專利名稱：基于激光的加工方法及激光加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種對相對于可見光或近紅外光的透明體通過超短脈 沖有效且高質(zhì)量地進(jìn)行加工的方法及裝置。將超短脈沖振蕩的激光的
一部分能量波長變換為uv (紫外)波長，該uv波長的激光比原基
本波的激光在時(shí)間上先行對加工對象物進(jìn)行照射。通過在同一處用由
uv激光和長波長激光的雙波長形成的合計(jì)能量進(jìn)行照射來使作為加
工對象的透明體的加工效率提高，并且通過uv激光的先行照射作用 來減少原基本波的激光透射，由此提供加工質(zhì)量高的透明體加工方法 和加工裝置。
背景技術(shù)：
在電子工業(yè)中，CPU、 DRAM及SRAM等半導(dǎo)體裝置的精細(xì)化逐 年發(fā)展，對此力求內(nèi)部電路的高集成化。這些裝置的構(gòu)造在硅片等半 導(dǎo)體基板上有許多由被稱為low-k膜的、包含一部分金屬配線的低電 容率絕緣膜構(gòu)造組成的要素。在半導(dǎo)體裝置制造工序中，需要在不給 周圍帶來熱損傷或機(jī)械損傷的條件下對絕緣膜的僅僅一部分進(jìn)行去除 加工，為此，目前應(yīng)用納秒激光等來實(shí)現(xiàn)該目的。
與采用納秒激光等脈沖寬度比飛秒?yún)^(qū)域長的激光的現(xiàn)有激光加工 相對照，在采用超短脈沖激光的加工中，能夠減少熱加工變質(zhì)層的產(chǎn) 生、和即使對于該波長是透明的材料也可以通過以多光子吸收為代表 的非線性吸收來進(jìn)行加工，這是公知技術(shù)。但是，由于超短脈沖的產(chǎn) 生使用了在近紅外線波長范圍中以寬頻帶光譜獲得激光盈利的激光介 質(zhì)，因此振蕩效率高的超短脈沖從近紅外位于中紅外的波長范圍。
在對半導(dǎo)體基板上形成的low-k膜等絕緣膜的裝置構(gòu)成要素使用 中紅外區(qū)波長的超短脈沖激光只對low-k膜組成有選擇地進(jìn)行去除加 工的情況下，在對絕緣膜從表面實(shí)施激光加工時(shí)，未被多光子吸收方式吸收的一部分激光透射了，并到達(dá)了半導(dǎo)體基板。由于半導(dǎo)體基板 材料的激光加工閾值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于絕緣膜，因此，在基板材料中將發(fā)生層 離(層間剝離)或碎裂(缺口 )等機(jī)械損傷。因此，加工透明體時(shí)，
應(yīng)考慮使用激光的波長范圍中對透明體的吸收率大的激光波長的U V 超短脈沖激光。uv超短脈沖激光通過以下方式產(chǎn)生，即，使固體激
光器振蕩產(chǎn)生近紅外區(qū)激光，從該輸出激光使用非線性光學(xué)結(jié)晶變換 成高次諧波。但是，由于向高次諧波的變換效率低，因此，當(dāng)使用uv 超短脈沖激光時(shí)，激光能量的利用率極其低下。
現(xiàn)有技術(shù)中提出了通過對加工表面一邊照射水銀燈等的紫外線一 邊照射近紅外線激光來從表面進(jìn)行加工的提案。但是，由于水銀燈光 等照射面積大，即使對加工對象的不要部分也照射了 uv光，因此， 作為精細(xì)功能裝置的加工方法是不適合的，同時(shí)，從水銀燈等現(xiàn)有的
uv光源照射到加工物體表面的功率密度小，實(shí)際進(jìn)行效果觀察存在
實(shí)質(zhì)上的困難。
專利文件1美國再發(fā)行專利第37585號說明書

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的課題
本發(fā)明所要解決的問題在于，提供一種在使用超短脈沖激光對半 導(dǎo)體基板等上的透明體從表面高精度實(shí)施加工時(shí)能夠減少透射透明體 的光量同時(shí)將加工效率提高至高效率的加工方法和加工裝置。
解決課題的方法
為了解決上述課題，本發(fā)明涉及一種基于激光的加工方法，其特 征在于包括產(chǎn)生第一激光的步驟，所述第一激光為具有第一波長的 超短脈沖；將所述第一激光能量的一部分變換成第二激光的步驟，所 述第二激光為具有第一波長高次諧波的第二波長的超短脈沖；對第一 激光相對于第二激光賦予時(shí)間延遲的步驟；將第一激光及第二激光在 同軸上聚光的步驟；以及，對加工對象物照射被聚光的第一激光及第 二激光的步驟。另外，其特征在于，所述時(shí)間延遲為100ps以內(nèi)。 另外，其特征在于，第一波長為超過500nm的波長，第二波長為 500nm以下的波長。
另外，其特征在于，所述加工對象物至少相對于第一波長是透明的。
另外，其特征在于，所述加工對象物體為由基板和透明層構(gòu)成的 物體的所述透明層部分，所述透明層形成于基板表面的至少一部分上 并至少相對于第一波長是透明的。
另外，其特征在于，所述透明層為絕緣體。
另外，其特征在于，所述基板為半導(dǎo)體基板。另一方面，本發(fā)明涉及一種激光加工裝置，其特征在于包括激 光發(fā)生裝置，其產(chǎn)生第一激光，所述第一激光為具有第一波長的超短 脈沖；波長變換裝置，其將所述第一激光能量的一部分變換成第二激 光，所述第二激光為具有第一波長高次諧波的第二波長的超短脈沖； 延遲發(fā)生裝置，其對第一激光相對于第二激光賦予時(shí)間延遲；聚光裝 置，其將第一激光及第二激光在同軸上聚光。
另外，其特征在于，所述延遲發(fā)生裝置的所述時(shí)間延遲為100ps 以內(nèi)。
另外，其特征在于，第一波長為超過500nm的波長，第二波長為 500nm以下的波長。
另外，其特征在于，所述延遲發(fā)生裝置通過對第一激光賦予比第 二激光更長的光路長度來實(shí)現(xiàn)。
發(fā)明的效果
通過將第一脈沖激光的一部分變換成高次諧波以產(chǎn)生第二脈沖激 光，并且對第一脈沖激光賦予時(shí)間延遲，兩個(gè)激光在同軸上聚光并對 加工物體進(jìn)行照射，由此，能夠提高用去除加工量相對于照射能量的 比例求得的加工效率。
另外，由于加工對象物相對于第一脈沖激光是透明的，因而能夠 減少第 一激光透射加工對象物的光量，特別是當(dāng)透明的加工對象物形成于基板上的情況下，能夠減輕給該基板帶來的損傷。


圖1是實(shí)施與本發(fā)明有關(guān)的多波長激光照射的方法和裝置構(gòu)成的 說明圖。
圖2示出了使多波長重疊照射時(shí)的延遲時(shí)間改變情況下的去除加 工量。
圖3示出了使多波長重疊照射時(shí)的延遲時(shí)間改變情況下的第一激 光的透射率。
附圖標(biāo)記的說明
1. 激光振蕩部
2. 近紅外線激光輸出光束
3. 波長板
5. 波長變換部
6. 雙波長激光
7. 波長分割濾波器
8. 近紅外激光(第一激光)
9. UV激光(第二激光) 11、 12、 15.全反射鏡
19. 光3各迂回單元
13. 聚光點(diǎn)
14. 透明體
16. 聚光透鏡
17. 波長合成濾波器
18. 照射用激光
20. 力口工物體 22.基板
31.透明體表面
具體實(shí)施方式
下面參照圖l對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。圖l示出了產(chǎn)生多波長脈 沖激光的構(gòu)成例。作為激光放大介質(zhì)的摻鈦藍(lán)寶石(中心波長為
780nm)等，從近紅外區(qū)的波長為700nm至980nm波長范圍的鎖才莫激 光器、或者摻鉺或鐿的光纖維激光器的鎖模輸出使用非線性光學(xué)晶體 使振蕩頻率翻倍，用鈦藍(lán)寶石的放大介質(zhì)對其進(jìn)行放大，把振蕩出超 短脈沖的近紅外線激光的激光振蕩部l作為激光源使用。超短脈沖是 指^^沖寬度在100ps以內(nèi)的脈沖。
對來自激光振蕩部1的近紅外線激光輸出光束2使用波長板(例 如二分之一的波長板)3,在轉(zhuǎn)動(dòng)偏光面方向的、由非線性光學(xué)晶體構(gòu) 成的波長變換部5中產(chǎn)生基本波波長的二分之一、三分之一、或者四 分之一的UV(紫外線)激光。由于通過使用眾所周知的波長更換技 術(shù)可以產(chǎn)生UV激光，因此在此省略該變換技術(shù)的詳細(xì)說明。由于非 線性光學(xué)結(jié)晶的晶軸方向與變換前的激光的直線偏光面的相對位置關(guān) 系將影響高次諧波產(chǎn)生的變換效率，因此設(shè)置波長板3以用于調(diào)節(jié)變 換效率。近紅外線激光輸出光束2通過波長變換部5內(nèi)時(shí)成為未作波 長變換而通過的基本波成分的第一激光8、和變換為UV光的第二激 光9。兩者的比例由變換效率來決定，適當(dāng)比率混合的雙波長激光6 以同軸配置得到。
此雙波長激光6通過波長分割濾波器7分為第二激光9和第一激 光8的成分。第二激光9被波長分割濾波器7反射并朝向波長合成濾 波器17。另一方面，近紅外的第一激光8通過濾波器7經(jīng)由具有全反 射鏡ll, 12的光路迂回單元19朝向波長合成濾波器17。由于通過光 路迂回單元19,第一激光8行走了比第二激光9更長的光路，由此賦 予了與光路差行走時(shí)間對應(yīng)的延遲時(shí)間。通過賦予光路差這樣筒單的 構(gòu)成能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)間延遲，此外通過改變光路差能夠改變延遲時(shí)間。第 一激光8和第二激光9通過波長合成濾波器17進(jìn)行合成，作為照射用 激光18再次配置在同軸上。
在波長變換部5的輸出時(shí)刻，雙波長激光6作為近紅外的第一激 光脈沖和作為UV的第二激光脈沖在時(shí)間上充分重疊，但是在照射用 激光18中，第二激光9的脈沖一方，主脈沖部分先到達(dá)全反射鏡15，而第一激光8的脈沖晚到達(dá)全反射鏡15。雙波長激光在空間上重疊地 射入聚光透鏡16。然后，照射到加工物體20的表面或內(nèi)部形成的聚 光點(diǎn)13,通過作為UV的第二激光9和作為近紅外的第一激光8與加 工物體20之間的互相作用，來精密地實(shí)施有效的精細(xì)加工。
加工物體20優(yōu)選為至少對于第一激光是透明的物體?；蛘呤侨鐖D 1所示由基板22和在其表面的至少一部分上形成的、至少對于第一激 光是透明的透明體14構(gòu)成的物體。在此，透明不限于一定是100%的 光透射的意思，也包含能夠某種程度透射的情形。透明體14例如為玻 璃等絕緣體，或者，基板22例如為硅等半導(dǎo)體基板。在透明體14的 表面或內(nèi)部確定聚光點(diǎn)13并照射激光。
在對所述構(gòu)造的加工物體20只照射近紅外的長波長的激光的情 況下，在透明體14的表面31中，在超出加工閾值的功率密度的情況 下對表面進(jìn)行加工。另一方面，在透明體14內(nèi)部形成聚光點(diǎn)，在該聚 光點(diǎn)的電場很強(qiáng)的情況下，在透明體內(nèi)部將產(chǎn)生絕緣破壞，形成密度 變化或缺陷。在任一情形都對加工物體只集聚近紅外激光的情況下， 由于通過多光子吸收等非線性吸收作用不能吸收所有的激光能量，因 此殘留的一部分激光能量進(jìn)一步透射到基板22的內(nèi)部。
另 一 方面，在將UV激光與近紅外激光合起來進(jìn)行照射的情況下， 大多數(shù)透明體都是激光不侵入內(nèi)部，而是在表面附近^^皮吸收。
當(dāng)設(shè)有時(shí)間延遲并用使UV和近紅外重疊的激光進(jìn)行照射時(shí)，與 只用單一波長的激光進(jìn)行照射相比，提高了加工精度，增加了加工去
除量。這是因?yàn)橥ㄟ^UV激光在透明體表面產(chǎn)生自由電子等離子體， 接著，纟皮照射的近紅外激光通過逆制動(dòng)放射#:吸收。此時(shí)，由于近紅 外激光除了多光子吸收之外還通過逆制動(dòng)放射被吸收，因此，與只照 射近紅外激光的情形相比，能量的吸收量增大，結(jié)果提高了去除加工 效率(去除加工體積/照射能量)。提高去除加工效率的時(shí)間延遲用電 子-光柵(格子)的緩和時(shí)間來決定，約為100ps以下。
通過改變近紅外的第一激光的功率和UV的第二激光的功率的比 例，能夠使預(yù)期的加工部的特性最優(yōu)化。改變該功率比例的情況下， 轉(zhuǎn)動(dòng)偏光板3來控制非線性光學(xué)結(jié)晶單元的變換效率，進(jìn)而能夠控制兩個(gè)波長的能量比率。實(shí)施例
將鈦藍(lán)寶石結(jié)晶作為激光介質(zhì)，產(chǎn)生處于近紅外區(qū)的波長為
780nm、脈沖寬度為100ps以下的第一激光，此外，使用非線性晶體 BBO產(chǎn)生頻率翻倍成3倍、處于UV區(qū)的波長為260nm的第二激光。 通過使第一激光通過迂回光路來賦予晚于第二激光照射的時(shí)間延遲。 而且，通過透鏡聚光后照射到鈉玻璃。設(shè)第一激光脈沖為15/J、第二 激光脈沖為10/J。
第一激光發(fā)生裝置的激光介質(zhì)除了鈦藍(lán)寶石晶體(中心波長為 780nm)之外，還可以使用摻鉺纖維、摻鐿纖維、Nd : YAG結(jié)晶、Nd : YV04結(jié)晶、Nd : YLF結(jié)晶等。
圖2示出了透明體的去除加工體積對延遲時(shí)間的依賴性。在該圖 中橫軸為第一激光(波長780nm)相對于第二激光(波長為260nm) 的照射時(shí)間延遲?？v軸為激光每脈沖的去除加工體積。但是，260nm + 780nm的去除加工體積為本實(shí)施例的去除加工體積。260nm的去除加 工體積為單獨(dú)照射第二激光(波長為260nm)情況下的去除加工體積、 780nm的去除加工體積為單獨(dú)照射第一激光(波長為780nm)情況下 的去除加工體積。當(dāng)賦予時(shí)間延遲時(shí)，激光每脈沖的去除加工體積增 大了。即，當(dāng)延遲約lps以上時(shí)，每脈沖能量的去除加工體積增大為 同時(shí)進(jìn)行照射時(shí)去除體積的3倍以上。即，與對透明體分別地照射各 激光的情況相比取得了 3倍以上的高加工效率。另外，示出了為了取 得最大的去除加工效率，存在著最優(yōu)的延遲時(shí)間。
圖3示出了第一激光透射率對時(shí)間延遲的依賴性。在該圖中，橫 軸為第一激光(波長為780nm)相對于第二激光(波長為260nm)的 時(shí)間延遲。另外，縱軸為第一激光的透射光量，是相對于單獨(dú)照射第 一激光時(shí)的相對值。當(dāng)賦予時(shí)間延遲時(shí)透射率降低。透射率降4氐的時(shí) 間延遲與所述去除加工效率增加的時(shí)間延遲相同。該第 一激光透射率 的降低，在對具有薄膜狀的透明體的半導(dǎo)體裝置等進(jìn)行加工時(shí)是非常 重要的，減小了對作為基底的半導(dǎo)體等基板的損傷。即，通過使用本發(fā)明，在對以半導(dǎo)體為代表的各種裝置進(jìn)行薄膜去除加工時(shí)，可以提 高加工效率，而且可以實(shí)現(xiàn)減小對基底的半導(dǎo)體等基板造成損傷的高 質(zhì)量加工。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性
作為本發(fā)明的活用例子，除了用于半導(dǎo)體裝置的low-k膜等絕緣
膜的去除加工、用于液晶等顯示裝置的透明電極膜的加工、硅片半導(dǎo) 體存儲器冗長性電路的導(dǎo)電環(huán)的電路元件的透明保護(hù)膜的去除加工、 另外，對于從表面進(jìn)行多層構(gòu)造電子元件的層內(nèi)部的去除加工情形下 的精細(xì)且熱影響少的加工也是有效的。也適用于作為保護(hù)層在電路元
件的上部表面形成非活性層的電容器、電阻、電感等的修整、LCD顯 示板的修正加工、PDP顯示裝置的修正加工、電路基板的功能修整及 其他半導(dǎo)體基板的激光精密加工。在高集成電路制造中，由于加工寬 度的微小化、加工去除物的減少等、且產(chǎn)品的成品率提高，從而可以 降低電子部件的制造成本。此外，即使在石英、藍(lán)寶石等半導(dǎo)體裝置 基板的孔加工中也是有效的。
權(quán)利要求
1. 基于激光的加工方法，包括產(chǎn)生第一激光的步驟，所述第一激光為具有第一波長的超短脈沖；將所述第一激光能量的一部分變換成第二激光的步驟，所述第二激光為具有第一波長高次諧波的第二波長的超短脈沖；對第一激光相對于第二激光賦予時(shí)間延遲的步驟；將第一激光及第二激光在同軸上聚光的步驟；對加工對象物照射被聚光的第一激光及第二激光的步驟。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于激光的加工方法，所述時(shí)間延遲為 lOOps以內(nèi)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的基于激光的加工方法，第一波長為超 過500nm的波長，第二波長為500nm以下的波長。
4. 如權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)所述的基于激光的加工方法，所述 加工對象物至少相對于第一波長是透明的。
5. 如權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)所述的基于激光的加工方法，所述 加工對象物為由基板和透明層構(gòu)成的物體的所述透明層部分，所述透明層形成于基板表面的至少一部分上且至少相對于第一波長是透明 的。
6. 如權(quán)利要求5所述的基于激光的加工方法，所述透明層為絕緣體。
7. 如權(quán)利要求5或6所述的基于激光的加工方法，所述基板為半 導(dǎo)體基板。
8. 激光加工裝置，包括激光發(fā)生裝置，其產(chǎn)生第一激光，所述第一激光為具有第一波長 的超短脈沖；波長變換裝置，其將所述第一激光能量的一部分變換成第二激光， 所述第二激光為具有第 一波長高次諧波的第二波長的超短脈沖； 延遲發(fā)生裝置，其對第一激光相對于第二激光賦予時(shí)間延遲； 聚光裝置，其將第一激光及第二激光在同軸上聚光。
9. 如權(quán)利要求8所述的激光加工裝置，所述延遲發(fā)生裝置的所述 時(shí)間延遲為100ps以內(nèi)。
10. 如權(quán)利要求8或9所述的激光加工裝置，第一波長為超過 500nm的波長，第二波長為500nm以下的波長。
11. 如權(quán)利要求8至IO任意一項(xiàng)所述的激光加工裝置，所述延遲 發(fā)生裝置通過對第一激光賦予比第二激光更長的光路長度來實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于超短脈沖有效地進(jìn)行加工的方法。將第一激光超短脈沖光和第二激光超短脈沖光照射到加工物體，所述第一超短脈沖光具有近紅外的第一波長；所述第二超短脈沖光具有從第一激光超短脈沖光通過使用非線性光學(xué)晶體單元進(jìn)行波長變換得到的紫外區(qū)的第二波長。此時(shí)對第一激光賦予100ps的時(shí)間延遲并進(jìn)行照射。由此能夠增大加工效率(加工量相對于照射能量的比例)，減少第一激光穿過物體的光量，從而減小對基底的損傷等，使加工質(zhì)量提高。
文檔編號B23K26/04GK101293307SQ20081009461
公開日2008年10月29日 申請日期2008年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月27日
發(fā)明者住吉哲實(shí), 辻川晉, 鐮田將尚 申請人:彩覇陽光株式會(huì)社