[发明专利]用于激光加工的方法和设备

说明书

本申请要求2008年7月9日提交的美国临时申请No. 61/079,304的优先权，其由此通过引用被合并。

技术领域

本发明涉及激光微加工。

背景技术

将从基底去除材料以形成微观的或纳米观的结构称为微加工。去除材料也称为铣削或蚀刻。激光束和带电粒子束被用于微加工。在各种应用中它们均具有优点和局限性。

激光系统将几种不同的机制用于微加工。在某些工艺中，使用激光来向基底供热以引发化学反应。该反应仅在激光器供热的区域中发生，但是热量趋向于扩散至比激光束斑点更大的区域，从而限制该工艺的分辨率。在激光微加工中使用的另一机制是光化学蚀刻，其中，激光能量被基底的各个原子吸收，从而这些原子被激发至它们能够进行化学反应的状态。光化学蚀刻局限于光化学活性的材料。在激光加工中使用的另一机制是激光烧蚀，其中，在未将基底加热的情况下，被快速地供应给小体积的能量促使原子被驱逐出基底。例如在为“Method for controlling configuration of laser induced breakdown and ablation”授权给Mourou的U.S.Re. 37,585中描述了使用快速脉冲飞秒激光器的激光烧蚀。飞秒激光烧蚀克服了上述工艺的某些限制。

带电粒子束包括离子束和电子束。聚焦射束中的离子通常具有足以通过从表面物理地喷射材料来进行微加工的动量。由于电子比离子轻得多，所以电子束通常局限于通过用蚀刻剂引发化学反应来去除材料。通常由液态金属离子源或由等离子体离子源来产生离子束。带电粒子束的斑点尺寸取决于许多因素，包括粒子的类型和射束中的电流。通常可以将具有低电流的射束聚焦成较小的斑点，并因此产生比具有高电流的射束更小的结构，但是低电流射束与高电流射束相比花费更长的时间对结构进行微加工。

激光通常能够以比带电粒子束高得多的速率向基底供应能量，并且因此，激光通常具有比带电粒子束高得多的材料去除速率。然而，激光的波长比带电粒子束中的带电粒子的波长长得多。由于射束可以被聚焦成的尺寸受到波长的限制，所以激光束的最小斑点尺寸通常大于带电粒子束的最小斑点尺寸。A. P. Joglekar等人在Proceedings of the National Academy of Science（国家科学院学报）第101卷No.16第5856～5861页（2004）的“Optics at Critical Intensity: Applications to Nanomorphing”（Joglekar等人）中表明，能够使用比接近用于离子化的临界强度的约10皮秒更短的激光脉冲来实现小于波长的特征。由Joglekar等人可实现的特征尺寸对于许多纳米技术应用而言仍不是足够小的。

虽然带电粒子束通常具有比激光束更大的分辨率并能够对极小的结构进行微加工，但射束电流受到限制且微加工操作可能慢到不可接受的程度。另一方面，激光微加工可以更快，但分辨率固有地受到较长波长的限制。

同时利用激光的较快微加工能力和带电粒子束的较高精度这两者的一种方式是依次地处理样本。例如M. Paniccia等人在Microelectronic Engineering 46（27～34页，1999）的“Novel Optical Probing and Micromachining Techniques for Silicon Debug of Flip Chip Packaged Microprocessors”（“Paniccia等人”）中描述了依次处理。Paniccia等人描述了一种用于使用激光引发的化学蚀刻来接近半导体倒装芯片的有源部分以去除大块的材料并随后使用带电粒子束进行最后的更精确的微加工的已知技术。依次处理存在的问题是确定要何时停止更快、不那么精确的激光微加工并开始更精确的带电粒子束处理。如果激光处理过快地停止，则将剩余过多的材料供带电粒子束进行去除。如果激光处理太晚停止，则工件将受到损坏。将确定何时停止处理称为“终点确定（endpointing）”。

用于确定带电粒子束处理中的终点的技术是已知的，并且例如在授予Ray等人的美国专利公开2005/0173631中有所描述。此类技术包括例如向底层电路施加变化的电压以在底层电路被暴露或几乎被暴露时改变二次粒子发射。通过观察二次粒子发射，操作员可以确定诸如掩埋导线的特征何时被揭露。其它带电粒子束终点确定过程包括例如检测由射束注入的带电粒子所引起的晶体管漏电流。通常不是在真空室中执行激光处理，并且因此不能收集二次电子和离子。