專利名稱：用于微加工的脈沖時間可程序化超快突發(fā)模式激光的制作方法
技術領域：
本發(fā)明揭示有關于激光微加工(laser micromachining)。特別是關于使用超快激光脈沖的突發(fā)(burst)的激光系統(tǒng)及方法。
背景技術：
在半導體存儲器陣列晶片制造完成之后，晶片曝光表面上的集成電路(IC)圖案是以一鈍化材料(passivating material)的電性絕緣層密封。典型的鈍化材料包括合成樹脂(resin)或者諸如聚亞酰胺(polyimide)的熱塑性塑膠聚合物(thermoplastic polymer) 0此最后"鈍化(passivation)"層的目的在于防止晶片表面與周遭濕氣產(chǎn)生化學反應、防護表面受環(huán)境微粒影響、以及吸收機械應力。鈍化密封之后，晶片被安置于一電子封裝之中，該電子封裝內(nèi)嵌允許該存儲器單元被以探針檢測及功能性測試的金屬連接。當一備用存儲器單元被判定故障之時，其通過切斷該單元連接其在陣列中的鄰接單元的金屬連接，或稱導線，以禁能該單元。通過"連接處理"或者"連接燒斷"對個別存儲器單元加以禁能系利用能夠控馭激光光束能量的激光微加工設備達成，以選擇性地在范圍高度集中的小區(qū)域內(nèi)移除連接材料而不致?lián)p傷移除標的鄰近、下方、或上方的材料。選擇性地處理一指定連接的實行可以是通過改變激光光束波長、光斑尺寸、脈沖重復率(pulse repetition rate)、脈沖形狀、或者影響能量傳送的其他空間或時間射束參數(shù)。需要對存儲器陣列或者其他形式IC晶片中的導電連接進行后處理的激光微加工制程是運用具有快速上升前緣(例如，具有1至2納秒(nanosecond)上升時間)的陡峭脈沖以達成預定的品質(zhì)、良率、以及可靠度。為了干凈俐落地切斷一連接，激光脈沖在切穿金屬連接之前先穿透上方疊覆鈍化層。現(xiàn)有固態(tài)激光的典型脈沖的上升緣隨著脈沖寬度而改變。在連接處理中使用一具有5至20納秒脈沖寬度和一和緩傾斜上升前緣的傳統(tǒng)高斯型態(tài)激光脈沖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 IC晶片的可靠度。上方疊覆鈍化層的破裂反應已由Yimlong Sim在其題為"半導體式元件的激光處理最佳化(Laser processing optimization of semiconductor based devices)“的博士論文(1997，Oregon研究院)中充分地加以分析。由于鈍化層厚度是一重要的參數(shù)，一特定鈍化層材料的最佳厚度可以由基于Sim的分析的模擬而決定。在IC生產(chǎn)期間，維持鈍化層晶圓層次制程控制的困難度可能導致非最佳化的厚度以及晶圓與晶圓間較差的厚度一致性。因此，在后處理中所使用激光脈沖的最佳化特性可以有助于鈍化層的錯置尺寸以及變異源頭的補償。編號No. 6，281，471的Smart所提的美國專利案提出在連接處理中使用大致方波形狀的激光脈沖。此一陡峭信號緣脈沖可以通過將一主振蕩器激光連接一光纖放大器(MOPA)而產(chǎn)生。此低功率主振蕩器運用一二極管激光，其能夠產(chǎn)生一具有快速上升時間的方波形狀脈沖。另一方面，受讓予本專利申請案受讓人，由Yimlong Sim等人提申的編號No. 7，348，516的美國專利案指出，雖然一大致方波形狀的激光脈沖具有一垂直上升緣，但其并非用于連接處理的最佳激光脈沖形狀。反之，Sim等人在一實施例中揭示使用一形狀類似椅子的特制激光脈沖形狀，其具有一快速上升的峰值或者多重峰值以有效地處理連接，且信號強度之后急遽下降，而在關閉之前平穩(wěn)維持于一較低的功率位準。此一特制激光脈沖，具有高峰值功率但低平均功率，經(jīng)由所謂的脈沖分截(pulse slicing)技術成功產(chǎn)生，可以通過光電式調(diào)變(electro-optical modulation ；簡稱Ε0Μ)或聲光式調(diào)變 (acousto-optical modulation ；簡稱Α0Μ)實施。舉例而言，一傳統(tǒng)的主動式Q型開關固態(tài)激光提供具有高強度及高脈沖能量的納秒級種子脈沖，且隨后一光回圈分截裝置將一標準激光脈沖轉換成一預定的特制脈沖形狀。由Xiaoyuan Peng等人提申，受讓予本專利申請案受讓人的編號No. 12/057，沈4 美國專利申請案教示一光回圈分截機制，實施于一諸如用于半導體連接處理的紫外線(UV) 激光系統(tǒng)。或者，一特制激光脈沖可以由使用一增益光纖(gain fiber)做為功率放大器的 MOPA產(chǎn)生。使用MOPA的優(yōu)點在于其在一特定的固定頻率下構建出一穩(wěn)定的信號源。由Pascal Deladurantaye提申的美國專利申請案No. 2006/0159138描述一種成形脈沖激光，其中二調(diào)變器塑造一連續(xù)波(continuous wave ；簡稱CW)光射束的形狀以產(chǎn)生各種不同形狀的脈沖。然而，從一 CW光射束產(chǎn)生脈沖激光相當沒有效率，且因此需要更多的放大動作。由于此一低峰值信號可以被雜訊影響，其造成脈沖與脈沖間的不穩(wěn)，故該二調(diào)變器最好彼此同步以維持脈沖穩(wěn)定性和能量穩(wěn)定性，從而進一步增加復雜度和成本。以上的系統(tǒng)及方法基本上使用具有納秒范圍脈沖寬度的激光脈沖。但脈沖寬度在納秒范圍的Iym和1.3μπι激光波長具有許多缺點。舉例而言，此種紅外線(IR)激光光束對一高導電性金屬連接的能量耦合效率極差。此外，用于切斷連接的頂激光光束實際可達成的光斑尺寸相當大而限制了連接寬度和連接間距的關鍵尺寸。如同Yunlong Sim在"用于半導體式元件的激光處理最佳化(Laser Processing Optimization for Semiconductor Based Devices)“(未公開發(fā)行的博士論文，Oregon科技研究院，1997)中所詳述，具有納秒級脈沖寬度的傳統(tǒng)激光連接處理可以依靠對連接進行加熱、熔化、以及蒸發(fā)而建立一機械式應力結構以利用單一激光脈沖爆開上方疊覆的鈍化層。此一傳統(tǒng)式連接處理激光脈沖產(chǎn)生一極大的熱影響區(qū)(heat affected zone ；HAZ)，其可能降低包含被切斷連接的元件品質(zhì)。舉例而言，當連接太厚或者連接材料的反射性太高而無法吸收足夠的激光脈沖能量時， 相對于每一激光脈沖需要使用更多能量以切斷連接。增加激光脈沖能量將增加IC晶片的損傷風險，包含在上方疊覆鈍化層中的不規(guī)則或過大開孔、在下方疊覆鈍化層的裂縫、對相鄰連接結構的損傷、以及對硅(Si)基板的破壞。然而，對厚連接使用一無風險范圍內(nèi)的激光脈沖能量通常會造成連接的切斷不完全。因此才產(chǎn)生關于使用超快激光(微微秒(picosecond)或飛秒(femtosecond)激光)處理諸如IC晶片中的連接等半導體材料的研究。然而，單一超快脈沖的高峰值功率可以輕易地損傷疊覆于其下的Si基板，此在許多應用中是無法接受的。由超快激光造成的高峰值功率基板損傷問題的解決辦法之一是使用具有較小峰值功率的超快脈沖的突發(fā)或者串列。一脈沖串列同時也具有在材料中產(chǎn)生較小有效光斑尺寸的效應。使用一連串超快脈沖的問題之一在于許多市面上可取得的使用脈沖選擇器(pulse picker)的超快激光具有千赫(kilohertz)范圍的脈沖重復率。不使用脈沖選擇器，一鎖模激光(mode-locked laser)運作于一基本上位于數(shù)十兆赫(megahertz ；即MHz)范圍的固定重復率。此一重復率可能難以套用于連接，因為平臺移動的速度通常大約每秒400毫米(mm/s)，此使得激光光斑可以在小于大約500納秒內(nèi)即飛越一目標連接。因此，脈沖串列應用中所使用的激光可能需要起碼大約IOOMHz的脈沖重復率。由Bo Gu等人提申的美國專利申請案No. 2007/0199927中，其使用具有至少一脈沖的激光，該脈沖的脈沖持續(xù)時間的范圍介于大約10微微秒與小于大約1納秒之間。來自Lumera Laser GmbH公司的Achim Nebel等人曾展示一種被動式鎖模激光，其使用數(shù)位時序控制以產(chǎn)生脈沖序列或群集。參見"產(chǎn)生用于微加工的微微秒脈沖串列(feneration of Tailored Picosecond-Pulse-Trains for Micro-Machining)“，其發(fā)表于 Photonics West2006, LASE Conference :超快激光的商業(yè)及生醫(yī)應用(Commercial and Biomedical Applications of Ultrafast Lasers) VI Paper No. 6108—37。由 Achim Nebel ·入)^ ^ 的系統(tǒng)是基于通過高電壓光電式(EO)脈沖選擇器所產(chǎn)生的一種"雙開關"機制，其驅動一通過一波克斯盒(Pockels cell)半波的電壓并在一個周期中產(chǎn)生二個HV脈沖。介于脈沖群集間的延遲時間是可以改變的。此功能對于材料處理提供一定程度的彈性。然而，一脈沖突發(fā)的波封(envelope)是無法改變的，此限制了該系統(tǒng)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。由于腔體長度極長，機械及熱能上的需求相當高，一 80MHz鎖模腔通常超過1公尺。

發(fā)明內(nèi)容
在一實施例中，一激光系統(tǒng)配置以利用超快激光脈沖的選擇性成形突發(fā) (selectively shaped burst)處理一材料。此系統(tǒng)包含一突發(fā)式脈沖激光(burst pulse laser)，配置以發(fā)射一由一選擇性成形突發(fā)波封所界定的三或多個激光脈沖的突發(fā)。上述的突發(fā)式脈沖激光更進一步配置以選擇性地在該突發(fā)波封內(nèi)調(diào)整介于該三或多個激光脈沖間的時間間隔以及該突發(fā)波封的時間寬度。此系統(tǒng)也包含一或多個放大器，配置以放大該三或多個激光脈沖群組以獲得該突發(fā)波封的一預定形狀。在某些實施例中，該突發(fā)式脈沖激光包含一用以發(fā)射一連串激光脈沖的激光源(laser source)，以及一接收該連串激光脈沖的光學調(diào)變器(optical modulator)。該光學調(diào)變器配置以在振幅上調(diào)變該連串激光脈沖，以產(chǎn)生上述由該選擇性成形突發(fā)波封所界定的三或多個激光脈沖的突發(fā)。在另一實施例中，一種以超快激光脈沖的選擇性成形突發(fā)處理材料的方法包含在一第一重復率提供一連串激光脈沖、依據(jù)一選擇性成形的突發(fā)波封調(diào)變該連串激光脈沖、 以及選擇性地調(diào)整在該突發(fā)波封內(nèi)的三或多個激光脈沖間的間隔。上述的調(diào)變包含針對振幅調(diào)整在該突發(fā)波封內(nèi)的三或多個激光脈沖。參照以下較佳實施例的詳細說明，本發(fā)明的進一步特色及優(yōu)點將更趨于明顯，該等說明是配合所附的圖式進行。


圖1是依據(jù)一實施例的具有可程序化突發(fā)式脈沖激光的激光系統(tǒng)的功能方塊圖。圖2是依據(jù)一實施例的一超快激光源的功能方塊圖，其包含一高速分散式回饋二極管(distributed feedback diode)。圖3是一典型光纖鎖模主振蕩器的功能方塊圖，依據(jù)一實施例，其可以被使用做為圖1的超快激光源。圖4圖繪式地例示可以依據(jù)某些實施例產(chǎn)生的示范性突發(fā)波封。圖5是依據(jù)一實施例的可被上述激光系統(tǒng)使用以產(chǎn)生成形突發(fā)波封的一種子激光的功能方塊圖。圖6是依據(jù)一實施例的一激光系統(tǒng)的功能方塊圖，其具有一種子激光，該種子激光選擇性地結合一第一超快激光源與一第二超快激光源的輸出。圖7A、圖7B、及圖7C分別是依據(jù)某些實施例實施不同組態(tài)的前置放大器 (pre-amplifier)(階段1)以及功率放大器(階段2)的激光系統(tǒng)的功能方塊圖。圖8是依據(jù)一實施例的激光系統(tǒng)的功能方塊圖，其包含一用以進行波長轉換的諧振產(chǎn)生器(harmonic generator)。圖9A、圖9B、圖9C及圖9D例示依據(jù)某些實施例的一激光光束與一工件間各種不同的交互作用實例。
具體實施例方式依據(jù)一實施例，一激光處理系統(tǒng)以一時間可程序化突發(fā)模式產(chǎn)生超快激光脈沖。 一突發(fā)式脈沖激光包含一高重復率超快激光，配置以發(fā)出一脈沖串列，該串列中的每一脈沖均具有一獨立控制的振幅。在脈沖群集或"突發(fā)"中每一超快脈沖的個別振幅，配合介于脈沖間的間隔，界定出一"突發(fā)波封"。除了脈沖突發(fā)中每一超快脈沖振幅的獨立控制之外，該系統(tǒng)同時也可以提供針對介于每一超快脈沖間的間隔及/或突發(fā)波封的整體時間寬度的選擇性控制。因此，該系統(tǒng)提供用于特定激光處理應用的突發(fā)波封的選擇性成形。由于脈沖群集內(nèi)的每一超快脈沖均可以具有微微秒范圍或者甚至飛秒范圍的時間寬度，故該激光系統(tǒng)可以使用于諸如高效率及高品質(zhì)的材料加工。在某些實施例中，如以下所詳述，該激光系統(tǒng)包含一具有超快激光源的種子激光以及一用以成形突發(fā)波封的高速光學調(diào)變器。此激光系統(tǒng)也包含一或多個放大器級以在該系統(tǒng)施加脈沖至一工作表面之前先放大激光脈沖的成形突發(fā)。上述的超快激光源可以包含一半導體激光、一光纖激光、或者一固態(tài)激光。在某些實施例中，該超快激光源可以是一線性偏極化的窄頻寬激光源。因此，該系統(tǒng)可以使用諧振產(chǎn)生以提供較短的波長及/或使用拉曼光譜(Raman)和光學參數(shù)產(chǎn)生(optical parametric generation ；ΟΡΟ)以提供較長的波長。其可以通過使用例如脈沖選擇、高速調(diào)變、在半導體增益開關超快激光情形下的種子源電性調(diào)變、或者前述方式的組合以獲得可程序化的形狀。一前置放大器可以包含，舉例而言，光子晶體(photonic crystals)、大模數(shù)區(qū)(large mode area ；簡稱LMA)增益光纖、或者一單模增益光纖。一后置放大器(功率放大器)可以包含，舉例而言，一固態(tài)增益介質(zhì)。 如以下所述，在某些實施例中，上述的前置放大器和后置放大器可以包含光纖或固態(tài)放大器的任意組合。揭示于本說明書的實施例提供多樣性的超快激光源以套用于許多不同應用中的高品質(zhì)材料處理。以下的說明將參照所附的圖式進行，圖式中相同的參考編號代表相同的構件。為了清楚起見，每一參考編號的第一個數(shù)字均表示其對應構件首次出現(xiàn)的圖式編號。在以下的說明中，其提供許多特定的細節(jié)以對所揭示的實施例能有全盤了解。然而，本領域普通技術人員應能體認，此處所述的實施例均能在缺少一或多個上述細節(jié)下付諸實現(xiàn)，或者是以其他方法、組件、或者材料達成之。此外，在一些情況中，現(xiàn)有的結構、材料、或動作均未顯示于圖中或者不做詳細的描述，以免混淆實施例的特色。另一方面，所揭示的特征、結構、或者特性均可以以任何適當?shù)姆绞浇Y合于一或多個實施例當中。圖1是依據(jù)一實施例的一激光系統(tǒng)100的功能方塊圖。激光系統(tǒng)100包含一種子激光110、一前置放大器112、以及一功率放大器114。種子激光110包含一超快激光源116 以及一高速光學調(diào)變器118。超快激光源116提供一連串超快激光脈沖120至高速光學調(diào)變器118。在一實施例中，每一超快激光脈沖120的時間脈沖寬度范圍介于大約300飛秒與大約1納秒之間。超快激光源116以一高重復率提供該超快激光脈沖120。在一實施例中，超快激光源116運作的重復率范圍介于大約IHz (赫茲)與大約IOOkHz (千赫茲)之間。在其他實施例中，其重復率范圍介于大約IOOkHz與大約80MHz (兆赫)之間。由此處的揭示，本領域普通技術人員應能體認出其也可以使用更高的重復率。舉例而言，在某些實施例之中，其可以使用高達500MHz或更高的重復率。在另一實施例中，其重復率可以高達大約IOGHz (千兆赫)或者更高。在一實施例中，超快激光源116包含一高速超快半導體二極管。舉例而言，圖2是依據(jù)一實施例的一超快激光源116的功能方塊圖，其包含一高速分散式回饋(簡稱DFB) 二極管210。該DFB 二極管210是由一高速驅動器214產(chǎn)生的種子脈沖信號212調(diào)變以在一高重復率提供該連串超快激光脈沖120。在某些實施例中，激光源116包含一光學調(diào)變器。 舉例而言，激光源116可以包含一 20GHz頻寬的調(diào)變器，其能夠提供50微微秒的脈沖寬度。 本領域普通技術人員應能由此處的揭示體認出上述的光學調(diào)變器可以運作于20GHz以上或以下。舉例而言，在一實施例中，該光學調(diào)變器可以運作于一高達大約40GHz的頻寬。使用此DFB 二極管210做為激光源116在一小巧且堅固的架構下提供寬可調(diào)性、 窄線寬、以及高輸出功率。舉例而言，該DFB 二極管210內(nèi)部的一頻率選擇構件(未顯示于圖中)，諸如一布雷格光柵(Bragg grating)，被整合入半導體的有效區(qū)段中。因此，其在不使用任何大型光學模組下達成單頻率運作以及高同調(diào)性(coherence，例如，其同調(diào)長度的范圍介于大約50米及大約200米之間)，使得該DFB 二極管210特別適合使用于嚴酷的工業(yè)環(huán)境下或者是用于空中傳播的應用。依據(jù)某些實施例，顯示于圖2中的DFB 二極管210可以通過改變溫度(例如，通常其調(diào)整率大約是25GHz/K)或者運作電流(例如，通常其調(diào)整率是從大約lGHz/mA到大約 2GHz/mA)而加以調(diào)整。雖然電流調(diào)整較適于快速調(diào)變的作業(yè)，但熱能調(diào)整具有提供極大的免于模式跳躍(mode-hop free)的調(diào)整范圍(例如，高達大約1200GHz)的優(yōu)點。一般而言， 一 DFB激光的波長是通過改變激光電流或者是晶片溫度而加以調(diào)整。電性調(diào)變適合于在一小范圍內(nèi)的快速頻率掃描(例如，對于范圍介于大約0. 1納米及大約0.2納米之間的線寬， 而調(diào)變頻率在kHz到MHz的范圍內(nèi))。高達大約3納米的較大調(diào)整范圍是通過改變激光溫度達成，通常在一大約40°C的區(qū)間中。舉例而言，該DFB 二極管210可以是一配備偏極化保持(polarization maintaining ；PM)光纖耦合器(未顯示于圖中)的DFB 二極管，其可以自德國Munich的 Toptica Photonics AG公司取得。舉另一實例，二極管210可以包含一超快增益開關式二極管，具有一提供50微微秒脈沖寬度的直接調(diào)變源，如德國Berlin的PicoQuant GmbH公司所展示?；氐綀D1，在其他實施例中，上述的超快激光源116可以包含一固態(tài)超快激光、一被動式鎖模光纖主振蕩器、一多重光纖主振蕩器的組合、一被動式鎖模半導體激光、或者任何其他高重復率的超快激光。舉例而言，圖3是一典型光纖鎖模主振蕩器的功能方塊圖，依據(jù)一實施例，其可以被使用做為圖1的超快激光源116。在如圖3所顯示的實例之中，光纖鎖模主振蕩器包含一單模增益光纖(簡稱SMF) 310，其構成一激光諧振器(laser resonator)，該激光諧振器在一端終結于一半導體飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirror ；簡稱SESAM)312而在另一端終結于諸如一光纖光柵314的波長選擇器。 增益光纖310，舉例而言，被一激光二極管(未顯示于圖中)所激發(fā)，其輸出經(jīng)由一分波多工器(wavelength division multiplexer ；WDM) 316被導入該諧振器。運作之時，圖3所示的光纖鎖模主振蕩器以一高重復率產(chǎn)生如前所述的該連串超快激光脈沖120。光纖鎖模主振蕩器的脈沖重復率是由諧振器的長度所決定。如圖1所示，該連串超快激光脈沖120被輸入至上述高速光學調(diào)變器118，其獨立地調(diào)整每一脈沖的振幅，以得到用于一特定材料處理應用的預定突發(fā)波封形狀。高速光學調(diào)變器118可以被程序設定以控制波封內(nèi)的超快脈沖的時間間隔、突發(fā)波封的時間寬度、 及/或突發(fā)波封的振幅和特定形狀。其可以通過使用例如脈沖選擇(例如，選擇脈沖以控制脈沖間的距離或者脈沖重復頻率)、高速調(diào)變、在半導體增益開關超快激光情形下的種子源電性調(diào)變、或者前述方式的組合以獲得可程序化的突發(fā)波封。在一實施例中，高速光學調(diào)變器118包含一馬赫-任德光干涉儀(Mach-Zehnder interferometer)(未顯示于圖中)， 其調(diào)變該連串超快激光脈沖的功率以得到一預定的突發(fā)波封。依據(jù)一實施例，突發(fā)波封的時間寬度范圍是介于大約10微微秒以及大約1納秒之間。在其他實施例中，突發(fā)波封的時間寬度范圍是介于大約1納秒以及大約10納秒之間。 在其他實施例中，突發(fā)波封的時間寬度范圍是介于大約10納秒以及大約100納秒之間。在其他實施例中，突發(fā)波封的時間寬度范圍是介于大約100納秒以及大約1微秒之間。取決于特定應用，突發(fā)波封可以具有其他時間寬度。在一實施例中，突發(fā)波封的上升時間及/或下降時間小于1納秒。例如，其上升時間及/或下降時間的范圍可以是介于大約10微微秒及大約1納秒之間。不同的應用也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/或下降時間的范圍可以是介于大約1納秒及大約5納秒之間。激光系統(tǒng)提供具有快速上升時間及/或下降時間的突發(fā)波封的能力對于諸如連接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(chǎn)生過度凹陷的風險。前置放大器112以及功率放大器114對高速光學調(diào)變器118輸出端的超快激光脈沖成形突發(fā)提供適當?shù)姆糯?。依?jù)某些實施例，前置放大器112可以包含光子晶體、LMA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114包含一固態(tài)增益介質(zhì)。如以下所述，在某些實施例中，前置放大器112和功率放大器114可以包含光纖或固態(tài)放大器的任意組合。圖4圖繪式地例示依據(jù)某些實施例可以產(chǎn)生的示范性突發(fā)波封。雖然圖4僅例示十種不同突發(fā)波封的形狀(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、⑴、及(j)，本領域普通技術人員應能體認此等例示的形狀僅用于舉例，依據(jù)揭示于此的系統(tǒng)及方法，其可以產(chǎn)生任何數(shù)量的不同突發(fā)波封形狀。此外，如上所述，所選擇的波封的形狀可以是基于一特定的材料處理應用。舉例而言，受讓予本專利申請案受讓人，由Yimlong Sim等人提申的編號 No. 7，348，516的美國專利在其一實施例中描述其使用一形狀類似椅子的特制激光脈沖形狀，具有一快速上升的峰值或者多重峰值以有效地處理連接，且信號強度之后急遽下降，而在關閉之前平穩(wěn)維持于一較低的功率位準。此一椅子形狀的脈沖對應至圖4中所示的突發(fā)波封形狀(h)。在其他材料處理應用中，其可以使用多重峰值，諸如顯示于圖4中的突發(fā)波封形狀(c)、(d)、及(e)，以相繼地對材料加熱，移除一部分材料以形成一切口，并清理該切口。由于超快激光源116結合高速光學調(diào)變器118能夠提供在其波封內(nèi)具有微妙結構的包含超快脈沖的各種不同脈沖形狀，本領域普通技術人員基于本文中的實施例應能針對許多不同應用領會出許多適用的其他突發(fā)波封形狀。圖5是依據(jù)一實施例的可被激光系統(tǒng)100使用以產(chǎn)生成形突發(fā)波封的一種子激光 110的功能方塊圖。圖5所示的種子激光110包含一超快激光源116、一脈沖選擇器510、以及一脈沖整形器(pulse shaper)512。在此實施例中的超快激光源116是一光纖鎖模主振蕩器，如以上參照圖3時所述其包含SMF 310、SESAM 312、光纖光柵314、以及WDM 316。舉例而言脈沖選擇器510可以包含一聲光式(AO)調(diào)變器或一光電式(EO)調(diào)變器，用以改變該連串超快脈沖120的重復率。如前所述，主要鎖模頻率是由諧振器的長度所決定，此對一特定振蕩器而言是固定的。舉例而言，該鎖模頻率可以是大約1GHz，此對于某些材料的處理可能不盡理想。因此，脈沖選擇器510使得由光纖鎖模主振蕩器提供的脈沖以一選擇速率通過以降低其重復率(例如，將其自大約IGHz改變成大約500MHz或更低的頻率，諸如數(shù)個赫茲)，如圖5中的連串超快激光脈沖514所示。舉另一實例而言，其可以在一突發(fā)中的二個超快激光脈沖之間加入額外的時間延遲以利散熱。因此，脈沖選擇器510 可用以選擇性地改變超快激光脈沖間的間隔以在材料處理期間控制熱度。脈沖整形器512可以包含，舉例而言，一 EO調(diào)變器用以選擇性地對該連串超快激光脈沖514中的每一脈沖提供振幅調(diào)變。因此，脈沖整形器512選擇性地塑造突發(fā)波封516 的形狀，如圖5所示。如參照圖1時所述，激光脈沖的成形突發(fā)接著可以在被施加至一工件之前被輸出至前置放大器112及功率放大器114。重復率可以被增加并通過選擇性地結合二或多個超快激光源而進一步加以控制。 舉例而言，圖6系依據(jù)一實施例的一激光系統(tǒng)100的功能方塊圖，其具有一種子激光110，種子激光110選擇性地結合一第一超快激光源610與一第二超快激光源612的輸出。例如， 其可以結合該等輸出以增加輸出至高速光學調(diào)變器118的連串超快激光脈沖120的整體重復率。上述的第一超快激光源610以及該第二超快激光源612可以各自包含本說明書實施例所述的示范性超快激光源或者相關領域中所現(xiàn)有者。在一實施例中，其可以使用一第一脈沖選擇器614以選擇性地降低該第一超快激光源610的重復率，且可以使用一第二脈沖選擇器616以選擇性地降低該第二超快激光源612的重復率。種子激光110同時也可以包含一控制器618連接該第一脈沖選擇器614以及該第二脈沖選擇器616以選擇性地控制各別的重復率。因此，控制器618控制該連串超快激光脈沖120的整體重復率以及該連串超快激光脈沖120內(nèi)任意二脈沖間的時間間隔。如上所述，該連串超快激光脈沖120接著被輸出至高速光學調(diào)變器118以進行突發(fā)波封的成形，而后依序輸出至前置放大器112、以及功率放大器114。圖7A、圖7B、及圖7C分別是依據(jù)某些實施例實施不同組態(tài)的前置放大器112(階段1)以及功率放大器114(階段2)的激光系統(tǒng)100的功能方塊圖。顯示于圖7A、圖7B、及圖7C中的每一示范性實施例均包含種子激光110，如以上參照圖1時所述，以提供選擇性成形的突發(fā)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(tài)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器，而功率放大器114則包含一或多個固態(tài)放大器。雖然未顯示于圖中，但在其他實施例中，圖7C所示的混合式放大器前后結構可以顛倒，使得前置放大器112包含固態(tài)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(tài)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，鐿 (Ytterbium ;Yb)、鉺(Erbium ;Er)、或者釹(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(jù)某些實施例，其可以加入更多級放大器以產(chǎn)生至少lkW(千瓦)的峰值功率輸出。上述的混合式或"串聯(lián)式"架構對于超過IkW的峰值功率等級更形穩(wěn)健，因為其包含大型固態(tài)放大器。圖8系依據(jù)一實施例的激光系統(tǒng)100的功能方塊圖，其包含一用以進行波長轉換的諧振產(chǎn)生器810。激光系統(tǒng)100包含如參照圖1時所述的具有超快激光源116的種子激光110。超快激光源116可以是一線性偏極化的窄頻寬激光源。舉例而言，超快激光源116 可以具有一小于大約1納米的頻寬，且放大器112、114可以用以維持偏極化，其適于非線性轉換以通過諧振產(chǎn)生轉換至較短的波長或者透過拉曼光譜或OPO轉換至較長的波長。因此，其可以利用諧振產(chǎn)生器810以獲得諸如綠光、紫外線(UV)、或者深紫外線(DUV)的波長范圍。本文所揭示的實施例針對材料的激光處理提供一些獨特的優(yōu)點，舉例而言，諸如用于多重疊層半導體元件的處理，其目的在于處理一或多個此等疊層而不致于對元件基板造成損傷。傳統(tǒng)的納秒激光脈沖可能不適合于疊層半導體元件中次微米尺寸的形態(tài)處理， 因為其產(chǎn)生的熱影響區(qū)極大且可能損傷相鄰以及下層的結構。傳統(tǒng)的微微秒激光可能也不適合于半導體疊層的處理，因為所需的巨大峰值功率可能對下層基板產(chǎn)生大量的熱度。因此，本發(fā)明揭示的突發(fā)式脈沖激光110結合納秒及微微秒脈沖型態(tài)的有用特征。通過示范本文所揭示實施例的一些優(yōu)點，圖9A、圖9B、圖9C、及圖9D例示一激光光束910與一工件912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(fā)式脈沖在脈沖峰值功率、熱影響區(qū)、以及相鄰與下層結構熱度的控制上允許極大的彈性。其可以利用一選擇性成形的突發(fā)波封以對材料中的熱分布概況進行有效的控制。圖9A圖繪式地例示上述激光光束910與工件912間的交互作用，此例中的工件 912包含一中央金屬線914和二外側金屬線915，其均位于形成于一硅(Si)基板918上的二氧化硅(Si02)層916之內(nèi)。在此實例中，激光光束910具有一大約1064納米的波長、每一金屬線914、915均約300納米厚、介于線間的距離(間距)大約1微米、而激光光點尺寸大約2. 4微米(激光光點尺寸稍微與鄰接的金屬線915交疊)。在此實例中，其欲利用一第一脈沖或脈沖突發(fā)移除中央金屬線914上層的Si02材料916，以及中央金屬線914的一部分。雖然在此實例未顯示于圖中，但其應理解，后續(xù)的脈沖或脈沖突發(fā)可以移除中央金屬線914的殘余部分。此最好在不傷及環(huán)繞外側金屬線915 的Si02材料916、外側金屬線915本身、或者Si基板918下完成。圖9B、圖9C、及圖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。例示的模擬輸出包含顯示為工件912內(nèi)部光亮區(qū)域的熱影響區(qū)，熱度較強者被表示成相對較亮的陰影。例示的模擬輸出也包含中央金屬線914上的全白區(qū)域，表示已自該位置移除的材料。在圖9B之中，所例示的模擬輸出是施用一具有現(xiàn)有的15微微秒脈沖寬度的單一激光脈沖至工件912的結果。如圖所示，該15微微秒現(xiàn)有脈沖在接近金屬線914、915處產(chǎn)生極小的熱影響區(qū)，且僅加熱于中央金屬線914的上半部。然而，該單一 15微微秒脈沖的巨大峰值功率在下層的Si基板918中產(chǎn)生大量熱度，如圖中的熱影響區(qū)922所示。此外， 由于曝光于激光光束910的邊緣，鄰近金屬線915中也產(chǎn)生顯著的熱度，如圖中的熱影響區(qū) 923所示。在圖9C之中，所例示的模擬輸出是施用一具有現(xiàn)有的25納秒脈沖寬度的單一激光脈沖至工件912的結果。如圖所示，該25納秒脈沖產(chǎn)生一極大的熱影響區(qū)924(擴及相鄰金屬線915)。在圖9D之中，所例示的模擬輸出是依據(jù)所揭示實施例施用一脈沖突發(fā)至工件的結果。如圖所示，施加脈沖突發(fā)產(chǎn)生最符合需要的結果。中央金屬線914上產(chǎn)生的熱影響區(qū)擬6極小，且在Si基板918上無明顯的熱度。此外，鄰近金屬線915中由于曝光于激光光束910的邊緣所產(chǎn)生的熱度明顯小于圖9B所示運用現(xiàn)有的15微微秒脈沖的情形。本領域普通技術人員應能理解，前述實施例的細節(jié)可以在未脫離本發(fā)明的基本原理下進行許多修改。本發(fā)明的范疇因此應由以下的申請專利范圍所界定。
權利要求
1.一種使用超快激光脈沖的選擇性成形突發(fā)來處理材料的激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一突發(fā)式脈沖激光，配置以發(fā)射一由一選擇性成形的突發(fā)波封所界定的三或多個激光脈沖的突發(fā)，其中該突發(fā)式脈沖激光更進一步配置以選擇性地在該突發(fā)波封內(nèi)調(diào)整介于該三或多個激光脈沖間的時間間隔和該突發(fā)波封的時間寬度；以及一或多個放大器，配置以放大該三或多個激光脈沖群組以獲得該突發(fā)波封的一預定形狀，其中該突發(fā)式脈沖激光包含一第一激光源，配置以在一第一重復率發(fā)射一連串激光脈沖；以及一光學調(diào)變器，接收該連串激光脈沖，該光學調(diào)變器配置以在振幅上調(diào)變該連串激光脈沖，以產(chǎn)生由該選擇性成形的突發(fā)波封所界定的該三或多個激光脈沖的突發(fā)。
2.如權利要求1所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，該第一激光源包含一超快激光源且該第一激光源所發(fā)射的該連串激光脈沖中的每一脈沖均包含一范圍介于大約300飛秒及大約1納秒之間的時間脈沖寬度。
3.如權利要求2所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，該突發(fā)式脈沖激光更進一步配置以選擇性地在介于大約1納秒及大約1微秒的范圍內(nèi)調(diào)整該突發(fā)波封的時間寬度。
4.如權利要求2所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，該選擇性成形的突發(fā)波封包含一范圍介于大約10微微秒及大約1納秒間的上升時間。
5.如權利要求2所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，該第一重復率的范圍介于IHz和大約 IOOkHz 之間。
6.如權利要求2所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，該第一重復率的范圍介于大約IOOkHz 和大約IOGHz之間。
7.如權利要求2所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，該超快激光源包含一分散式回饋二極管。
8.如權利要求2所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，該超快激光源包含一光纖鎖模主振蕩器，其包含一單模光纖形成一激光諧振器，該激光諧振器在一端終結于一半導體飽和吸收鏡而在另一端終結于一波長選擇器。
9.如權利要求1所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，該突發(fā)式脈沖激光更包含一脈沖選擇器，配置以提供該突發(fā)波封內(nèi)介于該三或多個激光脈沖間的選擇性可調(diào)整時間脈沖間隔。
10.如權利要求9所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，該脈沖選擇器選擇自包含一聲光式元件和一光電式元件的群組中。
11.如權利要求1所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，該光學調(diào)變器包含一光電式調(diào)變器。
12.如權利要求1所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，該光學調(diào)變器包含一馬赫-任德光干涉儀。
13.如權利要求1所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，該突發(fā)式脈沖激光更包含一第一脈沖選擇器，配置以將該第一激光源所發(fā)射的該連串激光脈沖選擇性地自該第一脈沖重復率改變至一第二脈沖重復率。
14.如權利要求13所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，該突發(fā)式脈沖激光更包含 一第二激光源，配置以在一第三重復率發(fā)射一連串激光脈沖；一第二脈沖選擇器，配置以將該第二激光源所發(fā)射的該連串激光脈沖選擇性地自該第三重復率改變至一第四重復率；一光束結合器，配置以結合該第一脈沖選擇器在該第二脈沖重復率提供的該連串激光脈沖與該第二脈沖選擇器在該第四脈沖重復率提供的該連串激光脈沖，以在一結合的第五脈沖重復率提供結合的激光脈沖串列至該光學調(diào)變器；以及一控制器，連接該第一脈沖選擇器與該第二脈沖選擇器，該控制器配置以使該第一脈沖選擇器與該第二脈沖選擇器同步，從而選擇性地調(diào)整該突發(fā)波封內(nèi)介于該三或多個激光脈沖間的時間間隔，其中該控制器選擇該第二脈沖重復率和該第四脈沖重復率。
15.如權利要求1所述的激光系統(tǒng)其特征在于，該一或多個放大器包含一或多個前置放大器，選擇自包含一增益光纖放大器和一固態(tài)放大器的群組；以及一或多個功率放大器，配置以進一步放大該一或多個前置放大器的輸出，該一或多個功率放大器選擇自包含一增益光纖放大器和一固態(tài)放大器的群組。
16.如權利要求1所述的激光系統(tǒng)，其特征在于，更包含一諧振產(chǎn)生器以提供該突發(fā)波封內(nèi)的脈沖的波長轉換。
17.一種使用超快激光脈沖的選擇性成形突發(fā)處理材料的方法，該方法包含在一第一重復率提供一連串激光脈沖；基于一選擇性成形的突發(fā)波封調(diào)變該連串激光脈沖，其中該調(diào)變包含針對振幅調(diào)整該突發(fā)波封內(nèi)的三或多個激光脈沖；以及選擇性地調(diào)整該突發(fā)波封內(nèi)介于該三或多個激光脈沖間的間隔。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，該調(diào)變更包含選擇性地調(diào)整該突發(fā)波封的一時間寬度。
19.如權利要求17所述的方法，其特征在于，更包含選擇性地將該連串激光脈沖自該第一重復率改變至一第二重復率。
20.如權利要求17所述的方法，其特征在于，更包含將該突發(fā)波封內(nèi)的脈沖波長轉換成不同的波長。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種激光處理系統(tǒng)，提供一超快激光脈沖的突發(fā)，其具有選擇性成形的突發(fā)波封。一突發(fā)式脈沖激光包含一高重復率超快激光，以發(fā)出一脈沖串列，該串列中的每一脈沖均具有一獨立控制的振幅。在脈沖群集中每一超快脈沖的個別振幅界定出一″突發(fā)波封″。除了獨立控制突發(fā)波封內(nèi)每一超快脈沖的振幅之外，此系統(tǒng)同時也可以提供介于每一超快脈沖間的間隔及/或突發(fā)波封的整體時間寬度的選擇性控制。因此，該系統(tǒng)提供用于特定激光處理應用的突發(fā)波封的選擇性成形。
文檔編號B23K26/36GK102334249SQ201080009654
公開日2012年1月25日 申請日期2010年1月7日 優(yōu)先權日2009年1月15日
發(fā)明者安德魯·虎柏, 彭曉原 申請人:伊雷克托科學工業(yè)股份有限公司