基於雷射的材料處理方法、系統和其中用於精確能量控制的子系統的製作方法
2023-04-30 04:40:11 1
專利名稱：基於雷射的材料處理方法、系統和其中用於精確能量控制的子系統的製作方法
技術領域：
本發明大體涉及精確、高速、基於雷射的材料處理，例如目標材料的微加工。一個這樣的應用是冗餘半導體存儲器的基於雷射的修復。
背景技術：
隨著半導體和DRAM器件設計規則進步到更小的幾何結構，需要更小的雷射光斑來去除更小的、間隔更緊密的可編程的鏈路(link)。隨著鏈路的幾何結構變得更小，需要處理每個鏈路的每一雷射脈衝的能量變得更小，這是因為較少的鏈路材料被去除。當處理更小的鏈路幾何結構時，也要求更小的雷射光斑尺寸以避免破壞相鄰的鏈路或其它結構。由於更小的雷射光斑尺寸，光斑內的能量密度更高，因而要求每一脈衝的能量更低以除去鏈路材料。
雷射能量的更準確地控制對維持每脈衝或每組脈衝精確而恆定的能量是有利的。用改進的控制可實現穩定的材料去除和更可靠的鏈路處理。這樣的準確控制通常對雷射處理和精密微加工是有利的。
除了處理鏈路，雷射器系統的操作通常還包括將雷射束對準到要被處理的器件、目標結構或其它材料。
美國專利號5,196,867和6,947,454和公布的美國申請文件2005/0270631、2005/0270630和2005/0270629與本發明相關聯。
需要基於雷射的材料處理系統以給處理和對準操作提供改良的精密度，該系統在能量控制中有很寬動態範圍。除了寬動態範圍外，該系統在能量設置中還需要很好的解析度、穩定性、衰減性(extinction)和準確性。
發明內容
本發明的目的是提供用於精確控制雷射輸出能量的改進的雷射處理方法和系統。
本發明的另一個目的是提供用於在對檢測和雷射處理操作足夠大的動態範圍內精確控制雷射輸出能量的雷射材料處理方法和系統。
本發明的一個方面以在寬動態範圍內精確控制雷射輸出能量的能量控制方法為特徵。
本發明的另一方面以實現該方法的雷射材料處理系統為特徵。
本發明的實施例提供在寬動態範圍內的很高解析度能量控制和衰減。相比先前的方法和系統，大大提高每個能量設置的準確性和穩定性是期望的。
在實現本發明的上面目標和其它目標中，提供了基於雷射的材料處理方法。該方法包括用具有第一能量密度的第一雷射輸出來輻射材料。第一能量密度足夠高以產生可檢測的雷射輻射作為第一雷射輸出和材料相互作用的結果，並且足夠低以避免材料實質上的改變。所述方法進一步包括檢測可檢測的雷射輻射的至少一部分，以產生代表材料屬性的數據，分析數據，並基於所分析的數據用雷射材料處理輸出來輻射目標材料。材料處理輸出具有處理能量密度，其充分大於第一能量密度，並且足夠高以改變目標材料的物理屬性從而處理目標材料。
所述方法可進一步包括產生第一控制信號以精確控制第一雷射輸出。
所述方法可進一步包括產生第二控制信號以精確控制材料處理輸出。
所述方法可進一步包括將至少一個控制信號設置在高信噪比操作範圍內，以使第一雷射輸出和材料處理輸出在寬動態範圍內被精確控制。
所述至少一個設置的控制信號可為模擬或數位訊號，及所述設置的步驟可包括對所述至少一個設置的控制信號進行的調製、放大、衰減、壓縮、擴展、尺度縮放(scaling)、延遲、編碼和移位(shifting)中的至少一個。
所述方法可進一步包括選擇性地衰減所述至少一個設置的控制信號，以產生適當的第一雷射輸出和適當的雷射材料處理輸出中的至少一個。
所述至少一個設置的控制信號可為RF信號，及所述選擇性地衰減的步驟可通過開關衰減器網絡實現。
所述材料可為目標材料。
所述處理能量密度可為第一能量密度的約1000倍。
所述材料屬性可為光屬性或熱屬性。
所述材料屬性可為空間屬性。
所述數據可表示目標材料的位置。
進一步地，在實現本發明的上面目標和其它目標中，提供了基於雷射的材料處理系統。所述系統包括用於產生第一脈衝雷射束和第二脈衝雷射束的脈衝雷射系統，第一脈衝雷射束與物體的材料互相作用以產生雷射輻射，第二脈衝雷射束在雷射處理操作中處理目標材料。所述系統進一步包括至少一個用於支持該物體的定位器。所述系統進一步包括測量子系統，其響應至少一部分雷射輻射執行測量操作，並產生相應的測量信號。所述系統進一步包括系統控制器，其響應測量信號控制所述至少一個定位器和脈衝雷射系統。所述系統進一步包括連接到系統控制器以傳輸和聚焦雷射束的光束傳輸和聚焦組件。所述系統進一步包括用於調製雷射束的調製器和連接到調製器的能量控制器，該能量控制器用於在對於測量和雷射處理操作足夠大的動態範圍內精確控制雷射束的雷射輸出能量。
所述能量控制器可包括開關衰減器網絡。
所述調製器可為聲光器件。
所述調製器可為電光器件。
仍然進一步地，在實現本發明的上面目標和其它目標中，提供了用於在雷射輸出源以外的位置精確控制雷射輸出的雷射能量的方法。所述方法包括調節雷射能量以獲得掃描能量，該掃描能量處在足夠低以在測量操作中非破壞性地掃描物體的能量範圍內。所述方法進一步包括調節雷射能量以獲得處理能量，該處理能量處在足夠高以處理物體的目標材料的能量範圍內。
仍然進一步地，在實現本發明的上面目標和其它目標中，提供了一個子系統，用於在位於雷射輸出源以外的光調製器處精確控制雷射輸出的雷射能量。所述子系統包括產生用於調製器的輸出控制信號的能量控制器，其中來自調製器的雷射輸出能量在對於測量和雷射處理操作足夠大的動態範圍內被控制。
所述能量控制器可包括開關衰減器網絡。
所述光調製器可包括聲光器件。
所述光調製器可包括電光器件。
按照下列描述、隨附的權利要求和附圖，本發明的這些和其它特徵、方面和優點將變得更好理解。
圖1是示出包括精確能量控制的雷射材料處理系統的一個實施例的簡明結構圖。
具體實施例方式
對本發明公開中「能量控制」的參考也通常可適用於「功率控制」、「強度控制」、「峰值功率控制」、「平均功率控制」或類似的有關功能。
基於雷射的存儲器修複方法/系統下列代表性的專利和公布的申請文件通常涉及用於基於雷射的微加工的方法和系統，尤其是涉及存儲器修復名稱為「雷射處理」的美國專利6,791,059(此後稱為`059專利)；名稱為「高速精確定位裝置」的美國專利6,774,288(此後稱為`288專利)；名稱為「用於處理目標材料的高效能、基於雷射的方法和系統」的美國專利6,727,458(此後稱為`458專利)；名稱為「用於精確定位材料處理雷射束的腰部以處理在雷射處理區域內的微結構的方法和系統」的美國專利6,573,473(此後稱為`473專利)；名稱為「控制雷射偏振」的美國專利6,381,259(此後稱為`259專利)；名稱為「基於熱的雷射處理多種材料器件的方法和系統」的公布的美國專利申請文件2002/0167581(此後稱為`581申請文件)；名稱為「用於使用皮秒雷射器進行存儲器鏈路處理的基於雷射的方法和系統」的公布的美國專利申請文件2004/0134896(此後稱為`896申請文件)；和名稱為「雷射處理」的美國專利6,559,412(此後稱為`419專利)。
上面文件的至少下列引用部分特別適合於理解本發明的各個特徵、方面和優點。
`059專利的圖5和相應的正文涉及用於融絲的雷射處理系統，其中為脈衝選擇和能量控制提供調製器(衰減器)。
`471專利的圖1和相應的正文涉及用於融絲的雷射處理系統，其中為脈衝選擇和能量控制提供調製器(衰減器)。在至少一個實施例中產生具有小於.55微米的波長的雷射輸出。
`581和`896申請文件及`458專利中的很多圖和相應的正文包括至少一個用於選擇脈衝並控制雷射能量的調製器。
`581申請文件的圖10、11、12、13、14和14b及相應的正文涉及示例性的校準和測量方法及系統。名稱為「用於相對精確地定位脈衝雷射束的腰部的方法和系統及用於控制傳輸到目標結構的能量的方法和系統」的有關的申請文件作為美國專利申請文件2002/0166845被公布。
`288專利示出晶片定位裝置即「晶片載物臺」的一個例子，該裝置可用於實現本發明的至少一個實施例。
`473專利的圖4-6和相應的正文及另外第7列第60行至第9列第8行通常涉及用在材料處理應用尤其是融絲中的校準和功率控制方法。
概述本發明的一個方面以雷射材料處理方法為特徵。所述方法包括用具有第一能量密度的第一雷射輸出來輻射材料，第一能量密度足夠高以產生可檢測的雷射輻射作為第一雷射輸出和材料相互作用的結果，並且足夠低以避免材料實質上的改變；檢測可檢測的輻射的至少一部分以產生材料屬性的數據代表值；分析數據；用具有處理能量密度的雷射材料處理輸出來輻射目標材料，處理能量密度基本大於第一能量密度，並且足夠高以改變目標材料的物理屬性並因此處理目標材料。
所述方法可包括產生第一控制信號以精確控制第一雷射輸出。
所述方法還可包括產生雷射材料處理或第二控制信號以精確控制雷射材料處理輸出。
所述方法也可包括將第一和第二控制信號的至少一個設置在較高的信噪比操作範圍內，以使第一雷射輸出和材料處理輸出在寬動態範圍內被精確控制。
所述至少一個控制信號可為模擬或數位訊號。設置所述至少一個控制信號可包括至少一個調製、放大、衰減、壓縮、擴展、尺度縮放、延遲、編碼和位移所述信號的步驟。
所述方法還可選擇性地包括衰減至少一個所述設置的信號以產生適當的第一雷射輸出和適當的雷射材料處理輸出中的至少一個。
所述設置的信號可為RF信號，及所述選擇性地衰減的步驟可用開關衰減器網絡實現。
在至少一個實施例中所述材料可為目標材料。
所述雷射材料處理輸出的能量密度可為第一能量密度的約1000倍。
所述材料屬性可為光屬性或熱屬性。
所述材料屬性可為空間屬性。
所述數據也可表示材料的位置。
本發明的另一方面以實現上面雷射處理方法的系統為特徵。圖1示出本發明的系統100。示例性的系統包括脈衝雷射系統103、至少一個定位器(即運動載物臺)105、測量子系統或裝置140、系統控制器(控制計算機)115、光束傳輸和聚焦組件130、調製器(AOM)101和能量控制器150，能量控制器150用於在對於測量和雷射處理操作足夠大的動態範圍內精確控制雷射輸出能量110。
能量控制器150可包括開關衰減器網絡(可選擇的體積衰減器)125。
所述調製器可為聲光器件101。
所述調製器可為具有用於控制電壓的控制器的電光器件。
對校準、測量或成像的檢測參考圖1，在很多雷射處理系統如系統100中，使用檢測(即測量)裝置140掃描和測量或另外地分析各種部件。該部件通常在感興趣的區域內。通過在處理波長處在部件上掃描雷射能量、用可見光照明區域和用陣列攝像機觀察部件，或通過上述的組合可實現校準。當用處理雷射器103掃描時，雷射能量110首先在調製器101控制下設置到非破壞水平，然後器件112上的校準目標(沒有顯示)被掃描或另外地被檢測。從校準目標反射的能量被分析且目標的位置被確定。作為例子，要求的典型能量可低於鏈路處理能量1000倍。當光斑尺寸越小時，要求用於掃描的能量就越來越低。越來越低的掃描能量要求在能量控制電路中有很好的衰減性。優選地，系統101能將能量降低到非常接近於零以能夠維持能量設置的控制。
寬動態範圍能量/功率控制雷射處理裝置上的高準確性和高帶寬能量控制通常使用聲光調製器(AOM)101和控制AOM 101的附屬RF驅動器102來完成。
當晶片或運動載物臺105以恆定的速度移動時，雷射器103通常在恆定的高q率(脈衝率)狀態操作。在大多數時間期間，雷射能量被能量控制系統設置到「關閉」狀態。如果需要一個脈衝(或脈衝組)(1)處理鏈路或其它目標材料、對準目標或聚焦，則調整雷射能量。通過改變AOM 101的RF功率來調整能量。
典型的AOM 101和RF驅動器102組合能相當好地運行，如下表所示
該表的1-4列顯示了存儲器修復鏈路過載失真的典型的理想情況。對於響應來自系統控制器115的命令或響應其它技術要求的1.0μj(微焦)的雷射能量輸入和16比特DAC 120，最小可獲得的能量(衰減性)是0.10nj(納焦耳)。達到的解析度是0.015nj。問題是DAC 120和RF驅動器102都在其範圍的很低端操作，其中信號很小且伴有噪聲。由於在RF驅動器102和RF驅動器102的輸入驅動信號中信躁比(SNR)差，通常不能實現該理想情況的解析度和衰減性。
在改進的實施中，可選擇的體積衰減器125越過FR驅動器輸出被轉換到更加低的多的總RF輸出和最終的每脈衝雷射能量(如表中5-8列按模型建立的)。衰減器125的值確定可獲得的能量範圍，情況中所示的pj(皮可焦耳)或pj的一部分。
在至少一個實施例中，可使用多於一個衰減器和開關以獲得多個能量範圍。
要注意的重要一點是，在接通體積衰減器125後，雷射能量大大降低且然後RF驅動器102可在SNR好得多的全RF功率附近再次運行。來自DAC120的輸入電壓也高得多，所以輸入電壓也不在其範圍的低端，其中由於SNR較差輸入電壓在其範圍的低端也伴有噪聲。該實施例說明了本發明的各種優點增加的動態範圍，較大的衰減性(儘可能更低的能量)，較高的準確性和穩定性，後者是由於DAC輸入電壓的SNR較高和RF驅動器102中SNR較高。
示例性的操作尤其適於存儲器修復，但可適合於在其它精密的基於雷射的微加工操作中使用例如打標、修調、微穿孔、微成形、圖形加工、平板顯示或薄膜電路修復、及類似需要雷射脈衝的精確能量控制的高速應用，該雷射脈衝撞擊目標材料。
圖1的實施例示出聲光調製器101和RF控制器。其它實施例可包括電光(E-O)調製器，例如普克爾斯盒(pockels cell)、平面波導調製器或在適當的控制範圍內操作的其它光學開關。幾個這樣的器件通常將偏振為輸入電壓的函數來進行控制。類似於圖1所示的「分段的」或開關的變換，或其它合適的電壓尺度縮放，可用於在利用E-O調製器的雷射處理系統中提高性能。
本發明的實施例也可用在包括有模式鎖定雷射源或增益開關雷射源的系統中。作為例子，脈衝寬度可在約1皮秒(或更短)到幾百納秒(或更長)的範圍內。使用單個脈衝或多個脈衝可實現目標材料的處理。
進一步地，本發明的至少一個實施例可在紅外、可見和UV波長實現，且在短波長可特別有優勢。
精確校準優選地，本發明的系統在整個寬動態範圍內被精確校準。校準用於在DAC 120輸入和雷射輸出110的數字值之間提供傳輸特性。一個或多個檢測器141可包括在測量裝置140中，測量裝置140通常有效地耦合到系統控制器。在至少一個實施例中，「功率儀」143可在晶片載物臺105上或靠近晶片載物臺105放置，以直接測量雷射功率、能量或其它脈衝特性。
雖然例舉和描述了本發明的實施例，但意圖不是這些實施例例舉和描述本發明所有可能的形式。更確切地，本說明書中使用的詞是描述而不是限制的詞，且應理解，可進行各種變化而不偏離本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種基於雷射的材料處理方法，包括用具有第一能量密度的第一雷射輸出輻射材料，所述第一能量密度足夠高以產生可檢測的雷射輻射作為所述第一雷射輸出和所述材料相互作用的結果，並且足夠低以避免所述材料實質上的改變；檢測所述可檢測的雷射輻射的至少一部分，以產生代表所述材料的屬性的數據；分析所述數據；和根據所述分析的數據用雷射材料處理輸出來輻射目標材料，所述材料處理輸出具有處理能量密度，所述處理能量密度充分大於所述第一能量密度，並且足夠高以改變所述目標材料的物理屬性從而處理所述目標材料。
2.如權利要求1所述的方法，進一步包括產生第一控制信號以精確控制所述第一雷射輸出。
3.如權利要求2所述的方法，進一步包括產生第二控制信號以精確控制所述材料處理輸出。
4.如權利要求3所述的方法，進一步包括將至少一個所述控制信號設置在高信噪比操作範圍內，以使所述第一雷射輸出和所述材料處理輸出在寬動態範圍內被精確控制。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述至少一個設置的控制信號為模擬或數位訊號，且其中所述設置的步驟可包括對所述至少一個設置的控制信號進行的調製、放大、衰減、壓縮、擴展、尺度縮放、延遲、編碼和移位中的至少一個。
6.如權利要求4所述的方法，進一步包括選擇性地衰減所述至少一個設置的控制信號，以產生適當的第一雷射輸出和適當的雷射材料處理輸出中的至少一個。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述至少一個設置的控制信號為RF信號，及其中所述選擇性地衰減的步驟通過開關衰減器網絡實現。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述材料為所述目標材料。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述處理能量密度為所述第一能量密度的約1000倍。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述材料的屬性為光屬性或熱屬性。
11.如權利要求1所述的方法，其中所述材料的屬性為空間屬性。
12.如權利要求1所述的方法，其中所述數據表示所述目標材料的位置。
13.一種基於雷射的材料處理系統，包括脈衝雷射系統，其用於產生第一脈衝雷射束和第二脈衝雷射束，所述第一脈衝雷射束與物體的材料互相作用以產生雷射輻射，及所述第二脈衝雷射束在雷射處理操作中處理目標材料；至少一個定位器，其用於支持所述物體；測量子系統，其響應至少一部分所述雷射輻射執行測量操作，並產生相應的測量信號；系統控制器，其響應所述測量信號控制所述至少一個定位器和所述脈衝雷射系統；光束傳輸和聚焦組件，其連接到所述系統控制器以傳輸和聚焦所述雷射束；調製器，用於調製所述雷射束；和能量控制器，其連接到所述調製器，所述能量控制器用於在對於所述測量和雷射處理操作足夠大的動態範圍內精確控制所述雷射束的雷射輸出能量。
14.如權利要求13所述的系統，其中所述能量控制器包括開關衰減器網絡。
15.如權利要求13所述的系統，其中所述調製器包括聲光器件。
16.如權利要求13所述的系統，其中所述調製器包括電光器件。
17.一種方法，其用於在雷射輸出的源以外的位置精確控制所述雷射輸出的雷射能量，所述方法包括調節所述雷射能量以獲得掃描能量，所述掃描能量處在足夠低以在測量操作中非破壞性地掃描物體的能量範圍內；和調節所述雷射能量以獲得處理能量，所述處理能量處在足夠高以處理所述物體的目標材料的能量範圍內。
18.一種子系統，其用於在位於雷射輸出的源以外的光調製器處精確控制所述雷射輸出的雷射能量，所述子系統包括能量控制器，其產生用於所述調製器的輸出控制信號，其中來自所述調製器的雷射輸出能量在對於測量和雷射處理操作足夠大的動態範圍內被控制。
19.如權利要求18所述的子系統，其中所述能量控制器包括開關衰減器網絡。
20.如權利要求18所述的子系統，其中所述光調製器包括聲光器件。
21.如權利要求18所述的子系統，其中所述光調製器包括電光器件。
全文摘要
提供了基於雷射的材料處理方法、系統(150)和其中用於精確能量控制的子系統，其中體積衰減器(125)越過RF驅動器(102)輸出(0－2W)被轉換到非常低的總RF輸出(0－2W)和最終的每脈衝雷射能量。衰減器的值確定可獲得的能量範圍，pj或pj的一部分。多於一個衰減器和開關可用於獲得多個能量範圍。在體積衰減器(125)接通後，雷射能量極大地減少且RF驅動器然後可在SNR好得多的全RF功率附近再次運行。來自DAC的輸入電壓也高得多，所以輸入電壓也不在其範圍的低端，其中由於SNR較差輸入電壓在其範圍低端伴有噪聲。該方法和系統提供增加的動態範圍，較大的衰減性(儘可能低的能量)，較好的準確性和穩定性，後者是由於DAC輸入電壓的SNR較高和RF驅動器102中SNR較高。
文檔編號B23K26/04GK101095033SQ200580045693
公開日2007年12月26日 申請日期2005年12月28日 優先權日2004年12月30日
發明者詹姆士·J·科丁利 申請人:通明國際科技有限公司