專利名稱：采用受控聲光調(diào)制器負載的激光脈沖選取的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光，且特別涉及依據(jù)受控聲光調(diào)制器(AOM)負載要求提供高重復(fù)率、穩(wěn)定能量激光脈沖，以減少激光束在品質(zhì)或位置方面精度失真的方法與裝置。
背景技術(shù)：
激光被廣泛運用在包括光譜學(xué)與生物技術(shù)研究的各種研發(fā)工作，以及包括檢驗、制造與微加工各種電子材料與襯底的工業(yè)操作中。例如在修復(fù)動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)時，便使用激光脈沖來切斷導(dǎo)電連接線(link)，以將有缺陷的存儲單元從DRAM器件中斷開，且隨后激活備用的存儲單元以取代有缺陷的存儲單元。因為需要移除連接線的有缺陷的存儲單元是隨機分布的，所以，需被切斷的連接線也是隨機分布的。因此，在激光連接線修復(fù)過程中，激光脈沖是在隨機的脈沖間隔中被激發(fā)的。換言之，激光脈沖是在寬的可變脈沖重復(fù)頻率(PRF)、而非恒定的PRF的范圍中工作的。對于要取得較高制造產(chǎn)出率的工業(yè)處理來說，激光脈沖被發(fā)射到目標(biāo)連接線上，同時不停止激光束掃瞄動作。這種制造技術(shù)在工業(yè)上稱為動態(tài)(on-the-fly，OTF)連接線處理。在其它常見的激光應(yīng)用上所運用的激光脈沖，僅在需要它們的隨機時刻被激發(fā)。
然而，每個脈沖的激光能量通常隨著PRF增加而減少，而激光脈沖寬度則隨PRF增加而增加，這些特征對Q開關(guān)固態(tài)激光器來說特別明顯。然而，諸多激光應(yīng)用要求使用按需要而隨機時間平移的激光脈沖，這些應(yīng)用同時也要求每個脈沖的激光能量與脈沖寬度基本保持恒定。對于存儲器或其它集成電路(IC)芯片上的連接線處理，不充分的激光能量將造成不完全的連接線切割，而太高的激光能量將對鈍化結(jié)構(gòu)或硅襯底造成無法接受的損傷。激光脈沖能量的容許范圍通常稱為“工藝窗口(window)”。對于許多實際IC器件來說，工藝窗口要求激光脈沖能量的變化小于選定脈沖能量值的5％。
本領(lǐng)域技術(shù)人員已采用各種方案來確保操作處于工藝窗口之內(nèi)，或者擴大工藝窗口。例如，美國專利號5,590,141“METHOD ANDAPPARATUS FOR GENERATING AND EMPLOYING A HIGHDENSITY OF EXCITED IONS IN A LASANT”(此專利被轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人)描述了一種固態(tài)激光器，該激光器所具有的激射物表現(xiàn)出脈沖能量作為PRF函數(shù)而降低，也因而具有較高的可用PRF。因此，這種激光器工作在低于其最大PRF時，能夠有較穩(wěn)定的脈沖能量水平。美國專利號5,265,114“SYSTEM AND METHOD FOR SELECTIVELYLASER PROCESSING A TARGET STRUCTURE OF ONE OR MOREMATERIALS OF A MULTIMATERIAL，MULTILAYER DEVICE”(其同樣被轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人)描述的是，使用較長的激光波長如1,320納米(nm)來擴大連接線工藝窗口，從而在加工中容許有較大的激光脈沖能量變化。美國專利號5,226,051“LASER PUMP CONTROL FOROUTPUT POWER STABILIZATION”(此專利被轉(zhuǎn)讓給LightwaveElectronics公司)描述了一種技術(shù)，其通過控制泵浦二極管的電流而使激光脈沖能量相等。此技術(shù)在使用低于約25或30kHz的激光PRF的實際應(yīng)用中表現(xiàn)良好。
前述的激光處理應(yīng)用典型使用波長從1047nm至1324nm、工作在PRF不超過約25或30kHz的紅外光(IR)激光。然而，生產(chǎn)需求要求有更高得多的產(chǎn)出率，所以，激光器應(yīng)能工作在遠高于約25kHz、例如50-60kHz或更高的PRF上。此外，許多激光處理應(yīng)用通過采用典型小于約400nm的紫外光(UV)能量波長而得到改善。這類UV波長可通過提供IR激光與諧波產(chǎn)生處理，激發(fā)IR激光的2次、3次或4次諧波而產(chǎn)生。不幸的是因為諧波產(chǎn)生的特點，這種UV激光的脈沖對脈沖能量水平對于PRF與激光脈沖間隔中的時間變化特別敏感。
美國專利號6,172,325“LASER PROCESSING POWER OUTPUTSTABILIZATION APPARATUS AND METHOD EMPLOYINGPROCESSING POSITION FEEDBACK”(其同樣被轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人)描述了一種操作激光的技術(shù)，該技術(shù)以恒定的高重復(fù)率，結(jié)合位置反饋控制的激光脈沖選取或選通裝置，借助良好的激光脈沖能量穩(wěn)定度與高產(chǎn)出率，提供在隨機時間間隔(其為多重的激光脈沖間隔)上所要求的激光脈沖選取。典型的激光脈沖選取或選通裝置是聲光調(diào)制器(AOM)或電光調(diào)制器(EMO，也稱為波克爾斯單元(Pockels cell))。典型的EOM材料如KD*P或KDP在UV波長上受到較強吸收作用的影響，這造成材料在所用波長上損害閾值較低，且沿著器件中的激光束路徑局部加熱，從而導(dǎo)致器件的半波片(half-wave-plate)電壓改變。EOM的另一缺點在于其重復(fù)率超過50kHz時性能有問題。另一方面，從250nm的UV至2,000nm的IR可完全穿透AOM材料，這使得AOM能夠在此范圍中的典型激光波長工作良好。AOM也能容易地在高達數(shù)百kHz重復(fù)率下實現(xiàn)所需的脈沖選通。AOM的一個缺點在于其約75-90％的有限繞射效率。
圖1顯示用于激光脈沖選取或選通應(yīng)用的典型AOM 10，而圖2A-2D(統(tǒng)稱為圖2)顯示激光脈沖14、AOM射頻(RF)脈沖18與AOM輸出脈沖的相應(yīng)的現(xiàn)有技術(shù)時序圖。圖2A顯示恒定重復(fù)率的激光脈沖14a-14k，它們是由激光器發(fā)射并傳送至AOM 10的。圖2B展示兩種示例性方案，用于施加RF脈沖18至AOM 10，以選擇要將哪一個激光脈沖14傳送至目標(biāo)。在第一種方案中，是使得以虛線顯示的單一RF脈沖18cde擴展，從而涵蓋包括激光脈沖14a、14b與14c的時間段；而在第二種方案中，是產(chǎn)生分立的RF脈沖18c、18d與18e，從而分別涵蓋激光脈沖14a、14b與14c的相應(yīng)時間段。圖2C與2D展示出從AOM 10傳送的相應(yīng)的一階光束20與零階光束16，它們是由施加至AOM 10的RF脈沖18存在與否所決定的，。
參考圖1與圖2，AOM 10是由RF驅(qū)動器12所驅(qū)動的。當(dāng)無RF功率22被加至AOM 10時，輸入激光脈沖14便沿著其原來的光束路徑通過AOM 10，并作為零階光束16輸出。當(dāng)RF功率22被加至AOM10時，部份輸入激光脈沖能量便從零階光束16的光束路徑繞射至一階光束20的光束路徑。繞射效率是由一階光束20的激光能量對輸入光束激光脈沖14中的激光能量的比值所決定的。依照不同的應(yīng)用條件，可用一階光束20或零階光束16作為工作光束。為了有效地區(qū)分清楚，可將進入AOM 10的激光脈沖稱為“激光脈沖”或“激光輸出”；而傳送至目標(biāo)的脈沖，因為它們是通過AOM 10所選取的，故可稱之為“工作激光脈沖”或“工作激光輸出”。
當(dāng)一階光束20被當(dāng)作工作光束使用時，在RF功率22從其最高功率改變至基本為零時，工作激光脈沖的能量可相應(yīng)地被動態(tài)控制，而由其最大值的100％下降至基本為零。因為AOM 10的實際有限繞射效率在允許的最大RF功率負載下約為75％至90％，工作激光脈沖的最大能量值約為來自激光器的激光脈沖能量值的75-90％。然而，當(dāng)零階光束16被當(dāng)作工作光束使用時，在RF功率22從基本零值改變至其最高功率值時，工作激光脈沖的能量可被動態(tài)地控制，而從激光器輸出的激光脈沖能量最大值的100％下至最大值的15-20％。對存儲器連接線處理來說，當(dāng)不需要工作激光脈沖時，系統(tǒng)激光脈沖能量不容許泄漏出，即工作激光脈沖能量應(yīng)為零，以使得一階激光束20可作為工作光束使用。
再次參考圖2，僅在隨機的時間間隔上需要工作激光脈沖的時候，將RF脈沖18加至AOM 10上，因而在此情況下，多個隨機的激光脈沖間隔會產(chǎn)生AOM 10上的隨機變動熱負載。AOM 10上的熱負載會構(gòu)成AOM 10內(nèi)的幾何形變與熱梯度，從而造成折射指數(shù)形成梯度。這些熱負載的效應(yīng)將使通過AOM 10的激光束失真，從而使激光束路徑中的激光束品質(zhì)與穩(wěn)定度惡化，或是光束定位精度變差。這類失真如果能夠被保持恒定，則能在一定程度上得到校正。然而，若系統(tǒng)激光脈沖按要求是隨機的，例如在進行激光連接線處理時，則這類失真將具有相同的隨機特性且無法被實際校正。
例如由美國佛羅里達州Melbourne的NEOS科技公司(NEOSTechnologies)所制造的N23080-2-1.06-LTD型AOM裝置的測試結(jié)果就表明，當(dāng)RF功率22被以隨機通斷的方式加至AOM 10時，在僅2瓦(W)的RF功率下，激光束定位精度便有高達1毫弧度(rad)的偏差。這一偏差值是典型存儲器連接線處理系統(tǒng)最大容許值的數(shù)百倍。由AOM 10上的隨機熱負載所造成的激光束品質(zhì)失真，也將使激光束的對焦性惡化，從而造成在聚焦點上較大的激光束光斑尺寸。而在諸如存儲器連接線處理這樣的應(yīng)用上，需要使激光束光斑尺寸盡可能地小，這樣的失真是非常不希望見到的。
因此，需要有一種裝置與方法，用于從高重復(fù)率激光脈沖串中隨機選取工作激光脈沖，而不會因為AOM上的隨機熱負載變化造成激光束品質(zhì)及定位正確度上的失真。而且，需要有一種用來產(chǎn)生工作激光脈沖的裝置與方法，其中每個脈沖具有恒定激光能量及所要求的恒定脈沖寬度，和/或?qū)τ谥T如光譜學(xué)、生物技術(shù)等各種激光應(yīng)用或諸如存儲器芯片上的激光連接線處理的微加工應(yīng)用，可在高PRF上進行動態(tài)處理，并在差異很大的脈沖時間間隔上具有高準(zhǔn)確率。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種裝置及方法，以便從高重復(fù)率脈沖激光選取所要求的激光脈沖。
本發(fā)明的另一目的在于以AOM上最小的熱負載變化來進行這樣的脈沖選取，從而使激光束品質(zhì)與定位精確度的失真降至最低。
本發(fā)明還有另一目的在于提供用來產(chǎn)生所要求的系統(tǒng)激光脈沖的一種裝置與方法，其對諸如存儲器連接線切斷這樣的高精確度激光處理應(yīng)用，其選定的波長從UV直至近IR范圍均具有穩(wěn)定的脈沖能量與穩(wěn)定的脈沖寬度，且具有高脈沖重復(fù)頻率。
本發(fā)明使用具有高重復(fù)率脈沖輸出的激光器，其配合外腔AOM裝置，用來選取或選通激光脈沖，從而使所選的激光脈沖傳送至所要求的目標(biāo)，而剩余的激光脈沖則被阻隔。這取代了現(xiàn)有技術(shù)中實行的僅在要求工作激光脈沖時才施加RF脈沖至AOM，且RF脈沖與激光脈沖具有基本相同的脈沖間隔時間，不管是否需要均將工作激光脈沖施加至AOM。每當(dāng)需要工作激光脈沖時，即與對應(yīng)的激光脈沖重合地施加RF脈沖。而每當(dāng)不再需要工作激光脈沖時，同樣將RF脈沖施加至AOM，但不與對應(yīng)的激光脈沖重合。與激光脈沖不重合的RF脈沖，優(yōu)選如同與激光脈沖重合的RF脈沖，具有相同的RF功率與持續(xù)時間。在不重合的RF脈沖與激光脈沖之間，時序變化小到足以就AOM上的熱負載方面看，使得該時序變化可被忽略。所以，不管如何隨機要求工作激光脈沖，AOM都基本不會發(fā)生熱負載變動。
在一優(yōu)選實施例中，由在恒定高重復(fù)率或恒定激光脈沖間隔下產(chǎn)生的激光脈沖，選取或選通工作激光脈沖。這種工作激光脈沖在其能量與脈沖寬度上，具有高穩(wěn)定度與一致性。
類似地，AOM工作在恒定RF功率負載或恒定熱負載下，不管如何隨機要求工作激光脈沖。所以，不會因為隨機傳送的AOM而對工作激光束品質(zhì)及其定位精度產(chǎn)生負面影響。
用相同的AOM裝置，也能夠控制RF脈沖功率以進行工作激光脈沖能量控制，從而符合特定應(yīng)用需要。為避免因隨機變化RF脈沖功率以進行激光脈沖能量控制、而對工作激光束品質(zhì)產(chǎn)生負面影響，可相應(yīng)地調(diào)整RF脈沖持續(xù)時間，使得RF脈沖功率與RF脈沖持續(xù)時間的乘積保持恒定，或者可增加額外的RF脈沖，使得在1個激光脈沖時間間隔之內(nèi)加在AOM上的總RF能量保持恒定。
本發(fā)明有利于產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖對脈沖工作激光脈沖能量，用于需要隨機啟動或關(guān)閉激光脈沖的應(yīng)用，包括諸如IC芯片連接線切割這樣的應(yīng)用。本發(fā)明同樣有利于穩(wěn)定Q開關(guān)固態(tài)激光器的工作激光的脈沖對脈沖能量，該激光器利用非線性諧波產(chǎn)生方法來產(chǎn)生雙倍頻、三倍頻或四倍頻激光脈沖，其中，工作激光脈沖是隨機地啟動或關(guān)閉的。
本發(fā)明有利于典型AOM材料，如在前述N23080-2-1.06-LTD型AOM中使用的熔融石英及二氧化碲(TeO2)，此種材料對于從UV光譜到近IR光譜、例如從250nm到2,000nm的寬廣光譜范圍內(nèi)的激光波長來說，是完全透明的。在一優(yōu)選實施例中，是將一階光束當(dāng)作工作光束來使用，然而，對于某些應(yīng)用而言，如果15-10％的激光脈沖能量泄漏不會造成問題，那么一階光束或零階光束都可被當(dāng)作工作光束使用。
本發(fā)明的其它特點及優(yōu)點，根據(jù)以下參照相關(guān)附圖進行的優(yōu)選實施例的詳細說明中將更顯而易見。


圖1為傳送零階光束和/或一階光束的現(xiàn)有技術(shù)AOM裝置與RF驅(qū)動器的部份示意圖。
圖2A-2D為對應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)的激光脈沖、RF脈沖及一階與零階AOM輸出激光脈沖的時序圖。
圖3A-3C為優(yōu)選實施例中所使用的激光輸出、RF脈沖及工作激光輸出的對應(yīng)的示例性時序圖。
圖4A-4C為激光輸出、RF脈沖及工作激光輸出的另一對應(yīng)示例性時序圖，說明用于工作激光輸出的能量控制的AOM用途。
圖5A與5B為RF脈沖及工作激光輸出的另一對應(yīng)示例性時序圖，說明AOM所提供的工作激光輸出能量的動態(tài)控制范圍。
圖6A-6C為對應(yīng)的時序與光束定位圖，說明對一個示例性連接線處理應(yīng)用，如何才能隨機地要求工作激光輸出。
圖7為一示意方框圖，展示一個示例性激光系統(tǒng)的優(yōu)選實施例，此實施例使用恒定熱負載AOM，來提供所要求的穩(wěn)定脈沖對脈沖UV激光能量，以處理被選擇移除的不平均間隔連接線。
具體實施例方式
圖3A-3C(統(tǒng)稱為圖3)是顯示施加至AOM 10的激光輸出24a-24k(統(tǒng)稱激光輸出24)、RF脈沖38a-38k(統(tǒng)稱RF脈沖38)與工作激光輸出40a、40c、40d、40e及40i(統(tǒng)稱工作激光輸出40)的對應(yīng)時序圖。尤其是，圖3A顯示出由激光器126(圖7)以恒定重復(fù)率發(fā)射、并由相等激光輸出間隔26分隔開的激光輸出24。在典型實施例中，激光輸出重復(fù)率可從約1kHz往上至約500kHz。示例性的激光輸出重復(fù)率高于約25kHz、高于約40kHz、或高于約100kHz。對連接線處理實施例來說，每個工作激光輸出40最好包括具有多納秒脈沖寬度的典型單一激光脈沖。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員會認識到，每個工作激光輸出40可包括一個或多個激光脈沖組成的脈沖串，每個激光脈沖具有極短的脈沖寬度，如美國專利號6,574,250“LASER SYSTEM ANDMETHOD FOR PROCESSING A MEMORY LINK WITH A BURST OFLASER PULSES HAVING ULTRASHORT PULSE WIDTHS(用于以具有極短脈沖寬度的激光脈沖串處理存儲器連接線的激光系統(tǒng)與方法)”中所揭示的(該專利被轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人)，或者一個或多個脈沖組成的脈沖串，脈沖所具有的脈沖寬度介于約10皮秒與約1納秒間。
圖3B顯示RF脈沖方案30的一優(yōu)選實施例，該實施例利用由RF脈沖間距32a-32j(統(tǒng)稱RF脈沖間距32)分隔開的RF脈沖38，上述RF脈沖間距是規(guī)則或均勻的，從而將AOM 10上的熱負載變動保持在預(yù)定的操作容差范圍之內(nèi)。這種容差可能是特定的熱負載窗口(window)，但預(yù)定容差可能還是、或可選擇地是光斑大小的窗口或光束定位正確度的窗口。在一實施例中，熱負載變動被維持在5％之內(nèi)，且/或光束定位正確度被維持在0.005毫弧度內(nèi)。在一優(yōu)選實施例中，對應(yīng)于每個激光輸出24，至少產(chǎn)生1個RF脈沖38。
一旦工作激光輸出40被要求照射在諸如導(dǎo)電連接線60這樣的目標(biāo)上(圖6A)，與激光輸出24重合的RF脈沖38便被施加至AOM 10，以使其被傳送通過AOM 10并變成工作激光輸出40。
在圖3B中，重合的RF脈沖38是RF脈沖38a、38c、38d、38e與38i。圖3C顯示出所產(chǎn)生的對應(yīng)工作激光輸出40a、40c、40d、40e及40i。當(dāng)不要求工作激光輸出對應(yīng)于激光輸出24時，施加至AOM 10的RF脈沖38不與激光輸出24重合。在圖3B中，非重合RF脈沖38是RF脈沖38b、38f、38g、38h及38j。圖3C顯示無工作激光輸出40對應(yīng)于非重合RF脈沖38。
非重合RF脈沖38最好從相應(yīng)的激光輸出40的起始點偏移一時間偏差量42，該時間偏差量大于約0.5微秒。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認識到，盡管圖3B中顯示的是時間偏差量42處于激光輸出40之后，但時間偏差量42也可處于激光輸出40之前一段充足時間，以避免工作激光輸出40對準(zhǔn)目標(biāo)。所以，包圍非重合RF脈沖38的RF脈沖間隔32可以比整體平均RF脈沖間隔32(例如32c、32d、32f、32g與32j)更短(例如RF脈沖間隔32b、32f與32h)，或比平均RF脈沖間隔32更長(例如RF脈沖間隔32a、32e與32i)。
再次參考圖3C，分別處于工作激光輸出40c與40d之間、及處于工作激光輸出40d與40e之間的非照射間隔50b及50c，約與激光輸出間隔26相等。分別處于工作激光輸出40a與40c之間、及處于工作激光輸出40e與40i之間的非照射間隔50a及50d，約為激光輸出間隔26的數(shù)倍。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，即使對于大多數(shù)應(yīng)用例如連接線處理來說，工作激光輸出40最好為一階光束20，但工作激光輸出40也可以是零階光束16，其中泄漏光束是可容忍的，且期望有較高的工作激光輸出。
在一優(yōu)選實施例中，重合與非重合的RF脈沖38不僅使用大約相同的RF能量(此能量為RF功率值與RF持續(xù)時間的乘積)，也使用大約相同的RF功率值以及大約相同的RF持續(xù)時間。
圖4A-4C顯示施加在AOM 10上的激光輸出24、RF脈沖38及工作激光輸出40的對應(yīng)的時序圖，其說明如何能夠額外使用AOM 10以控制工作激光輸出40的輸出功率。圖4A與圖3A完全相同，且其僅是為方便起見才展示的。圖4B與4C顯示RF脈沖38′以及工作激光輸出40′，其中為方便起見，對應(yīng)的RF脈沖38及工作激光輸出40是以重疊于其上的虛線來展示的。通過采用與RF脈沖38相比，針對RF脈沖38′給AOM 10較低功率的方式，來衰減工作激光輸出40′的能量；然而，RF脈沖38′的RF持續(xù)時間44′比用在RF脈沖38上的RF持續(xù)時間44增加，以保持RF功率值與RF持續(xù)時間的恒定乘積，從而使AOM 10上的熱負載保持恒定。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認識到，此技術(shù)容許對于工作激光輸出40或40′之間的輸出功率的連續(xù)性依要求進行選擇，而在AOM 10上的熱負載不會有變化。本領(lǐng)域技術(shù)人員也會認識到，非重合RF脈沖38的RF功率值與RF持續(xù)時間44能夠保持與原始值相同，或者在重合RF脈沖38′的RF負載變化的指定容差值范圍內(nèi)變化。
優(yōu)選的是，RF脈沖持續(xù)時間44被選擇為約1微秒至激光輸出間隔26的大約一半，更優(yōu)選的是短于激光輸出間隔26的30％。例如，如果激光重復(fù)率為50kHz且激光輸出間隔26為20微秒，則RF脈沖持續(xù)時間44可介于1與10微秒之間。最小的RF脈沖持續(xù)時間44是由激光脈沖抖動時間與AOM 10的響應(yīng)時間來決定的。對重合的RF脈沖38，最好能夠在RF脈沖38的中心點啟動激光輸出24。對非重合的RF脈沖38，最好使RF偏差量從對應(yīng)的激光輸出24啟動延時大約一半的最小RF脈沖持續(xù)時間44。
圖5A-5B(統(tǒng)稱圖5)顯示RF脈沖38與工作激光輸出40的另一對應(yīng)時序圖，其表明工作激光輸出能量大的動態(tài)控制范圍。
參考圖5，通過施加接近最小RF功率(此功率足以使工作激光輸出40a能夠?qū)?zhǔn)目標(biāo)傳播)的RF脈沖38a1，可產(chǎn)生非常低能量的工作激光輸出40a1。與激光輸出24a重合的RF持續(xù)時間44a可保持較短(例如與RF持續(xù)時間44的持續(xù)時間相同)，從而減小RF脈沖間隔32中的變動，且可將一個或多個具有較高RF功率、同時又有較短RF持續(xù)時間44a2的額外非重合RF脈沖38a2施加至AOM 10，從而使RF脈沖38a1與38a2的RF能量負載總和與RF脈沖38b基本相等。在一優(yōu)選實施例中，RF脈沖38a1與38a2之間的偏差時間52可以從零至數(shù)微秒。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，RF脈沖38a1與38a2能被合并成單一RF脈沖38，該單一RF脈沖在激光輸出24a結(jié)束之后提高RF功率。本領(lǐng)域技術(shù)人員也將認識到，RF脈沖38a2可處于RF脈沖38a1之前，而不是跟隨于其后。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，因為AOM 10上的熱慣性，就激光束品質(zhì)與定位精度惡化的觀點來看，RF間隔32a1與RF間隔32中的細小差異將不會造成任何有意義的熱負載變化。因此，RF間隔32a1可被保持成足夠地接近于RF間隔32，從而維持AOM 10上的熱負載變動處于預(yù)定的操作容差范圍之內(nèi)。起始的非重合RF脈沖38b可維持在其起始的RF持續(xù)時間44b與RF功率值，或者可以相同方式調(diào)整成為RF脈沖38a與38a2的組合。
圖6A-6B(統(tǒng)稱圖6)顯示在一示例性的激光微加工處理，例如導(dǎo)電連接線60a-60k(統(tǒng)稱連接線60)的激光處理期間，目標(biāo)調(diào)準(zhǔn)位置70(也稱為掃瞄位置70)(圖7)與工作激光輸出40的時序圖。圖6A顯示一典型連接線組62，其具有平均地間隔開的連接線60，這些連接線在掃瞄方向64上與光束定位系統(tǒng)的目標(biāo)調(diào)準(zhǔn)位置70交叉。依據(jù)芯片測試結(jié)果，上述定位系統(tǒng)被控制對準(zhǔn)隨機位置上的連接線60(其必須被切斷以修復(fù)IC器件)或其它工件120(圖7)，而其余的連接線60保持不動。例如，光束定位系統(tǒng)的掃瞄速度可設(shè)定為是恒定的，或者是可控與可變的，以使得目標(biāo)調(diào)準(zhǔn)位置70以恒定的定位間隔與每個連接線60交叉，且激光器126以相當(dāng)于定位間隔的恒定間隔發(fā)送激光輸出。所以，在正確的時序坐標(biāo)下，一旦位置70與連接線60交叉，即啟動激光輸出24。為方便起見，指定連接線60a、60c、60d、60e與60i進行切割，從而使展示工作激光輸出40的圖6B能夠與圖3C相同。因此，工作激光輸出40a、40c、40d、40e與40i照射連接線60a、60c、60d、60e與60i。圖6C顯示出切割后的連接線60a、60c、60d、60e與60i。激光輸出24與掃瞄位置70同步并且是以相同的恒定間隔來啟動的，從而使每個工作激光輸出40都會擊中一個連接線60。所以，借助于激光脈沖選取或選通AOM 10，一旦選定要移除的連接線60，AOM10即發(fā)出激光輸出24作為工作激光輸出40，以切割連接線60。當(dāng)連接線60未被選中時，AOM 10不會發(fā)出激光輸出40，從而使連接線60保持完好。以此方式，激光器126以基本恒定的重復(fù)率運行，且激光輸出24具有基本恒定的間隔26，但工作激光輸出40在激光輸出間隔26中的隨機的多個間隔上發(fā)生。
作為一個示例，圖7展示一IC芯片連接線切割系統(tǒng)110，該系統(tǒng)利用AOM 10上的RF負載控制，按需要提供穩(wěn)定的脈沖對脈沖UV激光能量，從而以無失真的工作激光輸出40來處理非等間距的連接線。在系統(tǒng)110中，系統(tǒng)控制計算機112及嵌入式控制計算機114一同工作以控制光束定位控制器116，該光束定位控制器從X-Y定位器118接收位置信息，定位器118相對于工作激光輸出40的目標(biāo)調(diào)準(zhǔn)位置70來定位工件120。工作激光輸出40可透過圖示折射鏡之外的各種光學(xué)器件(圖中未示)傳送。X-Y定位器118也可包含Z定位器123，Z定位器123可連接至X或Y平臺。X-Y定位器118最好是依據(jù)美國專利號5,751,585(該專利被轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人)“HIGH SPEED，HIGHACCURACY MULTI-STAGE TOOL POSITIONING SYSTEM(高速、高精度多重平臺工具定位系統(tǒng))”中所述定位系統(tǒng)。
在一實施例中，UV激光子系統(tǒng)124最好包含Q開關(guān)固態(tài)IR激光器126，例如二極管泵浦、聲光Q開關(guān)的Nd:YVO4激光器；AOM 128，用于IR激光器126的激光輸出選取或選通及振幅調(diào)制；以及倍頻器130，用于將IR激光器126所發(fā)射的IR波長，通過公知的二次、三次或四次諧波轉(zhuǎn)換處理，而轉(zhuǎn)變成為綠光和/或UV波長。AOM 10也可選擇被置于倍頻器130之后，如圖中以虛線所示的AOM 10a(概括稱為AOM 10)的位置。在任一實施例中，激光控制器134控制AOM 10的發(fā)射，以便從激光器126發(fā)射或阻斷激光輸出24，從而依要求將工作激光輸出40傳送至工件120。
系統(tǒng)控制計算機112透過總線136，傳送需要激光處理的工件120位置的位置坐標(biāo)至嵌入式控制計算機114。在典型的樣本處理應(yīng)用中，工件120包括有規(guī)律間隔的器件結(jié)構(gòu)，例如可熔斷連接線60，僅有其中一部份需作處理。需作處理的位置稱為“目標(biāo)位置”，而不需作處理的位置稱為“中間位置”。嵌入式控制計算機114將被間隔開的中間位置的坐標(biāo)加入目標(biāo)位置坐標(biāo)，以便以幾乎相等的間隔26觸發(fā)IR激光器126。嵌入式控制計算機114將目標(biāo)與中間位置坐標(biāo)透過總線138，以預(yù)定速率每次一個地傳送至光束定位控制器116中的寄存器140，且同時將負載控制數(shù)據(jù)透過總線142傳送至激光控制器134中的寄存器144。上述預(yù)定速率控制X-Y定位器118的移動速度，且控制數(shù)據(jù)指出是否坐標(biāo)位置為待處理的目標(biāo)位置，并可進一步包含輸出模出模式、時序及振幅信息。
激光控制器134以自動脈沖模式或目標(biāo)上脈沖(pulse-on-target)模式操作定時器146。在自動脈沖模式中，定時器146依據(jù)寄存器144中的控制數(shù)據(jù)而啟動，而在目標(biāo)上脈沖模式中，定時器146依據(jù)從光束定位控制器116中的比較器150收到的位置重合信號148而啟動。光束定位控制器116中的位置編碼器152，為比較器150指示X-Y定位器118的目前位置，且當(dāng)此目前位置匹配儲存在寄存器140中的位置坐標(biāo)時，即產(chǎn)生位置重合信號148，指出工件120已被適當(dāng)?shù)囟ㄎ辉谀繕?biāo)位置或中間位置。相應(yīng)地，如果工件120被定位在一目標(biāo)位置，定時器146同一時間操作IR激光器126中的Q開關(guān)，并通過以預(yù)定的RF功率與RF持續(xù)時間44將RF脈沖38施加至AOM 10，將AOM 10設(shè)定成發(fā)射狀態(tài)，從而使工作激光輸出40通過AOM 10并擊中目標(biāo)連接線60。如果工件120被定位在一中間位置，定時器146即操作IR激光器126中的Q開關(guān)，并僅在Q開關(guān)操作后預(yù)定的時間偏移量42之后，以預(yù)定的RF功率與RF持續(xù)時間44，將RF脈沖38施加至AOM10。所以，RF脈沖38不與激光輸出24重合，且無工作激光輸出40被選通。
因為X-Y定位器118的移動速率最好是受控的，從而使定位器118以恒定速率移動于目標(biāo)與中間位置上，激光Q開關(guān)以此恒定的重復(fù)率被啟動，或者換言之，激光輸出間隔26與位置移動時間基本相等。因此，IR激光器126是以基本恒定的重復(fù)率工作的，或者說激光輸出間隔26是基本恒定的，所以，在激光輸出24與激光脈沖諧波轉(zhuǎn)換中，因為激光輸出間隔26變動所造成的不穩(wěn)定性實際上可忽略。關(guān)于AOM10按需觸發(fā)的進一步細節(jié)，可參看美國專利號6,172,325“LASERPROCESSING POWER OUTPUT STABILIZATION APPARATUS ANDMETHOD EMPLOYING PROCESSING POSITION FEEDBACK(利用處理位置反饋的激光處理功率輸出穩(wěn)定裝置與方法)”，該專利在此一并作為參考。
通過以下方式，RF負載控制技術(shù)在AOM 10上提供接近于恒定的熱負載當(dāng)定位器118在目標(biāo)上時，或換言之，當(dāng)要求工作激光輸出40時，將與激光輸出40重合的RF脈沖38施加至AOM 10上；而當(dāng)定位器118在中間位置上時，或換言之，當(dāng)不要求工作激光輸出40時，便將具有相同RF能量、但不與激光輸出24重合的RF脈沖38施加至AOM 10上。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，借助AOM 10上這種基本恒定的熱負載，AOM 10對于工作激光輸出40的品質(zhì)與定位精度有最小的負面影響。
將進一步認識到的是，AOM 10上的RF脈沖38的RF功率可被調(diào)節(jié)，以控制工作激光輸出40的能量滿足目標(biāo)處理的需要，同時可相應(yīng)地控制RF脈沖38的RF持續(xù)時間44，以保持恒定的RF能量或RF脈沖38的RF能量與RF持續(xù)時間44的算術(shù)乘積。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將認可，本發(fā)明的某些部份可用有別于前述優(yōu)選實施例說明的實施方式來加以實施。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯而易見的是在不偏離本發(fā)明基本原理的情形下，前述實施例的細節(jié)可作許多改變。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)該僅由所附權(quán)利要求來決定。
權(quán)利要求
1.一種降低工作激光輸出的負載變化與不希望有的失真的方法，其實施于基于激光的系統(tǒng)中；該基于激光的系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖激光發(fā)射并包括外腔光學(xué)調(diào)制器，用以根據(jù)控制指令，提供輸出發(fā)射狀態(tài)及輸出阻隔狀態(tài)；所述輸出發(fā)射狀態(tài)讓激光輸出能夠以工作激光輸出的形式傳送至目標(biāo)；所述輸出阻隔狀態(tài)主要防止工作激光輸出傳送至目標(biāo)；所述激光系統(tǒng)在其運行期間，將變化的熱負載條件，作為連續(xù)輸出發(fā)射狀態(tài)之間不均勻間隔的結(jié)果，施加至所述外腔光學(xué)調(diào)制器；所述變化的負載條件造成不希望有的工作激光輸出失真；所述方法包括以基本恒定的激光輸出重復(fù)率，產(chǎn)生一系列激光輸出，其中，相鄰的所述激光輸出是由基本均勻的激光輸出間隔彼此分隔開的；施加RF脈沖至所述外腔光學(xué)調(diào)制器，以RF脈沖重復(fù)率產(chǎn)生一系列輸出發(fā)射狀態(tài)，其中，相鄰的所述輸出發(fā)射狀態(tài)是由充分均勻的RF脈沖間隔彼此分隔開的，以維持所述外腔光學(xué)調(diào)制器的熱負載變動處于預(yù)定的操作容差范圍內(nèi)；以及定時產(chǎn)生RF脈沖，并根據(jù)控制指令而定時產(chǎn)生所述激光輸出；用于在非重合RF脈沖期間，實現(xiàn)輸出發(fā)射狀態(tài)與對應(yīng)的激光輸出不重合，以防止工作激光輸出；并用于在重合RF脈沖期間，實現(xiàn)輸出發(fā)射狀態(tài)與對應(yīng)的激光輸出的重合，以達到用不同的工作激光輸出間隔來照射各目標(biāo)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，RF脈沖具有RF功率值與RF持續(xù)時間，且其中所述工作激光輸出具有功率值，所述方法進一步包括改變重合RF脈沖的RF功率值，以造成所述工作激光輸出的功率值的對應(yīng)改變。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述RF功率值與RF持續(xù)時間的乘積響應(yīng)所述RF脈沖的RF功率值的改變，而保持基本恒定。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，由相應(yīng)的重合RF脈沖所產(chǎn)生的連續(xù)工作激光輸出具有不同的功率值。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述熱負載變動被保持在5％以內(nèi)。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，連續(xù)重合與非重合RF脈沖具有不同的RF持續(xù)時間。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，連續(xù)重合與非重合RF脈沖具有不同的RF功率值。
8.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，連續(xù)重合與非重合RF脈沖具有類似的RF功率值與類似的RF持續(xù)時間。
9.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，重合RF脈沖的RF功率值小于連續(xù)非重合RF脈沖的RF功率值，且連續(xù)重合與非重合RF脈沖具有大約相同的RF持續(xù)時間，所述方法進一步包括在相鄰的激光脈沖間隔期間，插入至少一個額外的非重合RF脈沖至所述工作激光輸出，以使得相應(yīng)重合與額外非重合RF脈沖的相應(yīng)的RF功率值與RF持續(xù)時間的乘積之和，基本等于非重合RF脈沖的RF功率值與RF持續(xù)時間的乘積。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述激光輸出間隔與RF脈沖間隔之間的差異微小得足以維持所述外腔調(diào)制器的熱負載變動處于預(yù)定的操作容差范圍內(nèi)。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，RF脈沖包含的RF持續(xù)時間短于相鄰激光輸出間隔的約30％。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，RF脈沖包含的RF持續(xù)時間長于約0.1微秒。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，非重合RF脈沖與相應(yīng)激光輸出的起始點偏差一延時，該延時長于約0.2微秒。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，相鄰的工作激光輸出之間的間隔包含不同的持續(xù)時間，其接近多個所述激光輸出間隔的總值。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，非重合RF脈沖發(fā)生于定位系統(tǒng)在工件上的不同目標(biāo)之間移動的時候。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述控制指令適用于動態(tài)連接線處理。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述基于激光的系統(tǒng)適用于微加工。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述基于激光的系統(tǒng)適用于光譜學(xué)、生物技術(shù)或研發(fā)工作。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，光束定位精度被保持在0.005毫弧度以內(nèi)。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述激光輸出重復(fù)率大于約25kHz。
21.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述激光輸出重復(fù)率大于約40kHz。
22.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述激光輸出重復(fù)率大于約100kHz。
23.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述工作激光輸出包含以UV、可見光、RR激光或它們的諧波所發(fā)射的波長。
24.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，至少有一些所述工作激光輸出包含至少2個激光脈沖。
25.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述工作激光輸出失真包含在目標(biāo)上的光束光斑尺寸的變動。
26.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，RF脈沖間隔確定定時窗口且所述工作激光輸出具有較小功率值，所述定時窗口在一RF功率值處具有連續(xù)RF功率；且其中，施加RF脈沖包含施加其功率值小于所述RF功率值的RF脈沖，使得所述工作激光輸出以大于所述較小功率值的較高功率值傳送至目標(biāo)。
27.一種降低不希望有的熱負載變化與工作激光輸出失真的方法，其實施于產(chǎn)生工作激光輸出的基于激光的工件處理系統(tǒng)中；該工件處理系統(tǒng)包括定位系統(tǒng)，用以相對于工件，控制所述工作激光輸出的目標(biāo)調(diào)準(zhǔn)，使得所述工作激光輸出照射在被半導(dǎo)體晶片所支撐的選定導(dǎo)電連接線上；且所述工件處理系統(tǒng)包括外腔光學(xué)調(diào)制器，用以根據(jù)控制指令，提供輸出發(fā)射狀態(tài)及輸出阻隔狀態(tài)；所述輸出發(fā)射狀態(tài)讓激光輸出能夠以工作激光輸出的形式傳送至所述工件上的導(dǎo)電連接線；所述輸出阻隔狀態(tài)主要防止工作激光輸出傳送至所述工件；所述激光系統(tǒng)在其運行期間，將變化的熱負載條件，作為連續(xù)輸出發(fā)射狀態(tài)之間不均勻間隔的結(jié)果，施加至所述外腔光學(xué)調(diào)制器；所述變化的負載條件造成不希望有的工作激光輸出失真；所述方法包括以基本恒定的激光輸出重復(fù)率，產(chǎn)生一系列激光輸出，其中，相鄰的所述激光輸出是由基本均勻的激光輸出間隔彼此分隔開的；施加RF脈沖至所述外腔光學(xué)調(diào)制器，以RF脈沖重復(fù)率產(chǎn)生一系列輸出發(fā)射狀態(tài)，其中，相鄰的所述輸出發(fā)射狀態(tài)是由充分均勻的RF脈沖間隔彼此分隔開的，以維持所述外腔光學(xué)調(diào)制器的熱負載變動處于預(yù)定的操作容差范圍內(nèi)；相對于工件，移動所述定位系統(tǒng)的目標(biāo)調(diào)準(zhǔn)，以尋址在所述工件上選定的導(dǎo)電連接線；定時產(chǎn)生所述RF脈沖及產(chǎn)生所述激光輸出，用于在非重合RF脈沖期間，實現(xiàn)輸出發(fā)射狀態(tài)與對應(yīng)的激光輸出不重合，以在所述定位系統(tǒng)未尋址選定的導(dǎo)電連接線時，防止工作激光輸出損傷所述工件；以及定時產(chǎn)生所述RF脈沖及產(chǎn)生所述激光輸出，用于在重合RF脈沖期間，實現(xiàn)輸出發(fā)射狀態(tài)與對應(yīng)的激光輸出重合，以傳送工作激光輸出，達到用不同工作激光輸出間隔來照射導(dǎo)電連接線。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述激光輸出重復(fù)率大于約30kHz。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中，所述定位系統(tǒng)在一RF脈沖期間僅尋址單一一個導(dǎo)電連接線。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其中，一RF脈沖具有RF功率值與RF持續(xù)時間，且其中，所述工作激光輸出具有功率值，所述方法進一步包括改變重合RF脈沖的RF功率值，以造成所述工作激光輸出的功率值的對應(yīng)改變。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，在改變RF脈沖的RF功率值時，RF功率值與RF持續(xù)時間的乘積系維持恒定。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中，由相應(yīng)的重合RF脈沖所產(chǎn)生的連續(xù)工作激光輸出具有不同的功率值。
33.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，重合RF脈沖的RF功率值小于連續(xù)非重合RF脈沖的RF功率值，且連續(xù)重合與非重合RF脈沖具有大約相同的RF持續(xù)時間，所述方法進一步包括在相鄰的激光脈沖間隔期間，插入至少一個額外的非重合RF脈沖至所述工作激光輸出，以使得相應(yīng)重合與額外非重合RF脈沖的相應(yīng)的RF功率值與RF持續(xù)時間的乘積之和，基本等于非重合RF脈沖的RF功率值與RF持續(xù)時間的乘積。
34.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述工作激光輸出包含零階激光輸出。
35.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述工作激光輸出包含零階激光輸出。
36.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述工作激光輸出包含一階激光輸出。
37.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述工作激光輸出包含一階激光輸出。
38.如權(quán)利要求28所述的方法，其中，RF脈沖包含的RF持續(xù)時間短于相鄰激光輸出間隔的約30％。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其中，RF脈沖包含的RF持續(xù)時間長于約0.1微秒。
40.如權(quán)利要求28所述的方法，其中，非重合RF脈沖與相應(yīng)激光輸出的起始點偏差一延時，該延時長于約0.2微秒。
41.如權(quán)利要求28所述的方法，其中，光束定位精度被保持在0.005毫弧度以內(nèi)。
42.如權(quán)利要求28所述的方法，其中，所述熱負載變動被保持在5％以內(nèi)。
全文摘要
激光裝置(126)及聲光調(diào)制器(AOM)(10)以規(guī)律性及相同恒定高重復(fù)率的脈沖傳送，以提供可變非照射間隔(50)的工作激光輸出(40)，而不犧牲激光脈沖對脈沖能量穩(wěn)定度。當(dāng)要求工作激光輸出(40)時，RF脈沖(38)與激光輸出(24)重合施加于AOM(10)，以傳送其至目標(biāo)。當(dāng)不要求工作激光輸出(40)時，RF脈沖(38)與激光輸出(24)非重合施加于AOM(10)，使其被阻隔。所以，不論如何隨機要求工作激光輸出(40)，AOM(10)上的平均熱負載保持恒定。通過控制施加的RF脈沖(38)功率，AOM(10)也可以控制工作激光輸出(40)的能量。當(dāng)RF功率改變時，RF脈沖(38)的RF持續(xù)時間(44)被修改以保持恒定的平均RF功率。
文檔編號B23K26/08GK1813339SQ200480018419
公開日2006年8月2日 申請日期2004年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月30日
發(fā)明者孫云龍, B·E·尼爾森, D·M·海明威, 孫蕾 申請人:電子科學(xué)工業(yè)公司