JP2008528291A - 高速で精密なレーザによる物質加工方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】高速で精密なレーザによる物質加工方法およびシステムが提供され、ターゲット物質の相対運動と、この物質を加工するパルスレーザ出力が同期される。このレーザによるシステムは、レーザパルスセットを生成するパルスレーザ源と、レーザ源の後段でレーザパルスセットからパルスのサブセットを制御可能に選択するレーザ出力制御部とを具え、パルスレーザ出力を得る。このレーザによるシステムはさらに、前記パルスレーザ出力をターゲット物質の相対運動と同期させる機構を具える。ビームデリバリおよびフォーカスシステムが、この同期されたパルスレーザ出力の少なくとも一部を、レーザ物質加工出力としてターゲット物質に送出して、ターゲット物質を加工する。位置決めサブシステムが、パルスレーザ出力に対してターゲット物質を移動する。
【選択図】図１

Description

関連特許および出願のクロスリファレンス
本願は２００５年１月２１日に出願された米国暫定出願第６０／６４５，６２１の優先権を主張する。本願は、以下の米国特許および特許出願、６，７９１，０５９、６，７４４，２８８、６，７２７，４５８、６，５７３，４７３、６，３８１，２５９、２００２／０１６７５８１、２００４／０１３４８９６、および２００５年１２月２３日に出願された「Laser-Based Material Processing Methods, System and Subsustem for Use Therein for Precision Energy Control」という名称の米国出願第１１／３１７，０４７の全体をここに組み込んでいる。これらの特許および公開は、本発明の出願人に譲渡されている。

本発明は一般に、精密で高速なレーザによる物質の加工に関する。別の応用例は、レーザによるマイクロマシニングである。この応用例の一つとして、レーザによるリダンダント半導体メモリの修復がある。

集積回路のメモリの修復システムは、レーザを用いて集積回路のメモリダイにあるリンクを開放し、適切な機能記憶素子（functioning memory cell）を選択するだけである。製造時には、メモリダイは通常、欠陥のある記憶素子をいくらか有している。欠陥のある記憶素子を有するメモリダイを利用可能にするために、メモリダイは通常、欠陥のある素子の代わりに使用可能な余分の記憶素子を具えるように製造されている。メモリダイの記憶素子は通常、記憶素子のマトリックスの列および行に配置される。この余分の記憶素子は、記憶素子の余分な列および行を組み込んでメモリマトリックスの列および行の数を増やすことにより、メモリダイに設けられる。メモリマトリックス内の欠陥のある記憶素子は、メモリマトリックスのアドレッシングを変更して欠陥のないマトリックスの列および行だけを選択することにより避けられる（使用されない）。リンクはメモリマトリックスのアドレッシングを変更するのに使用される。レーザが、所望のリンクを開放（ブラスト）するために用いられる。メモリアドレッシングを変更するの用いられるレーザを具えるシステムは、「メモリ修復システム」である。

メモリダイは、ウェーハが切断（dice）される前に欠陥の無い記憶素子のみを選択するように加工される。メモリのウェーハは通常、直径が２００ｍｍまたは３００ｍｍである。

メモリダイのリンクは通常、リンクグループに配列され、各グループはリンクの列および行で構成される。各行または各列では、リンクが等間隔で配置されており、リンクが梯子の横木のようになっている。リンクの大きさや間隔は、製造業者やメモリの設計によって大きく異なる。通常のメモリ設計におけるリンクの直径は、幅が０．４μｍ、長さが４μｍ、リンクの間隔が３μｍである。

メモリ修復システムは、メモリダイ上のリンクのロケーションマップと、ウェーハの各ダイのいずれのリンクが開放（ブラスト）されるべきかを示すファイルリストとが与えられる。ダイの総てのリンクがブラストされるとは限らず、各ダイのブラストされたリンクは通常異なる。メモリ修復システムはレーザを利用してリンクを開放する。レーザビームが開放されるリンクにフォーカスされ、またレーザはパルス状である。単一のレーザパルスが、リンクを開放するのに使用される。

ウェーハは、レーザパルスによりウェーハのリンクをブラストする場合に、精密なＸＹステージに固定される。このＸＹステージは、リンクが集光レーザビームのＸＹ（水平面）位置でブラストされるように位置決めする。レーザの焦点は、リンクがブラストされている間、Ｚ（垂直軸）のレーザフォーカス位置を調整することによりウェーハの平面上に維持され、また、集光レーザビームは、リンクがブラストされている間は垂直（Ｚ）方向にのみ移動される。

各リンクは単一のレーザパルスによりブラストされる。リンクグループをブラストする場合は、レーザはほぼ一定の反復レートで照射（パルス）される。一定の反復レートでレーザを照射することは、各レーザパルスのエネルギ量を正確にまた一定に維持するのに有益であり、これにより、ブラストされる各リンクにレーザエネルギを一貫して提供する。

通常、一つのリンクグループ内の総てのリンクは等間隔に配置され、レーザは、リンクがブラストされる間、ほぼ一定の反復レートでパルスされる。このため、リンクがブラストされている間、ステージは一定の速度で移動し、リンクグループ内の連続する各リンクが、次のレーザパルスの時の集光レーザビームの位置に配置される。例えば、レーザの反復レートが５０ＫＨｚでリンクの間隔が３μｍの場合、使用されるステージの最大速度は、（３μｍ）（５０ＫＨｚ）＝１５０ｍｍ／ｓである。また、さらに遅い速度を使用することもでき、この場合、このさらに遅い速度はステージの最大速度を整数で割ったものと等しい。したがって、前述の例では、７５ｍｍ／ｓ、５０ｍｍ／ｓ、３７．５ｍｍ／ｓ等の速度も使用することができる。リンクがブラストされるときの一定の速度移動は、ＣＶ移動として引用される。

リンクがブラストされる間、小さなタイミング補正（位相補正）がレーザの照射時間内に行われ、小さなステージ配置エラーを修正する。

ブラスト中は、レーザがほぼ一定の反復レートで照射され、各レーザパルスは、リンクグループ内の単一のリンクに対応する。通常、一つのグループ内の総てのリンクがブラストされるとは限らず、したがって、照射用レーザパルスの総てがリンクをブラストするのに使用されるとは限らない。音響光学変調器（ＡＯＭ）等のパルスセレクタが、集束レンズを介して照射用パルスを送るのに使用され、リンクがブラストされる場合はリンクに送られ、またはリンクがブラストされない場合はビームダンプに送られる。また、この音響光学変調器は通常、リンクをブラストする所望のエネルギまでレーザパルスエネルギを減らすのに利用される。

一定の速度でリンクグループをブラストした後、ステージは、ブラストされる次のリンクグループへ移動する。リンクグループ間の移動におけるステージ移動の軌跡が算出され、次のグループをブラストするのに適切な速度で、次のグループの先頭にステージを配置する。リンクグループ間のこれらの一定でない速度移動は、ＰＶＴ（位置速度時間）移動として引用される。移動における終点の必要条件は、特定の時間における位置、速度である。この特定の時間は、ステージのＸ方向の移動をステージＹ方向の移動と調整するために必要であり、移動が終了するときに、両方の軸が終点の必要条件を同時に満たす。

前述したようにステージの移動には１）一定の速度移動であるＣＶ移動と、２）一定でない速度移動であるＰＶＴ移動の２つの基本的な種類があることに留意すべきである。

図２ａに示すように、システムコントローラは、加工の間の総ての作業を調整する。これらの作業には、レーザ照射、ステージ／基板モーション、およびパルスの選択が含まれる。通常、ステージモーションは一定の速度（ＣＶ）モーションセグメント（motion segment）を提供するように命令され、ブラストされるリンクが集光レーザビームの位置に配置され、レーザ照射がステージモーションに同期する。レーザ照射は、システムコントローラからレーザに送られるレーザトリガ信号により制御される。レーザがトリガ信号を受信したとき、レーザパルスが生成される。この生成されたレーザパルスにより、トリガ信号のアクティブエッジ後の遅延時間が発生する。この遅延時間はパルスごとで若干異なり、レーザの照射時間が若干ばらつく。通常、レーザは、Ｑスイッチの状態を変更またはシードレーザをパルスすることにより、トリガ信号時にパルスを生成する。メモリ修復に利用されるレーザの反復レートは通常、１００ＫＨｚより小さく、通常は３０ＫＨｚから６０ＫＨｚの範囲である。

従来のシステムでは、リンクをブラストするのに用いられるメモリ修復システムのレーザパルスは、基板のモーションと同期するように生成される。メモリシステムコントローラ内で発生し、レーザに送られるトリガ信号は、レーザにより使用され、時間を通知し、Ｑスイッチの状態を変更し、またはシードレーザをパルスしてレーザパルスを生成し、このレーザパルスは要求に応じて生成（物理的に製造）される。通常、メモリ修復に利用されるレーザの反復レートは、３０ＫＨｚから１００ＫＨｚの範囲である。

リダンダント半導体メモリ装置の容量は増加しており、対応するリンクの大きさやピッチ（リンクの中心から中心までの間隔）は通常小さくなっている。レーザによるメモリ修復システムのスループットを向上し、単位秒あたりの加工されるリンクの数を増加することが求められている。例として、モーションステージが、約１５０ｍｍ／秒の速度で数千のターゲットリンクを支持する基板を運ぶ。除去される各ターゲットリンクは、約０．４ミクロンまたはそれ以下の幅を有する。加工されない近傍の非ターゲットリンクは、ターゲットリンクから約２ミクロンまたはそれ以下である。１以上のパルスは、「オンザフライで」各ターゲットリンクのみを加工するのに利用され、対応する集光レーザ出力は、リンク中心とする領域内の各ターゲットリンクに衝突し、この領域は、単一の出力パルスに対応する回折限界（diffraction limitted）出力よりも若干大きい範囲を有する。例えば、図１では、２つのパルスの移動により生じる集光レーザ加工出力の範囲は、リンクの幅の約４分の１または１０分の１増加する。いずれの場合でも、集光レーザ加工出力（１以上のパルス）は、ターゲットリンクのみを除去し、少なくとも基板や非ターゲットリンクの好ましくない損傷を回避しなければならない。

リンクブローに用いられる多くのパルスレーザ源は、加工パルスが必要なときに、制御信号により始動する（図２ａを参照）。典型的な光源は、アクティブQスイッチダイオードの励起レーザー源、またはシードレーザを有するＭＯＰＡ（主発振器電力増幅器）を具える。過去数年の間、本発明の出願人等は、アクティブＱスイッチシステムまたは様々な商用のリンクブローシステムのＭＯＰＡダイオードベースの構成のいずれか一方を利用してきた。

特定のパルスレーザ源、例えばモードロックレーザまたは受動Ｑスイッチマイクロレーザは、トリガまたは同期信号により直接制御するのが困難または実現不可能である。このようなレーザの様々なパルス特性は、リンクのブローや他のマイクロマシンニングの応用例に有用である。精度およびスループット間の過度の妥協により制限されることなく、このような光源の出力を利用することが所望されている。

このため、パルスレーザ源と他のシステム構成要素との同期化を改良することにより、光源の出力をより効果的に利用するレーザ加工方法およびシステムの必要性がある。また、このような方法およびシステムにより、改良されたマイクロマシンニングの精度や、より速い加工速度を提供すべきである。

本発明の目的は、改良された高速なレーザによる精密な物質の加工方法およびシステムを提供し、前述したいくつかの必要の少なくとも一部を満たし、少なくとも前述したいくつかの問題を解決することである。

本発明の前述の目的および他の目的を実現するために、レーザによる物質加工方法は、レーザパルスセットを生成するパルスレーザ源を設けるステップと、パルスレーザ出力を得るために、前記レーザ源の後段で前記レーザパルスセットからパルスのサブセットを制御可能に選択するステップとを含む。前記レーザによる物質加工方法はさらに、前記パルスレーザ出力をターゲット物質の相対運動と同期させるステップと、前記同期されたパルスレーザ出力の少なくとも一部をレーザ物質加工出力として前記ターゲット物質に選択的に送出（deliver）して、前記ターゲット物質を加工するステップとを含む。

前記制御可能に選択するステップは、制御信号を受信するステップを含んでもよい。

前記同期させるステップは、少なくとも前記制御信号に応じて前記パルスレーザ出力の位相を設定し、前記ターゲット物質の相対運動を、前記ターゲット物質の加工に使用される前記パルスレーザ出力と同期させるステップを含む。

前記制御可能に選択するステップは、前記セット内の一つのパルスに関連する時間ベース入力を受信するステップを含んでもよい。

前記設定するステップは、前記制御信号および前記時間ベース入力の双方に応じて、前記パルスのサブセットの選択を少なくとも初期化するパルス選択信号を生成するステップを含んでもよい。

前記セット内の一つのパルスの一時的な位置は、前記相対運動から独立していてもよい。

前記レーザパルスセットは、高い反復レートのレーザパルス列であってもよい。制御可能に選択するステップの間に、パルスが前記高い反復レートのレーザパルス列から選択され、低減した反復レートと所望の位相を有するレーザ出力パルスを生成してもよい。

前記選択的に送出するステップは、前記加工出力を生成するために前記レーザ出力パルスの一部を選択するステップを含んでもよい。

前記設定するステップは、前記制御信号より前の少なくともいくつかの出力パルスに対して位相をシフトされたほぼ周期的なパルスのサブセットを生成してもよい。

前記設定するステップは、およそ位相ジッタ以内で、位相シフトパルス間に一定の遅延を取り入れてもよい。

前記設定するステップはさらに、前記制御信号の直前のパルスと、前記制御信号の直後の出力パルスのサブセットの最初の位相シフトパルスとの間の遅延を実質的に最小限にするステップを含んでもよい。

前記ターゲット物質はターゲットストラクチャであり、前記加工は、前記加工出力のパルスグループにより前記ストラクチャを除去するステップを含んでもよい。

前記設定するステップは、前記ターゲットストラクチャに対する前記パルスレーザ出力のモーションの間、前記ターゲットストラクチャの中心から１０％の領域に前記加工出力を衝突させ、これにより、位相シフトされていないレーザ物質加工出力に対するレーザ加工スループットおよび精度のうちの少なくとも一つを改良してもよい。

前記方法はさらに、前記レーザパルスセットの一部を増幅し、増幅されたレーザ出力パルスシリーズを生成するステップを含んでもよい。

前記方法はさらに、レーザ物質加工パルスを生成すべく前記増幅されたレーザ出力パルスの少なくとも一部を選択するステップと、前記選択されたレーザ物質加工パルスを前記ターゲット物質に送る（direct）ステップを含んでもよい。

本発明の前述の目的および他の目的を実現するために、レーザによる物質加工システムは、レーザパルスセットを生成するパルスレーザ源と、前記レーザ源の後段で前記レーザパルスセットからパルスのサブセットを制御可能に選択するレーザ出力制御部とを具え、パルスレーザ出力を得る。前記レーザによる物質加工システムはさらに、前記パルスレーザ出力をターゲット物質の相対運動と同期させる機構を具える。ビームデリバリおよびフォーカスシステムは、前記同期されたパルスレーザ出力の少なくとも一部を、レーザ物質加工出力として前記ターゲット物質に送出して前記ターゲット物質を加工する。位置決めサブシステムが、前記パルスレーザ出力に対して前記ターゲット物質を移動する。

前記システムは、前記ターゲット物質を変更するための高速なレーザによるマイクロマシンニングシステムであってもよい。

前記ターゲット物質はターゲットストラクチャであり、前記加工は、前記ストラクチャを少なくとも部分的に除去することを含んでもよい。

前記レーザ出力制御部は、少なくとも制御信号に応じて前記パルスレーザ出力の位相を設定してもよい。

前記レーザ出力制御部は、前記制御信号と、前記セット内の一つのパルスに関連する時間ベース入力を受信し、前記制御信号および前記時間ベース信号に応じて、前記セットの前記サブセットの選択を少なくとも初期化してもよい。

前記システムはさらに、前記レーザ源により生成されるパルスを検出する検出器を具え、前記時間ベース入力を取得してもよい。

前記システムはさらに、前記レーザ出力制御部により選択されるパルスを増幅する光増幅器と、増幅されたパルスを前記ビームデリバリおよびフォーカスサブシステムに選択的に送る出力モジュレータとを具えてもよい。

前記システムはさらに、第１の波長を有する前記増幅されたパルスを受信し、前記第１の波長をより短い波長に変換する波長シフタを具えてもよい。

前記第１の波長は約１．０６４ミクロン、前記より短い波長は約０．５３２ミクロンであってもよい。

前記レーザ源はＭＨｚの反復レートを有するほぼ周期的なパルス列を生成し、前記制御部は、前記パルス列のサブセットを選択して、低減した反復レートを得てもよい。

前記低減した反復レートは、前記パルス列の反復レートより実質的に小さくてもよい。

前記低減した反復レートは、通常の範囲が２０ＫＨｚから最大で前記物質加工システムのスループットを実質的に制限するのを避けるのに十分に高い所定のレートまでであってもよい。

前記低減した反復レートは、通常の範囲が約２０ＫＨｚから５００ＫＨｚであってもよい。

前記制御部は、グループごとに最大で約２００のパルスを有するパルスグループを選択し、各グループは、出力パルスグループが前記パルス列の反復レートよりも実質的に低い反復レートで発生するために選択される。

グループ内のパルスの間隔は、前記パルス列の反復レートに対応してもよい。

前記システムはさらに、選択されたパルスグループそれぞれを増幅する光増幅器を具えてもよい。

前記システムはさらに、少なくとも一つの増幅されたパルスグループを前記デリバリおよびフォーカスサブシステムに選択的に送る出力モジュレータを具える。

前記パルスレーザ源は、モードロック固体レーザであってもよい。

前記パルスレーザ源は、反復レートが約１０ＭＨｚから２００ＭＨｚのパルスを生成するモードロック固体レーザであってもよい。

レーザ物質加工出力に対する前記ターゲットの移動は、約８ｍｍ／ｓから約２００ｍｍ／ｓでもよい。

前記制御部は、電気光学装置または音響光学装置を具えてもよい。

前記出力モジュレータは、前記ビームデリバリおよびフォーカスサブシステムに送られる前記増幅されたパルスの一部を選択してもよい。

本発明の一の態様は、ターゲット物質をレーザ加工する方法を特徴とする。この方法は、前記ターゲット物質の相対運動と、前記ターゲット物質の加工に利用されるパルスレーザ出力を同期させるステップを含む。

本発明の別の態様は、ターゲット物質を加工するレーザ加工システムを特徴とする。

本発明の別の態様は、ターゲット物質をレーザ加工する方法を特徴とする。この方法は、トリガまたは制御信号を受信するステップと、ターゲットストラクチャの相対運動を、前記ターゲット物質の加工に用いられるパルスレーザ出力と同期させるために、前記トリガ信号に基づいてレーザ出力パルスの位相を設定するステップと、少なくとも一つの出力パルスを前記ターゲット物質に選択的に送出して前記ターゲット物質を加工するステップとを含む。

本発明の別の態様は、ターゲット物質の相対運動と、前記ターゲット物質の加工に用いられるパルスレーザ出力を同期させるサブシステムを具えるレーザ加工システムを特徴とする。

本発明のこれらの特徴、態様、および利点、ならびにその他の特徴、態様、および利点は、以下の説明、添付の請求項、および添付した図面により一層理解できるであろう。

レーザによるメモリの修復方法／システム
以下の典型的な特許および公開された出願は一般に、レーザによるマイクロマシニングの方法およびシステムに関し、特にメモリの修復に関する。 これらの特許および公開は、本発明の出願人に譲渡され、全体を参照してここに組み込んでいる。

「Laser Processiong」という名称の米国特許６，７９１，０５９（以下、０５９特許と記す）。

「High-Speed Precision Positioning Apparatus」という名称の米国特許６，７４４，２８８（以下、２８８特許と記す）。

「Energy-Efficient, Laser-Based Method And System For Processing Target Material」という名称の米国特許６，７２７，４５８（以下、４５８特許と記す）。

「Method And System For Precisely Positioning A Waist Of A Material-Processing Laser Beam To Process Microstructures Within A Laser-Processing Site」という名称の米国特許６，５７３，４７３（以下、４７３特許と記す）。

「Controlling Laser Polarization」という名称の米国特許６，３８１，２５９（以下、２５９特許と記す）。

「Methods And Systems For Thermal-Based Laser Processing A Multi-Material Device」という名称の公開された米国出願２００２／０１６７５８１（以下、５８１出願と記す）。

「Laser-Based Method And System For Memory Link Processing With Picosecond Lasers」という名称の公開された米国出願２００４／０１３４８９６（以下、８９６出願と記す）。

「Laser Processing」という名称の米国特許６，５５９，４１２（以下、４１９特許と記す）。

上記文書中の少なくとも以下の引用箇所は、本発明の様々な特徴、態様、および利点を理解するのに特に適切であり、
８９６出願の図９は、ピコセコンドレーザを有するレーザによるメモリ修復システムのブロック図を示す。図１ａ−１ｂ、２ａ−２ｂ、７、８ａ−８ｅ、および対応する文章は通常、パルス生成、パルスピッキング、および増幅に関する。図１ｃは、レーザ出力がターゲットストラクチャに対するモーションの間に、ターゲットストラクチャに衝突する集光レーザ加工出力（即ち２つのパルス）を示す。

高速のモーション制御や、３次元のビームウエスト位置決めを含む位置決めに関する例示的な実施例が、少なくとも２８８および４７３特許の図および文章に記載されている。２８８および４７３特許の双方は一般に、本発明の出願人により提供されるリンクブローシステムで使用される例示的なモーションセグメントを説明している。リンク加工および他のレーザによるマイクロマシンニングの応用例に適した精密なＸ，Ｙ，Ｚ位置決めシステムが、２８８および４７３特許で説明されている。例えば、４７３特許の図３、８、９、および関連する文章は、本発明の出願人により提供されるビームデリバリおよびフォーカスシステムを開示している。

０５９特許は、一般にリンクのレーザ加工に関する。図５および関連する文章は、パルス選択およびエネルギ制御のための音響光学変調器を具えるシステムを説明している。

さらなる関連情報は、少なくとも０５９特許、４５８特許、公開された５８１出願、公開された８９６出願に記されている。

概略
本開示は、単一のパルスやパルスグループの「ピッキング」または「選択」、さらに一般的には、パルスシリーズまたはパルスセットの連続的または非連続的なパルスの「ピッキング」または「選択」について言及する。他に明記する場合を除き、「ピッキング」と「選択」は、限定ではなく同義であると解するべきである。例えば、以下の説明および添付の図面では、「パルスピッキング」または「パルス選択」は、増幅器の前に配置された光学スイッチ、または増幅器の前後に配置された光学スイッチにより実現できる。ある実施例では、単一の光学スイッチは、増幅器の後でピッキング／選択するのに使用され、ここで開示されている適切な動作のために提供された特定の条件が満たされる。

本開示はまた、「同期相対運動」および関連する「制御」、「同期」、または「トリガ」信号について言及する。他に明記する場合を除き、相対運動は、加速度、速度、および位置情報のうちの少なくとも一つに関連し、対応する信号は、これらのうちの少なくとも一つから得られる。

本開示はまた、パルスの「バースト」について言及する。この語は、限定ではなくむしろ説明であり、絶対的なタイムスケールよもむしろ相対的なタイムスケールに関する。本開示により明らかとなるように、バーストは一般的に、特定のタイムスケールで表わされるされる場合に、高速で連続して現れる近接した短いパルスグループであると見なされる。グループ内のパルスの幅、グループ内の２つのパルスの一時的な間隔、グループの持続時間は通常、非動作時間に相当する時間間隔より実質的に短い。

他に明記する場合を除き、「反復レート」および「繰り返し周波数」の語は、同義であり、ある時間間隔内に発生する単一のパルスまたはパルスグループの数に関連する。

「ターゲット物質」は限定ではなく説明の意図であり、通常、レーザ加工ビームにより衝突されまたは意図的に影響を受ける物質（または物質の組合せ）に関する。ターゲット物質は、基板、ワークピース、基板により支持および移動されるストラクチャの一部、半導体装置の一部等であってもよい。

本発明の一の態様は、ターゲット物質をレーザにより加工する方法を特徴とする。この方法は、ターゲット物質の相対運動を、ターゲット物質の加工に用いられるパルスレーザ出力と同期させる。

本発明の少なくとも一つの実施例は、ターゲット物質をレーザにより加工する方法を含む。この方法は、レーザパルスシリーズまたはレーザパルスセットを生成するステップと、制御信号を送信するステップと、前記制御信号に基づいてパルスレーザ出力を生成するために、前記セットから少なくとも一つのパルスまたはパルスのサブセットを選択するステップと、前記パルスレーザ出力の少なくとも一部を、レーザ物質加工出力として前記ターゲット物質に選択的に送出するステップとを含み、前記ターゲット物質を加工する。

本発明の別の態様は、前述した方法を動作中に実行するレーザ加工システムを提供することを含む。

前記方法はまた、少なくとも前記制御信号に基づいて、レーザ加工出力の位相を設定するステップを含み、ターゲット物質の相対運動と、前記ターゲット物質の加工に用いられるパルスレーザを同期させる。

前記位相を設定するステップは、前記制御信号と、第１のパルスシリーズに関連する時間ベース入力を受信するステップと、前記信号および入力の双方に応じて、パルス選択信号を生成するステップを含み、前記第１のシリーズの少なくとも一つのパルスの選択を少なくとも初期化する。

前記第１のパルスシリーズ内のパルスの一時的な位置は、前記相対運動から独立している。

少なくとも一の実施例では、前記シリーズは高い反復レートのレーザパルス列であってもよく、前記方法は前記高い反復レートのレーザパルス列からパルスを選択するステップを含み、低減された反復レートおよび所望の位相を有するレーザパルス出力を生成する。

少なくとも一実施例では、前記選択的に送出するステップは、前記レーザ出力パルスの一部を選択するステップを含み、レーザ物質加工出力を生成する。

前記トリガ信号に基づいて前記レーザ出力パルスの位相を設定するステップは、前記トリガ信号より前の少なくともいくつかのパルスに対して位相をシフトされたほぼ周期的なパルスシリーズを生成してもよい。

前記位相を設定するステップは、およそ位相ジッタ以内で、位相シフトパルスの間に一定の遅延を取り入れてもよい。

前記位相を設定するステップは、前記トリガ信号の直前のパルスと、前記トリガ信号の直後の出力パルスシリーズのうちの最初の位相シフトパルスとの間の遅延を実質的に最小限にするステップを含んでもよい。

本発明の少なくとも一実施例では、前記ターゲット物質はターゲットストラクチャであり、加工は、レーザ加工出力のようなパルスグループにより前記ストラクチャを除去するステップを含んでもよい。前記位相を設定するステップは、前記ターゲットストラクチャに対する前記パルスレーザ出力のモーションの間、前記ターゲットストラクチャの中心から１０％の領域に前記加工出力を衝突させてもよく、これにより、位相シフトされていないレーザ物質加工出力に対するレーザ加工スループットおよび精度のうちの少なくとも一つが改良される。

少なくとも本発明の一実施例の方法は、少なくとも出力パルスの一部を増幅するステップを具え、増幅されたレーザ出力パルスシリーズを生成してもよい。

一実施例はまた、レーザ物質加工パルスを生成する前記増幅された出力パルスの少なくとも一部を選択するステップと、前記選択された加工パルスを前記ターゲット物質に送るステップとを含んでもよい。

本発明の一の態様は、ターゲット物質を修正する高速のレーザによるマイクロマシニングシステムを含む。

本発明の別の態様は、ターゲットストラクチャを加工するレーザ加工システムを特徴とする。

本発明の別の態様は、ターゲット物質をレーザにより加工するシステムを特徴とする。このシステムは、前記ターゲット物質の相対運動を、前記ターゲット物質の加工に用いられるパルスレーザ出力と同期させる機構を具える。

本発明の別の態様は、前記ターゲット物質の加工に用いられるレーザ加工システムを特徴とする。このシステムは、前記ターゲット物質の相対運動をパルスレーザ出力と調整する少なくと一つのコントローラを具える。

少なくとも一の実施例では、コントローラは、前記トリガ信号に基づいてレーザ出力パルスシリーズを設定する。

本発明の少なくとも一つのシステムは、パルスレーザ源と、前記レーザ源からパルスを選択する少なくとも一つのモジュレータと、前記モジュレータに動作可能に連結されたコントローラであって、トリガ信号に基づいてターゲット物質の相対運動とパルスレーザ出力を同期させるコントローラと、前記パルスレーザ出力を前記ターゲット物質に送るビームデリバリおよびフォーカスシステムと、前記パルスレーザ出力に対して前記ターゲット物質の位置を決める位置決めサブシステムとを具える。

少なくとも一つの実施例では、コントローラは、トリガ信号と前記レーザ源のパルスに関連する時間ベース入力とを受信するレーザ出力コントローラであって、前記信号および入力に応じて、前記光源から放出された少なくとも一つのパルスの選択を少なくとも初期化するレーザ出力コントローラである。

前記時間ベース入力は、前記光源から放出されるパルスを検出する検出器の出力から得られる信号であってもよい。

前記システムはさらに、前記モジュレータにより選択されるパルスを増幅する光増幅器と、増幅されたパルスをビームデリバリおよびフォーカスシステムに選択的に送る出力モジュレータとを具える。

前記システムはさらに、第１の波長を有する前記増幅されたパルスを受信し、前記波長を、周波数が２倍の短波長に変更する波長シフタ、例えば周波数２倍器を具えてもよい。

前記第１の波長は約１．０６４ミクロンであり、前記短波長は約０．５３２ミクロンであってもよい。

前記パルスレーザ源は、パルスシリーズ、例えばＭＨｚレートのほぼ周期的なパルス列を放出してもよく、前記少なくとも一つのモジュレータは、前記パルス列の少なくとも一つのパルスを選択して、低減した反復レートで出力パルスを発生させてもよい。

前記低減した反復レートは、前記パルス列のレートよりも実質的に小さくてもよい。

前記低減したレートは、通常の範囲が２０ＫＨｚから最大で前記物質加工システムのスループットを実質的に制限するのを避けるのに十分に高い所定のレートまでであってもよい。

前記低減したレートは、通常の範囲が約２０ＫＨｚから２００ＫＨｚであってもよい。

前記少なくとも一つの選択されたパルスは最大で約２０のパルスグループであってもよく、各グループは、出力パルスグループが前記パルス列のレートよりも実質的に小さいレートで発生するように選択してもよい。

前記グループ内のパルスの間隔は、前記パルス列のレートに対応してもよい。

光増幅器が、選択されたパルスグループをそれぞれ増幅してもよい。

出力モジュレータは、増幅されたパルスグループの少なくとも一つをビームデリバリおよびフォーカスシステムに選択的に送るために設けてもよい。

前記パルスレーザ源は、モードロック固体レーザでもよい。

前記レーザ源は、約２０ＭＨｚから１００Ｍｈｚのレートでパルスを放射するモードロックレーザでもよい。

レーザ加工出力に対する前記ターゲット物質のモーションは、約８ｍｍ／ｓから約２００ｍｍ／ｓでもよい。

前記モジュレータは、電気光学または音響光学装置でもよい。

出力モジュレータは、前記増幅されたパルスの一部を選択してもよい。

本発明の様々な実施例では、従来の方法と比べ、レーザ源の出力から放出されるレーザパルスは、制御信号に応じて直接的に生成されない。図２ａは、単純化した概略図であし、従来のレーザ物質加工システムでレーザ出力を制御するいくつかの要素を示す。例えばリンクブローイング等のレーザ加工の応用例では、制御信号２は、ターゲット物質１７の動きを、レーザ源１から送られる出力３と同期させる。例えば、通常のレーザ源１は、アクティブＱスイッチレーザまたはシードダイオード（seed diode）であり、外部信号２により始動する。この制御信号２は、ターゲットの位置を表わすタイミング信号である。

図３ａは単純化した概略図であり、本発明の一実施例に相当するシステムにおいてレーザ出力を制御するいくつかの要素を示す。少なくとも本発明の一の実施例では、フリーランニングのレーザ源１１は、メモリ修復システムのリンクを除去するレーザパルス１０５を提供する。レーザ１１は、一定の反復レートおよび一定の位相で、連続的にパルス１０５を生成する。例えば、モードロックレーザ１１は、一定のパルス反復レートおよび一定の位相でパルスを生成する。パルス反復レートは通常、２０ＭＨｚより大きく、従来のリンク加工が要求するよりも少なくとも１０倍大きい。

本開示により明らかとなるように、本発明のレーザシステムは、光増幅器を具えるモードロックレーザを設けてもよい。

さらに、光学、電気、および電気光学構成要素の適切な組合せが、システム１０に設けられ、特定のレーザ物質加工処理の応用例の必要を満たす。いくつかの要素は、コンピュータの制御のもと、システムコントローラ５０により操作してもよい。これらの構成要素は、必ずしも同一でないが、図２ａのシステム１０’の要素を含んでもよい。

レーザパルスと、ターゲット物質、基板、または前記物質を支持ずる他の面のモーションとの同期は、フレーランニングのモードロックレーザパルス列（すなわち、図３ｂの１０５）からパルスを選択することにより実現される。しかしながら、従来のようなＭＨｚレートでなく、３０ＫＨｚから１００ＫＨｚの範囲の通常の反復レートのパルスが、依然としてメモリ修復システムにより必要とされる。図１ではターゲット物質は通常、動いていることに留意すべきである。しかしながら、本発明の実施例は、レーザ出力の相対運動とターゲット物質との適切な組合せを具えてもよい。

フリーランニングのパルス列１０５から選択することにより、パルスがターゲット物質に送出される実際の時間の不安定性が増加し、実質的にパルス時間のジッターが増加する。このパルス時間のジッターの増加により、加工中にステージ２７が一定の速度で移動する場合にリンクを除去するときの位置決めエラーが僅かに増加する。関連する増加したパルス時間のジッターは、フリーランニングのレーザ１１のレーザパルス間の時間にほぼ等しい。例えば、ターゲット物質１７を支持する基板とサポートポジションステージ２７が１５０ｍｍ／ｓで移動する場合、フリーランニングのレーザの反復レートは５０ＭＨｚであり、レーザパルス間の時間は、１／（５０ＭＨｚ）＝２０ｎｓである。２０ｎｓ間に１５０ｍｍ／ｓで移動するときの基板／ステージモーションは、（２０ｎｓ）×（１５０ｍｍ／ｓ）＝３ｎｍである。リンクの幅が０．４μｍの場合、リンクの幅の（（３ｎｍ）／（０．４μｍ））×（１００）＝０．７５％に相当する３ｎｍが、リンクを加工する間の許容可能なモーションである。

モーションセグメントやプロフィールを説明するために、４７３および２８８特許を参照すると、通常、リンクの加工中に用いられる一定の速度分割（velocity segment）が含まれており、ここでは、リンク「ブラスチング」として引用する。例えば、４７３特許の図１０ａ−１０ｂおよび１３−１４列の対応する文書は、プロフィールや相対運動に関連する。

パルス時間の不安定性が増加（ジッターの増加）することにより生じるブラスト位置のエラーの小さな増加は、ステージ／基板のモーションをレーザ反復レートと同期させることにより、効果的に取り除くことができる。これは、ステージ移動のプロフィール生成に制約を加えることにより実現される。この付加的な制約は、レーザとの適切な時間／位相関係が存在するときに、ブラストセグメントの最初のブラスト位置が存在することを必要とし、これにより、レーザパルス時間の不安定性を最小限にする。この同期の方法を用いることにより、フリーランニングのレーザまたは任意の反復レートのレーザ増幅システムを基板／ステージモーションと同期させ、パルス時間の不安定性を最小限にし、これにより位置決めの不安定性を最小限にすることができる。

図４ａは、本発明の一実施例による構成されたレーザシステムの要素をより詳細に示している。レーザシステムが１以上の増幅器１１１を具える場合、パルスは、光増幅器１１１の前または後で選択することができる。光増幅器１１１の前でパルスを選択することは有益である。８９６出願では「ダウンカウンティング」として記されている光増幅器１１１の後でパルスを選択することは、増幅器１１１より後の平均パワーを低減し、これにより増幅器を小さくすることができる。

パルスが光増幅器１１１の後で選択された場合は、増幅器１１１の最適操作を維持して、所望のパルスエネルギを有するパルスを生成するために、パルスの選択について付加的な特別の条件を設けてもよい。光増幅器１１１の前でパルスを選択する場合は、一定の反復レートでパルスを選択し、この選択されたパルスの位相を変更して、パルスを基板／ステージモーションに同期させることが所望される。光増幅器１１１の前で一定の反復レートでパルスを選択することにより、光増幅器１１１がエネルギを蓄積して、新しいパルス列の第１のパルス用の許容できない高いエネルギのパルスを生成することを防止する。パルスが一定の反復レートで選択され、この選択されたパルスの位相が修正されてパルスと基板／ステージモーションが同期した場合は、付加的なレーザパルスセレクタ、通常は音響光学モジュレータ（ＡＯＭ）１１６または他の適切な光スイッチが必要とされる。このスイッチ１１６は光増幅器１１１の後ろに配置され、光増幅器１１１から出力される低減した反復レートの連続した出力パルス列１１５のパルスが選択される。また、この第２または出力パルスセレクタ１１６は通常、レーザ加工出力パルスエネルギや、リンクに衝突するエネルギを、リンクのブラストまたは他の物質の加工操作に必要な値まで低減するのに利用される。

パルスの選択が光増幅器の後で行われ、または光増幅器が使用されない実施例では、レーザパルスセレクタ１０４は、このシステムで必要とされる唯一のパルスセレクタとしてよい。第２のパルスセレクタ、通常、音響光学モジュレータ（ＡＯＭ）１１６は必要ではない。しかしながら、音響光学モジュレータ（ＡＯＭ）１１６は一般に、パルスエネルギを、リンクをブラストするのに必要な値まで低減または調整するのに用いられ、改良された精度を得るための準備が、依然として必要であり、少なくとも所望される。

様々な実施例では、近接するパルス１１０ａ（図４ｂ）として例示する「バースト」は、単一のリンクをブラストするのに利用できる。バースト１１０ａのパルスは、フリーランニングレーザの反復レート（通常は、＞２０ＭＨｚ）に対応する時間間隔により分けられる。単一のバースト１１０ａのパルスは時間的に近いため、基板／ステージ２７はリンクがブラストされるときに一定の速度で移動でき、パルスのバーストが完了する間に、基板／ステージが移動する距離はリンクの大きさと比較して小さい。例えば、基板／ステージ２７が１５０ｍｍ／ｓで移動し、フリーランニングレーザの反復レートは５０ＭＨｚであり、単一のリンクをブラストするために１０のパルスのバーストが利用できる場合、パルスのバーストが完了するのに要する時間は、（１０）／（５０ＭＨｚ）＝２００ｎｓである。２００ｎｓ間に１５０ｍｍ／ｓで移動するときの基板／ステージモーションは、（２００ｎｓ）×（１５０ｍｍ／ｓ）＝３０ｎｍである。リンクの幅が０．４μｍの場合、リンクの幅の（（３０ｎｍ）／（０．４μｍ））×（１００）＝０．７５％に相当する３０ｎｍが、リンクのブラスチングの間の許容可能なモーションである。

「パルスピッキング」−増幅されたレーザパルス列
図４ａを参照すると、少なくとも本発明の一実施例では、モードロック１０２が使用され、比較的高い反復レート、例えば２５ＭＨｚ、５０ＭＨｚ、またはそれ以上でパルスシリーズ、例えばパルス列１０５を生成する。制御信号、例えばトリガ信号１０１は、（図４ａには示さないが、特許０５９に示す）レーザ加工システム構成要素と、ビームデリバリシステムから出力されターゲット物質（図示せず）に衝突する加工用のパルスレーザ出力１２０を同期させるために提供される。このシステム構成要素は、リンクまたは他のターゲットストラクチャを支持するウェーハを移動するＸ，Ｙモーションステージと、レンズの動作（ダイナミックフォーカス）に対応するＺ軸機構とを具えてもよい。サブシステムの要素またはレーザ出力制御部である制御モジュールまたはコントローラ１０３は、トリガ信号１０１を受信する。レーザ１０２からのパルスは、ビームスプリッタおよび高速の光検出器またはセンサを具える例示的な構成１０６により検出され、これらのイベントは、パルスピッカーコントローラ１０３の出力状態を変化させ、パルスピッカー１０４により所定の数のパルスの後続のゲート信号を生成する。パルスピッカー１０４は適切な光スイッチ、通常はナノ秒またはそれより早いライズタイムを有するポッケルスセルを具える。パルスピッカー１０４は、単一のパルス１１０ｂ（図５ｂに示す）またはパルスグループ１１０ａ（例えば、図４ｂに示すような３つのパルス）を「ゲートで制御する」制御モジュール１０３からの出力信号を受信し、パルスピッカー１０４の出力で利用可能になる。出力パルス１１０は、任意の光増幅器１１１、例えば光ファイバまたは他の固体レーザ増幅器により増幅してもよい。また、増幅器入力においてほぼ一定の反復レートのパルス１１０は、増幅器１１１の安定動作を提供する。別個の音響光学モジュレータ１１６（または適正な光スイッチ）は、ターゲット物質に送出するパルスレーザ物質加工出力として、増幅されたパルスまたは増幅されたパルスグループ１１５を選択する。さらに、ＡＯＭ１１６は、レーザ加工パルス１２０のエネルギを制御し、または０５９特許に開示するように任意でアライメントを制御するために利用してもよい。

光スイッチは一般に、スイッチの出力で動作が反対となる、平行な入力ビームを特定の集束ビームに変換する「プレオプティクス（pre-optics）」または「ポストオプティクス（post-optics）」を必要とする。これらの周知な要素は、一般に産業で利用されている。

加工用に選択されたパルスは、少なくとも一つのターゲットリンク（または他のターゲット物質）を加工するレーザ出力として、ビームデリバリおよびフォーカスサブシステムに送られる。ビームデリバリおよびフォーカス（光）システムは（詳細は図４ａに記されていないが、少なくとも８９６出願および４７３特許を参照）、一般に、適正な物質加工ビームを生成するために、光フォーカス部、ビーム操作構成要素、偏光スイッチ、光アイソレータ等を必要に応じて具える。

例えば、出力の反復レートが５０ＫＨｚであり、「バースト」として引用される３つのパルスからなるグループ１１０ａが図４ｂに示されている。この例では、３つのグループのうち２つは、２つのターゲットリンクを加工するのに利用され、加工されないリンクに関連する選択されないグループ１２１は、ビームダンプ（図示せず）に送られる。選択された各バーストのパルスは、ターゲットリンクを除去するのに利用される。

この例の出力パルス１１０ａは、パルス列１０５の連続的なパルスに対応する時間的な間隔を有する（５０ＫＨｚ＝１／２０ｕｓｅｃ）。例えば、４０ｎｓの間隔は、２５ＭＨｚレートに相当する。グループ１１０ａのパルスの数は通常、少なくともスポットの大きさ、パルスごとのエネルギ、および他の物質特性に依存する。パルス間の遅延の増加は、いくつかの物質加工の応用例には有益である。したがって、パルスピッカー１０４を動作させて非連続的なパルスを選択してもよい。同様に、適切なモジュレータ１１６を動作させて非連続的なパルスを選択してもよい。

さらにこの例は、単一のグループ１１０ａを単一のリンクと関連付け、３つのグループは、３つの連続したリンクに対応する。特定の物質加工応用例、例えばマイクロストラクチャリングまたはドリリングでは、グループは通常、ターゲット物質と関連付けてもよい。例えば、３つのグループまたは他の所定の数のグループは、ターゲット物質またはターゲット物質の一部を加工するのに利用してもよい。

少なくとも本発明の一実施例では、モーションコントロールシステムに関連するサーボトラックのエラーは、少なくともトリガ信号１０１に基づいて、連続したパルス１１０または１１５の位相を設定することにより補正される。パルスピッカー１０４の出力における連続したパルスの位相は効果的にシフトされ、これによりトリガ信号１０１と同期する。位相の調整により、ターゲットリンクの加工に用いられるパルス（またはパルスグループ）ごとにトリガ信号を受信することができる。

さらに、以下のパラグラフは、図４ａのパルスレーザ物質の加工システムの好適で限定されない動作の原理を示している。例示的な動作は、特にメモリの修復に適しているが、他の精密なレーザによるマイクロマシンニング操作、例えば、マーキング、トリミング、マイクロドリリング、マイクロストラクチャリング、パターニング、フラットパネルディスプレイまたは薄いフィルム回路の修復、および精密なタイミングとレーザ加工パルスのターゲット物質への精密な配置を必要とする同様の高速の応用例で利用するために変更してもよい。

位相ジッタ補正、同期化、およびトリガ
例えば、単一のパルス１１０ｂ（即ち、図５ｂ）またはグループ１１０ａ（図４ｂ）のいずれの出力パルスの反復レートの平均は、１０ＫＨｚから３０ＫＨｚ、２０ＫＨｚから５０ＫＨｚ、好適には最大で約２００ＫＨｚにすることができる。いずれの場合でも、レーザ加工システムのスループットと精度が他の構成要素により制限されるために十分に早いレートで、物質加工パルスを提供することが所望される。

低減した反復レートで出力を生成するプロセスは、８９６出願では「ダウンカウント（down counting）」として記載されている。図４ｂは、３つのパルスグループの５０ＫＨｚの出力レート（２０ｕｓｅｃ）を示しており、各グループは、示されたタイムスケールのバーストとみなされ、バースト内の各パルスは約４０ナノ秒離れている。出力レートおよびパルス間隔の様々な変更は、４５８特許、５８１出願、および８９６出願の説明に基づいて行ってもよい。レーザ源１１０または光スイッチの選択を様々に変更して、様々な幅、間隔、広範な反復レートの範囲を超えるパルスを生成してよい。

実際には、パルス１１０ｂまたはグループ１１０ａそれぞれの実際のタイミングは、僅かに時間調整され、出力をレーザ加工システムの他の構成要素と同期させる。この時間調整は位相のジッタを生じる。通常、あるパルス１１０ｂから次のパルスまでの位相ジッタの最大量は５％より小さい。したがって、例えば出力の反復レートは、通常の１０−３０ＫＨｚ動作では９．５ＫＨｚから３１．５ＫＨｚ、通常の２０−５０ＫＨｚ動作では１９ＫＨｚから５２．５ＫＨｚ、通常の２０−２００ＫＨｚ動作では１９ＫＨｚから２１０ＫＨｚに特定される。

図４ａで説明および示したように、総てとは限らないがレーザ出力パルス１３０は、ターゲットを加工するのに用いられる。レーザ１０２の外部にあるターゲットを加工するのに用いられるパルスは、ＡＯＭモジュレータ１１６により選択される。選択されないパルスは、ビームボックス内のビームダンプ（図示せず）に送られる。

いくつかの実施例では、波長シフタ１１７、例えば周波数２倍器または３倍器を利用して、緑または紫外線の加工出力を生成してもよい。少なくとも４１２特許および８９６出願は、短波長による加工および関連する利点が詳細に説明されている。

「最初のパルス削除」はパルスレーザの一般的な実用化された技術であるが、ここでは、最初に発生するいくつかのレーザパルスは、通常、ターゲットを加工するのに利用されない。これらの最初のいくつかのパルスは、レーザ１０２および増幅器１１１の少なくとも一つを安定させることを目的としている。通常、「フリーランニング」モードロックパルス列は、通常動作において、安定化のための追加の時間を必要としない。使用されないパルスの数は、最後のレーザ１０２が発生した時間とシステムの構成に依存する。

少なくとも一つの実施例では、増幅器１１１は、モードロックレーザ１０２の選択された出力、比較的少数の利用可能なパルス１３０、１０５を増幅する。前述したように、増幅器１１は、安定動作を維持するために、連続的なパルスストリームを要求してもよい。図４ａに示すように、パルスピッカー１０４は、所定の反復レート（例えば、２０ＫＨｚから５０ＫＨｚの範囲のレート）のパルスおよびトリガ信号を選択し、関連するレーザ出力コントローラ構成要素１０３、１０４は、出力パルスの位相を調整する。例えば、２５ＭＨｚが重ねて示されている。

図４ａに対応するパルスピッキング方法は、パルスピッカー１０４の後のレーザパルスの位相を設定する方法を提供し、例えば２５ＭＨｚのパルス列１３０の場合、１／２５ＭＨｚ＝４０ｎｓ以内に設定する。例えば、ウェーハ位置決めシステムがウェーハを１５０ｍｍ／ｓｅｃで移動し、加工されるリンクの幅が０．６μｍであるとき、４０ｎｓのジッタはリンクの幅の約１％に相当する。１以上のパルスに対応するスポットの中心を、リンクの中心からリンクの幅の約１０％の範囲に配置するのが所望され、または好適である。このように、４０ｎｓのジッタは所望のターゲット位置の約１０％に相当する。

様々な実施例は、レーザ加工出力パルスを他のシステム構成要素に同期させることに関連する。適切な修正または変更、例えば、一定の速度モーションセグメントの第１のレーザ加工位置が、前述したような適切な時間およびレーザ出力の位相で存在するために、モーションプロフィールに制限を加える。

位相はトリガ制御信号１０１を用いて設定される。トリガ信号１０１が到達する前は、パルスピッカー１０４は、総てのｎ番目のパルスを選択する。トリガ信号１０１が到達した後は、パルスピッカー１０４は再び、総てのｎ番目のパルスを選択するが、パルスの位相は変更されない。位相は、以下の２つ方法のうちのいずれかにより調整することができる。
１）この位相は、トリガ信号１０１時における２つのパルス間の遅延を増加することにより調整でき（即ち、図５ｃ）、また、
２）この位相は、トリガ信号１０１時における２つのパルス間の遅延を低減することにより調整できる（即ち、図５ｂ）。

２番目の方法が好適であり、位相は、トリガ信号１０１時における２つのパルス間の遅延を低減することにより調整すべきである。

図５ａ、５ｂ、および５ｃは、図４ａのシステムに対応するタイミング図を示している。例示的なこれらの図は、位相を調整する所望の方法をさらに説明している。これらの図では、パルスピッカー１０４が、パルス列１３０から１０個おきにパルス１３５を選択することが示されている。実際のシステムでは、パルスピッカー１０４は、５００から１２５０個おきに一つのパルスを選択し、限定するわけでないが２０ＫＨｚから５０ＫＨｚの通常の範囲内で、反復レートを２５ＭＨｚから減少させる。

パルス間の時間を低減して位相を調整することは、ユーザまたは設計者が効果的に総てのレーザパルスのタイミングを制御できるので最も好適である。総てのレーザパルスの制御は、レーザ反復レートを、システムが所望する反復レートよりも若干低く設定し、所望のレーザパルスごとにトリガパルス１０１を送信することにより行われる。例えば、レーザ反復レートは、１２５０個おきにパルスを選択するようにパルスピッカー１０４を設定することにより、２０ＫＨｚ（１／２０ＫＨｚ＝５０μｓ）に設定できる。次いで、レーザトリガ信号１０１は、トリガ信号パルスを３３．３・・・μｓごとに送信することにより、３０ＫＨｚレート（１／３０ＫＨｚ＝３３．３・・・μｓ）のレーザパルスを要求できる。これにより、パルスピッカーの制御ロジックが総てのトリガパルス１０１をリセットすることができ、パルスピッカー１０４が３０ＫＨｚレートのパルスを放出できる。

「パルスピッキング」−パルスピッキング後の増幅しないパルス列
図６ａは、本発明の一実施例による同期化を示している。例えば、２５ＭＨｚの反復レート（図６ｂの１０５，１３０）のモードロックレーザ２０２が示されている。しかしながら、他の反復レート、例えば６８ＭＨｚを用いてもよい。パルスピッカー２０４は、要求に応じて単純にパルスを選択するだけである。増幅器を具えないレーザシステムの応用例では、比較的簡単な構成が好適である。代替的に、この「要求によるパルス」の手段は、レーザ２０２とパルスピッカー２０４の間に光増幅器２１１を具えるシステムで利用してもよい。光学ＡＯＭ２１６は、エネルギ制御に利用してもよい。この場合、トリガ信号２０１を生成することによりパルスが要求されないときは、レーザパルスはパルスピッカー２０４により選択されず、パルスはパルスピッカー２０４から放出されない。図６ｂは、関連するタイミング図を示す。

追加的な実施例−市販のレーザの使用
本発明の様々な実施例は、ここで説明する様々な特徴およびこれらの特徴の組み合わせを実施するように構成された市販のレーザシステムにより実現してもよい。Lumera Laser GmbHが製造するピコセコンドレーザは、図４ａに示すような動作を実行するように変更され、任意で「ピコセコンドレーザＲａｐｉｄ」と呼ばれる。トリガ信号１０１は、Ｒａｐｉｄレーザシステムに送られ、ビームスプリッタ／検出器コンビネーション１０６は、制御信号および時間ベース信号を提供する。また、Ｌｕｍｅｒａシステムは、パルスピッカーコントローラ１０３にアクセスできるユーザインタフェースを具え、これにより、多くのパルスパラメータによりユーザ制御を提供する。

出力エネルギ制御
少なくとも一つの実施例では、出力エネルギは、広範なダイナミックレンジで精密に制御してもよい。好適には、エネルギ制御は、広範なダイナミックレンジで操作可能であり、アライメントおよびレーザ加工動作の双方で利用できる。図４ａおよび６ａのＡＯＭ１１６，２１６は、広範なダイナミックレンジでパルスパワーまたはエネルギを精密に制御するのに利用してもよい。通常の動作では、出力１２０、２２０で放出されるエネルギは、１ナノジュールより小さい、例えば１００ピコジュールから数マイクロジュールまでの範囲である。

好適な構成では、前述した同時継続出願である米国特許出願第１１／３１７，０４７に示すように、複数のバルクアッテネータは、ＲＦ設備が高い信号対雑音比で動作するために利用してもよい。このような構成は、特に、フェムトセコンドパルスが使用された場合に後続の分散補正（dispersion correction）の可能な要求にも関わらず、短いまたは非常に短いパルスによるターゲット物質の精密な除去に有用である。応用例は、ピコセコンドリンク加工、ピコセコンドまたはフェムトセコンドレーザマーキング、およびナノセコンドまたはそれよりも長いパルスを有する従来のレーザ加工を具えてもよい。

本発明によると、従来とは異なる他のレーザ源によっても、改良されたマイクロマシンニングを提供できる。半導体可飽和吸収体ミラーを具えるモードロックダイオードレーザは、ＧＨｚ反復レートでピコセコンド幅のパルスを提供することができる。サブナノセコンド出力を生成する高い反復レートの受動Ｑスイッチマイクロレーザもまた利用できる。

ここでは「フリーランニング」について特に強調しているが、コントローラによりアクティブ光源を操作してフリーランニング動作を模倣でき、あるいは安定性を改良するために、本発明の実施例を利用してレーザ加工用のパルスを制御可能に選択できる。

本発明の実施例が図示および説明されているが、これらの図示や説明は本発明の可能な総ての態様を図示および説明するものではない。むしろ、本明細書で使用されている語は、制限よりも説明としての語であり、本発明の意図や目的から逸脱しないで様々な変更が可能であると理解すべきである。

図１は、ターゲットストラクチャ、例えばリダンダント半導体メモリのリンクを除去する例示的なパルスレーザ出力である。 図２ａおよび２ｂは、概略的なブロック図および関連するタイミング図であり、それぞれ、従来のレーザ物質加工システムでレーザ出力を制御するいくつかの要素を示している。 図３ａおよび３ｂは、概略的なブロック図および関連するタイミング図であり、それぞれ、本発明の一実施例のレーザ物質加工システムでレーザ出力を制御するいくつかの要素を示している。 図４ａおよび４ｂは、概略的なブロック図および関連するタイミング図であり、それぞれ、本発明の少なくとも一つの実施例のレーザ物質加工システムでレーザ出力を制御するいくつかの要素を示している。 図５ａ−５ｃは、図４ａのパルスレーザシステムのパルスの生成および制御を例示するタイミング図である。 図６ａは、本発明の別の実施例に対応するレーザ加工システムのいくつかの要素を示す概略的なブロック図である。図６ｂは、図６ａのパルスレーザシステムのパルスの生成および制御を例示するタイミング図である。

Claims (37)

1. レーザによる物質加工方法であって、
   レーザパルスセットを生成するパルスレーザ源を設けるステップと、
   パルスレーザ出力を得るために、前記レーザ源の後段で前記レーザパルスセットからパルスのサブセットを制御可能に選択するステップと
   前記パルスレーザ出力をターゲット物質の相対運動と同期させるステップと、
   前記同期されたパルスレーザ出力の少なくとも一部をレーザ物質加工出力として前記ターゲット物質に選択的に送出して、前記ターゲット物質を加工するステップとを含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記制御可能に選択するステップは、制御信号を受信するステップを含むことを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記同期させるステップは、少なくとも前記制御信号に応じて前記パルスレーザ出力の位相を設定し、前記ターゲット物質の相対運動を、前記ターゲット物質の加工に使用される前記パルスレーザ出力と同期させるステップを含むことを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法において、前記制御可能に選択するステップは、前記セット内の一つのパルスに関連する時間ベース入力を受信するステップを含むことを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法において、前記設定するステップは、前記制御信号および前記時間ベース入力の双方に応じて、前記パルスのサブセットの選択を少なくとも初期化するパルス選択信号を生成するステップを含むことを特徴とする方法。
6. 請求項４に記載の方法において、前記セット内の一つのパルスの一時的な位置は、前記相対運動から独立していることを特徴とする方法。
7. 請求項１に記載の方法において、前記レーザパルスセットは、高い反復レートのレーザパルス列であり、前記制御可能に選択するステップの間に、パルスが前記高い反復レートのレーザパルス列から選択され、低減した反復レートと所望の位相を有するレーザ出力パルスを生成することを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法において、前記選択的に送出するステップは、前記加工出力を生成するために前記レーザ出力パルスの一部を選択するステップを含むことを特徴とする方法。
9. 請求項３に記載の方法において、前記設定するステップは、前記制御信号より前の少なくともいくつかの出力パルスに対して位相をシフトされたほぼ周期的なパルスのサブセットを生成することを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の方法において、前記設定するステップは、およそ位相ジッタ以内で、位相シフトパルス間に一定の遅延を取り入れることを特徴とする方法。
11. 請求項９に記載の方法において、前記設定するステップは、前記制御信号の直前のパルスと、前記制御信号の直後の出力パルスのサブセットの最初の位相シフトパルスとの間の遅延を実質的に最小限にするステップを含むことを特徴とする方法。
12. 請求項３に記載の方法において、前記ターゲット物質はターゲットストラクチャであり、前記加工は、前記加工出力のパルスグループにより前記ストラクチャを除去するステップを含むことを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、前記設定するステップは、前記ターゲットストラクチャに対する前記パルスレーザ出力のモーションの間に、前記ターゲットストラクチャの中心から１０％の領域に前記加工出力を衝突させ、これにより、位相シフトされていないレーザ物質加工出力に対するレーザ加工スループットおよび精度のうちの少なくとも一つが改良されることを特徴とする方法。
14. 請求項１に記載の方法はさらに、前記レーザパルスセットの一部を増幅し、増幅されたレーザ出力パルスシリーズを生成するステップを含むことを特徴とする方法。
15. 請求項１４に記載の方法はさらに、レーザ物質加工パルスを生成すべく前記増幅されたレーザ出力パルスの少なくとも一部を選択するステップと、前記選択されたレーザ物質加工パルスを前記ターゲット物質に送るステップとを含むことを特徴とする方法。
16. レーザによる物質加工システムであって、
    レーザパルスセットを生成するパルスレーザ源と、
    パルスレーザ出力を得るために、前記レーザ源の後段で前記レーザパルスセットからパルスのサブセットを制御可能に選択するレーザ出力制御部と、
    前記パルスレーザ出力をターゲット物質の相対運動と同期させる機構と、
    前記同期されたパルスレーザ出力の少なくとも一部を、レーザ物質加工出力として前記ターゲット物質に送出して、前記ターゲット物質を加工するビームデリバリおよびフォーカスシステムと、
    前記パルスレーザ出力に対して前記ターゲット物質を移動する位置決めサブシステムとを具えることを特徴とするシステム。
17. 請求項１６に記載のシステムにおいて、前記システムは、前記ターゲット物質を変更するための高速なレーザによるマイクロマシンニングシステムであることを特徴とするシステム。
18. 請求項１６に記載のシステムにおいて、前記ターゲット物質はターゲットストラクチャであり、前記加工は、前記ストラクチャを少なくとも部分的に除去することを含むことを特徴とするシステム。
19. 請求項１６に記載のシステムにおいて、前記レーザ出力制御部は、少なくとも制御信号に応じて前記パルスレーザ出力の位相を設定することを特徴とするシステム。
20. 請求項１９に記載のシステムにおいて、前記レーザ出力制御部は、前記制御信号と、前記セット内の一つのパルスに関連する時間ベース入力を受信し、前記制御信号および前記時間ベース信号に応じて、前記セットの前記サブセットの選択を少なくとも初期化することを特徴とするシステム。
21. 請求項２０に記載のシステムはさらに、前記レーザ源により生成されるパルスを検出する検出器を具え、前記時間ベース入力を取得することを特徴とするシステム。
22. 請求項１６に記載のシステムはさらに、前記レーザ出力制御部により選択されるパルスを増幅する光増幅器と、増幅されたパルスを前記ビームデリバリおよびフォーカスサブシステムに選択的に送る出力モジュレータとを具えることを特徴とするシステム。
23. 請求項２２に記載のシステムはさらに、第１の波長を有する前記増幅されたパルスを受信し、前記第１の波長をより短い波長に変換する波長シフタを具えることを特徴とするシステム。
24. 請求項２３に記載のシステムにおいて、前記第１の波長は約１．０６４ミクロン、前記より短い波長は約０．５３２ミクロンであることを特徴とするシステム。
25. 請求項１６に記載のシステムにおいて、前記レーザ源はＭＨｚの反復レートを有するほぼ周期的なパルス列を生成し、前記制御部は、前記パルス列のサブセットを選択して、低減した反復レートを得ることを特徴とするシステム。
26. 請求項２５に記載のシステムにおいて、前記低減した反復レートは、前記パルス列の反復レートより実質的に小さいことを特徴とするシステム。
27. 請求項２６に記載のシステムにおいて、前記低減した反復レートは、通常の範囲が２０ＫＨｚから最大で前記物質加工システムのスループットを実質的に制限するのを避けるのに十分に高い所定のレートまでであることを特徴とするシステム。
28. 請求項２７に記載のシステムにおいて、前記低減した反復レートは、通常の範囲が約２０ＫＨｚから５００ＫＨｚであることを特徴とするシステム。
29. 請求項２５に記載のシステムにおいて、前記制御部は、グループごとに最大で約２００のパルスを有するパルスグループを選択し、各グループは、出力パルスグループが前記パルス列の反復レートよりも実質的に低い反復レートで発生するように選択されることを特徴とするシステム。
30. 請求項２９に記載のシステムにおいて、グループ内のパルスの間隔は、前記パルス列の反復レートに対応することを特徴とするシステム。
31. 請求項２９に記載のシステムはさらに、光増幅器を具え、選択されたパルスグループそれぞれを増幅することを特徴とするシステム。
32. 請求項３１に記載のシステムはさらに、出力モジュレータを具え、少なくとも一つの増幅されたパルスグループを前記デリバリおよびフォーカスサブシステムに選択的に送ることを特徴とするシステム。
33. 請求項１６に記載のシステムにおいて、前記パルスレーザ源は、モードロック固体レーザであることを特徴とするシステム。
34. 請求項１６に記載のシステムにおいて、前記パルスレーザ源は、反復レートが約１０ＭＨｚから２００ＭＨｚのパルスを生成するモードロック固体レーザであることを特徴とするシステム。
35. 請求項１６に記載のシステムにおいて、レーザ物質加工出力に対する前記ターゲットの移動は、約８ｍｍ／ｓから約２００ｍｍ／ｓであることを特徴とするシステム。
36. 請求項１６に記載のシステムにおいて、前記制御部は、電気光学装置または音響光学装置を具えることを特徴とするシステム。
37. 請求項２２に記載のシステムにおいて、前記出力モジュレータは、前記ビームデリバリおよびフォーカスサブシステムに送られる前記増幅されたパルスの一部を選択することを特徴とするシステム。

Images