欠陥が生じる危
険が無いまま、マイクロ構造の清浄な処理を行うことである。 本発明の目的は、数百ピコ秒程度までのパルス波形立上がり時間と、急速なパ
ルス減衰を伴い、約10ナノ秒に満たないのが通例であるパルス持続時間とを供与
することで、高出力密度で標的構造のレーザー処理を実施し、それにより、周囲
領域の熱衝撃や熱拡散から生じる損傷を最小限に抑えることである。 本発明の目的は、半導体レーザー処理応用例において標的材料の周囲構造およ
び下層構造への損傷を防止するにあたり、高出力の急速な立上がり時間のパルス
をレーザー融除処理に好適は波長で利用して非常に短い時間のうちに作業片に高
出力密度を達成することで、半導体材料処理応用例における処理ウインドウを改
善するという方法で実施することである。
【００１６】 本発明の目的は、半導体メモリ上の１箇所の金属接合部のような金属標的構造
の反射率を低減させ、よって、レーザーエネルギーのより効率的な結合を実施す
るのに十分なだけ高速な立上がり時間と、十分な出力密度とを利用して、１種類
のレーザー処理パルスだけで標的部位を処理することである。高速立上がりレー
ザーパルスは、融除期間中は比較的均一な出力密度で金属標的構造ごとの材料を
効率良く加熱気化させるのに十分なパルス期間を有しているが、標的材料が気化
させられた後の急速なパルス降下により、周囲構造と下層構造への損傷を回避し
ている。 本発明の目的は、通常のパルス立上がり時間が数ナノ秒で、Qスイッチ制御式
パルスエンベロープを代表とする標準Qスイッチ制御式レーザーを利用したシス
テムと比較した場合、半導体金属接合部のブロー成形応用例でより優れた性能を
提供することである。レーザーパルスは、パルス持続時間が約２ナノ秒から10ナ
ノ秒の範囲にあり、立上がり時間が約１ナノ秒で、好ましくは約0.4ナノ秒であ
る、実質的に方形のパルス形状を供与するように生成される。更に、パルス減衰
は、パルスがオフ状態に切り替わると急速に進行することで、所定のパルス持続
時間後にはパルスエネルギーの非常に細かい何分の１かだけが残存きるようにし
、パルス「末尾」が急速に減衰して、下層基板または標的以外の材料に損傷を与
える可能性を回避するのに十分なだけ低レベルにする。これらパルスの比較が図
２に例示されている。
【００１７】 本発明の目的は、半導体レーザー融除過程の処理ウインドウを拡張させて、互
いに異なる光特性および熱特性を有している多種材料により包囲されている微細
構造体の迅速かつ効率的な融除を実施することである。このような微細構造体は
、通常は、隣接構造体間の幅と間隔が約１ミクロン以下であり、適切な深さに積
載されている態様で配置されている。短波レーザーパルスの適用で標的材料を清
浄に融除し、尚且つ、左右いずれの横方向への熱散逸による周囲材料への損傷や
、標的材料の下方の下層基板への損傷が防止される。 本発明の目的は、高エネルギー密度を有している短波パルスを適用することで
、実質的に同質の光特性および熱特性を有している１種の材料を抑制可能な状態
で加工することであり、この場合、パルスの持続時間は、流束量閾値がレーザー
パルス幅の平方根に概ね比例している材料処理範囲では数ナノ秒である。
【００１８】 本発明の上述の目的とそれ以外の目的を実行するにあたり、標的材料を包囲し
ている材料の電気特性と物理特性の望ましくない変化を引き起こすこと無く、微
細領域において特定寸法を有している標的材料を処理するための、エネルギー効
率のよいレーザーベースの方法が提供される。この方法は、或る反復率の波長を
有しているレーザーを利用して、レーザーパルス列を発生させる工程を含んでお
り、ここでは、パルス列の各パルスが所定の形状を有している。また、この方法
は、パルスの所定の形状をそれほど変化させずにパルス列を光増幅させて、増幅
されたパルス列を得るようにした工程を含んでいる。増幅パルスは各々が実質的
に方形の時間出力密度分布と、急峻な立上がり時間と、パルス持続時間と、パル
ス降下時間とを有している。この方法はまた、増幅パルス列の少なくとも一部を
搬送し、標的材料上の１点に合焦させる工程を含んでおり、この場合、立上がり
時間は、レーザーエネルギーを標的材料に効率的に結合するのに十分なだけ高速
であり、パルス持続時間は標的材料を処理するのに十分な長さであり、パルス降
下時間は、標的材料を包囲している材料に望ましくない変化が生じるのを防止す
るのに十分なだけ迅速である。 標的材料は導電線または導電接合部のような微細構造体を含んでいてもよいが
、後者は余剰半導体メモリの共通回路素子である。導電線は金属線であってもよ
く、その場合、パルス持続時間は、金属線またはその特定部分を有効に加熱気化
させるのに十分な長さである。
【００１９】 標的材料は、16メガビットから256メガビットを有している半導体メモリのよ
うな半導体装置の一部であってもよい。 標的材料を包囲している材料の少なくとも一部は、半導体基板のような基板で
あってもよい。 標的材料は超小型電子装置の一部であってもよい。 実質的に方形の時間出力密度分布は、標的材料を実質的に完全に融除するのに
十分である。 立上がり時間は１ナノ秒よりも短いのが好ましいが、0.5ナノ秒よりも短いの
がより好ましい。 パルス持続時間は10ナノ秒よりも短いのが好ましいが、５ナノ秒よりも短いの
がより好ましい。 また、降下時間は２ナノ秒よりも短いのが好ましい。 標的材料を処理するのに、通例、１個の増幅パルスで十分である。 標的材料は、増幅パルスに対して反射性を有しており、この場合、増幅パルス
の出力密度は、増幅パルスに対する標的材料の反射率を低減するとともにレーザ
ーエネルギーを標的材料に有効に結合させるのに十分なだけの高さである。
【００２０】 各増幅パルスは、パルス持続時間全体で、比較的均一な出力密度分布を有して
いるのが好ましい。 各パルスは、パルス持続時間にわたって時間出力密度分布が10パーセントの範
囲内まで均一であるのが好ましい。 標的材料を包囲している材料は、吸収特性、偏光感度特性、熱拡散特性などの
光特性が、標的材料のこれらに対応する諸特性とは異なっていてもよい。 反復率は少なくとも1000パルス／秒であり、増幅パルスは各々が少なくとも0.
1マイクロジュールから３マイクロジュールまでのエネルギーを有しているのが
好ましい。 光増幅させる工程は少なくとも20dBの利得を供与するのが好ましい。 また、立上がり時間と降下時間の両方がパルス持続時間の２分の１よりも短く
、増幅パルスごとのピーク出力が立上がり時間と降下時間の間で実質的に一定で
あるのが好ましい。 増幅パルスは各々が末尾を有しており、上記方法はまた、増幅パルスの末尾で
レーザーエネルギーを減衰させて、増幅パルスの降下時間を低減させると同時に
、パルスの出力量を実質的に維持するようにした工程を更に含んでいるのが好ま
しい。
【００２１】 更にまた、本発明の上述の目的および他の目的を実行するにあたり、標的材料
を包囲している材料の電気特性または物理特性の望ましくない変化を引き起こさ
ずに微細領域において特定寸法を有している標的材料を処理するための、エネル
ギー効率に優れたシステムが提供される。このシステムは、処理制御信号を発生
させる制御装置と、処理制御信号に基づいて変調駆動波形を発生させる信号発生
装置とを備えている。波形は１ナノ秒に満たない立上がり時間を有している。こ
のシステムはまた、レーザーパルス列を或る反復率で発生させる波形を有してい
る、利得スイッチ制御のパルス式シードレーザーを備えている。駆動波形はレー
ザーをポンピングし、パルス列のパルスごとに所定の形状を有するようにしてい
る。更に、このシステムは、パルスの所定形状を著しく変化させなくても、パル
ス列を光増幅させて増幅パルス列を得るようにした、レーザー増幅器を備えてい
る。増幅パルスは各々が実質的に方形の時間出力密度分布と、急峻な立上がり時
間と、パルス持続時間と、パルス降下時間とを有している。このシステムは、増
幅パルス列の少なくとも一部を搬送し、標的材料上に合焦させるビーム搬送／合
焦サブシステムを更に備えている。立上がり時間はレーザーエネルギーを標的材
料に効率よく結合させるのに十分なだけ高速であり、パルス持続時間は標的材料
を処理するのに十分な長さであり、降下時間は標的材料を包囲している材料に望
ましくない変化が生じるのを防止するのに十分なだけ迅速である。 レーザー増幅器は、光ファイバーと、光ファイバーをポンピングさせるレーザ
ーダイオードのようなポンプとを備えているのが好ましく、この場合、ポンプは
シードレーザーとは性質を異にしている。 レーザーダイオードポンプ源はまた、レーザー処理が生じていない延長期間中
に「遮断」状態に切替えることにより、利得スイッチ制御されて（パルス制御さ
れ、直接変調されて）ダイオードの耐用年数を増大させることができる。
【００２２】 シードレーザーはレーザーダイオードを含んでいるのが好ましい。 上記システムは、増幅の末尾においてレーザーエネルギーを減衰させて増幅パ
ルスの降下時間を低減すると同時に、パルスのエネルギー量を実質的に維持する
減衰器を備えている。 パルス持続時間は、指定された標的材料寸法の関数として選択することができ
る。指定材料寸法はレーザー波長よりも短いこともある。好ましいレーザーは、
約２μmよりも短い波長を有している、高速半導体レーザーである。半導体レー
ザーダイオード技術とファイバー材における更なる材料進歩は、より長い赤外線
波長における動作は元より、可視領域における動作にも備えている。 シードレーザーダイオードは、分散ブラッグ反射装置（DBR）、分散フィード
バック（DFB）、または、外部空洞設計を利用した、多元モードダイオードレー
ザーか、単一周波数（一元モード）レーザーであってもよい。 スポット寸法は通例、約１μmから４μmの範囲の寸法を有している。 メモリの密度は少なくとも16メガビットから256メガビットであればよい。 半導体装置は超小型電気機械装置であってもよい。 パルス末尾の減衰状態のレーザーエネルギーは、パルス持続時間の1.5倍の時
間範囲内で少なくとも10dB分だけ減衰されるのが好ましい。
【００２３】 また更に、本発明の上述の目的および他の目的を実行するにあたり、金属接合
部を包囲している少なくとも１つのパシベーション層の電気特性または物理特性
の望ましくない変化を生じることなく、少なくとも１つのパシベーション層に指
定寸法分が埋設された金属接合部を融除するための、エネルギー効率に優れたレ
ーザーベースの方法が提供される。この方法は、或る反復率の波長を有している
レーザーを利用して、レーザーパルス列を発生させる工程を含んでいる。パルス
列のパルスは各々が所定の形状を有している。この方法はまた、パルスの所定形
状をそれほど変化させずにパルス列を光増幅させて、増幅パルス列を得る工程も
含んでいる。増幅パルスは各々が実質的に方形の時間出力密度分布と、急峻な立
上がり時間と、パルス持続時間と、降下時間とを有している。この方法は、増幅
パルス列の少なくとも一部を搬送し、金属接合部上の一点に合焦させる工程を更
に含んでいる。立上がり時間はレーザーエネルギーを金属接合部に効率良く結合
させるのに十分に高速である。パルス持続時間は金属接合部を融除するのに十分
な長さであり、降下時間は金属接合部を包囲している少なくとも１つのパシベー
ション層に望ましからぬ変化が生じるのを防止するのに十分なだけ迅速である。
【００２４】 また更に、本発明の上述の目的および他の目的を実行するにあたり、金属接合
部を包囲している少なくとも１つのパシベーション層の電気特性または物理特性
に望ましくない変化を生じることなく、少なくとも１つのパシベーション層に指
定寸法分が埋設された金属接合部を融除するための、エネルギー効率に優れたシ
ステムが提供される。このシステムは、処理制御信号を発生させる制御装置と、
処理制御信号に基づいて変調された駆動波形を発生させる信号発生装置とを備え
ている。波形は１ナノ秒に満たない立上がり時間を有している。このシステムは
また、或る反復率でレーザーパルスを発生させる波長を有している、利得スイッ
チ制御のパルス式シードレーザーを備えている。駆動波形がレーザーをポンピン
グさせて、パルス列のパルスごとに所定の形状を有するようにしている。更に、
このシステムは、パルスの所定形状をそれほど変化させずにパルス列を光増幅さ
せて、増幅パルス列を得るようにしたレーザー増幅器を備えている。増幅パルス
は各々が実質的に方形の時間出力密度分布と、急峻な立上がり時間と、パルス持
続時間と、降下時間とを有している。このシステムは、増幅パルス列の少なくと
も一部を搬送し、金属接合部上の一点に合焦させるビーム搬送／合焦サブシステ
ムを更に備えている。立上がり時間はレーザーエネルギーを金属接合部に効率よ
く結合させるのに十分なだけ高速である。パルス持続時間は金属接合部を融除す
るのに十分な長さであり、降下時間は金属接合部を包囲している少なくとも１つ
のパシベーション層に望ましくない変化が生じるのを防止するのに十分なだけ迅
速である。 金属接合部は、それを覆う頂面パシベーション層と下に位置する底面パシベー
ション層とに埋設されていてもよい。パルス持続時間は頂面パシベーション層に
ひび割れを入れるには十分であるが、底面パシベーション層にはひび割れを入れ
ない程度の長さである。
【００２５】 本発明の上述の目的および他の目的を実行するにあたり、レーザー材料処理に
好適な波長を有しているレーザーを利用して標的材料を融除すると同時に、材料
の周囲に対する損傷を回避する方法が提供される。この方法は、レーザービーム
を変調させて、所定の利得スイッチ制御式パルスを生成する工程と、標的領域上
にレーザービームを合焦させる工程とを含んでいる。所定の利得スイッチ制御式
パルスの形状は、レーザーエネルギーを標的構造体に効率良く結合させるのに十
分なだけ高速なレーザーパルスの立上がり時間を有しており、この時には、パル
ス持続時間は標的材料を有効に加熱気化させるのに十分な長さであり、パルス減
衰時間は標的材料を包囲している構造体の損傷を回避するのに十分なだけ迅速で
ある。 更に、本発明の上述の目的および他の目的を実行するにあたり、レーザー処理
に好適な波長を有しているレーザーを利用して材料を融除すると同時に、周囲の
材料に対する損傷を回避するためのシステムが提供される。このシステムは、レ
ーザー源と、レーザー源を変調させて所定の利得スイッチ制御されたパルス形状
を有するレーザーパルスを発生させる構成要素と、レーザービームを標的領域上
に合焦させる光構成要素とを備えている。所定のパルス形状は、レーザーエネル
ギーを標的構造体に効率良く結合させるのに十分なだけ高速なレーザーパルスの
光立上がり時間を有しており、この時、パルス持続時間は標的材料を効率よく加
熱気化させるのに十分な長さであり、パルス減衰時間は標的材料を包囲している
構造体の損傷を回避するのに十分なだけ迅速である。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明の好ましい構成では、利得スイッチ制御されたパルス形状は、頂面が実
質的に平坦で、立上がり時間が高速で降下時間が高速なパルスを含んでいる。「
シード」レーザーダイオードは、直接変調されて所定のパルス形状を発生させる
。光出力はファイバーレーザー増幅器を用いた増幅作用によりレーザー処理に十
分な出力レベルまで増大される。この結果としてライバーレーザー増幅器出力端
に生じる利得スイッチ制御されたパルスは標的領域上に合焦される。 本発明の構成では、「シード」ダイオードを直接変調して、所定の利得スイッ
チ制御されたパルスを生成し、ファイバーレーザー増幅器を用いて低歪み増幅を
実施して材料処理に十分な出力パルスレベルを供与するのが有利となる。 代替の構成では、直接変調されたシードダイオードのパルス時間出力分布を変
調して、例えば、出力変調器の「平滑な」立上がり等の、ファイバー増幅器また
は他の構成要素の歪みまたは不均一性を補償している。この結果として生じるレ
ーザー処理パルスは、標的領域に合焦されるが、所望の形状を有し、立上がり時
間が高速で、パルス持続時間中は比較的平坦で、急速な減衰を伴うことになる。
【００２７】 本発明の構成では、レーザーパルスの終端時に、レーザー処理システムの出力
端に残存しているレーザーエネルギーを減衰させるために使用される「パルスス
ライス」モジュールを設けることにより、処理が完了した後に、標的材料として
指定されていない高感度の構造体が加熱されるのを防止してレーザー処理システ
ムの性能を向上させることが有利である。「パルススライス」技術は修正された
パルスと標準Qスイッチ制御されたパルスのいずれの末尾を減衰するのにも有用
である。これは図４ａおよび図４ｂに例示されており、ここでは対数目盛が図４
ｂの垂直軸に設けられている。 とりわけ金属接合部ブロー成形では、１ｋＨｚ（1000パルス／秒）のパルス率
で、１パルス中に少なくとも0.1マイクロジュールのレーザーパルスエネルギー
を利用して、0.1マイクロジュールをファイバー増幅器の出力端で発射させて、
レーザー処理作業を実施するのが好ましいが、この場合、光ファイバー増幅器の
利得は少なくとも20ｄＢ（1000：１）である。
【００２８】 本発明の構成では、レーザーパルスはパルス持続時間の約２分の１よりも短い
立上がり時間と降下時間を有している状態に成形されており、この場合のピーク
出力は立上がり時間と降下時間の間で概ね一定である。 本発明の構成では、一連の互いに密に間隔を設けた短波パルスを発生させるこ
とが可能であり、パルスは、互いに結合されると、図３ａおよび図３ｂに例示さ
れているような所望のパルス形状を生成する。 本発明を利用したシステムの構成では、材料処理速度を超過するパルス反復率
でレーザーを作動させ、コンピュータ制御の光スイッチを利用して処理パルスを
選択することも有利であるが、この時、コンピュータは、合焦レーザービームを
位置決めするために使用されて材料処理を実施するビーム位置決めシステムに動
作可能に接続されている。
【００２９】 本発明の上述の目的および他の目的、特徴、利点は、添付の図面と関連して理
解されれば、本発明を実施する最良のモードについての後段の詳細説明から容易
に明白となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】レーザー処理システムの構造 当業者なら正当に評価することができることであるが、以下の実施形態は、レ
ーザー出力、エネルギー密度、スポット寸法、波長、パルス幅、偏光率、反復率
などのパラメータを適切に調整すれば、マイクロ加工およびレーザー処理におけ
る幾つかの応用例に適用することができる。金属接合部ブロー成形への特殊な適
用例を具体例として説明していく。
【００３１】 図７の好ましい実施形態では、シードレーザー１０とファイバー増幅器は、運
動システム２０と作業片に装着された安定した台に搭載されている。10分の３ミ
クロンより細かい精度でビームを位置決めすることは、接合部を除去する際には
極めて重要である。標的および光学系の相対位置と相関関係付けるようにレーザ
ーパルスをタイミング調整することは、高い処理速度を得るために必要な連続運
動のために重要となる。 レーザー１０はコンピュータ３３および信号発生装置１１により外部制御され
ており、そこで変調されたビームを、口径の数値が高い光学系を備えている合焦
サブシステム１２に伝播するが、このサブシステムは、コンピュータ３３を介し
てスキャナ制御部により制御される検流計ミラーなどのビーム偏向器を更に備え
ていてもよい。システム制御コンピュータ３３はまた、システムと信号発生装置
１１のための位置決め機構すなわち運動システム２０に動作可能に接続されて、
パルス発生のタイミングを適切に調整する。レーザービームは厳密に制御されて
、約1.5ミクロンから４ミクロンの範囲のスポット寸法でＸ、Ｙ，Ｚの正しい位
置に鮮明に合焦されたビームを生成しなければならない。このように、ビーム位
置決め処理およびビーム合焦処理の当業者であれば、レーザーヘッドまたは標的
物質の近回折、制限された性能、および、高精度運動制御を実施するために補正
される光学系の重要性を認識するであろう。特殊なレーザー処理応用例の要件次
第では、比較的狭い視野を光学系に設け、回折制限された合焦処理と高精度のＸ
−Ｙ方向運動段を実施して、ビームの位置決めを行うことが有利であるかもしれ
ない。更に、並進段と組み合わせて高速偏向を実施するようにミラーの運動を多
様に組み合わせることも実行できる。
【００３２】 進退／反復テーブル３４を利用してウエーハ２２を適所に移動させ、ウエーハ
から取り出したメモリダイス２４を処理することができる。ビーム走査の当業者
ならば、ミラーベースのビーム偏光システムの利点を正当に評価するだろうが、
上述のように、基板および／またはレーザーヘッドの移動用のＸ−Ｙ方向並進段
のような他の位置決め機構を代用とすることも、本発明を実施するうえで実行可
能な代替案である。例えば、基板位置決め機構３４は非常に厳密な（１ミクロン
を十分に下回る）Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の位置決め機構を有して、制限された移動範囲
に亘って動作するようにしてもよい。位置決め機構２０を用いて、レーザー、フ
ァイバー増幅器、より粗な様式の合焦サブシステムレーザーから成る処理用光学
系構成要素を並進させるようにしてもよい。好ましい位置決めシステムに関する
これ以上の詳細は、1998年９月８日に出願された「高速高精度位置決め装置（Hi
gh Speed Precision Positioning Apparatus）」という名称の上述の係属中の米
国特許出願に開示されている。 また別な音響光学減衰器またはポッケルスセルの様式のシステム光スイッチ１
３はレーザー空洞を越えて、レーザー出力ビーム内に位置決めされている。この
スイッチは、コンピュータ３３の制御下で、所望された場合と処理ビームが必要
な場合を除いてはビームが合焦システムに達することがないようにするためと、
所望の出力レベルまでレーザービームの出力を制御自在に低減するための、この
両方の目的に役立つ。気化処置手順の間、システムと処理過程の作業パラメータ
次第で、出力レベルは名目レーザー出力の10パーセント程度にしかならない。気
化処置手順より前にレーザー出力ビームが標的構造体と整列状態になる整列処理
手順の間、出力レベルは名目レーザー出力の約0.1パーセントとなることもある
。ポッケルスセルの遅延が相当に低いけれども、使用が容易であるので、音響光
学装置が一般的には好ましい。
【００３３】 動作については、ウエーハ２２（または、標的もしくは基板）の位置はコンピ
ュータ３３により制御される。通例、相対運動はシリコンウエーハ２２上のメモ
リ装置２４上方では実質的に一定速度であるが、ウエーハの進退／反復運動が可
能である。レーザー10は、運動システムを制御するタイミング信号に基づいたタ
イミング信号により制御される。レーザー１０は通例、一定の反復率で作動し、
システム光スイッチ１３により位置決めシステムに同期される。 図７のシステムブロック図では、レーザービームはウエーハ２２上に合焦され
ているのが図示されている。図９の拡大図では、レーザービームは、メモリ回路
または装置２４の接合部要素２５の上に合焦されているのが分かる。
【００３４】 精の接合部構造体を処理するために、スポット寸法の要件はますます厳しくな
りつつある。スポット寸法の要件は通例は、直径にして1.5ミクロンから４ミク
ロンであるが、この時、ピーク出力は、ガウス分布に良好に一致して、スポット
中心に発生し、また、それより低い出力は端縁部に発生する。通例の約1.1倍か
それより良好なビーム品質すなわち「ｍの２乗積の因子」で回折制限に近づいた
、優れたビーム品質が必要となる。この「倍化回折制限」の品質標準はレーザー
ビーム解析の当業者には周知である。光クロストークや標的領域外の機構を意に
反して照射することを回避するのには、低い副ローブも好ましい。 接合部２５はスポット寸法よりも幾分小さすることにより、高精度位置決めと
良好なスポット品質を義務付けている。接合部は、例えば、１ミクロン幅で約３
分の１ミクロン厚さにすることもできる。本明細書に示された事例では、接合部
は金属から作成されており、横方向の寸法（幅）と厚さはレーザー波長よりも小
さい。
【００３５】好ましいレーザーシステム 好ましい実施形態では、図５のレーザーサブシステムは主発振器−出力増幅器
（MOPA）構成を利用している。このシステムは、増幅器を線源として高出力で立
上がり時間が短いパルスを生成するレーザーパルスを生成している。シードレー
ザーは短波パルスを高速立上がり時間で、しかも、非常に低いエネルギーレベル
で生成する要となっている。このシステムは、材料処理を行うのに十分なエネル
ギーを生成するために、レーザー増幅器を必要とする。レーザー処理応用例に好
適な出力波長を有している、ファイバーレーザー増幅器や高速赤外線レーザーダ
イオードが好ましい。このようなシステムを利用して、図５の下部に例示されて
いるような好ましい形状と速度のレーザーパルスを生成するレーザーが案出され
る。すなわち、高速な立上がり時間のパルスであるが、頂部が方形で、降下時間
も高速なパルスである。このパルス形状を利用すると、金属反射率の低減、装置
内へのエネルギー拡散の低減、下層酸化物には損傷を生じずに表層酸化物にひび
割れを設けるという、望ましいレーザー材料の相互作用の成果をもたらす。
【００３６】 MOPA構成は比較的新規で、パルス式のバージョンは最新技術であると見なされ
ている。変調用駆動波形に応答してから１ナノ秒に満たない立上がり時間のレー
ザーダイオードは、利得素子としてレーザーダイオードを備えているファイバー
レーザーMOPA構成の黎明点である。レーザーダイオードは一般に多元長期モード
を有しており、そのサブシステムは一元モード動作用に構成されるか、そうでな
ければ、出力端の集合構成要素で同調処理してもよく、或いは、代替例として、
システムに統合型ファイバー格子を設けてもよい。 例えば、ニュー・フォーカス・インコーポレーティッド（New Focus Inc.）に
よる製品文献に記載されているリットマン−メトカーフ格子構成を外部空洞構成
内に置いた構成も実行可能である。図６ｂは外部空洞同調機能を備えている単一
周波数レーザーの概略を例示しており、また、クラッディング位置でダイオード
レーザーポンプによりポンピングされる光ファイバーを備えているのを示してい
る。
【００３７】 上記以外のダイオードレーザーの代替例としては、分散フィードバックレーザ
ー（DFB）や分散ブラッグレーザー（DBL）があるが、これらは一体型格子と導波
路構造体を有しており、事例によっては、外部制御部を備えていて、ユーザーが
単独で利得、位相、および、格子フィルタを制御できるようにしている。図６ａ
のDBL構成を見ると、カプラー５０を備えている。これにより、柔軟なモード選
択と同調能力が供与される。レーザー周波数は、格子のような集合構成要素およ
び／または外部空洞のミラーを調節することにより多数の構成に関して動的に選
択することが可能であり、或いは、代替例として、固定波長または固定モードが
選択されてもよい。ダイオードの中心波長を選択することができる範囲は全体に
印象的で、１μmより短いレベルから約1.3μmないし1.5μm或いはそれよりも長
いレベルまで広がり、後者の波長は光ファイバー通信で用いられている波長であ
る。 いずれの場合にせよ、本発明を達成するための要の要素は、材料処理のために
選択されたレーザー波長にある場合でも、「シード」レーザーダイオードの立上
がり時間とパルス形状である。また、本発明について一考すべき点として、光フ
ァイバー増幅器がわずかな波長変化には殆ど反応しないスペクトル帯域、すなわ
ち、増幅器が「フラット」な反応を示す領域のスペクトル帯域にシードレーザー
波長を一致させて、優れたパルス対パルス出力が十分なパワーを有したままに維
持するようにすべきである。イッテルビウムでドーピングされたファイバーにつ
いては、シリコンの1.1μm吸収端縁附近の適度に広い波長帯域内とその附近では
利得が高い。材料または一体型ファイバー構成要素を更に安威発すれば有効波長
領域を拡大して、ファイバー発射スペクトルや、高速レーザー波長や、標的材料
の諸特性に調和する一層の柔軟性を供与することができる。例えば、1997年8月
刊行のフォトニクス・スペクトラ（Photonics Spectra）誌の92頁で、1.1μmか
ら1.7μmの波長範囲にわたる先端記述のファイバーレーザー開発についての成果
が報告されている。
【００３８】 ラマンシフト器の動作は、短波Qスイッチ制御式システムを用いた特殊用途に
ついて、上述の第'759号特許に記載されていた。所望されれば、この装置をファ
イバーシステムの出力端に設置して、出力波長を所望の領域にシフトし、例えば
、吸収コントラストなどを向上させることもできる。上述の第'759号特許に教示
されているように、処理についてのパルス幅要件および小さいスポット寸法要件
の重要性を認識すれば、金属接合部処理用の好ましいシステムの典型的動作は、
例えば1.08μmの波長については、約1.06μmかそれを超過する範囲に入ることに
なる。 シードレーザーの出力を増幅してレーザー材料処理にあたることになる。好ま
しい光ファイバーレーザー増幅器は約30ｄBの利得を供与する。シードレーザー
出力端がファイバーレーザーのコアに連結されるが、この場合、直接連結されて
るか、或いは、ファイバー搬送用にビームを分岐させる集合光学系を用いて連結
される。これら技術は両方ともが、チャープパルス増幅を利用した超高速レーザ
ー技術の当業者により定常的に実施されているが、好ましい実施形態のシステム
は全体的に、かかる超高速システムよりも複雑さの程度が遥かに少ない。本発明
のシステムでは、シードパルスは増幅され、パルス伸張やパルス圧縮用の光学系
は全く必要とならない。増幅器システムで使用されるファイバーは、シードレー
ザーとは実質的に異なる980nm等といった波長を有しているダイオードレーザー
でクラッドがポンピングされ、これにより、集合光学系配置内の二色性ミラーを
用いてシードビームとポンピングビームの光絶縁を実現することができるように
なる。経費、寸法、および、整列の容易さの観点から言えば、好ましい構成は、
シードレーザーがファイバー増幅器に直接連結されている連結配置を利用する。
ファイバーレーザーシステム設計の当業者には馴染みのある結合技術を利用して
、ポンプレーザーは希土類イッテルビウム（Yb)でドーピングされたファイバー
のクラッド構造体に、例えば980nm波長の高出力ダイオードエネルギーを注入す
る。
【００３９】 低歪みはファイバー増幅器の重要な特徴である。低歪みにより、出力パルス形
状をシードレーザーパルス形状と実質的に一致させることができるようになり、
或いは、パルス端縁を更に改良し、すなわち、均一な出力形状を更に向上させる
ことも可能となる。光ファイバー利得媒体は図５の増幅器パルスを生成するが、
このパルスは光学系に搬送されて、物体上で合焦される。 歪みが低いのであれば、多数のファイバー増幅器を縦続接続して、必要ならば
、更なる利得を得るようにしてもよい。中間段の出力端に能動光スイッチまたは
受動光絶縁器を設けて、自発的発射を抑制するようにすることが有利な場合もあ
る。これらの技術は当業者には公知であり、例えば、米国特許第5,400,350号お
よびWO 98/92050号に開示されている。
【００４０】 場合によっては、レーザーサブシステムにパルススライサが付加された状態で
、パルスの「末尾」を低減することにより、パルス形状を更に向上させることが
望ましいこともある。これは、ポッケルスセルのような電子光学装置の様式であ
ってもよいが、低遅延音響光学変調器の様式であるのが好ましい。この技術は、
処理パルスの短いが多数の「パルス期間」ごとに損傷の危険が発生する時はいつ
でも、パルス末尾でエネルギーを無視できる程度のレベルまで抑制することがで
きる。例えば、エネルギーが所定パルス持続時間の1.5倍の範囲内で20ｄB（100
：１）分だけ低減された場合は、どのような実際的目的であれ、金属接合部ブロ
ー成形の応用例においては基板損傷の危険が皆無となる。より具体的には、金属
接合部ブロー成形の応用例で方形のパルス形状を得るのに８ナノ秒のパルス持続
時間が選択されて、エネルギーが12ナノ秒後に20ｄB低下された場合には、残り
のエネルギーは、Si基板に損傷を起こすことになるエネルギーよりも遥かに低く
、この場合の損傷は、レーザーパルスの付与してから実質的に約18ナノ秒後かそ
れより長い時間の後に生じる。好ましい動作モードでは、低遅延、高帯域幅パル
ススライス器が増幅器パルス持続時間の終端時点附近で活動状態にされ、中心ロ
ーブの歪みを最小限に抑えたままで、パルス末尾に倍増効果をもたらす。増幅器
歪みの効果はいずれも、また、変調器の「オン状態後の遅延」は、パルス持続時
間中にシードダイオードレーザー波形の形状を変化させることにより、或る程度
まで補償される。結果として生じた、合焦ビームの時間パルス波形は補償されて
おり、所望の方形形状となる。 また、現在、ファイバーシステムは最適状態で、処理速度よりも幾分速い約20
ｋHzのパルス反復率で作動する。低遅延音響光学変調器のような出力光スイッチ
は、その駆動装置がコンピュータに作動可能に接続された状態で、処理用のパル
スを選択する。このようにして、ファイバー増幅器の信頼性は高まり、よって、
処理システムの信頼性が高まる。パルススライス器と出力光信号を組み合わせて
単体モジュールにすることが経済的観点から有利であることを、当業者ならば認
識するだろう。
【００４１】代替のレーザーシステム シードレーザーおよびファイバー増幅器の好ましいシステムの多数の利点を先
に言及してきた。適切な駆動装置を備えているレーザーダイオードの電流変調は
、ファイバーレーザー増幅器により増幅されても低歪みである、利得スイッチ制
御された所望のパルス形状を直接生成することができる。この方法は、本発明を
実施するのに最良かつ最も効率の良いアプローチであると思量われる。しかし、
レーザーパルス発生およびレーザーパルス成形の当業者であれば、上記以外の効
率の劣るアプローチを利用してもよいことを認識するだろう。例えば、米国特許
第4,483,005号の教示を越えて進展するQスイッチシステムの修正例は、変調器の
反応時間が十分に速い場合には多様な制御機能を用いてポッケルセルまたは光ス
イッチを駆動させることにより、比較的平坦なパルスを得るのに利用できる。パ
ルス幅を変化させる現在の技術としては、Nd：YAGのQスイッチ制御式レーザー内
の従来のガラスを、ばらで、または、結晶の形式ででGaAsと置換するといったよ
うに、修正された出力カプラーを使用することが挙げられる。GａＡｓ出力カプ
ラーを有しているNd：YAGレーザーの受動Qスイッチ動作では、Qスイッチ制御さ
れたパルスの数ピコ秒から数ナノ秒の持続時間が報告されている（オプティカル
エンジニアリング（Optical Engineering）1999年11月刊の38(11）号の1785頁か
ら1788頁を参照）。
【００４２】レーザー処理工程および結果 金属接合部２５は二酸化シリコン絶縁体層３２によりシリコン基板３０上に支
持されているが、これは、例えば、厚さが0.3ミクロンから0.5ミクロンであって
もよい。二酸化シリコンは接合部を覆って延在しており、窒化シリコンの別な絶
縁層がSiO2層上に存在していることも多い。接合部ブロー成形技術では、レーザ
ービームは各接合部に衝突し、接合部を溶融点まで加熱する。加熱の最中は、上
層のパシベーション層の閉込め効果により、金属は蒸発するのが防止されている
。短波パルスの持続期間中は、レーザービームは漸進的に金属を加熱し、終には
、金属が膨張しすぎて、絶縁体材料が破裂する。この時点で、溶融材は高圧下に
あるため、瞬時に気化して、破裂穴を通ってきれいに外へ噴出す。 上述の第'759特許で開示されているように、小さい金属接合部に関して非常に
小さいスポット寸法を採用した場合、標的に当たるビームの部分からの伝達作用
により、熱は本質的に指数関数的な勾配で広がるように思える。非常に高いピー
クビーム出力を採用したために、接合部の蒸発に必要なだけ十分なエネルギーが
８ナノ秒のパルスで搬送される（実際ににはもっと短い時間が好ましいが）よう
にすることで、熱伝達の伝達成分は実質的に金属接合部と、非常に薄いにも関わ
らず、その下の酸化物層に閉じ込められ、熱伝達が原因であるシリコンの温度上
昇とシリコンへのビーム吸収が原因である温度上昇とが、容認できないシリコン
損傷が発生する温度閾値より低いレベルで累積的に維持される。
【００４３】 更に、上述の第'759号特許は、接合部とそれに隣接する構造体の熱伝達特性に
関連する幾つかの重要な局面を教示している。例えば３ナノ秒から10ナノ秒の狭
いパルス幅は、標的材料の厚さで決まるのであるが、代表的寸法部については、
熱伝達とSi基板へのその後の損傷を回避するのが好ましいことを、熱モデルが予
測している。しかし、接合部に結合する他の構造体も、以下の実験結果が示すよ
うに、レーザー処理結果の質に影響を及ぼすことがあることを認識することは決
定的に重要である。 利得スイッチ制御された方形のパルス形状の利点は、コンピュータシミュレー
ションに基づく実験結果と、同シミュレーションによる実験結果の両方で検証済
みであった（有限要素解析）。接合部ブロー成形のために利用されるレーザーに
ついての仕様は以下のとおりであった。 レーザー波長 1.083ミクロン 最大レーザーエネルギー 10マイクロジュール パルス幅 ７ナノ秒（FWHM、方形パルス） 反復率 10ｋHz（70ｋHzのレーザー速度） 空間プロファイル ガウス形、TEM-OO、 M2＝1.02（倍化回折制限） 偏光 無偏光 パルス立上がり時間 0.5ナノ秒 選択したレーザーは、980nmポンプダイオードと７ミクロ径の一元モードファ
イバーを利用したMOPA構成におけるイッテルビウムのクラッドポンプ式ファイバ
ーレーザーであった。
【００４４】 標準Qスイッチ制御式レーザーシステムと比較した場合、ここ何世代かのメモ
リ装置について先に指定されたレーザーを用いて実施した実験結果は卓越した性
能を示した。実験結果から、MOPAレーザーの短波高速立上がりパルスが優れた性
能の原因であったという結論に至った。先に開示されているように、根拠には３
つの面がある。 １． 1.083波長は基板損傷を回避するのに十分なだけの長さであり、1.0
47μmの波長と比べると、1.083μmで約10倍少ない吸収率が生じるからである。 ２． 高速立上がりパルスは、接合部除去を容易にする上位の酸化物層に
熱衝撃を与えるからである。 ３． 高速立上がりパルスの高出力密度は接合部反射率を低減し、これが
効率よいエネルギー結合を可能にするからである。 これらの特徴はQスイッチ制御式システムを用いた場合に観察される相互作用
からは相当な離脱をもたらしている。更に、コンピュータ有限要素モデルを利用
して、多様な材料の厚さと接合部寸法について高速立上がりパルスの効果のシミ
ュレーションを行った。その多数の結果から、互いに無関係に確認されたことと
して、ほぼ方形の分布を示しながら急峻な立上がり時間のパルスの利用の結果と
して、接合部ブロー成形は向上が見られた。引例３の著者であるバーンシュタイ
ンにより作成されたコンピュータモデルの結果が図１１ａおよび図１１ｂに例示
されている。下記の表Ａおよび表Ｂは、それぞれに、図１１ａおよび図１１ｂの
グラフと関与している。
【００４５】
【表１】表Ａ Aｌ厚さ：0.8μｍ Aｌ幅：0.8μｍ ＳｉＯ2：0.1μｍ Ｓｉ3Ｎ4：0.4μｍ レーザーエネルギー：0.7μJ
【表２】表Ｂ Aｌ厚さ：0.8μｍ Aｌ幅：0.8μｍ ＳｉＯ2：0.6μｍ Ｓｉ3Ｎ4：0.6μｍ レーザーエネルギー：0.7μJ
【００４６】 応力と温度の来歴は、立上がり時間が１ナノ秒に満たない高速立上がりパルス
の重要性を確証をもって示している。相当量のパルスエネルギーが存在している
場合には、融除処理完了してから数ナノ秒後、例えば１５ナノ秒後に、Siが損傷
を受けることがある。パルスが高速消滅する場合の高速降下時間も重要である。
【００４７】 本発明によれば、波長を適切に選択することと、パルス持続時間を制限するこ
との、両方の手段により、対応する方形のパルスが高速減衰して生じると同時に
、シリコン基板は比較的低温に維持される。この具体例におけるレーザー波長は
、シリコンの室温吸収率の上下変動端縁よりもわずかに短い（約1.1μm）。本明
細書で報告された結果は基板損傷を示してはいないが、所望されれば、向上され
た限界域が利用できるようになることに留意するべきである。例えば、ラマンシ
フト器を利用して、吸収率端縁を超えて出力波長をシフトすることができた。代
替例として、別なダイオードレーザー波長がMOPA構成用に潜在的に商業的に利用
できるようになるかもしれない。このような波長選択とシフト技術を別なレーザ
ー処理応用例とマイクロ加工応用例で利用することができるのも有利である。い
ずれにせよ、このように加熱処理を制約することにより、シリコンが吸収率端縁
を赤外線領域にシフトせず、シリコン損傷が発生し得る熱暴走状態に入らないこ
とを確実にすることができる。
【００４８】 金属接合部を奇麗にブロー成形するための高速パルス発生用のMOPA構成の特殊
な実施形態はパルス成形の一例であると解釈され、制限するのではなく、むしろ
、例示するために提示されている。高速レーザーの方向変調により、パルス形状
について優れた１ナノ秒未満高精度制御が維持され、出力パルスの形状を補正す
る高速補償の可能性を含め、有利であることが分かった。マイクロ加工、マーキ
ング、スクライビングなどの別な応用例も高精度高速パルス制御の恩恵を受ける
ことができた。例えば、シードダイオードは、表面上または表面内に特殊機構を
設けたり、そこから除去したりするために、同様に、「鋸歯状」波形または別な
Qスイッチ制御されていない波形で容易に変調することができた。同様に、レー
ザーダイオードの高速反応のおかげで、一連の可変幅の短波パルスを連続して発
生させることが可能となる。レーザー処理の当業者であれば、本明細書中のレー
ザーシステムの広範な応用例を認識するだろう。本発明の範囲は前掲の特許請求
の範囲により示されており、それ以外の限定を受けるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１ａは気化金属の膨張により半導体のみからなる頂面表層に応力ひび割れが
生じているのを概略的に例示した図であり、図１ｂは気化金属の膨張により半導
体の頂面層と底面層に応力ひび割れが生じているのを概略的に例示した図であり
、図１ｃは「Ｑスイッチ制御式パルスエンベロープ」と呼ばれる、ガウス形状、
または、ガウス形と指数関数的末尾との混合に酷似している典型的な先行技術の
レーザーパルスを例示した図である。
【図２】 同一エネルギー総量のＱスイッチ制御式と比較した場合の、金属接合部を処理
する本発明の好ましいパルス形状を例示している図である。
【図３】 図３ａおよび図３ｂは時間内に互いに密に間隔を設けた２つの短波パルスを結
合させて修正パルスを生じる方法を例示した図である。
【図４】 図４ａおよび図４ｂは一般的なパルス形状のパルスエネルギー封入を改善する
ための「パルススライス」の結果を例示した図である。
【図５】 レーザー材料処理の好ましいレーザーシステムを例示した一般的ブロック図で
ある。
【図６】 図６ａは半導体シードレーザーとして分散ブラッグレーザーを備えている一種
のMOPAレーザーシステムが、一元モードレーザーと好ましいパルス形状を生成す
る光ファイバー増幅器とから構成されているのを例示した図であり、図６ｂは外
部空洞同調機能を有している単一周波数のレーザーと光ファイバー増幅器とを例
示した概略図である。
【図７】 好ましい減衰器と光シフト器を備えている、本発明の別なレーザーシステムの
概略ブロック図である。
【図８】 二酸化シリコン層の厚さの関数として、二酸化シリコン層と図９のシリコン基
板の間の界面の温度を例示したグラフである。
【図９】 基板上のメモリの接合部を例示した斜視図である。
【図１０】 ガウスレーザービームが金属接合部を含む焦点面上の小さい点へと合焦されて
いるのを例示し、回折が制限されたビーム中央と比較させて接合部の微小寸法を
強調した図である。
【図１１】 図１１ａおよび図１１ｂは、コンピュータ有限要素解析の結果を示しており、
応力と温度の経時的来歴が金属接合部の処理で使用されるＱスイッチ制御された
パルスと方形パルスについてグラフ上にプロットされたグラフである。

Claims (83)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 標的材料を包囲している材料の電気特性と物理特性の望まし
    くない変化を引き起こすこと無しに、微細領域において特定寸法を有している標
    的材料を処理するための、エネルギー効率のよいレーザーベースの方法であって
    、この方法は、 或る反復率の波長を有しているレーザーを利用して、レーザーパルス列を発生
    させる工程を含んでおり、パルス列の各パルスが所定の形状を有しており、 パルスの所定の形状をそれほど変化させずにパルス列を光増幅させて、増幅さ
    れたパルス列を得るようにした工程を更に含んでおり、増幅パルスは各々が実質
    的に方形の時間出力密度分布と、急峻な立上がり時間と、パルス持続時間と、パ
    ルス降下時間とを有しており、 増幅パルス列の少なくとも一部を搬送し、標的材料上の１点に合焦させる工程
    を更に含んでおり、立上がり時間は、レーザーエネルギーを標的材料に効率的に
    結合するのに十分なだけ高速であり、パルス持続時間は標的材料を処理するのに
    十分な長さであり、パルス降下時間は、標的材料を包囲している材料に望ましく
    ない変化が生じるのを防止するのに十分なだけ迅速である、方法。
  2. 【請求項２】 前記標的材料として微細構造体が挙げられる、請求項１に記
    載の方法。
  3. 【請求項３】 前記微細構造体は導電線である、請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記導電線は金属線であり、前記パルス持続時間は金属線の
    特定部分を効果的に加熱気化させるのに十分な長さである、請求項３に記載の方
    法。
  5. 【請求項５】 前記標的材料は半導体装置の一部である、請求項１に記載の
    方法。
  6. 【請求項６】 前記半導体装置は半導体メモリである、請求項５に記載の方
    法。
  7. 【請求項７】 前記メモリは、少なくとも16メガビットから256メガビット
    までの密度を有している、請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記標的材料を包囲している材料の少なくとも一部は基板で
    ある、請求項１に記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記基板は半導体基板である、請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記標的材料は超小型電子装置の一部である、請求項１に
    記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記半導体は超小型電気機械装置である、請求項５に記載
    の方法。
  12. 【請求項１２】 前記実質的に方形の時間出力密度分布は、前記標的材料を
    実質的に完全に融除するのに十分である、請求項１に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記立上がり時間は１ナノ秒よりも短い、請求項１に記載
    の方法。
  14. 【請求項１４】 前記立上がり時間は0.5ナノ秒よりも短い、請求項１に記
    載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記パルス持続時間は10ナノ秒よりも短い、請求項１に記
    載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記パルス持続時間は５ナノ秒よりも短い、請求項１５に
    記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記降下時間は２ナノ秒よりも短い、請求項１に記載の方
    法。
  18. 【請求項１８】 前記標的材料を処理するのに、１個の増幅パルスで十分で
    ある、請求項１に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記標的材料は、前記増幅パルスに対して反射性を有して
    おり、増幅パルスの出力密度は、増幅パルスに対する標的材料の反射率を低減す
    るとともにレーザーエネルギーを標的材料に効率的に結合させるのに十分なだけ
    の高さである、請求項１に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 各増幅パルスは、パルス持続時間全体で、比較的均一な出
    力密度分布を有している、請求項１に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 各パルスは、時間出力密度分布がパルス持続時間の10パー
    セントの範囲内まで均一である、請求項１に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記標的材料を包囲している材料は、光特性と熱拡散特性
    が、標的材料のこれらに対応する諸特性とは異なっている、請求項１に記載の方
    法。
  23. 【請求項２３】 前記光特性としては吸収率が挙げられる、請求項２２に記
    載の方法。
  24. 【請求項２４】 前記光特性としては偏光感度が挙げられる、請求項２２に
    記載の方法。
  25. 【請求項２５】 前記反復率は少なくとも1000パルス／秒である、請求項１
    に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 前記増幅パルスは各々が少なくとも0.1マイクロジュール
    から３マイクロジュールまでのエネルギーを有している、請求項１に記載の方法
    。
  27. 【請求項２７】 光増幅させる前記工程は少なくとも20dBの利得を供与する
    、請求項１に記載の方法。
  28. 【請求項２８】 前記立上がり時間と前記降下時間の両方が前記パルス持続
    時間の２分の１よりも短く、増幅パルスごとのピーク出力が立上がり時間と降下
    時間の間で実質的に一定である、請求項１に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 前記増幅パルスは各々が末尾を有しており、上記方法はま
    た、増幅パルスの末尾でレーザーエネルギーを減衰させて、増幅パルスの降下時
    間を低減させると同時に、パルスの出力量を実質的に維持するようにした工程を
    更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
  30. 【請求項３０】 前記末尾の前記減衰されたレーザーエネルギーは、パルス
    持続時間の1.5倍の範囲内では少なくとも20ｄB分だけ減衰される、請求項２９に
    記載の方法。
  31. 【請求項３１】 前記パルス持続時間は前記特定寸法の関数である、請求項
    １に記載の方法。
  32. 【請求項３２】 前記特定寸法は前記レーザー波長よりも短い、請求項１に
    記載の方法。
  33. 【請求項３３】 前記レーザーは高速半導体レーザーダイオードである、請
    求項１に記載の方法。
  34. 【請求項３４】 前記レーザーダイオードは波長が約２μmよりも短い、請
    求項３３に記載の方法。
  35. 【請求項３５】 前記点は約１μmから４μmの範囲の寸法を有している、請
    求項１に記載の方法。
  36. 【請求項３６】 前記レーザーダイオードは多元モードダイオードレーザー
    である、請求項３３に記載の方法。
  37. 【請求項３７】 前記レーザーダイオードは、分散ブラッグ反射器（DBR）
    、分散フィードバック（DFB）、または、外部空洞設計を利用した単一周波数の
    レーザーダイオードである、請求項３３に記載の方法。
  38. 【請求項３８】 標的材料を包囲している材料の電気特性または物理特性の
    望ましくない変化を引き起こさずに、微細領域において特定寸法を有している標
    的材料を処理するための、エネルギー効率に優れたシステムであって、このシス
    テムは、 処理制御信号を発生させる制御装置と、 処理制御信号に基づいて変調駆動波形を発生させる信号発生装置とを備えてお
    り、波形は１ナノ秒に満たない立上がり時間を有しており、 レーザーパルス列を或る反復率で発生させる波形を有している、利得スイッチ
    制御のパルス式シードレーザーを更に備えており、駆動波形はレーザーをポンピ
    ングし、パルス列のパルスごとに所定の形状を有するようにし、 パルスの所定形状をそれほど変化させなくても、パルス列を光増幅させて増幅
    パルス列を得るようにしたレーザー増幅器を更に備えており、増幅パルスは各々
    が実質的に方形の時間出力密度分布と、急峻な立上がり時間と、パルス持続時間
    と、パルス降下時間とを有しており、 増幅パルス列の少なくとも一部を搬送し、標的材料上の一点に合焦させるビー
    ム搬送／合焦サブシステムを更に備えており、立上がり時間はレーザーエネルギ
    ーを標的材料に効率よく結合させるのに十分なだけ高速であり、パルス持続時間
    は標的材料を処理するのに十分な長さであり、降下時間は標的材料を包囲してい
    る材料に望ましくない変化が生じるのを防止するのに十分なだけ迅速である、シ
    ステム。
  39. 【請求項３９】 前記標的材料としては微細構造体が挙げられる、請求項３
    ８に記載のシステム。
  40. 【請求項４０】 前記微細構造体は導電線である、請求項３９に記載のシス
    テム。
  41. 【請求項４１】 前記導電線は金属線であり、前記パルス持続時間は金属線
    の特定部分を効果的に加熱気化させるのに十分な長さである、請求項４０に記載
    のシステム。
  42. 【請求項４２】 前記標的材料は半導体装置の一部である、請求項３８に記
    載のシステム。
  43. 【請求項４３】 前記半導体装置は半導体メモリである、請求項４２に記載
    のシステム。
  44. 【請求項４４】 前記メモリは、少なくとも16メガビットから256メガビッ
    トまでの密度を有している、請求項４３に記載のシステム。
  45. 【請求項４５】 前記標的材料を包囲している材料の少なくとも一部は基板
    である、請求項３８に記載のシステム。
  46. 【請求項４６】 前記基板は半導体基板である、請求項４５に記載のシステ
    ム。
  47. 【請求項４７】 前記半導体は超小型電気機械装置である、請求項４２に記
    載のシステム。
  48. 【請求項４８】 前記標的材料は超小型電子装置の一部である、請求項３８
    に記載のシステム。
  49. 【請求項４９】 前記実質的に方形の時間出力密度分布は、前記標的材料を
    実質的に完全に融除するのに十分である、請求項３８に記載のシステム。
  50. 【請求項５０】 前記立上がり時間は１ナノ秒よりも短い、請求項３８に記
    載のシステム。
  51. 【請求項５１】 前記立上がり時間は0.5ナノ秒よりも短い、請求項５０に
    記載のシステム。
  52. 【請求項５２】 前記パルス持続時間は10ナノ秒よりも短い、請求項３８に
    記載のシステム。
  53. 【請求項５３】 前記パルス持続時間は５ナノ秒よりも短い、請求項５２に
    記載のシステム。
  54. 【請求項５４】 前記降下時間は２ナノ秒よりも短い、請求項３８に記載の
    システム。
  55. 【請求項５５】 前記標的材料を処理するのに、１個の増幅パルスで十分で
    ある、請求項３８に記載のシステム。
  56. 【請求項５６】 前記標的材料は、前記増幅パルスに対して反射性を有して
    おり、増幅パルスの出力密度は、増幅パルスに対する標的材料の反射率を低減す
    るとともにレーザーエネルギーを標的材料に効率的に結合させるのに十分なだけ
    の高さである、請求項３８に記載のシステム。
  57. 【請求項５７】 各増幅パルスは、パルス持続時間全体で、比較的均一な出
    力密度分布を有している、請求項３８に記載のシステム。
  58. 【請求項５８】 前記標的材料を包囲している材料は、光特性と熱拡散特性
    が、標的材料のこれらに対応する諸特性とは異なっている、請求項３８に記載の
    システム。
  59. 【請求項５９】 前記光特性としては吸収率が挙げられる、請求項５８に記
    載のシステム。
  60. 【請求項６０】 前記光特性としては偏光感度が挙げられる、請求項５８に
    記載のシステム。
  61. 【請求項６１】 前記反復率は少なくとも1000パルス／秒である、請求項３
    ８に記載のシステム。
  62. 【請求項６２】 前記増幅パルスは各々が少なくとも0.1マイクロジュール
    から３マイクロジュールまでのエネルギーを有している、請求項３８に記載のシ
    ステム。
  63. 【請求項６３】 光増幅させる前記工程は少なくとも20dBの利得を供与する
    、請求項３８に記載のシステム。
  64. 【請求項６４】 前記立上がり時間と前記降下時間の両方が前記パルス持続
    時間の２分の１よりも短く、増幅パルスごとのピーク出力が立上がり時間と降下
    時間の間で実質的に一定である、請求項３８に記載のシステム。
  65. 【請求項６５】 前記レーザー増幅器は光ファイバーと光ファイバーをポン
    ピングするポンプとを備えており、ポンプはシードレーザーとは性質が異なって
    いる、請求項３８に記載のシステム。
  66. 【請求項６６】 前記ポンプはレーザーダイオードである、請求項６５に記
    載のシステム。
  67. 【請求項６７】 前記シードレーザーはレーザーダイオードを含んでいる、
    請求項３８に記載のシステム。
  68. 【請求項６８】 各パルスは、時間出力密度分布がパルス持続時間の10パー
    セントの範囲内まで均一である、請求項３８に記載のシステム。
  69. 【請求項６９】 前記増幅パルスは各々が末尾を有しており、上記方法はま
    た、増幅パルスの末尾でレーザーエネルギーを減衰させて、増幅パルスの降下時
    間を低減させると同時に、パルスの出力量を実質的に維持するようにした工程を
    更に含んでいる、請求項３８に記載のシステム。
  70. 【請求項７０】 前記末尾の前記減衰されたレーザーエネルギーは、パルス
    持続時間の1.5倍の範囲内では少なくとも10ｄB分だけ減衰される、請求項６９に
    記載のシステム。
  71. 【請求項７１】 前記パルス持続時間は前記特定寸法の関数である、請求項
    ３８に記載のシステム。
  72. 【請求項７２】 前記特定寸法は前記波長よりも短い、請求項３８に記載の
    システム。
  73. 【請求項７３】 前記レーザーダイオードは波長が約２μmよりも短い、請
    求項６７に記載のシステム。
  74. 【請求項７４】 前記点は約１μmから４μmの範囲の寸法を有している、請
    求項３８に記載のシステム。
  75. 【請求項７５】 前記レーザーダイオードは多元モードダイオードレーザー
    である、請求項６７に記載のシステム。
  76. 【請求項７６】 前記レーザーダイオードは、分散ブラッグ反射器（DBR）
    、分散フィードバック（DFB）、または、外部空洞設計を利用した単一周波数の
    レーザーダイオードである、請求項６７に記載のシステム。
  77. 【請求項７７】 前記ポンプは利得スイッチ制御式レーザーダイオードであ
    る、請求項６５に記載のシステム。
  78. 【請求項７８】 光スイッチと、光スイッチに連結されたコンピュータと、
    パルス列の材料処理パルスを選択して、前記標的材料に対する選択されたパルス
    の位置を制御するサブシステムとを更に備えている、請求項３８に記載のシステ
    ム。
  79. 【請求項７９】 前記光ファイバーは一元モードの光ファイバーであり、前
    記ポンプはポンプダイオードである、請求項６５に記載のシステム。
  80. 【請求項８０】 金属接合部を包囲している少なくとも１つのパシベーショ
    ン層の電気特性または物理特性の望ましくない変化を生じること無しに、少なく
    とも１つのパシベーション層に指定寸法分が埋設された金属接合部を融除するた
    めの、エネルギー効率に優れたレーザーベースの方法であって、この方法は、 或る反復率の波長を有しているレーザーを利用して、レーザーパルス列を発生
    させる工程を含んでおり、パルス列のパルスは各々が所定の形状を有しており、 パルスの所定形状をそれほど変化させずにパルス列を光増幅させて、増幅パル
    ス列を得る工程を更に含んでおり、増幅パルスは各々が実質的に方形の時間出力
    密度分布と、急峻な立上がり時間と、パルス持続時間と、降下時間とを有してお
    り、 増幅パルス列の少なくとも一部を搬送し、金属接合部上の一点に合焦させる工
    程を更に含んでおり、立上がり時間はレーザーエネルギーを金属接合部に効率良
    く結合させるのに十分に高速であり、パルス持続時間は金属接合部を融除するの
    に十分な長さであり、降下時間は金属接合部を包囲している少なくとも１つのパ
    シベーション層に望ましからぬ変化が生じるのを防止するのに十分なだけ迅速で
    ある、方法。
  81. 【請求項８１】 前記金属接合部は、それを覆う頂面パシベーション層と下
    に位置する底面パシベーション層とに埋設されており、パルス持続時間は頂面パ
    シベーション層にひび割れを入れるには十分であるが、底面パシベーション層に
    はひび割れを入れない程度の長さである、請求項８０に記載の方法。
  82. 【請求項８２】 金属接合部を包囲している少なくとも１つのパシベーショ
    ン層の電気特性または物理特性の望ましくない変化を引き起こすこと無しに、少
    なくとも１つのパシベーション層に特定寸法分が埋設されている金属接続部を融
    除するための、エネルギー効率に優れたシステムであって、このシステムは、 処理制御信号を発生させる制御装置と、 処理制御信号に基づいて変調駆動波形を発生させる信号発生装置とを備えてお
    り、波形は１ナノ秒に満たない立上がり時間を有しており、 レーザーパルス列を或る反復率で発生させる波形を有している、利得スイッチ
    制御のパルス式シードレーザーを更に備えており、駆動波形はレーザーをポンピ
    ングし、パルス列のパルスごとに所定の形状を有するようにし、 パルスの所定形状をそれほど変化させなくても、パルス列を光増幅させて増幅
    パルス列を得るようにしたレーザー増幅器を更に備えており、増幅パルスは各々
    が実質的に方形の時間出力密度分布と、急峻な立上がり時間と、パルス持続時間
    と、パルス降下時間とを有しており、 増幅パルス列の少なくとも一部を搬送し、金属接合部上の一点に合焦させるビ
    ーム搬送／合焦サブシステムを更に備えており、立上がり時間はレーザーエネル
    ギーを金属接合部に効率よく結合させるのに十分なだけ高速であり、パルス持続
    時間は金属接合部を処理するのに十分な長さであり、降下時間は金属接合部を包
    囲している少なくとも１つのパシベーション層に望ましくない変化が生じるのを
    防止するのに十分なだけ迅速である、システム。
  83. 【請求項８３】 前記金属接合部は、それを覆う頂面パシベーション層と下
    に位置する底面パシベーション層とに埋設されており、パルス持続時間は頂面パ
    シベーション層にひび割れを入れるには十分であるが、底面パシベーション層に
    はひび割れを入れない程度の長さである、請求項８２に記載のシステム。
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