(57)【要約】  半導体ウェハや他の材料などのワークピースをレーザで加工するときに、予め定義された時間的パルスプロファイルに関連づけられたターゲットクラスに対応する加工ターゲットを選択する。上記予め定義された時間的パルスプロファイルのうちの少なくとも１つは三角形状であり得る。例えば、ターゲットクラスは、不動態化されていない導電リンクや他の裸金属構造を含み得る。選択されたターゲットに関連付けられたターゲットクラスに基づいて、三角形状の時間的パルスプロファイルを有するレーザパルスが生成される。生成されたレーザパルスは、選択された構造を加工するために使用される。
2013527601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザでワークピースを加工する方法であって、
複数の時間的パルスプロファイルに対応するデータを記憶し、それぞれの時間的パルスプロファイルは前記ワークピース上又は前記ワークピース内の構造のそれぞれのターゲットクラスに関連づけられており、前記複数の時間的パルスプロファイルの１つは、第１の時刻での初期パワー値から第２の時刻でのピークパワー値まで第１の一定割合で増加し、前記第２の時刻での前記ピークパワー値から第３の時刻での前記初期パワー値に第２の一定割合で減少する三角形状を有し、
加工のために前記ワークピース上又は前記ワークピース内の構造を選択し、該選択された構造は前記三角形状を有する時間的パルスプロファイルに関連づけられており、
前記選択された構造に基づいて、前記複数の時間的パルスプロファイルの中から前記三角形状を有する時間的パルスプロファイルを選択し、
前記選択された時間的パルスプロファイルを有するレーザパルスを生成し、
前記生成されたレーザパルスを前記ワークピースに向けて前記生成されたレーザパルスで前記選択された構造を加工する、方法。
【請求項２】
さらに、
前記三角形状を有する時間的パルスプロファイルを不動態化されていない導電リンク構造を備えたターゲットクラスに関連づけ、前記選択された構造は該関連づけられたターゲットクラス内にある、請求項１の方法。
【請求項３】
前記生成されたレーザパルスを前記ワークピースに向けて前記選択された構造を加工する工程では、前記三角形状の時間的パルスプロファイルを有する、前記生成されたレーザパルスで不動態化されていない導電リンク構造を分断し、
さらに、
前記第１の時刻と前記第２の時刻との間における前記導電リンク構造の加熱速度を制御するように前記第１の一定割合を選択し、
前記第２の時刻と前記第３の時刻との間における前記導電リンク構造の冷却速度を制御するように前記第２の一定割合を選択する、請求項２の方法。
【請求項４】
さらに、
前記三角形状を有する時間的パルスプロファイルを基板上に形成された裸金属を備えたターゲットクラスに関連づける、請求項１の方法。
【請求項５】
前記生成されたレーザパルスを前記ワークピースに向けて前記選択された構造を加工する工程では、前記裸金属の一部をスクライブする、請求項４の方法。
【請求項６】
さらに、
前記構造の関連づけられたターゲットクラスの特性に基づいて、前記第１の一定割合を前記第２の一定割合と略同一になるように選択する、請求項１の方法。
【請求項７】
さらに、
前記構造の関連づけられたターゲットクラスの特性に基づいて、前記第１の一定割合を前記第２の一定割合よりも実質的に大きくなるように選択する、請求項１の方法。
【請求項８】
さらに、
前記構造の関連づけられたターゲットクラスの特性に基づいて、前記第１の一定割合を前記第２の一定割合よりも実質的に小さくなるように選択する、請求項１の方法。
【請求項９】
さらに、
前記構造の関連づけられたターゲットクラスの特性に基づいて、前記第２の時刻及び前記第３の時刻の少なくとも一方を選択する、請求項１の方法。
【請求項１０】
ワークピースを加工するレーザ加工システムであって、
複数の時間的パルスプロファイルに対応するデータを記憶するメモリデバイスを備え、それぞれの時間的パルスプロファイルは前記ワークピース上又は前記ワークピース内の構造のそれぞれのターゲットクラスに関連づけられており、前記複数の時間的パルスプロファイルの１つは、第１の時刻での初期パワー値から第２の時刻でのピークパワー値まで第１の一定割合で増加し、前記第２の時刻での前記ピークパワー値から第３の時刻での前記初期パワー値に第２の一定割合で減少する三角形状を有し、
コントローラであって、
加工のために前記ワークピース上又は前記ワークピース内の構造を選択し、該選択された構造は前記三角形状を有する時間的パルスプロファイルに関連づけられており、
前記選択された構造に基づいて、前記複数の時間的パルスプロファイルの中から前記三角形状を有する時間的パルスプロファイルを選択する
ように構成されたコントローラと、
前記選択された時間的パルスプロファイルを有するレーザパルスを生成するレーザ源と、
前記生成されたレーザパルスを前記ワークピースに向けて前記生成されたレーザパルスで前記選択された構造を加工する光学系と、を備えた、レーザ加工システム。
【請求項１１】
前記メモリデバイスは、前記三角形状を有する時間的パルスプロファイルを不動態化されていない導電リンク構造を備えたターゲットクラスに関連づけるデータを記憶し、前記選択された構造は該関連づけられたターゲットクラス内にある、請求項１０のシステム。
【請求項１２】
前記生成されたレーザパルスを前記ワークピースに向けて前記選択された構造を加工する工程では、前記三角形状の時間的パルスプロファイルを有する、前記生成されたレーザパルスで前記不動態化されていない導電リンクを分断し、前記プロセッサは、さらに、
前記第１の時刻と前記第２の時刻との間における前記導電リンクの加熱速度を制御するように前記第１の一定割合を選択し、
前記第２の時刻と前記第３の時刻との間における前記導電リンクの冷却速度を制御するように前記第２の一定割合を選択する
ように構成されている、請求項１３のシステム。
【請求項１３】
前記メモリデバイスは、前記三角形状を有する時間的パルスプロファイルを基板上に形成された裸金属を備えたターゲットクラスに関連づけるデータを記憶する、請求項１０のシステム。
【請求項１４】
前記生成されたレーザパルスを前記ワークピースに向けて前記選択された構造を加工する工程では、前記裸金属の一部をスクライブする、請求項１３のシステム。
【請求項１５】
前記プロセッサは、さらに、前記構造の関連づけられたターゲットクラスの特性に基づいて、前記第１の一定割合を前記第２の一定割合と略同一になるように選択するように構成されている、請求項１０のシステム。
【請求項１６】
前記プロセッサは、さらに、前記構造の関連づけられたターゲットクラスの特性に基づいて、前記第１の一定割合を前記第２の一定割合よりも実質的に大きくなるように選択するように構成されている、請求項１０のシステム。
【請求項１７】
前記プロセッサは、さらに、前記構造の関連づけられたターゲットクラスの特性に基づいて、前記第１の一定割合を前記第２の一定割合よりも実質的に小さくなるように選択するように構成されている、請求項１のシステム。
【請求項１８】
前記プロセッサは、さらに、前記構造の関連づけられたターゲットクラスの特性に基づいて、前記第２の時刻及び前記第３の時刻の少なくとも一方を選択するように構成されている、請求項１のシステム。
【請求項１９】
半導体デバイスの不動態化されていない導電リンク構造を加工する方法であって、
それぞれの不動態化されていない導電リンク構造は底面及び上面を有し、底面はパシベーション層又は半導体基板に隣接して配置されており、上面はレーザ加工中にレーザパルスによる直接照射を可能とするようにむき出しになっており、
前記半導体デバイスの前記不動態化されていない導電リンク構造の中から１つの不動態化されていない導電リンク構造を選択し、
第１の時刻での初期パワー値から第２の時刻でのピークパワー値まで第１の一定割合で増加し、前記第２の時刻での前記ピークパワー値から第３の時刻での前記初期パワー値に第２の一定割合で減少する三角形状の時間的パルスプロファイルを有するレーザパルスをレーザ加工システムを用いて生成し、
前記生成されたレーザパルスを前記選択された不動態化されていない導電リンク構造に向ける、方法。
【請求項２０】
さらに、
前記第１の時刻と前記第２の時刻との間における前記導電リンク構造の加熱速度を制御するように前記第１の一定割合を選択し、
前記第２の時刻と前記第３の時刻との間における前記導電リンク構造の冷却速度を制御するように前記第２の一定割合を選択する、請求項１９の方法。
【請求項２１】
さらに、
前記選択された導電リンク構造の特性に基づいて、前記第１の一定割合を前記第２の一定割合と略同一になるように選択する、請求項１９の方法。
【請求項２２】
さらに、
前記選択された導電リンク構造の特性に基づいて、前記第１の一定割合を前記第２の一定割合よりも実質的に大きくなるように選択する、請求項１９の方法。
【請求項２３】
さらに、
前記選択された導電リンク構造の特性に基づいて、前記第１の一定割合を前記第２の一定割合よりも実質的に小さくなるように選択する、請求項１９の方法。
【請求項２４】
さらに、
前記選択された導電リンク構造の特性に基づいて、前記第２の時刻及び前記第３の時刻の少なくとも一方を選択する、請求項１９の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザ加工システムに関するものである。特に、本開示は、整形された時間的プロファイルを有するレーザパルスを用いて導電リンクの分断及び／又は半導体デバイスの微細加工を行うためのレーザシステム及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）や他の半導体デバイスを加工するために用いられるレーザ加工システムは、一般に、Ｑスイッチダイオード励起固体レーザを用いる。例えば、メモリデバイスを加工する際には、一般に、導電リンク構造を分断するために単一のレーザパルスが用いられる。他の工業的用途においては、ダイシング前に半導体デバイスウェハから金属と誘電体の半導体材料を取り除くためにレーザスクライビングが用いられる。また、例えば、ディスクリート部品及び埋め込み部品の抵抗値を調整するためにもレーザが用いられる。
【０００３】
異なる機能を実現するために異なる動作モードを用いるレーザ加工システムがある。例えば、本特許出願の譲受人である、アメリカ合衆国オレゴン州ポートランドのエレクトロ  サイエンティフィック  インダストリーズ  インコーポレーテッド社から入手可能なＥＳＩモデル９８３０は、半導体メモリや関連するデバイスをレーザ加工するために、約５０ｋＨｚのパルス繰返し周波数で動作するダイオード励起Ｑスイッチネオジム添加イットリウムバナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ）レーザを用いる。このレーザシステムは、リンク構造を加工するためにパルスレーザ出力を供給し、ビームからワークにターゲットをスキャンするために持続波（ＣＷ）レーザ出力を供給する。他の例として、同じくエレクトロ  サイエンティフィック  インダストリーズ  インコーポレーテッド社から入手可能なＥＳＩモデル９８３５は、半導体メモリや関連するデバイスをレーザ加工するために、ダイオード励起Ｑスイッチの周波数３逓倍Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザを用いる。このレーザシステムは、リンク構造を加工するために約５０ｋＨｚのＰＲＦの第１のパルスレーザ出力を用い、ビームからワークにターゲットをスキャンするために約９０ｋＨｚのＰＲＦの第２のパルスレーザ出力を用いる。一部のシステムでは、よい高いＰＲＦ（例えば１００ｋＨｚ）も可能である。一般的に、そのようなレーザシステムによって生成されたレーザパルスのパルス幅は、選択されたＰＲＦに機能的に依存しており、ターゲットの構造や他のプロセス変数の差違に基づいて独立して調整することができない。
【０００４】
図１Ａ及び図１Ｂは、典型的な固体レーザにより生成されるレーザパルスの時間的パルス形状の例である。図１Ａに示されるパルスは、従来技術において知られているような光学素子によって、方形波パルスを生成するように整形されている場合がある。表１と図１Ａ及び図１Ｂに示されているように、典型的な固体パルス形状は、そのピークパワー、パルスエネルギー（パワー曲線の時間積分）、及び全幅半値（ＦＷＨＭ）で測定したパルス幅によって適切に表現される。パルスエネルギー及び／又はピークパワーを決定するために、パルス検出器からのフィードバックを使用することができる。フィードバックに使用されるパルス検出器は、ピークパワー検知のためのアナログピーク捕捉・保持回路に連結されたダイオードを含んでいてもよい。また、このパルス検出器は、パルスエネルギー測定用アナログ積分回路を含んでいてもよい。
【０００５】
多くのメモリデバイス及び他の半導体デバイスは、導電リンク構造を被覆する誘電性のパシベーション材料を含んでいる。上側に位置するパシベーション材料は、アブレーション閾値を超えて加熱できるように金属製のリンク材料を含むのに役立つ。例えば、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、及び図２Ｄは、不動態化された導電リンク構造２１０，２１２，２１４を含む半導体デバイス２００の断面ブロック図である。図２Ａに示されるように、半導体デバイス２００は、半導体基板２１８上に形成された誘電性パシベーション材料２１６の１以上の層を含んでいる。この例では、半導体基板２１８はシリコン（Ｓｉ）からなり、誘電材料は二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）からなり、導電リンク構造２１０，２１２，２１４はアルミニウム（Ａｌ）からなる。一般に、導電リンク構造２１０，２１２，２１４は、誘電性パシベーション材料２１６の内部に位置している。換言すれば、誘電材料は、導電リンク構造２１０，２１２，２１４が加工中のレーザビーム２２０に対して直接露出しないように、導電リンク構造２１０，２１２，２１４の上面及び底面の双方に隣接している。むしろ、レーザビーム２２０は、選択された導電リンク構造２１２と相互作用を生ずる前に、誘電性パシベーション材料２１６のうち上側に位置する部分を通過する。
【０００６】
図２Ａにおいて、レーザビーム２２０と選択された導電リンク構造２１２との間の相互作用により導電リンク構造２１２が加熱される。加熱により導電リンク構造２１２内の圧力が上昇する。誘電性パシベーション材料２１６は、熱を閉じ込め、加熱された導電リンク構造２１２の一部が隣接する導電リンク構造２１０，２１４に放出されることを防止する。換言すれば、誘電性パシベーション材料２１６は、導電リンク構造２１２の液化した部分が半導体デバイス２００の他の部分に「スプラッシュする」ことを防止する。図示のため、図２Ｂは、導電リンク構造２１２を囲む誘電性パシベーション材料２１６の一部の拡大図を示している。図２Ｂに示されるように、加熱を続けることにより、導電リンク構造２１２の上側の隅からクラック２２２が開くことがある。導電リンク構造２１２がアブレーション閾値に達すると、図２Ｃに示されるように、導電リンク構造２１２が破裂することがあり、これにより、上側に位置する誘電性パシベーション材料２１６や導電リンク構造２１２の一部が蒸気２２４としてなくなってしまうことがある。図２Ｄに示されるように、レーザビーム２２０は、その後、導電リンク構造２１２の残っている部分があればそれを沸騰、融解、及び／又はスプラッシュにより清浄することができる。
【０００７】
上側に位置するパシベーション層は、アブレーション閾値を超えて加熱されるまで導電リンク材料を含有しておくが、パシベーション厚さを十分に制御することは難しいかもしれない。集積回路（ＩＣ）製造業者は、一般的に、パシベーション層の厚さを加工に適切な範囲にすることに相当な努力を注ぎ込む。しかしながら、上側に位置するパシベーション材料がなければ（例えば、不動態化されていない又は裸金属のリンクを加工するとき）、レーザ加工により、隣接する導電リンク構造と電気的接続（例えば、短絡や導電ブリッジ）を形成し得る金属スプラッシュが生成され、これによりデバイス故障が生じる可能性がある。例えば、図３は、ガウス形パルスを用いたレーザ加工中に隣接するリンクが溶けて一緒になった領域３１２を有する、不動態化されていないリンク構造３１０を示す電子顕微鏡写真である。この例では、不動態化されていないリンク構造３１０はアルミニウムからなり、幅が約４μｍである（ピッチ約１μｍ）。また、図３は、壊れたリンクにより過度のデブリが生じている領域３１４を示している。スプラッシュとブリッジの問題に加えて、不動態化されていない導電リンク構造は、不動態化された導電リンク構造に比べて小さな加工窓を有する場合がある。
【０００８】
また、他のレーザ加工用途もスプラッシュの問題を有している場合がある。例えば、ダイシング前に半導体デバイスウェハから金属や誘電性半導体の材料を除去するためにレーザスクライビングが使用されることがある。スクライブされる領域に厚い金属又は不動態化されていない金属が存在すると、金属のスプラッシュ及び／又は金属の融解及びスクライブされた領域への逆流によって加工窓が大幅に小さくなることがある。例えば、図４は、複数のガウス形パルスを使ってスクライブされたシリコン（Ｓｉ）４１２上の不動態化されていない銅線４１０（Ｃｕ）を示す電子顕微鏡写真である。銅が融解して切溝４１４に逆流したため（矢印４１６で示される）、レーザパルスによりスクライブされた切溝４１４は縁部がはっきりしていない。また、図４は、裸金属銅線４１０をスクライブすることにより過度のデブリ４１８が生じたことを示している。スクライビングのスループットに大きな影響を与えることのある金属スプラッシュ、逆流、クラック発生、及び層間剥離の問題を解決するために、レーザスクライブ速度を下げてもよい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
レーザでワークピースを加工する方法は、複数の時間的パルスプロファイルに対応するデータを記憶する。それぞれの時間的パルスプロファイルは上記ワークピース上又は上記ワークピース内の構造のそれぞれのターゲットクラスに関連づけられ得る。上記複数の時間的パルスプロファイルのうちの少なくとも１つは、第１の時刻での初期パワー値から第２の時刻でのピークパワー値まで第１の一定割合で増加し、上記第２の時刻での上記ピークパワー値から第３の時刻での上記初期パワー値に第２の一定割合で減少する三角形状を有する。この方法は、さらに、加工のために上記ワークピース上又は上記ワークピース内の構造を選択する。この選択された構造は、上記三角形状を有する時間的パルスプロファイルに関連づけられ得る。上記選択された構造に基づいて、上記複数の時間的パルスプロファイルの中から上記三角形状を有する時間的パルスプロファイルが選択される。上記選択された時間的パルスプロファイルを有するレーザパルスが生成される。上記生成されたレーザパルスは、上記ワークピースに向けられ上記選択された構造が上記生成されたレーザパルスで加工される。
【００１０】
付加的な態様及び利点は、添付図面を参照して述べられる以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａ及び図１Ｂは、典型的な固体レーザによって生成されるレーザパルスの時間的パルス形状の例である。
【図１Ｂ】図１Ａ及び図１Ｂは、典型的な固体レーザによって生成されるレーザパルスの時間的パルス形状の例である。
【図２Ａ】図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、及び図２Ｄは、不動態化された導電リンク構造を含む半導体デバイスの断面ブロック図である。
【図２Ｂ】図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、及び図２Ｄは、不動態化された導電リンク構造を含む半導体デバイスの断面ブロック図である。
【図２Ｃ】図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、及び図２Ｄは、不動態化された導電リンク構造を含む半導体デバイスの断面ブロック図である。
【図２Ｄ】図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、及び図２Ｄは、不動態化された導電リンク構造を含む半導体デバイスの断面ブロック図である。
【図３】図３は、ガウス形パルスを用いたレーザ加工中に隣接するリンクが溶けて一緒になった領域を有する、不動態化されていないリンク構造を示す電子顕微鏡写真である。
【図４】図４は、複数のガウス形パルスを使ってスクライブされたシリコン上の不動態化されていない銅線を示す電子顕微鏡写真である。
【図５】図５は、ある実施形態により使用してもよい、ガウス形の時間的パルスプロファイルと三角形状の時間的パルスプロファイルとの相違をグラフで示すものである。
【図６】図６は、ある実施形態の例における、複数の対称三角形状の時間的パルスプロファイルをグラフで示すものである。
【図７】図７は、ある実施形態の例における、非対称三角形状の時間的パルスプロファイルをグラフで示すものである。
【図８】図８は、一実施形態に係るレーザ加工システムの簡略化ブロック図である。
【図９Ａ】図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、及び図９Ｄは、ある実施形態における、裸金属線又は不動態化されていないリンク構造のようなターゲット材料をレーザ加工する工程を模式的に示すものである。
【図９Ｂ】図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、及び図９Ｄは、ある実施形態における、裸金属線又は不動態化されていないリンク構造のようなターゲット材料をレーザ加工する工程を模式的に示すものである。
【図９Ｃ】図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、及び図９Ｄは、ある実施形態における、裸金属線又は不動態化されていないリンク構造のようなターゲット材料をレーザ加工する工程を模式的に示すものである。
【図９Ｄ】図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、及び図９Ｄは、ある実施形態における、裸金属線又は不動態化されていないリンク構造のようなターゲット材料をレーザ加工する工程を模式的に示すものである。
【図１０】図１０は、ある実施形態における、電子顕微鏡写真の例及び対応する時間的パルスプロファイルを示すものである。
【図１１Ａ】図１１Ａ及び図１１Ｂは、一実施形態における、動的レーザパルス整形器及びパワー増幅器により生成される調整レーザパルスの時間的パルス形状の例である。
【図１１Ｂ】図１１Ａ及び図１１Ｂは、一実施形態における、動的レーザパルス整形器及びパワー増幅器により生成される調整レーザパルスの時間的パルス形状の例である。
【図１２】図１２は、一実施形態における、ワーク表面にターゲットアライメント機構と導電リンク構造を有する半導体ウェハを示す模式図である。
【図１３】図１３は、一実施形態における、ワークピース上又はワークピース内の構造をレーザ加工する方法のフローチャートである。
【図１４】図１４は、一実施形態における、異なる時間的パルスプロファイルを有するレーザパルスを生成及びモニタリングするレーザ加工システムの例である。
【図１５】図１５は、一実施形態に係る光検出モジュールの例のブロック図である。
【図１６Ａ】図１６Ａ及び図１６Ｂは、一実施形態における、図１４に示されるレーザ源を示すブロック図である。
【図１６Ｂ】図１６Ａ及び図１６Ｂは、一実施形態における、図１４に示されるレーザ源を示すブロック図である。
【図１７】図１７は、一実施形態における、ピークパルスパワーにより少なくとも部分的に特徴付けられる正規化調整レーザパルスをグラフで示すものである。
【図１８Ａ】図１８Ａ及び図１８Ｂは、調整レーザパルスを特徴付けるためにピークパワーとＦＷＨＭを使用することから生じる問題を示すものである。
【図１８Ｂ】図１８Ａ及び図１８Ｂは、調整レーザパルスを特徴付けるためにピークパワーとＦＷＨＭを使用することから生じる問題を示すものである。
【図１９】図１９は、一実施形態における、４つの簡略化したパルス形状（パルスＡ〜Ｄ）と、ＦＷＨＭとＴISパルス幅値との間の対応する比較結果を示すものである。
【図２０】図２０は、一実施形態における、６つのレーザパルス形状（曲線１〜６）と、ＦＷＨＭとＴISパルス幅値との間の対応する比較結果を示すものである。
【図２１】図２１は、一実施形態における、ピーク高さ、ピーク幅、及びピーク時間により特徴付けられるスパイクを有する正規化された調整レーザパルスをグラフで示すものである。
【図２２】図２２は、一実施形態における、開始時刻、終了時刻、及び許容範囲に関連づけられたレベルにより特徴付けられる平坦部を有する正規化された調整レーザパルスをグラフで示すものである。
【図２３】図２３は、一実施形態における、開始時刻、終了時刻、第１の許容範囲に関連づけられた開始レベル、及び第２の許容範囲に関連づけられた終了レベルにより特徴付けられる傾斜部又は傾斜した平坦部を有する正規化された調整レーザパルスをグラフで示すものである。
【図２４Ａ】図２４Ａ、図２４Ｂ、及び図２４Ｃは、ある実施形態における、ここで述べたパラメータにより特徴付けられる様々なスパイク、平坦部及び傾斜部を有する調整パルスの例をグラフで示すものである。
【図２４Ｂ】図２４Ａ、図２４Ｂ、及び図２４Ｃは、ある実施形態における、ここで述べたパラメータにより特徴付けられる様々なスパイク、平坦部及び傾斜部を有する調整パルスの例をグラフで示すものである。
【図２４Ｃ】図２４Ａ、図２４Ｂ、及び図２４Ｃは、ある実施形態における、ここで述べたパラメータにより特徴付けられる様々なスパイク、平坦部及び傾斜部を有する調整パルスの例をグラフで示すものである。
【図２５Ａ】図２５Ａは、一実施形態における、表２により特定される複数の調整パルスをグラフで示すものである。
【図２５Ｂ】図２５Ｂ及び図２５Ｃは、ある実施形態における調整レーザパルスの追加的な例を示すものである。
【図２５Ｃ】図２５Ｂ及び図２５Ｃは、ある実施形態における調整レーザパルスの追加的な例を示すものである。
【図２６】図２６は、一実施形態における、パルス形状のフィードバック測定基準を提供するように構成されたパルスプロファイラの例のブロック図である。
【図２７】図２７は、一実施形態における、調整レーザパルス出力の生成におけるレーザパルススライシング装置として動作する電気光学変調器の簡略化ブロック図である。
【図２８】図２８は、図２７のレーザパルススライシング装置により生成される５つの可能なレーザパルス形状形成の例を列（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、及び（ｅ）に示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示は、半導体デバイス上の不動態化されていない導電リンク構造及び他の構造を、三角形状の時間的パルスプロファイル（例えばパワー対時間）を有するレーザパルスを用いて加工することについて述べる。以下に詳細に述べるように、「三角形状」の時間的パルスプロファイルには、立ち上がり時間が立ち下がり時間と等しくない鋸歯形状の時間的パルスプロファイル（例えば、非対称三角形状）だけではなく、立ち上がり時間と立ち下がり時間とが等しいプロファイル（例えば、対称三角形状）も含まれる。非対称（鋸歯）三角形状の時間的パルスプロファイルについては、パルスの最大ピークパワーは、パルスの（時間的な）中央以外のどこかに位置している。
【００１３】
ある実施形態においては、三角形状の時間的パルスプロファイルを有するレーザパルスは、例えば、本件特許出願の譲受人に譲渡されている米国特許第７，３４８，５１６号に述べられたレーザ及びシステムを用いて生成してもよい。この米国特許第７，３４８，５１６号の内容はその全体がここに組み入れられる。三角形状の時間的パルスプロファイルを使って調整したレーザパルスを生成するレーザシステム実施形態の他の例を以下に述べる。
【００１４】
ある実施形態においては、異なる種類のターゲット構造に対して複数群又は複数クラスの時間的パルスプロファイルが定義される場合がある。対称三角形状については、最大ピーク値を増加又は減少させつつ一定のパルス持続時間（例えば、時間的幅）を維持することによって、複数群のパルス形状を生成することができる。例えば、最大ピーク値を維持、増加、又は減少させつつ異なるパルス持続時間を用いることにより、対称三角形状に対する追加群を生成してもよい。非対称三角形状に対しては、パルス持続時間及び／又は最大ピーク値を変化させることにより複数の群のパルス形状を生成してもよい。例えば、最大ピーク値の時間の移動及び／又は立ち上がり時間及び／又は立ち下がり時間の変更により、非対称三角形状に対する追加群を生成してもよい。
【００１５】
ある実施形態においては、時間的パルスプロファイルの様々な群に対応するデータをレーザ加工システムのメモリデバイスに保存しておき、これを、不動態化されていない導電リンク構造を加工するためのパルス形状を生成するため、あるいは、半導体デバイス層をスクライブするために使用してもよい。一実施形態においては、特定の種類のデバイスや特定のターゲットクラスの構造のための加工窓を、異なるパルス形状の行列をそのデバイス又はターゲットクラスの構造上で処理することにより決定してもよい。そのような実施形態を用いて三角形状の時間的パルスプロファイルのパラメータ（例えば、パルス幅、最大ピーク値、立ち上がり時間、及び立ち下がり時間）を決定してもよい。
【００１６】
加えて、あるいは他の実施形態においては、本開示は、ターゲット構造に基づいて調整された時間的パルスプロファイルを用いてレーザパルスを選択し、所望の強度プロファイルを維持できるように十分なフィードバックと制御を提供することについて述べる。一実施形態においては、レーザ加工システムは、１以上のワークピース上のワークピース構造（例えば、導電リンク）を加工するために複数の時間的プロファイルを用いる。このレーザ加工システムは、ファイバレーザ、主発振器ファイバパワー増幅器（ＭＯＦＰＡ）、タンデム光増幅器、あるいはレーザに広範囲の形状のレーザパルスを生成可能とするプログラム可能な時間的パルスプロファイルとともに電気光学変調器（図１８及び図１９に関連する説明を参照）を用いる「スライスド」パルスレーザなどのパルスレーザを含んでいてもよい。特定のワークピース構造に向けてレーザパルスを出射するためにレーザを方向付けるときに、レーザパルス形状を「オンザフライで」選択するようにレーザ加工システムを構成してもよい。
【００１７】
ある実施形態においては、レーザ加工システムは、パルス当たりのエネルギー及び信号伝搬遅延などの他のレーザパラメータを較正する。信号伝搬遅延は、プログラムされた時間的プロファイルによって異なることがある。プログラムされた時間的パルスプロファイルの範囲を超えて確実に動作するようにレーザ加工システムを較正してもよい。したがって、そのような一実施形態においては、レーザ加工システムは、プログラムされたパルス形状の関数としてパルス当たりのエネルギーを正確に較正できるようにパルス波形をデジタル化する光電子検出方法を用いる。
【００１８】
上述したように、典型的なＱスイッチ固体パルス形状は、そのピークパワー、パルスエネルギー、及びパルス幅（例えば、ＦＷＨＭ）によって適切に表現される。しかしながら、一般的に、これらの測定基準は、調整されたパルスレーザを用いて可能な時間的パルス形状をデスクライブするのに十分ではない。例えば、パワーカーブ上のスパイクのピークパワーは、いわゆる椅子形状のパルスの「座」の高さ又はダブルスパイクパルスの第２のピークの高さを表すものではない。
【００１９】
このように、ある実施形態においては、レーザ加工システムは、典型的なリンク加工システムがモニタリングしていないパラメータ用のフィードバックを含んでいる。そのようなフィードバックを設けることにより、多数のパルス形状測定基準が記録され、プロセスフィードバック（例えば、デバイス歩留まりや基板損傷）と相互に関係づけられる。これにより、調整パルス技術の価値をさらに高めるための新しいプロセスや新しいパルス形状を開発するための貴重なツールが提供される。加えて、あるいは他の実施形態においては、フィードバックに基づいてパルス形状をモニタリング及び制御するためにパルス形状測定基準が用いられる。
【００２０】
ここで、同様の参照符号が同様の要素を示している図面を参照する。以下の説明では、ここで開示される実施形態が完全に理解できるように、非常にたくさんの具体的な詳細について述べられる。しかしながら、具体的な詳細のうち１つ以上のものがなくても、あるいは、他の方法、構成要素、又は材料によっても実施形態を実現できることは、当業者であれば理解できるであろう。また、実施形態の態様を不明瞭にすることを避けるために、既知の構造、材料、又は動作は、図示されていないか、あるいは詳細には述べられていない場合がある。さらに、１以上の実施形態において、任意の適切な方法により、ここで述べられる特徴、構造、又は特性を組み合わせてもよい。
【００２１】
Ｉ．三角形状の時間的パルスプロファイル
一実施形態においては、不動態化されていない導電リンク構造及び他の構造を加工するために、三角形状パルスが用いられる。三角形状パルスは、温度を安定的に上昇及び低下させる。本開示は、実施形態の例として不動態化されていない導電リンク構造を加工する場合について述べるが、他の構造を加工することができ、また三角形状パルスを用いて他の種類の加工を行うこともできることは、当業者であれば本開示から理解できるであろう。限定するものではないが、例えば、不動態化された導電リンク構造を加工するため、あるいは裸線を有する半導体デバイス層をスクライブするために、三角形状パルスを用いてもよい。
【００２２】
図５は、ある実施形態により使用してもよい、ガウス形の時間的パルスプロファイル５１０と三角形状の時間的パルスプロファイル５１２との相違をグラフで示すものである。図５に示されるように、ガウス形の時間的パルスプロファイル５１０は、その初期値から最大ピーク値まで一定の割合で増加するものではない。また、ガウス形の時間的パルスプロファイル５１０は、その最大ピーク値から初期パワー値まで一定の割合で減少するものではない。むしろ、ガウス形の時間的パルスプロファイル５１０は、特に最大ピーク値付近、及び初期パワー値に戻るときに、割合を変化させて曲がるものである。また、ガウス形の時間的パルスプロファイル５１０は、同じ時間的パルス幅（例えば、この例では７９ｎｓ）を有する三角形状の時間的パルスプロファイル５１２の立ち上がり時間及び立ち下がり時間と比較して、急峻な立ち上がり時間及び立ち下がり時間を有している。したがって、以下に詳細に述べるように、ガウス形の時間的パルスプロファイル５１０は、不動態化されていない導電リンク構造を加工する際に、スプラッシュとデブリを引き起こす「熱衝撃」を生ずる。
【００２３】
一方、三角形状の時間的パルスプロファイル５１２は、第１の時点（この例では時間ゼロ）の初期パワー値から第１の一定割合で第２の時点（この例では３９．５ｎｓ）の最大ピーク値まで増加する。また、三角形状の時間的パルスプロファイル５１２は、第２の時点の最大ピークパワー値から第２の一定割合で第３の時点（この例では７９ｎｓ）の初期パワー値まで減少する。この例では、三角形状の時間的パルスプロファイル５１２は、増加する第１の一定割合が実質的に減少する第２の一定割合と等しくなるように対称的になっている。三角形状の時間的パルスプロファイル５１２は、ガウス形の時間的パルスプロファイル５１０が生ずるものよりも緩い定常温度傾斜（温度上昇及び低下の双方）を生ずる。緩い定常温度傾斜は、不動態化されていない導電リンク構造の加工中にスプラッシュを引き起こす熱衝撃を低減する。また、三角形状の時間的パルスプロファイル５１２により与えられる、ガウス形の時間的パルスプロファイル５１０よりも長い（緩い）温度低下傾斜により、加工領域の周りの材料が急速に固化することが抑えられ防止される。これは、加工領域に残っている誘電体又は金属残渣が急速に固化することによって生ずる加工領域周りの応力を低減するのに役立つ場合がある。
【００２４】
図６は、ある実施形態の例における、複数の対称三角形状の時間的パルスプロファイル６１０，６１２，６１４，６１６をグラフで示すものである。三角形状の時間的パルスプロファイル６１０は２９ｎｓのパルス持続時間を有している。三角形状の時間的パルスプロファイル６１２は７９ｎｓのパルス持続時間を有している。この例では、三角形状の時間的パルスプロファイル６１２の最大ピーク振幅が、実質的に三角形状の時間的パルスプロファイル６１０の最大ピーク振幅と等しい。また、三角形状の時間的パルスプロファイル６１４は７９ｎｓのパルス持続時間を有している。しかしながら、三角形状の時間的パルスプロファイル６１４の最大ピーク振幅は、三角形状の時間的パルスプロファイル６１２の最大ピーク振幅の約７５％である。このため、三角形状の時間的パルスプロファイル６１４は、そのピークの高さは異なるが、三角形状の時間的パルスプロファイル６１２と同じパルス形状及び同じ持続時間を維持している。三角形状の時間的パルスプロファイル６１６は９９ｎｓの持続時間と、三角形状の時間的パルスプロファイル６１２の最大ピーク振幅の約５０％の最大ピーク振幅とを有している。
【００２５】
図７は、ある実施形態の例における、非対称三角形状の時間的パルスプロファイル７１０，７１２をグラフで示すものである。非対称三角形状の時間的パルスプロファイル７１０，７１２は、図６に示された対称三角形状の時間的パルスプロファイル６１２に対して図示されている。以下では、非対称三角形状の時間的パルスプロファイル７１０，７１２を鋸歯形状の時間的パルスプロファイルということもある。対称三角形状の時間的パルスプロファイル６１２と同様に、非対称三角形状の時間的パルスプロファイル７１０，７１２はそれぞれ７９ｎｓのパルス持続時間を有している。非対称三角形状の時間的パルスプロファイル７１０は、立ち下がり時間に比べて早い立ち上がり時間を有している。このため、対称三角形状の時間的パルスプロファイル６１２は約３９ｎｓで最大ピーク振幅を有しているが、非対称三角形状の時間的パルスプロファイル７１０は実質的に約３９ｎｓよりも前に最大ピーク振幅を有している。非対称三角形状の時間的パルスプロファイル７１２は、立ち下がり時間に比べると緩やかな立ち上がり時間を有している。このため、非対称三角形状の時間的パルスプロファイル７１２は、実質的に約３９ｎｓよりも後に最大ピーク振幅を有している。
【００２６】
図示されたパルス持続時間を含め、図６及び図７に示される三角形状の時間的パルスプロファイル６１０，６１２，６１４，６１６，７１０，７１２は、単に例示のためのものであって、限定のためではないことは、当業者であれば本開示から理解できるであろう。実際、特定のレーザ加工用途のために、任意の持続時間、振幅、又は非対称度の三角形状の時間的パルスプロファイルを使用できることは、当業者であれば理解できるであろう。
【００２７】
ある実施形態においては、異なる種類のターゲット構造に対して複数群又は複数クラスの対称及び／又は非対称三角形状の時間的パルスプロファイルが定義される場合がある。例えば、図８は、一実施形態に係るレーザ加工システム８００の簡略化ブロック図である。レーザ加工システム８００は、メモリデバイス８１０と、プロセッサ８１２と、レーザ源８１４と、光学系８１６と、ユーザインタフェイス８１８とを含んでいる。プロセッサ８１２は、（例えば、メモリデバイス８１０又は他のコンピュータ読取可能な記憶媒体に記憶された）コンピュータ読取可能な命令を実行してここで述べる加工を行うように構成された汎用又は専用コンピュータ（又は他の電子デバイス）であってもよい。プロセッサ８１２は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、又は他の既知のデバイスとして具現化できる。
【００２８】
メモリデバイス８１０は、レーザ源８１４が生成可能な複数の異なる時間的パルスプロファイルを定義した時間的パルスプロファイルデータ８２０を記憶していてもよい。時間的パルスプロファイルデータ８２０は、例えば、図６及び図７に示される対称及び非対称三角形状の時間的パルスプロファイル６１２，６１４，６１６，７１０，７１２、他の特定の対象又は非対称三角形状の時間的パルスプロファイル、及び／又はここで述べられる他の種類の時間的パルスプロファイルのいずれかを定義していてもよい。ある実施形態においては、ユーザが、ユーザインタフェイス８１８を介してプロセッサ８１２に相互作用して、カスタマイズした時間的パルスプロファイルを定義してもよく、あるいはメモリデバイス８１０に時間的パルスプロファイルデータ８２０として記憶された予め決められた又はデフォルトの時間的パルスプロファイルのパラメータ（例えば、パルス持続時間、パワー振幅、対称性、及び形を定義する他のパラメータ）を変えるようにしてもよい。
【００２９】
また、メモリデバイス８１０は、ターゲットクラス関連付けデータ８２２を記憶していてもよい。ターゲットクラス関連付けデータ８２２は、時間的パルスプロファイルデータ８２０により定義された１以上の時間的パルスプロファイルを対応するターゲットクラス構造に関連づける。例えば、ターゲットクラス関連付けデータ８２２は、図７に示される非対称三角形状の時間的パルスプロファイル７１２を特定の種類の不動態化されていない導電リンク構造に関連づけてもよい。ある実施形態においては、ユーザが、ユーザインタフェイス８１８を介してプロセッサ８１２に相互作用して、新しいターゲットクラスの関連付けを定義するか、あるいはターゲットクラス関連付けデータ８２２において予め決められた又はデフォルトの設定を変更してもよい。
【００３０】
動作中、プロセッサ８１２は、加工のためにワークピース（図示せず）上又はワークピース内の構造を選択する。例えば、プロセッサ８１２は、テストデータに基づいて次に壊れる導電リンクを選択してもよい。ターゲットクラス関連付けデータ８２２に基づいて、プロセッサ８１２は、選択された構造に対応する時間的パルスプロファイルデータ８２０を選択する。そして、レーザ源８１４は、選択された時間的パルスプロファイルデータ８２０に基づいてレーザパルス８２４を生成する。レーザ源８１４が所望のパルス形状を生成する方法の例を以下に示す。その後、光学系８１６は、選択された構造を加工するように、生成されたレーザパルス８２４をワークピースに向ける。光学系８１６は、例えば、ミラー、集束レンズ、電気光学又は音響光学偏向器及び／又は変調器、ファストステアリングミラー、検流計駆動ミラー、及び選択された構造に生成されたパルスを供給するための並進運動ステージ（例えば、Ｘステージ、Ｙステージ、及び／又はＺステージ）に対して調整された他の光学デバイスを含んでいてもよい。
【００３１】
図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、及び図９Ｄは、ある実施形態における、裸金属線又は不動態化されていないリンク構造のようなターゲット材料９１０をレーザ加工する工程を模式的に示すものである。図示された工程は、そのようなターゲット材料９１０をガウス形の時間的パルスプロファイルを有するパルスで加工する効果を示すものである。そして、三角形状の時間的パルスプロファイルを有するパルスを用いた実施形態に対して、レーザ加工の相違点を述べる。
【００３２】
図９Ａに示されるように、ガウス形の時間的パルスプロファイルを有するレーザビームパルス９１２を最初に照射することで、ターゲット材料９１０がレーザエネルギーを吸収し始めると融解が生じる。ターゲット材料９１０の加熱のスピードが、周りの材料への熱伝導のスピードよりも速い場合、ターゲット材料９１０の局所的な領域９１４の温度が上昇し始める。最終的に、温度が融解温度に達し、ターゲット材料９１０の一部が融解して液化層又は液化領域９１６を形成する。
【００３３】
図９Ｂに示されるように、その後、ガウス形の時間的パルスプロファイルを有するレーザビームパルス９１２は、一部の材料の沸騰及び除去を引き起こす。ターゲット材料の温度が上昇し続けると、液化層９１６の一部が融解温度に達し、アブレーション又は蒸発９１７による除去が生じる。このアブレーション工程は、（例えば、気泡の生成、跳ね返り圧力、及び他の工程により）液化層９１６内に乱流を引き起こし、放出材料９１８の除去と液化層９１６のスプラッシュ９２０を生じる。ターゲット材料９１０が非常に急速に加熱される場合においては、融点を超えて液化層９１６の一部を加熱することができ、（「爆発沸騰」と呼ばれる工程を引き起こし得る）過熱準安定液体の形成を生じる。
【００３４】
図９Ｃに示されるように、ガウス形の時間的パルスプロファイルを有するレーザビームパルス９１２は、その後、プルームとプラズマの形成を引き起こす。アブレーションされた材料の量が増えると、最終的には材料の「雲状物」９２２が「プルーム」と呼ばれる表面上にできる。プルームは、レーザエネルギーの散乱と吸収によりワーク表面に届くレーザエネルギーを減衰させる。より多くのエネルギーが加えられると、プルーム材料がプラズマになることがある。プラズマがワーク表面の十分に近くに生成されると、プラズマからの間接的な加熱により、放出材料９１８のさらなる除去と材料のスプラッシュ９２０が生じ得る。
【００３５】
図９Ｄは、レーザビームパルス９１２が終了し、ターゲット材料９１０が冷却段階となった後のターゲット材料９１０を示すものである。ガウス形の時間的パルスプロファイルを有するレーザビームパルス９１２のレーザエネルギーが減少すると、ターゲット材料９１０の加熱速度は周りの材料への熱伝導速度よりも最終的に遅くなる。この時点で、液化層９１６の残った部分は冷却されて再び固化し始める。図９Ｄは、レーザ加工により生成された切溝９２６内で再固化した材料９２４をその周りの表面上に固化したスプラッシュ９２８とともに示している。
【００３６】
図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、図９Ｄにおいて述べたガウス形の時間的パルスプロファイルを有するレーザビームパルス９１２を使用することに対して、ある実施形態に係る三角形状の時間的パルスプロファイルを有するレーザパルスを使用すると、ターゲット材料９１０の加熱及び冷却の速度がより緩やかになる。これにより、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、図９Ｄに示された異なる工程においてスプラッシュを引き起こす作用が抑えられるか、あるいは避けられる。
【００３７】
例えば、図９Ｂを参照すると、三角形状の時間的パルスプロファイルを有するレーザパルスにより生じた緩やかなあるいはゆっくりとした加熱により、過熱された液化層９１６の生成が低減される。過熱された液体は、非常に激しく爆発的な気泡生成工程（爆発沸騰と呼ばれる）を経て、表面から液体及び気体の材料の噴出を引き起こし得る。よりゆっくりした過熱速度として過熱の度合いを低くすることによって、三角形状の時間的パルスプロファイルを有するレーザパルスにより生成されるスプラッシュ９２０は、ガウス形の時間的パルスプロファイルを有するレーザビームパルス９１２により生成されるスプラッシュよりも実質的に少なくなる。
【００３８】
加えて、図９Ｃを再び参照すると、三角形状の時間的パルスプロファイルを有するレーザパルスにより生じた緩やかなあるいはゆっくりとした加熱により、雲状プラズマ９２２の形成が実質的に激しくなくなる。これにより、雲状プラズマ９２２からの間接的な加熱によるスプラッシュ９２０がさらに減り、あるいはなくなる。
【００３９】
また、図９Ｄを再び参照すると、三角形状の時間的パルスプロファイルを有するレーザパルスにより生じた緩やかな冷却は、得られる融解材料に逆流する機会を与え、これにより再固化材料９２４の外面が滑らかになる。また、このゆっくりとした冷却は表面のアニールを引き起こし、これにより再固化材料９２４と周りの材料との間の応力が実質的に低減する。これに対して、ガウス形の時間的パルスプロファイルを有するレーザビームパルス９１２により生じた急速な冷却により液化層９１６が急速に凍り付き、これにより、表面が粗くなり、表面に大きな応力がかかることになる。
【００４０】
熱特性及び熱拡散特性は、異なる種類の半導体デバイスのスタックによって異なり得るので、選択される加熱速度はそれぞれの場合で異なっていてもよい。このため、ある実施形態では対称三角形状の時間的パルスプロファイルを用い、他の実施形態では非対称三角形状（鋸歯形状）の時間的パルスプロファイルを用いてもよい。パルスの上方に向かう傾斜は、図９Ａ、図９Ｂ、及び図９Ｃに関連して述べられた加熱速度及び作用を制御する。パルスの下方に向かう傾斜は、図９Ｄに関連して述べられた作用を制御する。選択されるパルス形状は、材料及び切断される材料の構成に大きく依存していてもよい。
【００４１】
図１０は、ある実施形態における、電子顕微鏡写真の例１０１０，１０１２及び対応する時間的パルスプロファイル１０１４，１０１６を示すものである。電子顕微鏡写真１０１０に示された分断リンク１０１８は、ガウス形の時間的パルスプロファイル１０１４を有するレーザパルスを用いて加工されたものである。電子顕微鏡写真１０１２に示された分断リンク１０２０は、三角形状の時間的パルスプロファイル１０１６を有するレーザパルスを用いて加工されたものである。図１０に示される三角形状の時間的パルスプロファイル１０１６は多少のノイズを含んでいる。しかしながら、ノイズがあっても、三角形状の時間的パルスプロファイル１０１６は、実質的に一定の立ち上がり時間と実質的に一定の立ち下がり時間を有している。
【００４２】
電子顕微鏡写真１０１０に示されるように、ガウス形の時間的パルスプロファイル１０１４を有するパルスは、切断領域から約１μｍよりも遠くの距離で観察され得る放出材料からなる球を含む金属リンク１０１８内に、よりスプラッシュが生じやすい切断を生じさせる。電子顕微鏡写真１０１０と比較すると、電子顕微鏡写真１０１２は、三角形状の時間的パルスプロファイル１０１６を有するパルスでは、加熱速度がより遅いために、比較的スプラッシュが少ないことを示している。
【００４３】
また、電子顕微鏡写真１０１０の（例えば、アルミニウムからなる）切断リンク１０１８の縁部は、融解と変形によりより角ばった形状となっており、これはパルス冷却時間に関係するものである。電子顕微鏡写真１０１２に示され、三角形状の時間的パルスプロファイル１０１６を有するパルスを用いて生成された切断リンク１０２０の縁部は、より丸くなっている。この例におけるアルミニウム材料は、ガウス形のパルスに対して非常に急激に冷却され、より角ばった形状となり、一方、三角形状のパルスからの冷却速度が遅いことにより、金属端部が逆流し、より丸くて滑らかな切断縁部を形成する。
【００４４】
II．プログラム可能な時間的パルスプロファイル
一部のシステムでは、調整されたパルス形状を用いてワークピースを加工している。例えば、本特許出願の譲受人に譲渡されている米国特許第７，３４８，５１６号は、加工品質と歩留まりの向上のために、メモリチップ又は他の集積回路（ＩＣ）チップ上の導電リンクのレーザ加工が特別に調整された強度プロファイル（パルス形状）を有するレーザパルスを用いたレーザシステム及び方法によってなされるレーザ技術について述べている。他の例としては、本特許出願の譲受人に譲渡されている米国特許第７，１２６，７４６は、複数のレーザパルス時間的プロファイルを用いて１以上の半導体ウェハ上の半導体ワークピース構造を加工することができるレーザ加工システムの利用方法について述べている。
【００４５】
一般に、リンク加工システムにおいては、レーザと材料の相互作用を規定するいくつかのレーザパルスパラメータがある。レーザ波長に加えて、これらのパラメータには、空間的な特性（例えば、スポット寸法、ウエスト位置、及び楕円率）と時間的な特性（例えば、ピークパワー、パルスエネルギー、パルス幅、及びパルス形状）の双方が含まれる。複数のリンク加工システム上で繰り返すことができるしっかりしたプロセスを提供するために、レーザパルスパラメータは、（ａ）設計によって受動的に制御され、製造中に性能を確かめるために計測されてもよく、あるいは（ｂ）周期的に行われる較正により制御されてもよく、あるいは（ｃ）能動的に計測され、フィードバックループを用いて制御されてもよい。調整されたパルスレーザ加工システムのようなレーザ加工システムにおいては、方法（ｃ）の方が方法（ａ）又は（ｂ）よりも柔軟である場合がある。
【００４６】
典型的なレーザ加工システムは、一般的に、様々なレーザパラメータを異なる方法によりモニタリングしている。例えば、表１は、レーザパルス加工パラメータ制御に関する現在の技術水準を要約したものである。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
固体レーザを用いて典型的なレーザパルスを生成するのとは異なり、例えばファイバレーザや主発振器ファイバパワー増幅器（ＭＯＦＰＡ）を用いた調整パルス技術は、典型的なピークパワー、パルスエネルギー、及びパルス幅の測定基準によって適切に表現できないパルス形状を考慮している。例えば、図１１Ａ及び図１１Ｂは、一実施形態における動的レーザパルス整形器及びパワー増幅器により生成される調整レーザパルスの時間的パルス形状の例である。図１１Ａに示されるように、パワーカーブ上の先頭のスパイクのピークパワーＰ１は、いわゆる椅子形状のパルスの平坦部又は「座」パワーＰ２の高さを表現していない。また、調整パルスの中には、ピークパワーＰ１によって表現されない複数のスパイク又は複数の平坦部を有するものがある。例えば、図１１Ｂに示されるように、スパイクのピークパワーＰ１は、第１の平坦部パワーＰ２又は第２の平坦部パワーＰ３の高さを表現していない。加えて、後述するように、ＦＷＨＭ測定基準に基づくパルス幅は、異なる「座」の長さを有する複数の椅子形状のパルスに対して同じ結果をもたらす場合がある。
【００４９】
一実施形態においては、レーザ加工システムは、ワークピース上の第１の種類の構造に対して第１の時間的パルスプロファイルを選択し、ワークピース上の第２の種類の構造に対して第２の時間的パルスプロファイルを選択するように構成される。半導体メモリデバイス上のリンクのような特定の集積回路の特徴を加工するために仕様される時間的パルスプロファイルは、同じデバイス上で別のレーザ加工動作を行うのには効率がよくなかったり、効果がなかったりする場合がある。したがって、レーザ加工システムは、加工されるターゲット構造の種類に基づいて適切な時間的パルスプロファイルをオンザフライで選択する。
【００５０】
例えば、図１２は、一実施形態における、ワーク表面１２１０にターゲットアライメント機構１２１２と導電リンク構造１２１４を有する半導体ウェハ１２００を示す模式図である。前縁のスパイク（例えば図１１Ａ参照）から得られる高いパルスエネルギーと高いピークパワーを有する整形レーザパルスは、１以上のリンク構造１２１４を選択的に破壊するのに有用な場合がある。しかしながら、高いパルスエネルギー及び／又は高いピークパワーは、アライメントスキャン中にターゲットアライメント機構１２１２に損傷を引き起こす可能性があり、そのようなスキャンから誤った位置情報を取得してしまう可能性がある。このため、レーザ加工システムを、ターゲットスキャンのために比較的低いパルスエネルギー及びピークパワーを有するパルスを生成する第１の時間的パルスプロファイルモードで動作させ、リンク構造１２１４を破壊するために比較的高いパルスエネルギー及びピークパワーを有するパルスを生成する第２の時間的パルスプロファイルモードで動作させてもよい。
【００５１】
当業者が理解するように、広い範囲のピークパワー、パルスエネルギー、及び時間的プロファイルは、ワークピース上の構造のレーザ加工にとって魅力的であるかもしれない。例えば、ＤＲＡＭやＳＲＡＭ、フラッシュメモリなどの幅広い半導体メモリデバイスにおいて導電リンク構造を分断するために、また、銅／ポリアミド積層材料のようなフレキシブル回路に又は集積回路（ＩＣ）パッケージにレーザ穿孔マイクロビアを作るために、また、半導体集積回路、シリコンウェハ、及び太陽電池のレーザスクライビング又はダイシングのような半導体のレーザ加工又は微細加工をするために、また、金属、誘電体、高分子材料、及びプラスチックのレーザ微細加工をするために、調整されたパルス形状が利用される場合がある。他の多くの種類のワークピース及び／又はワークピース構造をここに開示された実施形態により加工してもよいことは、当業者であれば理解できるであろう。
【００５２】
このように、一実施形態においては、レーザ加工システムにより、ユーザは、特定の種類又はクラスの構造を加工するための時間的パルスプロファイルをプログラムすることが可能となる。例えば、図１３は、一実施形態における、ワークピース上又はワークピース内の構造をレーザ加工する方法１３００のフローチャートである。開始（１３０５）後、方法１３００は、複数のユーザ定義時間的パルスプロファイルを記録し（１３１０）、時間的パルスプロファイルのそれぞれをワークピース上の１種類又は１クラスの構造又は複数のグループのワークピースに関連づける（１３１２）ことを含んでいる。このクラスの構造は、例えば、アライメント構造、導電リンク、及び抵抗又は他のディスクリート部品を含んでいてもよい。また、ある実施形態では、このクラスは、例えば、レーザを用いてワークピースに切り込まれるスクライブ線又は切溝を含むことがある。
【００５３】
ワークピースを加工する際に、方法１３００は、加工のためにワークピース上又はワークピース内の特定の構造を選択し（１３１４）、複数の時間的パルスプロファイルから特定の構造のクラスと関連づけられた特定の時間的パルスプロファイルを選択する（１３１６）ことを含んでいる。また、方法１３００は、その特定の時間的パルスプロファイルを有するレーザパルスを生成し（１３１８）、生成されたレーザパルスで特定の構造を加工する（１３２０）ことを含んでいる。単一のパルスを用いて特定の構造を加工する代わりに、レーザ加工システムが複数のパルスを特定の構造に向けてもよいことは、当業者であれば本開示から理解できるであろう。また、特定の構造に向けられたそれぞれのパルスは、同一の時間的パルスプロファイルを有していてもよく、これらのパルスの少なくとも１つが異なる時間的パルスプロファイルを有していてもよい。
【００５４】
そして、方法１３００は、ワークピースが加工すべき追加の構造を含んでいるかどうかを問い合わせる（１３２２）。加工すべき追加の構造がある場合には、方法１３００は、加工のために他の特定の構造を選択する（１３１４）。このため、方法１３００は、構造の種類に基づいて、複数の異なる時間的パルスプロファイルを用いて構造をオンザフライ加工する。加工すべき追加の構造がない場合には、方法１３００は終了する（１３２４）。
【００５５】
III．レーザ加工システムの例
図１４は、一実施形態における、異なる時間的パルスプロファイルを有するレーザパルスを生成及びモニタリングするレーザ加工システム１４００の例である。システム１４００は、レーザコントローラ１４１４及びビーム位置コントローラ（ＢＰＣ）１４１６が反応する全システム動作コマンドを組み込み型制御コンピュータ（ＥＣＣ）１４１２に供給するシステム制御コンピュータ１４１０を含んでいる。また、システム１４００は、レーザコントローラ１４１４により制御されるレーザ源１４１８を含んでおり、レーザコントローラ１４１４は、ＥＣＣ１４１２及びＢＰＣ１４１６と直接的又は間接的に通信するコマンド・データレジスタ１４２０及びタイマ１４２２を含んでいる。以下に詳述するように、一実施形態においては、レーザ源１４１８は動的レーザパルス整形器とファイバパワー増幅器とを含んでいる。他の実施形態においては、レーザ源１４１８はタンデム増幅器を含んでいる。さらに他の実施形態では、レーザ源１４１８は、電気光学変調器（図２７及び図２８に関連する説明を参照）を用いる「スライスド」パルスレーザを含んでいる。
【００５６】
レーザコントローラ１４１４は、ＥＣＣ１４１２からコマンドを、ＢＰＣ１４１６から信号を受信する。レーザコントローラ１４１４は、（外部トリガコマンドを介した）パルス出射とパルス形状制御のためにレーザ源１４１８にコマンドを供給する。一実施形態においては、レーザコントローラ１４１４は、ＥＣＣ１４１２からコマンドを受信し、ワークピース機構位置データに基づいてＢＰＣ１４１６と連携して変調器コントローラ（ＭＣ）１４２４からレーザ源１４１８に外部トリガコマンドを発することにより上記コマンドに応答する。ＭＣ１４２４は、出射の時間とレーザ源１４１８から出射されるパルスの形状を制御する。あるいは、レーザ源１４１８は、レーザコントローラ１４１４、ＥＣＣ１４１２、又はその双方と通信されるパルス間隔時間でパルスを照射する。一実施形態においては、出射されたレーザパルスが入射するワークピース機構の種類によって、レーザ源１４１８は、特定の時間的パルスプロファイルを生成するようにＥＣＣ１４１２により指示される。そのような時間的プロファイルの例示が図１１Ａ及び図１１Ｂに示されている。
【００５７】
プログラム可能な時間的パルスプロファイルを提供するために、一実施形態では、システム１４００は、時間的プロファイルやパルスあたりのエネルギー、集束ビーム伝搬属性、及び後述する他のパラメータのような関連するレーザ加工パラメータの範囲を十分に計測及び較正するための手段を提供する。図１４に示されるように、システム光学系１４２６は光検出モジュール１４２８を含んでいてもよく、この光検出モジュール１４２８は入射レーザ出力の検出及びワーク表面で反射したレーザ出力の検出のために用いることができる。一実施形態では、光検出モジュール１４２８は、入射レーザ出力信号及び反射レーザ出力信号などの検出された光信号の微細なデジタル化が可能な光検出器回路を含んでおり、これにより、入射レーザ波形及び反射レーザ波形を効果的にデジタル化することができる。このように、システム１４００は、入射レーザ波形及び反射レーザ波形の十分な計測を可能にし、時間的プロファイル、時間的プロファイルの変化、パルス振幅安定性、パルスエネルギー安定性、及びパルス当たりのエネルギーの計算と較正を可能にしている。当業者であれば理解できるように、レーザ波長によって急激に反射率が変化するターゲット領域を横断してレーザビームをスキャンすることにより、レーザビームの集束スポット寸法属性の計測と計算の方法が提供される。
【００５８】
図１５は、一実施形態に係る光検出モジュール１４２８の例のブロック図である。この光検出モジュール１４２８は、図１４に示されるレーザレール光学系１４３０からの出力の一部を分離して信号調節前置増幅器１５１４に接続された光電変換器１５１２に向ける光学ビームスプリッタ１５１０を含んでいる。前置増幅器１５１４は、プログラム可能なゲインステージ１５１６に接続されており、このプログラム可能なゲインステージ１５１６は高速アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１５１８に入力する。デジタル化されたＡＤＣ１５１８の出力は、後で図１４に示されるシステム制御コンピュータ１４１０に送るために、サーキュラバッファ１５２０にバッファされる。
【００５９】
光電変換器１５１２は、特定レーザ波長に対する感度に対して、整形されたレーザパルスの時間的プロファイルに一致する時間的応答特性に対して、及び／又は曝されるであろう光学的放射の強度の予想範囲に一致する動的範囲に対して選択することができる。プログラム可能なゲインステージ１５１６は、ビームが光電変換器１５１２にサンプリングされる前に光学的減衰が生じた場合に、レーザレール光学系１４３０内で生じる可変の光学的減衰を補償する役割を有する。ワーク表面でのパワーを下げるためにビームを減衰させると、光電変換器１５１２に入射するパワーの量も減ることになる。プログラム可能なゲインステージ１５１６は、ＡＤＣ１５１８でサンプリングされる信号の分解能を最大化するために、信号レベルを電気的に回復させる。
【００６０】
ＡＤＣ１５１８は、予想されるパルスプロファイルを分解するように十分に高いサンプリングレート及びスルーレートに対して選択することができる。フラッシュコンバータ構成を用いることができるが、この機能は連続的にデータのサンプリングを行う場合があるので、パイプライン化及び／又は逐次近似技術も好適であり、より良い性能測定基準を提供する場合がある。ＡＤＣの変換幅（例えば、８ビット、１２ビット、１６ビット以上）は、システム１４００の所望の分解能及び動的範囲能力に基づいて選択することができる。
【００６１】
検出された信号をデジタル化したサンプルが連続的にサーキュラバッファ１５２０に送られる。バッファ１５２０は、パルス検出論理よるデータの解析における待ち時間の原因となる少なくとも十分に余った能力をもって、開始から終了までの全体のパルスを保存できるのに十分な大きさになっている。同時に、パルス検出器論理機能は、バッファ１５２０内のパルスの存在を検出するために、デジタル化されたパルス波形を解析する。パルスが検出され、完全であると判断されると、この機能は、バッファ１５２０を更新し続ける動作を停止し、後でシステム制御コンピュータ１４１０にアップロードするためにバッファ１５２０を保持する。デジタル化及び保存機能は、システム制御コンピュータ１４１０からの後続のコマンドにより後で「再起動」させてもよい。パルス検出器論理機能は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）や書換可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、他の計算エンジンを用いて実現することができる。ＦＰＧＡは、単一の装置内にＤＳＰとバッファメモリ素子の双方を備えていてもよい。
【００６２】
完全なパルスがサーキュラバッファ１５２０に保存されると、分析のためにシステム制御コンピュータ１４１０にアップロードすることができる。分析としては、例えば、後で詳述するような、ピーク高さの決定、パルスのプロファイルを積分することによるパルスエネルギーの決定、パルス幅の決定、及びパルスプロファイルの特徴付けが含まれ得る。
【００６３】
加えて、あるいは他の実施形態においては、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、又は他の計算エンジンは、パルス特徴付け測定基準計算の組み合わせも提供するかもしれない。そのような実施形態においては、システム１４００は、デジタル化された生のパルスデータをシステム制御コンピュータ１４１０にアップロードすることを選択せずに、その代わりに、パルス特徴付け測定基準のサブセットの一部だけをアップロードすることを選択してもよい。この実施形態の利点は、光検出モジュール１４２８とシステム制御コンピュータ１４１０との間の接続に関する帯域幅要求を低減して、比較的簡単な電気的インタフェイスを維持しつつ、より多くの計測をより早く行うことが可能となる点である。
【００６４】
図１４に戻って、レーザ加工システム１４００の一実施形態においては、レーザ源１４１８からの出力がレーザレール光学系１４３０及びシステム光学系１４２６に照射される。システム光学系１４２６からの出力は、折りたたみミラー１４３４によって、ワークピース機構（例えば、図１２に示されるターゲットアライメント機構１２１２及びリンク構造１２１４）のレーザ加工のために後でターゲット試料１４４０のワーク表面１４３８に送るためのＺ方向位置決め機構１４３６に向けられる。このＺ方向位置決め機構１４３６は、レンズアセンブリを包含していてもよい。ＢＰＣ１４１６は、Ｚ方向位置決め機構１４３６からの出力が所望のターゲット機構を加工できる位置にＸ−Ｙポジショナ１４４２を向けるためにＸ−Ｙ座標位置決め信号を供給する。Ｘ−Ｙ位置決め機構１４４２は、ＢＰＣ１４１６のレジスタ１４４４からコマンド位置信号を受信し、実位置信号をＢＰＣ１４１６の位置エンコーダ１４４６に送る。ＢＰＣ１４１６は、位置差分値を決定しタイマ１４２２に送信する比較器モジュール１４４８を含んでいる。タイマ１４２２は、レーザ源１４１８からの出力を変調する音響光学変調器（ＡＯＭ）１４５０をレーザレール光学系１４３０内で動作させるのに適切な時点でトリガ信号を送信することにより応答する。レーザ源１４１８から出力されたパルスを調波変換モジュール１４５２に導き、その後ワークピース機構の高調波レーザ加工のためにレーザレール光学系１４３０及びシステム光学系１４２６によってワーク表面１４３８に送ってもよいことは、当業者であれば理解できるであろう。
【００６５】
レーザ加工システムの要素の他の構成を用いることができ、多様なワークピースをレーザ加工システム１４００により加工できることは、当業者であれば理解できるであろう。
【００６６】
図１６Ａ及び図１６Ｂは、一実施形態における、図１４に示されるレーザ源１４１８を示すブロック図である。同様のレーザ源が、Deladurantaye等による「パルスレーザ光源」という標題の米国特許出願公開第２００６−０１５９１３８号において詳細に述べられている。図１６Ａは動的レーザパルス整形器（ＤＬＰＳ）１６００を示しており、図１６Ｂはファイバパワー増幅器（ＦＰＡ）１６１０を示している。図１６Ａに示されるように、ＤＬＰＳ１６００は、レーザ注入源１６１２と、第１のパルス変調器１６１４と、第１のパルスゲインモジュール１６１６とを含んでいる。ある実施形態においては、ＤＬＰＳ１６００は、第２のパルス変調器１６１８及び第２のパルスゲインモジュール１６２０も含んでいる。また、ＤＬＰＳ１６００は、要素間に１以上のアイソレータ１６２２（図示では２つ）を含んでいてもよい。当業者であれば理解できるように、いくつかの変調器やゲイン要素の他の構成を有利に用いることができる。
【００６７】
レーザ注入源１６１２は、パルス変調器１６１４により変調され、レーザコントローラ１４１４により指示されるように好適な第１のレーザパルスプロファイルを生成する持続波（ＣＷ）出力を発する。他の実施形態においては、レーザ注入源１６１２がパルス出力を生成してもよい。第１のパルス変調器１６１４は、電気光学変調器、音響光学変調器、又は他の光学変調器であってもよい。第１のパルス変調器１６１４により生成されたレーザパルスは、その後、第１のパルスゲインモジュール１６１６によって変換され、ワークピース機構のレーザ加工のために増幅して後でレーザレール光学系１４３０及びシステム光学系１４２６を介してワーク表面１４３８に送るのに好適な変換時間的パルス出力を生成する。
【００６８】
レーザコントローラ１４１４は、後に第１のパルスゲインモジュール１６１６に入力されるときに、ＤＬＰＳ１６００から出力される変換レーザパルスプロファイルが所望のものとなるような一続きのレーザパルスプロファイルを生成するために、第１のパルス変調器１６１４への入力用のコマンド信号の行列を用いてプログラムされていてもよい。したがって、システム制御コンピュータ１４１０は、その後、ＥＣＣ１４１２に発行されたコマンドを介して加工されるワークピース機構の機能として、ＤＬＰＳ１６００から出力された時間的パルスプロファイルを選択してもよい。次に、ＥＣＣ１４１２は、レーザコントローラ１４１４にコマンドを発行する。図１６Ａに示されるように、ＤＬＰＳ１６００は、ある実施形態においては、ＤＬＰＳ１６００から出力された時間的パルスプロファイルを付加的に整形又はより複雑に整形するために、第２のパルス変調器１６１８と第２のパルスゲインモジュール１６２０とを含んでいてもよい。
【００６９】
一実施形態においては、ＤＬＰＳ１６００から出力された変換パルスは、図１６Ｂに示されるＦＰＡ１６１０に注入される。ＦＰＡ１６１０は、パワー増幅器ゲインファイバ（ＰＡＧＦ）１６２８へのＤＬＰＳの出力及びパワー増幅器ポンプレーザ（ＰＡＰＬ）１６２６（図示では４つ）からの出力の注入を可能にするパワー増幅器カプラ（ＰＡＣ）１６２４（図示では２つ）を含んでいる。レーザコントローラ１４１４は、ＰＡＰＬ１６２６に接続されており、例えば、ＰＡＰＬの電流を（例えば、ダイオードレーザ又は半導体レーザを介して）制御し、ＰＡＰＬの温度を（例えば、熱電クーラーを介して）制御し、及び／又はＰＡＰＬのパワーを（例えば、フォトダイオードを介して）モニタリングしてもよい。ＰＡＣ１６２４をファイバの一端又は両端に配置してもよい。複数の付加的なＰＡＣをＰＡＧＦ１６２８の長さに接合してもよい。ＰＡＧＦ１６２８は、好ましくは、大モード面積（ＬＭＡ）偏波保持ファイバである。ＰＡＧＦ１６２８は、周波数選択構造を含んでいてもよい。一実施形態におけるＰＡＧＦ１６２８は、希土類イオンが添加された石英ファイバコアと光材料からなる１以上の同心シースを有するクラッドとを有する導波管デバイスである。他の実施形態におけるＰＡＧＦ１６２８は、希土類イオンが添加された領域を有する同心クラッドシースを含んでいる。さらに他の実施形態におけるＰＡＧＦ１６２８は、１以上のクラッドシースが短い間隔で配置された空気孔を備えたフォトニック結晶ファイバである。他の実施形態においては、ＰＡＧＦ１６２８はシングルモード偏波保持ファイバである。使用されるＰＡＰＬ１６２６の数が、ＰＡＧＦ１６２８の種類と長さ及びＦＰＡ１６１０からの所望の光学パルス出力特性により決まることは、当業者であれば理解できるであろう。終端光学系１６３０によって必要とされることがあるように、ＰＡＧＦ１６２８からの出力はコリメートされ偏光されることがある。
【００７０】
一実施形態においては、ＦＰＡ１６１０からの出力パルスは、終端光学系１６３０、高調波光学系モジュール１６３２、及び任意選択の高調波終端光学系１６３４を介して供給される。高調波光学系モジュール１６３２は、既知の高調波変換方法により入射出力パルスを高調波周波数に変換するための非線形結晶を含んでいる。ある実施形態の例においては、ＦＰＡ１６１０からの１０６４ｎｍの出力を３５５ｎｍに高調波変換するために、高調波光学系モジュール１６３２は、２次高調波生成（ＳＨＧ）変換用のタイプＩ非微調位相整合三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）結晶を含んでおり、その後には、１０６４ｎｍに加え５３２ｎｍを３５５ｎｍに高調波変換するためにカットされたタイプＩＩ和周波発生ＬＢＯ結晶を含んでいる。他の実施形態の例においては、２６６ｎｍへの変換のために、ＴＨＧ  ＬＢＯ結晶を微調位相整合ベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）結晶に置き換えてもよい。さらに他の実施形態の例では、２６６ｎｍへの４次高調波生成（ＦＨＧ）変換のために、ホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）を用いることができる。高調波光学系モジュール１６３２は集束レンズ要素を含んでいてもよいことは、当業者であれば本開示から理解できるであろう。高調波光学系モジュール１６３２内の要素を、レーザコントローラ１４１４により能動及び／又は受動フィードバックループを用いて温度が設定及び制御されている温度制御マウントに置き、位相整合温度を正確に制御してもよい。
【００７１】
IV．パルス形状フィードバック及び制御
上述したように、調整パルスプロファイルは、一般的に、ピークパワー、パルスエネルギー、及びパルス幅測定基準によっては適切に表現されない。このため、後で詳述するある実施形態は、パルス形状フィードバック（例えば、検知）及び制御を提供する。それらの実施形態は、特定の種類のフィードバックとフィードバック方法の例を含んでいる。パルス形状制御及び制御アルゴリズムも述べる。
【００７２】
調整レーザパルスを用いてワークピースを加工する際、長い間パルス形状を維持するため、及びプロセスの傾向と相互に関連させるのに適したパルス形状に関連する統計フィードバックを提供するために、あるリンク加工システムから他のリンク加工システムにパルス形状を再生成することが望ましい場合がある。したがって、一実施形態においては、レーザ加工システムは、固体レーザ用に一般的に用いられる典型的なピーク高さ、パルスエネルギー、及びパルス幅の解決法に勝るパルス形状フィードバックを提供する。一実施形態においては、レーザ加工システムは、実行時にパルス形状をモニタリングするように構成されたインラインパルスプロファイラを含んでいる。パルスプロファイラにより収集されたデータは、一組の所定アルゴリズムにより処理され、パルス形状及び／又は満足すべきパルス形状からの偏差に関する測定基準を計算する。データ及び統計結果は、再生成可能なパルス形状及びパルス形状の統計的分析を生成し維持するために利用できる。また、データ及び統計結果は、後述するように、パルス形状制御のためにも利用できる。
【００７３】
Ａ．フィードバック測定基準
以下の測定基準の例を用いて時間的パルスプロファイルを特定し分析することができる。スパイク、平坦部、及び傾斜などのパルスの特徴に対応するいくつかのパラメータの組み合わせとして時間的パルスプロファイルを定義することができる。例えば、椅子形状のパルスは、最初のピーク又はスパイクに続いて平坦部を有している。付加的な特徴も定義可能であることは、当業者であれば本開示から理解できるであろう。
【００７４】
パルス形状のすべての態様を特定することが望ましいかもしれないが、ある実施形態においては、調整パルスを生成するために、限られた組のパラメータが制御される。例えば、一実施形態においては、パルス形状を生成するために調整され得る約１２個の変数があり、これらのパラメータのうちのいくつかは、より短いパルスを特定する際に使用されない場合がある。制御されるパラメータの数は、パラメータに反応するレーザの能力に依存し得る。
【００７５】
一実施形態においては、時間的パルスプロファイルは、立ち上がり時間やパルス持続時間などの一般的なパラメータにより定義される。これらのパラメータは、全般パルスパラメータと特徴定義パラメータという２つの異なるカテゴリに分けられる。全般パルスパラメータは、立ち上がり時間、全パルス持続時間、及び全ピーク時間のような全体のパルス形状に適用される測定基準である。特徴定義パラメータは、ピークの時間、高さ、及び幅や平坦部の開始、終了、及び高さなどのパルス形状の一部に適用される測定基準である。
【００７６】
１．全般パルスパラメータ
以下のフィードバック測定基準の例がパルス形状全体に適用される。
【００７７】
（i）ピークパルスパワー
図１７は、一実施形態における、ピークパルスパワーＰpkにより少なくとも部分的に特徴付けられる正規化調整レーザパルス１７００をグラフで示すものである。パルス形状は、ピークと平坦部に対する振幅特定を簡単にするために、ピークパルスパワーに関して正規化されていてもよい。ピークパルスパワーＰpkは、パルス中の任意の時間における最大パワーとして定義される。ピークパルスパワーは、同一の正規化尺度で複数のパルスを分析することに対する耐性を持って特定されてもよい。
【００７８】
（ii）パルス開始時刻
一般的に、フィードバック測定基準は、測定可能なように定義される。しかしながら、測定されたパルスが始まる正確な時点に関して幾分曖昧さが生じることが多い。このため、特定のパルス特徴のタイミングを、正確に特定可能な時間値を持たないパルス開始時刻に対して特定してもよい。測定及び検証のため、パルス特徴のタイミングを定義するために使用されるパルス開始時刻Ｔstartは、絶対的な定義を持っていない。ある実施形態において、仕様及び測定形状を比較する際に、測定された形状の特徴をパルス特徴仕様に最もよく合致させるために、開始時刻が進んでいても遅れていてもよい。
【００７９】
（iii）パルス立ち上がり時間
図１７に示されるように、一実施形態におけるパルス立ち上がり時間τRは、正規化されたパワープロファイルの下位レベルと上位レベルとの差の約１０％から約９０％への遷移に対する時間間隔として定義される。ある実施形態においては、下位レベルはゼロパルスエネルギーに対応し、上位レベルはパルス１７００の最も高いパワーレベルを含む最初のスパイクの高さに対応する。
【００８０】
（iv）１０％パルス持続時間
図１７に示されるように、一実施形態における１０％パルス持続時間τ10は、ピークパルスパワーの１／１０を得る最初の時点と最後の時点との間の最大時間間隔として定義される。この定義により、パルスは、さらに１０％パルス持続時間区間を定義することなく、ピークパワーの１０％未満に下がる。一般的にピークと平坦部は１０％未満に低下し得る時間的なパワー変化を含んでいるので、この定義が使用される。特定の用途により他のパーセンテージも使用できることは、当業者であれば本開示から理解できるであろう。
【００８１】
（v）時間積分２乗パルス持続時間
単一の調整パルスは、適切な光検出器を有するオシロスコープを用いて測定することができる。得られるパワー−時間曲線を表す１つの方法は、ピーク高さとＦＷＨＭ値とによるものである。しかしながら、上述したように、ＦＷＨＭは、調整パルス技術により生成される時間的プロファイルのような大幅に異なる時間的プロファイルとパルスを比較するのに効果的な方法ではない。むしろ、必要なものは、加工される材料内に観察される結果としての効果に対してピークのパルス幅を表す方法である。
【００８２】
図１８Ａ及び図１８Ｂは、調整レーザパルスを特徴付けるためにピークパワーとＦＷＨＭを使用することから生じる問題を示すものである。図１８Ａ及び図１８Ｂは、ある実施形態において例えばファイバレーザやＭＯＦＰＡにより生成される複数の異なる時間的パルス形状をそれぞれ示している（図１８Ａでは４つの時間的パルス形状が示され、図１８Ｂでは３つの時間的パルス形状が示されている）。図１８Ａの４つのパルスのピーク高さ及びＦＷＨＭ値は同一であるが、これら４つのパルス形状は、導電リンクのレーザ加工に用いられると、大幅に異なる結果をもたらす。
【００８３】
図１８Ｂは、異なる長さの「椅子」を有する整形パルスの他の例を示している。椅子の高さが半値未満のとき、ＦＷＨＭ値を変化させることなく相当量のパルスエネルギーをパルスに追加してもよい（例えばパルスの「椅子」部の長さを無限に延長してもよい）。
【００８４】
パルス幅に関する他の一般に認められた工業規格の特徴、時間積分２乗（ＴIS）方法は、ＦＷＨＭ法の制限を克服できる。このため、ある実施形態においては、調整パルス用のフィードバック測定基準は、一般的なＦＷＨＭ法を用いることに代えて、ＴISパルス持続時間又は幅を決定することを含んでいる。次の式がＴISパルス幅を定義する。
【数１】
2013527601.tif 000004
ここで、Ｉ（ｔ）は、パワー−時間におけるパルス曲線である。
【００８５】
ＴIS法は１９３ｎｍリソグラフィーシステムとともに用いられてきた。１９３ｎｍリソグラフィー用に使用されるエキシマレーザのパルス形状は、振動的であり、相対強度がレーザの動作条件を超えて変化するいくつかの重複ピークとして表現され得る。１９３ｎｍでは石英ガラスへの損傷が懸念されるため、１９３ｎｍパルスの例外的な形状をシリカに対する予測される損傷に相関させるための関連方法が求められていた。ＴISは、石英ガラスの予測される圧密化に対して有効であることが証明され、１９３ｎｍリソグラフィー用途において標準として一般に受け入れられている。
【００８６】
ＴIS値は、エネルギー密度、パルス長、及びピークパワーのような他のパルスパラメータとよく相関している。ＴIS法は、パルスの関連する特性をＦＷＨＭよりもずっとよく捕捉し、石英ガラス用の確立した損傷モデルに対する相関を可能にするので有用である。
【００８７】
図１９は、４つの簡略化したパルス形状（パルスＡ〜Ｄ）と、ＦＷＨＭとＴISパルス幅値との間の対応する比較結果を示すものである。パルスＡは、任意の方形パルスについてＴIS値はＦＷＨＭ値とおよそ等しいことを示している。パルスＢは、よりガウス形の形状についてはＴISがＦＷＨＭ値よりも大きいことを示している（この場合、得られるＴISパルス幅は５．４単位であるのに対してＦＷＨＭ値は３．０単位である）。パルスＣ及びＤは、椅子の高さをそれぞれ最大パワーの半分より大きく調整した椅子形状と小さく調整した椅子形状の調整パルスの簡易版を示している。ピークＣについて、ＦＷＨＭ値及びＴIS値はともに約５．０単位である。ピークＤの椅子のパワーの高さが落ちることで、ＦＷＨＭ値が２．０単位、ＴIS値が４．６単位となり、パルスの材料加工能力をとらえるためにはＴISがより効果的な方法であることを示唆している。
【００８８】
図２０は、６つのレーザパルス形状（曲線１〜６）と、ＦＷＨＭとＴISパルス幅値との間の対応する比較結果を示すものである。曲線１は、ＴIS値（３．５ｎｓ）よりも小さいＦＷＨＭ値（２．５ｎｓ）を有するガウス形状パルスである。曲線２は、非対称性をパルス後縁に少し導入することで、ＦＷＨＭ（３．０ｎｓ）の値を超えてＴIS（４．５ｎｓ）が少し大きな値になることを示している。曲線３から６は、椅子形状の調整パルスの例であり、ＦＷＨＭ法よりも優れたＴIS法の使用の利点を示している。この利点は、椅子高さのパワーが半値未満に落ち込む際に非常に明確になる。曲線３及び４を比較すると、ＦＷＨＭ値が２．６ｎｓから７．５ｎｓに変化する一方、ＴIS法では７．３ｎｓから８．６ｎｓというより妥当な値比較となることがわかる。同じような傾向が曲線５及び６においても見られる。また、曲線３、４、５、及び６は、ＴISパルス幅が、実際のパルス領域に伴って生じるより妥当な傾向を持っており、レーザ−材料加工についての結果とより密接に関連していることを示している。このため、一実施形態において、フィードバック測定基準は、生成されたパルス形状のＴIS値を決定することを含んでいる。
【００８９】
（vi）記憶されたパルス形状との比較
一実施形態において、フィードバック測定基準は、生成されたパルス形状に対する記憶された公称パルス形状からの標準偏差を決定することを含んでいる。
【００９０】
（vii）記憶されたパルス形状の時間積分との比較
他の実施形態においては、フィードバック測定基準は、生成されたパルス形状の時間微分に対する公称パルス形状の時間微分からの標準偏差を決定することを含んでいる。時間微分の比較は、例えば測定されたパルス形状が所望の立ち上がり時間を有しているかどうかを分析する際に有用である。使用可能な他の統計的な測定基準としては、二乗平均平方根（ＲＭＳ）又は絶対誤差の積分を利用することが挙げられるが、これに限られるものではない。
【００９１】
２．特徴定義パラメータ
以下のフィードバック測定基準の例は、パルスの特定の部分又は特徴に当てはまる。一実施形態において、パルスは、特徴付けられたスパイク、平坦部、及び傾斜部の組み合わせとして定義される。
【００９２】
（i）スパイク特徴付け
図２１は、一実施形態における、ピーク高さＰＫH、ピーク幅ＰＫW、及びピーク時間ＰＫtimeにより特徴付けられるスパイクを有する正規化された調整レーザパルス２１００をグラフで示すものである。ピーク高さＰＫHは、スパイクを含み、他の特徴を含まない（例えば他のスパイクや平坦部を含まない）時間間隔の間に得られる最大パワーとして定義される。パルスは複数のスパイクを含むことがあるので、特定のピーク高さＰＫHが、全体のパルス高さ又は図１７に関連して先に述べたピークパルスパワーＰpkとは異なる場合がある。
【００９３】
ピーク幅ＰＫWは、ピーク高さＰＫHと、スパイクに先行する又は後に続く最も高い特徴（例えば、平坦部）の振幅との間にある振幅にスパイクが最初になったときから最後になったときまでのスパイクの幅として定義される。ピーク時間ＰＫtimeは、ピークパワーがそのスパイクの最大値の９０％に最初になった時点と最後になった時点との平均である。ピーク時間ＰＫtimeは２つの時点の平均であるので、ピーク時間ＰＫtimeは、スパイクがその最大パワーになった瞬間に必ずしもなるわけではない。
【００９４】
（ii）平坦部特徴付け
図２２は、一実施形態における、開始時刻ＰＬstart、終了時刻ＰＬstop、及び許容範囲ΔＰＬlevelに関連づけられたレベルＰＬlevelにより特徴付けられる平坦部を有する正規化された調整レーザパルス２２００をグラフで示すものである。開始時刻ＰＬstart及び終了時刻ＰＬstopは、それぞれパルス開始時刻に対して平坦部の開始と終了を特定するものである。開始時刻ＰＬstart及び終了時刻ＰＬstopのパラメータは、許容範囲がなく特定されてもよい。平坦部レベルＰＬlevelは予定している振幅である。開始時刻ＰＬstartと終了時刻ＰＬstopとの間では、振幅は、平坦部の特定の許容範囲＋ΔＰＬlevel／−ΔＰＬlevelの中にある（破線で示される）枠２２１０の内部にあり続ける。
【００９５】
（iii）傾斜部特徴付け
図２３は、一実施形態における、開始時刻ＳＬstart、終了時刻ＳＬstop、許容範囲ΔＳＬstartLevelに関連づけられた開始レベルＳＬstartLevel、及び許容範囲ΔＳＬstopLevelに関連づけられた終了レベルＳＬstopLevelにより特徴付けられる傾斜部又は傾斜した平坦部を有する正規化された調整レーザパルス２３００をグラフで示すものである。
【００９６】
開始時刻ＳＬstart及び終了時刻ＳＬstopは、パルス開始時刻に対して平坦部の開始と終了を特定するものである。これらのパラメータは、許容範囲がなく特定されてもよい。開始レベルＳＬstartLevel＋／−ΔＳＬstartLevelは予定している開始振幅であり、終了レベルＳＬstopLevel＋／−ΔＳＬstopLevelは予定している最後の振幅である。開始時刻ＳＬstartと終了時刻ＳＬstopとの間では、振幅は、開始及び終了レベルと許容範囲により特定される端部を有する（例えば破線で示される台形）枠２３１０の内部にあり続ける。
【００９７】
（iv）パルス区画によるピークパワー
一実施形態において、フィードバック測定基準は、生成されたパルス形状の様々な区画のピーク高さ（パワー）を測定することを含んでいる。例えば、椅子形状のパルスの「背」及び「座」のピーク（例えば最大パワーレベル）を別個に測定して、それぞれの所定値と比較してもよい。他の例としては、複数スパイクのパルスにおいて各スパイクのパワーを別個に測定して、それぞれの所定値と比較してもよい。
【００９８】
（v）パルス区画によるエネルギー
一実施形態において、フィードバック測定基準は、生成されたパルス形状の様々な区画のエネルギーを測定することを含んでいる。
例えば、椅子形状のパルスの「背」及び「座」のエネルギーを別個に測定して、それぞれの所定値と比較してもよい。他の例としては、複数スパイクのパルスにおいて各スパイクのエネルギーを別個に測定して、それぞれの所定値と比較してもよい。
【００９９】
（vi）ビン形状情報による特徴付け
一実施形態において、フィードバック測定基準は、ビン形状情報を決定することを含んでいる。例えば、レーザシステムは、それぞれ約２．５ｎｓ幅の１２個の時間ビンに対して制御を行ってもよい。そのような実施形態では、フィードバックは、調整を容易にするため、同一の１２個のビンに対応する形状情報（例えばパワーとエネルギー）を含んでいる。
【０１００】
３．パルス形状特徴付けの例
図２４Ａ、図２４Ｂ、及び図２４Ｃは、ある実施形態における、ここで述べたパラメータにより特徴付けられる様々なスパイク、平坦部及び傾斜部を有する調整パルス２４１０，２４１２，２４１４の例をグラフで示すものである。図２４Ａにおいて、スパイクは、第１の枠２４１６により表される１組のパラメータ／許容範囲の中にあると定義され、平坦部は、第２の枠２４１８により表される１組のパラメータ／許容範囲の中にあると定義される。同様に、図２４Ｂにおいて、第１のスパイクは、第１の枠２４２０により表される１組のパラメータ／許容範囲の中にあると定義され、平坦部は、第２の枠２４２２により表される１組のパラメータ／許容範囲の中にあると定義され、第２のスパイクは、第３の枠２４２４により表される１組のパラメータ／許容範囲の中にあると定義される。
【０１０１】
図２４Ｃにおいて、第１のスパイクは、第１の枠２４２６により表される１組のパラメータ／許容範囲の中にあると定義され、第１の平坦部は、第２の枠２４２８により表される１組のパラメータ／許容範囲の中にあると定義され、第２の平坦部は、第３の枠２４３０により表される１組のパラメータ／許容範囲の中にあると定義され、第２のスパイクは、第４の枠２４３２により定義される１組のパラメータ／許容範囲の中にあると定義され、傾斜した平坦部は、第５の枠（例えば台形）２４３４により定義される１組のパラメータ／許容範囲の中にあると定義される。図２４Ａ、図２４Ｂ、及び図２４Ｃに示されたパルスは単なる例示であって、ここで述べたパルスを特徴付ける方法は、任意の形状のパルス又は任意の数のスパイク、平坦部、及び／又は傾斜部を有するパルスに適用可能であることは、当業者であれば本開示から理解できるであろう。
【０１０２】
表２は、一実施形態における椅子形状のパルスを定義する１組のパラメータの例である。種々のパラメータに対して表２に列挙された値は単なる例示にすぎず、限定するものではないことは、当業者であれば本開示から理解できるであろう。
【０１０３】
【表２】
2013527601.tif 000005
【０１０４】
表２において、Ｗは、椅子幅であり、異なる椅子幅を有する１組のパルス形状を定義するために変化させてもよい。例えば、図２５Ａは、それぞれの幅がＷ＝１２．５，１５，１７．５，２０，２２．５，２５，２７．５，３０である、表２により特定される複数の調整パルス（図示では８つ）をグラフで示すものである。表２に示された値及び許容範囲は、第１の枠２５１０内のスパイク及び第２の枠２５１２内の（それぞれ長さＷを有する）平坦部の特性を規定する。図２５Ｂ及び図２５Ｃは、ある実施形態におけるレーザシステムにより生成される調整レーザパルスの追加的な例を示すものである。
【０１０５】
４．パルスプロファイラの例
図２６は、一実施形態における、パルス形状のフィードバック測定基準を提供するように構成されたパルスプロファイラ２６００の例のブロック図である。例示したパルスプロファイラ２６００は、光スプリッタ２６１０と、パワーセンサ２６１２と、高速アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）２６１４又は「スコープ」と、処理装置２６１６と、メモリデバイス２６１８とを含んでいる。一実施形態においては、処理装置２６１６は、ホスト装置２６２０と通信を行う。
【０１０６】
光スプリッタ２６１０は、レーザパルスがワーク表面に到達する前にレーザパルスを受け、該レーザパルスの一部をパワーセンサ２６１２に向けるように構成されている。パワーセンサ２６１２のアナログ出力は、高速ＡＤＣ２６１４に供給され、適切に調節されデジタル化される。パワーセンサ２６１２及び／又は高速ＡＤＣ２６１４は、比較的速いパルス形状（例えば、全時間幅が約５０ｎｓ）でのトリガを扱うのに適切な論理回路を含んでいてもよい。実施形態によっては、その比較的速いパルス形状が約１００ｋＨｚのパルス繰返し率で受けられる。
【０１０７】
高速ＡＤＣ２６１４は、個々のパルスに対応するデータを処理装置２６１６に供給する。処理装置２６１６は、データをフィルタリングし、フィルタリングされたデータを用いて１以上の上述した測定基準を算出する。処理装置２６１６は、プロセスのモニタリングのため、及び実施形態によってはプロセス制御のために、算出された測定基準をホスト装置２６２０に送信してもよい。メモリデバイス２６１８は、時間的パルス形状に対応するデータ及び／又は対応する算出された測定基準を記録するように構成されている。一実施形態においては、時間的パルス形状に対応するデータは、サーキュラバッファ（図示せず）にロードされ、パルス形状の測定基準の実行時モニタリングとは対照的に、実際のパルス形状の考察のためにオフラインで取得される。
【０１０８】
パルスプロファイラ２６００は、自動処理により、あるいはユーザコマンドに応じて、周期的又は連続的にフィードバック測定基準を算出してもよい。パルスプロファイラ２６００は、生成されたレーザパルスのすべて、生成されたレーザパルスの大多数、あるいは生成されたレーザパルスの少数についてフィードバック測定基準を算出してもよい。また、パルスプロファイラ２６００は、固定対試行率のような外部測定基準が正常なあるいは予定されている値から逸脱したときにフィードバック測定基準を算出してもよい。
【０１０９】
上述したフィードバック測定基準を用いたパルス形状データの分析により、パルス形状が最適なものではないか、あるいは特定の許容範囲内にないと示された場合には、システムは、１以上の訂正処理を行ってもよい。例えば、システムは、パルス形状較正が望まれることを示す警告を表示してもよい。加えて、あるいは他の実施形態においては、システムは、処理を中断して、ユーザ（例えばサービスエンジニア）にパルス形状を調整することを促し、処理を再スタートしてもよい。
【０１１０】
他の実施形態においては、後述するように、システムは、１以上のレーザシステム入力パラメータを自動的に計算して改良したパルス形状を生成してもよい。システムは、これらの再構成されたパラメータを自動的に実行してもよい。加えて、あるいは他の実施形態においては、システムは、自動的に計算されたシステム入力パラメータを実行することをユーザ（例えばオペレータ又はサービスエンジニア）に促してもよい。
【０１１１】
Ｂ．パルス形状制御
上述したように、パルス形状フィードバックから得られた情報をパルス形状制御に関して多くの異なる方法で使用してもよい。複数のレーザ加工システムを特定のユーザに提供する際に、１つのシステム上に開発されたプロセスを他のシステム上に再現してもよい。したがって、一実施形態によれば、それぞれのシステムは、同一の公称パルス形状を再現するように構成される。材料のレーザ加工中又はこの再現を行うように構成されたパルス形状セットアップ処理中に、必要に応じてそれぞれのレーザを調整するために、様々なシステムにより提供されるフィードバックを使用してもよい。
【０１１２】
また、長年にわたるパルス形状の安定性を提供するためにこの情報を使用してもよい。ファイバレーザ又はＭＯＦＰＡベースの調整パルスシステムについては、例えば、パルス形状は、レーザヘッドから得られるレーザパワーの関数として歪んでいてもよい。あるいは、歪みは、ポンプダイオードやゲインモジュールのようなレーザシステムの構成要素の劣化によるものであってもよい。このため、ある実施形態では、パルス形状を周期的に調整して長年にわたる安定性を維持するために実行時フィードバックが用いられる。
【０１１３】
一実施形態においては、パルス形状制御のために反復学習方法が用いられる。反復学習アルゴリズムにおいては、繰り返される予定の波形が公称波形と比較され、測定された形状が公称形状に収束するまで適切な制御パラメータに対して少しの調整がなされる。反復学習アルゴリズムは、非線形環境において波形を再現する際に非常に効果的であり、特に調整パルス形状の制御パラメータを調整するのにうまく合わせられる。
【０１１４】
ある実施形態においては、所望のパルス形状を有するレーザパルスを生成するために反復制御技術を用いてもよい。反復制御／反復フィードフォワード（ＦＦ）制御は、異なるパルス時間的プロファイルを提供するために変更可能な入力信号（例えば、音響光学デフレクタ、音響光学変調器、電気光学デフレクタ、又は電気光学変調器に印加される電圧）から所望の結果（例えば、パルス形状）を得るために、適応、進展、又は学習エレメントを利用する。また、異なるビンコマンド信号における振幅コマンドを受信するように構成されたレーザ電源をプログラムするように入力パラメータを制御してもよい。入力と出力との間の関係が非線形になる場合であっても、反復制御により所望の結果が得られるようにしてもよい。
【０１１５】
ある実施形態においては、ユーザが所望のパルス形状を入力可能であり、反復制御技術が適切な入力信号に収束してこのパルス形状を生成し、レーザが適切に構成される。加えて、あるいは他の実施形態においては、反復制御の適用により、システム間変動及びレーザ間変動が低減又は除去される。また、反復制御技術の適用により、熱シフト又は劣化作用などの長期／中期過渡効果がなくなるように調整してもよい。この種の調整技術は、出力が振幅及び／又は時間に点から整形される任意のレーザに適用できる。また、この調整技術をファイバレーザ、ＭＯＦＰＡ、又は他の種類のレーザに適用することができる。この調整技術は、不定期の較正ステップにおいて適用してもよく、あるいはシステム動作中に連続的に適用してもよい。
【０１１６】
Ｖ．「スライスド」パルスレーザの例
図２７は、レーザパルス出力を生成するためのある実施形態に係るレーザパルス「スライシング」システムにおいて実現され得る電気光学変調器２７１０を示している。電気光学変調器２７１０は、光偏光装置（偏光器）２７１４，２７１６の間に配置された電気光学結晶セル２７１２を含んでおり、パルスレーザ源２７２０により発されたレーザパルス２７１８のビームを受ける。電気光学結晶セル２７１２は、入射レーザパルス２７１８の整形に寄与すべくドライバ回路２７２４の駆動出力信号が印加される電極２７２２を有している。レーザ源２７２０は、数ナノ秒から１００ｎｓの範囲内のパルス幅を有するレーザパルスを出射する任意のパルスレーザとすることができる。電気光学結晶セル２７１２は、ＫＤＰ、ＫＤ＊Ｐ、ＡＤＰ、ＡＤ＊Ｐ、ＲＴＰ、ＲＴＡ、ＢＢＯ、ＬｉＮｂＯ3、又は他の電気光学材料から作ることができる。好適な電気光学結晶セル２７１２の一例は、アメリカ合衆国オハイオ州ハイランドハイツのクリーブランドクリスタル社により製造されたLightGate４ＢＢＯポッケルスセルである。LightGate４セルは、１００ＫＨｚで動作可能であり、その幾何学的配置が駆動電圧を３５５ｎｍの４分の１波長遅延で約１．３ＫＶまで最小化する。LightGate４セルは、静電容量がたった４ｐｆであり、２ｎｓ未満の立ち上がり及び立ち下がり光学応答時間を提供することができる。好適なドライバ回路２７２４の一例は、ドイツ連邦共和国ムルナウのBergmann Messegeraete Entwicklung合資会社から入手できる高圧高速スイッチング時間のポッケルスセルである。
【０１１７】
ＢＢＯ系の電気光学変調器２７１０は、ＢＢＯセル２７１２の電極２７２２に印加される４分の１波長駆動電圧に応答して４分の１波長回転子として動作する。パルスレーザビーム２７１８は、偏光器２７１４を通過して図示されるようにｐ偏光（p-pol）となる。レーザビーム２７１８は、ＢＢＯ結晶セル２７１２を一回通過する。ＢＢＯ結晶セル２７１２の電極２７２２に駆動電圧が印加されないときは、レーザパルスはp-pol状態のままで偏光器２７１６を通過する。ＢＢＯ結晶セル２７１２の電極２７２２にレーザ波長の４分の１波長駆動電圧が印加されると、ビームの偏光方向が９０度回転し、ｓ偏光（s-pol）となる。ＢＢＯ結晶セル２７１２の電極２７２２に印加される駆動電圧が０から４分の１波長電圧の間であるとき、偏光されたレーザビーム２７１８の偏光器２７１６から送られる部分は、およそ以下のように表現される。
Ｔ＝sin2［（π／２）（Ｖ／Ｖ1/2）］
ここで、Ｔは偏光器２７１６からのレーザビームの透過率、Ｖは電気光学結晶セル２７１２の電極２７２２に印加される電圧、Ｖ1/2は２分の１波長電圧である。
【０１１８】
上記式に基づいて、電気光学変調器２７１０の制御可能な透過率Ｔは、レーザパルス整形機能を提供する。理論的には、電気光学結晶セル２７１２及び偏光器２７１４，２７１６の透過率は約０％〜１００％とすることができる。図２８は、５つの可能なレーザパルス形状の例を示している。図２８は、列（ａ）として、立ち上がり時間が２ｎｓ未満であり、レーザパルスがピークに達してこれによりレーザパルスの前縁が短時間で立ち上がる、透過率が０％から１００％まで変化する場合のパルス形状の一例を示している。ダブルバス構成として知られる他の構成においては、４分の１波長電圧を利用して所望のレベルの偏光回転を実現してもよいが、この効率の改善は、光学的な位置決の複雑性の増加を犠牲にして得られるということは、当業者であれば理解できるであろう。
【０１１９】
立ち上がり時間及び立ち下がり時間は、電気光学セルの電圧及び静電容量、駆動回路トランジスタのスイッチング時間、繰返し率、及び全体の電力消費量に関係している。電気光学セルの電圧及び静電容量が低いと応答時間が早くなり、したがって、電気光学セルに対して適切な材料を選択することが重要である。ＢＢＯ及びＲＴＰが電気光学変調器における実装に対して有用な材料特性を有することは、当業者であれば理解できるであろう。シュプリンガー出版社発行のKoechner著「Solid-State Laser
Engineering」は、電界が結晶光軸に平行にかつ入射光と同一方向に印加される縦型電気光学セルについて、位相差δは、結晶の長さｌにおける印加電圧に以下のような関係を有していると述べている。
δ＝（２π／λ）ｎ03ｒ63ＶZ
ここでＶZ＝EZｌである。
【０１２０】
２分の１波長遅延を得るために、ポッケルスセルは位相差δ＝πを生成する。この場合において、ポッケルスセルに入射する線形偏光された光については、出力ビームも線形偏光されるが、偏光面は９０度回転される。既知の偏光光学系を組み込むことにより、ポッケルスセルは、電圧制御された光変調器として機能することができる。Koechnerは、そのような装置における透過率Ｔを以下のように表している。
Ｔ＝sin2［（π／２）（Ｖ／Ｖ1/2）］
ここで、２分の１波長電圧は、Ｖ1/2＝λ／２ｎ03ｒ63で与えられる。
【０１２１】
電界がビームの方向に対して垂直に印加される横型電気光学結晶セルについては、２分の１波長電圧は、以下のように与えられる。
Ｖ1/2＝λｄ／２ｎ03ｒ63ｌ
【０１２２】
この種の電気光学結晶セルは、２分の１波長電圧が結晶厚さの長さに対する比率に依存するという有用な属性を有しており、これらのパラメータを適切に選択することにより、電気光学結晶セルを縦型電気光学結晶セルに印加される電圧より低い印加電圧で動作するように設計して所望の位相差を実現してもよい。
【０１２３】
上記式中のｒ63の項がＫＤＰ系のリン酸塩の電気光学係数を表すことは、当業者であれば理解できるであろう。ＲＴＰ結晶は、この系の重要な要素であり、１０６４ｎｍレーザ入力とともに使用するために述べられた好ましい実施形態について好ましい電気光学結晶材質である。ＢＢＯ結晶は、好ましくは３５５ｎｍレーザ入力とともに用いられる。
【０１２４】
ＲＴＰ結晶は、１０６４ｎｍレーザ入力に対する電圧要求が低く（πまたは２分の１波長遅延で３．５ｍｍ開口の場合は約１．６ｋＶ）、１０ＭＨｚまでの繰返し率で動作することが可能である。ＲＴＰ結晶は、平均パワーが概ね１０Ｗを超えると十分に機能することができないか、あるいは、透明度の制約によりＵＶ用途に適さない。上述した後者の用途についてはＢＢＯが好ましい。実際には、電圧要求が高いため（２分の１波長遅延において約６ＫＶ）、１０６４ｎｍレーザに関してＢＢＯを１００ＫＨｚで動作させるのは難しい。したがって、１０６４ｎｍレーザについては、ＲＴＰ電気光学結晶セルが現在の好ましい選択であり、３５５ｎｍレーザ（LightGate４ＢＢＯポッケルスセルの場合、２分の１波長遅延で約１．３ＫＶ）については、ＢＢＯ電気光学結晶セルが好ましい。ＫＤＰ、ＲＴＡ、ＡＤＰなどの他の電気光学材質は、圧電（ＰＥ）共振のため、高い繰返し率とパルス変調での使用に対して重要な制限がある。より短い立ち上がり時間および立ち下がり時間により周波数成分が高くなり、これらの周波数成分の１つが１次共振周波数に合致する可能性が高くなる。これは特に、基本繰返し率よりもずっと高い範囲にわたる周波数成分を多く含む、短い立ち上がり時間の調整パルスに当てはまる。
【０１２５】
調整パルス形状を生成するため、実施形態は、ＰＥ共振を回避するように設計された「ファーストマルチステート」（ＦＭＳ）電気光学変調器により実現される。これは、１０６４ｎｍレーザ出力については、ＲＴＰ結晶材質からなる電気光学セルと、ＰＥ共振をそれほど生じない短い電気パルスを用いることによって実現される。ナノ秒オーダのパルス長では、ＰＥ共振は比較的低い。例えば、ＲＴＰ電気光学結晶セルは、５％のデューティサイクルのパルスに対して１０ＭＨｚの繰返し率に達する。
【０１２６】
短い立ち上がり時間及び立ち下がり時間を得ることの他の懸念は、電気光学変調器ドライバの設計である。電気光学結晶セルがサブナノ秒またはピコ秒のスイッチング時間を生成することを妨げる事実上の制約はない。したがって、高速なスイッチング時間は主に電気ドライバに依存する。電気スイッチには主に２つのタイプ、アバランシェトランジスタとＭＯＳＦＥＴがあることは、当業者であれば理解できるであろう。トランジスタは、最速のスイッチング時間を得るために非常に限られた電圧範囲で動作する。１．６ＫＶレンジで動作するために、７〜１０個のトランジスタのスタックを用いることができる。アバランシェトランジスタは、２ｎｓのスイッチング時間を実現することができるが、その繰返し率は１０ＫＨｚ未満に制限される。一般的にＭＯＳＦＥＴは１ｎｓの応答時間と最大１ＫＶの動作電圧を有するので、より高い繰返し率に対しては、現時点ではＭＯＳＦＥＴが好ましい。１．６ＫＶレンジで動作するために、少なくとも２〜３個のＭＯＳＦＥＴのスタックが用いられる。
【０１２７】
したがって、ＭＯＳＦＥＴと回路設計の選択は、ＦＭＳパルス変調を達成するために密接な関係がある。特に、ドライバ回路消費電力は、ピーク動作電圧の２乗に比例するため、懸念となる。例えば、約６ＫＶで動作するＢＢＯ電気光学セルは、所定の繰返し率で同様の位相シフトを得るために１．６ＫＶで動作するＲＴＰ電気光学セルの約１８１４倍の消費電力を必要とする。動作電圧を低くすれば消費電力を低減できることは、当業者であれば理解できるであろう。ＭＯＳＦＥＴの数を削減することができ、それにより次に開口サイズと得られる駆動電圧とを慎重に選択することでＦＭＳパルス変調の性能が良くなる。横型電気光学変調器の一実施形態においては、ＲＴＰおよびＢＢＯ電気光学結晶セルの開口を約２ｍｍまで小さくすると、１０６４ｎｍでの２分の１波長遅延電圧がこれに対応して、ＲＴＰおよびＢＢＯ電気光学結晶セルについてそれぞれ約８００Ｖおよび４ＫＶまで減少する。
【０１２８】
ＦＭＳ電気光学変調器は、プログラム可能な複数の変調工程を行うことができる。各工程は約４ｎｓ未満の立ち上がり時間と約４ｎｓ未満の立ち下がり時間を有しており、より好ましくは、各工程は約２ｎｓ未満の立ち上がり時間と約２ｎｓ未満の立ち下がり時間を有している。開示された実施形態の動作上の利点は、２以上の振幅値を有するようにプログラムされ得る調整パルス形状を提供できることである。他の動作上の利点は、離散的な振幅および時間成分とともにプログラム可能な調整パルス形状を提供できる能力である。そのような能力は、図２８の（ａ）に示されるタイプのパルス形状を有する調整パルス出力を生成する際に特に有用である。このパルス形状は、第１の最大振幅に関して、第１の最大振幅に至る立ち上がり時間よりも相当に長い合計立ち下がり時間を有している。
【０１２９】
実施形態は、入射パルスレーザ出射量を選択的に変更して調整パルス出力を形成する駆動信号を受信する１以上の電気光学変調器により実現することができる。パルスレーザ出射から駆動信号をトリガすることにより、システムの他のステージに関連するジッタが抑制され、パルスレーザ出射形成時間に関連するジッタが実質的に除去される。調整パルスは、より短い波長の高調波を生成するのためパワー調整することができる。
【０１３０】
本発明の基礎をなす原則から逸脱することなく上述した実施形態の詳細に対して多くの変更をなし得ることは、当業者であれば理解できるであろう。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ画定されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
2013527601.tif 000012
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
2013527601.tif 000020
【図９Ｄ】
2013527601.tif 000021
【図１０】
2013527601.tif 000022
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
2013527601.tif 000035
【図２１】
2013527601.tif 000036
【図２２】
2013527601.tif 000037
【図２３】
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【図２４Ａ】
2013527601.tif 000039
【図２４Ｂ】
2013527601.tif 000040
【図２４Ｃ】
2013527601.tif 000041
【図２５Ａ】
2013527601.tif 000042
【図２５Ｂ】
2013527601.tif 000043
【図２５Ｃ】
2013527601.tif 000044
【図２６】
2013527601.tif 000045
【図２７】
2013527601.tif 000046
【図２８】
2013527601.tif 000047
【国際調査報告】
2013527601.tif 000048
2013527601.tif 000049