(57)【要約】【課題】加工の処理能力及び／又は品質の改善を実現しながら、加工物のターゲット材料をレーザベースで変質させる。【解決手段】十分に高いパルス繰返し率で加工物のある領域にレーザパルスを集束させて誘導し、従ってこの領域から材料を効率的に除去し、この領域内、領域近傍、又はその両方の望ましくない材料の量を、より低い繰返し率で得られる量に対して低減させる。１つの実施例では、極短パルスレーザシステムがファイバ増幅器又はファイバレーザのうちの少なくとも１つを含むことができる。様々な実施例が、半導体基板の上又は内でダイシング、切削、スクライビング、及びフィーチャ形成のうちの少なくとも１つを行うのに適している。加工物材料はまた、フェムト秒及び／又はピコ秒のパルス、幾つかの実施例では最高数ナノ秒のパルス幅を用いて微細機械加工すべき金属、無機若しくは有機誘電体、又は任意の材料を含むことができる。【選択図】図１Ｆ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクライビング、ダイシング、切削、又は加工して多材料加工物のある領域から材料を除去する方法であって、
多材料加工物の少なくとも１つの材料の方へレーザパルスを誘導するステップであって、前記レーザパルスが数十フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅、及び数百ｋＨｚから約１０ＭＨｚのパルス繰返し率を有し、前記加工物がパターンと半導体ウエハの両方を含み、前記パターンが前記半導体ウエハと前記レーザーパルスの源との間に配置された誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つを含む、誘導するステップ、
数ミクロンから約５０μｍ（１／ｅ２）の範囲内のスポット寸法を有するレーザスポット内に前記レーザパルスを集束させるステップ、及び
前記パターンの少なくとも一部分から材料を除去する場合の隣接する集束スポット間の重複が、前記半導体ウエハの少なくとも一部分から材料を除去する場合の隣接する集束スポット間の重複より実質上大きくなるような走査速度で、前記少なくとも１つの材料に対して前記レーザスポットを位置決めするステップ
を備え、
前記方法が、前記加工物の１つ以上の材料内の蓄熱を制御し、
前記パルス繰返し率を十分に高くすることにより、前記領域の周りの再堆積材料の蓄積を制限する方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、前記半導体ウエハの厚さが約１００μｍより小さい、方法。
【請求項３】
請求項１の方法において、少なくとも１つのレーザパルスが約１μＪから約２０μＪの範囲内のパルスエネルギーを有する、方法。
【請求項４】
請求項１の方法において、前記スポット寸法が約１５μｍから約５０μｍの範囲内であり、前記パターンから材料を除去するための前記走査速度が約０．１ｍ／秒から約０．５ｍ／秒の範囲内である、方法。
【請求項５】
請求項１の方法において、前記レーザパルスが極短パルスレーザシステムによって出力される、方法。
【請求項６】
請求項１の方法において、前記パターンの少なくとも一部分を除去するためのパルス幅が約１００ピコ秒から約５００ピコ秒の範囲内であり、前記ウエハの少なくとも一部分を除去するためのパルス幅が約１００フェムト秒から約１０ピコ秒の範囲内である、方法。
【請求項７】
請求項１の方法において、前記パターンの少なくとも一部分を除去するための前記走査速度が、前記ウエハの少なくとも一部分を除去するための前記走査速度より実質上小さい、方法。
【請求項８】
請求項１の方法において、前記走査速度が約０．１ｍ／秒から約１０ｍ／秒の範囲内である、方法。
【請求項９】
請求項１の方法において、前記レーザパルスの少なくとも１つが、約０．２５Ｊ／ｃｍ２から約３０Ｊ／ｃｍ２の範囲内のフルエンスを提供する、方法。
【請求項１０】
請求項１の方法において、前記レーザパルスの少なくとも１つが、前記少なくとも１つの材料のアブレーション閾値の上から、該少なくとも１つの材料の該アブレーション閾値の約２０倍まで、の範囲内のフルエンスを提供する、方法。
【請求項１１】
請求項１の方法において、前記パターンの前記少なくとも一部分から前記材料を除去するための隣接する集束パルス間の空間的重複が、約９５％を超える、方法。
【請求項１２】
請求項１の方法において、前記パターンの前記少なくとも一部分から前記材料を除去するための隣接する集束パルス間の空間的重複が、約９９％を超える、方法。
【請求項１３】
請求項１の方法において、前記パターンの前記少なくとも一部分から前記材料を除去するための隣接する集束パルス間の空間的重複が、約７５％から約９９％以上までの範囲内である、方法。
【請求項１４】
請求項１の方法において、前記パターンの前記少なくとも一部分から前記材料を除去するための隣接する集束パルス間の空間的重複が、前記半導体ウエハの前記少なくとも一部分から前記材料を除去するための隣接する集束パルス間の空間的重複よりも、少なくとも約１０倍大きい、方法。
【請求項１５】
請求項１の方法において、前記位置決めするステップの少なくとも一部分がビーム偏向器を用いて実施される、方法。
【請求項１６】
請求項１の方法において、前記パターンが前記金属材料及び前記誘電体材料を含む、方法。
【請求項１７】
請求項１の方法において、前記レーザスポットを前記位置決めするステップが、前記少なくとも１つの材料に対して該レーザスポットの複数のパスを使用するステップを更に具備する、方法。
【請求項１８】
請求項１の方法において、前記パルス繰返し率での前記再堆積材料の蓄積を、その後の処理ステップにより多量の再堆積材料を除去する必要性とすることがないように、十分に少なくする方法。
【請求項１９】
請求項１の方法において、前記再堆積材料の量を、基板被覆又は化学エッチングを必要とすることがなく、超音波清浄で再堆積材料を除去するのに十分なほど少なくする、方法。
【請求項２０】
請求項１の方法において、前記レーザパルスが、パルス幅が約１００フェムト秒から約１０ピコ秒の範囲内にある少なくとも１つのレーザパルスを含み、前記方法が、パルス・ストレッチャと、ファイバ増幅器と、パルス圧縮器とからなるチャープパルス増幅システムを用いて実施する、方法。
【請求項２１】
半導体材料及びパターンからなる多材料加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は処理するレーザベースのシステムであって、前記パターンが誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つを含むシステムにおいて、
少なくとも１つの光パルス光源であって、１０ナノ秒未満というより長いパルス幅の長パルス、及び１０フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内であるパルス幅の極短パルスを発生し、前記長いパルスは前記極短パルスよりもパルス幅が長い光パルス光源と、
前記光パルス光源からのパルスを増幅して、１０フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内であるパルス幅の出力パルスを発生する光増幅システムと、
少なくとも約１００kHzから約１００ＭＨｚ未満の範囲内の出力パルスの繰返し率を与える少なくとも１つの光変調器を含む変調システムと、
パルスレーザビームを前記加工物に集束して送達し、少なくとも約５ミクロンのスポット直径（１／ｅ２）上にパルスビームを集束するビーム送達システムと、
加工物の１つ以上の材料に対して多数の経路内に前記ビームを位置決めする位置決めシステムであって、前記位置決めシステムが加工物の１つ以上の材料上又はその内でスポット重複を生成する速度でビームを位置決めし、前記スポット重複は繰返し率及びスポット寸法で少なくとも約９５％である位置決めシステムとを備え、
前記長パルスは前記パターンに送達され、前記極短パルスは前記半導体材料に送達され、
前記長パルスによって前記パターンの一部分を除去している間に発生した熱影響域（ＨＡＺ）の深さ方向部分は、前記極短パルスによって前記半導体材料一部を除去している間に発生した熱影響域（ＨＡＺ）の深さ方向部分より大きいことを特徴とするレーザベースのシステム。
【請求項２２】
請求項２１のシステムにおいて、前記極短パルスは、パルス幅が約１００フェムト秒から約１０ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルスを含み、前記システムが、パルス・ストレッチャと、ファイバ増幅器と、パルス圧縮器とからなるチャープパルス増幅システムを用いて動作する、システム。
【請求項２３】
請求項２１のシステムにおいて、前記出力パルスの少なくともいくつかが、約０．２５Ｊ／ｃｍ２から約３０Ｊ／ｃｍ２の範囲内のフルエンスを提供する、システム。
【請求項２４】
請求項２１のシステムにおいて、前記出力パルスの少なくともいくつかが、前記加工物の少なくとも１つの材料のアブレーション閾値の上から、前記少なくとも１つの材料の該アブレーション閾値の約２０倍まで、の範囲内のフルエンスを提供する、システム。
【請求項２５】
請求項２１のシステムにおいて、前記半導体材料の厚さを前記極短パルスによって削る、システム。
【請求項２６】
請求項２１のシステムにおいて、前記パターンの少なくとも一部分内の蓄熱が、前記半導体材料からの前記パターン一部の層間剥離を回避するのに十分なほど高い、システム。
【請求項２７】
請求項２１のシステムにおいて、前記パターンの前記少なくとも一部分から前記材料を除去するための前記スポットの重複は、前記半導体材料の前記少なくとも一部分から前記材料を除去するための前記スポットの重複よりも、少なくとも約１０倍大きい、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２００８年３月２１日出願の「ＬＡＳＥＲ−ＢＡＳＥＤ  ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ」という名称の米国仮特許出願第６１／０３８，７２５号、２００８年１１月３日出願の「ＬＡＳＥＲ−ＢＡＳＥＤ  ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ」という名称の米国仮特許出願第６１／１１０，９１３号、及び２００９年２月１３日出願の「ＬＡＳＥＲ−ＢＡＳＥＤ  ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ」という名称の米国仮特許出願第６１／１５２，６２５号の利益を主張する。前述の仮出願それぞれの開示全体を、参照により本明細書に組み込む。本願は、２００８年１月２２日出願の「ＵＬＴＲＡＳＨＯＲＴ  ＬＡＳＥＲ  ＭＩＣＲＯ−ＴＥＸＴＵＲＥ  ＰＲＩＮＴＩＮＧ」という名称の同時係属の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０８／５１７１３号に関する。同願は、２００７年１月２３日出願の「ＵＬＴＲＡＳＨＯＲＴ  ＬＡＳＥＲ  ＭＩＣＲＯ−ＴＥＸＴＵＲＥ  ＰＲＩＮＴＩＮＧ」という名称の米国仮特許出願第６０／８８６，２８５号の利益を主張する。本願はまた、２００４年３月３１日出願の「ＦＥＭＴＯＳＥＣＯＮＤ  ＬＡＳＥＲ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭ  ＷＩＴＨ  ＰＲＯＣＥＳＳ  ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ，ＣＯＮＴＲＯＬＳ  ＡＮＤ  ＦＥＥＤＢＡＣＫ」という名称の米国特許出願第１０／８１３，２６９号、現在の米国特許第７，４８６，７０５号に関する。上に特定した特許出願及び特許はそれぞれ、本願の譲受人によって所有される。上に特定した出願及び特許それぞれの開示全体を、参照により本明細書に組み込む。
【０００２】
本開示は一般に、パルスレーザ、及び高繰返し率パルスレーザを使用する材料の機械加工に関する。
【背景技術】
【０００３】
例えば薄いシリコンウエハのダイシング、プリント回路基板（ＰＣＢ）のドリル加工、太陽電池セルの製造、及びフラットパネルディスプレイの製造を含む幾つかの材料加工の適用分野には、類似の材料加工技法及び問題が伴う。初期の解決策には、機械及びリソグラフィ加工技法が含まれた。しかし、デバイス寸法の低減、デバイスの複雑さの増大、及び化学加工の環境コストにより、当業界はレーザ加工方法の方へ移行した。現在、１μｍという典型的な波長を有する高出力ダイオード励起固体レーザ、又は緑色若しくはＵＶ波長を有する周波数変換バージョンが利用される。幾つかの適用分野で利用される１つの方法には、比較的速い走査速度で繰り返し通過することによって材料を累進的に切削することが含まれる。そのような適用分野には、（ａ）材料の損傷（例えば、残留応力、層間剥離、熱により引き起こされる材料の変質など）を引き起こさないで所望の材料を清浄にして切削すること、（ｂ）商業上実現可能なほど十分に大量の材料除去率を実現すること、及び（ｃ）リキャスト材料を低減／排除することという３つの主な問題がある。
【０００４】
材料の効率的かつ高品質なレーザベースの機械加工のために、破片及び溶融物のほとんどない高繰返し率の動作を含めて、様々な選択肢が提案されてきた。しかし、加工箇所付近の再堆積材料の蓄積を制限するという問題には十分に対処されておらず、一般に、克服するのが困難な問題である。迅速な加工には高い材料除去率が必要とされるので、加工箇所から排出される比較的大量のアブレーションされた材料は通常、液体の溶融物、比較的大量の固体材料、及び蒸気のうちの１つ以上を含むことがある。ナノメートルスケール（例えば、１０ｎｍ）まで微細な粒子の分布が、再堆積することもある。
【０００５】
様々な適用分野では、蓄積を制限するという問題に、プロセスの変更で対処してきた。例えば、幾つかの現在の半導体業界の技法では、レーザ加工後に再堆積材料とともに除去される材料の犠牲層で、基板を被覆することができる。このプロセスステップを単独で、又は様々な化学溶媒を用いた基板の後処理と組み合わせて使用して、リキャストを除去することができる。しかし、そのような技法では、追加のプロセスステップ及び追加の消耗材料を追加することによって処理能力を低減させ、またコストを増大させる。従って、好ましい解決策が、そのような破片除去の必要性を解消するであろう。
【０００６】
プロセスの破片は、スラグ、溶融した領域、熱影響域（ＨＡＺ）などを含むことがある。場合によっては、破片は、例えば超音波槽における清浄など、従来の化学的でない清浄技法では効果的に除去することができない。
【０００７】
さらに、集積回路及び半導体デバイス内で利用される低誘電率材料層及び複合物層は、レーザベースの材料加工の特定の実装形態に対して難題をもたらす。低誘電率材料は、二酸化シリコンの比誘電率より低い比誘電率を有する材料を含むことがある。例えば、低誘電率材料は、ドープされた二酸化シリコン、高分子誘電体などの誘電体材料を含むことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国仮特許出願第６１／０３８，７２５号
【特許文献２】米国仮特許出願第６１／１１０，９１３号
【特許文献３】米国仮特許出願第６１／１５２，６２５号
【特許文献４】国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０８／５１７１３号
【特許文献５】米国仮特許出願第６０／８８６，２８５号
【特許文献６】米国特許出願第１０／８１３，２６９号
【特許文献７】米国特許第７，４８６，７０５号
【特許文献８】米国特許第５，６５６，１８６号
【特許文献９】米国特許第５，４９９，１３４号
【特許文献１０】米国特許第５，６９６，７８２号
【特許文献１１】米国特許第７，１１３，３２７号
【特許文献１２】米国特許出願公開第２００４／０２４００３７号
【特許文献１３】米国特許出願第１０／４３７，０５７号
【特許文献１４】米国特許第５，８１８，６３０号
【特許文献１５】米国特許出願公開第２００６／０２６３０２４号
【特許文献１６】米国特許出願第１１／１３４，８５６号
【特許文献１７】米国特許出願公開第２００５／０２２５８４６号
【特許文献１８】米国特許出願第１０／８１３，１７３号
【特許文献１９】米国特許第６，１７２，３２５号
【特許文献２０】ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７４６６８号
【特許文献２１】米国特許第６，７７０，５４４号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｂａｒｓｃｈ、Ｋｏｒｂｅｒ、Ｏｓｔｅｎｄｏｒｆ、及びＴｏｎｓｈｏｆｆ、「Ａｂｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｕｔｔｉｎｇ  ｏｆ  Ｐｌａｎａｒ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ｕｓｉｎｇ  Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｕｌｓｅｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ａ  ７７、２３７〜２４４頁（２００３）
【非特許文献２】Ｏｓｔｅｎｄｏｒｆ、Ｋｕｌｉｋ、及びＢａｒｓｃｈ、「Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｔｈｉｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ−ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒｓ  Ｃｒｅａｔｉｎｇ  ａｎ  Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ  ｔｏ  Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ  Ｓａｗｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＣＡＬＥＯ、米国ジャクソンビル、２００３年１０月
【非特許文献３】Ｃｒａｗｆｏｒｄら、「Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｌａｓｅｒ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ  ｏｆ  ｇｒｏｏｖｅｓ  ｉｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｗｉｔｈ  ８００  ｎｍ  ｐｕｌｓｅｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ａ  ８０、１７１７〜１７２４（２００５）
【非特許文献４】Ｓｈａｈら、「１２μＪ，１．２Ｗ  Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  Ｐｕｌｓｅ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ａｔ  ３４６ｎｍ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｔｒｉｐｌｅｄ  Ｙｂ  Ｃｕｂｉｃｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」、２００５年、ＣＬＥＯ  ２００５  Ｐｏｓｔｄｅａｄｌｉｎｅ，ＣＰＤＢ１
【非特許文献５】Ｒ．Ｆｌｕｃｋ、Ｂ．Ｂｒａｕｎ、Ｅ．Ｇｉｎｉ、Ｈ．Ｍｅｌｃｈｉｏｒ、及びＵ．Ｋｅｌｌｅｒ、「Ｐａｓｓｉｖｅｌｙ  Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ  １．３４μｍ  Ｎｄ：ＹＶＯ４  Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ  Ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｓａｔｕｒａｂｌｅ  Ａｂｓｏｒｂｅｒ  Ｍｉｒｒｏｒｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．１３
【非特許文献６】Ｌｉら、「Ｌａｓｅｒ  ｄｉｃｉｎｇ  ａｎｄ  ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ  ｄｉｅ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ｆｏｒ  ｕｌｔｒａ−ｔｈｉｎ  ｗａｆｅｒ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ＩＥＥＥ（２００７）、７６１〜７６６頁
【非特許文献７】Ｔｏｆｔｎｅｓｓら、「Ｌａｓｅｒ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  ｗａｆｅｒ  ｄｉｃｉｎｇ  ａｎｄ  ｍｉｃｒｏｖｉａ  ｄｒｉｌｌｉｎｇ  ｆｏｒ  ｎｅｘｔ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｗａｆｅｒｓ」、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．５７１３、５４〜６６頁（２００５）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述の難題及び制限のため、本発明者らは、材料を効率的に機械加工するだけでなく、再堆積材料の蓄積を制限することが必要とされていることを認識した。費用のかかる加工ステップをなくすはずの解決策が大いに望ましい。従って、本明細書に開示のシステム及び方法の様々な実施例を使用して、加工の処理能力及び／又は品質の改善を同時に実現しながら、加工物のターゲット材料をレーザベースで変質させることができる。
【００１１】
１つの概括的な態様では、加工物をレーザ加工する方法が提供される。この方法は、十分に高いパルス繰返し率で加工物のある領域にレーザパルスを集束させて誘導し、従ってこの領域から材料を効率的に除去し、またこの領域内又はその近傍の望ましくない材料の量を、より低い繰返し率で得られる量に対して低減させるステップを含むことができる。例えば、この方法の幾つかの実施例では、パルス繰返し率は、約１００ｋＨｚから約５ＭＨｚの範囲内とすることができる。
【００１２】
別の概括的な態様では、加工物をレーザ加工する方法は、十分に高いパルス繰返し率で加工物のある領域にレーザパルスを集束させて誘導し、従って加工面積の周りの再堆積材料の蓄積を制限しながら、迅速な材料除去を実現するように１つ以上の材料内の蓄熱を制御するステップを含むことができる。この方法により、熱影響域（ＨＡＺ）の制御を可能にすることができる。
【００１３】
別の概括的な態様では、加工物をレーザ加工する方法は、加工物の少なくとも１つの材料に、あるパルス幅を有するレーザパルスを照射するステップを含む。レーザパルスは少なくとも１つの材料内のスポット上に集束させることができる。集束スポットは、ある走査速度で材料に対して相対的に走査することができる。幾つかの実装形態では、加工物はパターン付き領域及び裸の半導体ウエハ領域を含む。パターン付き領域は誘電体材料及び金属材料の少なくとも１つを含むことができる。幾つかの実施例では、パターン付き領域の少なくとも一部分の除去に使用される走査速度は、裸のウエハ領域の少なくとも一部分の除去に使用される走査速度より実質上遅い。
【００１４】
幾つかの実施例では、隣接する集束スポット間の重複は、裸のウエハ領域に照射する場合よりパターン付き領域に照射する場合の方が実質上大きい。例えば、場合によっては、パターン付き領域に照射する場合の重複は約９５％より大きいことがある。
【００１５】
幾つかの実施例では、パターン付き領域内の材料の少なくとも一部分は約１００ピコ秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅を使用して変質される。幾つかの実施例では、半導体ウエハ領域内の材料の少なくとも一部分は約１００フェムト秒から約１０ピコ秒の範囲内のパルス幅を使用して変質される。
【００１６】
少なくとも１つの実装形態は、上記のレーザ加工方法の実施例を実施するのに適した極短パルスレーザシステムを含む。少なくとも１つの実施例は、ファイバ増幅器又はファイバレーザのうちの少なくとも１つを含む極短パルスレーザシステムを含む。少なくとも１つの実施例は、「オールファイバ（ａｌｌ−ｆｉｂｅｒ）」設計として構成される極短パルスレーザシステムを含む。
【００１７】
様々な実施例では、パルスレーザシステムは約１０ピコ秒より短い少なくとも１つのパルスのパルス幅を提供する。幾つかの実施例では、少なくとも１つのパルスのパルス幅は約数ナノ秒より短く、例えば１ナノ秒に満たないパルスである。
【００１８】
スクライビング、ダイシング、切削、又は加工して多材料加工物のある領域から材料を除去する方法の実施例が提供される。幾つかの実施例では、この方法は、多材料加工物の少なくとも１つの材料の方へレーザパルスを誘導するステップを含む。レーザパルスは数十フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅、及び数百ｋＨｚから約１０ＭＨｚのパルス繰返し率を有することができる。加工物はパターンと半導体ウエハの両方を含むことができ、パターンは誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つを含むことができる。この方法はまた、数ミクロンから約５０μｍ（１／ｅ２）の範囲内のスポット寸法を有するレーザスポット内にレーザパルスを集束させるステップ、及びパターンの少なくとも一部分から材料を除去する場合の隣接する集束スポット間の重複が、半導体ウエハの少なくとも一部分から材料を除去する場合の隣接する集束スポット間の重複より実質上大きくなるような走査速度で、少なくとも１つの材料に対してレーザスポットを位置決めするステップを含むことができる。特定の有利な実装形態では、この方法は、この領域の周りの再堆積材料の蓄積を制限しながら、加工物の１つ以上の材料内の蓄熱を制御する。
【００１９】
パターン及び半導体ウエハを含む加工物を加工する方法の実施例が提供される。パターンは誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つを含むことができる。幾つかの実施例では、この方法は、約１００ピコ秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅を含むレーザパルスを用いてパターンの少なくとも一部分を変質させるステップ、及び約１００フェムト秒から約１０ピコ秒の範囲内のパルス幅を含むレーザパルスを用いて半導体ウエハの少なくとも一部分を変質させるステップを含む。
【００２０】
半導体材料を有する多材料加工物をレーザ加工する方法の実施例が提供される。幾つか
の実施例では、この方法は、約１００ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内のパルス繰返し率
で、また十分に高い繰返し率で加工物のある領域にレーザパルスを集束させて誘導し、従
ってこの領域から材料を効率的に除去し、またこの領域内又はその近傍の望ましくない材
料の量を、約１００ｋＨｚ未満のより低い繰返し率で得られる量に対して制限するステッ
プを含む。
【００２１】
他の実施例では、半導体材料を有する多材料加工物をレーザ加工する方法が提供される
。幾つかのそのような実施例では、この方法は、ある走査速度及びあるパルス繰返し率で
、加工物の少なくとも１つのターゲット材料に集束レーザパルスを繰り返し照射するステ
ップを含む。繰返し率は少なくとも約数百ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内とすることが
でき、走査速度は約０．２ｍ／秒から約２０ｍ／秒の範囲内とすることができる。この方
法の様々な実施例では、集束レーザパルスの少なくとも幾つかは、少なくとも１つの他の
パルスとのゼロ以外の空間重複係数と、約１ナノ秒より短いパルス幅と、約１００ｎＪか
ら約２５μＪの範囲内のパルスエネルギーと、約５μｍから約５０μｍの範囲内の集束（
１／ｅ２）スポット寸法と、ターゲット材料で約０．２５Ｊ／ｃｍ２から約３０Ｊ／ｃｍ
２の範囲内のフルエンスとを有する。
【００２２】
多材料加工物を加工する方法の実施例が開示される。加工物は半導体材料及びパターン
を含むことができ、パターンは誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つを含むこ
とができる。幾つかの実施例では、この方法は加工物にレーザパルスの列を照射すること
を含み、この列の少なくとも２つのパルスは異なる特性を有し、これらのパルスは加工物
の異なる材料に加えられる。この方法はまた、誘電体材料及び金属材料のうちの少なくと
も１つの除去中に生成される少なくとも１つのＨＡＺが、半導体材料の一部分の除去中に
生成される少なくとも１つのＨＡＺに対して深さ方向に増大するように、熱影響域（ＨＡ
Ｚ）を制御することを含む。
【００２３】
パターンと半導体ウエハ領域の両方を含む加工物を加工する方法の実施例が開示される
。パターンは誘電体材料及び金属材料を含むことができる。幾つかの実施例では、この方
法は、集束レーザパルスを用いてパターンの少なくとも一部分を変質させるステップを含
み、少なくとも１つの集束パルスは、約１００フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内の
パルス幅を含む。この方法はまた、パターンのこの部分内に、金属材料からの誘電体材料
の層間剥離を回避するのに十分な熱を蓄積するステップを含む。
【００２４】
半導体材料を有する多材料加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工する
レーザベースのシステムの実施例が提供される。幾つかの実施例では、レーザベースのシ
ステムは、光パルス光源と、光源からのパルスを少なくとも約１μＪのパルスエネルギー
に増幅するように、そして約５００フェムト秒から数百ピコ秒の範囲内の少なくとも１つ
のパルス幅を有する出力光パルスを生成するように構成された光増幅システムとを含む。
このシステムはまた、約１００ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内になるように出力光パル
スの繰返し率を調整するように構成された、少なくとも１つの光変調器を含む変調システ
ムと、約１５μｍから約５０μｍの範囲内のスポット寸法（１／ｅ２）内にパルスビーム
が集束されるように、パルスレーザビームを加工物に集束させて送達するように構成され
たビーム送達システムとを含むことができる。このシステムはまた、加工物の１つ以上の
材料に対して約０．１ｍ／秒から約２０ｍ／秒の範囲内の走査速度でビームを走査するよ
うに構成された位置決めシステムと、少なくとも位置決めシステムに結合されるように構
成された制御装置とを含むことができる。制御装置は、この繰返し率で加工物の加工中に
隣接する集束ビーム間の空間的重複を制御するように構成することができる。
【００２５】
半導体材料を有する多材料加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工する
レーザベースのシステムの実施例が、本明細書に記載される。このシステムの実施例は、
光パルス光源と、光源からのパルスを増幅するように、そして数十フェムト秒から約５０
０ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する出力パルスを生成するように構成
された光増幅システムとを含む。このシステムはまた、少なくとも約１ＭＨｚから約１０
０ＭＨｚ未満の範囲内で出力光パルスの繰返し率を提供するように構成された、少なくと
も１つの光変調器を含む変調システムを含むことができる。このシステムはまた、少なく
とも約５ミクロンのスポット寸法（１／ｅ２）内にパルスビームが集束されるように、パ
ルスレーザビームを加工物に集束させて送達するように構成されたビーム送達システムと
、加工物の１つ以上の材料上又はその内でスポット重複を生成する走査速度でビームを走
査するように構成された位置決めシステムとを含むことができる。様々な実装形態では、
スポット重複は、この繰返し率及びこのスポット寸法で少なくとも約９５％とすることが
できる。
【００２６】
半導体材料を有する加工物上又はその内でダイシング、切削、スクライビング、又はフ
ィーチャ形成するシステムの実施例が提供される。幾つかの実施例では、このシステムは
、ある走査速度及びあるパルス繰返し率で、材料の少なくとも一部分に集束レーザパルス
を繰り返し照射するように構成されたパルスレーザシステムを含む。繰返し率は、約１０
０ｋＨｚから約５ＭＨｚの範囲内とすることができ、またターゲット位置から材料の相当
な深さ方向部分を効率的に除去し、そしてターゲット位置の周りの望ましくない材料の蓄
積を制限するのに十分なほど高くすることができる。このシステムはまた、レーザパルス
を集束させて送達するように構成されたビーム送達システムと、この走査速度で半導体基
板に対してレーザパルスを位置決めするように構成された位置決めシステムとを含むこと
ができる。位置決めシステムは、光学式スキャナ及び基板ポジショナのうちの少なくとも
１つを含むことができる。幾つかの実施例では、パルスレーザシステム、ビーム送達シス
テム、及び位置決めシステムに結合されるように、制御装置が構成される。制御装置は、
この繰返し率で加工物の加工中に隣接する集束レーザパルス間の空間的重複を制御するよ
うに構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】複数パスのレーザベースの材料除去方法の一実施例を表す概略上面図及び概略横断面図である。
【図１Ｂ】複数パスのレーザベースの材料除去方法の別の実施例を表す概略上面図及び概略横断面図である。
【図１Ｃ】複数パスのレーザベースの材料除去方法の更に別の実施例を表す概略上面図及び概略横断面図である。
【図１Ｄ】Ｎ回のパス後の機械加工の深さと望ましくない再堆積材料の形成との関係を表す概略横断面図である。
【図１Ｅ】パルスレーザシステムの少なくとも１つの実施例で得られる結果の概略図である。
【図１Ｆ】レーザパルスを用いて加工物を加工するのに適したレーザシステムの一実施例を示す概略図である。
【図１Ｇ】パターン付きウエハの一部分の例を示す概略図である。図１Ｇ−１は幾つかのダイを有するウエハを示し、図１Ｇ−２は図１Ｇ−１のウエハの一部分の拡大図を示し、図１Ｇ−３はウエハの一部分の断面側面図を示す。
【図２Ａ】レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムの一実施例を示す概略図である。
【図２Ｂ】レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムの別の実施例を示す概略図である。
【図３】レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムの更に別の実施例を示す概略図である。
【図４Ａ】レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムの更に別の実施例を示す概略図である。
【図４Ｂ】ファイバ増幅器内又はマルチモード励起光源によって励起されたレーザ内で使用できる、希土類イオンでドープされたコアを含む大モード面積ファイバの一実施例を示す概略図である。
【図５】レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムであって、プロセス及び／又はターゲット情報に基づくフィードバック及び制御を有するシステムのさらなる実施例を示す概略図である。
【図６Ａ】レーザパルス列を用いて加工物を加工する一実施例に対応する実験システムを示す概略図である。
【図６Ｂ】レーザパルス列を用いて加工物を加工する一実施例に対応する実験システムを示す写真である。
【図７】アブレーションされた体積と加工位置近傍の再堆積した体積との近似を得るように加工品質を定量化する１つの例示的な技法を示す概略図である。
【図７Ａ】図６Ａ及び６Ｂの例示的なシステムのレーザ加工パラメータを変動させることによって実験結果が得られた、シリコン試料から得られる一例の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面図である。
【図７Ｂ】図６Ａ及び６Ｂの例示的なシステムのレーザ加工パラメータを変動させることによって実験結果が得られた、シリコン試料から得られる別の例の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面図である。
【図７Ｃ】図６Ａ及び６Ｂの例示的なシステムのレーザ加工パラメータを変動させることによって実験結果が得られた、シリコン試料から得られる更に別の例の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面図である。
【図７Ｄ】図６Ａ及び６Ｂの例示的なシステムのレーザ加工パラメータを変動させることによって実験結果が得られた、シリコン試料から得られる更に別の例の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面図である。
【図７Ｅ】図６Ａ及び６Ｂの例示的なシステムのレーザ加工パラメータを変動させることによって実験結果が得られた、シリコン試料から得られる更に別の例の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面図である。
【図７Ｆ】図６Ａ及び６Ｂの例示的なシステムのレーザ加工パラメータを変動させることによって実験結果が得られた、シリコン試料から得られる更に別の例の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面図である。
【図８】アブレーションされた断面積と再堆積した断面積との関係の例を、走査速度及び繰返し率の関数として示すグラフである。
【図９】平均パワー及びスポットの空間的重複に対して正規化された、断面積と走査速度の関係の例をさらに示すグラフである。
【図１０Ａ−１】従来の超音波清浄がさらなる破片除去に対して効果的であるほど再堆積材料の量が十分に少なく、その結果を、例えば薄いウエハのダイシング及び類似の適用分野に適用できる、一例のＳＥＭ断面図である。
【図１０Ａ−２】従来の超音波清浄がさらなる破片除去に対して効果的であるほど再堆積材料の量が十分に少なく、その結果を、例えば薄いウエハのダイシング及び類似の適用分野に適用できる、別の例のＳＥＭ断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａ−１及び１０Ａ−２に示すデータに対応する、アブレーションされた深さとリキャスト高さの比のグラフである。
【図１１Ａ】シングルパルス加工とダブルパルス加工の結果を比較する一例のＳＥＭ断面図である。
【図１１Ｂ】シングルパルス加工とダブルパルス加工の結果を比較する別の例のＳＥＭ断面図である。
【図１１Ｃ】シングルパルス加工とダブルパルス加工の結果を比較する更に別の例のＳＥＭ断面図である。
【図１１Ｄ】図１１Ａ〜１１ＣのＳＥＭ画像に対応する、アブレーションされた深さとリキャスト高さの比を示す一例のグラフである。
【図１１Ｅ】図１１Ａ〜１１ＣのＳＥＭ画像に対応する、アブレーションされた深さとリキャスト高さの比を示す一例のグラフである。
【図１２Ａ】パルスレーザシステムの一実施例を使用して切削（ダイシング）したウエハの一部分、及び従来の超音波清浄後に得られる結果を示すＳＥＭ画像である。
【図１２Ｂ】パルスレーザシステムの別の実施例を使用して切削（ダイシング）したウエハの一部分、及び従来の超音波清浄後に得られる結果を示すＳＥＭ画像である。
【図１３Ａ−１】約２００ピコ秒のパルス幅を使用して一例の繰返し率及び走査速度で得られる結果を示すＳＥＭ画像である。
【図１３Ａ−２】約２００ピコ秒のパルス幅を使用して別の例の繰返し率及び走査速度で得られる結果を示すＳＥＭ画像である。
【図１３Ａ−３】約２００ピコ秒のパルス幅を使用して更に別の例の繰返し率及び走査速度で得られる結果を示すＳＥＭ画像である。
【図１３Ａ−４】図１３Ａ−１〜１３Ａ−３に示すデータに対応して、一例の重み付きのアブレーションされた断面積（平方ミクロン単位）、及びアブレーションされた深さとリキャスト高さの比を示すグラフである。
【図１３Ａ−５】図１３Ａ−１〜１３Ａ−３に示すデータに対応して、別の例の重み付きのアブレーションされた断面積（平方ミクロン単位）、及びアブレーションされた深さとリキャスト高さの比を示すグラフである。
【図１４Ａ】半導体デバイスのダイ強度を試験するのに使用される構成の様々な例を示す概略図である。
【図１４Ｂ】図６Ａ及び６Ｂに示す例示的な実験システムからの極短パルスを用いて試料を加工した後に得られるダイ強度測定の一例を示すグラフである。
【図１４Ｃ】図６Ａ及び６Ｂに示す例示的な実験システムからの極短パルスを用いて試料を加工した後に得られるダイ強度測定の別の例を示すグラフである。
【図１５Ａ】図６Ａ及び６Ｂの例示的な実験システムで生成される極短パルスを用いてスクライビング及び／又は切削した試料のＳＥＭ画像及び断面図の一例を示す図である。
【図１５Ｂ】図６Ａ及び６Ｂの例示的な実験システムで生成される極短パルスを用いてスクライビング及び／又は切削した試料のＳＥＭ画像及び断面図の別の例を示す図である。
【図１５Ｃ】図６Ａ及び６Ｂの例示的な実験システムで生成される極短パルスを用いてスクライビング及び／又は切削した試料のＳＥＭ画像及び断面図の例を示す図である。
【図１５Ｄ】図６Ａ及び６Ｂの例示的な実験システムで生成される極短パルスを用いてスクライビング及び／又は切削した試料のＳＥＭ画像及び断面図の更に別の例を示す図である。
【図１６】フェムト秒及びピコ秒のスクライビング結果を示すＳＥＭ画像の例を示す図である。
【図１７】５００フェムト秒の圧縮パルス又は３００ピコ秒の非圧縮パルスを用いて切削されたシリコン・ダイのダイ強度を示す実験的試験の結果を示す図である。図１７はまた、比較のために、公開されているナノ秒レーザの結果及び機械的試験の結果を含む。丸を使用して引張り状態のダイに対する結果を示し、正方形を使用して圧縮状態のダイに対する結果を示す。実験的試験の結果に対応する平均値（及び誤差バー）は、５００フェムト秒及び３００ピコ秒のパルスを用いた個々の実験的試験の結果から水平方向に（右側に）オフセットされる。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
上記その他の特徴について、上に要約した図面を参照して次に説明する。図面及び関連
する記載は、実施例について説明するために提供されるものであり、本開示の範囲を制限
するものではない。
【００２９】
以下の詳細な説明では、ターゲット材料は全体として、１つ以上のレーザパルスによっ
て変質すべき加工物の少なくとも１つの領域内又はその上の材料を指す。ターゲット材料
は異なる物理的特性を有する複数の材料を含むことができる。
【００３０】
以下の詳細な説明では、別段の指定がない限り、繰返し率は全体として、材料のレーザ
加工中にレーザパルスがターゲット材料に送達される数を指す。この率は、レーザ光源に
よってパルスが生成される率に対応させることができるが、例えば、パルス又はパルス群
がゲート制御されてターゲット材料に送達される実施例では、この率はまた、光源の率に
対して低減させることができる。
【００３１】
以下の詳細な説明では、ターゲット材料、ターゲット領域などの内又はその近傍の望ま
しくない材料の蓄積を制限することを参照する。別段の指定がない限り、代替の言語は、
２つ（又はそれ以上）の代替物の１つとして解釈されるべきではなく、両方（又はそれ以
上）の代替物を含むことができる。
【００３２】
本明細書では、破片という用語は限定的なものではなく、全体として、局部的な領域内
又はその近傍の材料の望ましくない蓄積を指す。破片は、レーザ材料の相互作用及び／又
は熱影響域（ＨＡＺ）に起因することがある。リキャスト、スラグ、再堆積、及び他の関
連する用語もまた、当技術分野ではよく知られている。通常、熱影響域は、溶融材料を形
成するのに十分なほど速く加熱及び冷却される材料を含み、また領域の範囲は、他の要因
の中でも、パルス持続時間及び様々な材料パラメータに依存する。短パルス、特に極短パ
ルスは、熱を局部化させて熱影響域の寸法を低減させることが知られている。
【００３３】
概要
実施例は通常、加工物のレーザ加工、特に微細機械加工の適用分野に適用できる。例え
ば、様々な実施例は、半導体基板を切削、ダイシング、スクライビング、及び／又は食刻
して、約１ミクロンから約１００ミクロンの典型的な横方向の寸法と数ミクロンから数百
ミクロンの深さとを有するフィーチャを形成するのに適用できる。例えば、特定の実施例
は、様々な材料で高精度のトレンチ及び溝を製作するのに利用することができる。シリコ
ン内の極めて高精度のトレンチは、様々な超小型電子技術の適用分野に必要とされる。幾
つかの研究グループが、レーザ強度がアブレーション閾値よりわずかに上のフェムト秒レ
ーザパルスを使用すると最善の結果が得られることを実証してきた（例えば、Ｂａｒｓｃ
ｈ、Ｋｏｒｂｅｒ、Ｏｓｔｅｎｄｏｒｆ、及びＴｏｎｓｈｏｆｆ、「Ａｂｌａｔｉｏｎ  
ａｎｄ  Ｃｕｔｔｉｎｇ  ｏｆ  Ｐｌａｎａｒ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ｕｓ
ｉｎｇ  Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｕｌｓｅｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ  Ａ  ７７、２３７〜２４４頁（２００３）、並びにＯｓｔｅｎｄｏｒｆ、Ｋｕｌｉ
ｋ、及びＢａｒｓｃｈ、「Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｔｈｉｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｗｉｔｈ
Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ−ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒｓ  Ｃｒｅａｔｉｎｇ  ａｎ  Ａｌ
ｔｅｒｎａｔｉｖｅ  ｔｏ  Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ  Ｓａｗｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｉｑ
ｕｅｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＣＡＬＥＯ、米国ジャクソンビル
、２００３年１０月参照）。
【００３４】
現在、マイクロ流体デバイス製作の好ましい方法はリソグラフィ加工によるものであり
、数サイクルの紫外（ＵＶ）露光と、それに続く溶媒エッチングを伴うことが多い。フェ
ムト秒レーザは中程度のアスペクト比（基板材料、レーザパラメータ、及び孔径によって
１：１０〜１：１００）の止まり穴及び貫通孔を直接機械加工することが可能である。
【００３５】
極短レーザパルスは、従来のナノ秒レーザに対して、ＨＡＺが低減されること、残留応
力が低減されること、材料アブレーション閾値の変動の影響を受けにくいことという重要
な利点を提供することがよく知られている。さらに、レーザ平均パワーを調整すること（
ターゲット上のフルエンスは材料アブレーション閾値より大きいものとする）、そして高
速のマルチパスビーム走査を使用することによって、比較的高い加工率を実現できること
が十分に確立されている。極短レーザ加工は通常、スラグ、残留物、溶融した形成物、又
はレーザ材料の相互作用による他の望ましくない副生成物を低減させるのに適した手法と
しても認識されている。しかし、極短パルスを単独で使用しただけでは品質の改善を保証
できないことも十分に確立されている。多くの初期の実験は、加工を簡略化する真空中で
実施された。極短パルスを用いた材料加工、半導体デバイスの製造で使用される半導体、
金属、又は誘電体材料のうちの１つ以上の微細機械加工、レーザ材料の相互作用機構、及
び微細機械加工のシステムに関する様々な刊行物、特許、及び公開特許出願の引用は、優
先権を主張する米国仮特許出願で見ることができる。
【００３６】
本明細書に開示の実施例は、深さと幅の比が大きい、アスペクト比の高いフィーチャを
材料内に形成するために利用することができる。溝又はトレンチと呼ばれることがあるそ
のようなフィーチャは、加工物の表面から材料を制御可能に除去することによって形成す
ることができる。材料は、ターゲット材料及び／又はレーザパルスを互いに対して位置決
めする機構を用いて、集束レーザパルスをターゲット領域にわたって繰り返し走査するこ
とによって除去することができる。
【００３７】
幾つかの実施例は、材料、特に半導体基板のレーザ切削に利用することができる。その
ような実施例はまた、プロセスの一部としてアスペクト比の高いフィーチャの形成を含む
ことができる。例えば、薄いウエハのダイシングでは、近傍の回路又は構造を損傷するこ
となくウエハダイを分離するように、清浄でかつ高精度の切削を使用できると有利である
。ウエハは、集束レーザパルスを使用してウエハ全体を切削することによって、おそらく
幾つかの実施例では、切削中に焦点の深さ方向位置を変化させることによって、ダイシン
グすることができる。別法として、レーザパルスはアスペクト比の高いフィーチャを形成
することができ、例えば、所定の深さの狭くて深い切削を行うことができる。次いで、残
りの材料の薄い深さ方向部分はレーザ以外の方法を使用して分離される。いずれにせよ、
破片及び汚染を十分にうまく制御できると有利である。
【００３８】
図１Ａ〜１Ｃは、レーザベースの材料変質のためのプロセスの一部分を示す概略図であ
る。集束レーザスポット１０００−ａ、１００１−ａの例を示す。幾つかの実施例では、
重複係数は、スポット直径のほんの一部分とすることができる。重複係数は、図１Ａに概
略的に示すものとは異なることがある。例えば、重複係数は、スポット間でほぼ同じこと
があり（例えば、図１Ａに概略的に示す）、又は重複係数は、スポット間で異なることも
ある。異なるレーザ・パスは、異なる重複係数（及び／又はスポット形状、スポット直径
など）を利用することができる。様々な実装形態では、幾つかの隣接するスポットは、実
質上重複することがあり（例えば、重複係数は、スポット直径のほんの一部分である）、
又は幾つかの隣接するスポットは、隔置されることもある（例えば、重複係数は、スポッ
ト直径とほぼ同じ又はそれより大きい）。様々な実施例では、重複係数は、例えば縁部が
平滑でまっすぐになるように機械加工されたフィーチャを提供するように選択することが
でき、又は領域内の蓄熱に影響を及ぼすように選択することができる。そのような実施例
では、重複係数（若しくは他のパラメータ）は、機械加工前に事前に選択することができ
、機械加工中に動的に選択若しくは調整することができ、又は事前選択と動的選択の組合
せを使用することができる。図１Ａは集束レーザスポット１０００−ａ及び１００１−ａ
を、同じスポット直径を有する円として示すが、他の実施例では、集束レーザスポットは
他の形状及び寸法を有することもできる。スポット形状、スポット寸法、重複係数などの
多くの変形形態が可能である。
【００３９】
スポットは、例えば走査機構（図示せず）を用いて、１回のパス又は複数回のパスで、
加工物のターゲット材料に加えることができる。図１Ａ〜１Ｃでは、上の図はレーザパル
スの第１のパス（パス１）を概略的に示し、下の図はレーザパルスの第Ｎのパス（パスＮ
）を示す。様々な実施例では、加工パスの任意の適切な数Ｎ、例えば、１、２、５、１０
、１００、２５０、７００、１０００、又はそれ以上のパスを使用することができる。タ
ーゲット領域の簡略化した上面概略図を図１Ｂに示し、材料が除去された領域を円形のス
ポット１０００−ａ、１００１−ａで示す。この領域はスポット直径程度の横方向の寸法
を有するが、例えば、米国特許第５，６５６，１８６号に教示されているように、通常、
極短パルスを用いると、スポット寸法より小さな領域にわたって材料を制御可能に除去す
ることが可能であることが知られている。図１Ａ〜１Ｃに示す上面図では、材料が除去さ
れる領域を方形として概略的に示すが、少なくとも走査方向に直交する縁部には、特に楕
円形又は円形の断面を有する集束レーザビームの使用により、通常いくぶん丸みがつけら
れる。
【００４０】
様々な実施例を用いて、レーザスポットを用いてフィーチャを形成して、ターゲット材
料のある深さ方向部分を、例えば幾つかの実施例では約０．５μｍ又は数ミクロン除去す
ることができる。単一のパスでは、比較的小さな深さ部分１０００−ｃが除去される（図
１Ｃの上の図参照）。次いで、曲線１００１−ｃによって概略的に表すように、第２のパ
ス、又はＮ回のパスで追加の深さ方向部分を除去する（図１Ｃの下の図参照）。Ｎ回のパ
ス後、所望の深さ及び／又は空間プロファイルを有するフィーチャを形成することができ
る。別法として、十分に多くのパスを用いて、材料を清浄に切断することができる（例え
ば、「ブレークスルー（ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ）」と呼ばれることもあるように、材
料を完全に切削する）。様々な実施例では、パスの数Ｎは、１、２、３、４、５、１０、
２５、１００、２５０、５００、７５０、１０００、１５００、２０００、５０００、又
はそれ以上とすることができる。パスの数は、例えば、ブレークスルーが望ましいかどう
かにかかわらず、フィーチャの所望の深さ及び／又は空間プロファイル、加工物を形成す
る材料（複数可）などを含む要因に基づいて選択することができる。パスの数は加工中に
動的に調整することができる。
【００４１】
図１Ｂは、加工物を上から見たときの簡単な直線／方形の機械加工パターンを概略的に
示す。しかし、機械加工されたフィーチャは、円形、楕円形、交互配置形、螺旋状、又は
他の任意の形状とすることができ、これらの形状は、レーザパルス光源とターゲット材料
の相対的な位置をプログラムすることによって（例えば、以下にさらに説明する走査機構
を用いる）形成される。同様に、集束スポットの分布は、円形以外とすることができ、及
び／又はガウス形若しくは非ガウス形のスポットプロファイルを有することができる。さ
らに、深さに応じて様々な形状、例えば先細り形、階段状、及び／又は湾曲形のフィーチ
ャを形成することができ、フィーチャの幅は、所定のように、又はほぼ所定のように、深
さとともに変動する。アスペクト比の高いフィーチャは、単独で、又は他のフィーチャと
組み合わせて形成することができ、またアスペクトのより低いフィーチャ、例えば大きな
直径の孔を有する領域に接続することができる。本明細書に開示のシステム及び方法では
、多くの変形形態が可能である。
【００４２】
「トレンチ掘り」又は他の適用分野の実施例に関係する幾つかのパラメータは、例えば
、トレンチの形状、深さ、及び品質を含むことができる。しかし、多くの適用分野では、
狭いトレンチの縁部で、又はその非常に近傍で、一般にリキャスト又はスラグと呼ばれる
再堆積材料が形成されることがある。再堆積材料の量は通常、機械加工の深さが増大する
とともに増大する。
【００４３】
図１Ｄは、ある深さを有するが多くの再堆積材料１００５−ａを有する機械加工された
フィーチャ１００１−ｃ（図１Ａ〜１Ｃに示す）の横断面図を概略的に示す。再堆積材料
１００５−ａは、加工物の表面より上及び／又は機械加工されたフィーチャ１００１−ｃ
内に生じることがある。加工されていない基板の基底線を図１Ｄ及び１Ｅに破線として示
す。再堆積材料はまた、フィーチャ又はターゲット領域内、例えば基底線より下数ミクロ
ンの深さ内に蓄積することがある（図１Ｄ参照）。
【００４４】
図１Ｅはパルスレーザの実施例で得られる例示的な結果を表し、パス数Ｎが固定される
場合、再堆積材料１００５−ｂの蓄積は低減される（図１Ｄに概略的に示す結果と比較）
。図１Ｅに示すように、再堆積材料の断面積は低減され（図１Ｄに対して）、及び／又は
堆積した材料のタイプは、より大きな寸法の溶融材料ではなく微粒子の形である。例えば
、幾つかの実施例では、そのような結果は、レーザ繰返し率を増大させることによって、
そしてこの例では、他のレーザパラメータをほぼ一定に保持することによって得られる。
様々な実施例では、再堆積材料の蓄積は、ターゲット領域内、ターゲット領域近傍、又は
その両方で低減させることができる。様々な実施例では、再堆積材料の性質（例えば、粒
子の寸法分布）は、ターゲット領域内、ターゲット領域近傍、又はその両方で変えること
ができる。図１Ｃ、１Ｄ、及び１Ｅは、機械加工されたフィーチャ１０００−ｃ及び１０
０１−ｃを、概ね台形として成形された断面図を有するものとして概略的に示す。台形の
断面形状は概略的なものであり、本明細書に開示のレーザベースの加工システム及び方法
の様々な実施例を用いて機械加工できるフィーチャの断面形状（又はあらゆる他の特性）
を限定するものではない。他の実施例では、例えば三角形の形状、方形の形状、丸みをつ
けた形状、最大幅よりはるかに小さな最小幅に収束する先細りした形状、又は任意の他の
適切な形状など、台形の断面形状をもたないフィーチャを機械加工することができる。多
くのフィーチャ形状及び寸法が可能である。また、再堆積材料１００５−ａ、１００５−
ｂの断面寸法及び形状は概略的なものであり、可能な再堆積材料の寸法及び／又は形状を
限定するものではない。
【００４５】
例として、シリコン基板上の機械加工実験は、ほぼ一定のレーザパルスエネルギー、焦
点スポット寸法、及びパルス持続時間を維持しながらレーザパルスのレーザ繰返し率を約
２００ｋＨｚから約１ＭＨｚに増大させると、再堆積材料の量に対して除去される材料の
体積が増大するという驚くべき結果を示した。これらの実験は、ファイバベースの超短チ
ャープパルスレーザシステムを使用して実施された。これらの結果は、数百ｋＨｚから最
高数ＭＨｚのパルス繰返し率で加工品質の著しい改善を提供できることを示唆している。
例えば、特定の適用分野では、再堆積材料を除去するための追加の加工ステップが必要と
されないことがある。
【００４６】
所望のフィーチャ形状と再堆積材料の低減の両方を得ることは、極短パルス、例えば、
幅が約１０ピコ秒より短いパルスを用いると最も良く実現された。しかし、約２００ピコ
秒というより長いパルスの場合、繰返し率を増大させることも有益であった。再堆積材料
の蓄積は、より遅い繰返し率に対して低減された。幾つかの適用分野では、例えば最高数
ナノ秒又は１０ナノ秒未満というより長いパルス幅でも、利益を見出すことができる。
【００４７】
従って、実施例は、フィーチャの所望の形状、深さ、及び／又は幅を実現しながら、ス
ラグ及び／若しくは他の望ましくない材料の量を低減（並びに／又は再堆積材料の性質を
変化）させることができる。例として、後に示すように、高繰返し率の加工は再堆積材料
の性質及び量に影響を及ぼした。
【００４８】
特定の実施例では、品質の測度は、再堆積材料のピーク高さ、平均高さ、及び／又は体
積に対する機械加工されたフィーチャの深さ及び／又は体積とすることができる。品質の
別の例示的な測度は、再堆積材料の全体的な体積に対するフィーチャ深さとすることがで
きる。品質の適切な測度は、影響を受けた領域の断面試料又は体積測定の定量化を用いて
得ることができる。様々なツール、例えば、白色光干渉計、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、
又は類似のツール（例えば、Ｖｅｅｃｏ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｉｎｃ．、ニューヨ
ーク州ウッドベリーから入手可能）などの表面計測ツールを使用して、性能を定量化する
ことができる。これらのツールは、自動又は半自動動作の能力によって、改善された測定
確度及び精度を実現することができる。市販のツールには、試料の表面粗さ及び材料のよ
り大きな体積を測定する能力があることが判明しており、例えばＡＦＭを使用して、深さ
方向フィーチャの構造を定量化することができる。
【００４９】
幾つかの適用分野、例えばダイシング及びスクライビングでは、異なる品質測度を提供
することができる。例えば、再堆積材料の体積の定量化は有用な測度となることがあり、
また切削品質と組み合わせて全体的な性能指数とすることができる。様々な実施例は、高
い効率が望ましいが、再堆積材料の蓄積が有害であり、又はその他の形で望ましくない場
合の加工動作に特に適用できる。
【００５０】
幾つかの実施例では、微細機械加工は、半導体ウエハのレーザスクライビング、ダイシ
ング、又は類似の加工を含むことができる。半導体ウエハは、裸のものでもパターン付き
のものでもよい。スクライビング及びダイシングは、必要性が認識される２つの適用分野
である。スクライビングは通常、シリコン基板上に支持された複数の材料の１つ以上の層
を除去する。次いで、機械ダイサを用いてウエハのダイを分離することができる。シリコ
ン基板の厚さが１００μｍ未満、例えば５０μｍに低減したことに伴って、基板のレーザ
ベースのダイシングの必要性が増大してきた。しかし、幾つかの実装形態では、従来の機
械ダイシングに取って代わるための正当性理由を提供するために、迅速なレーザ加工速度
が必要とされる。さらに、幾つかの実装形態では、後のパッケージングプロセスの信頼性
を保証するために、望ましくない熱効果を低減又は回避するべきである。
【００５１】
図１Ｇ−１（原寸に比例しない）は、パターン付き半導体ウエハ１２０の一例を概略的
に示す。ウエハ１２０は、行と列の形で構成される幾つかのダイを有し、その間にストリ
ート１２７が位置する。従来のシステムでは、ウエハは通常、レーザスクライビングされ
、ダイシングソーを使用して切削される。厚さが約１００μｍ未満、例えば５０μｍ又は
７５μｍに低減するにつれて、機械ダイシングはより困難になる。従って、レーザダイシ
ングを使用して機械ダイシングを低減又は排除することが望ましい。
【００５２】
図１Ｇ−２は、ウエハ１２０の例示的な一部分１２５を概略的に示す。例として、ダイ
シングは、ストリートに沿って領域１２７−Ｂ内で実施されるものとする。この領域は、
幾つかの材料及び裸のウエハ部分を含むことができる。ダイシング前の電気的又は他の機
能的試験のために、ストリート内に示す回路フィーチャ、例えば高密度グリッド層１２９
を利用することができる。ストリート１２７に隣接する領域は、高密度の能動回路、はん
だボールを含むことができる相互接続、又は他の組合せを含む。特定の有利な実装形態で
は、ダイシング又はスクライビングは、著しい破片又は熱影響域（ＨＡＺ）をもたらすこ
となく、回路を損傷しないでウエハを清浄に切削するように実施されるものであり、また
十分なダイ強度を実現するべきである。
【００５３】
図１Ｇ−３は、ウエハの一部分、図１Ｇ−２の微細グリッド領域１２９の断面側面図１
２９−１を概略的に示す。このグリッドは誘電体及び金属材料のうちの１つ以上で覆うこ
とができる。
【００５４】
潜在的な加工速度が、薄いウエハのダイシングにレーザ技術を使用する１つの可能な理
由であるため、非常に薄いウエハをダイシングする実際的なシステムは比較的大量の材料
の高速除去を実現するものである。
【００５５】
ストリート内の加工物材料は、それだけに限定されるものではないが、金属、無機誘電
体、有機誘電体、半導体材料、低誘電率誘電体材料、又はこれらの組合せを含むことがで
きる。材料の組合せは、広く様々な空間パターンで構成することができ、及び／又は深さ
方向に積層することができる。例えば、超小型電子回路は、銅と低誘電率材料の交互の層
を有する部分を含むことができ、これらの部分が、上にある不活性化層によって覆われる
。材料の他の組合せ及び／又は構成も可能である。
【００５６】
様々な研究が、シリコンの微細機械加工に対する結果及びモデルを開示した。例えば、
Ｃｒａｗｆｏｒｄらは、「Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｌａｓｅｒ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ  
ｏｆ  ｇｒｏｏｖｅｓ  ｉｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｗｉｔｈ  ８００  ｎｍ  ｐｕｌｓｅｓ
」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ａ  ８０、１７１７〜１７２４（２００５）で、
パルスエネルギー、並進運動速度、パスの数、並びに偏光方向（並進運動方向に対する平
行と垂直の関係、及び円偏光）に応じたアブレーション率（真空中）を調査した。レーザ
パラメータには、レーザパルス繰返し率を１ＫＨｚとした場合、波長８００ｎｍで１５０
フェムト秒のパルスが含まれた。最大並進運動速度は約５００μｍ／秒であった。スポッ
ト寸法は約５μｍであった。
【００５７】
単一及び複数のパスの結果が報告され、運動の影響が分析された。パルス間の重複が大
きいものとして、運動の影響を含むモデルが開示された。この手法は溝の中心に沿った点
に蓄積されたフルエンスの決定を含んだ。分析のための有用な枠組みを提供したにもかか
わらず、効果的なフルエンスはパルスごとにいくぶん変化することがあり、またターゲッ
トが移動しているか否かにかかわらず、単一又は幾つかのパルス照射は、多くのパルスと
は大いに異なる結果をもたらし得ることが認識された。幾つかの結論は溝の幅上の並進運
動の影響をわずかに反映しているが、粗さ及び破片のため、この影響を定量化するのは困
難である。これらの結果はまた、他の研究と比較された。様々な他の形態が特定された。
【００５８】
全てのパスにわたって直線のモデルでは、アブレーションの性能は予測できなかった。
最高数ジュール／ｃｍ２のフルエンスを用いると、報告される１パルス当たりのアブレー
ション深さが１μｍをはるかに下回ることが、全体として観察された。偏光効果はいくぶ
ん大きく、偏光に伴う分岐は並進運動方向と平行であった。溝の形成とともに、予期され
るアブレーション深さの限界が観察され、その結果、溝の底部ではフルエンスが十分でな
いことが明らかになった。一例では、最初の数回のパスの結果、大量の材料がほぼ直線的
に除去された。しかし、２０回のパスを超えると、排出される材料の量は低減した。材料
の再堆積は、溝の縁付近でのパルスの縁部による除去に匹敵することが明らかになった。
多数のパス後には、縁は、追加のパスによって大きく浸食されることが予期された。
【００５９】
本発明者らの実験では、繰返し率を約数百ｋＨｚ以上、好ましくは幾つかの実施例では
少なくとも約１ＭＨｚに増大させることで、数百ｋＨｚ未満で得られる結果と比較すると
、除去される材料と再堆積材料の比を改善した。これらの結果は、高い処理能力の加工に
適した並進運動速度で得られ、高速ミラーシステムの運動速度の幾つかの現在の限界に接
近していた。また、少なくとも幾つかの結果は、繰返し率が高すぎると、望ましくない熱
効果、リキャスト、及び通常望ましくないＨＡＺにより引き起こされる材料の変質を招く
ことを示している。高い処理能力と破片の低減の両方を同時に実現することは、特定の実
施例によって実現できる全般的な目標及び有益な結果である。
【００６０】
例として、厚さ５０μｍ又は類似の基板のスクライビング及び／又はダイシングは、少
なくとも１５μｍの集束スポット寸法、幾つかの実施例では約１５〜５０μｍの範囲内の
スポット寸法で実施することができる。例えば数ミクロン（例えば、ある場合には約３ミ
クロン）などの他のスポット寸法を使用することもできる。幾つかの実装形態では、約１
ミクロンから約５ミクロンの範囲内のスポット寸法が使用される。除去される材料の量は
通常、走査速度、スポット重複、繰返し率（表面に送達される１秒当たりのパルス）、パ
ルスエネルギー、及びスポット直径を含む１つ以上の要因によって決定される。幾つかの
実施例では、表面上の隣接するスポット間の十分な重複により、比較的均一な幅のパター
ンの切削又はスクライビングが実現される。幾つかの実験システムでは、スポット寸法を
約１５μｍとした場合、少なくとも数マイクロジュールという比較的高いパルスエネルギ
ーにより、通常直径約１５〜２０μｍの領域内でアブレーションが生じる。走査システム
、例えばガルバノメータベースのミラースキャナは最高約１０〜２０ｍ／秒の走査速度を
提供することができる。
【００６１】
材料除去の要件は変動しており、領域内の蓄熱は、パルスエネルギー、繰返し率、及び
速度パラメータを含む１つ以上の要因の適切な選択によって増減させることができる。幾
つかの実施例では、領域内の蓄熱を増大させて材料除去を容易にすることができると望ま
しい。様々な実施例では、極短パルスを高い率で加えて運動速度を低減させ、極短以外の
パルスに類似の熱効果を引き起こすことができる。少なくとも１つの実施例では、パルス
エネルギー、繰返し率、速度、及びパルス幅のうちの１つ以上を調整することができる。
幾つかの実施例では、利用可能なパルスエネルギーは少なくとも約５μＪであり、繰返し
率は最高約１０ＭＨｚに調整可能であり、表面のビーム速度は約０．１ｍ／秒から最高約
１０ｍ／秒の範囲内とすることができ、パルス幅は１ピコ秒未満から最高数ナノ秒の範囲
内で提供される。例として、１ＭＨｚの率、４０μｍのスポット、及び０．１ｍ／秒の速
度の場合、スポット間の重複は９９％を超える。局部的な蓄熱が大きくなることがある。
１ＭＨｚの率が維持され、速度が約５ｍ／秒に増大された場合、スポット重複は５０分の
１低減し、加工領域内の蓄熱が低減される。従って、様々な有利な実施例では、約０．０
０１から約０．９９の範囲内の重複係数を利用することができる。他の範囲も可能である
。
【００６２】
ストリート内の材料は異なるウエハ設計とともに変動することがあるので、レーザシス
テムの幾つかの実装形態では、広い範囲にわたって特定のパラメータの調整を実現するこ
とが望ましい。例えば、走査速度、パルスエネルギー、繰返し率（パルスが表面に当たる
率）、パルス幅、及びスポット寸法は、広い範囲にわたって、例えば幾つかの実施例では
少なくとも２：１で調整可能であることが好ましい。１つ以上のそのようなパラメータ、
例えばパルス幅、速度、及び繰返し率は、１０：１より大きな範囲にわたって調整可能と
することができる。他の実施例では、他の調整可能な範囲も可能である。
【００６３】
スクライビング及び裸のシリコンのダイシングには異なるレーザ及び速度パラメータが
必要とされ、その結果、異なる材料特性が必要とされることがある。幾つかの実施例では
、比較的高いパルスエネルギー及びパルス間の高い重複、例えば９９％を上回る重複によ
って蓄熱を増大させることで、材料除去が容易になる。これらの実施例の幾つかでは、副
次的な損傷又は破片の増大を回避するために、十分によく制御された熱影響域（ＨＡＺ）
を維持するべきである。
【００６４】
典型的な多材料デバイス、例えばパターン付きウエハは、深さ方向に積層された導体、
誘電体、及び半導体材料を含むことができる。典型的な多材料デバイスの加工は、例えば
、１ＭＨｚの繰返し率、約４０μｍのスポット寸法、及び隣接するスポット間で約７５％
から９９％より大きな重複をもたらす運動速度で実施することができる。
【００６５】
例として、パルス繰返し率が約数百ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内である場合、破片
の制限とＨＡＺの制御を同時に行いながら、蓄熱を調整して材料除去を容易にするように
、走査速度を制御することができる。幾つかの実装形態では、金属層及び誘電体層の除去
は、裸のシリコンの除去に使用される走査速度より実質上遅い走査速度で実施することが
できる。その結果、金属及び誘電体のうちの少なくとも１つを除去する場合の隣接するス
ポット間の重複は、裸のウエハ加工の場合の重複より大きくすることができる（例えば、
幾つかの実施例では、少なくとも約１０倍大きい）。場合によっては、約１５〜４０μｍ
、通常約３０〜４０μｍの範囲内の集束スポット寸法が、高い処理能力を実現する。
【００６６】
図１Ｇ−２を再び参照すると、特定のウエハ設計では、ストリート１２７の幅を、例え
ば数十ミクロンに低減させることができる。それに対応して、上記の特定の好ましい値（
例えば、場合によっては約４０μｍ）からスポット寸法を低減できると有利である。例え
ば、約２５μｍの幅を有するストリート内の切削、スクライビング、又は他の加工動作に
対して、約５μｍのスポット寸法を使用可能とすることができる。それに応じて、幾つか
のレーザパラメータを調整することができ、また様々な設計上の選択肢を利用して、特定
のパラメータに関連する物理的制限を回避することができる。例えば、数ミクロン（例え
ば、ある場合には約３ミクロン）などの他のスポット寸法を使用することができる。幾つ
かの実装形態では、約１ミクロンから約５ミクロンの範囲内のスポット寸法が使用される
。狭いストリート幅（例えば、数十ミクロン未満）を加工するには、約数ミクロンのスポ
ット寸法が有利であろう。
【００６７】
図１Ｇ−２を再び参照すると、ストリート１２７内の切削経路１２７−ｂを示し、この
例では、切削経路１２７−ｂは、ストリート領域上の中心に位置決めされる。ウエハのス
クライビング及び破断は、レーザ、例えばナノ秒パルスレーザとダイシングソーの組合せ
で実施できることが知られている。幾つかの実装形態では、ナノ秒レーザはストリートの
中心からほぼ等しい距離で２本の線をスクライビングすることができる。ストリート上の
中心に位置決めされたダイシングブレードを使用して残りのウエハを切削し、それによっ
て個々のダイを作製することができる。本明細書に記載の実施例は、任意の経路（例えば
、ウエハに対する所定の経路）に沿って材料を変質させるように使用することもでき、及
び／又は様々な組合せで（例えば、ダイシングソーを用いる）使用することもできる。変
質又は加工すべき材料は、金属、低誘電率材料を含む誘電体、及び／又は半導体を含むこ
とができる。さらに、幾つかの実装形態では、フェムト秒レーザを用いて、例えば厚さ５
０μｍのウエハなどの極めて薄いウエハの加工を実施し、ウエハの厚さ全体、又はその相
当な部分を切削することができる。幾つかの実施例では、そのような極めて薄いウエハの
機械ダイシングの使用を低減又は排除することができる。
【００６８】
例えば、特定の実装形態では、精密な位置決めの要件が増大することがあるが、全体的
なパルスエネルギーを低減させることができる。特定の波長でスポット寸法を低減させる
結果、焦点深度（ＤＯＦ）が低減されることがよく知られている。ＤＯＦの低減は通常、
スポット寸法の２乗に比例して変動する。大きな深さ範囲にわたる加工が必要とされる場
合、場合によっては、動的な集束又はその改善のための様々なよく知られている方法及び
システムを適用することができる。例として、スポット寸法が５０μｍから５μｍに低減
すると、ＤＯＦは１００分の１低減する。他方では、あるスポット面積にわたって所与の
フルエンスを実現するための全体的なパルスエネルギーはスポット直径の２乗に比例して
低減する。幾つかの実装形態では、より小さなスポット寸法の場合、はるかに低い最大パ
ルスエネルギーを使用することができ、また様々な誘電体、導体、及び半導体材料を加工
するための最大パルスエネルギーは、例えば、約１００ｎＪ、又は最高約１μＪとするこ
とができる。スポット寸法をより小さくすると、運動制御に対して幾つかの問題点を招く
こともある。幾つかの実施例では、低減させた走査速度を利用することができるが、精密
な位置決めの要件が増大されることもある。
【００６９】
従って、幾つかの実施例では、所与のフルエンス及び繰返し率で加工しながら、パルス
エネルギー及び速度を下方へ調整することができる。例として、パルス重複が９９％を超
え（例えば、少なくとも９９．５％）、繰返し率が１ＭＨｚであり、またスポット寸法が
約４μｍである（例えば、幾つかの実施例で使用される４０μｍのスポット寸法から１０
分の１の低減）ものとする。この例では、対応する走査速度は１０ｍｍ／秒程度である。
このフルエンスは、スポット寸法が１０分の１低減される結果、パルスエネルギーを少な
くとも数マイクロジュール（例えば、５μＪ）の範囲から１００ナノジュール未満（例え
ば、５０ｎＪ）に低減させることによって得ることができる。
【００７０】
同様に、幾つかの実施例では、特定の微細機械加工動作に対してパルスエネルギーが比
較的低い場合、繰返し率を数十ＭＨｚに増大させることができる。例えば、幾つかの切削
又はスクライビングの適用分野では、比較的低いフルエンスで単一の材料層、又は幾つか
の層の選択的除去を必要とすることがある。
【００７１】
図１Ｇ−３を参照すると、斜線領域（必ずしも原寸に比例しない）によってより多くの
層の１つを概略的に表す。この層は、誘電体及び／又は金属材料を含むことができる。特
定の加工の適用分野では、下にある裸のウエハ（斜線なし）は上層の変質後にレーザによ
って加工される。本発明者らはまた、熱加工（例えば、蓄熱）及び／又は十分な熱影響域
（ＨＡＺ）が、複合物層又は特定の材料（例えば、低誘電率誘電体）の層間剥離及び／又
は亀裂を低減又は回避することを見出した。また、ウエハを切削してダイを個片化するに
は、極短パルスに関連するＨＡＺを低減できると有益である。例として、ナノ秒パルスを
使用して層の除去とシリコンウエハのダイシングの両方を行う場合、性能は十分ではなく
、又は予測できないことがある。例えば、ナノ秒パルスによって過度のＨＡＺが生じると
、弱いダイ強度及び様々な他の材料の問題が生じることが知られている。
【００７２】
いかなる特定の理論も利用することなく、ウエハにレーザパルスが照射されると、ウエ
ハ内の電子は、レーザビームからのエネルギーをほとんど即座に吸収する。熱い電子と格
子が衝突する結果、電子システムと格子の間の熱平衡状態が急速に実現され、露出した面
積の温度が増大する。平衡状態に到達する時間は材料に応じて変動し、数百フェムト秒か
ら数十ピコ秒となることがある。露出した領域内の熱エネルギーは、その周囲のより冷た
い面積に伝わる。冷却率は、幾つかのパラメータ、例えば材料、熱い方の面積と冷たい方
の面積の温度差、並びに温度分布による影響を受ける。例示的な基準点として、シリコン
がその溶融温度を超えたままでいるおおよその期間は約数百ピコ秒である。
【００７３】
ダイシング又はスクライビングプロセスに対してナノ秒（又はパルス持続時間のより長
い）レーザが使用されるとき、照射される領域は、延長された時間枠にわたってその溶融
温度を超えたままである。「溶融プール」（例えば、溶融材料の領域）が形成され、冷却
されると縮小する。「沸騰」及び「冷却」プロセスにより、ＨＡＺ内に亀裂、表面粗さ、
及び空隙が生じる。そのようなプロセスは不規則である可能性があり、また材料変質の品
質を予測するのが困難である。
【００７４】
幾つかの実装形態では、フェムト秒パルスの照射は浅いＨＡＺを提供するが、極短パル
ス幅の結果、デバイスの下層との相互作用はほとんど発生しない。フェムト秒の加熱プロ
セスはほとんど瞬時であり、ＨＡＺを制限された厚さに限定し、変質した材料の下に配置
された層に実質上影響を及ぼさない。特定のそのような実装形態では、はるかに平滑でか
つ予測可能な表面形態が実現可能である。
【００７５】
しかし、これらの実装形態の幾つかでは、極短レーザパルスによって非常に浅いＨＡＺ
が形成される結果、複数の材料の材料変質がほとんど又は全く発生しない。例えば、層間
の溶融が生じないことがある。従って、これらの実装形態では、多層デバイス、特に少な
くとも１つの低誘電率材料を有するデバイスを用いたダイシング又はスクライビングの性
能は、フェムト秒レーザパルスを使用することによっていくぶん制限されることがある。
さらに、これらの実装形態の幾つかでは、層間剥離が発生することがある。しかし、本発
明者らは、以下に記載の実験に示すように、本明細書に記載のシステム及び方法の幾つか
の実施例では、パルスエネルギー及び／若しくはフルエンスの増大、並びに／又は走査速
度の低減により、多材料ターゲット領域内で良好な加工結果を提供することを見出した。
従って、本明細書に記載の本発明者らの結果を使用すると、ターゲットの１つ以上の材料
内の蓄熱及び／又はＨＡＺを制御することができる。例えば、本明細書に開示のシステム
及び方法の実施例は、層間剥離（例えば、誘電体材料と金属材料の層間剥離）を低減又は
回避するのに十分なほど高い蓄熱をターゲット内に提供するように構成することができる
。
【００７６】
幾つかの実施例では、複数のレーザを利用することができ、複数の光源を有する組み込
まれたレーザシステム内で、又は調整可能なパルス幅を有する光源として構成することが
できる。例として、例えば数百ピコ秒及び最高数ナノ秒の比較的長いパルス幅を利用して
ＨＡＺを増大させ、加工物の第１の深さ方向部分を加工し、特に低誘電率層並びに／又は
他の金属及び／若しくは他の誘電体を除去することができる。そのような金属は、それだ
けに限定されるものではないが、銅、アルミニウム、及び／又は金を含むことができる。
誘電体材料は、それだけに限定されるものではないが、二酸化シリコン、窒化シリコン、
及び／又は様々な有機若しくは無機材料を含むことができる。図１Ｇ−１〜１Ｇ−３に示
す例に概略的に示すように、誘電体及び／又は金属材料の構成は３次元で変動することが
ある。
【００７７】
幾つかの実施例では、極短パルスを使用して、無視できるほどのＨＡＺを生成すること
によって、加工物の第２の深さ方向部分を加工することができる。様々な実施例では、少
なくともウエハ全体又はウエハの相当な部分を切削するには、特に非常に薄いウエハ、例
えば１００μｍ以下の厚さを有するウエハを切削するには、フェムト秒パルスが利用され
る。さらに、これらの実施例の幾つかでは、金属及び／又は誘電体の加工の少なくとも一
部分もまた、フェムト秒パルスを用いて実施することができる。
【００７８】
少なくとも１つの実施例では、単一のレーザ光源を利用することができる。レーザパラ
メータの調整により、加工領域内の熱の発生と領域から外側への熱の伝達を均衡させるこ
とができる。このとき、層間剥離及び／又は望ましくない熱応力が低減又は回避される。
【００７９】
様々な実施例では、ピコ秒のパルス幅を利用して、低誘電率材料を除去することができ
る。例えば、少なくとも１つのパルスは、約１００ピコ秒から約５００ピコ秒、約１００
ピコ秒から２５０ピコ秒の範囲内、又は約２００ピコ秒から５００ピコ秒の範囲内とする
ことができる。幾つかの実施例では、少なくとも１つのパルスは、例えば少なくとも約０
．１５Ｊ／ｃｍ２のフルエンスに対応して、３０〜４０μｍのスポット直径にわたって約
２μＪから１０μＪの範囲内のパルスエネルギーを有することができる。パルス幅及びフ
ルエンスのそのような例では、金属及び誘電体を加工するのに十分なＨＡＺを生成して、
ある期間内に、複数の層の材料の変質、（例えば、溶融及び除去）を提供することができ
る。しかし、溶融した材料のいかなる領域も、ＨＡＺ内の望ましくない亀裂、表面粗さ、
及び／又は空隙を低減又は回避するのに十分なほど浅い（例えば、深すぎない）。他の実
施例では、他のパルス幅、パルスエネルギー、スポット直径、及びフルエンスを使用する
こともできる。
【００８０】
幾つかのデバイス設計では、ストリート１２７の幅を低減させることができる。次いで
、レーザシステムの実施例は、狭くした領域内で加工するためにスポット寸法を低減させ
て構成することができる。次いで、これらの実施例幾つかでは、所与のフルエンスを維持
しながら、パルスエネルギーを低減させることができる。しかし、幾つかの適用分野では
、加工のために比較的高いフルエンスを選択することができ、また様々な金属及び誘電体
の加工に対して有利であろう。
【００８１】
微細機械加工のためのパルスレーザシステムの例示的な実施例
図１Ｆは、レーザパルスを用いて加工物を加工するのに適したシステム１００の一実施
例を概略的に示す。システム１００はレーザシステム１０４を含み、レーザシステム１０
４は制御装置１１４及び走査システム１０６に動作可能に結合される。幾つかの実施例で
は、レーザシステム１０４は、１つ以上の極短パルス（ＵＳＰ）を含むレーザパルスを出
力するように構成される。例えば、少なくとも１つの実施例では、レーザシステム１０４
はＵＳＰレーザを含む。様々な実施例では、システム１００は相当な範囲にわたって特定
のパルスパラメータの調整を実現する。そのようなパラメータは、パルスエネルギー、パ
ルス繰返し率、パルス幅、スポット直径、隣接するスポットの重複、及び走査速度のうち
の１つ以上を含むことができる。例として、最高約１ＭＨｚ又は最高約１０ＭＨｚの調整
可能な繰返し率で、パルスを生成することができる。出力パルスは約１μＪ以上、例えば
最高約５〜２０μＪのエネルギーと、約１ピコ秒以下のパルス幅とを有することができる
。システム１００の様々な実施例のさらなる詳細について、以下に説明する。
【００８２】
幾つかのタイプのパターン付き基板及びパターンなし基板の加工には、少なくとも数百
ｋＨｚの繰返し率で動作する増幅レーザシステム、特に極短ファイバベースのチャープパ
ルス増幅システム（ＦＣＰＡ）が適している。増幅された極短パルスの列を用いると、例
えば数マイクロジュールの高いパルスエネルギーが得られる。少なくともマイクロジュー
ルの範囲内の十分なパルスエネルギーが得られ、幾つかの実施例では、１５〜４０μｍの
典型的なスポット直径で高い処理能力を実現する。
【００８３】
幾つかの実装形態では、複数のパスを使用することができる。これらのパスで使用され
るパルスエネルギーは、追加のパスで使用されるエネルギーと同じであっても異なっても
よい。さらに、幾つかの実施例では、パルスエネルギーをパス間で変動させることができ
る。
【００８４】
幾つかの実施例では、他のレーザパルスパラメータをパス間で調整することができる。
例えば、少なくとも導電材料及び／又は誘電体材料の除去には、比較的長いパルス幅を使
用することができる。そのようなパルス幅は、最高数ナノ秒（ｎｓ）、１ナノ秒未満、又
は約５００ピコ秒以下とすることができる。少なくとも下にあるシリコン材料を切削する
ために、極短パルス、例えば１ピコ秒に満たないパルスを使用することもできる。
【００８５】
幾つかの実装形態では、別々のパスにおいて、又は幾つかの実施例では、任意の単一の
パス中にレーザ光のバーストを材料のターゲット面積に加えることによって、長パルス及
び短パルスを加えることができる。場合によっては、バーストは所定の繰返し率で加える
ことができ、また時間的に変位又は重複させたレーザ光の少なくとも第１及び第２のパル
スを含むことができ、また第１のパルス幅は第２のパルス幅より大きくし、幾つかの実施
例では持続時間で１０ピコ秒より大きくすることができ、第２のパルス幅は極短パルス、
例えば１ピコ秒に満たないパルスとすることができる。バースト内のパルスのパルス離隔
距離は、約１μ秒から０．１μ秒とすることができ、幾つかの実施例では、より短い離隔
距離を使用することができる。第２のパルス幅は、上記のとおり、１ピコ秒に満たないも
の（例えば、１００フェムト秒未満）から約１０ピコ秒、通常約５０ピコ秒未満とするこ
とができる。さらに、第１及び第２は、時間的順序に制約されるものではなく、任意の順
で加えることができる。例えば、それぞれ最初に上側から走査するか、それとも底側から
走査するかによって、逆の順になる可能性がある。
【００８６】
幾つかの微細機械加工の実装形態に対する１つの可能な好ましいレーザシステムは約数
百ｋＨｚから１０ＭＨｚの調整可能な繰返し率（表面に送達されるパルス）で少なくとも
約５μＪのパルスエネルギーを提供し、最高約１０ｍ／秒の速度で走査するスキャナに結
合される。このシステムは、高いパルスエネルギー及び十分に高い処理能力を実現するた
めに、光パワー増幅器を含むことができる。システムの少なくとも一部分はファイバベー
スであることが好ましい。
【００８７】
１つの好ましい実施例では、レーザ光源はＹｂドープ増幅ファイバレーザ（例えば、Ｉ
ＭＲＡ  Ａｍｅｒｉｃａから入手可能なＦＣＰＡ  μＪｅｗｅｌ）を含む。そのようなレ
ーザは市販の固体レーザシステムに勝る幾つかの主な利点を提供する。例えば、このレー
ザ光源は約１００ｋＨｚから５ＭＨｚの範囲にわたって可変繰返し率を提供する。発振器
だけのシステムより高いパルスエネルギーにより、焦点幾何形状をますます柔軟にする（
例えば、所与のフルエンスに対してスポット寸法をより大きくする）ことができる。少な
くとも１つの実施例では、約１ＭＨｚの繰返し率で最高約１０μＪのパルスエネルギーを
加えることができ、５ＭＨｚの率では少なくとも約１μＪを加えることができる。様々な
固体の再生式増幅システムより高い繰返し率により、速度をより速くすることができる。
幾つかの発振器はマイクロジュールのパルスエネルギーをもたらすことが実証されている
が、複雑さはＣＰＡシステムと少なくとも同等である。
【００８８】
そのようなエネルギーはまた、パワー増幅器、例えばほぼ回折限界の出力ビームを生成
する少なくとも１つの大モード増幅器を利用するファイバベースのシステムの実施例で実
現可能である。少なくとも１つの実施例では、大モード増幅器は、モードロック式ファイ
バ発振器からの低エネルギーのパルスを受け取って、これらのパルスをマイクロジュール
レベルに増幅することができる。発振器及びパワー増幅器を組み込んで、オールファイバ
システムを形成することが好ましい。多数の可能性が存在する。
【００８９】
幾つかの実施例では、特により低いパルスエネルギー及び／又はより高い繰返し率を用
いて加工するために、オールファイバ極短パルスレーザシステムを利用することができる
。このシステムは、１ピコ秒未満のパルス幅を生成するファイバベースのパルス増幅シス
テムを含むことができる。光スイッチを用いてファイバ発振器からの低エネルギーのパル
スを選択し、ファイバ増幅器を用いて少なくとも約１００ｎＪに増幅することができる。
エネルギーが比較的低い場合、ファイバ増幅器を用いて１ピコ秒に満たないパルスを増幅
することができる。他の実施例では、オールファイバ・チャープパルス増幅システムは、
パルス・ストレッチャ及びパルス圧縮器を含むことができる。圧縮器は、少なくとも部分
的なパルス圧縮を実行するファイバ圧縮器、バルク圧縮器、又はその組合せを含むことが
できる。さらなる増幅、高調波変換などを含む多くの変形形態が可能である。
【００９０】
様々な実施例は、多数の微細機械加工の適用分野に適したファイバベースのチャープパ
ルス増幅システムを含む。このシステムは、最高数十マイクロジュール、及び最大約１０
０μＪまでのパルスエネルギーを使用して材料を加工するのに特に適している。スポット
直径は約１ミクロンから約１００μｍの範囲内とすることができる。幾つかの実施例では
、スポット寸法は約１０μｍから１００μｍ、又は１０μｍから約６０μｍ、又は２５μ
ｍから５０μｍの範囲内とすることができる。パルス幅は数十フェムト秒（例えば、５０
フェムト秒）から約５００ピコ秒の範囲内とすることができる。これらのパラメータは通
常、加工している加工物材料（複数可）に対するアブレーション閾値付近又はそれを上回
るエネルギー密度を実現し、また必要な全体的なエネルギーは、例えば、スポット直径に
依存することがある。加工物材料は、それだけに限定されるものではないが、金属、無機
誘電体、有機誘電体、半導体材料、低誘電率誘電体材料、又はこれらの組合せを含むこと
ができる。
【００９１】
図１Ｆは、加工物、例えば半導体基板を加工するのに使用することが可能なシステム１
００の第１の実施例を概略的に示す。システム１００はレーザシステム１０４及び走査シ
ステム１０６を含む。この実施例では、走査システム１０６は、２次元走査が可能な２つ
のビーム偏向器１０８、例えばガルバノメータ走査ミラーを含む。他の実施例では、異な
る数及び／又はタイプの走査ミラーを使用することもできる。幾つかの実施例では、走査
は１次元で行うことができる。走査システム１０６はまた、例えば、ターゲット基板１１
２に実質上平坦な視野をもたらすことが可能な組み込まれたｆθレンズなどの集束光学系
１１０を含むことができる。例えば、幾つかの実施例では、このｆθレンズは、約８００
０ｍｍ２の面積にわたって実質上平坦な視野で２０μｍのレーザ焦点スポットをもたらす
ように構成される。他の実施例では、例えばウエハ切削又はダイシングの適用分野では、
約６０ｍｍ×６０ｍｍの面積にわたって実質上平坦な視野で、１０〜５０μｍのレーザ焦
点スポットを利用することができる。走査システム１０６（及び／又は他のシステム構成
要素）は、制御装置１１４によって制御することができる。例えば、制御装置１１４は、
１つ以上の汎用及び／又は特殊目的コンピュータを含むことができ、これらのコンピュー
タは、遠隔、及び／又はシステム１００にローカルとすることができる。
【００９２】
他の実施例では、走査システム１０６内で追加の光学素子（例えば、ミラー、レンズ、
格子、空間光変調器など）を利用することができる。基板内に形成すべきパターンは、有
線及び／又は無線の技法を含む多くの方法を介してシステム１００に通信できることが、
当業者には認識されるであろう。特定の実施例では、パターンは曲線及び／又は多角形を
含むベクトル・グラフィックスによって表され、３次元の機械加工命令を含むことができ
る。多くの変形形態が可能である。
【００９３】
幾つかの実施例では、レーザシステム１０４は、１つ以上の極短パルス（ＵＳＰ）を出
力するように構成されたＵＳＰレーザを含むことができる。極短パルスは、例えば、約１
０ピコ秒未満などの持続時間を有することができる。図１Ｆに示す例示的なシステム１０
０では、レーザシステム１０４は、超高速パルス列を生成することが可能なファイバベー
スのレーザを含むことができる。例えば、このレーザは、ＩＭＲＡ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉ
ｎｃ．（ミシガン州アナーバー）から入手可能なＦＣＰＡ  μＪｅｗｅｌレーザを含むこ
とができる。レーザパルスの波長は約１μｍとすることができる。幾つかの実施例では、
例えば波長約５２０ｎｍの緑色光パルスなど、より短い波長のレーザパルスが使用される
。他の実施例では、任意の他の適切なレーザシステムを実施することができる。特定の実
施例では、レーザシステム１０４はパルス幅が約１０ピコ秒未満のレーザパルスを生成す
ることができる。例えば、パルス幅は約１００フェムト秒から約１ピコ秒の範囲内とする
ことができる。幾つかの実施例では、パルス幅は約１０フェムト秒から約５００ピコ秒の
範囲内である。レーザシステム１０４の他の実施例では、例えば、１０ナノ秒以下、１ナ
ノ秒以下、１００ピコ秒以下、１ピコ秒以下、及び／又は１００フェムト秒以下などの他
のパルス幅が使用される。
【００９４】
特定の実施例では、レーザシステム１０４はダイオードベース及び／又はマイクロチッ
プレーザ種光源を含むことができ、また約１ナノ秒、数ナノ秒、及び／又は最高約１０ナ
ノ秒の持続時間を有するパルスを出力することができる。レーザシステム１０４は所望の
特性を有するパルス出力するのに適した任意のタイプのレーザを含むことができる。
【００９５】
幾つかの実施例では、比較的高いレーザ繰返し率を使用して、比較的迅速なレーザ加工
を可能にする。例えば、繰返し率は、５００ｋＨｚより大きくすることができる。特定の
実施例では、約１ＭＨｚから１０ＭＨｚの繰返し率を使用することができる。他の繰返し
率も可能である。本明細書に開示の結果に基づいて、幾つかの実施例では、比較的高い繰
返し率を利用して、図１Ｄに概略的に示す再堆積材料１００５−ａの量を低減させること
ができる。幾つかの実装形態では、各焦点スポットの直径内で、数十又は数百のレーザパ
ルスが重複することがあり、幾つかの実施例では、各焦点スポットは直径約２０μｍ、又
は１０〜５０μｍとすることができる。他の実施例では、異なる数のパルスが重複するこ
とがある。例えば、幾つかの実施例では、少数のパルス、例えば３つのパルスが重複する
ことがある。比較的高い繰返し率の別の可能な利点は、より低い繰返し率が使用されると
きより短い時間内に基板を加工できることである。従って、特定の実施例では、改善され
た品質を同時に提供しながら、システム１００の処理能力が改善される。
【００９６】
図２Ａは、超高速パルス列を介して半導体ターゲット基板１１２を加工するのに使用で
きるシステム２００の一実施例を概略的に示す。このシステム２００は、図１Ｆに概略的
に示す実施例に全体として類似のものとすることができる。図２Ａに示す実施例内のレー
ザシステム１０４は、図１Ｆに示す実施例には図示していない任意選択の内部パルス変調
器２０２を含む。光変調器２０２はレーザパルス列の繰返し率の変調に使用することがで
きる。幾つかの実施例では、レーザパルス列は、例えば極短パルスの１つ以上の列など、
１つ以上の極短パルスを含む。幾つかの実施例では、変調器２０２は、レーザパルス繰返
し率を、発振器繰返し率（幾つかのファイバレーザ実施例では、通常約５０ＭＨｚ）から
機械加工繰返し率（通常約１ＭＨｚ以下）に変化させるように適合される。例えば、変調
器２０２は、Ｎ個おきのパルスだけを発振器パルス列から最終パワー増幅器へ伝送するこ
と、又はパルス群を伝送することを可能にするように構成することができる。特定の実施
例では、発振器の安定性を改善するために５０ＭＨｚ程度の発振器繰返し率が利用される
場合、高エネルギーのパルス列を生成するためにそのような発振器増幅器構成を実施でき
ると好都合である。そのような発振器増幅器システムは、当業者にはよく知られている。
【００９７】
特定の実装形態では、内部変調器２０２により、パルスエネルギー及びパルスピークパ
ワーを実質上瞬時に変化させながら、増幅器内の平均パワー及び熱条件を実質上同じまま
にすることができる。内部変調器２０２は、音響光学変調器又は任意の他の適切な光変調
器を含むことができる。特定の実施例では、レーザシステム１０４は、パルスエネルギー
が約１μＪを上回り、パルス持続時間が約１０ピコ秒より短く、パルス繰返し率が約１０
０ｋＨｚより大きなパルスを出力する。
【００９８】
図２Ａに示す実施例はまた、例えば第２高調波発生（ＳＨＧ）変換器などの周波数変換
器２０４を含む。この実施例では、高調波変換効率はレーザパルスエネルギーに比例する
ので、ＳＨＧ変換器と内部変調器２０２を組み合わせると、「高速シャッタ」を提供する
。従って、発振器からのレーザ繰返し率を変調することによって、機械加工ビーム（例え
ば、伝送されるＳＨＧビーム）を実質上瞬時にオン及びオフにすることが可能である。そ
のような迅速なシャッタリングは機械的には可能ではなく、また光学的には、ビーム品質
、パルス持続時間などの劣化を引き起こすことなく高いレーザパワーのために実施するの
は困難である。幾つかの実施例は、第３高調波発生変換器及び／若しくは第４高調波発生
変換器又は任意の他の適切な高調波発生変換器を含むことができる。
【００９９】
図２Ａに示す実施例はまた、レーザシステム１０４、走査システム１０６、周波数変換
器２０４、及び／又は他のシステム構成要素を制御するために使用できる制御装置１１４
を含む。例えば、特定の実施例では、変調器２０２並びに走査システム１０６（例えば、
走査ミラー１０８及び／又は集束光学系１１０）の制御は、レーザ照射条件をはるかに大
幅に制御できるようにし、それによって機械加工の深さ及び横方向の範囲をより大幅に制
御するように関連付けることができる。例えば、幾つかの実施例では、制御装置１１４は
、あるパルス繰返し率でのターゲット材料の加工中に、隣接する集束パルス（又はパルス
群）間の空間的重複を制御するように構成される。
【０１００】
図２Ｂは、超高速パルス列を用いてターゲット基板を加工するのに使用することが可能
なシステム２３０の一実施例を概略的に示す。この実施例では、レーザシステム１０４は
、例えばファイバベースのチャープパルス増幅（ＦＣＰＡ）システムなどのチャープパル
ス増幅システムを含む。ＦＣＰＡシステムを使用する利点には、効率及び信頼性の改善が
含まれる。また、平均出力パワーが実質上一定であり、又は励起パワーが固定されている
場合、ファイバ増幅器の出力エネルギー及びピークパワーは通常、発振器の繰返し率が増
大するにつれて低減するので、繰返し率に応じてファイバ増幅器の出力エネルギー及びパ
ワーが変動することを利用して、改善されたＦＣＰＡ性能を提供することができる。
【０１０１】
本願の譲受人に譲渡されている様々な米国特許は、小型のファイバ構成を使用するチャ
ープパルス増幅システムを開示している。１９９６年３月１２日出願のＧａｌｖａｎａｕ
ｓｋａｓらの「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｕｌｓｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｕｓｉｎｇ
Ｃｈｉｒｐｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ」という名称の米国特許第５，４９９
，１３４号、１９９７年１２月９日出願のＨａｒｔｅｒらの「Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ  Ｆ
ｉｂｅｒ  Ｃｈｉｒｐｅｄ  Ｐｕｌｓｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ
Ｂａｓｅｄ  Ｏｎ  Ｃｌａｄｄｉｎｇ  Ｐｕｍｐｅｄ  Ｒａｒｅ−Ｅａｒｔｈ  Ｄｏｐ
ｅｄ  Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の米国特許第５，６９６，７８２号、及び２００６年９
月２６日出願のＧｕらの「Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｈｉｒｐｅｄ  Ｐｕｌ
ｓｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  Ｔｅｌｅｃｏ
ｍ−Ｔｙｐｅ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ」という名称の米国特許第７，１１３，３２７号（
以下、「‘３２７特許」と呼ぶ）という米国特許のそれぞれの開示全体を、参照により本
明細書に組み込む。これらの特許に開示のレーザシステムのいずれか、並びに他の市販の
「オールファイバ」レーザシステムを、図２Ｂに示すシステム２３０とともに使用するこ
とができる。
【０１０２】
特定の実施例では、レーザシステム１０４は、ＦＣＰＡ  μＪｅｗｅｌレーザ（本願の
譲受人であるＩＭＲＡ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．から入手可能）を含む。ＦＣＰＡ  μ
Ｊｅｗｅｌレーザは圧縮器２５２の出力でレーザパルスを提供する。出力パルスは最高約
１ＭＨｚの調整可能な繰返し率で生成することができる。出力パルスは約１μＪ以上のエ
ネルギーと約１ピコ秒以下のパルス幅とを有することができる。幾つかの実施例では、ピ
ークパワー及びパルスエネルギーが、非直線効果を回避するのに十分なほど低い場合、バ
ルク出力圧縮器ではなくファイバ圧縮器をパルス圧縮に使用することができる。特定の実
施例では、出力エネルギー及びピークパワーの増大を実現するために、フォトニック・バ
ンドギャップ・ファイバ又はフォトニック結晶ファイバを単独で、又はバルク圧縮器若し
くは大面積ファイバと組み合わせて使用することができる。
【０１０３】
図２Ｂに概略的に示すシステム２３０の実施例では、レーザシステム１０４は単一パス
のファイバベースのチャープパルス増幅システムを含む。レーザシステム１０４は、高繰
返し率光源２３２、ファイバ・ストレッチャ２３６、ファイバ前置増幅器２４０、パルス
選択器／変調器２４４、ファイバパワー増幅器２４８、及び圧縮器２５２を含む。圧縮器
２５２の出力は極短パルス列とすることができる。幾つかの実施例では、圧縮器２５２は
、より長いパルス幅（例えば、約２００ピコ秒）を提供するように離調させることができ
る。他の実施例では、圧縮器２５２は使用されず、レーザシステム１０４は最高約１ナノ
秒、数ナノ秒、及び／又は最高約１０ナノ秒の幅を有するパルスを出力する。幾つかの実
施例では、レーザシステム１０４は、単一パス及び２重パスの前置増幅器、単一又は２重
パスのストレッチャ、並びにパワー増幅器構成（図示せず）のうちの１つ以上を含むこと
ができる。これにより、同等のパッケージ寸法内で、より長い引き延ばしたパルス幅及び
より高いパルスエネルギーを提供することができる。幾つかの実施例は、偏光維持（ＰＭ
）ファイバ増幅器、発振器、及びストレッチャ・ファイバを含むことができる。前述のよ
うに、制御装置１１４は、走査システム１０６を介してターゲット基板１１２へのパルス
の送達を調和させるように構成することができる。様々な実施例では、制御装置１１４を
使用して、レーザシステム１０４の構成要素、走査システム１０６、及び／又は他のシス
テム構成要素のうちの幾つか又は全てを制御することができる。一実施例では、制御装置
１１４は、パルス選択器／変調器２４４を制御することによってレーザシステム１０４を
制御するように構成される。前述のように、走査システム１０６は、例えば、例えばガル
バノメータ走査ミラーなどの走査ミラー１０８を含むことができる。走査システム１０６
はまた、集束光学系１１０を含むことができる。
【０１０４】
高繰返し率光源２３２は、１ＭＨｚをはるかに上回る、例えば約２０ＭＨｚから約１０
０ＭＨｚの範囲内の繰返し率で動作する自走パルス列を提供することができる。オールフ
ァイバベースの受動モードロック式又は他のデバイスを含むモードロック式レーザを使用
して、そのような繰返し率をもたらすことができる。対応するパルス幅は、例えば、約数
百フェムト秒から約１０ピコ秒の範囲内とすることができる。他の実施例では、非モード
ロック式レーザ光源を使用することもできる。例えば、準ｃｗ半導体レーザの出力を変調
し、また任意選択で圧縮して、ピコ秒又はフェムト秒のパルスを生成することができる。
適切なレーザ光源は、現在は米国特許出願公開第２００４／０２４００３７号である、Ｈ
ａｒｔｅｒの「Ｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｒｅｐ−Ｒａｔｅ  Ｓｏｕ
ｒｃｅ  Ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｅｎｅｒｇｙ，Ｕｌｔｒａｆａｓｔ  Ｌａｓｅｒｓ」という
名称の米国特許出願第１０／４３７，０５７号に記載の光源を含む。同願は本願の譲受人
に譲渡されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。
【０１０５】
ファイバ・ストレッチャ２３６は、ファイバ前置増幅器２４０及び／又はファイバパワ
ー増幅器２４８に対する非直線効果及び／又は損傷を回避するように高繰返し率光源２３
２からのパルスを引き延ばすために、ある長さの光ファイバ（例えば、ファイバの分散に
応じて約１００ｍから１ｋｍ）を含むことができる。ストレッチャ２３６は、ファイバブ
ラッグ格子（ＦＢＧ）、チャープＦＢＧ、又はその組合せを含むことができる。ストレッ
チャ２３６は、システム内に蓄積し得る残留ＴＯＤ（存在する場合）を部分的に補償する
ように、異常な３次分散（ＴＯＤ）を有するファイバを含むことができる。幾つかの実施
例では、残留ＴＯＤの大部分は、整合しないストレッチャ（ファイバベース）と圧縮器の
分散（バルク格子ベース）の使用に起因する。様々な例示的な実施例では、引き延ばした
パルスの幅は約５０ピコ秒、約１００ピコ秒から約５００ピコ秒の範囲内、又は最高約１
ナノ秒の範囲内とすることができる。パルスの引き延ばしは２重パスの構成で行うことも
できる。
【０１０６】
ファイバ前置増幅器２４０は高繰返し率光源２３２から放出されるパルスのエネルギー
を増幅する。ファイバ前置増幅器２４０は幾つかのレーザシステム１０４内で任意選択で
ある。光源２３２は、エネルギーが約数百ｐＪから約１ｎＪ、最高約５ｎＪのパルスを放
出することができる。幾つかの実施例では、前置増幅器２４０の出力でのパルスエネルギ
ーは、約１ｎＪを上回ることがあり、例えば約１ｎＪから約２０ｎＪの範囲内、幾つかの
実施例では最高約１００ｎＪとすることができる。幾つかの実施例では、マイクロジュー
ルの種パルスを生成するために、前置増幅器として大モード増幅器を使用することができ
る。例えば、高品質の出力ビームを提供する本願の譲受人によって開発された様々な増幅
器の選択肢（例えば、マルチモードファイバ、大コア漏洩チャネルファイバ、フォトニッ
ク結晶ファイバ、及び／又はフォトニック・バンドギャップ・ファイバを利用する増幅器
）について、以下にさらに説明する。これらの増幅器は、前置増幅器、パワー増幅器、又
は通常、多段式増幅器の少なくとも一部分として使用可能である。
【０１０７】
パルス選択器／変調器２４４は、パルスをパワー増幅器２４８に選択的に伝送するよう
に構成することができる。パルス選択器／変調器２４４は、音響光学変調器（ＡＯＭ）、
電気光学変調器（ＥＯＭ）、高速マッハツェンダ・デバイス（ＭＺ）、及び／又は電子吸
収変調器（ＥＡＭ）を含むことができる。ＡＯＭは高圧の電子機器を必要とせず、市販の
デジタルドライバ電子機器により使いやすさを提供する。マッハツェンダ変調器（ＭＺ）
は、ＧＨｚの帯域幅及び低い駆動電圧を有する組み込まれた光デバイスであり、多くの場
合、偏光させた入力ビームを必要とする。幾つかの実施例では、組み込まれたＭＺデバイ
スの面積が比較的小さいので、使用可能なピークパワーを制限することができる。‘３２
７特許に記載のように、幾つかの実施例では、パルス・ストレッチャ２３６は、変調器２
４４に入射するピークパワーを低減させる。ＭＺデバイスは１．５５μｍの電気通信の波
長で使用されてきたが、ＭＺデバイスは現在、１μｍの波長で利用可能である。‘３２７
特許は、ＭＺ変調器を使用するチャープパルス増幅システムを開示している。特定の実施
例では、パルス選択器／変調器２４４は約２０ｄＢから約３０ｄＢの強度制御を実現する
ことができ、また入力に応じたパワー増幅器２４８の伝達特性に基づいて、出力強度を少
なくとも部分的に制御するために使用可能とすることができる。
【０１０８】
特定の実施例では、ファイバパワー増幅器２４８は実質上基本モードで出力を提供する
ように構成されたマルチモードファイバ増幅器を含む。例えば、このシステムは、Ｆｅｒ
ｍａｎｎらの「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｒｅ
ｓｓｏｒｓ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の米
国特許第５，８１８，６３０号に記載のファイバパワー増幅器を利用することができる。
同特許は本願の譲受人に譲渡されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。マ
ルチモードファイバ増幅器は、望ましくない非直線性及び利得飽和が始まる前に、シング
ルモード（ＳＭ）ファイバで実現可能なものより高いピークパワー及びパルスエネルギー
をもたらす。他の実施例では、大面積の増幅器、例えばフォトニック・バンドギャップ又
はフォトニック結晶の設計を利用することができる。例えば、米国特許出願公開第２００
６／０２６３０２４号として公開されている「Ｓｉｎｇｌｅ  Ｍｏｄｅ  Ｐｒｏｐａｇａ
ｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｆｉｂｅｒｓ  ａｎｄ  Ｒｏｄｓ  ｗｉｔｈ  Ｌａｒｇｅ  Ｌｅａｋａ
ｇｅ  Ｃｈａｎｎｅｌｓ」という名称の米国特許出願第１１／１３４，８５６号に記載の
ように、漏洩モード設計で高品質の出力ビームが実証された。同願は本願の譲受人に譲渡
されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。
【０１０９】
前述のように、幾つかの実施例では、圧縮器２５２はオールファイバ圧縮器である。し
かし、幾つかの実装形態では、ピークパワーが高すぎる、例えば約１００ｋＷ以上である
場合、非直線効果がオールファイバ圧縮器の性能を制限することがある。このとき、ファ
イバ設計の小型さとバルク圧縮器に関連する柔軟性との間にはトレードオフが存在するこ
とがある。幾つかの実施例では、レーザシステム１０４内でファイバとバルク構成要素の
両方を使用することができる。
【０１１０】
高繰返し率光源２３２は約１μｍの出力波長を有するパルスを生成することができる。
幾つかの実施例では、システム２３０は任意選択の周波数変換器２５６を含む。例えば、
周波数変換器２５６は、それぞれの可視（例えば、緑色）又は紫外の出力波長（１μｍの
入力波長の場合）を生成する周波数２倍器、周波数３倍器、及び／又は周波数４倍器を含
むことができる。幾つかの実施例では、周波数変換器２５６は、パラメトリック増幅器を
含むことができる。変換効率は通常、ピーク強度がより高くなるとともに改善される。従
って、周波数変換器２５６は圧縮器２５２の出力を受け取るように位置決めできると有利
である。１つの例示的な実施例では、周波数変換器２５６は第２、第３、及び第４高調波
発生を提供するように構成された。第２高調波発生は第１種非臨界位相整合の硼酸リチウ
ム（ＬＢＯ）結晶を使用して実現された。第３高調波は基本波と第２高調波を第２種臨界
位相整合のＬＢＯ結晶で和周波混合することによって生成された。第３高調波発生のため
の実施例では、第１種ＬＢＯ及び第１種ベータ硼酸バリウム（ＢＢＯ）結晶を使用して、
近ＵＶ出力波長を生成することもできる。第１種臨界位相整合ベータ硼酸バリウム（ＢＢ
Ｏ）結晶では、第２高調波光の周波数を２倍にすることによって第４高調波を生成した。
この例示的な実施例では、１０４０ｎｍの基本波長で５０μＪの５００フェムト秒のパル
スを有する光が周波数変換器２５６に入力され、これにより、第２、第３、及び第４高調
波周波数に対して、それぞれ５３％、２５％、及び１０％の変換効率を提供した。１００
ｋＨｚのレーザ繰返し率では、この例示的な実施例は、１０４０ｎｍで約５．００Ｗの平
均パワー、並びに５２０ｎｍで約２．６２Ｗ、３４６ｎｍで約１．２０Ｗ、及び２６０ｎ
ｍで約５０４ｍＷの平均変換パワーをもたらした。変換されたパルスエネルギーは、５２
０ｎｍで約２６μＪ、３４６ｎｍで約１２μＪ、及び２６０ｎｍで約５μＪであった。周
波数が変換された極短パルスを提供するために使用できるレーザシステム１０４のさらな
る詳細は、Ｓｈａｈらの「１２μＪ，１．２Ｗ  Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  Ｐｕｌｓｅ  
Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ａｔ  ３４６ｎｍ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｔｒｉ
ｐｌｅｄ  Ｙｂ  Ｃｕｂｉｃｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」、２００５年、Ｃ
ＬＥＯ  ２００５  Ｐｏｓｔｄｅａｄｌｉｎｅ，ＣＰＤＢ１に記載されている。同文献全
体を参照により本明細書に組み込む。
【０１１１】
制御装置１１４を使用して、走査ビームの位置決めとレーザパルスの選択を調和させる
ことができる。特定の実施例では、高繰返し率光源２３２が自走するとき、高速光検出器
（図示せず）に結合されたある長さの光ファイバを使用して、ビームの一部分が検出され
る。この光検出器出力は制御装置１１４に同期信号を提供する。この同期信号をデジタル
信号とすることができると有利である。走査システム１０６は、例えばＳＣＡＮＬＡＢ  
Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．（イリノイ州ネーパービル）から入手可能なｈｕｒｒｙＳＣＡ
Ｎ（登録商標）ＩＩ  １４走査ヘッドなどの２次元ガルバノメータミラー１０８を含むこ
とができる。そのような走査ヘッドを使用する利点には、これらの走査ヘッドが低慣性デ
バイスであり、ユーザフレンドリな市販の制御装置を備え、従ってミラー位置及び／又は
速度信号が容易にプログラム可能であることが含まれる。走査システム１０６及び制御装
置１１４を並進運動段、回転段、及びロボットアーム（図示せず）の任意の適切な組合せ
とともに使用して、ターゲット基板１１２を位置決めすることもできる。幾つかの実施例
では、走査ミラー１０８を省略することができ、またレーザビーム及びターゲット基板１
１２を相対的に移動させるのに適した任意の他のシステム。例えばｆθレンズ及び／又は
高分解能の対物レンズなどの適切な集束光学系１１０を使用して、ターゲット材料の表面
上又はターゲット材料内に各レーザパルスを集束させることができる。幾つかの屈折光学
素子は、材料分散の結果、スポット配置及び集束の誤差、又は他の時間的若しくは空間的
な歪みをもたらすことがある。特定の実施例では、極短レーザパルスビーム向けに設計さ
れた市販の光学素子が使用される。特定の実施例では、制御装置１１４は、ターゲット材
料の加工中に隣接する集束レーザパルス（又はレーザパルス群）間の空間的重複を制御す
るように構成される。
【０１１２】
特定の実施例では、増幅器（複数可）を実質上連続的に動作させて損傷の可能性を低減
させ、これらの増幅器からの最大エネルギー抽出を実現できると望ましい。ファイバ増幅
器は、高速パルス列を増幅するのによく適している。しかし、幾つかの実施例では、材料
加工が行われない期間（「休止期間」）が延長される間に、増幅器損傷のリスクが増大し
、望ましくない増幅自然放出光（ＡＳＥ）が生成される。例えば、幾つかの増幅器では、
休止期間は、数十マイクロ秒から数百ミリ秒以上の範囲内となることがある。特定のファ
イバ増幅器では、高利得（強い励起）条件下で自由にレーザ発振するのに十分なレベルま
で利得を増大させるには、約１００μ秒という休止時間で十分なことがある。約２５〜４
０μ秒の休止時間後、種パルスが射出された場合、増幅器内で増大した利得は、出力ファ
イバのファセットの損傷を引き起こし得る高エネルギーのパルスをもたらすのに十分な利
得を有することがある。従って、特定の実施例では、例えば、米国特許出願公開第２００
５／０２２５８４６号として公開されているＮａｔｉらの「Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ａｐ
ｐａｒａｔｕｓ  Ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  Ａｎｄ  Ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ  Ｐ
ｕｌｓｅｄ  Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ
」という名称の米国特許出願第１０／８１３，１７３号に記載のように、入力パルスエネ
ルギーの動的調整及び／又は励起ダイオード電流の制御によって、レーザ構成要素の安定
化及び保護が提供される。同願は本願の譲受人に譲渡されており、その全体を参照により
本明細書に組み込む。
【０１１３】
システム２３０の様々な実施例では、制御装置１１４は、休止期間中にパルス選択器／
変調器２４４を高繰返し率（例えば、約５０ＭＨｚから約１００ＭＨｚ）で動作させるよ
うに構成することができる。休止期間中、増幅器２４８は通常、不飽和状態で動作してい
る。パワー増幅器の平均出力は基本波長でわずかに増大することがある。休止期間と「活
動」期間（システム２３０がターゲットを加工している）の間のパルスエネルギーの変調
は、ビームの迅速なシャッタリング（例えば、「オフ」及び「オン」機能）を提供するの
に十分なものとすることができる。幾つかの実装形態では、幾つかの「休止」期間中のタ
ーゲット基板１１２上のレーザのフルエンスは、アブレーション及び／又は表面変質閾値
を上回ることがあるが、「休止」期間と「活動」期間の間のフルエンスの変調は、プロセ
ス制御に十分なものとすることができる。幾つかの実施例では、任意選択のシャッタ２６
０を使用して、ターゲット基板１１２に入射するエネルギーを制御することができる。任
意選択のシャッタ２６０は、音響光デバイス、光学機械シャッタ、及び／又は電気光学シ
ャッタを含むことができる。
【０１１４】
システム２３０の特定の実施例は、例えば周波数の２倍化及び／又は３倍化を提供でき
る周波数変換器２５６を含む。特定のそのような実施例では、周波数変換器２５６の出力
で、パルスエネルギー及び／又はピークパワーを比較的低くすることができる。そのよう
な場合、変換器２５６の出力を比較的低いエネルギーのパルスとし、大部分のエネルギー
成分を基本波長のものとすることができ、ターゲット上の焦点では、エネルギーがターゲ
ット材料のアブレーション及び／又は表面変質閾値を下回るようにすることができる。幾
つかのシステム実施例では、ターゲット材料特性を変えないように、約２０ｄＢから約３
０ｄＢへの変調器調整で、広い動作範囲にわたって強度の制御を提供することができる。
【０１１５】
特定の実施例では、望ましくないビームエネルギーを減衰させる技法を使用することが
できる。例えば、望ましくないエネルギーは、スペクトルフィルタ（図示せず）を用いて
除去することができる。幾つかの実装形態では、第１種位相整合の場合の基本周波数と高
調波周波数の偏光状態の違いのため、偏光フィルタリングが可能になることがある。パル
ス選択器／変調器２４４を制御して、増幅器２４８へのエネルギーを制限することもでき
る。機械加工波長に対して、走査システム１０６内の集束光学系（又はスキャナが使用さ
れない場合、他の集束光学系）を最適化することができる（機械加工波長は、任意選択の
周波数変換器２５６が使用される場合、周波数変換された波長であることがある）。幾つ
かの実装形態では、集束光学系は、基本波長のスポット寸法を増大させてターゲット基板
１１２の表面のエネルギー密度を低減させるように構成することができる。
【０１１６】
実際の加工期間中、制御装置１１４を使用して、パルスを「ダウンカウント」し、又は
その他の方法で選択するように、パルス選択器／変調器２４４に信号を提供することがで
きる。幾つかの実施例では、加工繰返し率は約１００ｋＨｚから約１０ＭＨｚとすること
ができる。実際の加工中、ファイバ増幅器から最大エネルギーを抽出するために、飽和状
態又はほぼ飽和した状態でレーザを動作できると有利である。
【０１１７】
図３は、超高速パルス列を介して加工物（又はターゲット基板）１１２を機械加工する
ために使用することが可能なシステム３００の一実施例を概略的に示す。このシステム３
００は、図１Ｆ及び２Ａ、２Ｂに示す実施例に全体として類似のものとすることができる
。システム３００は、ターゲット基板１１２に結合されて走査ビームに対するターゲット
位置（及び／又は向き）を操作するように構成されたロボットアームシステム３０４をさ
らに含むことができる。ロボットアームシステム３０４は、単軸又は多軸システムとする
ことができる。幾つかの実施例では、走査システム１０６は、ターゲット基板１１２に対
して移動される走査ヘッドを含む。走査ビームとターゲット基板１１２の間の相対的移動
を提供する実施例の可能な利点は、このシステムで平坦でない表面を加工できることであ
る。
【０１１８】
図１−Ｆ、２Ａ、２Ｂ、及び３にそれぞれ概略的に示すシステム１００、２００、２３
０、及び３００の幾つかの実施例では、レーザスポット寸法は主に、走査システム１０６
内のｆθレンズによって決定される。幾つかの実装形態では、画像に対して妥当な加工面
積を有するように、約１０μｍより大きなスポット寸法が使用される。レーザシステム１
０４の特定の実施例は、はるかに小さなスポット寸法（例えば、１μｍ以下）を機械加工
することが可能である。幾つかの実施例では、そのような小さな焦点寸法の場合、著しく
低いパルスエネルギーが使用される。十分に大きな作業面積にわたって十分に高い分解能
を実現するには、ターゲット及びビームを互いに対して移動させることができる。例えば
、ターゲットを、実質上固定のレーザビームに対して移動させることができる（又は逆も
同様である）。
【０１１９】
システム１００、２００、２３０、及び３００の特定の実施例では、レーザシステム１
０４と走査システム１０６の間の光路に沿って可変望遠鏡を位置決めすることができる。
特定のそのような実施例では、ｆθレンズを走査システム１０６から省略することができ
る。可変望遠鏡を使用して、システムの焦点距離を動的に変動させることができ、またタ
ーゲット基板１１２上の焦点スポット寸法の連続的な変動を提供することができる。市販
の可変望遠鏡システムは、例えば、ＳＣＡＮＬＡＢ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．（イリノ
イ州ネーパービル）から入手可能なｖａｒｉｏＳＣＡＮ動的集束ユニットを含むことがで
きる。動的集束を用いるそのようなシステムは、ビーム焦点位置を３次元で調整する能力
、及び基板の反り又は他の平坦からの変形によって生じうるターゲット表面位置の変動に
追従して補償する有用な能力を提供する。
【０１２０】
図４Ａは、超高速パルス列を用いて半導体基板を加工するために使用することが可能な
システム４００の一実施例を概略的に示す。この実施例は、レーザシステム１０４と、レ
ーザビームに対してターゲット基板１１２を移動させるように構成された並進運動段４０
８とを含む。特定の実施例では、並進運動段４０８は、十分に高い加工速度を可能にする
ために、並進運動速度が比較的高い実質上一定の運動状態のままである。幾つかの実施例
では、並進運動段４０８は、Ｘ−Ｙ又はＸ−Ｙ−Ｚの並進運動段を含むことができる。例
えば、並進運動段４０８は、Ａｅｒｏｔｅｃｈ，Ｉｎｃ．（ペンシルベニア州ピッツバー
グ）から入手可能なＮａｎｏ−Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ（ＡＮＴＴＭ）段を含むことがで
きる。例えば、Ｂａｉｒｄらの「Ｌａｓｅｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｐｏｗｅｒ  Ｏｕ
ｔｐｕｔ  Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  
Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ」と
いう名称の米国特許第６，１７２，３２５号に記載のような、パルスレーザビーム及びタ
ーゲット基板の位置決めを相対的に制御する多くの技法が知られている。幾つかの実施例
では、制御装置１１４は、例えばＡｅｒｏｔｅｃｈ，Ｉｎｃ．（ペンシルベニア州ピッツ
バーグ）から入手可能なＮｍａｒｋ（登録商標）制御ソフトウェアなど、走査システム１０６と並進運動段４０８を調和させる制御命令を実行することができる。
【０１２１】
図４Ａに概略的に示すシステム４００の幾つかの実施例では、変調器４０２を使用して
、レーザと材料の相互作用の改善された制御のために実質上瞬時のレーザ変調を提供する
ことができる。変調器４０２は、図２を参照して記載の変調器２０２に全体として類似の
ものとすることができ、又は変調器４０２は、図４Ａに概略的に示す外部変調器とするこ
ともできる。特定の実施例では、制御装置１１４は、変調器４０２と並進運動段４０８の
関連付けられた制御を提供する。
【０１２２】
特定の実施例では、本明細書に記載のシステム（例えば、システム１００、２００、２
３０、３００、及び４００）は、ターゲット基板に対してレーザビームの複数のパスを使
用して、ターゲット基板を加工することができる。例えば、様々な実施例では、アスペク
ト比の非常に高いフィーチャを形成するために、１０回以上、またおそらく数百回のパス
を使用することができる。フルエンス（及び／又は他のシステム・パラメータ）を調整し
て、所与のパス中に材料除去を制御することができる。
【０１２３】
システムの様々な実施例では、システムは、ターゲットのレーザシステムの状態に関す
る情報を利用することができ、またフィードバック信号に基づいて、例えば２０４年３月
３１日出願の「Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｌａｓｅｒ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｓｙｓｔ
ｅｍ  ｗｉｔｈ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｃｏｎｔｒｏｌｓ  ａｎｄ  
ｆｅｅｄｂａｃｋ」という名称の米国特許出願第１０／８１３，２６９号（以下、‘２６
９出願）に記載のレーザパラメータを制御することができる。同願は本願の譲受人に譲渡
されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。
【０１２４】
幾つかの実施例では、各レーザパルスが個別の特性を有することができるシステムを提
供することができる。これらのレーザパルスの少なくとも１つを極短パルスとすることが
できる。このシステムは、実施例１００、２００、２３０、３００、４００のうちの１つ
以上で提供されるパルス又は高繰返し率のパルスバーストを生成するレーザ手段を含むこ
とができる。さらに、レーザ手段を制御する制御手段と、パルスバーストを含むパルスの
パルス幅、波長、繰返し率、偏光、及び／又は時間遅延特性を監視するビーム操作手段と
を含むことができる。幾つかの実施例では、このシステムは、測定したパルス幅、波長、
繰返し率、偏光、及び／又は時間遅延特性に基づいて、制御手段に対してフィードバック
データを生成することができる。一実施例では、レーザ手段はストレッチャ格子及び圧縮
器格子を使用するファイバ増幅器を含むことができる。ビーム操作手段は、例えば、レー
ザパルスのパルス持続時間を測定する光ゲートデバイス、レーザ手段から出力されるレー
ザパルスのパワーを測定するパワーメータ、及び／又はレーザパルスの繰返し率を測定す
るフォトダイオードを含む様々なデバイスを含むことができる。周波数変換器、例えば２
倍器又は３倍器が利用される幾つかの実施例では、ビーム操作手段は、生成されたレーザ
パルスの百分率の基本周波数を１つ以上の他の光周波数に光学的に変換し、また、レーザ
パルスの基本波の一部分を少なくとも１つのより高次の高調波信号に変換する少なくとも
１つの光学部材を含む。光学部材は非直線結晶デバイスを含むことができ、制御装置がこ
の結晶の向きを制御する。特定の実施例では、光周波数を変換する手段は、非直線結晶デ
バイスから出力されるパルスの１つ以上の所定のパラメータを測定し、また制御手段に対
してフィードバックを生成する分析計を含むと有利である。ビーム操作手段の別の実施例
は、入力されるレーザパルスの寸法、形状、広がり、及び／又は偏光を制御するための望
遠鏡光デバイスと、ターゲット基板上のレーザパルスの衝突位置を制御するためのステア
リング光学系とを含む。このシステムは、レーザパルスの特性を監視し、また制御手段に
対してフィードバックを生成するビーム・プロファイラをさらに含むことができる。前述
のシステムには、それだけに限定されるものではないが、ターゲット基板の屈折率の変更
、ターゲット基板の表面マーキング、表面下のマーキング、及び／若しくは表面テキスチ
ャリング、ターゲット基板内の孔、チャネル、トレンチ、溝、バイア、及び／若しくは他
のフィーチャの製作、並びにターゲット基板上の薄い材料層の堆積及び／若しくは除去を
含む幾つかの用途がある。
【０１２５】
図５に示すレーザ加工システムの実施例に示すように、レーザ手段５１００に制御手段
５３００が結合される。このレーザシステムは、‘２６９出願の図５に概略的に示すレー
ザシステムの一実施例に全体として類似のものとすることができる。制御手段５３００は
、例えば平均出力パワー、パルス列（繰返し率及び／若しくはバーストモード構造）、パ
ルス持続時間（及び／若しくは時間位相、例えばＦＲＯＧ、周波数分解光ゲート）、並び
に／又は空間位相（波面センサ）などの幾つかの出力レーザパラメータを監視する。監視
されたパラメータは、フィードバックループを通ってレーザ性能（パルスエネルギー、繰
返し率、及びパルス持続時間）を変動させるように、制御手段５３００に関連付けられる
。さらに、フィードバックループは、レーザパルスを事前にチャーピングするように圧縮
器の位置合わせ（例えば、格子の離隔距離）に関連付けることができ、それによって後の
レーザシステムモジュール内の構成要素によってもたらされる光分散を補償することがで
きる。制御手段５３００は、例えばデスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュー
タ、タブレットコンピュータ、手持ち式コンピュータ、ワークステーションコンピュータ
、又は任意の他の汎用及び／若しくは特殊目的の演算若しくは通信デバイスを含むことが
できる。制御手段５３００は、コンピュータ（図示せず）上のよく知られているＭＡＣ−
ＯＳ、ＷＩＮＤＯＷＳ（登録商標）、ＵＮＩＸ（登録商標）、ＬＩＮＵＸ（登録商標）、又は他の適切なオペレーティングシステムのいずれかを実行することができる。制御手段５３００は、物理的リンク及び／又は無線リンクによって他の演算手段にネットワーク接続することができる。制御手段５３００は、入力デバイス、出力デバイス、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び／又は読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤデバイス、ハードドライブ、及び／又は他の磁気若しくは光記憶媒体、あるいは他の適切な記憶及び検索デバイスを含むことができる。制御手段５３００はまた、システムクロックを有する処理装置、又は他の適切なタイミングデバイス若しくはソフトウェアを含むことができる。入力デバイスは、キーボード、マウス、タッチスクリーン、感圧パッド、又は他の適切な入力デバイスを含むことができ、また出力デバイスは、ビデオ表示装置、プリンタ、ディスクドライブ、又は他の適切な出力デバイスを含むことができる。
【０１２６】
幾つかの実施例では、ターゲット基板の状態を監視するため、及び／又はターゲット基
板の表面に対する焦点位置を確認／制御するために、追加のツールを含むことができる。
例えば、照明及び光学顕微鏡観察システム（図示せず）を使用して、位置合わせマーカを
位置決めし、レーザ損傷を確認／否定し、並びにレーザの影響を受けたフィーチャ体積及
び／又は形態を測定することができる。追加のデータは、レーザ誘起ブレークダウン分光
法（ＬＩＢＳ）及び／又はレーザ誘起蛍光法などの分光診断を含むことによって得ること
ができる。ターゲット表面から焦点までの距離を精密に決定する距離測定ツールを使用す
ることもできる。幾つかの適用分野では、ある適用分野がミクロンレベルの材料加工を含
むことがあるので、距離を決定できると有利である。同様に、ターゲット基板の表面を撮
像するカメラシステムも使用することができる。これらの寸法では、小さな誤差／不確実
性により、レーザ／材料の相互作用を精密に制御するユーザの能力が低減することがある
。これは、幾つかのそのような適用分野では潜在的に、表面が平面でない材料の表面下の
加工を伴うので、複雑になることがある。レーザ／材料の相互作用の程度及び性質に精密
に影響を及ぼすように、観察／分光ツールからの信号を他のシステム構成要素（例えば、
制御手段、光周波数を変換する手段など）にフィードバックすることができる。さらに、
距離測定ツール及び／又は観察／分光ツールからの信号を、制御部の加工物の位置にフィ
ードバックすることもできる。走査機構ステアリング光学系及び制御手段５３００により
、ビームはターゲット基板に精密に送達される。走査機構ステアリング光学系は、ガルバ
ノメータベースのミラースキャナ及び場合によっては１つ以上の追加の高精度ポジショナ
を含むことができる。
【０１２７】
従って、本明細書に記載のシステムの特定の実施例では、レーザ制御及び診断により、
レーザ強度が確実に所望の範囲（及び／又は最適な範囲）内にとどまるように加工パラメ
ータの能動制御を可能にし、それによって一貫したフィーチャ寸法、材料除去率、及び熱
効果を保証する。さらに、ビームの寸法、形状、広がり、及び／又は偏光を制御する能力
により、機械加工されたフィーチャ（例えば、溝及び／又はトレンチなど）の形状及び／
又はエッジ品質をさらに改善（及び／又は最適化）することが可能になる。例えば、その
主軸が並進運動の方向に平行である楕円度の高いビームを使用すると、円形の焦点ビーム
を使用して可能なものより、アスペクト比が高くかつ表面品質が良好なトレンチを生成す
ることが可能であることが実証されている（例えば、Ｂａｒｓｃｈ、Ｋｏｒｂｅｒ、Ｏｓ
ｔｅｎｄｏｒｆ、及びＴｏｎｓｈｏｆｆ、「Ａｂｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｕｔｔｉｎｇ
ｏｆ  Ｐｌａｎａｒ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ｕｓｉｎｇ  Ｆｅｍｔｏｓｅ
ｃｏｎｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｕｌｓｅｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ａ  ７７、２３７
〜２４４頁（２００３）、並びにＯｓｔｅｎｄｏｒｆ、Ｋｕｌｉｋ、及びＢａｒｓｃｈ、
「Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｔｈｉｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ
−ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒｓ  Ｃｒｅａｔｉｎｇ  ａｎ  Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ  ｔ
ｏ  Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ  Ｓａｗｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、Ｐｒｏｃｅｅ
ｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＣＡＬＥＯ、米国ジャクソンビル、２００３年１０月参照
）。走査の方向に対してレーザ偏光を調整すると、フェムト秒で機械加工された溝の表面
及びエッジ品質に影響を及ぼすことも分かっている。本明細書に記載のレーザシステムの
様々な実施例によって可能になる、レーザ及びビームのパラメータを能動的に監視して別
々に制御する能力は、例えば表面の溝及び／又はトレンチを含むフィーチャの製作におい
て、再現可能なミクロンレベルの精度を実現するのに有益である。
【０１２８】
フィードバック及び制御部を有するシステムのさらなる詳細は、例えば図７〜１３及び
‘２６９出願の対応する文章など、‘２６９出願に記載されている。
【０１２９】
幾つかの実施例では、ピコ秒のパルス列が材料除去に十分な全体的なエネルギーを有す
る場合、加工を実施することができる。例えば、パルス幅は約１０ピコ秒から約５００ピ
コ秒の範囲内とすることができる。幾つかの実施例では、パルス圧縮器が利用されないこ
とがある。そのような実施例では、１つ以上のレーザ光源からのパルスを増幅して、加工
パルスを生成することができる。そのような構成は、システム１００、２００、２３０、
３００、及び４００の実施例に全体として類似のものとすることができるが、パルス圧縮
器が省略される。
【０１３０】
実施例は、多くの微細機械加工の適用分野に適用でき、また、例えばウエハ切削、ダイ
シング、スクライビング、及び類似の適用分野を含むマイクロエレクトロニクスの適用分
野によく合っている。幾つかの適用分野では、そのような適用分野に適合された方法及び
デバイスを使用して、システム実施例１００、２００、２３０、３００、及び４００に示
す素子の適切な変更を行うことができる。例えば、一実施例では、基板位置決め機構は、
Ｘ−Ｙ−Ｚ段４０８と、６軸機能を提供するため、並びに／又はターゲット基板（例えば
、ウエハ）の平坦さ及び共平面性を維持するための追加の回転機構（複数可）とを含むこ
とができる。例えば、ウエハは、切削動作のために、別の材料（例えば、テープ）によっ
て特殊なホルダ（例えば、ウエハチャック）に取り付けることができる。
【０１３１】
システム１００、２００、２３０、３００、及び４００の特定の実施例は、レーザ及び
増幅器（複数可）の様々な組合せを含む。幾つかの実施例では、ファイバベースの技術が
好ましいが、様々な実施例では、導波路レーザ及び／又は増幅器、再生増幅器などを利用
することができる。幾つかの実施例では、これらの技術を、ファイバ増幅器、レーザ、及
び／又はある長さのドープされていない伝送ファイバと組み合わせて使用することができ
る。例えば、一実施例では、受動Ｑスイッチ・マイクロチップレーザが、１ＭＨｚをいく
ぶん下回る、例えば最高約１００〜５００ｋＨｚ及びそれよりいくぶん大きな繰返し率で
、数マイクロジュールのパルスエネルギーを生成することができる。パルス幅は、約１ピ
コ秒から約１００ピコ秒の範囲内とすることができる。幾つかの実施例では、マイクロチ
ップレーザは、例えば上記で組み込んだＨａｒｔｅｒの米国特許出願第１０／４３７，０
５７号に開示のファイバ増幅器の種となることができる。
【０１３２】
幾つかの実施例では、数ナノ秒未満のパルス幅、例えば１ナノ秒に満たないパルス又は
幅が約５００ピコ秒以下であるパルスを利用することができる。１００、２００、２３０
、３００、及び４００で示す実施例の適切な変更は、ダイオードベース又はマイクロチッ
プのレーザ種光源、パルス・ストレッチャ及びパルス圧縮器のうちの少なくとも１つの排
除、増幅器段の数の低減、増幅器段の排除などを含む。
【０１３３】
例えば、上記で組み込んだ米国特許出願第１０／４３７，０５７号は、極短パルス幅を
生成するように様々なファイバ素子及びファイバ以外の素子を用いて増幅及び圧縮された
種及びマイクロチップレーザ光源を利用する様々な実施例を開示する。一実施例では、半
導体レーザダイオードを使用して数ナノ秒の種パルスが生成され、その一部分はＧＨｚの
電気光学変調を使用して選択され、次いで増幅及び圧縮パルスを得るようにさらに加工さ
れる。標準的な繰返し率は約１０ＭＨｚ未満である。開示される構成は、所定の公差内で
幾何学的フィーチャを作るために比較的高繰返し率（例えば、５００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ
）の短パルス（１ピコ秒に満たないものから約数ナノ秒）を構築するように、当業者には
使用可能な素子及びサブシステムを提供する。より高い繰返し率で動作すると、加工位置
上又はその非常に近傍では再堆積材料の蓄積が低減される。
【０１３４】
多数の変形形態が可能である。例えば、幾つかの実施例では、Ｑスイッチ・マイクロチ
ップレーザは、幅が数ピコ秒から数十ピコ秒であるパルスを数十ｋＨｚから最高約１００
ｋＨｚの率で提供することができる。幾つかの実施例では、動作繰返し率を実質上、例え
ば５００ｋＨｚ又は数ＭＨｚまで増大させることができ、１ナノ秒に満たない幅までのパ
ルス幅の増大を許容できる。任意選択で、一実施例はファイバ増幅器を含むことができる
。例として、「Ｐａｓｓｉｖｅｌｙ  Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ  １．３４μｍ  Ｎｄ：ＹＶ
Ｏ４  Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ  Ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｓａ
ｔｕｒａｂｌｅ  Ａｂｓｏｒｂｅｒ  Ｍｉｒｒｏｒｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ
、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．１３でＲ．Ｆｌｕｃｋ、Ｂ．Ｂｒａｕｎ、Ｅ．Ｇｉｎｉ、Ｈ．Ｍ
ｅｌｃｈｉｏｒ、及びＵ．Ｋｅｌｌｅｒは、性能が１μｍバージョンに類似している初期
の１．３μｍの受動Ｑスイッチレーザを開示している。ＳＥＳＡＭ（半導体可飽和吸収ミ
ラー）の励起パワー、結晶長さ、及び設計の変動の結果、パルス幅は２３０ピコ秒から１
２ナノ秒になり、繰返し率は３０ｋＨｚから４ＭＨｚになった。
【０１３５】
幾つかの実施例は、本願の所有者であるＩＭＲＡ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．によって
開発された初期モデルＧＸＰパルサの変更を含むことができる。このシステムは半導体種
レーザ及び少なくとも１つの光ファイバ増幅器を利用した。多数の他の構成が可能である
。
【０１３６】
様々な実施例は約二三百ピコ秒から数百ピコ秒の範囲内のパルス幅を提供することがで
きる。このレーザシステムはＦＣＰＡシステムを含むことができる。ピコ秒以上のパルス
を利用する幾つかの実施例では、あらゆるパルス圧縮器を排除することができる。別法と
して、システムはチャープパルス増幅を用いることなく、例えば好適にはファイバ増幅器
システムを用いて、増幅したピコ秒パルスを生成するように構成することができる。
【０１３７】
再び図４Ａを参照すると、レーザシステム１０４は、モードロック式ファイバ発振器又
は他の種光源と、ファイバパワー増幅器を有するファイバ増幅器システムとを含むことが
できる。様々な実施例では、ファイバパワー増幅器は、実質上基本モードで出力を提供す
るように構成されたマルチモードファイバ増幅器を含む。例えば、このシステムは、Ｆｅ
ｒｍａｎｎらの「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｒ
ｅｓｓｏｒｓ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の
米国特許第５，８１８，６３０号に記載のファイバパワー増幅器を利用することができる
。同特許は本願の譲受人に譲渡されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。
マルチモードファイバ増幅器は、望ましくない非直線性及び利得飽和が生じる前に、シン
グルモード（ＳＭ）ファイバで実現可能なものより高いピークパワー及びパルスエネルギ
ーをもたらす。他の実施例では、大面積の増幅器、例えばフォトニック・バンドギャップ
又はフォトニック結晶ファイバの設計を利用することができる。例えば、米国特許出願公
開第２００６／０２６３０２４号として公開されている「Ｓｉｎｇｌｅ  Ｍｏｄｅ  Ｐｒ
ｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｆｉｂｅｒｓ  ａｎｄ  Ｒｏｄｓ  ｗｉｔｈ  Ｌａｒｇｅ  
Ｌｅａｋａｇｅ  Ｃｈａｎｎｅｌｓ」という名称の米国特許出願第１１／１３４，８５６
号に記載のように、漏洩モード設計で高品質の出力ビームが実証された。同願は本願の譲
受人に譲渡されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。
【０１３８】
少なくとも１つの実施例では、この増幅器をレーザシステム１０４内に含むことができ
る。図４Ｂは、ファイバ増幅器内、又はマルチモード励起光源によって励起されたレーザ
内で使用できる、希土類イオンでドープされたコアを含む大モード面積ファイバの例示的
な実施例４７０を概略的に示す。例えば、実施例４７０は図４Ａに概略的に示すレーザシ
ステム１０４内に含むことができる。モードロック式発振器、半導体ダイオード、ダイオ
ード及び電気光学変調器、並びに／又は他の適切な光源を用いて、入力ビーム４５６を生
成することができる。大モード増幅器を用いて増幅する前に、前置増幅器でパルスエネル
ギーレベルを高めることができる。レーザシステム１０４はまた、増幅前及び／又は後に
パルスを調整するために、パルス選択器、偏光制御装置、及び／又はビーム成形光学系を
含むことができる。図４Ｂに示す実施例４７０では、ファイバ４５０は、まっすぐな入力
端部４５１及び出力端部４５２と、これらの端部間のコイル状の部分とを有する。結合レ
ンズ４５４を使用して増幅器又はレーザを励起させるために、マルチモードポンプ４５５
が使用される。入力ビーム４５６は、レンズ４５３を通ってファイバ４５０内に入射する
。出力４５７は、ダイクロイックミラー４５８によって分離される。他の実施例では、フ
ァイバ４５０及び／又は他の構成要素は、図４Ｂに概略的に示すものとは異なる形で構成
することができる。また、図４Ｂに示す例示的な実施例４７０に示すものとは異なる形で
、様々な構成要素を除去、追加、及び／又は構成することができる。
【０１３９】
非直線効果が低減され又は無視できる状態でフェムト秒、ピコ秒、及び／又はナノ秒の
範囲内でピークパワーの高いパルスを生成するために、オールファイバ設計において様々
なレーザ又は増幅器の実施例を利用することができる。レーザ又は増幅器はまた、利用可
能なパルスエネルギーをさらに増大させるためにＦＣＰＡシステム内で利用することもで
きる。１つの例示的な実施例では、約７０μｍ〜１００μｍ以上のコア直径を使用して、
数ｍＪから約１０ｍＪのエネルギーを有するナノ秒のパルスを生成することができる。別
の実施例では、例示的なパルス幅が約１〜１０ピコ秒である極短パルスを生成することが
でき、出力エネルギーは約１０μＪから数百μＪの範囲内である。様々な実施例では、約
１００ｋＨｚより大きく、最高少なくとも数ＭＨｚのパルス繰返し率を利用することがで
きる。平均パワー定格及びシステム要件に応じて、１００ＭＨｚから１ＧＨｚの範囲内の
繰返し率もまた可能である。例として、「Ｇｌａｓｓ  Ｌａｒｇｅ−Ｃｏｒｅ  Ｏｐｔｉ
ｃａｌ  Ｆｉｂｅｒｓ」という名称のＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７４６６８
号に開示のように、マイクロチップレーザから放出された繰返し率２５ＫＨｚ、パルスエ
ネルギー５μＪ、及びパルス幅６００ピコ秒の入力パルスは、大コア漏洩チャネルファイ
バ内で約４００μＪに増幅され、非直線効果によって歪みを生じさせることなく、ほぼ回
折限界の出力ビームをもたらした。同願は本願の譲受人によって所有されており、その全
体を参照により本明細書に組み込む。この実験では、パルスの引き延ばし又は圧縮は利用
されなかった。より高いパルスエネルギー及び繰返し率も実現可能である。従って、ファ
イバベースの増幅レーザ構成に対して、多くの可能性が存在する。
【０１４０】
実験結果−シリコントレンチ掘り及びウエハダイシング例
以下の例示的な実験結果は、「トレンチ掘り」及び「ウエハダイシング」のためのシス
テム及び方法の実施例を実証する。これらの例示的な実験では、シリコン基板は通常、１
ピコ秒に満たないパルス幅を有する極短パルスを使用して加工された。幾つかの結果は、
最高約２００ピコ秒のパルス幅を有するパルスを用いて得られた。
【０１４１】
実験システム
図６Ａに概略的に示すように、この実験構成は、１０μＪより大きな利用可能なパルス
エネルギー、約５００フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅、及び１００ｋ
Ｈｚを超える繰返し率を提供するレーザシステム１０４を含んだ。この実験システムのレ
ーザパラメータは変動されたが、必ずしも全てのパラメータが互いから独立していたわけ
ではない。例えば、パルスエネルギーは、最小の実現可能なパルス幅に影響を及ぼす。幾
つかの実験では、基板表面の典型的な集束スポット寸法は約１５μｍであり、１０μＪの
エネルギーで、約５〜６Ｊ／ｃｍ２の平均フルエンス及びほぼ１０１３Ｗ／ｃｍ２のパワ
ー密度を提供する。幾つかの実験では、繰返し率が５００ｋＨｚである場合、システムに
よって生成される平均パワーは約５Ｗである。
【０１４２】
システムの写真を図６Ｂに示す。実験設備は、機械加工中に生成される粒子状のヒュー
ムを除去するように動作可能なヒューム抽出器６１４を含む。ヒューム抽出器６１４は、
約３５０立方フィート／分の抽出率で動作された。この実験設備はＸＹＺ運動システム６
１０を含んだ。
【０１４３】
測定ツール、方法、及び仕様
図７は、アブレーションされた体積と加工位置近傍の再堆積した体積との近似を得るよ
うに加工品質を定量化する１つの例示的な技法を概略的に示す。幾つかの加工の適用分野
では、レーザパラメータが機械加工品質に及ぼす影響を定量化するには、リキャスト・ピ
ーク又は平均高さに対するトレンチ深さの大まかな測定で十分であることがある。しかし
、他の加工の適用分野では、除去される材料の量とリキャストされる材料の量の関係を特
徴付けた方がより精密であろう。
【０１４４】
一例として、図７は、レーザベースの材料加工を定量化する１つの可能な方法を概略的
に示す。例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて得られるトレンチの断面画像から、
アブレーションされた面積は、トレンチの垂直二等分線の形状（図７内の陰影を付けた三
角形）に三角形を適合させることによって近似される。また、三角形の近似を使用して、
リキャストされた材料の量（図７内の網目状の陰影を付けた三角形）も近似する。従って
、トレンチ（又は他のフィーチャ）の品質は、三角形のアブレーションされた面積と三角
形のリキャスト面積の比によって定量化される。以下の例示的な結果では、ＪＥＯＬ  Ｕ
ＳＡ，Ｉｎｃ．（マサチューセッツ州ピーボディー）から入手可能なＪＥＯＬ  ＪＳＭ  
６０６０  ＳＥＭが使用された。自動又は半自動ツール、例えば全自動ＳＥＭシステム、
白色光干渉計、表面形状測定装置（複数可）、及び／又は原子間力顕微鏡を使用すると、
追加の測定が得られる。
【０１４５】
測定の幾つか、特に２００ピコ秒というより長いパルス幅を用いた測定は、その面積を
囲む多角形を用いてトレンチ及びリキャストを近似すること、そして多角形の面積から面
積を推定することによって行われた。様々な実施例では、多角形は３、４、５、６、７、
８、又はより多くの辺を有することができる。他の実施例では、異なる形状を使用して、
トレンチ及び／又はリキャスト面積を推定することができる。例えば、スプライン、最良
適合曲線などによって、フィーチャの断面プロファイルを近似することができる。さらに
他の実施例では、フィーチャ内に「適合」する複数の幾何形状（例えば、方形、台形など
）の面積を合計すること（例えば、台形法又はシンプソン公式を使用して曲線下の面積を
近似することに全体として類似）によって、トレンチ及び／又はリキャスト面積を推定す
ることができる。多種多様な数値的技法を使用して面積を推定することができる。
【０１４６】
図７Ａ〜７Ｆは、シリコン試料から得られる断面の例示的なＳＥＭ写真を示す。これら
の写真は、以下に説明する実験で観察される傾向を実証する。図７Ａ〜７Ｆは、レーザパ
ラメータの値を含む。これらのパラメータはおおよその値であるが、以下に述べるあらゆ
る結論を支持するのに十分な確度で知られている。図７Ａ〜７Ｆは、これらのＳＥＭ写真
に示す様々なフィーチャの寸法を示すためのスケールバーを含む。
【０１４７】
以下、対応する図において、様々な走査速度の機械加工（又は加工）パスの数Ｎを参照
する。様々な実施例では、このスキャナ構成はある走査速度（例えばｍ／秒単位で測定さ
れる）を実現するが、特定の実施例では、固定の率（例示的な実験では１０ｍ／秒）で帰
線期間が発生することがある。以下に記載の例示的な実験では、レーザ光源は帰線期間中
に活動していたので、レーザ露光は、記載のパルスエネルギーよりいくぶん大きく、１０
ｍ／秒の帰線速度と記載の走査速度の比から、追加の露光を決定することができる。
【０１４８】
パルスエネルギーの変動の例示的な影響
図７Ａ及び７Ｂは、レーザエネルギーの変動の幾つかの例示的な実験上の影響を示す。
これらの例では、機械加工中、レーザ繰返し率は２００ｋＨｚに、焦点スポット直径は１
５μｍに、また空間的重複は約３３％に固定された。図７Ａは、約１０μＪのパルスエネ
ルギーに対する結果を示し、図７Ｂは、約２０μＪのパルスエネルギーに対する結果を示
す。図７Ａ及び７Ｂ内の画像パネルは、１００回のパス、２００回のパス、及び４００回
のパスの結果を示す。パルスエネルギーを１０μＪから２０μＪに増大させると、機械加
工パスの数が増大するとともに透過の深さがより大きくなる。また、パルスエネルギーを
より大きくすると、アブレーションされたフィーチャの周囲の再堆積材料の量もより大き
くなる。例えば、この例では通常最大の機械加工深さに対応する２０μＪのパルスエネル
ギーを使用して４００回のパスを行った後、この機械加工により、再堆積材料のピークか
らピークまでの距離は約１５μｍになった。対照的に、１０μＪのパルスでは、再堆積材
料のピークからピークまでの距離は約１０μｍしかないことが測定された。従って、アブ
レーションされた体積がより大きくなる結果、再堆積される体積もより大きくなる。
【０１４９】
走査速度及び効率と望ましくない再堆積材料の関係の例示的な影響
図７Ｃは、走査速度、効率、及び再堆積材料の蓄積の影響を示すＳＥＭ写真を含む。こ
の例では、５００ｋＨｚのレーザ繰返し率、１５μｍ１／ｅ２の焦点スポット直径、１０
μＪのパルスエネルギー、及び１００回のパスが固定のパラメータであった。走査速度は
、約０．５ｍ／秒から約８ｍ／秒の範囲内で変動された。走査速度がこの範囲内で増大す
るにつれて、入射パルスの空間的重複及び全体的な入射エネルギーは低減し、またアブレ
ーションされた体積と再堆積した体積はどちらも低減される。空間的重複を低減させると
、単位面積当たりの熱負荷が低減し、また後のレーザパルスと「励起」材料の相互作用が
低減する。走査速度がこの範囲内で増大すると、アブレーションされた深さとリキャスト
高さの比は増大し、その結果、加工はより清浄になる。この傾向は珍しいことではなく、
一般に、ナノ秒の固体レーザシステムを用いた高速／マルチパス切削及び螺旋状ドリル加
工の適用中に観察される。
【０１５０】
レーザ繰返し率の例示的な影響
図７Ｄ〜７Ｆは、レーザ繰返し率が機械加工品質に及ぼす例示的な影響を示す。この例
では、１／ｅ２で約１５μｍの固定焦点スポット直径、２０μＪのパルスエネルギー、及
び２００回の機械加工パスが固定のパラメータであった。図７Ｄ〜７Ｆのそれぞれでは、
画像パネルは、走査速度が約０．５ｍ／秒から約１０ｍ／秒に変動された結果を示す。図
７Ｄ〜７Ｆに示す実験結果は、それぞれ約２００ｋＨｚ、３５０ｋＨｚ、及び５００ｋＨ
ｚのレーザ繰返し率で実行された。図７Ｄ〜７Ｆは、アブレーションされた断面及び再堆
積した断面の寸法を示すためのスケールバーを含む。この例では、約２０μＪのパルスエ
ネルギーが使用され、走査速度と繰返し率はどちらも変動された。
【０１５１】
図７を参照して記載の技法を使用して、アブレーションされたフィーチャの深さ及び面
積並びにリキャスト材料の高さ及び面積が測定された。これらの実験の結果を下表に要約
する。これらの例示的な表では、加工品質の測度は、フィーチャのアブレーションされた
面積とアブレーションされたフィーチャに隣接して再堆積した材料の面積との比である。
加工効率は、平均パワー（通常、パルスエネルギーは同じであるものとする）に対する加
工速度（例えば、１秒当たりのアブレーションされた面積）の点で特徴付けることができ
る。図７Ｄ〜７Ｆに示し、例示的な表に要約する実験データは、他のパラメータを固定し
た状態で繰返し率及び走査速度を変動させることによって得られた。このデータを使用し
て、表に要約した実験に対する品質と加工効率の例示的な関係を決定することができる。
【０１５２】
【表１】
2014147974.tif 000003
【０１５３】
図８は、図７Ｄ〜７Ｆに示す実験結果に対する異なるレーザ繰返し率の走査速度に対し
て、アブレーションされた断面積と再堆積した断面積の比を示すグラフである。このグラ
フは、走査速度が約２ｍ／秒より大きい場合に繰返し率を増大させると、アブレーション
されたフィーチャの品質が改善されることを実証する。
【０１５４】
加工効率の例を図９に示す。図７Ｄ〜７Ｆに示す結果に対する重み付きのアブレーショ
ンされた断面積と走査速度の関係をグラフに示す。平均パワー及び空間的重複の差を補償
するために、アブレーションされた面積に、レーザ繰返し率の差に比例する重み付け係数
を掛ける。重み付け係数は、２００ｋＨｚの場合は１であり、３５０ｋＨｚの場合は０．
５７であり、５００ｋＨｚの場合は０．４である。図９のグラフは、走査速度が２ｍ／秒
より大きい場合、アブレーションの効率は繰返し率に左右されないことを実証する。従っ
て、加工品質（より高い繰返し率）の改善は、加工効率を犠牲にして大きく損なわれると
いうわけではない。
【０１５５】
レーザ繰返し率を増大させると、再堆積材料の性質及び量に著しい影響を及ぼす。再び
図１Ａ〜１Ｅを参照すると、これらの実験結果は、ターゲット領域１００１−ｃから除去
された材料と再堆積材料１００５−ｂとの比の増大が望ましいことを実証する。図７Ａ〜
７Ｃに示す予測可能な傾向とは対照的に、高繰返し率の観察された影響（例えば、図７Ｄ
〜７Ｆ参照）は、予期しない予想外のものであった。
【０１５６】
開示のシステム及び方法の実施例を実行するのに、いかなる特定の理論も利用すること
なくこれらの予想外の結果の動作機構を理解する必要はないが、繰返し率の増大による実
証された改善は、パルス間の離隔距離が約１０μ秒から約１μ秒に低減するにつれて、ア
ブレーション・プルームと後のレーザパルスの間に相互作用が生じた結果であろう。これ
は、幾つかの実験では、再堆積材料が微細な粒子を含みうることを示唆する可能性がある
。さらに、これらの結果は、繰返し率の影響を受けて、以前は利用されなかったレーザ材
料の相互作用状態が存在し得ることを示唆する。
【０１５７】
清浄化及び後処理の例
図１０Ａ−１及び１０Ａ−２は、再堆積材料の量が十分に少なく、従って従来の超音波
清浄がさらなる破片除去に対して効果的である、例示的なＳＥＭ断面図を示す。これらの
実験結果は、例えば、薄いウエハのダイシング及び類似の適用分野に適用できる。固定の
レーザパラメータは、５００ｋＨｚの繰返し率、１０μＪのパルスエネルギー、及び１０
０回の機械加工パスであった。図１０Ａ−１及び１０Ａ−２に示す実験結果の場合、走査
速度は約０．５ｍ／秒から約８ｍ／秒に変動された。図１０Ａ−１及び１０Ａ−２の左側
のパネルのＳＥＭ画像は超音波清浄前のものであり、図１０Ａ−１及び１０Ａ−２の右側
のパネルのＳＥＭ画像は超音波清浄後のものである。図１０Ａ−１及び１０Ａ−２のＳＥ
Ｍ写真は全体として、再堆積材料の体積が清浄化後に著しく低減したことを示す。
【０１５８】
図１０Ｂは、図１０Ａ−１及び１０Ａ−２に示すデータに対応する、アブレーションさ
れた深さとリキャスト高さの比のグラフである。図１０Ｂのグラフは、超音波清浄後、リ
キャスト高さが公称で２分の１低減したことを示す。場合によっては、清浄化後に残って
いる再堆積材料の高さは、図７を参照して記載の方法の実際の測定の限界又はその前後、
例えば１０００倍の倍率で約１μｍであった。図１０Ａ−１、１０Ａ−２、及び１０Ｂの
実験結果について、下表に要約する。
【０１５９】
【表２】
2014147974.tif 000004
【０１６０】
「ダブルパルス」実験の例
「ダブルパルス」実験も実行された。これらの実験では、約１ＭＨｚの繰返し率で、シ
ングルパルス及びパルス対が生成された。各対のパルス間の時間間隔は約５０ＭＨｚの瞬
時バースト繰返し率に対応して約２０ナノ秒であった。図１１Ａ〜１１Ｃは、シングル及
びダブルパルス加工の結果を比較する例示的なＳＥＭ断面図を示す。図１１Ｄ〜１１Ｅは
、図１１Ａ〜１１ＣのＳＥＭ画像に対応する、アブレーションされた深さとリキャスト高
さの比を示すグラフである。図１１Ａ及び１１Ｂは、約１ＭＨｚの繰返し率で生成される
「シングルパルス」を用いた実験に対する結果を示す。パルスエネルギーは、図１１Ａで
約５μＪであり、図１０Ｂで約１０μＪであった。図１１Ｃは、約１ＭＨｚの繰返し率及
び約５０ＭＨｚの瞬時バースト繰返し率で生成される「ダブルパルス」を用いた実験に対
する結果を示す。図１１Ａ〜１１Ｃに示す実験では、走査速度は約０．５ｍ／秒から約１
０ｍ／秒の範囲内で変動された。全ての実験で、２００回の機械加工パスが使用された。
図１１Ａ、１１Ｂの画像と図１１Ｃの画像の比較は、シングルパルスと比較するとダブル
パルスの性能が低減されることを示す。図１１Ｄ及び１１Ｅのグラフもまた、ダブルパル
ス実験で性能が低減されることを実証する。これらの結果は、これらのレーザシステム・
パラメータ（特に、中程度から高速の走査速度）の場合、例えば約１０ＭＨｚより大きな
非常に高い瞬時繰返し率ではシリコンの機械加工性能を制限し得ることを示唆することが
ある。これらの結果について、下表にさらに要約する。
【０１６１】
【表３】
2014147974.tif 000005
【０１６２】
ウエハのダイシング及び超音波清浄に対する例示的な実験結果
図１２Ａ〜１２Ｂは、薄いウエハのダイシングの場合に得られる実験結果の例示的なＳ
ＥＭ写真を示す。これらのＳＥＭ写真は、厚さ１００μｍのシリコンウエハから切削され
た１０×４ｍｍ２のダイの一部分を示す。この寸法は、マイクロプロセッサチップに対す
る一般的な寸法であることから選択された。図１２Ａ及び１２Ｂに示すＳＥＭ写真は、約
７ｍ／秒の走査速度で、それぞれ７００回及び５００回のパスに対応する。レーザパルス
エネルギーは、ターゲットウエハ内で最大レーザ透過深さを実現するために、２０μＪに
設定された。これらの実験で使用されるレーザの平均パワー限界が１０Ｗであるため、最
大レーザ繰返し率は５００ｋＨｚであった。レーザスポット寸法は、１／ｅ２で３０μｍ
であった。これらのパラメータでは、レーザは基板を完全には透過しない。これらの例示
的な実験では、レーザトレンチはスクライブとして働き、その後に機械的に破断（スクラ
イブ線に沿って）してダイの個片化を完了する。
【０１６３】
図１２Ａ及び１２ＢのＳＥＭ写真は、縁部には亀裂がほとんどないことを実証し、溶融
スラグがほとんどないことを示す。表面に残った粒子状の破片の大部分は、例えばＳｈａ
ｒｐｅｒＴｅｋ  ＳＨ８０−Ｄ−２Ｌ超音波洗浄器を使用する短超音波槽に約３０秒かけ
ることによって、容易に除去することができる（例えば、図１２Ｂに示す清浄化前及び清
浄化後の結果参照）。
【０１６４】
より長いパルス持続時間を用いた例示的な実験
より長いパルス幅を使用する実験データが得られた。図１３Ａ−１〜１３Ａ−３は、約
２００ピコ秒のパルス幅を有するパルスを用いて得られた結果を示すＳＥＭ画像である。
２００ｋＨｚ、３５０ｋＨｚ、及び５００ｋＨｚという繰返し率が、様々な走査速度で使
用された。これらの実験では、パルス圧縮器は、約２００ピコ秒のパルス幅及び２０μＪ
のパルスエネルギーを生成するように離調された。これらの実験結果もまた驚くべきもの
であった。望ましくない材料の量を低減させる傾向は、より長いパルス持続時間を用いた
これらの実験でも継続した。しかし、極短パルスを用いた実験と比較すると、極短パルス
を用いるとより良好なフィーチャ品質、トレンチ形状、及び繰返し精度が得られた。
【０１６５】
図１３Ａ−４〜１３Ａ−５は、図１３Ａ−１〜１３Ａ−３のＳＥＭ画像に対応するグラ
フである。面積を決定する測定方法は、上記で開示のように変更された（例えば、多角形
が使用された）。図１３Ａ−４〜１３Ａ−５のグラフは、より長いパルス幅では、機械加
工結果の予測可能性及び繰返し精度が影響を受ける可能性があることを示唆する。図１３
Ａ−５は特に興味深い。アブレーションされた面積とリキャスト面積の比は、より高い繰
返し率では改善され、２００ｋＨｚのデータとは区別することができる。様々な実施例で
は、アブレーションされた面積とリキャスト面積の比は約０．５より大きく、約１．０よ
り大きく、約２．０より大きく、又は何らかの他の値となることがある。
【０１６６】
図１３Ａ−１〜１３Ａ−３の実験結果について、下表に要約する。
【０１６７】
【表４】
2014147974.tif 000006
【０１６８】
実験結果に基づく観察
本明細書に開示の実験結果は、多くの共依存している変数、例えば走査速度、レーザエ
ネルギー、レーザパワー、パルスパワー密度、スポット直径、スポット重複、パルス幅、
繰返し率、瞬時バースト繰返し率、フルエンス、機械加工パスの数などに応じる。
【０１６９】
これらの実験結果は、レーザ繰返し率の少なくとも数百ｋＨｚから約１ＭＨｚへの増大
が再堆積材料の量の低減に与える驚くべき影響を実証する。再堆積材料のさらなる低減は
、最高約５ＭＨｚ、場合によっては最高約１０ＭＨｚの繰返し率で行うことができる。し
かし、非常に高い繰返し率（例えば、約１０ＭＨｚ又は約２０ＭＨｚより大きい）では、
加工効率と品質の改善された組合せが低下することがあり、対応する平均レーザパワーは
非常に高くなるはずである。従って、様々なレーザ加工の適用分野では、性能の低下を回
避するために、繰返し率の範囲の上限と下限がどちらも重要になることがある。さらに、
約１０ＭＨｚを下回る上限では、この加工により、再堆積材料の蓄積の低減に加えて、望
ましくない蓄熱効果を回避することもできる。
【０１７０】
類似の結果は、例えばＧａＡｓを含む少なくとも他の半導体材料の場合でも得ることが
できる。同様に、半導体基板以外の加工物の場合でも、利益を得ることができる。レーザ
パラメータ、例えば波長は、さらに調整することができるが、特定の極短パルス幅、例え
ば約５０フェムト秒から約１ピコ秒の範囲内のアブレーション閾値は、より長いパルス幅
、例えば１０ピコ秒から１ナノ秒のパルス幅ほど波長に依存しないことが一般に知られて
いる。
【０１７１】
様々な実施例によれば、レーザベースの加工は、材料のアブレーション閾値を上回るフ
ルエンスからアブレーション閾値の約２０倍のフルエンスで実施することができる。例え
ば、幾つかの実施例では、フルエンスに対する好ましい範囲はアブレーション閾値の約５
から約１５倍とすることができる。
【０１７２】
シリコン機械加工の実施例は、約１〜３０μＪのパルスエネルギー、また効率的かつ高
品質の加工のためには通常５〜２５μＪで実施することができる。繰返し率は、数百ｋＨ
ｚを上回り、例えば５００ｋＨｚより大きいと有利である。有益な範囲は約５００ｋＨｚ
から約５ＭＨｚとすることができ、また１ＭＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内とすることが
できる。
【０１７３】
特定の実施例では、走査速度はスポット寸法にいくぶん依存する。スポット寸法は約１
０μｍから約１００μｍの範囲内とすることができ、走査速度は約０．２ｍ／秒から２０
ｍ／秒の範囲内とすることができる。
【０１７４】
前述のように、様々な実施例で、アブレーションされた体積と再堆積した体積の高い比
を得ることができる。加工の品質は、加工効率を実質上犠牲にすることなく得ることがで
きる。
【０１７５】
例示的な実験結果−ダイ強度
開示のシステム及び方法の幾つかの実装形態で極短パルスを使用する結果、破片の低減
に加えて、ＵＶナノ秒レーザに対するダイ強度を著しく改善することができる。裸の厚さ
５０μｍのウエハで得られた実験結果は、適切なパルスパラメータを用いるとそのような
改善が得られることを示唆した。
【０１７６】
図１４Ａは、ダイ強度測定に対する幾つかの構成を概略的に示す。図１４Ａ中の１番目上に示すものは、「Ｌａｓｅｒ  ｄｉｃｉｎｇ  ａｎｄ  ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ  ｄｉｅ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ｆｏｒ  ｕｌｔｒａ−ｔｈｉｎ  ｗａｆｅｒ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ＩＥＥＥ（２００７）、７６１〜７６６頁から部分的に応用した。応力（ＭＰａ）は、以下のように推定することができる。
σ（応力）＝３ＦＬ／２ｂｈ２
上式で、Ｆ（ニュートン）は破断荷重であり、Ｌ（ｍｍ）は径間長であり、ｂは試料幅（
ｍｍ）であり、ｈは試料厚さ（ｍｍ）である。
【０１７７】
図１４Ａ中の上から２番目に示す図は、引張り状態で構成された試料の側面図に対応する。この試料は、レーザ切削方向（矢印で示す）が３点取付け台の１点に向くように支持される。図１４Ａ−２の反対の構成は、圧縮状態で構成された試料に対応する。後者は明らかに、Ｌｉらの図３に示され、対応する文章で論じられた「活性層を上方へ向けた」測定構成に対応する。
【０１７８】
実験結果−５０μｍの裸のウエハのダイ強度
下表は、１０回のウエハ切削実験中に変動したレーザパルスパラメータを示す。「ダブ
ルパルス」実験は、２０ナノ秒間隔を有する２つのパルスに対応し、これらのパルス対が
５００ｋＨｚの繰返し率で繰り返される。７００フェムト秒のパルス幅及び５００ｋＨｚ
の繰返し率は一定であった。
【０１７９】
【表５】
2014147974.tif 000007
【０１８０】
図１４Ｂは、ダイ強度測定の結果（上表に要約）を示すグラフであり、これらは全て、
図１４Ａの上から３番目に示す圧縮状態で実行された。上表では、第１の列は実験番号であり、第２の列は最大屈曲負荷（Ｎ単位）であり、第３の列は最大屈曲負荷の標準偏差であり、第４の列は最大負荷での屈曲応力（ＭＰａ単位）であり、第５の列は最大負荷での屈曲応力の標準偏差であり、第６の列は最大屈曲負荷での屈曲延長（ｎｍ単位）であり、第７の列は最大屈曲負荷での屈曲延長の標準偏差であり、第８の列は平均レーザパワー（Ｗ単位）であり、第９の列はパルス持続時間（フェムト秒単位）であり、第１０の列はパルスエネルギー（μＪ単位）であり、第１１の列はパルス率（ｋＨｚ単位）であり、第１２の列は走査速度（ｍ／秒単位）であり、第１３の列はパスの数であり、第１４の列はシングルパルスとダブルパルスのどちらが使用されたのかを示し、第１５の列は、完全切削と部分的切削のどちらが行われたのかに関する注記を提供する。
【０１８１】
実験１及び５は、部分的（不完全）レーザ切削の場合、統計的分布が比較的大きいこと
を実証する。
【０１８２】
実験２〜４は、完全切削の場合、最大屈曲応力が７８１から２５２ＭＰａに著しく低減
し、走査速度が５から０．１ｍ／秒に低減することを示す。
【０１８３】
実験５及び６は、幾つかの実装形態では、スポット寸法が約４０μｍ（１／ｅ２）であ
る場合、５μＪでは妥当な加工率には不十分なパルスエネルギーであることを示す。シン
グルとダブルのいずれのパルスでも、完全切削には少なくとも３０００回のパスを必要と
した。しかし、次の部分の実験は、フルエンスが４倍増大したことに対応してスポット寸
法が約２０μｍに低減されると、５０μｍのシリコン試料を切削するには５μＪで十分で
あることを示す。
【０１８４】
実験７〜９は、５００ｋＨｚのダブルパルスバースト（２０ナノ秒分離された２つの１
０μＪパルスを使用）を使用する結果、５００ｋＨｚのシングル１０μＪパルスの場合よ
りダイ強度が弱くなることを実証する。
【０１８５】
実験結果に基づく観察
５０μｍの試料を用いた実験結果は、高繰返し率の極短パルスレーザシステムを適切に
使用して厚さ５０μｍのシリコンウエハをダイシングすることによって、従来のナノ秒レ
ーザダイシングに対して、ダイ破断強度と破片生成の著しい低減との両方において少なく
とも幾つかの改善を示唆する。これらの実験は、報告されたＵＶ  ＤＰＳＳ結果に対して
ダイ強度の２〜３倍、又はおそらくそれ以上の改善が得られることを示唆する。
【０１８６】
これらの実験結果は、完全切削を実現するのに十分な回数だけ高速（１ｍ／秒超）でビ
ームをラスタ（ｒａｓｔｅｒ）するビーム走査システムを使用すると、（これらの実験で
）最善のダイ強度結果が実現されたことを実証する。
【０１８７】
これらの実験結果は、この実験設備に対して著しく少ないパス及び遅い走査速度を用い
ると、切削品質及びダイ強度はどちらも低下することを示す。不完全切削は通常望ましく
ない。
【０１８８】
また、このレーザスポット寸法で実際的な加工速度を実現するには、比較的高いパルス
エネルギーが必要とされる。例えば、４０μｍのスポット寸法（１／ｅ２）では、少なく
とも約５μＪのパルスエネルギーがＳｉ試料にかけられた。ウエハ加工は通常、約１５〜
４０μｍの範囲内のスポット寸法で実施することができ、好ましくは約３０〜４０μｍの
範囲内で行うことができる。最小フルエンスは約１Ｊ／ｃｍ２とすることができる。４０
μｍのスポット寸法に対する５μＪのエネルギーは約０．４Ｊ／ｃｍ２に対応し、また上
表の最小フルエンスに対応する。他の実施例では、他のスポット寸法、エネルギー、及び
フルエンスを使用することもできる。
【０１８９】
最高のダイ破断強度は通常、機械ダイシングブレードを使用して実現される。しかし、
加工速度はウエハ厚さに比例して著しく低減する。
【０１９０】
これらの結果を、ダイ強度に関する公開されているデータと比較することは有益である
。ＤＰＳＳ  ＵＶレーザと機械ソーを用いて得られるダイ強度測定の例示的な比較は、（
ａ）Ｔｏｆｔｎｅｓｓら、「Ｌａｓｅｒ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  ｗａｆｅｒ  
ｄｉｃｉｎｇ  ａｎｄ  ｍｉｃｒｏｖｉａ  ｄｒｉｌｌｉｎｇ  ｆｏｒ  ｎｅｘｔ  ｇｅ
ｎｅｒａｔｉｏｎ  ｗａｆｅｒｓ」、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．５７１３、５４〜６
６頁（２００５）、及び（ｂ）Ｌｉら、「Ｌａｓｅｒ  ｄｉｃｉｎｇ  ａｎｄ  ｓｕｂｓ
ｅｑｕｅｎｔ  ｄｉｅ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｉｅｓ  ｆｏｒ  ｕｌｔｒａ−ｔｈｉｎ  ｗａｆｅｒ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏ
ｍｐｏｎｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ＩＥＥＥ（
２００７）、７６１〜７６６頁で入手可能である。
【０１９１】
Ｔｏｆｔｎｅｓｓらの第３節では、２つの手法の「薄いウエハのダイシング」の様々な
態様について論じている。ＳＥＭＩ規格Ｇ８６−０３０３に従って、厚さ７５、８０、又
は１８０μｍのウエハが試験された。具体的には、７５ミクロンの３点ダイ強度を比較す
る場合、ソー及びレーザのそれぞれのデータとして、４４４ＭＰａ及び２８０ＭＰａのデ
ータが得られた。ソーに対する値の範囲は、レーザ分布と比較するとかなり広かった。
【０１９２】
Ｌｉらの７６１〜７６３頁は、５０μｍの試料のブレードとレーザダイシングのダイ強
度の比較を提供する。圧縮と引張りの両方の状態で得られた３点測定に対する結果が報告
された。これらの結果は、圧縮又は引張り状態のブレード結果にはほとんど差がないこと
を示唆する。しかし、Ｌｉらの図３に示すように、３５５ｎｍのＵＶを用いたパルスレー
ザ加工は、非常に異なる結果をもたらした。圧縮状態（「活性層を上方へ向けた」）では
、大まかに４５０ＭＰａが測定され、引張り状態では大まかに２倍の強度が得られた。ブ
レードの結果は６００〜７００ＭＰａの範囲内であり、全ての場合でレーザの結果を超え
た。従って、これらの結果は、ＵＶ  ＤＰＳＳシステムを用いた加工は、機械切削で得ら
れる典型的な結果の大まかに５０％のダイ強度値をもたらすことを示す。
【０１９３】
圧縮及び引張り実験に対する破壊応力を示す図１４Ｃを参照すると、圧縮構成は極短加
工にはあまり好ましくない（少なくとも破壊応力の点で）と見られることがわかる。この
結果は、加工の性質が著しく異なるため、極短パルスレーザのダイシングにより、ＵＶナ
ノ秒レーザとは異なる破壊機構を招くことをさらに支持する。
【０１９４】
従って、少なくとも幾つかの結果は、最悪の極短測定構成（例えば、圧縮）により、Ｄ
ＰＳＳシステムにとって最善の構成に対して改善を提供することを示唆する。
【０１９５】
十分に速い率の極短加工では、機械切削で得られるものと同等、又はおそらくそれより
わずかに低いダイ強度結果をもたらすことができる。場合によっては、少なくとも５００
ｋＨｚの繰返し率、約２０〜４０μｍの範囲内のスポット寸法、及び少なくとも約５μＪ
のパルスエネルギーで加工が実施される。
【０１９６】
そのような極短加工では、約４００ＭＰａから少なくとも７００ＭＰａの範囲内のダイ
強度、場合によってはより大きな値、例えば最高約９００ＭＰａ又は１０００ＭＰａより
大きな値をもたらすことができる。
【０１９７】
上記の結果は、極短加工でダイ強度を改善できることを示す。しかし、ダイ強度は幾つ
かの要因の影響を受けうることが知られている。また、情報の中には、レーザベースのプ
ロセスの幾つかの実施例では、特にパターン付きウエハを加工する場合、ダイ強度は破片
低減ほど全体的に重要ではないことを示唆するものもある。
【０１９８】
さらに、４０μｍのスポット寸法で５〜２０μＪより低いパルスエネルギーの極短加工
を行うと、ダイ強度を改善できることが予期される。しかし、幾つかの実装形態では高い
処理能力が有利になりうるため、そのような手法は通常、幾つかのそのような実装形態に
とっては不十分と見なされる。１つの可能なウエハ加工システムは、十分なダイ強度、少
ない破片、及び高い処理能力を同時に実現できると有益である。
【０１９９】
さらに、以下の実験に示すように、場合によっては、低いパルスエネルギーはパターン
付きウエハを切削するときに他の悪影響をもたらすことがある。
【０２００】
例示的な実験結果−パターン付きウエハのスクライビング／切削
再び図１Ｇ−２を参照すると、パターン付きウエハの上面図を概略的に示す。ここでは
、複数の材料及びパターンがストリート１２７内のレーザ加工経路１２７−ｂに重複して
いる。これらの材料及びパターンは電気的試験又は他の機能を実現するように配置するこ
とができる。異なる熱、光、電気、又は機械特性を有する材料の多数の組合せを存在させ
ることができる。
【０２０１】
例えば、図１Ｇ−２の例に全体として示すように、マイクロプロセッサのアーキテクチ
ャは複雑で、様々なパターン及び材料を含むことがある。微細なグリッド上に形成される
金属層、低誘電率の誘電体パターン、機能回路は全て、シリコン基板上に支持し、上にあ
る不活性化層（図示せず）で覆うことができる。
【０２０２】
前述のように、材料は、それだけに限定されるものではないが、金属、無機誘電体、有
機誘電体、半導体材料、低誘電率誘電体材料、又はこれらの組合せを含むことができる。
材料の組合せは、異なる空間パターンで構成して深さ方向に積層することができる。例え
ば、超小型電子回路は、上にある不活性化層によって覆われた銅と低誘電率材料の交互層
を有する部分を含むことができる。半導体アーキテクチャには多くの可能性が存在する。
【０２０３】
以下の実験結果は、著しい材料破片を生成することなく、ストリート内に配置された活
性材料層のスクライビングを実証する。熱影響域（ＨＡＺ）の範囲を直接測定するのは困
難であるが、全般的な目的は、無視できる程度の溶融で、層の形態を著しく変化させるこ
となく、複数の材料を清浄に除去することである。
【０２０４】
上記の例で裸のシリコンウエハの切削に使用されたパラメータは、パターン付きウエハ
のスクライビング／切削に対する少なくとも１つの有用な出発点を提供する。以下の実験
で使用される例示的なパラメータは、幾つかのパターン付きウエハの良好なスクライビン
グ性能を提供することができる。他のパラメータを使用することもできる。
【０２０５】
パターン付きウエハ／多材料デバイスを用いた例示的な実験結果
以下のタイプのパターン付きウエハについて調査した。
【０２０６】
実験１：ＧａＮオン銅（ＬＥＤデバイス）
【０２０７】
実験２：パターン付き超小型電子回路
【０２０８】
実験３：マイクロプロセッサデバイス、及び
【０２０９】
実験４：フラッシュメモリデバイス。
【０２１０】
実験１：
ＧａＮオン銅の加工では、特に期待の持てる結果が得られた。この結果は、約１０００
〜１５００回のパス及び約３０〜４０μｍ（１／ｅ２直径）のスポット寸法で１０μＪ、
５００ｋＨｚ、約７ｍ／秒という、幾つかの裸のウエハの切削によく適しているであろう
パラメータを用いて得られた。図１５Ａは、ほとんど又は全く破片がない高品質の切削部
１５０５を示すＳＥＭ画像である。図１５Ｂは、この切削部の側面図である。この画像で
は、上にある材料１５１０、ＧａＮ材料１５１５、及び内側層（複数可）１５２０を含む
様々な材料が認められる。レーザ加工後に試料を清浄にする試みは行われなかった。
【０２１１】
実験２：
上にある不活性化層と、銅及び低誘電率誘電体の複数の交互層と、シリコン基板とを有
する超小型電子回路がレーザスクライビングされた。加工はまず、１００回のパス、約７
ｍ／秒の走査速度、１０μＪのパルスエネルギー、及び５００ｋＨｚで実施された。図１
５Ｃ及び１５Ｄは、それぞれ銅パッドの不完全切削及び若干の低誘電率の層間剥離を概略
的に示すＳＥＭ画像である。レーザパラメータの結果、不活性化層を除去したが、銅層は
部分的に除去しただけである。切削部の領域はまた、顕著な表面テキスチャリングを示す
。低誘電率誘電体の除去は、層間剥離及び亀裂１５３０という証拠が示すように不完全で
あった。場合によっては、走査速度の低減、及びそれに対応するパルスの空間的重複の増
大により、銅の除去を改善することができる。
【０２１２】
実験３Ａ：
１０μＪのパルスエネルギー及び５００ｋＨｚの繰返し率で、マイクロプロセッサデバ
イスが加工された。約７．０、５．０、及び２．０ｍ／秒というそれぞれの走査速度で、
パスの数は２００回、１００回、及び５０回であった。幾つかのＳＥＭ画像（図示せず）
は、走査速度及び走査数に伴う切削品質の変動を示した。パスの特定の数は、不活性化層
、金属層、及び誘電体層から下にあるシリコン基板までを完全に切削するように選択され
た。パスの数は走査速度にほぼ反比例した。
【０２１３】
先に観察したように、最高の走査速度の場合、最小の破片及びＨＡＺが生成された。こ
れは、図１Ｇ−２に概略的に示すように、ストリート１２７のレーザ経路１２７−ｂ内又
はその付近の上層と埋設されたグリッド層との間の切削幅の差から特に明らかであった。
例として、図１Ｇ−２及び図１Ｇ−３にグリッド層１２９を概略的に示しており、この実
験では図示のようにレーザ経路内に位置した。スクライビング実験の結果、スクライ部の
縁部の露出した埋設されたグリッド層の面積は、走査速度が約２．０ｍ／秒の５０回のパ
スの場合、約７．０ｍ／秒の２００回のパスに対してかなり大きくなった。
【０２１４】
従って、上記の実験２の結果とは対照的に、この例は、裸のウエハの加工に対する典型
的なパラメータはまた、場合によってはパターン付きウエハの加工にも適していることが
あることを実証した。
【０２１５】
実験３Ｂ：
実験３Ａのレーザパラメータを用いるが、約７ｍ／秒で２００回のパスを用いて、別の
実験が実施された。この実験では、「ストリート」内の特定の領域で、誘電体層と金属層
の間の層間剥離が観察された。そのような層間剥離は、引き起こされた亀裂がダイ個片化
後にデバイス全体を通って広まることがあり、最終的にはデバイス破壊をもたらす可能性
さえあるため、幾つかの適用分野では重大な問題となることがある。層間剥離を低減させ
るステップについて、以下の実験３Ｃで論じる。
【０２１６】
実験３Ｃ：
さらなる実験は、低誘電率誘電体と金属層の間の層間剥離／亀裂が実験システム内の走
査速度の変動の影響を受けることを示した。５００ｋＨｚの繰返し率で５μＪのパルスエ
ネルギーを用いて、レーザ加工が実施された。試験には単一のパスだけが使用された。走
査速度を最大で１０．０ｍ／秒から２５０ｍｍ／秒に低減させると、層間剥離／亀裂を低
減させた。
【０２１７】
パルスエネルギーの影響はまた、特に２５０ｍｍ／秒の単一の走査パスに対して調査さ
れた。これらの実験ではこの試料の金属及び非金属面積をアブレーションするのに最小で
２μＪが必要であった。しかし、２μＪのエネルギーでは、同じ走査条件下で５μＪ及び
１０μＪの場合に観察されたものより大きな層間剥離／亀裂が生じた。さらに、２５０ｍ
ｍ／秒の単一のパスに対する５μＪと１０μＪの結果が比較された。層間剥離／亀裂の明
らかな又は著しい差は見られなかった。この例では、最も厚い金属領域の完全切削を実現
することによって、より高いパルスエネルギーが有益であり、それによって最高の処理能
力を提供した。
【０２１８】
増大させた倍率を使用して、厚い金属パッドを有する面積内に形成されたスクライブを
評価した。これらの面積は、５００ｋＨｚの繰返し率で１０μＪのパルスを使用してスク
ライビングされた。２５０ｍｍ／秒の単一のパスが、不活性化層、金属層、及び誘電体層
から、この試料のベース・シリコン基板までを完全に切削するのに十分であることが確認
された。この例では、５００ｋＨｚの繰返し率、４０μｍのスポット寸法、及び２５０ｍ
ｍ／秒の走査速度の場合、スポット重複は約９９％である。これらの結果は、ＨＡＺが無
視できる範囲であり、破片の再堆積が最小であることを示した。
【０２１９】
さらに、この試料に対する不活性化層は、感熱ポリマーであるポリイミドであった。観
察は、不活性化層がスクライブ領域から後退したことを示したが、炭化の証拠は見られな
かった。そのような炭化は、熱レーザ加工の影響に関連する一般的な有害な結果である。
【０２２０】
これらの実験の驚くべき結果は、層間剥離がパルスエネルギーと走査速度の両方に依存
していることであった。パルスエネルギーを２．５倍増大させると結果が改善され、妥当
な動作範囲は、少なくとも１０μＪまでのより高いパルスエネルギーであることがわかっ
た。４０μｍのスポットで約５μＪの最小フルエンスは約０．４Ｊ／ｃｍ２であり、その
ようなスポット寸法は高い処理能力を実現した。
【０２２１】
実験３Ｄ：
実験１〜３Ｃに記載の先の実験結果では、焦点スポットの直径は３５〜４０μｍ（１／
ｅ２直径）であった。１ＭＨｚでの実験を容易にするために、スポット直径は２０μｍに
低減された。従って、２０μｍのスポットで５μＪ（例えば、１．６Ｊ／ｃｍ２のフルエ
ンス）は、マイクロプロセッサ試料のストリート内の活性層を完全にスクライビングする
のに十分なほど高かった。
【０２２２】
この例では、繰返し率を１ＭＨｚに増大させると、スクライビング速度を直線的に増大
させることも可能である。この例では、約４００〜５００ｍｍ／秒の最適の速度を用いる
と、誘電体層と金属層の間の層間剥離が回避された。これはまた、蓄熱に関する可能な問
題を回避するのに十分なほど速い走査速度であった。例として、１パルス当たり約５μＪ
の典型的なエネルギー及び５００ｋＨｚから１ＭＨｚのパルス率を用いると、低誘電率誘
電体を清浄に除去するには約０．２ｍ／秒から１ｍ／秒の速度が適している可能性がある
。１ＭＨｚでは、０．５ｍ／秒の速度及び２０μｍのスポット寸法を用いると、おおよそ
のパルス重複が約９８％であった。
【０２２３】
この実験では、スポット直径及び入射パルスエネルギーを低減させると、活性層と不活
性化層の両方の切削幅も低減した。さらに、活性層と不活性化層の切削幅の差により、切
削部内の側壁の傾斜をより急にすることが可能になった。
【０２２４】
実験４：
フラッシュメモリデバイスが加工された。そのようなデバイスはまた、ストリート内、
場合によっては微細グリッド内に複数の材料を用いて形成される。この構造は、薄いシリ
コン基板（通常、厚さ５０〜７５μｍ）を含み、金属層及び誘電体層が不活性化層によっ
て被覆された。
【０２２５】
従来の機械ダイシングの結果、明らかな縁部の欠け落ち、及び誘電体層の若干の層間剥
離が見られた。
【０２２６】
極短パルスを使用して、５０μｍのウエハ厚さ全体を切削した。実験１及び２に類似し
ているが、実験３とは異なり、１つの可能な好ましいダイシング方法は、比較的速い並進
運動速度（例えば、約７．０ｍ／秒）で多くのパス（例えば、この場合５５０回）を使用
することである。より少ない数のパス（例えば、５５０回未満）を使用して、ウエハ全体
を切削することもできる。スポット直径は、実験３Ｄの場合と同様に２０μｍであった。
しかし、実験１〜３Ｃの場合と同様に、パルスエネルギーは１０μＪであり、繰返し率は
５００ｋＨｚであった。
【０２２７】
この実験は、破片の再堆積及びＨＡＺを、最小化するのでない場合は制限しながら、ウ
エハ厚さ全体の効率的な切削が実証されたことを示す。層間剥離の問題は、この実験では
見られなかった。これは、少なくとも部分的に、特有のデバイス構造の結果である可能性
がある。レーザ切削後に試料を清浄にするために後処理を使用しなかったことに留意され
たい。
【０２２８】
機械切削では通常、切削中に大量の水を使用してブレードを清浄／冷却する。レーザダ
イシング破片の大部分は、特殊な保護被覆を必要とすることなく、標準的なウエハのスピ
ン・リンス／乾燥システムによって除去できる可能性が高い。
【０２２９】
このフラッシュメモリの適用分野は、ウエハの完全切削を必要とし、１つの問題は、レ
ーザにより引き起こされるダイシングテープの損傷である。従来のナノ秒のレーザ切削で
は、テープ内へのレーザの光／熱透過は通常かなり深く、テープ強度を著しく低減させ、
また個片化後、後のダイの「ピック・アンド・プレース（ｐｉｃｋ  ａｎｄ  ｐｌａｃｅ
）」を複雑にすることがある。ナノ秒ＵＶレーザダイシングの場合、テープ内へのレーザ
透過の深さを制限する特殊なレーザダイシングテープを開発するための大きな努力が当業
界でなされてきた。極短パルスレーザの機械加工では、基板を完全に切削するがテープを
実質上損傷しないように、例えばレーザパスの数などのパラメータを選択することが可能
である。極短レーザ・アブレーションの高精度の性質により、特殊なテープの必要性を低
減又は排除し、従って標準的な機械ダイシングのテープをなお使用することができる。
【０２３０】
例示的な実験結果に基づく観察
最善のスクライビング結果を実現するために、レーザパラメータ及び走査速度を変更で
きると望ましい。
【０２３１】
裸のウエハの実験で観察されたように、例えば５００ｋＨｚから約１ＭＨｚの範囲内の
比較的高い繰返し率の結果、破片が少なくなった。通常、繰返し率が十分に高いと、破片
の蓄積を回避する。しかし、場合によっては、繰返し率が数ＭＨｚを上回る値（例えば、
数十ＭＨｚ以上）に増大すると、熱効果及びＨＡＺにより引き起こされる材料の変質を増
大させることがある。幾つかのスクライビング／ダイシングの実装形態では、走査速度及
びレーザスポット寸法を、許容できる処理能力を提供するのに十分なほど大きくできると
有利である。
【０２３２】
隣接するダイ間のストリート内のパターン構造及び材料が変動するため、幾つかの複雑
なウエハ設計では、プロセス動作パラメータを識別するために、比較的より多くの実験を
必要とすることがある。従って、レーザ及び機械加工システムが、レーザパラメータ、例
えば、パルスエネルギー、走査速度などの十分な調整を実現できると有利である。
【０２３３】
幾つかの例は、分離された領域内の破片及びＨＡＺの最小化のみに基づいて幾つかの実
装形態に対する加工条件を設定するのは十分でない可能性があることを示した。場合によ
っては、パス間でパラメータを調整して、適切なプロセスパラメータを識別することがで
きる。加工物に対する非常に複雑なパターン設計は、調整可能な範囲内の比較的狭い１組
のパラメータに対するプロセスウィンドウを制限することがあり、又は加工の処理能力に
関して若干の妥協につながることがある。
【０２３４】
広い範囲にわたるレーザパラメータの柔軟性及び調整可能性により、ストリート内に複
数の材料を有するパターン付きウエハの加工を実現できると有利である。これらの実験で
は、マイクロジュールのパルスエネルギー、５００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、標準的な２０〜４
０μｍを上回るスポット寸法、及び約０．２〜１０ｍ／秒での動作は概ね有益であること
を示した。
【０２３５】
驚くべきことに、特定のパターン付き及び裸のウエハ部分を加工する場合、パルスエネ
ルギー／フルエンスと速度の組合せに依存することが見出された。固定のパラメータの場
合、速度がより遅いと、ウエハ領域、例えば複数の層を有する「上側」パターン付きウエ
ハ部分のパルス重複及び露出を増大させる傾向がある。速度の増大、及びスポット間の空
間的重複の低減は裸のウエハの加工に適している傾向がある。厚いウエハに対する幾つか
の実装形態では、最初のスクライブが完了した後、機械ソーを使用して、下にある基板（
通常、シリコン）を切削することができる。
【０２３６】
別法として、薄いウエハに使用されるレーザ切削パラメータが適している可能性がある
。具体的には、１００μｍ、７５μｍ、５０μｍ、又は他の薄い基板の場合、活性層のス
クライビング（場合によっては、通常少数の比較的遅い走査を用いる）に対して、また基
板切削（場合によっては、通常多数の比較的高速の走査を用いる）に対して、同じ高繰返
し率の極短パルスファイバレーザ（例えば、図１Ｆ又は図６Ａに示す）を使用することが
できる。幾つかの実装形態では、例えばパルスエネルギー、繰返し率（例えば、基板にパ
ルスが加えられる率）、及び走査速度を含む特定のパラメータが広い範囲にわたって調整
可能であると有利である。
【０２３７】
幾つかの極短レーザパルスのウエハダイシングの実施例で可能な高い深さ精度を利用及
び較正して、下にあるダイシングテープを著しく切削／貫通することなく、ウエハ材料を
完全に切削することができる。従って、従来のナノ秒ＵＶレーザダイシングでは、特別に
設計されたダイシングテープの使用を必要とすることがよく知られているが、標準的な機
械ダイシングテープを許容可能とすることができる。
【０２３８】
パターン付きウエハを加工するためのパラメータは、標準的な裸のウエハの加工パラメ
ータに重複しても異なってもよい。従って、十分に広い範囲にわたってパラメータの調整
を実現するレーザ加工システムは、パターン付きとパターンなしの両方の多種多様な半導
体基板を加工するのに適していることがある。異なる生産設計で加工を最適化するには、
通常、何らかの実験が予期される。
【０２３９】
幾つかの有利な実施例では、薄い（例えば、５０μｍ、７５μｍなど）パターン付き又
はパターンなしのシリコンウエハを近ＩＲ波長で加工するためのパラメータに対する幾つ
かの値及び／又は範囲は、以下の幾つか又は全てを含むことができる。
【０２４０】
波長：約１μｍ
【０２４１】
パスの数：通常１０〜１０００回、最高約１５００回
【０２４２】
スポット寸法（１／ｅ２）：１０〜５０μｍ、通常２０〜４０μｍ
【０２４３】
パルス幅：１ピコ秒に満たないもの（例えば、１００フェムト秒未満）から約１０ピコ
秒、約５０ピコ秒未満
【０２４４】
パルスエネルギー：約２〜２０μＪ、通常５〜１０μＪ、層間剥離を制限し、高い処理
能力で銅を加工するには通常、より高いエネルギー
【０２４５】
最小フルエンス：約０．４Ｊ／ｃｍ２より大きい（例えば、４０μｍのスポット１／ｅ
２直径で約５μＪ）
【０２４６】
繰返し率：５００ｋＨｚ〜５ＭＨｚ（ターゲット表面に送達される）
【０２４７】
走査速度：０．１ｍ／秒から１０ｍ／秒、パターンなしのウエハの場合、通常１ｍ／秒
未満、パターン付きウエハの場合、通常５ｍ／秒以上、典型的な低誘電率材料の場合、０
．２ｍ／秒から１ｍ／秒
【０２４８】
上記の値及び範囲は例であり、他の実施例では他の値及び範囲も可能である。
【０２４９】
幾つかの実施例では、１つ以上の最初のパスは、金属及び／又は誘電体材料、例えば複
数の層を除去するために、比較的遅い走査速度で実施することができる。追加のパスは、
半導体ウエハ、例えば金属及び／又は誘電体層を支持する下にあるシリコン基板を切削す
るために、増大させた速度で実施することができる。
【０２５０】
例として、最初のパス（例えば、誘電体／導体を除去するため）は、約２μＪより大き
く最高約１０μＪの範囲内のパルスエネルギーを使用して、約０．２ｍ／秒から１ｍ／秒
で実施することができる。追加のパスは、上記のパルスエネルギーを用いて最高約１０ｍ
／秒の速度で実施することができる。集束スポット寸法は、約２０〜４０μｍ（１／ｅ２
直径）の範囲内とすることができる。最小フルエンスは、約０．４Ｊ／ｃｍ２とすること
ができる。パルス幅は、約１０ピコ秒以下とすることができる。最初及び／又は追加のパ
スに対する他のパラメータも可能である。
【０２５１】
例示的な実験結果−フェムト秒及びピコ秒のパルス
フェムト秒及びピコ秒のパルスのスクライビング例
追加の実験を実施して、フェムト秒とピコ秒のパルスを用いて得られたスクライビング
結果を比較した。使用したシステム構成は、図６Ａに概略的に示すシステムに類似してい
た。これらの実験では、レーザシステム１０４は、ＩＭＲＡ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ｉｎｃ．
（ミシガン州アナーバー）製のＤ−１０Ｋレーザを含んだ。
【０２５２】
Ｄ−１０Ｋレーザを用いてパルスレーザビームが生成された。幾つかの実験では、Ｄ−
１０Ｋレーザは、パルス圧縮器が１ピコ秒に満たない出力パルスを生成するように構成さ
れた。出力波長は１．０４μｍであり、１パルス当たりのエネルギーが１０μＪのパルス
列が１ＭＨｚの繰返し率で生成された。フェムト秒とピコ秒のパルスのパルスエネルギー
はほぼ等しかった。圧縮前には、レーザパルス持続時間は約３００ピコ秒であり、引き延
ばして増幅したモードロック式発振器の出力に対応する。この実験では、パルス圧縮器を
取り除くことによって、３００ピコ秒のパルスが得られた。圧縮パルス幅は、約５００フ
ェムト秒であった。１組の例示的な実験（例えば、図１７の左側に示す例示的な結果）で
は、約５μＪのパルスエネルギーを有する圧縮パルスが使用された。これらの例示的な実
験の全てにおいて、レーザビームはｆθレンズを使用して集束され、レンズの焦点面又は
その付近に厚さ１００μｍのシリコンウエハが配置された。ウエハを複数のパスでスクラ
イビングするように、パルスレーザビームがシリコンウエハを横切るように走査された。
各パスに対して、レーザビームは、以下で論じる走査速度でウエハを１回横切るように走
査された。
【０２５３】
図１６Ａ〜１６Ｄは、５００フェムト秒のレーザパルス（図１６Ａ及び１６Ｃ）、並び
に３００ピコ秒のレーザパルス（図１６Ｂ及び１６Ｄ）を使用してスクライビングされた
パターンなしのシリコンウエハの例示的な走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図１６
Ａ及び１６Ｃに示す結果は約１２０ｍｍ／秒の走査速度で得られ、図１６Ｂ及び１６Ｄの
結果は約３２０ｍｍ／秒の走査速度で得られた。図１６Ａ及び１６Ｂに示すレーザスクラ
イビングされた溝のＳＥＭ画像は、へき開した（スクライビング後）表面の側面図である
。図１６Ｃ及び１６Ｄに示すＳＥＭ画像は、それぞれ図１６Ａ及び１６Ｂに示す溝の一部
分の上面図である。
【０２５４】
これらの例示的な実験では、リキャストは、ピコ秒のパルスを用いた場合よりフェムト
秒のパルスを用いた方がはるかに少なかった。５００フェムト秒のレーザパルスを用いて
スクライビングしたシリコン試料は、図１６Ａ及び１６Ｃ内に観察可能なリキャスト領域
を示さない。従って、この例示的な実験では、フェムト秒のレーザパルスによって非常に
浅いＨＡＺだけが生成されることが確認された。しかし、３００ピコ秒のパルスを用いて
スクライビングした結果、図１６Ｂ及び１６Ｄに示す例示的な実験結果では、スクライビ
ング溝の周りに顕著なリキャスト領域が生じた。これらの実験では、リキャスト（「ピコ
秒でリキャスト」と標識を付けた図１６Ｂの矢印で示す）は、シリコンが溶融しているこ
と、そして５００フェムト秒のパルスの場合より３００ピコ秒のパルスの場合にＨＡＺが
大きいことを示す。図１６Ｂに示す例で３００ピコ秒のパルスを用いて生成されたリキャ
ストは、再堆積材料の熱溶融の結果であると考えられる。これまでのウエハ加工の実施例
に示したフェムト秒の加工の特定の例では、再堆積材料の溶融は発生しないことがある（
又はより長いパルス、例えば１００ピコ秒を超えるパルスの場合より小さな程度で発生す
ることがある）。いかなる特定の理論又は説明も利用することなく、又は必要とすること
なく、１ピコ秒に満たないレーザ・アブレーションに関連する粒子状の破片のリキャスト
は、例えば１００ピコ秒より大きなパルス幅を使用する幾つかの実験で観察されるような
、例えばより長いパルス持続時間にわたって発生し得る熱溶融とは、いくぶん異なる現象
を伴うことがある。図１３Ａ−１から１３Ａ−５を参照して記載の例の非圧縮試験の結果
（２００ピコ秒のパルスを使用）は、より長いパルス幅を用いると、場合によってはシリ
コンウエハ切削の品質が低下する可能性があることを示す。それにもかかわらず、３００
ピコ秒の加工で観察された溶融及びリキャストは、穏やかなものであった（例えば、ナノ
秒の加工と比較）。例えば、図１６Ｂは、材料変質の領域に亀裂を示していない。
【０２５５】
図１６Ｂ及び１６Ｄに示す３００ピコ秒の例示的な実験結果は、図１６Ａ及び１６Ｃに
示す１ピコ秒に満たないパルスを用いた例示的な実験と比較して、平滑なスクライビング
表面を示す。フェムト秒のパルスは、比較的浅いＨＡＺで比較的平坦なスクライビング溝
を作ったが（図１６Ａ参照）、スクライビング表面はテキスチャでいっぱいであった（図
１６Ｃ参照）。いかなる特定の理論又は説明にも制限されることなく、テキスチャは、レ
ーザにより引き起こされる周期的な表面構造（ＬＩＰＳＳ）に起因すると考えられる。こ
れらの実験では、３００ピコ秒のパルスを用いたスクライビングが、はるかに平滑な表面
を形成した。これは明らかに、上記の溶融プロセスの結果である。他方では、パルス幅は
、図示の例では、ウエハ・フィーチャ（例えば、導体、誘電体層）と同等のスケールで表
面変化が生じるのを回避するのに十分なほど短い。従って、これらの例示的な実験例では
、３００ピコ秒のパルスは、５００フェムト秒のパルスよりはるかに平滑なスクライビン
グ表面品質を提供した。従って、幾つかの実装形態では、より長いパルス幅（例えば、特
定の実施例では約１００ピコ秒より長い）を使用して、加工物内の金属材料、誘電体材料
、及び／又は半導体材料の平滑で実質上テキスチャのない表面部分を生成することができ
る。
【０２５６】
これらの実験結果はまた、フェムト秒のパルス、又は数百ピコ秒のパルス幅を有するピ
コ秒のパルスのいずれかを用いると、優れたダイ強度が実現可能であることを示した。例
えば、図１７は、５００フェムト秒（圧縮Ｄ−１０Ｋ出力パルス）及び３００ピコ秒（非
圧縮Ｄ−１０Ｋ出力パルス）を用いて切削されたシリコン・ダイのダイ強度を示す。図１
７では、個々の実験結果を、白丸（引張り状態のダイ）及び白い正方形（圧縮状態のダイ
）として示す。これらの実験結果に対応する平均値（及び誤差バー）を、黒丸（引張り状
態のダイ）又は黒い正方形（引張り状態のダイ）として示す。これらは、実験結果から水
平にオフセットしたものである。比較として、Ｌｉら、「Ｌａｓｅｒ  ｄｉｃｉｎｇ  ａ
ｎｄ  ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ  ｄｉｅ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｔ
ｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ｆｏｒ  ｕｌｔｒａ−ｔｈｉｎ  ｗａｆｅｒ」、Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃ
ｅ、ＩＥＥＥ（２００７）、７６１〜７６６頁に開示の機械及びナノ秒レーザのダイシン
グの結果を示す。図１７に示す例示的な結果は、３００ピコ秒のレーザパルスを用いたダ
イシングが、５００フェムト秒のレーザパルスを用いて切削されたダイのものと類似のダ
イ強度をもたらしたこと、そして３００ピコ秒及び５００フェムト秒のパルスを用いて得
られたこれらの実験のダイ強度は、ナノ秒のレーザを用いて切削されたダイのダイ強度よ
り強いことを示す。
【０２５７】
例示的な実験結果に基づく観察
様々な実施例では、低誘電率誘電体のスクライビングは、複数の層と交差する深さ方向
領域にわたって材料変質をもたらすのに十分なほどＨＡＺを大きくすると、より効率的に
実施することができる。ＨＡＺの範囲（例えば、深さ方向範囲）は、亀裂、空隙、又は相
当な望ましくない再堆積材料を低減又は回避するように制限できると有利である。また、
幾つかの実装形態では、このシステムは加工物内の誘電体材料（例えば、低誘電率誘電体
）及び／又は金属材料の除去中に生成されるＨＡＺが、加工物の半導体材料の一部分の除
去中に生成されるＨＡＺに対して深さ方向に増大するように構成される。例えば、幾つか
の実装形態では、誘電体材料及び／又は金属材料の除去中に生成されるＨＡＺの深さ方向
範囲は、複数の材料層を通って延びる（及び／又は交差する）ことができる。
【０２５８】
図１６Ｂは、熱の相互作用の結果、材料が再堆積したが、亀裂及び空隙がないので破局
的ではない材料除去の一例を示す。図１６Ａは、材料の深さ方向の一部分が除去されて、
再堆積は低減され又は無視できる（図１６Ｂの例と比較）、極短（フェムト秒）レーザ・
アブレーション機構の一例を示す。裸のシリコンを用いるこれらの実験では、亀裂又は他
の望ましくない変質を生じない若干のリキャストの存在は、上にある低誘電率材料層を除
去するのにＨＡＺが十分であることの指標である。またこの場合も、これらの実験結果は
、裸のウエハのフェムト秒の加工を用いるとリキャスト、スラグ、溶融領域などを低減又
は回避することを確認し、またウエハの厚さ全体、又はその大部分の切削に対するフェム
ト秒のパルスの利益を実証する。
【０２５９】
幾つかの微細機械加工動作では、ターゲット材料から放出される荷電粒子の静電引力を
使用することによって、破片の蓄積をさらに低減させることができる。「Ｌａｓｅｒ  Ｃ
ｕｔｔｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ」という名称の米国特許第６，７７０，５４４号は、そのよ
うな技法を開示している。ウエハ切削システム又は他の微細機械加工デバイスのレーザ照
射器近傍に、正又は負に帯電した集塵電極を設置することができる。この構成では、レー
ザ照射によって生じた帯電した断片は、集塵電極によって静電気で引き付けられ、従って
帯電した断片がレーザ照射器近傍に堆積するのを防止することができる。様々な実施例で
そのような方法を利用して、性能をさらに向上させることができる。性能指数は、放出物
内の荷電粒子と中性粒子の相対分布に少なくとも部分的に依存することがある。
【０２６０】
追加の実施例、特徴、及び例示的な応用
本明細書に記載のように、ターゲット基板の加工中にターゲット領域内、この領域近傍
、又はその両方で、望ましくない材料が蓄積することがある。再堆積材料の量を低減させ
、及び／又は破片の組成を変える実施例は追加の加工ステップを低減又は排除することが
できる。例えば、半導体加工の場合、望ましくない材料の量は従来の超音波清浄を使用し
て望ましくない材料の一部又は全てを除去できるのに十分なほど低減させることができる
。さらに、本明細書に記載のレーザシステムの幾つかの実施例を使用した結果、材料の「
ブラブ（ｂｌｏｂ）」ではなく微細な粒子が再堆積する可能性がある。そのような実施例
では、化学エッチング又は他の清浄化ステップを使用する必要はないことがある。
【０２６１】
本明細書に記載のシステム及び方法の多数の実施例は、半導体基板の加工に適用できる
。幾つかの実施例は、破片除去のために当業界で現在利用されている特殊な被覆及び／又
はエッチングのステップの必要性を低減又は排除できると有利である。幾つかの実施例は
、追加の及び／又は異なる利点を提供することができる。特定の追加の実施例の例を本明
細書に記載する。これらの追加の実施例は、様々なシステム及び方法の特定の有利な例に
ついて説明するものであり、本開示の範囲を限定するものではない。
【０２６２】
一実施例では、加工物をレーザ加工する方法が提供される。この方法は、十分に高いパ
ルス繰返し率で加工物のある領域にレーザパルスを集束させて誘導し、従ってこの領域か
ら材料を除去し、またこの領域内又はその近傍の望ましくない材料の量を、より低い繰返
し率で得られる量に対して低減させることを含むことができる。少なくとも幾つかの実施
例では、加工物の領域は半導体ウエハを含み、望ましくない材料の量は再堆積材料を含む
。様々なそのような実施例では、再堆積材料は約２０μｍより小さい、約１０μｍより小
さい、約５μｍより小さい、約４μｍより小さい、又は約３．５μｍより小さい厚さに制
限される。
【０２６３】
少なくとも１つの実施例は、ターゲット材料をレーザ加工して材料の深さ方向の一部分
を除去する方法を含む。この方法は、ある走査速度及びパルス繰返し率で、ターゲット材
料の少なくとも一部分に集束レーザパルスを繰り返し照射することを含むことができる。
繰返し率は、材料の相当な深さ方向部分をターゲット位置から効率的に除去し、またター
ゲット位置内又はその近傍の望ましくない材料の蓄積を制限するのに十分なほど高い。様
々な実施例では、除去される材料の深さは、約１０μｍより大きく、約２５μｍより大き
く、約５０μｍより大きく、約７５μｍより大きく、約１００μｍより大きく、約１２５
μｍより大きく、約１５０μｍより大きく、又は何らかの他の深さとすることができる。
特定の実施例では、除去される材料の深さは、約１０μｍより大きな、約２５μｍより大
きな、約５０μｍより大きな、約７５μｍより大きな、約１００μｍより大きな、又は何
らかの他の深さの厚さを有するターゲット材料を完全に切削するのに十分である。幾つか
の実施例では、深さ方向部分は比較的浅いトレンチを含み、その深さは、例えば、約１０
μｍ未満、約５μｍ未満、又は何らかの他の値とすることができる。様々な実施例では、
除去される材料の幅は、約５μｍから約１００μｍの範囲内、約１０μｍから約５０μｍ
の範囲内、約２０μｍから約４０μｍの範囲内、又は何らかの他の範囲とすることができ
る。
【０２６４】
少なくとも１つの実施例は、ターゲット材料を加工して、ターゲット材料上又は内の切
削、ダイシング、スクライビング、又はフィーチャ形成のうちの少なくとも１つを行う方
法を含む。この方法は、ある走査速度及びパルス繰返し率で、ターゲット材料に集束レー
ザパルスを繰り返し照射することを含むことができる。繰返し率は、場合によっては、少
なくとも約１００ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内とすることができる。走査速度は、場
合によっては、約０．２ｍ／秒から２０ｍ／秒の範囲内とすることができる。走査速度は
、場合によっては、約０．５ｍ／秒から約１０ｍ／秒の範囲内とすることができる。特定
の実施例では、集束パルスの少なくとも幾つかは、少なくとも１つの他のパルスとのゼロ
以外の空間重複係数、約１ナノ秒より短いパルス幅、約５μＪから約２５μＪの範囲内の
パルスエネルギー、約１０μｍから約５０μｍの範囲内の集束１／ｅ２スポット寸法のう
ちの少なくとも１つを有する。これらのパルスは、ターゲット材料で約０．２５Ｊ／ｃｍ
２から約３０Ｊ／ｃｍ２のフルエンスを生成することができる。
【０２６５】
幾つかの実装形態では、照射することは、ターゲット材料の少なくとも一部分にわたっ
て複数のパスを用いて実施される。幾つかの実装形態では、集束レーザパルスの少なくと
も一部分は、材料の少なくとも５μｍの深さ方向部分をターゲット材料から除去する。
【０２６６】
多材料加工物を加工する方法の幾つかの実装形態では、加工物は半導体材料及びパター
ンを含み、パターンは誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つを含む。この方法
は、加工物にレーザパルスの列を照射することを含むことができる。幾つかの実装形態で
は、この列の少なくとも２つのパルスは異なる特性を有し、これらのパルスは加工物の異
なる材料に加えられる。この方法はまた、誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１
つの除去中に生成される少なくとも１つのＨＡＺが、半導体材料の一部分の除去中に生成
される少なくとも１つのＨＡＺに対して深さ方向に増大するように、熱影響域（ＨＡＺ）
を制御することを含むことができる。幾つかの実施例では、少なくとも幾つかのレーザパ
ルスは異なるパルス幅を有し、ＨＡＺを制御することは加工物材料に異なるパルス幅を加
えることを含む。これらのパルス幅は約１００フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内と
することができる。幾つかの実施例では、これらの異なる特性は、パルスエネルギー、ピ
ークパワー、及び加工物の空間的重複のうちの少なくとも１つを含む。ＨＡＺを制御する
ことは、異なる特性のうちの少なくとも１つを有するパルスを異なる加工物材料に加える
ことを含むことができる。少なくとも１つの実施例では、列の少なくとも１つのパルスは
約０．２５Ｊ／ｃｍ２から約３０Ｊ／ｃｍ２の範囲内のフルエンスを提供する。
【０２６７】
半導体基板の材料上又は内でダイシング、切削、スクライビング、及びフィーチャ形成
のうちの少なくとも１つを行うシステムの実施例について説明する。このシステムは、あ
る走査速度及びパルス繰返し率で、材料の少なくとも一部分に集束レーザパルスを繰り返
し照射するように構成されたパルスレーザシステムを含むことができる。繰返し率は、材
料の相当な深さ方向部分をターゲット位置から効率的に除去し、またターゲット位置近傍
の望ましくない材料の蓄積を制限するのに十分なほど高くすることができる。幾つかの実
施例では、繰返し率は、約１００ｋＨｚから約５ＭＨｚの範囲内とすることができる。こ
のシステムは、レーザパルスを送達して集束させる光学系と、この走査速度で半導体基板
に対してレーザパルスを位置決めするように構成されたビーム位置決めシステムとを含む
ことができる。位置決めシステムは、光学式スキャナ及び基板ポジショナのうちの少なく
とも１つを含むことができる。このシステムはまた、レーザシステム、光学系、及び位置
決めシステムに結合された制御装置を含むことができる。
【０２６８】
幾つかの実装形態では、このシステムはまた、レーザシステム及び制御装置に結合され
たビーム操作器を含む。ビーム操作器、レーザシステム、及び制御装置は、基板及びレー
ザシステムのうちの少なくとも１つの状態を示す信号を得るように動作可能とすることが
できる。制御装置は、レーザシステム及び基板のうちの少なくとも１つの状態を変えるた
めの制御信号を生成するように動作可能とすることができる。
【０２６９】
幾つかの実装形態では、レーザ光源は、ファイバレーザ、ファイバ増幅器、受動Ｑスイ
ッチ・マイクロチップレーザ、及びモードロック式発振器のうちの少なくとも１つを含む
。このシステムは、約５０フェムト秒から数ナノ秒の範囲内の幅を有する少なくとも１つ
のパルスをこの繰返し率で生成するように構成することができる。
【０２７０】
幾つかの実装形態では、このシステムは、約１０ピコ秒より小さいパルス幅を有する少
なくとも１つのレーザパルスを提供するように構成される。他の実装形態では、システム
は、パルス幅が約５０フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス
を提供するように構成することができる。幾つかの実装形態では、パルスレーザシステム
は、極短レーザ、及び極短パルスを増幅する光増幅器のうちの少なくとも１つを含む。幾
つかの実装形態では、このシステムは、約１０ＭＨｚより小さいパルス繰返し率で動作す
るように構成される。
【０２７１】
少なくとも１つの実施例はターゲット材料をレーザ加工してターゲット材料内にアスペ
クト比の高いフィーチャを形成する方法を含み、このフィーチャの深さと幅の比は十分に
大きく、またフィーチャ深さは少なくとも約５ミクロンである。この方法は、ある走査速
度及びパルス繰返し率で、ターゲット材料に集束レーザパルスの列を照射することを含む
ことができる。この方法は、レーザパルスの列の１つ以上の特性を制御することをさらに
含むことができる。制御されるパルス特性には、フルエンス、パルスエネルギー、この列
の少なくとも１つの他のパルスとのゼロ以外の空間重複係数、及びパルス幅を含むことが
できる。繰返し率及び走査速度は、フィーチャ品質が、実質上同じパルス特性及び走査速
度を用いてより低い繰返し率で得られる品質に対して改善されるのに十分なほど高い。
【０２７２】
少なくとも１つの実施例は、ターゲット材料をレーザ加工する方法を含む。少なくとも
１つの実施例は、ある走査速度及びパルス繰返し率で、ターゲット材料に集束レーザパル
スの列を照射することを含む。この方法は、レーザパルスの列の１つ以上の特性を制御す
ることをさらに含むことができる。この列のパルスの制御されるパルス特性には、フルエ
ンス、少なくとも約５マイクロジュールのパルスエネルギー、この列の少なくとも１つの
他のパルスとのゼロ以外の空間重複係数、及びパルス幅を含むことができる。加工品質は
、ある量の除去された材料又はその近傍の再堆積材料の測度で特徴付けることができる。
繰返し率及び／又は走査速度は、機械加工品質が、実質上同じパルス特性及び走査速度を
用いて約１ＭＨｚを下回るより低い繰返し率で得られる品質に対して改善されるのに十分
なほど高い。
【０２７３】
少なくとも１つの実施例は、ターゲット材料を加工して、ターゲット材料上又は内で切
削、ダイシング、スクライビング、及び／又はフィーチャ形成を行う方法を含む。ターゲ
ット材料は、半導体、金属、又は誘電体を含むことができる。例えば、ターゲット材料は
、シリコンを含むことができる。誘電体は、低誘電率誘電体を含むことができる。この方
法は、ある走査速度及びパルス繰返し率で、ターゲット材料に集束レーザパルスの列を照
射することを含むことができる。この方法は、レーザパルスの列の１つ以上の特性を制御
することをさらに含むことができる。この列のパルスの制御されるパルス特性には、フル
エンス、少なくとも約５マイクロジュールのパルスエネルギー、この列の少なくとも１つ
の他のパルスとのゼロ以外の空間重複係数、及びパルス幅を含むことができる。少なくと
も１つのパルスのエネルギーは約５μＪから約２５μＪの範囲内とすることができ、パル
ス幅は約１ピコ秒未満とすることができ、集束スポット寸法は約１０μｍから約５０μｍ
の範囲内とすることができ、基板で約０．２５Ｊ／ｃｍ２から約３０Ｊ／ｃｍ２の範囲内
のフルエンスを生成することができる。幾つかの実施例では、繰返し率は少なくとも約５
００ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内とすることができ、走査速度は約０．２ｍ／秒から
約２０ｍ／秒の範囲内とすることができる。
【０２７４】
様々な実施例では、パルス幅は１ピコ秒未満である。
【０２７５】
幾つかの実施例では、パルス幅は最高数ナノ秒とすることができる。
【０２７６】
幾つかの実施例では、１ナノ秒に満たないパルス幅は１ナノ秒未満、例えば５００ピコ
秒以下とすることができる。
【０２７７】
幾つかの実施例では、数十フェムト秒から約５００ピコ秒のパルス幅を使用することが
できる。
【０２７８】
様々な実施例では、パルス幅は、ターゲット材料のある領域内又はその付近で望ましく
ない微細な亀裂又は他の欠陥を回避するのに十分なほど短い。
【０２７９】
様々な実施例では、パルス幅は、より高い繰返し率で望ましくない材料の蓄積を制限す
るのに十分なほど短い。
【０２８０】
様々な実施例では、パルス幅は所定の公差内でフィーチャ形状が形成されるのに十分な
ほど短い。
【０２８１】
所定のフィーチャ形状を形成するのに十分なほど短いパルス幅は約１００ピコ秒未満と
することができる。
【０２８２】
様々な実施例では、繰返し率に対する上限は、約２．５ＭＨｚ、約５ＭＨｚ、又は約１
０ＭＨｚとすることができ、また蓄熱効果及び再堆積材料の蓄積のうちの１つ以上を回避
するように選択することができる。
【０２８３】
様々な実施例では、より高い繰返し率は約２．５ＭＨｚ未満とすることができる。
【０２８４】
様々な実施例では、より高い繰返し率は約５ＭＨｚ未満とすることができる。
【０２８５】
幾つかの実施例では、より高い繰返し率は約１０ＭＨｚ未満とすることができる。
【０２８６】
少なくとも１つの実施例は、本明細書に記載のレーザ加工方法の実施例のいずれかを実
施するのに適した極短パルスレーザシステムを含む。
【０２８７】
少なくとも１つの実施例は、ファイバ増幅器又はファイバレーザのうちの少なくとも１
つを含む極短パルスレーザシステムを含む。
【０２８８】
除去される材料の深さ方向部分は、単一のパス中に約０．５μｍ以上とすることができ
る。
【０２８９】
繰返し率は少なくとも約１ＭＨｚとすることができる。
【０２９０】
望ましくない材料の断面は１ミクロンに満たない寸法に制限することができる。
【０２９１】
フィーチャ品質は、フィーチャ近傍の再堆積材料の測度に対して、形成されたフィーチ
ャの深さＺとして測定可能とすることができる。
【０２９２】
少なくとも１つの実施例では、繰返し率は少なくとも約５００ｋＨｚから約５ＭＨｚで
あり、より低い繰返し率は約１０ｋＨｚから約２５０ｋＨｚの範囲内である。
【０２９３】
少なくとも１つの実施例では、繰返し率は約５００ｋＨｚから１０ＭＨｚであり、より
低い繰返し率は約１０ｋＨｚから約４００ｋＨｚ未満の範囲内である。
【０２９４】
少なくとも１つの実施例では、繰返し率は約５００ｋＨｚから約２．５ＭＨｚであり、
より低い繰返し率は約１０ｋＨｚから約４００ｋＨｚ未満の範囲内とすることができる。
【０２９５】
繰返し率は少なくとも約５００ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内とすることができ、実
際の加工中のパルスの平均パワーはわずか約２．５Ｗである。
【０２９６】
少なくとも１つの実施例は、アスペクト比の高いフィーチャを形成する前述の方法の実
施例を実施するのに適した極短パルスレーザシステムを含む。
【０２９７】
ターゲット材料は、例えばシリコンなどの半導体を含むことができる。
【０２９８】
パルスエネルギーは少なくとも約１マイクロジュールとすることができ、集束１／ｅ２
スポット直径の少なくとも一部分にわたってフルエンスがターゲット材料のアブレーショ
ン閾値を超えるのに十分なほど高くすることができる。
【０２９９】
照射することは、材料上の複数のパス内で実施することができ、フィーチャ深さの深さ
方向の一部分は任意のパス中に形成することができる。
【０３００】
少なくとも１つの実施例では、繰返し率は少なくとも１ＭＨｚとすることができる。
【０３０１】
ターゲット材料上のフルエンス、パルス持続時間、及びレーザスポット重複は、ほぼ一
定のまま保持することができる。
【０３０２】
品質の測度には、ターゲット材料近傍の領域を覆う再堆積材料の平均高さ、体積、及び
面積のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【０３０３】
品質の測度には、領域内の断面のピーク高さ、平均高さのうちの少なくとも１つを含む
ことができる。
【０３０４】
品質のさらなる測度はまた、ターゲット材料内に形成されたフィーチャの深さと上記の
品質測度のいずれかとの比を含むことができる。
【０３０５】
様々な実施例では、リキャスト材料の量をおおよそ低減することは、リキャスト粒子寸
法を見掛け上低減することを含むことができる。
【０３０６】
パスの数Ｎは約１０回のパスから約１０００回のパスの範囲内とすることができる。
【０３０７】
フルエンスは材料のアブレーション閾値を約５倍から約２０倍上回ることができる。
【０３０８】
フルエンスは約０．２５Ｊ／ｃｍ２から約３０Ｊ／ｃｍ２の範囲内とすることができる
。
【０３０９】
パルス幅は約１ピコ秒を下回ることができる。
【０３１０】
走査速度は約１０ｍ／秒とすることができ、集束パルスは約１０ミクロンから約１００
ミクロンの１／ｅ２スポット寸法を含むことができる。
【０３１１】
幾つかの実施例では、ターゲット材料はシリコンウエハを含むことができ、また機械加
工は、ウエハスクライビング又はダイシングを含むことができる。
【０３１２】
幾つかの実施例では、再堆積材料の量は、より多くの量の再堆積材料を除去するのに利
用される加工ステップを排除するのに十分なほど少なくすることができる。
【０３１３】
幾つかの実施例では、再堆積材料の量は、基板被覆又は化学エッチングを必要とするこ
となく超音波清浄で再堆積材料を除去するのに十分なほど少なくすることができる。
【０３１４】
幾つかの実施例では、繰返し率を最高約１０ＭＨｚ、平均パワーを少なくとも約２５Ｗ
、最高約１００Ｗとすることができる。
【０３１５】
スポットの空間的重複は約１０％から約５０％の範囲内とすることができる。
【０３１６】
幾つかの実施例では、パルスのパワー密度は、約１０１２から約１０１４Ｗ／ｃｍ２の
範囲内とすることができ、パルスは、約１０ピコ秒より小さい幅を有することができる。
【０３１７】
幾つかの実施例では、パルスのパワー密度は、約１０１０から約１０１３Ｗ／ｃｍ２の
範囲内とすることができ、パルスは、約５００ピコ秒より小さい幅を有することができる
。
【０３１８】
少なくとも１つの実施例は、多材料加工物のスクライビング、ダイシング、又は類似の
加工のためのレーザベースのシステムを含む。加工物は、半導体部分、例えば半導体基板
を含む。このシステムは、光パルス光源を含む。少なくとも１つの大モードファイバ増幅
器を含む光増幅システムは、光源からのパルスを少なくとも約１μＪのエネルギーに増幅
し、約５００フェムト秒から数百ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する出
力パルスを生成する。このシステムは、表面に送達されるパルスの繰返し率を約数百ｋＨ
ｚから約１０ＭＨｚの範囲内で調整する、少なくとも１つの光変調器を含む変調システム
を含む。ビーム送達システムが、１つ以上の材料上の約５〜５０μｍのスポット寸法（１
／ｅ２）上に集束スポットを送達し、またこの集束スポットを約０．１ｍ／秒から２０ｍ
／秒の率で走査するために、走査システムが使用される。幾つかの実施例では、スポット
寸法（１／ｅ２）は約１５〜５０μｍの範囲内とすることができる。
【０３１９】
様々な実施例はまた、光源と大コア増幅器の間に配置されたパルス・ストレッチャと、
大コアファイバを用いて増幅されたパルスのパルス幅を低減させるパルス圧縮器とを有す
るファイバベースのチャープパルス増幅システムを含むことができる。幾つかの実施例は
、パルスエネルギーが約２０μＪの出力パルスを約１０Ｗの平均パワーで生成するように
動作可能な光増幅システムと、ファイバ発振器と、発振器からのパルスを受け取る１つ以
上の高利得増幅器とを含み、これらはオールファイバ設計として構成される。
【０３２０】
様々な実施例では、このシステムは、モードロック式ファイバ発振器を有する光パルス光源とファイバレーザ、ファイバ増幅器、受動Ｑスイッチ・マイクロチップレーザ、及びモードロック式発振器のうちの少なくとも１つを有する光源と、光増幅器から放出されるパルスの幅を低減させるパルス圧縮器と、光源と光増幅器の間に配置されたパルス・ストレッチャとを含むことができ、パルス・ストレッチャは、ある長さの光ファイバを含むことができ、フルエンスは、スポット領域内で少なくとも約０．２５Ｊ／ｃｍ２、又は少なくとも約１Ｊ／ｃｍ２とすることができ、また材料に依存することがあり、スポット寸法（１／ｅ２直径）は、約３０〜４０μｍの範囲内とすることができ、パルスエネルギーは約１μＪから約２０μＪの範囲内とすることができる。
【０３２１】
パルスレーザシステムの様々な実施例は、光パルス光源と、少なくとも１つの大モード
・ファイバ増幅器を含む光増幅システムとを含むことができる。光増幅システムは、光源
からのパルスを少なくとも約１μＪのエネルギーに増幅し、約１００フェムト秒から約１
ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する極短出力パルスを生成する。このシ
ステムは、少なくとも約数百ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内の繰返し率で出力パルスを
送達するように調整可能であることが好ましい。
【０３２２】
様々な実施例はまた、少なくとも約１０Ｗの利用可能な平均パワーと、ファイバベースのチャープパルス増幅システムと、マルチモードファイバ増幅器、大コア漏洩チャネルファイバ（ＬＣＦ）、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）、及びフォトニック・バンドギャップ・ファイバ（ＰＢＧＦ）のうちの少なくとも１つを有する大モード・ファイバ増幅器とを含むことができる。これらの増幅器のうちの１つ以上は、ほぼ回折限界のビームが出力されるように構成することができる。
【０３２３】
少なくとも１つの実施例は、半導体材料部分を有する多材料加工物のスクライビング、
ダイシング、又は類似の加工のための方法を含む。この方法は、数百ｋＨｚから約１０Ｍ
Ｈｚの率で、約５００フェムト秒から数百ピコ秒の範囲内のパルス幅を有するレーザパル
スを加工物の少なくとも１つの材料に照射することを含む。これらのパルスは、約１５〜
５０μｍ（１／ｅ２）のスポット寸法内に集束され、この集束スポットは、少なくとも１
つの材料上又は内で約０．１ｍ／秒から２０ｍ／秒の率で走査される。照射することは、
熱影響域（ＨＡＺ）を制御することによって、加工面積の周りの破片の蓄積を同時に制限
しながら、迅速な材料除去を実現するように１つ以上の材料内の蓄熱を制御する。
【０３２４】
様々な実施例では、加工物厚さは約１００μｍより小さく、加工物は、パターン付き層と裸の半導体ウエハ部分の両方で形成される。パターン付き層は、誘電体及び金属材料のうちの少なくとも１つを有することができる。
【０３２５】
幾つかの材料を加工する場合、パターン付き層の少なくとも一部分を除去するための走
査速度は、裸のウエハ部分を除去するための走査速度より実質上遅くすることができる。
幾つかの実施例では、パターン付き層に照射する場合、裸のウエハ部分に照射する場合よ
り、隣接する集束スポット間の重複を実質上大きくすることができる。パターン付き層を
照らす場合、裸のウエハ部分を照らす場合とは異なるスポット寸法を使用することができ
る。
【０３２６】
パターン付きウエハ部分の除去は、少なくとも約９５％のスポット重複で実施すること
ができる。幾つかの実施例では、スポット重複を約９９％より大きくすることができる。
【０３２７】
パルスエネルギーは約１μＪから約２０μＪの範囲内とすることができる。
【０３２８】
パターン付き部分は約０．１〜０．５ｍ／秒の率で走査することができる。
【０３２９】
パルスエネルギーは少なくとも約１μＪとすることができ、また導体又は誘電体材料上
又は内のフルエンスは、誘電体材料の層間剥離を回避するのに十分なほど高くすることが
できる。
【０３３０】
幾つかの基板の加工は、パターン付き層を除去するためのフルエンスが裸のウエハ部分
を除去するためのフルエンスを超えるようにして実施することができる。幾つかの実装形
態では、パターン付き部分の少なくとも一部を除去するための蓄熱は、半導体ウエハの少
なくとも一部を除去するための蓄熱を超える。幾つかのそのような実装形態では、加工物
の１つ以上の領域内で制御された蓄熱を提供するように、パルスエネルギー、パルス幅、
繰返し率、フルエンス、スポット重複、及び／又は走査速度を変動させることができる。
【０３３１】
少なくとも１つの実施例は加工物をレーザ加工する方法を含む。この方法は、十分に高
いパルス繰返し率で加工物のある領域にレーザパルスを集束させて誘導し、従って熱影響
域（ＨＡＺ）を制御することによって、加工面積の周りの再堆積材料の蓄積を同時に制限
しながら、迅速な材料除去を実現するように１つ以上の材料内の蓄熱を制御することを含
む。
【０３３２】
様々な実施例は、半導体材料部分を有する多材料加工物のスクライビング、ダイシング
、又は類似の加工のためのレーザベースのシステムを含むことができる。このシステムは
、光パルス光源及び光増幅システムを含む。増幅システムは、光源からのパルスを増幅し
、約５００フェムト秒から数百ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する出力
パルスを生成する少なくとも１つの大モード・ファイバ増幅器を含む。他の実施例では、
増幅システムは、数十フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス
幅を有する出力パルスを生成するように構成することができる。このシステムはまた、表
面に送達されるパルスの繰返し率を少なくとも約１ＭＨｚから１００ＭＨｚ未満の範囲内
で調整する、少なくとも１つの光変調器を含む変調システムを含む。ビーム送達システム
が、１つ以上の材料上の少なくとも約５ミクロンのスポット直径（１／ｅ２）上に集束パ
ルスを送達する。少なくとも１つのビーム偏向器を含む走査システムが、この繰返し率及
びスポット寸法で少なくとも約９５％のスポット重複をもたらす走査速度でこれらの集束
パルスを走査する。
【０３３３】
様々な実施例では、出力パルスの少なくとも幾つかは、少なくとも約１００ｎＪのパルスエネルギーを有する。
【０３３４】
スポット重複は約９９％を超えることができる。
【０３３５】
光源及び増幅システムはオールファイバとすることができる。
【０３３６】
増幅システムはファイバベースのチャープパルス増幅器を含むことができる。
【０３３７】
幾つかの実施例では、レーザベースのシステムは、第１の出力パルスが約１０ピコ秒より大きなパルス幅を有し、第２の出力パルスが１ピコ秒より小さいパルス幅を有するように構成される。
【０３３８】
第１の出力パルスと第２の出力パルスは時間的に重複する。
【０３３９】
第１の出力パルスと第２の出力パルスは約１μ秒未満だけ時間的に分離される。
【０３４０】
第１の出力パルスは走査速度が第１の率であるときに出力され、第２の出力パルスは走
査速度が第２の率であるときに出力され、第１の率は第２の率より小さい。
【０３４１】
少なくとも１つの実施例では、多材料加工物は、パターン付き領域と半導体ウエハ領域
の両方を含むことができ、パターン付き領域は、誘電体及び金属材料のうちの少なくとも
１つを有する。加工物を加工する方法の実施例は、約１００ピコ秒から約５００ピコ秒の
範囲内のパルス幅を有するパルスを用いて、パターン付き領域内の材料の少なくとも一部
分を変質させることと、約１００フェムト秒から約１０ピコ秒の範囲内のパルス幅を有す
るパルスを用いて、半導体ウエハ領域の少なくとも一部分を変質させることとのうちの幾
つかを含むことができる。幾つかの実施例では、少なくとも１つのパルスは約１００ピコ
秒から５００ピコ秒の範囲内のパルス幅を含み、少なくとも１つのパルスは約１０ピコ秒
より小さいパルス幅を含む。幾つかの実施例では、少なくとも１つのパルスは少なくとも
約１００ｎＪのパルスエネルギーを有する。幾つかの実装形態では、パターンは誘電体材
料と金属材料の両方を含み、パターンの少なくとも一部分内の蓄熱は、金属材料からの誘
電体材料の層間剥離を低減又は回避するのに十分なほど高い。幾つかの実施例では、パタ
ーンの少なくとも一部分を変質させることによって生成される熱影響域（ＨＡＺ）の深さ
方向部分は、半導体ウエハの少なくとも一部分を変質させることによって生成されるＨＡ
Ｚの深さ方向部分より大きい。
【０３４２】
本明細書に記載の材料加工方法の様々な実施例は、本明細書に記載のパルスレーザシス
テムの実施例の少なくとも幾つかを使用して実施することができる。様々な実施例では、
パルスレーザシステムはファイバ増幅器又はファイバレーザのうちの少なくとも１つを含
むことができる。例えば、材料加工方法の実施例は、図１Ｆ、２Ａ、２Ｂ、３、４Ａ、４
Ｂ、５、６Ａ、及び／若しくは６Ｂを参照して図示及び記載のシステム、並びに／又は他
のパルスレーザシステムの実施例を使用して実施することができる。幾つかの実装形態で
は、レーザシステム（又は、発振器及び／又は増幅器などのその構成要素）はオールファ
イバ設計を使用して実施することができる。
【０３４３】
本明細書に記載の例示的な実験、実験データ、表、グラフ、図表、写真、図、並びに加
工及び／又は動作パラメータ（例えば、値及び／若しくは範囲）は、開示のシステム及び
方法の動作条件を例示するものであり、本明細書に開示の方法及びシステムの様々な実施
例に対する動作条件の範囲を限定するものではない。さらに、本明細書に開示の実験、実
験データ、計算データ、表、グラフ、図表、写真、図、及び他のデータは、開示のシステ
ム及び方法の実施例が１つ以上の所望の結果をもたらすように効果的に動作できる様々な
体系を実証する。そのような動作体系及び所望の結果は、例えば表、グラフ、図表、図、
又は写真に示した動作パラメータ、条件、又は結果の特有の値だけに限定されるものでは
なく、これらの特有の値を含み又はこれらの特有の値に及ぶ適切な範囲を含む。従って、
本明細書に開示の値は、表、グラフ、図表、図、写真などに記載又は図示の値のいずれか
の間の値の範囲を含む。さらに、本明細書に開示の値は、表、グラフ、図表、図、写真な
どに記載又は図示の他の値によって実証できるとき、表、グラフ、図表、図、写真などに
記載又は図示の値のいずれかを上回る又は下回る値の範囲を含む。また、本明細書に開示
のデータは、特定の実施例に対する１つ若しくは複数の有効動作範囲、及び／又は１つ若
しくは複数の所望の結果を確立できるが、全ての実施例がそのようなそれぞれの動作範囲
内で動作可能である必要はなく、又はそのようなそれぞれの所望の結果をもたらす必要も
ないことを理解されたい。さらに、開示のシステム及び方法の他の実施例は、他の動作体
系で動作することができ、及び／又は本明細書の例示的な実験、実験データ、表、グラフ
、図表、写真、図、及び他のデータを参照して図示及び記載したもの以外の結果をもたら
すことができる。
【０３４４】
他の実装形態では、他のシステム、設備、及びパラメータを使用することもでき、それ
により同じ又は異なる結果を提供することができる。多くの変形形態が可能であり、これ
らは本開示の範囲内であることが企図される。膜、層、構成要素、フィーチャ、構造、及
び／又は素子を追加、除去、又は再構成することができる。さらに、プロセス又は方法ス
テップを追加、除去、又は並べ替えることもできる。
【０３４５】
本明細書に開示の方法の特定の加工ステップ又は行為は、ハードウェア、ソフトウェア
、又はファームウェア内で実施することができ、これらは、１つ以上の浮動小数点ゲート
・アレイ（ＦＰＧＡ）、プログラム可能論理デバイス（ＰＬＤ）、特定用途向け集積回路
（ＡＳＩＣ）、及び／又は任意の他の適切な処理デバイスを含む１つ以上の汎用及び／又
は特殊目的のコンピュータ、処理装置、又は制御装置によって実行することができる。特
定の実施例では、制御装置又は制御手段によって提供される１つ以上の機能は、１つ以上
の処理デバイスによって実行可能なソフトウェア、命令、論理回路、及び／又はモジュー
ルとして実施することができる。幾つかの実施例では、ソフトウェア、命令、論理回路、
及び／又はモジュールは、物理的記憶デバイス上で実施される記憶媒体及び／又は情報の
転送を容易にする通信媒体を含むコンピュータ可読媒体上に記憶することができる。様々
な実施例では、開示の方法のステップ又は行為の幾つか又は全ては、１つ以上の処理デバ
イスによって自動的に実行することができる。多くの変形形態が可能である。
【０３４６】
本開示の目的で、特定の態様、利点、及び新規な特徴について、本明細書に説明する。
そのような利点の必ずしも全てを、あらゆる特定の実施例で実現できるわけではないこと
を理解されたい。従って、例えば、本明細書に教示又は示唆される他の利点を必ずしも実
現する必要なく、本明細書に教示の１つの利点又は１群の利点を実現するようにシステム
及び方法を実現又は実施できることが、当業者には理解されるであろう。さらに、実施例
は幾つかの新規な特徴を含むことができるが、そのいずれも、実施例の所望の属性に対す
る責任を単独で負うものではなく、又は本明細書に記載のシステム及び方法を実施するの
に不可欠というわけではない。さらに、本明細書に開示のどの方法又はプロセスでも、方
法又はプロセスの行為又は動作は、任意の適切な順序で実行することができ、どの特定の
開示の順序にも必ずしも限定されるものではない。
【０３４７】
とりわけ「できる（ｃａｎ）」、「できる（ｃｏｕｌｄ）」、「できる（ｍｉｇｈｔ）
」、「できる（ｍａｙ）」、「例えば（ｅ．ｇ．）」などの本明細書で使用される条件言
語は通常、別段の指定がない限り、又は使用される文脈内でその他の形で理解されない限
り、特定の実施例が特定の特徴、要素、及び／又はステップを含むが、他の実施例は含ま
ないことを伝えるものである。従って、そのような条件言語は通常、特徴、要素、及び／
若しくはステップが１つ若しくは複数の実施例に必ず必要とされることを示唆するもので
はなく、又は１つ若しくは複数の実施例が、著者入力の有無にかかわらず、これらの特徴
、要素、及び／若しくはステップが何らかの特定の実施例に含まれるかどうか若しくは実
行すべきかどうかを決定する論理回路を必ず含むことを示唆するものでもない。「含む（
ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ
）」などの用語は同義であり、包括的に非制限に使用され、追加の要素、特徴、行為、動
作などを除外しない。また、「又は（ｏｒ）」という用語は、包括的に（かつ非排他的に
）使用され、従って、例えば要素のリストをつなぐために使用されるとき、「又は」とい
う用語は、リスト内の要素の１つ、幾つか、又は全てを意味する。
【０３４８】
本明細書に開示の本発明の特定の実施例について説明したが、これらの実施例は、例示
のみを目的として提示され、本明細書に開示の本発明の範囲を限定するものではない。本
開示全体にわたって、「幾つかの実施例」、「一実施例」等への参照は、その実施例に関
連して記載の特定の特徴、構造、ステップ、プロセス、又は特性が少なくとも１つの実施
例に含まれることを意味する。従って、本開示全体にわたって、「幾つかの実施例では」
、「一実施例では」などの語句の記載は、必ずしも全て同じ実施例を参照しているわけで
はなく、同じ又は異なる実施例のうちの１つ以上を参照していることがある。実際には、
本明細書に記載の新規な方法及びシステムは様々な他の形式で実施することができ、さら
に、本明細書に開示の本発明の精神から逸脱することなく、本明細書に記載の方法及びシ
ステムの形式に様々な省略、置換え、等価物、及び変更を加えることができる。
【図１Ａ】
2014147974.tif 000008
【図１Ｂ】
2014147974.tif 000009
【図１Ｃ】
2014147974.tif 000010
【図１Ｄ】
2014147974.tif 000011
【図１Ｅ】
2014147974.tif 000012
【図１Ｆ】
2014147974.tif 000013
【図１Ｇ】
2014147974.tif 000014
【図２Ａ】
2014147974.tif 000015
【図２Ｂ】
2014147974.tif 000016
【図３】
2014147974.tif 000017
【図４Ａ】
2014147974.tif 000018
【図４Ｂ】
2014147974.tif 000019
【図５】
2014147974.tif 000020
【図６Ａ】
2014147974.tif 000021
【図６Ｂ】
2014147974.tif 000022
【図７】
2014147974.tif 000023
【図７Ａ】
2014147974.tif 000024
【図７Ｂ】
2014147974.tif 000025
【図７Ｃ】
2014147974.tif 000026
【図７Ｄ】
2014147974.tif 000027
【図７Ｅ】
2014147974.tif 000028
【図７Ｆ】
2014147974.tif 000029
【図８】
2014147974.tif 000030
【図９】
2014147974.tif 000031
【図１０Ａ−１】
2014147974.tif 000032
【図１０Ａ−２】
2014147974.tif 000033
【図１０Ｂ】
2014147974.tif 000034
【図１１Ａ】
2014147974.tif 000035
【図１１Ｂ】
2014147974.tif 000036
【図１１Ｃ】
2014147974.tif 000037
【図１１Ｄ】
2014147974.tif 000038
【図１１Ｅ】
2014147974.tif 000039
【図１２Ａ】
2014147974.tif 000040
【図１２Ｂ】
2014147974.tif 000041
【図１３Ａ−１】
2014147974.tif 000042
【図１３Ａ−２】
2014147974.tif 000043
【図１３Ａ−３】
2014147974.tif 000044
【図１３Ａ−４】
2014147974.tif 000045
【図１３Ａ−５】
2014147974.tif 000046
【図１４Ａ】
2014147974.tif 000047
【図１４Ｂ】
2014147974.tif 000048
【図１４Ｃ】
2014147974.tif 000049
【図１５Ａ】
2014147974.tif 000050
【図１５Ｂ】
2014147974.tif 000051
【図１５Ｃ】
2014147974.tif 000052
【図１５Ｄ】
2014147974.tif 000053
【図１６】
2014147974.tif 000054
【図１７】
2014147974.tif 000055