基于激光的材料加工方法和系统的制作方法

专利名称：基于激光的材料加工方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及脉冲激光器和利用高重复率脉冲激光加工材料。
背景技术：
包括例如薄硅晶圆切割、印刷电路板(PCB)钻孔、太阳能电池制造和平板显示器 制造的若干个材料加工应用涉及类似的材料加工技术和问题。早先的解决方案包括机械和 平板印刷加工技术。不过，装置尺寸的减小、装置复杂度的增大和化学加工的环境代价使得 所述行业朝向激光加工方法转变。现在采用通常波长为lPm或具有绿光或UV波长的频率 转换形式的大功率二极管泵浦固态激光器。在某些应用中采用的一种方法包括以较高的扫 描速度反复通过来逐渐切穿材料。在所述应用中，存在三个主要问题(a)清晰利落的切割 所需的材料而不对材料造成损害(例如，残余应力，脱层，热引起的材料改性等)，(b)实现 商用可行的足够高量的材料去除率，和(c)重铸材料的减少和消除。为有效和高质量基于激光的材料加工已经提出了不同的选择，包括以高重复率操 作具有较少的碎屑和熔化。不过，限制在加工位置附近积聚再沉积材料的问题还没有充分 解决，并且这一般是个难以克服的问题。由于快速加工需要高材料去除率，从加工位置射出 的较大量被烧蚀材料一般可能包括熔融物、较大量的固体材料和蒸汽的一种或多种。还可 能再沉积下至纳米级(例如lOnm)的精细分布的微粒。在不同的应用中，通过工艺改造解决了限制积聚的问题。例如，在某些当前的半导体工业技术中，基片可能用牺牲层材料进行涂层，所述牺牲层材料在激光加工后用再沉积 材料去除。该工艺步骤可以单独使用或结合基片的后处理用各种化学溶剂去除重铸物进行 使用。不过，所述技术通过增加额外的加工步骤和额外的消耗材料而降低了处理能力并增 加了成本。就这点而论，优选的解决方案会消除对所述碎屑去除的需要。处理碎屑可包括熔渣，熔化区域，热影响区，等等。在某些情况，利用传统的非化学 清洁技术，例如在超声波浴中清洗，不能有效地去除碎屑。此外，集成电路和半导体装置中采用的低介电材料和复合层对于基于激光的材料 加工的某些实施提出了挑战。低介电材料可包括介电常数小于二氧化硅的介电常数的材 料。例如，低介电材料可包括电介质材料，例如掺杂的二氧化硅，聚合物电介质等等。

发明内容
由于前述的挑战和限制，发明人认识到存在不仅要有效加工材料还要限制再沉积 材料的积聚的需要。非常需要能够除去昂贵加工步骤的解决方案。因此，本文所披露的系 统和方法的不同实施例可用于工件的靶材料的基于激光的改性，同时实现在加工处理能力 和/或质量上的改进。在一个概况方面，提供了激光加工工件的方法。所述方法包括以足够高的脉冲重 复率将激光脉冲聚焦和引导至工件的一区域，使得材料被有效地从所述区域去除，并且相 对于以较低重复率可获得的数量在所述区域内或邻近所述区域的不想要材料的数量降低 了。例如，在所述方法的某些实施例中，脉冲重复率可在约100kHz-5MHz的范围内。在另一概况方面，激光加工工件的方法可包括以足够高的脉冲重复率将激光脉冲 聚焦和引导至工件的一区域，使得一个或多个材料内的热积聚被控制以便能提供快速材料 去除，同时限制被加工区域周围的再沉积材料的积聚。所述方法可控制热影响区(HAZ)。在另一概况方面，激光加工工件的方法包括用具有一脉冲宽度的激光脉冲照射工 件的至少一个材料。可将激光脉冲聚焦在所述至少一个材料中的光斑上。所述聚焦的光斑 可以相对于材料以一扫描速度进行相对扫描。在某些实施中，所述工件包括有图案的区域 和光面(bare)半导体晶圆区域。所述有图案的区域可包括电介质材料和金属材料中的至 少一种。在某些实施例中，用于去除至少一部分有图案区域的扫描速度明显小于用于去除 至少一部分光面晶体区域的扫描速度。在某些实施例中，对于照射有图案区域的相邻聚焦光斑之间的重叠明显大于对于 照射光面晶体区域的相邻聚焦光斑之间的重叠。例如，在某些情况，照射有图案区域的重叠 可以大于约95%。在某些实施例中，在有图案区域内的至少一部分材料利用在约lOOps至约500ps 范围内的脉冲宽度进行改性。在某些实施例中，在半导体晶圆区域内的至少一部分材料利 用在约lOOfs至约10ps范围内的脉冲宽度进行改性。至少一个实施例包括适于实施上述激光加工方法的实施例的超短脉冲激光系统。 至少一个实施例包括超短脉冲激光系统，所述激光系统包括至少一个光纤放大器或光纤激 光器。至少一个实施例包括被设置成“全光纤”设计的超短脉冲激光系统。在不同的实施例中，脉冲激光系统提供至少一个脉冲的脉冲宽度小于约10ps。在 某些实施例中，至少一个脉冲的脉冲宽度小于约几纳秒，例如亚纳秒脉冲。
本发明提供了划片、切片、切割或加工以从多材料工件的一区域去除材料的方法 的实施例。在某些实施例中，所述方法包括将激光脉冲导向多材料工件的至少一个材料。 激光脉冲的脉冲宽度可以在几十飞秒至约500皮秒的范围内，并且脉冲重复率为几百kHz 至约10MHz。所述工件可包括图案和半导体晶圆，并且所述图案(晶圆)可包括电介质材 料和金属材料中的至少一种。所述方法还可包括将激光脉冲聚焦成光斑尺寸在几微米至 约50i!m(l/e2)范围内的激光光斑，并且相对于至少一个材料以一扫描速度定位激光光斑， 使得用于从至少一部分图案(晶圆)去除材料的相邻聚焦光斑之间的重叠明显大于用于从 至少一部分半导体晶圆去除材料的相邻聚焦光斑之间的重叠。在某些有优势的实施例中， 所述方法控制工件的一个或多个材料内的热积聚，同时限制该区域周围的再沉积材料的积 聚o本发明提供了加工包括图案(pattern)和半导体晶圆的工件的方法的实施例。所 述图案(晶圆)包括电介质材料和金属材料中的至少一种。在某些实施例中，所述方法包 括用包含脉冲宽度在约lOOps至约500ps范围内的激光脉冲改性至少一部分图案(晶圆)， 并且用包含脉冲宽度在约lOOfs至约10ps范围内的激光脉冲改性至少一部分半导体晶圆。本发明提供了激光加工具有半导体材料的多材料工件的方法的实施例。在某些实 施例中，所述方法包括以约100kHz至约10MHz范围内的脉冲重复率将激光脉冲聚焦和引导 至工件的一区域，并且重复率足够高使得材料被有效地从该区域去除，并且相对于以低于 约100kHz的较低重复率可获得的数量，该区域内或邻近该区域的不想要的材料的数量被 限制了。在其它实施例中，提供了激光加工具有半导体材料的多材料工件的方法。在某些 所述实施例中，所述方法包括用聚焦激光脉冲以一扫描速率和脉冲重复率反复照射工件的 至少一个靶材料。重复率可以在至少约几百kHz至约10MHz的范围内，并且扫描速率可以 在约0. 2m/s至约20m/s的范围内。在所述方法的不同实施例中，至少某些聚焦激光脉冲具 有与至少一个其它脉冲的非零空间重叠系数，脉冲宽度小于约1ns，脉冲能量在约lOOnJ至 约25 y J的范围内，聚焦(1/e2)的光斑尺寸在约5 ym至约50 ym的范围内，并且在靶材料 的能流在约0. 25J/cm2至约30J/cm2的范围内。本发明披露了加工多材料工件的方法的实施例。所述工件可包括半导体材料和图 案，并且所述图案可包括电介质材料和金属材料中的至少一种。在某些实施例中，所述方法 包括用一系列激光脉冲照射工件，其中所述一系列激光脉冲的至少两个脉冲具有适用于工 件的不同材料的不同特征。所述方法还包括控制热影响区(HAZ)，使得至少一个HAZ产生在 去除至少一个电介质材料期间，并且相对于产生在去除一部分半导体材料期间的至少一个 HAZ在深度上增加了金属材料。本发明披露了加工包括图案和半导体晶圆区域的工件的方法的实施例。所述图案 可包括电介质材料和金属材料。在某些实施例中，所述方法包括用聚焦的激光脉冲改变至 少一部分图案，其中至少一个聚焦脉冲包括在约lOOfs至约500ps范围内的脉冲宽度。所 述方法还包括在图案的部分中积聚充分的热量以避免电介质材料从金属材料的脱层。本发明提供了划片、切片、切割或加工具有半导体材料的多材料工件的基于激光 的系统的实施例。在某些实施例中，基于激光的系统包括光脉冲源和光学放大系统，所述光 学放大系统被设置成将来自所述光脉冲源的脉冲放大成脉冲能量为至少约1 u J，并且产生的输出光脉冲的至少一个脉冲宽度在约500fs至几百皮秒的范围内。所述系统还可包括调 制系统，它包括至少一个光学调制器，被设置成将输出光脉冲的重复率调节在约100kHz至 约10MHz的范围内；和光束传送系统，它被设置成将脉冲激光束聚焦并传送至工件，以便脉 冲光束聚焦成在约15 y m至约50 y m范围内的光斑尺寸(1/e2)。所述系统还包括定位系统， 它被设置成相对于工件的一个或多个材料以约0. lm/sec至约20m/sec范围内的扫描速度 扫描光束，和控制器，它被设置成连接至至少所述定位系统。所述控制器可被设置成在加工 所述工件期间以所述重复率控制相邻聚焦光束之间的空间重叠。本文披露了划片、切片、切割或加工具有半导体材料的多材料工件的基于激光的 系统的实施例。所述系统的实施例包括光脉冲源和光学放大系统，所述光学放大系统被设 置成放大来自所述光脉冲源的脉冲，并产生输出脉冲，所述输出脉冲的至少一个脉冲宽度 在几十飞秒至约500皮秒的范围内。所述系统还包括调制系统，它包括至少一个光学调制 器，被设置成提供的输出光脉冲的重复率在至少约1MHz至小于约100MHz的范围内。所述 系统还包括光束传送系统，它被设置成将脉冲激光束聚焦和传送至工件，使得脉冲光束聚 焦成光斑尺寸(1/e2)为至少约5微米；和定位系统，它被设置成以在工件的一个或多个材 料上或内产生光斑重叠的扫描速度来扫描光束。在不同的实施例中所述光斑重叠可以是以 所述重复率和光斑尺寸的至少约95%。本发明提供了在具有半导体材料的工件上或工件内切片、切割、划片或形成结构 的系统的实施例。在某些实施例中，所述系统包括脉冲激光系统，它被设置成用聚焦激光脉 冲以一扫描速度和脉冲重复率反复照射材料的至少一部分。所述重复率可在约100kHz至 约5MHz的范围内，并且高到足以从靶位置有效地去除材料的大量深度上部分并限制在靶 位置周围不想要材料的积聚。所述系统还包括光束传送系统，它被设置成聚焦和传送激光 脉冲，和定位系统，它被设置成以一扫描速度相对于半导体基片定位激光脉冲。所述定位系 统可包括光学扫描器和基片定位器的至少一个。在某些实施例中，控制器被设置成连接至 脉冲激光系统、光束传送系统和定位系统。所述控制器可被设置成以一重复率在加工工件 期间控制相邻聚焦激光脉冲之间的空间重叠。


图1A-1C示意性地示出了表示用于材料去除的多程(多次通过)基于激光的方法 的实施例的俯视图和剖视图。图1D-1E示意性地示出了表示N次通过后加工深度和形成不想要的再沉积材料之 间的关系的剖视图。图1E示意性地表示用脉冲激光系统的至少一个实施例可获得的结果。图1F示意性地示出了适于通过激光脉冲加工工件的激光系统的实施例。图1G-1至1G-3示意性地示出了有图案晶圆的部分的示例。图1G-1示出了具有 若干个芯片(die，晶粒)的晶圆，图1G-2示出了图1G-1所示晶圆的一部分的展开图，而图 1G-3示出了晶圆的一部分的剖视测试图。图2A-2B示意性地示出了通过激光脉冲串加工工件的系统的实施例。图3示意性地示出了通过激光脉冲串加工工件的系统的另一实施例。图4A示意性地示出了通过激光脉冲串加工工件的系统的另一实施例。图4B示意性地示出了大模场面积光纤的实施例，所述大模场面积光纤包括用稀土离子掺杂的纤芯，可用于光纤放大器或由多模泵源泵浦的激光器中。图5示意性地示出了通过激光脉冲串加工工件的系统的另一实施例，所述系统具 有根据工艺和/或靶信息的反馈和控制。图6A和6B分别示出了示意性表示和照片，示出对应于通过激光脉冲串加工工件 的实施例的实验系统。图7示意性地示出了用于量化加工质量的一种示例技术，以便获得接近加工位置 的烧蚀体积和再沉积体积的近似值。图7A-7F示出了由硅样品获得的示例扫描电子显微镜(SEM)剖视图，其中所述实 验结果是通过改变图6A和6B的示例系统的激光加工参数获得的。图8是曲线图，示出了根据扫描速度和重复率烧蚀截面积对再沉积截面积之比的 示例。图9是曲线图，进一步示出了截面积对扫描速度的示例，规范用于光斑的平均功 率和空间重叠。图10A-1和10A-2示出了示例的SEM截面，其中再沉积材料的量足够低使得传统 的超声波清洁能够有效地进一步去除碎屑，所述结果应用于例如薄晶圆切片和类似应用。图10B是对应于图10A-1和10A-2所示数据的烧蚀深度对重铸(recast)高度之 比的曲线图。图11A-11C示出了比较单和双脉冲加工的结果的示例SEM截面。图11D-11E是曲线图，示出了对应于图11A-11C的SEM图像的烧蚀深度对重铸高 度之比。图12A-12B是SEM图像，示出了利用脉冲激光系统的实施例的晶圆切割(切片) 的一部分，以及在传统的超声波清洁之后所获得的结果。图13A-1-13A-3是SEM图像，示出了利用约200ps的脉冲宽度通过不同的重复率 和扫描速度所获得的结果。图13A-4-13A-5是曲线图，分别示出了加权的烧蚀截面积(平方微米)和烧蚀深 度对重铸高度之比，对应于图13A-1-13A-3所示的数据。图14和14A-1和14A-2示意性地示出了用于测试半导体装置的芯片强度的结构 的各种示例，而图14B和14C是曲线图，示出了在通过来自图6A和6B所示的示例实验系统 的超短脉冲加工样品后所获得的芯片强度测量结果的示例。图15A-15D示出了 SEM图像的示例，以及通过图6A和6B的示例实验系统产生的 超短脉冲划片和/或切割的样品的剖面。图16A-16D示出了 SEM图像的示例，示出飞秒和皮秒划片结果。图17示出了实验测试结果，示出用500fs压缩脉冲或300ps非压缩脉冲切割的硅 芯片的芯片强度。图17还包括公开的纳秒激光结果和机械测试结果以供比较。圆圈用于示 出在张力下的芯片的结果，而方块用于示出在压力下的芯片的结果。对应于实验测试结果 的平均值(和误差棒)是用500fs和300ps脉冲的各实验测试结果的水平(向右)偏移。现在将参照上述总结的附图描述这些和其它特征。本发明的附图和相关的说明用 于阐述实施例而不是限制本发明的范围。
具体实施例方式在下文的详细说明中，靶材料一般是指由一个或多个激光脉冲改性的工件的至少 一个区域内或上的材料。靶材料可包括具有不同物理特性的多种材料。在下文的详细说明中，重复率除非特别说明一般是指在激光加工材料的过程中被 传送至靶材料的激光脉冲的频率。所述频率可对应于由激光源产生的脉冲的频率，但在例 如一个脉冲或脉冲群被选通并传送至靶材料的实施例中所述频率也可相对于源频率被降 低。在下文的详细说明中，涉及在靶材料、靶区域等内或附近限制不想要的材料的积 聚。除非特别说明，供选择的语言不被解释为仅是两个(或更多)选择中的一个，而是可包 括两者(或更多)选择。本文所用的术语碎屑(debris)没有限制，一般是指在局部区域内或附近不想要 的材料积聚。碎屑可由激光-材料相互作用和/或热影响区(HAZ)引起。重铸、熔渣、再沉 积和其它相关术语也是本领域公知的。通常，热影响区包括材料的加热和冷却足够快以形 成熔化物，并且区域的范围包括取决于脉冲持续时间和各种材料参数。短脉冲，尤其是超短 脉冲，已知使热量局部化并减小热影响区的尺寸。fi述实施例一般适用于激光加工工件，并尤其适用于微加工应用。例如，不同的实施 例可适用于切割、切片、划片、和/或雕刻半导体基片以形成通常横向尺寸在约1微米至约 100微米并且深度从几微米至几百微米的结构。例如，某些实施例可用于制备在各种材料 中的精确沟和槽。对于各种微电子应用，需要在硅片中具有极其精确的沟槽。若干个研究 组已证实利用激光强度刚好在烧蚀阈值之上的飞秒激光脉冲可获得最好的结果(参见例 如，Barsch,Korber,Ostendorf,禾口 Tonshoff,"Ablation and Cutting of Planar Silicon Devices using Femtosecond Laser Pulse，，，Appl. Physics A 77, pp. 237-244, (2003) 禾口 Ostendorf, Kulik,禾口 Barsch, "Processing Thin Silicon with Ultrashort-pulsed Lasers Creating an Alternative to Conventional Sawing Techlniques",Proceedings of the ICALE0, Jacksonville, USA,2003 年 10 月)。当前，微流控设备制备的优选方法是通过光刻加工，通常涉及若干个周期的紫 外线(UV)光曝光，随后是溶剂蚀刻。飞秒激光能够直接加工适度纵横比的盲孔和通孔 (1 10-1 100，取决于基片材料、激光参数和孔直径)。公知相对于传统的纳秒激光，超短激光脉冲提供重要的优势减小的HAZ，减小的 残余应力，对于材料烧蚀阈值变化的降低的敏感度。此外，已确定通过缩放激光平均功率 (假设在靶上的能流大于材料烧蚀阈值)和利用高速度多程(通过)光束扫描可实现相当 高的处理速度。超短激光加工一般也被认定为减少熔渣、残渣、熔化形成物，或其它不想要 的激光-材料相互作用的副产品的合适方法。不过，也已确定单独使用超短脉冲不能保证 改进的质量。许多早期的实验在真空中进行，这简化了加工。可以在在先的美国临时专利 申请中找到关于用超短脉冲进行材料加工，微加工用于半导体装置制造的一个或多个半导 体、金属或介质材料，激光-材料相互作用机制，和用于微加工的系统的对不同出版物、专 利和已公开专利申请的引用。本文所披露的实施例可用于在材料中形成高纵横比结构，其中深度对宽度之比是 大的。所述结构，有时被称为槽或沟，可通过从工件表面可控地去除材料而形成。可通过在靶区域上重复地扫描聚焦激光脉冲，用一机构将靶材料和/或激光脉冲相对于彼此定位来 去除材料。某些实施例可用于激光切割材料，尤其是半导体基片。所述实施例还可包括作为 所述过程一部分的高纵横比结构的形成。例如，薄晶圆切片有利地可利用清晰和精确的切 割以分离晶圆芯片而不会损坏附近电路或结构。可利用聚焦激光脉冲以切穿(过)整个晶 圆来切片晶圆，在某些实施例中可能在切割过程中改变焦点在深度上的位置。可替换的，激 光脉冲可形成高纵横比结构，例如预定深度的窄和深的切割。随后利用非激光方法分离剩 余材料的薄的深度部分。在任何情况，充分好地控制碎屑和污染物可能是有利的。图1A-1C是示意性的示图，示出了基于激光的材料改性的工艺的一部分。示出了 具有重叠系数的聚焦激光光斑1000-a，1001-a的示例，在某些实施例中所述重叠系数可能 是光斑直径的一小部分。重叠系数可能与图1A中示意性示出的不同。例如，重叠系数可以 从光斑到光斑大致相同(例如，如图1A示意性所示)或重叠系数可以光斑与光斑不同。不 同的激光(多次)通过可以采用不同的重叠系数(和/或光斑形状，光斑直径等)。在不 同的实施例中，某些相邻光斑可以基本重叠(例如，重叠系数是光斑直径的一小部分)或某 些相邻光斑可被间隔开(例如，重叠系数大致与光斑直径相同或重叠系数大于光斑直径)。 在不同的实施例中，重叠系数可被选择以提供具有例如平滑直边的加工结构，或被选择以 影响区域内的热积聚。在所述实施例中，重叠系数(或其它参数)可在加工前被预先选择， 在加工过程中被动态地选择和调整，或者可以采用预先选择和动态选择的组合。尽管图1A 示出了聚焦激光光斑1000-a和1001-a是具有相同光斑直径的圆形，在其它实施例中聚焦 激光光斑可以具有其它的形状和尺寸。在光斑形状、光斑尺寸、重叠系数等上的多种变化是 可行的。光斑可用单程通过或多程通过，例如用扫描机构(未示出)应用至工件的靶材料。 在图1A-1C中，上部示图示意性地示出了激光脉冲的第一程通过(第1程)，而下部示图示 出了激光脉冲的第N程通过(第N程)。在不同的实施例中，可以使用任何适宜次数N的加 工通过，例如1，2，5，10，100，250，700，1000或更多次(程)通过。靶区域的简化上部示意 图在图1B中示出，图中示出了通过圆形光斑1000-a，1001-a去除材料的区域。该区域的横 向尺寸约为光斑直径，尽管一般已知通过超短脉冲，在小于光斑尺寸的区域上可控地去除 材料是可行的，如同例如在美国专利5，656，186中所披露的。在图1A-1C中所示的上部视 图中，去除材料的区域示意性地示出为矩形，尽管至少正交于扫描方向的边缘通常是稍微 圆的，尤其是采用具有椭圆或圆形截面的聚焦激光束。通过不同的实施例，可以形成结构，其中激光光斑去除靶材料的深度部分，例如， 在某些实施例中约0.5 ym或几微米。在单程通过中，去除了较小的深度部分1000-c (参见 图1C中的上部示图)。第二程(次)通过或第N程(次)通过随后去除了额外的深度部分， 如由曲线1001-c(参见图1C中的下部示图)所示意性表示的。在第N程(次)通过后，形 成了具有希望深度和/或空间轮廓的结构。可替换的，通过足够大量的通过次数，材料可被 干净利落地切断(例如，一直切割通过材料，有时称为“穿透(breakthrough)”)。在不同的 实施例中，N 程(次)通过的数量可以是 1，2，3，4，5，10，25，100，250，500，750，1000，1500， 2000，5000，或更多。可以根据下述因素选择通过的次数，所述因素包括，例如，结构的所需 深度和/或空间轮廓，形成工件的材料，是否希望穿透，等等。通过的次数可以在加工过程中动态调整。图IB示意性地示出了从工件之上观察的简单线性/矩形的加工图案。不过，加工 的结构可以是通过规划激光脉冲源和靶材料的相对位置(例如，通过下文将进一步说明的 扫描机构)而形成的圆形、椭圆形、交错的、螺旋形或其它任意形状。类似的，聚焦光斑的分 布可以是非圆的和/或具有高斯(Gaussian)或非高斯光斑轮廓。此外，可以根据深度形成 不同的形状，例如锥形的，阶梯形的，和/或弧形结构，其中结构的宽度以预定的方式或大 致如此随深度变化。高纵横比结构可单独形成或结合其它结构，并且可被连接至具有较低 纵横比结构的区域，例如大直径孔。通过本文所披露的系统和方法很多变化是可行的。“挖沟(trench digging) ”的实施例或其它应用的一些受关注参数可包括，例如， 沟(槽)的形状、深度和质量。不过，在许多应用中，再沉积材料通常被称为重铸物或熔渣， 可形成在窄沟的边缘处或非常接近窄沟的边缘。再沉积材料的数量一般随着加工深度的增 加而增加。图ID示意性地示出了加工结构1001-c的剖视图，所述加工结构具有一深度(如 图1A-1C中所示)，然而还具有可观的再沉积材料1005-a。再沉积材料1005_a可以在工件 的表面之上和/或加工结构1001-c内。未加工基片的基线如图ID和IE中的虚线所示。再 沉积材料还可积聚在结构或靶区域内，例如在基线之下的几微米的深度内(见图1D)。图IE表示通过脉冲激光实施例可获得的示例结果，其中对于固定次数的N次通 过，减少了再沉积材料1005-b的积聚(与图ID示意性所示的结果相比)。如图IE所示，再 沉积材料的截面积减小了(相对于图1D)，和/或材料沉积的类型是以细粒的形式而非较 大尺寸的熔化物。例如，在某些实施例中，所述结果可通过增大激光重复率，并且在本示例 中保持其它激光参数近似不变可获得。在不同的实施例中，可以在靶区域内、接近靶区域或 二者减少再沉积材料的积聚。在不同的实施例中，可以在靶区域内、接近靶区域或二者改变 再沉积材料的性质(例如，微粒的尺寸分布)。图1C，1D和IE示意性地示出了加工的结构 1000-c和1001-c具有的截面形状大体如梯形。梯形的截面形状旨在示意性表示，并不旨在 限制可通过本文所述的基于激光的加工系统和方法的不同实施例加工的结构的截面形状 (或任何其它特征)。在其它实施例中，结构可被加工成不具有梯形截面形状，例如，三角形 形状，矩形形状，圆形形状，会聚至最小宽度远小于最大宽度的锥形形状，或任何其它合适 的形状。许多结构形状和尺寸是可行的。此外，再沉积材料1005-a，1005-b的截面尺寸和 形状是示意性的，并不旨在限制可能的再沉积材料的尺寸和/或形状。举例来说，在硅基片上加工实验的结果显示了令人惊讶的结果增大激光脉冲的 激光重复率从约200kHz到约1MHz，同时保持近似恒定的激光脉冲能量、焦斑尺寸和脉冲持 续时间，产生了相对于材料再沉积量增大的材料去除量。所述实验利用基于光纤的超短啁 啾脉冲激光系统进行。结果暗示几百kHz直到几MHz的脉冲重复率可在加工质量上提供显 著的改进。例如，在某些应用中，可能不需要其它加工步骤来去除再沉积材料。获得即是希望的结构形状又有再沉积材料的减少最好通过超短脉冲，例如脉冲的 宽度小于约IOps来实现。不过，具有约200ps较长脉冲的增大的重复率也是有益的。相对 于较慢的重复率减少了再沉积材料的积聚。对于某些应用，具有较长脉冲宽度，例如达几纳 秒，或低于IOns也可以找到益处。实施例因此减少了熔渣和/或其它不想要的材料的量(和/或改变再沉积材料的性质)，同时提供结构的希望形状、深度和/或宽度。举例来说，并且如下文所示，高重复率 加工影响了再沉积材料的性质和数量。在某些实施例中，质量的测量可以是加工结构的深度和/或体积相对于峰高，平 均高度，和/或再沉积材料的体积。另一种示例的质量测量可以是结构深度相对于再沉积 材料的总体积。合适的质量测量可通过受影响区域的截面样本或体积量化来获得。可采用 各种工具来量化性能，例如，表面计量工具如白光干涉仪，原子力显微镜(AFM)，或类似的工 具(例如，可从Veeco Instrument Inc.，Woodbury, New York获得)。所述工具可提供改 进的测量准确性和精确性，具有自动或半自动操作的能力。例如，商用工具已经证实了用于 测量样品和较大材料体积的表面粗糙度的能力，并且AFM可用于量化深度结构(特征)的 结构。在某些应用中，例如切片或划片，可提供不同的质量测量。例如，量化再沉积材料 的体积可以是有用的测量，并且可结合切割质量作为整体质量因数。不同的实施例可具体 应用于希望高效率的加工操作，并且其中再沉积材料的积聚是不利的或换句话说是不希望 的。在某些实施例中，微加工可包括半导体晶圆的激光划片，切片，或类似的加工，所 述半导体晶圆可以是光的(bare，裸的)或有图案的。划片和切片是两种公认需要的应用。 划片通常去除支承在硅基片上的多种材料的一层或多层。随后通过机械切片机分离晶圆的 芯片。随着硅基片厚度减至低于100 μ m,例如50 μ m,已经显露了对基于激光的基片切片 的增大需求。不过，在某些实施例中，要求快速激光加工速度以使取代传统的机械切片合理 化。此外，在某些实施例中，减小或避免了不希望的热效应以确保随后封装工艺的可靠性。图IG-I(不按比例)示意性地示出了有图案的半导体晶圆120的示例，所述晶圆 具有排列成行和列的若干个芯片，其间具有道(street) 127。在传统的系统中，晶圆通常是 激光划片的，并利用切割机切割。当厚度减小到低于约ΙΟΟμπι，例如50μπι或75μπι，机械 切片变得更加困难。因此，需要利用激光切片以减少或排除机械切片。图1G-2示意性地示出了晶圆120的示例部分125。举例来说，沿所述道在区域 127-Β中进行切片。所述区域可包括若干材料和光晶圆部分。在所述道中示出的电路结构， 例如高密度格栅(栅极)层129，可用于在切片之前进行电气或其它功能测试。邻近道127 的区域包含高密度有源电路，可包括焊球的互连，或其它组合。在某些具有优势的实施例 中，实施切片或划片以干净利落地切割晶圆而不对电路造成损坏，不引入可观的碎屑或热 影响区(HAZ)，并提供足够的芯片强度。图1G-3示意性地示出了一部分晶圆的截面侧视图129-1，图1G-2的细格栅区域 129。所述格栅可通过一种或多种介质和金属材料覆盖。由于潜在的加工速度是将激光技术应用于薄晶圆切片的一个可能原因，用于切片 非常薄的晶圆的实用系统要能够以高速度去除相当大量的材料。所述道中的工件材料可包括但不限于，金属，无机电介质，有机电介质，半导体材 料，低k介质材料，或其组合。材料的组合能够以非常不同的空间图案和/或在深度上层叠 来排列。例如，微电子电路可包括具有交替层的铜和低k材料的部分，由上面的钝化层覆 盖。材料的其它组合和/或结构是可行的。各种研究披露了微加工硅的结果和模型。例如，Crawford等人在“Femtosecondlaser machining of groove in Silicon with 800 nm pulses，，，Applied Physics A 80,1717-1724(2005)中研究了根据脉冲能量，平移速度，通过的次数和偏振方向(平行 vs.(对)垂直于平移方向，并具有圆偏振)的烧蚀速率(在真空中)。激光参数包括在 800nm波长的150fs脉冲，激光脉冲重复率为ΙΚΗζ。最大平移速度为约500 μ m/sec。光斑 尺寸为约5 μ m。报道了单程(次)和多程(次)通过的结果，并分析了运动效应。披露了一个模 型，它包括运动的效应，其中假设脉冲间具有高度重叠。该方法包括确定在沿槽中心的一点 处积聚的能流。尽管提供了有用的构架以供分析，已认识到对于每个脉冲有效的能流可能 有些变化，并且单个或几个脉冲照射可产生与多个脉冲相比非常不同的结果，无论靶是否 移动。一些结论反映了在槽宽度上的少许平移效应，由于粗糙度和碎屑所述效应难以量化。 所述结果也与其它研究进行了比较。识别了各种其它形态。用线性模型遍及所有的通过不能预测烧蚀性能。已报道的烧蚀深度/每脉冲远低 于Iym—般通过能流达到几焦耳/cm2来观察。偏振效应略微明显，其中通过平行于平移 方向的偏振分支。通过槽的形成观察到预期的烧蚀深度限制，显而易见是由于槽底部处的 不足的能流。在一个示例中，头几次通过导致大量的材料以近线性方式被去除。不过，超出 二十次通过则射出的材料量减少。在脉冲的边缘接近槽缘，显然材料再沉积与材料去除竞 争。在大量次数的通过后，通过额外次的通过预计槽缘被大量地侵蚀。通过我们的实验将重复率增加至约几百KHz或更大，并且在某些实施例中优选达 到至少约1MHz，与低于几百KHz所得到的结果相比提高了被去除材料对再沉积材料之比。 所述结果通过适于高处理能力加工的平移速度获得，并且所述平移速度接近高速镜系统的 运动速度的一些当前限制。此外，至少一些结果表明过高的重复率会导致不希望的热效应， 重铸，和一般不想要的HAZ引起的材料改性。同时实现高处理能力和减少的碎屑是总体目 标和可通过某些实施例实现的有益结果。举例来说，划片和/或切片50 μ m厚或类似基片可通过聚焦光斑尺寸为至少 15 μ m，并在某些实施例中通过光斑尺寸在约15-50 μ m的范围内进行。可以采用其它光斑 尺寸，例如，几微米(例如，在一种情况中为约3微米)。在某些实施例中，使用从约1微米 至约5微米范围内的光斑尺寸。被去除材料的量一般由一个或多个因素确定，包括扫描速 度，光斑重叠，重复率(每秒传送至表面的脉冲)，脉冲能量，和光斑直径。在某些实施例中， 表面上相邻光斑之间的充分重叠提供了切割或划片相对均勻宽度的图案。在某些实验系统 中，光斑尺寸为约15 μ m的至少几微焦耳的较高脉冲能量通常会导致在直径为约15-20 μ m 的区域内的烧蚀。扫描系统，例如基于检流计的镜扫描器，可提供高达约10-20m/sec的扫 描速度。材料去除要求不同，并且通过适当选择包括脉冲能量、重复率和速度参数的一个 或多个因素可以增大或减小区域内的热积聚。在某些实施例中，可能希望增加区域内的热 积聚以便于材料的去除。在不同的实施例中，以高频率和降低的运动速度应用超短脉冲，以 引起类似于非超短脉冲的热效应。在至少一个实施例中，可以调节脉冲能量、重复率、速度 和脉冲宽度中的一个或多个。在某些实施例中，可用的脉冲能量会是至少约5yj，重复率 可被调节达到约10MHz，表面处的光束速度可以在约0. lm/sec直到约lOm/sec的范围内， 并且脉冲宽度设置在从低于1皮秒直到几纳秒的范围内。举例来说，通过IMHz频率，40 μ m光斑，和0. lm/sec的速度，光斑间的重叠超过99%。局部的热积聚可能是明显的。如果保 持IMHz频率，并且速度增加至约5m/sec，光斑重叠减小50倍，在加工区域内具有减小的热 积聚。因此，在不同有优势的实施例中，可以采用在约0. 001至约0. 99范围内的重叠系数。 其它的范围是可行的。由于对于不同的晶圆设计在道内的材料可能不同，希望激光系统的某些实施例能 提供某些参数在较宽范围的调节。例如，扫描速度，脉冲能量，重复率(脉冲撞击表面的频 率)，脉冲宽度和光斑尺寸优选可在较宽范围进行调节，例如在某些实施例中为至少2 1。 一个或多个所述参数，例如脉冲宽度，速度和重复率可在大于10 1的范围上进行调节。在 其它实施例中其它的可调节范围是可行的。由于不同的材料特性，对于划片和光硅片切片可能需要不同的激光和速度参数。 在某些实施例中，用较高脉冲能量和脉冲间的高重叠(例如大于99%的重叠)增大热积聚 会便于材料的去除。在某些所述实施例中，要保持足够控制良好的热影响区(HAZ)以避免 间接损害或增加的碎屑。通常的多材料装置，例如有图案的晶圆，可包括在深度上层叠的导体、电介质、和 半导体材料。可以在例如IMHz的重复率，约40 μ m的光斑尺寸，并以在相邻光斑之间产生 约75%至大于99%之间的重叠的移动速度进行通常的多材料装置的加工。举例来说，通过脉冲重复率在约几百kHz至约IOMHz的范围内，可以控制扫描速度 使得能够调整热积聚以便于材料去除同时限制碎屑和控制HAZ。在某些实施例中，金属和介 质层的去除能够以明显低于用于去除光硅片的扫描速度的扫描速度进行。结果，用于去除 金属和介质中的至少一种的相邻光斑之间的重叠可大于用于光晶圆加工的重叠(例如，在 某些实施例中至少大约10倍)。在某些情况，聚焦光斑尺寸在约15-40 μ m的范围内，并通 常约30-40 μ m,可提供高处理能力。再次参见图1G-2，在某些晶圆设计中可以减小道127的宽度，例如至几十微米。光 斑尺寸从某些优选值之上(例如在某些情况为约40 μ m)的相应减少可能是有利的。例 如，约5 μ m的光斑尺寸对于在宽度为约25 μ m的道内切割、划片、或其它加工操作可能是有 用的。某些激光参数可相应缩放，并且可采用不同的设计选择以避免与某些参数相关的物 理限制。可使用其它的光斑尺寸，例如，几微米(例如，在一种情况为约3微米)。在某些实 施例中，使用从约1微米至约5微米范围内的光斑尺寸。对于加工窄道宽度(例如，小于几 十微米)，约几微米的光斑尺寸可能是有利的。再次参见图1G-2，示出了道127内的切割路径127_b，在该示例中切割路径127_b 居中于道区域。已知可以通过激光，例如纳秒脉冲激光，和切片机的结合进行晶圆划片和断 开。在某些实施例中，纳秒激光可以在距离道的中心大致相等的距离划两条线。居中于道 的切片刀被用于切过剩余的晶圆，从而产生单独的芯片。本文所述的实施例还可用于沿任 何路径(例如，晶圆的预定路径)改变材料，和/或可用于不同的组合(例如，与切片机)。 待改性和加工的材料可包括金属，包括低k材料的电介质，和/或半导体。此外，在某些实 施例中，加工超薄晶圆，例如50 μ m厚的晶圆，可以通过用飞秒激光切穿晶圆的整个厚度或 其相当一部分进行。某些实施例可减少或淘汰机械切割所述超薄晶圆的使用。例如，在某些实施例中，对于精确定位的要求可能增加，但降低了总脉冲能量。公 知在特定波长减小的光斑尺寸导致减小的聚焦深度(DOF)。DOF的减小一般随着光斑尺寸的平方而不同。如果要求在大深度范围上进行加工，在某些情况可能应用各种公知的用于 动态聚焦的方法和系统或其改进。举例来说，随着光斑尺寸从50 μ m减小至5 μ m, DOF减小 100倍。另一方面，在光斑区域上实现给定能流的总脉冲能量随光斑直径的平方减小。在某 些实施例中，低得多的最大脉冲能量可用于更小的光斑尺寸，并且最大脉冲能量可以是，例 如约IOOnJ,或达到约1 μ J，用于加工各种电介质，导体，和半导体材料。较小的光斑尺寸可 能还导致对运动控制的一些考虑。在某些实施例中可采用降低的扫描速度，但是也增大了 对精确定位的要求。因此，在某些实施例中，当以给定能流和重复率加工时，可以向下缩减脉冲能量和 速度。举例来说，假设脉冲重叠超过99% (例如至少99. 5% )，IMHz重复率，和约4 μ m的 光斑尺寸(例如从某些实施例所用的40 μ m光斑尺寸有大致10倍的减少)，在该示例中， 相应的扫描速度在lOmm/sec的量级。由于光斑尺寸减小10倍，可以获得脉冲能量可从至 少几微焦(例如:5μ J)的范围缩减至低于100纳焦(例如:50nJ)的能流。类似的，在某些实施例中，重复率可增加至几十MHz，并具有较低的脉冲能量用于 某些微加工操作。例如，一些切割或划片应用可能要求用较低的能流选择性地去除单层材 料，或几层。参见图1G-3，多层中的一层通过阴影区域(不必然按比例)示意性地表示，并可 包括电介质和/或金属材料。在某些加工应用中在改变上面的层之后下面的光晶圆(无阴 影)由激光加工。发明人还发现了热处理(例如，热积聚)和/或足够的热影响区(HAZ) 减少或避免了复合层或某种材料(例如，低k电介质)的脱层和/或裂化。另外，与超短脉 冲相关的减小的HAZ可能有益于切穿晶圆以便分离芯片。举例来说，如果纳秒脉冲被用于 既去除层又切片硅晶圆，可能性能是不足够或不可预测的。例如，已知由纳秒脉冲造成的过 量HAZ导致了较弱的芯片强度和各种其它材料问题。在不支持任何特定理论的情况下，当用激光脉冲照射晶圆时，晶圆中的电子几乎 立即从激光束吸收能量。由于热电子和晶格之间的碰撞，电子系统和晶格之间的热平衡很 快得到实现，并且暴露的区域温度上升。根据材料达到平衡的时间不同，并且可以是几百飞 秒至几十皮秒。暴露区域内的热能会传递给它的周围较冷区域。冷却速率受几个参数影响， 例如材料，较热和较冷区域之间的温差，以及温度分布。作为示例参照依据，硅停留在其熔 化温度之上的近似时间段为约几百ps。当纳秒(或更长脉冲持续时间)激光用于切片或划片工艺时，受照射区域保持在 其熔化温度之上达一延长的时段。“融化池”会形成并在冷却时会收缩。“沸腾”和“冷却” 的过程导致裂化，表面粗糙和HAZ中的空隙。所述过程可能是不稳定的，而材料改性的质量 难以预测。在某些实施例中飞秒脉冲照射提供浅HAZ，但是由于超短脉冲宽度出现与装置的 下面层很少相互作用。飞秒加热过程几乎是瞬间的，将HAZ限制在限定的厚度，并且不明显 影响设置在改性材料之下的层。在某些所述实施例中，可实现更为平滑和可预测的表面形 态。不过，由于在某些所述实施例中由超短激光脉冲形成的非常浅的HAZ，发生多种材 料几乎没有或没有材料改性。例如，可能缺少层之间的熔化。因此，在这些实施例中利用飞 秒激光脉冲可能稍微限制多层装置的切片或划片性能，尤其是具有至少一种低k材料的装置。此外，某些所述实施例中可能出现脱层。不过，发明人发现，如在下文所述的实验中所 示，在本文所述的系统和方法的某些实施例中，增大脉冲能量和/或能流，和/或减小扫描 速度，在多材料靶区域中提供了良好的加工结果。因此，本文所述的发明人的成果可用于控 制靶的一种或多种材料内的热积聚和/或HAZ。例如，本文所述的系统和方法的实施例可被 设置成在靶中提供足够高的热积聚以减少或避免脱层(例如，电介质材料和金属材料的脱 层)。在某些实施例中可使用多个激光器，并设置在具有多个源的集成激光器系统中， 或设置为具有可调脉冲宽度的源。举例来说，可采用较长的脉冲宽度，例如几百皮秒并达到 几纳秒，以增大HAZ用于处理工件的第一深度部分，并尤其用于去除低k层和/或其它金属 和/或其它电介质。所述金属可包括但不限于，铜、铝、和/或金。电介质材料可包括但不 限于，二氧化硅，氮化硅，和/或各种有机或无机材料。电介质和/或金属材料的排列在三 维空间中可能不同，如图IG-I至1G-3所示的示例中示意性地示出。在某些实施例中，超短脉冲可用于处理工件的第二深度部分，产生可忽略的HAZ。 在不同的实施例中，飞秒脉冲被用于至少切穿整个晶圆，或晶圆的相当一部分，并尤其用于 切割非常薄的晶圆，例如厚度为ΙΟΟμπι或更小的晶圆。此外，在某些所述实施例中，至少一 部分的金属和/或电介质的加工也通过飞秒脉冲进行。在至少一个实施例中，采用单个激光源。激光参数的调整可平衡加工区域内的热 生成和从区域向外传递热量。减少或避免了脱层和/或不想要的热应力。在不同的实施例中，皮秒脉冲宽度可用于去除低k材料。例如，至少一个脉冲可以 在约IOOps-约500ps的范围内，约IOOps-约250ps，或约200ps_约500ps的范围内。在 某些实施例中，例如，至少一个脉冲在30-40 μ m的光斑直径上可具有的脉冲能量可以在约 2 μ J-IO μ J的范围内，对应至少约0. 15J/cm2的能流。所述示例的脉冲宽度和能流可产生 足够的HAZ用于加工金属和电介质，并且在一时间段内提供多层材料的材料改性(例如，熔 化和去除)。不过，已熔化材料的任何区域还足够浅(例如不太深)，以便减少或避免不想 要的裂化、表面粗糙和/或HAZ中的空隙。在其它实施例中，可采用其它的脉冲宽度，脉冲 能量，光斑直径，和能流。在某些装置设计中，可以减小道127的宽度。激光系统的实施例就可被设置成具 有减小的光斑尺寸用于在狭窄区域中加工。在某些所述实施例中，可以减小脉冲能量同时 保持给定的能流。不过，在一些应用中，较高的能流可被选择用于加工并且对于加工各种金 属和电介质是有利的。用于微加工的脉冲激光系统的示例实施例图IF示意性地示出了适于用激光脉冲加工工件的系统100的实施例。系统100 包括激光系统104，所述激光系统可操作地连接至控制器114和扫描系统106。在某些实施 例中，激光系统104被设置成输出包括一个或多个超短脉冲(USP)的激光脉冲。例如，在至 少一个实施例中，激光系统104包括USP激光器。在不同的实施例中，系统100会提供在相 当范围上的某些脉冲参数的调节。所述参数可包括脉冲能量，脉冲重复率，脉冲宽度，光斑 直径，相邻光斑的重叠，和扫描速度中的一个或多个。举例来说，可以产生可调节重复率达 到约IMHz或达到约IOMHz的脉冲。输出脉冲可具有的能量为约1 μ J或更高，例如达到约 5-20 μ J，并且脉冲宽度为约Ips或更短。下文将描述系统100的不同实施例的进一步细节。以至少几百KHz的重复率工作的放大激光系统，特别是基于超短(脉冲)光纤的啁啾脉冲放大系统(FCPA)，可适用于加工若干种类型的有图案和无图案的基片。通过放大 的超短脉冲串可获得高脉冲能量，例如几微焦。在某些实施例中，可获得在至少微焦范围内 的足够的脉冲能量，通过15-40 μ m通常的光斑直径提供高处理能力。在某些实施例中，可使用多次(程)通过。用于(多次/程)通过的脉冲能量可 能与用于额外次(程)通过的能量相同或不同。此外，在某些实施例中，可以改变不同次 (程)通过之间的脉冲能量。在某些实施例中，可以调节不同次通过之间的其它激光脉冲参数。例如，较长脉冲 宽度可用于去除至少导体和/或电介质材料。所述脉冲宽度可达到几纳秒(ns)，小于1ns， 或约500ps或更短。可以采用超短脉冲以切割下面(层)的硅材料，例如用亚皮秒脉冲。在某些实施例中，长和短脉冲可应用于各次通过，或在某些实施例中通过在任何 单次通过期间将激光的脉冲串施加至材料的靶区域。在某些情况，脉冲串能够以预定重复 率施加，并且可包括至少第一和第二激光脉冲在时间上错位或重叠，并且第一脉冲宽度可 能大于第二脉冲宽度，并在某些实施例中在持续时间上大于10ps，第二脉冲宽度是超短脉 冲，例如亚皮秒脉冲。脉冲串中脉冲的脉冲间隔为约1 μ sec至0. 1 μ sec，并且在某些实施 例中可以采用更短的间隔。第二脉冲宽度可以如上亚皮秒(例如> IOOfs)至约10ps， 并且一般小于约50ps。此外，第一和第二不限定于时间顺序，而可以适用任何顺序。例如， 相反的顺序可由相应的顶侧或底侧最初扫描引起。对于某些微加工的实施例，一个可行的优选激光系统会以可调节重复率(传送至 表面的脉冲)为约几百kHz至IOMHz提供至少约5 μ J的脉冲能量，并且会连接至扫描器以 便以达到约lOm/sec的速率进行扫描。所述系统可包括光学功率放大器以提供高脉冲能量 和足够高的处理能力。优选系统的至少一部分是基于光纤的。在一个优选实施例中，激光源包括Yb-掺杂的放大光纤激光器(例如，FCPA μ J， 可从IMRA America获得)。所述激光器在商用固态激光系统上提供若干个主要的优势。例 如，该激光源提供的可变重复率在约IOOKHz至5MHz的范围上。比仅有振荡器系统更高的 脉冲能量允许在焦点几何体上的更大灵活性(例如对于给定能流的更大光斑尺寸)。在 至少一个实施例中，达到约10 μ J的脉冲能量能够以约IMHz的重复率施加，至少约1 μ J以 5MHz的频率。比各种固态再生放大系统更高的重复率允许更快的速度。尽管已经证实某些 振荡器产生微焦脉冲能量，其复杂度至少可与CPA系统相比。所述能量还可通过利用功率放大器的基于光纤的系统的实施例获得，例如至少一 个大模放大器产生近衍射极限的输出光束。在至少一个实施例中，大模放大器可接收来自 锁模光纤振荡器的低能量脉冲，并将脉冲放大至微焦水平。优选的，振荡器和功率放大器成 一体以形成全光纤系统。存在多种可能性。在某些实施例中，尤其对于通过较低脉冲能量和/或较高重复率进行加工，可以 采用全光纤超短脉冲激光系统。所述系统可包括基于光纤的脉冲放大系统，产生的脉冲宽 度低于lps。来自光纤振荡器的低能量脉冲可通过光学开关选择，并通过光纤放大器放大到 至少约lOOnJ。在较低的能量，亚皮秒脉冲可通过光纤放大器进行放大。在其它实施例中， 全光纤啁啾脉冲放大系统可包括脉冲展宽器和脉冲压缩器。所述压缩器可包括执行至少部 分脉冲压缩的光纤压缩器，体压缩器(bulk compressor)，或其组合。许多改变是可行的，包 括进一步放大，谐波变换等等。
不同的实施例包括基于光纤的啁啾脉冲放大系统，适用于多种微加工应用。所述 系统特别适于利用高达几十微焦和高达最大值为约IOOyJ的脉冲能量加工材料。光斑 直径可在从约1微米至约100 μ m的范围内。在某些实施例中，光斑尺寸可在约ΙΟμπ!至 100 μ m的范围内，或10 μ m至约60 μ m，或25 μ m至50 μ m。脉冲宽度可以在从几十飞秒(例 如50fs)至约500皮秒的范围内。参数一般提供的能量密度接近或高于被加工工件材料的 烧蚀阈值，并且所需的总能量可取决于例如光斑直径。工件材料可包括但不限于，金属，无 机电介质，有机电介质，半导体材料，低k电介质材料，或其组合。图IF示意性地示出了第一实施例的系统100，它能够用于加工工件，例如半导体 基片。系统100包括激光系统104和扫描系统106。在该实施例中，扫描系统106包括两个 光束偏转器108，例如检流计的扫描镜，能够进行二维扫描。在其它实施例中，可以使用不 同数量和/或类型的扫描镜。在某些实施例中，扫描可以是一维的。扫描系统106还可包 括聚焦光学器件110，例如，能够在靶基片112处产生基本平的视场的F-theta(平场聚焦) 透镜。例如，在某些实施例中，F-theta透镜被设置成产生20 μ m激光聚焦光斑，具有覆盖 约800mm2区域(面积)的基本平的视场。在其它实施例中，例如对于晶圆切割或切片的应 用，可以采用具有覆盖约60mmX60mm面积的基本平的视场的10-50 μ m激光聚焦光斑。扫 描系统106(和/或其它系统部件)可通过控制器114进行控制。例如，控制器114可包括 一个或多个通用和/或专用计算机，其对于系统100可以是远程的和/或本地的。在其它实施例中，在扫描系统106中可使用其它光学元件(例如，镜，透镜，光栅， 空间光调制器，等等)。本领域技术人员会认识到要形成在基片中的图案可通过许多方法 (包括有线和/或无线技术)与系统100通信。在某些实施例中，图案通过包括曲线和/或 多边形的矢量图形表示，并可包括三维加工指令。许多变化是可行的。在某些实施例中，激光系统104可包括USP激光器，它被设置成输出一个或多个超 短(USP)脉冲。超短脉冲的持续时间可例如小于约10ps。在图IF所示的示例系统100中， 激光系统104可包括基于光纤的激光器，它能够产生超快脉冲串。例如，激光器可包括可从 IMRA America公司(Ann Arbor, Michigan)获得的FCPA μ J激光器。激光脉冲的波长可 以为约1 μ m。在某些实施例中，使用更短波长的激光脉冲，例如，约520nm波长的绿光脉冲。 在其它实施例中，可以实施任何其它合适的激光系统。在某些实施例中，激光系统104可产 生脉冲宽度小于约IOps的激光脉冲。例如，脉冲宽度可在从约IOOfs至约Ips的范围内。 在某些实施例中，脉冲宽度在从约IOfs至约500ps的范围内。在激光系统104的其它实施 例中，使用其它脉冲宽度，例如彡10ns，彡1ns，彡lOOps，彡lps，和/或彡IOOfs0在某些实施例中，激光系统104可包括基于二极管的和/或微芯片激光种子源，并 可输出持续时间为约一纳秒，几纳秒，和/或直到约10纳秒的脉冲。激光系统104可包括 任何适当类型的激光，用于输出具有希望特性的脉冲。在某些实施例中，采用较高激光重复率以实现较快的激光加工。例如，重复率可大 于500kHz。在某些实施例中，可以采用约IMHz至IOMHz的重复率。其它重复率是可行的。 根据本文所披露的成果，在某些实施例中可使用较高重复率，以减少图ID中示意性所示出 的再沉积材料1005-a的数量。在某些实施例中，数十或数百个激光脉冲可在每个焦斑直径 中重叠，所述焦斑直径可以是约20 μ m的直径，或在某些实施例中为10-50 μ m。在其它实 施例中，不同数量的脉冲可重叠。例如，在某些实施例中，几个脉冲可重叠，例如3个脉冲。较高重复率的另一可能的优势是与采用较低重复率时相比能够以更短的时间加工基片。就 此，在某些实施例中，提高了系统100的处理能力同时具有改进的质量。图2A示意性地示出了可用于通过超快脉冲串加工半导体靶基片112的系统200 的实施例。该系统200总体可类似于图IF示意性所示的实施例。图2A所示实施例中的激 光系统104包括在图IF所示实施例中未示出的光学内部脉冲调制器202。光学调制器202 可用于调制激光脉冲串的重复率。在某些实施例中，激光脉冲串包括一个或多个超短脉冲， 例如一个或多个超短脉冲串。在某些实施例中，调制器202适合将激光脉冲重复率从振荡 器重复率(在某些光纤激光实施例中通常为约50MHz)改变至加工重复率(通常小于或为 约IMHz)。例如，调制器202可被设置成使得只有来自振荡器脉冲串的每第N个脉冲传输至 最终的功率放大器，或传输脉冲群。在某些实施例中，实施所述振荡器放大器结构以便产生 高能量脉冲串可能是合宜的，其中为了改进振荡器稳定性，使用50MHz量级的振荡器重复 率。所述振荡器放大器系统对于本领域技术人员是公知的。在某些实施例中，内部调制器202使得放大器中的平均功率和热状态保持基本相 同，同时基本上瞬时改变脉冲能量和脉冲峰值功率。内部调制器202可包括声-光调制器 或任何其它合适的光学调制器。在某些实施例中，激光系统104输出脉冲能量高于约1 μ J， 脉冲持续时间小于约10ps，和脉冲重复率大于约IOOkHz的脉冲。图2A所示的实施例还包括频率转换器204，例如二次谐波产生(SHG)转换器。在 该实施例中，SHG转换器和内部调制器202的组合提供“快速快门(fast shutter) ”，因为 谐波转换效率与激光脉冲能量成比例。因此，通过调节来自振荡器的激光重复率，基本瞬时 的开/关加工光束(例如，透射的SHG光束)是可能的。所述快速快门在机械上是不可能 的，并且难以对高激光功率在光学上进行实施而不导致光束质量、脉冲持续时间等的下降。 一些实施例可包括三次谐波产生转换器和/或四次谐波产生转换器或任何其它合适的谐 波产生转换器。图2A所示的实施例还包括控制器114，所述控制器可用于控制激光系统104，扫描 系统106，频率转换器204和/或其它系统部件。例如，在某些实施例中，调制器202和扫 描系统106 (例如，扫描镜108和/或聚焦光学器件110)的控制可被链接，以便能够更大的 控制激光照射条件，从而更大的控制加工深度和横向伸展。例如，在某些实施例中，控制器 114被设置成在以脉冲重复率加工靶材料期间控制相邻聚焦脉冲(或脉冲群)间的空间重 叠。图2B示意性地示出了能够用于通过超快脉冲串加工靶基片的系统230的实施 例。在该实施例中，激光系统104包括啁啾脉冲放大系统，例如，基于光纤的啁啾脉冲放大 (FCPA)系统。使用FCPA系统的优点包括改进的效率和可靠性。此外，由于光纤放大器的输 出能量和峰值功率一般随振荡器重复率的增大而减小，通过基本恒定的平均输出功率或通 过固定的泵浦功率，根据重复率的光纤放大器输出能量和功率变化可被利用以提供改进的 FCPA性能。转让给本申请受让人的不同美国专利披露了利用紧凑光纤结构的啁啾脉冲放大 系统。下述各美国专利的公开内容以其全文形式被结合入本文作为引用Kalvanauskas 等人的授权日为1996年3月12日的美国专利No. 5，499，134，发明名称为“Optical Pulse Amplification Using Chirped Bragg Gratings，，；Harter 等人的授权日为 1997年 12 月 9 日的美国专利 No. 5，696，782，发明名称为 “High Power FiberChirped Pulse Amplification Systems Based On Cladding Pumped Rare-Earth DopedFiber，，；禾口 Gu 等 人的授权日为2006年9月26日的美国专利No. 7，113，327，发明名称为“High Power Fiber Chirped Pulse Amplification System Utilizing Telecom-Type Components，，(下文被 称为“’ 327专利”)。在这些专利中公开的任何激光系统以及其它商用“全光纤”激光系统 可用于图2B所示的系统230。在某些实施例中，激光系统104包括FCPA μ J激光器(可从本申请的受让人IMRA America公司获得)，它在压缩器252的输出提供激光脉冲。输出脉冲能够以高达约IMHz 的可调节重复率产生。输出脉冲可具有约IyJ或更高的能量，和约Ips或更短的脉冲宽 度。在某些实施例中，如果峰值功率和脉冲能量低到足以避免非线性效应，光纤压缩器而不 是体(bulk)输出压缩器可用于脉冲压缩。在某些实施例中，光子能带隙光纤或光子晶体光 纤可被单独使用或与体压缩器(bulk compressor)或大面积光纤结合使用以提供增大的输 出能量和峰值功率。在图2B示意性所示的系统230的实施例中，激光系统104包括单程(通过)基于 光纤的啁啾脉冲放大系统。激光系统104包括高重复率源232，光纤展宽器236，光纤前置放 大器240，脉冲选择器/调制器244，光纤功率放大器248，和压缩器252。压缩器252的输 出可以是超短脉冲串。在某些实施例中，压缩器252可被解谐以提供更长的脉冲宽度(例 如，约200ps)。在其它实施例中，没有使用压缩器252，并且激光系统104输出脉宽达到约 1纳秒，几纳秒，和/或高达约10纳秒的脉冲。在某些实施例中，激光系统104可包括一个 或多个单程和双程前置放大器，单程或双程展宽器，和功率放大器结构(未示出)，其能够 以类似的包装尺寸提供更长的展宽的脉冲宽度和更高的脉冲能量。某些实施例可包括保偏 (PM)光纤放大器，振荡器，和展宽器光纤。如上文所述，控制器114可被设置成通过扫描系 统106将脉冲协调传送至靶基片112。在不同的实施例中，控制器114可用于控制一些或所 有的激光系统104的部件，扫描系统106，和/或其它系统部件。在一个实施例中，控制器 114被设置成通过控制脉冲选择器/调制器244来控制激光系统104。如上文所述，扫描系 统106可包括，例如，扫描镜108，例如检流计扫描镜。扫描系统106还可包括聚焦光学器件 110。高重复率源232可提供以远高于IMHz，例如，在约20MHz至约100MHz范围内的重 复率工作的自由运行(free-running)脉冲串。锁模激光器，包括基于全光纤的被动锁模 或其它装置，可用于产生所述重复率。例如，相应的脉冲宽度可以从约几百飞秒至约10皮 秒的范围内。在其它实施例中，可使用非锁模激光源。例如，准连续波半导体激光的输出 可被调制并被光学压缩以产生皮秒或飞秒脉冲。合适的激光源包括披露于Harter申请的 美国专利申请号 10/437，057，发明名称为 “Inexpensive Variable Rep-Rate Source For High-Energy, Ultrafast Lasers”，现美国专利申请公开号为2004/0240037，该申请转让给 本申请的受让人，并以其全文形式在此被结合入本文作为引用。光纤展宽器236可包括一长度的光纤(例如，约IOOrn至1km，取决于光纤色散)以 展宽来自高重复率源232的脉冲，以便避免非线性效应和/或对前置放大器240和/或光 纤功率放大器248的损坏。展宽器236可包括光纤布喇格(Bragg)光栅(FBG)，啁啾FBG， 或其组合。展宽器236可包括具有不规则三阶色散(TOD)的光纤，以便部分补偿可能积聚在系统中的残留TOD (如果存在的话)。在某些实施例中，大部分的残留TOD是由于使用不 匹配的展宽器(基于光纤的)和压缩器色散(基于体光栅的)而产生。在不同的示例实施 例中，展宽脉冲的宽度为约50ps，在从约IOOps至约500ps的范围内，或在达到约Ins的范 围。在双程结构中也可以提供脉冲展宽。在某些激光系统104中作为可选的光纤前置放大器240放大从高重复率源232发 射出的脉冲能量。所述源232可发射能量从约几百ρJ至约lnj，并达到约5nJ的脉冲。在 某些实施例中，在前置放大器240的输出端的脉冲能量可以高于约InJ，例如，在从约InJ至 约20nJ的范围内，并且在某些实施例中达到约lOOnJ。在某些实施例中，大模放大器可被用 作前置放大器以便产生微焦种子脉冲。例如，由本申请的受让人开发的提供高质量输出光 束的不同放大器选择(例如利用多模光纤的放大器，大芯泄漏信道光纤，光子晶体光纤， 和/或光子带隙光纤)将在下文进一步描述并可用作前置放大器，功率放大器，或总体用作 多级放大器的至少一部分。脉冲选择器和/或调制器244可被设置成选择性地将脉冲传输至功率放大器 248。脉冲选择器和/或调制器244可包括声-光调制器(AOM)，电-光调制器(EOM)，高速 Mach-Zehnder (马赫-泽德尔)装置(MZ)，和/或电吸收调制器(EAM)。AOM不需要高压电 子设备，并且商用数字驱动器电子设备使用方便。Mach-Zehnder装置(MZ)与具有GHz带宽 和低驱动电压的光学设备集成在一起，并且在许多情况要求偏振的输入光束。在某些实施 例中，集成的MZ装置的较小区域可能限制可用的峰值功率。在某些实施例中，脉冲展宽器 236减少入射在调制器244上的峰值功率，如在’ 327专利中所述。MZ装置已被用在1. 55 μ m 电信波长，并且MZ装置目前可用在1 μ m波长。’ 327专利披露了使用MZ调制器的啁啾脉冲 放大系统。在某些实施例中，脉冲选择器/调制器244可提供约20dB至约30dB的强度控 制，并且可用于基于根据输入的功率放大器248的传输特性至少部分地控制输出强度。在某些实施例中，光纤功率放大器248包括多模光纤放大器，它被设置成提供基 本上在基模的输出。例如，系统可采用美国专利No. 5，818，630所述的光纤功率放大器，所 述美国专利5，818，630授权给Fermann等人，发明名称为“Single-Mode Amplifiers and Compressors Based on Multi-Mode Fiber”，转让给本申请的受让人，并在此以其全文形式 被结合入本文作为引用。多模光纤放大器在不希望的非线性和增益饱和开始之前产生高于 在单模(SM)光纤可获得的峰值功率和脉冲能量。在其它实施例中，可使用大面积放大器， 例如光子带隙或光子晶体设计。通过泄漏模式设计已证实高质量输出光束，例如，披露于美 国专利申请号 11/134，856，发明名称为 “Single Mode Propagation in Fibers and Rods with Large Leakage Channal ”，专利申请公开号为2006/0263024，转让给本申请的受让 人，并在此以其全文形式被结合入本文作为引用。如上文所述，在某些实施例中压缩器252是全光纤压缩器。不过，如果峰值功率太 高，例如在某些实施例中为约IOOkW或更高，非线性效应可能限制全光纤压缩器的性能。可 能存在光纤设计的紧凑性和与体压缩器相关的灵活性之间的权衡。在某些实施例中，光纤 和体部件(bulk component)均可被用于激光系统104。高重复率源232可产生输出波长为约1 μ m的脉冲。在某些实施例中，系统230包 括可选的频率转换器256。例如，频率转换器256可包括倍频器，三倍频器，和/或四倍频 器，产生相应的可见(例如，绿光)或紫外线输出波长(对于Iym输入波长)。在某些实施例中，频率转换器256可包括参数放大器。通过较高的峰值强度一般提高了转换效率。因 此，可以设置有利的频率转换器256以接收压缩器252的输出。在一个示例实施例中，频率 转换器256被设置成提供二次、三次、和四次谐波产生。利用I型非临界相位匹配三硼酸锂 (LBO)晶体完成二次谐波产生。通过在II型临界相位匹配LBO晶体中和频混合基次谐波和 二次谐波产生三次谐波。I型LBO和I型β硼酸钡(BBO)晶体也可用于三次谐波产生的实 施例中，产生近UV输出波长。I型临界相位匹配β硼酸钡(BBO)晶体通过倍频二次谐波 光产生四次谐波。在该示例实施例中，在基波长为1040nm具有50μ J，500fs脉冲的光被输 入频率转换器256，它分别对二次，三次，和四次谐波频率提供53 %，25 %，和10 %的转换效 率。在IOOkHz的激光重复率，该示例实施例在1040nm下产生约5. OOff的平均功率，以及在 520nm下约2. 62W,在346nm下约1. 20W,和在260nm下约504mW的平均转换功率。转换后的 脉冲能量在520nm下为约26 μ J，在346nm下为约12 μ J，和在260nm下为约5 μ J。可用于 提供频率转换的超短脉冲的激光系统104的进一步细节披露于Shah等人的题为“12 μ J， 1. 2ff Femtosecond Pulse Generation at 346 nm from a Frequency-tripled Yb Cubicon Fiber Amplifer, ",2005, CLEO 2005 Postdeadline，CPDB1，该文献以其全文形式在此被结 合入本文引用。控制器114可用于协调扫描光束的定位和激光脉冲的选择。在某些实施例中，当 高重复率源232是自由运行时，利用耦合至高速光电检测器(未示出)的光纤的一长度 来检测一部分光束。光电检测器输出向控制器114提供同步信号。同步信号有利的可以 是数字信号。扫描系统106可包括2-D检流计镜108，例如，可从SCANLAB America公司 (Naperville, Illinois)获得的hurrySCAN II 14扫描头。使用所述扫描头的优势包括它 们是低惯性装置并具有用户友好(界面)的商用控制器以便镜位置和/或速率信号易于可 编程。扫描系统106和控制器114还可用于任何合适的平移台，旋转台，和机械臂(未示 出)的组合以定位靶基片112。在某些实施例中，可以省略扫描镜108和用于相对移动激光 束和靶基片112的任何其它合适的系统。合适的聚焦光学器件110(例如，F-theta透镜和 /或高分辨率物镜)可用于将每个激光脉冲聚焦到靶材料的表面上或靶材料中。由于材料 的色散，一些折射光学元件可能引入光斑位置和聚焦误差，或其它时间或空间变形。在某些 实施例中，使用设计用于超短激光脉冲光束的商用光学元件。在某些实施例中，控制器114 被设置成在加工靶材料期间控制相邻聚焦激光脉冲(或激光脉冲群)之间的空间重叠。在某些实施例中，可能需要基本连续地使放大器工作以减少损坏的可能性和提供 从放大器的最大能量提取。光纤放大器特别适于放大高速脉冲串。不过，在某些实施例 中，出现增大的放大器损坏的风险并且在不进行材料加工(”空转时间”)的延长时间段期 间产生不希望的放大自发射(ASE)。例如，在某些放大器中，空转时间段可能在从几十微 秒至几百毫秒或更大的范围内。在某些光纤放大器中，约1OOu s的空转时间可能足以使 增益增大至足够的水平以便在高增益(强泵浦)条件下自由产生激光。在约25-40 μ s的 空转时间后，如果注入种子脉冲，放大器中积累的增益可能具有足够的增益以产生能够引 起对输出光纤面造成损坏的高能量脉冲。因此，在某些实施例中，通过动态调整输入脉冲 能量和/或控制泵浦二极管电流提供激光部件的稳定性和保护，如披露于例如Nati等人 的美国专利申请 No. 10/813，173，发明名称为 “Method And Apparatus For Controlling And Protecting Pulsed High Power Fiber Amplifier Systems，，，美国专利公开号为2005/0225846，该文献转让给本申请的受让人，并且该文献以其全文形式在此被结合入本文引用。在系统230的不同实施例中，控制器114可被设置成在空转时间期间以高重复率 (例如，从约50MHz至约100MHz)使脉冲选择器/调制器244工作。在空转时间期间，放大 器248 —般在非饱和状态工作。功率放大器的平均输出可能在基波长稍微增大。在空转时 间和“活动”时间(当系统230加工靶时)之间调制脉冲能量可能足以提供光束的快速快 门(例如，“关”和“开”功能)。在某些实施例中，在一些空转时间期间靶基片112上的激 光能流可能高于烧蚀和/或表面改性阈值，但是“空转”和“活动”时间段之间的能流的调 制可能足以用于加工控制。在某些实施例中，可选的快门260可用于控制入射在靶基片112 上的能量。可选的快门260可包括声光装置，光学_机械快门，和/或电_光快门。系统230的某些实施例包括可提供例如倍频和/或三倍频的频率转换器256。在 某些所述实施例中，在频率转换器256的输出端的脉冲能量和/或峰值功率可能较低。在所 述情况，转换器256的输出可以是较低的能量脉冲，其中大部分的能量在基波长并聚焦在 靶上；能量可能低于靶材料的烧蚀和/或表面改性阈值。在某些系统实施例中，约20dB至 约30dB的调制器调整可提供在较宽工作范围上的强度控制，以便避免改变靶材料的特性。在某些实施例中，可采用技术来衰减不想要的光束能量。例如，不想要的能量可以 用光谱过滤器(未示出)去除。在某些实施例中，由于用于I型相位匹配的基频和谐频之 间的偏振态的不同，偏振滤光可能是可行的。还可以控制脉冲选择器/调制器244以限制 至放大器248的能量。扫描系统106中的聚焦光学器件(或者其它聚焦光学器件，如果不 用扫描器)可能针对加工波长(如果使用可选的频率转换器256则可以是频率转换后的波 长)而优化。在某些实施例中，聚焦光学器件可被设置使得基波长的光斑尺寸增大，以便减 小靶基片112表面处的能量密度。在主动(活动)加工期间，控制器114可用于向脉冲选择器/调制器244提供信 号以“计数(down count)”或以其它方式选择脉冲。在某些实施例中，加工重复率可以从约 1OOKHz至约1OMHz。在主动(活动)加工期间，激光器在饱和状态或接近饱和状态工作可 能是有利的，以便从光纤放大器提取最大的能量。图3示意性地示出了系统300的实施例，它能够用于通过超快脉冲串加工工件 (或靶基片)。该系统300可能总体类似于图IF和2A，2B所示的实施例。系统300还可包 括机械臂系统304，它连接至靶基片112并被设置成操纵相对于扫描光束的靶位置(和/或 方向)。机械臂系统304可以是单轴或多轴系统。在某些实施例中，扫描系统106包括扫描 头，它相对于靶基片112移动。实施例提供扫描光束和靶基片112之间相对移动的可能优 势是系统可实现非平表面的加工。在图1-F，2A，2B和3分别示意性所示的系统100，200，230，和300的某些实施例 中，激光光斑尺寸主要由扫描系统106中的F-theta透镜确定。在某些实施例中，为了使图 像具有合理的加工区域，采用大于约10 μ m的光斑尺寸。激光系统104的某些实施例能够 加工更小的光斑尺寸(例如，≤1μm)。对于所述小聚焦尺寸，在某些实施例中采用明显较 低的脉冲能量。为了在足够大的工作区域上获得足够高的分辨率，靶和光束可以相对于彼 此移动。例如，靶可以相对于基本不动的激光束移动(或反之亦然)。在系统100，200，230，和300的某些实施例中，可以沿激光系统104和扫描系统106之间的光学路径设置可变望远镜。在某些所述实施例中，可以从扫描系统106略 去F-theta透镜。可变望远镜可用于动态改变系统的焦距并且可在靶基片112上提供聚 焦光斑尺寸的连续变化。商用的可变望远镜系统可包括，例如，从SCANLAB America公司 (Naperville, Illinois)可获得的varioSCAN动态聚焦装置。具有动态聚焦的所述系统具 有3D调整光束焦点位置的能力，和跟随或补偿靶表面位置中变化的有用能力，所述靶表面 位置中的变化可能由于基片翘曲或其它平面度偏差而造成。图4A示意性地示出了系统400.的实施例，它能够用于通过超快脉冲串加工半 导体基片。该实施例包括激光系统104和平移台408，所述平移台被设置成相对于激光 束移动靶基片112。在某些实施例中，平移台408保持具有较高平移速度的基本恒定的 运动，以便实现足够高的加工速度。在某些实施例中，平移台408可包括X-Y或X-Y-Z平 移台。例如，平移台408可包括可从Aerotech公司(Pittsburgh, Pennsylvania)获得的 Nano-Translation(ANTTM)台。相对控制脉冲激光束和靶基片的定位的许多技术是已知 的，例如，披露于Baird等人的美国专利No. 6，172，325，发明名称为“Laser Processing Power Output Stabilization Apparatus and Method Employing Processing Position Feedback”。在某些实施例中，控制器114可能执行控制指令，用于协调扫描系统106和平移 台 408，例如，可从 Aerotech 公司(Pittsburgh，Pennsylvania)获得的 Nmark 控制软件。在图4A示意性所示的系统400的某些实施例中，调制器402可用于提供基本瞬时 的激光调制，以便改进激光_材料相互作用的控制。调制器402 —般可类似于结合图2所 述的调制器202，或者调制器402可以是如图4A示意性所示的外部调制器。在某些实施例 中，控制器114提供调制器402和平移台408的链接控制。在某些实施例中，本文所述的系统(例如，系统100，200，230，300和400)可利用
激光束相对于靶基片的多程(次)通过来加工靶基片。例如，在不同的实施例中可使用十 次或更多次通过，并且可能几百次以便形成非常高纵横比的结构。可以调节能流(和/或 其它系统参数)以控制在给定(次数)通过期间的材料去除。在不同的实施例中，系统可以利用关于靶的激光系统的状态的信息和根据 反馈信号控制激光参数，如披露于例如申请日为2004年3月31日的美国专利申请 No. 10/813，269,发明名禾尔为"Femtosecond laser processing system with process parameters, control and feedback”，(此后称为，269申请)，该文献转让给本申请的受让 人，并且以其全文形式在此被结合入本文引用。在某些实施例中，可以提供一系统，其中每个激光脉冲可具有各自的特征。至少一 个激光脉冲可以是超短脉冲。系统可包括用于产生如实施例100，200，230，300，400中的一 个或多个所提供的脉冲或高重复率脉冲串的激光装置。另外，可以包括控制激光装置的控 制装置，和监控脉冲宽度，波长，重复率，偏振，和/或包括脉冲串的脉冲的时间延迟特征的 光束操纵装置。在某些实施例中，系统可以根据对控制装置所测量的脉冲宽度，波长，重复 率，偏振和/或时间延迟特征产生反馈数据。在一个实施例中，激光装置可包括利用展宽器 光栅和压缩器光栅的光纤放大器。光束操纵装置可包括各种装置，包括例如，测量激光脉冲 的脉冲持续时间的光学开关装置，测量来自激光装置的激光脉冲输出的功率的功率计，和/ 或测量激光脉冲的重复率的光电二极管。在某些使用频率转换器的实施例中，例如倍频器 或三倍频器，光束操纵装置将部分产生的激光脉冲的基频光学地转换成一个或多个其它光学频率，并且包括至少一个光学元件将激光脉冲的基频的一部分转换成至少一个较高阶谐 波信号。光学元件可包括非线性晶体装置，它具有控制晶体方向的控制器。在某些实施例 中，用于转换光频的装置有益地包括分光计，它测量非线性晶体装置的脉冲输出的一个或 多个预定参数并产生用于控制装置的反馈。另一个实施例的光束操纵装置包括望远光学装 置，以控制激光脉冲输入的尺寸、形状、发散度和/或偏振，并引导光学器件以控制激光脉 冲在靶基片上的撞击位置。系统还可包括光束分析仪，它监控激光脉冲的特征并产生用于 控制装置的反馈。上述系统具有几种用途，包括但不限于，改变靶基片的折射率；表面标记， 亚表面标记，和/或表面构造靶基片；制备孔，通道，沟，槽，通孔(via)，和/或靶基片中的 其它结构，和沉积和/或去除靶基片上的薄层材料。如图5的激光加工系统的实施例所示，控制装置5300连接至激光装置5100。激 光系统总体类似于’ 269申请的图5示意性所示的激光系统的实施例。控制装置5300监控 若干个输出激光参数，例如，平均输出功率，脉冲串(重复率和/或脉冲串方式结构)，脉冲 持续时间(和/或时间相位，例如，FR0G，频率分辨光学开关)，和/或空间相位(波前传感 器)。受监控的参数连接至控制装置5300以便通过反馈回路改变激光性能(脉冲能量，重 复率和脉冲持续时间)。此外，反馈回路可连接至压缩器调准(例如，光栅分离)以便预啁 啾激光脉冲，从而补偿由随后的激光系统模块的部件造成的光色散。控制装置5300可包 括，例如，台式计算机，便携式计算机，平板电脑，手持式电脑，工作站计算机或任何其它通 用和/或专用计算或通信设备。控制装置5300可执行任何公知的MAC-OS，WINDOWS，UNIX， LINUX，或其它适当的计算机操作系统(未示出)。控制装置5300可以通过物理链接和/或 无线链接网络连接至其它计算装置。控制装置5300可包括输入设备，输出设备，随机存储 器(RAM)，和/或只读存储器(ROM)，CD-ROM，DVD装置，硬盘驱动器，和/或其它磁性或光学 存储介质，或其它适当的存储和取回装置。控制装置5300还可包括具有系统时钟或其它合 适的计时装置或软件的处理器。输入设备可包括键盘，鼠标，触摸屏，压敏板或其它合适的 输入设备，而输出设备可包括视频显示器，打印机，磁盘驱动器或其它合适的输出设备。在某些实施例中，可以包括其它的工具以监控靶基片的状态，和/或确认/控制相 对于靶基片表面的聚焦位置。例如，可以采用照明和光学显微镜观察系统(未示出)以定位 对准标记，确认/否认激光破坏，和测量激光影响的结构体积和/或形态。通过包括光谱诊 断例如激光诱导击穿光谱(LIBS)和/或激光诱导荧光可获得额外的数据。还可以采用精 确确定从靶表面至焦点的距离的测距工具。在某些应用中，确定距离可能是有利的，因为一 个应用可包括微米级材料加工。还可以使用使靶基片表面成像的摄像系统。在所述尺寸， 小误差/不确定性可能降低用户精确控制激光/材料相互作用的能力。这可能变得复杂， 因为几种所述应用可能涉及具有非平面表面材料的亚表面加工。来自观察/光谱工具的信 号可反馈给其它系统部件(例如，控制装置，用于转换光学频率的装置等等)，以精确影响 激光/材料相互作用的程度和性质。此外，来自测距工具和/或观察/光谱工具的信号可 被反馈控制工件位置。扫描机构导向光学器件，它可包括基于检流计的镜扫描器和可能的 一个或多个额外的精确定位器，并且控制装置5300使得光束被准确地传送至靶基片。因此，在本文所述系统的某些实施例中，激光控制和诊断允许主动控制加工参数 以便确保激光强度保持在希望的(和/或最佳的)范围，从而保证一致的结构尺寸，材料去 除率，和热效应。此外，控制光束的尺寸、形状、散度和/或偏振的能力使得进一步改进(和/或优化)加工结构(例如，槽和/或沟)的形状和/或边缘质量成为可能。例如，已经证实使 用其主轴平行于平移方向的高度椭圆光束能够产生的沟比使用圆聚焦光束可能产生的沟 具有更高的纵横比和更好的表面质量(参见例如，Barsch，Korber,OstendorfJP Tonshoff 的"Ablation and Cutting of Planar Silicon Devices using Femtosecond Laser Pulses, "Appl.Physics A 77，pp.237-244，(2003)和 Ostendorf，Kulik，和 Barsch 的 "Processing Thin Silicon with Ultrashort-pulsed Lasers Creating an Alternative to Conventional Sawing Techniques, '^Proceedings of the ICALEO,Jacksonville,USA, 2003年10月)。还显示了相对于扫描方向调整激光偏振可影响飞秒加工槽的表面和边缘 质量。如通过本文所述激光系统的不同实施例实现的主动监控和独立控制激光和脉冲参数 的能力，对于在制备结构(包括例如表面槽和/或沟)中实现可复制的微米级精确度是有 利的。具有反馈和控制的系统的进一步细节披露于’ 269申请，例如，图7-13和’ 269申 请的相应段落。在某些实施例中，通过具有总能量足以用于材料去除的皮秒脉冲串可以进行加 工。例如，脉冲宽度可以在约IOps至约500ps的范围内。在某些实施例中，可以不采用脉 冲压缩器。在所述实施例中，可以放大来自一个或多个激光源的脉冲以产生加工脉冲。所 述结构可能大体类似于系统100，200，230，300和400的实施例，但省略了脉冲压缩器。实施例可应用于多种微加工应用，并且很好地匹配在微电子中的应用，包括例如 晶圆切割，切片，划片，和类似的应用。在某些实施例中，利用适于所述应用的方法和装置可 以对系统实施例100，200，230，300和400中所示的元件进行合适的改动。例如，在一个实 施例中，基片定位机构可包括X-Y-Z台408，和额外的旋转机构以提供6-轴能力和/或以保 持靶基片(例如，晶圆)的平面度和共面性。例如，晶圆可通过另一材料(例如，胶带)固 定至专用的支架(例如，硅片夹)以供切割操作。系统100，200，230，300和400的某些实施例包括激光器和放大器的不同组合。尽 管在某些实施例中基于光纤的技术是优选的，但不同的实施例可采用波导激光器和/或放 大器，再生放大器，等等。在某些实施例中，所述技术可与光纤放大器，激光器，和/或一长 度的未掺杂传输光纤结合使用。例如，在一个实施例中，被动Q-开关微片激光器可以稍低 于IMHz的重复率，例如达到约100-500kHz或更大些，产生几微焦的脉冲能量。脉冲宽度可 在约Ips至约IOOps的范围内。在某些实施例中，微片激光器可注入光纤放大器，例如披露 于上述结合入本文引用的Harter的美国专利申请No. 10/437,057。在某些实施例中，可采用小于几纳秒的脉冲宽度，例如亚纳秒脉冲或脉宽为约 500ps或更小的脉冲。100，200，230，300和400所示实施例的合适改动包括基于二极管或 微片激光器种子源，消除脉冲展宽器和脉冲压缩器的至少一个，减少数量的放大器级，消除 放大器级，等等。例如，上述结合入本文作为引用的美国专利申请No. 10/437，057披露了利用种子 和微片激光源的不同实施例，所述种子和微片激光源通过各种光纤和非光纤元件被放大和 压缩以产生超短脉冲宽度。在一个实施例中，利用半导体激光二极管产生几纳秒的种子脉 冲，其部分利用GHz电-光调制被选择，并随后进一步被加工以便获得放大的和压缩的脉 冲。通常的重复率为小于约10MHz。所披露的结构提供了本领域技术人员可用的元件和子系统以构造较高重复率(例如，500kHz-10MHz)短脉冲(亚-皮秒至约几纳秒)，以便产生 预定公差内的几何结构，并且在以较高重复率工作时在加工位置上或非常接近加工位置处 具有减少的再沉积材料的积聚。多种变化是可行的。例如，在某些实施例中，Q-开关微片激光器可提供脉宽在几 皮秒至几十皮秒的脉冲，但是以几十kHz直到约IOOkHz的频率(重复率)。在某些实施 例中，可以明显增大工作重复率，例如达到500kHz或几MHz，脉冲宽度可容忍的增大达到 亚纳秒宽度。实施例可能可选的包括光纤放大器。举例来说，R. Fluck, B. Braun, E.Gini, H. Melchior,禾口 U. Keller,在"Passively Q-switched 1. 34 μ m Nd YVO4 Microchip Laser with Semiconductor Saturable Absorber Mirror，，, Optics letters, Vol. 22,No. 13 披露 了性能类似于ι μ m形式的早先1. 3 μ m被动Q-开关激光器。SESAM(半导体可饱和吸收镜) 在泵浦功率，晶体长度，和设计上的变化导致脉冲宽度为230ps至12ns和重复率为30kHz 至 4MHz。某些实施例可包括由本申请的所有人，IMRA America公司开发的早期型号GXP脉 冲星的改动。系统采用了半导体种子激光器和至少一个光纤光学放大器。多种其它结构是 可行的。不同的实施例可以提供在约几(a few)百皮秒至数(several)百皮秒范围内的脉 冲宽度。激光系统可包括FCPA系统。在某些采用皮秒或更长脉冲的实施例中，可以除去任 何脉冲压缩器。可替换的，系统可被设置成产生放大的皮秒脉冲而没有啁啾脉冲放大，例 如，优选通过光纤放大器系统。再次参见图4A，激光系统104可包括锁模光纤振荡器或其它种子源，和具有光纤 功率放大器的光纤放大器系统。在不同的实施例中，光纤功率放大器包括多模光纤放大 器，它被设置成基本以基模提供输出。例如，系统可采用如美国专利号5，818，630所述的 光纤功率放大器，该专利授权给Fermarm等人，发明名称为“Single-Mode Amplifiers and Compressors Based on Multi-Mode Fibers”，转让给本申请的受让人，并且以其全文形式 在此被结合入本文作为引用。在不希望的非线性和增益饱和开始之前，多模光纤放大器产 生的峰值功率和脉冲能量高于单模(SM)光纤可获得的。在其它实施例中，可以采用大面 积放大器，例如光子带隙或光子晶体光纤设计。通过泄漏模式设计已证实高质量输出光 束，例如，披露于美国专利申请号11/134，856，发明名称为“Single Mode Propagation in Fibers and Rods with Large Leakage Channels”，美国公开号为 2006/0263024，转让给本 申请的受让人，并且以其全文形式在此被结合入本文作为引用。在至少一个实施例中，放大器可被包括在激光系统104中。图4B示意性地示出了 大模面积光纤的示例实施例470，所述大模面积光纤包括用稀土离子掺杂的纤芯，所述大模 面积光纤可用于光纤放大器，或用于由多模泵浦源泵浦的激光器。例如，实施例470可包括 在图4A示意性所示的激光系统104中。输入光束456可通过锁模振荡器，半导体二极管， 二极管和电_光调制器，和/或其它合适源产生。在用大模放大器放大之前，前置放大器可 提高脉冲能量水平。激光系统104还可包括脉冲选择器，偏振控制器，和/或光束成形光学 器件以便在放大之前和/或之后调节脉冲。在图4B所示的实施例470中，光纤450分别具 有直的输入和输出端451，452，和其间的盘绕部分。多模泵浦455被用于利用耦合透镜454 泵浦放大器或激光器。输入光束456通过透镜453射入光纤450。输出457由分色镜458分离。在其它实施例中，光纤450和/或其它部件可被设置成与图4B示意性所示的不同。 此外，不同的部件可被除去，添加，和/或不同于图4B的示例实施例470所示设置。在用于产生具有减小或可忽略的非线性效应的飞秒，皮秒，和/或纳秒范围的高 峰值功率脉冲的全光纤设计中可以采用不同的激光器或放大器实施例。还可在FCPA系统 中采用激光器或放大器以进一步增大可用的脉冲能量。在一个示例实施例中，可以采用约 7(^111-10(^111或更大的纤芯直径以产生能量为几1^至约IOmJ的纳秒脉冲。在另一实施 例中，可以产生示例脉冲宽度为约I-IOps的超短脉冲，输出能量在约10 μ J至几百μ J的 范围内。在不同的实施例中，可以采用大于约ΙΟΟΚΗζ，和达到至少几MHz的脉冲重复率。 在IOOMHz至IGHz范围内的重复率也是可能的，取决于平均额定功率和系统要求。举例来 说，如披露于PCT申请No. PCT/US2008/074668,该申请的发明名称为“Glass Large-Core Optical Fiber”，为本发明的受让人所有，并且以其全文形式在此被结合入本文引用，从微 片激光器发射的25KHz重复率，5 μ J脉冲能量，和600ps脉冲宽度的输入脉冲在大芯泄漏信 道光纤中被放大至约400 μ J，产生近衍射极限的输出光束，并且没有由非线性效应造成的 变形。在实验中，没有使用脉冲展宽或压缩。可以获得较高的脉冲能量和重复率。因此，基 于光纤的放大激光结构存在多种可能性。实验结果_硅沟槽挖掘和晶圆切片示例随后的实验结果演示了用于“沟槽挖掘”和“晶圆切片”的系统和方法的实施例。 在这些示例实验中，一般利用具有亚皮秒脉冲宽度的超短脉冲加工硅基片。一些结果通过 脉冲宽度达到约200ps的脉冲而得到。实验系统如图6A示意性所示，实验结构包括激光系统104，所述激光系统提供大于10 μ J的 可用脉冲能量，脉冲宽度在从约500fs至约500ps的范围内，并且重复率超过IOOkHz。可以 改变实验系统的激光参数，尽管不必所有的参数彼此独立。例如，脉冲能量影响最小可获得 的脉冲宽度。在某些实验中，在基片表面处的通常聚焦光斑尺寸为约15μπι，它在IOyJ的 能量下提供约5-6J/cm2的平均能流和接近1013W/cm2的功率密度。在重复率为500kHz，在 某些实验中由系统产生的平均功率为约5W。图6B示出了系统的照片。实验设置包括排烟装置614，它可操作地去除在加工过 程中产生的微粒状烟气。排烟装置614在抽取速率为每分钟约350立方英尺下工作。实验 设置包括XYZ运动系统610。测量工具，方法，和说明图7示意性地示出了用于量化加工质量的示例技术，以便获得接近加工位置的烧 蚀量和再沉积量的近似值。对于某些加工应用，沟槽深度相对于重铸峰值或平均高度的粗 略测量结果可能足以定量激光参数对加工质量的影响。不过，对于其它加工应用，表征材料 去除的量相比于材料重铸的量可能更为准确。作为示例，图7示意性地示出了定量基于激光的材料加工的一种可行的方法。从 例如通过扫描电子显微镜(SEM)所获得的沟槽的截面图像可见，烧蚀区域近似于用三角形 匹配沟槽的垂直平分线的形状(图7中的阴影线三角形)。三角形近似值还用于模拟材料重 铸的量(图7中的交叉阴影线的三角形)。因此沟槽(或其它结构)质量通过三角形烧蚀面 积对三角形重铸面积之比定量。在下文的示例结果中，采用可从JEOL USA公司(Peabody， Massachusetts)获得的JEOL JSM6060 SEM0利用自动或半自动工具可获得其它测量结果， 所述工具例如全自动SEM系统，白光干涉仪，表面轮廓综合测量仪，和/或原子力显微镜。一些测量，尤其是那些具有200ps的较长脉冲宽度的，通过用围绕区域的多边形模拟沟槽和重铸物并由多边形的面积估计所述区域面积。在不同的实施例中，多边形可具 有3，4，5，6，7，8，或更多边。在其它实施例中，可采用不同的形状来估计沟槽和/或重铸区 域(面积)。例如，一个结构的截面轮廓可由样条曲线(spline)，最佳拟合曲线等等模拟。 在其它实施例中，沟槽和/或重铸区域面积可通过“拟合”于结构(例如，大体类似于利用 梯形法则或Simpson’ s (辛普森)法则模拟曲线下的区域)的多个几何形状(例如，矩形， 梯形，等等)的求和面积来估计。可采用多种数值技术来估计面积。图7A-7F示出了从硅样本获得的截面的SEM照片。照片显示了在下文中将会描述 的在实验中观察到的趋势。图7A-7F包括激光参数值，其为近似值，但已知具有足够的准确 性以支持下文阐述的任何结论。图7A-7F包括比例尺以表示SEM照片中所示的不同结构的 尺寸。下文和相应的附图中介绍了以不同的扫描速度加工(或处理)通过的次数N。在 不同的实施例中，扫描器结构提供扫描速度(例如以m/s测量)，但是在某些实施例中，在固 定速率(在示例实验中为lOm/s)可能出现回描周期。由于在下文所述示例实验中的回描 周期期间激光源是有源的，激光曝光(照射)稍大于所列的脉冲能量，并且额外的曝光可从 lOm/s回描速度对所列扫描速度之比确定。改变脉冲能量的示例影响(效应)图7A和7B示出了改变激光能量的一些示例实验影响(效应)。在这些示例中，在 加工过程中200kHz激光重复率，15 μ m聚焦光斑直径，和约33%空间重叠是固定的。图7A 示出了脉冲能量为约10 μ J的结果，而图7B示出了脉冲能量为约20 μ J的结果。图7Α和 7Β的图像板示出了 100次通过，200次通过，和400次通过的结果。将脉冲能量从IOyJ增 大至20 μ J通过增大次数的加工通过提供了更大的穿透深度。更大的脉冲能量还在烧蚀结 构周围产生更大量的再沉积材料。例如，在利用20 μ J脉冲能量的400次通过后，这在本示 例中大体对应最大的加工深度，该加工产生了约15μπι峰-到-峰的再沉积材料。相反，使 用10 μ J脉冲，只测量到约10 μ m峰-到-峰的再沉积材料。因此，更大的烧蚀量导致更大 的再沉积量。扫描速度和效率对比不想要的再沉积材料的示例影响(效应)图7C包括的SEM照片示出了扫描速度，效率，和再沉积材料积聚的影响(效应)。 在本示例中，500kHz的激光重复率，15 μ m 1/e2聚焦光斑直径，10 μ J脉冲能量，和100次通 过是固定的参数。扫描速度在约0.5m/s至约8m/s的范围内变化。随着扫描速度在此范围 内增大，入射脉冲的空间重叠和总入射能量减少，并且烧蚀量和再沉积量均减小。减小的空 间重叠降低了每单位面积的热负载并降低了随后激光脉冲与“受激”材料的相互作用。随 着扫描速度在此范围内的增大，烧蚀深度对重铸高度之比增大，这导致了更干净的加工。这 个趋势不是不寻常的，并且通常在利用纳秒固态激光系统的高速/多次通过切割和螺旋钻 孔应用的过程中可观察到。激光重复率的示例影响(效应)图7D-7F示出了激光重复率对加工质量的示例影响(效应)。在本示例中，约 15um(l/e2)的固定聚焦光斑直径，20 μ J的脉冲能量，和200次的加工通过是固定的参数。 在图7D-7F的每个附图中，图像板示出了扫描速度从约0. 5m/s变化至约lOm/s的结果。图 7D-7F所示的实验结果分别以约200kHz，350kHz，和500kHz的激光重复率进行。图7D-7F 包括比例尺以表示烧蚀和再沉积横截面的尺寸。在本示例中，采用约20 μ J的脉冲能量，并 且扫描速度和重复率均变化。烧蚀结构的深度和面积以及重铸材料的高度和面积利用结合图7所述的技术进行测量，并且实验的结果总结在下表中。在这些示例表格中，加工质量的测量是结 构的烧蚀面积对邻近烧蚀结构的再沉积材料面积之比。加工效率可以通过加工速 度(例如，每秒烧蚀面积)相对于平均功率(一般假设相同的脉冲能量)来表征。图 7D-7F所示和示例表格所总结的实验数据通过改变重复率和扫描速度并使其它参数固 定而获得。该数据可用于确定对于表格中所总结实验的质量和加工效率之间的示例关
权利要求
1.一种划片、切片、切割或加工以从多材料工件的一区域去除材料的方法，所述方法包括将激光脉冲引向多材料工件的至少一种材料，所述激光脉冲具有从几十飞秒至约500 皮秒范围内的脉冲宽度和几百kHz至约10MHz的脉冲重复率，所述工件包括图案和半导体 晶圆，所述图案包括电介质材料和金属材料中的至少一种；将所述激光脉冲聚焦成光斑尺寸在从几微米至约50 ymd/e2)范围内的激光光斑；和以一扫描速度相对于所述至少一种材料定位所述激光光斑，使得用于从至少一部分图 案上去除材料的相邻聚焦光斑之间的重叠明显大于用于从至少一部分半导体晶圆上去除 材料的相邻聚焦光斑之间的重叠，其中所述方法控制在所述工件的一种或多种材料内的热积聚，同时限制在所述区域周 围再沉积材料的积聚。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体晶圆的厚度小于约lOOym。
3.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个激光脉冲的脉冲能量在从约1P J至约 20 y J的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述光斑尺寸在从约15y m至约50 y m的范围内， 并且用于从所述图案去除材料的扫描速度在从约0. lm/sec至约0. 5m/sec的范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光脉冲通过超短脉冲激光系统输出。
6.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个激光脉冲的脉冲能量为至少约lOOnJ，所 述图案包括所述金属材料和所述电介质材料，并且在所述至少一部分图案内的热积聚足够 高以避免所述电介质材料从所述金属材料的脱层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中用于去除所述至少一部分图案的热积聚超过用于 去除所述至少一部分半导体晶圆的热积聚。
8.根据权利要求1所述的方法，其中用于去除至少一部分所述图案的脉冲宽度在从约 100ps至约500ps的范围内，并且用于去除至少一部分所述晶圆的脉冲宽度在从约lOOfs至 约10ps的范围内。
9.根据权利要求1所述的方法，其中用于去除至少一部分所述图案的扫描速度明显小 于用于去除至少一部分所述晶圆的扫描速度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述扫描速度在约0.lm/sec至约lOm/sec的范 围内。
11.根据权利要求1所述的方法，其中至少一部分所述定位通过光束偏转器进行。
12.—种加工包括图案和半导体晶圆的工件的方法，所述图案包括电介质材料和金属 材料中的至少一种，所述方法包括用包括从约lOOps至约500ps范围内的脉冲宽度的激光脉冲改变至少一部分所述图 案；和用包括从约lOOfs至约10ps范围内的脉冲宽度的激光脉冲改变至少一部分所述半导 体晶圆。
13.根据权利要求12所述的方法，其中由所述改变至少一部分所述图案产生的热影响 区(HAZ)的深度部分大于由所述改变至少一部分所述半导体晶圆产生的HAZ的深度部分。
14.一种激光加工具有半导体材料的多材料工件的方法，所述方法包括以在从约100kHz至约10MHz范围内的脉冲重复率并且以足够高的重复率将激光脉冲 聚焦和引向工件的一区域，使得材料被有效地从所述区域去除并且在所述区域内或附近的 不想要的材料的量相对于以低于约100kHz的较低重复率可获得的量受到限制。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述半导体材料包括半导体晶圆，所述量的不 想要的材料包括再沉积材料，并且其中所述再沉积材料被限制于厚度小于约4 u m。
16.一种激光加工具有半导体材料的多材料工件的方法，所述方法包括用聚焦激光脉冲以一扫描速率和脉冲重复率反复地照射所述工件的至少一种靶材料， 所述重复率在至少约几百kHz至约10MHz的范围内，所述扫描速率在约0. 2m/s至约20m/s 的范围内，其中至少某些所述聚焦激光脉冲与至少一个其它脉冲具有非零空间重叠系数，脉冲宽 度小于约1ns，脉冲能量在约lOOnJ至约25ii J的范围内，聚焦1/e2光斑尺寸在约5 u m至 约50 u m的范围内，并且在所述靶材料处的能流在约0. 25J/cm2至30J/cm2的范围内。
17.—种加工多材料工件的方法，所述工件包括半导体材料和图案，所述图案包括电介 质材料和金属材料中的至少一种，所述方法包括用一系列激光脉冲照射所述工件，所述一系列激光脉冲中的至少两个脉冲具有适用于 所述工件的不同材料的不同特征；和控制热影响区(HAZ)使得相对于在去除一部分所述半导体材料的过程中所产生的至 少一个HAZ，在去除电介质材料和金属材料中的至少一种的过程中所产生的至少一个HAZ 在深度上增大了。
18.根据权利要求17所述的方法，其中至少一些激光脉冲具有不同的脉冲宽度，并且 控制HAZ包括将不同的脉冲宽度施加于所述工件材料，所述脉冲宽度在约lOOfs至约500ps 的范围内。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述不同的特征包括下述中的至少一个脉冲 能量，峰值功率，和所述工件处的空间重叠，并且所述控制HAZ包括将具有至少一个不同特 征的脉冲施加于所述不同的工件材料。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述一系列激光脉冲中的至少一个脉冲提供从 约0. 25J/cm2至约30J/cm2范围内的能流。
21.—种加工包括图案和半导体晶圆区域的工件的方法，所述图案包括电介质材料和 金属材料，所述方法包括用聚焦激光脉冲改变至少一部分所述图案，至少一个聚焦脉冲包括在约lOOfs至约 500ps范围内的脉冲宽度；和在所述图案的所述部分中积聚足够的热量以避免所述电介质材料从所述金属材料的 脱层。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述电介质材料包括低k材料。
23.根据权利要求21所述的方法，其中至少一个聚焦激光脉冲具有至少约1u J的脉冲能量°
24.根据权利要求21所述的方法，其中所述施加的能流为至少约0.4J/cm2。
25.根据权利要求21所述的方法，其中所述脉冲宽度在从约lOOfs至约10ps的范围内 并且至少一个聚焦激光脉冲具有从约1 u J至约10u J范围内的脉冲能量，并且所述方法还包括相对于所述图案定位所述脉冲，以便相邻聚焦脉冲之间的空间重叠超过约95%。
26.根据权利要求21所述的方法，其中所述脉冲宽度和所述积聚足够的热量产生所述 金属材料，电介质材料，或半导体材料的平滑和基本无纹理的表面部分。
27.一种用于划片、切片、切割或加工具有半导体材料的多材料工件的基于激光的系 统，所述基于激光的系统包括光学脉冲源；光学放大系统，所述光学放大系统被设置成将来自所述源的脉冲放大到至少约1 P J 的脉冲能量并且产生具有至少一个脉冲宽度在从约500fs至几百皮秒范围内的输出光学 脉冲；调制系统，所述调制系统包括至少一个光学调制器，被设置成将所述输出光学脉冲的 重复率调节在从约100kHz至约10MHz的范围内；光束传送系统，所述光束传送系统被设置成将脉冲激光束聚焦和传送至所述工件，其 中脉冲光束被聚焦成在约15ym至50i!m范围内的光斑尺寸(1/e2)；定位系统，所述定位系统被设置成以从约0. lm/sec至约20m/sec范围内的扫描速率相 对于所述工件的一种或多种材料扫描所述光束；和控制器，所述控制器被设置成连接至至少所述定位系统，所述控制器被设置成在以所 述重复率加工工件的过程中控制相邻聚焦光束之间的空间重叠。
28.根据权利要求27所述的系统，其中所述光学放大系统包括基于光纤的啁啾脉冲放 大系统。
29.根据权利要求27所述的系统，其中所述光学放大系统包括至少一个大模光纤放大器。
30.根据权利要求27所述的系统，其中所述光学放大系统可操作以产生脉冲能量达到 约20 y J的输出脉冲并产生达到约10W的平均功率。
31.根据权利要求27所述的系统，其中所述光学脉冲源包括光纤振荡器并且所述放大 系统的一个或多个放大器是光纤放大器，并且其中所述振荡器和放大系统可被设置为全光 纤设计。
32.根据权利要求27所述的系统，其中所述光学脉冲源包括光纤激光器，光纤放大器， 被动Q-开关微芯片激光器，和锁模振荡器中的至少一种。
33.根据权利要求27所述的系统，其中所述基于激光的系统可操作以在所传送脉冲光 束的聚焦光斑尺寸内提供至少约0. 25J/cm2的能流。
34.根据权利要求33所述的系统，其中所述能流为至少约lj/cm2。
35.根据权利要求27所述的系统，其中所述脉冲能量在约1P J至约20 y J的范围内。
36.根据权利要求27所述的系统，其中所述重复率在从约100kHz至约5MHz的范围内。
37.一种用于划片、切片、切割或加工具有半导体材料的多材料工件的基于激光的系 统，所述系统包括光学脉冲源；光学放大系统，所述光学放大系统被设置成放大来自所述源的脉冲并产生至少一个脉 冲宽度在从几十飞秒至约500皮秒范围内的输出脉冲；调制系统，所述调制系统包括至少一个光学调制器，被设置成提供输出光学脉冲的重复率在从至少约1MHz至小于约100MHz的范围内；光束传送系统，所述光束传送系统被设置成将脉冲激光束聚焦和传送至所述工件，其 中脉冲光束被聚焦成至少约5微米的光斑尺寸(1/e2)；和定位系统，所述定位系统被设置成以一扫描速率扫描所述光束以在工件的一种或多种 材料上或内产生光斑重叠，在所述重复率和所述光斑尺寸下光斑重叠为至少约95%。
38.根据权利要求37所述的基于激光的系统，其中至少一些所述输出脉冲具有至少约 100nJ的脉冲能量。
39.根据权利要求37所述的基于激光的系统，其中所述光斑重叠超过约99%。
40.根据权利要求37所述的基于激光的系统，其中所述源和放大系统被设置成全光纤 设计。
41.根据权利要求37所述的基于激光的系统，其中所述放大系统包括基于光纤的啁啾 脉冲放大器，所述基于光纤的啁啾脉冲放大器包括脉冲展宽器和压缩器设置用于啁啾脉冲 放大。
42.根据权利要求37所述的基于激光的系统，其中所述放大系统包括至少一个大模光 纤放大器。
43.根据权利要求37所述的基于激光的系统，其中所述定位系统包括光束偏转器。
44.根据权利要求37所述的基于激光的系统，其中所述光学放大系统被设置成将来 自所述源的脉冲放大到至少约1 P J的能量并且产生具有至少一个脉冲宽度在约lOOfs至 约10ps的超短输出脉冲，所述光学放大系统包括至少一个大模光纤放大器，所述至少一个 大模光纤放大器包括掺杂的大芯泄漏信道光纤放大器，光子晶体光纤，和光子带隙光纤中 的至少一个，其中至少一个光纤放大器被设置成使得所述基于激光的系统发射近衍射极限 的脉冲输出光束；并且其中所述基于激光的系统被设置成可调节以在从约几百kHz至约 10MHz范围内的重复率产生所述脉冲输出光束。
45.一种用于在具有半导体材料的工件上或内切片、切割、划片或形成结构的系统，所 述系统包括脉冲激光系统，所述脉冲激光系统被设置成用聚焦激光脉冲以一扫描速率和脉冲重复 率反复地照射至少一部分所述材料，其中所述重复率在约100kHz至约5MHz的范围内并且 足够高以便从靶位置有效地去除材料的相当深度部分并且限制在靶位置周围的不想要的 材料的积聚；光束传送系统，所述光束传送系统被设置成聚焦和传送所述激光脉冲；定位系统，所述定位系统被设置成以所述扫描速率相对于所述半导体基片定位所述激 光脉冲，所述定位系统包括光学扫描器和基片定位器中的至少一个；和控制器，所述控制器被设置成连接至所述脉冲激光系统，所述光束传送系统，和所述定 位系统，所述控制器被设置成在以所述重复率加工所述工件的过程中控制相邻聚焦激光脉 冲之间的空间重叠。
46.根据权利要求45所述的系统，还包括光束操纵器，所述光束操纵器被设置成连接 至激光系统和控制器，所述光束操纵器，所述激光系统，和所述控制器可操作以获得表示所 述基片和所述激光系统中的至少一个的状态的信号，并产生控制信号以改变所述基片和所 述激光系统中的至少一个的状态。
47.根据权利要求45所述的系统，其中所述脉冲激光系统包括激光源，所述激光源包 括光纤激光器，光纤放大器，被动Q-开关微芯片激光器，和锁模振荡器中的至少一个，所述 脉冲激光系统被设置成以所述重复率产生脉冲宽度在从约50fs至几纳秒范围内的至少一 个脉冲。
全文摘要
不同的实施例可用于工件的靶材料的基于激光的改性，同时有利地实现在加工处理能力和/或质量上的改进。加工方法的实施例可包括以足够高的脉冲重复率将激光脉冲聚焦和引导至工件的一区域，以便材料被有效地从所述区域去除，并且在所述区域内、接近所述区域或两者的不想要的材料量相对于以较低重复率可获得的量有减少。在至少一个实施例中，超短脉冲激光系统可包括至少一个光纤放大器或光纤激光器。不同的实施例可适用于在半导体基片上或内切片、切割、划片和形成结构。工件材料还可包括金属，无机或有机电介质，或要通过飞秒和/或皮秒脉冲并且在某些实施例中用脉冲宽度达到几纳秒的脉冲进行微加工的任何材料。
文档编号B23K26/06GK102006964SQ200980109436
公开日2011年4月6日 申请日期2009年3月17日 优先权日2008年3月21日
发明者L·沙阿, 许景周, 赵奎千 申请人:Imra美国公司