TW478025B - Energy-efficient, laser-based method and system for processing target material - Google Patents
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Description
478025
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明係有關具有能量效率且以雷射為基礎的目標材 料處理方法及⑽。特別本發明係關於使用脈衝雷射束而 消钱或以其它方式變更半導體基材上之部分電路元件,特 別適用於氣化金屬、多晶石夕化物以及多晶石夕連接鏈用以作 記憶體修復。進-步應料參相雷射為基礎之微機製以 及/、匕ί>復操作,特別當希望消钱或修改顯微結構而未傷 害周圍區及結構,周圍區及結構常具有非均質的光學及熱 予性貝。同理,材料處理操作可應用至其它顯微半導體裝 置例如微電機機器。也具有醫藥應用,例如使用微型光纖 探頭作顯微組織或細胞消蝕。發明背景 半導體裝置例如記憶體典型有傳導連接鏈附著於透明 、、巴、’彖層如氧化石夕,氧化石夕係由主石夕基材支承。於雷射處理 此種半導體裝置時,雖然雷射束係入射於連接鏈或電路元 件,但若干能量也到達基材及其它結構。依據雷射束功率、 雷射束施用時間長短、以及其它操作參數而定,矽基材及/ 或附近可能過熱而受損。 若干先前技術參考文獻教示波長之選擇作為基材損傷 控制的關鍵性參數之重要性。美國專利案4,399,345, 5’265,114 ’ 5,473,624,5,569,398教示超過 1.2微米範圍之 波長擇以防傷害石夕基材的效果。 前述’759專利案之揭示進一步說明矽之波長特徵。矽 的吸收於約1微米後快速下降,於室溫之吸收緣為約1.12
^ "—訂---------線· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -1«. -\| I < 本紙張尺度過用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐 4 五 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
478025 A7 ____B7 ------- 、發明說明(2) 微米。波長大於1.12微米時,矽開始愈來愈容易透射,當 由矽去除材料時可獲得更佳部件產率。於約1微米範圍,吸 收係數降低由0.9微米至1.2微米之四次冪幅度因數。標準 雷射波長由1.047微米至1.2微米時,曲線顯示二次冪幅度 的下降。如此顯示波長極為微小的變化則吸收有重大改 變。如此於超過基材的吸收緣的波長操作雷射可能傷害基 材,此點於雷射束相對於連接鏈略微未對準或聚焦點伸展 超過連接鏈結構時特別要緊。此外,若基材溫度於處理過 程中升高,則吸收曲線之遷移將進一步遷移入紅外光,結 果導致熱失序條件以及嚴重傷害。 液晶修護的問題類似金屬連接鏈消蝕的問題。為了獲 得最大吸收反差之波長選擇原理可以類似前文揭示用於相 同目的亦即用於去除金屬而未傷害基材的類似方式,有利 地應用於綠波長區。芙洛德(Florod)製造的系統述於公開文 獻「氣雷射修復液晶顯示器」,雷射與光學裝置,39-4 1頁, 1988年4月。 恰如波長選擇證實有利之外,也辨識到可調整其它參 數俾改良雷射處理窗。例如於「石夕記憶體之雷射可程式冗 餘之目標 連接鏈爆開之電腦模擬」作者L.M. Scarfone及J.D. Chlipala’ 1986年371頁陳述,「需要選擇雷射波長之多種材 料厚度俾提昇連接鏈去除處理的吸收以及減少其它位置的 吸收以防止對結構及其餘部份的傷害。」於連接鏈或電路 元件下方使用較厚的絕緣層以及限制加熱脈衝持續時間的 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 裝--------訂---------線 {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 478025 Α7 ------- Β7 五、發明說明(3 ) 用途也經確認,如同由申請人作為作者之一的報告「線性 單晶電路之雷射調整」,1^“11及811^1^,100/1^丄八.,38期, 丨 ICAELO (1983) 〇 ς759專利案教示由Nd:YAG雷射選擇較長波長存在有 折衷,特別就Nd..YAG雷射之點大小、焦深以及脈衝寬度需 要的折衷。此等參數為逐漸便細小維度之雷射處理上具有 關鍵重要性,以及對周圍結構會造成附隨的損傷機會。 實際上,任一種可加寬處理窗的改良隨著產業的持續 推向較高密度微結構以及關聯的幾何就深度或橫向維度而 吕為1微米的幾分之一而言更為有利。能量控制以及目標吸 收的公差比較處理此種規格的微結構所需要的能量變大。 由别文討論須注意,雷射處理參數於微機製應用上並非必 要的獨立’此處需要小的雷射點約1微米。例如點大小及脈 衝寬度通常於使用短波長例如小於1 ·2微米時減至最低,但 吸收反差並未增至最大。半導體裝置製造上典型持續製造 早期開發的產物,而仍然發展其進入製造更為先進的版 本’先進版本典型係採用不同的結構及方法。多種目前記 憶體產品採用多晶矽化物或多晶矽連接鏈,而較小的金屬 連接鏈結構則用於較為先進的產品例如256百萬位元記憶 體。1微米寬以及1/3微米深之連接鏈鋪於〇·3至〇·5微米之氧 化石夕層上用於此種大型記憶體。製造設備傳統係利用屮開 關二極體泵送YAG雷射以及相關可於習知h〇47微米_132 微米操作的設備,以及可於矽之吸收較低波長區操作的相 關5又備。但此等使用者也了解設備改良效果可獲得倒落切 本紙張尺巧用中關家^^NS)A4規格⑽χ 297公髮)------- •--^-----------------^丨訂---------線丨 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 478025 五、發明說明(4 斷連接鏈結構而無由於傳導性殘餘物或污染接近消鍅位置 造成稍後晶片故障風險。 其它自由度包括雷射脈衝能密度(傳輸至目標)以及脈 衝持續時間。先前技術教示脈衝寬度須加限制以防與微機 製應用的傷害。例於於美國專利5,059,764 ,揭示一種雷射 處理工作站,其中利用q_開關雷射系統而產生約1 〇毫微 秒的相對短脈衝。揭示用於材料處理應用(例如透過連接鏈 吹除以及精刻蝕之半導體記憶體修復),輸出脈衝寬度須相 當短,多項應用需要脈衝寬度小於50毫微秒,例如3〇毫微 秒。適當選擇脈衝寬度允許消蝕(氣化而未熔化)。 高速施加脈衝之雷射設計係利用Q_開關、增益開關或 杈式鎖住操作。標準Q-開關以及其它脈衝雷射之脈衝持續 時間以及形狀可經由積分耦合速率方程式而近似估計於基 本程度,方程式說明族群反相以及光子數目密度相對於脈 衝起點的雷射閾值之關係。用於Q-開關之例,於規度化的 規模,相對於閾值之反相族群的原子數目纟高,則脈衝上 升時間愈快速,寬度愈窄以及畸峰能量愈高。隨著比值的 下降’脈衝形狀變寬而能量濃度減低。 丨毫 泵 際 經常Q-開關雷射脈衝類似高斯時間分布,或高斯與指 數衰變尾端之混合。如,759專利案揭示,較短波長的二極 體系送系統於半功率點(亦即脈衝持續時間的標準定幻測 量以及於有利的波長區操作時’可產生相對短脈衝約ι〇 微米。儘管操作成功’中請人發現若干關聯標準二極體 送Q-開關雷射系統之時間脈衝形狀特徵的限制,包括實 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱 478025 A7
478025 A: 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
五、發明說明(6 雷射系統產生多個脈衝來處理各個目標位置將造成雷射處 理速率減慢至無法接受的程度。 繼續說明超快速規模,實驗結果揭示用於微機製操 作。超快速脈衝之持續時間係約毫微微秒(1〇_15毫微微秒) 至微微秒(1(M2微微秒),於進一步縮小規模探討於原子及 分子層面的材料性質基本上係與數百微微秒至毫微秒所見 不同ς 於美國專利5,656,186號以及公開文獻「超短雷射脈衝 用於精密機製」,雷射焦點世界,1997年8月,ι〇1_118頁, 分析於若干波長的機製操作,驗證機製後的結構紋理大小 顯著比較聚焦束之繞射限制點大小更小。 超快速脈衝產生雷射系統之複雜度改變且為美國專利 案5,920,668之範例具體實施例以及述於「超快速雷射脫序 實驗室」,光學裝置譜,1998年7月,157-161頁。該等具體 實施例通常包括於放大之前作模式鎖住超快速脈衝之脈衝 繫連,以防止放大器飽和,接著壓縮至極窄寬度。此項技 術對某些微機製相當有展望,以及可能用於更為細小規模 之「耄微機製」操作,後述效果係由低於繞射限度的機製 所提供。但申請人發現目前有實際限制,於各脈衝可利用 的功率用於類似金屬連接鏈吹除以及類似微機製應用之功 率有限’結果導致無法為人所接受的需要多個脈衝的要求。 '申請人希望使用短脈衝快速上升時間脈衝的理由指示 於以下各段,其原因有多項,有關此種主題已有許多理論 及實驗報告及書。以金屬連接鏈之消蝕為例,但該原理也 本紙張尺度翻中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) -------------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 9 478025 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明(7 ) 擴展至多種雷射處理應用,此處目標材料係由具有實質上 不同的光學及熱性質的材料所包圍。例如以下參考文獻 1-3 : 1. JoHn F. Ready, Effects of High Power Laser Radiation, ACADEMIC PRESS, New York 1971,pages 115-116. 2. Sidney S. Charschan, Guide for Material Processing By Lasers, Laser Institute of America, The Paul M. Harrod Company,Baltimore MD,1977, pages 5-13. 3. Joseph Bernstein, J.H. Lee, Gang Yang, Tariq A. Dahmas, Analysis of Laser Metal-Cut Energy Process Window (to be published) o 金屬反射率 金屬反射率隨著雷射脈衝之功率密度的升高而降低 (參考文獻1)。金屬反射率係與材料的自由電子傳導率成正 比。於高強度雷射所傳輸之高電場密度時,電子與晶格間 的碰撞時間縮短。此種碰撞時間縮短可降低傳導率因而降 低反射率。例如當雷射功率密度增至109瓦/平方厘米範圍 時,鋁之反射率由92%降至低於25%。如此為了克服雷射 能之反射順序,較佳於儘可能短時間達成工作件的高功率 密度。 熱擴散率 雷射脈衝時間熱行進距離D係與雷射脈衝寬度成比例 如下: 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 10 —:—^—一—-------*丨訂---------線"^1^" (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 478025 A: 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制农 五、發明說明(8 D=Vkt 此處: κ為材料之熱擴散率;以及 t為雷射脈衝長度。 如此可知短雷射脈衝可避免熱耗散至熔化連接鏈下方 的基材,同時也橫向傳導熱量至接續於連接鏈的基材。但 脈衝須夠長俾一路加熱連接鏈材料。 熟應力以及連接键的去除 經由吸收雷射能,目標金屬連接鏈被加熱而嘗試膨 脹。但連接鏈周圍的氧化物含有膨脹材料。如此應力係積 聚於氧化物内部。於某—點,膨脹金屬壓力超過氧化物的 降伏點而氧化物裂開,以及金屬連接鏈爆開成為細小粒子 瘵汽。金屬連接鏈的主要裂開點係出現在最大應力點,其 係位在連接鏈頂及底邊緣,如第lb圖所示。 若連接鏈上方的氧化物略薄,則氧化物的裂開將僅出 現於連接鏈頂上,以及氧化物以及連接鏈將被乾淨地去 除,如第la圖所示。但若氧化物略厚,則裂開係發生於連 接鍵底部以及頂部,裂痕將向下傳播至基材,如第lb圖所 示。此乃高度非期望的情況。 Q-開關雷射系統經過修改而提供多種形狀的短脈 衝。典型產生高畸峰功率短脈衝雷射的先前技術雷射為標 準Q」開關雷射。此種雷射產生具有中等脈衝上升時間之時 間性脈衝。經由使用帕克空泡(pockels Cell)脈衝截割器其 截割雷射束截面而變更此種時間形狀。於美國專利 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(2】0 X 2Q7公替 ^-----------------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 11 478025
,483,5號(亦即,_專利案),發明人為本案中請人且受 讓人亦同,揭示多種影響(亦即縮小)雷射束脈衝寬度之方 法如005專利案之教示,雷射脈衝可經由截頭超出中葉 的邊里而產生「非高斯」形狀雷射束。須注意若欲將相對 寬叫開關波形轉成較窄而—致的波形,則僅使用小部份 脈衝能。例如高斯脈衝截頭獲得陡Λ肖上升時間以及狹窄脈 衝,平坦度於10%以内可降低脈衝能達約65%。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
,同理於美國專利第4,114,〇18號(.〇18專利案)揭示時間 脈衝成形而產生方波脈衝。第7圖顯示相對平坦雷射功率輸 出的時間間隔。於,G18專利案方法t,需要去除束強度之 時間節段俾產生所需脈衝。 優於先前技術之改良可提供一種產生短脈衝的有效方 法,該脈衝具有高能量包含於脈衝持續時間1帶有快速衰 變的尾端。為了達成此項㈣,以可產生與Q_開關脈衝封 不同的脈衝形狀之雷射技術為較佳。此種脈衝具有快速上 升時間,中葉能量一致以及快速衰變。 標準Q-開關Nd:YAG雷射以外的雷射產生的快速上升 時間、高功率密度脈衝最適合達成此項任務。 此等效果可以較佳方示於一種系統執行,該系統使用 的雷射技術係顯然與傳統Q-開關固態二極體或燈泵送 YAG技術不同。 優於先前技術之改良可使用一種產生脈衝之方法及系 統達成,該脈衝之形狀係與標準q_開關脈衝不同,該脈衝 之形狀具有較快速上升時間,於中葉相對一致且較高的妒
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. ,Η丨丨餐------r—訂------1線. f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 478025 A: 五、發明說明(10) 製 量濃度,以及快速下降時間。 發明概述 申請人判定於金屬連接鏈吹除應用可獲得改良的社 果。例如非高斯且實質為矩形之脈衝形狀特別可有利地用 於金屬連接鏈處理,此處存在有覆於上方的絕緣體。申請 人之結果顯7F由1毫微秒及較佳約G5毫微米之快速上升時 間可對上方氧化物層提供熱震而有助於連接鍵吹除势程。· 此外’於較高功率密度,反射率隨著快速升高的短脈衝而 下降。具有實質-致脈衝形狀之脈衝持續時間約5毫微秒可 獲得更高能量耗合至連接鏈’結果於連接鏈去除時之能 需求減低。快速下降時間約2毫微秒對於免除基材損傷2 能性相當重要。此外,獲得接近方波功率密度脈衝的社 為當需要時功率密度為最高而當不需要時則功率關閉。 短快速上升脈衝將允許連接鏈頂部紐化且膨服, 種熔化及膨脹係發生在熱量可向下擴散至連接鏈^部〜 前。如此應力積聚於連接鏈頂部,促成頂層的裂開而未: 生向下至基材的裂痕。 本發明之—目的係提供一種緊壓之增益開關雷射系 統,其可產生次毫微秒上升時間脈衝具有數毫微秒之短持 續時間以及快速下降時間。業界現況的快速脈衝系統結合 增益開關技術,其中低功率半導體種子雷射經過快速與 接調、變而產生經過控制的脈衝形狀,該形狀隨後使用雷 放大器放大,雷射放大器例如為護套泵送光纖系統帶有 作為泵雷射的高功率雷射二極體或二極體陣列。此種雷射 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱 量 可 果 訂 此 之 直 射 用 線 478025 A7 B7 五、發明說明(11) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 系統束於美國專利第5,694,408號以及PCT申請案第 PCT/US98/42050號,為某些超快速唧伯(chirped)脈衝放大 器系統例如美國專利第5,400,350號所述系統之「積木」。 本發明之概略目的係改良先前技術雷射處理方法及系 統’特別接近目標材料區域之光學及/或熱學性質有顯著差 異者。 本發明之概略目的係提供微機製之雷射脈衝成形能力 或雷射材料處理用途,例如雷射消蝕半導體記憶體上的連 接鏈或其它互連體、修整、鑽孔、標記以及微機製。由增 益開關雷射產生的預定波形形狀係與標準屮開關系統產 生的雷射波形形狀不同。 本發明有一目的係提供半導體處理例如16_256百萬位 元半導體修復的改良以及邊際。結果可獲得微結構的乾淨 處理而無後來由於消蝕位置附近的導電性殘餘物或污染造 成裝置故障的風險。 本發明之一目的係提供一種脈衝波形上升時間短至數 百微微秒,脈衝持續時間典型少於約1〇毫微秒且帶有快速 脈衝衰變,藉此提供以高功率密度處理目標結構,因而 周圍區的熱震以及熱擴散造成的傷害減至最低。 本發明之-目的係防止於半導體雷射處理用途對目 材料周圍及下方的構造造成傷害,其採用方式係於工作件 於極短時間内使用高功率達成高功率密度,其作用方式係 經由於適合雷射、隸處理之任何波長使用高功率快速上升 時間脈衝而在極短時間内與卫作件達成高功率密度,莽 將 標 此 i I ♦ ^ ^--------K--^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
木紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇 X 14 - 五、發明說明(12) 改良半導體材料處理用途的處理窗。 本發明之一目的係使用具有充分快速上升時間以及足 夠功率密度的單一雷射處理脈衝處理一目標位置,因而提 供金屬目標結構反射率的下降,㈣於半導體記憶體上的 單-金屬連接鏈反射率的下降,因而提供更有效的雷射能 量耦合。快速上升的雷射脈衝具有足夠脈衝時間而可有效 於消餘時間使用相對-致的功率密度加熱且氣化各個金屬 目標結構材料,但於目標材料後又有快速脈衝下降時間以 防傷害周圍以及下方構造。 本發明之一目的係提供比較利用標準Q·開關雷射之 系統,提供半導體金屬連接鏈吹除制上的優異性能,此 種雷射具有典型脈衝上升時間為數毫微秒且係'叫開關 脈衝封為代表。產生雷射脈衝而提供脈衝形狀, 帶有脈衝持續時間約“Ο毫微秒以及上升時間則毫微秒 及較佳約G.4毫微秒。此外,當關閉時脈衝的衰變須快速, 因而於預;t脈衝時間之後僅殘留極小部份脈衝能量,脈衝 「尾端」快速衰變至夠低程度’因而防止損傷下方基材或 其它非目標材料的可能。此等脈衝的比較舉例說明於第2 尽發明之 曰的係放大半導體雷射消蝕處理之處理達 俾提供具有不同光學及熱學性質材料包圍的顯微結構的有 此種結構之典型排列方式為結構間的寬度 或以下而於深度方向堆叠。施加短雷射脈衝可 例洛Μ目標材料,但又可防止由於橫向方 A7 B7 五、發明說明(13) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 =材料造成傷害,或對目標材料下方的下方基材造成傷 ^ 毛月之目的係以控制方式機製一種具有實質上均 質熱及光學性質的材料,該方式係施加具有高能密度之短 脈衝,脈衝持續時間於材料處理範圍為數毫微秒因此通量 的閾值係與雷射脈衝寬度寬度之方根成比例。 西進仃則述本發明之目的及其它目的時,提供—種處理 目標材料之具有能量效率且以雷射為基礎之方法,該材料 於顯微區具有規定維度而該方法不會造成目標材料周圍材 料之電氣以及物理特性之任何非期望的改變。該方法包括 利用具有某種波長之雷射以重複速率產生雷射脈衝列,其 中脈衝列之各個脈衝具有預定形狀。然後該方法以光學方 式放大脈衝列而未顯著變更脈衝之預定形狀避獲得經過放 大的脈衝列。各該放大脈衝列具有實質方波時間功率密度 分布、陡虹升時間、脈衝持續時間以及下降時間。該方 法也包括傳輸以及聚焦至少部份經過放大的脈衝列至目標 材料上的點’其中上升時間夠快速而可有效_合雷射能 至目標材料,脈衝持續時間足夠處理目標材料,以及下降 時間夠快速俾防止對目標材料周圍材料造成非期望的傷 害。 目標材料包括顯微結構例如導線或連接鏈,連接鏈為 冗餘半導體記憶體的常見電路元件。導線為金屬線,其中 脈衝持續時間足夠有效加熱及氣化金屬線至其規定部份。 目標材料可為半導體裝置例如具有16_256百萬位元之 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)
f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ··-------- 訂---------線. 16 Λ7 五、發明說明(14) 半導體記憶體的一部份 材 料 至少部份目標材料周圍的材料可為基材如半導體美 目標材料可為微電子裝置之一部份。 貫質方波時間功率錢分布足夠實f完全龍目標材 秒 較佳上升時間少於1毫微秒以及又更佳少於0·5毫 微 秒。 較佳脈衝持續時間少於1G毫微秒及又更佳少於5毫微 頁 也較佳下降時間少於2毫微秒。 單一放大脈衝典型足夠處理目標材料。 目‘材料對經過放大的脈衝可具有反射性以及其中放 大脈衝之功率密度夠高俾降低目標材料對放大脈衝的反射 率,且提供雷射能充分耦合至目標材料。 之功率密 線 較佳各放大脈衝於脈衝持續時間有相對均勻 度分布。 較佳各脈衝具有時間功率密度分布於脈衝持續時間中 間均勻一致至1 〇%以内。 目標材料關材料具有光學性質包括《及偏振敏感 度,以及熱擴散性質皆與目標材料的相對性質不同。 '較佳重複率為至少1_脈衝/秒,各放大脈衝具有至少 0 · 1至至多3微焦能。 較佳光學放大步驟提供至少2〇分貝的增益。 本紙張尺度刺帽醜鮮(CNSM4祕⑵G X 297公f 478025 A7
五、發明說明(16) 泵送光纖,其中該泵係與種子雷射分立。 雷射二極體泵送來源也可藉增益開關(加脈衝以及直 接調變)俾藉由於未進行雷射處理的長時間切成「關」態俾 延長二極體哥命。 較佳種子雷射包括雷射二極體。 系統包括衰減器用以衰減放大後脈衝尾端的雷射能, 俾縮短放大脈衝的下降時間同時維持脈衝能量。 脈衝持續時間可依據規定之目標材料維度作選擇。規 疋材料維度可少於雷射波長。較佳雷射為具有波長少於約2 微米之南速半導體雷射。半導體雷射二極體技術以及光纖 材料之未來材料進展將提供於可見光區以及於較長的紅外 波長區操作。 種子雷射二極體可為多模態二極體或單頻(單一模態) 雷射,其係利用分散布拉格反射器(DBR)、分散回授 (DFB)、或外部腔穴設計。 點大小較佳為約1微米至4微米。 記憶體密度至少為16-256百萬位元。 半導體裝置可為微電機裝置。 較佳脈衝尾之衰減雷射能於脈衝持續時間之U倍時 間以内衰減達至少10分貝。 " 又更進-步於執行本發明之前述目的及其它目的時, 提供-種韻金屬連接鏈之具有能量效率且以雷射為基礎 之方法,該金屬連接鏈具有規定維度嵌置於至少一被動 層,而該消蝕並未造成金屬連接鏈周圍之至少一被動層之 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 478025 A7 ----B7______ 五、發明說明(口) 電氣或物理特徵非期望的改變。該方法包括利用具有波長 於重複率之雷射產生雷射脈衝列。脈衝列的各個脈衝具有 預定形狀。該方法也包括以光學方式放大脈衝列而未顯著 改變脈衝至預定形狀俾獲得經放大的脈衝列。各該放大脈 衝具有實質方波時間功率密度分布、陡峭上升時間、一種 脈衝持續時間以及一種下降時間。該方法進一步包括傳輸 以及聚焦至少部份經過放大的脈衝列至金屬連接鏈上的一 點。上升時間夠快速而可有效耦合雷射能至金屬連接鏈。 脈衝時間足夠消蝕金屬連接鏈,以及下降時間夠快速而可 防止金屬連接鏈周圍的至少一層被動層之非期望變化。 更進一步執行本發明之前述目的及其它目的時提供一 種消钱嵌置於至少一被動層之具有規定維度的金屬連接鏈 而未造成該金屬連接鏈周圍之至少一被動層之電氣或物理 特徵之非期望變化之能量有效系統。該系統包括一控制器 用以產生一處理控制信號以及一信號產生器用以基於該處 理控制信號產生一經過調變之驅動波形。該波形具有次毫 微秒之上升時間。該系統也包括一增益開關之脈衝種子雷 射’其具有一種波長用以以重複速率產生雷射脈衝列。驅 動波形泵送雷射,因此脈衝列的各脈衝具有預定形狀。進 一步’系統包括一雷射放大器用以以光學方式放大脈衝列 而未顯著變更脈衝之預定形狀俾獲得放大後的脈衝列。各 邊放大脈衝具有實質方波時間功率密度分布、陡峭上升時 間、一種脈衝持續時間以及一種下降時間。該系統進一步 包括一種束傳輸與聚焦子系統用以傳輸與聚焦至少部份經 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 20 11. J ^ -------— ^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 478025 A7
訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
^先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) —^_ 五、發明說明~— 升時間,於頂部實質為平坦,帶有快速脈衝下降時間。「種 子」雷射二極體直接被調、變而產生預定脈衝形狀。光學功 率透過使用纖維雷射放大器放大而輸出足夠進行雷射處理 的功率位準。結果所得於纖維雷射放大器輸出的增益開關 脈衝被聚焦於目標區。 本發明之構造中,較佳直接調變「種子」二極體而產 生預定的增益開關方波脈衝,且使用纖維雷射放大器提供 低失真放大俾提供足夠進行材料處理的輸出脈衝位準。 另一構造中,直接調變之種子二極體之脈衝時間功率 分布經修改而補償纖維放大器或其它組件的失真或非均 勻,例如輸出調變器的「平順」上升。結果所得聚焦於目 標區的雷射處理脈衝具有預定形狀··快速上升時間,於脈 衝持續時間相對平坦,快速衰變。 本發明之構造中可有利地經由設置一「脈衝截割」模 組而改良雷射處理系統性能,該脈衝截割模組係用以當「種 子」雷射脈衝結束時衰減殘留於雷射處理系統輸出的殘留 雷射能,藉此防止於處理完成後加熱非指定作為目標材料 的敏感結構。「脈衝截割」技術係用來衰減改良脈衝或標準 Q-開關脈衝尾端。舉例說明於第乜及仆圖,其中對數尺度 提供於第4b圖之縱軸。 較佳於至少1千赫(1000脈衝/秒)之脈衝速率(使用至少 0.1微焦於脈衝的脈衝能進行雷射處理操作,特別金屬連接 鏈吹除;〇·1微焦係於纖維放大器輸出發射,此處光纖放大 器之增益至少為20分貝(1000:1)。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 22 478025 A7 41 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 五、發明說明(2〇) 本發明之構造中,雷射脈衝被成形為具有上升及下降 時間比脈衝持續時間約一半更短,以及畸峰功率於上升時 間與下降時間間約為恆定。 本發明之構造中,可產生一系列間隔緊密的短脈衝, 此專脈衝^組合時產生第3a&3b圖所示之預定脈衝形狀。 使用本發明之系統構造中,也較佳以超過材料處理速 率之脈衝重複速率操作雷射,以及利用電腦控制之光學開 關俾選擇處理脈衝,電腦係以操作方式連結至束定位系 統’用以定位聚焦雷射束進行材料處理。 前述目的以及其它本發明之目的、特色及優點由後文 執行本發明之最佳模式之詳細說明連同附圖將顯然易明。 圖式之簡單說明 弟la圖不思顯不猎知服氣化金屬造成僅半導體頂面層 之應力裂痕; 第lb圖示意顯示由膨脹氣化金屬引起半導體之頂層及 底層之應力裂痕; 第1 c圖顯示典型先前技術雷射脈衝類似高斯形狀或高 斯於指數尾端之混合形狀,稱作「Q-開關脈衝封」; 第2圖顯示本發明之處理金屬連接鏈之較佳脈衝形狀 且與具有相同總能量的Q-開關脈衝比較; 第3a及3b圖顯示一種組合二時間間隔緊密的短脈衝俾 形成一修改脈衝之方法; 第4a及4b圖顯示「脈衝截割」結果用以改良一般脈衝 形狀之脈衝能篋; 裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
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五、發明說明(21 ) 第5圖為雷射材料處理用之較佳雷射系統之概略方塊 圖; 第6a圖為一類型ΜΟΡΑ雷射系統之示意圖,帶有經分 布的布拉格雷射作為半導體種子雷射;此乃單模態雷射以 及產生較佳脈衝形狀之光纖放大器; 第6b圖為附有外腔穴調諧以及光纖放大器之單頻雷射 之示意圖; 第7圖為本發明之另一包括較佳衰減器以及選擇性之 位移器之雷射系統之示意方塊圖; 第8圖為第9圖之二氧化矽層與矽基材間交界面之溫度 呈二氧化矽層厚度之函數之線圖; 第9圖顯示此基材上記憶體連接鏈之透視圖; 第10圖為聚焦於含一金屬連接鏈的焦面上一小點之高 斯雷射束之簡圖,該圖強調連接鏈比較繞射受限之束腰圍 之顯微大小;以及 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第1 la及1 lb圖為線圖顯示電腦有限元件分析模擬結 果,此處應力及溫度之時間過往史係於線圖上對金屬連接 鏈處理用的Q-開關脈衝以及方波脈衝繪圖。 執行本發明之最佳模式 雷射處理系統架椹 業界人士了解下列具體實施例可應用於微機製以及雷 射處理之若干應用用途,對參數作適當調整例如雷射功 率、肖b蓋岔度、點大小、波長、脈衝寬度、偏振以及重複 速率。說明對金屬連接鏈吹除之特定應用以供舉例說明之
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第7圖之較佳具體實施例中,種子雷射10以及光纖放大 器架設於附著於移動㈣及卫作件的穩定平台上。極 為重要地,去除連接鏈時雷射束之定位準確度小於3/10微 米由於要求連續移動來獲得高處理速率,故雷射脈衝之 時序與目標以及光學系統的相對位置的交互關聯相當重 要。· 雷射10係由電腦33以及信號產生器丨丨作外部控制,且 將經過調變的雷射束透射至包含高數值孔㈣學裝置之聚 …、子系、洗12水焦子系統進一步包含一束偏轉器,透過電 腦33藉掃棰控制器控制的電量計鏡。系統控制用電腦^也 操作式連結至定位機構或移動系統2〇供系統以及信號產生 裔11女為定時脈衝的產生。雷射束須經過精確控制因而於 X、Υ及Ζ的正確位置產生銳利對焦雷射束,點大小於約 1·5-4微米之範圍。如此雷射束定位及聚焦系統業界人士了 解光學裝置經校正而提供雷射頭或目標基材之繞射及有限 性忐以及精密移動控制。依據雷射處理應用用途之特定需 求而定,較佳對光學系統提供相對狹窄的視野俾提供繞射 叉限聚焦以及精密X,γ移動階段作雷射束定位。此外,各 種用於快速偏轉的鏡移動組合平移階段的組合皆屬可能。 一種步進重複平台34也用於將晶圓22移動定位俾處理 各個記憶體晶粒24。束掃瞄業界人士 了解以鏡為基礎的束 偏轉系統的優點,但如前述,以其它定位機構取代例如X, Υ平移平台用以移動基材及/或雷射頭為實施本發明的可行 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) 25 裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 478025 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
II . --------訂---------線# (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 "----«2Ζ-_____ 五、發明說明(23 ) 替代之道。例如基材定位機構34包含可於有限行進範圍操 作的極為精準(遠小於丨微米)之X, γ,Z定位機構。定位機 構20可用於以較為粗糙方式平移雷射處理光學系統組件, 包括雷射、纖維放大器及聚焦系統。較佳定位系統之進一 步細節揭示於前述同在審查中之美國專利申請案「高速精 密定位裝置」,申請案號第09/156,895號,申請日Μ%年^ 月18曰。 呈進一步聲光衰減器或帕克空泡形式的系統光學開關 13定位於雷射輸出束超出雷射腔穴。於電腦%控制之下, 用以防止束到達聚焦系統,但於期望時以及於需要處理束 時,可以控制方式降低雷射束功率至預定功率位準。於氣 化程序中,此項功率位準低抵粗雷射輸出之1〇%,依據系 統及方法之操作參數而定。於對準過程中功率位準約為粗 雷射輸出之0.1%,對準程序中於氣化程序之前雷射輸出束 係對準目標結構。聲光裝置由於容易使用故通常為較佳, 但帕克空泡之延遲顯著較短。 操作日t,sa圓22(或目標或基材)的位置係由電腦3 3控 制。典型於矽晶圓22上記憶體裝置24上方的相對移動速度 恆定,但晶圓的步進重複移動亦屬可能。雷射1〇係由時序 信號基於控制移動系統的時序信號而控制。雷射〗〇典型係 以恆定重複速率操作且藉系統光學開關丨3而與定位系統同 步〇 第7圖之系統方塊圖中,顯示雷射束聚焦於晶圓22。第 9圖之放大圖中,雷射束係聚焦於記憶體電路或裝置24之連 本紙張尺度適用中國國家標準(<JNS)A4規格(210 X 297公髮了 26 478025 A7
接鏈元件25上。 用於處理精細的連接鏈結構,逐漸需要對點大小作要 求。點大小要求的直徑典型為15-4微米,崎峰功率係出現 於點中心,且對高斯分布具有良好順形,低功率係出現於 邊緣。需要絕佳束品質,趨近於繞射限度,典型以約U 倍或更佳的束品質《「m_平方因數」為較佳。此種「時間 繞射限度」品質標準為雷射束分析業界人士眾所周知。側 葉低也較佳,以防於目標區外側的光學串音以及非期望的 照明。 連接鏈25的大小略小於點大小,如此獲得精密定位及 良好點品質。連接鏈例如寬!微米以及厚約1/3微米。此處 所述例中,連接鏈係由金屬製成,橫向維度(寬度)及厚度 係小於雷射波長。 I射系統-較佳 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ;裝------ » - #-----1_I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 較佳具體實施例中,第5圖之雷射子系統利用主振盪 j 态、功率放大器(ΜΟΡΑ)配置。此種系統產生雷射脈衝其對 λ 放大裔播種而產生高功率短上升時間脈衝。種子雷射為產 丨1 生快速上升時間的脈衝的關鍵,但能量位準極低。系統要 丨1 求雷射放大器產生足夠能量來進行材料處理。以具有輪出 j 波長適合雷射材料應用的纖維雷射放大器以及高速紅外線 丨丨 雷射二極體為較佳。使用此種系統,雷射可設計成產生具 j 有較佳形狀及速度的雷射脈衝,如第5圖下部所示。換+ [ 之,快速上升時間脈衝,頂部為方波以及快速下降時間。 丨丨 此種脈衝形狀又提供金屬反射率降低、能量擴散入裝置内 | 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 27 478025
ΜΟΡΑ配置乃業界現況之相當新且加脈衝的版本。回 應於調變驅動波形具有次毫微秒上升時間的雷射二極體為 光纖雷射ΜΟΡΑ配置的起點,雷射二極體作為增益元件。 雷射二極體通常有多個縱向模態,子系統可配置成單模態 操作*或以其它方式使用龐大組件於輸出調諧,或另外使 用系統的整合光纖光柵調諧。 例如新焦點公司產品文獻所述Littman_Metcalf光柵配 置呈外部腔穴配置為可行的配置。第6b圖顯示單頻雷射之 示意圖,該單頻雷射帶有外部腔穴調諧同時也包括於護套 藉二極體雷射栗栗送的光纖。 其它二極體雷射替代之道包括分散型回授雷射(dfb) 以及分散型布拉格雷射(DBL),帶有整合一體之光柵以及 導波管結構,若干帶有外部控制器之例允許使用者獨立控 制增益、相位以及光栅濾波器。參考第以圖有關包括耦合 态50之DBL配置。如此提供彈性模態選擇以及調諧能力。 雷射頻率也可經由使用多種配置經由調整龐大組件例如外 部腔穴之光柵及/或鏡、或另外選用固定波長或模態而作動 悲選擇。二極體中心波長所跨範圍係由少於1微米至約 1.3-1.5微米或更長,後述波長係對應光纖通訊使用的波長。 '任一種情況下,用於本發明於對材料處理選用的雷射 波長之關鍵元件為「種子」雷射二極體的上升時間以及脈 衝形狀。又本發明之考量為種子雷射波長匹配光譜帶,於 本紙張尺度適用中關家標準(CNS)A4規格(21G X 297公爱) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂---------線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 28 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 478025 五、發明說明(26) 該光譜帶光纖放大器有高增益而對波長的小量變化敏感度 極低’換s之’於放大器的「平坦」回應區用以使用足夠 功率維持絶佳的逐一脈衝功率輸出。至於镱攙雜光纖,於 接近石夕之1 · 1微米吸收邊緣的合理寬廣波長帶具有高增 益。材料或整合光纖組件的進一步發展可延長有用波長 區’提供光纖發光譜、種子雷射波長以及目標材料性質匹 配上的較大彈性。舉例言之,於光學裝置譜,1997年8月92 頁,報告於1·1微米至丨.7微米波長範圍之業界現況光纖雷 射發展結果。
Ramam位移器操作述於前述,759專利案,特別使用短 脈衝Q-開關系統。若有所需,此種裝置也可置於光纖系統 的輸出俾位移輸出波長至預定區俾改良吸收反差(舉例)。 了解處理上脈衝寬度以及小點大小要求重要性,如前 述’759專利案之教示,典型金屬連接鏈處理之較佳系統操 作係於約丨.06微米或以上以丨.〇8微米波長(舉例)為較佳之 範圍。 種子雷射之輸出被放大接收雷射材料處理。較佳光纖 雷射放大ϋ提供約3G分貝增益。種子雷射輸出直接或使用 龐大光學裝置而耦合至纖維雷射中心,該光學裝置分裂光 束作光纖傳輸。兩種技術皆由超快速雷射業界人士使用唧 伯化脈衝放大技術例行性實施,但較佳具體實施例的系統 整體而言比此種超快速系統更不複雜。本發明之系統中, 種子脈衝經過放大而無需脈衝繫連以及壓縮的光學裝置。 放大裔系統使用的光纖為使用二極體雷射泵送的護套,該 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格⑵Q x挪公爱) ^ ^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 29 478025 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明(27) 二極體雷射具有與種子雷射實質不同的波長例如980毫微 米’其允許種子雷射束以及泵送雷射束使用雙色鏡於龐大 光學系統配置中作光學隔離。由成本、大小以及對準容易 程度觀點看來,較佳配置係利用耦合配置,此處種子雷射 直接麵合至纖維放大器。泵雷射將高功率二極體能量例如 980耄微米波長,使用光纖雷射系統設計業界人士熟悉的耦 合技術’將稀土元素镱(Yb)攙雜的光纖注入護套結構内部。 低度失真為光纖放大器的一大特徵。低度失真允許輸 出脈衝形狀實質上匹配種子雷射脈衝形狀,或進一步增進 脈衝緣或一致功率形狀。光纖增益介質產生第5圖之放大器 脈衝,該脈衝被傳輸至光學系統且聚焦於物件上。 若有所需,多個纖維放大器可串級獲得進一步增益, 但規疋其失真程度低。較佳提供活性光學開關或被動光學 隔離為於中間階段輸出俾抑制自發性發射。此等技術為業 界人士眾所周知且揭示於美國專利5,4〇〇,35〇以及w〇 98/92050(舉例)。 某些情況下,可能希望增加脈衝戴割器至雷射子系 統,經由縮短「尾」而改良脈衝形狀。可呈光電裝置例如 帕克空泡形大,或較佳為低衰變聲光調變器。冑於處理脈 衝之少數多個「脈衝持續時間」冑損傷風險時,此項技術 可抑制脈衝尾的能量至可忽略程度。例如若能量在預定脈 衝持續時間的1·5倍時間以内降低2〇分貝(1〇〇••丨),則於實際 應用上於金屬連接鏈吹除應用並無基材受損的風險。更特 定言之,若於金屬連接鏈吹除應用選用8亳微秒脈衝持續時 本紙張尺度翻中國國家標準(CNS)A4規格(210 χ 297公髮) 30 ------1 餐------- — 訂---------線"^1^· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 478025 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 — ----------Β7__—__ 五、發明說明(28 ) 間作方波脈衝形狀以及能量為20分貝於12毫微秒降低,則 剩餘能量係遠低於可造成矽基材傷害的能量,此種傷害實 質出現於施用雷射脈衝後約18毫微秒或以上。較佳操作模 式中,低度延遲高頻寬脈衝截割器將於接近放大器脈衝持 續時間結束時被活化,且對脈衝尾具有多項效果,中葉的 失真極低。經由於脈衝持續時間改變種子二極體雷射波形 形狀:可將放大器失真以及調變器「打開延遲」的任何影 響補償至某種程度。結果聚焦雷射束之時間脈衝形狀經補 償因而具有所需方波形狀。 又本光纖系統最理想係於約20千赫脈衝重複速率操 作,此操作速率比處理速率略快。輸出光學開關例如低度 延遲聲光調變器,其驅動器以操作式連結至電腦可選擇用 以處理的脈衝。藉此方式,光纖放大器的可靠度因而處理 系統的可靠度高。業界人士了解由經濟觀點視之將脈衝截 割器以及輸出光學開關組合成為單一模組較為有利。 1 璽射系統-替代之道 月’J文引述之種子雷射及光纖放大器之較佳系統具有無 數優點。使用適當驅動器對雷射二極體作電流調變,可直 接產生預定增益開關脈衝形狀,該形狀藉光纖雷射放大器 放大而失真程度低。該方法預期作為實施本發明之最佳且 最有效的辦法。但雷射脈衝產生及成形業界人士了解可使 用其它較非有效的辦法。例如Q_開關系統修改超出 4,483,005號專利案的教示係屬可能,經由使用多種控制功 能來驅動帕克空泡或光學開關俾獲得相對平坦脈衝,但規 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公复) 31 I Μ--------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 478025 A7 五、發明說明(29 定調變器的回應時間須夠快。近代影響脈衝寬度的技術包 括使用經過調變的輪出搞合器,例如呈本體或晶體形式以 GaAs置換Nd:YAG q-開關雷射中的習知玻璃。帶有〇士 輪出^合器之Nd:YAG雷射之被動q·開關報告^開關脈衝 持續時間由數微微秒至數毫微秒,光學工程,38(丨1), 1785-88,1999年 11 月。 理步驟及钴罢 金屬連接鏈25係藉二氧化矽絕緣體層32厚例如〇 3-〇 5 微米而支撐於矽基材30上。二氧化矽延伸於連接鏈上,二 氧化矽層上經常存在有額外氮化矽絕緣層。於連接鏈吹除 技術中,雷射束衝擊各個連接鏈且將連接鏈加熱至熔點。 加熱期間,藉由上覆被動層的鈍化效果而防止金屬被氣 化。於短脈衝持續時間,雷射束漸進加熱金屬直到金屬膨 脹至絕緣體材料破裂為止。此時熔融材料處在高壓下因而 被瞬間氣化且經由裂口吹出。 如引述759專利案之揭示,以極小點大小用於小型金 屬連接鏈,熱經由從雷射束撞擊目標部份藉傳導以實質指 數梯度擴展。經由採用畸峰雷射束,束功率相當高因此有 足夠氣化連接鏈能量以8毫微秒且較佳實質更短的脈衝傳 輸,傳熱中的傳導成分實質係限於金屬連接鏈以及下方氧 化物層,儘管其㈣,因此促成傳導的石夕溫度升高以及促 成東於石夕吸收的溫度升高可累進維持低於可能出現無法接 受的矽傷害時的溫度閾值。 此外,岫述759專利案教示有關連接鏈以及鄰近結構 本紙張尺度適用中國國家標準(CWSM4規格⑵G χ挪公爱 線 濟 部 智 慧 財 員 工 消 費 合 作 社 印 製 4/^025 五、發明說明(30 ) 傳熱特徵之重要相關方面。熱模式預測窄脈衝寬度(例如 3-10毫微秒而其又與目標材料厚度有關)為較佳以防熱傳 導以及隨後造成具有代表性維度的矽基材損傷。但相當重 要地係實現連接鏈附近的其它結構也影響雷射處理結果, 如下實驗結果的指示。 增盈開關方波脈衝形狀之效果可於電腦模擬以及透過 電腦模擬(有限元件分析)的實驗結果獲得證實。用於連接 鏈吹除的雷射規格為: 雷射波長 最大雷射能 脈衝寬度 重複速率 空間側繪 1.08微米 10微焦 7毫微秒(FWHM,方波脈衝) 10千赫(70千赫雷射速率) 高斯,ΤΕΜ-ΟΟ,Μ2=1·〇2 (時間 繞射限度) 偏振 脈衝上升時間 未經偏振 約0.5毫微秒 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 選用的雷射為以護套泵送光纖雷射,呈Μόρα配置, 使用980毫微米泵二極體以及7微米直徑單一模態光纖。 使用前述規格的雷射對新一代記憶體裝置進行實驗結 果驗證比較標準Q-開關雷射系統獲得優異性能。結果導致 歸結紐而快速上升的ΜΟΡΑ雷射脈衝可獲得優異性能。如 前文揭示理由有三: 1.1.083波長夠長可防止基材受損,於ι·〇83微米比較 33 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) 478025 A7 -----------B7__ 五、發明說明(Μ ) 1.047微米波長之吸收率降低約1〇倍。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 2·快速上升脈衝對上覆氧化物層提供熱震而有助於連 接鏈的去除。 3·快速上升脈衝之高功率密度可降低連接鏈反射率因 而允許有效能量耦合。 此等特徵顯著悖離使用Q-開關系統觀察得的交互作 用。此外’電腦有限元件模式用來模擬快速上升脈衝用於 夕種材料厚度及連接鏈大小的效果。結果分別證實使用陡 峭上升時間脈衝且帶有近似方波分布可獲得改良連接鏈吹 除效果。由Bernstein (參考文獻3作者)製作的電腦模式結果 不於第11a及lib圖。下表A及B分別係關聯第113及1113圖之 線圖:
表A 模式1於0.7微焦 方波脈衝 緩慢上升脈衝 第1裂痕 929K @ 1.88毫微秒 978匕@2.40毫微秒 第2裂痕 1180&@2.93毫微秒 13801^@3.45毫微秒 第3裂痕 14001^@2.05毫微秒 無 第4裂痕 1520【@4.73毫微秒 無 銘厚度:0.8微米 鋁寬度:〇·8微米 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 氧化矽:0.1微米 Si3N4 : 0.4微米 雷射能:0.7微焦 34 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 25
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 應力及溫度過去史確切指示快速上升脈衝帶有次毫微 秒上升時間的重要性。也已知若存在有顯著脈衝能,則於 完成消蝕後之若干毫微秒例如15毫微秒矽可能受損。故帶 有高消光係數之快速上升時間也相當重要。 根據本發明,經由妥善選擇波長以及限制脈衝持續時 間附帶對應方波脈衝以及快速衰變,矽基材也可維持相當 冷。本粒之雷射波長係略低於矽之室溫吸收緣(約11微 米)。雖然此處報告結果並未指示基材受損,但須注意若有 所而,可獲得改良邊際。例如Raman位移器用來實現超出 吸收緣的輸出波長。另夕卜’另一種二極體雷射波長可能變 成市面上可購得的MOPAS己置。此種波長選擇以及位移繼 續可有利地用於其它雷射處理及微機製用途。總而言之, 如此限制加熱,可確保矽不會將其吸收緣移入紅外光區而 進入熱脫序狀態,此種情況下可能造成矽受損。 乾淨吹除金屬連接鏈之快速脈衝產生之M〇pA配置之 本紙張尺度聊+關家鮮(CNS)A4規格(210 X 297公爱) 478025 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
-4— ^1 ^1 ΛΤ . ------丨丨訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A: 五、發明說明(33) 特定具體實施例係作為脈衝成形實例且僅 供舉例說明而非 限制性。透過直接調變種子雷射,可維持對_㈣_ 佳次毫微秒控制,發現為有利,包括快速補償而矯正輸出巴 脈衝形狀。微機製、加標記、刻畫等應用用途也以精密快 速脈衝控制為較佳。例如種子二極體容易使用「鋸齒」波 形或其它非Q-開關波形調變用以形成或去除表面上或表 面内部的特定結構紋理。同理,由於雷射二極體之快速回 應,故可快速連續產生具有變化寬度之短脈衝順序。雷射 處理業界人士 了解此處教示雷射系統之寬廣應用。本發明 之範圍係由隨附之申請專利範圍指示而非囿限於此。 本紙張尺度過用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱 36 10…種子雷射 11…信號產生器 12…聚焦子系統 13…學開關 20…移動系統,定位機構
24…記憶體晶粒 478025 A: _B7_ 五、發明說明(34) 元件標號對照 2 5…連接鏈元件 30…矽基材 32…氧化矽絕緣層 33…電腦 34…步進與重複平台,基 材定位機構 50…耦合器 I------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線 0——.—.-^—I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 37 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)
Claims (1)
- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 C8 ~' ---------^_— —_______ 六、申請專利範圍 1. -種處理於顯微區具有駭維度t目標材料而未造成 目標材料周圍材料之電氣或物理特徵受到非期望改變 之具能量效率且以雷射為基礎之方法,該方法包含: 利用具有波長於重複速率之雷射產生一雷射脈衝 列,其中該脈衝列之各脈衝具有預定形狀; 以光學方式放大脈衝列而未顯著變更脈衝形狀俾 獲·柃放大脈衝列,其中各放大脈衝列具有實質方波時間 功率密度分布、陡峭上升時間、一種脈衝持續時間以及 一種下降時間;以及 、傳輸以及+焦至少部份被放大的脈衝列至目標材 料上的一點,其中該上升時間夠快而可有效耦合雷射能 至目標材料,脈衝持續時間足夠處理目標材料,以及下 降時間夠快而可防止目標材料周圍材料之非期望的變 化。 2·如申請專利範圍第W之方法,其中目標材料包括顯微 結構。 3.如申請專利範圍第2項之方法,其中顯微結構為導線。 如申-月專利犯圍第3項之方法,其中導線為金屬線,以 及其中脈衝持續日夺間足夠有效加熱與氣化特定部份金 屬線。 5·如申請專利範圍第1項之方法,其中目標材料為半導體 裝置之一部份。 6.如申請專利範圍第5項之方法,其中半導體為半導體記 憶體。 (cns)A4 (2~^_38 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製申請專利範圍 7·如申請專利範圍第6項 少16互莖你-,《 中記憶體具有密度」 百萬位70以及至多256百萬位元。 •如申請專利範圍第i項之方法, 至少部份為基材。 -中目仏材枓周圖 9·如申請專利範圍第8項 材。 1之方法,其中基材為半彻 10.如.申請專利範圍第丨項之 裝置之-部份。 /'、中目標材料為微電4 ,申請專利刪5項之方法,半導體為微電划 U•如申請專利範圍第〗項之方 士 — 密度分布係足夠實質完H 貫質方波時間功率 J貝貝几全消蝕目標材料。 U·如申請專利範圍第丨 毫微秒。 其中上升時間係短於】 14·如申請專利範圍第13項之方法 升 0.5毫微秒。 、升㈣係少於 15 ·如申請專利範圍第丨 於H)毫微秒。 其中脈衝持續時間係少 W㈣請專利範圍第15項之方法,^ 少於5毫微秒。 了 K吋間係 Π.如申請專利範圍第i項之方法 毫微秒。 "中下降時間係少於2 18.如申請專利範圍第丨項之方法,装 夠處理目標材料。 、中早-放大脈衝係足------------裝i (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) n n n n- •線. 本紙張尺㈣用中關家標準格(2W x 2^~ 39 478025 A8 B8 C8六、申請專利範圍 19_如申請專利範圍第丨項之方法,其中目標材料具有對放 大後脈衝之反射率,以及其中放大後脈衝之功率密度 夠高而可降低目標材料對放大後脈衝之反射率,以及 提供雷射能有效耦合至目標材料。 2〇·如申請專利範圍第1項夂方法,其中各個放大後的脈衝 於脈衝持續時間具有相對一致的功率密度分布。 21·,申請專利範圍第旧之方法,其中各脈衝於脈衝持續 日守間具有時間功率密度分布一致至1〇%範圍内。 22.如申凊專利範圍第卜員之方法,其中目標材料周圍材料 具有與目標材料之相對性質不同的光學性質以及熱擴 散性質。 ' 23·如申請專利範圍第22項之方法,其中光學性質包括吸 光率。 24·如申請專利範圍第22項之方法,丨中光學性質包括偏 振敏感度。 25·如申請專利範”1項之方法,其中重複速率至少為每 秒1000脈衝。 26.如'請專利範圍第1項之方法’其中各放大後的脈衝具 有至少〇·1微焦至至多3微焦能量。 27·如申請專利範圍第!項之方法,其中光學放大步驟可提 供至少20分貝之增益。 28·如申請專利範圍第1項之方法,其中上升時間以及下降 時間係少於脈衝持續時間之半,以及其中各放大後脈 衝之畴♦功率介於上升時間與下降時㈣實質為位 標準(⑶S)A4 規格(21〇 X 297^. , ^ Φ-------*1 ^---------— φ----ί (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 478025 六 申請專利範圍經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 定。 29. 如申請專利範圍第1項 尸… 之方法’其中各放大脈衝有— 尾,以及進一步㊅合咨VV、 一 3$減料大後脈衝^之雷射A 俾縮短放大後脈衝之下降 ^ 率量。 下降4間,同時實質維持脈衝功 30. 如申請專利範圍第29項之方法,丨中於尾端經 的雷射能係於K5倍脈衝持續時間以内被衰減達至少: 分貝。 一 31·如申請專利範圍第丨項之 衝持續時間為特 疋維度之函數。 32·如申請專利範圍第1項 ’貞之H其巾特定維度係小 射波長。 33. 如申請專利範圍第1項 ^ . ^ a 囚示β之方法,其中雷射為高速半導體 雷射二極體。 34. 如申請專利範圍第33項 ^ ^ ' ㈤不貝您方法,其中雷射二極體具有 波長小於約2微米。 35·如申請專利範圍第1ΙΜ之方法,其中點具有維度於則 微米至4微米之範圍。 36. 如申請專利範圍第33項之方法,其中雷射二極體為多 模態二極體雷射。 37. 如申巧專利範圍第33項之方法,其中雷射二極體為利 用刀政布拉格反射器(OBR)、分散回授(DFB)或外部腔 穴設計的單頻雷射二極體。 38·種處理於一顯微區具有特定維度之目標材料但未造 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格⑽χ挪公爱1 — — — — — — — 1! I 11 — I 11 — ! ·^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 41 478025 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 微 以 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 成該目標材料周圍材料之電氣或物理特性非期望的改 變之具能量效率系统λ該系統包含: 種控制裔,其係用以產生一處理控制信號; 一信號產生器,其係用以產生以處理控制信號為基 礎的調變後的驅動波形,其中該波形具有次毫微秒上升 時間; • 一增盈開關且加脈衝之種子雷射,其具有一種波長 用以以重複速率產生雷射脈衝,該驅動波形粟送雷射因 此脈衝列之各脈衝具有預定形狀; 一種雷射放大器,其係用以以光學方式放大脈衝列 而未顯著變更脈衝形狀俾獲得放大脈衝列,其中各放大 脈衝列具有實質方波時間功率密度分布、陡峭上升時 間、一種脈衝持續時間以及一種下降時間;以及 一束傳輸與聚焦子系統,其係用以傳輸以及聚焦至 少部份被放大的脈衝列至目標材料上的一點,其中上升 時間夠快而可有效耦合雷射能至目標材料,脈衝持續時 間足夠處理目標材料,以及下降時間夠快而可防止目標 材料周圍材料之非期望的變化。 39.如申請專利範圍第38項之系統,其中目標材料包括顯 結構。 4〇·如申請專利範圍第39項之系統,其中顯微結構為導線 41·如申請專利範圍第4〇項之系統,其中導線為金屬線, 及其中脈衝持續時間足夠有效加熱與氣化特定部份金 屬線。 k紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格⑽χ 297公釐) . , ^ m--------- ^--------------------------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 42 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製…申請專利範 圍 42·如申請專利範圍第38 装置之-部份。、之系統,其中目標材料為半導體 .如申凊專利範圍第42 憶體。 、之系統’其中半導體為半導體記 44·:申請專利範圍第43項之系統,其中 W百萬位元以及至多256百萬位元。有山度至 •如·申凊專利範圍第3 8項之季^ 至少部份為基材。系、·先,其中目標材料周 46=申請專利範圍第45項之系統,其中基材為半導體基 47^申請專利範圍第42項之系統,其中半導體為微電機裝 48.^申請專利範圍第38項之系統,其中目標材料為微電子 裝置之一部份。 申請專利範圍第38項之系統,其中實質方波時間 岔度分布係足夠實質完全消蝕目標材料。 50·^申請專利範圍第38項之系統,其中上升時間係短w 宅微秒。 &如申請專利範圍第綱之系統,其中上升時間係少 〇 · 5亳微秒。 52. 如申請專利範圍第38項之系統,其中脈衝持 於1〇毫微秒。 53. 如申請專利範圍第52項之系統’其中脈衝持續時間係少 於5毫微秒。 ' 圍材料 線 於 續時間係少 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇 x 297公釐) 43 478025 A8 B8 C8 - ~—-—- 58_— — 六、申請專利範圍 54·如申請專利範圍第38項之系統,其中下降時間係少於2 亳微秒。 55·如申請專利範圍第38項之系統,其中單一放大脈衝係足 夠處理目標材料。 56·如申請專利範圍第38項之系統,其中目標材料具有對放 大後脈衝之反射率,以及其中放大後脈衝之功率密度夠 兩’而可降低目標材料對放大後脈衝之反射率,以及提供 雷射能有效耦合至目標材料。 57·如申請專利範圍第38項之系統,其中各個放大後的脈衝 於脈衝持續時間具有相對一致的功率密度分布。 58·如申請專利範圍第38項之系統,其中目標材料周圍材料 具有與目標材料之相對性質不同的光學性質以及熱擴 散性質。 59·如申請專利範圍第58項之系統,其中光學性質包括吸光 率。 60·如申請專利範圍第兄項之系統,其中光學性質包括偏振 敏感度。 61·如申請專利範圍第38項之系統,其中重複速率至少為每 秒1000脈衝。 62·如申请專利範圍第3 8項之系統,其中各放大後的脈衝具 有至少0.1微焦至至多3微焦能量。 63.如申請專利範圍第38項之系統,其中光學放大步驟可提 供至少20分貝之增益。 64·如申請專利範圍第38項之系統,其中上升時間以及下降 本紙張尺度適用中_家標準(CNS)A4規格咖x 297公餐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ·_·-------. —訂----- -----線-·11 ϋ ϋ J0 l 0t ϋ n ϋ ϋ ϋ -1 · 44 /、、申請專利範圍 時間係少於脈衝持輯間之半,以及其中各放大後脈衝 05 I畸峰功率,1於上升時間與下降時間間實質為悝定。 •申請專利範圍第38項之系統,其中雷射放大器包括一 雜纖、及果俾系送光纖,其中該果係與種子 離。 申請專利範圍第65項之系統,其中栗為雷射二極體。 •.申清專利範圍第38項之系統,其中種子雷射包括雷射 二極體。 68·^請專利範圍第38項之系統,其中各脈衝具有於脈衝 寺績時間期間的時間功率密度分布_致至觸範圍内。 .如申請專利範圍第38項之系統,其中各放大脈衝有一 * 乂及$步包含一农減器用以衰減於放大後脈衝尾 &之雷射能俾縮短放大後脈衝之下降時間,同時實質維 持脈衝功率量。 、 申請專利範圍第69項之系統,其中於尾端經衰減後的 射能係於1.5倍脈衝持續時間以内被衰減達至少2〇分 貝。 申請專職㈣綱之“,其中脈料續時間為特 疋維度之函數。 72·如申請專利範圍第38項之系統,其中特定維度係小於波 長。 73·Γ請專利範圍第67項之线,其中雷射二極體具有波 長小於約2微米。 74·如申請專利範圍第38項之系統,其中點具有維度於則 用中國國家標準(CNS〉A4規禧m〇 χ 297公髮 478025 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 微米至4微米之範圍。 75·如申請專利範圍第67項之系統,其中雷射二極體為多模 恶一極體雷射。 76·如申請專利範圍第67項之系統,其中雷射二極體為利用 分散布拉格反射器(DBR)、分散回授(DFB)或外部腔穴 設計的單頻雷射二極體。 77·如·申請專利範圍第65項之系統,其中泵為增益開關雷射 二極體。 78·如申請專利範圍第38項之系統,進一步包含一光學開關 以及一電腦耦合至該光學開關,以及子系統用以選擇脈 衝列之材料處理脈衝以及控制選定脈衝相對於目標材 料之位置。 79·如申請專利範圍第65項之系統,其中光纖為單模態光纖 以及泵為栗二極體。 8 〇 · —種用以消蝕具有規定維度且嵌置於至少一被動層之 金屬連接鏈而未造成該金屬連接鏈周圍之至少一被動 層的電氣或物理特徵產生非期望變化之具有能量效率 且以雷射為基礎之方法,該方法包含: 利用具有波長於重複速率之雷射產生一雷射脈衝 列,其中該脈衝列之各脈衝具有預定形狀; 以光學方式放大脈衝列而未顯著變更脈衝形狀俾 獲得放大脈衝列,其中各放大脈衝列具有實質方波時間 功率密度分布、_上升時間、_種脈衝持續時間以及 一種下降時間;以及 --------%------· I-----Γ ^---------^ I I------ C請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 46 478025 六 ♦ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 傳輸以及聚焦至少部份被放大的脈衝列至金屬連 接鏈上的一點,其中上升時間夠快而可有效耦合雷射能 至金屬連接鏈,脈衝持續時間足夠處理金屬連接鏈,以 及下降時間夠快而可防止金屬連接鏈周圍之至少一被 動層之非期望變化。 81 ·如申請專利範圍第8〇項之方法,其中金屬連接鏈係嵌置 成·有一頂被動層於其上以及一底被動層於其下,以及其 中該脈衝持續時間係足夠裂開頂被動層而非底被動層。 82. —種消餘具有規定維度且係嵌置於至少一被動層之金 屬連接鏈而未造成該金屬連接鏈周圍之至少一被動層 之電氣或物理特徵產生非期望的變化之具有能量效率 之系統,該系統包含: 一種控制器,其係用以產生一處理控制信號; 一信號產生器,其係用以產生以處理控制信號為基 礎的調變後的驅動波形,其中該波形具有次毫微秒上升 時間; 一增益開關且加脈衝之種子雷射,其具有一種波長 用以以重複速率產生雷射脈衝,該驅動波形泵送雷射因 此脈衝列之各脈衝具有預定形狀; 種雷射放大裔,其係用以以光學方式放大脈衝列 而未顯著變更脈衝形狀俾獲得放大脈衝列,其中各放大 脈衝列具有實質方波時間功率密度分布、陡峭上升時 間、一種脈衝持續時間以及一種下降時間;以及 束傳輸與聚焦子系統,其係用以傳輸以及聚焦至 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) — — — — — — — — — — — — — ·1111111 ^ ·11111111 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 47 外㈣25 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 少部份被放大的脈衝列至金屬連接鏈上的一點,其中上 升時間夠快而可有效搞合雷射能至金屬連接鏈,脈衝持 續時間足夠處理金屬連接鏈,以及下降時間夠快而可防 止金屬連接鏈周圍之至少一被動層之非期望變化。 83·如申請專利範圍第82項之系統,其中金屬連接鏈係嵌置 成有一頂被動層於其上以及一底被動層於其下,以及其 中·該脈衝持續時間係足夠裂開頂被動層而非底被動層。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇 χ 297公釐) 馨 ___I---------11 — — — — —--— — — — — —--- 48
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