專利名稱:激光調(diào)阻中首脈沖能量抑制的控制系統(tǒng)和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件的激光精細(xì)加工領(lǐng)域,是一種片式電阻激光刻蝕修調(diào)中首
脈沖能量抑制的激光精細(xì)加工的控制系統(tǒng)和工藝控制方法。
背景技術(shù):
隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,激光精細(xì)加工技術(shù)在半導(dǎo)體微電子產(chǎn)業(yè)中的作用越 來(lái)越重要,激光片式電阻阻值修調(diào)設(shè)備(激光調(diào)阻機(jī))是激光精細(xì)加工領(lǐng)域中具有代表性 的工業(yè)設(shè)備之一。激光調(diào)阻原理采用高頻脈沖激光先后分別沿片阻導(dǎo)體的橫截面和縱截 面兩個(gè)方向進(jìn)行刻蝕,刻痕路徑上相應(yīng)的半導(dǎo)體材料氣化,改變了片阻導(dǎo)體的導(dǎo)電路徑和 導(dǎo)電面積,使電阻阻值增大,在激光刻蝕片阻的過(guò)程中,采用高精密快速電橋?qū)崟r(shí)檢測(cè)片阻 的阻值變化,當(dāng)片阻阻值達(dá)到要求的電阻精度時(shí),激光修調(diào)電阻結(jié)束。在這一激光調(diào)阻過(guò)程 中,同時(shí)滿足相應(yīng)的刻槽質(zhì)量、阻值溫漂等工藝要求。目前國(guó)際上僅有美國(guó)、日本等少數(shù)幾 家公司可以生產(chǎn)這種設(shè)備,其刻蝕速度可達(dá)每小時(shí)四十幾萬(wàn)只,刻蝕精度可達(dá)千分之一,刻 槽形狀、刻痕有著嚴(yán)格的工藝要求。
發(fā)明內(nèi)容
近幾年來(lái),由于片阻尺寸越來(lái)越小,對(duì)片式電阻的刻蝕工藝和控制精度也提出了 更高的要求。激光調(diào)阻中,影響調(diào)阻精度和阻值溫漂的主要的光刻工藝控制參數(shù)是激光功 率、激光脈沖頻率、刻蝕光斑重疊率等。激光功率和脈沖頻率決定了激光單脈沖能量,即氣 化片阻導(dǎo)體材料的能力,該值越大,其氣化能力越強(qiáng),該值分布越集中,其氣化邊緣越光滑, 阻值溫漂越小;光斑重疊率決定了單脈沖激光改變片阻阻值的能力,即改變阻值變化量,該 值越大,其氣化掉的片阻體積越小,阻值變化量越小,調(diào)阻精度越高。從調(diào)阻工藝要求的角 度考慮,要保證較小的溫漂,刻痕需要具有垂直、光滑的邊緣,同時(shí),整條刻痕要有很好的一 致性。這就要求用于光刻調(diào)阻的系列激光脈沖串具有相同的能量。尤其對(duì)于尺寸較小的 0402型號(hào)以下的片阻而言,激光脈沖串能量的一致性更為重要。但是,對(duì)于脈沖激光器,間 隔輸出的任意系列的激光脈沖串,其首脈沖或前幾個(gè)脈沖的能量總是明顯高于后續(xù)穩(wěn)定脈 沖的能量,首脈沖能量是后續(xù)脈沖能量的十幾倍,甚至是幾十倍。如此高能量的首脈沖激光 可造成小尺寸片阻基板破裂、電阻體缺損、導(dǎo)體龜裂等現(xiàn)象,影響電阻功率和阻值穩(wěn)定性, 給片式電阻修調(diào)帶來(lái)了巨大的問(wèn)題。因此,有效抑制激光首脈沖能量對(duì)小尺寸片阻修調(diào)具 有非常重要的意義。本發(fā)明就是針對(duì)上述問(wèn)題,提供了激光調(diào)阻中首脈沖能量抑制的控制 系統(tǒng)和控制方法。 激光調(diào)阻首脈沖能量抑制的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,由激光器、光電轉(zhuǎn)換器、幅 度檢測(cè)電路模塊、光刻控制器、脈寬可調(diào)信號(hào)發(fā)生器、掃描振鏡、聚焦透鏡、被調(diào)電阻等部分 組成,各單元的連接關(guān)系是參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí),激光器輸出光送給光電轉(zhuǎn)換器,光電轉(zhuǎn)換器輸出 的電信號(hào)再傳送給幅度檢測(cè)電路模塊,幅度檢測(cè)電路將檢測(cè)的結(jié)果送給光刻控制器,光刻 控制器控制脈寬可調(diào)信號(hào)發(fā)生器;激光調(diào)阻時(shí),激光器的輸出光送給掃描振鏡,掃描振鏡調(diào)
4制激光后再傳送給聚焦透鏡,聚焦透鏡的輸出光聚焦到被調(diào)電阻上。 開(kāi)關(guān)1和開(kāi)關(guān)2用于選擇調(diào)阻生產(chǎn)或參數(shù)調(diào)試的兩種工作狀態(tài);激光器產(chǎn)生刻蝕 片阻的激光,受控于脈寬可調(diào)信號(hào)發(fā)生器電路,內(nèi)部提供FPS信號(hào)接口 ;光刻控制器是主要 的計(jì)算和控制核心單元;工藝參數(shù)文件用于保存確定的光刻工藝參數(shù);參數(shù)調(diào)試模塊中的 光電轉(zhuǎn)換器用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),幅度檢測(cè)電路模塊用于逐個(gè)地檢測(cè)脈沖光的幅度 值;調(diào)阻生產(chǎn)模塊中的掃描振鏡用于控制激光的快速精確定位,聚焦透鏡用于將擴(kuò)束準(zhǔn)直 激光聚焦成直徑約20 m的高能量密度光斑。 圖2是FPS脈寬可調(diào)控制電路,包括半導(dǎo)體激光器、光電轉(zhuǎn)換器、高速數(shù)字信號(hào)處 理器、掃描振鏡、聚焦透鏡、被調(diào)電阻。 脈寬可調(diào)信號(hào)發(fā)生器其主要工作都是通過(guò)高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP實(shí)現(xiàn)的,利用
DSP內(nèi)部有A/D轉(zhuǎn)換器作為幅度檢測(cè)電路,工藝參數(shù)文件存放在存儲(chǔ)器FLASH中,利用16位
的CPU定時(shí)器作為脈寬可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器,利用1/0端口輸出激光器控制信號(hào)。 通過(guò)采用脈寬可調(diào)控制技術(shù),對(duì)系列激光脈沖串的首脈沖或前幾個(gè)脈沖能量進(jìn)行
抑制,使其等于或低于后續(xù)穩(wěn)定的激光脈沖的能量。采用能量相同的激光脈沖串進(jìn)行調(diào)阻,
可獲得邊緣光滑、無(wú)龜裂、無(wú)缺損的優(yōu)質(zhì)光刻切槽。 圖3是FPS脈寬可調(diào)控制軟件流程圖。 激光調(diào)阻首脈沖能量抑制的控制方法主要包括如下6步參考圖1敘述 1)選擇開(kāi)關(guān)1和2進(jìn)入?yún)?shù)調(diào)試的工作狀態(tài),光刻控制器設(shè)定FPS脈寬為零,并控
制激光器出光,光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后,送給幅度檢測(cè)電路,幅度檢測(cè)電路逐個(gè)檢測(cè)脈沖的
幅度值,此時(shí),脈沖串的幅度值差異較大,此結(jié)果送回光刻控制器。 2)光刻控制器根據(jù)檢測(cè)到的脈沖串的幅度值,從小到大逐漸增加FPS脈寬,用檢 測(cè)后的FPS信號(hào)控制激光器出光。 3)隨著FPS脈寬的增加,檢測(cè)電路檢測(cè)到的脈沖串的幅度值將趨于相同。 4)當(dāng)脈沖串的幅度值偏差小于設(shè)定的閾值時(shí),停止增加FPS脈寬,并將此時(shí)的脈
寬作為新的脈寬控制參數(shù),存儲(chǔ)于工藝參數(shù)文件模塊中。 5)選擇開(kāi)關(guān)1和2進(jìn)入調(diào)阻生產(chǎn)工作狀態(tài),光刻控制器直接從工藝參數(shù)文件中讀
取FPS脈沖寬度,用該值控制脈沖可調(diào)信號(hào)發(fā)生器,產(chǎn)生控制激光器的FPS信號(hào),激光器輸
出光經(jīng)過(guò)掃描振鏡和聚焦透鏡后,進(jìn)行刻蝕電阻的操作。 6)當(dāng)調(diào)阻工況發(fā)生變化時(shí),可重新選擇FPS脈沖寬度。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是,利用脈寬可調(diào)的FPS信號(hào)抑制激光調(diào)阻中過(guò)高的首 脈沖能量,使激光調(diào)阻的刻蝕切槽一致性更好,切槽邊緣一致光滑、平整、無(wú)龜裂、無(wú)缺損, 提高了激光調(diào)阻后的阻值穩(wěn)定性和可靠性,從而提高了激光調(diào)阻的片阻品質(zhì),尤其針對(duì)小 尺寸片阻,采用該控制方法的效果更明顯。
圖1是控制系統(tǒng)的組成原理圖,由激光器1、光電轉(zhuǎn)換器2、幅度檢測(cè)電路3、光刻 控制器4、脈寬可調(diào)信號(hào)發(fā)生器5、工藝參數(shù)文件模塊6、掃描振鏡7、聚焦透鏡8、被調(diào)電阻9 等部分組成。 圖2是FPS脈寬可調(diào)控制電路,包括激光器1、光電轉(zhuǎn)換器2、數(shù)字信號(hào)處理器10、
5掃描振鏡7、聚焦透鏡8、被調(diào)電阻9。 圖3是FPS脈寬可調(diào)控制軟件流程圖,包括程序初始化11、工作狀態(tài)判斷12、采 集數(shù)據(jù)13、相鄰脈沖幅值差判斷14、脈寬可調(diào)15、參數(shù)保存16、參數(shù)讀取17、周期生產(chǎn)結(jié)束 18、參數(shù)調(diào)節(jié)結(jié)束、調(diào)阻生產(chǎn)結(jié)束。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的具體的實(shí)施案例如下 圖2是FPS脈寬可調(diào)控制方法的硬件電路圖,由型號(hào)為SP-X30SC半導(dǎo)體激光器1、 型號(hào)為GT102的光電轉(zhuǎn)換器2、型號(hào)為TMS2812的數(shù)字信號(hào)處理器10、型號(hào)為HSS-8006的掃 描振鏡7、F9聚焦透鏡8、0402型號(hào)被調(diào)電阻9等組成。型號(hào)為TMS2812的數(shù)字信號(hào)處理 器10是資源豐富的高速信號(hào)處理器,利用其內(nèi)部的多種硬件資源,如A/D轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O端口 ,通過(guò)軟件編程,可產(chǎn)生脈寬可調(diào)的首脈沖能量抑制信號(hào)FPS。
其主要的實(shí)施過(guò)程是通過(guò)軟件來(lái)完成的,控制軟件流程如圖3所示。首先執(zhí)行程 序初始化ll,設(shè)定各種資源的控制字,然后進(jìn)入工作狀態(tài)判斷12,當(dāng)進(jìn)入?yún)?shù)調(diào)試時(shí),進(jìn)行 激光脈沖串的幅值采集,由采集數(shù)據(jù)模塊13完成;根據(jù)相鄰脈沖幅值差來(lái)動(dòng)態(tài)增加FPS信 號(hào)的脈寬,由脈寬可調(diào)15完成,再進(jìn)入相鄰脈沖幅值差判斷14,當(dāng)相鄰脈沖幅值差小于設(shè) 定的閾值時(shí),將脈寬參數(shù)保存,由參數(shù)保存16完成,參數(shù)調(diào)試結(jié)束; 當(dāng)進(jìn)入調(diào)阻生產(chǎn)時(shí),直接從參數(shù)文件中讀取脈寬參數(shù)值,賦給相應(yīng)的變量,由參數(shù) 讀取17完成,開(kāi)始進(jìn)行激光調(diào)阻,采用脈寬可調(diào)的FPS信號(hào)控制激光器,可以得到首脈沖能 量抑制的能量相同的激光脈沖串,用該脈沖串進(jìn)行激光調(diào)阻,可得到無(wú)裂痕、無(wú)缺損、平滑 完整的光刻切槽,經(jīng)歷一個(gè)生產(chǎn)周期,調(diào)阻結(jié)束。
權(quán)利要求
激光調(diào)阻中脈寬可調(diào)的首脈沖能量抑制的控制系統(tǒng),其特征在于該控制系統(tǒng)包括激光器(1)、光電轉(zhuǎn)換器(2)、幅度檢測(cè)電路模塊(3)、光刻控制器(4)、脈寬可調(diào)信號(hào)發(fā)生器(5)、工藝參數(shù)文件模塊(6)、掃描振鏡(7)、聚焦透鏡(8)、被調(diào)電阻(9);各單元的信號(hào)連接關(guān)系參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí),激光器(1)輸出光送給光電轉(zhuǎn)換器(2),光電轉(zhuǎn)換器輸出的電信號(hào)再傳送給幅度檢測(cè)電路模塊(3),幅度檢測(cè)電路將檢測(cè)的結(jié)果送給光刻控制器(4),光刻控制器控制脈寬可調(diào)信號(hào)發(fā)生器(5);激光調(diào)阻時(shí),激光器(1)的輸出光送給掃描振鏡(7),掃描振鏡調(diào)制激光后再傳送給聚焦透鏡(8),聚焦透鏡的輸出光聚焦到被調(diào)電阻(9)上;開(kāi)關(guān)1和開(kāi)關(guān)2用于選擇調(diào)阻生產(chǎn)或參數(shù)調(diào)試的兩種工作狀態(tài);激光器(1)產(chǎn)生刻蝕片阻的激光,受控于脈寬可調(diào)信號(hào)發(fā)生器(5),內(nèi)部提供FPS信號(hào)接口;光刻控制器(4)是主要的計(jì)算和控制核心單元;工藝參數(shù)文件模塊(6)保存光刻工藝參數(shù);參數(shù)調(diào)試模塊中的光電轉(zhuǎn)換器(2)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),幅度檢測(cè)電路模塊(3)逐個(gè)地檢測(cè)脈沖激光的幅度值;調(diào)阻生產(chǎn)模塊中的掃描振鏡(7)控制激光的快速精確定位,聚焦透鏡(8)將擴(kuò)束準(zhǔn)直激光聚焦成高能量密度光斑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光調(diào)阻中脈寬可調(diào)的首脈沖能量抑制的控制系統(tǒng),其特征 在于脈寬可調(diào)信號(hào)發(fā)生器(5),其主要工作都是通過(guò)高速數(shù)字信號(hào)處理器(10)實(shí)現(xiàn)的,利 用高速數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器作為幅度檢測(cè)電路,工藝參數(shù)文件存放在存儲(chǔ)器 FLASH中,利用16位的CPU定時(shí)器作為脈寬可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器(5),利用1/0端口輸出激光 器控制信號(hào)。
3. 激光調(diào)阻中脈寬可調(diào)的首脈沖能量抑制的控制系統(tǒng)的控制方法,其特征在于控制步 驟如下1) 選擇開(kāi)關(guān)l進(jìn)入?yún)?shù)調(diào)試的工作狀態(tài),光刻控制器(4)設(shè)定FPS脈寬為零,并控制激 光器(1)出光,光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換(2)后,送給幅度檢測(cè)電路(3),幅度檢測(cè)電路逐個(gè)檢測(cè) 脈沖的幅度值,此時(shí),脈沖串的幅度值差異較大,此結(jié)果送回光刻控制器(4);2) 光刻控制器(4)根據(jù)檢測(cè)到的脈沖串的幅度值,從小到大逐漸增加FPS脈寬,用檢測(cè) 后的FPS信號(hào)控制激光器(1)出光;3) 隨著FPS脈寬的增加,檢測(cè)電路檢測(cè)到的脈沖串的幅度值將趨于相同;4) 當(dāng)脈沖串的幅度值偏差小于設(shè)定的閾值時(shí),停止增加FPS脈寬,并將此時(shí)的脈寬作 為脈寬控制參數(shù),存儲(chǔ)于工藝參數(shù)文件模塊(6)中;5) 選擇開(kāi)關(guān)2進(jìn)入調(diào)阻生產(chǎn)工作狀態(tài),光刻控制器(4)直接從工藝參數(shù)文件中讀取 FPS脈沖寬度,用該值控制脈沖可調(diào)信號(hào)發(fā)生器(5),產(chǎn)生控制激光器的FPS信號(hào),激光器輸 出光經(jīng)過(guò)掃描振鏡(7)和聚焦透鏡(8)后,進(jìn)行刻蝕電阻的操作;6) 當(dāng)調(diào)阻工況發(fā)生變化時(shí),可重新選擇FPS脈沖寬度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光調(diào)阻中脈寬可調(diào)的首脈沖能量抑制的控制方法,其特征 在于FPS脈寬可調(diào)控制器(5)控制電路,其主要工作都是通過(guò)高速數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)的, 其控制程序是首先執(zhí)行程序初始化(ll),設(shè)定各種資源的控制字,然后進(jìn)入工作狀態(tài)判斷 (12),當(dāng)進(jìn)入?yún)?shù)調(diào)試時(shí),由采集數(shù)據(jù)(13)進(jìn)行激光脈沖串的幅值采集;根據(jù)相鄰脈沖幅 值差由脈寬可調(diào)(15)來(lái)動(dòng)態(tài)增加FPS信號(hào)的脈寬,再進(jìn)入相鄰脈沖幅值差判斷(14),當(dāng)相 鄰脈沖幅值差小于設(shè)定的閾值時(shí),由參數(shù)保存(16)將脈寬參數(shù)保存,參數(shù)調(diào)試結(jié)束;當(dāng)進(jìn)入調(diào)阻生產(chǎn)時(shí),直接從參數(shù)文件中讀取脈寬參數(shù)值,賦給相應(yīng)的變量,由參數(shù)讀取 (17)完成,開(kāi)始進(jìn)行激光調(diào)阻,采用脈寬可調(diào)的FPS信號(hào)控制激光器,得到首脈沖能量抑制 的能量相同的激光脈沖串,用該脈沖串進(jìn)行激光調(diào)阻,得到無(wú)裂痕、無(wú)缺損、平滑完整的光 刻切槽,經(jīng)歷一個(gè)生產(chǎn)周期,調(diào)阻結(jié)束。
全文摘要
激光調(diào)阻中首脈沖能量抑制的控制系統(tǒng)和控制方法,屬于半導(dǎo)體器件的激光精細(xì)加工領(lǐng)域。該控制系統(tǒng)包括激光器、光電轉(zhuǎn)換器、幅度檢測(cè)電路模塊、光刻控制器、脈寬可調(diào)信號(hào)發(fā)生器、掃描振鏡、聚焦透鏡、被調(diào)電阻。采用脈寬可調(diào)控制技術(shù),對(duì)系列激光脈沖串的首脈沖或前幾個(gè)脈沖能量進(jìn)行抑制,使其等于或低于后續(xù)穩(wěn)定的激光脈沖的能量。采用能量相同的激光脈沖串進(jìn)行調(diào)阻,可獲得邊緣光滑、無(wú)龜裂、無(wú)缺損的優(yōu)質(zhì)光刻切槽。提高了激光調(diào)阻后的阻值穩(wěn)定性和可靠性,從而提高了激光調(diào)阻的片阻品質(zhì),尤其針對(duì)小尺寸片阻,采用該控制方法的效果更明顯。
文檔編號(hào)B23K26/42GK101733560SQ20091021780
公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月4日
發(fā)明者劉立峰, 孫繼鳳, 湯建華, 田興志, 郭曉光 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所