專利名稱：基于激光的用于處理目標(biāo)表面材料的方法和系統(tǒng)以及由此產(chǎn)生的物品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光標(biāo)刻和激光形成結(jié)構(gòu)(1aser texturing)，尤其涉及在一個(gè)或更多微電子器件材料上形成至少半永久性或可擦除的標(biāo)記。所述材料可以包括半導(dǎo)體基片、薄膜、敷鍍金屬以及電介質(zhì)層。也可以應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例以在MEMs、光電器件或生物醫(yī)學(xué)微芯片上形成標(biāo)記。多種實(shí)施例可用于多種微加工或微型制造的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
在1999年之前，硅片標(biāo)刻用于晶片級(jí)的識(shí)別。最初由已知良好小片(Known Good Die)發(fā)起，最近由跟蹤能力和部件識(shí)別(componentidentification)發(fā)起，在晶片背面的小片級(jí)激光標(biāo)刻已經(jīng)成為趨勢(shì)，并被用于多種包裝技術(shù)包括MCM、倒裝芯片(Flip Chip)、DCA以及CSP。在過(guò)去的歲月中，進(jìn)行研究和開發(fā)以發(fā)展這種用于生產(chǎn)的標(biāo)刻工具。
小片標(biāo)刻的新出現(xiàn)的挑戰(zhàn)之一是最近非常薄晶片的引入。以前，300到700微米(μm)的晶片厚度規(guī)格是典型的。目前對(duì)更小的小片(在面積和厚度方面)的需要產(chǎn)生了薄至150μm的晶片。對(duì)將晶片厚度降低到可行的范圍內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)期規(guī)劃。
另一種挑戰(zhàn)是小片尺寸的不斷縮小。例如，用于DCA(直接芯片貼裝)應(yīng)用的小片為3mm到8mm的范圍。然而，如RFID標(biāo)簽的產(chǎn)品可以小至0.3mm，其仍需要許多包括在大的小片標(biāo)刻中的相同信息。這種趨勢(shì)產(chǎn)生了對(duì)進(jìn)一步發(fā)展小片標(biāo)刻，以縮小實(shí)際的字母數(shù)字式字符尺寸的需要。
傳統(tǒng)的晶片標(biāo)刻系統(tǒng)并不充分適合目前和正出現(xiàn)的需要。
已經(jīng)顯示了有價(jià)值的改進(jìn)，例如已于2004年4月1日出版的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?003/0060910，名稱為“High Speed，Laser-Based MarkingMethod And System For Producing Machine Readable Marks On WorkpiecesAnd Semiconductor Devices With Reduced Subsurface Damage ProducedThereby”的專利所公開的，該專利申請(qǐng)已經(jīng)被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。然而，需要產(chǎn)生高對(duì)比度的標(biāo)記，同時(shí)提供降低的特征尺寸-以在微電子材料上形成標(biāo)記，已知其具有廣泛變化的光學(xué)特性。
精密激光標(biāo)刻系統(tǒng)的希望的改進(jìn)包括增加標(biāo)記密度(例如，更小的有效點(diǎn)尺寸或線寬)，對(duì)標(biāo)刻深度的控制，以及控制或基本消除熱影響區(qū)而改進(jìn)的標(biāo)記再現(xiàn)性。存在對(duì)可讀性(例如，標(biāo)記與背景的對(duì)比度)優(yōu)選地，不依賴于角度的對(duì)比度的改進(jìn)的需要。
形成理想的標(biāo)記，且?guī)缀鯖](méi)有或沒(méi)有任何材料被移除，并且這種理想的標(biāo)記提供能夠在一個(gè)或更多后續(xù)的制造步驟中繼續(xù)存在的對(duì)比度。而且，縮小的尺寸被期望管理(mandate)增加的密度要求，例如，字體尺寸小于0.3mm，并且減小的字體間距。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的目的在于提供一種在至少一種材料的微電子物品上形成標(biāo)記/結(jié)構(gòu)的方法。所述方法包括將脈沖激光輸出應(yīng)用到所述材料的局部區(qū)域的步驟，所述輸出具有足夠的總能量密度，以在所述區(qū)域的至少一部分內(nèi)開始燒蝕，以及脈沖寬度足夠短，使得所述區(qū)域和圍繞所述區(qū)域附近的材料是基本無(wú)渣(slag)的。
本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)目的在于提供一種由上述方法產(chǎn)生的產(chǎn)品。
本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的又一個(gè)目的在于提供一種激光標(biāo)刻/形成結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，用于實(shí)施上述的方法。
在實(shí)施本發(fā)明的上述目的和其它目的中，提供一種用于處理一工件的一區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)表面材料，同時(shí)避免對(duì)鄰近的非目標(biāo)材料產(chǎn)生不希望的改變的方法。所述方法包括產(chǎn)生一脈沖激光輸出，所述脈沖激光輸出包括至少一個(gè)具有一波長(zhǎng)和一脈沖寬度的脈沖。所述方法進(jìn)一步包括用包括所述至少一個(gè)脈沖的所述脈沖激光輸出照射所述工件的所述目標(biāo)表面材料，以構(gòu)造所述目標(biāo)表面材料。所述脈沖激光輸出具有足夠的總能量密度以在所述目標(biāo)表面材料的至少一部分內(nèi)開始燒蝕，且所述脈沖寬度足夠短，從而所述區(qū)域和圍繞所述區(qū)域的非目標(biāo)材料是基本無(wú)渣的。
所述構(gòu)造的表面材料可以包括標(biāo)記。
所述標(biāo)記可以是至少半永久性的或可擦除的。
所述工件可以是微電子器件，所述構(gòu)造的表面材料可以是微電子材料。
所述目標(biāo)表面材料可以是半導(dǎo)體基片、薄膜、金屬層以及電介質(zhì)層的至少之一。
所述工件可以是MEM器件、光電器件以及生物醫(yī)學(xué)芯片中的之一。
所述非目標(biāo)表面材料可以包括標(biāo)記。
所述標(biāo)記可以是機(jī)器可讀的。
所述標(biāo)記可以具有小于0.3mm的字體尺寸。
所述構(gòu)造的表面材料可以包括形成在所述工件上的微觀結(jié)構(gòu)的圖形。
所述工件可以是半導(dǎo)體晶片，且其中所述微觀結(jié)構(gòu)的圖形在所述晶片上形成標(biāo)記。
所述方法可以進(jìn)一步包括生成第二激光輸出，和用所述第二激光輸出照射所述構(gòu)造的表面材料，以處理所述構(gòu)造的表面材料。
所述構(gòu)造的表面材料可以包括標(biāo)記，且其中在用所述第二激光輸出照射的所述步驟中可擦除所述標(biāo)記。
所述構(gòu)造的表面材料可以形成在所述工件的至少一側(cè)。
所述工件可以是半導(dǎo)體晶片。
所述產(chǎn)生的步驟可以至少部分地由飛秒或皮秒激光器實(shí)施。
所述圖形可以是條狀圖形、字母數(shù)字字符串以及連合活字。
所述至少一個(gè)脈沖的脈沖寬度可以小于1ns。
所述脈沖寬度可以約為100ps或更小，或者可以小于約10ps。
所述構(gòu)造的表面材料可以包括微觀結(jié)構(gòu)的表面材料。
所述構(gòu)造的表面材料可以包括納米結(jié)構(gòu)的表面材料。
所述總能量密度在所述輸出的斑點(diǎn)的空間范圍可以是可測(cè)量的。
所述構(gòu)造的表面材料可以包括標(biāo)記，且其中所述照射的可包括下面的步驟響應(yīng)表示所述標(biāo)記的至少一部分的第一位置的至少一個(gè)控制信號(hào)，引導(dǎo)所述激光輸出，其中所述至少一個(gè)控制信號(hào)表示至少一般所述標(biāo)記的第一位置，以照射在所述第一位置的所述區(qū)域。
所述區(qū)域可以在所述斑點(diǎn)的空間尺寸。
所述照射的步驟充分增加所述區(qū)域的至少一部分內(nèi)的所述目標(biāo)表面材料的表面粗糙度。
圍繞所述區(qū)域的所述非目標(biāo)表面材料可以具有強(qiáng)鏡面反射部分的表面。
所述標(biāo)記的漫反射系數(shù)可以在0.5％到5％的范圍。
所述總能量密度可以超過(guò)約0.1J/cm2。
所述波長(zhǎng)可以小于所述目標(biāo)表面材料的吸收限。
所述波長(zhǎng)可以為紫外光。
所述至少一個(gè)脈沖的脈沖寬度可以在約15fs到500ps的范圍。
所述至少一個(gè)脈沖的脈沖寬度可以在約100fs到50ps的范圍，或者可以在約300fs到15ps的范圍。
所述目標(biāo)表面材料可以為硅，或者可以為金屬或電介質(zhì)。
所述目標(biāo)表面材料是電介質(zhì)鈍化層的一部分。所述電介質(zhì)可以是無(wú)機(jī)的、有機(jī)的或低K電介質(zhì)。
所述目標(biāo)表面材料可以是MEM器件的一部分。
所述標(biāo)記的一部分可以具有在約0.25微米到約1微米范圍的表面變化。
所述標(biāo)記的特征尺寸在幾微米到幾十微米的范圍，或者可以是所述至少一個(gè)脈沖的幾個(gè)波長(zhǎng)。
所述照射的步驟可以包括控制所述脈沖激光輸出的偏振，以增強(qiáng)或控制所述構(gòu)造的表面材料的特征的步驟。
所述脈沖激光輸出可以包括會(huì)聚的激光處理光束，所述照射步驟可以包括相對(duì)地移動(dòng)所述工件和所述會(huì)聚的激光處理光束的步驟。
所述構(gòu)造的表面材料可以包括微觀結(jié)構(gòu)的圖形，所述相對(duì)地移動(dòng)的步驟可以在所述工件上產(chǎn)生所述微觀結(jié)構(gòu)的圖形。
所述照射的步驟可以包括成形斑點(diǎn)的步驟，以得到成形的斑點(diǎn)。
所述成形的斑點(diǎn)可以具有平頂發(fā)光輪廓。
所述形成的斑點(diǎn)可以具有凹陷中心，能量聚集在所述形成的斑點(diǎn)的周邊。
所述照射步驟可以包括控制所述斑點(diǎn)的方向的步驟。
所述波長(zhǎng)可以在所述工件材料的吸收限之下。
所述脈沖激光輸出可以精細(xì)構(gòu)造所述目標(biāo)表面材料的結(jié)構(gòu)，且所述第二激光輸出可以粗處理所述構(gòu)造的表面材料。
所述脈沖激光輸出可以粗構(gòu)造所述目標(biāo)表面材料的結(jié)構(gòu)，且所述第二激光輸出可以精細(xì)處理所述構(gòu)造的表面材料。
所述構(gòu)造的表面材料可以包括標(biāo)記，且在用所述第二激光輸出照射的步驟中，可以產(chǎn)生明暗相反的窗口標(biāo)記。
所述構(gòu)造的表面材料可以包括圖形，且用所述第二激光輸出照射的步驟可以微加工所述圖形。
以所述第二激光輸出照射的步驟可以調(diào)整所述構(gòu)造的表面材料的電或機(jī)械參數(shù)。
所述第二激光輸出可以包括至少一個(gè)脈沖，所述脈沖具有被吸收進(jìn)所述構(gòu)造的表面材料中的一波長(zhǎng)。
所述第二光束的所述至少一個(gè)脈沖的所述波長(zhǎng)可以被吸收或不吸收進(jìn)圍繞所述區(qū)域的所述非目標(biāo)材料中。
而且，在實(shí)施本發(fā)明的上述目的和其它目的中，提供了一種用于處理一工件的一區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)表面材料，同時(shí)避免對(duì)鄰近的非目標(biāo)材料產(chǎn)生不希望的改變的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括第一激光子系統(tǒng)，其包括第一激光源，用于產(chǎn)生脈沖激光輸出，所述脈沖激光輸出包括具有一波長(zhǎng)和一脈沖寬度的至少一個(gè)脈沖。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括輸送子系統(tǒng)，用于用包括所述至少一個(gè)脈沖的所述脈沖激光輸出，照射所述工件的所述目標(biāo)表面材料，以形成所述目標(biāo)表面材料的結(jié)構(gòu)。所述脈沖激光輸出具有足夠的總能量密度，以在所述目標(biāo)表面材料的至少一部分內(nèi)開始燒蝕，且所述脈沖寬度足夠短，從而所述區(qū)域和圍繞所述區(qū)域的非目標(biāo)材料是充分無(wú)渣的。
所述第一激光源可以包括超快激光。
所述超快激光可以是皮秒激光，或者可以是飛秒激光。
所述輸送子系統(tǒng)可以包括控制器，所述控制器接受表示待構(gòu)造的所述目標(biāo)表面材料的位置的數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生至少一個(gè)位置控制信號(hào)。
所述輸送子系統(tǒng)可以包括定位子系統(tǒng)，其用于將所述激光輸出引導(dǎo)到所述目標(biāo)表面材料的所述位置，從而形成所述目標(biāo)表面材料的結(jié)構(gòu)，以響應(yīng)所述至少一個(gè)位置控制信號(hào)。
所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括第二激光子系統(tǒng)，其包括用于產(chǎn)生第二激光輸出的第二激光源，所述第二激光輸出照射所述構(gòu)造的表面材料。
所述第二激光輸出可以至少擦除、微加工、焊接或激勵(lì)所述構(gòu)造的表面材料的所述區(qū)域。
所述第二激光源可以包括脈沖光源、調(diào)制光源或CW光源中之一。
所述第二激光輸出的照射可以低于所述目標(biāo)表面材料的能量密度擊穿閾值，以加熱所述區(qū)域。
所述第二激光輸出的照射可以高于所述目標(biāo)表面材料的能量密度擊穿閾值，以實(shí)現(xiàn)所述目標(biāo)表面材料的至少一個(gè)特性的改變。
所述第二激光輸出可以包括至少一個(gè)脈沖，其具有接近或超過(guò)所述工件材料的吸收限的波長(zhǎng)。
所述第一激光源可以包括所述第二激光源，或者可以與所述第二激光源分離。
所述輸送子系統(tǒng)可以包括偏振控制器，其用于控制所述激光輸出的偏振。
所述第一激光源可以包括二極管泵浦的固態(tài)UV激光，且所述脈沖寬度可以小于約20ns。
所述脈沖寬度可以小于約1ns。
所述定位子系統(tǒng)可以包括至少一個(gè)移位臺(tái)，以相對(duì)于所述激光輸出移動(dòng)所述工件。
所述定位子系統(tǒng)可以包括精細(xì)和粗定位器。
所述定位子系統(tǒng)可以包括移位和旋轉(zhuǎn)臺(tái)，以相對(duì)于所述激光輸出移動(dòng)所述工件。
所述定位子系統(tǒng)可以包括光學(xué)掃描器，以相對(duì)于所述工件移動(dòng)所述激光輸出。
所述定位子系統(tǒng)可以包括兩個(gè)或更多臺(tái)和掃描器，以相對(duì)于所述工件移動(dòng)所述激光輸出。
所述激光輸出可以是具有束腰的激光光束。所述定位子系統(tǒng)可以包括至少一個(gè)用于相對(duì)于所述工件移動(dòng)所述光束腰部的部件。
所述輸送子系統(tǒng)可以包括會(huì)聚子系統(tǒng)。
所述會(huì)聚子系統(tǒng)可以是折射光學(xué)子系統(tǒng)。
所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括檢測(cè)子系統(tǒng)，其用于檢測(cè)所述構(gòu)造的表面材料。
所述檢測(cè)子系統(tǒng)可以包括機(jī)器視覺子系統(tǒng)。
所述第一激光源可以包括鎖模振蕩器，以及二極管泵浦的固態(tài)激光放大器。
所述光學(xué)掃描器可以是二維的、基于檢流計(jì)的掃描器。
所述至少一個(gè)位置控制信號(hào)可以在從所述工件制造物品的至少一個(gè)步驟期間產(chǎn)生。
所述第一激光子系統(tǒng)可以包括種子激光器和光纖放大器。
所述第一激光子系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括陪頻的、二極管泵浦的，固態(tài)激光器。
所述第一激光子系統(tǒng)還可以進(jìn)一步包括鎖模振蕩器，二極管泵浦的固態(tài)激光放大器，以及波長(zhǎng)變換器。
所述第一激光子系統(tǒng)又可以進(jìn)一步包括倍頻器，三倍頻器以及四倍頻器之一。
所述激光輸出可以具有大于10KHz的重復(fù)率。
所述激光輸出可以具有范圍為0.01W-2W的平均激光輸出功率。
所述構(gòu)造的表面材料可以包括標(biāo)記。所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括用于讀出所述標(biāo)記的觀測(cè)子系統(tǒng)。所述觀測(cè)子系統(tǒng)可以包括照明器和電子成像子系統(tǒng)。
所述發(fā)光器可以是明視場(chǎng)、暗視場(chǎng)以及明視場(chǎng)與暗視場(chǎng)的組合中的之一種。
而且，在實(shí)施本發(fā)明的上述目的和其它目的中，提供了一種物品。至少一種表面材料，其具有在制造所述物品的至少一個(gè)步驟期間，在其上形成的可辨識(shí)的標(biāo)記。通過(guò)用脈沖激光輸出選擇性地照射一工件的一區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)表面材料的方法，形成所述標(biāo)記。所述標(biāo)記是至少半永久性的，且在制造所述物品的后續(xù)步驟期間可用。所述區(qū)域和圍繞所述區(qū)域的非目標(biāo)材料是充分無(wú)渣的。在所述至少一個(gè)制造步驟期間，表面粗糙度在所述區(qū)域的至少一部分內(nèi)增加，從而降低用于讀出所述標(biāo)記的能量的反射。在寬范圍的視角，可以得到所述區(qū)域與所述區(qū)域的背景之間的高反射對(duì)比度。
所述區(qū)域的所述背景的表面可以具有強(qiáng)鏡面反射的部分。
在至少為20度的視角范圍，所述可辨識(shí)的標(biāo)記和所述標(biāo)記的背景之間的反射對(duì)比度可以超過(guò)30∶1。
所述標(biāo)記可以包括字體尺寸為0.3mm或更精細(xì)的字母數(shù)字標(biāo)記。
所述標(biāo)記可以包括二維矩陣碼。
所述標(biāo)記可以用于除識(shí)別之外的制造所述物品的一個(gè)或更多步驟。
用由SEM(掃描電子顯微鏡)數(shù)據(jù)和AFM(原子力顯微鏡)數(shù)據(jù)中至少之一獲得的粗糙度測(cè)量，所述標(biāo)記可以從所述區(qū)域的背景分辨出。
DIN 4768粗糙度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)可用于比較所述標(biāo)記的一部分與所述區(qū)域的背景的粗糙度。
使用圖像對(duì)比度的測(cè)量，所述標(biāo)記可以從所述區(qū)域的背景分辨出。
所述標(biāo)記可以是機(jī)器可讀的，且可以表現(xiàn)為形成點(diǎn)矩陣碼的不重疊的點(diǎn)的序列。
所述標(biāo)記可以在可跟蹤性能、部件識(shí)別以及分類的至少之一中使用。
結(jié)合附圖，從下面的本發(fā)明的最佳實(shí)施方式的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的上述目的和其它目的、特點(diǎn)以及優(yōu)點(diǎn)變得顯而易見。


參考下面的描述，附圖以及附件，將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特點(diǎn)、方面以及優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是相應(yīng)于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，表示激光處理系統(tǒng)的一些元件的示意性方框圖，其中在工件上形成微觀結(jié)構(gòu)的圖形，例如以在一部分半導(dǎo)體晶片上形成標(biāo)記；圖2是相應(yīng)于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，表示激光處理系統(tǒng)的一些部件的示意性方框圖，其中可以由圖1a的系統(tǒng)形成的微觀結(jié)構(gòu)的圖形進(jìn)一步由第二光束處理，例如擦除標(biāo)記；圖3和4說(shuō)明半導(dǎo)體晶片的第一和第二側(cè)的一些細(xì)節(jié)，其是可以由本發(fā)明的各種實(shí)施例處理的工件的例子；
圖5是說(shuō)明示例性微觀結(jié)構(gòu)的區(qū)域的示意圖，微觀結(jié)構(gòu)的區(qū)域可以由飛秒激光系統(tǒng)形成；圖6和7是將現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)記與根據(jù)本發(fā)明形成的標(biāo)記相比的示意圖，并且說(shuō)明點(diǎn)陣圖形的改進(jìn)的密度；圖8和9是將現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)記與根據(jù)本發(fā)明形成的標(biāo)記相比的示意圖，并且說(shuō)明條狀圖形的改進(jìn)的密度；圖10和11是說(shuō)明例如在鏡面表面(例如裸硅)上形成的現(xiàn)有技術(shù)激光標(biāo)記的示意圖，以及表示與深的(“牢固”)標(biāo)記相關(guān)的示例性缺陷的相應(yīng)的表面輪廓的示意圖，其中其例如為渣和熔化區(qū)，碎片以及微裂縫；圖12和13是說(shuō)明例如使用本發(fā)明的系統(tǒng)在圖10的鏡面表面上形成標(biāo)記的示意圖，以及與圖10和11相比的示例性輪廓；圖14和15是表示半導(dǎo)體晶片處理系統(tǒng)的一些元件的示意性方框圖；圖16和17更詳細(xì)地說(shuō)明相應(yīng)于圖14和15的半導(dǎo)體晶片處理系統(tǒng)的子系統(tǒng)；圖18和19表示示例性激光光束定位系統(tǒng)的一些部件，其可以被包括在圖1或圖2中以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各種實(shí)施例；圖20是類似于圖16的示意性方框圖，其表示半導(dǎo)體晶片處理系統(tǒng)的一些元件，特別地，與圖2的第二處理相關(guān)的元件；圖21和22說(shuō)明以傳統(tǒng)的和更最近的激光標(biāo)刻系統(tǒng)產(chǎn)生的各種激光標(biāo)記的結(jié)構(gòu)，以與根據(jù)本發(fā)明形成的標(biāo)記進(jìn)行進(jìn)一步比較；圖23說(shuō)明使用相應(yīng)于例如圖2的第二處理光束移除材料，例如擦除標(biāo)記；圖24說(shuō)明使用相應(yīng)于例如圖2的第二處理光束移除材料，例如修改微觀結(jié)構(gòu)的圖形；以及圖24-37d說(shuō)明各種例子和結(jié)果，其中根據(jù)本發(fā)明標(biāo)刻具有地表面、拋光表面、光滑表面以及粗糙表面的硅晶片。
具體實(shí)施例方式
對(duì)于本發(fā)明各種實(shí)施例的下述描述，使用下面的非限定性準(zhǔn)則“超快激光”或“超短激光”通常指提供一個(gè)或更多脈沖的脈沖激光，每個(gè)脈沖具有小于1ns的持續(xù)時(shí)間，例如100ps或更小，或一般地小于10ps；“微觀結(jié)構(gòu)”通常指微米尺寸的表面變化，但是也可以包括更精細(xì)尺寸例如0.5微米或0.1微米的表面變化；以及“納米結(jié)構(gòu)”通常指尺寸小于一微米的表面變化。
概述已經(jīng)發(fā)展出新的激光標(biāo)刻技術(shù)，以克服目前激光標(biāo)刻系統(tǒng)的限制。通過(guò)使用該新的激光技術(shù)，幾乎沒(méi)有或沒(méi)有任何材料被移除，就可以實(shí)現(xiàn)晶片背面上的永久性的和高對(duì)比度的淺標(biāo)記(小于1微米)。這些標(biāo)記的觀看是很獨(dú)立于觀看角度的，這是一項(xiàng)重大的進(jìn)步。所稱作的微米標(biāo)刻技術(shù)允許標(biāo)記的字體尺寸比0.3mm小得多。
將在下面的部分中變得顯而易見的是，多種實(shí)施例也可用于標(biāo)記擦除、微連接、激光焊接以及微激勵(lì)。
本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例可以用于精細(xì)激光標(biāo)記的圖形的微加工。
本發(fā)明的一個(gè)或更多實(shí)施例可以用于硅物品的激光微型裝配技術(shù)，包括微型器件構(gòu)件的激光焊接和激光激勵(lì)。
激光標(biāo)刻/形成結(jié)構(gòu)的方法本發(fā)明的一個(gè)方面特征為一種用脈沖激光輸出標(biāo)刻微電子器件材料，以在所述材料上形成高密度可辨別的標(biāo)記的方法。該方法包括產(chǎn)生脈沖激光輸出，其具有至少一個(gè)脈沖，所述脈沖的持續(xù)時(shí)間小于約1ns，并且具有足以開始燒蝕材料的一部分的總能量密度，該能量密度在輸出的空間斑點(diǎn)(spot)范圍是可測(cè)量的。該方法還包括響應(yīng)至少一個(gè)控制信號(hào)引導(dǎo)激光輸出射到在第一位置的材料的局部區(qū)域，所述至少一個(gè)控制信號(hào)定義將在材料上形成的標(biāo)記的至少一部分的所述第一位置，，該局部區(qū)域在空間斑點(diǎn)范圍內(nèi)。激光輸出開始所述材料的至少一部分的燒蝕，并且充分增加所述區(qū)域的至少一部分內(nèi)的表面粗糙度。該區(qū)域和鄰近圍繞該區(qū)域的背景材料都是充分無(wú)渣的。
背景表面可以具有強(qiáng)的鏡面反射部分。
標(biāo)記的漫反射系數(shù)可以在0.5％到5％的范圍內(nèi)。
總能量密度可以超過(guò)約0.1J/cm2。
激光輸出可以具有小于所述材料的吸收限的一波長(zhǎng)。
激光波長(zhǎng)可以是紫外光。
脈沖持續(xù)時(shí)間可以在約15fs到500ps的范圍內(nèi)。
脈沖持續(xù)時(shí)間可以在約100fs到50ps的范圍內(nèi)。
脈沖持續(xù)時(shí)間可以在約300fs到15ps的范圍內(nèi)。
所述材料可以是硅。
所述材料可以是金屬或電介質(zhì)。
所述材料可以是電介質(zhì)鈍化層的一部分，所述電介質(zhì)可以是無(wú)機(jī)的、有機(jī)的或低K電介質(zhì)。
所述材料可以是MEM器件的一部分。
所述標(biāo)記的一部分可以具有約0.25微米到約1微米的范圍內(nèi)的表面高度變化。
所述標(biāo)記的特征尺寸可以在幾微米到幾十微米的范圍內(nèi)。
所述標(biāo)記的特征尺寸可以是幾個(gè)光波長(zhǎng)。
激光標(biāo)刻/形成結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)本發(fā)明的另一方面特征為一種激光標(biāo)刻系統(tǒng)。該標(biāo)刻系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生脈沖激光輸出的裝置，所述脈沖激光輸出具有至少一個(gè)脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間小于約1ns，且在輸出的空間區(qū)域，具有足以開始燒蝕將被標(biāo)刻的材料的一部分的總能量密度；控制器，其接受定義在微電子物品材料上形成的標(biāo)記的數(shù)據(jù)，并生成至少一個(gè)位置控制信號(hào)，以引導(dǎo)激光輸出標(biāo)刻所述材料，并從而形成所述標(biāo)記；以及用于將激光輸出引導(dǎo)到將被標(biāo)刻的所述材料的表面位置，以在材料表面上形成可辨識(shí)的、高對(duì)比度、高密度的標(biāo)記的裝置。
所述用于引導(dǎo)的裝置可以包括光學(xué)掃描器。
所述用于引導(dǎo)的裝置可以定位子系統(tǒng)，其用于相對(duì)于激光光束在三維定位所述材料。
所述定位子系統(tǒng)可以具有三個(gè)或更多自由度。
所述光學(xué)掃描器可以是二維的，基于檢流計(jì)的掃描器。
所述用于引導(dǎo)的裝置可以包括X-Y臺(tái)和連接到控制器的光束偏轉(zhuǎn)器。
所述位置控制信號(hào)可以在制造所述物品的至少一個(gè)步驟期間產(chǎn)生。
所述用于產(chǎn)生的裝置可以包括種子激光器和光纖放大器。
所述用于產(chǎn)生的裝置可以包括倍頻的、二極管泵浦的固態(tài)激光器。
所述用于產(chǎn)生的裝置可以包括鎖模振蕩器，二極管泵浦的固態(tài)激光器，以及波長(zhǎng)移動(dòng)器(wavelength shifter)。
所述用于產(chǎn)生的裝置可以包括倍頻器，三倍頻器或四倍頻器。
激光輸出可以具有大于10KHz的重復(fù)率。
平均激光輸出功率可以在0.01W-2W的范圍內(nèi)。
所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括用于讀出標(biāo)記的觀測(cè)系統(tǒng)，其包括照明器(illuminator)和電子成像系統(tǒng)。
照明器可以是明視場(chǎng)。
照明器可以是暗視場(chǎng)。
照明器可以是明視場(chǎng)和暗視場(chǎng)的組合。
制造的物品本發(fā)明的一個(gè)方面特征為一種電子物品。該物品包括至少一種材料，其具有可辨識(shí)的標(biāo)記，在制造物品的至少一個(gè)步驟期間，在該材料上形成所述可辨識(shí)的標(biāo)記。通過(guò)用脈沖激光輸出選擇性地照射至少一個(gè)局部材料區(qū)域的方法，形成該標(biāo)記。該標(biāo)記是至少半永久性的，且可以在制造所述物品的后續(xù)步驟中使用。標(biāo)刻區(qū)域和鄰近圍繞該區(qū)域的背景材料都是充分無(wú)渣的。在所述材料區(qū)域的至少一部分中，表面粗糙度增加，并從而降低用于讀出所述標(biāo)記的能量的反射。
優(yōu)選地，用脈沖激光輸出選擇性地照射至少一個(gè)局部材料區(qū)域的方法是稱為“激光標(biāo)刻/紋理化方法”的上述部分。
在寬范圍的視角中，可以獲得所述區(qū)域和背景所述之間的高反射對(duì)比度。
背景表面可以具有強(qiáng)的鏡面反射部分。
在至少20度的視角范圍，所述可辨識(shí)的標(biāo)記和所述背景之間的反射對(duì)比度可以超過(guò)30∶1。
所述標(biāo)記可以包括字母數(shù)字標(biāo)記，其字體尺寸為0.3mm或更精細(xì)(finer)。
所述標(biāo)記可以包括二維矩陣碼。
所述標(biāo)記可以用于除識(shí)別外的一個(gè)或更多制造步驟。
用通過(guò)SEM(掃描電子顯微鏡)數(shù)據(jù)，和AFM(原子力顯微鏡)數(shù)據(jù)中的至少之一獲得的粗糙度測(cè)量，所述標(biāo)記可以從所述背景辨別出。
DIN 4768粗糙度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)可用于比較所述標(biāo)記的一部分與所述背景的粗糙度。
根據(jù)圖象對(duì)比度的測(cè)量，所述標(biāo)記可以從所述背景辨別出。
所述標(biāo)記可以是機(jī)器可讀的。
所述標(biāo)記可以表現(xiàn)為不重疊的點(diǎn)的序列，其形成點(diǎn)矩陣碼。
所述標(biāo)記可以用在跟蹤能力、部件識(shí)別以及分類中的至少之一中。
激光處理本發(fā)明的實(shí)施例基于具體的應(yīng)用要求可以用于在地表面、拋光表面或光滑材料表面上形成標(biāo)記。表面可以被涂層。例如，表面可以是半導(dǎo)體晶片的任何一側(cè)，或在制造微電子器件步驟中使用的另外的材料。
參考圖1，通常以100表示的激光處理系統(tǒng)的超快激光源102，其產(chǎn)生激光輸出104，激光輸出104包括一個(gè)或更多脈沖。激光輸出104傳播通過(guò)輸送光學(xué)裝置106，輸送光學(xué)裝置106會(huì)聚輸出并將光束輸送到處理腔110中，如果在氣態(tài)環(huán)境中進(jìn)行激光處理，則使用腔110。處理腔110可以包含在激光材料相互作用領(lǐng)域已知的壓力、部分真空或溫度的氣態(tài)處理環(huán)境，以產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)的硅。對(duì)于在周圍大氣環(huán)境中進(jìn)行的處理，不需要腔。被會(huì)聚的光束108入射到目標(biāo)材料上，其產(chǎn)生加工斑點(diǎn)112并產(chǎn)生被標(biāo)記的材料116(未按比例)，所述目標(biāo)材料可以是硅半導(dǎo)體晶片114的一部分。
參考圖3和4，晶片114可以具有裸的(無(wú)圖形的)背面117，其可以被涂敷、拋光或者是粗糙的?；鶞?zhǔn)118用于校準(zhǔn)。圖3所示的最上面可以具有大量的小片119和相應(yīng)的密集的電路圖案。
可選的第二激光處理系統(tǒng)可以用于進(jìn)一步的處理。參考圖2，為了擦除、微加工、焊接或者激勵(lì)標(biāo)記區(qū)域，第二激光源120產(chǎn)生第二光束122。標(biāo)刻區(qū)域中的高吸收能夠支持這種進(jìn)一步的處理。例如，在第二處理光束加熱材料后，材料和背景的不同熱膨脹的結(jié)果是可能出現(xiàn)激勵(lì)。光束122傳播通過(guò)會(huì)聚光束的第二輸送光學(xué)裝置124。第二激光源120可以是脈沖光源，調(diào)制光源，或CW光源，這依賴于應(yīng)用領(lǐng)域。被會(huì)聚的光束126產(chǎn)生第二加工斑點(diǎn)130，并照射標(biāo)刻材料116，光束126入射到晶片114上。照射可以低于在標(biāo)刻材料的燒蝕閾值，以加熱區(qū)域來(lái)激勵(lì)，或高于閾值以實(shí)現(xiàn)材料特性的改變。
在不同實(shí)施例中，具有光束路徑104、122的兩個(gè)激光系統(tǒng)100、129可以被包括在各自的系統(tǒng)中，或者可以由各種公知的方法將光學(xué)系統(tǒng)組合為單激光系統(tǒng)。可以有兩個(gè)光軸，一個(gè)光軸用于一個(gè)光束路徑，或者光束路徑可以合并以使用一共軸光束路徑。單個(gè)激光頭可以產(chǎn)生激光源102和120的光束，或者可以有兩個(gè)激光源。例如，優(yōu)選第二激光120具有接近或超過(guò)硅的吸收限的一波長(zhǎng)。集成為單個(gè)系統(tǒng)的選擇可以是基于具體的設(shè)計(jì)考慮，例如，工件尺寸、激光波長(zhǎng)和功率、光學(xué)設(shè)計(jì)考慮、部件成本、可用的工廠設(shè)備占地面積、X-Y定位要求等。
輸送系統(tǒng)106和124分別相應(yīng)于形成結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)100和第二處理系統(tǒng)129，其一般包括在計(jì)算機(jī)控制下操作的一些元件，分別如線107和127所示。例如，可以控制會(huì)聚、斑點(diǎn)尺寸調(diào)節(jié)、偏振控制以及能量控制功能。可以使用電光裝置、調(diào)制器以及用于定位的光機(jī)械裝置的適當(dāng)組合。例如，輸送系統(tǒng)106或者輸送系統(tǒng)124可以包括偏振控制器，以加強(qiáng)或控制標(biāo)記特征。
超快激光器102可以產(chǎn)生一個(gè)或更多飛秒脈沖。然而皮秒激光器可以提供飛秒激光器的許多優(yōu)點(diǎn)，但是具有降低的成本和復(fù)雜度。超快級(jí)的受控的激光材料相互作用可用于控制標(biāo)記在寬范圍內(nèi)的對(duì)比度，以滿足具體的應(yīng)用需要。進(jìn)一步重要的是碎片、渣、裂化、以及通常與傳統(tǒng)的標(biāo)記激光相關(guān)的其它不希望的結(jié)果的減少或消除。
可以使用激光圖形，微觀結(jié)構(gòu)的材料的離散區(qū)域，以在硅上，特別是硅晶片，和如鈦或鋼等的其它材料上，產(chǎn)生高對(duì)比度的標(biāo)記。例如，圖5說(shuō)明示例性的“尖頭”結(jié)構(gòu)的區(qū)域135，其表面高度136由典型尖頭表示。粗糙度的這種接近周期性和明顯的變化可以由飛秒激光脈沖產(chǎn)生。尖頭可具有從一微米的幾分之一到幾十微米范圍的高度。表面輪廓可以強(qiáng)烈地依賴于激光參數(shù)，包括脈沖持續(xù)時(shí)間(即，寬度)、峰能量、斑點(diǎn)直徑以及斑點(diǎn)輻照輪廓。研究人員認(rèn)為這種尖頭的形成包含激光燒蝕和激光引起的化學(xué)蝕刻。
本發(fā)明的實(shí)施例可用于產(chǎn)生具有比上述段落中示例的更低幅度的(例如，亞微米)表面高度變化，但是具有足夠的變化以產(chǎn)生高對(duì)比度無(wú)渣的標(biāo)記的微觀結(jié)構(gòu)區(qū)域。而且，當(dāng)與傳統(tǒng)的標(biāo)刻方法相比時(shí)，增強(qiáng)的對(duì)比度并且沒(méi)有碎片，提供了改進(jìn)的標(biāo)記密度。圖10和11是說(shuō)明例如，在如裸硅的鏡面表面上形成的現(xiàn)有技術(shù)激光標(biāo)記的示意圖，和表示與深“牢固”的標(biāo)記相關(guān)的碎片和裂縫的相應(yīng)的表面輪廓。圖12和13是說(shuō)明例如，使用本發(fā)明的系統(tǒng)在圖10的鏡面表面上形成的標(biāo)記。脈沖激光可以是產(chǎn)生脈沖輸出的皮秒激光，其總能量密度(在一個(gè)或更多脈沖中)足以開始基片表面上的斑點(diǎn)區(qū)域的一部分內(nèi)的燒蝕。表面高度變化可以是幾十到幾百納米，被標(biāo)刻的區(qū)域通常表現(xiàn)出顯著的粗糙度并消除了至少?gòu)?qiáng)反射的部分。
圖6和7分別是將現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)記與根據(jù)本發(fā)明形成的標(biāo)記相比的示意圖，其說(shuō)明了點(diǎn)陣圖形的改進(jìn)的密度。圖8和9分別是將現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)記與根據(jù)本發(fā)明形成的標(biāo)記相比的示意圖，其說(shuō)明了條狀圖形的改進(jìn)的密度。
圖21和22說(shuō)明由傳統(tǒng)的和更近的激光標(biāo)刻系統(tǒng)產(chǎn)生的不同激光標(biāo)記的結(jié)構(gòu)，以與根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的標(biāo)刻基片進(jìn)行進(jìn)一步比較。圖21和22分別是由本發(fā)明的受讓人形成的標(biāo)記250的側(cè)視圖和俯視圖，其使用532nm的脈沖寬度約為15ns的NdYVO4激光器。激光系統(tǒng)產(chǎn)生深度約1.5-4微米并且沒(méi)有基片裂縫的淺標(biāo)記。圖22是標(biāo)記250的俯視圖，其說(shuō)明鄰近標(biāo)記250的排出的材料252的出現(xiàn)。該最近的例子相應(yīng)于在已于2004年4月1日出版的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?004/0060910，名稱為“High Speed，Laser-Based Marking Method And System For Producing Machine ReadableMarks On Workpieces And Semiconductor Devices With Reduced SubsurfaceDamage Produced Thereby”的美國(guó)專利申請(qǐng)所公開的結(jié)果，其被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。圖21是相對(duì)深的傳統(tǒng)的“牢固的”標(biāo)記254的側(cè)視圖，其深度約為10微米，其中以相對(duì)深的激光穿透256觀察硅的裂縫。
在某些應(yīng)用中，移去或擦除先前形成的激光標(biāo)記也可能是感興趣的。高吸收、微觀結(jié)構(gòu)的區(qū)域的形成提供這種能力，這是因?yàn)槭褂门渲糜羞m當(dāng)?shù)募す鈪?shù)的第二激光系統(tǒng)，可以可控地改變?cè)搮^(qū)域。
由于在接近紅外光照明可見明視場(chǎng)，根據(jù)本發(fā)明形成的這些構(gòu)造的(標(biāo)刻)區(qū)域提供相對(duì)于反射晶片背景表面115的高對(duì)比度。例如，關(guān)于一可見波長(zhǎng)，晶片表面115可以是光滑的，從而導(dǎo)致強(qiáng)的鏡面反射部分，其具有可忽略的漫反射。構(gòu)造的區(qū)域可以呈現(xiàn)為不透光的，優(yōu)選地具有相應(yīng)于“灰度測(cè)試卡”的最暗色澤的漫反射系數(shù)，其中灰度測(cè)試卡用于校準(zhǔn)成像系統(tǒng)。
例如，漫反射系數(shù)可以在約0.5％到5％的范圍內(nèi)，相應(yīng)于約灰度級(jí)6。這種對(duì)比度為改進(jìn)的檢測(cè)，機(jī)器可讀的標(biāo)記提供了檢測(cè)，其中的標(biāo)記如字母數(shù)字字符串、條形碼矩陣碼等。這種標(biāo)記可以由標(biāo)記檢驗(yàn)系統(tǒng)201觀測(cè)，標(biāo)記檢驗(yàn)系統(tǒng)201可以是圖14所示的完整的激光處理系統(tǒng)的一個(gè)部件，其中激光處理系統(tǒng)例如包括圖1的標(biāo)刻激光系統(tǒng)100，和圖2的第二激光處理系統(tǒng)129。系統(tǒng)129可以用于擦除標(biāo)記?？蛇x地，系統(tǒng)可以包括僅激光標(biāo)刻和可選的標(biāo)記檢測(cè)系統(tǒng)201，而沒(méi)有第二處理。對(duì)于超快(或紫外光)源，具有高可控深度的淺標(biāo)記成為可能，對(duì)于標(biāo)刻或編碼非常薄的晶片，其是有益的，其中非常薄的晶片例如，具有比目前商業(yè)上可得到的系統(tǒng)更充分精細(xì)的標(biāo)記尺寸。
下面名為“標(biāo)刻例子”的部分和參考附圖表示使用皮秒激光在硅基片上產(chǎn)生激光標(biāo)記的示例性結(jié)果，其中硅基片具有粗糙表面、地表面或光滑表面。相對(duì)于傳統(tǒng)的激光標(biāo)記，標(biāo)記的可讀性得到改進(jìn)。標(biāo)記充分表現(xiàn)為不透光，與背景的對(duì)比度保持為高的，對(duì)比度為照明與視角的函數(shù)，例如，當(dāng)照明源與接收器之間的相對(duì)的角度變化超過(guò)30度時(shí)。這種變化增加了機(jī)器視覺算法的可靠性。
激光標(biāo)刻系統(tǒng)本發(fā)明的各種實(shí)施例提供晶片上的高對(duì)比度標(biāo)記，和由硅制造的其它微電子物品或器件上的高對(duì)比度標(biāo)記。另外的用于期望用于MEMS和MOEMS器件，并提供如鈦和鋼的材料上的標(biāo)記或其它圖形。
標(biāo)記主要可以用于識(shí)別，或者由于功能性或后續(xù)處理的原因，可以用于在離散的位置改變材料的光學(xué)特性。
在完整的標(biāo)刻系統(tǒng)中，通過(guò)機(jī)器人晶片處理系統(tǒng)205，從晶片載體上移去將被處理的晶片，如圖14和15中的示意性表示。由光學(xué)校準(zhǔn)確定晶片的定向，包括預(yù)校準(zhǔn)器206的操作和任何其它要求的步驟，例如用讀出裝置207識(shí)別晶片類型。
激光器102產(chǎn)生處理光束。參考圖16，光束定位系統(tǒng)106輸送并將超快處理光束會(huì)聚到工件上，工件可以是硅基片。會(huì)聚的處理光束和工件材料在大氣或周圍環(huán)境中的相互作用產(chǎn)生工件表面上的微觀結(jié)構(gòu)。
超短脈沖激光器102產(chǎn)生的激光脈沖104(即，圖1)沿光學(xué)路徑104傳播，由光束定位器220(圖16)偏轉(zhuǎn)或以其它方式定位。一般地使用兩個(gè)檢流計(jì)掃描鏡進(jìn)行光束定位，其中檢流計(jì)掃描鏡通常提供寬角度的偏轉(zhuǎn)，掃描透鏡用于將輸出會(huì)聚到晶片114上，其中晶片114一般安裝在X-Y臺(tái)208上。每個(gè)激光脈沖(或脈沖序列)形成晶片114上的材料的微觀結(jié)構(gòu)斑點(diǎn)。光束的定位由控制器確定，從而激光脈沖序列形成晶片114上的字符或其它標(biāo)記。當(dāng)完成標(biāo)記時(shí)，從處理區(qū)域上移去晶片114并將其重新載入晶片載體?？蛇x地，在轉(zhuǎn)移晶片114之前，可以由系統(tǒng)129進(jìn)行第二處理步驟。
工件和會(huì)聚的處理光束的相對(duì)的受控運(yùn)動(dòng)選擇性地產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)，其在工件上形成可辨識(shí)的圖形。
各種斑點(diǎn)成形和校準(zhǔn)方法可以用于激光微結(jié)構(gòu)形成，其中的方法例如Fillion在美國(guó)專利6,341,029和6,496,292中教導(dǎo)的通過(guò)高頻振動(dòng)的成形，Ehrmann在美國(guó)專利6,639,177中教導(dǎo)的方面和定向改變，以及其它方法。例如，平頂(top-hat)輻照輪廓斑點(diǎn)可提供標(biāo)記更均勻的微結(jié)構(gòu)，和在燒蝕閾值轉(zhuǎn)換區(qū)域的降低的熔化。由于平頂輪廓，在燒蝕閾值或在其之上的斑點(diǎn)區(qū)域可增加，不增加脈沖能量，從而實(shí)現(xiàn)有效的微結(jié)構(gòu)形成。可希望使用具有凹陷中心并且能量集中在周邊的斑點(diǎn)，以進(jìn)一步限制熔化并增加微觀結(jié)構(gòu)基片在切口邊緣轉(zhuǎn)變的銳度。
在任何定向中，圓形斑點(diǎn)為線素提供一致的暴露。然而，方形和矩形斑點(diǎn)可以進(jìn)一步增加效率和均勻度，這是通過(guò)跨校準(zhǔn)的切口寬輸送均勻的輻射劑量并輸送到需要填充的更大區(qū)域而實(shí)現(xiàn)的。斑點(diǎn)方向的控制可以用于準(zhǔn)確地控制輻照和斑點(diǎn)重疊。例如，可以選擇最大脈沖能量，并且可以延長(zhǎng)或縮短沿軌道的斑點(diǎn)長(zhǎng)度，以改變暴露在燒蝕閾值或其之上的區(qū)域的形狀?？梢詳U(kuò)大斑點(diǎn)以暴露在燒蝕閾值或其之上的更大區(qū)域，而不增加切口寬度，或者可以允許減小切口寬度，而不增加照射?？梢詳U(kuò)大斑點(diǎn)，以允許至少一部分斑點(diǎn)暴露于數(shù)量增加的激光脈沖。相反地，沿切口的斑點(diǎn)壓縮可以用于增加暴露于燒蝕閾值或其之上，而不減小切口寬度，或者可以允許增加切口寬度而不減小照射。斑點(diǎn)的壓縮還可以用于允許斑點(diǎn)的至少一部分暴露于數(shù)量減少的脈沖。
激光可以是超快激光。通常地，激光參數(shù)將依賴于將被標(biāo)刻的線寬、材料的光學(xué)特性以及許多系統(tǒng)考慮和特性(例如，激光處理系統(tǒng)的總的光學(xué)效率)。超快激光可以具有小于基片的吸收限的一波長(zhǎng)，例如對(duì)于硅處理為532nm。對(duì)于使用本發(fā)明的各種實(shí)施例標(biāo)刻硅晶片，與需要的閾值能量密度和重復(fù)率相關(guān)的平均能量可以為約0.01W-2W的范圍內(nèi)。脈沖寬度(持續(xù)時(shí)間)可以小于1ns。優(yōu)選地，激光脈沖寬度為約100fs到約50ps的范圍內(nèi)，并且更加優(yōu)選地為約300fs到10ps的范圍內(nèi)。
某些實(shí)施例可以使用二極管泵浦、固態(tài)UV激光，脈沖寬度小于約20ns，優(yōu)選地小于1ns。希望的微觀結(jié)構(gòu)的形成可以使用圖1中所示的腔110中的氣態(tài)輔助或氣態(tài)環(huán)境，以得到用UV處理的最佳效果。
圖16-19表示示例性激光處理系統(tǒng)的另外的細(xì)節(jié)，其中的激光處理系統(tǒng)可以用于基片的激光標(biāo)刻，例如硅晶片(前面和/或后面)的標(biāo)刻。定位子系統(tǒng)可以包括一個(gè)或更多移位臺(tái)(translation stage)208，用于相對(duì)于處理光束108沿至少兩個(gè)軸移動(dòng)工件。相關(guān)基片和光束定位裝置的許多組合是激光材料處理領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，其中激光材料處理例如，半導(dǎo)體處理、立體平版印刷術(shù)、半導(dǎo)體激光修復(fù)、激光鉆孔或半導(dǎo)體晶片修整。
圖7和9的特征(分別為點(diǎn)和條)在商業(yè)上可得到的標(biāo)刻系統(tǒng)中通常是幾十微米。本發(fā)明的激光標(biāo)刻系統(tǒng)可以用于產(chǎn)生相當(dāng)更小的特征尺寸，例如5-10微米的點(diǎn)。圖7和9中的特征可由圖形特征之間的最小可分辨的距離表征。該最小可分辨的距離可以為脈沖激光輸出的一波長(zhǎng)量級(jí)，例如0.25微米。例如，可希望在MEM的一部分上，在受限的區(qū)域內(nèi)形成標(biāo)記。如果提供余量，通過(guò)控制在僅衍射限制的斑點(diǎn)的閾值以上的能量部分，可以形成亞微米特征，例如0.25微米特征，或0.5-2微米特征。同樣地，定位系統(tǒng)可以包括精細(xì)定位裝置和粗定位裝置，以匹配或超過(guò)圖形分辨率，并提供超細(xì)圖形。精細(xì)臺(tái)可以具有毫米級(jí)的行程范圍，定位精確性充分比1微米精細(xì)，例如，0.05微米。所述系統(tǒng)還可包括其它輔助性的精細(xì)定位裝置，例如精密、，小角度、光束偏轉(zhuǎn)器(例如，聲光偏轉(zhuǎn)器)，以及閉環(huán)控制。這種定位系統(tǒng)可以用在本發(fā)明的實(shí)施例中，用于激光標(biāo)刻、圖形形成、連接或者其它應(yīng)用。
參考圖17，用于由激光系統(tǒng)100、129實(shí)現(xiàn)激光標(biāo)刻和其它應(yīng)用的本發(fā)明的實(shí)施例，可以包括照射工件的第一側(cè)面和第二側(cè)面。例如，可以在適合于激光系統(tǒng)100、129照射工件表面的相對(duì)側(cè)面的一結(jié)構(gòu)中，晶片夾249可安裝到X-Y臺(tái)面上。晶片夾249可以包括Z軸傳送器和傾斜工件的能力(圍繞x-y軸旋轉(zhuǎn))。這種精確的移位和旋轉(zhuǎn)臺(tái)已經(jīng)用在平版印刷術(shù)、激光修整以及類似應(yīng)用中。
參考圖16，18，19以及20，光束定位系統(tǒng)220、220’中的任何一個(gè)和兩個(gè)可以包括兩軸、基于檢流計(jì)的光束掃描器24、242，以相對(duì)于工件移動(dòng)光束。任何一個(gè)光束定位系統(tǒng)220、220’可以包括兩個(gè)或更多臺(tái)與掃描器的組合，以沿至少兩個(gè)軸相對(duì)于工件移動(dòng)處理光束。而且，可以包括通過(guò)第二激光系統(tǒng)中的一個(gè)或更多光學(xué)元件的移動(dòng)246，相對(duì)于工件定位束腰的元件。類似地，可以包括這樣的部件使用光學(xué)系統(tǒng)部件的移動(dòng)246與z軸平移246’的各種組合，例如，使用機(jī)動(dòng)的硅晶片夾組件，來(lái)相對(duì)于工件沿至少3個(gè)軸中，移動(dòng)束腰。
可以從GSI Lumonics公司(本發(fā)明的受讓人)，Cambridge Technologiesand Scan Labs LTD得到精確檢流計(jì)掃描頭240、242。圖18和19所示的用于相關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)的示例性選項(xiàng)包括(1)遠(yuǎn)心透鏡或平場(chǎng)聚焦(f-theta)校正透鏡221與可編程斑點(diǎn)尺寸調(diào)整裝置222；以及(2)寬視域后物鏡系統(tǒng)223和機(jī)動(dòng)的動(dòng)態(tài)會(huì)聚調(diào)整裝置224(在圖16中未示出)。
超快系統(tǒng)中的會(huì)聚子系統(tǒng)106被示出為折射光學(xué)系統(tǒng)。在飛秒激光系統(tǒng)產(chǎn)生激光輸出的實(shí)施例中，全折射系統(tǒng)可以提供改進(jìn)的性能，其是色散補(bǔ)償?shù)男Ч?。例如，超短脈沖可以具有在中心波長(zhǎng)周圍的約8nm或更多的波長(zhǎng)擴(kuò)展。Femtooptics，Inc是飛秒光學(xué)部件的供應(yīng)商。
可以在非周圍環(huán)境中產(chǎn)生非常高的吸收微觀結(jié)構(gòu)，處理過(guò)程在處理腔內(nèi)進(jìn)行。所述處理環(huán)境可以包括氣體或可以是真空，以有助于微觀結(jié)構(gòu)的形成。然而，優(yōu)選地，微觀結(jié)構(gòu)在開放的氣態(tài)環(huán)境中形成，更加優(yōu)選的是工件被放置在周圍空氣中。
產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)減小從工件表面反射出去的能量。通常，產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)是尖頭或圓錐狀的結(jié)構(gòu)，為光波長(zhǎng)或比其更小的量級(jí)，在圖5中示出其表面輪廓，作為示例性的規(guī)則布置，并且在圖12和13中作為高度變化(尖峰幅度)和規(guī)則性減小的微觀結(jié)構(gòu)區(qū)域。已經(jīng)在處理腔中制造非常高的吸收結(jié)構(gòu)。然而，對(duì)于本發(fā)明的各種實(shí)施例，考慮中等吸收結(jié)構(gòu)(例如，圖12和13)，從而降低產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)區(qū)域所需要的系統(tǒng)要求。
在標(biāo)刻應(yīng)用中，形成的圖形可以是字母數(shù)字字符。形成的圖形可以是連合活字。形成的圖形可以是機(jī)器可讀的。所述可以是人可讀的。使用本發(fā)明的一個(gè)或更多實(shí)施例，可以實(shí)現(xiàn)比0.3mm更精細(xì)的字體尺寸。
所述系統(tǒng)可以包括完整的標(biāo)記檢測(cè)系統(tǒng)201(例如，圖14)，以識(shí)別所述圖形，或者檢測(cè)可以被包括在獨(dú)立的系統(tǒng)或制造處理站中。商業(yè)上可以得到的機(jī)器視覺技術(shù)，例如Cognex，Inc提供的圖形識(shí)別系統(tǒng)，可以用于標(biāo)記識(shí)別。
當(dāng)與傳統(tǒng)的晶片標(biāo)刻技術(shù)相比時(shí)，基于激光的微結(jié)構(gòu)形成產(chǎn)生高對(duì)比度的標(biāo)記，對(duì)照明條件相對(duì)不敏感，其中照明條件包括寬范圍內(nèi)的攝影角度和照明射角。類似地，對(duì)于某些應(yīng)用，如果標(biāo)記產(chǎn)生至少弱依賴于照明或視角的像，則可以由集成在檢流計(jì)系統(tǒng)中的可選的“通過(guò)透鏡”視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)(或代替)檢測(cè)視覺系統(tǒng)201，其例如為相應(yīng)于圖18和19的設(shè)計(jì)。
基片材料可以是金屬、硅晶片(裸片或具有不同的涂層)。其它示例性材料包括無(wú)機(jī)的或有機(jī)的電介質(zhì)(包括低K材料，敷鍍金屬，難熔金屬以及塑料)。
將被標(biāo)刻的材料可以是多材料器件的一部分，例如，其可以包括硅上的二氧化硅層。所述材料可以是無(wú)機(jī)的或有機(jī)的電介質(zhì)，例如鈍化層。被標(biāo)刻的區(qū)域可以是永久的、半永久的或可擦除的，以應(yīng)用在制造多材料器件的過(guò)程中，例如，以控制或選擇不同制造步驟。示例性的器件包括多材料半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、鑲嵌結(jié)構(gòu)(damascene structure)、處理器，外圍設(shè)備芯片等、RFID標(biāo)簽、MCM等。
在一種配置中，考慮到有效集成到提供給半導(dǎo)體工業(yè)的現(xiàn)有系統(tǒng)中，超短脈沖激光源包括在商業(yè)上軟標(biāo)記類型的晶片標(biāo)刻系統(tǒng)中，如GSILumonics WaferMark SignaClean。關(guān)于各種激光系統(tǒng)的可選方案的細(xì)節(jié)包括在后面的部分中。通常在晶片標(biāo)刻系統(tǒng)中產(chǎn)生的軟標(biāo)記由淺的、低反射系、對(duì)角度不敏感的標(biāo)記代替。超短脈沖激光源的集成要求機(jī)械的和光學(xué)變化，以將激光能量耦合到機(jī)器的光學(xué)路徑中，沿光學(xué)路徑傳輸光束，并將光束會(huì)聚到基片上?？梢杂稍O(shè)計(jì)激光光束處理系統(tǒng)所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行集成。
材料移除/擦除標(biāo)記根據(jù)本發(fā)明的各種方法，對(duì)于后續(xù)處理可以照射高吸收標(biāo)記區(qū)域。第二照射可以使用在基片中更弱吸收的激光，例如工作在硅的吸收限附近或之上的激光。不同研究表明，在可見光和NIR中，微觀結(jié)構(gòu)的區(qū)域內(nèi)的吸收增加。在硅吸收限附近或之上，可以使用高功率處理激光，對(duì)一般的傳輸基片有最小的損傷。第一超快步驟可以產(chǎn)生精細(xì)圖形，其被用粗第二光束處理，相反地，第一步驟可以產(chǎn)生粗標(biāo)記，在第二步驟精細(xì)地形成其。吸收材料可以在微結(jié)構(gòu)步驟中燒蝕，具有受控的深度。參考圖23，這種燒蝕可以是用于移除或擦除標(biāo)記410，在吸收?qǐng)錾袭a(chǎn)生明暗相反(negative)的“窗口”標(biāo)記，或者可以用于微加工精細(xì)圖形，或調(diào)整電的或機(jī)械參數(shù)。
圖24表示微觀結(jié)構(gòu)的區(qū)域，其由第二照射126在420修改。可以在圖14所示的系統(tǒng)中，或者在制造過(guò)程的不同位置進(jìn)行產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)的區(qū)域的操作。
圖2和20說(shuō)明可以用在第二處理系統(tǒng)中的幾個(gè)部件，這些系統(tǒng)部件可與超快系統(tǒng)中使用的部件相似或相同。激光器120產(chǎn)生第二處理光束。光束定位系統(tǒng)，可相應(yīng)于光學(xué)或機(jī)械光束定位器的任何合適的結(jié)構(gòu)，其輸送第二處理光束126，并將其會(huì)聚到工件的微觀結(jié)構(gòu)的區(qū)域。第二激光能量被微觀結(jié)構(gòu)吸收。微觀結(jié)構(gòu)被加熱，增加的溫度足以引起材料的相變。
第二處理激光120可以是YAG或CO2激光。優(yōu)選地，激光120選擇成最小化對(duì)非微觀結(jié)構(gòu)的區(qū)域的損傷。更加優(yōu)選地，激光光束126傳輸通過(guò)非微觀結(jié)構(gòu)的材料。例如，如果材料是硅，則優(yōu)選的波長(zhǎng)可以是約1.2微米(例如，使用拉曼激光器)，其中硅傳輸一般被最大化?？蛇x地，商業(yè)上可得到的1.32微米的激光也幾乎是最適宜的，并且這種激光被廣泛使用。
在與圖20類似或相同的裝置中，光束定位系統(tǒng)可以包括一個(gè)或更多多個(gè)臺(tái)208，用于相對(duì)于處理光束移動(dòng)工件。光束定位系統(tǒng)可以包括相對(duì)于工件移動(dòng)光束的光束掃描器240、242，以及會(huì)聚透鏡。部件和其它特征的具體選擇(例如，透鏡涂層)通常依賴于激光波長(zhǎng)、斑點(diǎn)尺寸要求、破壞閾值考慮等。
光束定位系統(tǒng)可以包括兩個(gè)或更多面和掃描器的組合，以沿至少兩個(gè)軸，相對(duì)于工件移動(dòng)處理光束。通過(guò)第二激光系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件的移動(dòng)246，光束定位器可以相對(duì)于工件定位束腰。光束定位系統(tǒng)可以沿至少三個(gè)軸相對(duì)于工件移動(dòng)束腰。使用光學(xué)系統(tǒng)元件的移動(dòng)與z軸平移246’的各種組合，例如使用機(jī)動(dòng)硅片夾組件，光束定位系統(tǒng)可以沿至少三個(gè)軸中相對(duì)于工件移動(dòng)束腰。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，可以形成微觀結(jié)構(gòu)的區(qū)域，但是不限于超短激光處理。通常，微觀結(jié)構(gòu)的區(qū)域?qū)p小工件材料的反射系數(shù)。
可以從表面燒蝕被照射的材料，以移去吸收結(jié)構(gòu)?？梢匀刍椭罔T被照射的材料，以形成具有改變的特性的區(qū)域。
對(duì)于在具有通頻帶的材料上形成的微觀結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地選擇在通頻帶內(nèi)的一激光波長(zhǎng)，其被吸收進(jìn)微觀結(jié)構(gòu)中。這樣，可以改變微觀結(jié)構(gòu)的材料的特性，并且鄰近的材料的特性不被改變。第二光束可以具有的波長(zhǎng)相應(yīng)于通過(guò)未被構(gòu)造結(jié)構(gòu)的材料的最大傳輸。例如，如果未被構(gòu)造結(jié)構(gòu)的區(qū)域也是硅，則第二光束可以具有超過(guò)硅的吸收限的一波長(zhǎng)，例如大于1.2微米。如果未被構(gòu)造結(jié)構(gòu)的材料是玻璃，則波長(zhǎng)可以在可見光區(qū)域或接近IR區(qū)域。在一些應(yīng)用中，可能希望使用這種激光，其被吸收進(jìn)微觀結(jié)構(gòu)和鄰近的材料中。
標(biāo)刻例子圖25到36中的每一個(gè)涉及使用商業(yè)上可得到的皮秒激光器在硅基片上形成標(biāo)記所得到實(shí)際結(jié)果，其中的硅基片具有地表面、拋光表面或光滑表面。用于一些標(biāo)刻區(qū)域的激光器和系統(tǒng)參數(shù)如下圖25研磨的硅晶片(具有良好的標(biāo)記)；標(biāo)刻條件波長(zhǎng)532nm；重復(fù)率30KHz；
平均功率460mw；15μj脈沖能量；線性標(biāo)刻速度100mm/sec；線寬115μm；能量密度0.15J/cm2；峰功率密度1010W/cm2；重疊34。
圖26研磨的硅晶片；標(biāo)刻條件波長(zhǎng)532nm；重復(fù)率30KHz；平均功率500mw；16.3μj脈沖能量；線性標(biāo)刻速度100mm/sec；線寬140μm；能量密度0.16J/cm2。
圖27研磨的硅晶片；標(biāo)刻條件波長(zhǎng)532nm；重復(fù)率30KHz；平均功率300mw；9.8μj脈沖能量；線性標(biāo)刻速度16.6mm/sec；
能量密度0.1J/cm2。
圖28研磨的硅晶片(具有良好的標(biāo)記)；標(biāo)刻條件波長(zhǎng)532nm；重復(fù)率30KHz；平均功率100mw；3.3μj脈沖能量；線性標(biāo)刻速度100mm/sec；線寬40μm；能量密度0.26J/cm2；峰功率密度1.7×1010W/cm2。
圖29研磨的硅晶片(具有良好的標(biāo)記)；標(biāo)刻條件波長(zhǎng)532nm；重復(fù)率30KHz；平均功率100mw；3.3μj脈沖能量；線性標(biāo)刻速度100mm/sec；線寬40μm；能量密度0.26J/cmn2；峰功率密度1.7×1010W/cm2。
圖30a和30b硅晶片(在鏡面表面上具有標(biāo)記)；
標(biāo)刻條件波長(zhǎng)532nm；重復(fù)率30KHz；平均功率7.2mw；0.24μj脈沖能量；線性標(biāo)刻速度100mm/sec；線寬8μm；能量密度0.12J/cm2；峰功率密度0.8×1010W/cm2。
圖31a和31b硅晶片(在粗糙表面上具有標(biāo)記)；標(biāo)刻條件波長(zhǎng)532nm；重復(fù)率30KHz；平均功率7.2mw；0.24μj脈沖能量；線性標(biāo)刻速度100mm/sec；線寬8μm；能量密度0.12J/cm2；峰功率密度0.8×1010W/cm2。
圖32a、32b以及32c硅晶片(0.28mm內(nèi)具有15個(gè)線標(biāo)記)；標(biāo)刻條件波長(zhǎng)532nm；重復(fù)率30KHz；
平均功率7.2mw；0.24μj脈沖能量；線性標(biāo)刻速度100mm/sec；線寬8μm；能量密度0.12J/cm2；峰功率密度0.8×1010W/cm2。
樣品被安裝在X-Y臺(tái)上，通過(guò)調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)與入射激光能量的組合，改變標(biāo)記線寬，所述調(diào)整控制入射到材料上的能量密度。
使用“通過(guò)透鏡”(明視場(chǎng))顯微鏡系統(tǒng)和CCD照相機(jī)，獲取標(biāo)記的材料樣品的圖像。使用或者SEM(掃描電子顯微鏡)或者AFM(原子力顯微鏡)得到不同區(qū)域的輪廓。某些標(biāo)記還與使用納秒激光系統(tǒng)形成的標(biāo)記相比較。可以從脈沖重復(fù)率、線寬以及工作臺(tái)速度，計(jì)算相應(yīng)于特定線寬的脈沖數(shù)量。例如，圖25相應(yīng)于在臺(tái)行進(jìn)期間應(yīng)用的脈沖34，其相應(yīng)于115μm的線寬。
列舉出的激光參數(shù)和結(jié)果被看作示例性的，而不是限制性的?？梢愿鶕?jù)不同處理?xiàng)l件、表面粗糙度數(shù)值、有/沒(méi)有涂層等，優(yōu)化和調(diào)整激光參數(shù)?？梢蕴峁└鞣N改進(jìn)和調(diào)整以進(jìn)一步改進(jìn)對(duì)比度和密度。
通常，線寬相應(yīng)于表面上的有效斑點(diǎn)尺寸，其中能量密度在近似的硅燒蝕閾值或其之上。因此，如果斑點(diǎn)的更大一部分在燒蝕閾值之上，則線寬增加。例如，如果斑點(diǎn)輪廓受衍射限制并且是高斯形的，閾值之上的區(qū)域相應(yīng)于FWHM，則額定切口寬度約為FWHM。
此外，作為用于特定材料的幾乎不變的能量密度閾值的結(jié)果，更大的線寬、更大的斑點(diǎn)通常需要比小的線寬更多的激光能量。
在試驗(yàn)中使用的激光和一般的激光系統(tǒng)規(guī)格如下自Lumera Laser，Model Staccato的商業(yè)皮秒激光器；主要規(guī)格脈沖寬度15ps；
波長(zhǎng)532nm；重復(fù)率30KHz；平均功率(參考隨附的結(jié)果)；線性偏振；散度(M-squared)小于1.2。
應(yīng)該注意無(wú)論何時(shí)使用線性偏振，校準(zhǔn)臺(tái)行進(jìn)方向與偏振方向垂直。
圖25、26和27表示在研磨的硅基片上形成的標(biāo)記，其由研磨方向示例(相對(duì)于均勻的，鏡面的背景)。圖26和27提供“處理能量窗口”的粗略測(cè)試，其表示實(shí)現(xiàn)可接受的處理的能量范圍。圖26中的更大的線寬(140微米)相應(yīng)于燒蝕閾值之上的會(huì)聚的斑點(diǎn)直徑的更大部分。在發(fā)生熔化的區(qū)域中輕微的熱影響區(qū)，盡管不顯著。沒(méi)有不希望的渣、碎片或嚴(yán)重熔化的區(qū)域。
圖28和29表示分別在X和Y方向產(chǎn)生40微米線寬的參數(shù)和結(jié)果。偏振垂直于行進(jìn)方向。
圖30a、30b、31a、31b、32a、32b以及32c說(shuō)明0.3mm(0.28mm)區(qū)域內(nèi)的改進(jìn)的標(biāo)記密度和清楚分辨的圖形，該結(jié)果說(shuō)明形成比目前商業(yè)上可得到的激光標(biāo)刻系統(tǒng)中得到的標(biāo)記更精細(xì)的標(biāo)記的能力。圖30a和30b相應(yīng)于鏡面晶片背景(光潔表面)，圖31a和31b相應(yīng)于粗糙的背面晶片表面，以及圖32a、32b以及32c相應(yīng)于拋光的晶片。放大的圖像提供一些局部額外細(xì)節(jié)，清晰度和銳度的降低被認(rèn)為是由設(shè)備的各種限制，例如照相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍、收集其它散射光的顯微鏡的高N.A.以及其它因素引起的。高對(duì)比度的圖像相應(yīng)于一般的標(biāo)記讀出裝置/檢測(cè)系統(tǒng)所使用的近似放大率。
圖33a和33b將皮秒系統(tǒng)得到的高對(duì)比度標(biāo)記(即，圖33a)與一般的基于納秒激光的標(biāo)刻系統(tǒng)形成的標(biāo)記(即，圖33b)進(jìn)行比較。納米“暗”標(biāo)記表面粗糙度并沒(méi)有明顯的改變，而僅在皮秒標(biāo)記內(nèi)形成微觀結(jié)構(gòu)。
圖34a、34b以及34c表示被標(biāo)刻區(qū)域的SEM圖像，其進(jìn)一步說(shuō)明皮秒系統(tǒng)產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，如下
圖34aps激光產(chǎn)生的SEM標(biāo)記；亞微米結(jié)構(gòu)可見。
圖34bns激光產(chǎn)生的SEM暗標(biāo)記；沒(méi)有任何結(jié)構(gòu)可見。
圖34cns激光產(chǎn)生的SEM白色標(biāo)記；更大的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)可見。
納秒結(jié)果僅表示不明顯的粗糙度(“暗標(biāo)記”的情況)，皮秒結(jié)果中明顯的表面粗糙度的變化在納秒數(shù)據(jù)中未被檢測(cè)到-“暗”或“牢固”的標(biāo)記都不顯示微觀結(jié)構(gòu)。深的標(biāo)記(傳統(tǒng)的“牢固標(biāo)記”)也表現(xiàn)非常不希望的脊?fàn)钚螤睢Ｖ匾氖巧踔翆?duì)于“暗”納秒標(biāo)記(與“牢固標(biāo)記”相比，相對(duì)淺)的觀察，在相應(yīng)于納秒標(biāo)刻的圖像中未檢測(cè)到微觀結(jié)構(gòu)。
圖35表示從拋光晶片的被標(biāo)刻區(qū)域得到的SEM圖像。以三個(gè)SEM放大率表示表面區(qū)域15,000X，6,000X，以及25,000X。被標(biāo)刻的和未被標(biāo)刻的區(qū)域之間的結(jié)構(gòu)邊界是明顯的，甚至拋光的背景變化時(shí)，也是如此。而且，被標(biāo)刻的區(qū)域，其周邊，以及拋光的背景都是無(wú)渣的-脊和切口高度是可忽略的。
圖36、37a、37b、37c以及37d表示拋光晶片的標(biāo)刻區(qū)域的測(cè)量，其使用AFM測(cè)量表面高度。亞微米結(jié)構(gòu)是明顯的，峰高度在幾十到幾百納米的范圍內(nèi)。拋光背景區(qū)域相應(yīng)于前面的附圖所示的半鏡面，強(qiáng)的方向性反射的結(jié)果。對(duì)于鏡面晶片背景，可得到非常高的對(duì)比度，提供被構(gòu)造結(jié)構(gòu)的和未被標(biāo)刻的鏡面晶片區(qū)域的清楚識(shí)別。在這種情況下，使用AFM或SEM測(cè)量，標(biāo)記也可以明顯地從背景相辨別出，其中AFM或SEM測(cè)量將示例結(jié)構(gòu)上的區(qū)別。
這些例子通常表示粗糙度大于反射背景的被標(biāo)刻區(qū)域。例如，還可能通過(guò)形成微觀結(jié)構(gòu)的背景，來(lái)形成正對(duì)比度標(biāo)記，其中標(biāo)記為高反射，配置照明，從而標(biāo)記相對(duì)與暗背景具有正對(duì)比度。
如果，例如使用該技術(shù)，系統(tǒng)的生產(chǎn)量沒(méi)有退化(或被改善)(例如，其中標(biāo)記的總區(qū)域大于背景區(qū)域)，則該例子是我們感興趣的。而且，某些應(yīng)用可能需要這種“相反的對(duì)比度”作為用戶規(guī)格的一部分?？梢赃M(jìn)行其它類似的變化或改變，而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。激光器實(shí)施例用于產(chǎn)生上述加工實(shí)例的高對(duì)比度結(jié)果的商業(yè)上可得到的激光器包括鎖模振蕩器，以及二極管泵浦固態(tài)激光放大器?？梢缘玫狡っ胼敵觯}沖參數(shù)在期望的范圍內(nèi)。激光系統(tǒng)的選擇通常是根據(jù)對(duì)脈沖能量、重復(fù)頻率、平均功率、照射將被標(biāo)記的材料所需要的脈沖寬度、與足以開始材料表面上空間斑點(diǎn)尺寸內(nèi)的燒蝕的總能量密度的要求。有用的激光波長(zhǎng)包括近IR、可見光(例如，532nm)以及紫外光。其它因素包括尺寸、成本、可靠性以及用于例如半導(dǎo)體生產(chǎn)環(huán)境中的各種實(shí)際考慮。當(dāng)可以得到時(shí)，希望有“現(xiàn)成的”解決方案。優(yōu)選地，激光系統(tǒng)與可得到的標(biāo)刻設(shè)備，例如商業(yè)上軟標(biāo)記類型的晶片標(biāo)刻系統(tǒng)，如GSI Lumonics WaferMarkSigmaClean兼容。
已經(jīng)出版的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮镹o.2004/0134894，名稱為“Laser-basedsystem for Memory Link Processing with Picosecond Lasers”被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，在此其被全部包含。這里所包括的是各種示例性皮秒激光系統(tǒng)，其可以被使用或修改以用于本發(fā)明的一個(gè)或更多實(shí)施例中。特別關(guān)心的是名稱為“皮秒激光實(shí)施例”的部分，圖6a-8e，以及已出版的申請(qǐng)的相應(yīng)部分。
已經(jīng)出版的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮镹o.2004/0226925，名稱為“LaserSystem and Method for Material Processing with Ultra Fast Laser”被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，在此其被全部包含。這里所包括的是各種示例性飛秒激光系統(tǒng)，其可以被使用或修改以用于本發(fā)明的一個(gè)或更多實(shí)施例中。特別關(guān)心的是題目為“超快激光實(shí)施例”的部分，圖1-8，以及已出版的申請(qǐng)的相應(yīng)部分。
例如，可以修改上述包含的專利申請(qǐng)的激光器系統(tǒng)，以用于改變的波長(zhǎng)(例如，綠光和UV)?？梢哉{(diào)整系統(tǒng)輸出，例如平均功率和峰能量，以按需要滿足降低或增加放大器增益的能量密度的要求，從而以所需要的能量密度進(jìn)行處理。
正在進(jìn)行的發(fā)展被期望導(dǎo)致增加的商業(yè)可用性。例如，美國(guó)IMRA報(bào)告的FCPA系統(tǒng)(基于光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng))包括重復(fù)率為500KHz的2微焦耳的脈沖能量，相應(yīng)于工作在飛秒脈沖寬度的1W平均功率。
盡管已經(jīng)說(shuō)明和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，但是并不旨在表示這些實(shí)施例說(shuō)明和描述了本發(fā)明的所有可能形式。而是，該說(shuō)明書中使用的文字是描述性的而不是限制性的，應(yīng)該理解可以進(jìn)行各種改變，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種表面處理方法，其用于處理工件的一區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)表面材料，同時(shí)避免對(duì)鄰近的非目標(biāo)材料產(chǎn)生不希望的改變，所述方法包括產(chǎn)生脈沖激光輸出，所述脈沖激光輸出包括具有波長(zhǎng)和脈沖寬度的至少一個(gè)脈沖；用包括所述至少一個(gè)脈沖的所述脈沖激光輸出照射所述工件的所述目標(biāo)表面材料，以構(gòu)造所述目標(biāo)表面材料，所述脈沖激光輸出具有足夠的總能量密度以在所述目標(biāo)表面材料的至少一部分內(nèi)開始燒蝕，且所述脈沖寬度足夠短，從而所述區(qū)域和圍繞所述區(qū)域的非目標(biāo)材料是基本上無(wú)渣的。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述構(gòu)造的表面材料包括標(biāo)記，且其中所述標(biāo)記是至少半永久性的或可擦除的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述目標(biāo)表面材料是半導(dǎo)體基片、薄膜、金屬層以及電介質(zhì)層中的至少之一。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述工件是MEM器件、光電器件以及生物醫(yī)學(xué)芯片之一。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述標(biāo)記是機(jī)器可讀的，且其中所述標(biāo)記具有小于0.3mm的字體尺寸。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括產(chǎn)生第二激光輸出，和用所述第二激光輸出照射構(gòu)造的表面材料，以處理所述構(gòu)造的表面材料。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述構(gòu)造的表面材料包括標(biāo)記，以及其中在用所述第二激光輸出照射的所述步驟期間所述標(biāo)記被擦除。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述構(gòu)造的表面材料包括微觀結(jié)構(gòu)圖形，且其中所述圖形是條狀圖形、矩陣圖形、字母數(shù)字字符串以及連合活字之一。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述至少一個(gè)脈沖的脈沖寬度小于約1ns。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述脈沖寬度為約100ps或更小。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述總能量密度在所述輸出的斑點(diǎn)的空間范圍是可測(cè)量的。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述構(gòu)造的表面材料包括標(biāo)記，以及其中所述照射步驟包括下面的步驟響應(yīng)表示所述標(biāo)記的至少一部分的第一位置的至少一個(gè)控制信號(hào)，引導(dǎo)所述激光輸出射到在所述區(qū)域的所述第一位置上。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述照射步驟基本上增加所述區(qū)域的至少一部分內(nèi)的所述目標(biāo)表面材料的表面粗糙度。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中圍繞所述區(qū)域的所述非目標(biāo)表面材料具有有強(qiáng)鏡面反射部分的表面。
15.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述標(biāo)記的漫反射系數(shù)在0.5％到5％的范圍內(nèi)。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述總能量密度超過(guò)約0.1J/cm2。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述波長(zhǎng)小于所述目標(biāo)表面材料的吸收限。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述波長(zhǎng)為紫外光。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述目標(biāo)表面材料為硅。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述目標(biāo)表面材料為金屬或電介質(zhì)。
21.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述目標(biāo)表面材料是電介質(zhì)鈍化層的一部分，且其中所述層的電介質(zhì)是無(wú)機(jī)的、有機(jī)的、或低k電介質(zhì)。
22.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述目標(biāo)表面材料是MEM器件的一部分。
23.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述標(biāo)記的一部分具有約0.25微米到約1微米范圍的表面變化。
24.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述標(biāo)記的特征尺寸在幾微米到幾十微米的范圍。
25.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述標(biāo)記的特征尺寸是所述至少一個(gè)脈沖的幾個(gè)波長(zhǎng)。
26.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述照射步驟包括控制所述脈沖激光輸出的偏振，以增強(qiáng)或控制所述的構(gòu)造的表面材料的特征的步驟。
27.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述照射步驟包括成形所述斑點(diǎn)以得到成形的斑點(diǎn)的步驟。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述成形的斑點(diǎn)具有平頂輻照輪廓。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述成形的斑點(diǎn)具有凹陷中心，能量聚集在所述成形的斑點(diǎn)的周邊。
30.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述脈沖激光輸出精細(xì)構(gòu)造所述目標(biāo)表面材料，以及所述第二激光輸出粗處理所述構(gòu)造的表面材料。
31.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述脈沖激光輸出粗構(gòu)造所述目標(biāo)表面材料，以及所述第二激光輸出精細(xì)處理所述構(gòu)造的表面材料。
32.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述構(gòu)造的表面材料包括標(biāo)記，且其中在用所述第二激光輸出照射的所述步驟期間，產(chǎn)生明暗相反的窗口標(biāo)志。
33.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述構(gòu)造的表面材料包括圖形，并且其中用所述第二激光輸出照射的所述步驟微加工所述圖形。
34.如權(quán)利要求6所述的方法，其中用所述第二激光輸出照射的所述步驟調(diào)整所述構(gòu)造的表面材料的電或機(jī)械參數(shù)。
35.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第二激光輸出包括至少一個(gè)脈沖，所述脈沖具有被吸收進(jìn)所述構(gòu)造的表面材料中的波長(zhǎng)。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述第二光束的所述至少一個(gè)脈沖的所述波長(zhǎng)還被吸收進(jìn)圍繞所述區(qū)域的所述非目標(biāo)材料中。
37.如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述第二光束的所述至少一個(gè)脈沖的所述波長(zhǎng)不被吸收進(jìn)圍繞所述區(qū)域的所述非目標(biāo)材料中。
38.一種表面處理系統(tǒng)，其用于處理工件的一區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)表面材料，同時(shí)避免對(duì)鄰近的非目標(biāo)材料產(chǎn)生不希望的改變的，所述系統(tǒng)包括一第一激光子系統(tǒng)，其包括一第一激光源，用于產(chǎn)生脈沖激光輸出，所述脈沖激光輸出包括具有波長(zhǎng)和脈沖寬度的至少一個(gè)脈沖；一輸送子系統(tǒng)，用于用包括所述至少一個(gè)脈沖的所述脈沖激光輸出，照射工件的所述目標(biāo)表面材料，以構(gòu)造所述目標(biāo)表面材料，所述脈沖激光輸出具有足夠的總能量密度，以在所述目標(biāo)表面材料的至少一部分內(nèi)開始燒蝕，且所述脈沖寬度足夠短，從而所述區(qū)域和圍繞所述材料的所述非目標(biāo)材料是基本上無(wú)渣的。
39.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述第一激光源包括超快激光。
40.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述輸送子系統(tǒng)包括控制器，所述控制器接受表示待構(gòu)造的所述目標(biāo)表面材料的位置的數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生至少一個(gè)位置控制信號(hào)。
41.如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其中所述輸送子系統(tǒng)包括定位子系統(tǒng)，其用于響應(yīng)所述至少一個(gè)位置控制信號(hào)，引導(dǎo)所述激光輸出到所述目標(biāo)表面材料的所述位置，以便構(gòu)造所述目標(biāo)表面材料。
42.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第二激光子系統(tǒng)，其包括用于產(chǎn)生第二激光輸出的第二激光源，所述第二激光輸出照射所述的構(gòu)造的表面材料。
43.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述第二激光輸出至少擦除、微加工、焊接或激勵(lì)所述構(gòu)造的表面材料的所述區(qū)域。
44.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述第二激光源包括脈沖源、調(diào)制源或CW源之一。
45.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述第二激光輸出的照射低于所述目標(biāo)表面材料的能量密度擊穿閾值，以加熱所述區(qū)域。
46.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述第二激光輸出的照射高于所述目標(biāo)表面材料的能量密度擊穿閾值，以實(shí)現(xiàn)所述目標(biāo)表面材料的至少一個(gè)特性的改變。
47.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述第二激光輸出包括至少一個(gè)脈沖，其具有接近或超過(guò)所述工件材料的吸收限的波長(zhǎng)。
48.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述第一激光源包括所述第二激光源。
49.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述第一激光源是與所述第二激光源分離開的。
50.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述輸送子系統(tǒng)包括偏振控制器，其用于控制所述激光輸出的偏振。
51.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述第一激光源包括二極管泵浦的固態(tài)UV激光，且其中所述脈沖寬度小于約20ns。
52.如權(quán)利要求51所述的系統(tǒng)，其中所述脈沖寬度小于約1ns。
53.如權(quán)利要求41所述的系統(tǒng)，其中所述定位子系統(tǒng)包括至少一個(gè)移位臺(tái)，以相對(duì)于所述激光輸出移動(dòng)所述工件。
54.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述第一激光源包括鎖模振蕩器，以及二極管泵浦的固態(tài)激光放大器。
55.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述激光輸出具有范圍為0.01W-2W的平均激光輸出功率。
56.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述構(gòu)造的表面材料包括標(biāo)記，以及其中所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括用于讀出所述標(biāo)記的觀測(cè)子系統(tǒng)，所述觀測(cè)子系統(tǒng)包括照明器和電子成像子系統(tǒng)。
57.如權(quán)利要求56所述的系統(tǒng)，其中所述照明器是明視場(chǎng)、暗視場(chǎng)、以及明視場(chǎng)與暗視場(chǎng)的組合中的一種。
58.一種制造的物品，其包括至少一個(gè)表面材料，其具有在制造所述物品的至少一個(gè)步驟中在其上形成的可辨別的標(biāo)記，所述標(biāo)記通過(guò)用一脈沖激光輸出選擇性地照射一工件的一區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)表面材料的方法來(lái)形成，所述標(biāo)記是至少半永久性的，且在制造所述物品的后續(xù)步驟中可用；所述區(qū)域和圍繞所述區(qū)域的非目標(biāo)材料是基本上無(wú)渣的；以及在所述制造的至少一個(gè)步驟中，所述區(qū)域的至少一部分內(nèi)的表面粗糙度被增加，從而降低用于讀出所述標(biāo)記的能量的反射。
59.如權(quán)利要求58所述物品，其中在寬范圍的視角，所述區(qū)域與所述區(qū)域的背景之間有高反射對(duì)比度。
60.如權(quán)利要求58所述物品，其中所述區(qū)域的所述背景的表面具有強(qiáng)的鏡面反射的部分。
61.如權(quán)利要求58所述物品，其中在至少20度的視角范圍，所述可辨識(shí)的標(biāo)記和所述標(biāo)記的背景之間的反射對(duì)比度超過(guò)30∶1。
62.如權(quán)利要求58所述物品，其中所述標(biāo)記包括具有字體尺寸為0.3mm或更小的字母數(shù)字標(biāo)記。
63.如權(quán)利要求58所述物品，其中所述標(biāo)記包括二維矩陣碼。
64.如權(quán)利要求58所述物品，其中所述標(biāo)記除識(shí)別之外可用于制造所述物品的一個(gè)或更多步驟。
65.如權(quán)利要求58所述物品，其中所述標(biāo)記與所述區(qū)域的背景由通過(guò)SEM(掃描電子顯微鏡)數(shù)據(jù)和AFM(原子力顯微鏡)數(shù)據(jù)的至少之一獲得的粗糙度測(cè)量是可辨別的。
66.如權(quán)利要求58所述物品，其中DIN 4768粗糙度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)可用于比較所述標(biāo)記的一部分與所述區(qū)域的背景的粗糙度。
67.如權(quán)利要求58所述物品，其中所述標(biāo)記由圖像對(duì)比度的測(cè)量可從所述區(qū)域的背景辨別出。
68.如權(quán)利要求58所述物品，其中所述標(biāo)記是機(jī)器可讀的。
69.如權(quán)利要求58所述物品，其中所述標(biāo)記表現(xiàn)為形成點(diǎn)矩陣碼的不重疊的點(diǎn)的序列。
70.如權(quán)利要求58所述物品，其中所述標(biāo)記可用于可跟蹤性能、部件識(shí)別以及分類的至少之一中使用。
全文摘要
提供了一種基于激光的用于處理目標(biāo)表面材料的方法和系統(tǒng)，以及由此產(chǎn)生的物品。所述系統(tǒng)處理一工件的一區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)表面材料，同時(shí)避免對(duì)鄰近的非目標(biāo)材料產(chǎn)生不希望的改變。所述系統(tǒng)包括第一激光子系統(tǒng)，其包括第一激光源，用于產(chǎn)生脈沖激光輸出，所述脈沖激光輸出包括具有一波長(zhǎng)和一脈沖寬度的至少一個(gè)脈沖，所述脈沖寬度小于1ns。一輸送子系統(tǒng)，用包括所述至少一個(gè)脈沖的所述脈沖激光輸出，照射所述工件的所述目標(biāo)表面材料，以使構(gòu)造目標(biāo)表面材料。所述脈沖激光輸出具有足夠的總能量密度，以在所述目標(biāo)表面材料的至少一部分內(nèi)開始燒蝕，且所述脈沖寬度足夠短，使得所述區(qū)域和圍繞所述區(qū)域的非目標(biāo)材料是基本無(wú)渣的。
文檔編號(hào)B23K26/00GK1981291SQ200580022203
公開日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2005年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者博·古, 喬納森·S·艾爾曼, 唐納德·J·斯維特科夫, 史蒂文·P·卡希爾, 凱文·E·沙利文 申請(qǐng)人:通明國(guó)際科技有限公司