串接光放大器的製作方法

2023-05-24 02:45:16 1

專利名稱：串接光放大器的製作方法
技術領域：
本發明關於雷射處理系統，且更明確地說，關於能夠在單位時間中處理大 量目標結構的雷射處理系統。
背景技術：
Q開關二極體泵激固態雷射已廣泛地用在雷射處理系統中。動態隨機存取 內存(DRAM)及雷同裝置的單脈衝處理所運用的雷射處理系統通常會使用Q 開關二極體泵激固態雷射。於此重要的工業應用中，通常會運用單雷射脈衝來 切割一導體連結線結構。於另一重要的工業應用中，則會使用Q開關二極體 泵激固態雷射來修整離散與埋置元件的阻值。
隨著對能夠在單位時間中處理大量目標結構的雷射處理系統的需求的持 續增加，所以，便需要替代性的雷射技術以及替代性的雷射處理系統架構。美 國專利申請公告案第US-2005-0067388號便說明一種此類雷射技術，該案已受 讓給本專利申請案的受讓人，於該項雷射技術中，由運用具有經過特殊設計的 強度輪廓的雷射脈衝的雷射系統與方法來達成對內存晶片或其它集成電路(IC) 晶片上的導體連結線進行雷射處理的目的，以達更佳的處理質量與產量。
美國專利申請公告案第US-2005-0041976號則說明一種運用能夠使用多 重雷射脈衝時間輪廓的雷射處理系統的方法，用以處理一個或多個半導體晶圓 上的半導體工作件結構，該案已受讓給本專利申請案的受讓人。

發明內容
本文所述的雷射系統的實施例的優點使用脈衝式光纖型的雷射源輸出，其 時間脈沖輪廓可被程序化以採用一脈沖形狀範圍。當要引導一雷射射束朝一特 定的工作件結構發出一脈衝時，該雷射系統便會施行選擇方法來選擇脈衝形 狀。脈衝式光纖雷射會受到尖峰功率限制，以防止出現非所希望的非線性效應，例如受激布裡恩散射效應及頻寬加寬效應。有效尖峰功率限制會隨著所採用的 光纖類型與設計以及對各項參數(例如頻語頻寬以及空間模式質量)的敏感性
而改變。在出現非所希望的效應之前的有效尖峰功率通常介於約500W及約 5KW之間。
為善用脈沖式光纖主振蕩器功率放大器(MOPA)並達成高尖峰功率輸出， 該裝置的雷射輸出功率實質上會在二極體泵激固態光功率放大器(DPSS-PA)中 被放大。DPSS-PA設計會將一脈沖式光纖MOPA所希望的低尖峰功率輸出放 大至更高的尖峰功率位準處，並且從而還會有效地提高指定脈沖重複頻率處每 個脈衝的可用能量。脈衝式光纖MOPA源與DPSS-PA的結合便稱為串接固態 光放大器。
使用二極體泵激固態放大器來放大一脈衝式光纖MOPA的雷射輸出功率 可達到的尖峰功率會高於一脈沖式光纖MOPA可直接再生的尖峰功率，不會 因非線性效應而產生輸出衰降。另外，使用二極體泵激固態雷射還可達到在操 作脈衝重複頻率處產生更高尖峰功率且讓每個脈沖具有更高能量的目的，同時 實質上還會保持該脈衝式光纖MOPA所產生的有用的脈衝輸出特徵。該有用 的特徵包含脈衝形狀、脈衝寬度、脈沖振幅穩定性、以及窄幅頻譜寬度。
從下文較佳實施例的詳細說明中，參考附圖，便可明白本發明的額外觀點 與優點。


圖1所示的為一串接光放大器的光學元件的較佳排列的方塊圖。
圖2所示的為圖1的串接光放大器的光學元件的更細部圖式。
圖3A、 3B、 3C、 3D、 3E、以及3F所示的為內含在圖2的串接光放大器
中的二極體泵激固態功率放大器的各種增益元件-光學泵激配置替代例。
圖3G所示的為一組示波曲線，以圖2的諧振轉換模塊輸出為例，該該區
線分別代表紅外光波長、綠光波長、以及紫外光波長的經過設計的椅狀脈衝形
狀時間輪廓。
圖4A所示的為一串接光放大器的替代實施例，本實施例中所使用的特定 光學元件不同於圖2的串接光放大器中所使用的光學元件，並且除了圖2的串
7接光放大器中所使用的光學元件之外，還使用其它的特定光學元件。
圖4B所示的為運用圖2的動態雷射脈沖修形器(DLPS)級與圖3A與3B 的二極體泵激固態(DPSS)放大器級的串接光放大器的替代實施例。 圖5A所示的為圖1的動態雷射脈衝修形器的替代實施例。 圖5B所示的為將圖5A的動態雷射脈沖修形器的輸出耦合至一多級DPSS 放大器以形成一脈衝拾取式超快速串接光放大器的串接光放大器的替代實施 例。
圖6所示的為應用至一二極體泵激固態功率放大器的脈衝式光纖輸出，其 運用頻率選擇元件來產生所希望的頻譜輸出特徵。
圖7A與7B所示的為圖2的二極體泵激固態功率放大器的輸出處可再生 的示範時間脈沖形狀。
圖8所示的為一雷射處理系統，其中運用到圖1的串接光放大器。
圖9所示的為一半導體晶圓的示意圖，在其工作表面上具有一目標對齊工 作件特徵圖案與多個半導體連結線結構。
具體實施例方式
圖1所示的為形成一串接光放大器10的光學元件的較佳排列的方塊圖。 串接光放大器10包含一動態雷射脈沖修形器(DLPS)12，其輸出會被光學耦合 至一光纖功率放大器(FPA)14之中並且被該光纖功率放大器14放大。FPA 14 的輸出會被耦合至一二極體泵激固態光放大器16之中並且被該二極體泵激固 態光放大器16放大。DLPS 12、 FPA14、或是兩者均含有頻率選擇元件(例如 布拉格光纖光柵或穩頻晶種振蕩器)，其可被選擇或被調整以從FPA14中產生 會有效地耦合至二極體泵激固態放大器16的發射波長的頻譜輸出。
圖2所示的為串接光放大器10的光學元件的更細部較佳實施例。在DLPS 12的較佳實施例中， 一雷射注射源24(其包含一晶種二極體)會受到一串接放 大器控制器28(圖l)的命令而發射連續波(cw)輸出，其會經由一光學調變器26 的調變而產生一合宜的第一雷射脈沖輪廓。雷射晶種源24會經過選擇，使其 中心波長與頻語寬度會有效地耦合至脈衝增益模塊30與32的增益頻譜及二極 管泵激固態放大器16的增益頻譜。或者，舉例來說，雷射注射源24亦可能為
8一由脈衝式半導體雷射或Q開關固態雷射所產生的脈沖式輸出。光學調變器 26可能包含一電光調變器、 一聲光調變器、或是另一合宜類型的光學調變器。 光學調變器26由一個或多個調變器-放大器級所組成，用以達到產生該第一激 光脈衝輪廓的用途。圖2顯示出一串聯排列的第一調變器-放大器級(其包含一 脈衝調變器34與脈衝增益模塊30)串接著一串聯排列的第二調變器-放大器級 (其包含一脈衝調變器36與脈沖增益模塊32)。該第一調變器-放大器級與第二 調變器-放大器級會共同運作以便在每個脈衝的第 一能量處產生一經過設計的 脈沖輸出以及在第一中心波長處產生一第一脈衝尖峰功率，其具有一經過設計 的第一輸出脈衝形狀時間輪廓。標準的光學隔絕器40(其可能為光纖耦合光學 隔絕器或巨形光學隔絕器)會被設置在該第 一級與第二級的該元件的輸入與輸 出處，以便防止在該光學元件串中傳播的光產生回授(feedback)。所產生的經 過設計的雷射脈衝輸出適合用來放大。在一替代實施例中，可共同運用單一脈 衝調變器30與單一脈衝增益模塊32,中間插設光學隔絕器40,用以產生一適 合用來放大的經過設計的雷射脈衝輸出。
可將一命令信號矩陣傳送至脈衝調變器34與36來程序化該串接放大器控
制器28，用以產生一雷射脈衝輪廓範圍，當將該雷射脈沖輪廓範圍套用至脈 衝增益模塊30與32時，其便會產生希望從DLPS 12輸出的經過轉換的雷射 脈衝輪廓。
在圖2中所示的較z法實施例中，從DLPS 12輸出的經過轉換的脈衝會4皮 注入模塊式光纖功率放大器(FPA)14之中。FPA模塊14含有功率放大器耦合 器，它們會讓DLPS 12的輸出以及功率放大器泵激雷射的輸出注入一功率放 大器增益光纖之中。熟習本技術的人士便會熟知，功率放大器耦合器可被放置 在該光纖的任一端或 兩端處。必要時，亦可將多個額外的功率放大器耦合器接 合至該光纖的長度之中。
更明確地說，圖2所示的模塊式FPA 14由一條功率放大器增益光纖 (PGAF)50所組成，其輸入端與輸出端分別被放置在功率放大器耦合器(PAC)52 與54之間。DLPS 12的輸出以及功率放大器泵激雷射(PAPL)56與58的輸出 會被施加至PAC 52的分離輸入處。PAGF 50的輸出及PAPL 62與64的輸出 則會被施加至PAC 54的分離輸入處。 一適合傳送至一;f莫塊式二極體泵激固態光功率放大器(DPSS-PA)16的經放大的DLPS輸出會傳播自PAC 54的輸出， 其會產生FPA模塊14的輸出。二極體泵激FPA模塊14會在每個脈衝的第二 能量處產生一經過設計的脈衝輸出以及第二脈衝尖峰功率，其經過設計的第二 輸出脈衝形狀時間輪廓實質上會與第 一 中心波長處的經過設計的輸入脈衝形 狀時間輪廓相同。
PAGF 50較佳的為一單模的偏光保持光纖並且可能含有頻率選擇結構。 PAGF50的第一實施例為一波導裝置，其矽砂纖核摻雜著稀土離子而纖殼則具 有由光學材料所製成的一或多個同心纖鞘。PAGF 50的第二實施例含有具有摻 雜著稀土離子的多個同心殼鞘。PAGF 50的第三實施例則為一光晶體纖維 (PCF),其中，該殼鞘或這些殼鞘含有高度周期性的氣孔分布。於一替代實施 例中，PAGF50為一多模光纖。熟練的人士便會明白，所使用的PAPL的數量 取決於所運用的PAGF 50的類型與長度以及從該FPA模塊14所輸出的光學脈 衝的所希望特徵。必要時，會由終端光學元件來對PAGF 50的輸出進行準直 與偏光。
FPA模塊14的輸出會被耦合至一模塊式DPSS-PA16。必要時，可運用射 束調整元件來產生用於傳送至一DPSS-PA增益元件74的正確的偏光與射束傳 播參數。 一光學隔絕器40(不過，圖中並未顯示)可運用在FPA模塊14的輸出 處及才莫塊式DPSS-PA 16的輸入處。DPSS-PA增益元件74較佳的為一固態泵 激物。以一解釋性範例來說，對PAGF 50的1064nm輸出來說，DPSS-PA增 益元件74較佳的為可選自目前各種已知的Nd攙雜固態泵激物，更佳的為， Nd: YV04或Nd: YAG。
圖3A、 3B、 3C、 3D、 3E、以及3F所示的為DPSS-PA 16的各種增益元 件-光學泵激配置替代例(DPSS-PA 16的不同實施例會以元件符號16及其對應 圖式的下標字母來表示)。
在圖3A中，從FPA模塊處14傳播的輸出會從高度反射的面鏡72處反射 偏離至一 DPSS-PA 16a的增益元件74之中。增益元件74會由一二極體泵激元 件80經由一雙色光學元件76來進行末端泵激。從增益元件74處傳播的脈衝 光會從雙色光學元件76處反射偏離並且離開DPSS-PA 16a,而當作串接光放 大器l餘出。在圖3B中，從FPA模塊處14傳播的輸出會從一雙色光學元件82!處反 射偏離並且進入至一 DPSS-PA 16b的增益元件74之中。增益元件74會由它們 個別相關聯的二極體泵激元件84!與842而經由雙色光學元件82t與822來進行 末端泵激。(在圖2中同樣顯示出此實施例的該光學泵激元件。)從增益元件74 處傳播的脈沖光會從雙色光學元件822處反射偏離並且離開DPSS-PA 16b，而 當作串接光放大器輸出。
在圖3C中，從FPA模塊處14傳播的輸出會進入一 DPSS-PA 16c的增益 元件74之中。增益元件74會由一二極體泵激元件86來進行側邊泵激。從增 益元件74處傳播的脈衝光會離開DPSS-PA 16c,而當作串接光放大器輸出。
在圖3D中所示的為DPSS-PA 16c的第一替代實施例，其為利用串聯排列 的增益元件74,與742來施行，該增益元件7+與742會由個別的二極體泵激元 件86!與862來進行側邊泵激以形成一 DPSS-PA 16d。從增益元件742處傳播的 脈衝光會離開DPSS-PA 16d，而當作串接光放大器輸出。
在圖3E中所示的為DPSS-PA16c的第二替代實施例，其為利用增益元件 74來施行，該增益元件74會由二極體泵激元件88!與882在兩個側邊進行泵 激以形成一DPSS-PA 16e。從增益元件74處傳播的脈沖光會離開DPSS-PA 16e, 而當作串接光放大器輸出。
在圖3F中，從FPA模塊處14傳播的輸出會以一角度從高度反射的面鏡 72處反射偏離至一 DPSS-PA 16f的增益元件74之中，該角度會經過選擇使傳 播穿過增益元件74的脈衝光會撞擊雙色光學元件76並且會第二次通過增益元 件74。增益元件74會由二極體泵激元件80經由雙色光學元件76來進行末端 泵激。從增益元件74處傳播的二次通過脈沖光接著便會離開DPSS-PA 16f， 而當作串接光放大器輸出。
熟練的人士便會了解，由合宜地排列反射元件與選擇增益元件維度，便可 施行額外的多次通過實施例。額外的多次通過實施例包含利用側邊泵激(例如 圖3C至3E中所示)及多個增益元件(例如圖3D中所示)所施行的實施例。 DPSS-PA 16a、 16b、 16c、 16d、 16e、以及16f等每一個實施例均含有一固態 增益媒介(其可能為棒狀、圓柱狀、圓盤狀、或是矩形的平行管狀)，並且會在 每個脈衝的第三能量處產生經過設計的脈衝輸出以及第三脈衝尖峰功率，其經過設計的第三輸出脈沖形狀時間輪廓實質上會與第 一 中心波長處的經過設計 的輸入脈衝形狀時間輪廓相等。
圖2所示的為其中一種設計方式，圖中的串接光;^文大器10的輸出會被耦 合至虛線所示的諧振轉換光學元件模塊90之中。諧振轉換光學元件模塊90 含有非線性晶體，用以經由熟知的諧振轉換技術來將一入射輸入脈衝轉換成較 高的諧振頻率。在將FPA模塊14所輸出的1064nm諧振轉換成355nm的第一 實施例中，諧振轉換光學元件模塊90含有用於進行第二諧振生成(SHG)轉換 的第二類非臨界相位匹配的三硼酸鋰(LBO)晶體，其後面則為用於進行第三諧 振生成(THG)轉換的第一類非臨界相位匹配的三硼酸鋰。在諧振轉換成266nm 的第二實施例中，則可利用臨界相位匹配的貝塔硼酸鋇(BBO)晶體來取代THG LBO晶體。在施行第四諧振生成(FHG)轉換成266nm的第三實施例中，則可 替代性地運用CLBO。於第四實施例中，接著會在一深UV非線性晶體(其可 能為貝塔硼酸鋇(BBO))之中來混合SHG(532nm)輸出與THG(355nm)輸出，用 以在213nm處產生第五諧振輸出。
諧振轉換光學元件模塊90會在每個脈衝的第四能量處產生經過設計的脈 衝輸出以及第四脈衝尖峰功率，其經過設計的第四輸出脈衝形狀時間輪廓會對 應於第二中心波長處的經過設計的輸入脈衝形狀時間輪廓的相關特點。
在圖2的串接光放大器10的較佳施行方式中，DLPS 12包含一穩頻半導 體雷射晶種源24，最佳的為，其會在中心波長為1064.4nm處發射，具有± 0.2nm 的中心波長公差，而且頻鐠頻脈衝寬度0.3nm,因此，DLPS12的輸出在頻譜 上會妥適地匹配於摻雜Yb的PAGF 50，並且接著會妥適地匹配於DPSS-PA 16。 熟習本技術的人士便會了解，此精確的頻譜匹配並非為有效操作FPA模塊14 的必要條件，不過卻會促成含有DPSS-PA 16為集成串接放大器的有效操作。 於一較佳的實施例中，DLPS 12與FPA模塊14為一經過設計的脈衝主振蕩器 光纖功率放大器的元件，該經過設計的脈衝主振蕩器光纖功率放大器的其中一 種範例在Deladurantaye等人的美國專利申請公告案第US2006/0159138號中便 作過說明。在其中一數值範例中，在100KHz處，約0.6W的經放大的DLPS 輸出在頻語上會妥適地匹配於DPSS增益元件74,其較佳的為0.3%摻雜的Nd'. YV04。於DPSS-PA 16的一4交佳實施例中，增益元件74的維度為3mm x 3mmx 15mm,並且為由單一 DPE元件8+來泵激。單一 DPE元件8+會將約30W 的808nm半導體二極體雷射泵激功率耦合至增益元件74之中。經放大的DLPS 輸出會在增益元件74中產生約500 ju m的束腰直徑。於此範例中，會在100KHz 處產生約6W的1064.4nm串接光放大器輸出。串接光力文大器10的1064.4nm 的脈衝振幅輪廓90股範例顯示在圖3G中。
接著便會將串接放大器輸出耦合至含有運作在約15(TC處4mm x 4mm x 20mm的第一類非臨界相位匹配的LBO晶體及運作在約30。C處的非臨界相位 匹配的第二類LBO晶體的諧振轉換光學元件模塊90之中，其中，兩個晶體之 中的束腰均約為50jum，其會產生約3W的532nm輸出及約0.5W的355nm 輸出。該諧振串接放大器輸出的時間輪廓顯示在圖3G中。
圖3G為以諧振轉換模塊90的輸出為例，分別顯示出紅外光波長 (1064.4nm)、綠光波長(532nm)、以及紫外光波長(355nm)的經過設計的椅狀脈 衝形狀時間輪廓90IR、 90GRN、以及90uv。圖3G顯示出較短波長的「椅背J 與r椅座J的總高度(也就是，功率位準)會較低，並且還顯示出每一道光波長 均有相關的椅狀輪廓特點。前迷三條時間輪廓會被視為實質忠實地複製經過設 計的輸入脈衝形狀時間輪廓。熟練的人士便會明白，諧振轉換模塊90可能會 產生中間諧振波長，舉例來說，IR波長^濾光波長+UV輸出波長，所以，本 文中的「第二波長」 一詞所指的為UV波長。諧振轉換光學元件模塊90的元 件可被置放在溫控基座之中，其溫度為使用一或兩個主動與被動回授循環，由 串接放大器控制器28來設定與控制，以便精確地控制相位匹配溫度。
圖4A所示的為一串接光放大器的替代實施例10，，其中，所使用的特定 光學元件不同於圖2中所示的串接光放大器10中所使用的光學元件，並且除 了圖2中所示的串接光放大器10中所使用的光學元件之外，還使用其它的特 定光學元件。圖4A顯示出一DLPS 12，，其為由一第一調變增益模塊級92與 一非必要的第二調變增益模塊級94串接所配置而成的。第一調變增益模塊級 92包含一脈衝調變器與一脈衝增益模塊，分別對應於圖2的脈衝調變器34與 脈衝增益模塊30;而第二調變增益模塊級94亦包含一脈衝調變器與一脈沖增 益模塊，分別對應於圖2的脈衝調變器36與脈衝增益模塊32。 一替代的施行 方式則為使用單一調變增益模塊92，連同中間的光學隔絕器40,共同來產生
13一適合用於放大的經過設計的雷射脈沖輸出。如圖2的DLPS 12的情況中所 示，可將一命令信號矩陣傳送至調變增益模塊級92與94中的脈衝調變器來程 序化串接放大器控制器28,用以產生一雷射脈沖輪廓範圍，當將該雷射脈衝 輪廓範圍套用至調變增益模塊級92與94時，其便會產生希望從DLPS 12，輸 出的經過轉換的雷射脈沖輪廓。
圖4A還顯示出FPA模塊14的輸出會被耦合至射束調整光學元件96用以 產生必要的射束屬性，以〗更有效地傳送至一調變器98。調變器98較佳的為聲 光類型，不過亦可能為電光類型。調變器98的輸出會被耦合至DPSS-PA 16 之中，其會如上面所述般地放大該經過設計的雷射脈沖輸出。
圖4B所示的為一串接光放大器的替代實施例10a，其中，圖3A中所示的 DPSS放大器16a取代了圖2中所示的串接光放大器10中所使用的FPA 14。 此取代會使得一串接光放大器運用DLPS主振蕩器及多個DPSS放大器級，其 中，DPSS放大器16a與16b分別為第一級DPSS放大器與第二級DPSS放大 器。第一級DPSS放大器16a通常會產生約30倍的信號增益。必要時，可將 光學隔絕器40設置在DPSS放大器16a與16b的輸出處，並且將耦合光學元 件裝置100設置在DPSS放大器16a與16b的輸入處，用以將輸入光聚焦至它 們的增益元件之中。
圖5A所示的為利用動態雷射脈衝修形器12"所建構的串接光放大器10"， 動態雷射脈沖修形器12"為動態雷射脈衝修形器12的替代實施例。明確地說， 圖5A所示的為利用一個或多個超快速脈衝式光纖雷射主振蕩器104所施行的 動態雷射脈衝修形器12"，其會在小於2.2jum但大於100nm的波長處發出小 於500ps但大於lfs的脈衝寬度的脈衝。脈衝式光纖主振蕩器104會在第一功 率Pi及第一頻率&處發射輸出，用以傳送至一被設置在兩個光學隔絕器40之 間的調變器106。由串接放大器控制器28傳送至調變器106的控制信號108 會在第二功率P2及第二頻率&處產生雷射脈衝修形器12，，的雷射輸出。雷射脈 衝修形器12"的輸出則會被施加至一窄頻鐠功率放大器110。
脈衝式光纖主振蕩器104與窄頻語光纖功率放大器110較佳的為含有頻率 選擇元件，以便產生適合供DPSS-PA 16進行後續放大的窄頻譜頻寬及所希望 的中心波長。該頻率選擇元件可能包含布拉格光纖光柵或穩頻晶種振蕩器。如圖5A中所示，串接放大器控制器28可能會送出控制信號108至調變器106, 用以將較高頻率f！的主振蕩器輸出除降至更適合有效放大的較低頻率f2處。f\ 的示範性範圍從20MHz至200MHz，而f2的示範性範圍則從1 OKHz至20MHz。 熟練的人士便會了解，&與f2之間的關係為ff^/n,其中，n為整數值。窄頻 鐠光纖功率放大器110的輸出會經由一耦合光學元件模塊112(其被設置在光 學隔絕器40之間)被傳送至DPSS-PA 16與非必要的諧振轉換光學元件模塊90。
圖5B所示的為串接光放大器的替代實施例lO"a,其中，已經移除窄頻i普 光纖功率放大器IIO並且利用一多級DPSS放大器16m來取代圖5A中所示的 串接光放大器IO"的DPSS放大器16。此配置會產生一脈衝拾取式超快速串接 光放大器，其中，超快速動態雷射脈衝修形器12"的輸出會被耦合至多級DPSS 放大器16m之中，接著其輸出便會被應用至諧振轉換光學元件模塊90。在第 一實施例中，多級DPSS放大器16m包含兩個單次通過、末端泵激的Nd: YV04 放大器，例如兩個DPSS-PA 16a或DPSS-PA 16b。在第二實施例中，多紹J改大 器16m包含兩個多次通過、末端泵激的Nd: YV04放大器，例如兩個DPSS-PA 16f。熟練的人士便會明白，在替代例中，亦可運用側邊泵激的Nd: YV04放 大器，並且還可運用另一固態增益々某介，例如Nd: YAG、 Nd: YLF、 Nd: YV04、 Nd: GdV04、 Nd: YAP、或Nd: LuV04。
圖6所示的為一串接光放大器10''',其和串接光放大器IO，，的差異在於脈 沖式光纖放大器輸出被施加至DPSS-PA 16'''，其含有經過選擇或調整的頻率選 擇元件(例如布拉格光纖光柵或穩頻晶種振蕩器)來產生所希望的頻語輸出特 徵。於該DPSS-PA 16'''之中會併入一鎖頻元件120,用以提供回授置窄頻語光 纖功率放大器IIO，用以幫助將其輸出頻鐠鎖頻至DPSS-PA 16'''的增益々某介的 增益頻譜處。使用回授可讓該經過設計的輸入脈衝多次通過DPSS-PA 16'''的增 益媒介。
圖7A與7B所示的為DPSS-PA 16的輸出處可產生的示範時間脈衝形狀。 於一較佳的實施例中，圖7A與7B中所示的時間脈衝形狀為經由對一功率放 大器(舉例來說，FPA 14)的脈衝形狀輸入進行合宜的調變而利用上面所述類型 的雷射脈衝修形器所產生的。調變方法可能包含由聲光調變器或電光調變器來 對該功率放大器的輸入進行二極體泵激調變或外部調變。對被供應至該功率放
15大器的泵激功率進行調變亦可用來進一步修正該雷射子系統所產生的時間脈 衝形狀。
如圖8中所示，串接光放大器10的優點為可充當一雷射處理系統200的 雷射源。 一系統控制計算機202會提供整體的系統操作命令給一 內建控制計算 機(ECC)204，串接放大器控制器28與一射束位置控制器(BPC)206則會響應該 系統操作命令。串接光放大器10會受控於串接放大器控制器28，其包含命令 與數據緩存器208及計時器210，它們會直接或間接地與ECC 204及BPC 206 進行通信。
控制器28會從內建控制計算機(ECC)204處接收命令並且從射束位置控制 器(BPC)206處接收信號，並且提供命令給串接光放大器10，用以進行脈沖發 射(經由外部觸發命令)與脈衝形狀控制。於一較佳的實施例中，控制器28會 從ECC 204處接收命令並且響應以依據工作件特徵圖案位置數據來協同BPC 206從一調變器控制器212送出外部觸發命令給串接光放大器10。調變器控制 器212會控制串接光放大器IO所發出的脈衝的發射時間與形狀。或者，串接 光放大器IO會發出具有脈衝間隔時間的脈沖，該脈衝間隔時間會被送至控制 器28、 ECC204、或兩者。於一較佳的實施例中，根據所發出的雷射脈沖會入 射的工作件特徵圖案的類型而定，ECC 204會命令串接光放大器10以產生一 特定的時間脈衝輪廓。實用的時間輪廓的解釋性範例顯示在圖7A與7B之中。 舉例來說，為掃描一晶圓樣品222上的一 目標對齊工作件特徵圖案220，如圖 9中所示，非常低的尖峰功率及每道脈衝非常低的能量可能比較有利，如此便 不致於會破壞該特徵圖案。半導體內存連結線結構224則可能以較高的尖峰功 率及每道脈衝較高的能量來處理會最為有利。
熟習本技術的人士便會明白，對半導體的雷射處理及其它類型的工作件來 說，如果可採用廣泛的較佳尖峰功率、每道脈沖的能量數額、以及時間能量輪 廓的話則可能會極具吸引力。所以，便希望有一種方法與設備能讓一雷射處理 系統的使用者來程序化要用於可能會在一晶圓或多個晶圓上碰到的一特定工
作件群的時間輪廓。
此種方法與設備包含以符合需求的方式來測量與校正相關雷射處理參數 (例如時間輪廓、每道脈沖的能量、以及被聚焦射束傳播屬性)的範圍的儀器。如圖8中所示，系統光學元件226較佳的為可能包含一光偵測模塊228，其可 用來偵測入射雷射輸出及反射自該工作表面的雷射輸出。光偵測模塊228較佳 的為含有一能夠對被偵測到的光信號(例如入射雷射輸出信號及反射雷射輸出 信號)進行精密數位化的光偵測器電路，從而允許有效地數位化該入射脈衝波 形及反射脈衝波形。此種方法與設備會以符合需求的方式來測量該入射雷射波 形及反射雷射波形，以允許計算與校正時間輪廓、時間輪廓變異、脈衝振幅穩 定性、脈沖能量穩定性、以及每道脈衝的能量。熟習本技術的人士便會了解， 接著在該雷射波長處具有變化劇烈的反射率的目標區域之上掃描該雷射射束 便能夠提供一種測量與校正方法，用以測量與校正該雷射射束的聚焦點尺寸屬 性。
在運用串接光放大器10的雷射處理系統200的一較佳實施例中，如圖8 中所示，串接放大器輸出會被施加至雷射線軌光學元件230與系統光學元件 226。系統光學元件226的輸出會由摺疊面鏡232被導向一 Z定位機制234, 其可能含有一透鏡元件，用以接著傳送至目標樣品222的工作表面236,以便 對工作件特徵圖案(舉例來說，目標對齊特徵圖案220與內存連結線結構224) 進行雷射處理。BPC 206會提供X-Y坐標定位信號來將一 X-Y定位機制240 引導至讓Z定位機制234的輸出能夠處理一所希望目標特徵圖案的位置處。 X-Y定位機制240會從BCP 206的緩存器242中接收命令位置信號並且將實 際的位置信號導向至BCP206的位置編碼器244, BCP206包含一比較器模塊 246，其會決定一位置差異值並且將其發送至計時器210。計時器210會響應 以傳送一經過正確計時的觸發信號，以便在雷射線軌光學元件230中操作一聲 光調變器248，其會調變串接光放大器IO的輸出。熟習本技術的人士便會了 解，串接光放大器10所輸出的脈沖可被導向至諧振轉換模塊90之中，並且接 著會由雷射線軌光學元件230與系統光學元件226被傳送至工作表面236，以 便對工作件特徵圖案進行諧振雷射處理。
熟習本技術的人士便會了解，可運用替代的雷射處理系統元件排列，並且 可由一運用串接光^:大器10的雷射處理系統來處理各種的工作件。
熟習本技術的人士便會明白，在不脫離本發明的基本原理下可對上面所述 的實施例的細節進行眾多變化。所以，本發明的範疇由下面的申請專利範圍來 決定。
1權利要求
1.一種串接光放大器，其包括一串接放大器控制器；一動態雷射脈衝修形產生器，其響應於該串接放大器控制器發射經過設計的脈衝頻譜輸出，該雷射脈衝修形產生器包含一脈衝式光纖型雷射源，其配置成用以在一操作脈衝重複頻率處於第一尖峰功率、第一脈衝能量、以及經過設計的時間脈衝輪廓處產生該經過設計的脈衝頻譜輸出；一固態光放大器，在運作上與該雷射脈衝修形產生器相關聯並且具有一放射波長；以及一頻率選擇裝置，在運作上與該脈衝式光纖型雷射源及該固態光放大器相關聯，用以將該經過設計的脈衝頻譜輸出有效地耦合至該固態光放大器的放射波長，並且從而讓該固態光放大器來產生經放大的雷射輸出，其特徵是在第二尖峰功率與一第二脈衝能量處實質忠實地複製該經過設計的脈衝頻譜輸出的該經過設計的時間脈衝輪廓，該第二尖峰功率與該第二脈衝能量分別大於該第一尖峰功率與該第一脈衝能量。
2. 如權利要求1所述的串接光放大器，其中，脈沖式光纖型雷射源包含一 雷射振蕩器，其被光學耦合至一光纖功率放大器，用以產生該脈衝雷射輸出。
3. 如權利要求2所述的串接光放大器，其中，該雷射振蕩器包含一個或多 個二極體雷射。
4. 如權利要求1所述的串接光放大器，其中，該脈沖式光纖型雷射源包含 一光纖功率放大器，其具有一輸出以提供該脈衝雷射輸出經過設計的時間脈沖 輪廓，該光纖功率^:大器包含一功率放大器增益光纖。
5. 如權利要求4所述的串接光放大器，其中，該功率放大器增益光纖為大 模面積光纖類型。
6. 如權利要求4所述的串接光放大器，其中，該功率放大器增益光纖包含 選自由下面所組成之群中的一或多個摻雜物釹Nd、鐿Yb、鈥Ho、鉺Er、 鏑Dy、鐠Pr、銩Tm、以及鉻Cr。
7. 如權利要求4所述的串接光放大器，其中，該功率放大器增益光纖為多模光纖類型。
8. 如權利要求4所述的串接光放大器，其中，該功率放大器包含一光晶體 光纖放大器級。
9. 如權利要求4所述的串接光放大器，其中，該功率放大器包含多個光晶 體光纖放大器級。
10. 如權利要求1所述的串接光放大器，其中，該固態光放大器包含一二 極管泵激固態功率放大器。
11. 如權利要求IO所述的串接光放大器，其中，該二極體泵激固態功率放 大器包含一^L一或多個二極體泵激元件側邊泵激的增益元件。
12. 如權利要求IO所述的串接光放大器，其中，該二極體泵激固態功率放 大器包含一^C一或多個二極體泵激元件末端泵激的增益元件。
13. 如權利要求IO所述的串接光放大器，其中，該二極體泵激固態功率放 大器包含多個增益元件，每一個均被一或多個不同的二極體泵激元件側邊泵 激。
14. 如權利要求IO所述的串接光放大器，其中，該二極體泵激固態功率放 大器包含多個增益元件，每一個均被一個或多個二極體泵激元件末端泵激。
15. 如權利要求IO所述的串接光放大器，其中，該二極體泵激固態功率放 大器包含多次通過、末端泵激的增益元件。
16. 如權利要求IO所述的串接光放大器，其中，該二極體泵激固態功率放 大器包含多次通過、側邊泵激的增益元件。
17. 如權利要求1所述的串接光放大器，其中，該脈衝式光纖型雷射源包 含一二極體泵雷射纖主振蕩器，其在介於約100nm與約2.2Mm之間的波長處 發出介於約lfs與約500ps之間的脈衝寬度的脈衝雷射輸出。
18. 如權利要求1所述的串接光放大器，其中，該脈沖式光纖型雷射源包 含一光纖雷射主振蕩器，其在光學上與一在介於約100nm與約2.2um之間的 波長處發出介於約lfs與約500ps之間的脈衝寬度的脈衝雷射輸出的光纖功率 ;改大器相關聯。
19. 如權利要求1所述的串接光放大器，其中，該脈沖式光纖型雷射源包 含一光纖雷射主振蕩器。
20. 如權利要求1所述的串接光放大器，其中，該動態雷射脈沖修形產生 器包括一主振蕩器，其包含至少一調變器-放大器級用以在一脈衝能量、 一脈衝 尖峰功率、以及一第一中心波長的經過設計的脈沖時間輪廓處產生一經過設計 的主振蕩器脈衝輸出；以及一光學泵雷射纖功率放大器，其響應於該經過設計的主振蕩器脈衝輸出而 在一脈沖能量、 一脈衝尖峰功率、以及一位於該第一中心波長且實質等於該經 過設計的主振蕩器脈衝輸出的該經過設計的脈衝時間輪廓的經過設計的脈衝 時間輪廓處產生一經過設計的光纖功率放大器脈沖輸出。
21. 如權利要求20所述的串接光放大器，其中，該固態光放大器包含選自 由下面所組成^Jf中的一固態增益々某介Nd: YV04、 Nd: YAG、 Nd: YLF、 Nd: YAP、 Nd:玻璃、Nd: LuV04、以及Nd: GdV04。
22. 如權利要求1所述的串接光放大器，其中，該經放大的雷射輸出的特 徵為在第一中心波長處實質忠實地複製該經過設計的時間脈衝輪廓，並且進一 步包括在光學上與該固態光放大器相關聯的光學諧振轉換器，用以轉換該第一 中心波長並且在短於該第 一 中心波長的第二中心波長處產生一諧振轉換器輸 出。
23. 如權利要求22所述的串接光放大器，其中，產生該諧振轉換器輸出所結果的第二尖峰功率。
24. 如權利要求1所述的串接光放大器，其中，該脈衝式光纖型雷射源包 括多個二極體泵雷射纖放大級，用以形成該經過設計的脈沖頻譜輸出。
25. 如權利要求24所述的串接光放大器，其中，該多個二極體泵雷射纖放 大級包含第一二極體泵激放大光纖與第二二極體泵激放大光纖，該第一二極體 泵激放大光纖產生一第 一輸出脈沖形狀，其被耦合至該第二二極體泵激放大光 纖之中，用以形成該經過設計的脈衝頻鐠輸出。
26. 如權利要求1所述的串接光放大器，其中，該脈衝式光纖型雷射源在 光學上與該多個二極體泵激固態放大級相關聯，用以形成該經過設計的脈衝頻 語輸出。
27. 如權利要求1所述的串接光放大器，其中，該固態光放大器具有一增 益頻譜，且其中，該脈沖式光纖型雷射源包括具有一輸出波長的二極體雷射與 具有一增益頻語的光纖功率放大器，該二極體雷射的輸出波長密切地匹配於該 光纖功率放大器的增益頻i普與該固態光放大器的增益頻譜。
28. 如權利要求27所述的串接光放大器，其中，該二極體雷射為連續波類 型並且被光學耦合至一光學調變器，其調變該連續波二極體雷射的輸出。
29. 如權利要求27所述的串接光放大器，其中，該二極體雷射為脈衝式類型。
30. 如權利要求1所述的串接光放大器，其中，該脈衝式光纖型雷射源包 含一光晶體光纖類型的功率^L大器增益光纖。
31. 如權利要求1所述的串接光放大器，其中，該固態光放大器接收一從 該經過設計的脈衝頻譜輸出處所推知的經過設計的輸入脈沖，並且進一步包括 被光學耦合至該頻率選擇裝置的增益媒介，以^3上該經過"i殳計的輸入脈衝多次 通過該增益媒介。
32. 如權利要求1所述的串接光放大器，其包括一雷射處理系統的子系統， 其引導對應於該經》文大雷射輸出的處理雷射輸出，用以處理一 目標樣品的工作 件特徵圖案，並且包含一雷射射束位置控制器，其提供命令定位信號給一射束定位機制，該處理 雷射輸出入射在該射束定位機制之上；以及一系統控制計算機，其提供操作命令，該串接放大器控制器與該射射束位 置控制器響應該操作命令使具有 一所希望時間脈衝輪廓的處理雷射輸出被引A S ;古日由且古一 W嶽切T ^^生^Hn:圖垂苕
33. 如權利要求32所述的串接光放大器，其中， 一工作件特徵圖案的處理 包含將半導體工作件做微加工。
34. 如權利要求33所述的串接光放大器，其中，該半導體工作件微加工包 含半導體連結線處理。
全文摘要
本發明的雷射系統實施例的優點為使用脈衝式光纖型雷射源(12)輸出，其時間脈衝輪廓可被程序化以採用一脈衝形狀範圍。脈衝式光纖雷射具有尖峰功率限制，以避免發生非所希望的非線性效應；所以，該裝置的雷射輸出功率接著會在一二極體泵激固態光功率放大器(DPSS-PA)(16)中被放大。該DPSS-PA會將一脈衝式光纖主振蕩器功率放大器(14)所欲求的低尖峰功率輸出放大至更高的尖峰功率位準處，並且從而還會有效地提高一指定脈衝重複頻率處每道脈衝的可用能量。該脈衝式光纖主振蕩器功率放大器與該二極體泵激固態功率放大器的結合便稱為串接固態光放大器(10)。
文檔編號H04B10/17GK101496320SQ200780028076
公開日2009年7月29日 申請日期2007年7月25日 優先權日2006年7月27日
發明者任文升, 大衛·M.·海明威, 布萊恩·W.·拜爾德, 彭曉源 申請人:伊雷克託科學工業股份有限公司