JP2003536266A - 増幅され波長シフトされたパルス列を使用してターゲット材料を処理するためのエネルギー効率の良い方法及びシステム - Google Patents

増幅され波長シフトされたパルス列を使用してターゲット材料を処理するためのエネルギー効率の良い方法及びシステム

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Abstract

(57)【要約】 ターゲット材料を取り巻く材料の電気的及び／又は物理的特性に不所望な変化を生じることなく、極微領域において極微構造体のようなターゲット材料を処理するためのエネルギー効率の良い方法及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するためのコントローラと、上記処理制御信号に基づいて変調された駆動波形を発生するための信号ジェネレータを備えている。上記波形は、準ナノ秒の立ち上り時間を有する。又、このシステムは、ある繰り返し数のレーザパルス列を発生するための第１波長を有する利得スイッチ型パルス半導体シードレーザも備えている。駆動波形は、このレーザをポンピングして、パルス列の各パルスが所定の形状を有するようにする。システムは、更に、パルスの所定形状を著しく変化せずに、パルス列を光学的に増幅して増幅されたパルスを得るためのファイバ増幅サブシステムを備えている。増幅されたパルスは、ほとんど歪をもたず、そしてレーザからのオリジナルパルス列としてほぼ同じ比較的一時的な電力分布を有する。増幅されたパルスの各々は、実質的に方形の一時的電力密度分布と、先鋭な立ち上り時間と、パルス巾と、立ち下り時間とを有する。又、このサブシステムは、上記第１波長を、第２の大きな波長へ制御可能にシフトして、増幅され波長シフトされたパルス列を得るための光ファイバの形態の波長シフタも含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、ターゲット材料を処理するためのエネルギー効率の良いレーザベー
スの方法及びシステムに係る。より詳細には、本発明は、パルス状のレーザビー
ムを使用して、半導体基板上の回路素子の一部分を融除又はその他変更すること
に係り、特に、メモリを修理するために金属、ポリシリサイド及びポリシリコン
のリンクを蒸発するのに適用できる。又、レーザベースのマイクロ加工及び他の
修理作業において、特に、非均質の光学的及び熱的特性をしばしば有する周囲領
域及び構造体にダメージを及ぼすことなく極微構造体を融除又は変更することが
望まれるときにも適用できる。同様に、この材料処理作業は、他の極微半導体デ
バイス、例えば、マイクロエレクトロメカニカルマシンにも適用できる。又、小
型の光ファイバプローブで極微組織又は細胞を融除するような医学的な使用目的
も存在する。
【０００２】 （背景技術） メモリのような半導体デバイスは、通常、主たる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絶縁層に付着された導電性リンクを有している。こ
のような半導体デバイスのレーザ処理中に、ビームがリンク又は回路素子に入射
する間に、若干のエネルギーが基板や他の構造体にも到達する。ビームの電力、
ビームを当てる時間、及び他の動作パラメータに基づき、シリコン基板及び／又
はそれに隣接するものが過熱しそしてダメージを受けることになる。
【０００３】 上記’７５９特許の開示は、シリコンの波長特性について更に詳細に述べてい
る。シリコンにおける吸収は、約１ミクロン後に、室温において約１．１２ミク
ロンの吸収エッジで迅速に低下する。１．１２ミクロンより大きな波長では、シ
リコンが益々容易に送信を開始し、従って、シリコンから材料を除去する際に、
良好な部分的収率を得ることができる。約１ミクロンの範囲において、吸収係数
は、０．９ミクロンから１．２ミクロンへと進んで、４桁の大きさの係数で減少
する。１．０４７ミクロンの標準的なレーザ波長から１．２ミクロンへと進む際
に、曲線は、２桁の大きさの低下を示す。これは、波長の非常に僅かな変化に対
して吸収の急激な変化を示す。従って、基板の吸収エッジを越える波長でレーザ
を動作すると、基板へのダメージが防止され、これは、レーザビームがリンクに
対して若干整列ずれするか、又は収束されたスポットがリンク構造体を越えて延
びる場合に特に重要となる。更に、基板の温度が処理中に上昇する場合には、吸
収曲線が赤外線に向かって更にシフトし、熱暴走状態及び破壊的ダメージを招く
ことになる。 上記’７５９特許は、長い波長の選択とで生じる兼合い、より詳細には、Ｎｄ
：ＹＡＧレーザから得られるスポットサイズ、焦点深度及びパルス巾に対する妥
協について教示している。これらのパラメータは、益々微細な寸法において且つ
周囲構造体への付随的ダメージが生じるおそれがあるところでのレーザ処理に対
して非常に重要である。
【０００４】 高速パルスレーザ設計は、Ｑスイッチ型、利得スイッチ型、又はモードロック
オペレーションを使用することができる。標準的なＱスイッチ型及び他のパルス
レーザのパルス巾及び形状は、パルスの開始時にレーザ作用スレッシュホールド
に対して反転分布及び光子数密度を示す結合レート方程式を積分することにより
基本的なレベルにおいて近似することができる。Ｑスイッチ型の場合には、正規
化されたスケールにおいて、反転分布における原子の数がスレッシュホールドに
対して多いほど、パルスの立ち上り時間は速くなり、パルス巾は狭くなり、そし
てピークエネルギーは高くなる。その比が減少するにつれて、パルス形状が広が
り、エネルギー密度が低くなる。
【０００５】 Ｑスイッチ型レーザパルスは、ガウスの一時的分布、又は指数関数的に減衰す
るテールを伴うガウスの混合に類似している。’７５９特許に開示されたように
、波長の短いダイオードポンプシステムは、半電力ポイント（即ちパルス巾の標
準的定義）において測定されそして好ましい波長領域で動作されたときに、約１
０ｎｓの比較的短いパルスを発生することができる。首尾良く動作するにも拘ら
ず、本出願人は、標準的ダイオードポンプのＱスイッチ型レーザシステムの一時
的パルス形状特性に関連して多数の制約があることが分かった。それらは、実際
上の立ち上り時間の制限、半最大ポイント間の電力分布及びパルス減衰特性を含
むもので、これは、本発明の方法及びシステムを使用して改良されたときに、金
属リンクのブローイング（吹き飛ばし）用途に著しく良好な結果をもたらす。
【０００６】 本明細書の以下の説明を通じて、「パルス整形」とは、電磁放射の検出器で検
出されるべきレーザパルスの発生を指し、そして「形状」とは、時間の関数とし
ての検出器の電力を指す。更に、「パルス巾」又は「パルス時間」とは、特に記
載のない限り、半最大値における全巾（ＦＷＨＭ）を指す。又、Ｑスイッチ型パ
ルスとは、例えば、比較的ゆっくり減衰する指数関数的テールを伴う実質的なガ
ウス中央ローブの混合に類似した標準的Ｑスイッチ型システムにおいて得られる
パルスの一時的分布を集合的に指す。これらの波形は、公式には、レーザ文献に
おいて「Ｑスイッチ型パルス包絡線」と称される。図１ｃは、このようなパルス
を示している。
【０００７】 本出願人は、短いパルスの使用についてその根本的な理由を詳細に述べたい。
立ち上り時間の速いパルスが以下の節に示されている。その理由は多様であり、
そして多数の理論及び実験の論文や文献がその主題で書かれている。金属リンク
の融除(ablation)は、一例として取り上げるが、その原理は、ターゲット材料が
、実質的に異なる光学的及び熱的特性を有する材料で取り巻かれるような多数の
レーザ処理用途まで拡張される。以下の参照文献１−３は、一例である。 １．ジョンＦ．レディ著、「Effects of High Power Laser Radiation」、ア
カデミック・プレス、ニューヨーク、１９７１年、ページ１１５−１１６。 ２．シドニーＳ．チャシュアン著、「Guide for Material Processing By Las
er」、レーザ・インスティテュート・オブ・アメリカ、ザ・ポールＭ．ハロッド
・カンパニー、ボルチモアＭＤ、１９７７年、ページ５−１３。 ３．ジョセフ・バーンスタイン、Ｊ．Ｈ．リー、ギャング・ヤング、タリクＡ
．ダーマス著、「Analysis of Laser Metal Cut Energy Process Window 」(出
版予定)。
【０００８】 金属反射率 金属反射率は、レーザパルスの電力密度の増加と共に減少する（参照文献１）
。金属の反射率は、材料における自由電子の導電率に正比例する。強度の高いレ
ーザにより供給される高い電界密度では、電子と格子との間の衝突時間が短縮さ
れる。衝突時間の短縮は、導電率、ひいては、反射率を減少する。例えば、アル
ミニウムの反射率は、レーザ電力密度が１０9ワット／ｃｍ2の範囲に増加すると
きに、９２%から２５%未満に減少する。従って、反射に対するレーザエネルギー
のロスを防止するために、ワークピースにおいて、できるだけ短い時間に高い電
力密度を達成するのが効果的である。
【０００９】 熱拡散度 レーザパルス中に熱が移動する距離Ｄは、次のようにレーザパルス巾に比例す
る。
【数１】 但し、ｋは、材料の熱拡散度であり、そしてｔは、レーザパルスの長さである。 従って、短いレーザパルスは、溶融リンクの下の基板への熱の発散と、リンク
に隣接する材料への横方向への熱伝導とを防止することが明らかである。しかし
ながら、このパルスは、リンク材料を全体にわたって加熱するに充分なほど長く
なければならない。
【００１０】 熱ストレス及びリンクの除去 レーザエネルギーの吸収により、ターゲット金属リンクが加熱し、膨張しよう
とする。しかしながら、リンクを取り巻く酸化物が、膨張する材料を含む。従っ
て、酸化物内にストレスが蓄積する。ある点において、膨張する金属の圧力が酸
化物の降伏点を越え、酸化物にクラックが生じ、そして金属リンクが微細な蒸気
粒子へと破裂する。金属リンクの主たるクラック点は、図１ｂに示すように上部
及び下部の両方のリンクのエッジである最大ストレス点において生じる。
【００１１】 リンクの上の酸化物が若干薄い場合には、酸化物のクラックがリンクの上部の
みに生じ、酸化物及びリンクは、図１ａに示すように、きれいに除去される。し
かしながら、酸化物が若干厚い場合には、クラックがリンクの上部と共に下部に
も生じ、クラックは、図１ｂに示すように、基板まで下方に伝播する。これは、
非常に望ましからぬ状態である。
【００１２】 公知技術に勝る望ましい改善は、パルス巾内に高いエネルギーを含み、急速に
減衰するテールを伴う短いパルスを発生するための効率的な方法である。これを
達成するためには、Ｑスイッチ型パルス包絡線とは異なるパルス形状を発生する
レーザ技術が好ましい。このようなパルスは、立ち上り時間が速く、中央のロー
ブに均一なエネルギーを有し、そして急速に減衰する。 標準的なＱスイッチ型Ｎｄ：ＹＡＧ以外のレーザによって発生される立ち上り
時間の速い高電力密度のパルスは、このタスクを最良に達成する。
【００１３】 これらの効果は、従来のＱスイッチ型ソリッドステートダイオード又はランプ
ポンプ型ＹＡＧ技術とは著しく相違するレーザ技術を使用するシステムにおいて
好ましいやり方で実施される。 標準的なＱスイッチ型パルスとは異なる形状のパルス、即ち立ち上り時間が速
く、中央のローブに比較的均一で且つ高いエネルギー密度を有しそして立ち下り
時間が速いパルスを発生するための方法及びシステムで、公知技術に勝る改善が
望まれる。
【００１４】 （発明の開示） 本出願人は、金属リンクをブローイングする用途において改善された結果が得
られると判断した。例えば、上に横たわる絶縁材が存在するところで金属リンク
を処理するためには、非ガウスの実質的に長方形のパルス形状が特に効果的であ
る。本出願人の結果は、１ｎｓ程度の、そして好ましくは、約０．５ｎｓの速い
立ち上り時間が、上に横たわる酸化物層に熱衝撃を与え、リンクのブローイング
プロセスを容易にすることを示している。更に、高い電力密度においては、立ち
上がりの速い短いパルスにより反射率が減少される。実質的に均一のパルス形状
を伴う約５ｎｓのパルス巾は、より多くのエネルギーをリンクに結合できるよう
にし、リンク除去のためのエネルギー要求を低減する。約２ｎｓの速い立ち下り
時間は、基板のダメージのおそれを排除するために重要である。更に、時間的に
ほぼ方形の電力密度パルスの効果は、必要なときに電力密度が最高となり、そし
てそうでないときにパルスがオフとなることである。
【００１５】 立ち上りの速い短いパルスは、リンクの下部へと熱が下方に拡散する前にリン
クの上部を最初に溶融及び膨張できるようにする。従って、リンクの上部にスト
レスが蓄積し、基板までの下方のクラックを発生することなく、上層のクラック
発生を促進する。 本発明の目的は、数ナノ秒の短い巾と急速な立ち下り時間を有するサブナノ秒
立ち上り時間のパルスを発生することのできるコンパクトな利得スイッチ型レー
ザシステムを提供することである。現状の高速パルスシステムは、利得スイッチ
型技術を組み込み、ここでは、低電力の半導体シードレーザが急速に且つ直接的
に変調されて、制御されたパルス形状を発生し、これは、その後、ポンプレーザ
として使用される高電力レーザダイオード又はダイオードアレーをもつクラッド
ポンプ型光ファイバシステムのようなレーザ増幅器で増幅される。このようなレ
ーザシステムは、米国特許第５，６９４，４０８号及びＰＣＴ出願第ＰＣＴ／Ｕ
Ｓ９８／４２０５０号に開示されており、そしてある超高速チャープ型パルス増
幅システム、例えば、米国特許第５，４００，３５０号に開示されたシステムの
「ビルディングブロック」である。
【００１６】 本発明の一般的な目的は、公知レーザ処理方法及びシステム、特に、ターゲッ
ト材料付近の領域の光学的及び／又は熱的特性が実質的に異なる場合の方法及び
システムを改良することである。 本発明の一般的な目的は、例えば、半導体メモリにおけるリンク又は他の相互
接続のレーザ融除、切断、穴あけ、マーキング及びマイクロ加工のような、マイ
クロ加工及びレーザ材料処理用途のためのレーザパルス整形機能を提供すること
である。標準的なＱスイッチ型システムのものとは異なる利得スイッチ型レーザ
から所定の波形形状が発生される。
【００１７】 本発明の目的は、融除場所付近の導電性残留物又は汚染物により後でデバイス
故障を生じるおそれなく、マイクロ構造体をきれいに処理する、例えば、１６−
２５６メガビット半導体の修理のような半導体処理に対する改善及び余裕を提供
することである。 本発明の目的は、レーザ融除プロセスに適した波長の高電力高速立ち上り時間
のパルスで非常に短い時間にワークピースに高電力密度を達成し、これにより、
半導体材料処理用途においてプロセスウインドウを改善することにより、半導体
レーザ処理用途でターゲット材料の周囲及びその下の構造体へのダメージを防止
することである。
【００１８】 本発明の上記目的及び他の目的を達成するために、ターゲット材料を取り巻く
材料の電気的又は物理的な特性に不所望な変化を生じることなく極微領域に指定
の寸法を有するターゲット材料を処理するためのエネルギー効率の良いレーザベ
ースの方法が提供される。上記処理は、処理エネルギーウインドウにおいて行わ
れる。この方法は、第１波長を有するレーザを使用して少なくとも１つのパルス
を有するレーザパルス列をある繰り返し数で発生する段階を含む。このパルス列
の少なくとも１つのパルスは、所定の形状及び大きさを有する。又、この方法は
、上記パルス列の少なくとも１つのパルスを光学的に増幅して、増幅されたパル
ス列を得る段階を含む。増幅されたパルスの各々は、先鋭な立ち上り時間、パル
ス巾及び立ち下り時間を有する。更に、この方法は、上記第１波長を、その第１
波長とは異なる第２波長へ制御可能にシフトして、増幅され波長シフトされたパ
ルス列を得る段階を含む。更に、この方法は、上記増幅され波長シフトされたパ
ルス列の少なくとも一部分をターゲット材料へ供給してスポットに収束する段階
を含む。上記立ち上り時間は、レーザエネルギーをターゲット材料に効率的に結
合するに充分なほど高速であり、上記パルス巾は、ターゲット材料を処理するに
充分なものであり、そして上記立ち下り時間は、ターゲット材料を取り巻く材料
への不所望な変化を防止するに充分なほど急速である。
【００１９】 本発明の上記目的及び他の目的を更に達成するために、ターゲット材料を取り
巻く材料の電気的又は物理的特性に不所望な変化を生じることなく、極微領域に
指定の寸法を有するターゲット材料を処理するためのエネルギー効率の良いシス
テムが提供される。このシステムは、処理制御信号を発生するためのコントロー
ラと、この処理制御信号に基づいて変調された駆動波形を発生するための信号ジ
ェネレータとを備えている。上記波形は、サブナノ秒の立ち上り時間を有する。
更に、このシステムは、ある繰り返し数で少なくとも１つのパルスを有するレー
ザパルス列を発生するための第１波長を有する利得スイッチ型パルスシードレー
ザを備えている。上記駆動波形は、このレーザをポンピングして、パルス列の各
パルスが所定の形状を有するようにする。更に、このシステムは、パルス列の少
なくとも１つのパルスを光学的に増幅するためのファイバ増幅サブシステムを備
えている。このサブシステムは、上記第１波長を、その第１波長とは異なる第２
波長へ制御可能にシフトして、増幅され波長シフトされたパルス列を得るための
波長シフタを含む。増幅されたパルスの各々は、先鋭な立ち上り時間、パルス巾
及び立ち下り時間を有する。このシステムは、更に、上記増幅され波長シフトさ
れたパルス列の少なくとも一部分をターゲット材料へ供給してスポットに収束す
るためのビーム供給及び収束サブシステムを備えている。上記立ち上り時間は、
レーザエネルギーをターゲット材料に効率的に結合するに充分なほど高速であり
、上記パルス巾は、ターゲット材料を処理するに充分であり、そして上記立ち下
り時間は、ターゲット材料を取り巻く材料への不所望な変化を防止するに充分な
ほど急速である。
【００２０】 （発明を実施するための最良の形態） 本発明の上記目的、他の目的、特徴及び効果は、添付図面を参照した好ましい
実施形態の以下の詳細な説明から容易に明らかとなろう。 レーザ処理システムアーキテクチャー 以下の実施形態は、レーザ電力、エネルギー密度、スポットサイズ、波長、パ
ルス巾、偏光及び繰り返し数のようなパラメータを適当に調整することにより、
マイクロ加工及びレーザ処理の多数の用途に適用できることが当業者に明らかで
あろう。金属リンクをブローイングする（吹き飛ばす）ことへの特定の応用を、
例示の目的で説明する。
【００２１】 図７の好ましい実施形態において、シードレーザ１０及びファイバ増幅器は、
運動システム２０及びワークピースに取り付けられた適当なプラットホーム上に
設置される。リンクを除去するときには、ビームが１ミクロンの３／１０未満の
精度で位置設定されることが非常に重要である。ターゲット及び光学システムの
相対的な位置と相関するためのレーザパルスのタイミングが重要である。という
のは、高い処理速度を得るために連続的な運動が必要とされるからである。
【００２２】 レーザ１０は、コンピュータ３３及び信号ジェネレータ１１によって外部から
制御され、そしてその変調されたビームを、高開口数光学系より成る収束サブシ
ステム１２へ送信し、これは、更に、ビーム偏向器、例えば、コンピュータ３３
を経てスキャナコントロールによって制御されるガルバノメータミラーも含む。
システムの制御コンピュータ３３は、システムのための位置設定メカニズム即ち
運動システム２０と、信号ジェネレータ１１とに作動的に接続されて、パルスの
発生を適切にタイミングどりする。レーザビームは、Ｘ、Ｙ及びＺの正しい位置
にスポットサイズが約１．５ないし４ミクロンの範囲の先鋭に収束されたビーム
を発生するように、正確に制御されねばならない。従って、ビーム位置設定及び
収束の当業者であれば、近回折及び限定された性能と、レーザヘッド又はターゲ
ット基板の正確な運動制御とを与えるように修正された光学系が重要であること
が明らかであろう。特定レーザ処理用途の要求に基づき、光学システムに比較的
狭い視野を与えて、ビーム位置設定のための回折制限収束及び正確なＸ、Ｙ運動
段階を与えるのが効果的である。更に、迅速な偏向のためのミラー運動を、並進
移動段階と種々組み合わせることも重要である。
【００２３】 又、歩進及び繰り返しテーブル３４は、ウェハ２２を、その各メモリダイ２４
を処理する位置へ移動するのに使用できる。ビームスキャニングの分野の当業者
であれば、ミラーベースのビーム偏向システムの効果が明らかであろうが、上述
したように、基板及び又はレーザヘッドを移動するためにＸ、Ｙ並進移動段のよ
うな他の位置設定メカニズムに置き換えることも、本発明を実施する別の形態と
して重要である。例えば、基板位置設定メカニズム３４は、限定された移動範囲
にわたって動作する非常に正確な（１ミクロンより充分低い）Ｘ、Ｙ、Ｚ位置設
定メカニズムを含む。位置設定メカニズム２０は、レーザ、ファイバ増幅器及び
大まかな形態の収束サブシステムを含むレーザ処理光学システム要素を並進移動
するのに使用される。好ましい位置設定システムの更なる詳細が、米国特許第６
，１４４，１１８号に開示されている。
【００２４】 更に別の音響−光学減衰器又はポケルズ(pockels)セルの形態のシステム光学
スイッチ１３は、レーザキャビティを越えてレーザ出力ビーム中に配置される。
コンピュータ３３の制御のもとで、このスイッチは、必要なとき以外にビームが
収束システムに到達するのを防止すると共に、処理ビームが要求されるときに、
レーザビームの電力を所望の電力レベルに制御可能に減少するように働く。蒸発
手順の間に、この電力レベルは、システム及びプロセスの動作パラメータに基づ
き、総レーザ出力の１０%程度となる。電力レベルは、レーザ出力ビームが蒸発
手順の前にターゲット構造体に整列される整列手順の間に総レーザ出力の約０．
１%となる。音響−光学装置は、使い易いことから一般に好ましいが、ポケルス
セルの遅延は著しく少なくなる。
【００２５】 動作中に、ウェハ２２（又はターゲット又は基板）の位置は、コンピュータ３
３により制御される。典型的に、相対的な移動は、シリコンウェハ２２上のメモ
リデバイス２４に対して実質的に一定速度であるが、ウェハの歩進及び繰り返し
運動も可能である。レーザ１０は、運動システムを制御するタイミング信号に基
づき、タイミング信号により制御される。レーザ１０は、典型的に、一定の繰り
返し数で動作し、そしてシステムの光学スイッチ１３により位置設定システムに
同期される。
【００２６】 図７のシステムブロック図において、レーザビームは、ウェハ２２に収束され
て示されている。図９の拡大図では、レーザビームは、メモリ回路又はデバイス
２４のリンク素子２５に収束されて示されている。 微細なリンク構造体を処理するために、スポットサイズ要件が、益々必要にな
る。スポットサイズ要件は、通常、直径が１．５−４ミクロンで、ピーク電力が
スポットの中心に生じてガウス分布に良好に合致し、そして低い電力がエッジに
生じるというものである。回折限界に接近するような優れたビームクオリティが
必要とされ、ビームクオリティ即ち「ｍ平方(m-squared)ファクタ」は通常約１
．１倍又はそれ以上である。この「倍回折限界(times diffraction limit)」ク
オリティ標準は、レーザビーム分析の当業者に良く知られている。光学的クロス
トーク、及びターゲット領域以外の特徴部の不所望な照明を回避するために、低
いサイドローブも好ましい。 リンク２５は、スポットサイズより若干小さく、従って、正確な位置設定と、
良好なスポットクオリティが要求される。リンクは、例えば、巾が１ミクロンで
、厚みが約１／３ミクロンである。ここに示すケースでは、リンクが金属で作ら
れ、そして横方向寸法（巾）及び厚みが、レーザ波長より小さくされる。
【００２７】 １つの実施形態では、図５のレーザサブシステムは、マスター発振器、電力増
幅器（ＭＯＰＡ）構成を使用する。このシステムは、増幅器にシード供給して高
電力の短い立ち上り時間のパルスを生じさせるためのレーザパルスを発生する。
シードレーザは、立ち上り時間の速い短いパルスを非常に低いエネルギーレベル
で発生するための鍵である。このシステムは、材料処理を行うに充分なエネルギ
ーを発生するレーザ増幅器を必要とする。レーザ処理の用途に適した出力波長を
有するファイバレーザ増幅器及び高速赤外線レーザダイオードが好ましい。この
ようなシステムでは、図５の下部に示すような好ましい形状及び速度のレーザパ
ルスを発生するレーザを案出することができる。即ち、高速立ち上り時間パルス
で、上部が方形で、立ち下り時間が速いものである。このパルス形状は、次いで
、金属の反射率を低下し、デバイスへのエネルギーの拡散を下げ、そして上部酸
化物にクラックが生じても下部酸化物にダメージが生じないという望ましいレー
ザ材料相互作用結果をもたらす。
【００２８】 ＭＯＰＡ構成は、比較的新しいもので、そのパルスバージョンは、現状のもの
であるとみなされる。変調駆動波形に応答してサブナノ秒の立ち上り時間を有す
るレーザダイオードは、レーザダイオードを利得要素として有するファイバレー
ザＭＯＰＡ構成におけるスタート点である。レーザダイオードは、一般に、多数
の長手方向モードを有し、そしてサブシステムは、単一モードオペレーション用
に構成できるか、さもなければ、出力のバルク成分、或いはシステムの一体化さ
れたファイバ格子に同調することができる。 例えば、外部キャビティ構成においてニュー・フォーカス・インクによる製品
文献に記載されたリトマン−メトカルフの格子構成は、重要な構成である。図６
ｂは、外部キャビティ同調を伴う単一周波数レーザの回路図で、これは、ダイオ
ードレーザポンプによりそのクラッドにおいてポンピングされる光ファイバを備
えている。
【００２９】 他のダイオードレーザ形態は、分布フィードバックレーザ（ＤＦＢ）及び分布
ブラグレーザ（ＤＢＬ）を備え、これらは、一体化された格子及び導波管構造体
を有し、ある場合には、外部制御器により、ユーザは、利得、位相及び格子フィ
ルタを独立して制御することができる。カプラー５０を含むＤＢＬ構成について
は、図６ａを参照されたい。これは、柔軟なモード選択及び同調能力を与える。
レーザ周波数は、格子及び／又は外部キャビティのミラーのようなバルク成分の
調整によるか或いは固定の波長又は選択されたモードにより、多数の構成で動的
に選択することができる。ダイオードの中心波長を選択することのできる範囲は
、１μｍ未満から約１．３−１．５μｍ又はそれ以上まで全体的に考えられ、後
者の波長は、光ファイバ通信に使用されるものに対応する。
【００３０】 いずれにせよ、材料処理に選択されるレーザ波長における本発明の目的に対す
る重要な要素は、「シード」レーザダイオードの立ち上り時間及びパルス形状で
ある。又、本発明について考慮すべきことは、シードレーザの波長を、光ファイ
バ増幅器が小さな波長変化にほとんど不感で高い利得を有するスペクトル帯域、
即ち充分な電力で優れたパルス対パルス電力出力を維持するための増幅器の「フ
ラット」な領域におけるスペクトル帯域に一致させることである。イッテルビウ
ムドープのファイバについては、シリコンの１．１μｍ吸収エッジ付近の合理的
に広い波長帯域において利得が高くなる。材料又は一体的ファイバ成分における
更に別の開発は、有効な波長領域を拡張し、ファイバ放射スペクトル、シードレ
ーザ波長及びターゲット材料特性を一致させる上で融通性を与えることである。
例えば、「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｓｐｅｃｔｒａ」、１９９７年８月、ｐ９２に
は、１．１μｍないし１．７μｍの波長範囲にわたる現状のファイバレーザ開発
に対する結果が報告されている。
【００３１】 ラマンシフタの動作が、短いパルスのＱスイッチ型システムに特に使用される
上記’７５９特許に開示されている。もし必要であれば、このデバイスは、ファ
イバシステムの出力に設置して、出力波長を希望の領域にシフトさせ、例えば、
吸収コントラストを改善することもできる。上記’７５９特許に教示されたよう
に、処理のためのパルス巾及び小さなスポットサイズ要件の重要性を認識すると
、金属リンク処理のための好ましいシステムの典型的な動作は、例えば、１．０
８μｍ波長で、約１．０６μｍ又はそれを越えた範囲となる。
【００３２】 シードレーザの出力は、レーザ材料処理のために増幅されねばならない。好ま
しい光ファイバレーザ増幅器は、約３０ｄＢの利得を与える。シードレーザ出力
は、ファイバレーザのコアに直接結合されるか、又はファイバ供給のためにビー
ムを分割するバルク光学系を経て結合される。それら両方の技術は、チャープ型
パルス増幅を使用する超高速レーザの分野の当業者により日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、このような超高速システムよりも全体的
にあまり複雑でない。本発明のシステムでは、シードパルスが増幅され、そして
パルスの伸張及び圧縮のための光学系は、必要とされない。増幅システムに使用
されるファイバは、シードレーザとは実質的に異なる波長、例えば、９８０ｎｍ
を有するダイオードレーザでクラッドポンプされ、これは、バルク光学システム
構成において２色ミラーでシードビーム及びポンピングビームを光学的に分離で
きるようにする。コスト、サイズ及び整列の容易さの観点から、好ましい構成は
、シードレーザがファイバ増幅器に直結されるような結合構成を使用する。ポン
プレーザは、高電力ダイオードエネルギー、例えば、９８０ｎｍ波長を、ファイ
バレーザシステム設計の当業者に馴染み深い結合技術を使用して、希土類イッテ
ルビウム（Ｙｂ）ドープのファイバのクラッド構造体に注入する。
【００３３】 ファイバ増幅器の重要な特性は、低い歪である。低い歪は、出力パルス形状を
シードレーザのパルス形状に実質的に一致できるようにするか、又はおそらく、
パルスのエッジ又は均一な電力形状を更に向上できるようにする。光ファイバの
利得媒体は、図５の増幅器パルスを発生し、これは、光学システムへ供給されそ
して物体に収束される。 歪が低い場合には、もし必要であれば、更なる利得のために、多数のファイバ
増幅器をカスケード接続することができる。自発的な放射を抑制するために中間
段の出力に能動的な光学スイッチ又は受動的な光学分離器を設けるのが効果的で
ある。これらの技術は、当業者に知られており、例えば、米国特許第５，４００
，３５０号及びインターナショナルパブリケーションＷＯ９８／４２０５０号に
開示されている。
【００３４】 ある場合には、レーザサブシステムに追加されたパルススライサーで「テール
」を減少することによりパルス形状を更に改善するのが望ましい。これは、ポケ
ルスセル又は好ましくは低遅延の音響−光学変調器のような電気−光学デバイス
の形態である。この技術は、処理パルスの「パルス巾」の小さな倍数においてダ
メージの危険が生じるときに、パルステールのエネルギーを無視できるレベルに
抑制することができる。例えば、所定パルス巾の１．５倍以内でエネルギーが２
０ｄＢ（１００：１）減少される場合には、全ての実際的な目的に対し、金属リ
ンクブローイング用途において基板にダメージを及ぼす危険はない。より詳細に
は、金属リンクブローイング用途において方形パルス形状として８ｎｓのパルス
巾が選択されそしてエネルギーが１２ｎｓにおいて２０ｄＢダウンである場合に
は、残りのエネルギーは、Ｓｉ基板にダメージを生じるものよりも遥かに低く、
このダメージは、レーザパルスの付与よりも実質的に約１８ｎｓ以上後である。
好ましい動作モードでは、低遅延、広帯域巾のパルススライサーが、増幅器パル
ス巾のほぼ終わりにアクチベートされ、そして中央ローブの歪が最小の状態でパ
ルステールに大きな影響を及ぼす。増幅器の歪及び変調器の「ターンオン遅延」
の影響は、パルス巾の間にシードダイオードレーザ波形の形状を変更することに
よりある程度補償することができる。収束されたビームに結果的に生じる一時的
なパルス形状が補償され、所望の方形形状となる。
【００３５】 又、現在のファイバシステムは、処理レートより若干速い約２０ＫＨｚのパル
ス繰り返し数で最適に動作する。出力の光学スイッチ、例えば、低減衰の音響−
光学変調器は、そのドライバがコンピュータに作動的に接続された状態で、処理
のためのパルスを選択する。このように、ファイバ増幅器、ひいては、処理シス
テムの信頼性が高いものとなる。経済的な観点から、パルススライサー及び出力
光学スイッチを単一モジュールに結合するのが効果的であることが当業者に明ら
かであろう。
【００３６】 別の形態−波長シフトを伴うファイバ増幅システム 本発明に使用されるファイバは、電力密度が充分高い場合にラマンシフトする
傾向があることを実験が示している。多数の用途において、このようなシフトは
望ましくないと考えられる。というのは、中央の波長制御が減少され、そしてフ
ァイバレーザのスペクトルが広くなることから更に複雑さが生じる。ある用途で
は、例えば、コヒレントな通信、狭いスペクトル巾、及び安定性が最重要な要件
となる。例えば、ラマンシフト（及び同様のストークス又はブリルアンシフト）
の不所望な影響がインターナショナルパブリケーションＷＯ９８／４２０５０号
に開示されており、ここでは、ダイオードレーザの波長は、材料処理のためのフ
ァイバレーザシステムにおいて増幅後にシフトされないままである。
【００３７】 ラマン利得又は増幅は、光と媒体との三次非直線的相互作用により生じる。古
典的な光学系では、媒体が直線的であって、光学的な特性が光の強度と独立した
状態で直線的なシステムモデルにより充分に記述されると仮定される。しかしな
がら、レーザが発明された後は、高い光の強度が、ある媒体において非直線的な
振る舞いを形成し、これが、光の速度、波長又は吸収を変化させ得ると決定され
た。更に、光が光を制御する場合に「光子−光子」相互作用又は「波混合」が発
見された。二次及び三次の非直線的光学系の研究は、倍周波数クリスタル（二次
）のような多数の実用的な方法及び装置を生み出した能動的な研究領域である。
カー効果の基本的な発見に続いて、自己収束、自己ガイドビーム（ソリトン）を
含む他の興味ある現象が観察され、そしてファイバ及びクリスタルにおけるラマ
ン増幅が得られた（三次）。非直線的光学系の当業者であれば、一般に、実用的
なデバイスの概念、方法及び分析を持ち合わせていよう。
【００３８】 ラマンの利得は、媒体内の自己位相変調から生じ、これは、非直線性が詳細に
分析された後に、ラマン利得係数が比例的に影響を受けることを示す次の関係を
導く。
【数２】 但し、ラマン利得Ｇは、多数のパラメータにより影響を受ける。光ファイバにお
いては、波長λ、断面積Ａ又は屈折率ｎの組み合わせを減少すると、ファイバの
所与の長さに対して利得係数γが増加する。同様に、実際的な範囲内で光学的電
力Ｐを増加しても、利得が増加する。比例定数Ｋは、材料のパラメータである。
ある範囲内で、利得Ｇは、長さＬのファイバ「キャビティ」に沿って指数関数的
に変化する。 Ｇ α exp (γＬ)
【００３９】 この指数関数的利得は、フィードバックを導入すると、レーザ作用を発生し得
るという光学的増幅器の一般的な特性である。本発明の構成では、レーザ作用は
、利得スイッチ型、高速、半導体シードレーザにより与えられるのが好ましい。
ラマン利得及び三次非直線光学系に関する更なる詳細は、書籍「FUNDAMENTALS O
F PHOTONICS」、ウイリー−インターサイアンス・パブリケーション、１９９１
年、第７５１−７５５ページに見ることができる。
【００４０】 ラマン変換の種々の特徴及び応用は、米国特許第５，８７７，０９７号、第５
，４８５，４８０号、第５，４７３，６２２号及び第５，９１７，９６９号に開
示されている。波長シフトは、信号ビームと共に伝播するポンプビームが、振動
状態に関連した「ラマンエネルギー」に対応するエネルギー差に等しい波長差を
有するときに発生する。ゲルマニウムがドープされたシリカファイバは、高いラ
マン利得を有することが知られている。同様に、ブリルアンシフトは、振動エネ
ルギー差に対応するが、ラマンシフトより実質的に小さい。
【００４１】 明瞭化のため、受動的なラマン増幅器と標準的なＹｂドープのファイバ増幅器
との間に存在する差に注目する価値があり、その各々を種々の構成及び組み合わ
せで使用することができる。ラマン増幅器は、コア内に能動的な素子をもたない
ことが明らかである。コアは、実際上受動的であるが、クラッドは、標準的な増
幅器又はレーザのようにポンピングされる。屈折率は、コアのゲルマニウムドー
ピングを変更することにより変化される。これは、次いで、モードサイズを変更
して、ラマンシフト能力を高めそして高い利得を与える。従って、ラマンシフト
は、溶融シリカ媒体において生じる。
【００４２】 材料処理に使用されるファイバ増幅システムの出力波長がシードレーザの波長
に一致する従来の技術とは対照的に、本出願人は、ファイバ内でラマンシフトを
効果的に使用することを提案する。スペクトル巾（波長の広がり）の増加は、こ
のような増加が著しい限定ファクタでないところでは許容される。波長のシフト
は、実際には、レーザビームとあるターゲット材料との間の結合を改善し、例え
ば、シリコンの吸収エッジに向かって波長をシフトし（約１．１２μｍ）、一方
、本発明の効果、例えば、約１ｎｓの速い立ち上り時間、数ナノ秒のパルス巾及
び速い立ち下り時間を有するパルスを与えるために望ましいものである。
【００４３】 本発明の別の構成においては、波長シフトは、図１２に示すように、ファイバ
９０内にラマン増幅を使用して達成することができる。この実施形態は、実質的
に良好に制御されるラマンシフトの出力ビーム９１が効果的に使用されると同時
に、非制御式シフトの条件を緩和するようなコンパクトな構成を生じさせる。 図１２及び１３を参照すれば、本発明の好ましい実施形態において、光を媒体
の振動遷移へ結合することにより誘起されるラマンシフトは、コアサイズを減少
するか屈折率を変化させてラマンプロセスを向上させることにより達成される。
レーザ出力９７は、シードレーザ又はレーザダイオード９３の波長λを有し、こ
れは、ファイバ９０においてシフトされて、長い波長λ＋Δλの出力ビーム９１
をファイバ出力に発生する。例えば、レーザダイオード９３は、中心波長が約１
．０６μｍの半導体ダイオードであり、そしてラマンシフトは、シリコンの室温
吸収エッジである約１．１２μｍの波長９９へ出力をシフトするように効果的に
使用される。出力ビーム９１は、システム９４により供給されそしてシリコンデ
バイス９５に収束される。
【００４４】 好ましい実施形態では、増幅段の数が、利得及び出力電力の要件に合致して最
小にされる。 本発明の１つの構成では、図１４に示すような２段システムが使用され、ここ
では、図１２の要素と構造又は機能が同じ又は同様の要素は、同じ参照番号に単
一のプライム符号を付して示されている。ファイバ９０’を有し、比較的広い帯
域巾を有し、そして高電力半導体ダイオードによりポンピングされるＹｂドープ
の増幅器は、前置増幅器及び波長シフト段の組み合わせとして使用される。シー
ドレーザの出力波長９７’、例えば、半導体レーザダイオード９３’により発生
される１．０６４μｍは、より高い波長、例えば、約１．１２０μｍへシフトさ
れ、第１段出力９１’を発生する。
【００４５】 出力９１’は、次いで、カプラーにより、比較的狭い帯域巾及び高いラマン利
得を有する受動段９０１、例えば、ラマン増幅器を形成するようにゲルマニウム
がドープされた溶融シリカファイバ、へ接続される。ファイバから発散する増幅
された出力ビーム９０２は、次いで、収集されてターゲット領域へ供給される。
回折格子又は干渉フィルタであるフィルタ９０３は、帯域巾を狭めそしてスプリ
アスな波長を拒絶するのに使用される。
【００４６】 例えば、以下のテーブルは、本出願人が本発明に使用するために製造した特殊
なレーザに関連して得られるパラメータを示す。ピーク出力エネルギーは、好都
合にも１．１２μｍの公表されたシリコン吸収エッジの付近である１．１１８μ
ｍの遷移において生じる。 シードレーザ波長： １．０６４μｍ 出力エネルギー、レート： １０ＫＨｚにおいて１０μＪ ファイバ長さ： ３ｍ 出力波長： １．１１７６μｍ スペクトル巾： ６−９ｎｍ Ｍ＊＊２： １．０５ パルス立ち上り時間、巾、立ち下り時間： 〜１ｎｓ、５−１５ｎｓ、１ｎｓ
スプリアスな波長拒絶： ２２ｄＢ
【００４７】 ラマンファイバ増幅器の出力ビームは、次いで、光学システム９４により収集
及び収束され、そしてターゲット領域９５に収束される。本発明の構成において
、ラマン増幅器は、機能を失うことなく、図７の出力クリスタル（例えば、波長
シフタ）の必要性を排除すると同時に、制御されたラマンシフトを与える。 又、標準的なレーザダイオード波長（例えば、１．０６４μｍ）が容易に得ら
れ、ポンピングに使用される高電力ダイオードレーザアレー（例えば、９８０ｎ
ｍ）と組み合わされると、有用な組み合わせ波長を、好ましい範囲（例えば、約
１．０８μｍないし１．１２３μｍ）において比較的高い出力電力で発生するこ
とができる。このような組み合わせは、並置構造体へのダメージを回避しつつ、
反射性金属リンク構造体（例えばアルミニウム）を処理するのに効果的である。
【００４８】 材料処理要件に基づき、ダイオードレーザ及びポンプ波長の他の組み合わせも
効果的であることが当業者に明らかであろう。その原理は、例えば、可視スペク
トルの赤−青部分において短い波長に適用することができ、この場合、ある材料
は、結合効率が改善されるためにレーザ電力をあまり必要とせずに充分な処理を
行うことができる。又、例えば、ファイバシステムは、比較的高い出力電力の近
ＩＲにおいてラマンシフトを行い、次いで、周波数を３倍にしてＵＶ出力を発生
するように使用できる。
【００４９】 本発明の材料処理用途ではファイバレーザの高電力密度が要求されるので、ラ
マンシフトは容易に行われる。従って、入力波長を制御可能にシフトして、材料
処理要件に合致する出力波長を発生することから、本発明の認められた効果が得
られる。約５０−６０ｎｍの典型的な不所望なシフトが以前に実験により見つか
っている。又、スペクトルが広がり、そしてファイバレーザ設計の分野ではフィ
ルタを使用して帯域巾を狭めることにより出力スペクトルのシフトを最小にする
方法が使用できることも明らかである。このようなフィルタは、バルク干渉フィ
ルタであるか、又は商業的に入手できるシステムを使用してファイバに書かれた
回折格子である。光学出力電力（より広いスペクトルにわたる）・対・狭帯域出
力電力に対する通常の兼合いは、用途に大きく依存する。
【００５０】 レーザシステム−別の形態 シードレーザ及びファイバ増幅器の好ましいシステムには上述した多数の効果
がある。適当なドライバでレーザダイオードを電流変調すると、所望の利得スイ
ッチ型パルス形状を直接発生することができ、これは、ファイバレーザ増幅器に
より低い歪で増幅される。この方法は、本発明を実施する最良のそして最も効率
的な解決策であると意図される。しかしながら、レーザパルス発生及び整形の当
業者は、他のあまり効率的でない解決策も使用できることを認識している。例え
ば、第４，４８３，００５号の教示を越えて拡張するようにＱスイッチ型システ
ムを変更し、変調器の応答時間が充分に速い場合には種々の制御機能を使用して
ポケルスセル又は光学的スイッチを駆動することにより比較的フラットなパルス
を得ることができる。パルス巾を得るための近代的な技術は、変更型出力カプラ
ーの使用を含み、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧのＱスイッチ型レーザにおける従来のガ
ラスを、バルク又はクリスタル形態のＧａＡｓと置き換えることを含む。数ピコ
秒ないし数ナノ秒の巾のＱスイッチ型パルスが、ＧａＡｓ出力カプラーを伴うＮ
ｄ：ＹＡＧレーザの受動的Ｑスイッチングにおいて報告されている（１９９９年
１１月の「OPTICAL ENGINEERING」、３８（１１）、１７８５−８８）。
【００５１】 レーザ処理ステップ及び結果 金属リンク２５は、例えば、０．３−０．５ミクロン厚みの二酸化シリコン絶
縁層３２によりシリコン基板３０に支持される。二酸化シリコンは、リンクの上
に延び、そして窒化シリコンの付加的な絶縁層がＳｉＯ2層の上にしばしば存在
する。リンクをブローイングする技術において、レーザビームが各リンクに当た
り、それを融点まで加熱する。加熱中に、金属は、その上のパッシベーション層
の閉じ込め効果により蒸発が防止される。短いパルス巾の間に、レーザビームが
次第に金属を加熱し、やがて、金属は膨張して絶縁材料が破裂する。この点にお
いて、溶融した材料は、高い圧力のもとにあり、瞬間的に蒸発して、破裂穴を経
てきれいにブローする（吹き飛ぶ）。
【００５２】 上記’７５９特許に開示されたように、非常に小さなスポットサイズが小さな
金属リンクと共に使用される場合には、ビームがターゲットに当たる部分からの
伝導により熱が本質的に指数関数的な勾配で拡散すると考えられる。リンクを蒸
発するに充分なエネルギーが、８ナノ秒、好ましくは実質的にそれ以下のパルス
において供給されるような高いピークのビーム電力を使用することにより、熱伝
達の導電性成分を、それが非常に薄いにも関わらず、金属リンク及びその下の酸
化物層に実質的に閉じ込めることができ、従って、伝導に貢献し得るシリコンの
温度上昇と、シリコンにおけるビームの吸収に貢献し得る温度上昇を、受け入れ
られないシリコンダメージが生じる温度スレッシュホールドより累積的に低く保
つことができるようにする。
【００５３】 更に、上記’７５９特許は、リンク及び隣接構造体の熱伝達特性に関連した多
数の重要な特徴を教示する。熱モデルは、代表的な寸法に対してＳｉ基板への熱
伝導及びその後のダメージを回避するために、ターゲット材料の厚みに依存する
狭いパルス巾、例えば３−１０ｎｓ、が好ましいと予測している。しかしながら
、リンクに隣接する他の構造体も、次の実験結果が示すように、レーザ処理結果
のクオリティに影響し得ることを理解するのが非常に重要である。
【００５４】 利得スイッチ型の方形パルス形状の利点は、コンピュータシミュレーション（
限定要素分析）により両実験結果で確認されている。リンクをブローイングする
のに使用されるレーザに対する仕様は、次の通りであった。 ・レーザ波長 １．０８３ミクロン ・最大レーザエネルギー １０マイクロジュール ・パルス巾 ７ｎｓ（ＦＷＨＭ、方形パルス） ・繰り返し数 １０ＫＨｚ（７０ＫＨｚレーザレート） ・空間プロフィール ガウス、ＴＥＭ−００、Ｍ2＝１．０２（ｘ回折 限界） ・偏光 非偏光 ・パルス立ち上り時間 〜０．５ｎｓ
【００５５】 選択されたレーザは、９８０ｎｍのポンプダイオード及び７ミクロン直径の単
一モードファイバを使用するＭＯＰＡ構成のイッテルビウムクラッドポンプファ
イバレーザであった。 近世代のメモリデバイス上に上記レーザを伴う場合の実験結果は、標準的なＱ
スイッチ型レーザシステムに比して、優れた性能を立証した。その結果、ＭＯＰ
Ａレーザの短い高速の立ち上りパルスは、優れた性能を与えるという結論に到達
する。最初に述べたように、その理由は、３つある。 １）１．０８３μｍの波長は、基板のダメージを回避するのに充分な長さであ
り、即ち１．０４７μｍ波長に比して１．０８３μｍでは吸収が約１０分の１に
なる。 ２）速い立ち上りパルスは、その上の酸化物層に熱衝撃を与え、リンクの除去
を容易にする。 ３）速い立ち上りパルスの高電力密度は、リンクの反射率を下げ、効率的なエ
ネルギー結合を行えるようにする。
【００５６】 これら特性は、Ｑスイッチ型システムで観察される相互作用からの顕著な逸脱
を与える。更に、コンピュータの限定要素モデルを使用して、種々の材料厚み及
びリンクサイズに対して高速立ち上りパルスの作用をシミュレーションした。そ
の結果、ほぼ方形の分布をもつ立ち上り時間の先鋭なパルスを使用することによ
りリンクをブローする結果が改善されることが独立して確認された。参照番号３
の著者であるベルンステインにより形成されたコンピュータモデルの結果が図１
１ａ及び１１ｂに示されている。以下のテーブルＡ及びＢは、図１１ａ及び１１
ｂのグラフに各々関連している。テーブルＡ モデル１＠0.7μJ 方形パルス 低速立ち上りパルス 第１クラック 929K @ 1.88ns 978K @ 2.40ns 第２クラック 1180K @ 2.93ns 1380K @ 3.45ns 第３クラック 1400K @ 2.05ns なし 第４クラック 1520K @ 4.73ns なし Ａｌ厚み：０．８μｍ Ａｌ巾：０．８μｍ ＳｉＯ2：０．１μｍ Ｓｉ3Ｎ4：０．４μｍ
【００５７】 テーブルＢ モデル２＠0.7μJ 方形パルス 低速立ち上りパルス 第１クラック 974K @ 2.03ns 1050K @ 2.55ns 第２クラック なし なし 第３クラック なし なし 第４クラック なし なし Ａｌ厚み：０．８μｍ Ａｌ巾：０．８μｍ ＳｉＯ2：０．６μｍ Ｓｉ3Ｎ4：０．６μｍ レーザエネルギー：０．７μＪ
【００５８】 ストレス及び温度経過は、サブナノ秒の立ち上り時間をもつ高速立ち上りパル
スの重要性を確実に指示する。融除が完了した後の数ナノ秒、例えば、１５ｎｓ
に、著しいパルスエネルギーが存在する場合には、Ｓｉにダメージが生じること
も知られている。直ちに消える速い立ち下り時間も、重要である。 本発明によれば、シリコン基板は、波長を適切に選択すると共に、迅速に減衰
する対応する方形パルスでパルス巾を制限することにより、比較的冷却状態に保
たれる。この例におけるレーザ波長は、シリコンの室温吸収エッジ（約１．１μ
ｍ）より若干低い。ここに報告する結果は、基板のダメージを示していないが、
もし必要であれば、改良された余裕が得られることに注目しなければならない。
例えば、ラマンシフタを使用し、吸収エッジを越えて出力波長をシフトすること
ができる。或いは又、別のダイオードレーザ波長が、ＭＯＰＡ構成に対し潜在的
に商業的に得られるようになる。このような波長選択及びシフト技術は、他のレ
ーザ処理及びマイクロ加工用途にも効果的に利用できる。従って、いずれにせよ
、加熱を制限することにより、シリコンがその吸収エッジを赤外線へとシフトし
て、シリコンにダメージが生じる熱暴走状態に入ることがないよう保証できる。
【００５９】 金属のリンクをきれいにブローイングするための高速パルス発生に対するＭＯ
ＰＡ構成の特定の実施形態は、パルス整形の一例として取り上げられたもので、
本発明を単に例示し、これに限定するものではない。シードレーザの方向性変調
により、パルス形状に対する優れたサブナノ秒制御が維持され、そして出力パル
ス形状を修正する高速補償を行えることを含む効果があると分かった。又、マイ
クロ加工、マーキング、罫書き等における他の用途も、高精度、高速パルス制御
から利益を得ることができる。例えば、シードダイオードは、表面上又は表面内
に特定の特徴部を形成又は除去する目的で「鋸歯」波形又は他の非Ｑスイッチ型
波形で容易に変調することができる。同様に、レーザダイオードの高速の応答に
より、一連の可変巾の短いパルスを迅速に連続的に発生することができる。レー
ザ処理の当業者であれば、レーザシステムの広い用途が明らかであろう。本発明
の範囲は、特許請求の範囲に規定され、それ以外のもので何ら限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 蒸発金属を膨張することにより半導体の上面層のみに生じるストレスクラック
を概略的に示す図である。
【図１ｂ】 蒸発金属を膨張することにより半導体の上層及び下層に生じるストレスクラッ
クを概略的に示す図である。
【図１ｃ】 「Ｑスイッチ型パルス包絡線」と称するガウス形状又は指数関数的なテールを
伴うガウスの混合に類似した典型的な公知のレーザパルスを示す図である。
【図２】 金属リンクを処理するための本発明の好ましいパルス形状を、同じ全エネルギ
ーのＱスイッチ型パルスと比較して示す図である。
【図３ａ】 時間的に至近離間された２つの短いパルスを結合して、変更されたパルスを形
成する方法を示す図である。
【図３ｂ】 時間的に至近離間された２つの短いパルスを結合して、変更されたパルスを形
成する方法を示す図である。
【図４ａ】 一般的パルス形状のパルスエネルギー包囲を改善するための「パルススライシ
ング」の結果を示す図である。
【図４ｂ】 一般的パルス形状のパルスエネルギー包囲を改善するための「パルススライシ
ング」の結果を示す図である。
【図５】 レーザ材料処理のための好ましいレーザシステムの一般的ブロック図である。
【図６ａ】 分布ブラッグレーザを半導体シードレーザとしてもち（これは単一モードレー
ザである）そして好ましいパルス形状を発生する光ファイバ増幅器をもつＭＯＰ
Ａレーザシステムの一形式を示す回路図である。
【図６ｂ】 外部キャビティ同調の単一周波数レーザ及び光ファイバ増幅器を示す回路図で
ある。
【図７】 好ましい減衰器及び任意のシフタを含む本発明の別のレーザシステムのブロッ
ク図である。
【図８】 図９の二酸化シリコン層とシリコン基板との間の界面の温度を、二酸化シリコ
ン層の厚みの関数として示すグラフである。
【図９】 基板上のメモリのリンクを示す斜視図である。
【図１０】 金属リンクを含む焦点面上で小さなスポットに収束されるガウスレーザビーム
を示す図で、回折制限ビームのくびれに比してリンクの極微サイズを強調した図
である。
【図１１ａ】 金属リンク処理に使用されるＱスイッチ型パルス及び方形パルスに対しストレ
ス及び温度の時間経過をグラフにプロットしたコンピュータ限定素子分析シミュ
レーションの結果を示す図である。
【図１１ｂ】 金属リンク処理に使用されるＱスイッチ型パルス及び方形パルスに対しストレ
ス及び温度の時間経過をグラフにプロットしたコンピュータ限定素子分析シミュ
レーションの結果を示す図である。
【図１２】 発生されたパルス列が光ファイバ内で制御された形態で波長シフトされて、例
えば、シリコンの吸収エッジにおいてレーザエネルギーをターゲットに結合させ
るような本発明により構成されたシステムのブロック図である。
【図１３】 第１の「非シフト」波長をシリコンの吸収エッジにおいて第２のシフト波長に
シフトするところを示すグラフである。
【図１４】 入力パルス列が波長シフトされそして増幅されて出力パルス列を発生する多段
ファイバ増幅システムのブロック図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＣ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ， ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，Ｉ Ｎ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ， ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 4E068 AC00 CA02 CA03 CA07 DA10 5F033 QQ53 RR06 VV11 WW00 WW01 WW07 XX17 XX36 5F072 AB07 AK06 HH07 JJ20 KK11 KK30 MM09 PP07 QQ07 RR01 SS06 YY08

Claims (49)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ターゲット材料を取り巻く材料の電気的又は物理的な特性に
    不所望な変化を生じることなく、極微領域に指定の寸法を有するターゲット材料
    を処理するためのエネルギー効率の良いレーザベースの方法であって、上記処理
    が処理エネルギーウインドウ内で行われるような方法において、 第１波長を有するレーザを使用して少なくとも１つのパルスを有するレーザパ
    ルス列をある繰り返し数で発生し、上記パルス列の少なくとも１つのパルスは、
    所定の形状及び大きさを有するものであり、 上記パルス列の少なくとも１つのパルスを光学的に増幅して、増幅されたパル
    ス列を得、その増幅されたパルスの各々は、先鋭な立ち上り時間、パルス巾及び
    立ち下り時間を有するものであり、 上記第１波長を、その第１波長とは異なる第２波長へ制御可能にシフトして、
    増幅され波長シフトされたパルス列を得、そして 上記増幅され波長シフトされたパルス列の少なくとも一部分をターゲット材料
    へ供給してスポットに収束し、上記立ち上り時間は、レーザエネルギーをターゲ
    ット材料に効率的に結合するに充分なほど高速であり、上記パルス巾は、ターゲ
    ット材料を処理するに充分なものであり、上記立ち下り時間は、ターゲット材料
    を取り巻く材料への不所望な変化を防止するに充分なほど急速である、 という段階を備えた方法。
  2. 【請求項２】 光学的に増幅する上記段階は、パルス巾の間にパルス列の少
    なくとも１つのパルスの所定形状を著しく変化せずに行われる請求項１に記載の
    方法。
  3. 【請求項３】 上記増幅されたパルスの各々は、実質的に方形の一時的電力
    分布を有する請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 ターゲット材料を取り巻く材料におけるパルス列の吸収は、
    第１波長よりも第２波長の方が少ない請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 上記第２波長は、上記第１波長より効率的にターゲット材料
    にレーザエネルギーを結合する請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 各増幅されたパルスの先縁がその最終値の１０%から５０%へ
    立ち上がるのに必要な時間は、パルスの先縁がその最終値の５０％から９０％へ
    立ち上がるのに必要な時間と少なくとも同程度に速い請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 上記エネルギー処理ウインドウは、第１波長より第２波長の
    方が大きい請求項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 上記ターゲット材料は、マイクロ構造体を含み、そしてこの
    マイクロ構造体は、導電性ラインである請求項１に記載の方法。
  9. 【請求項９】 上記導電性ラインは、金属ラインであり、そして上記パルス
    巾は、その金属ラインの特定部分を効率的に加熱しそして蒸発するに充分なもの
    である請求項７に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 上記立ち上り時間は、１ナノ秒未満である請求項１に記載
    の方法。
  11. 【請求項１１】 上記パルス巾は、１０ナノ秒未満である請求項１に記載の
    方法。
  12. 【請求項１２】 上記ターゲット材料を処理するのに単一の増幅されたパル
    スで充分である請求項１に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 上記ターゲット材料は、増幅されたパルスに対して反射率
    を有し、そして増幅されたパルスの電力密度は、増幅されたパルスに対するター
    ゲット材料の反射率を減少しそしてレーザエネルギーをターゲット材料に効率的
    に結合するに充分なものである請求項１に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 各パルスは、そのパルス巾の間に１０%以内で均一の一時
    的電力密度分布を有する請求項１に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 上記ターゲット材料を取り巻く材料は、その光学特性及び
    熱拡散特性がターゲット材料の対応特性と相違する請求項１に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 上記増幅されたパルスの各々は、ターゲット材料のスポッ
    トに少なくとも０．１ないし３マイクロジュールまでのエネルギーを有する請求
    項１に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 上記光学的に増幅する段階は、少なくとも２０ｄＢの利得
    を与える請求項１に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 上記立ち上り時間及び立ち下り時間の両方は、パルス巾の
    半分未満であり、そして各増幅されたパルスのピーク電力は、立ち上り時間と立
    ち下り時間との間で実質的に一定である請求項１に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 上記パルス巾は指定の大きさの関数である請求項１に記載
    の方法。
  20. 【請求項２０】 上記指定の大きさはレーザ波長未満である請求項１に記載
    の方法。
  21. 【請求項２１】 上記レーザは、高速半導体レーザダイオードである請求項
    １に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 上記スポットは、約１μｍないし４μｍの範囲の寸法を有
    する請求項１に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 上記レーザダイオードは、マルチモードダイオードレーザ
    である請求項２１に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 ターゲット材料を取り巻く材料の電気的又は物理的特性に
    不所望な変化を生じることなく、極微領域に指定の寸法を有するターゲット材料
    を処理するためのエネルギー効率の良いシステムにおいて、 処理制御信号を発生するためのコントローラと、 上記処理制御信号に基づいて変調された駆動波形を発生するための信号ジェネ
    レータを備え、上記波形は、サブナノ秒の立ち上り時間を有し、 更に、ある繰り返し数で少なくとも１つのパルスを有するレーザパルス列を発
    生するための第１波長を有する利得スイッチ型パルスシードレーザを備え、上記
    駆動波形は、このレーザをポンピングして、パルス列の各パルスが所定の形状を
    有するようにし、 更に、上記パルス列の少なくとも１つのパルスを光学的に増幅するためのファ
    イバ増幅サブシステムを備え、このサブシステムは、上記第１波長を、その第１
    波長とは異なる第２波長へ制御可能にシフトして、増幅され波長シフトされたパ
    ルス列を得るための波長シフタを含み、増幅されたパルスの各々は、先鋭な立ち
    上り時間、パルス巾及び立ち下り時間を有し、 更に、上記増幅され波長シフトされたパルス列の少なくとも一部分をターゲッ
    ト材料へ供給してスポットに収束するためのビーム供給及び収束サブシステムを
    更に備え、上記立ち上り時間は、レーザエネルギーをターゲット材料に効率的に
    結合するに充分なほど高速であり、上記パルス巾は、ターゲット材料を処理する
    に充分なものであり、上記立ち下り時間は、ターゲット材料を取り巻く材料への
    不所望な変化を防止するに充分なほど急速であるように構成されたシステム。
  25. 【請求項２５】 上記光学的に増幅することは、パルス巾の間にパルス列の
    少なくとも１つのパルスの所定形状を著しく変化せずに行われる請求項２４に記
    載のシステム。
  26. 【請求項２６】 上記増幅されたパルス各々は、実質的に方形の一時的電力
    分布を有する請求項２４に記載のシステム。
  27. 【請求項２７】 ターゲット材料を取り巻く材料におけるパルス列の吸収は
    、第１波長よりも第２波長の方が少ない請求項２４に記載のシステム。
  28. 【請求項２８】 上記第２波長は、上記第１波長より効率的にターゲット材
    料にレーザエネルギーを結合する請求項２４に記載のシステム。
  29. 【請求項２９】 各増幅されたパルスの先縁がその最終値の１０%から５０%
    へ立ち上がるのに必要な時間は、パルスの先縁がその最終値の５０％から９０％
    へ立ち上がるのに必要な時間と少なくとも同程度に速い請求項２４に記載のシス
    テム。
  30. 【請求項３０】 上記エネルギー処理ウインドウは、第１波長より第２波長
    の方が大きい請求項２４に記載のシステム。
  31. 【請求項３１】 上記ターゲット材料は、マイクロ構造体を含み、そしてこ
    のマイクロ構造体は、導電性ラインである請求項２４に記載のシステム。
  32. 【請求項３２】 上記導電性ラインは、金属ラインであり、そして上記パル
    ス巾は、その金属ラインの特定部分を効率的に加熱しそして蒸発するに充分なも
    のである請求項３０に記載のシステム。
  33. 【請求項３３】 上記立ち上り時間は、１ナノ秒未満である請求項２４に記
    載のシステム。
  34. 【請求項３４】 上記パルス巾は、１０ナノ秒未満である請求項２４に記載
    のシステム。
  35. 【請求項３５】 上記ターゲット材料を処理するのに単一の増幅されたパル
    スで充分である請求項２４に記載のシステム。
  36. 【請求項３６】 上記ターゲット材料は、増幅されたパルスに対して反射率
    を有し、そして増幅されたパルスの電力密度は、増幅されたパルスに対するター
    ゲット材料の反射率を減少しそしてレーザエネルギーをターゲット材料に効率的
    に結合するに充分なものである請求項２４に記載のシステム。
  37. 【請求項３７】 各パルスは、そのパルス巾の間に１０%以内で均一の一時
    的電力密度分布を有する請求項２４に記載のシステム。
  38. 【請求項３８】 上記ターゲット材料を取り巻く材料は、その光学特性及び
    熱拡散特性がターゲット材料の対応特性と相違する請求項２４に記載のシステム
    。
  39. 【請求項３９】 上記増幅されたパルスの各々は、ターゲット材料のスポッ
    トに少なくとも０．１ないし３マイクロジュールまでのエネルギーを有する請求
    項２４に記載のシステム。
  40. 【請求項４０】 上記光学的に増幅することは、少なくとも２０ｄＢの利得
    を与える請求項２４に記載のシステム。
  41. 【請求項４１】 上記立ち上り時間及び立ち下り時間の両方は、パルス巾の
    半分未満であり、そして各増幅されたパルスのピーク電力は、立ち上り時間と立
    ち下り時間との間で実質的に一定である請求項２４に記載のシステム。
  42. 【請求項４２】 上記パルス巾は、指定の大きさの関数である請求項２４に
    記載のシステム。
  43. 【請求項４３】 上記指定の大きさは、レーザ波長未満である請求項２４に
    記載のシステム。
  44. 【請求項４４】 上記レーザは、高速半導体レーザダイオードである請求項
    ２４に記載のシステム。
  45. 【請求項４５】 上記スポットは、約１μｍないし４μｍの範囲の寸法を有
    する請求項２４に記載のシステム。
  46. 【請求項４６】 上記レーザダイオードは、マルチモードダイオードレーザ
    である請求項４４に記載のシステム。
  47. 【請求項４７】 上記波長シフタは、光ファイバである請求項２４に記載の
    システム。
  48. 【請求項４８】 上記シードレーザは、マルチモードダイオードレーザであ
    る請求項２４に記載のシステム。
  49. 【請求項４９】 光学スイッチと、該光学スイッチ及び上記サブシステムに
    接続されたコンピュータであって、上記パルス列の材料処理パルスを選択しそし
    てターゲット材料に対するその選択されたパルスの位置を制御するためのコンピ
    ュータとを更に備えた請求項２４に記載のシステム。
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