TW201031064A - Pulse temporal programmable ultrafast burst mode laser for micromachining - Google Patents

Description

201031064 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本揭示係有關於雷射微加工（laser micromachining)。特 別是關於使用超快雷射脈衝之突發（burst)的雷射系統及方 法0 【先前技術】 在半導體記憶體陣列晶片製造完成之後，晶片曝光表 面上的積體電路（1C)圖案係以一純化材料（passivating material)之電性絕緣層密封。典型的鈍化材料包括合成樹脂 (resin)或者諸如聚亞醯胺（polyimide)之熱塑性塑膠聚合物 (thermoplastic polymer)。此最後"鈍化（passivation)"層之目 的在於防止晶片表面與周遭溼氣產生化學反應、防護表面 受環境微粒影響、以及吸收機械應力。鈍化密封之後，晶 片被安置於一電子封裝之中，該電子封裝内嵌允許該記憶 體單元被以探針檢測及功能性測試之金屬連結。當一備用 記憶體單元被判定故障之時，其藉由切斷該單元連接其在 陣列中之鄰接單元之金屬連結，或稱導線，以禁能該單元。 藉由"連結處理"或者"連結燒斷"對個別記憶體單元加以禁 能係利用能夠控馭雷射光束能量之雷射微加工設備達成， 以選擇性地在範圍高度集中的小區域内移除連結材料而不 致知傷移除標的鄰近、下方、或上方之材料。選擇性地處 理一指定連結之實行可以是藉由改變雷射光束波長、光斑 尺寸、脈衝重複率（pUlse repetition rate)、脈衝形狀、或者 201031064 影響能量傳送的其他空間或時間射束參數。 需要對記憶體陣列或者其他形式IC晶片中之導電連結 進行後處理之雷射微加工製程係運用具有快速上升前緣（例 如，具有1至2奈秒（nanosecond)上升時間）之陡峭脈衝以達 成預定之品質、良率、以及可靠度。為了乾淨落地㈣ 一連結，雷射脈衝在切穿金屬連結之前先穿透上方叠覆鈍 化層。現有固態雷射之典型脈衝之上升緣係隨著脈衝寬度 而改冑。在連結處理中使用一具有5至2〇冑秒脈衝寬度和 一和緩傾斜上升前緣之傳統高斯型態雷射脈衝往往在鈍化 層中造成一’'過度凹陷（over crater)",特別是若其厚度太大 或不均勻時。過度凹陷降低了 1(：晶片的可靠度。 上方疊覆鈍化層之破裂反應已由Yunl〇ng Sun在其題 為”半導體式元件之雷射處理最佳化（Laser pr()eessing optimization of semiconductor based devices)"之博 士論文 (1997，Oregon研究院）中充分地加以分析。由於鈍化層厚 象度係一重要之參數，一特定鈍化層材料之最佳厚度可以由 基於Sun之分析的模擬而決定。在ic生產期間，維持鈍化 層晶圓層次製程控制之困難度可能導致非最佳化之厚度以 及晶圓與晶圓間較差之厚度一致性。因此，在後處理中所 使用雷射脈衝之最佳化特性可以有助於鈍化層之錯置尺寸 以及變異源頭之補償。 編號No. 6,281，471之Smart所提之美國專利案提出在 連結處理中使用大致方波形狀之雷射脈衝。此一陡崎信號 緣脈衝可以藉由將一主振盪器雷射連結一光纖放大器 201031064 (MOP A)而產生。此低功率主振盪器運用一二極體 i •Μ ·Τ> 能夠產生一具有快速上升時間之方波形狀脈衝。另一方 面，受讓予本專利申請案受讓人，由Yunlong Sun等人提申 之編號No. 7,348,5 16之美國專利案指出，雖然一大致方波 形狀之雷射脈衝具有一垂直上升緣，但其並非用於連結處 理之最佳雷射脈衝形狀。反之，Sun等人在一實施例中揭示 使用一形狀類似椅子的特製雷射脈衝形狀，其具有一快速 上升之峰值或者多重峰值以有效地處理連結，且信號強度 之後急遽下降，而在關閉之前平穩維持於一較低之功率位 準。此一特製雷射脈衝，具有高峰值功率但低平均功率， 經由所謂的脈衝分截（pUlse sHcing)技術成功產生，可以透 過光電式調變（electro-optical modulation;簡稱 EOM)或聲 光式調變（acousto-optical modulation ;簡稱 a〇M)實施。舉 例而言，一傳統之主動式Q型開關固態雷射提供具有高強 度及高脈衝能量之奈秒級種子脈衝，且隨後一光迴圈分截 裝置將一標準雷射脈衝轉換成一預定之特製脈衝形狀。 由XiaoyuanPeng等人提申，受讓予本專利申請案受讓 人之編號No. 12/057,264美國專利申請案教示一光迴圈分 截機制，實施於一諸如用於半導體連結處理之紫外線（uv) 雷射系統。或者，一特製雷射脈衝可以由使用一增益光纖 (gain fiber)做為功率放大器之M〇pa產生。使用M〇pA之 優點在於其在一特定之固定頻率下構建出一穩定之信號 源。 由Pascal Deladurantaye提申之美國專利申請案N〇 201031064 2006/0159138描述一種成形脈衝雷射，其中二調變器塑造 一連續波（continuous wave ;簡稱cw)光射束之形狀以產生 各種不同形狀之脈衝。然而，從一 cw光射束產生脈衝雷 射相當沒有效率，且因此需要更多的放大動作。由於此一 低峰值信號可以被雜訊影響，其造成脈衝與脈衝間之不 穩，故該二調變器最好彼此同步以維持脈衝穩定性和能量 穩定性’從而進一步增加複雜度和成本。 以上的系統及方法基本上係使用具有奈秒範圍脈衝寬 度的雷射脈衝。但脈衝寬度在奈秒範圍的丨以阳和13以 m雷射波長具有許多缺點。舉例而言，此種紅外線雷射 光束對一高導電性金屬連結之能量耦合效率極差。此外， 用於切斷連結之IR雷射光束實際可達成之光斑尺寸相當大 而限制了連結寬度和連結間距之關鍵尺寸。如同Yunlong Sun在"用於半導體式元件之雷射處理最佳化（Laser Processing Optimization f〇r Semiconductor Based 〇 Devices)”（未公開發行之博士論文，〇reg〇n科技研究院， 1997)中所詳述，具有奈秒級脈衝寬度之傳統雷射連結處理 可以依靠對連結進行加熱、溶化、以及蒸發而建立一機械 式應力結構以利用單一雷射脈衝爆開上方疊覆之鈍化層。 此-傳統式連結處理雷射脈衝產生一極大之熱影響區_ affected zone ; HAZ)，其可能降低包含被切斷連結之元件品 質舉例而口，虽連結太厚或者連結材料之反射性太高而 無法吸收足夠之雷射脈衝能量時，相對於每一雷射脈衝需 要使用更多能量以切斷連結。增加雷射脈衝能量將增加忆 201031064 晶片之損傷風險，包含在上方疊覆鈍化層中之不規則或過 大開孔、在下方疊覆鈍化層之裂縫、對相鄰連結結構的損 傷、以及對矽（Si)基板的破壞。然而，對厚連結使用一無風 險範圍内的雷射脈衝能量通常會造成連結的切斷不完全。 因此才產生關於使用超快雷射（微微秒（picosec〇nd)或 飛秒（femtosecond)雷射）處理諸如π晶片中之連結等半導 體材料的研究。然而，單一超快脈衝的高峰值功率可以輕 易地損傷疊覆於其下之Si基板，此在許多應用中係無法接 受的。由超快雷射造成的高峰值功率基板損傷問題的解決 辦法之一係使用具有較小峰值功率之超快脈衝的突發或者 串列。一脈衝串列同時亦具有在材料中產生較小有效光斑 尺寸的效應。使用一連串超快脈衝的問題之一在於許多市 面上可取传之使用脈衝選擇器（pUl se pi cker)的超快雷射具 有千赫（kilohertz)範圍的脈衝重複率。不使用脈衝選擇器， 一鎖模雷射（mode-locked laser)運作於一基本上位於數十兆 赫（megahertz ;即MHz)範圍的固定重複率。此一重複率可 能難以套用於連結，因為平台移動的速度通常大約每秒4〇〇 毫米（mm/s)，此使得雷射光斑可以在小於大約5〇〇奈秒内即 飛越一目標連結。因此，脈衝串列應用中所使用的雷射可 能需要起碼大約1 00 MHz的脈衝重複率。 由Bo Gu等人提申之美國專利申請案N〇 2007/0199927中，其使用具有至少一脈衝之雷射’該脈衝 之脈衝持續時間的範圍介於大約1 〇微微秒與小於大約1奈 秒之間。來自Lumera Laser GmbH公司的Achim Nebel等人 201031064 曾展示一種被動式鎖模雷射，其使用數位時序控制以產生 脈衝序列或群集。參見"產生用於微加工之微微秒脈衝串列 (Generation of Tailored Picosecond-Pulse-Trains for

Micro-Machining)" ’ 其發表於 Photonics west 2006，LASE

Conference :超快雷射之商業及生醫應用（c〇mmerciai and Biomedical Applications of Ultrafast Lasers) VI Paper No. 6108-37。由Achim Nebel等人所教示之系統係基於藉由高 電壓光電式（EO)脈衝選擇器所產生的一種”雙開關"機制，其 ® 驅動一通過一波克斯盒（Pockels cell)半波之電壓並在一個 周期中產生二個HV脈衝。介於脈衝群集間的延遲時間是可 以改變的。此功能對於材料處理提供一定程度的彈性。然 而’一脈衝突發之波封（envelope)是無法改變的，此限制了 δ亥系統在許多微加工應用上的使用。此外，Achim Nebel等 人提出的解決辦法既巨大又昂貴。由於腔體長度極長，機 械及熱能上的需求相當高，一 80 MHz鎖模腔通常超過1公 尺。 【發明内容】 在一實施例中，一雷射系統配置以利用超快雷射脈衝 之選擇性成形突發（selectively shaped burst)處理一材料。此 系統包含一突發式脈衝雷射（burst pulse laser)，配置以發射 一由一選擇性成形突發波封所界定之三或多個雷射脈衝之 突發。上述之突發式脈衝雷射更進一步配置以選擇性地在 該突發波封内調整介於該三或多個雷射脈衝間之時間間隔 201031064 以及該突發波封之時間寬度。此系統亦包含一或多個放大 器，配置以放大該三或多個雷射脈衝群組以獲得該突發波 封之一預定形狀。在某些實施例中，該突發式脈衝雷射包 含一用以發射一連串雷射脈衝之雷射源（laser source)，以及 一接收該連串雷射脈衝之光學調變器（optical m〇dulat的卜 該光學調變器配置以在振幅上調變該連串雷射脈衝，以產 生上述由該選擇性成形突發波封所界定之三或多個雷射脈 衝之突發。 在另一實施財，一種以超快雷射脈衝之選擇性成形 突發處理材料之方法包含在-第—重複率提供—連串雷射 脈衝、依據-選擇性成形之突發波封調變該連串雷射脈 衝、以及選擇性地調整在該突發波封内的三或多個雷射脈 衝間之間隔。上述之調變包含針對振幅調整在該突發 内的三或多個雷射脈衝。 、 參照以下較佳實施例之詳細說明，本發明的進 色及優點將更趨於明顯，該等說明係配合所附之圖式進行: 依據-實施例，一雷射處理系統以_ 發模式產生超快雷射脈衝。-突發式脈衝雷射包含：古 複率超快雷射，配置以發出—脈衝串列： 脈衝均具有一獨立控制之振幅。在脈衝群 中: :快脈衝的個別振幅，配合介於脈衝間的間隔犬二中每· 突發波封”。除了脈衝突發中 界疋出一 發中母一超快脈衝振幅的獨立控夸 201031064 =，該系統同時亦可以提供針對介於每一超快脈衝間的 -隔及/或犬發波封的整體時間寬度之選擇性控制。因此， 該系統提供用於特定雷射處理應用之突發波封之選擇性成 形由於脈衝群集内的每—超快脈衝均可以具有微微秒範 圍或者甚至飛秒範圍之時間寬度，故該雷射系統可以使用 於諸如高效率及高品質之材料加工。 在某些實施例中，如以下所詳述，該雷射系統包含一 具有超快雷射源之種子雷射以及—用以成形突發波封之高 速光學調變器。此雷射系統亦包含一或多個放大器級以在 該系統施加脈衝至一工作表面之前先放大雷射脈衝之成形 突發。上述之超快雷射源可以包含一半導體雷射、一光纖 雷射、或者一固態雷射。在某些實施例中，該超快雷射源 可以是一線性偏極化之窄頻寬雷射源。因此，該系統可以 使用諧振產生以提供較短之波長及/或使用拉曼光譜（Raman) 和光于參數產生（optical parametric generation; ΟΡΟ)以提供 較長之波長。其可以藉由使用例如脈衝選擇、高速調變、 在半導體增益開關超快雷射情形下之種子源電性調變、或 者前述方式之組合以獲得可程式化之形狀。一前置放大器 可以包含，舉例而言，光子晶體（ph〇t〇nic crystals)、大模數 區（large mode area ;簡稱LMA)增益光纖、或者一單模增益 光纖。一後置放大器（功率放大器）可以包含，舉例而言，一 固態增益介質。如以下所述’在某些實施例中，上述之前 置放大器和後置放大器可以包含光纖或固態放大器的任意 組合。揭示於本說明書之實施例提供多樣性的超快雷射源 11 201031064 以套用於許多不同應用中 以下之…广品質材料處理。 §冬參照所附之圖式進; 考編號代表相同之構件。為了 進仃，圖式中相同之參 第-個數字均表示其對應構件首2二：-參考編號的 下的說明中，其提供許多 *出見的圖式編號。在以 能有全盤了解。然而，習；：=所揭示的實施例 述之實施例均能在缺少— 應能體認，此處所 者是以他方；,. 夕上述細節下付諸實現，或 者疋以其他方法、組件、或者 掩由 ag 運成之。此外，在一也 ❹ 清况中，習知之結構、材料 * 一 不做詳_ 、+. 土 次動作均未顯示於圖中或者 代4、·，田之描述’以免混淆實施 揭示之特徵、έ士構、^ 特色。另一方面，所 錢、4、或者特性均可以 合於-或多個實施例當中。 了週田之方式i 圖1係依據一實施例之一雷 ® 0 # Λ,.,., 笛射系統100之功能方塊 圖。雷射糸統100包含一種子φ ^ ^ 裡于雷射110、一前置放大器112、 以及一功率放大器114。種 116 ^ 雷射uo包含一超快雷射源 16以及-而速光學調變器118。超快雷射源n

Q 串超”射脈衝120至高速光學調變器118。在一實施例 中’母—超快雷射脈衝12G之時間脈衝寬度範圍係介於大 約300飛秒與大約1奈秒之間。 超快雷射源116以一高重複率提供該超快雷射脈衝 12〇。在-實施例中’超快雷射源116運作之重複率範圍係 介於大約1 Hz(赫兹）與大約100kHz(仟赫兹）之間。在其他 實施例中’其重複率範圍係介於大約1〇〇 kHz與大約8〇 MHz(兆赫）之間。由此處之揭示，習於斯藝者應能體認出其 12 £ 201031064 • 亦可以使用更高之重複率。舉例而言，在某些實施例之中， 其可以使用高達500 MHz或更高之重複率。在另—實施例 中，其重複率可以南達大約1〇 GHz (仟兆赫）或者更古。 在一實施例中，超快雷射源116包含一高速超快半導 體二極體。舉例而言，圊2係依據一實施例之一超快雷射 源116之功能方塊圖，其包含一高速分散式回饋（簡稱dfb) 二極體210。該DFB二極體21〇係由一高速驅動器214產 生之種子脈衝信號212調變以在—高重複率提供該連串超 快雷射脈衝120。在某些實施例中，雷射源116包含一光學 調變器。舉例而言，雷射源116可以包含—2〇GHz頻寬之 調變器’其能夠提供5〇微微秒之脈衝寬度。習於斯藝者應 能由此處之揭示體認出上述之光學調變器可以運作： GHz以上或以下。舉例而言，在一實施例中，該光學調變 态可以運作於一高達大約40 GHz之頻寬。 使用此議二_ 210做為雷射源116在一小巧且堅 ❹HJ之架構下提供寬可調性、窄線寬、以及高輸出功率。舉 例而》胃DFB _極體21〇内部之一頻率選擇構件（未顯示 於圖中諸如一布雷格光柵（Bragg grating)，被整人入半導 ^之有效區段中。因此，其在不制任何大型光㈣= 由成單頻率運作以及高同調性（㈣⑽職，例如 度之範圍介於大約5。米及大約2。。米之間)，使得該二 :=10特別適合使用於嚴酷之工業環境下或者是用於 空中傳播之應用。 依據某些實施例，顯示於圖2中的卿二極體21〇可 13 201031064 以藉由改變溫度（例如，通常其調整率大約是25 GHz/K)或 - 者運作電流（例如，通常其調整率係從大約1 GHz/mA到大 約2 GHz/mA)而加以調整。雖然電流調整較適於快速調變之 作業’但熱能調整具有提供極大之免於模式跳躍（mode-hop free)之調整範圍（例如，高達大約i2〇〇 ghz)的優點。一般 而言’一 DFB雷射之波長係藉由改變雷射電流或者是晶片 溫度而加以調整。電性調變適合於在一小範圍内的快速頻 率掃描（例如’對於範圍介於大約〇丨奈米及大約〇·2奈米之 間的線寬’而調變頻率在kHz到MHz的範圍内者）。高達大 © 約3奈米之較大調整範圍係藉由改變雷射溫度達成，通常 在一大約4 0 ° C的區間中》 舉例而言，該DFB二極體210可以是一配備偏極化保 持（polarization maintaining ; PM)光纖耦合器（未顯示於圖中） 之DFB 一極體’其可以自德國Munich之Toptica Photonics AG公司取得。舉另一實例，二極體210可以包含一超快增 益開關式二極體’具有一提供50微微秒脈衝寬度之直接調 變源’如德國Berlin之PicoQuant GmbH公司所展示者。 ❹ 回到圖1 ’在其他實施例中，上述之超快雷射源丨丨6可 以包含一固態超快雷射、一被動式鎖模光纖主振盪器、一 多重光纖主振盪器之組合、一被動式鎖模半導體雷射、或 者任何其他尚重複率之超快雷射。舉例而言，圖3係一典 型光纖鎖模主振盪器之功能方塊圖，依據一實施例，其可 以被使用做為圖i之超快雷射源丨丨6。在如圖3所顯示的實 例之中，光纖鎖模主振盪器包含一單模增益光纖（簡稱 ί £} 14 201031064 SMF)3 10其構成一雷射譜振器（ΐΜα res〇nat〇r)，該雷射諧 振器在一端終結於一半導體飽和吸收鏡（semiconductor saturable absorber mirror ;簡稱 SESAM)312 而在另一端終 結於諸如一光纖光栅314之波長選擇器。增益光纖3ι〇，舉 例而言，被一雷射二極體（未顯示於圖中）所激發，其輸出經 由一分波多工器（wavelength divisi〇n mUitiplexer ; WDM)3 1 6被導入該諧振器。運作之時，圖3所示之光纖鎖 模主振盪器以一高重複率產生如前所述之該連串超快雷射 脈衝120。光纖鎖模主振盪器之脈衝重複率係由諧振器之長 度所決定。 如圖1所示，該連串超快雷射脈衝120被輸入至上述 间速光學調變器118，其獨立地調整每一脈衝之振幅，以得 到用於一特定材料處理應用之預定突發波封形狀。高速光 學調變器118可以被程式設定以控制波封内的超快脈衝的 時間間隔、突發波封的時間寬度、及/或突發波封的振幅和 參特定形狀。其可以藉由使用例如脈衝選擇（例如，選擇脈衝 以控制脈衝間的距離或者脈衝重複頻率）、高速調變、在半 導體增益開關超快雷射情形下之種子源電性調變、或者前 述方式之組合以獲得可程式化之突發波封。在一實施例 中’高速光學調變器118包含一馬赫-任德光干涉儀 (Mach-Zehnder interferometer)(未顯示於圖中）’其調變該連 串超快雷射脈衝之功率以得到一預定之突發波封。 依據一實施例’突發波封之時間寬度範圍係介於大約 10微微秒以及大約1奈秒之間。在其他實施例中，突發波 15 201031064 封之時間寬度範圍係介於大、約！奈秒以及大約ι〇奈秒之 間。在其他實施例中’突發波封之時間寬度範圍係介於大 約ίο奈秒以及大約100奈秒之間。在其他實施例中，突發 波封之時間寬度範圍係介於大約100奈秒以及大約】微秒 之間。取決於特定應用，突發波封可以具有其他時間寬度。 在一實施例中，突發波封之上升時間及/或下降時卩^係 小於1奈秒。例如，其上升時間及/或下降時間之範圍可以 是介於大約10微微秒及大約丨奈秒之間。不同之應用亦可 以使用較快或者較慢的上升/下降時間。例如，其上升時間 及/或下降時間之範圍可以是介於大約t奈秒及大約5奈秒 之間。雷射系統提供具有快速上升時間及/或下降時間之突 發波封的能力對於諸如連結切斷等應用是相當有用的因 為其降低了在上方疊覆鈍化層產生過度凹陷之風險。 器 前置放大器1丨2以及功率放大器114對高速光學調變 118輸出端的超快雷射脈衝成形突發提供適當的放大。 依據某些實施例，前置放大器112可以包含光子晶體'[ΜΑ 增益光纖、或者單模增益光纖。此外，或者在其他實施例 中，功率放大器Π4包含一固態增益介質。如以下所述， 在某些實施例中’前置放大器112和功率放大器U4可以 包含光纖或固態放大器的任意組合。 圖4圖繪式地例示依據某些實施例可以產生之示範性 突發波封。雖然圖4僅例示十種不同突發波封之形狀 (b)、⑷、⑷、⑷、⑴、（g)、⑻、⑴、及⑴，習於斯藝者 應能體認此等例示之形狀僅係用於舉例，依據揭示於此之

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乏材科處理應用。

封形狀（h)。在其他材料處理應用中， 效地處理連結，且信號 平穩維持於一較低之功 至圖4中所示之突發波 ’其可以使用多重峰值， 諸如顯示於囷4中之突發波封形狀（c)、（d)、及卜），以相繼 地對材料加熱，移除一部分材料以形成一切口，並清理該 切口。由於超快雷射源116結合高速光學調變器118能夠 提供在其波封内具有微妙結構之包含超快脈衝的各種不同 脈衝形狀，習於斯藝之人士基於本文中之實施例應能針對 許多不同應用領會出許多適用之其他突發波封形狀。 圖5係依據一實施例之可被雷射系統丨〇〇使用以產生 成形突發波封之一種子雷射11 〇之功能方塊圖。圖5所示 之種子雷射110包含一超快雷射源116、一脈衝選擇器 510、以及一脈衝整形器（pUise shaper)5 12。在此實施例中之 超快雷射源116係一光纖鎖模主振盪器，如以上參照圖3 時所述，其包含SMF 310、SESAM 312、光纖光栅314、以 及 WDM 316。 舉例而言，脈衝選擇器510可以包含一聲光式（A0)調 17 201031064 變器或一光電式（EO)調變器，用以改變該連串超快脈衝i2〇 之重複率。如前所述，主要鎖模頻率係由諧振器之長度所 決定’此對一特定振盪器而言是固定的。舉例而言，該鎖 模頻率可以是大約1 GHz，此對於某些材料之處理可能不盡 理想。因此，脈衝選擇器510使得由光纖鎖模主振盪器提 供之脈衝以一選擇速率通過以降低其重複率（例如，將其自 大約1 GHz改變成大約500 MHz或更低之頻率，諸如數個 赫茲），如圖5令之連串超快雷射脈衝514所示。舉另一實 例而言，其可以在-突發中的二個超快雷射脈衝之間加入 額外的時間延遲以利散熱。因此，脈衝選擇器51〇可用以 選擇性地改變超快雷射脈衝間的間隔以在材料處理期間控 制熱度。 = 脈衝整形器512可以包含，舉例而言，—e〇調變薄用 以選擇性地對該連串超快雷射脈_ 514中的每一脈衝提供 振_。因此，脈衝整形B 512選擇性地塑造突發波封 ❹ 狀:如圖5所示。如參照圖1時所述，雷射脈衝之 成乂犬發接著可以在被施加至一 大器⑴及功率放大器114。件“被輸出至前置放 雷射=可：被增加並藉由選擇性地結合二或多個超快 例之雷=步加以控制。舉例而言’圖"'依據-實施 "〇,種二1統1〇0之功能方塊圖，其具有-種子雷射 -第：二Ο選擇性地結合一第-超快雷射請與 上力 =射源Η2之輸出。例如，其可以結合該等輸 輸出至高速光學調變器⑴之連串超快雷射脈衝

18 201031064 120的整體重複率。

σ 、上述之第—超快雷射源610以及該第二超快雷射源612 可以各自包含本說明書實施例所述之示範性超快雷射源 者相關7貝域中所習知者。在-實施例其可以使用一第 一脈衝選擇器614以選擇性地降低該第一超快雷射源6ι〇 之重複率，且可以使用一第二脈衝選擇器616以選擇性地 降低該第二超快雷射源612之重複率。種子雷# u〇同時 亦可以包含一控制器618連接該第一脈衝選擇器614以及 »亥第一脈彳^選擇器6丨6以選擇性地控制各別之重複率。因 此，控制器618控制該連串超快雷射脈衝12〇之整體重複 率以及η亥連串超快雷射脈衝〗2〇内任意二脈衝間的時間間 隔。如上所述，該連串超快雷射脈衝120接著被輸出至高 速^學調變H 118以進行突發波封之成形，而後依序輸出 至則置放大器112、以及功率放大器114。 圖7 A 7B及7C分別是依據某些實施例實施不同組 態之前置放大器112(階段丨）以及功率放大器114(階段2)之 雷射系統100之功能方塊圖。顯示於圖7A、7B、及7C中 之每一示範性實施例均包含種子雷射丨1〇，如以上參照圖i 時所述，以提供選擇性成形之突發波封。在圖7A中，前置 放大器112以及功率放大器114均包含一或多個增益光纖 放大器。在圖7B中，前置放大器112以及功率放大器114 均包含一或多個固態放大器。在圖7C中，其使用一混合式 放大器，其中前置放大器112包含一或多個增益光纖放大 益’而功率放大器114則包含一或多個固態放大器。雖然 19 201031064 未顯示於圖中，但在其他實施例中，圖7C所示之混合式放 大器前後結構可以顛倒，使得前置放大器丨丨2包含固態放 大器而功率放大器114包含增益光纖放大器。在其他實施 例中’前置放大器112及/或功率放大器114可以包含增益 光纖放大器及固態放大器的任意組合。每一增益光纖放大 器可以包含’舉例而言，鐘（Ytterbium ; Yb)、斜（Erbium ;

Er)、或者鉉（Neodymium ; Hd)玻璃。雖然上述每一實施例 中均僅顯示二個放大器級，但依據某些實施例，其可以加 入更多級放大器以產生至少1 kW(千瓦）之峰值功率輸出。 © 上述之混合式或”串聯式”架構對於超過1 kW的峰值功率等 級更形穩健，因為其包含大型固態放大器。 圖8係依據一實施例之雷射系統i〇〇之功能方塊圖， 其包含一用以進行波長轉換之諧振產生器8 1 〇。雷射系統 100包含如參照圖1時所述之具有超快雷射源n 6之種子雷 射110。超快雷射源116可以是一線性偏極化之窄頻寬雷射 源。舉例而言，超快雷射源丨16可以具有一小於大約1奈 米的頻寬，且放大器丨12、114可以用以維持偏極化，其適 © 於非線性轉換以藉由諧振產生轉換至較短之波長或者透過 拉曼光譜或ΟΡΟ轉換至較長之波長。因此，其可以利用諧 振產生器8 10以獲得諸如綠光、紫外線（υν)、或者深紫外 線（DUV)之波長範圍。 本文所揭示的實施例針對材料之雷射處理提供一些獨 特的優點，舉例而言，諸如用於多重疊層半導體元件之處 理’其目的在於處理一或多個此等疊層而不致於對元件基 20 201031064 板造成損傷。傳統之奈秒雷射脈衝可能不適合於疊層半導 體元件中次微米尺寸之形態處自，因》其產生的熱影響區 極大且可能損傷相鄰以及下層之結構。傳統之微微秒雷射 可此亦不適合於半導體疊層之處理，因為所需之巨大峰值 功率可能對下層基板產生大量的熱度。因此，本發明揭示 發式脈衝雷射π 〇結合奈秒及微微秒脈衝型態的有用 特徵。 ^ 藉由示範本文所揭示實施例之一些優點，圖9 A、9B、 9C、及91)例示一雷射光束91〇與一工件9i2間的各種交互 作用實例。如以下所述，所例示的實例顯示一突發式脈衝 在脈衝峰值功率、熱影響區、以及相鄰與下層結構熱度的 控制上允許極大之彈性。其可以利用一選擇性成形之突發 波封以對材料中的熱分布概況進行有效的控制。 圖9A圖繪式地例示上述雷射光束91〇與工件912間的 交互作用，此例中之工件912包含一中央金屬線914和二 ❿=側金屬線915，其均位於形成於一矽（Si)基板918上的二 氧化矽（Si〇2)層916之内。在此實例中，雷射光束91〇具有 —大約1064奈米之波長、每一金屬線914、915均約3〇〇 奈米厚、介於線間的距離（間距）大約丨微米' 而雷射光點尺 寸大約2.4微米（雷射光點尺寸稍微與鄰接之金屬線915 疊）。 在此實例中，其欲利用一第一脈衝或脈衝突發移除中 央金屬線914上層之Si〇2材料916，以及中央金屬線914 的部分。雖然在此實例未顯示於圖中，但其應理解，後 21 201031064 續之脈衝或脈衝突發可以移除中央金屬線914的殘餘部 分。此最好在不傷及環繞外側金屬線915的si〇2材料916 ' 外側金屬線915本身、或者Si基板918下完成。 圖9B、9C、及9D以圖繪形式分別例示沿金屬線914、 915寬度方向所取的工件912二維剖面視圖的模擬輸出。例 示之模擬輸出包含顯示為工件912内部光亮區域之熱影響 區’熱度較強者被表示成相對較亮之陰影。例示之模擬輸 出亦包含中央金屬線914上的全白區域’表示已自該位置 移除之材料。 g 在圖9B之中，所例示的模擬輸出係施用一具有習用的 15微微秒脈衝寬度之單一雷射脈衝至工件912的結果。如 圖所示，該15微微秒習用脈衝在接近金屬線914、915處 產生極小的熱影響區’且僅加熱於中央金屬線914的上半 部。然而，該單一 1 5微微秒脈衝的巨大峰值功率在下層的 Si基板918中產生大量熱度，如圖中之熱影響區922所示。 此外，由於曝光於雷射光束910之邊緣，鄰近金屬線915 中亦產生顯著的熱度，如圖中之熱影響區923所示。 ❹ 在圖9C之中，所例示的模擬輸出係施用一具有習用的 25奈秒脈衝寬度之單一雷射脈衝至工件912的結果。如圖 所示，該25奈秒脈衝產生一極大的熱影響區924(擴及相鄰 金屬線91 5)。 在圖9D之中，所例示的模擬輸出係依據所揭示實施例 施用一脈衝突發至工件的結果。如圖所示，施加脈衝突發 產生最付合需要的結果。中央金屬線914上產生之熱影響 [£ } 22 201031064 區926極小，且在Si基板918上無明顯之熱度。此外，鄰 近金屬線915中由於曝光於雷射光束91〇之邊緣所產生之 熱度明顯小於圖9B所示運用習用的15微微秒脈衝之情 形^於斯藝者應能理解，前述實施例之細節可以在未脫 離本發明之基本原理下進行許多修改。本發明之範疇因此 應由以下之申請專利範圍所界定。 【圖式簡單說明】 ❹ 圖1係依據一實施例之具有可程式化突發式脈衝雷射 的雷射系統之功能方塊圖。 圖2係依據一實施例之一超快雷射源之功能方塊圖， 其包含一高速分散式回饋二極體（distributed feedback diode) 〇 圖3係一典型光纖鎖模主振盪器之功能方塊圖，依據 —實施例，其可以被使用做為圖1之超快雷射源。 _ 圖4圖緣式地例示可以依據某些實施例產生之示範性 突發波封。 圖5係依據一實施例之可被上述雷射系統使用以產生 成形突發波封之一種子雷射之功能方塊圖。 圖6係依據一實施例之一雷射系統之功能方塊圖，其 具有一種子雷射，該種子雷射選擇性地結合一第一超快雷 射源與一第二超快雷射源之輸出。 圖7A、7B、及7C分別是依據某些實施例實施不同組 態之前置放大器（pre_amplifier)(階段丨）以及功率放大器（階 23 201031064 段2)之雷射系統之功能方塊圖。 圖8係依據一實施例之雷射系統之功能方塊圖，其包 含一用以進行波長轉換之諧振產生器（harmonic generator)。 圖9A、9B、9C及9D例示依據某些實施例之一雷射光 束與一工件間各種不同之交互作用實例。 【主要元件符號說明】

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Claims (1)

1. 201031064 七、申請專利範圍： 1. 一種使用超快雷射脈衝之選擇性成形突發來處理材 料的雷射系統’該系統包含： 一突發式脈衝雷射，配置以發射一由一選擇性成形之 突發波封所界定之三或多個雷射脈衝之突發其中該突發 式脈衝雷射更進一步配置以選擇性地在該突發波封内調整 介於該三或多個雷射脈衝間之時間間隔和該突發波封之時 間寬度；以及 ® —或多個放大器，配置以放大該三或多個雷射脈衝群 組以獲得該突發波封之一預定形狀， 其中該突發式脈衝雷射包含： 一第一雷射源，配置以在一第一重複率發射一連串雷 射脈衝；以及 一光學調變器，接收該連串雷射脈衝，該光學調變器 配置以在振幅上調變該連串雷射脈衝，以產生由該選擇性 成形之突發波封所界定之該三或多個雷射脈衝之突發。 參 2.如申請專利範圍第1項所述之雷射系統，其中該第 一雷射源包含一超快雷射源且該第一雷射源所發射的該連 串雷射脈衝中的每一脈衝均包含一範圍介於大約3〇〇飛秒 及大約1奈秒之間的時間脈衝寬度。 3. 如申請專利範圍第2項所述之雷射系統，其中該突 發式脈衝雷射更進一步配置以選擇性地在介於大約1奈秒 及大約1微秒的範圍内調整該突發波封之時間寬度。 4. 如申s青專利範圍第2項所述之雷射系統，其中該選 25 201031064 擇性成形之突發波封包含一範圍介於大約10微微秒及大約 1奈秒間的上升時間。 5. 如申請專利範圍第2項所述之雷射系統，其中該第 一重複率之範圍係介於i Hz和大約100 kHz之間。 6. 如申請專利範圍第2項所述之雷射系統，其中該第 一重複率之範圍係介於大約1〇〇 kHz和大約1 〇 GHz之間。 7. 如申請專利範圍第2項所述之雷射系統，其中該超 快雷射源包含一分散式回饋二極體。 8. 如申請專利範圍第2項所述之雷射系統，其中該超 ◎ 快雷射源包含一光纖鎖模主振盪器，其包含一單模光纖形 成一雷射諧振器，該雷射諧振器在一端終結於一半導體飽 和吸收鏡（SESAM)而在另一端終結於一波長選擇器。 9·如申請專利範圍第1項所述之雷射系統，其中該突 發式脈衝雷射更包含一脈衝選擇器，配置以提供該突發波 封内介於該三或多個雷射脈衝間的選擇性可調整時間脈衝 間隔。 1 〇·如申請專利範圍第9項所述之雷射系統，其中該脈 © 衝選擇器係選擇自包含一聲光式元件和一光電式元件之群 組中。 n.如申請專利範圍第1項所述之雷射系統，其中該光 學調變器包含一光電式調變器。 I2.如申請專利範圍第1項所述之雷射系統，其中該光 學調變ϋ包含一馬赫·任德、光干涉儀。 13·如申請專利範圍第丨項所述之雷射系統其中該突 [I] 26 201031064 發式脈衝雷射更包含一第一脈衝選擇器，配置以將該第一 雷射源所發射的該連串雷射脈衝選擇性地自該第一脈衝重 複率改變至一第二脈衝重複率。 14.如申請專利範圍第13項所述之雷射系統，其中該 突發式脈衝雷射更包含： 一第二雷射源，配置以在一第三重複率發射一連串雷 射脈衝； 一第一脈衝選擇器，配置以將該第二雷射源所發射的 ® 該連串雷射脈衝選擇性地自該第三重複率改變至一第四重 複率； 一光束結合器（beamcombiner),配置以結合該第一脈衝 選擇器在肖第二脈衝重複率提供的該連串雷射脈衝與該第 二脈衝選擇器在該第四脈衝重複率提供的該連串雷射脈 衝，以纟-結合之第五脈衝重複率提供結合之雷射脈衝串 列至該光學調變器；以及 φ —控制器’連接該第-脈衝選擇器與該第二脈衝選擇 器’該控制器配置以使該第一脈衝選擇器與該第二脈衝選 擇器同步，從而選擇性地調整該突發波封内介於該三或多 個雷射脈衝間的時間間隔，其中該控制器選擇該第二脈衝 重複率和該第四脈衝重複率。 15.如申請專利範圍第丨項所述之雷射系統，其令該一 或多個放大器包含： 和 一或多個前置放大器，選擇自包含一 一固態放大器之群組；以及 增益光纖放大器 27 201031064 或多個功率放大器，配置以進一步放大該一或多個 前置放大ϋ之輸出’該__或多個功率放大器選擇自包含— 增益光纖玫大器和一固態放大器之群組。 16. 如申請專利範圍第丨項所述之雷射系統更包含— 諧振產生器以提供該突發波封内之脈衝的波長轉換。 17. —種使用超快雷射脈衝之選擇性成形突發處理材 料的方法’該方法包含： 在一第一重複率提供一連串雷射脈衝； 基於一選擇性成形之突發波封調變該連串雷射脈衝， ❿ 其中該調變包含針對振幅調整該突發波封内的三或多個雷 射脈衝；以及 選擇性地調整該突發波封内介於該三或多個雷射脈衝 間的間隔。 18. 如申請專利範圍第I?項所述之方法，其中該調變 更包含選擇性地調整該突發波封之一時間寬度。 19. 如申請專利範圍第I?項所述之方法，更包含選擇 性地將該連串雷射脈衝自該第一重複率改變至一第二重複 ❹ 率。 20. 如申請專利範圍第I?項所述之方法，更包含將該 突發波封内的脈衝波長轉換成不同之波長。 八、圖式： (如次頁） 28