(57)【要約】  レーザパルスからなるバーストを使って材料をレーザ加工する方法。その方法は、加工される材料に照射された前のパルスで行われた熱的、物理的変化の正の効果を最大化するように、バーストに含まれる多重レーザパルスのパルス幅、パルス分離間隔、波長及び偏光を調整する。2007530292.tif 000003
2007530292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料処理方法であって、前記方法は材料のターゲット領域にレーザ光のバーストを所定の繰り返し率で印加するステップを有し、レーザ光の前記バーストは時間的に離れたレーザ光の少なくとも第１パルスと第２パルスを有し、前記第１パルスは第１パルス幅をもち、前記第２パルスは第２パルス幅をもち、前記第１パルス幅は前記第２パルス幅より大きい、材料処理方法。
【請求項２】
前記第１パルス幅及び前記第２パルス幅は、前記第１パルスと前記第２パルスの間の分離時間未満である請求項１に請求された方法。
【請求項３】
前記第１及び第２パルス幅は、それぞれ前記第１及び第２パルスの最大パワーの半値全幅で測定される請求項１に請求された方法。
【請求項４】
前記第１パルスは第１パルスエネルギーを持ち、前記第２パルスは第２パルスエネルギーを持ち、前記第１パルスエネルギーは前記第２パルスエネルギーに実質上等しい請求項１に請求された方法。
【請求項５】
前記第１パルスは第１パルスエネルギーを持ち、前記第２パルスは第２パルスエネルギーを持ち、前記第１パルスエネルギーは前記第２パルスエネルギーに等しくない請求項１に請求された方法。
【請求項６】
前記第１パルスは第１偏光ベクトルを持ち、前記第２パルスは第２偏光ベクトルを持ち、前記第１偏光ベクトルは前記第２偏光ベクトルに等しくない請求項１に請求された方法。
【請求項７】
前記第１パルスは第１波長を持ち、前記第２パルスは第２波長を持ち、前記第１波長は前記第２波長に等しくない請求項１に請求された方法。
【請求項８】
前記所定の繰り返し率は、実質上１００キロヘルツ以上である請求項１に請求された方法。
【請求項９】
前記第１パルスは包絡線形状をもち、前記第１パルスは前記包絡線形状を形成する複数のパルスの集合体である請求項１に請求された方法。
【請求項１０】
前記第２パルスは包絡線形状をもち、前記第２パルスは前記包絡線形状を形成する複数のパルスの集合体である請求項１に請求された方法。
【請求項１１】
前記材料のターゲット領域を熱的に加熱するのに十分なエネルギーを持つペデスタルを一つのパルスにさらに有する請求項１に請求された方法。
【請求項１２】
材料処理方法であって、該方法は材料のターゲット領域にレーザ光のバーストを所定の繰り返し率で印加するステップを有し、レーザ光の前記バーストは時間的に重なるレーザ光の少なくとも第１パルスと第２パルスを有し、前記第１パルスは第１パルス幅をもち、前記第２パルスは第２パルス幅をもち、前記第１パルス幅は前記第２パルス幅より大きい、材料処理方法。
【請求項１３】
前記第１及び第２パルス幅は、それぞれ前記第１及び第２パルスの最大パワーの半値全幅で測定される請求項１２に請求された方法。
【請求項１４】
前記第１パルスは第１パルスエネルギーを持ち、前記第２パルスは第２パルスエネルギーを持ち、前記第１パルスエネルギーは前記第２パルスエネルギーに実質上等しい請求項１２に請求された方法。
【請求項１５】
前記第１パルスは第１パルスエネルギーを持ち、前記第２パルスは第２パルスエネルギーを持ち、前記第１パルスエネルギーは前記第２パルスエネルギーに等しくない請求項１２に請求された方法。
【請求項１６】
前記第１パルスは第１偏光ベクトルを持ち、前記第２パルスは第２偏光ベクトルを持ち、前記第１偏光ベクトルは前記第２偏光ベクトルに等しくない請求項１２に請求された方法。
【請求項１７】
前記第１パルスは第１波長を持ち、前記第２パルスは第２波長を持ち、前記第１波長は前記第２波長に等しくない請求項１２に請求された方法。
【請求項１８】
前記所定の繰り返し率は、実質上１００キロヘルツ以上である請求項１２に請求された方法。
【請求項１９】
前記第１パルスは包絡線形状をもち、前記第１パルスは前記包絡線形状を形成する複数のパルスの集合体である請求項１２に請求された方法。
【請求項２０】
前記第２パルスは包絡線形状をもち、前記第２パルスは前記包絡線形状を形成する複数のパルスの集合体である請求項１２に請求された方法。
【請求項２１】
前記材料のターゲット領域を熱的に加熱するのに十分なエネルギーを持つペデスタルを一つのパルスにさらに有する請求項１２に請求された方法。
【請求項２２】
材料処理方法であって、前記方法は材料のターゲット領域にレーザ光のバーストを所定の繰り返し率で印加するステップを有し、レーザ光の前記バーストは時間的に離れたレーザ光の少なくとも第１パルスと第２パルスを有し、前記第１パルスは第１パルス幅をもち、前記第２パルスは第２パルス幅をもち、前記第１パルスの所定のパラメータは材料の選択された特性に変化を誘起するように選択され、前記第２パルスの所定のパラメータは前記第１パルスで誘起される特性変化に基づいて選択される、材料処理方法。
【請求項２３】
前記所定の繰り返し率は、実質上１００キロヘルツ以上である請求項２２に請求された方法。
【請求項２４】
前記第１パルスの前記所定のパラメータは、パルス幅、パルスエネルギー、パルス波長及びパルス偏光ベクトルを有し、前記第２パルスの前記所定のパラメータは、パルス幅、パルスエネルギー、パルス波長及びパルス偏光ベクトルを有する請求項２２に請求された方法。
【請求項２５】
前記第１パルスの前記パルスエネルギーは、前記第２パルスの前記パルスエネルギーに実質上等しい請求項２４に請求された方法。
【請求項２６】
前記第１パルスの前記パルスエネルギーは、前記第２パルスの前記パルスエネルギーに等しくない請求項２４に請求された方法。
【請求項２７】
前記第１パルスの前記パルス波長は、前記第２パルスの前記パルス波長に等しくない請求項２４に請求された方法。
【請求項２８】
前記第１パルスの前記パルス偏光は、前記第２パルスの前記パルス偏光に等しくない請求項２４に請求された方法。
【請求項２９】
前記第１パルスは、前記処理される材料の電気的特性を変化させる請求項２２に請求された方法。
【請求項３０】
前記第１パルスは、前記処理される材料の構造的特性を変化させる請求項２２に請求された方法。
【請求項３１】
前記第１パルスは前記処理される材料に熱影響ゾーンを作り、前記第２パルスは前記熱影響ゾーンをアブレートする請求項２２に請求された方法。
【請求項３２】
前記第１パルスは包絡線形状をもち、前記第１パルスは前記包絡線形状を形成する複数のパルスの集合体である請求項２２に請求された方法。
【請求項３３】
前記第２パルスは包絡線形状をもち、前記第２パルスは前記包絡線形状を形成する複数のパルスの集合体である請求項２２に請求された方法。
【請求項３４】
前記材料のターゲット領域を熱的に加熱するのに十分なエネルギーを持つペデスタルを一つのパルスにさらに有する請求項２２に請求された方法。
【請求項３５】
材料処理方法であって、前記方法は材料のターゲット領域にレーザ光のバーストを所定の繰り返し率で印加するステップを有し、レーザ光の前記バーストは時間的に重なるレーザ光の第１パルスと第２パルスを有し、前記第１パルスは第１パルス幅をもち、前記第２パルスは第２パルス幅をもち、前記第１パルスの所定のパラメータは材料の選択された特性に変化を誘起するように選択され、前記第２パルスの所定のパラメータは前記第１パルスで誘起される特性変化に基づいて選択される、材料処理方法。
【請求項３６】
前記第１パルスは前記処理される材料に熱影響ゾーンを作り、前記第２パルスは前記熱影響ゾーンをアブレートする請求項３４に請求された方法。
【請求項３７】
前記所定の繰り返し率は、実質上１００キロヘルツ以上である請求項３５に請求された方法。
【請求項３８】
前記第１パルスの前記所定のパラメータは、パルス幅、パルスエネルギー、パルス波長及びパルス偏光ベクトルを有し、前記第２パルスの前記所定のパラメータは、パルス幅、パルスエネルギー、パルス波長及びパルス偏光ベクトルを有する請求項３５に請求された方法。
【請求項３９】
前記第１パルスの前記パルスエネルギーは、前記第２パルスの前記パルスエネルギーに実質上等しい請求項３８に請求された方法。
【請求項４０】
前記第１パルスの前記パルスエネルギーは、前記第２パルスの前記パルスエネルギーに等しくない請求項３８に請求された方法。
【請求項４１】
前記第１パルスの前記パルス波長は、前記第２パルスの前記パルス波長に等しくない請求項３８に請求された方法。
【請求項４２】
前記第１パルスの前記パルス偏光は、前記第２パルスの前記パルス偏光に等しくない請求項３８に請求された方法。
【請求項４３】
前記第１パルスは、前記処理される材料の電気的特性を変化させる請求項３５に請求された方法。
【請求項４４】
前記第１パルスは、前記処理される材料の構造的特性を変化させる請求項３５に請求された方法。
【請求項４５】
前記第１パルスは包絡線形状をもち、前記第１パルスは前記包絡線形状を形成する複数のパルスの集合体である請求項３５に請求された方法。
【請求項４６】
前記第２パルスは包絡線形状をもち、前記第２パルスは前記包絡線形状を形成する複数のパルスの集合体である請求項３５に請求された方法。
【請求項４７】
前記材料のターゲット領域を熱的に加熱するのに十分なエネルギーを持つペデスタルを一つのパルスにさらに有する請求項３５に請求された方法。
【請求項４８】
材料処理のためのレーザ装置であって、前記レーザは材料のターゲット領域にレーザ光のバーストを所定の繰り返し率で印加し、レーザ光の前記バーストは時間的に離れたレーザ光の少なくとも第１パルスと第２パルスを有し、前記レーザ装置で放射される前記第１パルスは第１パルス幅をもち、前記レーザ装置で放射される前記第２パルスは第２パルス幅をもち、前記第１パルス幅は前記第２パルス幅より大きい。
【請求項４９】
前記レーザ装置で放射される前記第１パルスは第１パルスエネルギーを持ち、前記レーザ装置で放射される前記第２パルスは第２パルスエネルギーを持ち、前記第１パルスエネルギーは前記第２パルスエネルギーに実質上等しい請求項４８に請求されたレーザ装置。
【請求項５０】
前記レーザ装置で放射される前記第１パルスは第１パルスエネルギーを持ち、前記レーザ装置で放射される前記第２パルスは第２パルスエネルギーを持ち、前記第１パルスエネルギーは前記第２パルスエネルギーに等しくない請求項４８に請求されたレーザ装置。
【請求項５１】
前記レーザ装置で放射される前記第１パルスは第１偏光ベクトルを持ち、前記レーザ装置で放射される前記第２パルスは第２偏光ベクトルを持ち、前記第１偏光ベクトルは前記第２偏光ベクトルに等しくない請求項４８に請求されたレーザ装置。
【請求項５２】
前記レーザ装置で放射される前記第１パルスは第１波長を持ち、前記レーザ装置で放射される前記第２パルスは第２波長を持ち、前記第１波長は前記第２波長に等しくない請求項４８に請求されたレーザ装置。
【請求項５３】
前記所定の繰り返し率は、実質上１００キロヘルツ以上である請求項３５に請求されたレーザ装置。
【請求項５４】
前記第１パルスは包絡線形状をもち、前記第１パルスは前記包絡線形状を形成する複数のパルスの集合体である請求項４８に請求されたレーザ装置。
【請求項５５】
前記第２パルスは包絡線形状をもち、前記第２パルスは前記包絡線形状を形成する複数のパルスの集合体である請求項４８に請求されたレーザ装置。
【請求項５６】
前記材料のターゲット領域を熱的に加熱するのに十分なエネルギーを持つペデスタルを一つのパルスにさらに有する請求項４８に請求されたレーザ装置。
【請求項５７】
材料処理のためのレーザ装置であって、前記レーザ装置は材料のターゲット領域にレーザ光のバーストを所定の繰り返し率で印加し、レーザ光の前記バーストは時間的に重なるレーザ光の少なくとも第１パルスと第２パルスを有し、前記レーザ装置で放射される前記第１パルスは第１パルス幅をもち、前記レーザ装置で放射される前記第２パルスは第２パルス幅をもち、前記第１パルス幅は前記第２パルス幅より大きい、レーザ装置。
【請求項５８】
前記レーザ装置で放射される前記第１パルスは第１パルスエネルギーを持ち、前記レーザ装置で放射される前記第２パルスは第２パルスエネルギーを持ち、前記第１パルスエネルギーは前記第２パルスエネルギーに実質上等しい請求項５７に請求されたレーザ装置。
【請求項５９】
前記レーザ装置で放射される前記第１パルスは第１パルスエネルギーを持ち、前記レーザ装置で放射される前記第２パルスは第２パルスエネルギーを持ち、前記第１パルスエネルギーは前記第２パルスエネルギーに等しくない請求項５７に請求されたレーザ装置。
【請求項６０】
前記レーザ装置で放射される前記第１パルスは第１偏光ベクトルを持ち、前記レーザ装置で放射される前記第２パルスは第２偏光ベクトルを持ち、前記第１偏光ベクトルは前記第２偏光ベクトルに等しくない請求項５７に請求されたレーザ装置。
【請求項６１】
前記レーザ装置で放射される前記第１パルスは第１波長を持ち、前記レーザ装置で放射される前記第２パルスは第２波長を持ち、前記第１波長は前記第２波長に等しくない請求項５７に請求されたレーザ装置。
【請求項６２】
前記所定の繰り返し率は、実質上１００キロヘルツ以上である請求項５７に請求されたレーザ装置。
【請求項６３】
前記第１パルスは包絡線形状をもち、前記第１パルスは前記包絡線形状を形成する複数のパルスの集合体である請求項５７に請求されたレーザ装置。
【請求項６４】
前記第２パルスは包絡線形状をもち、前記第２パルスは前記包絡線形状を形成する複数のパルスの集合体である請求項５７に請求されたレーザ装置。
【請求項６５】
前記材料のターゲット領域を熱的に加熱するのに十分なエネルギーを持つペデスタルを一つのパルスにさらに有する請求項５７に請求されたレーザ装置。
【請求項６６】
材料処理のためのレーザ装置であって、前記レーザ装置は材料のターゲット領域にレーザ光のバーストを所定の繰り返し率で印加し、レーザ光の前記バーストは時間的に離れたレーザ光の少なくとも第１パルスと第２パルスを有し、前記レーザ装置で放射される前記第１パルスは第１パルス幅をもち、前記レーザ装置で放射される前記第２パルスは第２パルス幅をもち、前記第１パルスの所定のパラメータは材料の選択された特性に変化を誘起するように選択され、前記第２パルスの所定のパラメータは前記第１パルスで誘起される特性変化に基づいて選択される、レーザ装置。
【請求項６７】
前記所定の繰り返し率は、実質上１００キロヘルツ以上である請求項６６に請求されたレーザ装置。
【請求項６８】
前記第１パルスの前記所定のパラメータは、パルス幅、パルスエネルギー、パルス波長及びパルス偏光ベクトルを有し、前記第２パルスの前記所定のパラメータは、パルス幅、パルスエネルギー、パルス波長及びパルス偏光ベクトルを有する請求項６６に請求されたレーザ装置。
【請求項６９】
前記第１パルスは、前記処理される材料の電気的特性を変化させる請求項６６に請求されたレーザ装置。
【請求項７０】
前記第１パルスは、前記処理される材料の構造的特性を変化させる請求項６６に請求されたレーザ装置。
【請求項７１】
前記第１パルスは前記処理される材料に熱影響ゾーンを作り、前記第２パルスは前記熱影響ゾーンをアブレートする請求項６６に請求されたレーザ装置。
【請求項７２】
前記第１パルスは包絡線形状をもち、前記第１パルスは前記包絡線形状を形成する複数のパルスの集合体である請求項６６に請求されたレーザ装置。
【請求項７３】
前記第２パルスは包絡線形状をもち、前記第２パルスは前記包絡線形状を形成する複数のパルスの集合体である請求項６６に請求されたレーザ装置。
【請求項７４】
前記材料のターゲット領域を熱的に加熱するのに十分なエネルギーを持つペデスタルを一つのパルスにさらに有する請求項６６に請求されたレーザ装置。
【請求項７５】
材料処理のためのレーザ装置であって、前記レーザ装置は材料のターゲット領域にレーザ光のバーストを所定の繰り返し率で印加し、レーザ光の前記バーストは時間的に重なるレーザ光の少なくとも第１パルスと第２パルスを有し、前記レーザ装置で放射される前記第１パルスは第１パルス幅をもち、前記レーザ装置で放射される前記第２パルスは第２パルス幅をもち、前記第１パルスの所定のパラメータは材料の選択された特性に変化を誘起するように選択され、前記第２パルスの所定のパラメータは前記第１パルスで誘起される特性変化に基づいて選択される、レーザ装置。
【請求項７６】
前記所定の繰り返し率は、実質上１００キロヘルツ以上である請求項７５に請求されたレーザ装置。
【請求項７７】
前記第１パルスの前記所定のパラメータは、パルス幅、パルスエネルギー、パルス波長及びパルス偏光ベクトルを有し、前記第２パルスの前記所定のパラメータは、パルス幅、パルスエネルギー、パルス波長及びパルス偏光ベクトルを有する請求項７５に請求されたレーザ装置。
【請求項７８】
前記第１パルスは、前記処理される材料の電気的特性を変化させる請求項７５に請求されたレーザ装置。
【請求項７９】
前記第１パルスは、前記処理される材料の構造的特性を変化させる請求項７５に請求されたレーザ装置。
【請求項８０】
前記第１パルスは前記処理される材料に熱影響ゾーンを作り、前記第２パルスは前記熱影響ゾーンをアブレートする請求項７５に請求されたレーザ装置。
【請求項８１】
前記第１パルスは包絡線形状をもち、前記第１パルスは前記包絡線形状を形成する複数のパルスの集合体である請求項７５に請求されたレーザ装置。
【請求項８２】
前記第２パルスは包絡線形状をもち、前記第２パルスは前記包絡線形状を形成する複数のパルスの集合体である請求項７５に請求されたレーザ装置。
【請求項８３】
前記材料のターゲット領域を熱的に加熱するのに十分なエネルギーを持つペデスタルを一つのパルスにさらに有する請求項７５に請求されたレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、以下の共同出願中で且つ普通に譲渡された特許出願に関連する。
【０００２】
ここに参照によって組み込まれている文献の開示で、同じ日に同封して提出された出願シリアルナンバー10/813,163、代理人包帯ナンバーA8698、題名“モジュール式ファイバ型チヤープパルス増幅システム”；
【０００３】
ここに参照によって組み込まれている文献の開示で、同じ日に同封して提出された出願シリアルナンバー10/813,173、代理人包帯ナンバーA8699、題名“パルス高パワーファイバ増幅器システムを制御し保護するための方法および装置”；
【０００４】
ここに参照によって組み込まれている文献の開示で、同じ日に同封して提出された出願シリアルナンバー10/813,269、代理人包帯ナンバーA8700、題名“処理パラメータ、制御およびフィードバックを備えるフェムト秒レーザ処理システム”；
【０００５】
ここに参照によって組み込まれている文献の開示で、同じ日に同封して提出された出願シリアルナンバー10/813,161、代理人包帯ナンバーA8732、題名“エッチドプレート配列方法”；
【０００６】
本発明は、切断あるいは修飾部の周辺領域を損傷することのないターゲット材料の高速精密レーザ処理に関する。より具体的には、本発明は、一層あるいは多層薄膜からなる構造の一部をアブレートするか或いは修飾するためのパルスレーザ微細加工方法に関する。パルスレーザビームが金属、半導体材料、有機金属及び/或いは誘電体材料からなる積層構造の一部を蒸発させる。電気伝導薄膜リンク（たとえば銅、アルミニウム或いは白金）及び抵抗膜（たとえばニクロム、タンタル窒化物、セシウムシリサイド或いはシリコンクロマイド）が、パルスレーザビームを使って修飾される。
【０００７】
本発明の実施例において、LSI回路の金属相互接続或いはメモリデバイスの金属リンク接続が、切断部の下の層に対する損傷或いは切断部の領域に対する二次的な損傷なしに、精密に切断される。本発明の別の実施例では、マイクロスケール及びナノスケール半導体デバイス、光デバイス及び微細電気機械（MEMS）デバイスが、加工される。本発明の別の実施例では、生物組織、人工組織及び合成組織が、非常に高精度にアブレート、切開、除去或いは溶融される。
【背景技術】
【０００８】
MEMS、半導体、生物医学及びその他の産業において小規模の造作（features）を作る要求は、非常に精密なレーザ材料処理法の発達を導いてきた。レーザパルスパラメータの精密な調整及び操作は、小規模造作製作に要求される精密な制御を達成する一つの方法である。
【０００９】
ある状況では、処理される材料の関心領域のみが、周辺領域に対する損傷なしに及び/或いは周辺領域の物理的、機械的及び/或いは化学的特性に対する損傷なしに修飾されることが重要である。さらに、周辺領域への誘導クラック或いは欠陥を避けるように、周辺領域は、レーザ照射後の関心領域と物理的、化学的一貫性をとどめなければならない。レーザパラメータの注意深い操作が、そのような結果を達成するために必要である。
【００１０】
レーザと物質の相互作用の基本的なメカニズムは、パルスエネルギー、パルス幅、波長、パルス形状及び偏光のような基本的レーザパラメータに依存する。１００ピコ秒未満のパルス幅を持つレーザパルスを出す超短パルスレーザが、長いパルス幅（すなわち、ナノ秒）を持つレーザパルスより精密且つきれいに材料を除去するということは、よく知られている。材料の破壊閾値フルーエンスが、長いパルス幅と比べて、フェムト秒とピコ秒台では、パルス幅で一層正確に規定されるということも知られている。閾値フルーエンスを上回るレーザエネルギーのみが損傷を与える。さらに、レーザエネルギーの消失の大部分が照射領域に制限され、深さ及び相並ぶ面積の熱的、物理的、化学的損傷を最小化する。
【００１１】
レーザパルスによって引き起こされる破壊或いは損傷は、電気的変化、構造的変化及び/或いは分解で引き起こされる周囲温度材料の正常状態からの任意の変化を含む。これらの変化は、レーザと材料の相互作用の間中の誘電破壊、プラズマ形成、アブレーション、溶融及び蒸発を含む。超短レーザパルスはアブレーション閾値の正確な制御をもたらすので、材料処理中に除去される材料の正確な制御は、最小のデブリと熱影響ゾーンと共に達成される。
【００１２】
図１Ａは、メモリチップのメモリリンク１２の部分を描く模式図である。図１Ｂと１Ｃは、メモリリンク１２の断面図である。メモリリンク１２は、金属、ポリシリコン、ポリシリサイドのような伝導材料からなる。メモリリンク１２は、シリコン基板１０の上のパッシベーション層１１（たとえば、SiO2）に付着されている。パッシベーション層１１の厚さは、通常０．０１から５ミクロンである。メモリリンク１２は、メモリチップの他の部分と電気コンタクト１３で相互連結されている。通常、メモリリンク１２は、厚さ０．０１から３ミクロン、幅０．１から３．０ミクロンである。各リンクは、シリコンウェハー上で互いに約１から５ミクロン離れている。典型的な金属リンク材は、銅、アルミ、金、銀、白金、チタン、タングステンである。その他の電気伝導材料も使われる。
【００１３】
レーザスポット１４は、リンク１２をカバーし、好ましくはレーザスポットサイズがリンクの幅より１０から５０パーセント大きい。リンク１２は、周辺領域と下方領域への損傷なしに切断されなければならない。レーザパルスの形状、繰り返し率、波長は、金属リンクの付近へのどんな損傷も起こさないようにデザインされなければならない。
【００１４】
従来のメモリリンクの切断は、IR波長領域のナノ秒パルス幅の単一パルスを用いていた。米国特許No.5,265,114と米国特許No.5,569,398は、波長の重要性を強調しており、１．２−３．０ミクロンの波長範囲の赤外レーザビームが利用される。この波長領域において、シリコンは、基本的に透明であり、リンク材料とシリコンの吸収コントラストが最大化される。これは、シリコンの上の金属リンクの選択的な蒸発とシリコンウェハーの下方に対する損傷の減少とをもたらす。
【００１５】
米国特許No.5,208,437は、切断部の付近を損傷させないでアルミ相互連結を切断するためのサブピコ秒パルスを開示している。レーザパルスは、金属スタート（metal starts）の最初の層の溶融前に通過し、金属の最初の層の下の層に達しない。
【００１６】
米国特許No.6,574,250は、１０００ナノ秒未満、或いはより好ましくは３００ナノ秒未満のバースト間隔のパルス列を開示している。パルス列の各セットは、１００フェムト秒から３０ナノ秒の短パルスを含んでいる。バースト中の短パルスの数と各パルスのエネルギーは、切断リンクの底部をきれいに除去するように選定される。
【００１７】
米国再発行特許No.RE37585Eは、破壊閾値エネルギーとレーザビームパルス幅のフルーエンスの関係の明確な変化で決められる値未満のパルス幅を持つレーザパルスを開示している。
【００１８】
米国特許No.6,281,471B1は、立ち上がり時間、持続時間および立下り時間の特定領域の矩形形状パルスを開示している。約１ナノ秒の立ち上がり時間は、ターゲット材料にレーザエネルギーを結合するのに十分早い。パルス持続時間は、約２−１０ナノ秒で、ターゲット材料を処理するのに十分長い。立下り時間は、数ナノ秒で構造への望ましくない熱的効果を避けるのに十分早い。
【発明の開示】
【００１９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされ、従来技術の上記問題と限界に打ち勝つための目的を持ち、フェムト秒、ピコ秒及びナノ秒台の超短パルスから成るレーザ光のバーストを使用する材料処理方法を与える。この方法において、パルス幅、パルス間隔、パルスエネルギー、波長及び偏光のようなバーストを構成するパルスのパラメータが、処理材料に望ましい特性を誘起するために操作される。
【００２０】
精密で制御された材料の除去が超短パルスを使って達成される間に、次の超短パルスが照射される前に先行パルスから材料で保持される少量の熱的効果を持つことが有利である状況がある。さらに、大部分の材料の特性が多少の温度依存性を持つことはよく知られている。例えば、シリコンによる光の吸収は、温度に強く依存する。したがって、そのようなターゲット材料の加熱は、より低い閾値フルーエンスでアブレーションプロセスを開始させることを助け、滑らかな面を作ることができる。一般に、先行パルスで引き起こされる構造の熱的、物理的効果或いは任意の変化は、レーザ物質と次のパルスとの相互作用に影響する。
【００２１】
パルス幅の関数としてのアブレーション閾値エネルギー密度は、パルス幅がフェムト秒台に入ると、ｔの平方根と著しく異なることがある。これらの超短パルスは、著しい熱を引き起こさないできれいに微細加工するために使用されることがある。これらの超短パルスは、また長いパルスの統計的閾値に比べ決定論的な閾値を持つ。
【００２２】
本発明は、微細加工特性を説明するために単一のパルス幅で定量化できないパルス形状を持つパルスのバーストで微細加工する。例えば、バーストは、１００フェムト秒パルスと１ナノ秒パルスとからなり、１ナノ秒パルスが９０パーセントのエネルギーを有し、１００フェムト秒パルスが１０パーセントのエネルギーを有する。金のアブレーション閾値は、１００フェムト秒の場合０．３Ｊ／ｃｍ２を少し超える値であり、１ナノ秒の場合３．０Ｊ／ｃｍ２である。したがって、バーストが出力０．３Ｊ／ｃｍ２に集光されると、アブレーションが１００フェムト秒パルスの間起こり、１ナノ秒パルスの間起こらない。１ナノ秒パルスが最初に表面に当たると、１００フェムト秒パルスがアブレートする間何の影響もない。したがって、１ナノ秒の主パルスは、熱影響ゾーンを残さないであろう。しかしながら、１００フェムト秒パルスが１ナノ秒パルスの前に当たると、１００フェムト秒パルスは、１ナノ秒パルスも材料と相互作用するように材料の吸収特性を変えるだろう。この場合、アブレーションプロセスは主に熱と関連する。１ナノ秒パルスが１００ナノ秒に増大すると、長いパルスのパルスエネルギー含有量が１０倍増大するが、閾値は、未だ超短パルスで決められ、超高速パルスの全エネルギーの１パーセントと同じ高さに固定される。
【００２３】
したがって、本発明は、閾値が典型的なｔの平方根予測に従わないが、未だ事実上部分的に熱的である微細加工を行う。優位性は、超短パルスがアブレーションの統計的な性質を長パルスアブレーションから除去し、閾値を決定論的にするということである。
【００２４】
例えば、全エネルギーの２５パーセント持つ２０ピコ秒パルスと、１００フェムト秒パルスのエネルギーが０．３Ｊ／ｃｍ２で全エネルギーの７５パーセントを持つ１００フェムト秒パルスとを有するバーストを考える。２０ピコ秒パルスが最初であると、それは材料をアブレートしないで、アブレーションは、完全に１００フェムト秒パルスからである。１００フェムト秒パルスが最初であると、熱と関連する２０ピコ秒パルスと付加的な相互作用がある。二つの超高速パルスが１０マイクロ秒未満離れていると、超高速パルスがその後の超高速パルスの吸収に影響できることが、示された。
【００２５】
したがって、本発明の一つの実施例では、パルス繰り返し率が実質上１００キロヘルツ以上であると、長いパルスが超高速パルスの前である。本発明の別の実施例では、長いパルスの一部が超高速パルスの後から続き、短パルスへのペデスタルの加算が長いパルスを作る。微細加工が超短パルスで行われ、実質的なエネルギーが長パルスペデスタル（＞１０ピコ秒）にあり、長パルスペデスタルが熱加工メカニズムを付加する。
【００２６】
本発明は、超短レーザパルスのバーストを使用して材料にレーザ加工を実施し、バースト加工モードでのレーザと物質の相互作用への前のパルスで達成される熱的、物理的変化のポジティブ効果を最大にするように、パルス幅、パルス分離間隔、波長、偏光を合わせる。より良い処理結果は、バースト内のパルスのパルス幅、パルス分離間隔、パルスエネルギーを操作することで達成される。レーザビームの波長と偏光もレーザビームの吸収に強く影響し、最大のレーザ−物質相互作用を作るためにバースト内のパルスからパルスまで変えられなければならない。
【００２７】
望ましい結果を達成するための上述されたレーザビームパラメータを操作する方法のほかに、本発明は、レーザ処理中に材料の熱的、物理的増進を達成するための方法も含んでいる。本発明の実施例において、個々の超短パルスによる加工を増進するために熱的、物理的変化を達成するため、背景光（通常、増幅自然放射（ASE）と呼ばれる）が、一定のエネルギー源を与えるように制御される。ASEは、しばしば増幅ファイバレーザからの超短パルスと同時に且つ共直線的に放射される。通常の固体レーザと違って、ASEのビームプロフィールは超短パルスのそれとマッチすることができる。レーザのASE比を変える多数の方法がある。実例は、増幅器への超短パルス入力エネルギーを変えること、その中心波長を変えること、或いは増幅器へのダイオードポンプパワーを変えることである。より可変的な方法は、レーザの圧縮器内にある。ここに参照によって組み込まれ、同日に同封され、題名が“モジュール型ファイバ式チャープパルス増幅システム”で、出願シリアルNo.---,---、代理人包帯番号A8698にアーサス（Asas）が開示しており、ASEのスペクトル出力は、超短パルスの波長と異なる波長にデザインされる。従って、出願シリアルNo.---,---、代理人包帯番号A8698に開示されているように、スペクトル成分が物理的に分離している圧縮器の中では、成分がASEを妨げるために配置される。ASEと超短パルスのエネルギー比は、ターゲット材料に印加される予備加熱の量を変えるように制御される。本発明の別の実施例では、超短パルスのペデスタルが制御される。ペデスタルは、低い振幅をもつ重ねられた長パルスに似ている。
【００２８】
本発明は、バーストモードの異なるパルス幅、パルス分離間隔、エネルギー、波長、偏光のレーザパルスと材料との相互作用に基づいている。異なるパルス幅、パルス分離間隔、エネルギー、波長、偏光をもつパルスのポジティブ面が利用され、一方のパルスのネガティブ面は他方のパルスのポジティブ面を補足する。連続するレーザパルスと材料の相互作用の間中のレーザエネルギの結合は、様々な物理的、化学的結合を誘起する。誘起される結合は、電子構造の極めて微細な変化、相転移、構造的な分解及び／或いはその他の物理的な変化を含む。例えば、バースト中の異なるパルス幅をもつパルスは、同じパルス幅のパルスをもつバーストと異なる結合を誘起する。
【００２９】
本発明の第１面（aspect）は、レーザ光を使用して材料処理する方法を提供する。該方法は、材料のターゲット領域にレーザ光のバーストを所定の繰り返し率で印加するステップを有する。低繰り返し率も使用できるが、好ましくは、該バーストの繰り返し率は、実質上１００キロヘルツ以上である。必要であれば多くのパルスがバーストに使用されるが、レーザ光の該バーストは、時間的に離れたレーザ光の第１パルスと第２パルスを有している。該第１パルスは、第１パルス幅をもち、該第２パルスは、第２パルス幅をもち、該第１パルス幅は、該第２パルス幅より大きい。該第１パルス幅は、通常ナノ秒台であり、該第２パルス幅は、通常ピコ秒からフェムト秒の範囲である。該第１と第２パルスのパルスエネルギー、パルス波長、パルス分離間隔、偏光ベクトルのような他のパラメータは、処理される材料のターゲット領域をうまく加工するように制御される。
【００３０】
本発明の第２面は、レーザ光の該バーストの該第１と第２パルスが時間的に分離する代わりに、重なる以外は、該第１面と類似する材料処理方法を提供する。必要であれば多くのパルスがバーストに使用される。該第１パルスは、第１パルス幅をもち、該第２パルスは、第２パルス幅をもち、該第１パルス幅は、該第２パルス幅より大きい。該第１パルス幅は、通常ナノ秒台であり、該第２パルス幅は、通常ピコ秒からフェムト秒の範囲である。該第１と第２パルスのパルスエネルギー、パルス波長、パルス分離間隔、偏光ベクトルのような他のパラメータは、処理される材料のターゲット領域をうまく加工するように制御される。さらに、該第２パルスは、処理される材料の熱的な加熱を促進するためにペデスタルを含んでもよい。
【００３１】
本発明の第３面は、レーザ光を使用して材料処理する方法を提供する。その方法は、材料のターゲット領域にレーザ光のバーストを所定の繰り返し率で印加するステップを有する。低繰り返し率も使用できるが、好ましくは、該バーストの繰り返し率は、実質上１００キロヘルツ以上である。必要であれば多くのパルスがバーストに使用されるが、レーザ光の該バーストは、時間的に離れたレーザ光の第１パルスと第２パルスを有している。該第１パルスは、第１パルス幅をもち、該第１パルスの所定のパラメータは、処理される材料の選択された特性に変化を誘起するように選択される。該第２パルスは、第２パルス幅をもち、該第２パルスの所定のパラメータは、該第１パルスで誘起される特性変化に基づいて選択される。該第１パルス幅は、通常ナノ秒台であり、該第２パルス幅は、通常ピコ秒からフェムト秒の範囲である。所定のパラメータは、パルスエネルギー、パルス波長、パルス分離間隔、パルス偏光ベクトルを含む。
【００３２】
本発明の第４面は、レーザ光の該バーストの該第１と第２パルスが時間的に分離する代わりに、重なる以外は、該第３面と類似する材料処理方法を提供する。必要であれば多くのパルスが該バーストに使用される。該第１パルスは、第１パルス幅をもち、該第２パルスは、第２パルス幅をもち、該第１パルス幅は、該第２パルス幅より大きい。該第１パルスは、第１パルス幅をもち、該第１パルスの所定のパラメータは、処理される材料の選択された特性に変化を誘起するように選択される。該第２パルスは、第２パルス幅をもち、該第２パルスの所定のパラメータは、該第１パルスで誘起される特性変化に基づいて選択される。該第１パルス幅は、通常ナノ秒台であり、該第２パルス幅は、通常ピコ秒からフェムト秒の範囲である。所定のパラメータは、パルスエネルギー、パルス波長、パルス分離間隔、パルス偏光ベクトルを含む。
【００３３】
本発明の第５面は、材料のターゲット領域にレーザ光のバーストを所定の繰り返し率で印加するレーザ装置を提供する。低繰り返し率も使用できるが、好ましくは、該バーストの繰り返し率は、実質上１００キロヘルツ以上である。追加のパルスが該バーストに使用されるが、レーザ光の該バーストは、時間的に離れたレーザ光の第１パルスと第２パルスを有している。該レーザ装置で出射される該第１パルスは、第１パルス幅をもち、該レーザ装置で出射される該第２パルスは、第２パルス幅をもち、該第１パルス幅は、該第２パルス幅より大きい。該第１パルス幅は、通常ナノ秒台であり、該第２パルス幅は、通常ピコ秒からフェムト秒の範囲である。該第１と第２パルスのパルスエネルギー、パルス波長、パルス分離間隔、偏光ベクトルのような他のパラメータは、処理される材料のターゲット領域をうまく加工するように制御される。
【００３４】
本発明の第６面は、レーザ光の該バーストの該第１と第２パルスが時間的に分離する代わりに、重なる以外は、該第５面と類似するレーザ装置を提供する。低繰り返し率も使用できるが、好ましくは、該バーストの繰り返し率は、実質上１００キロヘルツ以上である。追加のパルスが該バーストに含まれてもよい。該レーザ装置で出射される該第１パルスは、第１パルス幅をもち、該レーザ装置で出射される該第２パルスは、第２パルス幅をもち、該第１パルス幅は、該第２パルス幅より大きい。該第１と第２パルスのパルスエネルギー、パルス波長、パルス分離間隔、偏光ベクトルのような他のパラメータは、処理される材料のターゲット領域をうまく加工するように制御される。該第１パルス幅は、通常ナノ秒台であり、該第２パルス幅は、通常ピコ秒からフェムト秒の範囲である。
【００３５】
本発明の第７面は、低繰り返し率も使用できるが、実質上１００キロヘルツ以上のバースト繰り返し率で材料のターゲット領域にレーザ光のバーストを印加する材料処理用レーザ装置を提供する。レーザ光の該バーストは、時間的に離れたレーザ光の第１と第２パルスを有し、該レーザ装置で出射される該第１パルスは、第１パルス幅をもち、該レーザ装置で出射される該第２パルスは、第２パルス幅をもつ。パルスエネルギー、パルス波長、パルス分離間隔、パルス偏光ベクトルのような該第１パルスの所定のパラメータは、材料の選択された特性に変化を誘起するように選択され、該第２パルスの所定のパラメータは、該第１パルスで誘起された特性変化と相互作用する。該第１パルス幅は、通常ナノ秒台であり、該第２パルス幅は、通常ピコ秒からフェムト秒の範囲である。
【００３６】
本発明の第８面は、低繰り返し率も使用できるが、実質上１００キロヘルツ以上のバースト繰り返し率で材料のターゲット領域にレーザ光のバーストを印加する材料処理用レーザ装置を提供する。レーザ光の該バーストは、時間的に重なるレーザ光の第１と第２パルスを含む。該レーザ装置で出射される該第１パルスは、第１パルス幅をもち、該レーザ装置で出射される該第２パルスは、第２パルス幅をもつ。パルスエネルギー、パルス波長、パルス分離間隔、パルス偏光ベクトルのような該第１パルスの所定のパラメータは、材料の選択された特性に変化を誘起し、該第２パルスの所定のパラメータは、該第１パルスで誘起された特性変化と相互作用する。該第１パルス幅は、通常ナノ秒台であり、該第２パルス幅は、通常ピコ秒からフェムト秒の範囲である。
【００３７】
本発明の付加的な面と優位性は、以下の記述で一部分明らかにされ、一部分は、その記述から明らかであるか、或いは本発明の実行によって学ばれてもよい。本発明の面と優位性は、付属の請求項に特に指摘された手段と組み合わせによって理解され、獲得されてもよい。
【００３８】
本発明の上記及び他の面と優位性は、以下の詳細な記載及び添付図と関連して明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
本発明の実施例を説明する明細書に組み入れられ、その一部を構成する添付図面は、記載と一緒になって本発明の面、優位性、及び原理を説明するのに役立つ。図面において：
【００４０】
図１は、メモリチップのリンクの模式断面図である。
【００４１】
図２Ａは、時間的に離れている二つのレーザ光パルスからなるバーストを図解している。
【００４２】
図２Ｂは、重なる二つのレーザ光パルスからなるバーストを図解している。
【００４３】
図３は、３００ピコ秒のパルス持続時間をもつ単一パルスによる銅のアブレーションを図解している。
【００４４】
図４は、図２Ａに描画された最初のパルスのパルスエネルギーに関連して変化するアブレート銅を図解している。
【００４５】
図５は、図２Ａに描画された二つのパルスの分離時間に関連して変化するアブレート材料と改作（recast）層を図解している。
【００４６】
図６Ａは、各々は異なる波長をもち、時間的に重ならない二つのレーザ光パルスからなるバーストを図解している。
【００４７】
図６Ｂは、各々は異なる波長をもち、時間的に重なる二つのレーザ光パルスからなるバーストを図解している。
【００４８】
図７Ａは、各々は異なる偏光をもち、時間的に離れている二つのレーザ光パルスからなるバーストを図解している。
【００４９】
図７Ｂは、時間的に離れている４つのパルスの偏光を図解している。
【００５０】
図８Ａは、各々は異なる偏光をもち、時間的に重なる二つのレーザ光パルスからなるバーストを図解している。
【００５１】
図８Ｂは、時間的に重なる３つのパルスの偏光を図解している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
本発明の好ましい実施例の詳細な説明は、添付図面を参照して与えられるであろう。
【００５３】
透明材料のレーザ溶接は、超高速パルスにとって比較的よく適する応用である。これは、多重パルス光源から利益を得ることもできる応用である。透明材料のレーザ溶接のための最近の技術は、溶接ゾーンにレーザ光源（典型的に長いパルスの近赤外システム）から熱を運ぶことを可能にするために、透明材料の下部に吸収材料を堆積或いは配置することを含んでいる。これは、レーザが透明媒質を伝搬する間、線形吸収が熱源として利用できないために必要とされる。フェムト秒レーザは、一つの解を与える。何故なら、非線形吸収を介してレーザから透明基板に熱を結合できるからである。しかしながら、加熱／溶融とアブレーションの間の窓が非常に狭く、従ってレーザ処理パラメータの精密な制御を必要とするため、この技術は実際には使われてこなかった。
【００５４】
本発明は、レーザと物質の相互作用の結果として正確で高速の材料処理を促進するために、パルス間の結合を強くするようにバーストに明確に配置された多重パルスを使用する。本発明は、周辺材料への損傷のリスクなしで正確な切断を可能にする。本発明は、ユーザのために、レーザ処理パラメータの制御、特に熱蓄積速度の制御（可変繰り返し率とパルス持続時間によるバースト加工を通しての）、及び集光ビームの位置、サイズ、形状の正確な制御を提供する。多重パルスの使用は、レーザ加工のためのパラメータを開拓することができる。まず、アブレーション閾値に近い超高速パルスは、界面で絶縁破壊を起こす。このパルスは、熱が蓄積される必要がある点の吸収特性を変える。次に、溶接が行われる界面に熱を蓄積するために長いパルスが使用される。超高速パルスは、このプロセスを溶接ラインに沿う各点で決定論的且つ正確になるようにさせる。長いパルスのエネルギーは、十分なエネルギーと強度を絶縁破壊閾値に達するまで加えないで、熱蓄積量を変化させるために、変えられる。
【００５５】
本発明の実施例において、次のようなパルス特性がバーストモード加工の間中に変えられる：
（１）パルス幅、パルス分離間隔及びパルスエネルギー；
（２）波長；
（３）偏光。
【００５６】
それらのパラメータの各々は、個々にレーザと物資の相互作用を強める重要なファクタであるが、それら全ては、材料と特定の応用に依存するレーザと物質の相互作用に最大効果を達成するように同時に変えられてもよい。
【００５７】
望ましい結果を達成するための上述のレーザビームパラメータを操作する方法の他に、レーザ処理の間中に材料の熱的物理的高揚を達成するための付加的な方法がある。一つの方法は、個々の超短パルスによる加工を高揚するための熱的、物理的変化を達成するために、一定のエネルギー源を供給するように背景光（増幅自然放出（ASE）と呼ばれる）を制御することである。図２Aを参照すると、多重パルスの時間配置が描かれており、バーストを構成する２つの離れたパルスだけが明快の目的で図解されている。バーストは、２パルスより多く有してもよいが、明快に描く理由のために２つのパルスだけが示されている。第１パルス３１は、パルスエネルギーpe1とパルス幅pw1のパラメータをもち、第２パルス３２は、パルスエネルギーpe2とパルス幅pw2のパラメータをもつ。パルスは、時間分離tsだけ離れている。好ましくは、時間分離ｔsは、パルス幅pw1とpw2より非常に大きい値をもつ。すなわち、pw1或いはpw2≪｜ｔs｜。特定の応用の場合は、pw1とpw2のパルス幅値は、等しいか或いは等しくなくてもよく、pe1とpe2のパルスエネルギー値は、等しいか或いは等しくなくてもよい。パルス幅値pw1は、通常ナノ秒台であり、パルス幅値pw2は、通常ピコ秒からフェムト秒台である。
【００５８】
図２Ａに示すパルスの時間形状は、ガウシアン形状をもつが、ガウシアン形状に限定されない。パルス形状は、ここではパルス幅とピークパワーでより適切に定義される。多重パルスの関係は、パルス幅、ピークパワー及びパルス間の分離時間で特徴づけられる。分離時間は、長パルス後の遅れ時間のように長パルスの中心からの正の値として測定される。
【００５９】
図２Ａに示すような２パルスのパルス形状と配置は、２パルスより多いピークのための包絡線として使用され得る。図２Aに示す第１パルスで規定される包絡線に囲まれる多重パルスは、同じ効果を引き起こす。例えば、長パルスのパルス形状曲線は、その中に囲まれるパルスの各々のピークパワーの包絡線として役立つ。
【００６０】
図３は、アブレートする銅の量と改作層の厚さに対する単一３００ピコ秒レーザパルスのレーザエネルギーの効果を示している。アブレーションがレーザパルスエネルギーに対して線形に増大することが観測される。０．５ミクロン厚の銅金属リンクは、約５Ｊ／ｃｍ２のフルーエンスをもつレーザパルスで切除される。より短いパルス幅は、より大きなピーク強度をもち、より少ないエネルギーが同じ量の材料を切断するのに必要である。図３で、改作層の厚さは、３００ピコ秒レーザパルスの場合レーザエネルギーを変化させても変化しない。しかしながら、３００フェムト秒のようなより短いパルス幅の場合、改作層の大きな削減が見られる。より短いパルス幅は、アブレーション周辺領域への損傷と熱的ダメージを効果的に減らす。
【００６１】
図２Ａに示す２パルスの場合の、長パルス（３ナノ秒）のフルーエンスのアブレーションに対する効果が図４に示されている。ここで、短パルス（３００ピコ秒）のフルーエンスが一定の５Ｊ／ｃｍ２に保たれるが、長パルスのフルーエンスは、変えられた。特にこのケースでは、分離間隔がゼロに選択される。すなわち、短パルスが長パルスの中心に位置する。長パルスのフルーエンスのアブレーションに対する効果は、明らかである。より多くのアブレーションがレーザエネルギーを増加することで見られる。この効果は、短パルスと長パルスの任意の組み合わせの分離時間の広い範囲で観測される。
【００６２】
好ましくは、２パルスの結合の分離時間は、−pw1と＋pw1の間である。ここで、pw1は、長パルスのパルス幅である。例えば、pw1＝３．０ナノ秒のとき、それは−３．０ナノ秒と＋３．０ナノ秒の間である。長パルスのピークパワーは、長パルスによる周辺領域への損傷を避けるために、短パルスより少ない。各パルスのエネルギーは、０．０００１マイクロジュールと１０マイクロジュールの間である。
【００６３】
一つの実施例において、長パルスのエネルギーは金属の損傷閾値エネルギ未満に保たれ、短パルスのエネルギーは金属の蒸発を引き起こすエネルギーより大きい。パッシベーション（不動態化）層は、長パルスに透明であるが、金属は長パルスからエネルギーを吸収して加熱される。金属は、長パルスで既に加熱されているので、続いて到着する十分高いエネルギーを持つ短パルスは、金属を選択的に蒸発させる。
【００６４】
別の実施例では、短パルスのフルーエンスがパッシベーション層の損傷閾値エネルギーと金属の損傷閾値エネルギーの間にあるように選ばれる。例えば、アルミニウムの損傷閾値エネルギーは約０．０８Ｊ／ｃｍ２であり、SiO2の場合約１Ｊ／ｃｍ２である。それら二つの値の間にあるフルーエンスを選ぶことで、金属だけが蒸発される。
【００６５】
さらに、高強度レーザパルスの非線形吸収は、線形吸収の波長依存性を抑制する。この場合、パルスエネルギーに基づく材料除去速度を制御することは、波長による吸収コントラストの使用によって一層好ましい。
【００６６】
図２Ｂを参照すれば、バーストを構成する二つの重畳パルスが描画されている。バーストは、２パルスより多く有してもよいが、明快に描く理由のために２つのパルスだけが示されている。図２Ｂに示すパルス４１、４２は図２Ａに図解されたパルス３１、３２と同じである。特定の応用の場合は、pw1とpw2のパルス幅値は、等しいか或いは等しくなくてもよく、pe1とpe2のパルスエネルギー値は、等しいか或いは等しくなくてもよい。パルス幅値pw1は、通常ナノ秒台であり、パルス幅値pw2は、通常ピコ秒からフェムト秒台である。本発明のこの実施例では、パルス４１と４２は時間的に重なっている。以下でより詳細に議論するように、特定材料の損傷及び／或いはアブレーションを達成するためにパルスが重畳される。
【００６７】
パルス幅、パルス分離間隔及びパルスエネルギーのパラメータ効果が、直ちに説明されるであろう。本発明は、パルスの分離間隔を明確に操作することによる、また各パルスのパルス幅とエネルギーを変えることによる、バーストの連続するパルスのレーザエネルギーの相互作用の度合いを利用する。本発明のある実施例では、連続するレーザパルスの結合が、レーザと物質の相互作用に使用される。連続するパルスの時間分離は、それらのパルスが時間的に互いに重なるか、一緒に接近するように手配される。次のパルスは、前のパルスで引き起こされた材料の（熱的或いは物理的）変化が消失する前に到達しなければならない。次のパルスの修飾された材料とのそのような相互作用は、材料との良好なレーザエネルギー結合の達成を助ける。さらに、パルス幅とパルスエネルーが、明確な材料損傷或いはアブレーションを達成するために、バースト内のパルスからパルスへ変えられる。
【００６８】
例えば、任意の組み合わせの連続するナノ秒、ピコ秒或いはフェムト秒パルスが、バーストモード加工に手配される。前のレーザパルスで引き起こされる材料の任意の変化のポジティブ面は、保持されるが、任意の変化のネガティブ面は、次のパルスで直される。パラメータの適当な選択で、前のパルスで誘起されるポジティブ面が次のパルスでさらに高揚される。連続するナノ秒とピコ秒パルスの分離時間、パルス幅及びエネルギーを適当に選ぶことで、ピコ秒パルスが前のナノ秒パルスで誘起された液体層を除去し、熱影響ゾーンを減らすが、長いナノ秒パルスは、材料を暖かく保ち、ピコ秒パルスの終了後焼鈍効果をもたらし、それによりクラックが減る。この場合、パルス幅とエネルギーは、パルス分離間隔と同様、注意深く調整される。
【００６９】
図５は、銅の単一パルスアブレーション後の材料除去と改作層厚に対する長パルスと短パルス間の分離時間の効果を図解している。両パルスは、５Ｊ／ｃｍ２の同じフルーエンスをもっている。最小改作層と最大材料除去は、ｔs＝１．５ナノ秒近くに見られる。多重パルス処理にとって分離時間の最適範囲がある。この特定のケースでは、最適な分離時間が、−３．０と６．０ナノ秒の間である。一般に、最適分離は、長パルスのパルス幅に関して表現される。分離時間ｔsの最適範囲は、−１．０×ｐｗ1と＋２．０×ｐｗ1の間である。ここで、ｐｗ1は、長パルスのパルス幅である。ｐｗ1＝１．０ナノ秒のケースでは、ｔsの最適範囲は、−１．０ナノ秒から２．０ナノ秒である。
【００７０】
本発明において、短パルスが長パルスに関して分離時間の規定された範囲に配置されるとき、短パルスは、バーストの終了での周囲領域への損傷を減らす効果を持つ。リンクの切断はバーストの各パルスのレーザエネルギーと切断されるリンクの厚さに依存するので、リンクの切断のために一つのバースト或いは幾つかのバーストが使用される。
【００７１】
本発明の別の面では、バーストの中の連続するパルスの波長が変えられる。図６Ａを参照すると、バーストを構成する２つの離れたパルスが図解されている。バーストは、２パルスより多く有してもよいが、明快に描く理由のために２つのパルスだけが示されている。第1パルス５１は、パルス波長wl1とパルス幅pw1のパラメータを持ち、第２パルス５２は、パルス波長wl2とパルス幅pw2のパラメータを持つ。パルスは、時間分離tsだけ離れている。好ましくは、時間分離ｔsは、パルス幅pw1とpw2より非常に大きい値をもつ。すなわち、pw1或いはpw2≪｜ｔs｜。特定の応用の場合は、pw1とpw2のパルス幅値は、等しいか或いは等しくなくてもよく、wl1とwl2のパルス波長値は、決して等しくない。パルス幅値pw1は、通常ナノ秒台であり、パルス幅値pw2は、通常ピコ秒からフェムト秒台である。
【００７２】
図６Ｂを参照すれば、バーストを構成する２つの重畳パルスが図解されている。バーストは、２パルスより多く有してもよいが、明快に描く理由のために２つのパルスだけが示されている。図６Ｂに示すパルス６１、６２は図６Ａに図解されたパルス５１、５２と同じである。特定の応用を当てにするときは、pw1とpw2のパルス幅値は、等しいか或いは等しくなくてもよく、ｗｌ1とｗｌ2のパルス波長値は、決して等しくない。本発明のこの実施例では、パルス６１と６２は時間的に重なっている。以下でより詳細に議論するように、特定材料の損傷及び／或いはアブレーションを達成するためにパルスが重畳される。
【００７３】
材料が異なる波長の放射に対して異なる応答をし、レーザエネルギーの吸収が波長に強く依存することはよく知られている。材料の特性変化は、特定の波長のレーザ光に対する材料応答の仕方を変える。各連続するパルスの波長は、前のパルスの波長で引き起こされた変化に応じて材料と有効に相互作用するように合わせられる。第２パルスのレーザビームと第１パルスで修飾された材料との良好な結合が達成されるように、第２パルスの波長が合わされる。
【００７４】
一例として、レーザパルスの連続する相互作用の間に、材料はその相を変え、各相はまた温度変化を経験する。これらの相の各々は、そこに照射するレーザビームの波長に対して異なる応答を持つ。ちょうど良いときに起こる各相の吸収波長にレーザビームの波長を変えることで相互作用が最大化される。
【００７５】
吸収コントラストを活用することで材料への選択的なエネルギー蓄積を起こさせるように、バーストの各パルスの波長が、１パルス１パルスと変えられる。例えば、１．０４５ミクロンより大きいが１．２０ミクロンを下回る波長で、長パルスのエネルギーは、線形吸収を起こすために十分低く保たれるとき、金属リンクに選択的に移送され、シリコンのような半導体材料には移送されない。短パルスとのエネルギー結合は、金属リンクでのみ、起こる。パルスのエネルギーが非線形吸収を起こすために十分高く、典型的な短いサブピコ秒レーザパルス（図６Ａ）の場合、短パルスの波長は問題でない。多重パルスのレーザエネルギーの選択的エネルギー結合は、金属へのレーザパルスの強い結合を可能にし、急速な蒸発をもたらす。
【００７６】
バーストの各パルスの波長は、時間の終わりまで変えられる。例えば、ドープされたシリコンの吸収は、温度と波長の増大により上昇する。レーザ処理の間、材料の温度は、時間と共に上昇する。したがって、吸収はレーザパルス照射の間増加する。例えば、第１パルスの波長が１．５ミクロンとすると、シリコンと金属の間の高い吸収コントラストを保つために、その波長は、１．４ミクロン、１．３ミクロン、１．２ミクロン、他にシフトされなければならない。
【００７７】
波長はバーストからバーストへ調整され、各バーストは半導体デバイスの異なる薄膜を切断する。例えば、アルミニウムのような電気伝導薄膜とニクロムのような抵抗薄膜が共存する場合、各バーストはこれら異なる薄膜を連続して切断する。各バーストの波長は、切断される各材料の吸収特性に合わされる。
【００７８】
異なる吸収端の異なる層材料でできているナノ層複合材或いは超格子薄膜の微細加工において、各パルスは各層を切断し、バーストの各パルスの波長は、各層がレーザエネルギーを効率よく吸収するように選ばれる。
【００７９】
別の例では、レーザパルスの連続する相互作用の間に、材料中の電子状態が変化し、特に、イオン化による自由電子の生成、プラズマ形成及び電子−光子結合がレーザ誘起破壊を起こすために時間順に起こらなければならない材料中で電子状態が変化する。各ステージでの電子は、レーザパルスの波長に異なる応答をする。従って、アイデアは、適当な破壊効率を達成するように電子状態を調整するためにパルスの波長を変えることである。この出来事は、１ピコ秒未満で起こり、パルスの分離時間は、それに応じて選ばれる必要がある。
【００８０】
本発明の別の面では、バーストをなすパルスの偏光が変えられる。レーザパルスの偏光は、修飾材料の表面構造に影響する。例えば、直線偏光のレーザビームは、加工表面に波状パターンを作り、楕円状にあけられた穴を作る。波状パターンの配向は、偏光の方向に依存する。ある応用では、切断が非常に滑らかでなければならないか、或いは蒸発後に残る部分が滑らかな平面でなければならない（例えば、チップ修復及び微細流体デバイス）。レーザパルスの偏光方向の急激な回転は、もたらされる平滑面を均質にする。他の応用において、波状パターンは、摩擦部品のような摩耗抵抗部品の上に作られる。これらの例では、波状パターンが偏光方向を変えることで調整される。
【００８１】
図７Ａを参照すれば、バーストを構成する時間的に分離した２つのパルスが図解されている。バーストは、２パルスより多く有してもよいが、明快に描く理由のために２つのパルスだけが示されている。第1パルス７１は、パルス偏光plz1とパルス幅pw1のパラメータを持ち、第２パルス７２は、パルス偏光plz2とパルス幅pw2のパラメータを持つ。パルスは、時間分離tsだけ離れている（図示せず）。好ましくは、時間分離ｔsは、パルス幅pw1とpw2より非常に大きい値をもつ。すなわち、pw1或いはpw2≪｜ｔs｜。特定の応用を当てにするときは、pw1とpw2のパルス幅値は、等しいか或いは等しくなくてもよく、plz1とplz2のパルス偏光値は、決して等しくない。パルス幅値pw1は、通常ナノ秒台であり、パルス幅値pw2は、通常ピコ秒からフェムト秒台である。
【００８２】
図７Ｂを参照すれば、バーストを構成するパルスの偏光の異なる見えを示している。図７Ｂのバーストは、４つの分離パルスを有し、各パルスは、それ自身の偏光値、すなわち、plz1、plz2、plz3、plz4をもつ。４つの偏光ファクタは、図７Ｂに示すように、互いに離れて配置されている。
【００８３】
図８Ａを参照すれば、バーストを構成する２つの重畳パルスが図解されている。バーストは、２パルスより多く有してもよいが、明快に描く理由のために２つのパルスだけが示されている。図８Ａに示すパルス８１、８２は図７Ａに図解されたパルス７１、７２と同じである。特定の応用の場合は、pw1とpw2のパルス幅値は、等しいか或いは等しくなくてもよく、plz1とplz2のパルス偏光値は、決して等しくない。本発明のこの実施例では、パルス８１と８２は時間的に重なっている。以下でより詳細に議論するように、特定材料の損傷及び／或いはアブレーションを達成するためにパルスが重畳される。
【００８４】
図８Ｂを参照すれば、バーストを構成するパルスの偏光の異なる見えを示している。図８Ｂのバーストは、３つの分離パルスを有し、各パルスは、それ自身の偏光値、すなわち、plz1、plz2、plz3をもつ。３つの偏光ファクタは、図８Ｂに示すように、互いに離れて配置されている。
【００８５】
レーザビーム偏光の与えられた方向の場合、特定の組織が照射材料上に生成されることはよく知られている。波長の場合に上述したと同じやり方で、最良の結果を達成するためにレーザパルスと材料の連続する相互作用で引き起こされる材料の電気的、物理的変化の間、偏光がパルスからパルスへと変えられる。偏光の急激な変化は、照射領域の組織を均質化する。偏光の方向は、最大のレーザと材料の相互作用を達成するために結晶方位に関して操作される。
【００８６】
本発明の好ましい実施例の前述の記載は、実例と説明書のために与えられた。開示された寸分違わない形に徹底的であること、或いは発明を開示された形に寸分違わないものに限定する積もりはなく、修正と変更は、上記教唆に照らして可能であり、或いは本発明の実行から取得されるかも知れない。熟慮された特定の使用に相応しいとき、当業者が本発明を様々な実施例に利用できるように且つ本発明を様々な修正を伴って利用できるように、実施例は発明の原理とその実際的な応用を説明するために選ばれ記述された。
【００８７】
従って、本発明の特定の実施例のみがここに明確に記載されたが、多数の変更が本発明の精神と目的から離れることなしになされることは明らかである。さらに、頭字語は、明細書と請求項の読みやすさを強調するために使用されているに過ぎない。これらの頭字語は、使用される語彙の一般性を減らす意図がなく、ここに記載された実施例に対して請求項の目的を制限するように解釈されるべきでない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【国際調査報告】
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