JP4913826B2 - 同時的にモード同期を受けるｑスイッチレーザ - Google Patents

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本発明は、レーザ動作中のモードロックの損失を防止するように構成された同時的にモード同期を受けるＱスイッチレーザに関する。
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ｃ ２００６ Electro Scientific Industries社 本特許書類の開示の一部は、著作権保護を受ける要素を含んでいる。著作権所有者は、特許商標庁の特許ファイル又は記録に表示されている形で、何人かによって特許書類又は特許開示が複製されることに対しては異論を唱えないが、それ以外には全ての著作権の権利を留保する。37 CFR § 1.71 (d)

超高速なレーザ（すなわち、２０ｐｓより小さいパルス幅を有するレーザ出力）または１ｎｓより短いレーザ出力パルス幅を有するモード同期レーザを使用する材料加工は、現在、産業従事者の間でのポピュラーな話題である。市販されている典型的な超高速レーザは、１パルス当たり１−５ｍＪのレーザエネルギで、１−５ＫＨｚのレーザパルス繰返し率が可能である。図１Ａは、従来の典型的な超高速レーザシステム１０の構成ブロック要素を示す。図１Ｂは、システム１０の異なる構成要素の出力で生じる典型的なレーザパルス波形を示す。超高速レーザシステム１０の最初の部分は、典型的なモード同期レーザ1２である。適切なレーザ材料およびモード同期技術で構成されることにより、モード同期レーザ１２は、１００ｆｓ−２０ｐｓのパルス幅および８０−１００ＭＨｚのパルス繰り返し率で特徴付けられるレーザ出力パルスパワーを放出する。レーザパルスピッキング装置１４は、増幅のために、８０−１００ＭＨｚのモード同期レーザパルス列から１−５ＫＨｚモード同期レーザパルスを選択する。図１Ｂの線ＡおよびＢは、モード同期レーザ１２およびパルスピッキング装置１４の各出力でのパルス列をそれぞれ示す。パルスピッキング装置１４の出力に、再生増幅器１８に送出する前にそれらの最大強度を減少させるために、フェムト秒広さのレーザパルスを伸長するパルス伸張器１６を導入することにより、増幅された超高速レーザパルス強度による如何なる光学部品への損害のリスクも避けることができる。増幅後、増幅されて伸張したパルスは、パルス圧縮器２０に向けられ、該圧縮器は所望のフェムト秒パルス幅範囲にそれらを回復する。図１Ｂの線Ｃは、パルス圧縮器２０の増幅された出力を示す。レーザシステム１０は、非常に複雑で、非常に高価で、産業環境においては使いづらい。さらに、レーザパルス繰返し率は、多くのレーザ処理への適用には低すぎる。

他方、典型的なモード同期レーザは、１パルスあたり相対的に極めて低い（１μＪより少ない範囲の）レーザエネルギの８０−１００ＭＨｚ（共振器長に依存する）のレーザパルス繰返し率を有する。図２Ａは、１ピコ秒および数１０ピコ秒の間のパルス幅範囲を有しかつ任意のパルスピッキング装置３４に向けられるレーザ出力を放つモード同期レーザ３２から構成されている従来技術のモード同期レーザシステム３０を示し、前記ピッキング装置の後にオプションの増幅器３６が続く。図２Ｂの線Ａ、ＢおよびＣは、モード同期レーザ３２、パルスピッキング装置３４および増幅器３６の出力で生じる典型的なレーザパルス出力波形をそれぞれ示す。モード同期レーザシステム３０は、Time-Bandwidth Products社のDuettoモデルレーザなど、最近入手可能になり、約１０Ｗの平均パワーで１００ＫＨｚの典型的なレーザ繰返し率を示す。この種類のレーザシステムと関連したいくつかの性能、実装および動作上での問題がある。第１に、モード同期レーザ３２のパルス繰返し率は１００ＭＨｚ程度に高いが、パルスピッキング装置３４のパルス繰返し率がほんの１００ＫＨｚであるので、モード同期レーザ３２から放出されるレーザエネルギのほとんど（９９．９％）は浪費される。モード同期レーザ３２のための１パルスあたりのレーザエネルギも低すぎ、それが増幅器３６に非常に厳しい利得要求事項を課している。第２に、レーザシステム３０の設計および構造は非常に複雑である。第３に、そのような複雑さのため、レーザシステム３０は、まだ広範囲に及ぶ産業応用への利用の準備ができていない。

同時的にモード同期を受けるＱスイッチレーザシステムは、そのレーザパルス繰返し率を制御するためにモード同期レーザの共振器に置かれたＱスイッチで構成されている。モード同期レーザから放出されたレーザ出力パルスは、Ｑスイッチ動作の故に、より高いレーザエネルギーパルスである。図３Ａは、オプションのパルスピッキング装置４４と共に、Ｑスイッチのモード同期レーザ４２および増幅器４６から成る従来の同時的にモード同期を受けるＱスイッチレーザシステム４０を示す。図３Ｂの線Ａ、ＢおよびＣは、モード同期Ｑスイッチレーザ４２、パルスピッキング装置４４および増幅器４６の出力で生じる典型的なレーザパルス出力波形をそれぞれ示す。図３Ｂの線Ｃは、レーザシステム４０の出力パルス波形を示し、その波形は、ナノ秒幅のＱスイッチレーザパルス出力プロフィール５０下での複数のモード同期レーザパルス４８によって特徴付けられている。レーザパルス４８のパルス出力プロフィール５０は、例えば半導体記憶装置のリンク処理、材料のトリミングおよびビア形成などの多くのレーザ加工に有利である。ナノ秒の幅のパルス出力プロフィール５０中のモード同期レーザパルス４８の数は、Ｑスイッチング動作によって制御することができ、あるいは最もよい加工結果のためにオプションのパルスピッキング装置４４で選択することができる。複数のモード同期パルス４８の次の隣接したものとの間の短い時間間隔は、屑を減少させて、スループットを増大させるために、多くのレーザ材料加工で有利である。各モードでロックされたレーザパルス４８のレーザエネルギは、オプションの増幅器４６で増幅することができる。このＱスイッチおよびモード同期レーザのための１つのポテンシャル技術上の問題は、モードロックがＱスイッチレーザパルスの蓄積の短い時間中に理想的に定められることができないことである。これは、すなわち、モードロックを確立するか、または動作中にモードロックを中断しないために十分な時間を提供するために、モード同期レーザが殆ど連続モードで励起され動作される連続波である理由である。

ある物質のレーザ加工を実行するように構造化された同時的なモード同期Ｑスイッチレーザは、従来のＱスイッチレーザによって達成されたレーザパルス出力プロフィールに類似の典型的なナノ秒幅のレーザパルス出力プロフィールを生じる。前記プロフィール中の継続的なレーザ出力に変えて、ナノ秒幅のレーザパルス出力プロフィール中に複数のモード同期の短パルスがある。好適な実施例は、モードロック状態を維持すべく残余の連続出力レベルで、Ｑスイッチパルス間でレーザ動作することによって、これを遂行する。必要であれば、残余の連続レーザ出力は、パルスピッキング装置によって遮断することができる。

ある物質の加工への適用のために、この種類のレーザの構造から生じるいくつかの利点がある。第１に、前記レーザはモード同期である一方、Ｑスイッチであるので、Ｑスイッチパルスプロフィールピークのピーク近くに位置して生じるモード同期のレーザパルス中のエネルギは、従来のモード同期レーザのそれより少なくとも１０倍高い。第２に、ある設計では、ナノ秒のレーザ出力プロフィール全体が材料加工のために使われる場合、パルスピッキング装置は必要ではなく、該装置の除去はレーザ構造を簡素化する。第３に、それが必要なら、出力増幅器にそれほどきびしい要件は課せられない。第４に、ナノ秒の幅のレーザパルス力プロフィール下のモード同期ロックパルス数を制御もしくは選択する必要がある場合、またはＱスイッチレーザパルスの間の残余のレーザ出力をまったく除去する必要がある場合、パルスピッキング装置を使うことができる。第５に、例えば半導体ウエハのシンギュレーション（singulation）すなわち低Ｋ層のダイシングのように、レーザをある物質の加工に用いるために、複数のモード同期のレーザパルスが存在するナノ秒の幅のレーザパルス出力プロフィールを用いることは、切り口をきれいにし、屑を減少させる点で有利である。レーザ加工のスループットを高める点で、また、全体的な利点がある。

さらなる態様および利点は、添付図面を参照しての以下の好適な実施例の詳細な説明から、明らかになるであろう。

図４は、レーザ動作中のモードロックの損失を防止するように構成された好適なモード同期、Ｑスイッチレーザ６０を示す。レーザ６０は、Ｑスイッチパルス間の残余のレーザ動作を維持する連続波（ＣＷ）ＲＦエネルギレベルをＱスイッチ６６に伝えるＱスイッチ駆動信号６４をレーザコントローラ６２から受ける。（当業者は、レーザコントローラ６２が、例えば１ｍｓの放出出力状態と１ｍｓの非放出出力状態とを反復して切り換えることにより、レーザ６０を疑似ＣＷモードで動作させることができることを理解するであろう。）レーザ６０は、一部を反射する出力カプラ８６と後部ミラー８８との間に配置されたレーザ放出媒体８４およびＱスイッチ６６を収容するレーザ共振器８２を含む。レーザ６０は、各折返しミラー９４および９６に入射する光を放射するダイオードレーザ９０および９２によって端面励起を受け、前記ミラーの内の後者はＱスイッチ６６とレーザ媒体８４との間に配置されている。折返しミラー９６は、折返しミラー９４および出力カプラ８６へ向けて光を反射し、これらを通ってレーザ出力９８は伝搬する。レーザ共振器８２中で後部ミラー８８の次隣に配置された半導体可飽和吸収体ミラー装置１００は、レーザ６０のモード同期動作を確立すべく、レーザ媒体８４と協同する。

レーザ６０の動作は、図５に関連して説明されており、該図はレーザ出力９８のＱスイッチレーザパルス出力のプロフィールを示す。Ｑスイッチ６６は、Ｑスイッチ駆動信号６４に応じてレーザ共振器８２のＱ値を変更し、これによりレーザ共振器８２の高Ｑ状態および低Ｑ状態が選択的に生じる。高Ｑ状態は、１以上のモード同期を受けた加工パルス１１２の複数の時間変位光パルス放出バースト１１０の生成を生じ、低Ｑ状態は、隣合う光放出バースト１１０間に極めて低強度のモード同期レーザパルス１１４の生成を生じる。極めて低強度とは、加工パルス１１２の最大出力の約１%よりも小さいことを表す。低強度のモード同期レーザパルス１１４は、レーザ共振器８２の高Ｑ状態における光放射の増強時期間に、レーザ出力９８のためのモード同期状態を維持する。

残余レーザ出力という形態の極めて低強度のモード同期レーザパルス１１４は、パルスピッキング装置１１６により、遮断することができ、それが図４に仮想線示されている。レーザコントローラ６２は、極めて低強度のモード同期レーザパルス１１４から複数の時間変位を生じた光パルス放出バースト１１０を選択するために、Ｑスイッチ６６およびレーザパルスピッキング装置１１６の動作を調整する。パルスピッキング装置１１６は、１以上の光パルス放出バースト１１０からモード同期レーザパルス１１２の所望数を選ぶためにも使われる。パルスピッキング装置１１６の出力に送られる光パルス放出バースト１１０またはモード同期レーザパルス１１２を増幅するために、増幅器（図５には示されていないが図３Ａの増幅器４６に類似する）を使用することができる。モード同期を維持するためにＱスイッチ信号６４を使う影響は、Ｑスイッチレーザパルス出力のプロフィールの強度低減を結果として生じる。最大出力を従来のモード同期レーザで達成可能であるよりも２−１０倍に増大させることができる限り、パルスプロフィール出力のそのような縮小は、その重大さを最小にすることができる。

図６は、半導体装置のリンク断ち切りを達成するのに望ましいモード同期レーザパルス１１２の光放出バースト１１０を生成するモード同期、Ｑスイッチレーザ１２２を含む簡素化されたレーザシステム１２０の好適な実施例をより詳細に示す。約１５０ｎｍから約２０００ｎｍの好ましいレーザ波長は、それに限定されないが、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ4、Ｙｂ：ＹＡＧまたはＴｉ：サファイアのレーザ１２２からの１．３、１．０６または１．０４７、１．０３−１．０５、０．７５−０．８５μｍまたはそれらの第２、第３、第４または第５の高調波を含む。当業者は、他の適当な波長を放出するレーザが、ファイバレーザを含めて、市販されており使用可能であることを理解するであろう。

高調波変換を排除するために周波数を２倍にする要素を除去することができるので、レーザシステム１２０が、ここに一例としてのみ第２高調波（５３２ｎｍ）Ｎｄ：ＹＡＧレーザ１２２にモデル化されている。Ｎｄ：ＹＡＧまたは他の固体レーザ１２２は、レーザダイオード１２４またはレーザダイオード励起の固体レーザによって励起され、その放射１２６がレンズ要素１２８によりレーザ共振器１３２内のレーザ媒体１３０に焦点を合わせられる。レーザ共振器１３２は、光軸１４０、出力カプラ１４２および後部ミラー１４４に沿った焦点合わせ／折返しミラー１３６および１３８間に配置されたＱスイッチ１３４をレーザ媒体１３０に加えて含む。また、レーザ媒体１３０とミラー１３８との間に、アパーチャ１４６を配置しても良い。ミラー１３６は、光をミラー１３８に反射し、レーザ出力１４８を光軸１５０に沿って伝搬させること可能にする出力カプラ１４２に、一部を反射する。ミラー１３８は、モード同期レーザ１２２のための共振器１３２の半導体可飽和吸収体ミラー装置１５２および後部ミラー１４４へ向けて光を反射するように適応されている。高調波変換ダブラー１５４は、好ましくは、共振器１３２の外部に配置され、前記レーザビーム周波数を第２高調波レーザ出力１５６に変換する。高調波変換が使用される場合、ゲートすなわち前記調和レーザパルスエネルギを精巧に制御するために、前記高調波変換装置の前に、Ｅ−ＯまたはＡ−Ｏのような装置を配置することができることは、当業者が理解するであろう。パルスピッキング装置１１６（図５）は、レーザシステム１２０での高調波発生を目的とした焦合光学部品または波長板のいずれかであるかもしれない。

当業者は、また、適切な既知の高調波変換技術を使って、好ましくはある種の半導体デバイスリンク１６０および／またはパッシベーション層を加工するために、Ｎｄ：ＹＡＧ（５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、２６６ｎｍ）の第２、第３または第４高調波、Ｎｄ：ＹＬＦ（５２４ｎｍ、３４９ｎｍ、２６２ｎｍ）またはＴｉ：サファイア（３７５−４２５ｎｍ）の第２高調波を使用することができることを理解するであろう。高調波変換処理は、V.G. Dmitriev他による「非線形光学結晶ハンドブック（Handbook of Nonlinear Optical Crystals）」第１３８−１４１頁、スプリンガ（Springer）出版社、ニューヨーク州、１９９１年、ISBN 3 540-53547-0に記載されている。

スペクトル物理学は、８０ＭＨｚの繰返し率で７５０から８５０ｎｍの範囲の１Ｗの出力で、１５０フェムト秒（ｆｓ）のパルス幅をそれぞれが有する超短パルス１１２を提供するＭＡＩ ＴＡＩ（商標）と呼ばれるＴｉ-サファイア超高速レーザを作る。本発明によれば、典型的なレーザ１２２は、Ａ−ＯＱスイッチおよびその駆動電子機器の適正な変更の追加を伴うＭＡＩ ＴＡＩ（商標）レーザに基づいたものであるかもしれない。このレーザ１２２は、ダイオード励起の、周波数倍加の固体の緑色ＹＡＧレーザ（５Ｗまたは１０Ｗ）で励起される。本発明がレーザ１２２を構成するために組み込むことができる他の典型的な超高速Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＬＦレーザは、スイス国、チューリッヒのTime-Bandwidth Products社から販売されているJAGUAR-QCW-1000TMおよびJAGUAR-CW-250TMを含む。

レーザ出力１５６（波長またはレーザタイプを問わない）は、ビーム経路１７０に沿って配置される種々の従来の光学部品１６４および１６６によって操作することができる。部品１６４および１６６は、有益な伝搬特性をもつビームを生じるために、ビーム拡大器またはレーザ出力１５６を平行にするための他のレーザ光学部品を含んでも良い。１以上のビーム反射ミラー１７２、１７４、１７６および１７８がオプションで使用されており、所望のレーザ波長で高い反射性を示すが不使用の波長で高透過性を示し、したがって、所望のレーザ波長のみがリンク構造物１８０に達する。集束レンズ１８２は、好ましくはＦ1、Ｆ2、またはＦ3のシングルコンポーネントまたはマルチコンポーネントレンズシステムであって前記リンク幅よりも大きく、それを包囲し、また好ましくは直径が２μｍより小さいかあるいは前記リンク１６０の幅および前記レーザ波長に応じてそれよりも小さい集束スポット径を生じるために、平行化されたパルスレーザシステム出力１８４を集束するレンズシステムを使用する。

好ましいビーム位置決めシステム１８６は、オーベルベック（Overbeck）の米国特許第４，５３２，４０２で詳細に説明されている。ビーム位置決めシステム１８６は、好ましくは、レーザコントローラ１８８を使用し、該コントローラは、少なくとも２つのプラットフォームまたはステージ（積層式または分割軸式）を制御し、レーザシステム出力１８２をＩＣ装置または被加工物１９０上の所望のリンク１５８に向けかつ焦点を合わせるために反射器１７２、１７４、１７６および１７８で調整する。ビーム位置決めシステム１８４は、提供されたテストまたは設計データに基づいたオンザフライでのユニークなリンク断絶作業をもたらすために、被加工物１９０上のリンク１６０間の迅速な移動を可能とする。

本発明の基本原理から逸脱することなく前記した実施例の細部に多くの変更を加えることができることは、当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲のみによって決められるべきである。

典型的な従来の超高速レーザシステムを示す。 図１Ａの前記レーザシステムの構成要素の出力で生じるレーザパルス出力波形を示す。 典型的な従来のモード同期レーザシステムを示す。 図２Ａの前記レーザシステムの構成要素の出力で生じるレーザパルス出力波形を示す。 従来の同時的にモード同期を受けるＱスイッチレーザシステムを示す。 図３Ａの前記システムの構成要素の出力で生じるレーザパルス出力波形を示す。 レーザ動作中のモードロックの損失を防止するように構成された、好適な同時的にモード同期を受けるＱスイッチレーザを示す。 図４の前記レーザのＱスイッチレーザ出力のパルス出力プロフィールを示す。 半導体デバイススリンクを断ち切るためのモードロックでのレーザパルスセット生成中のロック損失を防止すべく構成されたモード同期Ｑスイッチレーザシステムの好適な実施例を示す。

符号の説明

４６ 光増幅器
６０、１２２ レーザ
６２ レーザコントローラ
６４ Ｑスイッチ駆動信号
６６、１３４ Ｑスイッチ
８２、１３２ レーザ共振器
８４、１３０ レーザ媒体
９０、９２ ダイオードレーザ（励起源）
１００、１５２ 半導体可飽和吸収体ミラー装置
１１０ 光パルス放出バースト
１１２ 加工パルス
１１４ 低強度モード同期レーザパルス
１１６ パルスピッキング装置
１６０ 半導体デバイスリンク（半導体記憶装置のリンク構造対象物）
１９０ 被加工物

Claims (12)

1. それぞれが１以上のモード同期出力パルスを含む多数の時間変位レーザ光パルス放出バーストによって部分的に特徴付けられたレーザ出力を生じる同時的にモード同期を受けるＱスイッチレーザであって、
   Ｑ値によって特徴付けられたレーザ共振器に存在するレーザ媒体に光学的に結合され、該レーザ媒体のレーザ利得を誘発する励起光を与えるための励起源と、
   モード同期状態でレーザ光放出を確立すべく前記レーザ媒体および前記レーザ共振器に光学的に結合されたモード同期装置と、
   前記レーザ共振器の中に配置され、該レーザ共振器の高低のＱ状態を選択的に生じるＱスイッチ駆動信号に応答して前記レーザ共振器の前記Ｑ値を変更すべく動作するＱスイッチとを含み、
   前記高Ｑ状態は、１以上のモード同期出力パルスから成る時間変位を生じた複数のレーザ光パルス放出バーストの生成を生じ、前記低Ｑ状態は、前記レーザ出力が前記複数の時間変位を生じたレーザ光パルス放出バースト間でモード同期状態を維持すべく、前記レーザ光パルス放出バーストの相互に隣接したものの間で、極めて低強度のモード同期レーザパルスの生成を生じる、Ｑスイッチレーザ。
2. さらに、前記レーザ出力を受けるレーザパルスピッキング装置と、前記Ｑスイッチ駆動信号の生成に寄与するレーザコントローラとを含み、該レーザコントローラは、前記極めて低強度のモード同期レーザパルスから多数の前記時間変位を生じたレーザ光パルス放出バーストを選択するために、前記Ｑスイッチおよび前記レーザパルスピッキング装置の動作を調整する、請求項１のレーザ。
3. さらに、前記レーザ出力から出る加工レーザ出力が入射する、半導体記憶装置のリンク構造対象物を含む、請求項２のレーザ。
4. さらに、前記レーザ出力を受けるレーザパルスピッキング装置と、前記Ｑスイッチ駆動信号の生成に寄与するレーザコントローラとを含み、該レーザコントローラは、前記時間変位を生じた多数のレーザ光パルス放出バーストの所望数を選択するために、前記Ｑスイッチおよび前記レーザパルスピッキング装置の動作を調整する、請求項１のレーザ。
5. さらに、前記レーザ出力から出る加工レーザ出力が入射する、半導体記憶装置のリンク構造対象物を含む、請求項４のレーザ。
6. さらに、選択された所望数の前記レーザ光パルス放出バーストを増幅する増幅器を含む、請求項４のレーザ。
7. さらに、前記レーザ出力を受けるレーザパルスピッキング装置と、前記Ｑスイッチ駆動信号の生成に寄与するレーザコントローラとを含み、該レーザコントローラは、前記１以上のレーザ光パルス放出バーストから所望数のモード同期出力パルスを選択するために、前記Ｑスイッチおよび前記レーザパルスピッキング装置の動作を調整する、請求項１のレーザ。
8. 選択された所望数のモード同期出力パルスを増幅する増幅器を含む、請求項７のレーザ。
9. さらに、前記レーザ出力から出る加工レーザ出力が入射するシリコン基板対象物を含む、請求項１のレーザ。
10. 前記レーザ出力から出る加工レーザ出力は、低Ｋ層ダイスカットをもたらすために、低Ｋ層から成る対象試料に向けられる、請求項１のレーザ。
11. 前記レーザ出力から出る加工レーザ出力は、対象試料にビアを成形するために該対象試料に向けられる、請求項１のレーザ。
12. 前記励起光は連続波である、請求項１のレーザ。

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