DE60009348T2 - Energie-effiziente, laser-basierte verfahren und vorrichtung zur verarbeitung von materialtarget - Google Patents

Energie-effiziente, laser-basierte verfahren und vorrichtung zur verarbeitung von materialtarget Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein energieeffizientes, auf einem Laser basierendes Verfahren und ein System zum Bearbeiten von Target-Material, wie dies in dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1 und 24 jeweils angegeben ist. Ein solches auf einem Laser basierendes System ist aus der US-A-5694408 bekannt. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf die Verwendung eines gepulsten Laserstrahls, um einen Bereich eines Schaltungselements auf einem Halbleitersubstrat zu ablatieren oder in anderer Weise zu verändern, und ist insbesondere anwendbar, um Metall-, Polysilizid- und Polysilizium-Verbindungen für eine Speicherreparatur zu verdampfen. Eine weitere Anwendung kann in auf Laser basierenden Mikrobearbeitungs- und anderen Reparaturoperationen gefunden werden, insbesondere dann, wenn es erwünscht ist, eine mikroskopische Struktur ohne Beschädigen von umgebenden Bereichen und Strukturen zu ablatieren und zu modifizieren, die oftmals keine homogenen, optischen und thermischen Eigenschaften haben. Ähnlich können Materialbearbeitungsoperationen bei anderen, mikroskopischen Halbleitervorrichtungen angewandt werden, zum Beispiel bei der mikroelektromechanischen Bearbeitung. Medizinische Anwendungen nur für das auf einem Laser basierende System können auch vorhanden sein, wie beispielsweise eine mikroskopische Gewebe- oder Zellenablation mit Miniaturfaseroptikfühlern.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Halbleitervorrichtungen, wie beispielsweise Speicher, besitzen typischerweise leitende Verbindungen, die an einer transparenten Isolatorschicht, wie beispielsweise Siliziumoxid, angeklebt sind, das durch das Hauptsiliziumsubstrat getragen ist. Während einer Laserbearbeitung solcher Halbleitervorrichtungen erreicht, während der Strahl auf die Verbindung oder das Schaltungselement auftrifft, einiges der Energie auch das Substrat und andere Strukturen. In Abhängigkeit von der Energie des Strahls, der Zeitdauer einer Aufbringung des Strahls und anderen Betriebsparametern, kann das Siliziumsubstrat und/oder ein angrenzender Bereich überhitzen und beschädigt werden.
  • Einige Referenzen des Stands der Technik lehren die Wichtigkeit einer Wellenlän- genselektion als ein kritischer Parameter für das Kontrollieren einer Substratbeschädi gung. Die US-Patente Nr.'n 4,399,345, 5,265,114, 5,473,624, 5,569,398 offenbaren die Vorteile einer Wellenlängenselektion in dem Bereich über 1,2 μm hinaus, um eine Beschädigung von Siliziumsubstraten zu vermeiden.
  • Die Offenbarung des vorstehend angeführten '759 Patents befasst sich weiterhin mit den Wellenlängencharakteristika von Silizium. Die Absorption in Silizium fällt schnell über ungefähr 1 Mikron mit einer Absorptionskante von ungefähr 1,12 Mikron bei Raumtemperatur ab. Unter Wellenlängen größer als 1,12 Mikron beginnt das Silizium damit, mehr und einfacher zu transmittieren, und, demzufolge, ist es möglich, bessere Erträge an Teilen unter Entfernen von Material von dem Silizium zu erhalten. In dem Bereich um ein Mikron herum verringert sich der Absorptionskoeffizient um einen Faktor von vier Größenordnungen, von 0,9 Mikron bis 1,2 Mikron reichend. Ausgehend von einer Standardlaserwellenlänge von 1,047 Mikron bis 1,2 Mikron zeigt die Kurve einen Abfall von zwei Größenordnungen. Dies zeigt eine drastische Änderung in der Absorption für eine sehr geringe Änderung in der Wellenlänge. Demzufolge verhindert der Betrieb des Lasers bei einer Wellenlänge über die Absorptionskante des Substrats hinaus eine Beschädigung an dem Substrat, was insbesondere dann wichtig ist, wenn eine leichte Fehlausrichtung des Laserstrahls in Bezug auf die Verbindung vorhanden ist oder wo sich der fokussierte Fleck über die Verbindungsstruktur hinaus erstreckt. Weiterhin verschiebt sich, wenn die Substrattemperatur während der Bearbeitung ansteigt, die Absorptionskurve, was eine weitere Verschiebung zu dem infraroten Bereich hin bewirkt, was zu thermischen Runaway-Zuständen und einer katastrophalen Beschädigung führt.
  • Das Problem einer Flüssigkristallreparatur ist ähnlich zu dem Problem einer Metallverbindungsablation. Das Wellenlängenauswahlprinzip für ein Maximieren eines Absorptionskontrastes wurde vorteilhaft in dem grünen Wellenlängenbereich in einer Art und Weise analog zu den vorstehenden Angaben für denselben Zweck angewandt – nämlich Entfernen von Metall ohne eine Substratbeschädigung. Das System, hergestellt durch Florod, ist in der Veröffentlichung „Xenon Laser Repairs Liquid Crystal Displays", LASERS AND OPTRONICS, Seiten 39–41, April 1988, beschrieben.
  • Gerade da eine Wellenlängenauswahl als vorteilhaft bestätigt worden ist, ist erkannt worden, dass andere Parameter eingestellt werden können, um das Laserbearbeitungsfenster zu verbessern. Zum Beispiel wurde in „Computer Simulation of Target Link Explosion in Laser Programmable Redundancy for Silicon Memory", L. M. Scarfone und J. D. Chlipala, 1986, Seite 371, angeführt „It is desirable that laser wavelenghts and various material thicknesses be selected to enhance the absorption for the link removal process and reduce it elsewhere to prevent damage to the remainder of the structure". Die Nützlichkeit, allgemein, von dickeren, isolierenden Schichten unterhalb von Verbindungen oder Schaltungselementen und die Nützlichkeit einer Begrenzung der Dauer von Erwärmungsimpulsen ist auch erkannt worden, wie in dem Dokument, mit dem vorliegenden Anmelder als Co-Autor, „Laser Adjustment of Linear Monolithic Circuits", Litwin and Smart, 100/L.I.A., Vol. 38, ICAELO (1983), angegeben ist.
  • Das '759 Patent lehrt die Abwägungen, die bei der Auswahl der längeren Wellenlängen – spezifisch Kompromisse in Bezug auf Fleck- bzw. Spotgröße, Tiefe des Fokus und Impulsbreite, erhältlich von Nd:YAG-Lasern – existieren. Diese Parameter sind von einer kritischen Wichtigkeit bei der Laserbearbeitung unter zunehmend feineren Dimensionen, und wo Änderungen einer gleichzeitigen Beschädigung an umgebenden Strukturen existieren.
  • Tatsächlich ist irgendeine Verbesserung, die das Bearbeitungsfenster vergrößert, vorteilhaft, da die Industrie fortfährt, Mikrostrukturen und die zugeordneten Geometrien mit höherer Dichte, die ein Teil von einem Mikron in der Tiefe oder einer lateralen Dimension sind, zu fördern. Die Toleranzen einer Energiekontrolle und einer Target-Absorption werden groß verglichen mit der Energie, die dazu erforderlich ist, die Mikrostruktur unter diesem Maßstab zu bearbeiten. Es sollte aus der vorstehenden Diskussion erkannt werden, dass Laserbearbeitungsparameter nicht notwendigerweise in Mikrobearbeitungsanwendungen, wo ein kleiner Laserfleck, ungefähr 1 μm, erforderlich ist, unabhängig sind. Zum Beispiel werden die Fleckgröße und die Impulsbreite allgemein mit kurzen Wellenlängen minimiert, beispielsweise geringer als 1,2 μm, allerdings wird der Absorptionskontrast nicht maximiert. Hersteller von Halbleitervorrichtungen fahren typischerweise mit einer Produktion von früher entwickelten Produkten fort, während die Produktion von fortschrittlicheren Versionen entwickelt und vorgenommen werden, die typischerweise unterschiedliche Strukturen und Prozesse einsetzen. Viele derzeitige Speicherprodukte setzen Polysilizid- oder Polysiliziumverbindungen ein, während kleinere Verbindungsstrukturen aus Metall für fortschrittlichere Produkte verwendet werden, wie beispielsweise die Speicher mit 256 Megabit. Verbindungen mit einer Breite von 1 Mikron und einer Tiefe von 1/3 Mikron, die auf einer dünnen Siliziumoxidschicht von 0,3 bis 0,5 Mikron liegen, werden in solchen gro ßen Speichern verwendet. Produktionseinrichtungen haben traditionell gütegeschaltete (Q-switched), diodengepumpte YAG-Laser und eine entsprechende Ausstattung, geeignet zum Arbeiten bei herkömmlichen Wellenlängen von 1,047 μm–1,32 μm, und eine entsprechende Ausstattung, die zum Arbeiten in dem Wellenbereich geeignet ist, erkannt hinsichtlich der niedrigen Absorption durch Silizium, verwendet. Allerdings erkennen diese Benutzer auch die Vorteile von Verbesserungen in der Ausstattung, was zu einer sauberen Trennung von Verbindungsstrukturen ohne das Risiko von späteren Chip-Fehlern aufgrund eines leitfähigen Rests oder einer Kontamination nahe der Ablationsstelle führt.
  • Andere Freiheitsgrade umfassen Laserimpulsenergiedichte (zugeführt zu dem Target) und Impulsdauer. Es ist im Stand der Technik gelehrt worden, dass eine Impulsbreite begrenzt werden sollte, um eine Beschädigung in Mikrobearbeitungsanwendungen zu vermeiden. Zum Beispiel ist in dem US-Patent 5,059,764 eine Laserbearbeitungsstation offenbart, bei der ein gütegeschaltetes (Q-switched) Lasersystem verwendet wird, um, unter anderem, relativ kurze Impulse in der Größenordnung von 10–50 ns zu erzeugen. Es wurde offenbart, dass, für Materialbearbeitungsanwendungen (ähnlich einer Halbleiterspeicherreparatur über ein Verbindungs-Blowing bzw. Ausblasen und einem Präzisions-Gravieren) die Ausgangsimpulsbreite relativ kurz sein sollte – und dass eine Impulsbreite geringer als 50 ns in vielen Anwendungen, zum Beispiel 30 ns, erforderlich ist. Die geeignete Auswahl einer Impulsbreite dient für eine Ablation (verdampfen ohne schmelzen).
  • Das Design eines gepulsten Hochgeschwindigkeitslasers kann eine gütegeschal tete (Q-switched), eine verstärkungsgeschaltete oder eine mode-verriegelte Operation verwenden. Die Impulsdauer und -form von standardmäßigen, gütegeschalteten und anderen, gepulsten Lasern kann bei einem fundamentalen Niveau durch Integrieren der gekoppelten Ratengleichungen, die die Populations-Inversion und die Photonenzahldichte relativ zu dem lasernden Schwellwert zu Beginn des Impulses beschreiben, approximiert werden. Für den gütegeschalteten Fall bedeutet dies, dass, in einem normierten Maßstab, je höher die Anzahl von Atomen in der invertierten Population relativ zu dem Schwellwert ist, desto schneller die Impulsanstiegzeit ist, desto schmaler die Breite ist und desto höher die Peakenergie ist. Wenn das Verhältnis abnimmt, wird die Impulsform breiter mit einer niedrigeren Energiekonzentration.
  • Oftmals gleichen gütegeschaltete Laserimpulse einer temporären Gauss'schen Verteilung oder einer Mischung einer Gauss'schen Verteilung mit einem exponentiellen, abfallenden Ende. Wie in dem '759 Patent offenbart ist, sind die diodengepumpten Systeme mit kürzerer Wellenlänge dazu geeignet, relativ kurze Impulse, ungefähr 10 ns, zu erzeugen, wenn bei den halben Energiepunkten gemessen wird (d. h. Standarddefinition einer Impulsdauer), und werden in einem bevorzugten Wellenlängenbereich betrieben. Ungeachtet eines erfolgreichen Betriebs hat der Anmelder verschiedene Grenzen herausgefunden, die der temporären Impulsformcharakteristik von standardmäßigen, diodengepumpten, gütegeschalteten Lasersystemen zugeordnet sind, einschließlich der praktischen Anstiegzeit-Grenzen, der Energieverteilung zwischen den Punkten beim halben Maximum und der Impulsabfallcharakteristik, die, wenn sie unter Verwendung des Verfahrens und des Systems der vorliegenden Erfindung verbessert werden, merkbar bessere Ergebnisse in der Metallverbindungs-Ausblas-Anwendung führen.
  • Während der weiteren Beschreibung bezieht sich „Impulsformung" auf die Erzeugung eines Laserimpulses, der mit einem Detektor für elektromagnetische Strahlung erfasst werden soll, wobei sich „Form" auf die Leistung an dem Detektor als eine Funktion der Zeit bezieht. Weiterhin bezieht sich „Impulsbreite" oder „Impulsdauer" auf die volle Breite bei dem halben Maximum (full width at half maximum – FWHM), ohne dass dies in anderer Weise angegeben ist. Auch beziehen sich gütegeschaltete Impulse bzw. Q-Switched-Impulse zusammen auf eine temporäre Verteilung von Impulsen, erhalten in, zum Beispiel, standardmäßigen, gütegeschalteten Systemen, die eine Mischung aus einer im Wesentlichen Gauss'schen, zentralen Keule mit einem relativ langsam abfallenden, exponentiellen Ende ähnlich sein können. Diese Wellenformen werden formal als „Q-switched pulse envelope" („gütegeschaltete Impuls-Einhüllende") in der Laserliteratur bezeichnet. 1c stellt solche Impulse dar.
  • In dem US-Patent 5,208,437 (d. h. das '437 Patent) wurde eine Impulsbreitenspezifikation von weniger als 1 ns für eine Speicherreparaturanwendung spezifiziert. Eine frühere Arbeit durch die Co-Erfinder des '437 Patents, offenbart in „Laser Cutting of Aluminium Thin Film With No Damage to Under Layers", ANNALS OF THE CIRP, Vol. 28/1, 1979, schloss experimentielle Ergebnisse mit relativ kurzen Laserimpulsen, die eine „Gauss'sche" Form haben, wie dies vorstehend definiert ist, ein. Die Ergebnisse zeigten an, dass ein „erwünschter Bereich des Zwischenverbindungsmusters", das aus Aluminium oder dergleichen hergestellt ist, geschnitten werden kann, ohne dass die Schicht, angeordnet unterhalb des Zwischenverbindungsmusters, beschädigt wird. Spezifikationen der Impulsbreite von im Wesentlichen 1 ns oder geringer mit einer Energiedichte von im Wesentlichen 106 W/cm2 wurden für die Vorrichtung offenbart. Allerdings war keine Offenbarung in Bezug auf ein Verfahren für eine temporäre Impulsformung vorhanden, obwohl der Strahl räumlich so geformt wurde, um dem Zwischenverbindungsmuster zu entsprechen. Weiterhin sind Analysen des Anmelders in Bezug auf Speichervorrichtungen mit hoher Dichte, die mehrere Schichten haben, mit spezifizierten Impulsbreiten in dem ultrafernen Bereich, der mit dem 100–300 ps, verwendet in dem '437 Patent, angenähert wird, nicht zufriedenstellend gewesen ist. Um diese Einschränkung zu beseitigen, wäre es derzeit erforderlich, dass das ultraschnelle Lasersystem mehrere Impulse zum Bearbeiten jeder Target-Stelle erzeugt, was die Laserbearbeitungsrate auf ein nicht-akzeptierbares Niveau verlangsamen würde.
  • Um mit dem ultraschnellen Maßstab fortzufahren, sind experimentielle Ergebnisse für Mikrobearbeitungsvorgänge offenbart worden. Die ultraschnellen Impulse haben Dauern in der Größenordnung von fs (10–15 sec} bis ps (10–12), und setzen, unter dem verringerten Maßstab, Materialeigenschaften in dem atomaren und molekularen Bereich ein, die grundsätzlich unterschiedlich zu solchen sind, die in dem Bereich von mehreren Hundert ps bis ns vorgefunden werden.
  • In dem US-Patent 5,656,186 und der Veröffentlichung „Ultrashort Laser Pulses tackle precision Machining", LASER FOCUS WORLD, August 1997, Seiten 101–118, wurden Bearbeitungsvorgänge bei mehreren Wellenlängen analysiert, und Größen von bearbeiteten Merkmalen, wesentlich kleiner als die diffraktions-begrenzte Fleckgröße des fokusierten Strahls, wurden demonstriert.
  • Lasersysteme für eine ultraschnelle Impulserzeugung variieren in der Komplexität und sind beispielhafte Ausführungsformen und sind in US-Patenten 5,920,668 und 5,400,350, und in „Ultrafast Lasers Escape The Lab", PHOTONICS SPECTRA, July 1998, Seiten 157–161, beschrieben. Die Ausführungsformen umfassen allgemein Verfahren für ein Impuls-Stretching von Moden-verriegelten ultraschnellen Impulsen vor einer Verstärkung, um eine Verstärkersättigung, gefolgt durch eine Kompression zu extrem schmalen Breiten, zu vermeiden. Diese Technologie hält ihr Versprechen für eine bestimmte Klasse von Mikrobearbeitungs- und möglicherweise „Nanobearbeitungs-" Operationen im kleineren Maßstab, wobei sich letzteres vorteilhaft durch Bearbeitung unterhalb der Diffraktionsgrenze anbietet. Allerdings hat der Anmelder praktische Grenzen derzeit in Bezug auf die verfügbare Energie in jedem Impuls für Anwendungen, ähnlich einem Metall-Verbindungs-Blowing bzw. Ausblasen und ähnlichen Mikrobearbeitungsanwendungen entdeckt, die zu dem nicht-akzeptierbaren Erfordernis für mehrfache Impulse führen.
  • Die Wünsche des Anmelders, auf der rationalen Basis in Bezug auf die Verwendung eines kurzen Impulses zu arbeiten, wobei ein Impuls mit schneller Anstiegzeit in den nachfolgenden Absätzen als die Gründe angegeben ist, sind zahlreich, und eine Anzahl von theoretischen und empirischen Veröffentlichungen und von Büchern ist in Bezug hierauf geschrieben worden. Eine Ablation von Metallverbindungen wird als ein Beispiel herangezogen, obwohl sich die Prinzipien auf viele Laserbearbeitungsanwendungen erstrecken, wo ein Target-Material durch ein Material umgeben ist, das wesentliche unterschiedliche optische und thermische Eigenschaften besitzt. Die folgenden Referenzen 1–3 sind Beispiele:
    • 1. John F. Ready, Effects of High Power Laser Radiation, ACADEMIC PRESS, New York 1971, Seiten 115–116.
    • 2. Sidney S. Charschan, Guide for Material Processing By Lasers, Laser Institute of America, The Paul M. Harrod Company, Baltimore MD, 1977, Seiten 5–13.
    • 3. Joseph Bernstein, J. H. Lee, Gang Yang, Tariq A. Dahmas, Analysis of Laser Metal-Cut Energy Process Window (zu veröffentlichen).
  • Metall-Reflektivität
  • Eine Metall-Reflektivität verringert sich mit einer erhöhten Energiedichte eines Laserimpulses (Ref. 1). Die Reflektivität eines Metalls ist direkt proportional zu der freien Elektronenleitfähigkeit in einem Material. Bei hohen, elektrischen Felddichten, wie sie durch einen Laser mit hoher Intensität geliefert werden, wird die Kollisionszeit zwischen Elektronen und dem Gitter verringert. Diese Verkürzung der Kollisionszeit verringert die Leitfähigkeit und demzufolge die Reflektivität. Zum Beispiel verringert sich die Reflektivität von Aluminium von 92% auf weniger als 25%, wenn sich die Laserleistungsdichten auf den Bereich von 109 Watt/cm2 erhöhen. Demzufolge ist es, um den Verlust an Laserenergie im Bezug auf eine Reflektion zu umgehen, vorteilhaft, eine hohe Energiedichte an dem Werkstück in einer Zeit, so kurz wie möglich, zu erreichen.
  • Thermische Diffusionsfähigkeit
  • Der Weg D, den die Wärme während eines Laserimpulses durchläuft, ist proportional zu der Laserimpulsbreite wie folgt: D = √ktwobei:
    K ist die thermische Diffusionsfähigkeit des Materials; und
    t ist die Länge des Laserimpulses.
  • Demzufolge kann gesehen werden, dass ein kurzer Laserimpuls eine Wärmeabnahme zu dem Substrat unterhalb der schmelzenden Verbindung und auch eine Wärmeleitung lateral zu dem Material angrenzend an die Verbindung, verhindert. Allerdings muss der Impuls lang genug sein, um das Verbindungsmaterial vollständig zu durchwärmen.
  • Thermische Spannung und Verbindungs-Entfernung
  • Durch die Absorption der Laserenergie wärmt sich die Target-Metallverbindung auf und versucht, zu expandieren. Allerdings enthält das Oxid, das die Verbindung umgibt, das expandierende Material. Deshalb wird eine Spannung innerhalb des Oxids aufgebaut. An einem bestimmten Druckpunkt überschreitet das expandierende Metall den Streckpunkt des Oxids und das Oxid reißt und die Metallverbindung explodiert zu feinem Teilchendampf. Die prinzipiellen Berstpunkte einer Metallverbindung treten an den maximalen Spannungspunkten auf, die an den Kanten der Verbindung sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite vorhanden sind, wie dies in 1b dargestellt ist.
  • Wenn das Oxid über die Verbindung etwas dünn ist, dann wird das Reißen des Oxids an der Oberseite der Verbindung nur auftreten und das Oxid und die Verbindung werden sauber entfernt werden, wie dies in 1a dargestellt ist. Allerdings kann, falls das Oxid etwas dick ist, ein Reißen an dem Boden bzw. der Unterseite der Verbindung ebenso wie an der Oberseite auftreten, und der Riss wird sich nach unten zu dem Substrat ausbreiten, wie dies in 1b dargestellt ist. Dies ist ein höchst unerwünschter Umstand.
  • Gütegeschaltete Lasersysteme können so modifiziert werden, um kurze Impulse verschiedener Formen zu liefern. Typische Laser nach dem Stand der Technik, die eine hohe Peak-Energie erzeugen, Laser mit kurzem Impuls, sind standardmäßige, gütegeschaltete (Q-switched) Laser. Diese Laser erzeugen einen temporären Impuls, der eine moderate Impulsanstiegzeit besitzt. Es ist möglich, diese temporäre Form unter Verwendung einer Pockelszelle-Impuls-Unterteilungseinrichtung zu ändern, die Teile des Laserstrahls herausschaltet. In dem US-Patent Nr. 4,483,005 (d. h. das '005 Patent), erfunden durch den Anmelden der vorliegenden Erfindung und mit demselben Inhaber, sind verschiedene Verfahren zum Beeinflussen (d. h. Reduzieren) der Laserstrahlimpulsbreite offenbart. Wie in dem '005 Patent gelehrt ist, kann der Laserimpuls in gewisser Weise so geformt werden, um einen „nicht-Gauss'schen" geformten Strahl zu erzeugen, und zwar durch Trunkieren der Energie außerhalb der zentralen Keule. Es sollte angemerkt werden, dass dann, wenn eine relativ breite, gütegeschaltete Wellenform in eine schmale, gleichförmige Form transformiert werden soll, nur ein kleiner Teil der Impulsenergie verwendet werden wird. Zum Beispiel reduziert eine Trunkierung eines Gauss'schen Impulses, um eine scharfe Anstiegzeit und einen schmalen Impuls mit einer Flachheit innerhalb 10% zu erzielen, die Impulsenergie um 65%.
  • Ähnlich ist in dem US-Patent Nr. 4,114,018 (das '018 Patent) eine temporäre Impulsformung, um rechteckige Impulse zu erzeugen, offenbart. 7 stellt das Zeitintervall für einen relativ flachen Laserenergieausgang dar. In dem in '018 patentierten Verfahren ist es notwendig, ein temporäres Segment der Strahlintensität zu entfernen, um die erwünschten Impulse zu erzeugen.
  • Eine wünschenswerte Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik würde ein effizientes Verfahren zum Erzeugen von kurzen Impulsen mit einer hohen Energieeinhüllenden innerhalb der Impulsdauer mit schnell abfallenden Enden schaffen. Um dies zu erzielen, ist eine Lasertechnologie, die Impulsformen erzeugt, die unterschiedlich gegenüber solchen der gütegeschalteten Impulseinhüllenden sind, bevorzugt. Solche Impulse besitzen eine schnelle Anstiegzeit, eine gleichförmige Energie in der zentralen Keule und einen schnellen Abfall.
  • Die Impulse mit schneller Anstiegzeit und hoher Energiedichte, wie sie durch einen Laser erzeugt werden, ein anderer als ein standardmäßiger, gütegeschalteter Nd/YAG, werden am besten diese Aufgabe erfüllen.
  • Diese Vorteile werden in einer bevorzugten Art und Weise in einem System umgesetzt, das eine Lasertechnologie verwendet, die wesentlich von der traditionellen, gütegeschalteten, dioden- oder lampengepumpten Festkörper-YAG-Technologie abweicht.
  • Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik sind in Verbindung mit einem Verfahren und einem System zum Erzeugen von Impulsen gewünscht, die eine Form haben, die zu standardmäßigen, gütegeschalteten Impulsen unterschiedlich sind – Impulse, die eine schnellere Anstiegzeit haben, relativ gleichförmig sind, und eine höhere Energiekonzentration in der zentralen Keule haben und eine schnelle Abfallszeit aufweisen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Der Anmelder hat festgestellt, dass verbesserte Ergebnisse in Anwendungen eines Metall-Verbindungs-Ausblasens erhalten werden können. Zum Beispiel ist eine nicht-Gauss'sche, im Wesentlichen rechteckige Impulsform besonders vorteilhaft für eine Metall-Verbindungs-Bearbeitung, wo ein überlegender Isolator existiert. Ergebnisse des Anmelders zeigen, dass die schnelle Anstiegzeit in der Größenordnung von 1 ns, und bevorzugt ungefähr 0,5 ns, einen thermischen Schock in Bezug auf die überlegende Schicht eines Oxids erzielt, was den Verbindungs-Wegblas-Prozess erleichtert. Zusätzlich wird, bei der höheren Energiedichte, die Reflektivität mit dem schnell ansteigenden, kurzen Impuls verringert. Eine Impulsdauer von ungefähr 5 ns mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Impulsform ermöglicht, dass mehr Energie in die Verbindung eingekoppelt werden kann, was zu einem verringerten Energieerfordernis für eine Verbindungs-Entfernung führt. Eine schnelle Abfallszeit von ungefähr 2 ns ist wichtig, um die Möglichkeit einer Substratbeschädigung zu eliminieren. Weiterhin ist ein Vorteil eines Impulses mit einer nahezu quatratischen Energiedichte derjenige, dass die Energiedichte die höchste ist, wenn sie benötigt wird, und der Impuls nicht vorhanden ist, wenn sie es nicht ist.
  • Ein kurzer, schnell ansteigender Impuls wird ermöglichen, dass die Oberseite der Verbindung schmilzt und zuerst expandiert, bevor die Wärme nach unten zu dem unteren Bereich der Verbindung diffundieren kann.
  • Demzufolge wird eine Spannung in der Oberseite der Verbindung aufgebaut und unterstützt ein Reißen der oberen Schicht ohne Erzeugen eines Risses nach unten zu dem Substrat.
  • Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein kompaktes, verstärkungs-geschaltetes Lasersystem zu schaffen, das die Fähigkeit besitzt, Impulse mit einer Subnanosekunden-Anstiegzeit, mit einer kurzen Dauer von ein paar Nanosekunden und einer schnellen Abklingzeit zu erzeugen. Impulssysteme nach dem Stand der Technik setzen eine verstärkungsgeschaltete Technologie ein, bei der ein Halbleiter-Seed-Laser mit niedriger Leistung schnell und direkt moduliert wird, um eine kontrollierte Impulsform zu erzeugen, die darauffolgend mit einem Laserverstärker verstärkt wird, wie beispielsweise mit einem mantel-gepumpten Faseroptiksystem mit einer Hochleistungslaserdiode oder einem Diodenfeld, verwendet als der Pumplaser. Solche Lasersysteme sind in dem US-Patent Nr. 5,694,408, das in der Einleitung erwähnt ist, und in der PCT-Anmeldung Nr. PCT/US98/42050 beschrieben, und sind „building blocks" (Aufbaublöcke) von bestimmten, ultraschnellen Chirped-Puls-Verstärkersystemen, zum Beispiel das System, das in dem US-Patent Nr. 5,400,350 beschrieben ist.
  • Es ist eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, Laserbearbeitungsverfahren und -systeme zu verbessern, insbesondere solche, bei denen sich die optischen und/oder thermischen Eigenschaften eines Bereichs nahe des Target-Materials wesentlich unterscheiden.
  • Es ist eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, eine Laserimpulsformungsfähigkeit für Mikrobearbeitungs- und Lasermaterialbearbeitungsanwendungen zu schaffen, zum Beispiel Laserablation von Verbindungen oder anderen Zwischenverbindungen an Halbleiterspeichern, Trimmen, Bohren, Markieren und Mikrobearbeitung. Eine vorbestimmte Wellenform wird von einem verstärkungs-geschalteten Laser erzeugt, die gegenüber derjenigen der standardmäßigen, gütegeschalteten Systeme unterschiedlich ist.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Verbesserungen und eine Grenze für eine Halbleiterbearbeitung, zum Beispiel eine 16–256 Megabit Halbleiter-Reparatur, was zu einer sauberen Bearbeitung von Mikrostrukturen ohne das Risiko eines späteren Vorrichtungsausfalls aufgrund eines leitfähigen Rests oder einer Kontaminierung nahe der Ablationsstelle führt, zu schaffen.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Impulswellenform-Anstiegzeit so kurz wie ein paar Hundert Pikosekunden zu schalten, wobei die Impulsdauer typischerweise geringer als ungefähr 10 Nanosekunden ist mit einem schnellen Impulsabklingen, um dadurch eine Laserbearbeitung einer Target-Struktur einer hohen Leistungsdichte zu schaffen, wodurch eine Beschädigung, die aus einem thermischen Schock und einer Diffusion in den umgebenden Bereichen entsteht, minimiert wird.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Beschädigung der Strukturen, die das Target-Material umgeben und sich darunter befinden, in Halbleiterlaserbearbeitungsanwendungen, zu verhindern, indem eine hohe Leistungsdichte an dem Werkstück in einer sehr kurzen Zeit mit einem Impuls mit hoher Leistung, schneller Anstiegzeit, und unter einer Wellenlänge, die für den Laserablationsprozess geeignet ist, erreicht wird, um dadurch das Prozessfenster in einer Anwendung einer Halbleitermaterial-Bearbeitung zu verbessern.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Target-Stelle mit einem einzelnen Laserbearbeitungsimpuls mit einer Anstiegzeit, die schnell genug ist, und mit einer ausreichenden Energiedichte zu bearbeiten, um so eine Verringerung in der Reflektivität einer Metalltargetstruktur, wie beispielsweise eine einzelne Metallverbindung an einem Halbleiterspeicher, zu erzielen, und demzufolge eine effizientere Einkopplung der Laserenergie zu schaffen. Der Laserimpuls mit schnellem Anstieg ist von einer ausreichenden Impulsdauer, um effizient das Material jeder metallischen Target-Struktur mit einer relativ gleichförmigen Energiedichte während der Ablationsperiode zu erwärmen und zu verdampfen, wobei eine schnelle Impulsausklingzeit, nachdem das Target-Material verdampft ist, eine Beschädigung der umgebenden und unterlegenen Strukturen vermeidet.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine ausgezeichnete Funktionsweise in Halbleitermetall-Verbindungs-Ausblas-Anwendungen zu schaffen, wenn mit Systemen verglichen wird, die standardmäßige, gütegeschaltete Laser verwenden, wie beispielsweise Laser, die typische Impulsanstiegzeiten von mehreren Nanosekunden haben und durch eine gütegeschaltete Impuls-Einhüllende dargestellt sind. Ein Laserimpuls wird erzeugt, um eine im Wesentlichen Rechteck-Impulsform mit einer Impulsdauer in dem Bereich von ungefähr 2–10 Nanosekunden und einer Anstiegszahl von ungefähr 1 ns, und bevorzugt ungefähr 0,4 ns, zu schaffen. Zusätzlich sollte der Impulsabfall schnell sein, wenn abgeschaltet wird, um dadurch zu ermöglichen, dass nur ein sehr kleiner Anteil der Impulsenergie nach der vorbestimmten Impulsdauer verbleibt, wobei die Impuls- „Enden" („Tails") schnell auf ein ausreichend niedriges Niveau abfallen, um so die Möglichkeit einer Beschädigung des unterlegenden Substrats oder von anderen Nicht-Target-Materialien zu vermeiden. Ein Vergleich dieser Impulse ist in 2 dargestellt.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, das Bearbeitungsfenster eines Halbleiterlaser-Ablationsprozesses zu erweitern, um eine schnelle und effiziente Ablation von mikroskopischen Strukturen, umgeben durch Materialien, die unterschiedliche optische und thermische Eigenschaften haben, zu schaffen. Solche Strukturen sind typischerweise in einer Art und Weise angeordnet, bei der die Breite und die Beabstandung zwischen den Strukturen ungefähr 1 Mikron oder kleiner ist, und die in der Tiefe gestapelt sind. Die Anwendung eines kurzen Laserimpulses ablatiert sauber das Target-Material, wobei dennoch entweder eine Beschädigung von umgebenden Materialien, verursacht durch eine Wärmedissipation, in der lateralen Richtung oder eine Beschädigung an dem unterlegenden Substrat unterhalb des Target-Materials verhindert wird.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, kontrolliert ein Material zu bearbeiten, das im Wesentlichen homogene optische und thermische Eigenschaften besitzt, und zwar mit dem Anwenden eines kurzes Impulses, der eine hohe Energiedichte besitzt, wobei die Impulsdauer ein paar Nanosekunden in dem Materialbearbeitungsbereich beträgt, wo ein Einfluss-Schwellwert ungefähr proportional zu der Quadratwurzel der Laserimpulsbreite ist. Die vorliegende Erfindung löst die vorstehenden Aufgaben durch ein auf einem Laser basierendes Verfahren und ein System zum Bearbeiten eines Target-Materials, wie diese in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 24 jeweils angegeben sind.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein energieeffizientes, auf einem Laser basierendes Verfahren zum Bearbeiten von Target-Material, das eine spezifizierte Dimension in einem mikroskopischen Bereich besitzt, ohne Verursachen von unerwünschten Änderungen in elektrischen oder physikalischen Eigenschaften des Materials, das das Target-Material umgibt, geschaffen. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen eines Laserimpulszugs unter Verwendung eines Lasers, der eine Wellenlänge unter einer Wiederholungsrate besitzt, wobei jeder der Impulse des Impulszugs eine vorbestimmte Form hat. Das Verfahren umfasst dann ein optisches Verstärken des Impulszugs ohne eine wesentliche Änderung der vorbestimmten Form der Impulse, um einen verstärkten Impulszug zu erhalten. Jeder der verstärkten Impulse besitzt eine im Wesentlichen Rechteck-Zeit-Energie-Dichteverteilung, eine scharfe Anstiegzeit, eine Impulsdauer und eine Abfallzeit. Das Verfahren umfasst auch ein Zuführen und Fokussieren mindestens eines Teils des verstärkten Impulszugs in einen Fleck auf dem Target-Material, wobei die Anstiegzeit schnell genug ist, um effizient Laserenergie in das Target-Material einzukoppeln, wobei die Impulsdauer ausreichend ist, um das Target-Material zu bearbeiten, und die Abfallzeit schnell genug ist, um unerwünschte Änderungen in dem Material, das das Target-Material umgibt, zu verhindern.
  • Das Target-Material kann Mikrostrukturen, wie beispielsweise leitende Leitungen oder Verbindungen, umfassen, wobei letzteres bei Schaltungselementen von redundanten Halbleiterspeichern üblich ist. Die leitfähigen Leitungen können Metallleitungen sein, und wobei die Impulsdauer ausreichend ist, um die Metallleitungen, oder einen spezifizierten Bereich davon, effizient zu erwärmen und zu verdampfen.
  • Das Target-Material kann einen Teil einer Halbleitervorrichtung, wie beispielsweise eines Halbleiterspeichers, der 16–256 Megabits hat, sein.
  • Mindestens ein Teil des Materials, das das Target-Material umgibt, kann ein Substrat sein, wie beispielsweise ein Halbleitersubstrat.
  • Das Target-Material kann ein Teil einer mikroelektronischen Vorrichtung sein.
  • Die im Wesentlichen rechteckige, zeitliche Energiedichteverteilung ist ausreichend, um im Wesentlichen vollständig das Target-Material zu ablatieren.
  • Vorzugsweise ist die Anstiegzeit geringer als 1 Nanosekunde, und, noch bevorzugter, geringer als 0,5 Nanosekunden.
  • Vorzugsweise ist die Impulsdauer geringer als 10 Nanosekunden, und, noch bevorzugter, ist sie geringer als 5 Nanosekunden.
  • Auch ist vorzugsweise die Abfallzeit geringer als 2 Nanosekunden.
  • Ein einzelner, verstärkter Impuls ist typischerweise ausreichend, um das Target-Material zu bearbeiten.
  • Das Targetmaterial kann eine Reflektivität in Bezug auf die verstärkten Impulse haben, wobei die Energiedichte der verstärkten Impulse ausreichend hoch ist, um die Reflektivität des Targetmaterials in Bezug auf die verstärkten Impulse zu reduzieren und um eine effiziente Einkopplung der Laserenergie in das Targetmaterial zu erzielen.
  • Vorzugsweise besitzt jeder verstärkte Impuls eine relativ gleichförmige Energie dichteverteilung über die Impulsdauer hinweg.
  • Vorzugsweise besitzt jeder Impuls eine temporäre Energiedichteverteilung gleich förmig innerhalb von 10% während der Impulsdauer.
  • Das Material, das das Target-Material umgibt, kann optische Eigenschaften, einschließlich Absorption und Polarisierungsempfindlichkeit, und thermische Diffusionsfähigkeiten, die gegenüber den entsprechenden Eigenschaften des Target-Materials unterschiedlich sind, haben.
  • Vorzugsweise ist die Wiederholungsrate mindestens 1000 Impulse/Sekunde und jeder der verstärkten Impulse besitzt mindestens 0,1 bis zu 3 Mikrojoule an Energie.
  • Vorzugsweise erzielt der Schritt eines optischen Verstärkens eine Verstärkung von mindestens 20 DB.
  • Auch sind, vorzugsweise, sowohl die Ansteigszeit als auch die Abfallzeit geringer als die Hälfte der lmpulsdauer, und wobei die Peak-Energie jedes verstärkten Impulses im Wesentlichen konstant zwischen der Anstieg- und der Abfallzeit ist.
  • Vorzugsweise besitzen die verstärkenden Impulse ein Endteil, und das Verfahren umfasst auch eine abklingende Laserenergie in den Endteilen der verstärkten Impulse, um eine Abfallzeit der verstärkten Impulse zu reduzieren, während im Wesentlichen die Energiemenge der Impulse beibehalten wird.
  • Weiterhin wird, um die vorstehenden Aufgaben und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu erfüllen, ein energie-effizientes System zum Bearbeiten von Target-Material geschaffen, das eine spezifizierte Dimension in einem mikroskopischen Bereich besitzt, ohne unerwünschte Änderungen in elektrischen oder physikalischen Eigenschaften von Material, das das Target-Material umgibt, zu verursachen. Das System umfasst eine Steuereinheit zum Erzeugen eines Bearbeitungssteuersignals und einen Signalgenerator zum Erzeugen einer modulierten Ansteuerwellenform basierend auf dem Bearbeitungssteuersignal. Die Wellenform besitzt eine Anstiegzeit im Subnanosekunden-Bereich. Das System umfasst auch einen verstärkungs-geschalteten, gepulsten Seed-Laser, der eine Wellenlänge zum Erzeugen eines Laserimpulszugs unter einer Wiederholungsrate besitzt. Die Steuerwellenform pumpt den Laser, so dass jeder Impuls des Impulszugs eine. vorbestimmte Form besitzt. Weiter umfasst das System einen Laserverstärker zum optischen Verstärken des Impulszugs, um einen verstärkten Impulszug ohne wesentliche Änderung der vorbestimmten Form der Impulse zu erhalten. Jeder der verstärkten Impulse besitzt eine im Wesentlichen rechteckige, zeitliche Energiedichteverteilung, eine scharfe Anstiegzeit, eine Impulsdauer und eine Abfallzeit. Das System umfasst weiterhin ein Strahlzufuhr- und Fokussieruntersystem zum Zuführen und Fokussieren mindestens eines Teils des verstärkten Impulszugs auf das Target-Material. Die Anstiegzeit ist schnell genug, um effizient Laserenergie in das Target-Material einzukoppeln, die Impulsdauer ist ausreichend, um das Target-Material zu bearbeiten, und die Abfallzeit ist schnell genug, um unerwünschte Änderungen in dem Material, das das Target-Material umgibt, zu verhindern.
  • Der Laserverstärker umfasst vorzugsweise eine optische Faser und eine Pumpquelle, wie beispielsweise eine Laserdiode, um die optische Faser zu pumpen, wobei sich die Pumpquelle von dem Seed-Laser entfernt befindet.
  • Die Laserdioden-Pumpquelle kann auch verstärkungs-geschaltet sein (gepulst und direkt moduliert), um die Lebensdauer der Diode durch Umschalten auf den „Aus" Zustand während ausgedehnter Perioden, in denen eine Laserbearbeitung nicht vorgenommen wird, zu erhöhen.
  • Vorzugsweise umfasst der Seed-Laser eine Laserdiode.
  • Das System kann eine Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen der Laserenergie in den Endbereichen der verstärkten Impulse umfassen, um die Abfallzeit der verstärkten Impulse zu reduzieren, während im Wesentlichen die Menge an Energie der Impulse beibehalten wird.
  • Die Impulsdauer kann als eine Funktion einer spezifizierten Target-Material- Dimension ausgewählt werden. Die spezifizierte Materialdimension kann geringer als die Laserwellenlänge sein. Der bevorzugte Laser ist ein Hochgeschwindigkeits-Halbleiterlaser, der eine Wellenlänge geringer als ungefähr 2 μm besitzt. Zukünftige Materialweiterentwicklungen auf dem Gebiet der Halbleiterlaserdiodentechnologie und Fasermaterialien können einen Betrieb in dem sichtbaren Bereich ebenso wie in dem langwelligen Infrarotbereich liefern.
  • Die Seed-Laserdiode kann ein Multimode-Diodenlaser oder ein Einzelfrequenz (single mode)-Laser sein, der einen verteilten Bragg-Reflektor (distributed Bragg reflector – DBR), eine verteilte Rückführung (distributed feedback – DFB), oder ein Design einer externen Kavität verwendet.
  • Die Fleckgröße besitzt typischerweise eine Dimension in dem Bereich von ungefähr 1 μm–4 μm.
  • Die Dichte des Speichers kann mindestens 16–256 Megabits sein.
  • Die Halbleitervorrichtung kann eine mikro-elektromechanische Vorrichtung sein.
  • Vorzugsweise wird die gedämpfte Laserenergie in dem Impulsende um mindestens 10 dB innerhalb von 1,5-mal der Impulsdauer gedämpft.
  • Um weiterhin die vorstehenden Aufgaben und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu lösen, wird ein energie-effizientes, auf einem Laser basierendes Verfahren zum Ablatieren einer Metallverbindung, die eine spezifizierte Dimension besitzt, eingebettet in mindestens einer Passivierungsschicht, ohne Verursachen von unerwünschten Änderungen in elektrischen oder physikalischen Eigenschaften der mindestens einen Passivierungsschicht, die die Metallverbindung umgibt, geschaffen. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen eines Laserimpulszugs unter Verwendung eines Lasers, der eine Wellenlänge unter einer Wiederholungsrate besitzt. Jeder der Impulse des Impulszugs besitzt eine vorbestimmte Form. Das Verfahren umfasst auch ein optisches Verstärken des Impulszugs, ohne wesentlich die vorbestimmte Form der Impulse zu ändern, um einen Zug aus verstärkten Impulsen zu erhalten. Jeder der verstärkten Impulse besitzt eine im Wesentlichen rechteckige, zeitliche Energiedichteverteilung, eine scharfe Anstiegzeit, eine Impulsdauer und eine Abfallzeit. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Zuführen und Fokussieren mindestens eines Teils des Zugs aus verstärkten Impulsen zu einem Fleck auf der Metallverbindung. Die Anstiegzeit ist schnell genug, um effizient Laserenergie in die Metallverbindung einzukoppeln. Die Impulsdauer ist ausreichend, um die Metallverbindung zu ablatieren, und die Abfallzeit ist schnell genug, um die unerwünschten Änderungen an der mindestens einen Passivierungsschicht, die die Metallverbindung umgibt, zu verhindern.
  • Weiterhin wird, um die vorstehenden Aufgaben und andere Aufgaben der Erfindung zu lösen, ein energie-effizientes System zum Ablatieren einer Metallverbindung, die spezifizierte Dimensionen besitzt, eingebettet in mindestens eine Passivierungsschicht, ohne unerwünschte Änderungen in elektrischen oder physikalischen Eigenschaften der mindestens einen Passivierungsschicht, die die Metallverbindung umgibt, geschaffen. Das System umfasst eine Steuereinheit zum Erzeugen eines Bearbeitungssteuersignals und einen Signalgenerator zum Erzeugen einer modulierten Ansteuerwellenform basierend auf dem Bearbeitungssteuersignal. Die Wellenform besitzt eine Subnanosekunden-Anstiegzeit. Das System umfasst auch einen verstärkungs-geschalteten, gepulsten Seed-Laser, der eine Wellenlänge zum Erzeugen eines Laserimpulszuges unter einer Wiederholungsrate besitzt. Die Ansteuerwellenform pumpt den Laser so, dass jeder Impuls des Impulszugs eine vorbestimmte Form besitzt. Weiterhin umfasst das System einen Laserverstärker zum optischen Verstärken des Impulszugs ohne eine wesentliche Änderung der vorbestimmten Form der Impulse, um einen Zug aus verstärkten Impulsen zu erhalten. Jeder der verstärkten Impulse besitzt eine im Wesentlichen rechteckige, zeitliche Energiedichteverteilung, eine scharfe Anstiegzeit, eine Pulsdauer und eine Abfallzeit. Das System umfasst weiterhin ein Strahlzufuhr- und Fokussierungsuntersystem zum Zuführen und Fokussieren zumindest einen Teils des Zugs aus verstärkten Impulsen in einen Fleck auf der Metallverbindung. Die Anstiegzeit ist schnell genug, um effizient Laserenergie in die Metallverbindung einzukoppeln. Die Impulsdauer ist ausreichend, um die Metallverbindung zu ablatieren, und die Abfallzeit ist schnell genug, um die unerwünschten Änderungen an der mindestens einen Passivierungsschicht, die die Metallverbindung umgibt, zu verhindern.
  • Die Metallverbindung kann in eine obere Passivierungsschicht darüber und eine bodenseitige Passivierungsschicht darunter eingebettet sein. Die Impulsdauer ist ausreichend, um die obere Passivierungsschicht, allerdings nicht die bodenseitige Passivierungsschicht, aufzubrechen.
  • Beim Lösen der vorstehenden Aufgaben und anderer Aufgaben der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, um Target-Material zu ablatieren, und zwar unter Verwendung eines Lasers, der eine Wellenlänge besitzt, die für eine Lasermaterialbearbeitung geeignet ist, während eine Beschädigung umgebender Materialien vermieden wird. Das Verfahren umfasst die Schritte eines Modulierens eines Laserstrahls, um einen vorbestimmten, verstärkungsgeschalteten Impuls zu erzeugen, und eines Fokussierens des Laserstrahls auf den Target-Bereich. Die vorbestimmte, verstärkungs-geschaltete Impulsform umfasst eine Anstiegzeit des Laserimpulses schnell genug, um effizient Laserenergie in eine Target-Struktur einzukoppeln, mit einer Impulsdauer einer ausreichenden Länge, um effizient das Target-Material zu erwärmen und zu verdampfen, und eine Impulsabfallzeit, die schnell genug ist, um eine Beschädigung von Strukturen, die das Target-Material umgeben, zu vermeiden.
  • Weiterhin wird, beim Lösen der vorstehenden Aufgaben und anderer Aufgaben der Erfindung, ein System zum Ablatieren von Material unter Verwendung eines Lasers, der eine geeignete Wellenlänge für eine Laserbearbeitung besitzt, während eine Beschädigung umgebender Materialien vermieden wird, geschaffen. Das System umfasst eine Laserquelle, Komponenten, um die Laserquelle zu modulieren, um einen Laserimpuls zu erzeugen, der eine vorbestimmte, verstärkungs-geschaltete Impulsform besitzt, und optische Komponenten zum Fokussieren des Laserstrahls auf den Target-Bereich. Die vorbestimmte Impulsform umfasst eine optische Anstiegzeit des Laserimpulses schnell genug, um effizient Laserenergie in eine Target-Struktur einzukoppeln, mit einer Impulsdauer einer ausreichenden Länge, um effizient das Target-Material zu erwärmen und zu verdampfen, und eine Impulsabfallzeit, die schnell genug ist, um eine Beschädigung von Strukturen, die das Target-Material umgeben, zu vermeiden.
  • In einem bevorzugten Aufbau der Erfindung umfast die verstärkungs-geschaltete Impulsform einen Impuls mit einer schnellen Anstiegzeit, im Wesentlichen flach an der Oberseite, mit einer schnellen Impulsabfallzeit. Eine „Seed" Laserdiode wird direkt so moduliert, um eine vorbestimmte Impulsform zu erzeugen. Die optische Energie wird durch Verstärkung mit einem Faserlaserverstärker erhöht, um Energieniveaus, ausreichend für eine Laserbearbeitung, abzugeben. Der sich ergebende, verstärkungs-geschaltete Impuls an dem Ausgang des Faserlaserverstärkers wird auf den Target-Bereich fokussiert.
  • In einem Aufbau der Erfindung kann es vorteilhaft sein, direkt die „Seed"-Diode zu modulieren, um einen vorbestimmten, verstärkungs-geschalteten, rechteckigen Impuls zu erzeugen und eine Verstärkung mit geringer Störung zu erreichen, und zwar unter Verwendung eines Faserlaserverstärkers, um Ausgangsimpulsniveaus zu erzielen, die für eine Materialbearbeitung ausreichend sind.
  • In einem alternativen Aufbau wird die zeitliche Impulsenergieverteilung der direkt modulierten Seed Diode so modifziert, um eine Störung oder Nichtgleichförmigkeit des Faserverstärkers oder von anderen Komponenten, zum Beispiel der „sanfte" Anstieg eines Ausgangs-Modulators, zu kompensieren. Der sich ergebende Laserbearbeitungsimpuls, der auf den Target-Bereich fokussiert wird, wird eine erwünschte Form haben: schnelle Anstiegzeit, relativ flach während der Impulsdauer, mit einem schnellen Abfall.
  • In einem Aufbau der Erfindung kann es vorteilhaft sein, die Funktion bzw. Leistung des Laserbearbeitungssystems durch Vorsehen eines „Impuls-Unterteilungs"-(„pulse slicing")-Moduls zu erzeugen, das dazu verwendet wird, Laserenergie zu dämpfen bzw. abzuschwächen, die an dem Ausgang des Laserbearbeitungssystems verbleibt, wenn der „Seed" Laserimpuls beendet wird, um dadurch eine Erwärmung von empfindlichen Strukturen, die nicht als das Target-Material angegeben sind, zu verhindern, nachdem die Bearbeitung abgeschlossen ist. Die „Impuls-Unterteilungs"-Technik ist dazu nützlich, den Endbereich entweder eines modifizierten Impulses oder eines standard-gütegeschalteten Impulses zu dämpfen. Dies ist in den 4a und 4b dargestellt, wobei die vertikale Achse in 4b eine logarithmische Skala aufweist.
  • Es ist bevorzugt, Laserbearbeitungsoperationen, insbesondere ein Metall-Verbindungs-Ausblasen, unter Impulsraten von mindestens 1 KHz (1000 Impulse/Sekunde) mit einer Laserimpulsenergie von mindestens 0,1 Mikrojoule in einem Impuls durchzuführen, wobei 0,1 Mikrojoule an dem Ausgang des Faserverstärkers abgegeben wird, wobei die Verstärkung des faseroptischen Verstärkers mindestens 20 dB (1000 : 1) beträgt.
  • In einem Aufbau der Erfindung wird ein Laserimpuls geformt, der eine Anstiegs- und Abfallzeit kürzer als ungefähr die Hälfte der Impulsdauer besitzt, und wobei die Peak-Energie ungefähr konstant zwischen der Anstiegs- und Abfallzeit ist.
  • In einem Aufbau der Erfindung ist es möglich, eine Reihe von eng beabstandeten, kurzen Impulsen zu erzeugen, die, wenn sie kombiniert werden, eine erwünschte Impulsform erzeugen, wie dies in den 3a und 3b dargestellt ist.
  • In einem Aufbau eines Systems, das die Erfindung verwendet, kann es auch vorteilhaft sein, den Laser unter Impulswiederholungsraten zu betreiben, die die Materialbearbeitungsrate übersteigen, und einen computer-gesteuerten, optischen Schalter zu verwenden, um Bearbeitungsimpulse auszuwählen, wobei der Computer betriebsmäßig mit einem Strahlpositionierungssystem verbunden ist, das dazu verwendet wird, einen fokussierten Laserstrahl zur Materialbearbeitung zu positionieren.
  • Die vorstehenden Aufgaben und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden auch anhand der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung des besten Modus zum Ausführen der Erfindung ersichtlich werden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vorgenommen wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1a stellt schematisch Spannungsrisse in einer oberen Oberflächenschicht nur eines Halbleiters, verursacht durch Ausdehnen von verdampftem Metall, dar;
  • 1b stellt schematisch Spannungsrisse in einer oberen und unteren Schicht eines Halbleiters, verursacht durch sich ausdehnendes, verdampftes Metall, dar;
  • 1c stellt typische Laserimpulse nach dem Stand der Technik dar, die eine Gauss'sche Form, oder eine Mischung einer Gauss'schen Form mit einem exponentiellen Ende, bezeichnet als eine „gütegeschaltete Impuls-Einhüllende"(„Q-switched pulse envelope"), ergeben.
  • 2 stellt die bevorzugte Impulsform der vorliegenden Erfindung zum Bearbeiten von Metallverbindungen dar, wenn mit einer gütegeschalteten Ausführung derselben Gesamtenergie verglichen wird;
  • 3a und 3b stellen ein Verfahren zum Kombinieren von zwei kurzen Impulsen, eng beabstandet in der Zeit, dar, um einen modifizierten Impuls zu erzeugen;
  • 4a und 4b stellen das Ergebnis einer „Impuls-Teilung" zum Verbessern der Impulsenergie-Einhüllenden einer allgemeinen Impulsform dar;
  • 5 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm eines bevorzugten Lasersystems für eine Lasermaterialbearbeitung dar;
  • 6a zeigt ein schematisches Diagramm eines Typs eines MOPA Lasersystems mit einem verteilten Bragg-Laser als der Halbleiter-Seed-Laser; dies ist ein Single-Mode-Laser und ein faseroptischer Verstärker, die bevorzugte Impulsform erzeugend;
  • 6b zeigt ein schematisches Diagramm eines Einzelfrequenzlasers mit einer externen Kavität-Abstimmung und einem faseropertischem Verstärker;
  • 7 zeigt ein Blockdiagramm eines anderen Lasersystems der vorliegenden Erfindung, umfassend eine bevorzugte Dämpfungseinrichtung und eine optische Verschiebeeinrichtung;
  • 8 zeigt eine grafische Darstellung der Temperatur an der Schnittstelle zwischen der Siliziumdioxidschicht und dem Siliziumsubstrat in 9 als eine Funktion der Dicke der Silziumdioxidschicht;
  • 9 stellt eine perspektivische, schematische Ansicht einer Verbindung eines Speichers auf seinem Substrat dar;
  • 10 zeigt eine Ansicht eines Gauss'schen Laserstrahls, fokussiert auf einen kleinen Fleck auf einer Fokusebene, die eine Metallverbindung enthält, was die mikroskopische Größe der Verbindung, verglichen mit der beugungsbegrenzten Strahltaille, verdeutlicht; und
  • 11a und 11b zeigen grafische Darstellungen, die die Ergebnisse einer Computer-Finite-Element-Analyse-Simulation darstellen, wobei die Zeit-Historie einer Spannung und einer Temperatur in den Grafiken für einen gütegeschalteten Impuls und einen Rechteckimpuls, verwendet für eine Metallverbindungsbearbeitung, gezeigt ist.
  • BESTER MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
  • Architektur des Laserbearbeitungssystems
  • Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet werden erkennen, dass die nachfolgende Ausführungsform bei verschiedenen Anwendungen in der Mikrobearbeitung und der Laserbearbeitung mit geeigneten Einstellungen von Parametern, wie Laserleistung, Energiedichte, Fleckgröße, Wellenlänge, Impulsbreite, Polarisation und Wiederholungsrate, angewandt werden können. Die spezifische Anwendung auf ein Metallverbindungs-Ausblasen wird zu Erläuterungszwecken beschrieben.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der 7 sind ein Seed-Laser 10 und ein Faserverstärker auf einer stabilen Plattform, befestigt an dem Bewegungssystem 20 und dem Werkstück, montiert. Es ist sehr wichtig beim Entfernen von Verbindungen, dass der Strahl mit einer Genauigkeit von weniger als 3/10 eines Mikron positioniert wird. Die Zeitabstimmung des Laserimpulses, um mit den relativen Positionen des Targets und des optischen Systems zu korrelieren, ist wichtig, und zwar aufgrund der kontinuierlichen Bewegung, die erforderlich ist, um hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten zu erreichen.
  • Der Laser 10 wird extern durch den Computer 33 und einen Signalgenerator 11 gesteuert, und überträgt seinen modulierten Strahl auf ein fokussierendes Untersystem 12, das Optiken mit einer hohen, nummerischen Apertur aufweist, und die weiterhin eine Strahlablenkungseinrichtung, zum Beispiel einen Galvanometerspiegel, gesteuert durch eine Abtaststeuerung über den Computer 33, aufweisen. Der Systemsteuercomputer 33 ist auch betriebsmäßig mit einem Positionierungsmechanismus oder einem Bewegungssystem 20 für das System und den Signalgenerator 11 verbunden, um geeignet die Impulserzeugung zeitmäßig abzustimmen. Der Laserstrahl muss präzise so gesteuert werden, um einen scharf fokussierten Strahl zu erzeugen, mit einer Fleckgröße in dem Bereich von ungefähr 1,5–4 Mikron, an der korrekten Stelle in X, Y und Z. Als solches werden Fachleute auf dem Gebiet einer Strahlpositionierung und -fokussierung die Wichtigkeit von Optiken, die korrigiert werden, erkennen, um eine enge Diffraktions- und begrenzte Funktion und eine Präzisionsbewegungssteuerung des Laserkopfs oder des Target-Substrats zu erzielen. In Abhängigkeit von den spezifischen Laserbearbeitungserfordernissen kann es vorteilhaft sein, ein optisches System mit einem relativ schmalen Betrachtungsfeld zu schaffen, um beugungsbegrenzte Fokussier- und Präzisions-X-Y-Bewegungsstufen für eine Strahlpositionierung zu schaffen. Weiterhin sind verschiedene Kombinationen einer Spiegelbewegung für eine schnelle Ablenkung in Kombination mit Translationsstufen möglich.
  • Ein Schritt- und Wiederholtisch 34 kann auch verwendet werden, um einen Wafer 22 in eine Position zu bewegen, um jedes Speicherteil 24 davon zu behandeln. Fachleute auf dem Gebiet einer Strahlabtastung werden die Vorteile eines auf einem Spiegel basierenden Strahlablenkungssystems erkennen, allerdings sind, wie vorstehend angegeben ist, eine Substitution von anderen Positionierungsmechanismen, wie beispielsweise X-, Y-Translationsstufen für eine Bewegung des Substrats und/oder des Laserkopfs, denkbare Alternativen zum Ausführen der Erfindung. Zum Beispiel kann der Substratpositionierungsmechanismus 34 sehr präzise (ausreichend unterhalb von 1 Mikron) X-, Y-, Z-Positionierungsmechanismen aufweisen, die über einen begrenzten Verfahrbereich arbeiten. Der Positionierungsmechanismus 20 kann dazu verwendet werden, die Laserbearbeitungsbauelemente des optischen Systems, einschließlich des Lasers, des Faserverstärkers und des fokussierenden Untersystems, in einer groberen Weise zu translatieren. Weitere Details über ein bevorzugtes Positionierungssystem sind in der vorstehend angeführten, anhängigen US-Patentanmeldung mit dem Titel „High Speed Precision Positioning Apparatus", Serial No. 09/156,895, angemeldet am 18. September 1998, offenbart.
  • Ein System-Optik-Schalter 13 in der Form einer weiteren, akusto-optischen Dämpfungseinrichtung oder einer Pockelszelle, ist über die Laserkavität hinaus, in dem Laserausgangsstrahl, positioniert. Unter der Steuerung des Computers 33 dient sie sowohl dazu, den Strahl davor zu bewahren, dass er das Fokussierungssystem erreicht, mit der Ausnahme dann, wenn dies erwünscht ist, und wenn der Bearbeitungsstrahl erforderlich ist, um steuerbar die Energie des Laserstrahls auf das erwünschte Energieniveau zu verringern. Während Verdampfungsvorgängen kann dieses Energieniveau bis zu 10 Prozent des Gesamtlaserausgangs sein, und zwar in Abhängigkeit von den Betriebsparametern des Systems und des Prozesses. Der Leistungspegel kann ungefähr 0,1 Prozent des gesamten Laserausgangs während Ausrichtungsvorgängen sein, in denen der Laserausgangsstrahl zu der Target-Struktur vor einem Verdampfungsvorgang ausgerichtet wird. Die akusto-optische Vorrichtung ist allgemein bevorzugt, und zwar aufgrund der einfachen Benutzung, obwohl die Verzögerung der Pockelszelle wesentlich geringer ist.
  • Im Betrieb werden die Positionen des Wafers 22 (oder des Targets oder des Substrats) durch den Computer 33 gesteuert. Typischerweise befindet sich die relative Bewegung bei einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit über die Speichervorrichtung 24 auf dem Siliziumwafer 22, allerdings ist eine schrittweise und wiederholende Bewegung des Wafers möglich. Der Laser 10 wird durch Zeitabstimmungssignale basierend auf den Zeitabstimmungssignalen gesteuert, die das Bewegungssystem steuern. Der Laser 10 arbeitet typischerweise unter einer konstanten Wiederholungsrate und wird zu dem Positionierungssystem durch den System-Optik-Schalter 13 synchronisiert.
  • In dem Systemblockdiagramm der 7 ist der Laserstrahl auf den Wafer 22 fokussiert dargestellt. In der vergrößerten Ansicht der 9 ist der Laserstrahl auf ein Verbindungselement 25 einer Speicherschaltung oder -vorrichtung 24 fokussiert zu sehen.
  • Zur Bearbeitung von feinen Verbindungsstrukturen werden Fleckgrößen-Erfordernisse zunehmend wichtig. Das Fleckgrößen-Erfordernis liegt typischerweise bei 1,5–4 Mikron im Durchmesser, mit einer Peak-Leistung, die in der Mitte des Flecks auftritt, mit einer guten Übereinstimmung zu einer Gauss'schen Verteilung, und mit einer niedrigeren Leistung, die an den Kanten auftritt. Eine ausgezeichnete Strahlqualität wird benötigt, die die Diffraktionsgrenze annähert, mit einer Strahlqualität oder einem „m-squared Faktor", typischerweise ungefähr 1,1-mal oder besser. Dieser Qualitäts-Standard, bezogen auf „... -mal der Diffraktionsgrenze", ist ausgezeichnet für Fachleute auf dem Gebiet der Laserstrahlanalyse bekannt. Niedrige Seitenkeulen sind auch bevorzugt, um eine optische Querkopplung und die nicht erwünschte Bestrahlung von Teilen außerhalb des Target-Bereichs zu vermeiden.
  • Die Verbindung 25 ist etwas kleiner als die Fleckgröße, um dadurch eine präzise Positionierung und eine gute Fleckqualität zu erfüllen. Eine Verbindung kann, zum Beispiel, 1 Mikron breit und ungefähr 1/3 Mikron dick sein. In dem Fall, der hier demonstriert wird, ist die Verbindung aus Metall hergestellt, und eine laterale Dimension (Breite) und eine Dicke sind kleiner als die Laserwellenlänge.
  • Lasersystem – bevorzugt
  • In einer bevorzugten Ausführungsform verwendet ein Laseruntersystem der 5 eine Konfiguration eines Master-Oszillators und eines Leistungsverstärkers (master oscillator, power amplifier – MOPA). Dieses System erzeugt einen Laserimpuls, der einen Verstärker anregt, um einen Impuls mit hoher Leistung und kurzer Anstiegzeit zu erzeugen. Ein Seed-Laser ist der Schlüssel dazu, einen kurzen Impuls mit schneller Anstiegzeit, allerdings unter sehr niedrigen Energieniveaus, zu erzeugen. Das System erfordert einen Laserverstärker, um genug Energie zu erzeugen, um eine Materialbearbeitung vorzunehmen. Ein Faserlaserverstärker und eine Hochgeschwindigkeits-Infrarot-Laserdiode besitzen eine Ausgangswellenlänge, die für eine Laserbearbeitungsanwendung bevorzugt ist. Mit einem solchen System kann ein Laser erhalten werden, der einen Laserimpuls der bevorzugten Form und Geschwindigkeit erzeugt, wie dies in dem unteren Teil der 5 dargestellt ist. Dies bedeutet einen Impuls mit einer schnellen Anstiegzeit, rechteckig an der Oberseite und mit einer schnellen Abfallzeit. Diese Impulsform wiederum liefert die erwünschten Ergebnisse einer Lasermaterial-Wechselwirkung in Form einer Verringerung in der Metall-Reflektivität, einer niedrigen Diffusion der Energie in die Vorrichtung hinein und eines Reißens des Oberseiten-Oxids ohne eine Beschädigung an dem unteren Oxid.
  • Die MOPA-Konfiguration ist relativ neu und gepulste Versionen werden als Stand der Technik angesehen. Die Laserdiode, die eine Anstiegzeit im Subnanobereich in Abhängigkeit von einer modulierenden Ansteuerwellenform besitzt, ist ein Ausgangspunkt in der Faserlaser-MOPA-Konfiguration, mit der Laserdiode als ein Verstärkungselement. Die Laserdiode besitzt allgemein mehrere, longitudinale Moden, und das Untersystem kann für eine Single-Mode-Operation konfiguriert oder in anderer Weise mit Bulk-Komponenten an dem Ausgang, oder, alternativ, mit integrierten Fasergittern in dem System, konfiguriert werden.
  • Zum Beispiel ist die Littman-Metcalf-Grating-Konfiguration, beschrieben in der Produktliteratur von New Focus Inc., in der Konfiguration mit externer Kavität, eine mögliche Konfiguration. 6b zeigt eine schematische Darstellung eines Lasers mit einzelner Frequenz mit einer externen Kavität-Abstimmung, und auch eine optische Faser, gepumpt. an deren Mantel durch eine Diodenlaserpumpe, umfassend.
  • Andere Alternativen mit Diodenlaser umfassen „Distributed Feedback Laser" (DFB) und „Distributed Bragg Laser" (DBL), die integrierte Gitter und Wellenleiterstrukturen haben, einige Fälle mit externen Steuerungen, was dem Benutzer ermöglicht, unabhängig die Verstärkung, die Phase und das Gitterfilter zu steuern. Siehe 6a in Bezug auf eine DBL-Konfiguration, umfassend einen Koppler 50. Dies liefert eine flexible Mode-Auswahl- und Abstimmungs-Möglichkeit. Die Laserfrequenzen können dynamisch mit einer Anzahl der Konfigurationen durch Einstellungen der Hauptkomponenten, wie beispielsweise des Gitters und/oder der Spiegel der externen Kavität, ausgewählt werden, oder es kann alternativ eine festgelegte Wellenlänge oder ein Mode ausgewählt werden. Der Bereich, über den die zentrale Wellenlänge der Diode ausgewählt werden kann, ist insgesamt eindrucksvoll, und zwar von weniger als 1 μm bis ungefähr 1,3–1,5 μm oder länger, wobei die letzteren Wellenlängen solchen entsprechen, die in der Faseroptik-Kommunikation verwendet werden.
  • In jedem Fall ist ein Schlüsselement für den Zweck dieser Erfindung bei einer Laserwellenlänge, ausgewählt für eine Materialbearbeitung, die Anstiegzeit der „Seed" La serdiode und der Impulsform. Auch ist ein Punkt dieser Erfindung derjenige, dass die Seed-Laser-Wellenlänge an das spektrale Band angepasst wird, über das der Faseroptik-Verstärker eine hohe Verstärkung mit einer geringen Empfindlichkeit für kleine Wellenlängenänderungen besitzt – d. h. in dem „flachen" Ansprechbereich des Verstärkers zum Beibehalten eines ausgezeichneten Impuls-zu-Impuls-Leistungsausgangs mit einer ausreichenden Leistung. Für mit Ytterbium dotierten Fasern ist die Verstärkung hoch in ungefähr einem annehmbaren, breiten Wellenlängenband nahe der 1,1 μm Absorptionskante von Silizium. Eine weitere Entwicklung in Materialien oder integrierten Faserkomponenten kann die nutzbaren Wellenlängenbereiche erweitern, was eine größere Flexibilität in der Anpassung des Faseremissionsspektrums, der Seed-Laser-Wellenlänge und der Target-Materialeigenschaften liefert. Zum Beispiel sind in Photonics Spectra, August 1997, Seite 92, die Ergebnisse für eine Faserlaser-Entwicklung nach dem Stand der Technik über einen Wellenlängenbereich von 1,1 μm bis 1,7 μm angegeben.
  • Die Betriebsweise einer Raman-Verschiebeeinrichtung wurde in dem vorstehend angeführten '759 Patent mit der spezifischen Verwendung in Verbindung mit einem gütegeschalteten System mit kurzem Impuls beschrieben. Falls es erwünscht ist, könnte diese Vorrichtung auch an dem Ausgang des Fasersystems platziert werden, um die Ausgangswellenlänge auf einen erwünschten Bereich zu verschieben, um zum Beispiel einen Absorptions-Kontrast zu verbessern. Unter Erkennen der Wichtigkeit der Erfordernisse einer Impulsbreite und einer kleinen Fleckgröße zur Bearbeitung, wie dies in dem vorstehend angeführten '759 Patent gelehrt ist, wird ein typischer Betrieb des bevorzugten Systems zur Bearbeitung einer Metallverbindung in dem Bereich von ungefähr 1,06 μm oder darüber, mit einer Wellenlänge von 1,08 μm, zum Beispiel, liegen.
  • Der Ausgang des Seed-Lasers muss für eine Lasermaterialbearbeitung verstärkt werden. Der bevorzugte Faseroptik-Laserverstärker wird eine Verstärkung von ungefähr 30 db liefern. Der Seed-Laserausgang wird in den Kern des Faserlasers entweder direkt oder mit Bulk-Optiken, die den Strahl für eine Faserzuführung aufteilt, eingekoppelt. Beide Techniken werden routinemäßig von Fachleuten auf dem betreffenden Fachgebiet für ultraschnelle Laser unter Verwendung einer frequenzmodulierten Verstärkung praktiziert, allerdings ist das System der bevorzugten Ausführungsform insgesamt viel weniger komplex als solche ultraschnellen Systeme. In dem System der vorliegenden Erfindung wird der Seed-Impuls verstärkt und keine Optiken für eine Impulsdehnung und eine Kompres sion sind erforderlich. Die Faser, verwendet in dem Verstärkersystem, wird über den Mantel mit einem Diodenlaser gepumpt, der eine im Wesentlichen unterschiedliche Wellenlänge gegenüber dem Seed-Laser, zum Beispiel 980 nm, besitzt, was eine optische Isolation der Seed- und Pumpstrahlen mit einem dichroitischen Spiegel in der Bulk-Optik-Systemanordnung ermöglicht. Von dem Standpunkt der Kosten, der Größe und der Einfachheit einer Ausrichtung aus gesehen, verwendet die bevorzugte Anordnung eine Kopplungsanordnung, bei der der Seed-Laser direkt in den Faserverstärker eingekoppelt wird. Der Pumplaser führt die Hochleistungsdiodenenergie, zum Beispiel mit einer Wellenlänge von 980 nm, in die Mantelstruktur einer mit Seltenerd-Ytterbium (Yb) dotierten Faser unter Verwendung von Kopplungstechniken, die für Fachleute auf dem Gebiet des Faserlasersystem-Designs geläufig sind, ein.
  • Eine geringe Störung ist eine wichtige Charakteristik des Faserverstärkers. Eine geringe Störung bzw. Verzerrung ermöglicht, dass die Ausgangsimpulsform im Wesentlichen die Impulsform des Seed-Lasers anpasst oder möglicherweise weiter die Impulskanten oder die gleichförmige Leistungsform erhöht. Das Faseroptik-Verstärkungsmedium erzeugt den Verstärkerimpuls der 5, der zu dem optischen System zugeführt und auf das Objekt fokussiert wird.
  • Multi-Faserverstärker können für eine weitere Verstärkung, falls dies erwünscht ist, kaskadiert werden, vorausgesetzt, dass die Verzerrung bzw. Störung niedrig ist. Es könnte vorteilhaft sein, aktive, optische Schalter oder passive, optische Isolatoren an dem Ausgang von Zwischenstufen vorzusehen, um eine spontane Emission zu unterdrücken. Diese Techniken sind für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet bekannt und sind in dem US-Patent 5,400,350 und der WO 98/92050, zum Beispiel, offenbart.
  • In einigen Fällen kann es erwünscht sein, weiter die Impulsform durch Verringern der „Enden" („tails") mit einer Impulsunterteilungseinrichtung, hinzugefügt zu dem Laseruntersystem, zu verbessern. Diese kann in der Form einer elektro-optischen Vorrichtung, wie beispielsweise einer Pockelszelle, oder vorzugsweise in Form eines akusto-optischen Modulators mit geringer Verzögerung, vorliegen. Diese Technik kann Energie in den Impulsenden unterdrücken, um Niveaus zu vernachlässigen, immer wenn das Risiko einer Beschädigung bei einem kleinen Vielfachen der „Impulsdauer" des verarbeitenden Impulses auftritt. Zum Beispiel wird, wenn die Energie um 20 db (100 : 1) innerhalb von 1,5-mal der vorbestimmten Impulsdauer verringert wird, dabei für alle praktischen Zwecke kein Risiko einer Substratbeschädigung in Anwendungen eines Metall-Verbindungs-Ausblasens vorhanden sein. Genauer gesagt liegt, falls eine Impulsdauer von 8 ns für eine Rechteckimpulsform in einer Anwendung eines Metallverbindungs-Ausblasens ausgewählt wird und die Energie 20 dB abwärts bei 12 ns beträgt, die verbleibende Energie weit unterhalb derjenigen liegen, die eine Beschädigung an dem Si-Substrat verursachen würde, wobei diese Beschädigung im Wesentlichen bei ungefähr 18 ns oder mehr nach Aufbringen des Laserimpulses liegt. In einem bevorzugten Betriebsmodus wird der Impuls der Unterteilungseinrichtung mit niedriger Verzögerung, hoher Bandbreite nahe dem Ende der Verstärkungsimpulsdauer aktiviert werden und wird einen multiplizierenden Effekt auf das Impulsende haben, und zwar mit einer minimalen Verzerrung der zentralen Keule. Irgendwelche Effekte der Verstärkerverzerrung und der „turn on delay" des Modulators können in einem gewissen Umfang durch Ändern der Form der Wellenform des Seed-Diodenlasers während der Impulsdauer kompensiert werden. Die sich ergebende, temporäre Impulsform in dem fokussierten Strahl wird kompensiert und ist von einer erwünschten Rechteckform.
  • Auch arbeiten derzeitige Fasersysteme optimal unter Impulswiederholungsraten von ungefähr 20 KHz, was etwas schneller als die Bearbeitungsrate ist. Ein optischer Ausgangsschalter, zum Beispiel ein akusto-optischer Modulator mit niedriger Verzögerung, wobei dessen Treiber betriebsmäßig mit einem Computer verbunden ist, wählt Impulse zur Bearbeitung aus. Auf diese Art und Weise ist die Zuverlässigkeit des Faserverstärkers und demzufolge des Bearbeitungssystems hoch. Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet werden erkennen, dass es vorteilhaft sein würde, und zwar von dem ökonomischen Standpunkt aus gesehen, die Impulsunterteilungseinrichtung und den optischen Ausgangsschalter in einem einzelnen Modul zu kombinieren.
  • Lasersystem – Alternative
  • Es sind zahlreiche Vorteile, die vorstehend angegeben sind, des bevorzugten Systems des Seed-Lasers und des Faserverstärkers vorhanden. Eine Strommodulation der Laserdiode mit einem geeigneten Treiber kann direkt eine erwünschte verstärkungsgeschaltete Impulsform erzeugen, die durch den Faserlaserverstärker mit niedriger Verzerrung verstärkt wird. Das Verfahren ist als die beste und effizienteste Maßnahme beim Praktizieren der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Allerdings werden Fachleute auf dem Gebiet der Laserimpulserzeugung und -formung erkennen, dass andere, weniger effiziente Maßnahmen verwendet werden können. Zum Beispiel sind Modifikationen von güte geschalteten Systemen, die über die Lehren der 4,483,005 hinausgehen, möglich, um relativ flache Impulse zu erhalten, und zwar unter Verwendung von verschiedenen Steuerfunktionen, um die Pockelszelle oder optische Schalter anzusteuern, vorausgesetzt, dass die Ansprechzeit des Modulators schnell genug ist. Moderne Techniken zum Beeinflussen einer Impulsbreite umfassen die Verwendung von modifizierten Ausgangskopplern, zum Beispiel, Ersetzen von herkömmlichem Glas in Nd:YAG gütegeschalteten Lasern mit GaAs, in entweder Bulk- oder kristalliner Form. Gütegeschaltete Impulse mit einer Dauer von einigen Pikosekunden bis ein paar Nanosekunden sind in einer passiven Güteschaltung eines Nd:YAG-Lasers mit einem GaAs-Ausgangskoppler in OPTICAL ENGINEERING, 38 (11), 1785–88, November 1999, berichtet worden.
  • Laserbearbeitungsschritte und Ergebnisse
  • Die Metallverbindung 25 wird auf dem Siliziumsubstrat 30 durch eine Siliziumdioxid-Isolatorschicht 32, die, zum Beispiel, 0,3–0,5 Mikron dick sein kann, getragen. Das Siliziumdioxid erstreckt sich über die Verbindung, und oftmals ist eine zusätzliche Isolationsschicht aus Siliziumnitrid über der SiO2-Schicht vorhanden. In der Verbindungs-Herausblas-Technik trifft der Laserstrahl auf jede Verbindung auf und erwärmt sie auf den Schmelzpunkt. Während des Erwärmens wird das Metall davor geschützt, dass es verdampft, und zwar durch den einschränkenden Effekt der überlegenden Passivierungsschicht. Während der Dauer des kurzen Impulses heizt der Laserstrahl progressiv das Metall auf, bis das Metall so expandiert, dass das Isolatormaterial reißt. An diesem Punkt befindet sich das geschmolzene Material unter einem solchen hohen Druck, dass es augenblicklich verdampft und durch das Riss-Loch sauber herausbläst.
  • Wie in dem vorstehend angeführten '759 Patent offenbart ist, kann, mit einer sehr kleinen Fleckgröße, verwendet in Verbindung mit kleinen Metallverbindungen, die Wärme dahingehend angesehen werden, dass sie sich im Wesentlichen mit einem exponentiellen Gradienten durch Leitung von dem Bereich des Strahlauftreffens auf das Target ausbreitet. Durch Einsetzen einer Peak-Strahlleistung so hoch, dass ausreichend Energie zum Verdampfen der Verbindung in einem Impuls von 8 Nanosekunden zugeführt wird, und bevorzugt wesentlich geringer, kann die leitende Komponente der Wärmeübertragung im Wesentlichen auf eine Metallverbindung und die unterlegende Oxidschicht eingeschränkt werden, ungeachtet davon, dass sie sehr dünn ist, so dass der Temperaturanstieg in dem Silizium einer Leitung zuschreibbar ist, und der Temperaturanstieg einer Absorption des Strahls in dem Silizium zuschreibbar ist, kann kumulativ unterhalb des Temperaturschwellwerts gehalten werden, an dem eine nicht akzeptierbare Beschädigung des Siliziums auftritt.
  • Weiterhin lehrt das vorstehend angeführte '759 Patent einige wichtige Aspekte, die sich auf die thermischen Übertragungs-Charakteristika der Verbindung und von angrenzenden Strukturen beziehen. Ein thermisches Modell sagt voraus, dass schmale Impulsbreiten, 3–10 ns zum Beispiel, die wiederum von der Dicke der Targetmateralien abhängig sind, bevorzugt sind, um eine Wärmeleitung und eine darauffolgende Beschädigung des Si-Substrats für repräsentative Dimensionen zu vermeiden. Allerdings ist es kritisch wichtig, zu realisieren, dass andere Strukturen, die an die Verbindung angrenzen, auch die Qualität der Ergebnisse der Laserbearbeitung beeinflussen können, wie die nachfolgenden, experimentellen Ergebnisse angeben.
  • Die Vorteile einer verstärkungs-geschalteten, rechteckigen Impulsform wurden mit sowohl experimentellen Ergebnissen als auch über eine Computersimulation (Finite-Element-Analyse) verifiziert. Spezifikationen für den Laser, der für das Verbindungs-Ausblasen verwendet wurde, waren:
    – Wellenlänge des Lasers 1,083 Mikron
    – maximale Laserenergie 10 Mikrojoule
    – Impulsbreite 7 ns (FWHM, Rechteckimpuls)
    – Wiederholungsrate 10 KHz (70 KHz Laserrate)
    – räumliches Profil Gauss, TEM-OO, M2 = 1,02 (mal der Diffraktionsgrenze)
    – Polarisation nicht polarisiert
    – Impulsanstiegzeit –0,5 ns
  • Der Laser, der ausgewählt wurde, war ein über den Mantel gepumpter Ytterbium-Faserlaser, in der MOPA-Konfiguration, unter Verwendung einer 980 nm Pumpdiode und einer Single-Mode-Faser mit 7 Mikron Durchmesser.
  • Experimentelle Ergebnisse mit dem Laser, der vorstehend spezifiziert ist, in Bezug auf Speichervorrichtungen neuerer Generationen, demonstrieren eine ausgezeichnete Funktion, wenn mit den standardmäßigen, gütegeschalteten Lasersystemen verglichen wird. Die Ergebnisse führten zu einer Schlussfolgerung, dass der kurze Impuls mit schnellem Anstieg des MOPA-Lasers zu der ausgezeichneten Funktion beitrug. Wie früher offenbart ist, sind die Gründe dreifach:
    • 1. Die Wellenlänge von 1,083 ist lang genug, um eine Substratbeschädigung zu vermeiden – ungefähr 10-mal geringere Absorption tritt bei 1,083 μm verglichen mit der Wellenlänge von 1,047 μm auf.
    • 2. Der Impuls mit schnellem Anstieg führt zu einen thermischen Schock zu der überlegenden Schicht aus Oxid, was ein Entfernen der Verbindung erleichtert.
    • 3. Die Dichte mit hoher Leistung des Impulses mit schnellem Anstieg verringert die Verbindungs-Reflektivität, was eine effizientere Energiekopplung ermöglicht.
  • Diese Charakteristika liefern ein wesentliches Wegführen von der Wechselwirkung, die mit gütegeschalteten Systemen beobachtet wird. Weiterhin wurde ein auf einem Computer ausgeführtes Finite-Element-Modell verwendet, um die Effekte des Impulses mit schnellem Anstieg für verschiedene Materialdicken und Verbindungsgrößen zu simulieren. Die Ergebnisse bestätigten unabhängig die verbesserten Verbindungs-Ausblas-Ergebnisse unter der Verwendung eines Impulses mit scharfer Anstiegzeit mit einer ungefähren Rechteck-Verteilung. Die Ergebnisse des Computermodells, erstellt von Bernstein, Autor der Referenznummer 3, sind in den 11a und 11b dargestellt. Die folgenden Tabellen A und B sind den Grafiken der 11a und 11b jeweils zugeordnet:
  • TABELLE A
    Figure 00310001
    • Al-Dicke: 0,8 μm
    • Al-Breite: 0,8 μm
    • SiO2: 0,1 μm
    • Si3N4: 0,4 μm
    • Laserenergie: 0,7 uJ
  • TABELLE B
    Figure 00320001
    • Al-Dicke: 0,8 μm
    • Al-Breite: 0,8 μm
    • SiO2: 0,6 μm
    • Si3N4: 0,6 μm
    • Laserenergie: 0,7 uJ
  • Die Spannungs- und Temperatur-Historie zeigten mit Sicherheit die Wichtigkeit des Impulses mit schnellem Anstieg, mit einer Anstiegzeit im Subnanosekunden-Bereich, an. Es ist auch bekannt, dass, wenn eine wesentliche Impulsenergie vorhanden ist, Si mehrere Nanosekunden nachdem die Ablation abgeschlossen ist, beispielsweise 15 ns, beschädigt sein kann. Eine schnelle Abfallzeit, mit einer hohen Extinktion, ist auch wichtig.
  • Gemäß der Erfindung wird das Siliziumsubstrat auch relativ kühl sowohl durch geeignete Auswahl einer Wellenlänge als auch durch Begrenzen der Impulsdauer, mit einem entsprechenden Rechteckimpuls mit schnellem Abfall, gehalten. Die Laserwellenlänge in diesem Beispiel ist leicht geringer als die Absorptionskante von Silizium bei Raumtemperatur (ungefähr 1,1 μm). Obwohl die Ergebnisse, die hier angegeben sind, keine Substrat-Beschädigung anzeigten, sollte angemerkt werden, dass verbesserte Grenzen verfügbar sind, falls dies erwünscht ist. Zum Beispiel könnte die Raman-Verschiebeeinrichtung verwendet werden, um die Ausgangswellenlänge über die Absorptionskante hinaus zu verschieben. Alternativ könnte eine andere Diodenlaserwellenlänge potenziell kommerziell für eine MOPA-Konfiguration verfügbar werden. Solche Wellenlängen-Auswahl- und Verschiebetechniken können vorteilhaft in anderen Laserbearbeitungs- und Mikrobearbeitungsanwendungen verwendet werden. In jedem Fall ist es, durch ein solches Begrenzen der Erwärmung, möglich, sicherzustellen, dass das Silizium nicht seine Absorptionskante in den infraroten Bereich verschiebt und in einen thermischen Runaway-Zustand eintritt, in dem eine Siliziumbeschädigung auftreten kann.
  • Die spezifische Ausführungsform der MOPA-Konfiguration für die Erzeugung eines schnellen Impulses für ein sauberes Ausblasen von Metallverbindungen ist als ein Beispiel einer Impulsformung herangezogen und ist in einem erläuternden, im Gegensatz zu einem beschränkenden, Sinne vorgesehen. Durch Steuern der Modulation des Seed-Lasers wurde eine ausgezeichnete Subnanosekunden-Steuerung über die Impulsform erhalten, und wurde als vorteilhaft befunden, einschließlich der Möglichkeit einer schnellen Kompensation, um die Ausgangsimpulsform zu korrigieren. Andere Anwendungen in der Mikrobearbeitung, beim Markieren, beim Gravieren, usw., könnten durch eine präzise, schnelle Impulssteuerung von Vorteil sein. Zum Beispiel könnte die Seed-Diode einfach mit einer „Sägezahn"-Wellenform oder einer anderen, nicht gütegeschalteten Wellenform für den Zweck einer Erzeugung oder einer Beseitigung eines spezifischen Merkmals auf oder innerhalb einer Oberfläche modelliert werden. In ähnlicher Weise ist es, aufgrund des schnellen Ansprechens der Laserdiode, möglich, eine Folge von kurzen Impulsen mit variabler Breite und schneller Abfolge zu erzeugen. Fachleute auf dem Gebiet der Laserbearbeitung werden die breite Anwendbarkeit des Lasersystems, das hier angegeben ist, erkennen. Der Schutzumfang der Erfindung ist durch die nachfolgenden Ansprüche angegeben, und ist nicht ansonsten eingeschränkt.

Claims (50)

  1. Verfahren, das auf einem energie-effizienten, nicht-medizinischen Laser basiert, zur Bearbeitung von Target-Material, das eine spezifizierte Dimension in einem mikroskopischen Bereich besitzt, ohne unerwünschte Änderungen in den elektrischen oder physikalischen Charakteristika des Materials, das das Target-Material (25) umgibt, zu verursachen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erzeugen eines Laserimpulszugs unter Verwendung eines Seed-Lasers, der eine Wellenlänge unter einer Wiederholungsrate besitzt, wobei jeder der Impulse des Impulszugs eine vorbestimmte Form besitzt; optisches Verstärken des Impulszugs ohne wesentliches Ändern der vorbestimmten Form der Impulse, um einen verstärkten Impulszug zu erhalten; und Zuführen und Fokussieren mindestens eines Teils des verstärkten Impulszugs zu einem Fleck auf dem Target-Material, gekennzeichnet dadurch, dass jeder der verstärkten Impulse eine im Wesentlichen rechteckige, zeitliche Energiedichteverteilung, eine scharfe Anstiegszeit geringer als oder in der Größenordnung von 1 Nanosekunde, eine Impulsdauer, basierend auf der spezifizierten Dimension in dem mikroskopischen Bereich, und eine Abfallzeit von weniger als oder ungefähr 2 Nanosekunden besitzt, und wobei die Anstiegzeit schnell genug ist, um effizient Laserenergie in das Target-Material einzukoppeln, wobei die Impulsdauer ausreichend ist, um das Target-Material zu bearbeiten, und die Abfallzeit schnell genug ist, um die nicht erwünschten Änderungen in Bezug auf das Material, das das Target-Material umgibt, zu verhindern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Target-Material Mikrostrukturen umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Mikrostrukturen leitfähige Leitungen sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die leitfähigen Leitungen Metallleitungen sind, und wobei die Impulsdauer ausreichend ist, um effektiv einen spezifizierten Bereich der Metallleitungen zu erwärmen und zu verdampfen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Target-Material ein Teil einer Halbleitervorrichtung ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil des Materials, das das Target-Material umgibt, ein Substrat ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Halbleiter eine mikro-elektromechanische Vorrichtung ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anstiegzeit geringer als 1 Nanosekunden ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Anstiegzeit geringer als 0,5 Nanosekunden ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Impulsdauer geringer als 10 Nanosekunden ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abfallzeit geringer als 2 Nanosekunden ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein einzelner, verstärkter Impuls ausreichend ist, um das Target-Material zu bearbeiten.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Target-Material eine Reflektivität in Bezug auf verstärkte Impulse besitzt und wobei die Energiedichte der verstärkten Impulse ausreichend hoch ist, um die Reflektivität des Target-Materials auf die verstärkten Impulse zu reduzieren und um eine effiziente Kopplung der Laserenergie in das Target-Material zu erzielen.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder Impuls eine zeitliche Energiedichteverteilung gleichförmig innerhalb von zehn Prozent während der Impulsdauer hat.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material, das das Target-Material umgibt, optische Eigenschaften und thermische Diffusionseigenschaften besitzt, die gegenüber den entsprechenden Eigenschaften des Target-Materials unterschiedlich sind.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder der verstärkten Impulse mindestens 0,1 und bis zu 3 Mikrojoule an Energie besitzt.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt eines optischen Verstärkens eine Verstärkung von mindestens 20 DB liefert.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sowohl die Anstiegzeit als auch die Abfallzeit geringer als die Hälfte der Impulsdauer ist, und wobei die Peak-Energie jedes verstärkten Impulses im Wesentlichen konstant zwischen der Anstieg- und Abfallzeit ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder der verstärkten Impulse ein Ende hat und weiterhin eine abklingende Laserenergie in den Enden der verstärkten Impulse aufweist, um eine Abfallzeit der verstärkten Impulse zu verringern, während im Wesentlichen die Energiemenge der Impulse beibehalten wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die gedämpfte Laserenergie in den Enden um mindestens 20 dB innerhalb 1,5-mal der Impulsdauer gedämpft ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die spezifizierte Dimension geringer als die Laserwellenlänge ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Fleck eine Dimension in dem Bereich von ungefähr 1 μm–4 μm besitzt.
  23. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Seed-Laser eine Einzelfrequenz-Laserdiode ist, die einen verteilten Bragg-Reflektor (disbributed Bragg reflector – DBR), eine verteilte Rückführung (distributed feedback – DFB) oder ein Design mit einer externen Kavität besitzt.
  24. Energie-effizientes System zum Verarbeiten von Target-Material, das eine spezifizierte Dimension in einem mikroskopischen Bereich besitzt, ohne unerwünschte Änderungen in den elektrischen oder physikalischen Charakteristika des Materials (32), das das Target-Material (25) umgibt, zu verursachen, wobei das System aufweist: einen verstärkungs-geschalteten, gepulsten Seed-Laser, der eine Wellenlänge zum Erzeugen eines Laserimpulszugs unter einer Wiederholungsrate besitzt, wodurch eine ansteuernde Wellenform den Laser so pumpt, dass jeder Impuls des Impulszugs eine vorbestimmte Form besitzt; einen Laserverstärker (10) für ein optisches Verstärken des Impulszugs ohne eine wesentliche Änderung der vorbestimmten Form der Impulse, um einen verstärkten Impulszug zu erhalten; und ein Strahlzuführungs- und Fokussierungsuntersystem (12) zum Zuführen und Fokussieren mindestens eines Teils des verstärkten Impulszugs zu einem Fleck auf dem Target-Material, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin aufweist: eine Steuereinheit (33) zum Erzeugen eines elektrischen Bearbeitungssteuersignals; und einen Signalgenerator zum Erzeugen der elektrischen, modulierten Ansteuerwellenform zum Pumpen des Lasers basierend auf dem Bearbeitungssteuersignal, wobei die Wellenform eine Anstiegzeit im Subnanosekundenbereich besitzt, so dass jeder der verstärkten Impulse eine im Wesentlichen rechteckige, zeitliche Energiedichteverteilung, eine scharfe Anstiegzeit geringer als oder in der Größenordnung von 1 Nanosekunden, eine Impulsdauer, basierend auf der spezifizierten Dimension in dem mikroskopischen Bereich und eine Abfallzeit von weniger als oder ungefähr 2 Nanosekunden besitzt, und wobei die Anstiegzeit schnell genug ist, um effizient Laserenergie in das Target-Material einzukoppeln, die Impulsdauer ausreichend ist, das Target-Material zu bearbeiten, und die Abfallzeit schnell genug ist, um die nicht erwünschten Änderungen in Bezug auf das Material, das das Target-Material umgibt, zu verhindern.
  25. System nach Anspruch 24, wobei das System zum Bearbeiten von Mikrostrukturen auf Materialien oder Substraten geeignet ist.
  26. System nach Anspruch 25, wobei das System zum Bearbeiten von leitfähigen Leitungen geeignet ist.
  27. System nach Anspruch 26, wobei das System zum Bearbeiten von Metallleitungen geeignet ist, und wobei die Impulsdauer ausreichend ist, um effektiv einen spezifizierten Bereich der Metallleitungen zu erwärmen und zu verdampfen.
  28. System nach Anspruch 24, wobei das Target-Material ein Teil einer Halbleitervorrichtung ist.
  29. System nach Anspruch 28, wobei das System zum Bearbeiten einer mikroelektromechanischen Vorrichtung geeignet ist.
  30. System nach Anspruch 24, wobei die Anstiegzeit geringer als 1 Nanosekunden ist.
  31. System nach Anspruch 30, wobei die Anstiegzeit geringer als 0,5 Nanosekunden ist.
  32. System nach Anspruch 24, wobei die Impulsdauer geringer als 10 Nanosekunden ist.
  33. System nach Anspruch 24, wobei die Abfallzeit geringer als 2 Nanosekunden ist.
  34. System nach Anspruch 24, wobei ein einzelner, verstärkter Impuls ausreichend ist, um das Target-Material zu bearbeiten.
  35. System nach Anspruch 24, und wobei das Target-Material eine Reflektivität in Bezug auf verstärkte Impulse besitzt, und wobei die Energiedichte der verstärkten Impulse ausreichend hoch ist, um die Reflektivität des Target-Materials auf die verstärkten Impulse zu reduzieren und um eine effiziente Kopplung der Laserenergie in das Target-Material zu erzielen.
  36. System nach Anspruch 24, wobei das Material, das das Target-Material umgibt, optische Eigenschaften und thermische Diffusionseigenschaften besitzt, die gegenüber den entsprechenden Eigenschaften des Target-Materials unterschiedlich sind.
  37. System nach Anspruch 24, wobei jeder der verstärkten Impulse mindestens 0,1 und bis zu 3 Mikrojoule an Energie besitzt.
  38. System nach Anspruch 24, wobei der Schritt eines optischen Verstärkens eine Verstärkung von mindestens 20 DB liefert.
  39. System nach Anspruch 24, wobei sowohl die Anstiegzeit als auch die Abfallzeit geringer als die Hälfte der Impulsdauer ist, und wobei die Peak-Energie jedes verstärkten Impulses im Wesentlichen konstant zwischen der Anstieg- und Abfallzeit ist.
  40. System nach Anspruch 24, wobei jeder Impuls eine zeitliche Energiedichteverteilung gleichförmig innerhalb von zehn Prozent während der Impulsdauer hat.
  41. System nach Anspruch 24, wobei jeder der verstärkten Impulse ein Ende besitzt und weiterhin eine Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen der Laserenergie in den Enden der verstärkten Impulse hat, um eine Abfallzeit der verstärkten Impulse zu verringern, während im Wesentlichen die Energiemenge der Impulse beibehalten wird.
  42. System nach Anspruch 41, wobei die Dämpfungseinrichtung Laserenergie in den Enden um mindestens 10 dB innerhalb 1,5-mal der Impulsdauer dämpft.
  43. System nach Anspruch 24, wobei die spezifizierte Dimension geringer als die Wellenlänge ist.
  44. System nach Anspruch 24, wobei der Fleck eine Dimension in dem Bereich von ungefähr 1 μm–4 μm besitzt.
  45. System nach Anspruch 39, wobei die Seed-Laserdiode eine Einzelfrequenz-Laserdiode ist, die einen verteilten Bragg-Reflektor (disbributed Bragg reflector – DBR), eine verteilte Rückführung (distributed feedback – DFB) oder ein Design mit einer externen Kavität besitzt.
  46. System nach Anspruch 24, das weiterhin einen optischen Schalter und einen Computer, gekoppelt mit dem optischen Schalter, und das Untersystem zum Auswählen von Materialbearbeitungsimpulsen des Impulszugs aufweist, und um Positionen der ausgewählten Impulse relativ zu dem Target-Material zu steuern.
  47. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Target-Material eine Metallverbindung ist und das Material, das die Metallverbindung umgibt, mindestens eine Passivierungsschicht ist.
  48. Verfahren nach Anspruch 47, wobei die Metallverbindung in einer oberseitigen Passivierungsschicht darüber und einer bodenseitigen Passivierungsschicht darunter eingebettet ist und wobei die Impulsdauer ausreichend ist, um die oberseitige Passivierungsschicht, allerdings nicht die bodenseitige Passivierungsschicht, zum Reißen zu bringen.
  49. System nach Anspruch 24, wobei das Target-Material eine Metallverbindung ist und das Material, das die Metallverbindung umgibt, mindestens eine Passivierungsschicht ist.
  50. System nach Anspruch 49, wobei die Metallverbindung in eine oberseitige Passivierungsschicht darüber und eine bodenseitige Passivierungsschicht darunter eingebettet ist, und wobei die Impulsdauer ausreichend ist, um die oberseitige Passivierungsschicht, allerdings nicht die bodenseitige Passivierungsschicht, zum Reißen zu bringen.
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