激光脉冲发生装置和方法以及激光加工装置和方法

专利名称：激光脉冲发生装置和方法以及激光加工装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种使用适于加工半导体晶片上的半导体器件的电路 结构部件等的激光振荡装置的加工装置，得到一种即使脉冲重复频率
变化也获得稳定的高输出Q开关脉冲的装置以及方法。并且，实现一 种在任意照射时序下都能够始终获得稳定输出的微细加工装置以及方 法。
背景技术：
如业内人员公知，电子工业中微细化的电路部件的调整、修正、 加工等，是通过照射从固体激光器得到的Q开关脉沖输出，用于去除、 标记、修整等的制造工序中。在该激光加工方法中，希望激光的每个 脉冲输出能量、波形相对于重复频率变化能够始终获得预定的输出。 例如，用于半导体存储器冗余电路切换的缺陷补救的电路熔丝的切断 等，是通过高速地扫描不等间隔的切断点并将汇聚的激光光束照射到 电路熔丝上来切断熔丝部。通过向切断点按照高速振荡指令进行稳定 的脉冲波形、能量照射，来高精度地处理高集成度的存储器单元。对 这些加工对象物的激光脉冲照射时间间隔不均匀的情况较多，因而进
行了很多使从激光振荡器放出的脉冲能量、脉宽、峰值输出均匀化的 研究。在应对这些问题的现有技术中，提出了根据如图1所示脉沖激 光振荡装置和声光元件(AOM)的组合来稳定脉沖的方法。
图1示出AOM在每个脉沖上工作的脉沖稳定方法，使用由AOM 去除Q开关脉冲振荡后所产生的低输出脉冲的方法。这种方法存在要 使用昂贵的AOM装置的缺点。下面进行说明。从半导体激光器等激 励用光源1放出的激光向固体激光器介质5的激光振荡激励用聚光部 IO放出。其间存在强反射镜4。该强反射镜由透镜等聚光光学系统3 和固体激光器共振器构成，其对于激光波长是强反射而对于激励光波长具有透过性。激光共振器的另一输出镜7设置在激光介质5的强反
射镜4的相反侧，激光介质5和输出镜7之间设置由声光开关元件构 成的Q开关元件6。从激光装置的控制部11向激励光源驱动部8、 Q 开关驱动部9、以及与它们一起设置在激光共振器外部的用于控制 AOM 29的AOM驱动部12发出动作控制信号。AOM是向超声波换 能器施加RF功率来生成布拉格衍射单元，使通过的光束衍射。因而， 当/人驱动部12向单元施加RF时，光束的一部分在RF施加时刻通过 衍射而分离。AOM衍射单元中传播RF功率声波而通过衍射光栅的激 光脉冲被光束放大器15准直，进入到反射镜16被反射并朝向加工对 象物20，由透镜18聚光而聚光照射到加工对象物20的表面，从而完 成加工。加工对象物20通过驱动台23进4亍4青密定位驱动。驱动是公 知技术，由驱动部21从控制部11将控制信号经由控制信号线26来完 成。
这种结构中，激光振荡是以如图2所示的过程进行的。来自半导 体激光器的激励用激光束2预先发出，激光介质预先置于激励状态。 在此，当脉沖触发是以(a)的tl、 t3、 t5、…时刻发出时，从驱动部 9向Q开关元件6施加RF1的功率，增加激光振荡器的强反射镜4和 输出镜7之间的激光振荡往复光路的损失，形成抑制共振的状态。该 状态在时间为tl-t2、 t3-t4、 t5-t6、…的期间持续，在该期间激光介质 5中蓄积激励能量，该蓄积量大致与激励光的强度以及tl-t2、 t3-t4、 t5-t6、…的时间成比例。在时刻t2、 t4、 t6,由驱动部9阻断向Q开 关6的RF功率供给。由此在激光共振器内急剧地发生Q开关脉冲， 透过输出镜7而得到(c)的输出光束30MIR。接着，激光介质处于激 励状态，因此在激光介质中恢复激光振荡增益，处于没有向Q开关元 件6施加RF功率的状态，因此连续低输出的振荡部分如图2 (c)的 13SIR中所示地持续振荡。因而，激光输出光束30IR中包括Q开关脉 冲部分30MIR和连续输出部分13SIR。
激光共振器的外部光束光路中设置有AOM 29，因此RF功率RFD 从驱动部12进入该AOM 29中，如图2 (d)所示，其施加时序在Q 开关脉冲30MIR结束后与连续振荡部分13SIR的振荡相重合。连续振
9荡部分13SIR被AOM 29衍射，因此与Q开关脉冲30MIR分离，得 到如图1所示作为其它方向的光束13SIR。其由连续激光振荡部分14 示出。与Q开关脉冲部分30MIR分离而连续的激光部分13SIR不朝 向加工对象物20。因而，只有Q开关脉冲30MIR照射加工对象物20，
并对加工估支出贡献。
在这种现有结构中，需要在振荡器外部中设置AOM 29，与脉冲 共振同步而控制动作时序。其存在如下缺点存在由于AOM29的损 失、以及功率损失，使用AOM29将导致装置成本的增加，需要设置 场地。并且，当激光光束波长变化时，AOM29需要重新使设置角度、 产生光学端面防反射膜变更的必要性等设置条件最佳化。
并且，在重复脉冲振荡输出中，为了避免第一脉沖与后续脉冲输 出不同的现象，美国专利第4337442号说明书中公开有将激励Nd:YAG 激光介质的光源激励强度在Q开关脉沖振荡前下降的技术。其公开了 如下方法为了使脉沖输出一定而这样来继续连续激励，从而为了在 Q开关脉沖振荡前停止预定期间的振荡而由Q开关阻断振荡、在蓄积 了用于Q开关脉沖的能量后使Q开关脉冲振荡的方法，以及预先在Q 开关脉沖振荡前降低来自激励光源的激励强度的方法等调整激光振荡 高位能级分布数的方法。
专利文献1:美国专利第4337442号说明书
专利文献2:美国专利第5018152号说明书
专利文献3:美国专利第5291505号说明书
专利文献4:美国专利第5339323号说明书
专利文献5:美国专利第5812569号说明书
专利文献6:美国专利第5982790号说明书
专利文献7:美国专利第6038241号说明书
专利文献8:美国专利第6418154号说明书
专利文献9:美国专利第6009110号说明书
专利文献10:美国专利第6683893号说明书
专利文献ll:美国专利第6931035号说明书
专利文献12:美国专利第6172325号说明书专利文献13:美国专利第5719372号说明书 专利文献14:美国专利第4412330号说明书 专利文献15:日本特表2002-518834号/>才艮

发明内容
本申请发明所要解决的课题是重复Q开关脉沖输出的均匀化。即 提供一种即使脉冲重复的时间间隔变化也能够获得不依赖该变化的稳 定的Q开关脉沖激光振荡输出的激光脉沖发生装置和方法，并且提供 使用该激光脉沖发生装置和方法的激光加工装置和方法。
为了解决上述课题，本发明的特征在于包括激光介质、激光共 振器、和通过控制所述激光共振器的Q值来进行激光振荡抑制的Q开 关元件，以及所述激光介质的去激励源；使所述去激励源操作第一预 定时间从而从激光介质释放蓄积能量的单元；通过向Q开关元件施加 激光振荡抑制信号第二预定时间从而在所述激光介质中蓄积预定能量 的单元；以及为了得到Q开关激光脉冲振荡输出而停止向所述Q开关 元件发出激光振荡抑制信号的单元。
另外，其特征在于具有所述激光介质的激励源，所述释放蓄积能 量的单元中还具有降低所述激励源的激励强度、或者停止或阻断激励 的单元。另外，其特征在于，所述蓄积能量的单元中还具有将所述激 光振荡抑制信号水平设定为不具有足够的振荡抑制能水平的单元。另 外，所述释放蓄积能量的单元中还具有将第一预定时间设定为零以上 的单元。
另外，其特征在于具有
激光介质、激光共振器、以及通过控制所述激光共振器的Q值而 进行激光振荡抑制的Q开关元件；
通过将不具有足够的振荡抑制能水平的激光振荡抑制信号向所述 Q开关元件施加预定时间、从而在所述激光介质中蓄积预定能量的单
元；
为了得到Q开关激光脉沖振荡输出而将向所述Q开关元件发出的 激光振荡抑制信号停止的单元。另外，其特征在于具有
激光介质、激光共振器、以及通过控制所述激光共振器的Q值来
进行激光振荡抑制的Q开关元件；
向所述激光介质提供经过调制的激励信号的单元；
通过将激光振荡抑制信号向所述Q开关元件施加预定时间从而在
所述激光介质中蓄积预定能量的单元；以及为了得到Q开关激光脉冲
振荡输出而将向所述Q开关元件发出的激光振荡抑制信号停止的单元。
另外，其特征在于具有
激光介质、激光共振器、以及通过控制所述激光共振器的Q值来 进行激光振荡抑制的Q开关元件；
向所述Q开关元件施加激光振荡抑制信号从而在所述激光介质中 蓄积能量的单元；
为了以具有与来自前次脉沖的发生间隔相应的损失的状态得到Q 开关激光脉冲振荡输出而基于来自前次脉沖的发生间隔来调制激光振 荡抑制信号的单元。
并且，本发明的特征在于，在Q开关激光脉冲的光路中具有非线 性光学元件。另外，本发明是一种使来自这些激光脉沖发生装置的脉 冲输出照射加工对象物的激光加工装置，并且加工对象物是半导体基 板上的连接线、电容、电阻、电感等电子器件、或者液晶显示装置、 电致发光显示装置、等离子显示装置等显示装置。
另一方面，本发明的特征在于包括
设置激光介质、激光共振器、通过控制激光共振器的Q值来进行 激光振荡抑制的Q开关元件以及激光介质的去激励源的步骤；使去激 励源操作第 一预定时间从而从激光介质放出蓄积能量的步骤；通过将 激光振荡抑制信号向Q开关元件施加第二预定时间从而在激光介质中 蓄积预定能量的步骤；为了得到Q开关激光脉冲振荡输出而停止向Q 开关元件发出激光振荡抑制信号的步骤。
另外，其特征在于，在所述放出蓄积能量的步骤中还降低对激光 介质的激励强度、或者停止或阻断激励。另外，其特征在于，在所述
12激光介质中蓄积预定能量的步骤中将激光振荡抑制信号水平设定为不 具有足够的振荡抑制能的水平。另外，其特征在于，在放出所述蓄积 能量的步骤中第 一 预定时间是零以上。
另外，其特征在于包括设置激光介质、激光共振器、以及通过
控制激光共振器的Q值来进行激光振荡抑制的Q开关元件的步骤；通 过将不具有足够的振荡抑制能的水平的激光振荡抑制信号向Q开关元 件施加预定时间从而在激光介质中蓄积预定能量的步骤；以及为了得 到Q开关激光脉沖振荡输出而停止向Q开关元件发出激光振荡抑制信
号的步骤。
另外，其特征在于包括设置激光介质、激光共振器、以及通过 控制激光共振器的Q值来进行激光振荡抑制的Q开关元件的步骤；向 激光介质提供经过调制的激励信号的步骤；通过将激光振荡抑制信号 向Q开关元件施加预定时间从而在激光介质中蓄积预定能量的步骤； 为了得到Q开关激光脉沖振荡输出而停止向Q开关元件发出激光振荡 抑制信号的步骤。
另外，其特征在于包括设置激光介质、激光共振器、以及通过 控制激光共振器的Q值来进行激光振荡抑制的Q开关元件的步骤；向 Q开关元件施加激光振荡抑制信号从而在激光介质蓄积能量的步骤； 为了以具有与来自前次脉沖的发生间隔相应的损失的状态得到Q开关 激光脉沖振荡输出而基于来自前次脉沖的发生间隔来调制激光振荡抑 制信号的步骤。
并且，本发明的特征在于还包括将Q开关激光脉冲变换为高次谐 波而输出的步骤。另外，本发明还包括以这些激光脉沖发生方法发生 的脉冲输出照射加工对象物的激光加工方法，并且加工对象物是半导 体基板上的连接线、电容、电阻、电感等电子器件、或者液晶显示装 置、电致发光显示装置、等离子显示装置等显示装置。
根据本发明的激光脉冲发生装置以及方法，即使脉沖重复时间间 隔变化也能够获得不受其变化影响的稳定的Q开关脉沖。另外，根据 本发明的激光脉冲加工装置以及方法，能够以任意时序均匀地向加工 物体照射激光脉冲。在利用激光脉沖的物体加工中，在照射光束时存在加工位置以不等的间隔分布在基板上的情况，在这种情况下根据本 申请发明，根据加工位置而形成不均匀的任意时序，但是也能够实现 均匀的激光脉冲照射。
另外根据本申请发明，即使没有现有技术中所需的AOM等外部 中光束连接振荡输出和Q开关脉冲振荡输出部的选择用分路元件，也 能够实现根据稳定的Q开关激光脉冲的加工。在从来自激光振荡介质 的基波获得高次谐波成分的情况下，能够防止去激励光成分、以高次 谐波元件变换的波长以外的波长的光混入到Q开关脉冲或者高次谐波 成分中。通过在激光介质中使用在采用波导路径的芯的周围设置多孔 的多孔光纤，能够降低由于激光介质内的温度变化所引起的折射率变 动带来的影响(该温度变化是由激光介质内形成的温度分布所引起 的)，还能够提高激光振荡模式的稳定性。


图1是进行根据与本发明有关的现有例的激光束照射的加工方法 的装置的说明图2是图1的现有装置结构的动作说明图； 图3是实施例1以及2的装置结构图； 图4是实施例1的装置的动作说明图5是用于说明本发明的原理的激光介质的离子能级图，示出 Nd:YAG晶体内的Nd离子能级。 图6是实施例2的动作说明图； 图7是实施例3以及4的装置结构图； 图8是实施例3的动作说明图； 图9是实施例4的动作说明图； 图IO示出第二高次谐波共振器结构的不同例子。 附图标记说明
1:激励用半导体激光光源2:激励用激光束
3:聚光光学系统 4:激光共振器用强反射镜 4，端面镜
5:固体激光器用激光介质6: Q开关元件7:激光共振器用输出镜 7': 9: Q开关驱动部 10:
输出镜 8:激励光源驱动部 激光振荡激励用聚光部
11激光装置控制部12:AOM驱动部
14:连续性激光振荡部分15:光束放大器
16反射镜18:加工用聚光透镜
19Q开关脉冲激光振荡部分20:加工对象物
21驱动台驱动部26、27、 40:控制信号线
23驱动台29声光元件(AOM)
31非线性光学元件32波长滤波器
34光束吸收体41去激励用激光振荡器
42、 43:准直透镜44偏光光束重叠器45.合成光束46激励用半导体激光振荡
50激光装置控制部。
具体实施例方式
下面参照图3 图IO说明本发明的优选实施例。 实施例1
下面使用图3、图4详细说明本发明的实施例1。图中的每个说明 标号与说明现有技术的图1中对相同功能的部分所使用的标号相同。 在此，输出镜7，是具有对于基波为强反射率、对于二次谐波为高透过 率的特性的输出镜。来自作为激光激励光源的半导体激光振荡器46 的激励用激光束经过准直透镜43变成平行光束，导入到偏光光束重叠 器44内。另一方面，用于降低激光高位能级激励密度的去激励用激光 振荡器41成为向激光介质照射激光振荡目的波长外的激光波长的去 激励源。来自去激励用激光振荡器41的激光束经过准直透镜42变成 平行光束，导入到偏光光束重叠器44内，将这两根光束重叠或者时间 上偏移而配置在同轴上的合成光束45在同轴上前行，经过聚光光学系 统3向激光介质5通过对激光共振器基波的强反射镜4,从而聚光照 射到激光介质5中。在激光共振器的输出镜7，和Q开关元件6之间， 设置非线性光学元件31。该结构中，以来自控制部50的指令对激光共振器镜4和输出镜7'之间的Q开关元件6,如图4(b)所示地控制 RF功率导通和关断的时序。
在图3的例子中，激励用半导体激光振荡器46的光是在空间上传 输，但是激励用振荡器的光也能够用光纤来传输，在这种情况下将去 激励用光源光束与其光纤结合而同轴传输。
去激励用激光振荡器41、激励用半导体激光振荡器46的振荡波 长在激光介质是掺杂Nd+3离子的Nd:YAG、 Nd:YV04、 Nd:YLF等的 情况下，作为激励用波长^f吏用如图5所示的^^知的Nd能级图中808nm 附近的波长，而对于去〗敫励用而言波长0.9(xm、 l.l(im、 1.3jim附近的 激光有效。这是因为，以用于激光介质中的Nd:YAG结晶通常所使用 的波长的激光迁移高位能级的4F3/2为起点的其它迁移波长中有 946nm、 1123nm、 1319nm。在这些结构中，说明各元件和控制部的动 作时序例子。
为了设定加工对象物20的加工位置，驱动表23以来自控制部50 的信号被驱动部21驱动。该驱动表的控制位置也可以是带编码器的闭 环位置控制系统(未图示)。在该阶段中，在图4的时刻tl之前驱动 施加超声波的Q开关元件6、和激励用半导体激光振荡器46，因此施 力口4空制图4(b)的RF1施力口时序的RF,起动(c)的5敫厉力功率(PL)。 Q开关元件6从Q开关驱动部9将RF功率施加到Q开关元件6的超 声波换能器，将激光共振器设为损耗大的激光振荡阻断状态。另一方 面，向激光介质5施加激励用激光输出，在进行激光振荡前形成为激 光介质内有热温度分布的平衡状态，因此从控制部50经过控制信号线 27向激励用半导体激光振荡器46发送振荡指令。
预测加工对象物20的加工位置到达所对应的聚光透镜18的聚光 点的时间t3，从而由控制部50发出激光振荡动作过程的指令信号。首 先，施加用于使至此为止被激励的高位能级的反转分布密度降低的去 激励波长附近的激光，因此从控制部50经过控制信号线40向去激励 用激光振荡器41发送振荡指令。振荡指令是由如图4 (a)所示的触 发信号发出的，由触发信号的下降沿如(d)所示地在时刻tl、 t5、 t9 中开始去激励用激光振荡。去激励激光由准直透镜42准直成为平行，
16进入并通过偏光光束重叠器44,经过聚光透镜3照射到激光介质5。 预先由激励用半导体激光振荡器46发出的激励激光光束通过准直透 镜43变为平行、并由偏光光束重叠器44使其同轴，来对该激光介质 5进行激励，从而发生晶体温度上升，激励能量向高位能级如图4 (e) 虚线所示的能级蓄积。在此，去激励用激光波长照射相同的晶体空间， 因此从上位能级以与激光振荡基波不同的波长向低位能级迁移并发 光。该光的损失大到不能满足与激光共振器达到充分振荡条件的条件， 因此还不至于激光振荡。到此为止蓄积的高位能级的能级密度能够降 低成如图4 (e) UL-1中所示。
在预定时间tl-t2期间进行去激励，之后仅由激励激光对激光介质 在t2-t3期间激励，进行在高位能级中发生反转分布的激励(UL-2)。 之后，如图4(b)所示，在t3-t4期间阻断向Q开关元件6的驱动用 RF功率，设为透过(开通)状态，使Q开关脉冲33G振荡。在此， 高位能级的记录密度伴随激光振荡而降低(UL-3)。此时的Q开关脉 冲输出33G在时间t2-t3期间与蓄积在激光介质5中的能量对应而放 出脉冲能量(f) QO的33G。在Q开关脉沖振荡后A/v时刻t4起再次将 Q开关设为阻断(关闭)状态，因此向Q开关元件6施加RF功率。 以该过程的时刻t3-t4期间振荡而发出的Q开关脉沖加工第一加工对 象点。接着对第二加工对象物点也同样，求出根据位置和扫描速度求 出的Q开关脉冲振荡的时序，以基于此的时间关系将去激励DPL1持 续时间t5-t6,之后进行预定时间t6-t7期间的激光激励，之后在时间 t7-t8期间阻断RF，使Q开关脉冲33G振荡。这种情况下，即使在作 为Q开关脉冲间隔的时间t3 -t7 、 t7-t 11的时间变化的情况下，即时间 t4-t5、 t8-t9期间的时间不同时，将去激励工序(d)的DPL1导入到Q 开关重复动作的脉沖"^展荡周期间，因此从tl、 t5、 t9以前分别蓄积的 高位能级能量由于去激励激光而減少。(f )QO所示的Q开关脉沖输出 33G的输出能量按去激励后的激励能量来设定，由此实现与脉冲重复 频率无关的输出均匀化。因而，通过使用这些均匀化的脉冲输出，能 够与激光照射时序无关地精密地进行加工对象物的加工。第三个以后 的Q开关脉沖动作是相同工序的重复。在上述图示的实施例中，示出使激励用的激光输出PL如图4(c)
所示地以 一 定强度工作的例子，但是也可以使该输出在去激励中变成
振荡停止、或者处于低输出状态来调制激励用的激光输出PL,从而加
快去激励速度。
在上述说明中，对于非线性光学元件31而言，加工用波长中不需 要使用基波的波长，但是在使用二次谐波的情况下将公知的非线性光 学元件设置为相对基本波光束满足相位整合条件。由此，Q开关脉沖 变换为二次谐波，从输出镜7，发射。在这种情况下，根据需要由混入 到二次谐波输出的Q开关脉冲的基波成分、去激励波长成分刺激而放 出的ASE成分(ASE=Amplified Spontaneous Emission的简称，意p木着 被放大的自发发出光)被波长滤波器32去除，向光束吸收体34导入 混入成分33IR，只将二次谐波33G由光束放大器15准直并由反射镜 16反射后由聚光透镜18形成微细斑点来照射加工对象物，从而能够 进行力口工。
为了使非线性光学元件31发挥非线性作用，需要将输入光偏光。 在共振器内具有伴随偏光的部件的情况下，例如是激光介质和Nd: YVO、 Nd:YLF的情况下，即使没有特别放置偏光单元也能够进行偏 光振荡，因此只要放置非线性光学元件31即可。然而，在激光介质没 有伴随偏光的要素的情况下，在光路外需要设置偏振片等偏光单元。 这里所示的偏光单元的必要性，在本申请发明中放置非线性光学元件 的情况下都是共通的。
在将该基波的二次谐波成分用非线性光学元件进行波长变换而用 于加工的情况下，连续振荡成分也会混入基波中，进行波长变换的二 次谐波成分的大部分中只有得到高变换效率的Q开关元件的成分作为 二次谐波成分输出。即使在连续波成分不进行波长变换而与高次谐波 同轴发出，也能够由波长滤波器32去除高次谐波以外部分。因而，能 够完全去除连续成分。
通过非线性光学元件31,共振器内对Q开关元件6基波成分的振 荡抑制能的抑制负担能够大大緩解。这是由于，在以往使用基波的情Q开关元件的抑制能，因此要增大Q开关元件驱动的RF功率来抑制 连续振荡，或者是在连续成分输出后，如现有技术中说明的那样必须 要以AOM来进行去除。在前者的情况下，大多会产生如下不利的缺 陷为了加大Q开关驱动部9的RF电路的最大功率导致发热所引起 的可靠性下降、伴随高重复性的RF调制元件的负荷增大而对最高重 复率的限制、由于Q开关换能器的消耗功率增大引起的换能器衍射介 质接合部的剥离、超声波振动用换能器破损等。在后者的情况下，为 了设置具有分离Q开关元件成分和连续振荡成分的高衍射效率的 AOM， AOM换能器中需要高RF功率驱动，产生了与Q开关元件6 中的RF驱动器相关的设计制约，成为其缺陷。 实施例2
实施例2是在基波成分中连续输出成分与Q开关脉冲交互发生的 例子。使用图3的结构。图6中说明根据本实施例的动作。预先发生 激励用半导体激光振荡器46的输出，激发激光介质5，其间将Q开关 元件6的RF功率以重复脉冲速度降低到所需能量蓄积水平为止、能 够抑制程度为止、和具有低衍射能为止。将(b)的RF1设定为较低 水平。因而，当进行激励能量的蓄积时，激光克服Q开关元件6的抑 制而开始连续地振荡，如(f) QO所示地输出连续的低输出LP。接着， 在(d)tl-t2期间产生去激励DPLl而去激励，将蓄积的能量作为ASE 发出，高位能级的能量如(e) UL-N的UL-1中所示地消耗(UL-1)。 此外，去激励用激光的振荡指令与实施例1相同，是由图6(a)所示 触发信号发出。
在t2-t3期间从激励用半导体激光器再次照射激励光来激发激光 介质5,蓄积所需激励水平的能量(UL-2)。之后在t3停止Q开关元 件6的RF施加，引起Q开关脉沖振荡，发出Q开关脉沖33G( UL-3 )。 接着向Q开关元件6施加RF1功率，由激励用半导体激光器46对激 光介质5进行光激励，连续振荡成份LP进行振荡。之后按所需时序 t5-t6进行去激励激光照射，由激励用半导体激光器激励预定时间 (t6-t7)。接着重复使Q开关脉冲振荡。在该周期中即使产生连续输 出，由于非线性光学元件31中的变换效率与功率平方成比例，因此连
19续输出的变换效率与Q开关脉冲相比压倒性地低，因此以基波通过非
线性光学元件31,由波长滤波器32分离，由光束吸收体34变成热从 而能够删除。因而，向加工对象物只照射来自高次谐波成分的Q开关 脉沖的变换成分，从而进行加工。
去激励期间tl-t2、 t5-t6、以及t9-tl0还可设为零。在设为零的情 况下，能够省略去激励用激光，因此也可以从图3去掉去激励用激光 发信器41、控制信号线40、准直透镜42、偏光光束重叠器44以及激 光装置控制部50中与去激励用激光振荡器控制有关的功能。
向Q开关元件6施加RF功率时，将其设定为不能够完全抑制振 荡的水平，在使用抑制高位能级反转分布数的状态图6(g) UL，-N的 情况下，特别是将去激励时间tl-t2、 t5画t6、 t9隱tl0设为0的情况下的 动作在图6 (g) (h) (i)中示出。在这种情况下，具有从低重复到高 重复动作为止都能够稳定地以任意时间得到低峰值Q开关的特征。此 时，高位能级的能量由图6 (g)所示。与图6 (f)相当的振荡输出的 时间经历如图6 (h)所示。克服Q开关抑制能所引起的损失，从而连 续泄漏成分LP，振荡，继续到Q开关脉冲振荡指令时序t3、 t7、 tll之 前为止。因此，当RF功率关闭时，由RF功率施加中抑制的剩余增益 得到低峰值Q开关脉冲(h) Q，O的33G。通过将其用非线性光学元件 波长变换为高次谐波，得到二次谐波的Q开关输出(i )QSHG的33G，。 根据该方法，直到重复率高到不能产生泄漏振荡成分LP，为止，都能 够得到Q开关脉沖33G以及二次谐波输出33G，的恒定输出，因此得 到与脉冲重复率无关、与脉冲间隔无关的稳定的高次谐波Q开关脉冲。
实施例3
实施例3是不连接去激励用激光振荡器而使用非线性光学元件的 例子。图7示出该结构。与图l相同部分省略说明，但是在图7中， 添加非线性光学元件31,另外使用具有对于基波具有强反射率、对于 二次谐波具有高透光率的特性的输出镜7，。这种情况下的操作在图8 中示出。(a)示出激励激光功率。在此不是连续波，而是被调制过的。 (b)是触发信号。触发信号间隔tl-t2、 t2-t3、 t3-t4也可以是不恒定。 通过发出触发信号(该情况下是上升沿)，如(c)所示，向Q开关元件6施加振荡抑制信号RF1。由此向激光介质蓄积能量时，使RF1施 加时间设为恒定，因此即使触发信号间隔不恒定，蓄积在激光介质中 的能量也恒定。通过RF1施加的结束，如(d)所示，产生Q开关脉 冲33G,但是蓄积能量恒定，因此能够得到能量恒定的Q开关脉沖。 该脉冲直接或者由非线性光学元件31进行高次谐波变换，如(e)所 示地变成Q开关脉沖33G，，从而照射到加工物体20上，但是照射的 各脉沖能量保持恒定。由此，在本实施例中与触发信号对应，RF向Q 开关元件6施加恒定时间，因此使激光介质5的能量蓄积时间变得恒 定，因此有能够得到均匀的Q开关脉沖的效果。另外，激光晶体内产 生的热量变得恒定，因此能够将光束特性保持恒定。
本实施例中，通过激励激光功率的调制方法有在Q开关脉沖33G 之间产生连续波的情况。如前所述，由于非线性光学元件的非线性特 性，原来功率弱的连续波向高次谐波的变换效率非常低，因此从非线 性光学元件31发出的只有基波成分。基波被波长滤波器32分离，因 此不照射加工物体20。
实施例4
量恒定的例子。与图7的结构相同，其操作在图9中示出。如图9(a) 所示，激励激光功率连续动作。另外，如图9(c)所示，向Q开关元 件6施加用于在激光介质中蓄积能量的振荡抑制用RF信号。如图9 (b)所示，触发间隔tl-t2、 t2-t3、 t3-t4、 t4-t5是任意的。对以这种 任意时序发生的触发，通过触发脉冲的输入(在图9的情况下是下降 沿)，向振荡抑制用RF信号的强度施加一定时间的调制DRF1、 DRF2、 DRF3等。此时通过调制使得其调制量依赖于与前次触发的间隔(例 如对DRF4以及DRF5分别是t3-t4以及t4-t5 )、且触发间隔越长RF 信号强度减少量越小。当输入到Q开关元件6的RF信号强度变弱时， 如(d)所示，共振器的Q值上升。由此蓄积在激光介质5内的能量 释放，如(e)所示产生Q开关脉冲30G。但是，与脉沖发生时RF信 号通常变成零的其它实施例不同，当RF信号弱但不是零时，Q值上 升不充分。因此，当RF信号弱但不是零时，是在激光共振器内有一定程度损失的状态下振荡。此时，产生的Q开关脉冲能量是由激光介
质中的蓄积能量和共振器内的Q值决定的，因此当前者大时，如果通
过控制使后者小，则能够使产生脉沖能量恒定。即当离前次触发的间
隔长时，激光介质5内蓄积能量大，因此减小RF信号的调制度，减 小共振器内的Q值，加大损失来产生脉沖时，能够产生具有恒定能量 的Q开关脉沖。
为了产生恒定能量的Q开关脉冲，制作表示与触发时间间隔相应 的RF信号的调制量的表，通过附加到图7中的激光控制装置50中， 能够实施上述方法。从触发脉冲间隔通过对表的参照来读取所需调制 量，通过激光控制装置50的控制向Q开关元件6提供预定的RF调制 量即可。
此外，通过改变与触发时间间隔对应的提供给Q开关元件的RF 调制量的设定值，不仅是如本实施例所示设为恒定能量，而且还能够 向每个脉冲提供任意能量。
在本实施例中，除了能够使Q开关脉冲的能量恒定之外，只在当 输出激光时提高Q值，因此能够最大限度地利用激励功率，获得能量 利用效果高的效果。
图10中示出第二高次谐波(SHG)共振器的结构中与图3以及图 7所示不同的例子。在该图中，如图7的结构那样为没有去激励用激 光振荡器41的结构，但是当然也可以应用于图IO的二次谐波共振器 结构中的具有图3所示的去激励用激光振荡器41的结构。在使用非线 性光学元件31这一点上与图3或者图7相同。另外，还设置有端面镜 4，，其对基波和二次谐波具有全反射特性。在本结构中，基波通过在 非线性光学元件31中往复，具有提高变换效率的优点。
在以上实施例中，通过非线性光学元件从基波变换的波长除了设 为二次谐波之外还设为三次谐波、四次谐波或者五次谐波，可以理解 这一 点可以通过使用公知的波长变换技术来实现。
本发明与以往公开的基波波长中的输出中的连续振荡输出和Q开 关脉沖振荡混入的激光振荡方法不同，只将Q开关脉沖还能够由基波 或者高次谐波变换的输出来振荡，能够与脉沖重复周期无关地使各Q开关脉冲输出均匀化。因而，具有还能够实现不需要连续波振荡输出 去除装置的结构的优点。另外，通过变换为高次谐波，即使在基波中 存在连续成分，在变换效率的差异和波长滤波器作用下，也能够只使 用Q开关脉冲。在使用基波输出的情况和使用高次谐波输出的情况中 任意一种情况下，都以扫描加工对象物的情况下的相对高速扫描来照 射根据Q开关所产生的短脉冲，因此不引起根据连续成分的照射，因
此热影响也不产生。由于在高重复工作区域操作的Q开关驱动部的 RF电路输出功率的降低，还能够简化电路。
并且，示出对激光介质通过强反射镜以同轴激励的结构，但是激 光介质的激励也可以是在除此以外的公知的侧面激励的激光二极管层 叠激励、照射灯激励等中将本发明变形实施。
以掺杂Nd的结晶对激光介质进行了说明，通过使用沿轴向在芯 的周围设置多个孔并将中心部设为波导路径的具有一种激光活性物质 的光波导路径(多孔光纤)，将其作为激光介质，能够降低由激光介质
动带来的影响，还能够提高激光振荡模式的稳定性。
以上说明了几个本发明的实施例。可以理解，在不脱离权利要求 书所记载的发明技术思想的前提下，可以它们进行变更。
工业实用性
作为本发明的实施例，适用于半导体存储器硅晶片的电路元件切 割、电容、电阻、电感等的修整、LCD显示面板修正加工、PDP显示 装置的修正加工、电路基板的功能修整、以及其它半导体基板的激光 精密加工，通过加工宽度的微小化、和加工除去物的减少等来提高产 品合格率，从而能够降低电子部件的制造成本。
权利要求
1. 一种激光脉冲发生装置，其特征在于，所述装置包括激光介质，激光共振器，通过控制所述激光共振器的Q值对激光振荡进行抑制的Q开关元件，以及所述激光介质的去激励源；使所述去激励源操作第一预定时间以从激光介质释放蓄积能量的单元；通过向Q开关元件施加激光振荡抑制信号第二预定时间以在所述激光介质中蓄积预定能量的单元；和停止向所述Q开关元件发出激光振荡抑制信号以得到Q开关激光脉冲振荡输出的单元。
2. 根据权利要求1所述的激光脉冲发生装置，其特征在于，在Q 开关激光脉沖的光路中具有非线性光学元件。
3. 根据权利要求1所述的激光脉沖发生装置，其特征在于，所述 装置包括所述激光介质的激励源，所述放出蓄积能量的单元还包括降低所述激励源的激励强度、或 者停止或阻断激励的单元。
4. 根据权利要求1所述的激光脉冲发生装置，其特征在于，所述 蓄积能量的单元还包括将所述激光振荡抑制信号水平设定为不具有足 够振荡抑制能的水平的单元。
5. 根据权利要求4所述的激光脉冲发生装置，其特征在于，所述 释放蓄积能量的单元还包括将第一预定时间设定为零以上的单元。
6. 根据权利要求3、 4或者5所述的激光脉沖发生装置，其特征 在于，在Q开关激光脉沖的光路中具有非线性光学元件。
7. —种激光脉沖发生装置，其特征在于，所述装置包括 激光介质，激光共振器，以及通过控制所述激光共振器的Q值对激光振荡加以抑制的Q开关元件；通过将不具有足够振荡抑制能的水平的激光振荡抑制信号向所述 Q开关元件施加预定时间而在所述激光介质中蓄积预定能量的单元；和为了得到Q开关激光脉沖振荡输出而将向所述Q开关元件发出的 激光振荡抑制信号停止的单元。
8. 根据权利要求7所述的激光脉冲发生装置，其特征在于，在Q 开关激光脉沖的光路中具有非线性光学元件。
9. 一种激光脉冲发生装置，其特征在于，所述装置包括 激光介质，激光共振器，以及通过控制所述激光共振器的Q值而对激光振荡加以抑制的Q开关元件；向所述激光介质提供经过调制的激励信号的单元；通过将激光振荡抑制信号向所述Q开关元件施加预定时间而在所述激光介质中蓄积预定能量的单元；和为了得到Q开关激光脉沖振荡输出而将向所述Q开关元件发出的激光振荡抑制信号停止的单元。
10. 根据权利要求9所述的激光脉冲发生装置，其特征在于，在 Q开关激光脉冲的光路中具有非线性光学元件。
11. 一种激光脉冲发生装置，其特征在于，所述装置包括 激光介质，激光共振器，以及通过控制所述激光共振器的Q值来进行激光振荡抑制的Q开关元件；向所述Q开关元件施加激光振荡抑制信号从而在所述激光介质中 蓄积能量的单元；基于来自前次脉沖的发生间隔来调制激光振荡抑制信号的单元，从而以具有与来自前次脉冲的发生间隔相应的损失的状态得到Q开关 激光脉冲振荡输出。
12. 根据权利要求11所述的激光脉沖发生装置，其特征在于，在 Q开关激光脉冲的光路中具有非线性光学元件。
13. 根据权利要求1至12所述的激光脉冲发生装置，其特征在于， 所述去激励源是激光器，其去激励发光的波长在进行Ncr3离子激光振 荡基波以外的迁移的波长0.9pm、 l.lpm、 1.3fxm附近。
14. 根据权利要求1至12所述的激光脉沖发生装置，其特征在于， 所述去激光介质的激励源是半导体激光器，所述激光介质是Nd:YAG、 Nd:YV04、 Nd:YLF，所述去激励源是半导体激光器。
15. 根据权利要求1至12所述的激光脉冲发生装置，其特征在于， 所述激光介质是在形成光波导路径的芯的周边具有多个孔的掺杂激光 活性离子的多孔光纤。
16. 根据权利要求2、 6、 8、 10或者12所述的激光脉冲发生装置， 其特征在于，激光振荡的基波是来自Nd"离子的感应发射波长，基于 所述非线性光学元件的高次谐波是二次谐波、三次谐波、四次谐波或 者五次谐波。
17. —种激光加工装置，其特征在于，将来自权利要求1至16 所述的激光脉沖发生装置的脉沖输出照射到加工对象物。
18. 根据权利要求17所述的激光加工装置，其特征在于，所述激 光加工对象物是半导体基板上的连接线、电容、电阻、电感等电子器件。
19. 根据权利要求17所述的激光加工装置，其特征在于，所述加工对象物是液晶显示装置、电致发光显示装置、等离子显示装置等显 示装置。
20. —种激光脉冲发生方法，其特征在于，所述方法包括 设置激光介质、激光共振器、通过控制激光共振器的Q值来进行激光振荡抑制的Q开关元件以及激光介质的去激励源的步骤；使去激励源操作第 一 预定时间从而从激光介质放出蓄积能量的步骤；通过将激光振荡抑制信号向Q开关元件施加第二预定时间从而在 激光介质中蓄积预定能量的步骤；和停止向Q开关元件发出激光振荡抑制信号以得到Q开关激光脉冲振荡输出的步骤。
21. 根据权利要求20所述的激光脉沖发生方法，其特征在于，所 述方法还包括将Q开关激光脉沖变换为高次谐波而输出的步骤。
22. 根据权利要求20或者21所述的激光脉冲发生方法，其特征 在于，在放出所述蓄积能量的步骤中还包括降低对激光介质的激励强 度、或者停止或阻断激励。
23. 根据权利要求20或者21所述的激光脉沖发生方法，其特征 在于，在所述激光介质中蓄积预定能量的步骤中将激光振荡抑制信号 的水平设定为不具有足够的振荡抑制能的水平。
24. 根据权利要求23所述的激光脉沖发生方法，其特征在于，在 放出所述蓄积能量的步骤中第 一 预定时间是零以上。
25. —种激光脉冲发生方法，其特征在于，所述方法包括 设置激光介质，激光共振器，以及通过控制激光共振器的Q值来进行激光振荡抑制的Q开关元件的步骤；通过将不具有足够的振荡抑制能水平的激光振荡抑制信号向Q开 关元件施加预定时间而在激光介质中蓄积预定能量的步骤；停止向Q开关元件发出激光振荡抑制信号以得到Q开关激光脉冲振荡输出的步骤。
26. 根据权利要求25所述的激光脉沖发生方法，其特征在于，所 述方法还包括将Q开关激光脉冲变换为高次谐波而输出的步骤。
27. —种激光脉冲发生方法，其特征在于，所述方法包括 设置激光介质，激光共振器，以及通过控制激光共振器的Q值来进行激光振荡抑制的Q开关元件的步骤；向激光介质提供经过调制的激励信号的步骤；通过将激光振荡抑制信号向Q开关元件施加预定时间而在激光介 质中蓄积预定能量的步骤；停止向Q开关元件发出激光振荡抑制信号以得到Q开关激光脉沖 振荡输出的步骤。
28. 根据权利要求27所述的激光脉冲发生方法，其特征在于，所 述方法还包括将Q开关激光脉冲变换为高次谐波而输出的步骤。
29. —种激光脉冲发生方法，其特征在于，所述方法包括 设置激光介质，激光共振器，以及通过控制激光共振器的Q值来进行激光振荡抑制的Q开关元件的步骤；向Q开关元件施加激光振荡抑制信号从而在激光介质中蓄积能量 的步骤；基于来自前次脉冲的发生间隔来调制激光振荡抑制信号，从而以 冲振荡输出的步骤。6
30. 根据权利要求29所述的激光脉冲发生方法，其特征在于，所 述方法还包括将Q开关激光脉冲变换为高次谐波而输出的步骤。
31. —种激光加工方法，其特征在于，所述方法包括以权利要求 20至30所述的激光脉冲发生方法发生的激光脉冲照射到加工对象物 的步骤。
32. 根据权利要求31所述的激光加工方法，其特征在于，激光加 工对象物是半导体基板上的连接线、电容、电阻、电感等电子设备。
33. 根据权利要求31所述的激光加工方法，其特征在于，加工对 象物是液晶显示装置、电致发光显示装置、等离子显示装置等显示装置。
全文摘要
本发明提供一种稳定的激光加工装置，使固体激光器的脉冲输出稳定地照射加工对象物从而进行微细加工。该激光加工装置包括用于对设置于激光共振器内的Q开关元件(6)和激光介质(5)进行预先光激励的激励用激光振荡器(46)，和将激光介质内的高位能级的激励密度以非共振目的波长的激光波长照射预定时间从而降低高位能级密度和去激励的激光共振器(41)。在激光共振器内去激励后，将Q开关元件(6)设为激光共振阻断(关闭)状态，进行高位能级的光激励以使激光介质能量蓄积预定的时间。接着，将Q开关(6)切换为激光振荡(ON)状态，通过振荡输出Q开关脉冲，与Q开关脉冲振荡间隔无关地在每个脉冲中平均地将Q开关脉冲输出导入到加工对象物来进行精密加工。
文档编号H01S3/131GK101461105SQ20078002022
公开日2009年6月17日 申请日期2007年5月18日 优先权日2006年5月31日
发明者住吉哲实, 安藤哲生, 辻川晋 申请人:彩覇阳光株式会社