CN101496320B - 串接光放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明的激光系统实施例的优点为使用脉冲式光纤型激光源(12)输出，其时间脉冲轮廓可被程序化以采用一脉冲形状范围。脉冲式光纤激光具有尖峰功率限制，以避免发生非所希望的非线性效应；所以，该装置的激光输出功率接着会在一二极管泵激固态光功率放大器(DPSS-PA)(16)中被放大。该DPSS-PA会将一脉冲式光纤主振荡器功率放大器(14)所欲求的低尖峰功率输出放大至更高的尖峰功率位准处，并且从而还会有效地提高一指定脉冲重复频率处每道脉冲的可用能量。该脉冲式光纤主振荡器功率放大器与该二极管泵激固态功率放大器的结合便称为串接固态光放大器(10)。
Description
技术领域
本发明关于激光处理系统，且更明确地说，关于能够在单位时间中处理大量目标结构的激光处理系统。
背景技术
Q开关二极管泵激固态激光已广泛地用在激光处理系统中。动态随机存取内存(DRAM)及雷同装置的单脉冲处理所运用的激光处理系统通常会使用Q开关二极管泵激固态激光。于此重要的工业应用中，通常会运用单激光脉冲来切割一导体连结线结构。于另一重要的工业应用中，则会使用Q开关二极管泵激固态激光来修整离散与埋置元件的阻值。
随着对能够在单位时间中处理大量目标结构的激光处理系统的需求的持续增加，所以，便需要替代性的激光技术以及替代性的激光处理系统架构。美国专利申请公告案第US-2005-0067388号便说明一种此类激光技术，该案已受让给本专利申请案的受让人，于该项激光技术中，由运用具有经过特殊设计的强度轮廓的激光脉冲的激光系统与方法来达成对内存芯片或其它集成电路(IC)芯片上的导体连结线进行激光处理的目的，以达更佳的处理质量与产量。
美国专利申请公告案第US-2005-0041976号则说明一种运用能够使用多重激光脉冲时间轮廓的激光处理系统的方法，用以处理一个或多个半导体晶圆上的半导体工作件结构，该案已受让给本专利申请案的受让人。
发明内容
本文所述的激光系统的实施例的优点使用脉冲式光纤型的激光源输出，其时间脉冲轮廓可被程序化以采用一脉冲形状范围。当要引导一激光射束朝一特定的工作件结构发出一脉冲时，该激光系统便会施行选择方法来选择脉冲形状。脉冲式光纤激光会受到尖峰功率限制，以防止出现非所希望的非线性效应， 例如受激布里恩散射效应及频宽加宽效应。有效尖峰功率限制会随着所采用的光纤类型与设计以及对各项参数(例如频谱频宽以及空间模式质量)的敏感性而改变。在出现非所希望的效应之前的有效尖峰功率通常介于约500W及约5KW之间。
为善用脉冲式光纤主振荡器功率放大器(MOPA)并达成高尖峰功率输出，该装置的激光输出功率实质上会在二极管泵激固态光功率放大器(DPSS-PA)中被放大。DPSS-PA设计会将一脉冲式光纤MOPA所希望的低尖峰功率输出放大至更高的尖峰功率位准处，并且从而还会有效地提高指定脉冲重复频率处每个脉冲的可用能量。脉冲式光纤MOPA源与DPSS-PA的结合便称为串接固态光放大器。
使用二极管泵激固态放大器来放大一脉冲式光纤MOPA的激光输出功率可达到的尖峰功率会高于一脉冲式光纤MOPA可直接再生的尖峰功率，不会因非线性效应而产生输出衰降。另外，使用二极管泵激固态激光还可达到在操作脉冲重复频率处产生更高尖峰功率且让每个脉冲具有更高能量的目的，同时实质上还会保持该脉冲式光纤MOPA所产生的有用的脉冲输出特征。该有用的特征包含脉冲形状、脉冲宽度、脉冲振幅稳定性、以及窄幅频谱宽度。
从下文较佳实施例的详细说明中，参考附图，便可明白本发明的额外观点与优点。
附图说明
图1所示的为一串接光放大器的光学元件的较佳排列的方块图。
图2所示的为图1的串接光放大器的光学元件的更细部图式。
图3A、3B、3C、3D、3E、以及3F所示的为内含在图2的串接光放大器中的二极管泵激固态功率放大器的各种增益元件-光学泵激配置替代例。
图3G所示的为一组示波曲线，以图2的谐振转换模块输出为例，该该区线分别代表红外光波长、绿光波长、以及紫外光波长的经过设计的椅状脉冲形状时间轮廓。
图4A所示的为一串接光放大器的替代实施例，本实施例中所使用的特定光学元件不同于图2的串接光放大器中所使用的光学元件，并且除了图2的串 接光放大器中所使用的光学元件之外，还使用其它的特定光学元件。
图4B所示的为运用图2的动态激光脉冲修形器(DLPS)级与图3A与3B的二极管泵激固态(DPSS)放大器级的串接光放大器的替代实施例。
图5A所示的为图1的动态激光脉冲修形器的替代实施例。
图5B所示的为将图5A的动态激光脉冲修形器的输出耦合至一多级DPSS放大器以形成一脉冲拾取式超快速串接光放大器的串接光放大器的替代实施例。
图6所示的为应用至一二极管泵激固态功率放大器的脉冲式光纤输出，其运用频率选择元件来产生所希望的频谱输出特征。
图7A与7B所示的为图2的二极管泵激固态功率放大器的输出处可再生的示范时间脉冲形状。
图8所示的为一激光处理系统，其中运用到图1的串接光放大器。
图9所示的为一半导体晶圆的示意图，在其工作表面上具有一目标对齐工作件特征图案与多个半导体连结线结构。
具体实施方式
图1所示的为形成一串接光放大器10的光学元件的较佳排列的方块图。串接光放大器10包含一动态激光脉冲修形器(DLPS)12，其输出会被光学耦合至一光纤功率放大器(FPA)14之中并且被该光纤功率放大器14放大。FPA 14的输出会被耦合至一二极管泵激固态光放大器16之中并且被该二极管泵激固态光放大器16放大。DLPS 12、FPA 14、或是两者均含有频率选择元件(例如布拉格光纤光栅或稳频晶种振荡器)，其可被选择或被调整以从FPA 14中产生会有效地耦合至二极管泵激固态放大器16的发射波长的频谱输出。
图2所示的为串接光放大器10的光学元件的更细部较佳实施例。在DLPS12的较佳实施例中，一激光注射源24(其包含一晶种二极管)会受到一串接放大器控制器28(图1)的命令而发射连续波(cw)输出，其会经由一光学调制器26的调制而产生一合宜的第一激光脉冲轮廓。激光晶种源24会经过选择，使其中心波长与频谱宽度会有效地耦合至脉冲增益模块30与32的增益频谱及二极管泵激固态放大器16的增益频谱。或者，举例来说，激光注射源24亦可能为 一由脉冲式半导体激光或Q开关固态激光所产生的脉冲式输出。光学调制器26可能包含一电光调制器、一声光调制器、或是另一合宜类型的光学调制器。光学调制器26由一个或多个调制器-放大器级所组成，用以达到产生该第一激光脉冲轮廓的用途。图2显示出一串联排列的第一调制器-放大器级(其包含一脉冲调制器34与脉冲增益模块30)串接着一串联排列的第二调制器-放大器级(其包含一脉冲调制器36与脉冲增益模块32)。该第一调制器-放大器级与第二调制器-放大器级会共同运作以便在每个脉冲的第一能量处产生一经过设计的脉冲输出以及在第一中心波长处产生一第一脉冲尖峰功率，其具有一经过设计的第一输出脉冲形状时间轮廓。标准的光学隔绝器40(其可能为光纤耦合光学隔绝器或巨形光学隔绝器)会被设置在该第一级与第二级的该元件的输入与输出处，以便防止在该光学元件串中传播的光产生回授(feedback)。所产生的经过设计的激光脉冲输出适合用来放大。在一替代实施例中，可共同运用单一脉冲调制器30与单一脉冲增益模块32，中间插设光学隔绝器40，用以产生一适合用来放大的经过设计的激光脉冲输出。
可将一命令信号矩阵传送至脉冲调制器34与36来程序化该串接放大器控制器28，用以产生一激光脉冲轮廓范围，当将该激光脉冲轮廓范围套用至脉冲增益模块30与32时，其便会产生希望从DLPS 12输出的经过转换的激光脉冲轮廓。
在图2中所示的较佳实施例中，从DLPS 12输出的经过转换的脉冲会被注入模块式光纤功率放大器(FPA)14之中。FPA模块14含有功率放大器耦合器，它们会让DLPS 12的输出以及功率放大器泵激激光的输出注入一功率放大器增益光纤之中。熟习本技术的人士便会熟知，功率放大器耦合器可被放置在该光纤的任一端或两端处。必要时，亦可将多个额外的功率放大器耦合器接合至该光纤的长度之中。
更明确地说，图2所示的模块式FPA 14由一条功率放大器增益光纤(PGAF)50所组成，其输入端与输出端分别被放置在功率放大器耦合器(PAC)52与54之间。DLPS 12的输出以及功率放大器泵激激光(PAPL)56与58的输出会被施加至PAC 52的分离输入处。PAGF 50的输出及PAPL 62与64的输出则会被施加至PAC 54的分离输入处。一适合传送至一模块式二极管泵激固态 光功率放大器(DPSS-PA)16的经放大的DLPS输出会传播自PAC 54的输出，其会产生FPA模块14的输出。二极管泵激FPA模块14会在每个脉冲的第二能量处产生一经过设计的脉冲输出以及第二脉冲尖峰功率，其经过设计的第二输出脉冲形状时间轮廓实质上会与第一中心波长处的经过设计的输入脉冲形状时间轮廓相同。
PAGF 50较佳的为一单模的偏光保持光纤并且可能含有频率选择结构。PAGF 50的第一实施例为一波导装置，其硅砂纤核掺杂着稀土离子而纤壳则具有由光学材料所制成的一或多个同心纤鞘。PAGF 50的第二实施例含有具有掺杂着稀土离子的多个同心壳鞘。PAGF 50的第三实施例则为一光晶体纤维(PCF)，其中，该壳鞘或这些壳鞘含有高度周期性的气孔分布。于一替代实施例中，PAGF 50为一多模光纤。熟练的人士便会明白，所使用的PAPL的数量取决于所运用的PAGF 50的类型与长度以及从该FPA模块14所输出的光学脉冲的所希望特征。必要时，会由终端光学元件来对PAGF 50的输出进行准直与偏光。
FPA模块14的输出会被耦合至一模块式DPSS-PA 16。必要时，可运用射束调整元件来产生用于传送至一DPSS-PA增益元件74的正确的偏光与射束传播参数。一光学隔绝器40(不过，图中并未显示)可运用在FPA模块14的输出处及模块式DPSS-PA 16的输入处。DPSS-PA增益元件74较佳的为一固态泵激物。以一解释性范例来说，对PAGF 50的1064nm输出来说，DPSS-PA增益元件74较佳的为可选自目前各种已知的Nd搀杂固态泵激物，更佳的为，Nd:YVO4或Nd:YAG 。
图3A、3B、3C、3D、3E、以及3F所示的为DPSS-PA 16的各种增益元件-光学泵激配置替代例(DPSS-PA 16的不同实施例会以元件符号16及其对应图式的下标字母来表示)。
在图3A中，从FPA模块处14传播的输出会从高度反射的面镜72处反射偏离至一DPSS-PA 16a的增益元件74之中。增益元件74会由一二极管泵激元件80经由一双色光学元件76来进行末端泵激。从增益元件74处传播的脉冲光会从双色光学元件76处反射偏离并且离开DPSS-PA 16a，而当作串接光放大器输出。
在图3B中，从FPA模块处14传播的输出会从一双色光学元件821处反射偏离并且进入至一DPSS-PA 16b的增益元件74之中。增益元件74会由它们个别相关联的二极管泵激元件841与842而经由双色光学元件821与822来进行末端泵激。(在图2中同样显示出此实施例的该光学泵激元件。)从增益元件74处传播的脉冲光会从双色光学元件822处反射偏离并且离开DPSS-PA 16b，而当作串接光放大器输出。
在图3C中，从FPA模块处14传播的输出会进入一DPSS-PA 16c的增益元件74之中。增益元件74会由一二极管泵激元件86来进行侧边泵激。从增益元件74处传播的脉冲光会离开DPSS-PA 16c，而当作串接光放大器输出。
在图3D中所示的为DPSS-PA 16c的第一替代实施例，其为利用串联排列的增益元件741与742来施行，该增益元件741与742会由个别的二极管泵激元件861与862来进行侧边泵激以形成一DPSS-PA 16d。从增益元件742处传播的脉冲光会离开DPSS-PA 16d，而当作串接光放大器输出。
在图3E中所示的为DPSS-PA 16c的第二替代实施例，其为利用增益元件74来施行，该增益元件74会由二极管泵激元件881与882在两个侧边进行泵激以形成一DPSS-PA 16e。从增益元件74处传播的脉冲光会离开DPSS-PA 16e，而当作串接光放大器输出。
在图3F中，从FPA模块处14传播的输出会以一角度从高度反射的面镜72处反射偏离至一DPSS-PA 16f的增益元件74之中，该角度会经过选择使传播穿过增益元件74的脉冲光会撞击双色光学元件76并且会第二次通过增益元件74。增益元件74会由二极管泵激元件80经由双色光学元件76来进行末端泵激。从增益元件74处传播的二次通过脉冲光接着便会离开DPSS-PA 16f，而当作串接光放大器输出。
熟练的人士便会了解，由合宜地排列反射元件与选择增益元件维度，便可施行额外的多程实施例。额外的多程实施例包含利用侧边泵激(例如图3C至3E中所示)及多个增益元件(例如图3D中所示)所施行的实施例。DPSS-PA 16a、16b、16c、16d、16e、以及16f等每一个实施例均含有一固态增益媒介(其可能为棒状、圆柱状、圆盘状、或是矩形的平行管状)，并且会在每个脉冲的第三能量处产生经过设计的脉冲输出以及第三脉冲尖峰功率，其经过设计的第三输 出脉冲形状时间轮廓实质上会与第一中心波长处的经过设计的输入脉冲形状时间轮廓相等。
图2所示的为其中一种设计方式，图中的串接光放大器10的输出会被耦合至虚线所示的谐振转换光学元件模块90之中。谐振转换光学元件模块90含有非线性晶体，用以经由熟知的谐振转换技术来将一入射输入脉冲转换成较高的谐振频率。在将FPA模块14所输出的1064nm谐振转换成355nm的第一实施例中，谐振转换光学元件模块90含有用于进行第二谐振生成(SHG)转换的第二类非临界相位匹配的三硼酸锂(LBO)晶体，其后面则为用于进行第三谐振生成(THG)转换的第一类非临界相位匹配的三硼酸锂。在谐振转换成266nm的第二实施例中，则可利用临界相位匹配的贝塔硼酸钡(BBO)晶体来取代THGLBO晶体。在施行第四谐振生成(FHG)转换成266nm的第三实施例中，则可替代性地运用CLBO。于第四实施例中，接着会在一深UV非线性晶体(其可能为贝塔硼酸钡(BBO))之中来混合SHG(532nm)输出与THG(355nm)输出，用以在213nm处产生第五谐振输出。
谐振转换光学元件模块90会在每个脉冲的第四能量处产生经过设计的脉冲输出以及第四脉冲尖峰功率，其经过设计的第四输出脉冲形状时间轮廓会对应于第二中心波长处的经过设计的输入脉冲形状时间轮廓的相关特点。
在图2的串接光放大器10的较佳施行方式中，DLPS 12包含一稳频半导体激光晶种源24，最佳的为，其会在中心波长为1064.4nm处发射，具有±0.2nm的中心波长公差，而且频谱频脉冲宽度＜0.3nm，因此，DLPS 12的输出在频谱上会妥适地匹配于掺杂Yb的PAGF 50，并且接着会妥适地匹配于DPSS-PA 16。熟习本技术的人士便会了解，此精确的频谱匹配并非为有效操作FPA模块14的必要条件，不过却会促成含有DPSS-PA 16为集成串接放大器的有效操作。于一较佳的实施例中，DLPS 12与FPA模块14为一经过设计的脉冲主振荡器光纤功率放大器的元件，该经过设计的脉冲主振荡器光纤功率放大器的其中一种范例在Deladurantaye等人的美国专利申请公告案第US2006/0159138号中便作过说明。在其中一数值范例中，在100KHz处，约0.6W的经放大的DLPS输出在频谱上会妥适地匹配于DPSS增益元件74，其较佳的为0.3％掺杂的Nd:YVO4。于DPSS-PA 16的一较佳实施例中，增益元件74的维度为3mm ×3mm ×15mm，并且为由单一DPE元件841来泵激。单一DPE元件841会将约30W的808nm半导体二极管激光泵激功率耦合至增益元件74之中。经放大的DLPS输出会在增益元件74中产生约500μm的束腰直径。于此范例中，会在100KHz处产生约6W的1064.4nm串接光放大器输出。串接光放大器10的1064.4nm的脉冲振幅轮廓90IR范例显示在图3G中。
接着便会将串接放大器输出耦合至含有运作在约150℃处4mm×4mm×20mm的第一类非临界相位匹配的LBO晶体及运作在约30℃处的非临界相位匹配的第二类LBO晶体的谐振转换光学元件模块90之中，其中，两个晶体之中的束腰均约为50μm，其会产生约3W的532nm输出及约0.5W的355nm输出。该谐振串接放大器输出的时间轮廓显示在图3G中。
图3G为以谐振转换模块90的输出为例，分别显示出红外光波长(1064.4nm)、绿光波长(532nm)、以及紫外光波长(355nm)的经过设计的椅状脉冲形状时间轮廓90IR、90GRN、以及90UV。图3G显示出较短波长的「椅背」与「椅座」的总高度(也就是，功率位准)会较低，并且还显示出每一道光波长均有相关的椅状轮廓特点。前述三条时间轮廓会被视为实质忠实地复制经过设计的输入脉冲形状时间轮廓。熟练的人士便会明白，谐振转换模块90可能会产生中间谐振波长，举例来说，IR波长→滤光波长→UV输出波长，所以，本文中的「第二波长」一词所指的为UV波长。谐振转换光学元件模块90的元件可被置放在温控基座之中，其温度为使用一或两个主动与被动回授循环，由串接放大器控制器28来设定与控制，以便精确地控制相位匹配温度。
图4A所示的为一串接光放大器的替代实施例10’，其中，所使用的特定光学元件不同于图2中所示的串接光放大器10中所使用的光学元件，并且除了图2中所示的串接光放大器10中所使用的光学元件之外，还使用其它的特定光学元件。图4A显示出一DLPS 12’，其为由一第一调制增益模块级92与一非必要的第二调制增益模块级94串接所配置而成的。第一调制增益模块级92包含一脉冲调制器与一脉冲增益模块，分别对应于图2的脉冲调制器34与脉冲增益模块30；而第二调制增益模块级94亦包含一脉冲调制器与一脉冲增益模块，分别对应于图2的脉冲调制器36与脉冲增益模块32。一替代的施行方式则为使用单一调制增益模块92，连同中间的光学隔绝器40，共同来产生 一适合用于放大的经过设计的激光脉冲输出。如图2的DLPS 12的情况中所示，可将一命令信号矩阵传送至调制增益模块级92与94中的脉冲调制器来程序化串接放大器控制器28，用以产生一激光脉冲轮廓范围，当将该激光脉冲轮廓范围套用至调制增益模块级92与94时，其便会产生希望从DLPS 12’输出的经过转换的激光脉冲轮廓。
图4A还显示出FPA模块14的输出会被耦合至射束调整光学元件96用以产生必要的射束餍性，以便有效地传送至一调制器98。调制器98较佳的为声光类型，不过亦可能为电光类型。调制器98的输出会被耦合至DPSS-PA 16之中，其会如上面所述般地放大该经过设计的激光脉冲输出。
图4B所示的为一串接光放大器的替代实施例10a，其中，图3A中所示的DPSS放大器16a取代了图2中所示的串接光放大器10中所使用的FPA 14。此取代会使得一串接光放大器运用DLPS主振荡器及多个DPSS放大器级，其中，DPSS放大器16a与16b分别为第一级DPSS放大器与第二级DPSS放大器。第一级DPSS放大器16a通常会产生约30倍的信号增益。必要时，可将光学隔绝器40设置在DPSS放大器16a与16b的输出处，并且将耦合光学元件装置100设置在DPSS放大器16a与16b的输入处，用以将输入光聚焦至它们的增益元件之中。
图5A所示的为利用动态激光脉冲修形器12”所建构的串接光放大器10”，动态激光脉冲修形器12”为动态激光脉冲修形器12的替代实施例。明确地说，图5A所示的为利用一个或多个超快速脉冲式光纤激光主振荡器104所施行的动态激光脉冲修形器12”，其会在小于2.2μm但大于100nm的波长处发出小于500ps但大于1fs的脉冲宽度的脉冲。脉冲式光纤主振荡器104会在第一功率P1及第一频率f1处发射输出，用以传送至一被设置在两个光学隔绝器40之间的调制器106。由串接放大器控制器28传送至调制器106的控制信号108会在第二功率P2及第二频率f2处产生激光脉冲修形器12”的激光输出。激光脉冲修形器12”的输出则会被施加至一窄频谱功率放大器110。
脉冲式光纤主振荡器104与窄频谱光纤功率放大器110较佳的为含有频率选择元件，以便产生适合供DPSS-PA 16进行后续放大的窄频谱频宽及所希望的中心波长。该频率选择元件可能包含布拉格光纤光栅或稳频晶种振荡器。如 图5A中所示，串接放大器控制器28可能会送出控制信号108至调制器106，用以将较高频率f1的主振荡器输出除降至更适合有效放大的较低频率f2处。f1的示范性范围从20MHz至200MHz，而f2的示范性范围则从10KHz至20MHz。熟练的人士便会了解，f1与f2之间的关系为f2＝f1/n，其中，n为整数值。窄频谱光纤功率放大器110的输出会经由一耦合光学元件模块112(其被设置在光学隔绝器40之间)被传送至DPSS-PA 16与非必要的谐振转换光学元件模块90。
图5B所示的为串接光放大器的替代实施例10”a，其中，已经移除窄频谱光纤功率放大器110并且利用一多级DPSS放大器16m来取代图5A中所示的串接光放大器10”的DPSS放大器16。此配置会产生一脉冲拾取式超快速串接光放大器，其中，超快速动态激光脉冲修形器12”的输出会被耦合至多级DPSS放大器16m之中，接着其输出便会被应用至谐振转换光学元件模块90。在第一实施例中，多级DPSS放大器16m包含两个单次通过、末端泵激的Nd:YVO4放大器，例如两个DPSS-PA 16a或DPSS-PA 16b。在第二实施例中，多级放大器16m包含两个多程、末端泵激的Nd:YVO4放大器，例如两个DPSS-PA 16f。熟练的人士便会明白，在替代例中，亦可运用侧边泵激的Nd:YVO4放大器，并且还可运用另一固态增益媒介，例如Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:YAP、或Nd:LuVO4。
图6所示的为一串接光放大器 
其和串接光放大器10”的差异在于脉冲式光纤放大器输出被施加至DPSS-PA 
其含有经过选择或调整的频率选择元件(例如布拉格光纤光栅或稳频晶种振荡器)来产生所希望的频谱输出特征。于该DPSS-PA 之中会并入一锁频元件120，用以提供回授置窄频谱光纤功率放大器110，用以帮助将其输出频谱锁频至DPSS-PA 的增益媒介的增益频谱处。使用回授可让该经过设计的输入脉冲多程DPSS-PA 
的增益媒介。
图7A与7B所示的为DPSS-PA 16的输出处可产生的示范时间脉冲形状。于一较佳的实施例中，图7A与7B中所示的时间脉冲形状为经由对一功率放大器(举例来说，FPA 14)的脉冲形状输入进行合宜的调制而利用上面所述类型的激光脉冲修形器所产生的。调制方法可能包含由声光调制器或电光调制器来对该功率放大器的输入进行二极管泵激调制或外部调制。对被供应至该功率放 大器的泵激功率进行调制亦可用来进一步修正该激光子系统所产生的时间脉冲形状。
如图8中所示，串接光放大器10的优点为可充当一激光处理系统200的激光源。一系统控制计算机202会提供整体的系统操作命令给一内建控制计算机(ECC)204，串接放大器控制器28与一射束位置控制器(BPC)206则会响应该系统操作命令。串接光放大器10会受控于串接放大器控制器28，其包含命令与数据缓存器208及计时器210，它们会直接或间接地与ECC 204及BPC 206进行通信。
控制器28会从内建控制计算机(ECC)204处接收命令并且从射束位置控制器(BPC)206处接收信号，并且提供命令给串接光放大器10，用以进行脉冲发射(经由外部触发命令)与脉冲形状控制。于一较佳的实施例中，控制器28会从ECC 204处接收命令并且响应以依据工作件特征图案位置数据来协同BPC
206从一调制器控制器212送出外部触发命令给串接光放大器10。调制器控制器212会控制串接光放大器10所发出的脉冲的发射时间与形状。或者，串接光放大器10会发出具有脉冲间隔时间的脉冲，该脉冲间隔时间会被送至控制器28、ECC 204、或两者。于一较佳的实施例中，根据所发出的激光脉冲会入射的工作件特征图案的类型而定，ECC 204会命令串接光放大器10以产生一特定的时间脉冲轮廓。实用的时间轮廓的解释性范例显示在图7A与7B之中。举例来说，为扫描一晶圆样品222上的一目标对齐工作件特征图案220，如图9中所示，非常低的尖峰功率及每道脉冲非常低的能量可能比较有利，如此便不致于会破坏该特征图案。半导体内存连结线结构224则可能以较高的尖峰功率及每道脉冲较高的能量来处理会最为有利。
熟习本技术的人士便会明白，对半导体的激光处理及其它类型的工作件来说，如果可采用广泛的较佳尖峰功率、每道脉冲的能量数额、以及时间能量轮廓的话则可能会极具吸引力。所以，便希望有一种方法与设备能让一激光处理系统的使用者来程序化要用于可能会在一晶圆或多个晶圆上碰到的一特定工作件群的时间轮廓。
此种方法与设备包含以符合需求的方式来测量与校正相关激光处理参数(例如时间轮廓、每道脉冲的能量、以及被聚焦射束传播属性)的范围的仪器。 如图8中所示，系统光学元件226较佳的为可能包含一光侦测模块228，其可用来侦测入射激光输出及反射自该工作表面的激光输出。光侦测模块228较佳的为含有一能够对被侦测到的光信号(例如入射激光输出信号及反射激光输出信号)进行精密数字化的光侦测器电路，从而允许有效地数字化该入射脉冲波形及反射脉冲波形。此种方法与设备会以符合需求的方式来测量该入射激光波形及反射激光波形，以允许计算与校正时间轮廓、时间轮廓变异、脉冲振幅稳定性、脉冲能量稳定性、以及每道脉冲的能量。熟习本技术的人士便会了解，接着在该激光波长处具有变化剧烈的反射率的目标区域之上扫描该激光射束便能够提供一种测量与校正方法，用以测量与校正该激光射束的聚焦点尺寸属性。
在运用串接光放大器10的激光处理系统200的一较佳实施例中，如图8中所示，串接放大器输出会被施加至激光线轨光学元件230与系统光学元件226。系统光学元件226的输出会由折叠面镜232被导向一Z定位机制234，其可能含有一透镜元件，用以接着传送至目标样品222的工作表面236，以便对工作件特征图案(举例来说，目标对齐特征图案220与内存连结线结构224)进行激光处理。BPC 206会提供X-Y坐标定位信号来将一X-Y定位机制240引导至让Z定位机制234的输出能够处理一所希望目标特征图案的位置处。X-Y定位机制240会从BCP 206的缓存器242中接收命令位置信号并且将实际的位置信号导向至BCP 206的位置编码器244，BCP 206包含一比较器模块246，其会决定一位置差异值并且将其发送至计时器210。计时器210会响应以传送一经过正确计时的触发信号，以便在激光线轨光学元件230中操作一声光调制器248，其会调制串接光放大器10的输出。熟习本技术的人士便会了解，串接光放大器10所输出的脉冲可被导向至谐振转换模块90之中，并且接着会由激光线轨光学元件230与系统光学元件226被传送至工作表面236，以便对工作件特征图案进行谐振激光处理。
熟习本技术的人士便会了解，可运用替代的激光处理系统元件排列，并且可由一运用串接光放大器10的激光处理系统来处理各种的工作件。熟习本技术的人士便会明白，在不脱离本发明的基本原理下可对上面所述的实施例的细节进行众多变化。所以，本发明的范畴由下面的申请专利范围来决定。
Claims (34)
1.一种串接光放大器，其包括：
一串接放大器控制器；
一动态激光脉冲修形产生器，其响应于该串接放大器控制器发射经过设计的脉冲频谱输出，该激光脉冲修形产生器包含一脉冲式光纤型激光源，其配置成用以在一操作脉冲重复频率处以第一尖峰功率、第一脉冲能量、以及经过设计的时间脉冲轮廓产生该经过设计的脉冲频谱输出；
一固态光放大器，在运作上与该激光脉冲修形产生器相关联并且具有一放射波长；以及
一频率选择装置，在运作上与该脉冲式光纤型激光源及该固态光放大器相关联，用以将该经过设计的脉冲频谱输出有效地耦合至该固态光放大器的放射波长，并且从而让该固态光放大器来产生经放大的激光输出，其特征是以第二尖峰功率与一第二脉冲能量实质忠实地复制该经过设计的脉冲频谱输出的该经过设计的时间脉冲轮廓，该第二尖峰功率与该第二脉冲能量分别大于该第一尖峰功率与该第一脉冲能量。
2.如权利要求1所述的串接光放大器，其中，脉冲式光纤型激光源包含一激光振荡器，其被光学耦合至一光纤功率放大器，用以产生经过设计的脉冲频谱输出。
3.如权利要求2所述的串接光放大器，其中，该激光振荡器包含一个或多个激光二极管。
4.如权利要求1所述的串接光放大器，其中，该脉冲式光纤型激光源包含一光纤功率放大器，其具有一输出以提供经过设计的脉冲频谱输出经过设计的时间脉冲轮廓，该光纤功率放大器包含一功率放大器增益光纤。
5.如权利要求4所述的串接光放大器，其中，该功率放大器增益光纤为大模面积光纤类型。
6.如权利要求4所述的串接光放大器，其中，该功率放大器增益光纤包含选自由下面所组成之群中的一或多个掺杂物：钕Nd、镱Yb、钬Ho、铒Er、镝Dy、镨Pr、铥Tm、以及铬Cr。
7.如权利要求4所述的串接光放大器，其中，该功率放大器增益光纤为多模光纤类型。
8.如权利要求4所述的串接光放大器，其中，该功率放大器包含一光子晶体光纤放大器级。
9.如权利要求4所述的串接光放大器，其中，该功率放大器包含多个光子晶体光纤放大器级。
10.如权利要求1所述的串接光放大器，其中，该固态光放大器包含一二极管泵激固态功率放大器。
11.如权利要求10所述的串接光放大器，其中，该二极管泵激固态功率放大器包含一被一或多个二极管泵激元件侧边泵激的增益元件。
12.如权利要求10所述的串接光放大器，其中，该二极管泵激固态功率放大器包含一被一或多个二极管泵激元件末端泵激的增益元件。
13.如权利要求10所述的串接光放大器，其中，该二极管泵激固态功率放大器包含多个增益元件，每一个均被一或多个不同的二极管泵激元件侧边泵激。
14.如权利要求10所述的串接光放大器，其中，该二极管泵激固态功率放大器包含多个增益元件，每一个均被一个或多个二极管泵激元件末端泵激。
15.如权利要求10所述的串接光放大器，其中，该二极管泵激固态功率放大器包含多程、末端泵激的增益元件。
16.如权利要求10所述的串接光放大器，其中，该二极管泵激固态功率放大器包含多程、侧边泵激的增益元件。
17.如权利要求1所述的串接光放大器，其中，该脉冲式光纤型激光源包含一二极管泵激光纤主振荡器，其在介于约100nm与约2.2μm之间的波长处发出介于约1fs与约500ps之间的脉冲宽度的经过设计的脉冲频谱输出。
18.如权利要求1所述的串接光放大器，其中，该脉冲式光纤型激光源包含一光纤激光主振荡器，其在光学上与一在介于约100nm与约2.2μm之间的波长处发出介于约1fs与约500ps之间的脉冲宽度的经过设计的脉冲频谱输出的光纤功率放大器相关联。
19.如权利要求1所述的串接光放大器，其中，该脉冲式光纤型激光源包 含一光纤激光主振荡器。
20.如权利要求1所述的串接光放大器，其中，该动态激光脉冲修形产生器包括：
一主振荡器，其包含至少一调制器-放大器级用以以一脉冲能量、一脉冲尖峰功率、以及一第一中心波长的经过设计的脉冲时间轮廓产生一经过设计的主振荡器脉冲输出；以及
一光学泵激光纤功率放大器，其响应于该经过设计的主振荡器脉冲输出而以一脉冲能量、一脉冲尖峰功率、以及一位于该第一中心波长且实质等于该经过设计的主振荡器脉冲输出的该经过设计的脉冲时间轮廓的经过设计的脉冲时间轮廓产生一经过设计的光纤功率放大器脉冲输出。
21.如权利要求20所述的串接光放大器，其中，该固态光放大器包含选自由下面所组成之群中的一固态增益媒介：Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YAP、Nd:玻璃、Nd:LuVO4、以及Nd:GdVO4。
22.如权利要求1所述的串接光放大器，其中，该经放大的激光输出的特征为在第一中心波长处实质忠实地复制该经过设计的时间脉冲轮廓，并且进一步包括在光学上与该固态光放大器相关联的光学谐振转换器，用以转换该第一中心波长并且在短于该第一中心波长的第二中心波长处产生一谐振转换器输出。
23.如权利要求22所述的串接光放大器，其中，产生该谐振转换器输出所产生的尖峰功率不同于该经放大的激光输出的经过设计的脉冲时间轮廓的复制结果的第二尖峰功率。
24.如权利要求1所述的串接光放大器，其中，该脉冲式光纤型激光源包括多个二极管泵激光纤放大级，用以形成该经过设计的脉冲频谱输出。
25.如权利要求24所述的串接光放大器，其中，该多个二极管泵激光纤放大级包含第一二极管泵激放大光纤与第二二极管泵激放大光纤，该第一二极管泵激放大光纤产生一第一输出脉冲形状，其被耦合至该第二二极管泵激放大光纤之中，用以形成该经过设计的脉冲频谱输出。
26.如权利要求1所述的串接光放大器，其中，该脉冲式光纤型激光源在光学上与多个二极管泵激固态放大级相关联，用以形成该经过设计的脉冲频谱 输出。
27.如权利要求1所述的串接光放大器，其中，该固态光放大器具有一增益频谱，且其中，该脉冲式光纤型激光源包括具有一输出波长的激光二极管与具有一增益频谱的光纤功率放大器，该激光二极管的输出波长密切地匹配于该光纤功率放大器的增益频谱与该固态光放大器的增益频谱。
28.如权利要求27所述的串接光放大器，其中，该激光二极管为连续波类型并且被光学耦合至一光学调制器，其调制该连续波激光二极管的输出。
29.如权利要求27所述的串接光放大器，其中，该激光二极管为脉冲式类型。
30.如权利要求1所述的串接光放大器，其中，该脉冲式光纤型激光源包含一光子晶体光纤类型的功率放大器增益光纤。
31.如权利要求1所述的串接光放大器，其中，该固态光放大器接收一从该经过设计的脉冲频谱输出处所得到的经过设计的输入脉冲，并且进一步包括被光学耦合至该频率选择装置的增益媒介，以便让该经过设计的输入脉冲多次通过该增益媒介。
32.如权利要求1所述的串接光放大器，其包括一激光处理系统的子系统，其引导对应于该经放大的激光输出的处理激光输出，用以处理一目标样品的工作件特征图案，并且包含：
一激光射束位置控制器，其提供命令定位信号给一射束定位机构，该处理激光输出入射在该射束定位机构之上；以及
一系统控制计算机，其提供操作命令，该串接放大器控制器与该激光射束位置控制器响应该操作命令使具有一所希望时间脉冲轮廓的处理激光输出被引导至该目标样品中一所希望工作件特征图案的位置。
33.如权利要求32所述的串接光放大器，其中，一工作件特征图案的处理包含将半导体工作件做微加工。
34.如权利要求33所述的串接光放大器，其中，该半导体工作件微加工包含半导体连结线处理。
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