用于多脉冲激光加工的系统和方法

专利名称：用于多脉冲激光加工的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及激光加工系统，例如，如在美国专利No. 6559412; 5812569; 5998759; 6339604; 6727458;以及6541731中和 美国专利申请公才艮No. 2002/0167581所^>开的，其每一个都受让于本 发明的受让人，并且其每一个都通过引用其全部内容而并入于此。用 于集成电路的存储器修补的基于激光的显微机械加工，例如在John Ready所著的LIA Handbook of Laser Materials Processing, Laser Institute of America, Mongolia Publishing Co, ， Inc. ( 2001 ) , chapter 19中进行了/>开。
背景技术：
上述激光加工系统通常用于各种显微机械加工任务，例如，包括 熔固(blowing)集成电路的链路，以修补存储器装置。在这种激光加 工系统中，激光源生成定位并聚焦在工件上的脉冲以执行加工任务。 对于高速精确加工规则隔开的目标(如用于存储器修补的一维(ID) 或二维(2D)链路阵列)来说，将激光按大约对应于链路节距的脉冲 速率脉动，并且使用光学开关来选择脉冲以熔固仅选定的链路。因为 激光源按近乎恒定的速率来操作，所以脉冲能量保持一致，其对于加 工性能而言是希望的。脉冲可以在目标与激光脉冲相对运动期间生成。 常规激光加工系统(如上面所描述的那些)通常涉及利用不同激光源 的脉冲生成、脉冲选择，以及用于加工链路或类似显微结构的射束递送。
在激光源与聚焦透镜(例如，在激光腔外部)之间的光学路径中 所使用的、用于选择脉冲的一种类型的光学开关是声光调制器
(AOM)。这种类型的开关可以被用于衰减脉冲并且设置针对选定脉 冲的输出脉冲能量。该脉冲能量可以根据加工参数或根据针对射束对 准(beam alignment)的较低能量级来设置。
AOM的光学上升时间通常比电光调制器(EOM，普克耳斯盒
(Pockel Cell))慢。然而，使用容易继续使AOM成为有吸引力的 选择。尽管正在开发具有达几伏特的半波电压和纳秒级或更快上升的 集成电光开关，但对于多数显微机械加工应用来说，AOM仍是良好 确立的另选方案。
在包括存储器修补在内的一些显微机械加工应用中，可以按照一 组紧密相隔的脉沖的方式将多个脉沖递送至工件。适合的单个激光器
(例如，锁模激光器或半导体二极管)可以生成快速脉冲串。另选的 是，多个紧密相隔的脉冲可以利用组合两个或更多个激光源的输出的 系统来生成。
希望提供一组多个脉冲内的脉冲选择以加工和对准。然而，间歇 脉动通常可以造成不稳定的脉冲能量。每一个源都可以通过针对每一 个激光源的调制器来连续脉动并调制。然而，这不是优选的解决方案。 利用单个调制器的脉沖选择是希望的，但一组内小于大约100ns的紧
密间隔通常超出大多数声光调制器的限度。因此，对于一组紧密间隔 脉冲内的脉冲选择来说，存在利用单个调制器提供稳定激光操作的需 要。

发明内容
本发明总体上提供了针对与微结构相对地对准的撞击间隔来调 节激光脉冲定时，以使脉冲可以撞击微结构上的期望目标，或者不撞 击该孩t结构。
根据一实施方式，本发明提供了一种用于基于激光加工工件的稳定化系统。该系统包括一个或更多个激光源，以使生成多个激光脉冲， 这些脉冲中的至少 一些在时间上紧密相隔。该系统还包括光学开关， 该光学开关响应于一个或更多个控制信号来提供撞击间隔和非撞击间 隔，其中，在撞击间隔期间存在的激光脉冲被允许传播至工件位置。 该系统还包括被耦接至激光器和光学开关的控制器，以使得如果希望 有脉冲则允许脉冲传播至工件，或者如果不希望有脉冲则将脉沖时移 至非撞击间隔，该时移小到足以维持稳定操作，并且大到足以防止显 著能量撞击工件(作为光学开关的有限响应时间的结果)。
根据另一实施方式，本发明提供了一种基于激光加工工件的方 法。该方法包括提供一个或更多个激光源以生成多个激光脉冲的步骤， 这些脉冲中的至少一些在时间上紧密相隔。该方法还包括响应于一个 或更多个控制信号提供撞击间隔和非撞击间隔的步骤，其中，在撞击 间隔期间存在的激光脉沖被允许传播至工件位置。该方法还包括提供 被耦接至激光器和光学开关的控制器的步骤，以使得如果希望有脉冲 则允许脉冲传播至工件，或者如果不希望有脉冲则将脉冲时移至非撞 击间隔，该时移小到足以维持稳定操作，并且大到足以防止显著能量 撞击工件(作为光学开关的有限响应时间的结果)。


参照附图，可以进一步理解下面的描述，在附图中
图1示出了显示脉沖定时控制和定时AOM控制的示例性示意
图2A-2D示出了根据本发明一实施方式的系统中的AOM命令、 AOM响应、激光器触发以及一对脉冲的示例性图形；
图3A-3C示出了根据本发明另一实施方式的系统中的针对选择 的AOM命令的光学响应，和对应的激光脉冲組与选定脉冲组的示例 性图形；
图4A-4C示出了根据本发明另一实施方式的系统中的针对AOM 命令序列的光学响应，和对应的激光脉冲组与选定脉冲组的示例性图形；
图5A-5C示出了根据本发明另一实施方式的系统中的针对AOM 命令序列的光学响应，和对应的激光脉冲组与选定脉沖组的示例性图
形；
图6示出了显示双脉冲生成、脉冲定时以及脉冲组选择的示例性 示意图7示出了显示根据本发明另一实施方式的双脉冲生成、延迟脉 冲定时以及单脉冲选择的示例性示意图8示出了显示根据本发明另一实施方式的双脉冲生成、脉冲定 时以及脉沖选择的示例性示意图9示出了显示根据本发明另一实施方式的双脉冲生成、延迟脉 冲定时以及单脉冲选择的示例性示意图10A-10E示出了根据本发明另一实施方式的系统中的针对 AOM命令的光学响应，和对应的激光脉冲组与选定脉冲组的示例性 图形；以及
图11A-11C示出了根据本发明另一实施方式的系统中的针对另 一 AOM命令序列的光学响应，和对应的激光脉冲组与选定脉冲组的 示例性图形。
附图仅出于例示目的而示出。
具体实施例方式
本发明的一个目的是提供改进的用于激光加工多材料装置的方 法和系统。本发明的另一目的是提供稳定的激光源和从一组激光脉沖 中选择的多个激光脉冲。该组激光脉冲可以按有或没有定时调节的重 复速率来提供，其中，例如，该系统准许在操作期间调节激光器输出 定时，以提供脉冲选择。
在实现本发明的上述目的和其它目的方面，提供了用于激光加工 包括基板和至少一个微结构的多材料装置的系统和方法实施例。该加 工在利用激光加工系统的定位子系统所控制的单通操作中利用多个脉冲来发生。该定位子系统感应该装置与激光束腰之间的相对运动。在 相对运动期间，与目标位置有关的撞击间隔允许一个或更多个激光脉 冲撞击工件。该方法包括生成具有第一预定特征的第一脉冲的步骤， 和利用第一脉冲在撞击间隔期间照射目标的步骤，其中，与第一脉冲 相关联的第一束腰和该目标基本重合。该方法还包括生成具有第二预 定特征的第二脉冲的步骤。将第二脉沖相对于第一脉冲延迟预定时段。
该预定时段小到足以维持稳定操作，并且大到足以将延迟脉冲从撞击 间隔移动至相邻非撞击间隔以及阻止第二脉冲照射该目标。该加工干 净地去除所述至少一个微结构。该目标可以是对准目标或微结构。该 微结构可以是导电链路。
第一和第二脉冲可以独立触发，以使基于预定时段将第二脉冲相 对于第一脉冲延迟预定时段。在不同实施方式中，该预定时段可以根 据基板的热性质来确定，其中，在加工期间，与在利用第二脉冲照射 至少一个微结构的步骤期间该基板的温度相比，在预定时段之后，基
板温度基本上降低。该预定时段可以处于大约1纳秒至500纳秒的范 围中，而在其它实施方式中，该预定时段可以处于大约1纳秒至200 纳秒的范围中，并且在另一些实施方式中，该预定时段可以处于大约 30纳秒至60纳秒的范围中。生成的步骤可以包括提供具有多个激光 器的光学子系统，其中，对于光学子系统的触发脉冲之间的相对延迟 对应于该预定时段。
对于更长的延迟来说，例如，大于200纳秒，可以采用射束扫描 技术来减小或消除激光斑与目标位置之间的相对运动。相对运动根据 定位速度和定时延迟来确定，每秒钟200毫米的定位速度下的200纳 秒对应于40纳米的相对运动。
而且，在实现本发明的上述目的和其它目的方面， 一种用于激光 加工多材料装置的系统可以包括基板和至少一个微结构。该加工是在 利用感应该装置与激光束腰之间的相对运动的定位子系统所控制的单 通操作中利用多个脉沖来发生的。在相对运动期间，与目标位置有关 的撞击间隔允许一个或更多个激光脉沖撞击工件。该系统包括用于生成具有笫一预定特征的第一脉冲的装置，和用于利用第一脉冲在撞击 间隔期间照射目标的装置，其中，与第一脉冲相关联的第一束腰与至 少 一个目标基本重合。该系统还包括用于生成具有第二预定特征的第 二脉冲的装置。将第二脉冲相对于第一脉冲延迟预定时段。该预定时 段小到足以维持稳定操作，并且大到足以将延迟脉冲从撞击间隔移动 至相邻的非撞击间隔以及阻止第二脉冲照射该目标。该系统还包括用 于阻止利用第二脉冲照射至少一个微结构的装置，其中，该第二脉冲 从撞击间隔移动至相邻非撞击间隔，由此，阻止该第二脉冲照射至少 一个微结构。该加工干净地去除所述至少一个微结构。该目标可以是 对准目标，而该微结构可以是导电链路。
第一和第二脉冲可以独立触发，以使基于预定时段将第二脉冲相 对于第一脉冲延迟预定时段。该预定时段可以在加工期间根据基板的 热性质来确定，其中，与在利用第二脉沖照射至少一个^^结构期间该 基板的温度相比，在预定时段之后，基板温度基本上降低。该预定时
段可以处于大约1纳秒至500纳秒的范围中。在另一些实施方式中， 该预定时段可以大约为30纳秒至60纳秒。
用于生成第一和第二脉冲的装置可以包括具有多个激光器的光 学子系统，其中，对于光学子系统的触发脉冲之间的相对延迟对应于 该预定时段。
而且，在实现本发明的上述目的和其它目的方面，提供了一种利 用光学调制器来从一組激光脉冲中选择多个激光脉冲的方法。该方法 包括生成与第 一激光触发信号相对应的笫 一激光脉冲序列的步骤。该 方法还包括生成与第二激光触发信号相对应的第二激光脉冲序列的步 骤，其中，来自第一和第二序列的对应脉冲形成时间上紧密相隔的一 组脉冲。该方法包括通过光学调制器传播第一和第二激光脉冲序列的 步骤，该光学调制器被控制成选择性地允许一个或更多个脉冲仅在脉 冲撞击间隔期间撞击工件。该方法还包括如下步骤选择一脉冲组中 的一脉冲以通过利用AOM序列启动脉冲撞击间隔来撞击工件，和调 节至少一个触发信号的定时以生成该脉冲组中的至少一个被调节脉冲，以使该被调节脉冲从脉冲撞击间隔移动至相邻脉冲阻止间隔。
被调节脉冲可以是延迟脉沖，并且该延迟可以大于2微秒。在另 一实施方式中，该延迟可以大约为2微秒至3微秒。所述调节至少一 个触发信号的步骤可以涉及调节第一或第二触发信号，以选择根据相 应第一或第二激光脉冲序列生成的脉冲。该組脉冲可以包括两个或更 多个紧密相隔的脉冲，并且该脉冲间隔可以为lns至500 ns。
第一脉沖序列可以利用第一激光源生成，而第二脉沖序列可以利 用第二激光源生成。该调制器可以是声光调制器，声光偏转器，或电 光调制器。所述传播步骤可以包括组合第一射束和第二射束的步骤。 组合可以是利用射束组合光学器件的组合。该射束组合光学器件可以 是偏振敏感光学器件。组合射束可以是平行的或发散的。该方法可以 包括利用调制器控制每一个选定脉冲的能量的步骤。
而且，在实现本发明的上述目的和其它目的方面，还提供了一种 利用光学调制器从一组激光脉冲中选择多个激光脉冲的系统。该系统 设置为生成与第一激光触发信号相对应的第一激光脉冲序列，并且还 设置为生成与第二激光触发信号相对应的第二激光脉冲序列，其中， 来自第 一和第二序列的对应脉冲形成时间上紧密相隔的 一组脉沖。该 系统还设置为通过光学调制器传播第一和第二激光脉冲序列，该光学 调制器被控制成选择性地允许一个或更多个脉冲仅在脉沖撞击间隔期 间撞击工件。该系统还设置为选择一组脉冲中的一个脉沖以通过利用 AOM序列启动脉冲撞击间隔来撞击工件，和调节至少一个触发信号 的定时以生成该脉冲组中的至少一个被调节脉冲，以使该被调节脉冲 从脉沖撞击间隔移动至相邻脉冲阻止间隔。
被调节脉冲可以是延迟脉冲，并且该延迟可以大于2微秒。在另 一实施方式中，该延迟可以大约为2^t秒至3樣吏秒。所述调节至少一 个触发信号可以涉及调节第一或第二触发信号，以选择根据相应第一 或笫二激光脉冲序列生成的脉沖。该组脉沖可以包括两个或更多个紧 密相隔的脉冲，并且该脉冲间隔可以为lns至500 ns。在另一实施方 式中，该脉冲间隔可达200 ns。第 一脉冲序列可以利用第 一激光源生成，而第二脉冲序列可以利 用第二激光源生成。该调制器可以是声光调制器，声光偏转器，或电 光调制器。所述传播第一和第二激光脉沖序列可以包括例如利用射束 组合光学器件组合第 一射束和第二射束。该射束组合光学器件可以是 偏振敏感光学器件。组合射束可以是平行的或发散的。该系统还可设 置为利用调制器控制每一个选定脉冲的能量。
而且，在实现本发明的上述目的和其它目的方面，提供了一种稳 定对准的多脉冲激光加工系统中的激光源的方法。该方法包括生成某 一脉冲重复率下的第一激光脉冲序列的步骤。该方法还包括通过根据
AOM命令序列来控制的光学调制器传播第一激光脉沖序列，以允许 一个或更多个脉沖在脉冲撞击间隔期间撞击工件的步骤。该方法还包 括按对应脉冲撞击间隔将来自第一脉冲序列的选定脉冲撞击到工件上 的步骤。该方法还包括通过相对于对应脉冲撞击间隔调节脉冲定时以 将第 一脉冲序列从对应脉冲撞击间隔移动至相邻脉冲阻止间隔来延迟 第一激光脉冲序列，由此阻止第一脉冲序列的步骤，其中，所述生成 步骤大致连续并且激光源稳定。
该方法还可以包括生成第二激光脉冲序列的步骤，其中，第二序 列中的每一个脉冲都对应于笫一激光脉冲序列中的一个脉沖，和通过 光学调制器传播第二激光脉冲序列以在至少一个脉冲选择时间间隔期 间撞击工件的步骤。
在本发明的一实施方式中，脉冲从两个商业可获调q激光源生 成，并然后组合以提供激光脉冲序列。具体来说，激光源生成绿光输 出波长(例如，大约0.5 pm到大约0.6 jim )，并且可以包括任何必需 的波长移位器(如倍频器)，以将原始的红外射束转换成绿光。
参照图1，根据本发明一实施方式的系统10包括控制器12 (如 由GSI Group Corporation of Billerica， Massachusetts销售的M455 型存储器修补系统控制器)，其提供两个激光触发信号14和16以及 调制器控制信号18。该激光触发信号14和16通过触发延迟单元20 并接着分別耦合至激光源22和24 (例如，两个商业可获的二极管泵浦固态绿光调q激光源，如CrystaLaser of Reno, Nevada制造的 QG532-300-YV型激光器)。另选的是，控制器可以包括触发延迟能 力并且输出可独立编程的触发信号。接着，将两个可独立编程的激光 输出组合并且提供给诸如AOM的调制器26。调制器26接收在响应 于AOM点火序列18的AOM命令序列30中的RF控制信号。将激 光输出按设置成紧密相隔的成对脉冲(来自每一个激光器的脉冲)的 方式组合。对于每一对脉冲来说，调制器26发送要引导到工件表面的 来自每一个激光器的任一脉冲(脉冲对)，该脉冲对中的仅一个脉冲
或没有来自该脉沖对中的脉冲作为脉冲序列32的一部分。
RF调制器驱动信号(例如，具有如图2A中60处所示的6 ns宽 度)生成如图2B所示的对应AOM光学响应62。可以将撞击间隔64 定义为AOM响应62的一部分。间隔64可以包括实际AOM光学响 应62的均匀部分。在这个撞击间隔64期间，例如在图2C中的66处， 示出激光器被触发，而图2D示出了在撞击间隔64中出现(在形成延 迟的特征脉冲之后)的两个脉冲68。
声光偏转器的(有限)上升时间取决于AOM孔径尺寸和声速。 典型上升/下降时间可以为数千纳秒(tens of hundreds or nanoseconds),撞击间隔的宽度可以根据合适脉冲特征来确定。例如， 工件处的脉冲与脉冲能量均匀性可以是典型脉冲规范。如果可接受10 %的能量变化，则撞击间隔可以比在要求1 %脉冲-脉沖均匀性的情况 下的撞击间隔更宽。
图3A-3C示出了根据本发明另一实施方式的脉沖定时和调制系 统，其中，调制控制信号按希望时刻提供选择性调制(而非重复的调 制信号)，以选择性地准许在撞击间隔134期间从多組激光脉冲132 中输出脉冲130。在这个实施例中，调制器通过激活第一顺序响应(接 通常闭AOM)或者通过去激活第一顺序响应(断开常开AOM)而生 成响应，以使仅在需要时提供撞击间隔。
图4A-4C示出了根据本发明另一实施方式的脉冲定时和调制系 统，其中，调制控制信号提供调制序列，该调制序列在与多组脉沖142对准的撞击间隔144期间从该多组激光脉冲142中发送输出脉冲140。 在这个实施例中，调制重复率恒定，并且将组144的相位提前移位一 定时，以选择用于输出的脉冲140。
图5A-5C示出了根据本发明另一实施方式的脉沖定时和调制系 统，其中，调制控制信号提供包括非撞击间隔154在内的调制序列， 以选择性地阻止脉冲组156。将脉冲组152时移以在撞击间隔154期 间出现，然而，154处的调制器输出被抑制，以阻止脉冲组156，但撞 击间隔154处的脉冲组152被发送到输出150。被阻止组156与输出 150之间的时段可以被设置成，稳定输出150的能量，例如，设置成 包括间隔154和154，在内的、调制序列的基本周期。在这个实施方式 中，调制控制信号没有被设置为严格重复的信号，而相反是不规则的， 以提供改进的输出稳定性。具体来说，如156处所示，即使这些脉冲 处于假设重复调制信号而成为撞击间隔的时段内，也因为在那时没有 触发调制信号并且输出脉冲组150被生成为具有标准脉冲组间隔而没 有提供输出。
图6示出了组合来自两个激光源的脉冲以及选择用于脉冲序列 32的两个脉冲的处理的例示图。两个激光器的脉动按70 kHz的标称 脉冲速率近乎连续，并且响应于独立的激光触发信号34和36而生成 两个独立且稳定的激光脉冲序列。如在40和42处所示，这些脉冲可 以在时间上隔开零到500 ns。利用偏振型射束组合器44将这些独立脉 冲序列组合，以形成组合激光脉冲序列46，该组合激光脉冲序列46 包括多组(例如，多对)紧密相隔的脉冲。撞击间隔48准许两个脉冲 通过系统输出，如50处所示。
脉冲间隔T(即，每一个脉冲組中的脉冲之间的时段)根据对应 触发信号34与36之间的相对延迟来控制。该延迟可以设置成从零直 到标称脉冲重复率的周期或者直到大约14微秒。对于典型双脉冲加工 来说，该延迟被设置成从零(脉冲之间100 %时间交叠)到大约500 纳秒，并且通常小于大约l微秒。在另一实施方式中，脉冲间隔可以 更大但脉冲间隔受非撞击间隔的长度约束。调制器26例如可以是声光调制器，如West Melbourne, Florida 的NEOS Technologies, Inc.制造的低热漂移型N23080-3-.532-LTD。
声光调制器位于射束组合器与聚焦透镜之间。该调制器根据来自系统 控制器12的可编程定时信号18操作，该系统控制器12启动控制(例 如，选通)对到调制器的RF驱动信号的调制的AOM点火序列。在 撞击间隔48期间(其出现在如下所述的AOM光学响应的窗口的上升 沿与下降沿之间)，可以将一个或更多个脉冲朝向工件引导。因此， 将预定频率下的RF信号施加给AOM。在非撞击间隔期间不施加预定 频率下的RF信号。将撞击间隔定时成与目标的位置相对应，并且在 撞击间隔期间，可以将一个或更多个脉冲从激光器传播至工件。在非 撞击间隔期间，脉冲不能从任一激光源传播至工件。激光脉冲可以被 生成为更靠近AOM光学响应的窗口的下降沿，如图6所示。
下面，参照图7，根据本发明的另一实施方式，可以与撞击间隔 相对地控制脉冲定时，并且可以具体地调节脉冲定时，以使至少一个 被调节脉冲70移动(时移)到撞击间隔48'外侧，并且移动到相邻非 撞击间隔中。这样，选定脉沖沿光轴传播至工件上的对应目标，而未 选定脉冲被阻止。与图2所示实施方式类似的是，图4的定时系统还 包括两个激光器22'和24',它们响应于延迟调节的激光触发信号34' 和36，生成两个独立且稳定的激光脉冲序列。如在40'和42'处所示， 这些脉冲时间上隔开T + dda (大约2 jis至3 ns)。利用偏振型射束 组合器44'将这些独立脉冲序列组合，以形成组合的激光脉冲序列46'。 撞击间隔48'发送要通过系统输出的一个脉冲，如50'处所示。
针对每一个非希望脉冲的延迟小到足以通过维持近乎连续的激
光操作而维持稳定激光操作，并且还大到足以通过将非选定脉冲移动
到相邻阻止间隔中而阻止该脉冲照射工件。具体来说，将非希望脉冲
延迟少量时间(dela)，典型为大约2 ns至3 ns，由此，防止任:何不
希望能量撞击可能造成破坏的工件。
在其中将两个紧密相隔的脉冲用于加工的优选单通加工实施方
式中，紧密相隔的第二脉冲的脉冲能量被减小，以去除在第一脉冲之后剩余的任何不想要的材料，同时最小化对基板的破坏。这里，使用 紧密相隔的多组脉冲，以实现单通、双脉冲加工，由此，通过避免二 次通过以及伴随而来的加工时间增加和系统吞吐量降低来维持高的单 通加工速度和系统吞吐量。
第二脉冲的能量可以是任何降低的值，优选地，第二脉冲处于第
一脉冲的30 %与60 %之间。例如，通过人工或自动旋转在偏振射束 组合器之前的一个或两个射束的线性射束偏振，从而在声光调制器之 前设置相对脉冲能量。
这种单通技术相当适于改进绿激光频率存储器修补加工中的产 率，并且与红外光(IR)加工相比，对于绿激光频率加工来说，产率 改进增益显著。例如，双脉冲绿激光频率系统可以将产率从96 %增加 到99 %，而双脉冲IR频率系统可以将产率从99.6 %增加到99.8 %。
因此，常规地讲，除了针对每一个激光源的独立调制器以外，还 利用单个调制器来实现从利用多个激光源的一组脉冲中的脉冲选择。
脉冲的能量也可以被控制。单个调制器与目标定位同步运行，以使撞 击间隔允许脉冲照射选定目标。目标定位通过利用诸如M455的精细 定位级的精确定位系统与聚焦的激光斑相对地移动目标来完成。
在本发明的实施方式中，可以生成多组脉冲并且按不同方式用于 激光加工。例如，美国专利申请公报No. 2002/0167581 (此后，称为 Cordingley'581公开申请)，该公开通过引用并入于此，至少部分地 在其116-126、 193-202以及210段落处公开了用于多脉沖加工加工的 方法和系统。可以将选定脉冲同时或者按快速顺序递送至单个目标， 或多个目标，同时按近乎恒定速率和功率电平来维持稳定的激光脉冲 能量并且脉动每一个激光源。
可以生成具有任何希望预定脉冲形状、脉冲宽度、脉冲能量、峰 值脉冲功率以及时间间隔的脉冲。宽度、峰值强度以及形状可控的多
个脉冲例如可以通过控制调制器而从连续激光束生成，如在2007年5 月18日提交的未决美国临时专利申请No. 60/938967中所公开的，该 申请的公开内容通过引用并入于此，该申请部分地公开了可以在10到1000 ns时段上通过调制器输出多个脉沖串，所述时段是从在动态 (on-the-fly )链路切断加工期间的大致连续种子激光划出的。
根据本发明的具体实施方式
，可以将单个触发和可编程电子延迟 用作针对多个触发的另选，以按不同时刻触发每一个激光器，来设置 组中的多个脉冲的间隔，举例来说，如Cordingley'581公开申请的图 15a所示。当使用电子延迟时，可以将固定值编程并且加载到激光器 控制硬件中。
在一个实施例中，利用延迟脉冲脉冲-拣选(pulse-picking)选择 希望脉冲作为单个脉冲而将双脉冲系统快速切换成单脉冲系统，并且 同时维持稳定的激光操作。单个脉沖例如可以从一个激光器生成，或 利用两个激光器的组合输出生成。
合适的激光器系统包括固态调q激光器、光纤激光器、以高速半 导体激光二极管种子化并且利用光纤放大器放大的MOPA (主控振荡 器功率放大器)配置、锁模激光器，及它们的组合。这些激光器可以 生成纳秒、皮秒或飞秒输出。
在至少一个实施方式中，多组脉沖可以利用直接调制、高速半导 体激光二极管生成并延迟，接着利用至少一个光纤放大器(MOPA配 置)放大。接着，将放大器输出传播通过AOM。根据另一些实施方 式，本发明的系统和方法还可以采用各种基于光纤的MOPA配置。
根据本发明的另一些实施方式，激光脉冲相对于同步化的撞击间 隔的时移可以被用于例如在单个激光源生成一组脉冲时从一组脉冲中 选择预定数量的脉冲。随着脉沖组的延迟改变，从该组选择不同l^冲。 一般来说，对于脉冲组的能量来说，希望基本保持恒定，以使激光源 输出保持稳定。然而，脉冲组内的脉沖可以具有改变的性质；并且脉 冲的时移可以被用于选择一组脉冲中的具有不同特征的脉冲，同时整 个组的能量保持大致恒定。例如， 一组脉冲可以包括具有不同脉冲宽 度、不同脉冲形状或不同脉冲能量的脉沖。这种类型的脉沖性质选择 可以被用于选择脉冲组的低能量部分，例如，针对低能量对准脉冲。 脉冲能量可以在不需要改变时移的情况下，从撞击间隔内的脉冲传递至撞击间隔之外的脉冲，以改变脉冲能量特征，同时维持脉冲组的大 致恒定能量。
在一些激光源中，可以存在为设立并校准脉冲特征中的变化所需 的显著时间。不用改变脉冲组内的脉冲特征，具有改变特征的多个脉 冲可以被包括在单个脉冲组中。组的时移可以被用于允许快速选择激 光加工操作中的脉沖特征。例如，如果两个脉冲类型要^t用于单个加 工运行，则可以将时移用于选择具有两个脉沖的组中的一部分，以根 据加工需要快速设置恰当的脉冲宽度和/或脉冲能量或脉沖形状。在这 种采用单个激光源的情况下，在选择一组中的一个脉冲时，在选定脉 冲的撞击时段之前或者之后的非撞击间时段期间阻止未选定脉冲。
图8示出了根据本发明另一实施方式的脉冲定时系统，其包括用 于提供两个脉冲的一个激光源80，和调制器82。脉冲84可以隔开大 约0到100ns的时段，并且撞击间隔86(例如，窗口)可以发送两个 脉冲的输出，如88处所示。
如图9所示，根据本发明的另一实施方式，可以调节脉冲定时， 以使至少一个经调节脉冲卯移动(时移)到撞击间隔86，之外，并移 动到相邻非撞击间隔中，除了使用一个激光源80'来生成两个脉冲84' 以外，其余与图7所示系统类似。这样，选定脉冲沿光轴传播到工件 上的对应目标，而未选定脉冲被阻止。与图8的实施方式类似的是， 图9的定时系统还包括提供撞击间隔86，的调制器82'。脉冲可以在时 间上隔开T+delta (大约2 p至3 ns )。撞击间隔86'仅发送要通过系 统输出的一个脉冲，而未选定脉冲90被阻止，如88'处所示。
可以利用脉冲组的不同部分选择的脉冲特征包括脉冲能量、脉冲 形状以及脉冲宽度。脉冲能量应被理解为时间间隔期间发射的能量。
例如，全宽度半最大值、峰值的10 %等。术语脉冲形状是指脉冲的时 间轮廓，其可以按功率与时间的曲线图来绘制。例如，脉冲形状可以 包括高斯形、方形、尖峰形、弯曲形、波紋形、锯齿形，或其它波形。 优选的是，采用外部调制、光纤放大的cw种子激光器以响应于控制信号而生成可变脉冲形状。
在另选实施方式中，可能有利的是，向激光源提供高速接口，以
允许更快速设置激光参数。例如，RS-232串行接口可以用IEEE 1394 或其它标准高速接口替换。当脉冲组的参数可以被设置得足够快时， 例如，在10微秒内或更快，则脉沖形状的动态配置可以用于与100 kHz 重复率的撞击间隔相对应的典型加工速率。应当明白，为针对动态加 工设置激光器所需的精确时段取决于加工速率。更快或更慢的速率分 别需要更快或更慢的激光脉冲参数设置。即使参数可以不改变得足够 快以致针对每一个撞击间隔进行设置，高速设置也可以通过针对加工 运行的不同部分设置脉冲参数而有益于整体吞吐量。这些部分可以包 括要加工的不同目标组或不同目标类型，如对准目标和加工目标。
根据本发明的具体实施方式
，可以使用具有三个脉沖的脉冲组， 从而可以选择要处于撞击间隔内的三个、两个、 一个脉沖或者没有脉 冲，如图10A-10C所示。如图IOA所示，调制器响应160的撞击间隔 W被同步化至具有时段P^ P2、 P3的重复序列，如对应微结构位置所
示，并且使用针对脉冲组的不同相应时移tp t2、 t3以及t4，来从在撞
击间隔中出现的组162、 164、 166以及168 (如图10B所示)中选择
多个脉冲。
一般来说，时段Pp Pz以及P3在加工规则隔开的微结构
組时全部具有相同长度，但在其它实施方式中，例如，当要加工的微 结构的间隔或定时不规则时，这些时段可以不恒定。可以将该移位施 加至整个脉沖组或施加至该组内的脉冲子集，以提供具有三个、两个、 一个脉冲或没有脉沖的输出组，如图10C中分别在172、 174、 176以 及178处所示。因此，该系统简单选择恰当的时移用于将提供希望输 出的撞击间隔序列。
图10D和10E示出，如果脉沖组每一个都包括具有与脉冲组182 中的其它脉沖不同的脉冲形状的一个或更多个脉沖180，则撞击间隔 可以导致一种类型的一个脉冲或多个脉冲184撞击工件，或者可以导 致另一类型的脉沖186撞击工件。
时移脉沖的实施方式可以与多个射束加工一起使用。当使用单一源或多个源组合的射束时，可以采用时移脉冲来选择来自特定射束源 的脉冲。当将单个源分束时，通常通过光学延迟，优选为可变光学延 迟，将时移施加至至少一个射束。可以使用光学延迟和触发延迟或多 个光学延迟的组合，以选择来自任一射束的脉冲。常规地讲，利用多 个源，可以z使用多个触发延迟。
一般来说，可以釆用对于多个射束的时移来在不限于脉冲性质的 射束性质之间切换。例如，激光源、射束路径以及射束路径中的光学
部件中的差别可以赋予不同的射束性质；从而可以将时移用于有效地 切换射束并选择射束性质。
组合的射束路径可以是发散的，以使形成彼此相对偏移的激光 斑。它们可以沿斑的与链路相对的行进方向偏移并且处于一排链路中 的不同目标链路上；例如，偏移至沿一排链路的相邻或不相邻链路。 同样，激光斑可以沿与行进方向垂直的方向偏移，单独或组合地，沿 针对不同排链路中的、可以沿斑的与链路相对的行进方向垂直对准、 偏移或交错的链路的行进方向偏移。利用时移，可以将一个或更多个 组合射束的脉冲移位至撞击窗口之外，以利用单个AOM从多个射束 中选择用于撞击的工作脉冲，同时维持稳定的激光操作。
利用单一 AOM或具有多个源的声光偏转器可以消除与多个声光 装置相关联的差分漂移。利用单个装置，漂移基本上为普通模式，并 且可以改进射束与射束的定向准确度，并降低多射束校准需求。
图11A-11C示出了根据本发明另一实施方式的脉冲时移和调制 系统，其中，调制控制信号还提供了不规则的调制信号，其选择性地 阻止脉冲组192，并且在与脉沖192对准的撞击间隔194期间发送激 光脉冲组192中的输出脉冲190。如196处所示，某种调制振幅控制 信号可以按较高能量级设置，以偏移将随不出现调制的194'处的撞击 间隔出现的受抑制能量，以便于管理调制器中的温度波动。如上所述， 被阻止组192'与输出l卯之间的时段被设置成稳定输出190的能量。
根据本发明的另 一些实施方式，可以使用偏振或非偏振射束组合 技术，以将不同激光源的输出组合成一组紧密相隔的脉沖，举例来说，如在Cordingley ，581公开申请的193-203段落中所公开的，该申请的 公开内容通过引用被并入。
还可以采用用于将一个或更多个激光脉冲递送至一个或更多个 目标的许多另选例(使用EO调制器以快速切换射束路径)，举例来 说，如在美国专利No. 6541731 (称为Mead'731专利)中所乂>开的， 其公开内容通过引用并入于此。Mead '731专利的装置l吏用两个或更 多个激光器系统以获得加工参数灵活性。利用将射束组合成单个或多 个加工射束的分束器将组合来自独立控制的激光器系统的输出射束。 可以通过使用多个EO调制器和一个偏振敏感分束器来进一步增强该 系统的操作灵活性。Mead '731专利的图9是利用独立操作以获得希 望输出特征的三个激光器系统的系统的例示图；Mead '731专利的图 IO是该发明的另选实施方式的例示图，其中，来自两个独立激光器系 统的输出利用偏振分束器组合；而Mead '731专利的图ll是该发明的 利用EO调制器的另选实施方式的例示图。
同样还可以采用如在此公开的用于利用选定波长和脉冲拣选进
行激光加工的方法和系统。例如，可以采用具有不同操作波长的不同 激光源，并且这些激光源可以是红外光源、可见光源或紫外光源，并 且波长可以为1.32拜、1.064拜、1.047拜、0.532 ,、 0.351阿、 0.266 nm或其它可用激光线、移位激光线，或频率倍增激光线。
针对存储器修补的加工特征可以随波长而显著改变，举例来说， 如在美国专利No. 6559412 (其公开内容通过引用并入于此)中和 Cordingley '581公开申请的至少149-156段落中所公开的。硅基板在 IR波长下可透射，并且通常对破坏不敏感。然而，对于可见光和紫外 光波长来说，硅具有显著吸收率，从而使用低能量脉冲以避免破坏基 板。低能量可见光和UV加工的一个结果可能是因不完全去除材料而 导致的产率降低。
在本发明的一实施方式的一个应用中，如果两个激光稳定并且一 个被选择用于对准而另一个通过将脉冲选择性地时移到撞击窗口外而 被有效地阻止，则可以获得比大约0.18孩吏米更好的系统对准。可以在稳定激光之间快速切换，而不需要过多的置位(settling)时间。在这 个实施方式中，可以利用公知的单独施加至每一个射束的边缘扫描技 术来实现对准，举例来说，如Cordingley'581公开申请的图10、 14a 以及14b所示，并且举例来说，如在1998年由General Scanning, Inc. 公布的、Don Smart和John Edwards等人的 "Link Processing with Lasers"的16-20页中所公开的，其全部公开内容通过引用并入于此。 而且，对于重合或偏移脉冲来说，对准工件以及脉冲的相对空间对准 都是关键的。在激光加工领域中已知的各种对准方案都可以被用于多 脉冲加工中，举例来说，如Cordingley'581公开申请的129-131以及 177段落所公开的。
在又一实施方式中，两个触发信号可以同时延迟以阻止两个射 束。这个技术例如可以被用于检测在对准或校准例程中的背景能量。 当延迟两个触发时，调制器还可以利用规则隔开的撞击间隔提供更均 匀的热负荷，从而以热方式稳定化。
可以使用不同类型的光学调制器，如声光调制器和电光调制器。 一般来说，对于按直达大约100 kHz的速率脉冲拣选单个脉冲或一组 脉冲来说，声光调制器是优选的，然而，本发明可以利用具有撞击间 隔和阻止间隔的任何调制器来实践。可以将声光偏转器用作调制器， 或者除了调制器以外还可以使用声光偏转器。
选定脉沖通常利用单个物镜聚焦为工件上的光斑。可以将多个脉 冲引导通过多个光学路径至多个透镜。
本领域技术人员应当懂得，在不脱离本发明的精神和范围的情况 下，可以对上述公开的实施方式进行许多修改和变型。
权利要求
1、一种基于激光加工沿着连续运动轨线的工件的方法，所述方法包括以下步骤响应于可变定时信号生成时间上紧密相隔的至少两个激光脉冲；利用根据由脉冲撞击间隔和非撞击间隔构成的命令序列来控制的光学调制器，在与工件目标相对应的所述连续运动轨线期间选择所述紧密相隔的脉冲中的至少两个脉冲，以允许每一个选定脉冲在脉冲撞击间隔期间撞击所述工件目标；改变所述可变定时信号，以改变所述紧密相隔的脉冲的间隔，其中，至少一个脉冲时间从撞击间隔移位到相邻非撞击间隔，以及利用所述光学调制器在非撞击间隔期间阻止所述至少一个移位脉冲撞击所述工件；其中，所述可变定时信号足够连续，以维持稳定的激光操作。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤将选定的所述至少两个激光脉冲聚焦在所述工件上；和 相对于聚焦的所述至少两个激光脉冲，精确定位多材料器件的至 少一个微结构。
3、 一种加工包括基板和至少一个微结构的多材料器件的方法， 其中，加工是沿着相对轨线在单通操作中利用多个脉冲而发生的，并 且是利用加工系统的定位子系统来控制，所述方法包括以下步骤感应所述多材料器件与激光束腰之间的相对运动； 在允许一个或更多个激光脉冲撞击目标位置处的工件的相对运动期间，开始与目标位置有关的撞击间隔；在与所述相对轨线中的所述目标位置相对应的时刻生成第一激光脉冲；利用所述第一激光脉冲在所述撞击间隔期间照射所述目标；在与所述撞击间隔相邻的非撞击间隔期间，在相对于所述第 一 脉冲延迟的时刻生成第二激光脉冲；以及 阻止所述第二脉冲照射所述目标；其中，与所述第一脉冲相关联的第一束腰和所述目标基本重合， 并且其中，所述延迟为相对于所述第一脉冲的预定时段，该延迟小到 足以维持稳定的激光操作，并且大到足以将延迟的脉冲从所述撞击间 隔移动至所述相邻非撞击间隔。
4、 根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一脉冲和所述第 二脉冲被独立触发。
5、 根据权利要求3所述的方法，其中，所述预定时段根据所述 多材料器件的热性质来确定。
6、 根据权利要求3所述的方法，其中，所述预定时段处于大约l 纳秒至500纳秒的范围中。
7、 根据权利要求3所述的方法，其中，所述生成第一激光脉冲 的步骤包括利用第一激光器生成所述第一激光脉冲，并且其中，所述 生成第二激光脉冲的步骤包括利用第二激光器生成所述第二激光脉 冲，并且其中，脉冲之间的相对延迟对应于所述预定时段。
8、 一种利用光学调制器从一组激光脉沖中选择多个激光脉冲的 方法，所述方法包括以下步骤生成与激光定时信号相对应的一组激光脉沖，该组激光脉冲中的 第一部分与相对于激光脉冲移动的工件目标相对应，而所述组激光脉冲中的第二部分对应于与和所述组激光脉冲的所述第 一部分相关联的撞击间隔相邻的非撞击间隔；根据由撞击间隔和非撞击间隔构成的命令序列来控制光学调制器；利用所述光学调制器来选择所述组激光脉冲中的所述第一部分， 以允许每一个选定^"冲在^"冲撞击间隔期间撞击所述工件目标；以及 阻止所述组激光脉冲中的所述第二部分撞击所述工件。
9、 根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括调节所述激光 定时信号以生成相对于所述工件的一组调节脉冲，其中，调节所述激光定时信号的步骤将一个移位脉冲从所述组激光脉冲中的所述第二部 分移动至所述组激光脉冲中的所述第一部分，由此，所述移位脉冲在 撞击间隔期间被选择。
10、 根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括调节所述激光 定时信号以生成相对于所述工件的一组调节脉冲，其中，所述调节所 述激光定时信号的步骤将一个移位脉冲从所述组激光脉冲中的所述第 一部分移动至所述组激光脉冲中的所述第二部分，由此，所述移位脉 冲被阻止撞击所述工件。
11、 根据权利要求8所述的方法，其中，所述生成所述组激光脉 冲的步骤包括生成具有不同脉冲性质的一组脉沖，并且其中，选定脉 冲具有根据所述激光定时信号的期望脉冲性质。
12、 根据权利要求8所述的方法，其中，所述选择所述组激光脉 冲中的所述第一部分的步骤从所述组激光脉冲中选择期望数量的脉冲。
13、 根据权利要求8所述的方法，其中，所述生成所述组激光脉 冲的步骤包括生成与第一激光触发信号相对应的第一激光脉冲序列、 生成与第二激光触发信号相对应的第二激光脉冲序列，以及向所述光 学调制器传播所述第一激光脉冲序列和所述第二激光脉冲序列；并且 其中，所述方法还包括根据期望脉冲选择来调节至少一个触发信号的 定时，其中，来自所述第 一序列和所述第二序列的对应脉沖形成时间上 紧密相隔的一組脉冲，并且脉冲间隔处于大约1 ns至500 ns的范围中。
14、 根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一脉冲序列是 利用第 一激光源生成的，而所述第二脉冲序列是利用第二激光源生成 的。
15、 一种稳定对准的多脉冲激光加工系统中的激光脉冲序列的方 法，所述方法包括以下步骤生成第一激光脉冲序列，其中，所述第一序列中的第一部分中的 脉冲在与工件的目标的位置相对应的时刻生成，所述工件沿着连续加工轨线相对于所述激光脉冲移动；利用根据由撞击间隔和非撞击间隔构成的命令序列来控制的光 学调制器，选择所述第一序列中的一个或更多个脉冲，以允许每一个选定脉冲在脉冲撞击间隔期间撞击工件目标；以及相对于所述工件调节所述第一激光脉沖序列的第二部分的脉沖 定时，其中，所述第一序列的所述第二部分中的脉冲在与和撞击间隔 相邻的非撞击间隔相对应的时刻生成，由此阻止所述第一脉冲序列的脉冲撞击所述工件；其中，所述生成步骤和所述调节步骤保持大致连续且稳定的第一 脉沖序列。
16、 根据权利要求15所述的方法，所迷方法还包括以下步骤 生成第二激光脉冲序列，其中，所述第二序列中的一部分中的脉沖在与所述工件的目标的位置相对应的时刻生成；和利用根据由撞击间隔和非撞击间隔构成的命令序列的所述光学 调制器来选择所述第二序列中的一个或更多个脉冲，以允许每一个选 定脉冲在脉冲撞击间隔期间撞击至少一个工件目标。
17、 根据权利要求16所述的方法，其中，所述第二序列的一个 选定脉沖对应于所述第一序列中的一个脉冲，并且所述对应脉冲在时 间上^L调节并且在相邻非撞击间隔中阻止。
18、 根据权利要求16所述的方法，其中，所述第二序列的一个 选定脉冲对应于所述第一序列中的一个选定脉冲，由此，多个脉冲在 撞击间隔期间撞击工件目标以加工微结构。
19、 根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法还包括在所 述第一序列的撞击脉冲与所述第二序列的撞击脉冲之间设置1纳秒到 500纳秒的延迟的步骤。
20、 根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一脉沖序列是 利用第 一激光源生成的，而所述第二脉冲序列是利用第二激光源的。
21、 一种用于激光加工包括基板和至少一个微结构的多材料装置 的稳定化系统，加工是沿单通轨线利用多个脉冲而发生的，所述稳定化系统包括脉沖生成装置，该脉沖生成装置用于响应于可调激光定时信号来 生成第一脉冲和第二脉冲；调制器装置，该调制器装置用于响应于由与微结构相对应的撞击 间隔和相邻非撞击间隔构成的命令序列来调制第一激光脉冲和第二激 光脉冲；信号生成装置，该信号生成装置用于根据所述轨线和所述第一脉 冲与所述第二脉冲之间的期望脉冲延迟来生成所述可调激光定时信 号；命令生成装置，该命令生成装置用于在所述轨线期间生成由撞击 间隔和非撞击间隔构成的所述命令序列；以及 照射装置，该照射装置用于利用选定脉沖在撞击间隔期间照射所 述微结构，其中，与每一个选定脉冲相关联的束腰和所述微结构基本 重合，其中，所述调制器装置包括用于在与所述微结构相对的第二脉冲 延迟大到足以将该第二脉冲从所述撞击间隔移动至相邻非撞击间隔时 阻止所述第二脉冲，由此阻止所述第二脉冲照射至少一个微结构的装 置，并且其中，所述可调激光定时信号用于在所述撞击间隔期间选择所述 第一脉沖，并且其中，所述延迟小到足以维持稳定操作。
22、 根据权利要求21所述的稳定化系统，其中，所述脉冲生成 装置还包括用于生成具有第一预定特征的第一脉冲的第一装置， 用于生成具有第二预定特征的第二脉冲的第二装置，所述第二脉 冲相对于所述第一脉沖延迟预定时段。
23、 根据权利要求21所述的稳定化系统，其中，所述系统还包 括至少一个激光源和控制器，该控制器耦接至每一个激光源和所述调 制器装置，用于利用可变脉冲定时控制脉冲传播。
24、 根据权利要求21所述的稳定化系统，其中，所述系统还包括两个调q倍频激光源。
25、 根据权利要求21所述的稳定化系统，其中，所述系统还包 括具有可编程脉冲轮廓的单个光纤激光源，其中，所述激光定时信号 生成多组脉冲，每组包括至少两个紧密相隔的脉冲。
26、 根据权利要求21所述的稳定化系统，其中，所述系统还包括用于聚焦所述激光脉沖的光学系统，和定位系统，该定位系统用于相对于聚焦的所述激光脉冲精确定位 多材料器件的至少 一个孩吏结构。
全文摘要
本发明公开了一种用于多脉冲激光加工的系统和方法。通过相对于撞击间隔调节脉冲定时，利用光学调制器从一组紧密相隔的激光脉冲中选择多个激光脉冲。被调节脉冲从撞击间隔移动至非撞击间隔并且被阻止。被阻止的激光源通过近乎连续运行来稳定化。利用单个声光调制器来实现对于多个激光源的脉冲选择。
文档编号H01L21/768GK101578155SQ200880001706
公开日2009年11月11日 申请日期2008年1月3日 优先权日2007年1月5日
发明者D·玛尔特塞弗, 詹姆斯·科丁利, 迈克尔·普劳金 申请人:杰斯集团公司