TWI487222B - 用於在一工作件上雷射加工不同類型之標的物的方法及系統 - Google Patents

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Description

用於在一工作件上雷射加工不同類型之標的物的方法及系統 相關申請案之交叉參考
本申請案宣告於2006年9月15日申請在先之美國臨時專利申請案第60/844,822號之優先權。
發明領域
本發明係有關用於在一工作件上雷射加工不同類型之標的物的方法與系統。
 發明背景
雷射修整成為在半導體與微電子業界中之製造程序的一部分已經超過30年。業界已經導入新的連結材料與構造，以及不同薄膜與構造。對於雷射加工而言，其中一種挑戰係為以一單一之雷射修整系統滿足處理所有這些裝置的需求。例如，用於銅加工所需之加工條件以及雷射種類係與用以加工習用聚矽連結者不同。故一設計成用於加工聚矽連結之雷射修整系統可能無法有效地加工銅連結。
另一挑戰係為用於金屬燒斷或切割所需之加工條件與雷射類型對於習用的薄膜修整而言可能並非最佳選擇。例如，一設計成用於加工銅連結之雷射修整系統可能無法有效地加工與修整薄膜電阻器。另外，不同之薄膜亦需要不同的加工條件。在一種諸如本發明之受讓人的產品型號M310之雷射加工系統中，各種薄膜修整工作需要不同的雷射脈衝寬度，例如7奈秒與50奈秒脈衝寬度。本申請案之受讓人之現有的M310/M350系統係製造成帶有一具有一單獨所需脈衝寬度的選定雷射。然而，其脈衝寬度無法輕易地進行調準或調整。如此將該系統限定在一選定脈衝寬度之狹窄產品加工範圍。以目前而言，當欲以不同雷射脈衝寬度進行不同類型的標的物或是電路元件的雷射加工時，多種加工系統提供不同脈衝寬度雷射之需求。這些系統可能由於混合各種類型之標的物的產品而未能充分利用，因而降低了對於客戶而言之系統價值。因此，一種以一單獨雷射源用以加工多種類型之裝置的系統對於客戶而言將會增加其價值。
除非特別指出，下列專利案及專利申請案係指讓給本發明之受讓人，且全部內容係以參考方式併入本文之中：美國專利第5,300,756號(’756號專利)，標題為「用以藉由一相位板調整雷射光束處理積體電路連接路徑之方法」。
美國專利第5,998,759號(’759號專利)，標題為「雷射加工」。
美國專利第6,727,458號(’458號專利)，標題為「用以加工標的物材料之具有能量效率並以雷射為主的方法與系統」。
美國專利第6,777,645號(’645號專利)，標題為「用以加工一個或更多位於一場域內之標的物的高速、準確並以雷射為主之方法與系統」。
美國專利第6,951,995號(’995號專利)，標題為「用以高速且準確微加工一裝置之陣列的方法與系統」。
美國專利第6,987,786號(’786號專利)，標題為「雷射偏振控制」。
美國專利公開案2002/0167581號(’7581號公開案)，標題為「用於以熱為主之雷射加工的方法與系統」。
美國專利公開案2006/0108337號(’8337號公開案)，標題為「用於雷射軟標示之方法與系統」。
美國專利公開案2004/0188399號(’8399號公開案)，標題為「用於加工標的物材料之具有能量效益並以雷射為主的方法與系統」。
美國專利第6,151,338號(並非指讓給本發明之受讓人)，其揭露一種用於材料加工之高功率雷射光學擴大器系統。
 發明概要
本發明之一目的係在於提供一種用於在一工作件上雷射加工不同類型之標的物的經過改進之方法與系統。
在實行本發明之上述目的及其他目的方面，則提供一種在一工作件上雷射加工不同類型之標的物的方法。該方法包括設定一個或更多雷射脈衝之一雷射脈衝寬度，以便基於欲進行加工之第一類型的標的物選擇性地提供一個或更多具有一個或更多設定脈衝寬度之雷射輸出脈衝。該方法進一步包括設定一個或更多輸出脈衝之一脈衝形狀，以便基於欲進行加工之標的物的類型選擇性地提供一個或更多具有該等設定脈衝形狀之輸出脈衝。該方法進一步亦包括將一個或更多具有一個或更多設定脈衝寬度之輸出脈衝以及設定的脈衝形狀傳遞到至少一個第一類型之標的物。該方法最後包括重新設定一個或更多雷射脈衝之雷射脈衝寬度，以便基於欲進行加工之第二類型的標的物選擇性地提供一個或更多具有一個或更多重新設定脈衝寬度之雷射輸出脈衝。
該設定與重新設定脈衝寬度能夠在1奈秒到200奈秒的一連續範圍內進行選擇。
該範圍可為4奈秒到50奈秒。
該脈衝寬度可為能夠進行編程。
該等輸出脈衝能夠藉由一雷射光束傳遞子系統加以傳遞，該雷射光束能夠具有一平頂輪廓。
該設定脈衝可為一方形脈衝形狀。
傳遞之輸出脈衝能夠具有一範圍為0.1微焦耳到5微焦耳之脈衝能量。
該範圍可為0.2微焦耳到1.5微焦耳。
該等雷射脈衝能夠藉由一脈衝形狀雷射所產生。該脈衝形狀雷射能夠具有一範圍為1 Khz到200 Khz之重複率。
該重複率能夠具有1Khz到50 Khz之一範圍。
該等輸出脈衝能夠具有一少於1.5奈秒之上升時間，以及一少於2奈秒的下降時間。
該等輸出脈衝能夠具有一TEM00模式。
該等輸出脈衝能夠具有一屬於0.2微米到2.5微米之範圍內波長。
該波長可約為1微米。
該波長可約為1.2微米。
該波長可約為1.3微米。
不同類型之標的物其中一者可為以一厚膜或薄膜為主的裝置。
該裝置可為電路元件。
該裝置可為薄膜電阻元件。
不同類型之標的物可為連結。
該等連結能夠包括聚矽連結。
金屬連結能夠包括鋁、金與銅連結至少其中一者。
工作件能夠包括一半導體基板。
標的物能夠包含電路元件。
該等電路元件能夠包括一第一材料之連結觸排、以及一不同於該第一材料之第二材料的連結觸排。
該等電路元件能夠包括一連結觸排以及一以厚膜或薄膜為主的裝置。
該加工能夠包括修整。
該修整可為被動與功能修整至少其中一者。
設定其中至少一步驟能夠在工作件上之所有相同或類似的標的物經過加工以後進行重複。
設定其中至少一步驟能夠在工作件上之不同材料所製成的標的物進行加工期間進行重複。
在進一步實行本發明之上述目的與其他目的方面，則提供一種用於在一工作件上雷射加工不同類型之標的物的系統。該系統包括一雷射子系統，其用以產生一個或更多的雷射脈衝。該系統進一步包括一控制器，其有效地連接到該雷射子系統，以設定一個或更多雷射脈衝之一雷射脈衝寬度，以便基於欲進行加工之一第一類型的標的物選擇性地提供一個或更多具有一個或更多設定脈衝寬度之雷射輸出脈衝。該控制器亦有效地連接到雷射子系統，以設定一個或更多輸出脈衝之一脈衝形狀，以便基於第一類型之標的物選擇性地提供一個或更多具有該設定脈衝形狀的輸出脈衝，並且重新設定一個或更多雷射脈衝之雷射脈衝寬度，以便基於欲進行加工之一第二類型的標的物選擇性地提供一個或更多具有一個或更多重新設定脈衝寬度之雷射輸出脈衝。該系統另外包括一雷射光束傳遞子系統，該子系統包括一光學子系統，其用以傳遞具有設定脈衝形狀之輸出脈衝，並且分別對於第一與第二類型之標的物設定與重新設定脈衝寬度。
該雷射光束傳遞子系統能夠基於位置資訊選擇性地將輸出脈衝傳遞到標的物。
該雷射子系統能夠包括一單一脈衝形狀以及脈衝寬度可調準雷射。
該雷射子系統能夠包括一光纖雷射。
該雷射子系統能夠包括一快速上升、快速下降，脈衝形狀雷射。
該雷射子系統能夠包括一Q開關雷射。
該雷射子系統能夠具有一主振盪器功率擴大器(MOPA)構造，且能夠包括一振盪器以及一擴大器。
該振盪器能夠包括一可調準或是可調整脈衝寬度之半導體雷射。
該擴大器能夠包括一以光纖為主之擴大器。
該雷射子系統能夠包括一雷射，其能具有一輸出耦合器以及一雷射腔室。該雷射腔室之幾何形狀與尺寸能夠加以調整，且輸出耦合器之反射性能夠加以調整，以設定脈衝寬度。
該控制器能夠藉著改變雷射子系統之一雷射的脈衝能量強度而設定脈衝寬度。
該控制器能夠藉著改變雷射子系統之一雷射的重複率而設定脈衝寬度。
該系統能夠進一步包括一感應器子系統，該子系統包括一光學感應器，其用以感應從工作件反射之一雷射脈衝，以獲得一訊號、以及一訊號處理器，其用以處理該訊號，以便獲得用於雷射加工之對齊資訊。
雷射光束初始能夠具有線性偏振，該系統能夠進一步包括一液晶相位可變化延遲器(LCVR)、以及一LCVR控制器，其用以控制該LCVR，以致於使該LCVR基於對齊之標的物以可控制之方式轉動該線性偏振的雷射光束。
雷射光束能夠具有一初始偏振。該系統能夠進一步包括一LCVR、以及一LCVR控制器，其用以控制該LCVR，以致於使該LCVR以可控制之方式將初始偏振轉換成為一所需的偏振。
該光學子系統能夠調整位於至少一個標的物上之光斑尺寸以及雷射光束焦點其中至少一者。
該系統能夠進一步包括一定位機構，其用以提供工作件與雷射光束之間的相對移動。
在進一步實行本發明之上述目的與其他目的方面，則提供一種以雷射為主之材料加工方法。該方法包括在一晶粒上提供一第一類型之第一標的物，以及在該晶粒上提供一第二類型之第二標的物。該第一與第二類型係為不同的類型。該方法進一步包括以一具有一可調整脈衝寬度之單一脈衝形狀雷射加工該第一與第二標的物。
本發明之至少一實施例的一目的係在於提供一種用以加工各種連結之雷射系統/加工方法以及系統，該等連結包括位於一晶圓上之聚矽、鋁、金與銅連結。
本發明之至少一實施例的其他目的係在於提供一種雷射加工方法與系統，其將一單一雷射源用於範圍廣泛之加工應用，例如，切割或燒斷不同類型之連結，以及修整位於一晶圓上之薄膜或厚膜電阻器。
本發明之一實施例藉著使用一脈衝形狀與脈衝寬度可調整雷射(較佳為一光纖雷射)改進一連結燒斷製程範圍。為了達成此目的，能夠使用一快速上升(<1.5奈秒)/下降(<2奈秒)之脈衝形狀(方形為較佳)q開關雷射。亦能夠使用一MOPA構造。對於MOPA振盪器而言，其中一種選擇可為一可調準或是可調整脈衝寬度二極體雷射。對於MOPA擴大器而言，其中一種選擇可為一光纖雷射擴大器。光束成形光學儀器能夠用以產生一平頂光束輪廓，以改進雷射加工。
一快速上升/下降、脈衝形狀雷射藉由使雷射能量以更佳方式耦合進入材料而導致更有效率的加工，如此對於金屬連結而言尤其顯著。快速下降時間能夠防止典型Q開關脈衝之尾部的過多能量照射材料，從而降低基板損害。此外，由於接近修整路徑之鄰近區域中具有較少的殘留能量，故會產生較少的熱影響區域(HAZ)。因此，在本發明之至少一實施例中較佳係使用一快速上升/下降脈衝形狀雷射進行諸如銅或是金連結之金屬連結的加工。
本發明之實施例的雷射之其他觀點係為雷射脈衝持續期間(脈衝寬度)的可調整性。在雷射修整或加工系統中能夠選擇不同的脈衝持續期間，以便分別燒斷或切割金屬連結並修整薄膜或厚膜電路元件。脈衝持續期間之彈性調整容許吾人對於金屬連結燒斷或切割程序、以及薄膜或厚膜修整程序進行獨立的製程範圍最佳化。脈衝持續期間之彈性調整亦能夠容許吾人對於其他雷射材料加工作業進行最佳化。
因為文中建議之雷射的脈衝寬度能夠容易地進行調整，故吾人能夠對於脈衝寬度與脈衝能量以及諸如光束尺寸之其他光束特徵一併進行最佳化，以對於薄膜與厚膜修整達成一改進的加工條件。
藉著將雷射光束由習用的高斯(Gaussian)以空間光束成形方式成形為一平頂輪廓，能夠有效地耦合能量，降低對於鄰近與沿著修整路徑之區域以及位於下方的基板之加熱。由於能量係更為有效地耦合入修整切口，對於相同的總能量而言將會產生較少的HAZ，並對於基板產生較少的損害。因此，文中建議本發明之至少一實施例係使用一空間形狀光束(較佳為一平頂光束輪廓)進行修整或切割。
除了形狀脈衝以外，亦使得雷射之脈衝持續期間變得容易進行調整。吾人能夠容易地對於一特定薄膜或厚膜材料與構造選擇一特定的脈衝寬度，從而消除在一單一材料加工系統中對於多重雷射源之需求。
上述特徵與優點由以下最佳模式之詳細說明並結合所附圖式而立即變得顯而易見。
圖式簡單說明
第1圖係為一半導體晶圓之一晶粒的部分剖除概略俯視圖；該晶粒上具有薄膜電阻元件以及金屬連結(亦即銅、金或鋁等)；欲進行加工之裝置的其他可行組合包括以厚膜為主的裝置；第2圖係為根據本發明之一實施例所構造的一雷射加工系統之一概略方塊圖；第3圖係為根據本發明之一實施例所產生的雷射材料加工脈衝之功率(y軸)對於時間(x軸)的標繪圖；第4圖係為能量製程範圍(單位為微焦耳)對於脈衝寬度之一標繪圖，其顯示用於銅連結之能量製程範圍對於雷射脈衝寬度的依賴性；此處之一能量製程範圍(單位為微焦耳)係表示用以切斷連結所需的最小能量以及在連結下方觀察到暗斑的最大能量之間的雷射脈衝能量之範圍；第5圖係為一定位準確性半範圍(單位為微米)對於脈衝能量(單位為微焦耳)之一標繪圖，該圖顯示位在銅連結上之一4微米的斑點之準確性範圍；此標繪圖指出能夠施加到連結之最大脈衝能量的變化係為斑點位置相對於連接中心的一函數；此處之半範圍表示不會觀察到光學損害之各個雷射脈衝能量所達成的距離連結中心之最大光斑位置偏差；第6圖係為能量製程範圍(單位為微焦耳)之一標繪圖，該圖顯示製程範圍係為位於銅連結上之光斑尺寸的一函數；此處之能量製程範圍(單位為微焦耳)係為在用以切斷連結所需的最小能量以及在連結下方觀察到暗斑的最大能量之間的雷射脈衝能量之範圍；第7圖係為能量製程範圍(單位為微焦耳)對於雷射脈衝寬度(單位為奈秒)之一標繪圖，該圖顯示能量製程範圍係為脈衝寬度(用於金連結)之一函數；此處之能量製程範圍(單位為微焦耳)係為在用以切斷連結所需的最小能量以及在連結下方觀察到暗斑的最大能量之間的雷射脈衝能量之範圍；第8圖顯示定位準確性半範圍尺寸(單位為微米)對於脈衝能量(單位為微焦耳)之一對標繪圖，一圖顯示13奈秒脈衝寬度，另一圖則顯示7奈秒脈衝寬度，該等圖式顯示在金連結上具有4微米之光束位置準確性範圍；此標繪圖指出能夠施加到連結之最大脈衝能量的變化係為斑點位置相對於連接中心的一函數，而不會導致產生光學可察覺的損害；此處之半範圍表示不會觀察到光學損害之各個雷射脈衝能量所達成的距離連結中心之最大光斑位置偏差。
 較佳實施例之詳細說明
參考第1圖，該圖顯示其上形成具有許多元件之一半導體晶圓的一晶粒之一部份。電路元件包括一2微米金連結之觸排10、以及一2微米銅連結的觸排12，以及一矽鉻、氮化鉭或鎳鉻薄膜電阻元件14，其各者皆能夠以本發明之方法與系統進行加工。
參考第2圖，該圖顯示一種依照本發明之一實施例所構造的雷射材料加工系統。該系統包括一個如同上述’458號專利案之第5圖與第7圖中所示，並且如同在該’458號專利案之對應部分中加以說明的雷射子系統。
在一較佳實施例中，該雷射子系統使用一主振盪器功率擴大器(MOPA)構造。此系統產生一雷射脈衝，其送入一擴大器，以產生一高功率短上升時間脈衝。一種子雷射產生能量強度非常低的快速上升時間之短脈衝寬度。一雷射擴大器產生足夠的能量，以進行材料加工。在第2圖中，該結合雷射擴大器的種子雷射係普遍稱之為一光纖雷射。
一光纖雷射擴大器以及一具有適用於一雷射加工應用之輸出波長的高速紅外線雷射二極體係為較佳。此光纖雷射系統產生如第3圖中所示之較佳形狀與速度的一雷射脈衝，亦即一快速上升時間、頂部方形以及一快速下降時間。此脈衝形狀接著提供降低金屬反射性以及低能量擴散進入裝置之需要的雷射材料互相影響結果。
較佳地，一雷射脈衝寬度係易於設定，且能夠加以編程。其中一此範例係為IPG Photonics公司所製造的光纖雷射，本發明之受讓人將該光纖雷射使用在某些M430記憶體修補系統中，其雷射脈衝寬度能夠在從4奈秒到20奈秒的一連續範圍內加以選擇。
指讓給本發明之受讓人之公開美國專利申請案2004/0188399號揭露能夠用以在一表面上產生或去除一特徵的各種不同之雷射系統實施例。藉由範例，揭露一種具有一光纖光學擴大器之MOPA系統。該雷射加工系統能夠包括一具有一聲光調變器(A－O modulator)之輸出子系統。MOPA與輸出調變器係經過控制，以便基於位置資訊選擇性地將一個或更多雷射脈衝導引到標的物材料。入射表面之各個輸出脈衝能夠具有不同的脈衝寬度。
另一種設定一脈衝寬度之方法係為調整雷射腔室幾何與尺寸、以及輸出耦合器之反射性。雷射脈衝寬度能夠藉著改變腔室長度與輸出耦合器反射性加以改變。當腔式總長度係根據雷射共振器構造而改變時，兩個腔室鏡片(全反射器與輸出耦合器)之曲率亦能夠加以改變。雷射共振器之理論與運作能夠在許多教科書、手冊，以及雷射製造商的型錄中發現。其中一此參考係為John Wiley & Son出版社於1988年發行，由Peter Milonni與Joseph Eberrly所著的「雷射」一書，標題為「雷射共振器」之第14章詳細描述雷射腔室之理論與原理。
另一種設定一脈衝寬度之方法係為利用一可變雷射特徵，亦即，脈衝寬度會隨著雷射能量之增加而減少。吾人能夠將雷射運行到一高脈衝能量強度，以獲得所需的脈衝寬度，且接著以外部方式使光束減弱，以達到所需的能量密度。
為了設定或重新設定一脈衝寬度，吾人亦能夠利用其他的可變雷射特徵，亦即，脈衝寬度會隨著雷射之重複率增加而增加。
再次參考第2圖，具有次奈秒上升時間以反應一調變驅動波形雷射二極體係為光纖雷射MOPA構造中的一起點，且該雷射二極體係作為一種子雷射。該雷射二極體一般具有多種縱向模態，且該子系統能夠加以構造成用於單一模態操作，或是在輸出處以塊組件(bulk component)或者另擇地以系統中的整合光纖光柵進行調準。
第2圖之系統亦包括一透鏡(未顯示)，以便使光纖輸出進行視準、一習用遮光器、一去偏振器(de－polarizer)、一隔離器(以防止背反射)、鏡片、一分光器、一傳遞透鏡、一聲光調變器(AOM)以及一預擴展器，其在業界皆為人所熟知，且係揭露於許多描述光纖雷射之專利案中。
第2圖之系統亦包括一選配AC電壓控制液晶相位可變延遲器(LCVR)與底座。該LCVR包括一雙折射液晶夾在兩板件之間。如同業界所知，該雙折射液晶能夠轉動一雷射光束之偏振，因為光線以不同的速度沿著不同的軸線通過該雙折射液晶，致使偏振之一相位偏移。此處，該LCVR轉動線性偏振光束，以致於吾人在標的物(連結)上能夠得到任何線性偏振的光束，並使偏振平行或垂直於連結長度方向。此外，該雙折射液晶亦能夠將線性偏振雷射輸入轉換成為一橢圓或圓形偏振雷射輸出。雷射光束自LCVR行進到欲進行加工之晶粒的工作表面係維持其偏振。
施加到液晶相位可變延遲器之電壓係藉由一數位控制器且/或一手動控制器加以控制，其透過一電線與液晶相位可變延遲器進行互動。該手動控制器能夠藉由一使用者進行調整，以便基於使用者對於欲進行加工或燒斷之一連結係為例如垂直或水平之了解而改變施加到LCVR的電壓。數位控制器接受來自於電腦之輸入，以便基於貯存在電腦中有關於欲進行切割之連結的對齊資訊自動地改變施加到LCVR之電壓。此來自於電腦之輸入控制數位控制器，以便將一適當的電壓施加到LCVR。達到水平偏振、垂直偏振、圓形偏振等等之正確的電壓能夠以經驗加以判定。
在至少一個實施例中，該數位控制器係加以編程，用以在對應到垂直線性偏振、水平線性偏振，以及圓形偏振的三種不同電壓之間進行選擇。在其他實施例中，該數位控制器貯存不同的電壓，包括對應各種橢圓偏振的電壓。其他實施例係亦為可行，其中選配液晶相位可變延遲器係能夠將線性偏振轉動成為除了垂直或水平以外的許多角度，結果此角度之偏振證明對於某種類型的切割或是某種構造之修整而言係相當有用。
第2圖之系統亦包括一子系統，其用以將一聚焦光束傳遞到位於一半導體晶圓之一單獨晶粒上的標的物。該雷射光束定位機構較佳包括一對鏡片，且附有個別的電流計(本申請案之受讓人販售多種款式)。該光束定位機構將雷射光束導引通過一透鏡，該透鏡可為遠心透鏡或是非遠心透鏡。較佳地，該透鏡具有一至少為10毫米長10毫米寬之掃瞄場域，至少40毫米的工作距離，以提供用於與探針接觸之通道，並且產生6微米或更小之一光斑。更佳地，該雷射光斑尺寸係為4到5微米之範圍內。
當維持足夠的場域尺寸與準確度時，X－Y電流計鏡片系統能夠提供整個晶圓之角度涵蓋範圍。除此之外，能夠使用各種定位機構，以提供晶圓與雷射光束之間的相對運動。例如，能夠使用一雙軸精度步驟重複編譯器(translator)，以定位以晶圓電流計為主的鏡片系統(例如在X－Y平面中)。雷射光束定位機構沿著兩個垂直軸線移動雷射光束，藉以提供雷射光束涵蓋晶圓區域之二維定位。各個鏡片與相關電流計在電腦的控制下沿著其個別的X或Y軸移動該光束。
光束定位子系統能夠包括其他的光學組件，諸如一電腦控制的光學子系統，其用以調整雷射光斑尺寸且/或雷射光斑在晶圓之晶粒的一位置之自動對焦。
第2圖之系統在一對齊程序中亦能夠包括一光學感應器系統。在一實施例中，該系統之光學感應器能包括一攝影機(如同’995號專利案中所描述)，其結合一對照明器運作，如第2圖中所示。在其他實施例中，該系統之光學感應器包括一單獨光偵測器，其中一雷射脈衝係藉由AOM加以減弱，且該減弱之脈衝在從晶粒反射回來之後係藉由光偵測器加以感應。該反射能夠來自於一對齊特徵或是其他用於對齊之構造。較佳的對齊特徵寬度係為光斑直徑的0.5倍到2倍，最佳寬度係等於光斑尺寸。
反射亦能夠來自於一非對齊特徵。例如，該反射能夠來自於一群欲進行加工之連結中的一個連結，藉以使用該反射判定一連結邊緣，以便精細地對齊該群用於加工的連結。在其他實施例中，一低功率雷射(第2圖中未顯示，但顯示於’7581號公開案中，並於說明書之對應部分中加以描述)能夠用以作為光學檢驗或是偵測之用。
半導體晶圓具有晶粒，其包括藉由以第2圖之雷射材料加工系統進行切割連結的經過加工之銅連結。該等銅連結係為2微米寬，並具有一22微米的間距。該加工系統包括一光纖雷射，以產生帶有可調整脈衝寬度之形狀脈衝，在此案例中則為一方形脈衝形狀。位在標的物上之光斑尺寸約為4微米。接近各個連結觸排(亦即每個觸排28個連結)之晶粒參考標誌係用以確認焦點平面高度在進行連結加工或燒斷之前係處於正確高度。
連結係使用7奈秒、13奈秒、16奈秒以及21奈秒寬度脈衝進行加工。所有的連結係使用跨過該等連結之偏振進行加工，因為就製程範圍而言如此能夠產生最佳的結果。
結果
下表係為整齊燒斷與變黑臨限值之一覽表
明顯看出對於加工銅連結而言，脈衝形狀以及脈衝寬度對於最佳製程範圍係為相當重要。換言之，製程範圍依靠脈衝寬度與脈衝形狀而定。
第4圖之標繪圖顯示對於銅連結之能量製程範圍對於雷射脈衝寬度的依靠性。
定位準確度測試係藉由刻意地將光束之中心移動離開連結的中心加以實行，並使用相同的損害標準判定損害，該損害標準係為視覺上可察覺的損害。第5圖之標繪圖顯示使用一IPG雷射對於銅連結晶圓上的4微米光斑尺寸之光束定位範圍。
由於該等連結寬度係為2微米，以一6微米光束幾乎沒有製程範圍，因為在連結整齊燒斷之前必定會產生損壞。當光束尺寸約為4微米時，製程範圍最大，如第6圖之標繪圖中所示。此標繪圖係用以加工具有2微米寬度之銅連結，並使用13奈米脈衝寬度的IPG雷射。
以相同方式，金連結係以第2圖之系統進行加工。該等金連結係為2微米寬，並具有一16.5微米的間距。修整系統包括一光纖雷射，其用以產生帶有可調整脈衝寬度之形狀脈衝，在此案例中則為一方形脈衝形狀。位在標的物上之光斑尺寸約為4微米。接近各個連結觸排(亦即每個觸排40個連結)之晶粒參考標誌係用以確認焦點平面高度在進行連結燒斷之前係處於正確高度。
連結係使用7奈秒、13奈秒，以及21奈秒寬度脈衝進行加工。所有的連結係使用跨過該等連結之偏振進行加工，因為就製程範圍而言如此能夠產生最佳的結果。
結果
下表係為整齊燒斷與變黑臨限值之一覽表
明顯看出對於加工金連結而言，脈衝形狀以及脈衝寬度對於最佳製程範圍係為相當重要。換言之，製程範圍依靠脈衝寬度與脈衝形狀而定。
第7圖之標繪圖顯示對於金連結之能量製程範圍對於雷射脈衝寬度的依靠性。
第5圖與第8圖中所示之定位準確性測試係藉著使光束的中心偏離連結之中心，並且在視覺上觀察對於各個連結之損害加以實行。各個標繪圖顯示所觀察到的損害能量臨限值對位置偏移的關係。最大能量值顯示對應到幾乎理想的光斑到連結對齊性。能量製程範圍負責加工系統定位誤差，且一般係少於第5圖與第8圖中所示的最大能量。第5圖與第8圖顯示使用一IPG雷射，對於分別使用銅與金連結之晶圓上的4微米光斑尺寸之光束定位範圍。上述測試係類似於「美國雷射學會(LIA)雷射材料加工手冊」之第19章，標題為「連結切割/產生」中所描述的游標尺運行(Vernier run)(尤其是該章節之第11圖)。
光斑尺寸對於金連結之製程範圍而言具有影響，與銅連結類似。
一IPG光纖雷射能夠使用於本發明之一系統的一實施例中，用以產生能夠從5奈秒調整到21奈秒之脈衝寬度。該持續期間能夠延長到50奈秒或更長，諸如200奈秒，並能夠縮短到1奈秒，如第3圖中所示。
在系統之另一實施例中，能夠使用一1.3微米光纖雷射(摻雜鉺擴大器以及一1.3微米雷射二極體)，以便利用矽基板之波長敏感傳遞特性，且當與方形脈衝以及可選擇脈衝寬度相結合時，便能夠提供進一步的製程範圍改進。
典型雷射加工條件：(A)金屬連結燒斷：2微米寬銅連結：脈衝寬度13~16奈秒，加工能量1微焦耳~4微焦耳2微米寬金連結：脈衝寬度7~16奈秒，加工能量0.2微焦耳~4.2微焦耳(B)薄膜電阻器修整：矽鉻(SiCr)：通常短脈衝效果較佳：7~13奈秒，能量0.05~0.5微焦耳鎳鉻(NiCr)：通常長脈衝效果較佳：25~50奈秒，0.1~0.5微焦耳氮化鉭：25~50奈秒，0.1~0.5微焦耳(C)厚膜電阻器修整：脈衝寬度7~50奈秒，1~40微焦耳
在一雷射加工系統中能夠提供一單獨脈衝形狀且脈衝寬度可調整之雷射，用以進行連結燒斷以及薄膜與厚膜電阻器修整。
該脈衝形狀雷射之脈衝能夠具有從0.1微焦耳到100微焦耳之一脈衝能量，典型為20~40微焦耳。
該脈衝形狀雷射能夠具有1 KHz到200 KHz之一脈衝重複率，典型為1到50 KHz。
該脈衝形狀雷射之一脈衝能夠具有少於1.5奈秒之一上升時間，以及少於2奈秒的下降時間。
該脈衝形狀雷射之一脈衝能夠具有一方形脈衝形狀。
該脈衝形狀雷射能夠具有從1奈秒到200奈秒之可調準或可調整脈衝寬度(持續期間)，典型為從4奈秒到50奈秒。
該脈衝形狀雷射之一脈衝能夠具有一TEM00光束。
該脈衝形狀雷射能夠使用一MOPA構造，該種子可為一半導體雷射或是一Q開關雷射，且該擴大器可為一光纖雷射。
該脈衝形狀雷射可為一光纖雷射。
該脈衝雷射之一脈衝能夠具有0.2微米到2.5微米之一波長。例如，藉由偏移近紅外線光纖雷射擴大器之輸出波長所得到的一綠光波長(532奈米)或紫外光波長(355奈米)。
該脈衝形狀雷射之一脈衝能夠具有約為1微米之一波長，例如，1.064微米。
該脈衝形狀雷射之一脈衝能夠具有1.2微米之一波長。
該脈衝形狀雷射之一脈衝能夠具有1.3微米之一波長。
一此雷射可為一IPG公司販售的習用光纖雷射，並用於本申請案之受讓人的記憶體修補系統中。複數個快速連續產生之緊密相隔的脈衝能夠例如在進行測量之前用於某些實施例中。
本發明之一實施例的方法與系統能夠加工：諸如矽鉻、鎳鉻為主或是氮化鉭薄膜，形成於半導體晶圓之晶粒上的薄膜電阻器；及連結熔線，諸如聚矽、銅、鋁或金連結熔線。
在一實施例中，位在晶圓之晶粒上的所有相同或類似材料之標的物係在改變脈衝寬度且/或形狀之前進行加工。在其他實施例中，脈衝寬度且/或形狀係在一單獨晶粒上加工不同材料期間產生改變。
在一實施例中，能夠進行被動與功能修整。
儘管已經顯示並描述本發明之實施例，並非表示這些實施例顯示且描述本發明之所有可行形式。而是，說明書中所使用的字眼係為描述性字眼而並非作為限制之用，且理解到的是，能夠進行各種改變，而不會脫離本發明之精神與範疇。
10．．．連結觸排
12．．．連結觸排
14．．．薄膜電阻元件
第1圖係為一半導體晶圓之一晶粒的部分剖除概略俯視圖；該晶粒上具有薄膜電阻元件以及金屬連結(亦即銅、金或鋁等)；欲進行加工之裝置的其他可行組合包括以厚膜為主的裝置；第2圖係為根據本發明之一實施例所構造的一雷射加工系統之一概略方塊圖；第3圖係為根據本發明之一實施例所產生的雷射材料加工脈衝之功率(y軸)對於時間(x軸)的標繪圖；第4圖係為能量製程範圍(單位為微焦耳)對於脈衝寬度之一標繪圖，其顯示用於銅連結之能量製程範圍對於雷射脈衝寬度的依賴性；此處之一能量製程範圍(單位為微焦耳)係表示用以切斷連結所需的最小能量以及在連結下方觀察到暗斑的最大能量之間的雷射脈衝能量之範圍；第5圖係為一定位準確性半範圍(單位為微米)對於脈衝能量(單位為微焦耳)之一標繪圖，該圖顯示位在銅連結上之一4微米的斑點之準確性範圍；此標繪圖指出能夠施加到連結之最大脈衝能量的變化係為斑點位置相對於連接中心的一函數；此處之半範圍表示不會觀察到光學損害之各個雷射脈衝能量所達成的距離連結中心之最大光斑位置偏差；第6圖係為能量製程範圍(單位為微焦耳)之一標繪圖，該圖顯示製程範圍係為位於銅連結上之光斑尺寸的一函數；此處之能量製程範圍(單位為微焦耳)係為在用以切斷連結所需的最小能量以及在連結下方觀察到暗斑的最大能量之間的雷射脈衝能量之範圍；第7圖係為能量製程範圍(單位為微焦耳)對於雷射脈衝寬度(單位為奈秒)之一標繪圖，該圖顯示能量製程範圍係為脈衝寬度(用於金連結)之一函數；此處之能量製程範圍(單位為微焦耳)係為在用以切斷連結所需的最小能量以及在連結下方觀察到暗斑的最大能量之間的雷射脈衝能量之範圍；第8圖顯示定位準確性半範圍尺寸(單位為微米)對於脈衝能量(單位為微焦耳)之一對標繪圖，一圖顯示13奈秒脈衝寬度，另一圖則顯示7奈秒脈衝寬度，該等圖式顯示在金連結上具有4微米之光束位置準確性範圍；此標繪圖指出能夠施加到連結之最大脈衝能量的變化係為斑點位置相對於連接中心的一函數，而不會導致產生光學可察覺的損害；此處之半範圍表示不會觀察到光學損害之各個雷射脈衝能量所達成的距離連結中心之最大光斑位置偏差。

Claims (50)

  1. 一種在一工作件上雷射加工不同類型、包括數個不同標的材料之標的物的方法，該方法包含：設定一個或更多雷射脈衝之一雷射脈衝寬度，以便基於欲進行加工之工作件上之一第一標的材料的一第一標的物，來選擇性地提供具有一個或更多設定脈衝寬度之一個或更多雷射輸出脈衝；設定一個或更多輸出脈衝之一脈衝形狀，以便基於欲進行加工之標的物的材料，來選擇性地提供具有該設定脈衝形狀之一個或更多輸出脈衝；將具有該一個或更多設定脈衝寬度、及該設定脈衝形狀的一個或更多輸出脈衝，傳遞到工作件上的該第一標的物；及重新設定一個或更多雷射脈衝之雷射脈衝寬度，以便基於欲進行加工之工作件上之一第二標的材料的一第二標的物，來選擇性地提供具有一個或更多重新設定脈衝寬度之一個或更多雷射輸出脈衝；及將具有該重新設定脈衝寬度、及該設定脈衝形狀的一個或更多輸出脈衝，傳遞到工作件上的該第二標的物。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等設定與重新設定脈衝寬度係能夠在1奈秒到200奈秒的一連續範圍內進行選擇。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該範圍係為4奈秒到 50奈秒。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該脈衝寬度係能夠進行編程。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等輸出脈衝係藉由一雷射光束傳遞子系統進行傳遞，且其中雷射光束具有一平頂輪廓。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該設定脈衝形狀係為一方形脈衝形狀。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該傳遞輸出脈衝具有0.1微焦耳到5微焦耳的一脈衝能量範圍。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中該範圍係為0.2微焦耳到1.5微焦耳。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該雷射脈衝係藉由一脈衝形狀雷射產生，且其中該脈衝形狀雷射具有一範圍介於1kHz到200kHz之一重複率。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該重複率具有1kHz到50kHz之一範圍。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等標的物中之一者係為一以厚膜或薄膜為主的裝置。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該裝置係為薄膜電阻元件。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該薄膜電阻元件係至少部分由以SiCr、NiCr為主以及氮化鉭材料中之至少一者所製成。
  14. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等第一及第二標的材料之標的物係為連結。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該等連結包括多晶矽、鋁、金與銅連結中之至少一者。
  16. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等標的物包括一第一材料之連結觸排(bank)，以及一不同於該第一材料之一第二材料的連結觸排。
  17. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等標的物包括一連結觸排，以及一以厚膜或薄膜為主的裝置。
  18. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該加工包括修整。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該修整係為被動與功能修整中之至少一者。
  20. 如申請專利範圍第1項之方法，包括：將具有該一個或更多設定脈衝寬度、及該設定脈衝形狀的一個或更多輸出脈衝，傳遞到工作件上之該第一標的材料的其他標的物。
  21. 如申請專利範圍第1項之方法，包括：將具有該重新設定脈衝寬度、及該設定脈衝形狀的一個或更多輸出脈衝，傳遞到工作件上之該第二標的材料的其他標的物。
  22. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該加工包括修整與連結燒斷(blowing)，且其中設定與重新設定雷射脈衝寬度之步驟容許不僅對於修整、且同時對於連結燒斷的製程範圍進行獨立之最佳化。
  23. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在至少一標的物處 的光斑尺寸係在於4微米到5微米的一範圍內，並帶有40毫米之一工作距離，以及至少10毫米長10毫米寬的一場域尺寸。
  24. 如申請專利範圍第1項之方法，其中工作件係為一晶粒，且包含：在一晶粒上設置該第一標的材料之一第一標的物；在該晶粒上設置該第二標的材料之一第二標的物，其中該等第一及第二標的材料係為不同；及以一具有一可調整脈衝寬度之單一脈衝形狀雷射來加工該等第一與第二標的物。
  25. 如申請專利範圍第1項之方法，其中：該一個或更多設定脈衝寬度包括係分別基於欲進行燒斷之銅或金連結的13~16奈秒之一第一脈衝寬度、或是7~16奈秒的一第二設定脈衝寬度；其中用於銅或金連結之該一個或更多輸出脈衝的加工能量分別係為1μj~4μj以及0.2μj~4.2μj；及該一個或更多重新設定脈衝寬度包括係分別基於一SiCr薄膜電阻器或是一NiCr或氮化鉭薄膜電阻器的7~13奈秒之一第三脈衝寬度、或是25~50奈秒的一第四脈衝寬度；其中用於該等薄膜電阻器之該一個或更多輸出脈衝的加工能量分別係為0.05μj~0.5μj或0.1μj~0.5μj。
  26. 一種用以在一工作件上雷射加工不同類型材料之標的物的系統，該系統包含： 用以產生一個或更多雷射脈衝之一雷射子系統；一控制器，其有效地連接到該雷射子系統，以便：設定一個或更多雷射脈衝之一雷射脈衝寬度，以便基於欲進行加工之工作件上之一第一標的材料的一第一標的物，來選擇性地提供具有一個或更多設定脈衝寬度的一個或更多雷射輸出脈衝；設定一個或更多輸出脈衝之一脈衝形狀，以便基於欲進行加工之材料，來選擇性地提供具有該設定脈衝形狀的一個或更多輸出脈衝；及重新設定一個或更多雷射脈衝之雷射脈衝寬度，以便基於欲進行加工之工作件上之一第二標的材料的一第二標的物，來選擇性地提供具有一個或更多重新設定脈衝寬度的一個或更多雷射輸出脈衝；及一雷射光束傳遞子系統，其包括一光學子系統，用以將具有該設定脈衝形狀、以及該等設定與重新設定脈衝寬度之輸出脈衝，分別傳遞到一單一工作件上的該等第一與第二標的物。
  27. 如申請專利範圍第26項之系統，其中該等輸出脈衝具有少於1.5奈秒之一上升時間，以及少於2奈秒的一下降時間。
  28. 如申請專利範圍第26項之系統，其中該等輸出脈衝具有0.2微米到2.5微米之範圍內的一波長。
  29. 如申請專利範圍第28項之系統，其中該波長係為約1微米、約1.2微米、約1.3微米、約0.532微米以及約0.355微米中之一者。
  30. 如申請專利範圍第26項之系統，其中該雷射光束傳遞子系統基於位置資訊而選擇性地將輸出脈衝傳遞到該標的物。
  31. 如申請專利範圍第26項之系統，其中該雷射子系統包括一單一脈衝形狀與脈衝寬度的可調準雷射。
  32. 如申請專利範圍第26項之系統，其中該雷射子系統包括一光纖雷射。
  33. 如申請專利範圍第26項之系統，其中該雷射子系統包括一快速上升、快速下降之脈衝形狀雷射。
  34. 如申請專利範圍第33項之系統，其中該雷射子系統包括一Q開關雷射。
  35. 如申請專利範圍第26項之系統，其中該雷射子系統具有一MOPA構造，並包括一振盪器以及一擴大器。
  36. 如申請專利範圍第35項之系統，其中該振盪器包括一可調準或可調整脈衝寬度之半導體雷射。
  37. 如申請專利範圍第35項之系統，其中該擴大器包括一以光纖為主之擴大器。
  38. 如申請專利範圍第26項之系統，其中該雷射子系統包括一雷射，其具有一輸出耦合器以及一雷射腔室，且其中該雷射腔室之幾何與尺寸係加以調整，且輸出耦合器的反射性係加以調整，以便設定脈衝寬度。
  39. 如申請專利範圍第26項之系統，其中該控制器藉著改變雷射子系統之一雷射的脈衝能量位準而設定脈衝寬度。
  40. 如申請專利範圍第26項之系統，其中該控制器係組配成 藉著改變該雷射子系統之一雷射的重複率而重新設定脈衝寬度。
  41. 如申請專利範圍第26項之系統，其進一步包含一感應器子系統，其包括一光學感應器，用以感應從工作件反射之一雷射脈衝，以獲得一訊號；以及一訊號處理器，用以處理該訊號，以獲得用於雷射加工之對齊資訊。
  42. 如申請專利範圍第41項之系統，其中該雷射脈衝係從工作件之一對齊形貌體反射，且其中該對齊形貌體具有一寬度，該寬度係為傳遞到標的物之一雷射光斑直徑的1/2倍到2倍。
  43. 如申請專利範圍第42項之系統，其中該對齊形貌體之寬度係大體上等於光斑直徑。
  44. 如申請專利範圍第41項之系統，其中該雷射脈衝係從位於一群欲進行雷射加工之連結中的一連結而反射。
  45. 如申請專利範圍第26項之系統，其中雷射光束係被初始線性偏振，且其中該系統進一步包含一LCVR、以及一用以控制該LCVR之LCVR控制器，以致於使該LCVR基於該等標的物之對齊性而可控制地轉動經線性偏振的雷射光束。
  46. 如申請專利範圍第26項之系統，其中雷射光束具有一初始偏振，且其中該系統進一步包含一LCVR、以及一用以控制該LCVR之LCVR控制器，以致於使該LCVR將該初始偏振可控制地轉換成一所需的偏振。
  47. 如申請專利範圍第26項之系統，其中該光學子系統調整 雷射光束位於至少一標的物上的光斑尺寸與焦點中之至少一者。
  48. 如申請專利範圍第26項之系統，其進一步包含一定位機構，用以提供工作件與雷射光束之間的相對運動。
  49. 如申請專利範圍第26項之系統，其中該系統具有一小於0.6微米之定位準確性半範圍尺寸。
  50. 如申請專利範圍第26項之系統，其中：該雷射子系統包括一振盪器，其具有一單一可調準或可調整脈衝寬度之半導體雷射；以及一以光纖為主的擴大器，其用以產生一個或更多雷射脈衝；該光學子系統具有一透鏡，用以基於位置資訊而將具有該設定脈衝形狀、以及該等設定與重新設定脈衝寬度之輸出脈衝中的至少一部份，分別傳遞到該等第一與第二標的物；其中該光學子系統調整雷射光束位於至少一標的物上的光斑尺寸與焦點中之至少一者；且其中該透鏡具有至少10毫米長10毫米寬的一掃描場域、至少40毫米之一工作距離，以提供用以與探針相接觸之通道，並且產生一光斑，其光斑尺寸為6微米或更小；該系統更包含：一感應器子系統，其包括一光學感應器，用以感應從工作件反射之一雷射脈衝，以獲得一訊號；一訊號處理器，其用以處理該訊號，以獲得用於雷射加工之對齊資訊；一LCVR，其用於以光學方式處理雷射光束； 一LCVR控制器，其用以控制該LCVR；及一定位機構，其用以提供工作件與雷射光束之間的相對運動。
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