CN109862991A - 镭射处理设备和镭射处理工件的方法 - Google Patents

镭射处理设备和镭射处理工件的方法 Download PDF

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Abstract

一种处理工件的方法，该工件具有第一表面以及和该第一表面反向的第二表面，该方法包含：产生第一镭射脉冲射束，其具有以大于500kHz的脉冲重复率时小于200ps的脉冲时间持续长度；沿着与该工件相交的射束轴引导该第一镭射脉冲射束；以及沿着处理轨线扫描该射束轴。该射束轴被扫描，使得连续引导的镭射脉冲以非零咬合尺寸照射在该工件上，以便在该工件的该第一表面形成特征元件。例如咬合尺寸、脉冲时间持续长度、脉冲重复率、镭射脉冲点尺寸以及镭射脉冲能量之一或更多个参数是被选择用以确保该特征元件的经处理工件表面的平均表面粗糙度(Ra)小于或等于1.0μm。

Description

镭射处理设备和镭射处理工件的方法
相关申请案的交叉参考
本申请主张2016年7月28日提申的美国临时专利申请案第62/368,053号的权利，本文以引用的方式将其完全并入。
背景技术
数种材料处理应用皆涉及雷同的材料处理技术与问题，举例来说，该些材料处理应用包含薄硅晶圆切片、印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)钻凿、太阳能电池制造以及平板显示器制造。早期解决方案包含机械式与微影式处理技术。然而，缩减装置尺寸、提高装置复杂性以及化学处理的环境成本则让本领域转向镭射处理方法。目前运用的高功率二极体激发固态镭射具有1μm的典型波长，或者具有绿光或UV波长的频率转换型式。在某些应用中运用的方法包含以相对高的扫描速度利用重复性动作逐步切穿一工件。在此些应用中，有三个主要问题：(a)在一处理部位或附近产生与累积碎屑；(b)产生大型热影响区(Heat-Affected Zone，HAZ)；以及(c)达到具有商业可行性的非常高体积材料移除速率。如本文中用法，“碎屑(debris)”一词表示在镭射处理期间从一处理部位(以固体、液体或气体的任何形式)射出的工件材料，并且通常也利用其它术词来描述，例如，再铸料(recast)、料渣(slag)、再沉积料(redeposit)等。HAZ表示该工件中的微结构或是其它化学特性、电气特性或物理特性因镭射处理期间所产生的热而改变的区域。
各种作法已被提出以达成工件的有效及高品质镭射加工，其包含使用镭射产生具有以高重复率下超短脉冲时间持续长度的镭射脉冲，其产生的碎屑少于具有相对长脉冲宽度的镭射脉冲，并且在该工件中产生相对小的HAZ。然而，涉及使用于高重复率产生的超短镭射脉冲的技术仍会产生碎屑。在特定的应用中，已生成碎屑的累积如果产生非所希望的粗糙或不均匀表面、如果产生非所希望的应力集中点以及类似情况，便会有问题。
在现有技术中，累积的碎屑能够藉由将该经处理工件曝露于化学蚀刻剂中、藉由在超音波浴(举例来说，有去离子水)中清洗该经处理工件或是类似方法来移除。以一牺牲材料层涂布该工件亦能够解决该问题，所产生的碎屑在镭射处理期间累积在该牺牲材料层上并且该牺牲材料层能够在镭射处理完成后被移除。然而此些技术因增加额外的处理步骤和额外的消耗材料而降低处理量并且提高成本。因此，较佳的解决方式不需要进行此碎屑移除。
发明内容
本发明的其中一实施例可以特征化为一种方法，其包含：提供一工件，具有一第一表面以及和该第一表面反向的一第二表面；产生一第一镭射脉冲射束，其具有以大于500kHz的脉冲重复率时小于200ps的脉冲时间持续长度；沿着与该工件相交的一射束轴引导该第一镭射脉冲射束；以及沿着一处理轨线扫描该射束轴。该射束轴被扫描使得连续引导的镭射脉冲以非零咬合尺寸(bite size)照射在该工件上，以便在该工件的该第一表面形成一特征元件。例如咬合尺寸、脉冲时间持续长度、脉冲重复率、镭射脉冲点尺寸以及镭射脉冲能量之一或更多个参数被选择用以确保该特征元件的经处理工件表面的平均表面粗糙度(Ra)小于或等于1.0μm。
在某些实施例中，该第一镭射脉冲射束中的每一道镭射脉冲的脉冲时间持续长度小于或等于1ps、小于或等于800fs、小于或等于750fs、小于或等于700fs、小于或等于650fs或者小于或等于600fs。
在某些实施例中，该第一镭射脉冲射束中的镭射脉冲的脉冲重复率大于1200kHz、大于1250kHz、大于1300kHz、大于1400kHz、大于1500kHz、大于1600kHz、大于1700kHz、大于1800kHz、大于1900kHz、大于2000kHz或者大于3000kHz。
在某些实施例中，平均表面粗糙度(Ra)小于或等于0.75μm、小于或等于0.5μm、小于或等于0.4μm、小于或等于0.3μm、小于或等于0.25μm、小于或等于0.2μm、小于或等于0.15μm等，或者介于任何此些数值之间。
在其中一实施例中，该方法可以进一步特征化为包含下面额外动作：产生一第二镭射脉冲射束(在该特征元件被形成于该工件的第一表面之后)；聚焦该第二镭射脉冲射束里面的镭射脉冲用以产生一束腰；沿着与该经处理工件表面相交的一射束轴引导该聚焦的第二镭射脉冲射束，从而使得该束腰被排列在该工件内或在该工件的第二表面；以及在该束腰处或附近处理该工件。于其中一实施例中，相较于该第一镭射脉冲射束内的镭射脉冲的波长，该工件对该第二镭射脉冲射束内的镭射脉冲的波长来说为更透明。
附图说明
图1概略图解根据本发明其中一实施例之用于处理工件的设备。
图2与3图解被形成在一硅晶圆的表面中的沟渠的显微照片(从俯视平面图中摄得)。
图4图解经镭射处理特征元件的显微照片(从俯视平面图中摄得)，每一个特征元件包含被形成在一硅晶圆的表面中的一组交叉切割线。
图5图解在不同脉冲重复率处沿着一扫描射束轴传播镭射脉冲于被形成在一硅晶圆中的沟渠中的经处理工件表面的平均表面粗糙度(Ra)以及在该沟渠形成过程期间的材料移除速率之间的关系的一组关系图，其随着咬口大小和能量密度(fluence)变化。
图6图解用于在一硅晶圆中形成沟渠的制程视窗的一组图片，其会形成具有特定特征之经处理工件表面。
图7图解一硅晶圆的显微照片(从侧面剖视图中摄得)，其以产生平滑处理工件表面的方式被处理以便形成一沟渠。
图8A与8B图解如图7中所示的经处理硅晶圆的显微照片(从侧面剖视图中摄得)，该硅晶圆已经过进一步处理用以于该硅晶圆内形成沟渠裂缝。图8A显示跨越图7中所示的沟渠的宽度的图式。图8B显示沿着图7中所示的沟渠的长度的图式。
图9A至9D概略图解根据某些实施例用于处理一工件的方法。
具体实施方式
本文中会参考随附图式来说明范例实施例。除非另外明确叙述；否则，图式中的器件、特征元件、元件等的尺寸、定位等以及它们之间的任何距离未必依照比例绘制；相反地，为清楚起见，会放大绘制。
本文中所使用的术语仅为达说明特殊范例实施例的目的，而并没有限制的意图。除非文中另外明确表示，否则本文中所用到的单数形式“一”、“一个”、以及“该”均希望包含复数形式。应该明了的是，当说明书中用到“包括”及/或其变化形式时仅表示所述特点、事物、步骤、操作、元件及/或器件的存在，而并不排除有或者另外还有一或更多个其它特点、事物、步骤、操作、元件、器件及/或它们的群组的存在。除非另外详述，否则，当叙述到一数值范围时，其包含上限范围与下限范围以及介于其间的任何子范围。除非另外表示，否则，诸如“第一”、“第二”等词语仅是用来区分其中一元件与另一元件。举例来说，其中一个节点可被称为“第一节点”；且同样地，另一个节点则可被称为“第二节点”，反之亦可。本文中所用到的段落标题仅为达组织的目的，而不应被视为限制所述主旨。
除非另外表示，否则，“关于”、“与其有关”等词语的意义为数额、尺寸、公式、参数以及其它定量与特征并不精确而且不需要精确；相反地，必要时，可以为近似及/或较大或较小，以便反映公差、转换系数、舍入、量测误差与类似物以及本领域的技术人员已知的其它系数。
如图中所示，为达方便说明起见，本文中可能使用诸如“之下”、“底下”、“下方”、“之上”、“上方”的空间相对词语以及类似词语来说明其中一元件或特征元件和另一元件或特征元件关系；但是，应该明了的是，除了图中所描绘的配向之外，该些空间相对词语亦希望涵盖不同的配向。举例来说，倘若图中的一物体被翻转的话，那么，被描述为位于其它元件或特征元件“之下”或“底下”的元件便被配向在该些其它元件或特征元件“之上”。因此，示范性词语“之下”能够涵盖之上与之下两种配向。一物体可以有其它配向(举例来说，旋转90度或是位于其它配向)，并且可据以诠释本文中所使用的空间相对描述符。
全文中相同的元件符号表示相同的元件。因此，相同或雷同的符号可以参考其它图式来说明，即使在对应图式中没有被提及或说明。另外，即使没有以元件符号表示的元件仍可以参考其它图式来说明。
应该明白的是，可以有许多不同的形式以及实施例，其并没有脱离本揭示内容的精神与教示内容，且因此，此教示内容不应被视为受限于本文中所提出的范例实施例。确切地说，此些范例与实施例是被提供以便此揭示内容为透彻与完整，并且传达本揭示内容的范畴给本领域的技术人员。
I.概述
本文中所述实施例大体上关于用于工件的基于镭射的加工(本文中亦称为镭射处理，或者，最简单的说为“处理”)的方法和设备。一般来说，该处理全部或部分藉由以镭射辐射照射该工件来完成，用以对工件加热、熔融、蒸发、烧蚀、碎裂、研磨等。可以藉由所示设备来进行的处理的特定范例包含通孔钻凿、切片、雕刻等。因此，可以因为该处理而被形成在工件之上或里面的特征元件会包含：开口、通孔(举例来说，盲孔、贯穿孔、狭槽通孔)、沟槽、沟渠、切割线、刻口、下凹区、或是类似物、或是前述的任何组合。
可被处理的工件的一般特征为金属、聚合物、陶瓷、合成物或是前述的任何组合。可被处理的工件的特定范例包含：集成电路(Integrated Circuit，IC)、IC封装(ICPackage，ICP)、发光二极体(Light-Emitting Diode，LED)、LED封装、半导体晶圆、电子或光学装置基板(举例来说，由下面所形成的基板：Al2O3、AlN、BeO、Cu、GaAs、GaN、Ge、InP、Si、SiO2、SiC、Si1-xGex(其中，0.0001<x<0.9999)、或是类似物、或是前述的任何组合或合金)、由塑胶、玻璃(举例来说，无强化，或是热强化、化学强化、或是其它强化方式)、石英、蓝宝石、塑胶、硅等形成的物品。据此，可被处理的材料包含：一或更多种金属(举例来说，Al、Ag、Au、Cu、Fe、In、Mg、Pt、Sn、Ti、或是类似物、或是前述的组合或合金)、导体金属氧化物(举例来说，ITO等)、透明的导体聚合物、陶瓷、蜡、树脂、基板材料(举例来说，Al2O3、AlN、BeO、Cu、GaAs、GaN、Ge、InP、Si、SiO2、SiC、Si1-xGex、或是类似物、或是前述的任何组合或合金)、无机介电材料(举例来说，作为层间介电结构，例如，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、或是类似物、或是前述的任何组合)、低k介电材料(举例来说，甲基倍半硅氧烷(methyl silsesquioxane，MSQ)、氢化倍半氧硅烷(hydrogen silsesquioxane，HSQ)、氟化四乙氧基硅烷(fluorinatedtetraethyl orthosilicate，FTEOS)、或是类似物、或是前述的任何组合)、有机介电材料(举例来说，SILK、环苯丁烯、Nautilus(全部由Dow所制造)、聚氟四乙烯(由DuPont所制造)、FLARE(由Allied Chemical所制造)、或是类似物、或是前述的任何组合)、玻璃纤维；聚合材料(聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚缩醛、聚碳酸酯、改质的聚苯醚、聚对苯二甲酸丁二酯、聚硫化苯、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、液晶聚合物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、以及前述的任何化合物、合成物、或是合金)、或是类似物、或是前述的任何组合。
II.***-概述
图1概略图解根据本发明其中一实施例的用于处理工件的设备。
参考图1中所示的实施例，一种用于处理工件102的设备100包含：一镭射源104，用于产生镭射脉冲；一第一***106；一第二***108；一第三***110；一扫描透镜112；以及一控制器114。有鉴于下面的说明，应该明了的是，在该设备100包含该第二***108的前提下，第一***106的并入为非必要(也就是，该设备100不需要包含该第一***106)。同样地，应该明了的是，在该设备100包含该第一***106的前提下，第二***108的并入为非必要(也就是，该设备100不需要包含该第二***108)。最后，同样应该明了的是，第三***110的并入为非必要(也就是，该设备100不需要包含该第三***110)。
图中虽然并未显示；不过，该设备100还包含一或更多个光学器件(举例来说，射束扩展器、射束塑形器、孔径、谐波生成晶体、滤波器、准直器、透镜、面镜、偏振器、波板、绕射性光学元件、或是类似物、或是前述的任何组合)，以便沿着通往扫描透镜112的一或更多条射束路径(举例来说，射束路径116)来聚焦、扩展、准直、塑形、偏振、滤波、分光、组合、裁切、或是以其它方式修饰、调整、或是引导由镭射源104所产生的镭射脉冲。应该进一步明白的是，前面提及的器件中的一或更多者可以被提供，或者，该设备100可以进一步包含额外的器件，如在下面的专利案中的揭示：美国专利案第4,912,487号、第5,633,747号、第5,638,267号、第5,751,585号、第5,847,960号、第5,917,300号、第6,314,473号、第6,430,465号、第6,700,600号、第6,706,998号、第6,706,999号、第6,816,294号、第6,947,454号、第7,019,891号、第7,027,199号、第7,133,182号、第7,133,186号、第7,133,187号、第7,133,188号、第7,245,412号、第7,259,354号、第7,611,745号、第7,834,293号、第8,026,158号、第8,076,605号、第8,158,493号、第8,288,679号、第8,404,998号、第8,497,450号、第8,648,277号、第8,680,430号、第8,847,113号、第8,896,909号、第8,928,853号；或是在前面提及的美国专利申请公开案第2014/0026351号、第2014/0197140号、第2014/0263201号、第2014/0263212号、第2014/0263223号、第2014/0312013号中的揭示；或是在德国专利案第DE102013201968B4号中的揭示；或是在国际专利申请公开案第WO2009/087392号中的揭示；或是前述案件的任何组合。本文以引用的方式将前述案件中的每一案完全并入。
透射穿过扫描透镜112的镭射脉冲会沿着一射束轴传播，以便被传递至工件102。被传递至工件102的镭射脉冲可以被特征化为具有高斯或是经过塑形的(举例来说，“高帽形”)空间强度轮廓。该空间强度轮廓亦能够被特征化成沿着该射束轴(或是射束路径116)传播的镭射脉冲的剖面形状，该形状可以为圆形、椭圆形、矩形、三角形、六角形、环状等或是任意形状。此外，此些被传递的镭射脉冲能够以落在从2μm至200μm的范围中的光点尺寸照射该工件102。如本文中的用法，“光点尺寸”一词表示在该射束轴横切要被该被传递镭射脉冲处理的该工件102的某一区域的位置处的被传递镭射脉冲的直径或是最大空间宽度(亦被称为“处理部位”、“处理光点”、“光点位置”，或者，更简单的说法是，“光点”)。为达本文中讨论的目的，光点尺寸的量测是从该射束轴至该光学强度下降至位于该射束轴处的光学强度的1/e2的径向或横向距离。一般来说，一镭射脉冲的光点尺寸在束腰(beam waist)处为最小。然而，应该明白的是，光点尺寸亦能够小于2μm或是大于200μm。因此，被传递至工件102的至少一镭射脉冲会具有小于、大于、或等于下面数值的光点尺寸：2μm、3μm、5μm、7μm、10μm、15μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、80μm、100μm、150μm、200μm等；或是介于任何此些数值之间。在其中一实施例中，被传递至工件102的镭射脉冲会具有落于从25μm至60μm的范围中的光点尺寸。在另一实施例中，被传递至工件102的镭射脉冲会具有落于从35μm至50μm的范围中的光点尺寸。
A.镭射源
一般来说，镭射源104可操作用以产生镭射脉冲。因此，该镭射源104可以包含一脉冲镭射源、一QCW镭射源或是一CW镭射源。在该镭射源104包含QCW或CW镭射源的情况中，该镭射源104可以进一步包含一脉冲闸控单元(举例来说，声光(AO)调变器(AO Modulator，AOM)、射束斩波器等)，用以在时间上调变从该QCW或CW镭射源处所输出的镭射辐射射束。图中虽然并未显示；不过，该设备100可以视情况包含一或更多个谐波生成晶体(亦称为“波长转换晶体”)，其被配置成用以转换由该镭射源104所输出的光的波长。据此，最终被传递至工件102的镭射脉冲可以被特征化成具有位于下面电磁频谱范围中的一或更多者之中的一或更多个波长：紫外光(UV)、可见光(举例来说，绿光)、红外光(InfraRed，IR)、近IR光(Near-IR，NIR)、短波长IR光(Short-Wavelength IR，SWIR)、中波长IR光(Mid-WavelengthIR，MWIR)、或是长波长IR光(LWIR)或是前述的任何组合。
由该镭射源104所输出的镭射脉冲会具有落于从30fs至500ps的范围中的脉冲宽度或脉冲时间持续长度。然而，应该明白的是，该脉冲时间持续长度亦能够小于10fs，或是大于500ps。因此，由镭射源104所输出的至少一镭射脉冲会具有小于、大于、或等于下面数值的脉冲时间持续长度：10fs、15fs、30fs、50fs、75fs、100fs、150fs、200fs、300fs、500fs、700fs、750fs、800fs、850fs、900fs、1ps、2ps、3ps、4ps、5ps、7ps、10ps、15ps、25ps、50ps、75ps、100ps、200ps、500ps等、或是介于任何此些数值之间。在其中一实施例中，由镭射源104所输出的镭射脉冲的脉冲时间持续长度落在从10fs至1ps的范围中。在另一实施例中，由镭射源104所输出的镭射脉冲的脉冲时间持续长度落于从500fs至900fs的范围中。
由镭射源104所输出的镭射脉冲会具有落于从100mW至50kW的范围中的平均功率。然而，应该明白的是，该平均功率亦能够小于100mW，或是大于50kW。因此，由镭射源104所输出的镭射脉冲会具有大于或等于下面数值的平均功率：100mW、300mW、500mW、800mW、1W、2W、3W、4W、5W、6W、7W、10W、15W、25W、30W、50W、60W、100W、150W、200W、250W、500W、2kW、3kW、20kW、50kW等、或是介于任何此些数值之间。
镭射脉冲能够由镭射源104以落于从5kHz至1GHz的范围中的脉冲重复率来输出。然而，应该明白的是，该脉冲重复率亦能够小于5kHz，或是大于1GHz。因此，镭射脉冲能够由镭射源104以小于、大于、或等于下面数值的脉冲重复率来输出：5kHz、50kHz、100kHz、250kHz、500kHz、800kHz、900kHz、1MHz、1.5MHz、1.8MHz、1.9MHz、2MHz、2.5MHz、3MHz、4MHz、5MHz、10MHz、20MHz、50MHz、70MHz、100MHz、150MHz、200MHz、250MHz、300MHz、350MHz、500MHz、550MHz、700MHz、900MHz、2GHz、10GHz等、或是介于任何此些数值之间。在某些实施例中，该脉冲重复率会在从1.5MHz至10MHz的范围中。
除了波长、脉冲时间持续长度、平均功率以及脉冲重复率之外，被传递至工件102的镭射脉冲还能够被特征化成诸如脉冲能量、尖峰功率等的一或更多项其它特征，其能够以一或更多项其它参数为基础来选择，以便以足以具有处理该工件102或是其器件的光学强度(单位为W/cm2)、能量密度(单位为J/cm2)等的处理光点来照射该工件102，用以形成具有一或更多个所希望特征的一或更多个特征元件。此些其它参数的范例包含前面提及特征中的一或更多者，例如：波长、脉冲时间持续长度、平均功率、以及脉冲重复率等，以及工件102的材料特性、咬合尺寸、所希望的处理量、或是类似特征、或是前述的任何组合。如本文中的用法，“咬合尺寸”是指被连续传递镭射脉冲照射的光点区域之间的中心至中心距离。
举例来说，被传递至工件102的镭射脉冲会有落在从1μJ至20μJ的范围中的脉冲能量。在其中一实施例中，任何被传递的镭射脉冲会有落在从2μJ至10μJ的范围中的脉冲能量。在另一实施例中，任何被传递的镭射脉冲会有落在从3μJ至6μJ的范围中的脉冲能量。然而，应该明白的是，被传递的镭射脉冲的脉冲能量会小于1μJ或大于20μJ。在另一范例中，被传递至工件102的镭射脉冲会有落在从1μJ至20μJ的范围中的能量密度。在其中一实施例中，任何被传递的镭射脉冲会有落在从2μJ至10μJ的范围中的脉冲能量。在另一实施例中，任何被传递的镭射脉冲会有落在从2μJ至6μJ的范围中的脉冲能量。然而，应该明白的是，被传递的镭射脉冲的脉冲能量会小于1μJ或大于20μJ。
镭射源104的镭射类型的范例可以被特征化成：气体镭射(举例来说，二氧化碳镭射、一氧化碳镭射、准分子镭射等)、固态镭射(举例来说，Nd:YAG镭射等)、棒镭射、光纤镭射、光子晶体棒/光纤镭射、被动式锁模固态体镭射或光纤镭射、染料镭射、锁模二极体镭射、脉冲式镭射(举例来说，ms脉冲式镭射、ns脉冲式镭射、ps脉冲式镭射、fs脉冲式镭射)、CW镭射、QCW镭射、或是类似镭射、或是前述的任何组合。可以被提供作为镭射源104的镭射源的特定范例包含下面一或更多种镭射源，例如：由EOLITE所制造的BOREAS、HEGOA、SIROCCO、或是CHINOOK镭射系列；由PYROPHOTONICS所制造的PYROFLEX镭射系列；由COHERENT所制造的PALADIN Advanced 355或DIAMOND镭射系列；由TRUMPF所制造的TRUFLOW镭射系列(举例来说，TRUFLOW 2000、2700、3200、3600、4000、5000、6000、7000、8000、10000、12000、15000、20000)，或是TRUDISK镭射系列、TRUPULSE镭射系列、TRUDIODE镭射系列、TRUFIBER镭射系列、或是TRUMICRO镭射系列；由IMRA AMERICA所制造的FCPA μJEWEL镭射系列或FEMTOLITE镭射系列；由AMPLITUDE SYSTEMES所制造的TANGERINE镭射系列与SATSUMA镭射系列；由IPG PHOTONICS所制造的CL镭射系列、CLPF镭射系列、CLPN镭射系列、CLPNT镭射系列、CLT镭射系列、ELM镭射系列、ELPF镭射系列、ELPN镭射系列、ELPP镭射系列、ELR镭射系列、ELS镭射系列、FLPN镭射系列、FLPNT镭射系列、FLT镭射系列、GLPF镭射系列、GLPN镭射系列、GLR镭射系列、HLPN镭射系列、HLPP镭射系列、RFL镭射系列、TLM镭射系列、TLPN镭射系列、TLR镭射系列、ULPN镭射系列、ULR镭射系列、VLM镭射系列、VLPN镭射系列、YLM镭射系列、YLPF镭射系列、YLPN镭射系列、YLPP镭射系列、YLR镭射系列、YLS镭射系列、FLPM镭射系列、FLPMT镭射系列、DLM镭射系列、BLM镭射系列、或是DLR镭射系列(举例来说，其包含GPLN-100-M、GPLN-500-QCW、GPLN-500-M、GPLN-500-R、GPLN-2000-S等)；或是类似的镭射、或是前述的任何组合。
B.第一***
该第一***106被设置在射束路径116之中，并且可操作用以对由镭射源104所产生的镭射脉冲进行绕射、反射、折射、或是类似作用、或是前述的任何组合，以便以扫描透镜112为基准移动该射束路径116，且结果，以便以该工件102为基准来移动该射束轴。一般来说，该第一***106被配置成用以沿着X轴(或方向)与Y轴(或方向)，以该工件102为基准来移动该射束轴。图中虽然并未显示；不过，Y轴(或Y方向)应被理解为正交于图中所示之X轴(或方向)与Z轴(或方向)的轴(或方向)。
由该第一***106所赋予之以该工件102为基准来移动该射束轴通常会受到限制，俾使得该处理光点能够被扫描、被移动、或是被定位在一第一扫描场或“第一扫描范围”里面，该第一扫描场或“第一扫描范围”延伸在X方向与Y方向之中的0.01mm至4.0mm之间。然而，应该明白的是，该第一扫描范围可以延伸在X方向或Y方向的任一者之中小于0.01mm，或是大于4.0mm(举例来说，相依于一或更多项系数，例如，第一***106的配置、第一***106在射束路径116中的位置、入射于该第一***106上的镭射脉冲的射束尺寸、光点尺寸等)。因此，该第一扫描范围可以延伸在X方向与Y方向的任一者之中大于或等于下面数值的距离：0.04mm、0.1mm、0.5mm、1.0mm、1.4mm、1.5mm、1.8mm、2mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.2mm等；或是介于任何此些数值之间。如本文中的用法，“射束尺寸”一词是表示一镭射脉冲的直径或宽度，并且能够被量测成从该射束轴至该光学强度下降至位在该射束轴处的光学强度的1/e2的径向或横向距离。
一般来说，该第一***106能够用来移动该射束轴，并且因而定位该处理光点的频宽(也就是，第一定位频宽)是落在从50kHz(或是大约50kHz)至10MHz(或是大约10MHz)的范围之中。因此，该第一***106能够藉由一落在从每20μs(或是大约20μs)一个光点位置至每0.1μs(或是大约0.1μs)一个光点位置的范围之中的定位速率(从该第一定位频宽中推知)将该处理光点定位于该第一扫描范围内的任何位置。本文中的定位速率的倒数称为“定位周期”并且表示用以将该处理光点的位置从于该第一扫描范围内的其中一个位置改变至任何其它位置的必要时间周期。因此，该第一***106能够藉由一落于从20μs(或是大约20μs)至0.1μs(或是大约0.1μs)的范围之中的定位周期来特征化。在其中一实施例中，该第一定位频宽落于从100kHz(或是大约100kHz)至2MHz(或是大约2MHz)的范围之中。举例来说，1MHz(或是大约1MHz)的第一定位频宽。
该第一***106能够被提供成为一微机电***(Micro-Electro-Mechanical-System，MEMS)面镜或面镜阵列、一AO偏转器(AOD)***、一电光偏转器(Electro-OpticDeflector，EOD)***、一快速操控面镜(Fast-Steering Mirror，FSM)元件，其并入一压电式致动器、电致伸缩式致动器、音圈致动器等、或是类似物、或是前述的任何组合。在其中一实施例中，该第一***106被提供成为一AOD***，其包含至少一(举例来说，一个、两个等)单元件AOD***、至少一(举例来说，一个、两个等)相位阵列AOD***、或是类似物、或是前述的任何组合。两种AOD***皆包含一由诸如下面材料所形成的AO胞体：结晶Ge、PbMoO4、TeO2、玻璃质的SiO2、石英、As2O3等；然而，前者包含被音频耦接至该AO胞体的单超音波换能器元件，而后者包含由被共同音频耦接至该AO胞体的至少两个超音波换能器元件组成的相位阵列。
该些AOD***中的任一者可被提供成为单轴AOD***(举例来说，被配置成用以沿着单一方向来移动该射束轴)或是藉由偏折该射束路径116而被提供成为多轴AOD***(举例来说，被配置成用以沿着多个方向，举例来说，X方向与Y方向，来移动该射束轴)。一般来说，多轴AOD***能够被提供成为多胞体***或是单胞体***。多胞体、多轴***通常包含多个AOD***，每一个AOD***皆被配置成用以沿着一不同轴来移动该射束轴。举例来说，多胞体、多轴***会包含：一第一AOD***(举例来说，一单元件或相位阵列AOD***)，其被配置成用以沿着该X方向来移动该射束轴(举例来说，“X轴AOD***”)；以及一第二AOD***(举例来说，一单元件或相位阵列AOD***)，其被配置成用以沿着该Y方向来移动该射束轴(举例来说，“Y轴AOD***”)。单胞体、多轴***(举例来说，“X/Y轴AOD***”)通常包含单一AOD***，其被配置成用以沿着该X方向与Y方向来移动该射束轴。举例来说，单胞体***会包含至少两个超音波换能器元件，其被音频耦接至一共同AO胞体的不同平面、小面、侧边等。
C.第二***
和第一***106相同，该第二***108被设置在射束路径116之中，并且可操作用以对由镭射源104所产生并且通过该第一***106的镭射脉冲进行绕射、反射、折射、或是类似作用、或是前述的任何组合，以便通过以扫描透镜112为基准移动该射束路径116而以该工件102为基准来移动该射束轴(举例来说，沿着X方向及Y方向)。由该第二***108所赋予之以该工件102为基准来移动该射束轴通常会受到限制，从而使得该处理光点能够被扫描、被移动、或是被定位于一第二扫描场或“第二扫描范围”里面，该第二扫描场或“第二扫描范围”延伸在X方向及/或Y方向之中，其面积大于该第一扫描范围。有鉴于本文中所述的配置，应该明了的是，由该第一***106所赋予的射束轴的移动会叠加由该第二***108所赋予的射束轴的移动。因此，该第二***108可操作用以于该第二扫描范围里面扫描该第一扫描范围。
在其中一实施例中，该第二扫描范围延伸在X方向及/或Y方向之中的1mm至50mm之间。然而，应该明白的是，该第二***108亦可以被配置成使得该第二扫描范围延伸在X方向或Y方向的任一者之中小于1mm，或是大于50mm。因此，在某些实施例中，该第二扫描范围的最大维度(举例来说，在X方向或Y方向之中，或是其它方向之中)可以大于或等于要被形成在该工件102之中的特征元件(举例来说，通孔、沟渠、切割线、下凹区、导体线路等)的对应最大维度(于X-Y平面中所测得)。然而，在另一实施例中，该第二扫描范围的最大维度可以小于要被形成的特征元件的最大维度。
一般来说，该第二***108能够用以移动该射束轴并且因而定位该处理光点(以及因而于该第二扫描范围里面扫描该第一扫描范围)的频宽(也就是，第二定位频宽)小于该第一定位频宽。在其中一实施例中，该第二定位频宽是落于从900Hz至5kHz的范围之中。在另一实施例中，该第一定位频宽是落于从2kHz至3kHz的范围之中(举例来说，约2.5kHz)。举例来说，该第二***108被提供成为一检流计面镜***，其包含两个检流计面镜器件，其中，其中一个检流计面镜器件被排列成用以沿着该X方向以该工件102为基准来移动该射束轴，而另一个检流计面镜器件则被排列成用以沿着该Y方向以该工件102为基准来移动该射束轴。然而，在其它实施例中，该第二***108亦可以被提供成为一旋转多边形面镜***等。因此，应该明白的是，端视该第二***108与该第一***106的特定配置而定，该第二定位频宽可以大于或等于该第一定位频宽。
D.第三***
该第三***110可操作用以以扫描透镜112为基准移动该工件102，且因此，以该射束轴为基准来移动该工件102。以该射束轴为基准来移动该工件102通常会受到限制，以使得该处理光点能够被扫描、被移动、或是被定位于一第三扫描场或“第三扫描范围”里面，该第三扫描场或“第三扫描范围”延伸在X方向及/或Y方向之中，其面积大于该第二扫描范围。在其中一实施例中，该第三扫描范围延伸在X方向及/或Y方向之中的25mm至2mm之间。在另一实施例中，该第二扫描范围延伸在X方向及/或Y方向之中的0.5mm至1.5mm之间。一般来说，该第三扫描范围的最大维度(举例来说，在X方向或Y方向之中，或是其它方向之中)会大于或等于要被形成在该工件102之中的任何特征元件的对应最大维度(于X-Y平面中所测得)。视情况，该第三***110可以被配置成用以于延伸在Z方向之中的扫描范围里面以该射束轴为基准来移动该工件102(举例来说，落在1mm与50mm之间的范围中)。因此，该第三扫描范围可以沿着X方向、Y方向、及/或Z方向延伸。
有鉴于本文中所述的配置，应该明了的是，由该第一***106及/或该第二***108所赋予的射束轴的移动会叠加由该第三***110所赋予的射束轴的移动。因此，该第三***110可操作用以于该第三扫描范围里面扫描该第一扫描范围及/或该第二扫描范围。一般来说，该第三***110能够用以定位该处理光点(以及因而于该第三扫描范围里面移动该第一扫描范围及/或第二扫描范围)的频宽(也就是，第三定位频宽)小于该第二定位频宽(举例来说，10Hz，或是大约10Hz，或是更小)。
在其中一实施例中，该第三***110被提供成为一或更多个线性载台(举例来说，每一者皆能够沿着该些X方向、Y方向、及/或Z方向来平移移动该工件102)、一或更多个旋转载台(举例来说，每一者皆能够绕着平行于该些X方向、Y方向、及/或Z方向的轴线旋转移动该工件102)、或是类似物、或是前述的任何组合。在其中一实施例中，该第三***110包含：一X载台，用于沿着该X方向来移动该工件102；以及一Y载台，其受到该X载台支撑(且因此，可藉由该X载台而沿着该X方向移动)用于沿着该Y方向来移动该工件102。图中虽然并未显示；不过，设备100还可能包含一非必要的夹盘，其被耦接至该第三***110，工件102能够被钳止、固定、固持、固锁、或是以其它方式被支撑于该夹盘。图中虽然并未显示；不过，设备100还可能包含一非必要的基底，用以支撑该第三***110。
如目前已述，设备100运用一所谓的“堆叠式”定位***，其中，诸如第一***106、第二***108、扫描透镜112等器件的位置是以该工件102为基准保持静止于该设备100里面(举例来说，如本技术中已知般，通过一或更多个支撑架、框架等)，该工件102会通过该第三***110被移动。在另一实施例中，该第三***110可以被排列并且被配置成用以移动诸如第一***106、第二***108、扫描透镜112等的一或更多个器件，而工件102则可以保持静止。在又一实施例中，该设备100能够运用一分光轴定位***，其中，诸如第一***106、第二***108、扫描透镜112等的一或更多个器件是由一或更多个线性载台或旋转载台来携载，并且一或更多个线性载台或旋转载台被排列并且被配置成用以移动工件102。因此，该第三***110会移动该工件102以及移动第一***106、第二***108、扫描透镜112等的一或更多者。可以有利或卓越地运用在设备100之中的分光轴定位***的某些范例包含下面所揭示范例中的任何范例：美国专利案第5,751,585号、第5,798,927号、第5,847,960号、第6,706,999号、第7,605,343号、第8,680,430号、第8,847,113号；或是美国专利申请公开案第2014/0083983号；或是前述的任何组合。本文以引用的方式将前述每一案完全并入。
在另一实施例中，诸如第一***106、第二***108、扫描透镜112等的一或更多个器件可以由一铰接式多轴自动手臂(举例来说，2轴手臂、3轴手臂、4轴手臂、5轴手臂、或是6轴手臂)来携载。在此实施例中，该第二***108及/或扫描透镜112可以视情况由该自动手臂的一末端效果器来携载。在又一实施例中，该工件102可以直接被携载于一铰接式多轴自动手臂的一末端效果器之上(也就是，没有第三***110)。在再一实施例中，该第三***110可以被携载于一铰接式多轴自动手臂的一末端效果器之上。
D.扫描透镜
扫描透镜112(举例来说，被提供成为一简易透镜或是一复合透镜)通常被配置成用以聚焦沿着该射束路径被引导的镭射脉冲，一般来说，以便产生一能够被定位在该所希望处理光点处的束腰。该扫描透镜112可以被提供成为一f-希塔(f-theta)透镜、一远心透镜、一轴锥透镜(在此情况中，一连串的束腰会被产生，从而沿着该射束轴产生彼此有位移的多个处理光点)、或是类似物、或是前述的任何组合。
E.控制器
一般来说，控制器114被通讯耦接至(举例来说，在一或更多条有线或无线通讯链路上，例如，USB、乙太网路、火线(Firewire)、Wi-Fi、RFID、NFC、蓝牙、Li-Fi、或是类似链路、或是前述的任何组合)设备100中的一或更多个器件，例如，镭射源104、第一***106、第二***108、第三***110、透镜致动器等，并且因此可响应于由该控制器114所输出的一或更多个控制讯号来操作。
举例来说，控制器114可以控制第一***106、第二***108或是第三***110的操作，以便在该射束轴与该工件之间赋予相对移动，以便导致该处理光点与该工件102之间沿着该工件102里面的一轨线(在本文中亦称为“处理轨线”)的相对移动。应该明白的是，此些***中的任两者或是此些***中的全部三者可以受到控制，以使得两个***(举例来说，第一***106与第二***108、第一***106与第三***110、或是第二***108与第三***110)或是全部三个***同时赋予该处理光点与该工件102之间的相对移动(从而赋予该射束轴与该工件之间的“复合相对移动”)。当然，在任何时间，亦可能仅控制其中一个***(举例来说，第一***106、第二***108、或是第三***110)，用以赋予该处理光点与该工件102之间的相对移动(从而赋予该射束轴与该工件之间的“非复合相对移动”)。用以命令复合或非复合相对移动的控制讯号可以事先算出，或者，可以即时决定。
一般来说，控制器114包含一或更多个处理器，其被配置成用以在执行指令时产生前面提及的控制讯号。一处理器能够被提供成为被配置成用以执行该些指令的可程式化处理器(举例来说，其包含一或更多个一般用途电脑处理器、微处理器、数位讯号处理器、或是类似物、或是前述的任何组合)。可由该(些)处理器来执行的指令可以以软体、韧体等来施行，或是以任何合宜形式的电路***来施行，其包含：可程式化逻辑装置(ProgrammableLogic Device，PLD)；可场程式化闸阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)；可场程式化物体阵列(Field Programmable Object Array，FPOA)；特定应用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)，其包含数位电路***、类比电路***、以及混合式类比/数位电路***；或是类似物；或是前述的任何组合。指令的执行能够在一处理器上被实施、分散于多个处理器之间、平行跨越一装置里面的多个处理器或是跨越一由多个装置所组成的网路、或是类似方式、或是前述的任何组合。
在其中一实施例中，控制器114包含可让该处理器存取(举例来说，通过一或更多条有线或无线通讯链路)的有形媒体，例如，电脑记忆体。如本文中的用法，“电脑记忆体”包含：磁性媒体(举例来说，磁带、硬碟机等)、光碟；挥发性或非挥发性半导体记忆体(举例来说，RAM、ROM、NAND型快闪记忆体、NOR型快闪记忆体、SONOS记忆体等)等，并且可以区域性存取、远端存取(举例来说，跨越一网路)、或是前述的任何组合。一般来说，该些指令可以以本文中所提供的描述(举例来说，以C、C++、Visual Basic、Java、Python、Tel、Perl、Scheme、Ruby等撰写而成)被储存成为能够由技师轻易编写的电脑软体(举例来说，可执行码、档案、指令等、程式库档案等)。电脑软体经常被储存在由电脑记忆体所传达的一或更多个资料结构中。
图中虽然并未显示；不过，一或更多个驱动器(举例来说，RF驱动器、伺服驱动器、行驱动器、电源等)亦能够被通讯耦接至一或更多个器件(例如，镭射源104、第一***106、第二***108、第三***110、透镜致动器等)的输入。在其中一实施例中，每一个驱动器通常包含一被通讯耦接至控制器114的输入，且因此，该控制器114可以操作用以产生一或更多个控制讯号(举例来说，触发讯号等)，该些控制讯号能够被传送至和设备100的一或更多个器件相关联的一或更多个驱动器的输入。因此，诸如该镭射源104、该第一***106、该第二***108、该第三***110、该透镜致动器等的器件会响应于由该控制器114所产生的控制讯号。
在另一实施例中，图中虽然并未显示；不过，一或更多个额外的控制器(举例来说，器件特定控制器)可以视情况被通讯耦接至一被通讯耦接至器件(例如，镭射源104、第一***106、第二***108、第三***110、以及透镜致动器等)且因此与该器件相关联的驱动器的输入。在此实施例中，每一个器件特定控制器会被通讯耦接至该控制器114并且可操作用以响应于接收自该控制器114的一或更多个控制讯号而产生一或更多个控制讯号(举例来说，触发讯号等)，该些控制讯号接着能够被传送至与其通讯耦接的驱动器的输入。在此实施例中，一器件特定控制器可以如同针对控制器114所述般的方式被配置。
在提供一或更多个器件特定控制器的另一实施例中，和其中一个器件(举例来说，镭射源104)相关联的器件特定控制器会被通讯耦接至和其中一个器件(举例来说，第一***106等)相关联的器件特定控制器。在此实施例中，该些器件特定控制器中的一或更多者能够操作用以响应于接收自一或更多个其它器件特定控制器的一或更多个控制讯号而产生一或更多个控制讯号(举例来说，触发讯号等)。
III.关于移除工件材料的实验结果
根据某些实施例，并且如下面更详细讨论，设备100具备一镭射源104，被配置成藉由移除工件102的一部分来处理该工件102，以便形成一或更多个特征元件(举例来说，开口、狭槽、通孔、沟槽、沟渠、切割线、刻口、下凹区、或是类似物、或是前述的任何组合)。因该处理的结果所产生的表面在下文中称为“经处理的工件表面”，并且会包含一侧壁、一底表面、或是类似物、或是前述的任何部分或组合。在此些实施例中，材料藉由以高重复率将具有超短脉冲时间持续长度的镭射脉冲传递至工件102而从该工件102处被移除。
各种研究已经显示，相较于较长的脉冲，超短脉冲范围中的镭射材料处理(使用脉冲时间持续长度小于数10ps的镭射脉冲)提供许多优点。皮秒和飞秒镭射相互作用的热冲击大幅受到限制，以最小附带性损坏将镭射能量消散限制在小光学穿透深度。此精确限制的镭射“加热”最小化进入下方体材料之中的能量损失，从而提供有效且可控制的烧蚀处理。该超短脉冲时间持续长度进一步确保大部分的镭射能量在产生明显的烧蚀羽烟及/或电浆之前被传递至该工件102；因为电浆反射、电浆与羽烟散射、以及羽烟加热的关系，以较长脉冲时间持续长度的镭射脉冲无法达成此有效的能量耦接。一般还知道的是，当超短镭射脉冲以高脉冲重复率(也就是，100kHz以上)被传递时，由先前被传递至一处理光点的镭射脉冲所产生的热不会从该光点处完全消散，并且该热量的至少一部分会在下一道镭射脉冲被传递时于该光点附近出现在该工件102中。据此，热量倾向将热量累积在一先前被照射的处理光点附近的该工件102的一区域里面，因此，一连续性传递的镭射脉冲会被传递至该工件102的一受热区。当一超短镭射脉冲于后面被传递至该受热区时，高温有助于正面影响该镭射材料相互作用，用以增强有效的材料移除，同时有助于减少碎屑的产生。
然而，本案发明人已发现，在超短、高脉冲重复率范围内，诸如能量密度、平均功率、脉冲能量、咬合尺寸、以及光点尺寸(以及脉冲重复率)的特定参数以及此些参数中二或更多者的各种组合会影响该经处理工件表面的表面形态，并且于某些情况中会在处理期间影响碎屑的产生。下面为在本案发明人密集实验研究过程中发现到的新颖且非预期关系的范例。于此些实验中所处理的工件102的材料对被传递的镭射脉冲中的光波长为不“透明”(或者为“非透明”)。在本文中，如果一材料在该些被传递镭射脉冲的一特殊频宽内的线性吸收频谱以及厚度使得透射穿过(沿着射束轴)该材料的光的百分比小于99％、小于97％、小于95％、小于90％、小于75％、小于50％、小于25％、小于15％、小于10％、小于5％、或是小于1％的话，该材料便被视为“非透明”。
A.咬合尺寸与碎屑产生之间的关系
图2图解被形成在一工件102(此图中为一硅晶圆)的表面中的沟渠(a)至(e)的显微照片(从俯视平面图中摄得)，其中，镭射脉冲被传递同时在该射束轴与该工件102之间造成相对移动，以使得镭射脉冲沿着从左边延伸至右边的处理轨线被传递。因此，每一条沟渠的起始端显示在显微照片的左行，而沟渠(a)至(c)的结束端则显示在右行。沟渠(d)至(e)的结束端的外观实质上和沟渠(c)的结束端的外观完全相同。
沟渠(a)至(e)中每一者是藉由沿着该射束轴以1855kHz的脉冲重复率传播光点尺寸为35μm、脉冲时间持续长度为800fs、以及脉冲能量为6μJ的镭射脉冲所形成。该射束轴和该工件102之间的相对移动受到影响而导致连续传递镭射脉冲于沟渠(a)中以0.5μm的咬合尺寸、于沟渠(b)中以0.475μm的咬合尺寸、于沟渠(c)中以0.5μm的咬合尺寸、于沟渠(d)中以0.425μm的咬合尺寸、以及于沟渠(e)中以0.4μm的咬合尺寸照射在该工件102上。沟渠(a)至(e)藉由在单次操作中沿着该处理轨线扫描该些被传递镭射脉冲而形成。
如图2中所示，被选择用以形成沟渠(a)的参数在该沟渠内外形成非常明显的碎屑，造成粗糙的经处理工件表面，以及沿着该沟渠边缘于该经处理区域外面形成粗糙的工件表面。当将咬合尺寸从0.5μm缩减至0.475μm时可以看见，该沟渠形成制程沿着大部分的沟渠(b)的长度产生碎屑，但是在沟渠(b)的末端处或附近则没有侦测到任何碎屑。据估计，在开始形成沟渠(b)之后，直到停止产生任何明显碎屑为止，约经过850μs(也就是，碎屑过渡期约850μs)。当在形成沟渠(c)、(d)、以及(e)期间分别进一步将咬合尺寸缩减至0.45μm、0.425μm、0.4μm，碎屑过渡期分别缩短至约600μs、约320μs以及约305μs。
虽然不希望受限任何特殊理论；但是，本案发明人相信，碎屑过渡期随着缩减咬合尺寸(但是保持光点尺寸、脉冲时间持续长度、脉冲能量、以及脉冲重复率常数)而缩短，因为镭射脉冲被连续传递进去的该工件中的空间区域缩减。这可以让局部围绕该些照射处理光点的工件102里面的区域累积热能。在经过该碎屑过渡期之后，此些区域中一部分(也就是，位于该处理轨线中的区域)的温度保持高温(也就是，介于要被移除的材料的熔化温度和蒸发温度之间)。残留在该工件102的这些区域里面的残热可有效的烧蚀其中的材料，而不会产生任何明显的碎屑。
B.脉冲能量与碎屑产生之间的关系
图3图解被形成在一工件102(此图中为一硅晶圆)的表面中的沟渠(a)至(e)的显微照片(从俯视平面图中摄得)，其中，镭射脉冲被传递同时在该射束轴与该工件102之间造成相对移动，俾使得镭射脉冲沿着从左边延伸至右边的处理轨线被传递。图中仅显示每一条沟渠的起始端。
沟渠(a)至(e)中每一者藉由沿着该射束轴以1979kHz的脉冲重复率传播光点尺寸为35μm、脉冲时间持续长度为800fs的镭射脉冲所形成。该射束轴和该工件102之间的相对移动受到影响而导致连续传递镭射脉冲在每一条沟渠中以0.5μm的咬合尺寸照射于该工件102上。被传递至该工件102的镭射脉冲于沟渠(a)的形成期间的脉冲能量为6μJ、于沟渠(b)中的脉冲能量为5μJ、于沟渠(c)中的脉冲能量为4μJ、于沟渠(d)中的脉冲能量为3μJ、于沟渠(e)中的脉冲能量为2μJ。沟渠(a)至(e)藉由在单次操作中沿着该处理轨线扫描该些被传递镭射脉冲而形成。
如图3中所示，被选择用以形成沟渠(a)的参数在该沟渠外面靠近起始端形成非常明显的碎屑，在该经处理区域外面造成粗糙的工件表面(在该沟渠中较远离该起始端处较不明显)，但是在该沟渠里面形成相对平滑的经处理工件表面。当将脉冲能量从6μJ降至5μJ时可以看见，该沟渠形成制程在该沟渠外面靠近起始端产生非常明显的碎屑(并且在该沟渠中较远离该起始端处产生明显的碎屑)，在该经处理区域外面造成粗糙的工件表面。经观察，沟渠(b)里面的经处理工件表面的平滑性小于沟渠(a)里面的经处理工件表面。当将脉冲能量进一步降至4μJ时，该沟渠形成制程在沟渠(c)的起始端中产生非常明显的碎屑，在该经处理区域外面造成粗糙的工件表面并且在沟渠(c)里面造成粗糙的经处理工件表面。碎屑同样出现在沟渠(a)至(c)的纵向侧中，形式为由从起始端至结束端的再铸料制成的脊状部。当将脉冲能量进一步降至3μJ时可以看见，该沟渠形成制程在沟渠(d)的起始端中或附近产生明显的碎屑，在该经处理区域外面造成粗糙的工件表面并且在沟渠(d)里面造成粗糙的经处理工件表面；然而，在相对短的碎屑过渡期之后不会看见任何明显的碎屑产生。由再铸料制成的脊状部同样随着和沟渠(d)的起始端的相隔距离增加而消失。当将脉冲能量进一步降至2μJ时可以看见，该沟渠形成制程在沟渠(e)外面于沟渠(e)的起始端处或附近产生非常少量的碎屑，并且在该沟渠里面没有任何明显的碎屑。然而，沟渠(e)里面的经处理工件表面则看似平滑，没有看见任何显著的碎屑。在沟渠(e)外面没有看见由再铸料制成的任何脊状部。
C.缩放对碎屑产生造成的效应
图4图解经镭射处理特征元件(a)与(b)的显微照片(从俯视平面图中摄得)，每一个特征元件包含被形成在一工件102，此图中为一硅晶圆，的表面中的一组交叉切割线。
为形成特征元件(a)与(b)，镭射脉冲被传递至工件102同时在该射束轴与该工件102之间造成相对移动，俾使得镭射脉冲沿着一处理轨线被传递，在每一条切割线中包含三条平行扫描线，并且每一条扫描线在单次操作中被定址。特征元件(a)与(b)中每一者藉由沿着该射束轴以1855kHz的脉冲重复率传播脉冲时间持续长度为800fs的镭射脉冲所形成。在形成特征元件(a)期间被传递至工件102的镭射脉冲的光点尺寸为25μm以及脉冲能量为3.14μJ，并且该射束轴和该工件102之间的相对移动受到影响而导致连续传递镭射脉冲以0.1μm的咬合尺寸照射于该工件102上。在形成特征元件(b)期间被传递至工件102的镭射脉冲的光点尺寸为35μm以及脉冲能量为6.16μJ，并且该射束轴和该工件102之间的相对移动受到影响而导致连续传递镭射脉冲以0.25μm的咬合尺寸照射于该工件102上。
从图4中显见，在形成特征元件(a)期间产生大量碎屑，导致具有粗糙经处理工件表面的切割线，具有可见的小坑以及其它损坏。相反地，在形成特征元件(b)期间实质上没有产生任何碎屑，并且所产生的切割线呈现实质上没有累积碎屑的平滑经处理工件表面。请注意：显著的碎屑被产生并且累积在由椭圆虚线所封闭的特征元件(b)的区域中。此区域对应于被处理两次的该特征元件中的区域。
D.咬合尺寸、能量密度和脉冲重复率与表面粗糙度以及材料移除速率的关系
图5图解以两种脉冲重复率(也就是，～927kHz以及～1855kHz)中其中一者沿着射束轴传播镭射脉冲同时在单次操作中沿着一处理轨线扫描被传递的镭射脉冲被形成在一工件102(此图中为一硅晶圆)中的沟渠之中的经处理工件表面的平均表面粗糙度(Ra)以及在该沟渠形成过程期间的材料移除速率(μm2-Area)之间的关系的一组关系图，随咬合尺寸(单位为μm)以及能量密度(单位为J/cm2)变化。平均表面粗糙度(Ra)利用具有50x物镜的Keyence 3D共焦显微镜来量测。
如图5中显见，在大于0.2μm的咬合尺寸处，该经处理工件表面的平均表面粗糙度下降至约0.25μm以下，接近镜面平滑表面抛光。在所有测试咬合尺寸以及能量密度位准中，利用以～1855kHz的脉冲重复率传递的镭射脉冲所形成的经处理工件表面的平均表面粗糙度通常低于利用以～927kHz的脉冲重复率传递的镭射脉冲所形成的对应经处理工件表面。μm2-Area数值代表该些切割的剖面积，并且显示材料移除速率随着增加咬合尺寸而下降。以～927kHz的脉冲重复率形成沟渠期间所达成材料移除速率雷同于以～1855kHz的脉冲重复率形成沟渠期间所达成材料移除速率。
E.咬合尺寸、能量密度、脉冲重复率和平均功率与碎屑产生的关系
图6图解用于在一工件102(此图中为一硅晶圆)中形成沟渠的制程视窗的一组图片，其：i)形成没有明显产生碎屑的经处理工件表面(也就是，产生其上没有累积任何明显碎屑的经处理工件表面，如配合图2至5的讨论)；以及ii)形成有明显产生碎屑的经处理工件表面(也就是，产生其上累积明显碎屑的经处理工件表面，如配合图2至5的讨论)。元件符号600所示图案标记的区域代表产生明显碎屑的参数空间，元件符号602所示图案标记的区域代表没有产生任何明显碎屑的参数空间。所看见的沟渠以五种脉冲重复率(也就是，927.55kHz、1264kHz、1855kHz、2022kHz、以及3051kHz)中其中一者沿着射束轴传播镭射脉冲同时在单次操作中沿着一处理轨线扫描被传递的镭射脉冲所形成。在每一个脉冲重复率处形成多条沟渠，每一条沟渠是利用咬合尺寸(单位为μm)、能量密度(单位为J/cm2)、以及平均功率(单位为W)的不同组合所形成。
如图6中所示，在927.55kHz以及1264kHz处看见，所测试的咬合尺寸、能量密度、以及平均功率数值的所有组合产生中量至大量碎屑；反之，在1855kHz、2022kHz、以及3051kHz处发现，部分(并非全部)参数数值组合产生具有很少至毫无任何累积碎屑的经处理工件表面。此发现倾向于表示，对要被处理的一特殊材料来说会有一临界脉冲重复率，在此临界脉冲重复率以下无法避免碎屑产生。然而，在此临界脉冲重复率以上则有某些其它一般的观察结果：在相对低的能量密度或平均功率数值处，工件102能够利用相对宽范围的咬合尺寸来处理，用以形成特征元件，而不会产生中量或大量碎屑；以及当能量密度或平均功率增加时，此咬合尺寸范围则缩减。
区域600与602在某些参数空间中重叠。举例来说，参见元件符号604所示图案标记的区域。此重叠通常会被理解成表示：(1)在大量或明显碎屑产生以及非大量或不明显碎屑产生之间的过渡；或者(2)针对给定的能量密度、功率、以及咬合尺寸，会有制程能够产生一干净、平滑的特征元件或是伴随着碎屑的产生而产生特征元件。在一范例中，在1855kHz处，在符合该功率与能量密度的制程中，有光点尺寸和脉冲能量的组合会产生不同的结果(也就是，干净、平滑的特征元件或是伴随着碎屑产生的特征元件)。换言之，在区域600与602重叠的一参数空间内的给定座标处会形成具有干净、平滑表面的特征元件或是伴随着碎屑产生的特征元件，端视该些被传递镭射脉冲的光点尺寸与脉冲能量而定。
IV.基于实验结果的范例实施例
基于上面在段落III中所述的实验结果，子段落A至E，本发明的其中一实施例能够特征化为藉由在移除制程期间移除材料(其对被传递至工件102的镭射脉冲中的光的波长为非透明)用以在工件102中形成特征元件(举例来说，切割线或是其它沟渠或下凹部等)的一种镭射方法。举例来说，并且参考图9A中所示的实施例，一工件102可被提供为一种半导体晶圆，具有一上表面(举例来说，表面900a)以及和该上表面反向的一下表面(举例来说，表面900b)。该半导体晶圆可以包含一基板902(举例来说，由诸如硅、锗、Si1-xGex(其中，0.0001<x<0.9999)、GaAs、GaN、InP、或是类似物、或是前述的任何组合的材料形成)以及一装置层904(举例来说，由一或更多个场效电晶体、介电层、互连金属结构、钝化层、或是类似物、或是前述的任何组合的材料形成)。应该明了的是，工件102能够以上面讨论的半导体晶圆以外的任何方式提供。举例来说，工件102能够被提供为任何单层式或多层式结构，包含：由Al2O3、AlN、BeO、Cu、GaAs、GaN、Ge、InP、Si、SiO2、SiC、Si1-xGex(其中，0.0001<x<0.9999)、或是类似物、或是前述的任何组合或合金形成的基板(举例来说，电子基板、半导体基板、光学基板等)；由下面形成的物品，塑胶、玻璃(举例来说，无强化玻璃、热强化玻璃、化学强化玻璃、或是其它玻璃)、石英、蓝宝石、塑胶、硅等；一或更多种金属(举例来说，Al、Ag、Au、Cu、Fe、In、Mg、Pt、Sn、Ti、或是类似物、或是前述的任何组合或合金)；导体金属氧化物(举例来说，ITO等)；透明的导体聚合物；陶瓷；蜡；树脂；无机介电材料(举例来说，作为层间介电结构，例如，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、或是类似物、或是前述的任何组合)；低k介电材料(举例来说，甲基倍半硅氧烷(MSQ)、氢化倍半氧硅烷(HSQ)、氟化四乙氧基硅烷(fluorinatedtetraethyl orthosilicate，TEOS)、或是类似物、或是前述的任何组合)；有机介电材料(举例来说，SILK、环苯丁烯、Nautilus(全部由Dow所制造)、聚氟四乙烯(由DuPont所制造)、FLARE(由Allied Chemical所制造)、或是类似物、或是前述的任何组合)；玻璃纤维；聚合材料(聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚缩醛、聚碳酸酯、改质的聚苯醚、聚对苯二甲酸丁二酯、聚硫化苯、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、液晶聚合物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、以及前述的任何化合物、合成物、或是合金)；或是类似物；或是前述的任何组合。
该移除制程的参数(举例来说，能量密度、平均功率、脉冲重复率、脉冲能量、光点尺寸、咬合尺寸等中的一或更多者)是被选择、控制、或是以其它方式设定，以便确保工件102的一部分是以有利方式达成下面之中一或更多者的方式被移除：在处理期间最小或零产生碎屑；创造一平滑的经处理工件表面；创造具有少量缺陷、瑕疵、或裂痕的经处理工件表面；在相邻于该经处理工件表面的工件102中创造均匀的HAZ。举例来说，在该移除制程期间，一镭射脉冲射束可沿着和该工件102相交的一射束轴被引导，并且该镭射脉冲射束可被扫描成使得被连续引导的镭射脉冲以非零咬合尺寸照射在该工件102上，以便在工件102的上表面900a形成一特征元件(举例来说，特征元件906，如图9B中所示，其可以为下凹部、沟渠等)。
在图9B中所示的实施例中，特征元件906完全延伸贯穿装置层904并且部分延伸至基板902之中(举例来说，延伸至从基板902的上表面处量测为d的深度)。在某些实施例中，深度d可以落在5μm(或是大约5μm)至22μm(或是大约22μm)的范围中。举例来说，深度d可以为5μm、5.5μm、6.0μm、6.5μm、7.0μm、7.5μm、8.0μm、8.5μm、10μm、12μm、15μm、17μm、20μm、22μm等，或是介于任何此些数值之间。应该明了的是，深度d亦可小于5μm或是大于22μm。在另一实施例中，特征元件906
如果参数被选择用以产生非常平滑的一经处理工件表面(举例来说，经处理的工件表面906)的话，该经处理的工件表面可以被用来促成后续处理，例如：工件102的内部处理、工件102的贯穿工件处理、或是类似处理；或是前述的任何组合。一经处理工件表面(举例来说，经处理的工件表面906)如果平均表面粗糙度(Ra)小于或等于1.0μm的话，该经处理工件表面会被视为“非常平滑”足以促成后续处理。于某些实施例中，该经处理工件表面的平均表面粗糙度(Ra)小于1.0μm、小于0.75μm、小于0.5μm、小于0.4μm、小于0.3μm、小于0.25μm、小于0.2μm、小于0.15μm等，或是介于任何此些数值之间。
工件102的内部处理能够藉由引导另一镭射脉冲射束先通过该经处理工件表面而后进入该工件之中来实现。在此情况中，被引导的镭射脉冲射束被聚焦，使得该些镭射脉冲的束腰位于该工件102内。相较于在该经处理工件表面的初始形成期间所使用的波长，在工件102的内部处理期间所使用的镭射脉冲的波长比较通透于正在被处理的工件102里面的材料。和此内部处理相关联的参数(举例来说，能量密度、平均功率、脉冲重复率、脉冲能量、光点尺寸、咬合尺寸等中的一或更多者)被选择，以便诱发该工件102里面的材料非线性吸收该些被引导的镭射脉冲，从而处理(举例来说，熔融、蒸发、烧蚀、碎裂、变色等，或是以其它方式修饰一或更多项特性或特征，例如，化学成分、晶体结构、电子结构、微米结构、奈米结构、密度、黏稠性、折射率、磁导率、相对电容率等)位于该些被传递镭射脉冲的束腰处或附近的该工件102里面的材料的一部分(举例来说，908部分，如图9C中所示)。举例来说，在工件102(例如，硅晶圆)中形成一沟渠之后，为产生非常平滑的经处理工件表面(举例来说，如图7的显微照片中所示)，内部处理会如上述般被实行用以于该硅晶圆内形成一系列的裂痕(举例来说，如图8A与8B的显微照片中所示，其中，图8A显示图7中所示的沟渠的宽度的图式。图8B显示沿着图7中所示的沟渠的长度的图式)。
参考图9D，工件102的贯穿工件处理能够藉由引导另一镭射脉冲射束先通过该经处理工件表面(举例来说，经处理的工件表面906a)而后进入该工件之中来实现。被引导的镭射脉冲射束被聚焦，使得该些镭射脉冲的束腰位于该工件102的下表面900b处或附近。相较于在该经处理工件表面的初始形成期间所使用的波长，在工件102的内部处理期间所使用的镭射脉冲的波长比较通透于正在被处理的工件102里面的材料。和此贯穿工件处理相关联的参数(举例来说，能量密度、平均功率、脉冲重复率、脉冲能量、光点尺寸、咬合尺寸等中的一或更多者)被选择，以便诱发下表面900b处的工件102的材料线性或非线性吸收该些被引导的镭射脉冲，从而处理位于该些被传递镭射脉冲的束腰处或附近的该工件102的一部分(举例来说，用以在下表面900b处形成一沟渠或下凹部910)。可被实施的工件102的贯穿工件处理的某些范例在美国专利案第9,610,653号中说明过，本文以引用的方式将其完全并入。
V.结论
前面应为解释本发明的实施例和范例，而不应被视为限制本发明。本文虽然已经参考图式说明数个特定实施例和范例；不过，本领域的技术人员很容易明白，可以对该些已揭实施例和范例以及其它实施例进行许多修正，其并不会实质上脱离本发明的新颖教示内容以及优点。
举例来说，上面段落III中讨论的实验虽然在裸硅晶圆上实施；不过，应该明了的是，当利用超短镭射脉冲处理(硅晶圆以外)含有材料的工件时，前提是要被处理的材料相对于该些被传递镭射脉冲的波长为不透明。因此，应该明了的是，前面提及的实施例能够有利地被调适成用以处理硅以外的材料所形成的半导体晶圆；电子或光学装置基板(举例来说，由下面所形成的基板：Al2O3、AlN、BeO、Cu、GaAs、GaN、Ge、InP、Si、SiO2、SiC、Si1-xGex(其中，0.0001<x<0.9999)、或是类似物、或是前述的任何组合或合金)；由下面形成的物品，塑胶、玻璃(举例来说，无强化玻璃、热强化玻璃、化学强化玻璃、或是其它玻璃)、石英、蓝宝石、塑胶、硅等；一或更多种金属(举例来说，Al、Ag、Au、Cu、Fe、In、Mg、Pt、Sn、Ti、或是类似物、或是前述的任何组合或合金)；导体金属氧化物(举例来说，ITO等)；透明的导体聚合物；陶瓷；蜡；树脂；无机介电材料(举例来说，作为层间介电结构，例如，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、或是类似物、或是前述的任何组合)；低k介电材料(举例来说，甲基倍半硅氧烷(MSQ)、氢化倍半氧硅烷(HSQ)、氟化四乙氧基硅烷(FTEOS)、或是类似物、或是前述的任何组合)；有机介电材料(举例来说，SILK、环苯丁烯、Nautilus(全部由Dow所制造)、聚氟四乙烯(由DuPont所制造)、FLARE(由Allied Chemical所制造)、或是类似物、或是前述的任何组合)；玻璃纤维；聚合材料(聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚缩醛、聚碳酸酯、改质的聚苯醚、聚对苯二甲酸丁二酯、聚硫化苯、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、液晶聚合物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、以及前述的任何化合物、合成物、或是合金)；或是类似物；或是前述的任何组合。
据此，所有此些修正皆希望涵盖于申请专利范围之中所定义的本发明的范畴里面。举例来说，本领域的技术人员便会明白，任何语句、段落、范例、或是实施例的主要内容皆能够结合某些或是所有其它语句、段落、范例、或是实施例的主要内容，除非此些结合彼此互斥。所以，本发明的范畴应该由下面的申请专利范围来决定，其涵盖该些申请专利范围的等效范围。

Claims (15)

1.一种方法，包括：
提供工件，具有第一表面以及和该第一表面反向的第二表面；
产生第一镭射脉冲射束，其具有以大于500kHz的脉冲重复率时小于200ps的脉冲时间持续长度、光点尺寸以及脉冲能量；以及
沿着与该工件相交的射束轴引导该第一镭射脉冲射束；
沿着处理轨线扫描该射束轴，使得连续引导的镭射脉冲以非零咬合尺寸照射在该工件上，以便在该工件的该第一表面形成特征元件，并且使得该特征元件的特征为经处理工件表面的平均表面粗糙度(Ra)小于1.0μm。
2.根据申请专利范围第1项的方法，其中，该脉冲时间持续长度小于或等于1ps。
3.根据申请专利范围第1至2项中任一项的方法，其中，该脉冲时间持续长度小于或等于800fs。
4.根据申请专利范围第1至3项中任一项的方法，其中，该脉冲重复率大于1264kHz。
5.根据申请专利范围第1至4项中任一项的方法，其中，该脉冲重复率大于或等于1800kHz。
6.根据申请专利范围第1至5项中任一项的方法，其中，该脉冲重复率大于或等于1900kHz。
7.根据申请专利范围第1至6项中任一项的方法，其中，该脉冲重复率大于或等于2000kHz。
8.根据申请专利范围第1至7项中任一项的方法，其中，该脉冲重复率大于或等于3000kHz。
9.根据申请专利范围第1至8项中任一项的方法，其中，该平均表面粗糙度(Ra)小于0.75μm。
10.根据申请专利范围第1至9项中任一项的方法，其中，该平均表面粗糙度(Ra)小于0.5μm。
11.根据申请专利范围第1至10项中任一项的方法，其中，该平均表面粗糙度(Ra)小于0.4μm。
12.根据申请专利范围第1至11项中任一项的方法，其中，该平均表面粗糙度(Ra)小于0.3μm。
13.根据申请专利范围第1至12项中任一项的方法，其中，该平均表面粗糙度(Ra)小于0.25μm。
14.根据申请专利范围第1至13项中任一项的方法，其进一步包括：
产生第二镭射脉冲射束；
聚焦该第二镭射脉冲射束里面的镭射脉冲用以产生束腰；
沿着与该经处理工件表面相交的射束轴引导经聚焦的该第二镭射脉冲射束，从而使得该束腰被排列在该工件内或在该工件的该第二表面；以及
在该束腰处处理该工件。
15.根据申请专利范围第14项的方法，其中，相较于该第一镭射脉冲射束内的镭射脉冲的波长，该工件对该第二镭射脉冲射束内的镭射脉冲的波长来说为更透明。
CN201780054282.5A 2016-07-28 2017-07-21 镭射处理设备和镭射处理工件的方法 Withdrawn CN109862991A (zh)

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