JP5826027B2 - レーザベースの材料加工方法及びシステム - Google Patents

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関連出願の相互参照
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２００８年３月２１日出願の「ＬＡＳＥＲ−ＢＡＳＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭＳ」という名称の米国仮特許出願第６１／０３８，７２５号、２００８年１１月３日出願の「ＬＡＳＥＲ−ＢＡＳＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭＳ」という名称の米国仮特許出願第６１／１１０，９１３号、及び２００９年２月１３日出願の「ＬＡＳＥＲ−ＢＡＳＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭＳ」という名称の米国仮特許出願第６１／１５２，６２５号の利益を主張する。前述の仮出願それぞれの開示全体を、参照により本明細書に組み込む。本願は、２００８年１月２２日出願の「ＵＬＴＲＡＳＨＯＲＴ ＬＡＳＥＲ ＭＩＣＲＯ−ＴＥＸＴＵＲＥ ＰＲＩＮＴＩＮＧ」という名称の同時係属の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０８／５１７１３号に関する。同願は、２００７年１月２３日出願の「ＵＬＴＲＡＳＨＯＲＴ ＬＡＳＥＲ ＭＩＣＲＯ−ＴＥＸＴＵＲＥ ＰＲＩＮＴＩＮＧ」という名称の米国仮特許出願第６０／８８６，２８５号の利益を主張する。本願はまた、２００４年３月３１日出願の「ＦＥＭＴＯＳＥＣＯＮＤ ＬＡＳＥＲ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ ＷＩＴＨ ＰＲＯＣＥＳＳ ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ，ＣＯＮＴＲＯＬＳ ＡＮＤ ＦＥＥＤＢＡＣＫ」という名称の米国特許出願第１０／８１３，２６９号、現在の米国特許第７，４８６，７０５号に関する。上に特定した特許出願及び特許はそれぞれ、本願の譲受人によって所有される。上に特定した出願及び特許それぞれの開示全体を、参照により本明細書に組み込む。

本開示は一般に、パルスレーザ、及び高繰返し率パルスレーザを使用する材料の機械加工に関する。

例えば薄いシリコンウエハのダイシング、プリント回路基板（ＰＣＢ）のドリル加工、太陽電池セルの製造、及びフラットパネルディスプレイの製造を含む幾つかの材料加工の適用分野には、類似の材料加工技法及び問題が伴う。初期の解決策には、機械及びリソグラフィ加工技法が含まれた。しかし、デバイス寸法の低減、デバイスの複雑さの増大、及び化学加工の環境コストにより、当業界はレーザ加工方法の方へ移行した。現在、１μｍという典型的な波長を有する高出力ダイオード励起固体レーザ、又は緑色若しくはＵＶ波長を有する周波数変換バージョンが利用される。幾つかの適用分野で利用される１つの方法には、比較的速い走査速度で繰り返し通過することによって材料を累進的に切削することが含まれる。そのような適用分野には、（ａ）材料の損傷（例えば、残留応力、層間剥離、熱により引き起こされる材料の変質など）を引き起こさないで所望の材料を清浄にして切削すること、（ｂ）商業上実現可能なほど十分に大量の材料除去率を実現すること、及び（ｃ）リキャスト材料を低減／排除することという３つの主な問題がある。

材料の効率的かつ高品質なレーザベースの機械加工のために、破片及び溶融物のほとんどない高繰返し率の動作を含めて、様々な選択肢が提案されてきた。しかし、加工箇所付近の再堆積材料の蓄積を制限するという問題には十分に対処されておらず、一般に、克服するのが困難な問題である。迅速な加工には高い材料除去率が必要とされるので、加工箇所から排出される比較的大量のアブレーションされた材料は通常、液体の溶融物、比較的大量の固体材料、及び蒸気のうちの１つ以上を含むことがある。ナノメートルスケール（例えば、１０ｎｍ）まで微細な粒子の分布が、再堆積することもある。

様々な適用分野では、蓄積を制限するという問題に、プロセスの変更で対処してきた。例えば、幾つかの現在の半導体業界の技法では、レーザ加工後に再堆積材料とともに除去される材料の犠牲層で、基板を被覆することができる。このプロセスステップを単独で、又は様々な化学溶媒を用いた基板の後処理と組み合わせて使用して、リキャストを除去することができる。しかし、そのような技法では、追加のプロセスステップ及び追加の消耗材料を追加することによって処理能力を低減させ、またコストを増大させる。従って、好ましい解決策が、そのような破片除去の必要性を解消するであろう。

プロセスの破片は、スラグ、溶融した領域、熱影響域（ＨＡＺ）などを含むことがある。場合によっては、破片は、例えば超音波槽における清浄など、従来の化学的でない清浄技法では効果的に除去することができない。

さらに、集積回路及び半導体デバイス内で利用される低誘電率材料層及び複合物層は、レーザベースの材料加工の特定の実装形態に対して難題をもたらす。低誘電率材料は、二酸化シリコンの比誘電率より低い比誘電率を有する材料を含むことがある。例えば、低誘電率材料は、ドープされた二酸化シリコン、高分子誘電体などの誘電体材料を含むことがある。

米国仮特許出願第６１／０３８，７２５号 米国仮特許出願第６１／１１０，９１３号 米国仮特許出願第６１／１５２，６２５号 国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０８／５１７１３号 米国仮特許出願第６０／８８６，２８５号 米国特許出願第１０／８１３，２６９号 米国特許第７，４８６，７０５号 米国特許第５，６５６，１８６号 米国特許第５，４９９，１３４号 米国特許第５，６９６，７８２号 米国特許第７，１１３，３２７号 米国特許出願公開第２００４／０２４００３７号 米国特許出願第１０／４３７，０５７号 米国特許第５，８１８，６３０号 米国特許出願公開第２００６／０２６３０２４号 米国特許出願第１１／１３４，８５６号 米国特許出願公開第２００５／０２２５８４６号 米国特許出願第１０／８１３，１７３号 米国特許第６，１７２，３２５号 ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７４６６８号 米国特許第６，７７０，５４４号

Ｂａｒｓｃｈ、Ｋｏｒｂｅｒ、Ｏｓｔｅｎｄｏｒｆ、及びＴｏｎｓｈｏｆｆ、「Ａｂｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｕｔｔｉｎｇ ｏｆ Ｐｌａｎａｒ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｕｓｉｎｇ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｐｕｌｓｅｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓｉｃｓ Ａ ７７、２３７〜２４４頁（２００３） Ｏｓｔｅｎｄｏｒｆ、Ｋｕｌｉｋ、及びＢａｒｓｃｈ、「Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｈｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｗｉｔｈ Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ−ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒｓ Ｃｒｅａｔｉｎｇ ａｎ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｔｏ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｓａｗｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＣＡＬＥＯ、米国ジャクソンビル、２００３年１０月 Ｃｒａｗｆｏｒｄら、「Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｏｆ ｇｒｏｏｖｅｓ ｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｗｉｔｈ ８００ ｎｍ ｐｕｌｓｅｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ａ ８０、１７１７〜１７２４（２００５） Ｓｈａｈら、「１２μＪ，１．２Ｗ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｔ ３４６ｎｍ ｆｒｏｍ ａ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｔｒｉｐｌｅｄ Ｙｂ Ｃｕｂｉｃｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」、２００５年、ＣＬＥＯ ２００５ Ｐｏｓｔｄｅａｄｌｉｎｅ，ＣＰＤＢ１ Ｒ．Ｆｌｕｃｋ、Ｂ．Ｂｒａｕｎ、Ｅ．Ｇｉｎｉ、Ｈ．Ｍｅｌｃｈｉｏｒ、及びＵ．Ｋｅｌｌｅｒ、「Ｐａｓｓｉｖｅｌｙ Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ １．３４μｍ Ｎｄ：ＹＶＯ４ Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓａｔｕｒａｂｌｅ Ａｂｓｏｒｂｅｒ Ｍｉｒｒｏｒｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．１３ Ｌｉら、「Ｌａｓｅｒ ｄｉｃｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｄｉｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ−ｔｈｉｎ ｗａｆｅｒ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ＩＥＥＥ（２００７）、７６１〜７６６頁 Ｔｏｆｔｎｅｓｓら、「Ｌａｓｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｗａｆｅｒ ｄｉｃｉｎｇ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｖｉａ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒ ｎｅｘｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｗａｆｅｒｓ」、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．５７１３、５４〜６６頁（２００５）

前述の難題及び制限のため、本発明者らは、材料を効率的に機械加工するだけでなく、再堆積材料の蓄積を制限することが必要とされていることを認識した。費用のかかる加工ステップをなくすはずの解決策が大いに望ましい。従って、本明細書に開示のシステム及び方法の様々な実施例を使用して、加工の処理能力及び／又は品質の改善を同時に実現しながら、加工物のターゲット材料をレーザベースで変質させることができる。

１つの概括的な態様では、加工物をレーザ加工する方法が提供される。この方法は、十分に高いパルス繰返し率で加工物のある領域にレーザパルスを集束させて誘導し、従ってこの領域から材料を効率的に除去し、またこの領域内又はその近傍の望ましくない材料の量を、より低い繰返し率で得られる量に対して低減させるステップを含むことができる。例えば、この方法の幾つかの実施例では、パルス繰返し率は、約１００ｋＨｚから約５ＭＨｚの範囲内とすることができる。

別の概括的な態様では、加工物をレーザ加工する方法は、十分に高いパルス繰返し率で加工物のある領域にレーザパルスを集束させて誘導し、従って加工面積の周りの再堆積材料の蓄積を制限しながら、迅速な材料除去を実現するように１つ以上の材料内の蓄熱を制御するステップを含むことができる。この方法により、熱影響域（ＨＡＺ）の制御を可能にすることができる。

別の概括的な態様では、加工物をレーザ加工する方法は、加工物の少なくとも１つの材料に、あるパルス幅を有するレーザパルスを照射するステップを含む。レーザパルスは少なくとも１つの材料内のスポット上に集束させることができる。集束スポットは、ある走査速度で材料に対して相対的に走査することができる。幾つかの実装形態では、加工物はパターン付き領域及び裸の半導体ウエハ領域を含む。パターン付き領域は誘電体材料及び金属材料の少なくとも１つを含むことができる。幾つかの実施例では、パターン付き領域の少なくとも一部分の除去に使用される走査速度は、裸のウエハ領域の少なくとも一部分の除去に使用される走査速度より実質上遅い。

幾つかの実施例では、隣接する集束スポット間の重複は、裸のウエハ領域に照射する場合よりパターン付き領域に照射する場合の方が実質上大きい。例えば、場合によっては、パターン付き領域に照射する場合の重複は約９５％より大きいことがある。

幾つかの実施例では、パターン付き領域内の材料の少なくとも一部分は約１００ピコ秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅を使用して変質される。幾つかの実施例では、半導体ウエハ領域内の材料の少なくとも一部分は約１００フェムト秒から約１０ピコ秒の範囲内のパルス幅を使用して変質される。

少なくとも１つの実装形態は、上記のレーザ加工方法の実施例を実施するのに適した極短パルスレーザシステムを含む。少なくとも１つの実施例は、ファイバ増幅器又はファイバレーザのうちの少なくとも１つを含む極短パルスレーザシステムを含む。少なくとも１つの実施例は、「オールファイバ（ａｌｌ−ｆｉｂｅｒ）」設計として構成される極短パルスレーザシステムを含む。

様々な実施例では、パルスレーザシステムは約１０ピコ秒より短い少なくとも１つのパルスのパルス幅を提供する。幾つかの実施例では、少なくとも１つのパルスのパルス幅は約数ナノ秒より短く、例えば１ナノ秒に満たないパルスである。

スクライビング、ダイシング、切削、又は加工して多材料加工物のある領域から材料を除去する方法の実施例が提供される。幾つかの実施例では、この方法は、多材料加工物の少なくとも１つの材料の方へレーザパルスを誘導するステップを含む。レーザパルスは数十フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅、及び数百ｋＨｚから約１０ＭＨｚのパルス繰返し率を有することができる。加工物はパターンと半導体ウエハの両方を含むことができ、パターンは誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つを含むことができる。この方法はまた、数ミクロンから約５０μｍ（１／ｅ^２）の範囲内のスポット寸法を有するレーザスポット内にレーザパルスを集束させるステップ、及びパターンの少なくとも一部分から材料を除去する場合の隣接する集束スポット間の重複が、半導体ウエハの少なくとも一部分から材料を除去する場合の隣接する集束スポット間の重複より実質上大きくなるような走査速度で、少なくとも１つの材料に対してレーザスポットを位置決めするステップを含むことができる。特定の有利な実装形態では、この方法は、この領域の周りの再堆積材料の蓄積を制限しながら、加工物の１つ以上の材料内の蓄熱を制御する。

パターン及び半導体ウエハを含む加工物を加工する方法の実施例が提供される。パターンは誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つを含むことができる。幾つかの実施例では、この方法は、約１００ピコ秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅を含むレーザパルスを用いてパターンの少なくとも一部分を変質させるステップ、及び約１００フェムト秒から約１０ピコ秒の範囲内のパルス幅を含むレーザパルスを用いて半導体ウエハの少なくとも一部分を変質させるステップを含む。

半導体材料を有する多材料加工物をレーザ加工する方法の実施例が提供される。幾つかの実施例では、この方法は、約１００ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内のパルス繰返し率で、また十分に高い繰返し率で加工物のある領域にレーザパルスを集束させて誘導し、従ってこの領域から材料を効率的に除去し、またこの領域内又はその近傍の望ましくない材料の量を、約１００ｋＨｚ未満のより低い繰返し率で得られる量に対して制限するステップを含む。

他の実施例では、半導体材料を有する多材料加工物をレーザ加工する方法が提供される。幾つかのそのような実施例では、この方法は、ある走査速度及びあるパルス繰返し率で、加工物の少なくとも１つのターゲット材料に集束レーザパルスを繰り返し照射するステップを含む。繰返し率は少なくとも約数百ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内とすることができ、走査速度は約０．２ｍ／秒から約２０ｍ／秒の範囲内とすることができる。この方法の様々な実施例では、集束レーザパルスの少なくとも幾つかは、少なくとも１つの他のパルスとのゼロ以外の空間重複係数と、約１ナノ秒より短いパルス幅と、約１００ｎＪから約２５μＪの範囲内のパルスエネルギーと、約５μｍから約５０μｍの範囲内の集束（１／ｅ^２）スポット寸法と、ターゲット材料で約０．２５Ｊ／ｃｍ^２から約３０Ｊ／ｃｍ^２の範囲内のフルエンスとを有する。

多材料加工物を加工する方法の実施例が開示される。加工物は半導体材料及びパターンを含むことができ、パターンは誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つを含むことができる。幾つかの実施例では、この方法は加工物にレーザパルスの列を照射することを含み、この列の少なくとも２つのパルスは異なる特性を有し、これらのパルスは加工物の異なる材料に加えられる。この方法はまた、誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つの除去中に生成される少なくとも１つのＨＡＺが、半導体材料の一部分の除去中に生成される少なくとも１つのＨＡＺに対して深さ方向に増大するように、熱影響域（ＨＡＺ）を制御することを含む。

パターンと半導体ウエハ領域の両方を含む加工物を加工する方法の実施例が開示される。パターンは誘電体材料及び金属材料を含むことができる。幾つかの実施例では、この方法は、集束レーザパルスを用いてパターンの少なくとも一部分を変質させるステップを含み、少なくとも１つの集束パルスは、約１００フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅を含む。この方法はまた、パターンのこの部分内に、金属材料からの誘電体材料の層間剥離を回避するのに十分な熱を蓄積するステップを含む。

半導体材料を有する多材料加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するレーザベースのシステムの実施例が提供される。幾つかの実施例では、レーザベースのシステムは、光パルス光源と、光源からのパルスを少なくとも約１μＪのパルスエネルギーに増幅するように、そして約５００フェムト秒から数百ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する出力光パルスを生成するように構成された光増幅システムとを含む。このシステムはまた、約１００ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内になるように出力光パルスの繰返し率を調整するように構成された、少なくとも１つの光変調器を含む変調システムと、約１５μｍから約５０μｍの範囲内のスポット寸法（１／ｅ^２）内にパルスビームが集束されるように、パルスレーザビームを加工物に集束させて送達するように構成されたビーム送達システムとを含むことができる。このシステムはまた、加工物の１つ以上の材料に対して約０．１ｍ／秒から約２０ｍ／秒の範囲内の走査速度でビームを走査するように構成された位置決めシステムと、少なくとも位置決めシステムに結合されるように構成された制御装置とを含むことができる。制御装置は、この繰返し率で加工物の加工中に隣接する集束ビーム間の空間的重複を制御するように構成することができる。

半導体材料を有する多材料加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するレーザベースのシステムの実施例が、本明細書に記載される。このシステムの実施例は、光パルス光源と、光源からのパルスを増幅するように、そして数十フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する出力パルスを生成するように構成された光増幅システムとを含む。このシステムはまた、少なくとも約１ＭＨｚから約１００ＭＨｚ未満の範囲内で出力光パルスの繰返し率を提供するように構成された、少なくとも１つの光変調器を含む変調システムを含むことができる。このシステムはまた、少なくとも約５ミクロンのスポット寸法（１／ｅ^２）内にパルスビームが集束されるように、パルスレーザビームを加工物に集束させて送達するように構成されたビーム送達システムと、加工物の１つ以上の材料上又はその内でスポット重複を生成する走査速度でビームを走査するように構成された位置決めシステムとを含むことができる。様々な実装形態では、スポット重複は、この繰返し率及びこのスポット寸法で少なくとも約９５％とすることができる。

半導体材料を有する加工物上又はその内でダイシング、切削、スクライビング、又はフィーチャ形成するシステムの実施例が提供される。幾つかの実施例では、このシステムは、ある走査速度及びあるパルス繰返し率で、材料の少なくとも一部分に集束レーザパルスを繰り返し照射するように構成されたパルスレーザシステムを含む。繰返し率は、約１００ｋＨｚから約５ＭＨｚの範囲内とすることができ、またターゲット位置から材料の相当な深さ方向部分を効率的に除去し、そしてターゲット位置の周りの望ましくない材料の蓄積を制限するのに十分なほど高くすることができる。このシステムはまた、レーザパルスを集束させて送達するように構成されたビーム送達システムと、この走査速度で半導体基板に対してレーザパルスを位置決めするように構成された位置決めシステムとを含むことができる。位置決めシステムは、光学式スキャナ及び基板ポジショナのうちの少なくとも１つを含むことができる。幾つかの実施例では、パルスレーザシステム、ビーム送達システム、及び位置決めシステムに結合されるように、制御装置が構成される。制御装置は、この繰返し率で加工物の加工中に隣接する集束レーザパルス間の空間的重複を制御するように構成することができる。

［図１Ａ〜１Ｃ］複数パスのレーザベースの材料除去方法の一実施例を表す概略上面図及び概略横断面図である。
［図１Ｄ〜１Ｅ］Ｎ回のパス後の機械加工の深さと望ましくない再堆積材料の形成との関係を表す概略横断面図である。図１Ｅは、パルスレーザシステムの少なくとも１つの実施例で得られる結果の概略図である。
［図１Ｆ］レーザパルスを用いて加工物を加工するのに適したレーザシステムの一実施例を示す概略図である。
［図１Ｇ−１〜１Ｇ−３］パターン付きウエハの一部分の例を示す概略図である。図１Ｇ−１は幾つかのダイを有するウエハを示し、図１Ｇ−２は図１Ｇ−１のウエハの一部分の拡大図を示し、図１Ｇ−３はウエハの一部分の断面側面図を示す。
［図２Ａ〜２Ｂ］レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムの実施例を示す概略図である。
［図３］レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムの別の実施例を示す概略図である。
［図４Ａ］レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムのさらに別の実施例を示す概略図である。
［図４Ｂ］ファイバ増幅器内又はマルチモード励起光源によって励起されたレーザ内で使用できる、希土類イオンでドープされたコアを含む大モード面積ファイバの一実施例を示す概略図である。
［図５］レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムであって、プロセス及び／又はターゲット情報に基づくフィードバック及び制御を有するシステムのさらなる実施例を示す概略図である。
［図６Ａ及び６Ｂ］レーザパルス列を用いて加工物を加工する一実施例に対応する実験システムをそれぞれ示す概略図及び写真である。
［図７］アブレーションされた体積と加工位置近傍の再堆積した体積との近似を得るように加工品質を定量化する１つの例示的な技法を示す概略図である。
［図７Ａ〜７Ｆ］図６Ａ及び６Ｂの例示的なシステムのレーザ加工パラメータを変動させることによって実験結果が得られた、シリコン試料から得られる例示的な走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面図である。
［図８］アブレーションされた断面積と再堆積した断面積との関係の例を、走査速度及び繰返し率の関数として示すグラフである。
［図９］平均パワー及びスポットの空間的重複に対して正規化された、断面積と走査速度の関係の例をさらに示すグラフである。
［図１０Ａ−１及び１０Ａ−２］従来の超音波清浄がさらなる破片除去に対して効果的であるほど再堆積材料の量が十分に少なく、その結果を、例えば薄いウエハのダイシング及び類似の適用分野に適用できる、例示的なＳＥＭ断面図である。
［図１０Ｂ］図１０Ａ−１及び１０Ａ−２に示すデータに対応する、アブレーションされた深さとリキャスト高さの比のグラフである。
［図１１Ａ〜１１Ｃ］シングルパルス加工とダブルパルス加工の結果を比較する例示的なＳＥＭ断面図である。
［図１１Ｄ〜１１Ｅ］図１１Ａ〜１１ＣのＳＥＭ画像に対応する、アブレーションされた深さとリキャスト高さの比を示すグラフである。
［図１２Ａ〜１２Ｂ］パルスレーザシステムの一実施例を使用して切削（ダイシング）したウエハの一部分、及び従来の超音波清浄後に得られる結果を示すＳＥＭ画像である。
［図１３Ａ−１〜１３Ａ−３］約２００ピコ秒のパルス幅を使用して様々な繰返し率及び走査速度で得られる結果を示すＳＥＭ画像である。
［図１３Ａ−４〜１３Ａ−５］図１３Ａ−１〜１３Ａ−３に示すデータに対応して、それぞれ重み付きのアブレーションされた断面積（平方ミクロン単位）、及びアブレーションされた深さとリキャスト高さの比を示すグラフである。
［図１４並びに１４Ａ−１及び１４Ａ−２］半導体デバイスのダイ強度を試験するのに使用される構成の様々な例を示す概略図である。
［図１４Ｂ及び１４Ｃ］図６Ａ及び６Ｂに示す例示的な実験システムからの極短パルスを用いて試料を加工した後に得られるダイ強度測定の例を示すグラフである。
［図１５Ａ〜１５Ｄ］図６Ａ及び６Ｂの例示的な実験システムで生成される極短パルスを用いてスクライビング及び／又は切削した試料のＳＥＭ画像及び断面図の例を示す図である。
［図１６Ａ〜１６Ｄ］フェムト秒及びピコ秒のスクライビング結果を示すＳＥＭ画像の例を示す図である。
［図１７］５００フェムト秒の圧縮パルス又は３００ピコ秒の非圧縮パルスを用いて切削されたシリコン・ダイのダイ強度を示す実験的試験の結果を示す図である。図１７はまた、比較のために、公開されているナノ秒レーザの結果及び機械的試験の結果を含む。丸を使用して引張り状態のダイに対する結果を示し、正方形を使用して圧縮状態のダイに対する結果を示す。実験的試験の結果に対応する平均値（及び誤差バー）は、５００フェムト秒及び３００ピコ秒のパルスを用いた個々の実験的試験の結果から水平方向に（右側に）オフセットされる。

上記その他の特徴について、上に要約した図面を参照して次に説明する。図面及び関連する記載は、実施例について説明するために提供されるものであり、本開示の範囲を制限するものではない。

以下の詳細な説明では、ターゲット材料は全体として、１つ以上のレーザパルスによって変質すべき加工物の少なくとも１つの領域内又はその上の材料を指す。ターゲット材料は異なる物理的特性を有する複数の材料を含むことができる。

以下の詳細な説明では、別段の指定がない限り、繰返し率は全体として、材料のレーザ加工中にレーザパルスがターゲット材料に送達される数を指す。この率は、レーザ光源によってパルスが生成される率に対応させることができるが、例えば、パルス又はパルス群がゲート制御されてターゲット材料に送達される実施例では、この率はまた、光源の率に対して低減させることができる。

以下の詳細な説明では、ターゲット材料、ターゲット領域などの内又はその近傍の望ましくない材料の蓄積を制限することを参照する。別段の指定がない限り、代替の言語は、２つ（又はそれ以上）の代替物の１つとして解釈されるべきではなく、両方（又はそれ以上）の代替物を含むことができる。

本明細書では、破片という用語は限定的なものではなく、全体として、局部的な領域内又はその近傍の材料の望ましくない蓄積を指す。破片は、レーザ材料の相互作用及び／又は熱影響域（ＨＡＺ）に起因することがある。リキャスト、スラグ、再堆積、及び他の関連する用語もまた、当技術分野ではよく知られている。通常、熱影響域は、溶融材料を形成するのに十分なほど速く加熱及び冷却される材料を含み、また領域の範囲は、他の要因の中でも、パルス持続時間及び様々な材料パラメータに依存する。短パルス、特に極短パルスは、熱を局部化させて熱影響域の寸法を低減させることが知られている。

概要
実施例は通常、加工物のレーザ加工、特に微細機械加工の適用分野に適用できる。例えば、様々な実施例は、半導体基板を切削、ダイシング、スクライビング、及び／又は食刻して、約１ミクロンから約１００ミクロンの典型的な横方向の寸法と数ミクロンから数百ミクロンの深さとを有するフィーチャを形成するのに適用できる。例えば、特定の実施例は、様々な材料で高精度のトレンチ及び溝を製作するのに利用することができる。シリコン内の極めて高精度のトレンチは、様々な超小型電子技術の適用分野に必要とされる。幾つかの研究グループが、レーザ強度がアブレーション閾値よりわずかに上のフェムト秒レーザパルスを使用すると最善の結果が得られることを実証してきた（例えば、Ｂａｒｓｃｈ、Ｋｏｒｂｅｒ、Ｏｓｔｅｎｄｏｒｆ、及びＴｏｎｓｈｏｆｆ、「Ａｂｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｕｔｔｉｎｇ ｏｆ Ｐｌａｎａｒ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｕｓｉｎｇ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｐｕｌｓｅｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓｉｃｓ Ａ ７７、２３７〜２４４頁（２００３）、並びにＯｓｔｅｎｄｏｒｆ、Ｋｕｌｉｋ、及びＢａｒｓｃｈ、「Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｈｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｗｉｔｈ Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ−ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒｓ Ｃｒｅａｔｉｎｇ ａｎ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｔｏ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｓａｗｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＣＡＬＥＯ、米国ジャクソンビル、２００３年１０月参照）。

現在、マイクロ流体デバイス製作の好ましい方法はリソグラフィ加工によるものであり、数サイクルの紫外（ＵＶ）露光と、それに続く溶媒エッチングを伴うことが多い。フェムト秒レーザは中程度のアスペクト比（基板材料、レーザパラメータ、及び孔径によって１：１０〜１：１００）の止まり穴及び貫通孔を直接機械加工することが可能である。

極短レーザパルスは、従来のナノ秒レーザに対して、ＨＡＺが低減されること、残留応力が低減されること、材料アブレーション閾値の変動の影響を受けにくいことという重要な利点を提供することがよく知られている。さらに、レーザ平均パワーを調整すること（ターゲット上のフルエンスは材料アブレーション閾値より大きいものとする）、そして高速のマルチパスビーム走査を使用することによって、比較的高い加工率を実現できることが十分に確立されている。極短レーザ加工は通常、スラグ、残留物、溶融した形成物、又はレーザ材料の相互作用による他の望ましくない副生成物を低減させるのに適した手法としても認識されている。しかし、極短パルスを単独で使用しただけでは品質の改善を保証できないことも十分に確立されている。多くの初期の実験は、加工を簡略化する真空中で実施された。極短パルスを用いた材料加工、半導体デバイスの製造で使用される半導体、金属、又は誘電体材料のうちの１つ以上の微細機械加工、レーザ材料の相互作用機構、及び微細機械加工のシステムに関する様々な刊行物、特許、及び公開特許出願の引用は、優先権を主張する米国仮特許出願で見ることができる。

本明細書に開示の実施例は、深さと幅の比が大きい、アスペクト比の高いフィーチャを材料内に形成するために利用することができる。溝又はトレンチと呼ばれることがあるそのようなフィーチャは、加工物の表面から材料を制御可能に除去することによって形成することができる。材料は、ターゲット材料及び／又はレーザパルスを互いに対して位置決めする機構を用いて、集束レーザパルスをターゲット領域にわたって繰り返し走査することによって除去することができる。

幾つかの実施例は、材料、特に半導体基板のレーザ切削に利用することができる。そのような実施例はまた、プロセスの一部としてアスペクト比の高いフィーチャの形成を含むことができる。例えば、薄いウエハのダイシングでは、近傍の回路又は構造を損傷することなくウエハダイを分離するように、清浄でかつ高精度の切削を使用できると有利である。ウエハは、集束レーザパルスを使用してウエハ全体を切削することによって、おそらく幾つかの実施例では、切削中に焦点の深さ方向位置を変化させることによって、ダイシングすることができる。別法として、レーザパルスはアスペクト比の高いフィーチャを形成することができ、例えば、所定の深さの狭くて深い切削を行うことができる。次いで、残りの材料の薄い深さ方向部分はレーザ以外の方法を使用して分離される。いずれにせよ、破片及び汚染を十分にうまく制御できると有利である。

図１Ａ〜１Ｃは、レーザベースの材料変質のためのプロセスの一部分を示す概略図である。集束レーザスポット１０００−ａ、１００１−ａの例を示す。幾つかの実施例では、重複係数は、スポット直径のほんの一部分とすることができる。重複係数は、図１Ａに概略的に示すものとは異なることがある。例えば、重複係数は、スポット間でほぼ同じことがあり（例えば、図１Ａに概略的に示す）、又は重複係数は、スポット間で異なることもある。異なるレーザ・パスは、異なる重複係数（及び／又はスポット形状、スポット直径など）を利用することができる。様々な実装形態では、幾つかの隣接するスポットは、実質上重複することがあり（例えば、重複係数は、スポット直径のほんの一部分である）、又は幾つかの隣接するスポットは、隔置されることもある（例えば、重複係数は、スポット直径とほぼ同じ又はそれより大きい）。様々な実施例では、重複係数は、例えば縁部が平滑でまっすぐになるように機械加工されたフィーチャを提供するように選択することができ、又は領域内の蓄熱に影響を及ぼすように選択することができる。そのような実施例では、重複係数（若しくは他のパラメータ）は、機械加工前に事前に選択することができ、機械加工中に動的に選択若しくは調整することができ、又は事前選択と動的選択の組合せを使用することができる。図１Ａは集束レーザスポット１０００−ａ及び１００１−ａを、同じスポット直径を有する円として示すが、他の実施例では、集束レーザスポットは他の形状及び寸法を有することもできる。スポット形状、スポット寸法、重複係数などの多くの変形形態が可能である。

スポットは、例えば走査機構（図示せず）を用いて、１回のパス又は複数回のパスで、加工物のターゲット材料に加えることができる。図１Ａ〜１Ｃでは、上の図はレーザパルスの第１のパス（パス１）を概略的に示し、下の図はレーザパルスの第Ｎのパス（パスＮ）を示す。様々な実施例では、加工パスの任意の適切な数Ｎ、例えば、１、２、５、１０、１００、２５０、７００、１０００、又はそれ以上のパスを使用することができる。ターゲット領域の簡略化した上面概略図を図１Ｂに示し、材料が除去された領域を円形のスポット１０００−ａ、１００１−ａで示す。この領域はスポット直径程度の横方向の寸法を有するが、例えば、米国特許第５，６５６，１８６号に教示されているように、通常、極短パルスを用いると、スポット寸法より小さな領域にわたって材料を制御可能に除去することが可能であることが知られている。図１Ａ〜１Ｃに示す上面図では、材料が除去される領域を方形として概略的に示すが、少なくとも走査方向に直交する縁部には、特に楕円形又は円形の断面を有する集束レーザビームの使用により、通常いくぶん丸みがつけられる。

様々な実施例を用いて、レーザスポットを用いてフィーチャを形成して、ターゲット材料のある深さ方向部分を、例えば幾つかの実施例では約０．５μｍ又は数ミクロン除去することができる。単一のパスでは、比較的小さな深さ部分１０００−ｃが除去される（図１Ｃの上の図参照）。次いで、曲線１００１−ｃによって概略的に表すように、第２のパス、又はＮ回のパスで追加の深さ方向部分を除去する（図１Ｃの下の図参照）。Ｎ回のパス後、所望の深さ及び／又は空間プロファイルを有するフィーチャを形成することができる。別法として、十分に多くのパスを用いて、材料を清浄に切断することができる（例えば、「ブレークスルー（ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ）」と呼ばれることもあるように、材料を完全に切削する）。様々な実施例では、パスの数Ｎは、１、２、３、４、５、１０、２５、１００、２５０、５００、７５０、１０００、１５００、２０００、５０００、又はそれ以上とすることができる。パスの数は、例えば、ブレークスルーが望ましいかどうかにかかわらず、フィーチャの所望の深さ及び／又は空間プロファイル、加工物を形成する材料（複数可）などを含む要因に基づいて選択することができる。パスの数は加工中に動的に調整することができる。

図１Ｂは、加工物を上から見たときの簡単な直線／方形の機械加工パターンを概略的に示す。しかし、機械加工されたフィーチャは、円形、楕円形、交互配置形、螺旋状、又は他の任意の形状とすることができ、これらの形状は、レーザパルス光源とターゲット材料の相対的な位置をプログラムすることによって（例えば、以下にさらに説明する走査機構を用いる）形成される。同様に、集束スポットの分布は、円形以外とすることができ、及び／又はガウス形若しくは非ガウス形のスポットプロファイルを有することができる。さらに、深さに応じて様々な形状、例えば先細り形、階段状、及び／又は湾曲形のフィーチャを形成することができ、フィーチャの幅は、所定のように、又はほぼ所定のように、深さとともに変動する。アスペクト比の高いフィーチャは、単独で、又は他のフィーチャと組み合わせて形成することができ、またアスペクトのより低いフィーチャ、例えば大きな直径の孔を有する領域に接続することができる。本明細書に開示のシステム及び方法では、多くの変形形態が可能である。

「トレンチ掘り」又は他の適用分野の実施例に関係する幾つかのパラメータは、例えば、トレンチの形状、深さ、及び品質を含むことができる。しかし、多くの適用分野では、狭いトレンチの縁部で、又はその非常に近傍で、一般にリキャスト又はスラグと呼ばれる再堆積材料が形成されることがある。再堆積材料の量は通常、機械加工の深さが増大するとともに増大する。

図１Ｄは、ある深さを有するが多くの再堆積材料１００５−ａを有する機械加工されたフィーチャ１００１−ｃ（図１Ａ〜１Ｃに示す）の横断面図を概略的に示す。再堆積材料１００５−ａは、加工物の表面より上及び／又は機械加工されたフィーチャ１００１−ｃ内に生じることがある。加工されていない基板の基底線を図１Ｄ及び１Ｅに破線として示す。再堆積材料はまた、フィーチャ又はターゲット領域内、例えば基底線より下数ミクロンの深さ内に蓄積することがある（図１Ｄ参照）。

図１Ｅはパルスレーザの実施例で得られる例示的な結果を表し、パス数Ｎが固定される場合、再堆積材料１００５−ｂの蓄積は低減される（図１Ｄに概略的に示す結果と比較）。図１Ｅに示すように、再堆積材料の断面積は低減され（図１Ｄに対して）、及び／又は堆積した材料のタイプは、より大きな寸法の溶融材料ではなく微粒子の形である。例えば、幾つかの実施例では、そのような結果は、レーザ繰返し率を増大させることによって、そしてこの例では、他のレーザパラメータをほぼ一定に保持することによって得られる。様々な実施例では、再堆積材料の蓄積は、ターゲット領域内、ターゲット領域近傍、又はその両方で低減させることができる。様々な実施例では、再堆積材料の性質（例えば、粒子の寸法分布）は、ターゲット領域内、ターゲット領域近傍、又はその両方で変えることができる。図１Ｃ、１Ｄ、及び１Ｅは、機械加工されたフィーチャ１０００−ｃ及び１００１−ｃを、概ね台形として成形された断面図を有するものとして概略的に示す。台形の断面形状は概略的なものであり、本明細書に開示のレーザベースの加工システム及び方法の様々な実施例を用いて機械加工できるフィーチャの断面形状（又はあらゆる他の特性）を限定するものではない。他の実施例では、例えば三角形の形状、方形の形状、丸みをつけた形状、最大幅よりはるかに小さな最小幅に収束する先細りした形状、又は任意の他の適切な形状など、台形の断面形状をもたないフィーチャを機械加工することができる。多くのフィーチャ形状及び寸法が可能である。また、再堆積材料１００５−ａ、１００５−ｂの断面寸法及び形状は概略的なものであり、可能な再堆積材料の寸法及び／又は形状を限定するものではない。

例として、シリコン基板上の機械加工実験は、ほぼ一定のレーザパルスエネルギー、焦点スポット寸法、及びパルス持続時間を維持しながらレーザパルスのレーザ繰返し率を約２００ｋＨｚから約１ＭＨｚに増大させると、再堆積材料の量に対して除去される材料の体積が増大するという驚くべき結果を示した。これらの実験は、ファイバベースの超短チャープパルスレーザシステムを使用して実施された。これらの結果は、数百ｋＨｚから最高数ＭＨｚのパルス繰返し率で加工品質の著しい改善を提供できることを示唆している。例えば、特定の適用分野では、再堆積材料を除去するための追加の加工ステップが必要とされないことがある。

所望のフィーチャ形状と再堆積材料の低減の両方を得ることは、極短パルス、例えば、幅が約１０ピコ秒より短いパルスを用いると最も良く実現された。しかし、約２００ピコ秒というより長いパルスの場合、繰返し率を増大させることも有益であった。再堆積材料の蓄積は、より遅い繰返し率に対して低減された。幾つかの適用分野では、例えば最高数ナノ秒又は１０ナノ秒未満というより長いパルス幅でも、利益を見出すことができる。

従って、実施例は、フィーチャの所望の形状、深さ、及び／又は幅を実現しながら、スラグ及び／若しくは他の望ましくない材料の量を低減（並びに／又は再堆積材料の性質を変化）させることができる。例として、後に示すように、高繰返し率の加工は再堆積材料の性質及び量に影響を及ぼした。

特定の実施例では、品質の測度は、再堆積材料のピーク高さ、平均高さ、及び／又は体積に対する機械加工されたフィーチャの深さ及び／又は体積とすることができる。品質の別の例示的な測度は、再堆積材料の全体的な体積に対するフィーチャ深さとすることができる。品質の適切な測度は、影響を受けた領域の断面試料又は体積測定の定量化を用いて得ることができる。様々なツール、例えば、白色光干渉計、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、又は類似のツール（例えば、Ｖｅｅｃｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ．、ニューヨーク州ウッドベリーから入手可能）などの表面計測ツールを使用して、性能を定量化することができる。これらのツールは、自動又は半自動動作の能力によって、改善された測定確度及び精度を実現することができる。市販のツールには、試料の表面粗さ及び材料のより大きな体積を測定する能力があることが判明しており、例えばＡＦＭを使用して、深さ方向フィーチャの構造を定量化することができる。

幾つかの適用分野、例えばダイシング及びスクライビングでは、異なる品質測度を提供することができる。例えば、再堆積材料の体積の定量化は有用な測度となることがあり、また切削品質と組み合わせて全体的な性能指数とすることができる。様々な実施例は、高い効率が望ましいが、再堆積材料の蓄積が有害であり、又はその他の形で望ましくない場合の加工動作に特に適用できる。

幾つかの実施例では、微細機械加工は、半導体ウエハのレーザスクライビング、ダイシング、又は類似の加工を含むことができる。半導体ウエハは、裸のものでもパターン付きのものでもよい。スクライビング及びダイシングは、必要性が認識される２つの適用分野である。スクライビングは通常、シリコン基板上に支持された複数の材料の１つ以上の層を除去する。次いで、機械ダイサを用いてウエハのダイを分離することができる。シリコン基板の厚さが１００μｍ未満、例えば５０μｍに低減したことに伴って、基板のレーザベースのダイシングの必要性が増大してきた。しかし、幾つかの実装形態では、従来の機械ダイシングに取って代わるための正当性理由を提供するために、迅速なレーザ加工速度が必要とされる。さらに、幾つかの実装形態では、後のパッケージングプロセスの信頼性を保証するために、望ましくない熱効果を低減又は回避するべきである。

図１Ｇ−１（原寸に比例しない）は、パターン付き半導体ウエハ１２０の一例を概略的に示す。ウエハ１２０は、行と列の形で構成される幾つかのダイを有し、その間にストリート１２７が位置する。従来のシステムでは、ウエハは通常、レーザスクライビングされ、ダイシングソーを使用して切削される。厚さが約１００μｍ未満、例えば５０μｍ又は７５μｍに低減するにつれて、機械ダイシングはより困難になる。従って、レーザダイシングを使用して機械ダイシングを低減又は排除することが望ましい。

図１Ｇ−２は、ウエハ１２０の例示的な一部分１２５を概略的に示す。例として、ダイシングは、ストリートに沿って領域１２７−Ｂ内で実施されるものとする。この領域は、幾つかの材料及び裸のウエハ部分を含むことができる。ダイシング前の電気的又は他の機能的試験のために、ストリート内に示す回路フィーチャ、例えば高密度グリッド層１２９を利用することができる。ストリート１２７に隣接する領域は、高密度の能動回路、はんだボールを含むことができる相互接続、又は他の組合せを含む。特定の有利な実装形態では、ダイシング又はスクライビングは、著しい破片又は熱影響域（ＨＡＺ）をもたらすことなく、回路を損傷しないでウエハを清浄に切削するように実施されるものであり、また十分なダイ強度を実現するべきである。

図１Ｇ−３は、ウエハの一部分、図１Ｇ−２の微細グリッド領域１２９の断面側面図１２９−１を概略的に示す。このグリッドは誘電体及び金属材料のうちの１つ以上で覆うことができる。

潜在的な加工速度が、薄いウエハのダイシングにレーザ技術を使用する１つの可能な理由であるため、非常に薄いウエハをダイシングする実際的なシステムは比較的大量の材料の高速除去を実現するものである。

ストリート内の加工物材料は、それだけに限定されるものではないが、金属、無機誘電体、有機誘電体、半導体材料、低誘電率誘電体材料、又はこれらの組合せを含むことができる。材料の組合せは、広く様々な空間パターンで構成することができ、及び／又は深さ方向に積層することができる。例えば、超小型電子回路は、銅と低誘電率材料の交互の層を有する部分を含むことができ、これらの部分が、上にある不活性化層によって覆われる。材料の他の組合せ及び／又は構成も可能である。

様々な研究が、シリコンの微細機械加工に対する結果及びモデルを開示した。例えば、Ｃｒａｗｆｏｒｄらは、「Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｏｆ ｇｒｏｏｖｅｓ ｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｗｉｔｈ ８００ ｎｍ ｐｕｌｓｅｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ａ ８０、１７１７〜１７２４（２００５）で、パルスエネルギー、並進運動速度、パスの数、並びに偏光方向（並進運動方向に対する平行と垂直の関係、及び円偏光）に応じたアブレーション率（真空中）を調査した。レーザパラメータには、レーザパルス繰返し率を１ＫＨｚとした場合、波長８００ｎｍで１５０フェムト秒のパルスが含まれた。最大並進運動速度は約５００μｍ／秒であった。スポット寸法は約５μｍであった。

単一及び複数のパスの結果が報告され、運動の影響が分析された。パルス間の重複が大きいものとして、運動の影響を含むモデルが開示された。この手法は溝の中心に沿った点に蓄積されたフルエンスの決定を含んだ。分析のための有用な枠組みを提供したにもかかわらず、効果的なフルエンスはパルスごとにいくぶん変化することがあり、またターゲットが移動しているか否かにかかわらず、単一又は幾つかのパルス照射は、多くのパルスとは大いに異なる結果をもたらし得ることが認識された。幾つかの結論は溝の幅上の並進運動の影響をわずかに反映しているが、粗さ及び破片のため、この影響を定量化するのは困難である。これらの結果はまた、他の研究と比較された。様々な他の形態が特定された。

全てのパスにわたって直線のモデルでは、アブレーションの性能は予測できなかった。最高数ジュール／ｃｍ^２のフルエンスを用いると、報告される１パルス当たりのアブレーション深さが１μｍをはるかに下回ることが、全体として観察された。偏光効果はいくぶん大きく、偏光に伴う分岐は並進運動方向と平行であった。溝の形成とともに、予期されるアブレーション深さの限界が観察され、その結果、溝の底部ではフルエンスが十分でないことが明らかになった。一例では、最初の数回のパスの結果、大量の材料がほぼ直線的に除去された。しかし、２０回のパスを超えると、排出される材料の量は低減した。材料の再堆積は、溝の縁付近でのパルスの縁部による除去に匹敵することが明らかになった。多数のパス後には、縁は、追加のパスによって大きく浸食されることが予期された。

本発明者らの実験では、繰返し率を約数百ｋＨｚ以上、好ましくは幾つかの実施例では少なくとも約１ＭＨｚに増大させることで、数百ｋＨｚ未満で得られる結果と比較すると、除去される材料と再堆積材料の比を改善した。これらの結果は、高い処理能力の加工に適した並進運動速度で得られ、高速ミラーシステムの運動速度の幾つかの現在の限界に接近していた。また、少なくとも幾つかの結果は、繰返し率が高すぎると、望ましくない熱効果、リキャスト、及び通常望ましくないＨＡＺにより引き起こされる材料の変質を招くことを示している。高い処理能力と破片の低減の両方を同時に実現することは、特定の実施例によって実現できる全般的な目標及び有益な結果である。

例として、厚さ５０μｍ又は類似の基板のスクライビング及び／又はダイシングは、少なくとも１５μｍの集束スポット寸法、幾つかの実施例では約１５〜５０μｍの範囲内のスポット寸法で実施することができる。例えば数ミクロン（例えば、ある場合には約３ミクロン）などの他のスポット寸法を使用することもできる。幾つかの実装形態では、約１ミクロンから約５ミクロンの範囲内のスポット寸法が使用される。除去される材料の量は通常、走査速度、スポット重複、繰返し率（表面に送達される１秒当たりのパルス）、パルスエネルギー、及びスポット直径を含む１つ以上の要因によって決定される。幾つかの実施例では、表面上の隣接するスポット間の十分な重複により、比較的均一な幅のパターンの切削又はスクライビングが実現される。幾つかの実験システムでは、スポット寸法を約１５μｍとした場合、少なくとも数マイクロジュールという比較的高いパルスエネルギーにより、通常直径約１５〜２０μｍの領域内でアブレーションが生じる。走査システム、例えばガルバノメータベースのミラースキャナは最高約１０〜２０ｍ／秒の走査速度を提供することができる。

材料除去の要件は変動しており、領域内の蓄熱は、パルスエネルギー、繰返し率、及び速度パラメータを含む１つ以上の要因の適切な選択によって増減させることができる。幾つかの実施例では、領域内の蓄熱を増大させて材料除去を容易にすることができると望ましい。様々な実施例では、極短パルスを高い率で加えて運動速度を低減させ、極短以外のパルスに類似の熱効果を引き起こすことができる。少なくとも１つの実施例では、パルスエネルギー、繰返し率、速度、及びパルス幅のうちの１つ以上を調整することができる。幾つかの実施例では、利用可能なパルスエネルギーは少なくとも約５μＪであり、繰返し率は最高約１０ＭＨｚに調整可能であり、表面のビーム速度は約０．１ｍ／秒から最高約１０ｍ／秒の範囲内とすることができ、パルス幅は１ピコ秒未満から最高数ナノ秒の範囲内で提供される。例として、１ＭＨｚの率、４０μｍのスポット、及び０．１ｍ／秒の速度の場合、スポット間の重複は９９％を超える。局部的な蓄熱が大きくなることがある。１ＭＨｚの率が維持され、速度が約５ｍ／秒に増大された場合、スポット重複は５０分の１低減し、加工領域内の蓄熱が低減される。従って、様々な有利な実施例では、約０．００１から約０．９９の範囲内の重複係数を利用することができる。他の範囲も可能である。

ストリート内の材料は異なるウエハ設計とともに変動することがあるので、レーザシステムの幾つかの実装形態では、広い範囲にわたって特定のパラメータの調整を実現することが望ましい。例えば、走査速度、パルスエネルギー、繰返し率（パルスが表面に当たる率）、パルス幅、及びスポット寸法は、広い範囲にわたって、例えば幾つかの実施例では少なくとも２：１で調整可能であることが好ましい。１つ以上のそのようなパラメータ、例えばパルス幅、速度、及び繰返し率は、１０：１より大きな範囲にわたって調整可能とすることができる。他の実施例では、他の調整可能な範囲も可能である。

スクライビング及び裸のシリコンのダイシングには異なるレーザ及び速度パラメータが必要とされ、その結果、異なる材料特性が必要とされることがある。幾つかの実施例では、比較的高いパルスエネルギー及びパルス間の高い重複、例えば９９％を上回る重複によって蓄熱を増大させることで、材料除去が容易になる。これらの実施例の幾つかでは、副次的な損傷又は破片の増大を回避するために、十分によく制御された熱影響域（ＨＡＺ）を維持するべきである。

典型的な多材料デバイス、例えばパターン付きウエハは、深さ方向に積層された導体、誘電体、及び半導体材料を含むことができる。典型的な多材料デバイスの加工は、例えば、１ＭＨｚの繰返し率、約４０μｍのスポット寸法、及び隣接するスポット間で約７５％から９９％より大きな重複をもたらす運動速度で実施することができる。

例として、パルス繰返し率が約数百ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内である場合、破片の制限とＨＡＺの制御を同時に行いながら、蓄熱を調整して材料除去を容易にするように、走査速度を制御することができる。幾つかの実装形態では、金属層及び誘電体層の除去は、裸のシリコンの除去に使用される走査速度より実質上遅い走査速度で実施することができる。その結果、金属及び誘電体のうちの少なくとも１つを除去する場合の隣接するスポット間の重複は、裸のウエハ加工の場合の重複より大きくすることができる（例えば、幾つかの実施例では、少なくとも約１０倍大きい）。場合によっては、約１５〜４０μｍ、通常約３０〜４０μｍの範囲内の集束スポット寸法が、高い処理能力を実現する。

図１Ｇ−２を再び参照すると、特定のウエハ設計では、ストリート１２７の幅を、例えば数十ミクロンに低減させることができる。それに対応して、上記の特定の好ましい値（例えば、場合によっては約４０μｍ）からスポット寸法を低減できると有利である。例えば、約２５μｍの幅を有するストリート内の切削、スクライビング、又は他の加工動作に対して、約５μｍのスポット寸法を使用可能とすることができる。それに応じて、幾つかのレーザパラメータを調整することができ、また様々な設計上の選択肢を利用して、特定のパラメータに関連する物理的制限を回避することができる。例えば、数ミクロン（例えば、ある場合には約３ミクロン）などの他のスポット寸法を使用することができる。幾つかの実装形態では、約１ミクロンから約５ミクロンの範囲内のスポット寸法が使用される。狭いストリート幅（例えば、数十ミクロン未満）を加工するには、約数ミクロンのスポット寸法が有利であろう。

図１Ｇ−２を再び参照すると、ストリート１２７内の切削経路１２７−ｂを示し、この例では、切削経路１２７−ｂは、ストリート領域上の中心に位置決めされる。ウエハのスクライビング及び破断は、レーザ、例えばナノ秒パルスレーザとダイシングソーの組合せで実施できることが知られている。幾つかの実装形態では、ナノ秒レーザはストリートの中心からほぼ等しい距離で２本の線をスクライビングすることができる。ストリート上の中心に位置決めされたダイシングブレードを使用して残りのウエハを切削し、それによって個々のダイを作製することができる。本明細書に記載の実施例は、任意の経路（例えば、ウエハに対する所定の経路）に沿って材料を変質させるように使用することもでき、及び／又は様々な組合せで（例えば、ダイシングソーを用いる）使用することもできる。変質又は加工すべき材料は、金属、低誘電率材料を含む誘電体、及び／又は半導体を含むことができる。さらに、幾つかの実装形態では、フェムト秒レーザを用いて、例えば厚さ５０μｍのウエハなどの極めて薄いウエハの加工を実施し、ウエハの厚さ全体、又はその相当な部分を切削することができる。幾つかの実施例では、そのような極めて薄いウエハの機械ダイシングの使用を低減又は排除することができる。

例えば、特定の実装形態では、精密な位置決めの要件が増大することがあるが、全体的なパルスエネルギーを低減させることができる。特定の波長でスポット寸法を低減させる結果、焦点深度（ＤＯＦ）が低減されることがよく知られている。ＤＯＦの低減は通常、スポット寸法の２乗に比例して変動する。大きな深さ範囲にわたる加工が必要とされる場合、場合によっては、動的な集束又はその改善のための様々なよく知られている方法及びシステムを適用することができる。例として、スポット寸法が５０μｍから５μｍに低減すると、ＤＯＦは１００分の１低減する。他方では、あるスポット面積にわたって所与のフルエンスを実現するための全体的なパルスエネルギーはスポット直径の２乗に比例して低減する。幾つかの実装形態では、より小さなスポット寸法の場合、はるかに低い最大パルスエネルギーを使用することができ、また様々な誘電体、導体、及び半導体材料を加工するための最大パルスエネルギーは、例えば、約１００ｎＪ、又は最高約１μＪとすることができる。スポット寸法をより小さくすると、運動制御に対して幾つかの問題点を招くこともある。幾つかの実施例では、低減させた走査速度を利用することができるが、精密な位置決めの要件が増大されることもある。

従って、幾つかの実施例では、所与のフルエンス及び繰返し率で加工しながら、パルスエネルギー及び速度を下方へ調整することができる。例として、パルス重複が９９％を超え（例えば、少なくとも９９．５％）、繰返し率が１ＭＨｚであり、またスポット寸法が約４μｍである（例えば、幾つかの実施例で使用される４０μｍのスポット寸法から１０分の１の低減）ものとする。この例では、対応する走査速度は１０ｍｍ／秒程度である。このフルエンスは、スポット寸法が１０分の１低減される結果、パルスエネルギーを少なくとも数マイクロジュール（例えば、５μＪ）の範囲から１００ナノジュール未満（例えば、５０ｎＪ）に低減させることによって得ることができる。

同様に、幾つかの実施例では、特定の微細機械加工動作に対してパルスエネルギーが比較的低い場合、繰返し率を数十ＭＨｚに増大させることができる。例えば、幾つかの切削又はスクライビングの適用分野では、比較的低いフルエンスで単一の材料層、又は幾つかの層の選択的除去を必要とすることがある。

図１Ｇ−３を参照すると、斜線領域（必ずしも原寸に比例しない）によってより多くの層の１つを概略的に表す。この層は、誘電体及び／又は金属材料を含むことができる。特定の加工の適用分野では、下にある裸のウエハ（斜線なし）は上層の変質後にレーザによって加工される。本発明者らはまた、熱加工（例えば、蓄熱）及び／又は十分な熱影響域（ＨＡＺ）が、複合物層又は特定の材料（例えば、低誘電率誘電体）の層間剥離及び／又は亀裂を低減又は回避することを見出した。また、ウエハを切削してダイを個片化するには、極短パルスに関連するＨＡＺを低減できると有益である。例として、ナノ秒パルスを使用して層の除去とシリコンウエハのダイシングの両方を行う場合、性能は十分ではなく、又は予測できないことがある。例えば、ナノ秒パルスによって過度のＨＡＺが生じると、弱いダイ強度及び様々な他の材料の問題が生じることが知られている。

いかなる特定の理論も利用することなく、ウエハにレーザパルスが照射されると、ウエハ内の電子は、レーザビームからのエネルギーをほとんど即座に吸収する。熱い電子と格子が衝突する結果、電子システムと格子の間の熱平衡状態が急速に実現され、露出した面積の温度が増大する。平衡状態に到達する時間は材料に応じて変動し、数百フェムト秒から数十ピコ秒となることがある。露出した領域内の熱エネルギーは、その周囲のより冷たい面積に伝わる。冷却率は、幾つかのパラメータ、例えば材料、熱い方の面積と冷たい方の面積の温度差、並びに温度分布による影響を受ける。例示的な基準点として、シリコンがその溶融温度を超えたままでいるおおよその期間は約数百ピコ秒である。

ダイシング又はスクライビングプロセスに対してナノ秒（又はパルス持続時間のより長い）レーザが使用されるとき、照射される領域は、延長された時間枠にわたってその溶融温度を超えたままである。「溶融プール」（例えば、溶融材料の領域）が形成され、冷却されると縮小する。「沸騰」及び「冷却」プロセスにより、ＨＡＺ内に亀裂、表面粗さ、及び空隙が生じる。そのようなプロセスは不規則である可能性があり、また材料変質の品質を予測するのが困難である。

幾つかの実装形態では、フェムト秒パルスの照射は浅いＨＡＺを提供するが、極短パルス幅の結果、デバイスの下層との相互作用はほとんど発生しない。フェムト秒の加熱プロセスはほとんど瞬時であり、ＨＡＺを制限された厚さに限定し、変質した材料の下に配置された層に実質上影響を及ぼさない。特定のそのような実装形態では、はるかに平滑でかつ予測可能な表面形態が実現可能である。

しかし、これらの実装形態の幾つかでは、極短レーザパルスによって非常に浅いＨＡＺが形成される結果、複数の材料の材料変質がほとんど又は全く発生しない。例えば、層間の溶融が生じないことがある。従って、これらの実装形態では、多層デバイス、特に少なくとも１つの低誘電率材料を有するデバイスを用いたダイシング又はスクライビングの性能は、フェムト秒レーザパルスを使用することによっていくぶん制限されることがある。さらに、これらの実装形態の幾つかでは、層間剥離が発生することがある。しかし、本発明者らは、以下に記載の実験に示すように、本明細書に記載のシステム及び方法の幾つかの実施例では、パルスエネルギー及び／若しくはフルエンスの増大、並びに／又は走査速度の低減により、多材料ターゲット領域内で良好な加工結果を提供することを見出した。従って、本明細書に記載の本発明者らの結果を使用すると、ターゲットの１つ以上の材料内の蓄熱及び／又はＨＡＺを制御することができる。例えば、本明細書に開示のシステム及び方法の実施例は、層間剥離（例えば、誘電体材料と金属材料の層間剥離）を低減又は回避するのに十分なほど高い蓄熱をターゲット内に提供するように構成することができる。

幾つかの実施例では、複数のレーザを利用することができ、複数の光源を有する組み込まれたレーザシステム内で、又は調整可能なパルス幅を有する光源として構成することができる。例として、例えば数百ピコ秒及び最高数ナノ秒の比較的長いパルス幅を利用してＨＡＺを増大させ、加工物の第１の深さ方向部分を加工し、特に低誘電率層並びに／又は他の金属及び／若しくは他の誘電体を除去することができる。そのような金属は、それだけに限定されるものではないが、銅、アルミニウム、及び／又は金を含むことができる。誘電体材料は、それだけに限定されるものではないが、二酸化シリコン、窒化シリコン、及び／又は様々な有機若しくは無機材料を含むことができる。図１Ｇ−１〜１Ｇ−３に示す例に概略的に示すように、誘電体及び／又は金属材料の構成は３次元で変動することがある。

幾つかの実施例では、極短パルスを使用して、無視できるほどのＨＡＺを生成することによって、加工物の第２の深さ方向部分を加工することができる。様々な実施例では、少なくともウエハ全体又はウエハの相当な部分を切削するには、特に非常に薄いウエハ、例えば１００μｍ以下の厚さを有するウエハを切削するには、フェムト秒パルスが利用される。さらに、これらの実施例の幾つかでは、金属及び／又は誘電体の加工の少なくとも一部分もまた、フェムト秒パルスを用いて実施することができる。

少なくとも１つの実施例では、単一のレーザ光源を利用することができる。レーザパラメータの調整により、加工領域内の熱の発生と領域から外側への熱の伝達を均衡させることができる。このとき、層間剥離及び／又は望ましくない熱応力が低減又は回避される。

様々な実施例では、ピコ秒のパルス幅を利用して、低誘電率材料を除去することができる。例えば、少なくとも１つのパルスは、約１００ピコ秒から約５００ピコ秒、約１００ピコ秒から２５０ピコ秒の範囲内、又は約２００ピコ秒から５００ピコ秒の範囲内とすることができる。幾つかの実施例では、少なくとも１つのパルスは、例えば少なくとも約０．１５Ｊ／ｃｍ^２のフルエンスに対応して、３０〜４０μｍのスポット直径にわたって約２μＪから１０μＪの範囲内のパルスエネルギーを有することができる。パルス幅及びフルエンスのそのような例では、金属及び誘電体を加工するのに十分なＨＡＺを生成して、ある期間内に、複数の層の材料の変質、（例えば、溶融及び除去）を提供することができる。しかし、溶融した材料のいかなる領域も、ＨＡＺ内の望ましくない亀裂、表面粗さ、及び／又は空隙を低減又は回避するのに十分なほど浅い（例えば、深すぎない）。他の実施例では、他のパルス幅、パルスエネルギー、スポット直径、及びフルエンスを使用することもできる。

幾つかのデバイス設計では、ストリート１２７の幅を低減させることができる。次いで、レーザシステムの実施例は、狭くした領域内で加工するためにスポット寸法を低減させて構成することができる。次いで、これらの実施例幾つかでは、所与のフルエンスを維持しながら、パルスエネルギーを低減させることができる。しかし、幾つかの適用分野では、加工のために比較的高いフルエンスを選択することができ、また様々な金属及び誘電体の加工に対して有利であろう。

微細機械加工のためのパルスレーザシステムの例示的な実施例
図１Ｆは、レーザパルスを用いて加工物を加工するのに適したシステム１００の一実施例を概略的に示す。システム１００はレーザシステム１０４を含み、レーザシステム１０４は制御装置１１４及び走査システム１０６に動作可能に結合される。幾つかの実施例では、レーザシステム１０４は、１つ以上の極短パルス（ＵＳＰ）を含むレーザパルスを出力するように構成される。例えば、少なくとも１つの実施例では、レーザシステム１０４はＵＳＰレーザを含む。様々な実施例では、システム１００は相当な範囲にわたって特定のパルスパラメータの調整を実現する。そのようなパラメータは、パルスエネルギー、パルス繰返し率、パルス幅、スポット直径、隣接するスポットの重複、及び走査速度のうちの１つ以上を含むことができる。例として、最高約１ＭＨｚ又は最高約１０ＭＨｚの調整可能な繰返し率で、パルスを生成することができる。出力パルスは約１μＪ以上、例えば最高約５〜２０μＪのエネルギーと、約１ピコ秒以下のパルス幅とを有することができる。システム１００の様々な実施例のさらなる詳細について、以下に説明する。

幾つかのタイプのパターン付き基板及びパターンなし基板の加工には、少なくとも数百ｋＨｚの繰返し率で動作する増幅レーザシステム、特に極短ファイバベースのチャープパルス増幅システム（ＦＣＰＡ）が適している。増幅された極短パルスの列を用いると、例えば数マイクロジュールの高いパルスエネルギーが得られる。少なくともマイクロジュールの範囲内の十分なパルスエネルギーが得られ、幾つかの実施例では、１５〜４０μｍの典型的なスポット直径で高い処理能力を実現する。

幾つかの実装形態では、複数のパスを使用することができる。これらのパスで使用されるパルスエネルギーは、追加のパスで使用されるエネルギーと同じであっても異なってもよい。さらに、幾つかの実施例では、パルスエネルギーをパス間で変動させることができる。

幾つかの実施例では、他のレーザパルスパラメータをパス間で調整することができる。例えば、少なくとも導電材料及び／又は誘電体材料の除去には、比較的長いパルス幅を使用することができる。そのようなパルス幅は、最高数ナノ秒（ｎｓ）、１ナノ秒未満、又は約５００ピコ秒以下とすることができる。少なくとも下にあるシリコン材料を切削するために、極短パルス、例えば１ピコ秒に満たないパルスを使用することもできる。

幾つかの実装形態では、別々のパスにおいて、又は幾つかの実施例では、任意の単一のパス中にレーザ光のバーストを材料のターゲット面積に加えることによって、長パルス及び短パルスを加えることができる。場合によっては、バーストは所定の繰返し率で加えることができ、また時間的に変位又は重複させたレーザ光の少なくとも第１及び第２のパルスを含むことができ、また第１のパルス幅は第２のパルス幅より大きくし、幾つかの実施例では持続時間で１０ピコ秒より大きくすることができ、第２のパルス幅は極短パルス、例えば１ピコ秒に満たないパルスとすることができる。バースト内のパルスのパルス離隔距離は、約１μ秒から０．１μ秒とすることができ、幾つかの実施例では、より短い離隔距離を使用することができる。第２のパルス幅は、上記のとおり、１ピコ秒に満たないもの（例えば、１００フェムト秒未満）から約１０ピコ秒、通常約５０ピコ秒未満とすることができる。さらに、第１及び第２は、時間的順序に制約されるものではなく、任意の順で加えることができる。例えば、それぞれ最初に上側から走査するか、それとも底側から走査するかによって、逆の順になる可能性がある。

幾つかの微細機械加工の実装形態に対する１つの可能な好ましいレーザシステムは約数百ｋＨｚから１０ＭＨｚの調整可能な繰返し率（表面に送達されるパルス）で少なくとも約５μＪのパルスエネルギーを提供し、最高約１０ｍ／秒の速度で走査するスキャナに結合される。このシステムは、高いパルスエネルギー及び十分に高い処理能力を実現するために、光パワー増幅器を含むことができる。システムの少なくとも一部分はファイバベースであることが好ましい。

１つの好ましい実施例では、レーザ光源はＹｂドープ増幅ファイバレーザ（例えば、ＩＭＲＡ Ａｍｅｒｉｃａから入手可能なＦＣＰＡ μＪｅｗｅｌ）を含む。そのようなレーザは市販の固体レーザシステムに勝る幾つかの主な利点を提供する。例えば、このレーザ光源は約１００ｋＨｚから５ＭＨｚの範囲にわたって可変繰返し率を提供する。発振器だけのシステムより高いパルスエネルギーにより、焦点幾何形状をますます柔軟にする（例えば、所与のフルエンスに対してスポット寸法をより大きくする）ことができる。少なくとも１つの実施例では、約１ＭＨｚの繰返し率で最高約１０μＪのパルスエネルギーを加えることができ、５ＭＨｚの率では少なくとも約１μＪを加えることができる。様々な固体の再生式増幅システムより高い繰返し率により、速度をより速くすることができる。幾つかの発振器はマイクロジュールのパルスエネルギーをもたらすことが実証されているが、複雑さはＣＰＡシステムと少なくとも同等である。

そのようなエネルギーはまた、パワー増幅器、例えばほぼ回折限界の出力ビームを生成する少なくとも１つの大モード増幅器を利用するファイバベースのシステムの実施例で実現可能である。少なくとも１つの実施例では、大モード増幅器は、モードロック式ファイバ発振器からの低エネルギーのパルスを受け取って、これらのパルスをマイクロジュールレベルに増幅することができる。発振器及びパワー増幅器を組み込んで、オールファイバシステムを形成することが好ましい。多数の可能性が存在する。

幾つかの実施例では、特により低いパルスエネルギー及び／又はより高い繰返し率を用いて加工するために、オールファイバ極短パルスレーザシステムを利用することができる。このシステムは、１ピコ秒未満のパルス幅を生成するファイバベースのパルス増幅システムを含むことができる。光スイッチを用いてファイバ発振器からの低エネルギーのパルスを選択し、ファイバ増幅器を用いて少なくとも約１００ｎＪに増幅することができる。エネルギーが比較的低い場合、ファイバ増幅器を用いて１ピコ秒に満たないパルスを増幅することができる。他の実施例では、オールファイバ・チャープパルス増幅システムは、パルス・ストレッチャ及びパルス圧縮器を含むことができる。圧縮器は、少なくとも部分的なパルス圧縮を実行するファイバ圧縮器、バルク圧縮器、又はその組合せを含むことができる。さらなる増幅、高調波変換などを含む多くの変形形態が可能である。

様々な実施例は、多数の微細機械加工の適用分野に適したファイバベースのチャープパルス増幅システムを含む。このシステムは、最高数十マイクロジュール、及び最大約１００μＪまでのパルスエネルギーを使用して材料を加工するのに特に適している。スポット直径は約１ミクロンから約１００μｍの範囲内とすることができる。幾つかの実施例では、スポット寸法は約１０μｍから１００μｍ、又は１０μｍから約６０μｍ、又は２５μｍから５０μｍの範囲内とすることができる。パルス幅は数十フェムト秒（例えば、５０フェムト秒）から約５００ピコ秒の範囲内とすることができる。これらのパラメータは通常、加工している加工物材料（複数可）に対するアブレーション閾値付近又はそれを上回るエネルギー密度を実現し、また必要な全体的なエネルギーは、例えば、スポット直径に依存することがある。加工物材料は、それだけに限定されるものではないが、金属、無機誘電体、有機誘電体、半導体材料、低誘電率誘電体材料、又はこれらの組合せを含むことができる。

図１Ｆは、加工物、例えば半導体基板を加工するのに使用することが可能なシステム１００の第１の実施例を概略的に示す。システム１００はレーザシステム１０４及び走査システム１０６を含む。この実施例では、走査システム１０６は、２次元走査が可能な２つのビーム偏向器１０８、例えばガルバノメータ走査ミラーを含む。他の実施例では、異なる数及び／又はタイプの走査ミラーを使用することもできる。幾つかの実施例では、走査は１次元で行うことができる。走査システム１０６はまた、例えば、ターゲット基板１１２に実質上平坦な視野をもたらすことが可能な組み込まれたｆθレンズなどの集束光学系１１０を含むことができる。例えば、幾つかの実施例では、このｆθレンズは、約８０００ｍｍ^２の面積にわたって実質上平坦な視野で２０μｍのレーザ焦点スポットをもたらすように構成される。他の実施例では、例えばウエハ切削又はダイシングの適用分野では、約６０ｍｍ×６０ｍｍの面積にわたって実質上平坦な視野で、１０〜５０μｍのレーザ焦点スポットを利用することができる。走査システム１０６（及び／又は他のシステム構成要素）は、制御装置１１４によって制御することができる。例えば、制御装置１１４は、１つ以上の汎用及び／又は特殊目的コンピュータを含むことができ、これらのコンピュータは、遠隔、及び／又はシステム１００にローカルとすることができる。

他の実施例では、走査システム１０６内で追加の光学素子（例えば、ミラー、レンズ、格子、空間光変調器など）を利用することができる。基板内に形成すべきパターンは、有線及び／又は無線の技法を含む多くの方法を介してシステム１００に通信できることが、当業者には認識されるであろう。特定の実施例では、パターンは曲線及び／又は多角形を含むベクトル・グラフィックスによって表され、３次元の機械加工命令を含むことができる。多くの変形形態が可能である。

幾つかの実施例では、レーザシステム１０４は、１つ以上の極短パルス（ＵＳＰ）を出力するように構成されたＵＳＰレーザを含むことができる。極短パルスは、例えば、約１０ピコ秒未満などの持続時間を有することができる。図１Ｆに示す例示的なシステム１００では、レーザシステム１０４は、超高速パルス列を生成することが可能なファイバベースのレーザを含むことができる。例えば、このレーザは、ＩＭＲＡ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．（ミシガン州アナーバー）から入手可能なＦＣＰＡ μＪｅｗｅｌレーザを含むことができる。レーザパルスの波長は約１μｍとすることができる。幾つかの実施例では、例えば波長約５２０ｎｍの緑色光パルスなど、より短い波長のレーザパルスが使用される。他の実施例では、任意の他の適切なレーザシステムを実施することができる。特定の実施例では、レーザシステム１０４はパルス幅が約１０ピコ秒未満のレーザパルスを生成することができる。例えば、パルス幅は約１００フェムト秒から約１ピコ秒の範囲内とすることができる。幾つかの実施例では、パルス幅は約１０フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内である。レーザシステム１０４の他の実施例では、例えば、１０ナノ秒以下、１ナノ秒以下、１００ピコ秒以下、１ピコ秒以下、及び／又は１００フェムト秒以下などの他のパルス幅が使用される。

特定の実施例では、レーザシステム１０４はダイオードベース及び／又はマイクロチップレーザ種光源を含むことができ、また約１ナノ秒、数ナノ秒、及び／又は最高約１０ナノ秒の持続時間を有するパルスを出力することができる。レーザシステム１０４は所望の特性を有するパルス出力するのに適した任意のタイプのレーザを含むことができる。

幾つかの実施例では、比較的高いレーザ繰返し率を使用して、比較的迅速なレーザ加工を可能にする。例えば、繰返し率は、５００ｋＨｚより大きくすることができる。特定の実施例では、約１ＭＨｚから１０ＭＨｚの繰返し率を使用することができる。他の繰返し率も可能である。本明細書に開示の結果に基づいて、幾つかの実施例では、比較的高い繰返し率を利用して、図１Ｄに概略的に示す再堆積材料１００５−ａの量を低減させることができる。幾つかの実装形態では、各焦点スポットの直径内で、数十又は数百のレーザパルスが重複することがあり、幾つかの実施例では、各焦点スポットは直径約２０μｍ、又は１０〜５０μｍとすることができる。他の実施例では、異なる数のパルスが重複することがある。例えば、幾つかの実施例では、少数のパルス、例えば３つのパルスが重複することがある。比較的高い繰返し率の別の可能な利点は、より低い繰返し率が使用されるときより短い時間内に基板を加工できることである。従って、特定の実施例では、改善された品質を同時に提供しながら、システム１００の処理能力が改善される。

図２Ａは、超高速パルス列を介して半導体ターゲット基板１１２を加工するのに使用できるシステム２００の一実施例を概略的に示す。このシステム２００は、図１Ｆに概略的に示す実施例に全体として類似のものとすることができる。図２Ａに示す実施例内のレーザシステム１０４は、図１Ｆに示す実施例には図示していない任意選択の内部パルス変調器２０２を含む。光変調器２０２はレーザパルス列の繰返し率の変調に使用することができる。幾つかの実施例では、レーザパルス列は、例えば極短パルスの１つ以上の列など、１つ以上の極短パルスを含む。幾つかの実施例では、変調器２０２は、レーザパルス繰返し率を、発振器繰返し率（幾つかのファイバレーザ実施例では、通常約５０ＭＨｚ）から機械加工繰返し率（通常約１ＭＨｚ以下）に変化させるように適合される。例えば、変調器２０２は、Ｎ個おきのパルスだけを発振器パルス列から最終パワー増幅器へ伝送すること、又はパルス群を伝送することを可能にするように構成することができる。特定の実施例では、発振器の安定性を改善するために５０ＭＨｚ程度の発振器繰返し率が利用される場合、高エネルギーのパルス列を生成するためにそのような発振器増幅器構成を実施できると好都合である。そのような発振器増幅器システムは、当業者にはよく知られている。

特定の実装形態では、内部変調器２０２により、パルスエネルギー及びパルスピークパワーを実質上瞬時に変化させながら、増幅器内の平均パワー及び熱条件を実質上同じままにすることができる。内部変調器２０２は、音響光学変調器又は任意の他の適切な光変調器を含むことができる。特定の実施例では、レーザシステム１０４は、パルスエネルギーが約１μＪを上回り、パルス持続時間が約１０ピコ秒より短く、パルス繰返し率が約１００ｋＨｚより大きなパルスを出力する。

図２Ａに示す実施例はまた、例えば第２高調波発生（ＳＨＧ）変換器などの周波数変換器２０４を含む。この実施例では、高調波変換効率はレーザパルスエネルギーに比例するので、ＳＨＧ変換器と内部変調器２０２を組み合わせると、「高速シャッタ」を提供する。従って、発振器からのレーザ繰返し率を変調することによって、機械加工ビーム（例えば、伝送されるＳＨＧビーム）を実質上瞬時にオン及びオフにすることが可能である。そのような迅速なシャッタリングは機械的には可能ではなく、また光学的には、ビーム品質、パルス持続時間などの劣化を引き起こすことなく高いレーザパワーのために実施するのは困難である。幾つかの実施例は、第３高調波発生変換器及び／若しくは第４高調波発生変換器又は任意の他の適切な高調波発生変換器を含むことができる。

図２Ａに示す実施例はまた、レーザシステム１０４、走査システム１０６、周波数変換器２０４、及び／又は他のシステム構成要素を制御するために使用できる制御装置１１４を含む。例えば、特定の実施例では、変調器２０２並びに走査システム１０６（例えば、走査ミラー１０８及び／又は集束光学系１１０）の制御は、レーザ照射条件をはるかに大幅に制御できるようにし、それによって機械加工の深さ及び横方向の範囲をより大幅に制御するように関連付けることができる。例えば、幾つかの実施例では、制御装置１１４は、あるパルス繰返し率でのターゲット材料の加工中に、隣接する集束パルス（又はパルス群）間の空間的重複を制御するように構成される。

図２Ｂは、超高速パルス列を用いてターゲット基板を加工するのに使用することが可能なシステム２３０の一実施例を概略的に示す。この実施例では、レーザシステム１０４は、例えばファイバベースのチャープパルス増幅（ＦＣＰＡ）システムなどのチャープパルス増幅システムを含む。ＦＣＰＡシステムを使用する利点には、効率及び信頼性の改善が含まれる。また、平均出力パワーが実質上一定であり、又は励起パワーが固定されている場合、ファイバ増幅器の出力エネルギー及びピークパワーは通常、発振器の繰返し率が増大するにつれて低減するので、繰返し率に応じてファイバ増幅器の出力エネルギー及びパワーが変動することを利用して、改善されたＦＣＰＡ性能を提供することができる。

本願の譲受人に譲渡されている様々な米国特許は、小型のファイバ構成を使用するチャープパルス増幅システムを開示している。１９９６年３月１２日出願のＧａｌｖａｎａｕｓｋａｓらの「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇｓ」という名称の米国特許第５，４９９，１３４号、１９９７年１２月９日出願のＨａｒｔｅｒらの「Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｂａｓｅｄ Ｏｎ Ｃｌａｄｄｉｎｇ Ｐｕｍｐｅｄ Ｒａｒｅ−Ｅａｒｔｈ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の米国特許第５，６９６，７８２号、及び２００６年９月２６日出願のＧｕらの「Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｔｅｌｅｃｏｍ−Ｔｙｐｅ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ」という名称の米国特許第７，１１３，３２７号（以下、「‘３２７特許」と呼ぶ）という米国特許のそれぞれの開示全体を、参照により本明細書に組み込む。これらの特許に開示のレーザシステムのいずれか、並びに他の市販の「オールファイバ」レーザシステムを、図２Ｂに示すシステム２３０とともに使用することができる。

特定の実施例では、レーザシステム１０４は、ＦＣＰＡ μＪｅｗｅｌレーザ（本願の譲受人であるＩＭＲＡ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．から入手可能）を含む。ＦＣＰＡ μＪｅｗｅｌレーザは圧縮器２５２の出力でレーザパルスを提供する。出力パルスは最高約１ＭＨｚの調整可能な繰返し率で生成することができる。出力パルスは約１μＪ以上のエネルギーと約１ピコ秒以下のパルス幅とを有することができる。幾つかの実施例では、ピークパワー及びパルスエネルギーが、非直線効果を回避するのに十分なほど低い場合、バルク出力圧縮器ではなくファイバ圧縮器をパルス圧縮に使用することができる。特定の実施例では、出力エネルギー及びピークパワーの増大を実現するために、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ又はフォトニック結晶ファイバを単独で、又はバルク圧縮器若しくは大面積ファイバと組み合わせて使用することができる。

図２Ｂに概略的に示すシステム２３０の実施例では、レーザシステム１０４は単一パスのファイバベースのチャープパルス増幅システムを含む。レーザシステム１０４は、高繰返し率光源２３２、ファイバ・ストレッチャ２３６、ファイバ前置増幅器２４０、パルス選択器／変調器２４４、ファイバパワー増幅器２４８、及び圧縮器２５２を含む。圧縮器２５２の出力は極短パルス列とすることができる。幾つかの実施例では、圧縮器２５２は、より長いパルス幅（例えば、約２００ピコ秒）を提供するように離調させることができる。他の実施例では、圧縮器２５２は使用されず、レーザシステム１０４は最高約１ナノ秒、数ナノ秒、及び／又は最高約１０ナノ秒の幅を有するパルスを出力する。幾つかの実施例では、レーザシステム１０４は、単一パス及び２重パスの前置増幅器、単一又は２重パスのストレッチャ、並びにパワー増幅器構成（図示せず）のうちの１つ以上を含むことができる。これにより、同等のパッケージ寸法内で、より長い引き延ばしたパルス幅及びより高いパルスエネルギーを提供することができる。幾つかの実施例は、偏光維持（ＰＭ）ファイバ増幅器、発振器、及びストレッチャ・ファイバを含むことができる。前述のように、制御装置１１４は、走査システム１０６を介してターゲット基板１１２へのパルスの送達を調和させるように構成することができる。様々な実施例では、制御装置１１４を使用して、レーザシステム１０４の構成要素、走査システム１０６、及び／又は他のシステム構成要素のうちの幾つか又は全てを制御することができる。一実施例では、制御装置１１４は、パルス選択器／変調器２４４を制御することによってレーザシステム１０４を制御するように構成される。前述のように、走査システム１０６は、例えば、例えばガルバノメータ走査ミラーなどの走査ミラー１０８を含むことができる。走査システム１０６はまた、集束光学系１１０を含むことができる。

高繰返し率光源２３２は、１ＭＨｚをはるかに上回る、例えば約２０ＭＨｚから約１００ＭＨｚの範囲内の繰返し率で動作する自走パルス列を提供することができる。オールファイバベースの受動モードロック式又は他のデバイスを含むモードロック式レーザを使用して、そのような繰返し率をもたらすことができる。対応するパルス幅は、例えば、約数百フェムト秒から約１０ピコ秒の範囲内とすることができる。他の実施例では、非モードロック式レーザ光源を使用することもできる。例えば、準ｃｗ半導体レーザの出力を変調し、また任意選択で圧縮して、ピコ秒又はフェムト秒のパルスを生成することができる。適切なレーザ光源は、現在は米国特許出願公開第２００４／０２４００３７号である、Ｈａｒｔｅｒの「Ｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｒｅｐ−Ｒａｔｅ Ｓｏｕｒｃｅ Ｆｏｒ Ｈｉｇｈ−Ｅｎｅｒｇｙ，Ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｌａｓｅｒｓ」という名称の米国特許出願第１０／４３７，０５７号に記載の光源を含む。同願は本願の譲受人に譲渡されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。

ファイバ・ストレッチャ２３６は、ファイバ前置増幅器２４０及び／又はファイバパワー増幅器２４８に対する非直線効果及び／又は損傷を回避するように高繰返し率光源２３２からのパルスを引き延ばすために、ある長さの光ファイバ（例えば、ファイバの分散に応じて約１００ｍから１ｋｍ）を含むことができる。ストレッチャ２３６は、ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）、チャープＦＢＧ、又はその組合せを含むことができる。ストレッチャ２３６は、システム内に蓄積し得る残留ＴＯＤ（存在する場合）を部分的に補償するように、異常な３次分散（ＴＯＤ）を有するファイバを含むことができる。幾つかの実施例では、残留ＴＯＤの大部分は、整合しないストレッチャ（ファイバベース）と圧縮器の分散（バルク格子ベース）の使用に起因する。様々な例示的な実施例では、引き延ばしたパルスの幅は約５０ピコ秒、約１００ピコ秒から約５００ピコ秒の範囲内、又は最高約１ナノ秒の範囲内とすることができる。パルスの引き延ばしは２重パスの構成で行うこともできる。

ファイバ前置増幅器２４０は高繰返し率光源２３２から放出されるパルスのエネルギーを増幅する。ファイバ前置増幅器２４０は幾つかのレーザシステム１０４内で任意選択である。光源２３２は、エネルギーが約数百ｐＪから約１ｎＪ、最高約５ｎＪのパルスを放出することができる。幾つかの実施例では、前置増幅器２４０の出力でのパルスエネルギーは、約１ｎＪを上回ることがあり、例えば約１ｎＪから約２０ｎＪの範囲内、幾つかの実施例では最高約１００ｎＪとすることができる。幾つかの実施例では、マイクロジュールの種パルスを生成するために、前置増幅器として大モード増幅器を使用することができる。例えば、高品質の出力ビームを提供する本願の譲受人によって開発された様々な増幅器の選択肢（例えば、マルチモードファイバ、大コア漏洩チャネルファイバ、フォトニック結晶ファイバ、及び／又はフォトニック・バンドギャップ・ファイバを利用する増幅器）について、以下にさらに説明する。これらの増幅器は、前置増幅器、パワー増幅器、又は通常、多段式増幅器の少なくとも一部分として使用可能である。

パルス選択器／変調器２４４は、パルスをパワー増幅器２４８に選択的に伝送するように構成することができる。パルス選択器／変調器２４４は、音響光学変調器（ＡＯＭ）、電気光学変調器（ＥＯＭ）、高速マッハツェンダ・デバイス（ＭＺ）、及び／又は電子吸収変調器（ＥＡＭ）を含むことができる。ＡＯＭは高圧の電子機器を必要とせず、市販のデジタルドライバ電子機器により使いやすさを提供する。マッハツェンダ変調器（ＭＺ）は、ＧＨｚの帯域幅及び低い駆動電圧を有する組み込まれた光デバイスであり、多くの場合、偏光させた入力ビームを必要とする。幾つかの実施例では、組み込まれたＭＺデバイスの面積が比較的小さいので、使用可能なピークパワーを制限することができる。‘３２７特許に記載のように、幾つかの実施例では、パルス・ストレッチャ２３６は、変調器２４４に入射するピークパワーを低減させる。ＭＺデバイスは１．５５μｍの電気通信の波長で使用されてきたが、ＭＺデバイスは現在、１μｍの波長で利用可能である。‘３２７特許は、ＭＺ変調器を使用するチャープパルス増幅システムを開示している。特定の実施例では、パルス選択器／変調器２４４は約２０ｄＢから約３０ｄＢの強度制御を実現することができ、また入力に応じたパワー増幅器２４８の伝達特性に基づいて、出力強度を少なくとも部分的に制御するために使用可能とすることができる。

特定の実施例では、ファイバパワー増幅器２４８は実質上基本モードで出力を提供するように構成されたマルチモードファイバ増幅器を含む。例えば、このシステムは、Ｆｅｒｍａｎｎらの「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の米国特許第５，８１８，６３０号に記載のファイバパワー増幅器を利用することができる。同特許は本願の譲受人に譲渡されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。マルチモードファイバ増幅器は、望ましくない非直線性及び利得飽和が始まる前に、シングルモード（ＳＭ）ファイバで実現可能なものより高いピークパワー及びパルスエネルギーをもたらす。他の実施例では、大面積の増幅器、例えばフォトニック・バンドギャップ又はフォトニック結晶の設計を利用することができる。例えば、米国特許出願公開第２００６／０２６３０２４号として公開されている「Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｒｏｄｓ ｗｉｔｈ Ｌａｒｇｅ Ｌｅａｋａｇｅ Ｃｈａｎｎｅｌｓ」という名称の米国特許出願第１１／１３４，８５６号に記載のように、漏洩モード設計で高品質の出力ビームが実証された。同願は本願の譲受人に譲渡されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。

前述のように、幾つかの実施例では、圧縮器２５２はオールファイバ圧縮器である。しかし、幾つかの実装形態では、ピークパワーが高すぎる、例えば約１００ｋＷ以上である場合、非直線効果がオールファイバ圧縮器の性能を制限することがある。このとき、ファイバ設計の小型さとバルク圧縮器に関連する柔軟性との間にはトレードオフが存在することがある。幾つかの実施例では、レーザシステム１０４内でファイバとバルク構成要素の両方を使用することができる。

高繰返し率光源２３２は約１μｍの出力波長を有するパルスを生成することができる。幾つかの実施例では、システム２３０は任意選択の周波数変換器２５６を含む。例えば、周波数変換器２５６は、それぞれの可視（例えば、緑色）又は紫外の出力波長（１μｍの入力波長の場合）を生成する周波数２倍器、周波数３倍器、及び／又は周波数４倍器を含むことができる。幾つかの実施例では、周波数変換器２５６は、パラメトリック増幅器を含むことができる。変換効率は通常、ピーク強度がより高くなるとともに改善される。従って、周波数変換器２５６は圧縮器２５２の出力を受け取るように位置決めできると有利である。１つの例示的な実施例では、周波数変換器２５６は第２、第３、及び第４高調波発生を提供するように構成された。第２高調波発生は第１種非臨界位相整合の硼酸リチウム（ＬＢＯ）結晶を使用して実現された。第３高調波は基本波と第２高調波を第２種臨界位相整合のＬＢＯ結晶で和周波混合することによって生成された。第３高調波発生のための実施例では、第１種ＬＢＯ及び第１種ベータ硼酸バリウム（ＢＢＯ）結晶を使用して、近ＵＶ出力波長を生成することもできる。第１種臨界位相整合ベータ硼酸バリウム（ＢＢＯ）結晶では、第２高調波光の周波数を２倍にすることによって第４高調波を生成した。この例示的な実施例では、１０４０ｎｍの基本波長で５０μＪの５００フェムト秒のパルスを有する光が周波数変換器２５６に入力され、これにより、第２、第３、及び第４高調波周波数に対して、それぞれ５３％、２５％、及び１０％の変換効率を提供した。１００ｋＨｚのレーザ繰返し率では、この例示的な実施例は、１０４０ｎｍで約５．００Ｗの平均パワー、並びに５２０ｎｍで約２．６２Ｗ、３４６ｎｍで約１．２０Ｗ、及び２６０ｎｍで約５０４ｍＷの平均変換パワーをもたらした。変換されたパルスエネルギーは、５２０ｎｍで約２６μＪ、３４６ｎｍで約１２μＪ、及び２６０ｎｍで約５μＪであった。周波数が変換された極短パルスを提供するために使用できるレーザシステム１０４のさらなる詳細は、Ｓｈａｈらの「１２μＪ，１．２Ｗ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｔ ３４６ｎｍ ｆｒｏｍ ａ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｔｒｉｐｌｅｄ Ｙｂ Ｃｕｂｉｃｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」、２００５年、ＣＬＥＯ ２００５ Ｐｏｓｔｄｅａｄｌｉｎｅ，ＣＰＤＢ１に記載されている。同文献全体を参照により本明細書に組み込む。

制御装置１１４を使用して、走査ビームの位置決めとレーザパルスの選択を調和させることができる。特定の実施例では、高繰返し率光源２３２が自走するとき、高速光検出器（図示せず）に結合されたある長さの光ファイバを使用して、ビームの一部分が検出される。この光検出器出力は制御装置１１４に同期信号を提供する。この同期信号をデジタル信号とすることができると有利である。走査システム１０６は、例えばＳＣＡＮＬＡＢ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．（イリノイ州ネーパービル）から入手可能なｈｕｒｒｙＳＣＡＮ（登録商標）ＩＩ １４走査ヘッドなどの２次元ガルバノメータミラー１０８を含むことができる。そのような走査ヘッドを使用する利点には、これらの走査ヘッドが低慣性デバイスであり、ユーザフレンドリな市販の制御装置を備え、従ってミラー位置及び／又は速度信号が容易にプログラム可能であることが含まれる。走査システム１０６及び制御装置１１４を並進運動段、回転段、及びロボットアーム（図示せず）の任意の適切な組合せとともに使用して、ターゲット基板１１２を位置決めすることもできる。幾つかの実施例では、走査ミラー１０８を省略することができ、またレーザビーム及びターゲット基板１１２を相対的に移動させるのに適した任意の他のシステム。例えばｆθレンズ及び／又は高分解能の対物レンズなどの適切な集束光学系１１０を使用して、ターゲット材料の表面上又はターゲット材料内に各レーザパルスを集束させることができる。幾つかの屈折光学素子は、材料分散の結果、スポット配置及び集束の誤差、又は他の時間的若しくは空間的な歪みをもたらすことがある。特定の実施例では、極短レーザパルスビーム向けに設計された市販の光学素子が使用される。特定の実施例では、制御装置１１４は、ターゲット材料の加工中に隣接する集束レーザパルス（又はレーザパルス群）間の空間的重複を制御するように構成される。

特定の実施例では、増幅器（複数可）を実質上連続的に動作させて損傷の可能性を低減させ、これらの増幅器からの最大エネルギー抽出を実現できると望ましい。ファイバ増幅器は、高速パルス列を増幅するのによく適している。しかし、幾つかの実施例では、材料加工が行われない期間（「休止期間」）が延長される間に、増幅器損傷のリスクが増大し、望ましくない増幅自然放出光（ＡＳＥ）が生成される。例えば、幾つかの増幅器では、休止期間は、数十マイクロ秒から数百ミリ秒以上の範囲内となることがある。特定のファイバ増幅器では、高利得（強い励起）条件下で自由にレーザ発振するのに十分なレベルまで利得を増大させるには、約１００μ秒という休止時間で十分なことがある。約２５〜４０μ秒の休止時間後、種パルスが射出された場合、増幅器内で増大した利得は、出力ファイバのファセットの損傷を引き起こし得る高エネルギーのパルスをもたらすのに十分な利得を有することがある。従って、特定の実施例では、例えば、米国特許出願公開第２００５／０２２５８４６号として公開されているＮａｔｉらの「Ｍｅｔｈｏｄ Ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ａｎｄ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ Ｐｕｌｓｅｄ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称の米国特許出願第１０／８１３，１７３号に記載のように、入力パルスエネルギーの動的調整及び／又は励起ダイオード電流の制御によって、レーザ構成要素の安定化及び保護が提供される。同願は本願の譲受人に譲渡されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。

システム２３０の様々な実施例では、制御装置１１４は、休止期間中にパルス選択器／変調器２４４を高繰返し率（例えば、約５０ＭＨｚから約１００ＭＨｚ）で動作させるように構成することができる。休止期間中、増幅器２４８は通常、不飽和状態で動作している。パワー増幅器の平均出力は基本波長でわずかに増大することがある。休止期間と「活動」期間（システム２３０がターゲットを加工している）の間のパルスエネルギーの変調は、ビームの迅速なシャッタリング（例えば、「オフ」及び「オン」機能）を提供するのに十分なものとすることができる。幾つかの実装形態では、幾つかの「休止」期間中のターゲット基板１１２上のレーザのフルエンスは、アブレーション及び／又は表面変質閾値を上回ることがあるが、「休止」期間と「活動」期間の間のフルエンスの変調は、プロセス制御に十分なものとすることができる。幾つかの実施例では、任意選択のシャッタ２６０を使用して、ターゲット基板１１２に入射するエネルギーを制御することができる。任意選択のシャッタ２６０は、音響光デバイス、光学機械シャッタ、及び／又は電気光学シャッタを含むことができる。

システム２３０の特定の実施例は、例えば周波数の２倍化及び／又は３倍化を提供できる周波数変換器２５６を含む。特定のそのような実施例では、周波数変換器２５６の出力で、パルスエネルギー及び／又はピークパワーを比較的低くすることができる。そのような場合、変換器２５６の出力を比較的低いエネルギーのパルスとし、大部分のエネルギー成分を基本波長のものとすることができ、ターゲット上の焦点では、エネルギーがターゲット材料のアブレーション及び／又は表面変質閾値を下回るようにすることができる。幾つかのシステム実施例では、ターゲット材料特性を変えないように、約２０ｄＢから約３０ｄＢへの変調器調整で、広い動作範囲にわたって強度の制御を提供することができる。

特定の実施例では、望ましくないビームエネルギーを減衰させる技法を使用することができる。例えば、望ましくないエネルギーは、スペクトルフィルタ（図示せず）を用いて除去することができる。幾つかの実装形態では、第１種位相整合の場合の基本周波数と高調波周波数の偏光状態の違いのため、偏光フィルタリングが可能になることがある。パルス選択器／変調器２４４を制御して、増幅器２４８へのエネルギーを制限することもできる。機械加工波長に対して、走査システム１０６内の集束光学系（又はスキャナが使用されない場合、他の集束光学系）を最適化することができる（機械加工波長は、任意選択の周波数変換器２５６が使用される場合、周波数変換された波長であることがある）。幾つかの実装形態では、集束光学系は、基本波長のスポット寸法を増大させてターゲット基板１１２の表面のエネルギー密度を低減させるように構成することができる。

実際の加工期間中、制御装置１１４を使用して、パルスを「ダウンカウント」し、又はその他の方法で選択するように、パルス選択器／変調器２４４に信号を提供することができる。幾つかの実施例では、加工繰返し率は約１００ｋＨｚから約１０ＭＨｚとすることができる。実際の加工中、ファイバ増幅器から最大エネルギーを抽出するために、飽和状態又はほぼ飽和した状態でレーザを動作できると有利である。

図３は、超高速パルス列を介して加工物（又はターゲット基板）１１２を機械加工するために使用することが可能なシステム３００の一実施例を概略的に示す。このシステム３００は、図１Ｆ及び２Ａ、２Ｂに示す実施例に全体として類似のものとすることができる。システム３００は、ターゲット基板１１２に結合されて走査ビームに対するターゲット位置（及び／又は向き）を操作するように構成されたロボットアームシステム３０４をさらに含むことができる。ロボットアームシステム３０４は、単軸又は多軸システムとすることができる。幾つかの実施例では、走査システム１０６は、ターゲット基板１１２に対して移動される走査ヘッドを含む。走査ビームとターゲット基板１１２の間の相対的移動を提供する実施例の可能な利点は、このシステムで平坦でない表面を加工できることである。

図１−Ｆ、２Ａ、２Ｂ、及び３にそれぞれ概略的に示すシステム１００、２００、２３０、及び３００の幾つかの実施例では、レーザスポット寸法は主に、走査システム１０６内のｆθレンズによって決定される。幾つかの実装形態では、画像に対して妥当な加工面積を有するように、約１０μｍより大きなスポット寸法が使用される。レーザシステム１０４の特定の実施例は、はるかに小さなスポット寸法（例えば、１μｍ以下）を機械加工することが可能である。幾つかの実施例では、そのような小さな焦点寸法の場合、著しく低いパルスエネルギーが使用される。十分に大きな作業面積にわたって十分に高い分解能を実現するには、ターゲット及びビームを互いに対して移動させることができる。例えば、ターゲットを、実質上固定のレーザビームに対して移動させることができる（又は逆も同様である）。

システム１００、２００、２３０、及び３００の特定の実施例では、レーザシステム１０４と走査システム１０６の間の光路に沿って可変望遠鏡を位置決めすることができる。特定のそのような実施例では、ｆθレンズを走査システム１０６から省略することができる。可変望遠鏡を使用して、システムの焦点距離を動的に変動させることができ、またターゲット基板１１２上の焦点スポット寸法の連続的な変動を提供することができる。市販の可変望遠鏡システムは、例えば、ＳＣＡＮＬＡＢ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．（イリノイ州ネーパービル）から入手可能なｖａｒｉｏＳＣＡＮ動的集束ユニットを含むことができる。動的集束を用いるそのようなシステムは、ビーム焦点位置を３次元で調整する能力、及び基板の反り又は他の平坦からの変形によって生じうるターゲット表面位置の変動に追従して補償する有用な能力を提供する。

図４Ａは、超高速パルス列を用いて半導体基板を加工するために使用することが可能なシステム４００の一実施例を概略的に示す。この実施例は、レーザシステム１０４と、レーザビームに対してターゲット基板１１２を移動させるように構成された並進運動段４０８とを含む。特定の実施例では、並進運動段４０８は、十分に高い加工速度を可能にするために、並進運動速度が比較的高い実質上一定の運動状態のままである。幾つかの実施例では、並進運動段４０８は、Ｘ−Ｙ又はＸ−Ｙ−Ｚの並進運動段を含むことができる。例えば、並進運動段４０８は、Ａｅｒｏｔｅｃｈ，Ｉｎｃ．（ペンシルベニア州ピッツバーグ）から入手可能なＮａｎｏ−Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ（ＡＮＴＴＭ）段を含むことができる。例えば、Ｂａｉｒｄらの「Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｏｕｔｐｕｔ Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｆｅｅｄｂａｃｋ」という名称の米国特許第６，１７２，３２５号に記載のような、パルスレーザビーム及びターゲット基板の位置決めを相対的に制御する多くの技法が知られている。幾つかの実施例では、制御装置１１４は、例えばＡｅｒｏｔｅｃｈ，Ｉｎｃ．（ペンシルベニア州ピッツバーグ）から入手可能なＮｍａｒｋ（商標）制御ソフトウェアなど、走査システム１０６と並進運動段４０８を調和させる制御命令を実行することができる。

図４Ａに概略的に示すシステム４００の幾つかの実施例では、変調器４０２を使用して、レーザと材料の相互作用の改善された制御のために実質上瞬時のレーザ変調を提供することができる。変調器４０２は、図２を参照して記載の変調器２０２に全体として類似のものとすることができ、又は変調器４０２は、図４Ａに概略的に示す外部変調器とすることもできる。特定の実施例では、制御装置１１４は、変調器４０２と並進運動段４０８の関連付けられた制御を提供する。

特定の実施例では、本明細書に記載のシステム（例えば、システム１００、２００、２３０、３００、及び４００）は、ターゲット基板に対してレーザビームの複数のパスを使用して、ターゲット基板を加工することができる。例えば、様々な実施例では、アスペクト比の非常に高いフィーチャを形成するために、１０回以上、またおそらく数百回のパスを使用することができる。フルエンス（及び／又は他のシステム・パラメータ）を調整して、所与のパス中に材料除去を制御することができる。

システムの様々な実施例では、システムは、ターゲットのレーザシステムの状態に関する情報を利用することができ、またフィードバック信号に基づいて、例えば２０４年３月３１日出願の「Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｃｏｎｔｒｏｌｓ ａｎｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ」という名称の米国特許出願第１０／８１３，２６９号（以下、‘２６９出願）に記載のレーザパラメータを制御することができる。同願は本願の譲受人に譲渡されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。

幾つかの実施例では、各レーザパルスが個別の特性を有することができるシステムを提供することができる。これらのレーザパルスの少なくとも１つを極短パルスとすることができる。このシステムは、実施例１００、２００、２３０、３００、４００のうちの１つ以上で提供されるパルス又は高繰返し率のパルスバーストを生成するレーザ手段を含むことができる。さらに、レーザ手段を制御する制御手段と、パルスバーストを含むパルスのパルス幅、波長、繰返し率、偏光、及び／又は時間遅延特性を監視するビーム操作手段とを含むことができる。幾つかの実施例では、このシステムは、測定したパルス幅、波長、繰返し率、偏光、及び／又は時間遅延特性に基づいて、制御手段に対してフィードバックデータを生成することができる。一実施例では、レーザ手段はストレッチャ格子及び圧縮器格子を使用するファイバ増幅器を含むことができる。ビーム操作手段は、例えば、レーザパルスのパルス持続時間を測定する光ゲートデバイス、レーザ手段から出力されるレーザパルスのパワーを測定するパワーメータ、及び／又はレーザパルスの繰返し率を測定するフォトダイオードを含む様々なデバイスを含むことができる。周波数変換器、例えば２倍器又は３倍器が利用される幾つかの実施例では、ビーム操作手段は、生成されたレーザパルスの百分率の基本周波数を１つ以上の他の光周波数に光学的に変換し、また、レーザパルスの基本波の一部分を少なくとも１つのより高次の高調波信号に変換する少なくとも１つの光学部材を含む。光学部材は非直線結晶デバイスを含むことができ、制御装置がこの結晶の向きを制御する。特定の実施例では、光周波数を変換する手段は、非直線結晶デバイスから出力されるパルスの１つ以上の所定のパラメータを測定し、また制御手段に対してフィードバックを生成する分析計を含むと有利である。ビーム操作手段の別の実施例は、入力されるレーザパルスの寸法、形状、広がり、及び／又は偏光を制御するための望遠鏡光デバイスと、ターゲット基板上のレーザパルスの衝突位置を制御するためのステアリング光学系とを含む。このシステムは、レーザパルスの特性を監視し、また制御手段に対してフィードバックを生成するビーム・プロファイラをさらに含むことができる。前述のシステムには、それだけに限定されるものではないが、ターゲット基板の屈折率の変更、ターゲット基板の表面マーキング、表面下のマーキング、及び／若しくは表面テキスチャリング、ターゲット基板内の孔、チャネル、トレンチ、溝、バイア、及び／若しくは他のフィーチャの製作、並びにターゲット基板上の薄い材料層の堆積及び／若しくは除去を含む幾つかの用途がある。

図５に示すレーザ加工システムの実施例に示すように、レーザ手段５１００に制御手段５３００が結合される。このレーザシステムは、‘２６９出願の図５に概略的に示すレーザシステムの一実施例に全体として類似のものとすることができる。制御手段５３００は、例えば平均出力パワー、パルス列（繰返し率及び／若しくはバーストモード構造）、パルス持続時間（及び／若しくは時間位相、例えばＦＲＯＧ、周波数分解光ゲート）、並びに／又は空間位相（波面センサ）などの幾つかの出力レーザパラメータを監視する。監視されたパラメータは、フィードバックループを通ってレーザ性能（パルスエネルギー、繰返し率、及びパルス持続時間）を変動させるように、制御手段５３００に関連付けられる。さらに、フィードバックループは、レーザパルスを事前にチャーピングするように圧縮器の位置合わせ（例えば、格子の離隔距離）に関連付けることができ、それによって後のレーザシステムモジュール内の構成要素によってもたらされる光分散を補償することができる。制御手段５３００は、例えばデスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、手持ち式コンピュータ、ワークステーションコンピュータ、又は任意の他の汎用及び／若しくは特殊目的の演算若しくは通信デバイスを含むことができる。制御手段５３００は、コンピュータ（図示せず）上のよく知られているＭＡＣ−ＯＳ、ＷＩＮＤＯＷＳ（登録商標）、ＵＮＩＸ（登録商標）、ＬＩＮＵＸ、又は他の適切なオペレーティングシステムのいずれかを実行することができる。制御手段５３００は、物理的リンク及び／又は無線リンクによって他の演算手段にネットワーク接続することができる。制御手段５３００は、入力デバイス、出力デバイス、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び／又は読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤデバイス、ハードドライブ、及び／又は他の磁気若しくは光記憶媒体、あるいは他の適切な記憶及び検索デバイスを含むことができる。制御手段５３００はまた、システムクロックを有する処理装置、又は他の適切なタイミングデバイス若しくはソフトウェアを含むことができる。入力デバイスは、キーボード、マウス、タッチスクリーン、感圧パッド、又は他の適切な入力デバイスを含むことができ、また出力デバイスは、ビデオ表示装置、プリンタ、ディスクドライブ、又は他の適切な出力デバイスを含むことができる。

幾つかの実施例では、ターゲット基板の状態を監視するため、及び／又はターゲット基板の表面に対する焦点位置を確認／制御するために、追加のツールを含むことができる。例えば、照明及び光学顕微鏡観察システム（図示せず）を使用して、位置合わせマーカを位置決めし、レーザ損傷を確認／否定し、並びにレーザの影響を受けたフィーチャ体積及び／又は形態を測定することができる。追加のデータは、レーザ誘起ブレークダウン分光法（ＬＩＢＳ）及び／又はレーザ誘起蛍光法などの分光診断を含むことによって得ることができる。ターゲット表面から焦点までの距離を精密に決定する距離測定ツールを使用することもできる。幾つかの適用分野では、ある適用分野がミクロンレベルの材料加工を含むことがあるので、距離を決定できると有利である。同様に、ターゲット基板の表面を撮像するカメラシステムも使用することができる。これらの寸法では、小さな誤差／不確実性により、レーザ／材料の相互作用を精密に制御するユーザの能力が低減することがある。これは、幾つかのそのような適用分野では潜在的に、表面が平面でない材料の表面下の加工を伴うので、複雑になることがある。レーザ／材料の相互作用の程度及び性質に精密に影響を及ぼすように、観察／分光ツールからの信号を他のシステム構成要素（例えば、制御手段、光周波数を変換する手段など）にフィードバックすることができる。さらに、距離測定ツール及び／又は観察／分光ツールからの信号を、制御部の加工物の位置にフィードバックすることもできる。走査機構ステアリング光学系及び制御手段５３００により、ビームはターゲット基板に精密に送達される。走査機構ステアリング光学系は、ガルバノメータベースのミラースキャナ及び場合によっては１つ以上の追加の高精度ポジショナを含むことができる。

従って、本明細書に記載のシステムの特定の実施例では、レーザ制御及び診断により、レーザ強度が確実に所望の範囲（及び／又は最適な範囲）内にとどまるように加工パラメータの能動制御を可能にし、それによって一貫したフィーチャ寸法、材料除去率、及び熱効果を保証する。さらに、ビームの寸法、形状、広がり、及び／又は偏光を制御する能力により、機械加工されたフィーチャ（例えば、溝及び／又はトレンチなど）の形状及び／又はエッジ品質をさらに改善（及び／又は最適化）することが可能になる。例えば、その主軸が並進運動の方向に平行である楕円度の高いビームを使用すると、円形の焦点ビームを使用して可能なものより、アスペクト比が高くかつ表面品質が良好なトレンチを生成することが可能であることが実証されている（例えば、Ｂａｒｓｃｈ、Ｋｏｒｂｅｒ、Ｏｓｔｅｎｄｏｒｆ、及びＴｏｎｓｈｏｆｆ、「Ａｂｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｕｔｔｉｎｇ ｏｆ Ｐｌａｎａｒ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｕｓｉｎｇ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｐｕｌｓｅｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓｉｃｓ Ａ ７７、２３７〜２４４頁（２００３）、並びにＯｓｔｅｎｄｏｒｆ、Ｋｕｌｉｋ、及びＢａｒｓｃｈ、「Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｈｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｗｉｔｈ Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ−ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒｓ Ｃｒｅａｔｉｎｇ ａｎ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｔｏ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｓａｗｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＣＡＬＥＯ、米国ジャクソンビル、２００３年１０月参照）。走査の方向に対してレーザ偏光を調整すると、フェムト秒で機械加工された溝の表面及びエッジ品質に影響を及ぼすことも分かっている。本明細書に記載のレーザシステムの様々な実施例によって可能になる、レーザ及びビームのパラメータを能動的に監視して別々に制御する能力は、例えば表面の溝及び／又はトレンチを含むフィーチャの製作において、再現可能なミクロンレベルの精度を実現するのに有益である。

フィードバック及び制御部を有するシステムのさらなる詳細は、例えば図７〜１３及び‘２６９出願の対応する文章など、‘２６９出願に記載されている。

幾つかの実施例では、ピコ秒のパルス列が材料除去に十分な全体的なエネルギーを有する場合、加工を実施することができる。例えば、パルス幅は約１０ピコ秒から約５００ピコ秒の範囲内とすることができる。幾つかの実施例では、パルス圧縮器が利用されないことがある。そのような実施例では、１つ以上のレーザ光源からのパルスを増幅して、加工パルスを生成することができる。そのような構成は、システム１００、２００、２３０、３００、及び４００の実施例に全体として類似のものとすることができるが、パルス圧縮器が省略される。

実施例は、多くの微細機械加工の適用分野に適用でき、また、例えばウエハ切削、ダイシング、スクライビング、及び類似の適用分野を含むマイクロエレクトロニクスの適用分野によく合っている。幾つかの適用分野では、そのような適用分野に適合された方法及びデバイスを使用して、システム実施例１００、２００、２３０、３００、及び４００に示す素子の適切な変更を行うことができる。例えば、一実施例では、基板位置決め機構は、Ｘ−Ｙ−Ｚ段４０８と、６軸機能を提供するため、並びに／又はターゲット基板（例えば、ウエハ）の平坦さ及び共平面性を維持するための追加の回転機構（複数可）とを含むことができる。例えば、ウエハは、切削動作のために、別の材料（例えば、テープ）によって特殊なホルダ（例えば、ウエハチャック）に取り付けることができる。

システム１００、２００、２３０、３００、及び４００の特定の実施例は、レーザ及び増幅器（複数可）の様々な組合せを含む。幾つかの実施例では、ファイバベースの技術が好ましいが、様々な実施例では、導波路レーザ及び／又は増幅器、再生増幅器などを利用することができる。幾つかの実施例では、これらの技術を、ファイバ増幅器、レーザ、及び／又はある長さのドープされていない伝送ファイバと組み合わせて使用することができる。例えば、一実施例では、受動Ｑスイッチ・マイクロチップレーザが、１ＭＨｚをいくぶん下回る、例えば最高約１００〜５００ｋＨｚ及びそれよりいくぶん大きな繰返し率で、数マイクロジュールのパルスエネルギーを生成することができる。パルス幅は、約１ピコ秒から約１００ピコ秒の範囲内とすることができる。幾つかの実施例では、マイクロチップレーザは、例えば上記で組み込んだＨａｒｔｅｒの米国特許出願第１０／４３７，０５７号に開示のファイバ増幅器の種となることができる。

幾つかの実施例では、数ナノ秒未満のパルス幅、例えば１ナノ秒に満たないパルス又は幅が約５００ピコ秒以下であるパルスを利用することができる。１００、２００、２３０、３００、及び４００で示す実施例の適切な変更は、ダイオードベース又はマイクロチップのレーザ種光源、パルス・ストレッチャ及びパルス圧縮器のうちの少なくとも１つの排除、増幅器段の数の低減、増幅器段の排除などを含む。

例えば、上記で組み込んだ米国特許出願第１０／４３７，０５７号は、極短パルス幅を生成するように様々なファイバ素子及びファイバ以外の素子を用いて増幅及び圧縮された種及びマイクロチップレーザ光源を利用する様々な実施例を開示する。一実施例では、半導体レーザダイオードを使用して数ナノ秒の種パルスが生成され、その一部分はＧＨｚの電気光学変調を使用して選択され、次いで増幅及び圧縮パルスを得るようにさらに加工される。標準的な繰返し率は約１０ＭＨｚ未満である。開示される構成は、所定の公差内で幾何学的フィーチャを作るために比較的高繰返し率（例えば、５００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ）の短パルス（１ピコ秒に満たないものから約数ナノ秒）を構築するように、当業者には使用可能な素子及びサブシステムを提供する。より高い繰返し率で動作すると、加工位置上又はその非常に近傍では再堆積材料の蓄積が低減される。

多数の変形形態が可能である。例えば、幾つかの実施例では、Ｑスイッチ・マイクロチップレーザは、幅が数ピコ秒から数十ピコ秒であるパルスを数十ｋＨｚから最高約１００ｋＨｚの率で提供することができる。幾つかの実施例では、動作繰返し率を実質上、例えば５００ｋＨｚ又は数ＭＨｚまで増大させることができ、１ナノ秒に満たない幅までのパルス幅の増大を許容できる。任意選択で、一実施例はファイバ増幅器を含むことができる。例として、「Ｐａｓｓｉｖｅｌｙ Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ １．３４μｍ Ｎｄ：ＹＶＯ_４ Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓａｔｕｒａｂｌｅ Ａｂｓｏｒｂｅｒ Ｍｉｒｒｏｒｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．１３でＲ．Ｆｌｕｃｋ、Ｂ．Ｂｒａｕｎ、Ｅ．Ｇｉｎｉ、Ｈ．Ｍｅｌｃｈｉｏｒ、及びＵ．Ｋｅｌｌｅｒは、性能が１μｍバージョンに類似している初期の１．３μｍの受動Ｑスイッチレーザを開示している。ＳＥＳＡＭ（半導体可飽和吸収ミラー）の励起パワー、結晶長さ、及び設計の変動の結果、パルス幅は２３０ピコ秒から１２ナノ秒になり、繰返し率は３０ｋＨｚから４ＭＨｚになった。

幾つかの実施例は、本願の所有者であるＩＭＲＡ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．によって開発された初期モデルＧＸＰパルサの変更を含むことができる。このシステムは半導体種レーザ及び少なくとも１つの光ファイバ増幅器を利用した。多数の他の構成が可能である。

様々な実施例は約二三百ピコ秒から数百ピコ秒の範囲内のパルス幅を提供することができる。このレーザシステムはＦＣＰＡシステムを含むことができる。ピコ秒以上のパルスを利用する幾つかの実施例では、あらゆるパルス圧縮器を排除することができる。別法として、システムはチャープパルス増幅を用いることなく、例えば好適にはファイバ増幅器システムを用いて、増幅したピコ秒パルスを生成するように構成することができる。

再び図４Ａを参照すると、レーザシステム１０４は、モードロック式ファイバ発振器又は他の種光源と、ファイバパワー増幅器を有するファイバ増幅器システムとを含むことができる。様々な実施例では、ファイバパワー増幅器は、実質上基本モードで出力を提供するように構成されたマルチモードファイバ増幅器を含む。例えば、このシステムは、Ｆｅｒｍａｎｎらの「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の米国特許第５，８１８，６３０号に記載のファイバパワー増幅器を利用することができる。同特許は本願の譲受人に譲渡されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。マルチモードファイバ増幅器は、望ましくない非直線性及び利得飽和が生じる前に、シングルモード（ＳＭ）ファイバで実現可能なものより高いピークパワー及びパルスエネルギーをもたらす。他の実施例では、大面積の増幅器、例えばフォトニック・バンドギャップ又はフォトニック結晶ファイバの設計を利用することができる。例えば、米国特許出願公開第２００６／０２６３０２４号として公開されている「Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｒｏｄｓ ｗｉｔｈ Ｌａｒｇｅ Ｌｅａｋａｇｅ Ｃｈａｎｎｅｌｓ」という名称の米国特許出願第１１／１３４，８５６号に記載のように、漏洩モード設計で高品質の出力ビームが実証された。同願は本願の譲受人に譲渡されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。

少なくとも１つの実施例では、この増幅器をレーザシステム１０４内に含むことができる。図４Ｂは、ファイバ増幅器内、又はマルチモード励起光源によって励起されたレーザ内で使用できる、希土類イオンでドープされたコアを含む大モード面積ファイバの例示的な実施例４７０を概略的に示す。例えば、実施例４７０は図４Ａに概略的に示すレーザシステム１０４内に含むことができる。モードロック式発振器、半導体ダイオード、ダイオード及び電気光学変調器、並びに／又は他の適切な光源を用いて、入力ビーム４５６を生成することができる。大モード増幅器を用いて増幅する前に、前置増幅器でパルスエネルギーレベルを高めることができる。レーザシステム１０４はまた、増幅前及び／又は後にパルスを調整するために、パルス選択器、偏光制御装置、及び／又はビーム成形光学系を含むことができる。図４Ｂに示す実施例４７０では、ファイバ４５０は、まっすぐな入力端部４５１及び出力端部４５２と、これらの端部間のコイル状の部分とを有する。結合レンズ４５４を使用して増幅器又はレーザを励起させるために、マルチモードポンプ４５５が使用される。入力ビーム４５６は、レンズ４５３を通ってファイバ４５０内に入射する。出力４５７は、ダイクロイックミラー４５８によって分離される。他の実施例では、ファイバ４５０及び／又は他の構成要素は、図４Ｂに概略的に示すものとは異なる形で構成することができる。また、図４Ｂに示す例示的な実施例４７０に示すものとは異なる形で、様々な構成要素を除去、追加、及び／又は構成することができる。

非直線効果が低減され又は無視できる状態でフェムト秒、ピコ秒、及び／又はナノ秒の範囲内でピークパワーの高いパルスを生成するために、オールファイバ設計において様々なレーザ又は増幅器の実施例を利用することができる。レーザ又は増幅器はまた、利用可能なパルスエネルギーをさらに増大させるためにＦＣＰＡシステム内で利用することもできる。１つの例示的な実施例では、約７０μｍ〜１００μｍ以上のコア直径を使用して、数ｍＪから約１０ｍＪのエネルギーを有するナノ秒のパルスを生成することができる。別の実施例では、例示的なパルス幅が約１〜１０ピコ秒である極短パルスを生成することができ、出力エネルギーは約１０μＪから数百μＪの範囲内である。様々な実施例では、約１００ｋＨｚより大きく、最高少なくとも数ＭＨｚのパルス繰返し率を利用することができる。平均パワー定格及びシステム要件に応じて、１００ＭＨｚから１ＧＨｚの範囲内の繰返し率もまた可能である。例として、「Ｇｌａｓｓ Ｌａｒｇｅ−Ｃｏｒｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒｓ」という名称のＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７４６６８号に開示のように、マイクロチップレーザから放出された繰返し率２５ＫＨｚ、パルスエネルギー５μＪ、及びパルス幅６００ピコ秒の入力パルスは、大コア漏洩チャネルファイバ内で約４００μＪに増幅され、非直線効果によって歪みを生じさせることなく、ほぼ回折限界の出力ビームをもたらした。同願は本願の譲受人によって所有されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。この実験では、パルスの引き延ばし又は圧縮は利用されなかった。より高いパルスエネルギー及び繰返し率も実現可能である。従って、ファイバベースの増幅レーザ構成に対して、多くの可能性が存在する。

実験結果−シリコントレンチ掘り及びウエハダイシング例
以下の例示的な実験結果は、「トレンチ掘り」及び「ウエハダイシング」のためのシステム及び方法の実施例を実証する。これらの例示的な実験では、シリコン基板は通常、１ピコ秒に満たないパルス幅を有する極短パルスを使用して加工された。幾つかの結果は、最高約２００ピコ秒のパルス幅を有するパルスを用いて得られた。

実験システム
図６Ａに概略的に示すように、この実験構成は、１０μＪより大きな利用可能なパルスエネルギー、約５００フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅、及び１００ｋＨｚを超える繰返し率を提供するレーザシステム１０４を含んだ。この実験システムのレーザパラメータは変動されたが、必ずしも全てのパラメータが互いから独立していたわけではない。例えば、パルスエネルギーは、最小の実現可能なパルス幅に影響を及ぼす。幾つかの実験では、基板表面の典型的な集束スポット寸法は約１５μｍであり、１０μＪのエネルギーで、約５〜６Ｊ／ｃｍ^２の平均フルエンス及びほぼ１０^１３Ｗ／ｃｍ^２のパワー密度を提供する。幾つかの実験では、繰返し率が５００ｋＨｚである場合、システムによって生成される平均パワーは約５Ｗである。

システムの写真を図６Ｂに示す。実験設備は、機械加工中に生成される粒子状のヒュームを除去するように動作可能なヒューム抽出器６１４を含む。ヒューム抽出器６１４は、約３５０立方フィート／分の抽出率で動作された。この実験設備はＸＹＺ運動システム６１０を含んだ。

測定ツール、方法、及び仕様
図７は、アブレーションされた体積と加工位置近傍の再堆積した体積との近似を得るように加工品質を定量化する１つの例示的な技法を概略的に示す。幾つかの加工の適用分野では、レーザパラメータが機械加工品質に及ぼす影響を定量化するには、リキャスト・ピーク又は平均高さに対するトレンチ深さの大まかな測定で十分であることがある。しかし、他の加工の適用分野では、除去される材料の量とリキャストされる材料の量の関係を特徴付けた方がより精密であろう。

一例として、図７は、レーザベースの材料加工を定量化する１つの可能な方法を概略的に示す。例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて得られるトレンチの断面画像から、アブレーションされた面積は、トレンチの垂直二等分線の形状（図７内の陰影を付けた三角形）に三角形を適合させることによって近似される。また、三角形の近似を使用して、リキャストされた材料の量（図７内の網目状の陰影を付けた三角形）も近似する。従って、トレンチ（又は他のフィーチャ）の品質は、三角形のアブレーションされた面積と三角形のリキャスト面積の比によって定量化される。以下の例示的な結果では、ＪＥＯＬ ＵＳＡ，Ｉｎｃ．（マサチューセッツ州ピーボディー）から入手可能なＪＥＯＬ ＪＳＭ ６０６０ ＳＥＭが使用された。自動又は半自動ツール、例えば全自動ＳＥＭシステム、白色光干渉計、表面形状測定装置（複数可）、及び／又は原子間力顕微鏡を使用すると、追加の測定が得られる。

測定の幾つか、特に２００ピコ秒というより長いパルス幅を用いた測定は、その面積を囲む多角形を用いてトレンチ及びリキャストを近似すること、そして多角形の面積から面積を推定することによって行われた。様々な実施例では、多角形は３、４、５、６、７、８、又はより多くの辺を有することができる。他の実施例では、異なる形状を使用して、トレンチ及び／又はリキャスト面積を推定することができる。例えば、スプライン、最良適合曲線などによって、フィーチャの断面プロファイルを近似することができる。さらに他の実施例では、フィーチャ内に「適合」する複数の幾何形状（例えば、方形、台形など）の面積を合計すること（例えば、台形法又はシンプソン公式を使用して曲線下の面積を近似することに全体として類似）によって、トレンチ及び／又はリキャスト面積を推定することができる。多種多様な数値的技法を使用して面積を推定することができる。

図７Ａ〜７Ｆは、シリコン試料から得られる断面の例示的なＳＥＭ写真を示す。これらの写真は、以下に説明する実験で観察される傾向を実証する。図７Ａ〜７Ｆは、レーザパラメータの値を含む。これらのパラメータはおおよその値であるが、以下に述べるあらゆる結論を支持するのに十分な確度で知られている。図７Ａ〜７Ｆは、これらのＳＥＭ写真に示す様々なフィーチャの寸法を示すためのスケールバーを含む。

以下、対応する図において、様々な走査速度の機械加工（又は加工）パスの数Ｎを参照する。様々な実施例では、このスキャナ構成はある走査速度（例えばｍ／秒単位で測定される）を実現するが、特定の実施例では、固定の率（例示的な実験では１０ｍ／秒）で帰線期間が発生することがある。以下に記載の例示的な実験では、レーザ光源は帰線期間中に活動していたので、レーザ露光は、記載のパルスエネルギーよりいくぶん大きく、１０ｍ／秒の帰線速度と記載の走査速度の比から、追加の露光を決定することができる。

パルスエネルギーの変動の例示的な影響
図７Ａ及び７Ｂは、レーザエネルギーの変動の幾つかの例示的な実験上の影響を示す。これらの例では、機械加工中、レーザ繰返し率は２００ｋＨｚに、焦点スポット直径は１５μｍに、また空間的重複は約３３％に固定された。図７Ａは、約１０μＪのパルスエネルギーに対する結果を示し、図７Ｂは、約２０μＪのパルスエネルギーに対する結果を示す。図７Ａ及び７Ｂ内の画像パネルは、１００回のパス、２００回のパス、及び４００回のパスの結果を示す。パルスエネルギーを１０μＪから２０μＪに増大させると、機械加工パスの数が増大するとともに透過の深さがより大きくなる。また、パルスエネルギーをより大きくすると、アブレーションされたフィーチャの周囲の再堆積材料の量もより大きくなる。例えば、この例では通常最大の機械加工深さに対応する２０μＪのパルスエネルギーを使用して４００回のパスを行った後、この機械加工により、再堆積材料のピークからピークまでの距離は約１５μｍになった。対照的に、１０μＪのパルスでは、再堆積材料のピークからピークまでの距離は約１０μｍしかないことが測定された。従って、アブレーションされた体積がより大きくなる結果、再堆積される体積もより大きくなる。

走査速度及び効率と望ましくない再堆積材料の関係の例示的な影響
図７Ｃは、走査速度、効率、及び再堆積材料の蓄積の影響を示すＳＥＭ写真を含む。この例では、５００ｋＨｚのレーザ繰返し率、１５μｍ１／ｅ^２の焦点スポット直径、１０μＪのパルスエネルギー、及び１００回のパスが固定のパラメータであった。走査速度は、約０．５ｍ／秒から約８ｍ／秒の範囲内で変動された。走査速度がこの範囲内で増大するにつれて、入射パルスの空間的重複及び全体的な入射エネルギーは低減し、またアブレーションされた体積と再堆積した体積はどちらも低減される。空間的重複を低減させると、単位面積当たりの熱負荷が低減し、また後のレーザパルスと「励起」材料の相互作用が低減する。走査速度がこの範囲内で増大すると、アブレーションされた深さとリキャスト高さの比は増大し、その結果、加工はより清浄になる。この傾向は珍しいことではなく、一般に、ナノ秒の固体レーザシステムを用いた高速／マルチパス切削及び螺旋状ドリル加工の適用中に観察される。

レーザ繰返し率の例示的な影響
図７Ｄ〜７Ｆは、レーザ繰返し率が機械加工品質に及ぼす例示的な影響を示す。この例では、１／ｅ^２で約１５μｍの固定焦点スポット直径、２０μＪのパルスエネルギー、及び２００回の機械加工パスが固定のパラメータであった。図７Ｄ〜７Ｆのそれぞれでは、画像パネルは、走査速度が約０．５ｍ／秒から約１０ｍ／秒に変動された結果を示す。図７Ｄ〜７Ｆに示す実験結果は、それぞれ約２００ｋＨｚ、３５０ｋＨｚ、及び５００ｋＨｚのレーザ繰返し率で実行された。図７Ｄ〜７Ｆは、アブレーションされた断面及び再堆積した断面の寸法を示すためのスケールバーを含む。この例では、約２０μＪのパルスエネルギーが使用され、走査速度と繰返し率はどちらも変動された。

図７を参照して記載の技法を使用して、アブレーションされたフィーチャの深さ及び面積並びにリキャスト材料の高さ及び面積が測定された。これらの実験の結果を下表に要約する。これらの例示的な表では、加工品質の測度は、フィーチャのアブレーションされた面積とアブレーションされたフィーチャに隣接して再堆積した材料の面積との比である。加工効率は、平均パワー（通常、パルスエネルギーは同じであるものとする）に対する加工速度（例えば、１秒当たりのアブレーションされた面積）の点で特徴付けることができる。図７Ｄ〜７Ｆに示し、例示的な表に要約する実験データは、他のパラメータを固定した状態で繰返し率及び走査速度を変動させることによって得られた。このデータを使用して、表に要約した実験に対する品質と加工効率の例示的な関係を決定することができる。

図８は、図７Ｄ〜７Ｆに示す実験結果に対する異なるレーザ繰返し率の走査速度に対して、アブレーションされた断面積と再堆積した断面積の比を示すグラフである。このグラフは、走査速度が約２ｍ／秒より大きい場合に繰返し率を増大させると、アブレーションされたフィーチャの品質が改善されることを実証する。

加工効率の例を図９に示す。図７Ｄ〜７Ｆに示す結果に対する重み付きのアブレーションされた断面積と走査速度の関係をグラフに示す。平均パワー及び空間的重複の差を補償するために、アブレーションされた面積に、レーザ繰返し率の差に比例する重み付け係数を掛ける。重み付け係数は、２００ｋＨｚの場合は１であり、３５０ｋＨｚの場合は０．５７であり、５００ｋＨｚの場合は０．４である。図９のグラフは、走査速度が２ｍ／秒より大きい場合、アブレーションの効率は繰返し率に左右されないことを実証する。従って、加工品質（より高い繰返し率）の改善は、加工効率を犠牲にして大きく損なわれるというわけではない。

レーザ繰返し率を増大させると、再堆積材料の性質及び量に著しい影響を及ぼす。再び図１Ａ〜１Ｅを参照すると、これらの実験結果は、ターゲット領域１００１−ｃから除去された材料と再堆積材料１００５−ｂとの比の増大が望ましいことを実証する。図７Ａ〜７Ｃに示す予測可能な傾向とは対照的に、高繰返し率の観察された影響（例えば、図７Ｄ〜７Ｆ参照）は、予期しない予想外のものであった。

開示のシステム及び方法の実施例を実行するのに、いかなる特定の理論も利用することなくこれらの予想外の結果の動作機構を理解する必要はないが、繰返し率の増大による実証された改善は、パルス間の離隔距離が約１０μ秒から約１μ秒に低減するにつれて、アブレーション・プルームと後のレーザパルスの間に相互作用が生じた結果であろう。これは、幾つかの実験では、再堆積材料が微細な粒子を含みうることを示唆する可能性がある。さらに、これらの結果は、繰返し率の影響を受けて、以前は利用されなかったレーザ材料の相互作用状態が存在し得ることを示唆する。

清浄化及び後処理の例
図１０Ａ−１及び１０Ａ−２は、再堆積材料の量が十分に少なく、従って従来の超音波清浄がさらなる破片除去に対して効果的である、例示的なＳＥＭ断面図を示す。これらの実験結果は、例えば、薄いウエハのダイシング及び類似の適用分野に適用できる。固定のレーザパラメータは、５００ｋＨｚの繰返し率、１０μＪのパルスエネルギー、及び１００回の機械加工パスであった。図１０Ａ−１及び１０Ａ−２に示す実験結果の場合、走査速度は約０．５ｍ／秒から約８ｍ／秒に変動された。図１０Ａ−１及び１０Ａ−２の左側のパネルのＳＥＭ画像は超音波清浄前のものであり、図１０Ａ−１及び１０Ａ−２の右側のパネルのＳＥＭ画像は超音波清浄後のものである。図１０Ａ−１及び１０Ａ−２のＳＥＭ写真は全体として、再堆積材料の体積が清浄化後に著しく低減したことを示す。

図１０Ｂは、図１０Ａ−１及び１０Ａ−２に示すデータに対応する、アブレーションされた深さとリキャスト高さの比のグラフである。図１０Ｂのグラフは、超音波清浄後、リキャスト高さが公称で２分の１低減したことを示す。場合によっては、清浄化後に残っている再堆積材料の高さは、図７を参照して記載の方法の実際の測定の限界又はその前後、例えば１０００倍の倍率で約１μｍであった。図１０Ａ−１、１０Ａ−２、及び１０Ｂの実験結果について、下表に要約する。

「ダブルパルス」実験の例
「ダブルパルス」実験も実行された。これらの実験では、約１ＭＨｚの繰返し率で、シングルパルス及びパルス対が生成された。各対のパルス間の時間間隔は約５０ＭＨｚの瞬時バースト繰返し率に対応して約２０ナノ秒であった。図１１Ａ〜１１Ｃは、シングル及びダブルパルス加工の結果を比較する例示的なＳＥＭ断面図を示す。図１１Ｄ〜１１Ｅは、図１１Ａ〜１１ＣのＳＥＭ画像に対応する、アブレーションされた深さとリキャスト高さの比を示すグラフである。図１１Ａ及び１１Ｂは、約１ＭＨｚの繰返し率で生成される「シングルパルス」を用いた実験に対する結果を示す。パルスエネルギーは、図１１Ａで約５μＪであり、図１０Ｂで約１０μＪであった。図１１Ｃは、約１ＭＨｚの繰返し率及び約５０ＭＨｚの瞬時バースト繰返し率で生成される「ダブルパルス」を用いた実験に対する結果を示す。図１１Ａ〜１１Ｃに示す実験では、走査速度は約０．５ｍ／秒から約１０ｍ／秒の範囲内で変動された。全ての実験で、２００回の機械加工パスが使用された。図１１Ａ、１１Ｂの画像と図１１Ｃの画像の比較は、シングルパルスと比較するとダブルパルスの性能が低減されることを示す。図１１Ｄ及び１１Ｅのグラフもまた、ダブルパルス実験で性能が低減されることを実証する。これらの結果は、これらのレーザシステム・パラメータ（特に、中程度から高速の走査速度）の場合、例えば約１０ＭＨｚより大きな非常に高い瞬時繰返し率ではシリコンの機械加工性能を制限し得ることを示唆することがある。これらの結果について、下表にさらに要約する。

ウエハのダイシング及び超音波清浄に対する例示的な実験結果
図１２Ａ〜１２Ｂは、薄いウエハのダイシングの場合に得られる実験結果の例示的なＳＥＭ写真を示す。これらのＳＥＭ写真は、厚さ１００μｍのシリコンウエハから切削された１０×４ｍｍ^２のダイの一部分を示す。この寸法は、マイクロプロセッサチップに対する一般的な寸法であることから選択された。図１２Ａ及び１２Ｂに示すＳＥＭ写真は、約７ｍ／秒の走査速度で、それぞれ７００回及び５００回のパスに対応する。レーザパルスエネルギーは、ターゲットウエハ内で最大レーザ透過深さを実現するために、２０μＪに設定された。これらの実験で使用されるレーザの平均パワー限界が１０Ｗであるため、最大レーザ繰返し率は５００ｋＨｚであった。レーザスポット寸法は、１／ｅ^２で３０μｍであった。これらのパラメータでは、レーザは基板を完全には透過しない。これらの例示的な実験では、レーザトレンチはスクライブとして働き、その後に機械的に破断（スクライブ線に沿って）してダイの個片化を完了する。

図１２Ａ及び１２ＢのＳＥＭ写真は、縁部には亀裂がほとんどないことを実証し、溶融スラグがほとんどないことを示す。表面に残った粒子状の破片の大部分は、例えばＳｈａｒｐｅｒＴｅｋ ＳＨ８０−Ｄ−２Ｌ超音波洗浄器を使用する短超音波槽に約３０秒かけることによって、容易に除去することができる（例えば、図１２Ｂに示す清浄化前及び清浄化後の結果参照）。

より長いパルス持続時間を用いた例示的な実験
より長いパルス幅を使用する実験データが得られた。図１３Ａ−１〜１３Ａ−３は、約２００ピコ秒のパルス幅を有するパルスを用いて得られた結果を示すＳＥＭ画像である。２００ｋＨｚ、３５０ｋＨｚ、及び５００ｋＨｚという繰返し率が、様々な走査速度で使用された。これらの実験では、パルス圧縮器は、約２００ピコ秒のパルス幅及び２０μＪのパルスエネルギーを生成するように離調された。これらの実験結果もまた驚くべきものであった。望ましくない材料の量を低減させる傾向は、より長いパルス持続時間を用いたこれらの実験でも継続した。しかし、極短パルスを用いた実験と比較すると、極短パルスを用いるとより良好なフィーチャ品質、トレンチ形状、及び繰返し精度が得られた。

図１３Ａ−４〜１３Ａ−５は、図１３Ａ−１〜１３Ａ−３のＳＥＭ画像に対応するグラフである。面積を決定する測定方法は、上記で開示のように変更された（例えば、多角形が使用された）。図１３Ａ−４〜１３Ａ−５のグラフは、より長いパルス幅では、機械加工結果の予測可能性及び繰返し精度が影響を受ける可能性があることを示唆する。図１３Ａ−５は特に興味深い。アブレーションされた面積とリキャスト面積の比は、より高い繰返し率では改善され、２００ｋＨｚのデータとは区別することができる。様々な実施例では、アブレーションされた面積とリキャスト面積の比は約０．５より大きく、約１．０より大きく、約２．０より大きく、又は何らかの他の値となることがある。

図１３Ａ−１〜１３Ａ−３の実験結果について、下表に要約する。

実験結果に基づく観察
本明細書に開示の実験結果は、多くの共依存している変数、例えば走査速度、レーザエネルギー、レーザパワー、パルスパワー密度、スポット直径、スポット重複、パルス幅、繰返し率、瞬時バースト繰返し率、フルエンス、機械加工パスの数などに応じる。

これらの実験結果は、レーザ繰返し率の少なくとも数百ｋＨｚから約１ＭＨｚへの増大が再堆積材料の量の低減に与える驚くべき影響を実証する。再堆積材料のさらなる低減は、最高約５ＭＨｚ、場合によっては最高約１０ＭＨｚの繰返し率で行うことができる。しかし、非常に高い繰返し率（例えば、約１０ＭＨｚ又は約２０ＭＨｚより大きい）では、加工効率と品質の改善された組合せが低下することがあり、対応する平均レーザパワーは非常に高くなるはずである。従って、様々なレーザ加工の適用分野では、性能の低下を回避するために、繰返し率の範囲の上限と下限がどちらも重要になることがある。さらに、約１０ＭＨｚを下回る上限では、この加工により、再堆積材料の蓄積の低減に加えて、望ましくない蓄熱効果を回避することもできる。

類似の結果は、例えばＧａＡｓを含む少なくとも他の半導体材料の場合でも得ることができる。同様に、半導体基板以外の加工物の場合でも、利益を得ることができる。レーザパラメータ、例えば波長は、さらに調整することができるが、特定の極短パルス幅、例えば約５０フェムト秒から約１ピコ秒の範囲内のアブレーション閾値は、より長いパルス幅、例えば１０ピコ秒から１ナノ秒のパルス幅ほど波長に依存しないことが一般に知られている。

様々な実施例によれば、レーザベースの加工は、材料のアブレーション閾値を上回るフルエンスからアブレーション閾値の約２０倍のフルエンスで実施することができる。例えば、幾つかの実施例では、フルエンスに対する好ましい範囲はアブレーション閾値の約５から約１５倍とすることができる。

シリコン機械加工の実施例は、約１〜３０μＪのパルスエネルギー、また効率的かつ高品質の加工のためには通常５〜２５μＪで実施することができる。繰返し率は、数百ｋＨｚを上回り、例えば５００ｋＨｚより大きいと有利である。有益な範囲は約５００ｋＨｚから約５ＭＨｚとすることができ、また１ＭＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内とすることができる。

特定の実施例では、走査速度はスポット寸法にいくぶん依存する。スポット寸法は約１０μｍから約１００μｍの範囲内とすることができ、走査速度は約０．２ｍ／秒から２０ｍ／秒の範囲内とすることができる。

前述のように、様々な実施例で、アブレーションされた体積と再堆積した体積の高い比を得ることができる。加工の品質は、加工効率を実質上犠牲にすることなく得ることができる。

例示的な実験結果−ダイ強度
開示のシステム及び方法の幾つかの実装形態で極短パルスを使用する結果、破片の低減に加えて、ＵＶナノ秒レーザに対するダイ強度を著しく改善することができる。裸の厚さ５０μｍのウエハで得られた実験結果は、適切なパルスパラメータを用いるとそのような改善が得られることを示唆した。

図１４、１４Ａ−１、及び１４Ａ−２は、ダイ強度測定に対する幾つかの構成を概略的に示す。図１４は、Ｌｉら、「Ｌａｓｅｒ ｄｉｃｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｄｉｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ−ｔｈｉｎ ｗａｆｅｒ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ＩＥＥＥ（２００７）、７６１〜７６６頁から部分的に応用した。応力（ＭＰａ）は、以下のように推定することができる。
σ（応力）＝３ＦＬ／２ｂｈ^２
上式で、Ｆ（ニュートン）は破断荷重であり、Ｌ（ｍｍ）は径間長であり、ｂは試料幅（ｍｍ）であり、ｈは試料厚さ（ｍｍ）である。

図１４Ａ−１は、引張り状態で構成された試料の側面図に対応する。この試料は、レーザ切削方向（矢印で示す）が３点取付け台の１点に向くように支持される。図１４Ａ−２の反対の構成は、圧縮状態で構成された試料に対応する。後者は明らかに、Ｌｉらの図３に示され、対応する文章で論じられた「活性層を上方へ向けた」測定構成に対応する。

実験結果−５０μｍの裸のウエハのダイ強度
下表は、１０回のウエハ切削実験中に変動したレーザパルスパラメータを示す。「ダブルパルス」実験は、２０ナノ秒間隔を有する２つのパルスに対応し、これらのパルス対が５００ｋＨｚの繰返し率で繰り返される。７００フェムト秒のパルス幅及び５００ｋＨｚの繰返し率は一定であった。

図１４Ｂは、ダイ強度測定の結果（上表に要約）を示すグラフであり、これらは全て、図１４Ａ−２に示す圧縮状態で実行された。上表では、第１の列は実験番号であり、第２の列は最大屈曲負荷（Ｎ単位）であり、第３の列は最大屈曲負荷の標準偏差であり、第４の列は最大負荷での屈曲応力（ＭＰａ単位）であり、第５の列は最大負荷での屈曲応力の標準偏差であり、第６の列は最大屈曲負荷での屈曲延長（ｎｍ単位）であり、第７の列は最大屈曲負荷での屈曲延長の標準偏差であり、第８の列は平均レーザパワー（Ｗ単位）であり、第９の列はパルス持続時間（フェムト秒単位）であり、第１０の列はパルスエネルギー（μＪ単位）であり、第１１の列はパルス率（ｋＨｚ単位）であり、第１２の列は走査速度（ｍ／秒単位）であり、第１３の列はパスの数であり、第１４の列はシングルパルスとダブルパルスのどちらが使用されたのかを示し、第１５の列は、完全切削と部分的切削のどちらが行われたのかに関する注記を提供する。

実験１及び５は、部分的（不完全）レーザ切削の場合、統計的分布が比較的大きいことを実証する。

実験２〜４は、完全切削の場合、最大屈曲応力が７８１から２５２ＭＰａに著しく低減し、走査速度が５から０．１ｍ／秒に低減することを示す。

実験５及び６は、幾つかの実装形態では、スポット寸法が約４０μｍ（１／ｅ^２）である場合、５μＪでは妥当な加工率には不十分なパルスエネルギーであることを示す。シングルとダブルのいずれのパルスでも、完全切削には少なくとも３０００回のパスを必要とした。しかし、次の部分の実験は、フルエンスが４倍増大したことに対応してスポット寸法が約２０μｍに低減されると、５０μｍのシリコン試料を切削するには５μＪで十分であることを示す。

実験７〜９は、５００ｋＨｚのダブルパルスバースト（２０ナノ秒分離された２つの１０μＪパルスを使用）を使用する結果、５００ｋＨｚのシングル１０μＪパルスの場合よりダイ強度が弱くなることを実証する。

実験結果に基づく観察
５０μｍの試料を用いた実験結果は、高繰返し率の極短パルスレーザシステムを適切に使用して厚さ５０μｍのシリコンウエハをダイシングすることによって、従来のナノ秒レーザダイシングに対して、ダイ破断強度と破片生成の著しい低減との両方において少なくとも幾つかの改善を示唆する。これらの実験は、報告されたＵＶ ＤＰＳＳ結果に対してダイ強度の２〜３倍、又はおそらくそれ以上の改善が得られることを示唆する。

これらの実験結果は、完全切削を実現するのに十分な回数だけ高速（１ｍ／秒超）でビームをラスタ（ｒａｓｔｅｒ）するビーム走査システムを使用すると、（これらの実験で）最善のダイ強度結果が実現されたことを実証する。

これらの実験結果は、この実験設備に対して著しく少ないパス及び遅い走査速度を用いると、切削品質及びダイ強度はどちらも低下することを示す。不完全切削は通常望ましくない。

また、このレーザスポット寸法で実際的な加工速度を実現するには、比較的高いパルスエネルギーが必要とされる。例えば、４０μｍのスポット寸法（１／ｅ^２）では、少なくとも約５μＪのパルスエネルギーがＳｉ試料にかけられた。ウエハ加工は通常、約１５〜４０μｍの範囲内のスポット寸法で実施することができ、好ましくは約３０〜４０μｍの範囲内で行うことができる。最小フルエンスは約１Ｊ／ｃｍ^２とすることができる。４０μｍのスポット寸法に対する５μＪのエネルギーは約０．４Ｊ／ｃｍ^２に対応し、また上表の最小フルエンスに対応する。他の実施例では、他のスポット寸法、エネルギー、及びフルエンスを使用することもできる。

最高のダイ破断強度は通常、機械ダイシングブレードを使用して実現される。しかし、加工速度はウエハ厚さに比例して著しく低減する。

これらの結果を、ダイ強度に関する公開されているデータと比較することは有益である。ＤＰＳＳ ＵＶレーザと機械ソーを用いて得られるダイ強度測定の例示的な比較は、（ａ）Ｔｏｆｔｎｅｓｓら、「Ｌａｓｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｗａｆｅｒ ｄｉｃｉｎｇ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｖｉａ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒ ｎｅｘｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｗａｆｅｒｓ」、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．５７１３、５４〜６６頁（２００５）、及び（ｂ）Ｌｉら、「Ｌａｓｅｒ ｄｉｃｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｄｉｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ−ｔｈｉｎ ｗａｆｅｒ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ＩＥＥＥ（２００７）、７６１〜７６６頁で入手可能である。

Ｔｏｆｔｎｅｓｓらの第３節では、２つの手法の「薄いウエハのダイシング」の様々な態様について論じている。ＳＥＭＩ規格Ｇ８６−０３０３に従って、厚さ７５、８０、又は１８０μｍのウエハが試験された。具体的には、７５ミクロンの３点ダイ強度を比較する場合、ソー及びレーザのそれぞれのデータとして、４４４ＭＰａ及び２８０ＭＰａのデータが得られた。ソーに対する値の範囲は、レーザ分布と比較するとかなり広かった。

Ｌｉらの７６１〜７６３頁は、５０μｍの試料のブレードとレーザダイシングのダイ強度の比較を提供する。圧縮と引張りの両方の状態で得られた３点測定に対する結果が報告された。これらの結果は、圧縮又は引張り状態のブレード結果にはほとんど差がないことを示唆する。しかし、Ｌｉらの図３に示すように、３５５ｎｍのＵＶを用いたパルスレーザ加工は、非常に異なる結果をもたらした。圧縮状態（「活性層を上方へ向けた」）では、大まかに４５０ＭＰａが測定され、引張り状態では大まかに２倍の強度が得られた。ブレードの結果は６００〜７００ＭＰａの範囲内であり、全ての場合でレーザの結果を超えた。従って、これらの結果は、ＵＶ ＤＰＳＳシステムを用いた加工は、機械切削で得られる典型的な結果の大まかに５０％のダイ強度値をもたらすことを示す。

圧縮及び引張り実験に対する破壊応力を示す図１４Ｃを参照すると、圧縮構成は極短加工にはあまり好ましくない（少なくとも破壊応力の点で）と見られることがわかる。この結果は、加工の性質が著しく異なるため、極短パルスレーザのダイシングにより、ＵＶナノ秒レーザとは異なる破壊機構を招くことをさらに支持する。

従って、少なくとも幾つかの結果は、最悪の極短測定構成（例えば、圧縮）により、ＤＰＳＳシステムにとって最善の構成に対して改善を提供することを示唆する。

十分に速い率の極短加工では、機械切削で得られるものと同等、又はおそらくそれよりわずかに低いダイ強度結果をもたらすことができる。場合によっては、少なくとも５００ｋＨｚの繰返し率、約２０〜４０μｍの範囲内のスポット寸法、及び少なくとも約５μＪのパルスエネルギーで加工が実施される。

そのような極短加工では、約４００ＭＰａから少なくとも７００ＭＰａの範囲内のダイ強度、場合によってはより大きな値、例えば最高約９００ＭＰａ又は１０００ＭＰａより大きな値をもたらすことができる。

上記の結果は、極短加工でダイ強度を改善できることを示す。しかし、ダイ強度は幾つかの要因の影響を受けうることが知られている。また、情報の中には、レーザベースのプロセスの幾つかの実施例では、特にパターン付きウエハを加工する場合、ダイ強度は破片低減ほど全体的に重要ではないことを示唆するものもある。

さらに、４０μｍのスポット寸法で５〜２０μＪより低いパルスエネルギーの極短加工を行うと、ダイ強度を改善できることが予期される。しかし、幾つかの実装形態では高い処理能力が有利になりうるため、そのような手法は通常、幾つかのそのような実装形態にとっては不十分と見なされる。１つの可能なウエハ加工システムは、十分なダイ強度、少ない破片、及び高い処理能力を同時に実現できると有益である。

さらに、以下の実験に示すように、場合によっては、低いパルスエネルギーはパターン付きウエハを切削するときに他の悪影響をもたらすことがある。

例示的な実験結果−パターン付きウエハのスクライビング／切削
再び図１Ｇ−２を参照すると、パターン付きウエハの上面図を概略的に示す。ここでは、複数の材料及びパターンがストリート１２７内のレーザ加工経路１２７−ｂに重複している。これらの材料及びパターンは電気的試験又は他の機能を実現するように配置することができる。異なる熱、光、電気、又は機械特性を有する材料の多数の組合せを存在させることができる。

例えば、図１Ｇ−２の例に全体として示すように、マイクロプロセッサのアーキテクチャは複雑で、様々なパターン及び材料を含むことがある。微細なグリッド上に形成される金属層、低誘電率の誘電体パターン、機能回路は全て、シリコン基板上に支持し、上にある不活性化層（図示せず）で覆うことができる。

前述のように、材料は、それだけに限定されるものではないが、金属、無機誘電体、有機誘電体、半導体材料、低誘電率誘電体材料、又はこれらの組合せを含むことができる。材料の組合せは、異なる空間パターンで構成して深さ方向に積層することができる。例えば、超小型電子回路は、上にある不活性化層によって覆われた銅と低誘電率材料の交互層を有する部分を含むことができる。半導体アーキテクチャには多くの可能性が存在する。

以下の実験結果は、著しい材料破片を生成することなく、ストリート内に配置された活性材料層のスクライビングを実証する。熱影響域（ＨＡＺ）の範囲を直接測定するのは困難であるが、全般的な目的は、無視できる程度の溶融で、層の形態を著しく変化させることなく、複数の材料を清浄に除去することである。

上記の例で裸のシリコンウエハの切削に使用されたパラメータは、パターン付きウエハのスクライビング／切削に対する少なくとも１つの有用な出発点を提供する。以下の実験で使用される例示的なパラメータは、幾つかのパターン付きウエハの良好なスクライビング性能を提供することができる。他のパラメータを使用することもできる。

パターン付きウエハ／多材料デバイスを用いた例示的な実験結果
以下のタイプのパターン付きウエハについて調査した。

実験１：ＧａＮオン銅（ＬＥＤデバイス）

実験２：パターン付き超小型電子回路

実験３：マイクロプロセッサデバイス、及び

実験４：フラッシュメモリデバイス。

実験１：
ＧａＮオン銅の加工では、特に期待の持てる結果が得られた。この結果は、約１０００〜１５００回のパス及び約３０〜４０μｍ（１／ｅ^２直径）のスポット寸法で１０μＪ、５００ｋＨｚ、約７ｍ／秒という、幾つかの裸のウエハの切削によく適しているであろうパラメータを用いて得られた。図１５Ａは、ほとんど又は全く破片がない高品質の切削部１５０５を示すＳＥＭ画像である。図１５Ｂは、この切削部の側面図である。この画像では、上にある材料１５１０、ＧａＮ材料１５１５、及び内側層（複数可）１５２０を含む様々な材料が認められる。レーザ加工後に試料を清浄にする試みは行われなかった。

実験２：
上にある不活性化層と、銅及び低誘電率誘電体の複数の交互層と、シリコン基板とを有する超小型電子回路がレーザスクライビングされた。加工はまず、１００回のパス、約７ｍ／秒の走査速度、１０μＪのパルスエネルギー、及び５００ｋＨｚで実施された。図１５Ｃ及び１５Ｄは、それぞれ銅パッドの不完全切削及び若干の低誘電率の層間剥離を概略的に示すＳＥＭ画像である。レーザパラメータの結果、不活性化層を除去したが、銅層は部分的に除去しただけである。切削部の領域はまた、顕著な表面テキスチャリングを示す。低誘電率誘電体の除去は、層間剥離及び亀裂１５３０という証拠が示すように不完全であった。場合によっては、走査速度の低減、及びそれに対応するパルスの空間的重複の増大により、銅の除去を改善することができる。

実験３Ａ：
１０μＪのパルスエネルギー及び５００ｋＨｚの繰返し率で、マイクロプロセッサデバイスが加工された。約７．０、５．０、及び２．０ｍ／秒というそれぞれの走査速度で、パスの数は２００回、１００回、及び５０回であった。幾つかのＳＥＭ画像（図示せず）は、走査速度及び走査数に伴う切削品質の変動を示した。パスの特定の数は、不活性化層、金属層、及び誘電体層から下にあるシリコン基板までを完全に切削するように選択された。パスの数は走査速度にほぼ反比例した。

先に観察したように、最高の走査速度の場合、最小の破片及びＨＡＺが生成された。これは、図１Ｇ−２に概略的に示すように、ストリート１２７のレーザ経路１２７−ｂ内又はその付近の上層と埋設されたグリッド層との間の切削幅の差から特に明らかであった。例として、図１Ｇ−２及び図１Ｇ−３にグリッド層１２９を概略的に示しており、この実験では図示のようにレーザ経路内に位置した。スクライビング実験の結果、スクライ部の縁部の露出した埋設されたグリッド層の面積は、走査速度が約２．０ｍ／秒の５０回のパスの場合、約７．０ｍ／秒の２００回のパスに対してかなり大きくなった。

従って、上記の実験２の結果とは対照的に、この例は、裸のウエハの加工に対する典型的なパラメータはまた、場合によってはパターン付きウエハの加工にも適していることがあることを実証した。

実験３Ｂ：
実験３Ａのレーザパラメータを用いるが、約７ｍ／秒で２００回のパスを用いて、別の実験が実施された。この実験では、「ストリート」内の特定の領域で、誘電体層と金属層の間の層間剥離が観察された。そのような層間剥離は、引き起こされた亀裂がダイ個片化後にデバイス全体を通って広まることがあり、最終的にはデバイス破壊をもたらす可能性さえあるため、幾つかの適用分野では重大な問題となることがある。層間剥離を低減させるステップについて、以下の実験３Ｃで論じる。

実験３Ｃ：
さらなる実験は、低誘電率誘電体と金属層の間の層間剥離／亀裂が実験システム内の走査速度の変動の影響を受けることを示した。５００ｋＨｚの繰返し率で５μＪのパルスエネルギーを用いて、レーザ加工が実施された。試験には単一のパスだけが使用された。走査速度を最大で１０．０ｍ／秒から２５０ｍｍ／秒に低減させると、層間剥離／亀裂を低減させた。

パルスエネルギーの影響はまた、特に２５０ｍｍ／秒の単一の走査パスに対して調査された。これらの実験ではこの試料の金属及び非金属面積をアブレーションするのに最小で２μＪが必要であった。しかし、２μＪのエネルギーでは、同じ走査条件下で５μＪ及び１０μＪの場合に観察されたものより大きな層間剥離／亀裂が生じた。さらに、２５０ｍｍ／秒の単一のパスに対する５μＪと１０μＪの結果が比較された。層間剥離／亀裂の明らかな又は著しい差は見られなかった。この例では、最も厚い金属領域の完全切削を実現することによって、より高いパルスエネルギーが有益であり、それによって最高の処理能力を提供した。

増大させた倍率を使用して、厚い金属パッドを有する面積内に形成されたスクライブを評価した。これらの面積は、５００ｋＨｚの繰返し率で１０μＪのパルスを使用してスクライビングされた。２５０ｍｍ／秒の単一のパスが、不活性化層、金属層、及び誘電体層から、この試料のベース・シリコン基板までを完全に切削するのに十分であることが確認された。この例では、５００ｋＨｚの繰返し率、４０μｍのスポット寸法、及び２５０ｍｍ／秒の走査速度の場合、スポット重複は約９９％である。これらの結果は、ＨＡＺが無視できる範囲であり、破片の再堆積が最小であることを示した。

さらに、この試料に対する不活性化層は、感熱ポリマーであるポリイミドであった。観察は、不活性化層がスクライブ領域から後退したことを示したが、炭化の証拠は見られなかった。そのような炭化は、熱レーザ加工の影響に関連する一般的な有害な結果である。

これらの実験の驚くべき結果は、層間剥離がパルスエネルギーと走査速度の両方に依存していることであった。パルスエネルギーを２．５倍増大させると結果が改善され、妥当な動作範囲は、少なくとも１０μＪまでのより高いパルスエネルギーであることがわかった。４０μｍのスポットで約５μＪの最小フルエンスは約０．４Ｊ／ｃｍ^２であり、そのようなスポット寸法は高い処理能力を実現した。

実験３Ｄ：
実験１〜３Ｃに記載の先の実験結果では、焦点スポットの直径は３５〜４０μｍ（１／ｅ^２直径）であった。１ＭＨｚでの実験を容易にするために、スポット直径は２０μｍに低減された。従って、２０μｍのスポットで５μＪ（例えば、１．６Ｊ／ｃｍ^２のフルエンス）は、マイクロプロセッサ試料のストリート内の活性層を完全にスクライビングするのに十分なほど高かった。

この例では、繰返し率を１ＭＨｚに増大させると、スクライビング速度を直線的に増大させることも可能である。この例では、約４００〜５００ｍｍ／秒の最適の速度を用いると、誘電体層と金属層の間の層間剥離が回避された。これはまた、蓄熱に関する可能な問題を回避するのに十分なほど速い走査速度であった。例として、１パルス当たり約５μＪの典型的なエネルギー及び５００ｋＨｚから１ＭＨｚのパルス率を用いると、低誘電率誘電体を清浄に除去するには約０．２ｍ／秒から１ｍ／秒の速度が適している可能性がある。１ＭＨｚでは、０．５ｍ／秒の速度及び２０μｍのスポット寸法を用いると、おおよそのパルス重複が約９８％であった。

この実験では、スポット直径及び入射パルスエネルギーを低減させると、活性層と不活性化層の両方の切削幅も低減した。さらに、活性層と不活性化層の切削幅の差により、切削部内の側壁の傾斜をより急にすることが可能になった。

実験４：
フラッシュメモリデバイスが加工された。そのようなデバイスはまた、ストリート内、場合によっては微細グリッド内に複数の材料を用いて形成される。この構造は、薄いシリコン基板（通常、厚さ５０〜７５μｍ）を含み、金属層及び誘電体層が不活性化層によって被覆された。

従来の機械ダイシングの結果、明らかな縁部の欠け落ち、及び誘電体層の若干の層間剥離が見られた。

極短パルスを使用して、５０μｍのウエハ厚さ全体を切削した。実験１及び２に類似しているが、実験３とは異なり、１つの可能な好ましいダイシング方法は、比較的速い並進運動速度（例えば、約７．０ｍ／秒）で多くのパス（例えば、この場合５５０回）を使用することである。より少ない数のパス（例えば、５５０回未満）を使用して、ウエハ全体を切削することもできる。スポット直径は、実験３Ｄの場合と同様に２０μｍであった。しかし、実験１〜３Ｃの場合と同様に、パルスエネルギーは１０μＪであり、繰返し率は５００ｋＨｚであった。

この実験は、破片の再堆積及びＨＡＺを、最小化するのでない場合は制限しながら、ウエハ厚さ全体の効率的な切削が実証されたことを示す。層間剥離の問題は、この実験では見られなかった。これは、少なくとも部分的に、特有のデバイス構造の結果である可能性がある。レーザ切削後に試料を清浄にするために後処理を使用しなかったことに留意されたい。

機械切削では通常、切削中に大量の水を使用してブレードを清浄／冷却する。レーザダイシング破片の大部分は、特殊な保護被覆を必要とすることなく、標準的なウエハのスピン・リンス／乾燥システムによって除去できる可能性が高い。

このフラッシュメモリの適用分野は、ウエハの完全切削を必要とし、１つの問題は、レーザにより引き起こされるダイシングテープの損傷である。従来のナノ秒のレーザ切削では、テープ内へのレーザの光／熱透過は通常かなり深く、テープ強度を著しく低減させ、また個片化後、後のダイの「ピック・アンド・プレース（ｐｉｃｋ ａｎｄ ｐｌａｃｅ）」を複雑にすることがある。ナノ秒ＵＶレーザダイシングの場合、テープ内へのレーザ透過の深さを制限する特殊なレーザダイシングテープを開発するための大きな努力が当業界でなされてきた。極短パルスレーザの機械加工では、基板を完全に切削するがテープを実質上損傷しないように、例えばレーザパスの数などのパラメータを選択することが可能である。極短レーザ・アブレーションの高精度の性質により、特殊なテープの必要性を低減又は排除し、従って標準的な機械ダイシングのテープをなお使用することができる。

例示的な実験結果に基づく観察
最善のスクライビング結果を実現するために、レーザパラメータ及び走査速度を変更できると望ましい。

裸のウエハの実験で観察されたように、例えば５００ｋＨｚから約１ＭＨｚの範囲内の比較的高い繰返し率の結果、破片が少なくなった。通常、繰返し率が十分に高いと、破片の蓄積を回避する。しかし、場合によっては、繰返し率が数ＭＨｚを上回る値（例えば、数十ＭＨｚ以上）に増大すると、熱効果及びＨＡＺにより引き起こされる材料の変質を増大させることがある。幾つかのスクライビング／ダイシングの実装形態では、走査速度及びレーザスポット寸法を、許容できる処理能力を提供するのに十分なほど大きくできると有利である。

隣接するダイ間のストリート内のパターン構造及び材料が変動するため、幾つかの複雑なウエハ設計では、プロセス動作パラメータを識別するために、比較的より多くの実験を必要とすることがある。従って、レーザ及び機械加工システムが、レーザパラメータ、例えば、パルスエネルギー、走査速度などの十分な調整を実現できると有利である。

幾つかの例は、分離された領域内の破片及びＨＡＺの最小化のみに基づいて幾つかの実装形態に対する加工条件を設定するのは十分でない可能性があることを示した。場合によっては、パス間でパラメータを調整して、適切なプロセスパラメータを識別することができる。加工物に対する非常に複雑なパターン設計は、調整可能な範囲内の比較的狭い１組のパラメータに対するプロセスウィンドウを制限することがあり、又は加工の処理能力に関して若干の妥協につながることがある。

広い範囲にわたるレーザパラメータの柔軟性及び調整可能性により、ストリート内に複数の材料を有するパターン付きウエハの加工を実現できると有利である。これらの実験では、マイクロジュールのパルスエネルギー、５００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、標準的な２０〜４０μｍを上回るスポット寸法、及び約０．２〜１０ｍ／秒での動作は概ね有益であることを示した。

驚くべきことに、特定のパターン付き及び裸のウエハ部分を加工する場合、パルスエネルギー／フルエンスと速度の組合せに依存することが見出された。固定のパラメータの場合、速度がより遅いと、ウエハ領域、例えば複数の層を有する「上側」パターン付きウエハ部分のパルス重複及び露出を増大させる傾向がある。速度の増大、及びスポット間の空間的重複の低減は裸のウエハの加工に適している傾向がある。厚いウエハに対する幾つかの実装形態では、最初のスクライブが完了した後、機械ソーを使用して、下にある基板（通常、シリコン）を切削することができる。

別法として、薄いウエハに使用されるレーザ切削パラメータが適している可能性がある。具体的には、１００μｍ、７５μｍ、５０μｍ、又は他の薄い基板の場合、活性層のスクライビング（場合によっては、通常少数の比較的遅い走査を用いる）に対して、また基板切削（場合によっては、通常多数の比較的高速の走査を用いる）に対して、同じ高繰返し率の極短パルスファイバレーザ（例えば、図１Ｆ又は図６Ａに示す）を使用することができる。幾つかの実装形態では、例えばパルスエネルギー、繰返し率（例えば、基板にパルスが加えられる率）、及び走査速度を含む特定のパラメータが広い範囲にわたって調整可能であると有利である。

幾つかの極短レーザパルスのウエハダイシングの実施例で可能な高い深さ精度を利用及び較正して、下にあるダイシングテープを著しく切削／貫通することなく、ウエハ材料を完全に切削することができる。従って、従来のナノ秒ＵＶレーザダイシングでは、特別に設計されたダイシングテープの使用を必要とすることがよく知られているが、標準的な機械ダイシングテープを許容可能とすることができる。

パターン付きウエハを加工するためのパラメータは、標準的な裸のウエハの加工パラメータに重複しても異なってもよい。従って、十分に広い範囲にわたってパラメータの調整を実現するレーザ加工システムは、パターン付きとパターンなしの両方の多種多様な半導体基板を加工するのに適していることがある。異なる生産設計で加工を最適化するには、通常、何らかの実験が予期される。

幾つかの有利な実施例では、薄い（例えば、５０μｍ、７５μｍなど）パターン付き又はパターンなしのシリコンウエハを近ＩＲ波長で加工するためのパラメータに対する幾つかの値及び／又は範囲は、以下の幾つか又は全てを含むことができる。

波長：約１μｍ

パスの数：通常１０〜１０００回、最高約１５００回

スポット寸法（１／ｅ^２）：１０〜５０μｍ、通常２０〜４０μｍ

パルス幅：１ピコ秒に満たないもの（例えば、１００フェムト秒未満）から約１０ピコ秒、約５０ピコ秒未満

パルスエネルギー：約２〜２０μＪ、通常５〜１０μＪ、層間剥離を制限し、高い処理能力で銅を加工するには通常、より高いエネルギー

最小フルエンス：約０．４Ｊ／ｃｍ^２より大きい（例えば、４０μｍのスポット１／ｅ^２直径で約５μＪ）

繰返し率：５００ｋＨｚ〜５ＭＨｚ（ターゲット表面に送達される）

走査速度：０．１ｍ／秒から１０ｍ／秒、パターンなしのウエハの場合、通常１ｍ／秒未満、パターン付きウエハの場合、通常５ｍ／秒以上、典型的な低誘電率材料の場合、０．２ｍ／秒から１ｍ／秒

上記の値及び範囲は例であり、他の実施例では他の値及び範囲も可能である。

幾つかの実施例では、１つ以上の最初のパスは、金属及び／又は誘電体材料、例えば複数の層を除去するために、比較的遅い走査速度で実施することができる。追加のパスは、半導体ウエハ、例えば金属及び／又は誘電体層を支持する下にあるシリコン基板を切削するために、増大させた速度で実施することができる。

例として、最初のパス（例えば、誘電体／導体を除去するため）は、約２μＪより大きく最高約１０μＪの範囲内のパルスエネルギーを使用して、約０．２ｍ／秒から１ｍ／秒で実施することができる。追加のパスは、上記のパルスエネルギーを用いて最高約１０ｍ／秒の速度で実施することができる。集束スポット寸法は、約２０〜４０μｍ（１／ｅ^２直径）の範囲内とすることができる。最小フルエンスは、約０．４Ｊ／ｃｍ^２とすることができる。パルス幅は、約１０ピコ秒以下とすることができる。最初及び／又は追加のパスに対する他のパラメータも可能である。

例示的な実験結果−フェムト秒及びピコ秒のパルス
フェムト秒及びピコ秒のパルスのスクライビング例
追加の実験を実施して、フェムト秒とピコ秒のパルスを用いて得られたスクライビング結果を比較した。使用したシステム構成は、図６Ａに概略的に示すシステムに類似していた。これらの実験では、レーザシステム１０４は、ＩＭＲＡ Ａｍｅｒｉｃａ Ｉｎｃ．（ミシガン州アナーバー）製のＤ−１０Ｋレーザを含んだ。

Ｄ−１０Ｋレーザを用いてパルスレーザビームが生成された。幾つかの実験では、Ｄ−１０Ｋレーザは、パルス圧縮器が１ピコ秒に満たない出力パルスを生成するように構成された。出力波長は１．０４μｍであり、１パルス当たりのエネルギーが１０μＪのパルス列が１ＭＨｚの繰返し率で生成された。フェムト秒とピコ秒のパルスのパルスエネルギーはほぼ等しかった。圧縮前には、レーザパルス持続時間は約３００ピコ秒であり、引き延ばして増幅したモードロック式発振器の出力に対応する。この実験では、パルス圧縮器を取り除くことによって、３００ピコ秒のパルスが得られた。圧縮パルス幅は、約５００フェムト秒であった。１組の例示的な実験（例えば、図１７の左側に示す例示的な結果）では、約５μＪのパルスエネルギーを有する圧縮パルスが使用された。これらの例示的な実験の全てにおいて、レーザビームはｆθレンズを使用して集束され、レンズの焦点面又はその付近に厚さ１００μｍのシリコンウエハが配置された。ウエハを複数のパスでスクライビングするように、パルスレーザビームがシリコンウエハを横切るように走査された。各パスに対して、レーザビームは、以下で論じる走査速度でウエハを１回横切るように走査された。

図１６Ａ〜１６Ｄは、５００フェムト秒のレーザパルス（図１６Ａ及び１６Ｃ）、並びに３００ピコ秒のレーザパルス（図１６Ｂ及び１６Ｄ）を使用してスクライビングされたパターンなしのシリコンウエハの例示的な走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図１６Ａ及び１６Ｃに示す結果は約１２０ｍｍ／秒の走査速度で得られ、図１６Ｂ及び１６Ｄの結果は約３２０ｍｍ／秒の走査速度で得られた。図１６Ａ及び１６Ｂに示すレーザスクライビングされた溝のＳＥＭ画像は、へき開した（スクライビング後）表面の側面図である。図１６Ｃ及び１６Ｄに示すＳＥＭ画像は、それぞれ図１６Ａ及び１６Ｂに示す溝の一部分の上面図である。

これらの例示的な実験では、リキャストは、ピコ秒のパルスを用いた場合よりフェムト秒のパルスを用いた方がはるかに少なかった。５００フェムト秒のレーザパルスを用いてスクライビングしたシリコン試料は、図１６Ａ及び１６Ｃ内に観察可能なリキャスト領域を示さない。従って、この例示的な実験では、フェムト秒のレーザパルスによって非常に浅いＨＡＺだけが生成されることが確認された。しかし、３００ピコ秒のパルスを用いてスクライビングした結果、図１６Ｂ及び１６Ｄに示す例示的な実験結果では、スクライビング溝の周りに顕著なリキャスト領域が生じた。これらの実験では、リキャスト（「ピコ秒でリキャスト」と標識を付けた図１６Ｂの矢印で示す）は、シリコンが溶融していること、そして５００フェムト秒のパルスの場合より３００ピコ秒のパルスの場合にＨＡＺが大きいことを示す。図１６Ｂに示す例で３００ピコ秒のパルスを用いて生成されたリキャストは、再堆積材料の熱溶融の結果であると考えられる。これまでのウエハ加工の実施例に示したフェムト秒の加工の特定の例では、再堆積材料の溶融は発生しないことがある（又はより長いパルス、例えば１００ピコ秒を超えるパルスの場合より小さな程度で発生することがある）。いかなる特定の理論又は説明も利用することなく、又は必要とすることなく、１ピコ秒に満たないレーザ・アブレーションに関連する粒子状の破片のリキャストは、例えば１００ピコ秒より大きなパルス幅を使用する幾つかの実験で観察されるような、例えばより長いパルス持続時間にわたって発生し得る熱溶融とは、いくぶん異なる現象を伴うことがある。図１３Ａ−１から１３Ａ−５を参照して記載の例の非圧縮試験の結果（２００ピコ秒のパルスを使用）は、より長いパルス幅を用いると、場合によってはシリコンウエハ切削の品質が低下する可能性があることを示す。それにもかかわらず、３００ピコ秒の加工で観察された溶融及びリキャストは、穏やかなものであった（例えば、ナノ秒の加工と比較）。例えば、図１６Ｂは、材料変質の領域に亀裂を示していない。

図１６Ｂ及び１６Ｄに示す３００ピコ秒の例示的な実験結果は、図１６Ａ及び１６Ｃに示す１ピコ秒に満たないパルスを用いた例示的な実験と比較して、平滑なスクライビング表面を示す。フェムト秒のパルスは、比較的浅いＨＡＺで比較的平坦なスクライビング溝を作ったが（図１６Ａ参照）、スクライビング表面はテキスチャでいっぱいであった（図１６Ｃ参照）。いかなる特定の理論又は説明にも制限されることなく、テキスチャは、レーザにより引き起こされる周期的な表面構造（ＬＩＰＳＳ）に起因すると考えられる。これらの実験では、３００ピコ秒のパルスを用いたスクライビングが、はるかに平滑な表面を形成した。これは明らかに、上記の溶融プロセスの結果である。他方では、パルス幅は、図示の例では、ウエハ・フィーチャ（例えば、導体、誘電体層）と同等のスケールで表面変化が生じるのを回避するのに十分なほど短い。従って、これらの例示的な実験例では、３００ピコ秒のパルスは、５００フェムト秒のパルスよりはるかに平滑なスクライビング表面品質を提供した。従って、幾つかの実装形態では、より長いパルス幅（例えば、特定の実施例では約１００ピコ秒より長い）を使用して、加工物内の金属材料、誘電体材料、及び／又は半導体材料の平滑で実質上テキスチャのない表面部分を生成することができる。

これらの実験結果はまた、フェムト秒のパルス、又は数百ピコ秒のパルス幅を有するピコ秒のパルスのいずれかを用いると、優れたダイ強度が実現可能であることを示した。例えば、図１７は、５００フェムト秒（圧縮Ｄ−１０Ｋ出力パルス）及び３００ピコ秒（非圧縮Ｄ−１０Ｋ出力パルス）を用いて切削されたシリコン・ダイのダイ強度を示す。図１７では、個々の実験結果を、白丸（引張り状態のダイ）及び白い正方形（圧縮状態のダイ）として示す。これらの実験結果に対応する平均値（及び誤差バー）を、黒丸（引張り状態のダイ）又は黒い正方形（引張り状態のダイ）として示す。これらは、実験結果から水平にオフセットしたものである。比較として、Ｌｉら、「Ｌａｓｅｒ ｄｉｃｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｄｉｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ−ｔｈｉｎ ｗａｆｅｒ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ＩＥＥＥ（２００７）、７６１〜７６６頁に開示の機械及びナノ秒レーザのダイシングの結果を示す。図１７に示す例示的な結果は、３００ピコ秒のレーザパルスを用いたダイシングが、５００フェムト秒のレーザパルスを用いて切削されたダイのものと類似のダイ強度をもたらしたこと、そして３００ピコ秒及び５００フェムト秒のパルスを用いて得られたこれらの実験のダイ強度は、ナノ秒のレーザを用いて切削されたダイのダイ強度より強いことを示す。

例示的な実験結果に基づく観察
様々な実施例では、低誘電率誘電体のスクライビングは、複数の層と交差する深さ方向領域にわたって材料変質をもたらすのに十分なほどＨＡＺを大きくすると、より効率的に実施することができる。ＨＡＺの範囲（例えば、深さ方向範囲）は、亀裂、空隙、又は相当な望ましくない再堆積材料を低減又は回避するように制限できると有利である。また、幾つかの実装形態では、このシステムは加工物内の誘電体材料（例えば、低誘電率誘電体）及び／又は金属材料の除去中に生成されるＨＡＺが、加工物の半導体材料の一部分の除去中に生成されるＨＡＺに対して深さ方向に増大するように構成される。例えば、幾つかの実装形態では、誘電体材料及び／又は金属材料の除去中に生成されるＨＡＺの深さ方向範囲は、複数の材料層を通って延びる（及び／又は交差する）ことができる。

図１６Ｂは、熱の相互作用の結果、材料が再堆積したが、亀裂及び空隙がないので破局的ではない材料除去の一例を示す。図１６Ａは、材料の深さ方向の一部分が除去されて、再堆積は低減され又は無視できる（図１６Ｂの例と比較）、極短（フェムト秒）レーザ・アブレーション機構の一例を示す。裸のシリコンを用いるこれらの実験では、亀裂又は他の望ましくない変質を生じない若干のリキャストの存在は、上にある低誘電率材料層を除去するのにＨＡＺが十分であることの指標である。またこの場合も、これらの実験結果は、裸のウエハのフェムト秒の加工を用いるとリキャスト、スラグ、溶融領域などを低減又は回避することを確認し、またウエハの厚さ全体、又はその大部分の切削に対するフェムト秒のパルスの利益を実証する。

幾つかの微細機械加工動作では、ターゲット材料から放出される荷電粒子の静電引力を使用することによって、破片の蓄積をさらに低減させることができる。「Ｌａｓｅｒ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ」という名称の米国特許第６，７７０，５４４号は、そのような技法を開示している。ウエハ切削システム又は他の微細機械加工デバイスのレーザ照射器近傍に、正又は負に帯電した集塵電極を設置することができる。この構成では、レーザ照射によって生じた帯電した断片は、集塵電極によって静電気で引き付けられ、従って帯電した断片がレーザ照射器近傍に堆積するのを防止することができる。様々な実施例でそのような方法を利用して、性能をさらに向上させることができる。性能指数は、放出物内の荷電粒子と中性粒子の相対分布に少なくとも部分的に依存することがある。

追加の実施例、特徴、及び例示的な応用
本明細書に記載のように、ターゲット基板の加工中にターゲット領域内、この領域近傍、又はその両方で、望ましくない材料が蓄積することがある。再堆積材料の量を低減させ、及び／又は破片の組成を変える実施例は追加の加工ステップを低減又は排除することができる。例えば、半導体加工の場合、望ましくない材料の量は従来の超音波清浄を使用して望ましくない材料の一部又は全てを除去できるのに十分なほど低減させることができる。さらに、本明細書に記載のレーザシステムの幾つかの実施例を使用した結果、材料の「ブラブ（ｂｌｏｂ）」ではなく微細な粒子が再堆積する可能性がある。そのような実施例では、化学エッチング又は他の清浄化ステップを使用する必要はないことがある。

本明細書に記載のシステム及び方法の多数の実施例は、半導体基板の加工に適用できる。幾つかの実施例は、破片除去のために当業界で現在利用されている特殊な被覆及び／又はエッチングのステップの必要性を低減又は排除できると有利である。幾つかの実施例は、追加の及び／又は異なる利点を提供することができる。特定の追加の実施例の例を本明細書に記載する。これらの追加の実施例は、様々なシステム及び方法の特定の有利な例について説明するものであり、本開示の範囲を限定するものではない。

一実施例では、加工物をレーザ加工する方法が提供される。この方法は、十分に高いパルス繰返し率で加工物のある領域にレーザパルスを集束させて誘導し、従ってこの領域から材料を除去し、またこの領域内又はその近傍の望ましくない材料の量を、より低い繰返し率で得られる量に対して低減させることを含むことができる。少なくとも幾つかの実施例では、加工物の領域は半導体ウエハを含み、望ましくない材料の量は再堆積材料を含む。様々なそのような実施例では、再堆積材料は約２０μｍより小さい、約１０μｍより小さい、約５μｍより小さい、約４μｍより小さい、又は約３．５μｍより小さい厚さに制限される。

少なくとも１つの実施例は、ターゲット材料をレーザ加工して材料の深さ方向の一部分を除去する方法を含む。この方法は、ある走査速度及びパルス繰返し率で、ターゲット材料の少なくとも一部分に集束レーザパルスを繰り返し照射することを含むことができる。繰返し率は、材料の相当な深さ方向部分をターゲット位置から効率的に除去し、またターゲット位置内又はその近傍の望ましくない材料の蓄積を制限するのに十分なほど高い。様々な実施例では、除去される材料の深さは、約１０μｍより大きく、約２５μｍより大きく、約５０μｍより大きく、約７５μｍより大きく、約１００μｍより大きく、約１２５μｍより大きく、約１５０μｍより大きく、又は何らかの他の深さとすることができる。特定の実施例では、除去される材料の深さは、約１０μｍより大きな、約２５μｍより大きな、約５０μｍより大きな、約７５μｍより大きな、約１００μｍより大きな、又は何らかの他の深さの厚さを有するターゲット材料を完全に切削するのに十分である。幾つかの実施例では、深さ方向部分は比較的浅いトレンチを含み、その深さは、例えば、約１０μｍ未満、約５μｍ未満、又は何らかの他の値とすることができる。様々な実施例では、除去される材料の幅は、約５μｍから約１００μｍの範囲内、約１０μｍから約５０μｍの範囲内、約２０μｍから約４０μｍの範囲内、又は何らかの他の範囲とすることができる。

少なくとも１つの実施例は、ターゲット材料を加工して、ターゲット材料上又は内の切削、ダイシング、スクライビング、又はフィーチャ形成のうちの少なくとも１つを行う方法を含む。この方法は、ある走査速度及びパルス繰返し率で、ターゲット材料に集束レーザパルスを繰り返し照射することを含むことができる。繰返し率は、場合によっては、少なくとも約１００ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内とすることができる。走査速度は、場合によっては、約０．２ｍ／秒から２０ｍ／秒の範囲内とすることができる。走査速度は、場合によっては、約０．５ｍ／秒から約１０ｍ／秒の範囲内とすることができる。特定の実施例では、集束パルスの少なくとも幾つかは、少なくとも１つの他のパルスとのゼロ以外の空間重複係数、約１ナノ秒より短いパルス幅、約５μＪから約２５μＪの範囲内のパルスエネルギー、約１０μｍから約５０μｍの範囲内の集束１／ｅ^２スポット寸法のうちの少なくとも１つを有する。これらのパルスは、ターゲット材料で約０．２５Ｊ／ｃｍ^２から約３０Ｊ／ｃｍ^２のフルエンスを生成することができる。

幾つかの実装形態では、照射することは、ターゲット材料の少なくとも一部分にわたって複数のパスを用いて実施される。幾つかの実装形態では、集束レーザパルスの少なくとも一部分は、材料の少なくとも５μｍの深さ方向部分をターゲット材料から除去する。

多材料加工物を加工する方法の幾つかの実装形態では、加工物は半導体材料及びパターンを含み、パターンは誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つを含む。この方法は、加工物にレーザパルスの列を照射することを含むことができる。幾つかの実装形態では、この列の少なくとも２つのパルスは異なる特性を有し、これらのパルスは加工物の異なる材料に加えられる。この方法はまた、誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つの除去中に生成される少なくとも１つのＨＡＺが、半導体材料の一部分の除去中に生成される少なくとも１つのＨＡＺに対して深さ方向に増大するように、熱影響域（ＨＡＺ）を制御することを含むことができる。幾つかの実施例では、少なくとも幾つかのレーザパルスは異なるパルス幅を有し、ＨＡＺを制御することは加工物材料に異なるパルス幅を加えることを含む。これらのパルス幅は約１００フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内とすることができる。幾つかの実施例では、これらの異なる特性は、パルスエネルギー、ピークパワー、及び加工物の空間的重複のうちの少なくとも１つを含む。ＨＡＺを制御することは、異なる特性のうちの少なくとも１つを有するパルスを異なる加工物材料に加えることを含むことができる。少なくとも１つの実施例では、列の少なくとも１つのパルスは約０．２５Ｊ／ｃｍ^２から約３０Ｊ／ｃｍ^２の範囲内のフルエンスを提供する。

半導体基板の材料上又は内でダイシング、切削、スクライビング、及びフィーチャ形成のうちの少なくとも１つを行うシステムの実施例について説明する。このシステムは、ある走査速度及びパルス繰返し率で、材料の少なくとも一部分に集束レーザパルスを繰り返し照射するように構成されたパルスレーザシステムを含むことができる。繰返し率は、材料の相当な深さ方向部分をターゲット位置から効率的に除去し、またターゲット位置近傍の望ましくない材料の蓄積を制限するのに十分なほど高くすることができる。幾つかの実施例では、繰返し率は、約１００ｋＨｚから約５ＭＨｚの範囲内とすることができる。このシステムは、レーザパルスを送達して集束させる光学系と、この走査速度で半導体基板に対してレーザパルスを位置決めするように構成されたビーム位置決めシステムとを含むことができる。位置決めシステムは、光学式スキャナ及び基板ポジショナのうちの少なくとも１つを含むことができる。このシステムはまた、レーザシステム、光学系、及び位置決めシステムに結合された制御装置を含むことができる。

幾つかの実装形態では、このシステムはまた、レーザシステム及び制御装置に結合されたビーム操作器を含む。ビーム操作器、レーザシステム、及び制御装置は、基板及びレーザシステムのうちの少なくとも１つの状態を示す信号を得るように動作可能とすることができる。制御装置は、レーザシステム及び基板のうちの少なくとも１つの状態を変えるための制御信号を生成するように動作可能とすることができる。

幾つかの実装形態では、レーザ光源は、ファイバレーザ、ファイバ増幅器、受動Ｑスイッチ・マイクロチップレーザ、及びモードロック式発振器のうちの少なくとも１つを含む。このシステムは、約５０フェムト秒から数ナノ秒の範囲内の幅を有する少なくとも１つのパルスをこの繰返し率で生成するように構成することができる。

幾つかの実装形態では、このシステムは、約１０ピコ秒より小さいパルス幅を有する少なくとも１つのレーザパルスを提供するように構成される。他の実装形態では、システムは、パルス幅が約５０フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルスを提供するように構成することができる。幾つかの実装形態では、パルスレーザシステムは、極短レーザ、及び極短パルスを増幅する光増幅器のうちの少なくとも１つを含む。幾つかの実装形態では、このシステムは、約１０ＭＨｚより小さいパルス繰返し率で動作するように構成される。

少なくとも１つの実施例はターゲット材料をレーザ加工してターゲット材料内にアスペクト比の高いフィーチャを形成する方法を含み、このフィーチャの深さと幅の比は十分に大きく、またフィーチャ深さは少なくとも約５ミクロンである。この方法は、ある走査速度及びパルス繰返し率で、ターゲット材料に集束レーザパルスの列を照射することを含むことができる。この方法は、レーザパルスの列の１つ以上の特性を制御することをさらに含むことができる。制御されるパルス特性には、フルエンス、パルスエネルギー、この列の少なくとも１つの他のパルスとのゼロ以外の空間重複係数、及びパルス幅を含むことができる。繰返し率及び走査速度は、フィーチャ品質が、実質上同じパルス特性及び走査速度を用いてより低い繰返し率で得られる品質に対して改善されるのに十分なほど高い。

少なくとも１つの実施例は、ターゲット材料をレーザ加工する方法を含む。少なくとも１つの実施例は、ある走査速度及びパルス繰返し率で、ターゲット材料に集束レーザパルスの列を照射することを含む。この方法は、レーザパルスの列の１つ以上の特性を制御することをさらに含むことができる。この列のパルスの制御されるパルス特性には、フルエンス、少なくとも約５マイクロジュールのパルスエネルギー、この列の少なくとも１つの他のパルスとのゼロ以外の空間重複係数、及びパルス幅を含むことができる。加工品質は、ある量の除去された材料又はその近傍の再堆積材料の測度で特徴付けることができる。繰返し率及び／又は走査速度は、機械加工品質が、実質上同じパルス特性及び走査速度を用いて約１ＭＨｚを下回るより低い繰返し率で得られる品質に対して改善されるのに十分なほど高い。

少なくとも１つの実施例は、ターゲット材料を加工して、ターゲット材料上又は内で切削、ダイシング、スクライビング、及び／又はフィーチャ形成を行う方法を含む。ターゲット材料は、半導体、金属、又は誘電体を含むことができる。例えば、ターゲット材料は、シリコンを含むことができる。誘電体は、低誘電率誘電体を含むことができる。この方法は、ある走査速度及びパルス繰返し率で、ターゲット材料に集束レーザパルスの列を照射することを含むことができる。この方法は、レーザパルスの列の１つ以上の特性を制御することをさらに含むことができる。この列のパルスの制御されるパルス特性には、フルエンス、少なくとも約５マイクロジュールのパルスエネルギー、この列の少なくとも１つの他のパルスとのゼロ以外の空間重複係数、及びパルス幅を含むことができる。少なくとも１つのパルスのエネルギーは約５μＪから約２５μＪの範囲内とすることができ、パルス幅は約１ピコ秒未満とすることができ、集束スポット寸法は約１０μｍから約５０μｍの範囲内とすることができ、基板で約０．２５Ｊ／ｃｍ^２から約３０Ｊ／ｃｍ^２の範囲内のフルエンスを生成することができる。幾つかの実施例では、繰返し率は少なくとも約５００ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内とすることができ、走査速度は約０．２ｍ／秒から約２０ｍ／秒の範囲内とすることができる。

様々な実施例では、パルス幅は１ピコ秒未満である。

幾つかの実施例では、パルス幅は最高数ナノ秒とすることができる。

幾つかの実施例では、１ナノ秒に満たないパルス幅は１ナノ秒未満、例えば５００ピコ秒以下とすることができる。

幾つかの実施例では、数十フェムト秒から約５００ピコ秒のパルス幅を使用することができる。

様々な実施例では、パルス幅は、ターゲット材料のある領域内又はその付近で望ましくない微細な亀裂又は他の欠陥を回避するのに十分なほど短い。

様々な実施例では、パルス幅は、より高い繰返し率で望ましくない材料の蓄積を制限するのに十分なほど短い。

様々な実施例では、パルス幅は所定の公差内でフィーチャ形状が形成されるのに十分なほど短い。

所定のフィーチャ形状を形成するのに十分なほど短いパルス幅は約１００ピコ秒未満とすることができる。

様々な実施例では、繰返し率に対する上限は、約２．５ＭＨｚ、約５ＭＨｚ、又は約１０ＭＨｚとすることができ、また蓄熱効果及び再堆積材料の蓄積のうちの１つ以上を回避するように選択することができる。

様々な実施例では、より高い繰返し率は約２．５ＭＨｚ未満とすることができる。

様々な実施例では、より高い繰返し率は約５ＭＨｚ未満とすることができる。

幾つかの実施例では、より高い繰返し率は約１０ＭＨｚ未満とすることができる。

少なくとも１つの実施例は、本明細書に記載のレーザ加工方法の実施例のいずれかを実施するのに適した極短パルスレーザシステムを含む。

少なくとも１つの実施例は、ファイバ増幅器又はファイバレーザのうちの少なくとも１つを含む極短パルスレーザシステムを含む。

除去される材料の深さ方向部分は、単一のパス中に約０．５μｍ以上とすることができる。

繰返し率は少なくとも約１ＭＨｚとすることができる。

望ましくない材料の断面は１ミクロンに満たない寸法に制限することができる。

フィーチャ品質は、フィーチャ近傍の再堆積材料の測度に対して、形成されたフィーチャの深さＺとして測定可能とすることができる。

少なくとも１つの実施例では、繰返し率は少なくとも約５００ｋＨｚから約５ＭＨｚであり、より低い繰返し率は約１０ｋＨｚから約２５０ｋＨｚの範囲内である。

少なくとも１つの実施例では、繰返し率は約５００ｋＨｚから１０ＭＨｚであり、より低い繰返し率は約１０ｋＨｚから約４００ｋＨｚ未満の範囲内である。

少なくとも１つの実施例では、繰返し率は約５００ｋＨｚから約２．５ＭＨｚであり、より低い繰返し率は約１０ｋＨｚから約４００ｋＨｚ未満の範囲内とすることができる。

繰返し率は少なくとも約５００ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内とすることができ、実際の加工中のパルスの平均パワーはわずか約２．５Ｗである。

少なくとも１つの実施例は、アスペクト比の高いフィーチャを形成する前述の方法の実施例を実施するのに適した極短パルスレーザシステムを含む。

ターゲット材料は、例えばシリコンなどの半導体を含むことができる。

パルスエネルギーは少なくとも約１マイクロジュールとすることができ、集束１／ｅ^２スポット直径の少なくとも一部分にわたってフルエンスがターゲット材料のアブレーション閾値を超えるのに十分なほど高くすることができる。

照射することは、材料上の複数のパス内で実施することができ、フィーチャ深さの深さ方向の一部分は任意のパス中に形成することができる。

少なくとも１つの実施例では、繰返し率は少なくとも１ＭＨｚとすることができる。

ターゲット材料上のフルエンス、パルス持続時間、及びレーザスポット重複は、ほぼ一定のまま保持することができる。

品質の測度には、ターゲット材料近傍の領域を覆う再堆積材料の平均高さ、体積、及び面積のうちの少なくとも１つを含むことができる。

品質の測度には、領域内の断面のピーク高さ、平均高さのうちの少なくとも１つを含むことができる。

品質のさらなる測度はまた、ターゲット材料内に形成されたフィーチャの深さと上記の品質測度のいずれかとの比を含むことができる。

様々な実施例では、リキャスト材料の量をおおよそ低減することは、リキャスト粒子寸法を見掛け上低減することを含むことができる。

パスの数Ｎは約１０回のパスから約１０００回のパスの範囲内とすることができる。

フルエンスは材料のアブレーション閾値を約５倍から約２０倍上回ることができる。

フルエンスは約０．２５Ｊ／ｃｍ^２から約３０Ｊ／ｃｍ^２の範囲内とすることができる。

パルス幅は約１ピコ秒を下回ることができる。

走査速度は約１０ｍ／秒とすることができ、集束パルスは約１０ミクロンから約１００ミクロンの１／ｅ^２スポット寸法を含むことができる。

幾つかの実施例では、ターゲット材料はシリコンウエハを含むことができ、また機械加工は、ウエハスクライビング又はダイシングを含むことができる。

幾つかの実施例では、再堆積材料の量は、より多くの量の再堆積材料を除去するのに利用される加工ステップを排除するのに十分なほど少なくすることができる。

幾つかの実施例では、再堆積材料の量は、基板被覆又は化学エッチングを必要とすることなく超音波清浄で再堆積材料を除去するのに十分なほど少なくすることができる。

幾つかの実施例では、繰返し率を最高約１０ＭＨｚ、平均パワーを少なくとも約２５Ｗ、最高約１００Ｗとすることができる。

スポットの空間的重複は約１０％から約５０％の範囲内とすることができる。

幾つかの実施例では、パルスのパワー密度は、約１０^１２から約１０^１４Ｗ／ｃｍ^２の範囲内とすることができ、パルスは、約１０ピコ秒より小さい幅を有することができる。

幾つかの実施例では、パルスのパワー密度は、約１０^１０から約１０^１３Ｗ／ｃｍ^２の範囲内とすることができ、パルスは、約５００ピコ秒より小さい幅を有することができる。

少なくとも１つの実施例は、多材料加工物のスクライビング、ダイシング、又は類似の加工のためのレーザベースのシステムを含む。加工物は、半導体部分、例えば半導体基板を含む。このシステムは、光パルス光源を含む。少なくとも１つの大モードファイバ増幅器を含む光増幅システムは、光源からのパルスを少なくとも約１μＪのエネルギーに増幅し、約５００フェムト秒から数百ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する出力パルスを生成する。このシステムは、表面に送達されるパルスの繰返し率を約数百ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内で調整する、少なくとも１つの光変調器を含む変調システムを含む。ビーム送達システムが、１つ以上の材料上の約５〜５０μｍのスポット寸法（１／ｅ^２）上に集束スポットを送達し、またこの集束スポットを約０．１ｍ／秒から２０ｍ／秒の率で走査するために、走査システムが使用される。幾つかの実施例では、スポット寸法（１／ｅ^２）は約１５〜５０μｍの範囲内とすることができる。

様々な実施例はまた、光源と大コア増幅器の間に配置されたパルス・ストレッチャと、大コアファイバを用いて増幅されたパルスのパルス幅を低減させるパルス圧縮器とを有するファイバベースのチャープパルス増幅システムを含むことができる。幾つかの実施例は、パルスエネルギーが約２０μＪの出力パルスを約１０Ｗの平均パワーで生成するように動作可能な光増幅システムと、ファイバ発振器と、発振器からのパルスを受け取る１つ以上の高利得増幅器とを含み、これらはオールファイバ設計として構成される。

様々な実施例では、このシステムは、

モードロック式ファイバ発振器を有する光パルス光源と、

ファイバレーザ、ファイバ増幅器、受動Ｑスイッチ・マイクロチップレーザ、及びモードロック式発振器のうちの少なくとも１つを有する光源と、

光増幅器から放出されるパルスの幅を低減させるパルス圧縮器と、

光源と光増幅器の間に配置されたパルス・ストレッチャとを含むことができ、

パルス・ストレッチャは、ある長さの光ファイバを含むことができ、

フルエンスは、スポット領域内で少なくとも約０．２５Ｊ／ｃｍ^２、又は少なくとも約１Ｊ／ｃｍ^２とすることができ、また材料に依存することがあり、

スポット寸法（１／ｅ^２直径）は、約３０〜４０μｍの範囲内とすることができ、

パルスエネルギーは約１μＪから約２０μＪの範囲内とすることができる。

パルスレーザシステムの様々な実施例は、光パルス光源と、少なくとも１つの大モード・ファイバ増幅器を含む光増幅システムとを含むことができる。光増幅システムは、光源からのパルスを少なくとも約１μＪのエネルギーに増幅し、約１００フェムト秒から約１ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する極短出力パルスを生成する。このシステムは、少なくとも約数百ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内の繰返し率で出力パルスを送達するように調整可能であることが好ましい。

様々な実施例はまた、

少なくとも約１０Ｗの利用可能な平均パワーと、

ファイバベースのチャープパルス増幅システムと、

マルチモードファイバ増幅器、大コア漏洩チャネルファイバ（ＬＣＦ）、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）、及びフォトニック・バンドギャップ・ファイバ（ＰＢＧＦ）のうちの少なくとも１つを有する大モード・ファイバ増幅器とを含むことができる。これらの増幅器のうちの１つ以上は、ほぼ回折限界のビームが出力されるように構成することができる。

少なくとも１つの実施例は、半導体材料部分を有する多材料加工物のスクライビング、ダイシング、又は類似の加工のための方法を含む。この方法は、数百ｋＨｚから約１０ＭＨｚの率で、約５００フェムト秒から数百ピコ秒の範囲内のパルス幅を有するレーザパルスを加工物の少なくとも１つの材料に照射することを含む。これらのパルスは、約１５〜５０μｍ（１／ｅ^２）のスポット寸法内に集束され、この集束スポットは、少なくとも１つの材料上又は内で約０．１ｍ／秒から２０ｍ／秒の率で走査される。照射することは、熱影響域（ＨＡＺ）を制御することによって、加工面積の周りの破片の蓄積を同時に制限しながら、迅速な材料除去を実現するように１つ以上の材料内の蓄熱を制御する。

様々な実施例では、

加工物厚さは約１００μｍより小さく、

加工物は、パターン付き層と裸の半導体ウエハ部分の両方で形成される。パターン付き層は、誘電体及び金属材料のうちの少なくとも１つを有することができる。

幾つかの材料を加工する場合、パターン付き層の少なくとも一部分を除去するための走査速度は、裸のウエハ部分を除去するための走査速度より実質上遅くすることができる。幾つかの実施例では、パターン付き層に照射する場合、裸のウエハ部分に照射する場合より、隣接する集束スポット間の重複を実質上大きくすることができる。パターン付き層を照らす場合、裸のウエハ部分を照らす場合とは異なるスポット寸法を使用することができる。

パターン付きウエハ部分の除去は、少なくとも約９５％のスポット重複で実施することができる。幾つかの実施例では、スポット重複を約９９％より大きくすることができる。

パルスエネルギーは約１μＪから約２０μＪの範囲内とすることができる。

パターン付き部分は約０．１〜０．５ｍ／秒の率で走査することができる。

パルスエネルギーは少なくとも約１μＪとすることができ、また導体又は誘電体材料上又は内のフルエンスは、誘電体材料の層間剥離を回避するのに十分なほど高くすることができる。

幾つかの基板の加工は、パターン付き層を除去するためのフルエンスが裸のウエハ部分を除去するためのフルエンスを超えるようにして実施することができる。幾つかの実装形態では、パターン付き部分の少なくとも一部を除去するための蓄熱は、半導体ウエハの少なくとも一部を除去するための蓄熱を超える。幾つかのそのような実装形態では、加工物の１つ以上の領域内で制御された蓄熱を提供するように、パルスエネルギー、パルス幅、繰返し率、フルエンス、スポット重複、及び／又は走査速度を変動させることができる。

少なくとも１つの実施例は加工物をレーザ加工する方法を含む。この方法は、十分に高いパルス繰返し率で加工物のある領域にレーザパルスを集束させて誘導し、従って熱影響域（ＨＡＺ）を制御することによって、加工面積の周りの再堆積材料の蓄積を同時に制限しながら、迅速な材料除去を実現するように１つ以上の材料内の蓄熱を制御することを含む。

様々な実施例は、半導体材料部分を有する多材料加工物のスクライビング、ダイシング、又は類似の加工のためのレーザベースのシステムを含むことができる。このシステムは、光パルス光源及び光増幅システムを含む。増幅システムは、光源からのパルスを増幅し、約５００フェムト秒から数百ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する出力パルスを生成する少なくとも１つの大モード・ファイバ増幅器を含む。他の実施例では、増幅システムは、数十フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する出力パルスを生成するように構成することができる。このシステムはまた、表面に送達されるパルスの繰返し率を少なくとも約１ＭＨｚから１００ＭＨｚ未満の範囲内で調整する、少なくとも１つの光変調器を含む変調システムを含む。ビーム送達システムが、１つ以上の材料上の少なくとも約５ミクロンのスポット直径（１／ｅ^２）上に集束パルスを送達する。少なくとも１つのビーム偏向器を含む走査システムが、この繰返し率及びスポット寸法で少なくとも約９５％のスポット重複をもたらす走査速度でこれらの集束パルスを走査する。

様々な実施例では、

出力パルスの少なくとも幾つかは、少なくとも約１００ｎＪのパルスエネルギーを有する。

スポット重複は約９９％を超えることができる。

光源及び増幅システムはオールファイバとすることができる。

増幅システムはファイバベースのチャープパルス増幅器を含むことができる。

幾つかの実施例では、レーザベースのシステムは、

第１の出力パルスが約１０ピコ秒より大きなパルス幅を有し、第２の出力パルスが１ピコ秒より小さいパルス幅を有するように構成される。

第１の出力パルスと第２の出力パルスは時間的に重複する。

第１の出力パルスと第２の出力パルスは約１μ秒未満だけ時間的に分離される。

第１の出力パルスは走査速度が第１の率であるときに出力され、第２の出力パルスは走査速度が第２の率であるときに出力され、第１の率は第２の率より小さい。

少なくとも１つの実施例では、多材料加工物は、パターン付き領域と半導体ウエハ領域の両方を含むことができ、パターン付き領域は、誘電体及び金属材料のうちの少なくとも１つを有する。加工物を加工する方法の実施例は、約１００ピコ秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅を有するパルスを用いて、パターン付き領域内の材料の少なくとも一部分を変質させることと、約１００フェムト秒から約１０ピコ秒の範囲内のパルス幅を有するパルスを用いて、半導体ウエハ領域の少なくとも一部分を変質させることとのうちの幾つかを含むことができる。幾つかの実施例では、少なくとも１つのパルスは約１００ピコ秒から５００ピコ秒の範囲内のパルス幅を含み、少なくとも１つのパルスは約１０ピコ秒より小さいパルス幅を含む。幾つかの実施例では、少なくとも１つのパルスは少なくとも約１００ｎＪのパルスエネルギーを有する。幾つかの実装形態では、パターンは誘電体材料と金属材料の両方を含み、パターンの少なくとも一部分内の蓄熱は、金属材料からの誘電体材料の層間剥離を低減又は回避するのに十分なほど高い。幾つかの実施例では、パターンの少なくとも一部分を変質させることによって生成される熱影響域（ＨＡＺ）の深さ方向部分は、半導体ウエハの少なくとも一部分を変質させることによって生成されるＨＡＺの深さ方向部分より大きい。

本明細書に記載の材料加工方法の様々な実施例は、本明細書に記載のパルスレーザシステムの実施例の少なくとも幾つかを使用して実施することができる。様々な実施例では、パルスレーザシステムはファイバ増幅器又はファイバレーザのうちの少なくとも１つを含むことができる。例えば、材料加工方法の実施例は、図１Ｆ、２Ａ、２Ｂ、３、４Ａ、４Ｂ、５、６Ａ、及び／若しくは６Ｂを参照して図示及び記載のシステム、並びに／又は他のパルスレーザシステムの実施例を使用して実施することができる。幾つかの実装形態では、レーザシステム（又は、発振器及び／又は増幅器などのその構成要素）はオールファイバ設計を使用して実施することができる。

本明細書に記載の例示的な実験、実験データ、表、グラフ、図表、写真、図、並びに加工及び／又は動作パラメータ（例えば、値及び／若しくは範囲）は、開示のシステム及び方法の動作条件を例示するものであり、本明細書に開示の方法及びシステムの様々な実施例に対する動作条件の範囲を限定するものではない。さらに、本明細書に開示の実験、実験データ、計算データ、表、グラフ、図表、写真、図、及び他のデータは、開示のシステム及び方法の実施例が１つ以上の所望の結果をもたらすように効果的に動作できる様々な体系を実証する。そのような動作体系及び所望の結果は、例えば表、グラフ、図表、図、又は写真に示した動作パラメータ、条件、又は結果の特有の値だけに限定されるものではなく、これらの特有の値を含み又はこれらの特有の値に及ぶ適切な範囲を含む。従って、本明細書に開示の値は、表、グラフ、図表、図、写真などに記載又は図示の値のいずれかの間の値の範囲を含む。さらに、本明細書に開示の値は、表、グラフ、図表、図、写真などに記載又は図示の他の値によって実証できるとき、表、グラフ、図表、図、写真などに記載又は図示の値のいずれかを上回る又は下回る値の範囲を含む。また、本明細書に開示のデータは、特定の実施例に対する１つ若しくは複数の有効動作範囲、及び／又は１つ若しくは複数の所望の結果を確立できるが、全ての実施例がそのようなそれぞれの動作範囲内で動作可能である必要はなく、又はそのようなそれぞれの所望の結果をもたらす必要もないことを理解されたい。さらに、開示のシステム及び方法の他の実施例は、他の動作体系で動作することができ、及び／又は本明細書の例示的な実験、実験データ、表、グラフ、図表、写真、図、及び他のデータを参照して図示及び記載したもの以外の結果をもたらすことができる。

他の実装形態では、他のシステム、設備、及びパラメータを使用することもでき、それにより同じ又は異なる結果を提供することができる。多くの変形形態が可能であり、これらは本開示の範囲内であることが企図される。膜、層、構成要素、フィーチャ、構造、及び／又は素子を追加、除去、又は再構成することができる。さらに、プロセス又は方法ステップを追加、除去、又は並べ替えることもできる。

本明細書に開示の方法の特定の加工ステップ又は行為は、ハードウェア、ソフトウェア、又はファームウェア内で実施することができ、これらは、１つ以上の浮動小数点ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プログラム可能論理デバイス（ＰＬＤ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、及び／又は任意の他の適切な処理デバイスを含む１つ以上の汎用及び／又は特殊目的のコンピュータ、処理装置、又は制御装置によって実行することができる。特定の実施例では、制御装置又は制御手段によって提供される１つ以上の機能は、１つ以上の処理デバイスによって実行可能なソフトウェア、命令、論理回路、及び／又はモジュールとして実施することができる。幾つかの実施例では、ソフトウェア、命令、論理回路、及び／又はモジュールは、物理的記憶デバイス上で実施される記憶媒体及び／又は情報の転送を容易にする通信媒体を含むコンピュータ可読媒体上に記憶することができる。様々な実施例では、開示の方法のステップ又は行為の幾つか又は全ては、１つ以上の処理デバイスによって自動的に実行することができる。多くの変形形態が可能である。

本開示の目的で、特定の態様、利点、及び新規な特徴について、本明細書に説明する。そのような利点の必ずしも全てを、あらゆる特定の実施例で実現できるわけではないことを理解されたい。従って、例えば、本明細書に教示又は示唆される他の利点を必ずしも実現する必要なく、本明細書に教示の１つの利点又は１群の利点を実現するようにシステム及び方法を実現又は実施できることが、当業者には理解されるであろう。さらに、実施例は幾つかの新規な特徴を含むことができるが、そのいずれも、実施例の所望の属性に対する責任を単独で負うものではなく、又は本明細書に記載のシステム及び方法を実施するのに不可欠というわけではない。さらに、本明細書に開示のどの方法又はプロセスでも、方法又はプロセスの行為又は動作は、任意の適切な順序で実行することができ、どの特定の開示の順序にも必ずしも限定されるものではない。

とりわけ「できる（ｃａｎ）」、「できる（ｃｏｕｌｄ）」、「できる（ｍｉｇｈｔ）」、「できる（ｍａｙ）」、「例えば（ｅ．ｇ．）」などの本明細書で使用される条件言語は通常、別段の指定がない限り、又は使用される文脈内でその他の形で理解されない限り、特定の実施例が特定の特徴、要素、及び／又はステップを含むが、他の実施例は含まないことを伝えるものである。従って、そのような条件言語は通常、特徴、要素、及び／若しくはステップが１つ若しくは複数の実施例に必ず必要とされることを示唆するものではなく、又は１つ若しくは複数の実施例が、著者入力の有無にかかわらず、これらの特徴、要素、及び／若しくはステップが何らかの特定の実施例に含まれるかどうか若しくは実行すべきかどうかを決定する論理回路を必ず含むことを示唆するものでもない。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」などの用語は同義であり、包括的に非制限に使用され、追加の要素、特徴、行為、動作などを除外しない。また、「又は（ｏｒ）」という用語は、包括的に（かつ非排他的に）使用され、従って、例えば要素のリストをつなぐために使用されるとき、「又は」という用語は、リスト内の要素の１つ、幾つか、又は全てを意味する。

本明細書に開示の本発明の特定の実施例について説明したが、これらの実施例は、例示のみを目的として提示され、本明細書に開示の本発明の範囲を限定するものではない。本開示全体にわたって、「幾つかの実施例」、「一実施例」等への参照は、その実施例に関連して記載の特定の特徴、構造、ステップ、プロセス、又は特性が少なくとも１つの実施例に含まれることを意味する。従って、本開示全体にわたって、「幾つかの実施例では」、「一実施例では」などの語句の記載は、必ずしも全て同じ実施例を参照しているわけではなく、同じ又は異なる実施例のうちの１つ以上を参照していることがある。実際には、本明細書に記載の新規な方法及びシステムは様々な他の形式で実施することができ、さらに、本明細書に開示の本発明の精神から逸脱することなく、本明細書に記載の方法及びシステムの形式に様々な省略、置換え、等価物、及び変更を加えることができる。

Claims (17)

1. スクライビング、ダイシング、切削、又は加工して多材料加工物のある領域から材料を除去する方法であって、
   多材料加工物の少なくとも１つの材料の方へレーザパルスを誘導するステップであって、前記レーザパルスが数十フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅、及び数百ｋＨｚから約１０ＭＨｚのパルス繰返し率を有し、前記加工物がパターンと半導体ウエハとの両方を含み、前記パターンが前記半導体ウエハと前記レーザパルスの源との間に配置された誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つを含む、ステップ、
   数ミクロンから約５０μｍ（１／ｅ^２）の範囲内のスポット寸法を有するレーザスポット内に前記レーザパルスを集束させるステップ、及び
   前記パターンの少なくとも一部分から材料を除去する場合の隣接する集束スポット間の重複が、前記半導体ウエハの少なくとも一部分から材料を除去する場合の隣接する集束スポット間の重複より実質上大きくなるような走査速度で、前記少なくとも１つの材料に対して前記レーザスポットを位置決めするステップ
   を備え、
   前記方法が、前記領域の周りの再堆積材料の蓄積を制限しながら、前記加工物の１つ以上の材料内の蓄熱を制御し、
   少なくとも１つのレーザパルスが少なくとも約１００ｎＪのパルスエネルギーを有し、
   前記パターンが前記金属材料及び前記誘電体材料を含み、
   前記パターンの前記少なくとも一部分内の蓄熱が、前記金属材料からの前記誘電体材料の層間剥離を回避するのに十分なほど高い、
   方法。
2. 請求項１の方法において、前記半導体ウエハの厚さが約１００μｍより小さい、方法。
3. 請求項１の方法において、少なくとも１つのレーザパルスが約１μＪから約２０μＪの範囲内のパルスエネルギーを有する、方法。
4. 請求項１の方法において、前記スポット寸法が約１５μｍから約５０μｍの範囲内であり、前記パターンから材料を除去するための前記走査速度が約０．１ｍ／秒から約０．５ｍ／秒の範囲内である、方法。
5. 請求項１の方法において、前記レーザパルスが極短パルスレーザシステムによって出力される、方法。
6. 請求項１の方法において、前記パターンの少なくとも一部分を除去するためのパルス幅が約１００ピコ秒から約５００ピコ秒の範囲内であり、前記ウエハの少なくとも一部分を除去するためのパルス幅が約１００フェムト秒から約１０ピコ秒の範囲内である、方法。
7. 請求項１の方法において、前記パターンの少なくとも一部分を除去するための前記走査速度が、前記ウエハの少なくとも一部分を除去するための前記走査速度より実質上小さい、方法。
8. 請求項１の方法において、前記走査速度が約０．１ｍ／秒から約１０ｍ／秒の範囲内である、方法。
9. 請求項１の方法において、前記レーザパルスの少なくとも１つが、約０．２５Ｊ／ｃｍ^２から約３０Ｊ／ｃｍ^２の範囲内のフルエンスを提供する、方法。
10. 請求項１の方法において、前記レーザパルスの少なくとも１つが、前記少なくとも１つの材料のアブレーション閾値の上から、該少なくとも１つの材料の該アブレーション閾値の約２０倍まで、の範囲内のフルエンスを提供する、方法。
11. 請求項１の方法において、前記パターンの前記少なくとも一部分から前記材料を除去するための隣接する集束パルス間の空間的重複が、約９５％を超える、方法。
12. 請求項１の方法において、前記パターンの前記少なくとも一部分から前記材料を除去するための隣接する集束パルス間の空間的重複が、約９９％を超える、方法。
13. 請求項１の方法において、前記パターンの前記少なくとも一部分から前記材料を除去するための隣接する集束パルス間の空間的重複が、約７５％から約９９％以上までの範囲内である、方法。
14. 請求項１の方法において、前記パターンの前記少なくとも一部分から前記材料を除去するための隣接する集束パルス間の空間的重複が、前記半導体ウエハの前記少なくとも一部分から前記材料を除去するための隣接する集束パルス間の空間的重複よりも、少なくとも約１０倍大きい、方法。
15. 請求項１の方法において、前記位置決めするステップの少なくとも一部分がビーム偏向器を用いて実施される、方法。
16. 請求項１の方法において、前記パターンが前記金属材料及び前記誘電体材料を含む、方法。
17. 請求項１の方法において、前記レーザスポットを前記位置決めするステップが、前記少なくとも１つの材料に対して該レーザスポットの複数のパスを使用するステップを更に具備する、方法。

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