专利名称：基于激光的用于处理目标表面材料的方法和系统以及由此产生的物品的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光标刻和激光形成结构(1aser texturing)，尤其涉及在一个或更多微电子器件材料上形成至少半永久性或可擦除的标记。所述材料可以包括半导体基片、薄膜、敷镀金属以及电介质层。也可以应用一个或多个实施例以在MEMs、光电器件或生物医学微芯片上形成标记。多种实施例可用于多种微加工或微型制造的应用。
背景技术：
在1999年之前，硅片标刻用于晶片级的识别。最初由已知良好小片(Known Good Die)发起，最近由跟踪能力和部件识别(componentidentification)发起，在晶片背面的小片级激光标刻已经成为趋势，并被用于多种包装技术包括MCM、倒装芯片(Flip Chip)、DCA以及CSP。在过去的岁月中，进行研究和开发以发展这种用于生产的标刻工具。
小片标刻的新出现的挑战之一是最近非常薄晶片的引入。以前，300到700微米(μm)的晶片厚度规格是典型的。目前对更小的小片(在面积和厚度方面)的需要产生了薄至150μm的晶片。对将晶片厚度降低到可行的范围内进行长期规划。
另一种挑战是小片尺寸的不断缩小。例如，用于DCA(直接芯片贴装)应用的小片为3mm到8mm的范围。然而，如RFID标签的产品可以小至0.3mm，其仍需要许多包括在大的小片标刻中的相同信息。这种趋势产生了对进一步发展小片标刻，以缩小实际的字母数字式字符尺寸的需要。
传统的晶片标刻系统并不充分适合目前和正出现的需要。
已经显示了有价值的改进，例如已于2004年4月1日出版的美国专利申请号为2003/0060910，名称为“High Speed，Laser-Based MarkingMethod And System For Producing Machine Readable Marks On WorkpiecesAnd Semiconductor Devices With Reduced Subsurface Damage ProducedThereby”的专利所公开的，该专利申请已经被转让给本发明的受让人。然而，需要产生高对比度的标记，同时提供降低的特征尺寸-以在微电子材料上形成标记，已知其具有广泛变化的光学特性。
精密激光标刻系统的希望的改进包括增加标记密度(例如，更小的有效点尺寸或线宽)，对标刻深度的控制，以及控制或基本消除热影响区而改进的标记再现性。存在对可读性(例如，标记与背景的对比度)优选地，不依赖于角度的对比度的改进的需要。
形成理想的标记，且几乎没有或没有任何材料被移除，并且这种理想的标记提供能够在一个或更多后续的制造步骤中继续存在的对比度。而且，缩小的尺寸被期望管理(mandate)增加的密度要求，例如，字体尺寸小于0.3mm，并且减小的字体间距。
发明内容
本发明的至少一个实施例的目的在于提供一种在至少一种材料的微电子物品上形成标记/结构的方法。所述方法包括将脉冲激光输出应用到所述材料的局部区域的步骤，所述输出具有足够的总能量密度，以在所述区域的至少一部分内开始烧蚀，以及脉冲宽度足够短，使得所述区域和围绕所述区域附近的材料是基本无渣(slag)的。
本发明的至少一个实施例的另一个目的在于提供一种由上述方法产生的产品。
本发明的至少一个实施例的又一个目的在于提供一种激光标刻/形成结构的系统，用于实施上述的方法。
在实施本发明的上述目的和其它目的中，提供一种用于处理一工件的一区域内的目标表面材料，同时避免对邻近的非目标材料产生不希望的改变的方法。所述方法包括产生一脉冲激光输出，所述脉冲激光输出包括至少一个具有一波长和一脉冲宽度的脉冲。所述方法进一步包括用包括所述至少一个脉冲的所述脉冲激光输出照射所述工件的所述目标表面材料，以构造所述目标表面材料。所述脉冲激光输出具有足够的总能量密度以在所述目标表面材料的至少一部分内开始烧蚀，且所述脉冲宽度足够短，从而所述区域和围绕所述区域的非目标材料是基本无渣的。
所述构造的表面材料可以包括标记。
所述标记可以是至少半永久性的或可擦除的。
所述工件可以是微电子器件，所述构造的表面材料可以是微电子材料。
所述目标表面材料可以是半导体基片、薄膜、金属层以及电介质层的至少之一。
所述工件可以是MEM器件、光电器件以及生物医学芯片中的之一。
所述非目标表面材料可以包括标记。
所述标记可以是机器可读的。
所述标记可以具有小于0.3mm的字体尺寸。
所述构造的表面材料可以包括形成在所述工件上的微观结构的图形。
所述工件可以是半导体晶片，且其中所述微观结构的图形在所述晶片上形成标记。
所述方法可以进一步包括生成第二激光输出，和用所述第二激光输出照射所述构造的表面材料，以处理所述构造的表面材料。
所述构造的表面材料可以包括标记，且其中在用所述第二激光输出照射的所述步骤中可擦除所述标记。
所述构造的表面材料可以形成在所述工件的至少一侧。
所述工件可以是半导体晶片。
所述产生的步骤可以至少部分地由飞秒或皮秒激光器实施。
所述图形可以是条状图形、字母数字字符串以及连合活字。
所述至少一个脉冲的脉冲宽度可以小于1ns。
所述脉冲宽度可以约为100ps或更小，或者可以小于约10ps。
所述构造的表面材料可以包括微观结构的表面材料。
所述构造的表面材料可以包括纳米结构的表面材料。
所述总能量密度在所述输出的斑点的空间范围可以是可测量的。
所述构造的表面材料可以包括标记，且其中所述照射的可包括下面的步骤响应表示所述标记的至少一部分的第一位置的至少一个控制信号，引导所述激光输出，其中所述至少一个控制信号表示至少一般所述标记的第一位置，以照射在所述第一位置的所述区域。
所述区域可以在所述斑点的空间尺寸。
所述照射的步骤充分增加所述区域的至少一部分内的所述目标表面材料的表面粗糙度。
围绕所述区域的所述非目标表面材料可以具有强镜面反射部分的表面。
所述标记的漫反射系数可以在0.5％到5％的范围。
所述总能量密度可以超过约0.1J/cm2。
所述波长可以小于所述目标表面材料的吸收限。
所述波长可以为紫外光。
所述至少一个脉冲的脉冲宽度可以在约15fs到500ps的范围。
所述至少一个脉冲的脉冲宽度可以在约100fs到50ps的范围，或者可以在约300fs到15ps的范围。
所述目标表面材料可以为硅，或者可以为金属或电介质。
所述目标表面材料是电介质钝化层的一部分。所述电介质可以是无机的、有机的或低K电介质。
所述目标表面材料可以是MEM器件的一部分。
所述标记的一部分可以具有在约0.25微米到约1微米范围的表面变化。
所述标记的特征尺寸在几微米到几十微米的范围，或者可以是所述至少一个脉冲的几个波长。
所述照射的步骤可以包括控制所述脉冲激光输出的偏振，以增强或控制所述构造的表面材料的特征的步骤。
所述脉冲激光输出可以包括会聚的激光处理光束，所述照射步骤可以包括相对地移动所述工件和所述会聚的激光处理光束的步骤。
所述构造的表面材料可以包括微观结构的图形，所述相对地移动的步骤可以在所述工件上产生所述微观结构的图形。
所述照射的步骤可以包括成形斑点的步骤，以得到成形的斑点。
所述成形的斑点可以具有平顶发光轮廓。
所述形成的斑点可以具有凹陷中心，能量聚集在所述形成的斑点的周边。
所述照射步骤可以包括控制所述斑点的方向的步骤。
所述波长可以在所述工件材料的吸收限之下。
所述脉冲激光输出可以精细构造所述目标表面材料的结构，且所述第二激光输出可以粗处理所述构造的表面材料。
所述脉冲激光输出可以粗构造所述目标表面材料的结构，且所述第二激光输出可以精细处理所述构造的表面材料。
所述构造的表面材料可以包括标记，且在用所述第二激光输出照射的步骤中，可以产生明暗相反的窗口标记。
所述构造的表面材料可以包括图形，且用所述第二激光输出照射的步骤可以微加工所述图形。
以所述第二激光输出照射的步骤可以调整所述构造的表面材料的电或机械参数。
所述第二激光输出可以包括至少一个脉冲，所述脉冲具有被吸收进所述构造的表面材料中的一波长。
所述第二光束的所述至少一个脉冲的所述波长可以被吸收或不吸收进围绕所述区域的所述非目标材料中。
而且，在实施本发明的上述目的和其它目的中，提供了一种用于处理一工件的一区域内的目标表面材料，同时避免对邻近的非目标材料产生不希望的改变的系统。所述系统包括第一激光子系统，其包括第一激光源，用于产生脉冲激光输出，所述脉冲激光输出包括具有一波长和一脉冲宽度的至少一个脉冲。所述系统进一步包括输送子系统，用于用包括所述至少一个脉冲的所述脉冲激光输出，照射所述工件的所述目标表面材料，以形成所述目标表面材料的结构。所述脉冲激光输出具有足够的总能量密度，以在所述目标表面材料的至少一部分内开始烧蚀，且所述脉冲宽度足够短，从而所述区域和围绕所述区域的非目标材料是充分无渣的。
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，或者可以是飞秒激光。
所述输送子系统可以包括控制器，所述控制器接受表示待构造的所述目标表面材料的位置的数据，并产生至少一个位置控制信号。
所述输送子系统可以包括定位子系统，其用于将所述激光输出引导到所述目标表面材料的所述位置，从而形成所述目标表面材料的结构，以响应所述至少一个位置控制信号。
所述系统可以进一步包括第二激光子系统，其包括用于产生第二激光输出的第二激光源，所述第二激光输出照射所述构造的表面材料。
所述第二激光输出可以至少擦除、微加工、焊接或激励所述构造的表面材料的所述区域。
所述第二激光源可以包括脉冲光源、调制光源或CW光源中之一。
所述第二激光输出的照射可以低于所述目标表面材料的能量密度击穿阈值，以加热所述区域。
所述第二激光输出的照射可以高于所述目标表面材料的能量密度击穿阈值，以实现所述目标表面材料的至少一个特性的改变。
所述第二激光输出可以包括至少一个脉冲，其具有接近或超过所述工件材料的吸收限的波长。
所述第一激光源可以包括所述第二激光源，或者可以与所述第二激光源分离。
所述输送子系统可以包括偏振控制器，其用于控制所述激光输出的偏振。
所述第一激光源可以包括二极管泵浦的固态UV激光，且所述脉冲宽度可以小于约20ns。
所述脉冲宽度可以小于约1ns。
所述定位子系统可以包括至少一个移位台，以相对于所述激光输出移动所述工件。
所述定位子系统可以包括精细和粗定位器。
所述定位子系统可以包括移位和旋转台，以相对于所述激光输出移动所述工件。
所述定位子系统可以包括光学扫描器，以相对于所述工件移动所述激光输出。
所述定位子系统可以包括两个或更多台和扫描器，以相对于所述工件移动所述激光输出。
所述激光输出可以是具有束腰的激光光束。所述定位子系统可以包括至少一个用于相对于所述工件移动所述光束腰部的部件。
所述输送子系统可以包括会聚子系统。
所述会聚子系统可以是折射光学子系统。
所述系统可以进一步包括检测子系统，其用于检测所述构造的表面材料。
所述检测子系统可以包括机器视觉子系统。
所述第一激光源可以包括锁模振荡器，以及二极管泵浦的固态激光放大器。
所述光学扫描器可以是二维的、基于检流计的扫描器。
所述至少一个位置控制信号可以在从所述工件制造物品的至少一个步骤期间产生。
所述第一激光子系统可以包括种子激光器和光纤放大器。
所述第一激光子系统可以进一步包括陪频的、二极管泵浦的，固态激光器。
所述第一激光子系统还可以进一步包括锁模振荡器，二极管泵浦的固态激光放大器，以及波长变换器。
所述第一激光子系统又可以进一步包括倍频器，三倍频器以及四倍频器之一。
所述激光输出可以具有大于10KHz的重复率。
所述激光输出可以具有范围为0.01W-2W的平均激光输出功率。
所述构造的表面材料可以包括标记。所述系统可以进一步包括用于读出所述标记的观测子系统。所述观测子系统可以包括照明器和电子成像子系统。
所述发光器可以是明视场、暗视场以及明视场与暗视场的组合中的之一种。
而且，在实施本发明的上述目的和其它目的中，提供了一种物品。至少一种表面材料，其具有在制造所述物品的至少一个步骤期间，在其上形成的可辨识的标记。通过用脉冲激光输出选择性地照射一工件的一区域内的目标表面材料的方法，形成所述标记。所述标记是至少半永久性的，且在制造所述物品的后续步骤期间可用。所述区域和围绕所述区域的非目标材料是充分无渣的。在所述至少一个制造步骤期间，表面粗糙度在所述区域的至少一部分内增加，从而降低用于读出所述标记的能量的反射。在宽范围的视角，可以得到所述区域与所述区域的背景之间的高反射对比度。
所述区域的所述背景的表面可以具有强镜面反射的部分。
在至少为20度的视角范围，所述可辨识的标记和所述标记的背景之间的反射对比度可以超过30∶1。
所述标记可以包括字体尺寸为0.3mm或更精细的字母数字标记。
所述标记可以包括二维矩阵码。
所述标记可以用于除识别之外的制造所述物品的一个或更多步骤。
用由SEM(扫描电子显微镜)数据和AFM(原子力显微镜)数据中至少之一获得的粗糙度测量，所述标记可以从所述区域的背景分辨出。
DIN 4768粗糙度测量标准可用于比较所述标记的一部分与所述区域的背景的粗糙度。
使用图像对比度的测量，所述标记可以从所述区域的背景分辨出。
所述标记可以是机器可读的，且可以表现为形成点矩阵码的不重叠的点的序列。
所述标记可以在可跟踪性能、部件识别以及分类的至少之一中使用。
结合附图，从下面的本发明的最佳实施方式的详细描述中，本发明的上述目的和其它目的、特点以及优点变得显而易见。
参考下面的描述，附图以及附件，将更好地理解本发明的这些和其它特点、方面以及优点，其中图1是相应于本发明的一个实施例，表示激光处理系统的一些元件的示意性方框图，其中在工件上形成微观结构的图形，例如以在一部分半导体晶片上形成标记；图2是相应于本发明的一个实施例，表示激光处理系统的一些部件的示意性方框图，其中可以由图1a的系统形成的微观结构的图形进一步由第二光束处理，例如擦除标记；图3和4说明半导体晶片的第一和第二侧的一些细节，其是可以由本发明的各种实施例处理的工件的例子；
图5是说明示例性微观结构的区域的示意图，微观结构的区域可以由飞秒激光系统形成；图6和7是将现有技术标记与根据本发明形成的标记相比的示意图，并且说明点阵图形的改进的密度；图8和9是将现有技术标记与根据本发明形成的标记相比的示意图，并且说明条状图形的改进的密度；图10和11是说明例如在镜面表面(例如裸硅)上形成的现有技术激光标记的示意图，以及表示与深的(“牢固”)标记相关的示例性缺陷的相应的表面轮廓的示意图，其中其例如为渣和熔化区，碎片以及微裂缝；图12和13是说明例如使用本发明的系统在图10的镜面表面上形成标记的示意图，以及与图10和11相比的示例性轮廓；图14和15是表示半导体晶片处理系统的一些元件的示意性方框图；图16和17更详细地说明相应于图14和15的半导体晶片处理系统的子系统；图18和19表示示例性激光光束定位系统的一些部件，其可以被包括在图1或图2中以实现本发明的各种实施例；图20是类似于图16的示意性方框图，其表示半导体晶片处理系统的一些元件，特别地，与图2的第二处理相关的元件；图21和22说明以传统的和更最近的激光标刻系统产生的各种激光标记的结构，以与根据本发明形成的标记进行进一步比较；图23说明使用相应于例如图2的第二处理光束移除材料，例如擦除标记；图24说明使用相应于例如图2的第二处理光束移除材料，例如修改微观结构的图形；以及图24-37d说明各种例子和结果，其中根据本发明标刻具有地表面、抛光表面、光滑表面以及粗糙表面的硅晶片。
具体实施例方式
对于本发明各种实施例的下述描述，使用下面的非限定性准则“超快激光”或“超短激光”通常指提供一个或更多脉冲的脉冲激光，每个脉冲具有小于1ns的持续时间，例如100ps或更小，或一般地小于10ps；“微观结构”通常指微米尺寸的表面变化，但是也可以包括更精细尺寸例如0.5微米或0.1微米的表面变化；以及“纳米结构”通常指尺寸小于一微米的表面变化。
概述已经发展出新的激光标刻技术，以克服目前激光标刻系统的限制。通过使用该新的激光技术，几乎没有或没有任何材料被移除，就可以实现晶片背面上的永久性的和高对比度的浅标记(小于1微米)。这些标记的观看是很独立于观看角度的，这是一项重大的进步。所称作的微米标刻技术允许标记的字体尺寸比0.3mm小得多。
将在下面的部分中变得显而易见的是，多种实施例也可用于标记擦除、微连接、激光焊接以及微激励。
本发明的至少一个实施例可以用于精细激光标记的图形的微加工。
本发明的一个或更多实施例可以用于硅物品的激光微型装配技术，包括微型器件构件的激光焊接和激光激励。
激光标刻/形成结构的方法本发明的一个方面特征为一种用脉冲激光输出标刻微电子器件材料，以在所述材料上形成高密度可辨别的标记的方法。该方法包括产生脉冲激光输出，其具有至少一个脉冲，所述脉冲的持续时间小于约1ns，并且具有足以开始烧蚀材料的一部分的总能量密度，该能量密度在输出的空间斑点(spot)范围是可测量的。该方法还包括响应至少一个控制信号引导激光输出射到在第一位置的材料的局部区域，所述至少一个控制信号定义将在材料上形成的标记的至少一部分的所述第一位置，，该局部区域在空间斑点范围内。激光输出开始所述材料的至少一部分的烧蚀，并且充分增加所述区域的至少一部分内的表面粗糙度。该区域和邻近围绕该区域的背景材料都是充分无渣的。
背景表面可以具有强的镜面反射部分。
标记的漫反射系数可以在0.5％到5％的范围内。
总能量密度可以超过约0.1J/cm2。
激光输出可以具有小于所述材料的吸收限的一波长。
激光波长可以是紫外光。
脉冲持续时间可以在约15fs到500ps的范围内。
脉冲持续时间可以在约100fs到50ps的范围内。
脉冲持续时间可以在约300fs到15ps的范围内。
所述材料可以是硅。
所述材料可以是金属或电介质。
所述材料可以是电介质钝化层的一部分，所述电介质可以是无机的、有机的或低K电介质。
所述材料可以是MEM器件的一部分。
所述标记的一部分可以具有约0.25微米到约1微米的范围内的表面高度变化。
所述标记的特征尺寸可以在几微米到几十微米的范围内。
所述标记的特征尺寸可以是几个光波长。
激光标刻/形成结构的系统本发明的另一方面特征为一种激光标刻系统。该标刻系统包括用于产生脉冲激光输出的装置，所述脉冲激光输出具有至少一个脉冲，脉冲持续时间小于约1ns，且在输出的空间区域，具有足以开始烧蚀将被标刻的材料的一部分的总能量密度；控制器，其接受定义在微电子物品材料上形成的标记的数据，并生成至少一个位置控制信号，以引导激光输出标刻所述材料，并从而形成所述标记；以及用于将激光输出引导到将被标刻的所述材料的表面位置，以在材料表面上形成可辨识的、高对比度、高密度的标记的装置。
所述用于引导的装置可以包括光学扫描器。
所述用于引导的装置可以定位子系统，其用于相对于激光光束在三维定位所述材料。
所述定位子系统可以具有三个或更多自由度。
所述光学扫描器可以是二维的，基于检流计的扫描器。
所述用于引导的装置可以包括X-Y台和连接到控制器的光束偏转器。
所述位置控制信号可以在制造所述物品的至少一个步骤期间产生。
所述用于产生的装置可以包括种子激光器和光纤放大器。
所述用于产生的装置可以包括倍频的、二极管泵浦的固态激光器。
所述用于产生的装置可以包括锁模振荡器，二极管泵浦的固态激光器，以及波长移动器(wavelength shifter)。
所述用于产生的装置可以包括倍频器，三倍频器或四倍频器。
激光输出可以具有大于10KHz的重复率。
平均激光输出功率可以在0.01W-2W的范围内。
所述系统可以进一步包括用于读出标记的观测系统，其包括照明器(illuminator)和电子成像系统。
照明器可以是明视场。
照明器可以是暗视场。
照明器可以是明视场和暗视场的组合。
制造的物品本发明的一个方面特征为一种电子物品。该物品包括至少一种材料，其具有可辨识的标记，在制造物品的至少一个步骤期间，在该材料上形成所述可辨识的标记。通过用脉冲激光输出选择性地照射至少一个局部材料区域的方法，形成该标记。该标记是至少半永久性的，且可以在制造所述物品的后续步骤中使用。标刻区域和邻近围绕该区域的背景材料都是充分无渣的。在所述材料区域的至少一部分中，表面粗糙度增加，并从而降低用于读出所述标记的能量的反射。
优选地，用脉冲激光输出选择性地照射至少一个局部材料区域的方法是称为“激光标刻/纹理化方法”的上述部分。
在宽范围的视角中，可以获得所述区域和背景所述之间的高反射对比度。
背景表面可以具有强的镜面反射部分。
在至少20度的视角范围，所述可辨识的标记和所述背景之间的反射对比度可以超过30∶1。
所述标记可以包括字母数字标记，其字体尺寸为0.3mm或更精细(finer)。
所述标记可以包括二维矩阵码。
所述标记可以用于除识别外的一个或更多制造步骤。
用通过SEM(扫描电子显微镜)数据，和AFM(原子力显微镜)数据中的至少之一获得的粗糙度测量，所述标记可以从所述背景辨别出。
DIN 4768粗糙度测量标准可用于比较所述标记的一部分与所述背景的粗糙度。
根据图象对比度的测量，所述标记可以从所述背景辨别出。
所述标记可以是机器可读的。
所述标记可以表现为不重叠的点的序列，其形成点矩阵码。
所述标记可以用在跟踪能力、部件识别以及分类中的至少之一中。
激光处理本发明的实施例基于具体的应用要求可以用于在地表面、抛光表面或光滑材料表面上形成标记。表面可以被涂层。例如，表面可以是半导体晶片的任何一侧，或在制造微电子器件步骤中使用的另外的材料。
参考图1，通常以100表示的激光处理系统的超快激光源102，其产生激光输出104，激光输出104包括一个或更多脉冲。激光输出104传播通过输送光学装置106，输送光学装置106会聚输出并将光束输送到处理腔110中，如果在气态环境中进行激光处理，则使用腔110。处理腔110可以包含在激光材料相互作用领域已知的压力、部分真空或温度的气态处理环境，以产生微观结构的硅。对于在周围大气环境中进行的处理，不需要腔。被会聚的光束108入射到目标材料上，其产生加工斑点112并产生被标记的材料116(未按比例)，所述目标材料可以是硅半导体晶片114的一部分。
参考图3和4，晶片114可以具有裸的(无图形的)背面117，其可以被涂敷、抛光或者是粗糙的。基准118用于校准。图3所示的最上面可以具有大量的小片119和相应的密集的电路图案。
可选的第二激光处理系统可以用于进一步的处理。参考图2，为了擦除、微加工、焊接或者激励标记区域，第二激光源120产生第二光束122。标刻区域中的高吸收能够支持这种进一步的处理。例如，在第二处理光束加热材料后，材料和背景的不同热膨胀的结果是可能出现激励。光束122传播通过会聚光束的第二输送光学装置124。第二激光源120可以是脉冲光源，调制光源，或CW光源，这依赖于应用领域。被会聚的光束126产生第二加工斑点130，并照射标刻材料116，光束126入射到晶片114上。照射可以低于在标刻材料的烧蚀阈值，以加热区域来激励，或高于阈值以实现材料特性的改变。
在不同实施例中，具有光束路径104、122的两个激光系统100、129可以被包括在各自的系统中，或者可以由各种公知的方法将光学系统组合为单激光系统。可以有两个光轴，一个光轴用于一个光束路径，或者光束路径可以合并以使用一共轴光束路径。单个激光头可以产生激光源102和120的光束，或者可以有两个激光源。例如，优选第二激光120具有接近或超过硅的吸收限的一波长。集成为单个系统的选择可以是基于具体的设计考虑，例如，工件尺寸、激光波长和功率、光学设计考虑、部件成本、可用的工厂设备占地面积、X-Y定位要求等。
输送系统106和124分别相应于形成结构的系统100和第二处理系统129，其一般包括在计算机控制下操作的一些元件，分别如线107和127所示。例如，可以控制会聚、斑点尺寸调节、偏振控制以及能量控制功能。可以使用电光装置、调制器以及用于定位的光机械装置的适当组合。例如，输送系统106或者输送系统124可以包括偏振控制器，以加强或控制标记特征。
超快激光器102可以产生一个或更多飞秒脉冲。然而皮秒激光器可以提供飞秒激光器的许多优点，但是具有降低的成本和复杂度。超快级的受控的激光材料相互作用可用于控制标记在宽范围内的对比度，以满足具体的应用需要。进一步重要的是碎片、渣、裂化、以及通常与传统的标记激光相关的其它不希望的结果的减少或消除。
可以使用激光图形，微观结构的材料的离散区域，以在硅上，特别是硅晶片，和如钛或钢等的其它材料上，产生高对比度的标记。例如，图5说明示例性的“尖头”结构的区域135，其表面高度136由典型尖头表示。粗糙度的这种接近周期性和明显的变化可以由飞秒激光脉冲产生。尖头可具有从一微米的几分之一到几十微米范围的高度。表面轮廓可以强烈地依赖于激光参数，包括脉冲持续时间(即，宽度)、峰能量、斑点直径以及斑点辐照轮廓。研究人员认为这种尖头的形成包含激光烧蚀和激光引起的化学蚀刻。
本发明的实施例可用于产生具有比上述段落中示例的更低幅度的(例如，亚微米)表面高度变化，但是具有足够的变化以产生高对比度无渣的标记的微观结构区域。而且，当与传统的标刻方法相比时，增强的对比度并且没有碎片，提供了改进的标记密度。图10和11是说明例如，在如裸硅的镜面表面上形成的现有技术激光标记的示意图，和表示与深“牢固”的标记相关的碎片和裂缝的相应的表面轮廓。图12和13是说明例如，使用本发明的系统在图10的镜面表面上形成的标记。脉冲激光可以是产生脉冲输出的皮秒激光，其总能量密度(在一个或更多脉冲中)足以开始基片表面上的斑点区域的一部分内的烧蚀。表面高度变化可以是几十到几百纳米，被标刻的区域通常表现出显著的粗糙度并消除了至少强反射的部分。
图6和7分别是将现有技术标记与根据本发明形成的标记相比的示意图，其说明了点阵图形的改进的密度。图8和9分别是将现有技术标记与根据本发明形成的标记相比的示意图，其说明了条状图形的改进的密度。
图21和22说明由传统的和更近的激光标刻系统产生的不同激光标记的结构，以与根据本发明产生的标刻基片进行进一步比较。图21和22分别是由本发明的受让人形成的标记250的侧视图和俯视图，其使用532nm的脉冲宽度约为15ns的NdYVO4激光器。激光系统产生深度约1.5-4微米并且没有基片裂缝的浅标记。图22是标记250的俯视图，其说明邻近标记250的排出的材料252的出现。该最近的例子相应于在已于2004年4月1日出版的美国专利申请号为2004/0060910，名称为“High Speed，Laser-Based Marking Method And System For Producing Machine ReadableMarks On Workpieces And Semiconductor Devices With Reduced SubsurfaceDamage Produced Thereby”的美国专利申请所公开的结果，其被转让给本发明的受让人。图21是相对深的传统的“牢固的”标记254的侧视图，其深度约为10微米，其中以相对深的激光穿透256观察硅的裂缝。
在某些应用中，移去或擦除先前形成的激光标记也可能是感兴趣的。高吸收、微观结构的区域的形成提供这种能力，这是因为使用配置有适当的激光参数的第二激光系统，可以可控地改变该区域。
由于在接近红外光照明可见明视场，根据本发明形成的这些构造的(标刻)区域提供相对于反射晶片背景表面115的高对比度。例如，关于一可见波长，晶片表面115可以是光滑的，从而导致强的镜面反射部分，其具有可忽略的漫反射。构造的区域可以呈现为不透光的，优选地具有相应于“灰度测试卡”的最暗色泽的漫反射系数，其中灰度测试卡用于校准成像系统。
例如，漫反射系数可以在约0.5％到5％的范围内，相应于约灰度级6。这种对比度为改进的检测，机器可读的标记提供了检测，其中的标记如字母数字字符串、条形码矩阵码等。这种标记可以由标记检验系统201观测，标记检验系统201可以是图14所示的完整的激光处理系统的一个部件，其中激光处理系统例如包括图1的标刻激光系统100，和图2的第二激光处理系统129。系统129可以用于擦除标记。可选地，系统可以包括仅激光标刻和可选的标记检测系统201，而没有第二处理。对于超快(或紫外光)源，具有高可控深度的浅标记成为可能，对于标刻或编码非常薄的晶片，其是有益的，其中非常薄的晶片例如，具有比目前商业上可得到的系统更充分精细的标记尺寸。
下面名为“标刻例子”的部分和参考附图表示使用皮秒激光在硅基片上产生激光标记的示例性结果，其中硅基片具有粗糙表面、地表面或光滑表面。相对于传统的激光标记，标记的可读性得到改进。标记充分表现为不透光，与背景的对比度保持为高的，对比度为照明与视角的函数，例如，当照明源与接收器之间的相对的角度变化超过30度时。这种变化增加了机器视觉算法的可靠性。
激光标刻系统本发明的各种实施例提供晶片上的高对比度标记，和由硅制造的其它微电子物品或器件上的高对比度标记。另外的用于期望用于MEMS和MOEMS器件，并提供如钛和钢的材料上的标记或其它图形。
标记主要可以用于识别，或者由于功能性或后续处理的原因，可以用于在离散的位置改变材料的光学特性。
在完整的标刻系统中，通过机器人晶片处理系统205，从晶片载体上移去将被处理的晶片，如图14和15中的示意性表示。由光学校准确定晶片的定向，包括预校准器206的操作和任何其它要求的步骤，例如用读出装置207识别晶片类型。
激光器102产生处理光束。参考图16，光束定位系统106输送并将超快处理光束会聚到工件上，工件可以是硅基片。会聚的处理光束和工件材料在大气或周围环境中的相互作用产生工件表面上的微观结构。
超短脉冲激光器102产生的激光脉冲104(即，图1)沿光学路径104传播，由光束定位器220(图16)偏转或以其它方式定位。一般地使用两个检流计扫描镜进行光束定位，其中检流计扫描镜通常提供宽角度的偏转，扫描透镜用于将输出会聚到晶片114上，其中晶片114一般安装在X-Y台208上。每个激光脉冲(或脉冲序列)形成晶片114上的材料的微观结构斑点。光束的定位由控制器确定，从而激光脉冲序列形成晶片114上的字符或其它标记。当完成标记时，从处理区域上移去晶片114并将其重新载入晶片载体。可选地，在转移晶片114之前，可以由系统129进行第二处理步骤。
工件和会聚的处理光束的相对的受控运动选择性地产生微观结构，其在工件上形成可辨识的图形。
各种斑点成形和校准方法可以用于激光微结构形成，其中的方法例如Fillion在美国专利6,341,029和6,496,292中教导的通过高频振动的成形，Ehrmann在美国专利6,639,177中教导的方面和定向改变，以及其它方法。例如，平顶(top-hat)辐照轮廓斑点可提供标记更均匀的微结构，和在烧蚀阈值转换区域的降低的熔化。由于平顶轮廓，在烧蚀阈值或在其之上的斑点区域可增加，不增加脉冲能量，从而实现有效的微结构形成。可希望使用具有凹陷中心并且能量集中在周边的斑点，以进一步限制熔化并增加微观结构基片在切口边缘转变的锐度。
在任何定向中，圆形斑点为线素提供一致的暴露。然而，方形和矩形斑点可以进一步增加效率和均匀度，这是通过跨校准的切口宽输送均匀的辐射剂量并输送到需要填充的更大区域而实现的。斑点方向的控制可以用于准确地控制辐照和斑点重叠。例如，可以选择最大脉冲能量，并且可以延长或缩短沿轨道的斑点长度，以改变暴露在烧蚀阈值或其之上的区域的形状。可以扩大斑点以暴露在烧蚀阈值或其之上的更大区域，而不增加切口宽度，或者可以允许减小切口宽度，而不增加照射。可以扩大斑点，以允许至少一部分斑点暴露于数量增加的激光脉冲。相反地，沿切口的斑点压缩可以用于增加暴露于烧蚀阈值或其之上，而不减小切口宽度，或者可以允许增加切口宽度而不减小照射。斑点的压缩还可以用于允许斑点的至少一部分暴露于数量减少的脉冲。
激光可以是超快激光。通常地，激光参数将依赖于将被标刻的线宽、材料的光学特性以及许多系统考虑和特性(例如，激光处理系统的总的光学效率)。超快激光可以具有小于基片的吸收限的一波长，例如对于硅处理为532nm。对于使用本发明的各种实施例标刻硅晶片，与需要的阈值能量密度和重复率相关的平均能量可以为约0.01W-2W的范围内。脉冲宽度(持续时间)可以小于1ns。优选地，激光脉冲宽度为约100fs到约50ps的范围内，并且更加优选地为约300fs到10ps的范围内。
某些实施例可以使用二极管泵浦、固态UV激光，脉冲宽度小于约20ns，优选地小于1ns。希望的微观结构的形成可以使用图1中所示的腔110中的气态辅助或气态环境，以得到用UV处理的最佳效果。
图16-19表示示例性激光处理系统的另外的细节，其中的激光处理系统可以用于基片的激光标刻，例如硅晶片(前面和/或后面)的标刻。定位子系统可以包括一个或更多移位台(translation stage)208，用于相对于处理光束108沿至少两个轴移动工件。相关基片和光束定位装置的许多组合是激光材料处理领域技术人员已知的，其中激光材料处理例如，半导体处理、立体平版印刷术、半导体激光修复、激光钻孔或半导体晶片修整。
图7和9的特征(分别为点和条)在商业上可得到的标刻系统中通常是几十微米。本发明的激光标刻系统可以用于产生相当更小的特征尺寸，例如5-10微米的点。图7和9中的特征可由图形特征之间的最小可分辨的距离表征。该最小可分辨的距离可以为脉冲激光输出的一波长量级，例如0.25微米。例如，可希望在MEM的一部分上，在受限的区域内形成标记。如果提供余量，通过控制在仅衍射限制的斑点的阈值以上的能量部分，可以形成亚微米特征，例如0.25微米特征，或0.5-2微米特征。同样地，定位系统可以包括精细定位装置和粗定位装置，以匹配或超过图形分辨率，并提供超细图形。精细台可以具有毫米级的行程范围，定位精确性充分比1微米精细，例如，0.05微米。所述系统还可包括其它辅助性的精细定位装置，例如精密、，小角度、光束偏转器(例如，声光偏转器)，以及闭环控制。这种定位系统可以用在本发明的实施例中，用于激光标刻、图形形成、连接或者其它应用。
参考图17，用于由激光系统100、129实现激光标刻和其它应用的本发明的实施例，可以包括照射工件的第一侧面和第二侧面。例如，可以在适合于激光系统100、129照射工件表面的相对侧面的一结构中，晶片夹249可安装到X-Y台面上。晶片夹249可以包括Z轴传送器和倾斜工件的能力(围绕x-y轴旋转)。这种精确的移位和旋转台已经用在平版印刷术、激光修整以及类似应用中。
参考图16，18，19以及20，光束定位系统220、220’中的任何一个和两个可以包括两轴、基于检流计的光束扫描器24、242，以相对于工件移动光束。任何一个光束定位系统220、220’可以包括两个或更多台与扫描器的组合，以沿至少两个轴相对于工件移动处理光束。而且，可以包括通过第二激光系统中的一个或更多光学元件的移动246，相对于工件定位束腰的元件。类似地，可以包括这样的部件使用光学系统部件的移动246与z轴平移246’的各种组合，例如，使用机动的硅晶片夹组件，来相对于工件沿至少3个轴中，移动束腰。
可以从GSI Lumonics公司(本发明的受让人)，Cambridge Technologiesand Scan Labs LTD得到精确检流计扫描头240、242。图18和19所示的用于相关的光学系统的示例性选项包括(1)远心透镜或平场聚焦(f-theta)校正透镜221与可编程斑点尺寸调整装置222；以及(2)宽视域后物镜系统223和机动的动态会聚调整装置224(在图16中未示出)。
超快系统中的会聚子系统106被示出为折射光学系统。在飞秒激光系统产生激光输出的实施例中，全折射系统可以提供改进的性能，其是色散补偿的效果。例如，超短脉冲可以具有在中心波长周围的约8nm或更多的波长扩展。Femtooptics，Inc是飞秒光学部件的供应商。
可以在非周围环境中产生非常高的吸收微观结构，处理过程在处理腔内进行。所述处理环境可以包括气体或可以是真空，以有助于微观结构的形成。然而，优选地，微观结构在开放的气态环境中形成，更加优选的是工件被放置在周围空气中。
产生的微观结构减小从工件表面反射出去的能量。通常，产生的微观结构是尖头或圆锥状的结构，为光波长或比其更小的量级，在图5中示出其表面轮廓，作为示例性的规则布置，并且在图12和13中作为高度变化(尖峰幅度)和规则性减小的微观结构区域。已经在处理腔中制造非常高的吸收结构。然而，对于本发明的各种实施例，考虑中等吸收结构(例如，图12和13)，从而降低产生微观结构区域所需要的系统要求。
在标刻应用中，形成的图形可以是字母数字字符。形成的图形可以是连合活字。形成的图形可以是机器可读的。所述可以是人可读的。使用本发明的一个或更多实施例，可以实现比0.3mm更精细的字体尺寸。
所述系统可以包括完整的标记检测系统201(例如，图14)，以识别所述图形，或者检测可以被包括在独立的系统或制造处理站中。商业上可以得到的机器视觉技术，例如Cognex，Inc提供的图形识别系统，可以用于标记识别。
当与传统的晶片标刻技术相比时，基于激光的微结构形成产生高对比度的标记，对照明条件相对不敏感，其中照明条件包括宽范围内的摄影角度和照明射角。类似地，对于某些应用，如果标记产生至少弱依赖于照明或视角的像，则可以由集成在检流计系统中的可选的“通过透镜”视觉系统结构实现(或代替)检测视觉系统201，其例如为相应于图18和19的设计。
基片材料可以是金属、硅晶片(裸片或具有不同的涂层)。其它示例性材料包括无机的或有机的电介质(包括低K材料，敷镀金属，难熔金属以及塑料)。
将被标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层。所述材料可以是无机的或有机的电介质，例如钝化层。被标刻的区域可以是永久的、半永久的或可擦除的，以应用在制造多材料器件的过程中，例如，以控制或选择不同制造步骤。示例性的器件包括多材料半导体存储器、镶嵌结构(damascene structure)、处理器，外围设备芯片等、RFID标签、MCM等。
在一种配置中，考虑到有效集成到提供给半导体工业的现有系统中，超短脉冲激光源包括在商业上软标记类型的晶片标刻系统中，如GSILumonics WaferMark SignaClean。关于各种激光系统的可选方案的细节包括在后面的部分中。通常在晶片标刻系统中产生的软标记由浅的、低反射系、对角度不敏感的标记代替。超短脉冲激光源的集成要求机械的和光学变化，以将激光能量耦合到机器的光学路径中，沿光学路径传输光束，并将光束会聚到基片上。可以由设计激光光束处理系统所属领域的技术人员所熟知的设计原则进行集成。
材料移除/擦除标记根据本发明的各种方法，对于后续处理可以照射高吸收标记区域。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，在可见光和NIR中，微观结构的区域内的吸收增加。在硅吸收限附近或之上，可以使用高功率处理激光，对一般的传输基片有最小的损伤。第一超快步骤可以产生精细图形，其被用粗第二光束处理，相反地，第一步骤可以产生粗标记，在第二步骤精细地形成其。吸收材料可以在微结构步骤中烧蚀，具有受控的深度。参考图23，这种烧蚀可以是用于移除或擦除标记410，在吸收场上产生明暗相反(negative)的“窗口”标记，或者可以用于微加工精细图形，或调整电的或机械参数。
图24表示微观结构的区域，其由第二照射126在420修改。可以在图14所示的系统中，或者在制造过程的不同位置进行产生微观结构的区域的操作。
图2和20说明可以用在第二处理系统中的几个部件，这些系统部件可与超快系统中使用的部件相似或相同。激光器120产生第二处理光束。光束定位系统，可相应于光学或机械光束定位器的任何合适的结构，其输送第二处理光束126，并将其会聚到工件的微观结构的区域。第二激光能量被微观结构吸收。微观结构被加热，增加的温度足以引起材料的相变。
第二处理激光120可以是YAG或CO2激光。优选地，激光120选择成最小化对非微观结构的区域的损伤。更加优选地，激光光束126传输通过非微观结构的材料。例如，如果材料是硅，则优选的波长可以是约1.2微米(例如，使用拉曼激光器)，其中硅传输一般被最大化。可选地，商业上可得到的1.32微米的激光也几乎是最适宜的，并且这种激光被广泛使用。
在与图20类似或相同的装置中，光束定位系统可以包括一个或更多多个台208，用于相对于处理光束移动工件。光束定位系统可以包括相对于工件移动光束的光束扫描器240、242，以及会聚透镜。部件和其它特征的具体选择(例如，透镜涂层)通常依赖于激光波长、斑点尺寸要求、破坏阈值考虑等。
光束定位系统可以包括两个或更多面和扫描器的组合，以沿至少两个轴，相对于工件移动处理光束。通过第二激光系统中的一个或多个光学元件的移动246，光束定位器可以相对于工件定位束腰。光束定位系统可以沿至少三个轴相对于工件移动束腰。使用光学系统元件的移动与z轴平移246’的各种组合，例如使用机动硅片夹组件，光束定位系统可以沿至少三个轴中相对于工件移动束腰。
根据本发明的实施方式，可以形成微观结构的区域，但是不限于超短激光处理。通常，微观结构的区域将减小工件材料的反射系数。
可以从表面烧蚀被照射的材料，以移去吸收结构。可以熔化和重铸被照射的材料，以形成具有改变的特性的区域。
对于在具有通频带的材料上形成的微观结构，优选地选择在通频带内的一激光波长，其被吸收进微观结构中。这样，可以改变微观结构的材料的特性，并且邻近的材料的特性不被改变。第二光束可以具有的波长相应于通过未被构造结构的材料的最大传输。例如，如果未被构造结构的区域也是硅，则第二光束可以具有超过硅的吸收限的一波长，例如大于1.2微米。如果未被构造结构的材料是玻璃，则波长可以在可见光区域或接近IR区域。在一些应用中，可能希望使用这种激光，其被吸收进微观结构和邻近的材料中。
标刻例子图25到36中的每一个涉及使用商业上可得到的皮秒激光器在硅基片上形成标记所得到实际结果，其中的硅基片具有地表面、抛光表面或光滑表面。用于一些标刻区域的激光器和系统参数如下图25研磨的硅晶片(具有良好的标记)；标刻条件波长532nm；重复率30KHz；
平均功率460mw；15μj脉冲能量；线性标刻速度100mm/sec；线宽115μm；能量密度0.15J/cm2；峰功率密度1010W/cm2；重叠34。
图26研磨的硅晶片；标刻条件波长532nm；重复率30KHz；平均功率500mw；16.3μj脉冲能量；线性标刻速度100mm/sec；线宽140μm；能量密度0.16J/cm2。
图27研磨的硅晶片；标刻条件波长532nm；重复率30KHz；平均功率300mw；9.8μj脉冲能量；线性标刻速度16.6mm/sec；
能量密度0.1J/cm2。
图28研磨的硅晶片(具有良好的标记)；标刻条件波长532nm；重复率30KHz；平均功率100mw；3.3μj脉冲能量；线性标刻速度100mm/sec；线宽40μm；能量密度0.26J/cm2；峰功率密度1.7×1010W/cm2。
图29研磨的硅晶片(具有良好的标记)；标刻条件波长532nm；重复率30KHz；平均功率100mw；3.3μj脉冲能量；线性标刻速度100mm/sec；线宽40μm；能量密度0.26J/cmn2；峰功率密度1.7×1010W/cm2。
图30a和30b硅晶片(在镜面表面上具有标记)；
标刻条件波长532nm；重复率30KHz；平均功率7.2mw；0.24μj脉冲能量；线性标刻速度100mm/sec；线宽8μm；能量密度0.12J/cm2；峰功率密度0.8×1010W/cm2。
图31a和31b硅晶片(在粗糙表面上具有标记)；标刻条件波长532nm；重复率30KHz；平均功率7.2mw；0.24μj脉冲能量；线性标刻速度100mm/sec；线宽8μm；能量密度0.12J/cm2；峰功率密度0.8×1010W/cm2。
图32a、32b以及32c硅晶片(0.28mm内具有15个线标记)；标刻条件波长532nm；重复率30KHz；
平均功率7.2mw；0.24μj脉冲能量；线性标刻速度100mm/sec；线宽8μm；能量密度0.12J/cm2；峰功率密度0.8×1010W/cm2。
样品被安装在X-Y台上，通过调整光学系统与入射激光能量的组合，改变标记线宽，所述调整控制入射到材料上的能量密度。
使用“通过透镜”(明视场)显微镜系统和CCD照相机，获取标记的材料样品的图像。使用或者SEM(扫描电子显微镜)或者AFM(原子力显微镜)得到不同区域的轮廓。某些标记还与使用纳秒激光系统形成的标记相比较。可以从脉冲重复率、线宽以及工作台速度，计算相应于特定线宽的脉冲数量。例如，图25相应于在台行进期间应用的脉冲34，其相应于115μm的线宽。
列举出的激光参数和结果被看作示例性的，而不是限制性的。可以根据不同处理条件、表面粗糙度数值、有/没有涂层等，优化和调整激光参数。可以提供各种改进和调整以进一步改进对比度和密度。
通常，线宽相应于表面上的有效斑点尺寸，其中能量密度在近似的硅烧蚀阈值或其之上。因此，如果斑点的更大一部分在烧蚀阈值之上，则线宽增加。例如，如果斑点轮廓受衍射限制并且是高斯形的，阈值之上的区域相应于FWHM，则额定切口宽度约为FWHM。
此外，作为用于特定材料的几乎不变的能量密度阈值的结果，更大的线宽、更大的斑点通常需要比小的线宽更多的激光能量。
在试验中使用的激光和一般的激光系统规格如下自Lumera Laser，Model Staccato的商业皮秒激光器；主要规格脉冲宽度15ps；
波长532nm；重复率30KHz；平均功率(参考随附的结果)；线性偏振；散度(M-squared)小于1.2。
应该注意无论何时使用线性偏振，校准台行进方向与偏振方向垂直。
图25、26和27表示在研磨的硅基片上形成的标记，其由研磨方向示例(相对于均匀的，镜面的背景)。图26和27提供“处理能量窗口”的粗略测试，其表示实现可接受的处理的能量范围。图26中的更大的线宽(140微米)相应于烧蚀阈值之上的会聚的斑点直径的更大部分。在发生熔化的区域中轻微的热影响区，尽管不显著。没有不希望的渣、碎片或严重熔化的区域。
图28和29表示分别在X和Y方向产生40微米线宽的参数和结果。偏振垂直于行进方向。
图30a、30b、31a、31b、32a、32b以及32c说明0.3mm(0.28mm)区域内的改进的标记密度和清楚分辨的图形，该结果说明形成比目前商业上可得到的激光标刻系统中得到的标记更精细的标记的能力。图30a和30b相应于镜面晶片背景(光洁表面)，图31a和31b相应于粗糙的背面晶片表面，以及图32a、32b以及32c相应于抛光的晶片。放大的图像提供一些局部额外细节，清晰度和锐度的降低被认为是由设备的各种限制，例如照相机的动态范围、收集其它散射光的显微镜的高N.A.以及其它因素引起的。高对比度的图像相应于一般的标记读出装置/检测系统所使用的近似放大率。
图33a和33b将皮秒系统得到的高对比度标记(即，图33a)与一般的基于纳秒激光的标刻系统形成的标记(即，图33b)进行比较。纳米“暗”标记表面粗糙度并没有明显的改变，而仅在皮秒标记内形成微观结构。
图34a、34b以及34c表示被标刻区域的SEM图像，其进一步说明皮秒系统产生的微观结构的出现，如下
图34aps激光产生的SEM标记；亚微米结构可见。
图34bns激光产生的SEM暗标记；没有任何结构可见。
图34cns激光产生的SEM白色标记；更大的脊状结构可见。
纳秒结果仅表示不明显的粗糙度(“暗标记”的情况)，皮秒结果中明显的表面粗糙度的变化在纳秒数据中未被检测到-“暗”或“牢固”的标记都不显示微观结构。深的标记(传统的“牢固标记”)也表现非常不希望的脊状形状。重要的是甚至对于“暗”纳秒标记(与“牢固标记”相比，相对浅)的观察，在相应于纳秒标刻的图像中未检测到微观结构。
图35表示从抛光晶片的被标刻区域得到的SEM图像。以三个SEM放大率表示表面区域15,000X，6,000X，以及25,000X。被标刻的和未被标刻的区域之间的结构边界是明显的，甚至抛光的背景变化时，也是如此。而且，被标刻的区域，其周边，以及抛光的背景都是无渣的-脊和切口高度是可忽略的。
图36、37a、37b、37c以及37d表示抛光晶片的标刻区域的测量，其使用AFM测量表面高度。亚微米结构是明显的，峰高度在几十到几百纳米的范围内。抛光背景区域相应于前面的附图所示的半镜面，强的方向性反射的结果。对于镜面晶片背景，可得到非常高的对比度，提供被构造结构的和未被标刻的镜面晶片区域的清楚识别。在这种情况下，使用AFM或SEM测量，标记也可以明显地从背景相辨别出，其中AFM或SEM测量将示例结构上的区别。
这些例子通常表示粗糙度大于反射背景的被标刻区域。例如，还可能通过形成微观结构的背景，来形成正对比度标记，其中标记为高反射，配置照明，从而标记相对与暗背景具有正对比度。
如果，例如使用该技术，系统的生产量没有退化(或被改善)(例如，其中标记的总区域大于背景区域)，则该例子是我们感兴趣的。而且，某些应用可能需要这种“相反的对比度”作为用户规格的一部分。可以进行其它类似的变化或改变，而不脱离本发明的范围和精神。激光器实施例用于产生上述加工实例的高对比度结果的商业上可得到的激光器包括锁模振荡器，以及二极管泵浦固态激光放大器。可以得到皮秒输出，脉冲参数在期望的范围内。激光系统的选择通常是根据对脉冲能量、重复频率、平均功率、照射将被标记的材料所需要的脉冲宽度、与足以开始材料表面上空间斑点尺寸内的烧蚀的总能量密度的要求。有用的激光波长包括近IR、可见光(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导体生产环境中的各种实际考虑。当可以得到时，希望有“现成的”解决方案。优选地，激光系统与可得到的标刻设备，例如商业上软标记类型的晶片标刻系统，如GSI Lumonics WaferMarkSigmaClean兼容。
已经出版的美国专利申请号为No.2004/0134894，名称为“Laser-basedsystem for Memory Link Processing with Picosecond Lasers”被转让给本发明的受让人，在此其被全部包含。这里所包括的是各种示例性皮秒激光系统，其可以被使用或修改以用于本发明的一个或更多实施例中。特别关心的是名称为“皮秒激光实施例”的部分，图6a-8e，以及已出版的申请的相应部分。
已经出版的美国专利申请号为No.2004/0226925，名称为“LaserSystem and Method for Material Processing with Ultra Fast Laser”被转让给本发明的受让人，在此其被全部包含。这里所包括的是各种示例性飞秒激光系统，其可以被使用或修改以用于本发明的一个或更多实施例中。特别关心的是题目为“超快激光实施例”的部分，图1-8，以及已出版的申请的相应部分。
例如，可以修改上述包含的专利申请的激光器系统，以用于改变的波长(例如，绿光和UV)。可以调整系统输出，例如平均功率和峰能量，以按需要满足降低或增加放大器增益的能量密度的要求，从而以所需要的能量密度进行处理。
正在进行的发展被期望导致增加的商业可用性。例如，美国IMRA报告的FCPA系统(基于光纤的啁啾脉冲放大系统)包括重复率为500KHz的2微焦耳的脉冲能量，相应于工作在飞秒脉冲宽度的1W平均功率。
尽管已经说明和描述了本发明的实施例，但是并不旨在表示这些实施例说明和描述了本发明的所有可能形式。而是，该说明书中使用的文字是描述性的而不是限制性的，应该理解可以进行各种改变，而不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种表面处理方法，其用于处理工件的一区域内的目标表面材料，同时避免对邻近的非目标材料产生不希望的改变，所述方法包括产生脉冲激光输出，所述脉冲激光输出包括具有波长和脉冲宽度的至少一个脉冲；用包括所述至少一个脉冲的所述脉冲激光输出照射所述工件的所述目标表面材料，以构造所述目标表面材料，所述脉冲激光输出具有足够的总能量密度以在所述目标表面材料的至少一部分内开始烧蚀，且所述脉冲宽度足够短，从而所述区域和围绕所述区域的非目标材料是基本上无渣的。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述构造的表面材料包括标记，且其中所述标记是至少半永久性的或可擦除的。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述目标表面材料是半导体基片、薄膜、金属层以及电介质层中的至少之一。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述工件是MEM器件、光电器件以及生物医学芯片之一。
5.如权利要求2所述的方法，其中所述标记是机器可读的，且其中所述标记具有小于0.3mm的字体尺寸。
6.如权利要求1所述的方法，其进一步包括产生第二激光输出，和用所述第二激光输出照射构造的表面材料，以处理所述构造的表面材料。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述构造的表面材料包括标记，以及其中在用所述第二激光输出照射的所述步骤期间所述标记被擦除。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述构造的表面材料包括微观结构图形，且其中所述图形是条状图形、矩阵图形、字母数字字符串以及连合活字之一。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个脉冲的脉冲宽度小于约1ns。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述脉冲宽度为约100ps或更小。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述总能量密度在所述输出的斑点的空间范围是可测量的。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述构造的表面材料包括标记，以及其中所述照射步骤包括下面的步骤响应表示所述标记的至少一部分的第一位置的至少一个控制信号，引导所述激光输出射到在所述区域的所述第一位置上。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述照射步骤基本上增加所述区域的至少一部分内的所述目标表面材料的表面粗糙度。
14.如权利要求1所述的方法，其中围绕所述区域的所述非目标表面材料具有有强镜面反射部分的表面。
15.如权利要求2所述的方法，其中所述标记的漫反射系数在0.5％到5％的范围内。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述总能量密度超过约0.1J/cm2。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述波长小于所述目标表面材料的吸收限。
18.如权利要求1所述的方法，其中所述波长为紫外光。
19.如权利要求1所述的方法，其中所述目标表面材料为硅。
20.如权利要求1所述的方法，其中所述目标表面材料为金属或电介质。
21.如权利要求1所述的方法，其中所述目标表面材料是电介质钝化层的一部分，且其中所述层的电介质是无机的、有机的、或低k电介质。
22.如权利要求1所述的方法，其中所述目标表面材料是MEM器件的一部分。
23.如权利要求2所述的方法，其中所述标记的一部分具有约0.25微米到约1微米范围的表面变化。
24.如权利要求2所述的方法，其中所述标记的特征尺寸在几微米到几十微米的范围。
25.如权利要求2所述的方法，其中所述标记的特征尺寸是所述至少一个脉冲的几个波长。
26.如权利要求1所述的方法，其中所述照射步骤包括控制所述脉冲激光输出的偏振，以增强或控制所述的构造的表面材料的特征的步骤。
27.如权利要求11所述的方法，其中所述照射步骤包括成形所述斑点以得到成形的斑点的步骤。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述成形的斑点具有平顶辐照轮廓。
29.如权利要求27所述的方法，其中所述成形的斑点具有凹陷中心，能量聚集在所述成形的斑点的周边。
30.如权利要求6所述的方法，其中所述脉冲激光输出精细构造所述目标表面材料，以及所述第二激光输出粗处理所述构造的表面材料。
31.如权利要求6所述的方法，其中所述脉冲激光输出粗构造所述目标表面材料，以及所述第二激光输出精细处理所述构造的表面材料。
32.如权利要求6所述的方法，其中所述构造的表面材料包括标记，且其中在用所述第二激光输出照射的所述步骤期间，产生明暗相反的窗口标志。
33.如权利要求6所述的方法，其中所述构造的表面材料包括图形，并且其中用所述第二激光输出照射的所述步骤微加工所述图形。
34.如权利要求6所述的方法，其中用所述第二激光输出照射的所述步骤调整所述构造的表面材料的电或机械参数。
35.如权利要求6所述的方法，其中所述第二激光输出包括至少一个脉冲，所述脉冲具有被吸收进所述构造的表面材料中的波长。
36.如权利要求35所述的方法，其中所述第二光束的所述至少一个脉冲的所述波长还被吸收进围绕所述区域的所述非目标材料中。
37.如权利要求35所述的方法，其中所述第二光束的所述至少一个脉冲的所述波长不被吸收进围绕所述区域的所述非目标材料中。
38.一种表面处理系统，其用于处理工件的一区域内的目标表面材料，同时避免对邻近的非目标材料产生不希望的改变的，所述系统包括一第一激光子系统，其包括一第一激光源，用于产生脉冲激光输出，所述脉冲激光输出包括具有波长和脉冲宽度的至少一个脉冲；一输送子系统，用于用包括所述至少一个脉冲的所述脉冲激光输出，照射工件的所述目标表面材料，以构造所述目标表面材料，所述脉冲激光输出具有足够的总能量密度，以在所述目标表面材料的至少一部分内开始烧蚀，且所述脉冲宽度足够短，从而所述区域和围绕所述材料的所述非目标材料是基本上无渣的。
39.如权利要求38所述的系统，其中所述第一激光源包括超快激光。
40.如权利要求38所述的系统，其中所述输送子系统包括控制器，所述控制器接受表示待构造的所述目标表面材料的位置的数据，并产生至少一个位置控制信号。
41.如权利要求40所述的系统，其中所述输送子系统包括定位子系统，其用于响应所述至少一个位置控制信号，引导所述激光输出到所述目标表面材料的所述位置，以便构造所述目标表面材料。
42.如权利要求38所述的系统，进一步包括第二激光子系统，其包括用于产生第二激光输出的第二激光源，所述第二激光输出照射所述的构造的表面材料。
43.如权利要求42所述的系统，其中所述第二激光输出至少擦除、微加工、焊接或激励所述构造的表面材料的所述区域。
44.如权利要求42所述的系统，其中所述第二激光源包括脉冲源、调制源或CW源之一。
45.如权利要求42所述的系统，其中所述第二激光输出的照射低于所述目标表面材料的能量密度击穿阈值，以加热所述区域。
46.如权利要求42所述的系统，其中所述第二激光输出的照射高于所述目标表面材料的能量密度击穿阈值，以实现所述目标表面材料的至少一个特性的改变。
47.如权利要求42所述的系统，其中所述第二激光输出包括至少一个脉冲，其具有接近或超过所述工件材料的吸收限的波长。
48.如权利要求42所述的系统，其中所述第一激光源包括所述第二激光源。
49.如权利要求42所述的系统，其中所述第一激光源是与所述第二激光源分离开的。
50.如权利要求38所述的系统，其中所述输送子系统包括偏振控制器，其用于控制所述激光输出的偏振。
51.如权利要求38所述的系统，其中所述第一激光源包括二极管泵浦的固态UV激光，且其中所述脉冲宽度小于约20ns。
52.如权利要求51所述的系统，其中所述脉冲宽度小于约1ns。
53.如权利要求41所述的系统，其中所述定位子系统包括至少一个移位台，以相对于所述激光输出移动所述工件。
54.如权利要求38所述的系统，其中所述第一激光源包括锁模振荡器，以及二极管泵浦的固态激光放大器。
55.如权利要求38所述的系统，其中所述激光输出具有范围为0.01W-2W的平均激光输出功率。
56.如权利要求38所述的系统，其中所述构造的表面材料包括标记，以及其中所述系统进一步包括用于读出所述标记的观测子系统，所述观测子系统包括照明器和电子成像子系统。
57.如权利要求56所述的系统，其中所述照明器是明视场、暗视场、以及明视场与暗视场的组合中的一种。
58.一种制造的物品，其包括至少一个表面材料，其具有在制造所述物品的至少一个步骤中在其上形成的可辨别的标记，所述标记通过用一脉冲激光输出选择性地照射一工件的一区域内的目标表面材料的方法来形成，所述标记是至少半永久性的，且在制造所述物品的后续步骤中可用；所述区域和围绕所述区域的非目标材料是基本上无渣的；以及在所述制造的至少一个步骤中，所述区域的至少一部分内的表面粗糙度被增加，从而降低用于读出所述标记的能量的反射。
59.如权利要求58所述物品，其中在宽范围的视角，所述区域与所述区域的背景之间有高反射对比度。
60.如权利要求58所述物品，其中所述区域的所述背景的表面具有强的镜面反射的部分。
61.如权利要求58所述物品，其中在至少20度的视角范围，所述可辨识的标记和所述标记的背景之间的反射对比度超过30∶1。
62.如权利要求58所述物品，其中所述标记包括具有字体尺寸为0.3mm或更小的字母数字标记。
63.如权利要求58所述物品，其中所述标记包括二维矩阵码。
64.如权利要求58所述物品，其中所述标记除识别之外可用于制造所述物品的一个或更多步骤。
65.如权利要求58所述物品，其中所述标记与所述区域的背景由通过SEM(扫描电子显微镜)数据和AFM(原子力显微镜)数据的至少之一获得的粗糙度测量是可辨别的。
66.如权利要求58所述物品，其中DIN 4768粗糙度测量标准可用于比较所述标记的一部分与所述区域的背景的粗糙度。
67.如权利要求58所述物品，其中所述标记由图像对比度的测量可从所述区域的背景辨别出。
68.如权利要求58所述物品，其中所述标记是机器可读的。
69.如权利要求58所述物品，其中所述标记表现为形成点矩阵码的不重叠的点的序列。
70.如权利要求58所述物品，其中所述标记可用于可跟踪性能、部件识别以及分类的至少之一中使用。
全文摘要
提供了一种基于激光的用于处理目标表面材料的方法和系统，以及由此产生的物品。所述系统处理一工件的一区域内的目标表面材料，同时避免对邻近的非目标材料产生不希望的改变。所述系统包括第一激光子系统，其包括第一激光源，用于产生脉冲激光输出，所述脉冲激光输出包括具有一波长和一脉冲宽度的至少一个脉冲，所述脉冲宽度小于1ns。一输送子系统，用包括所述至少一个脉冲的所述脉冲激光输出，照射所述工件的所述目标表面材料，以使构造目标表面材料。所述脉冲激光输出具有足够的总能量密度，以在所述目标表面材料的至少一部分内开始烧蚀，且所述脉冲宽度足够短，使得所述区域和围绕所述区域的非目标材料是基本无渣的。
文档编号B23K26/00GK1981291SQ200580022203
公开日2007年6月13日 申请日期2005年6月21日 优先权日2004年6月30日
发明者博·古, 乔纳森·S·艾尔曼, 唐纳德·J·斯维特科夫, 史蒂文·P·卡希尔, 凯文·E·沙利文 申请人:通明国际科技有限公司