CN102036927A - 用来在玻璃基板中形成微结构的方法和系统 - Google Patents

用来在玻璃基板中形成微结构的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种在玻璃基板中形成微结构凹穴的方法，所述方法包括将第一激光脉冲投射到玻璃基板上，从而形成具有锥形结构的第一微结构凹穴。所述第一激光脉冲在玻璃基板的表面上可以具有第一点区域。还可以将第二激光脉冲投射到玻璃基板上，从而形成具有锥形结构的第二微结构凹穴，所述第二激光脉冲在玻璃基板的表面上具有第二点区域。所述第二点区域可以基本上与第一点区域相同，可以与第一点区域重叠，使得第一微结构凹穴和第二微结构凹穴之间的部分侧壁被烧蚀。在部分侧壁被烧蚀之后，所述第一和第二微结构凹穴各自的直径可以小于所述第一点区域的直径。

Description

用来在玻璃基板中形成微结构的方法和系统
相关申请的交叉参考
本申请要求2008年4月18日提交的题为“用来在玻璃基板中形成微结构的方法和系统(Methods and Systems for Forming Microstructures in Glass Substrates)”的美国专利非临时申请第12/148,479号的权益和优先权，该专利的内容作为本文的依据并且全文参考结合入本文中。
技术领域
本发明一般涉及用来在玻璃基板中形成结构的系统和方法，更具体来说涉及用来通过激光烧蚀在玻璃基板中形成微结构的激光系统以及使用激光系统的方法。
背景技术
玻璃，例如高含量二氧化硅玻璃和硼-硅酸盐玻璃具有很多的与化学、药物、光学和生物应用相关的性质，包括化学惰性，高温耐久性，光学透明性，可控的表面润湿性等。可以在玻璃基板中引入正性形貌特征(例如柱，桩，格栅等)和负性形貌特征(例如凹穴、空穴、凹槽等)，从而制造适合特定应用的玻璃基板。人们通常使用常规的机械加工和模塑技术在玻璃基板中引入约等于和大于1毫米的特征，通常使用光刻法和化学蚀刻在玻璃基板中引入小于1毫米的特征(即微结构)。这些玻璃微结构有可能用于例如微射技术，高疏水性表面，微型凹穴阵列，微型透镜系统，生命科学细胞，微型-反应器混合设计。
但是，与更常规的机械加工和模塑技术相比，所述用来在玻璃中制造微结构的光刻技术和化学蚀刻技术难于应用。另外，光刻法之类的工艺可能成本高而且耗时，因此对于小的制造试验以及快速原型开发来说经济上是不可行的。
因此，需要另外的适于小的制造试验以及原型开发的在玻璃中制造微结构的方法。
发明内容
根据一个实施方式，本发明提供了一种通过激光烧蚀在玻璃基板中形成微结构的方法，所述方法可以包括将激光源的光束投射到玻璃基板的表面上，使得所述光束横向通过玻璃基板的表面，使得光束的光点区域在玻璃基板的表面上形成第一图案，沿着第一图案从玻璃基板上烧蚀掉玻璃。所述方法还可以包括将激光源的光束投射到玻璃基板的表面上，使所述光束横向通过所述玻璃基板，使得光束的点区域在玻璃基板的表面上形成至少一个第二图案。所述第二图案或之后的图案可以与所述第一图案重叠或者相交。可以沿着所述第二图案或者之后的图案，从玻璃基板的表面上烧蚀掉玻璃，从而在玻璃基板上形成至少一个微结构。
根据另一个实施方式，本发明揭示了一种在玻璃基板中形成微结构凹穴的方法，所述方法包括将第一激光脉冲投射到玻璃基板上，从而在玻璃基板中形成具有锥形结构的第一微结构凹穴。所述第一激光脉冲可以在所述激光脉冲与玻璃基板的表面相交的位置具有第一点区域。还可以将第二激光脉冲投射到玻璃基板上，从而在所述玻璃基板中形成具有锥形结构的第二微结构凹穴，所述第二激光脉冲在与玻璃基板的表面相交的位置具有第二点区域。所述第二点区域可以基本上与第一点区域相同。所述第二点区域还可以与第一点区域重叠，使得第一微结构凹穴和第二微结构凹穴之间的一部分侧壁被烧蚀。在该部分侧壁烧蚀之后，第一微结构凹穴的直径以及第二微结构凹穴的直径可小于第一点区域的直径、第二点区域的直径、或者同时小于此两个点区域的直径。
在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言根据所作描述就容易理解，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都是本发明的实施方式，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。
附图说明
结合以下附图阅读后，可以理解以下本发明具体实施方式的详细描述，在图中，相同的结构用相同的编号表示，其中：
图1是根据本文图示和描述的一个实施方式的简图，通常显示用来在玻璃基板中形成微结构的激光烧蚀系统的部件；
图2是通过入射到玻璃基板表面上的激光脉冲形成的锥形微结构凹穴的玻璃基板的截面图；
图3是根据本文图示和描述的一个实施方式的玻璃基板的顶视图，显示入射到玻璃基板表面上的第一光束脉冲的第一点区域被入射到玻璃基板表面上的第二光束脉冲的第二点区域重叠；
图4是图3所示的玻璃基板的截面图，显示了根据本发明图示和描述的用来在玻璃基板中形成微结构的一种方法，形成的第一微结构凹穴和第二微结构凹穴；
图5显示了根据本文图示和描述的一种用来在玻璃基板中形成微结构的方法，用多个入射到玻璃基板表面上的光束脉冲形成的点区域的图案，以用来形成微结构凹穴的蜂窝图案；
图6是图5所示的玻璃基板的截面图，显示了根据本发明图示和描述的用来在玻璃基板中形成微结构的一种方法，形成的多个微结构凹穴；
图7是一种玻璃基板的顶视图，显示了根据本发明图示和描述的用来在玻璃基板中形成微结构的一种方法，形成的微结构凹穴的蜂窝图案；
图8显示根据本发明图示和描述的用来在玻璃基板中形成微结构的一种方法，划到玻璃基板表面中的成组的平行线图案，形成正方形的微结构柱状体；
图9是一种玻璃基板的顶视图，显示了根据本发明图示和描述的用来在玻璃基板中形成微结构的一种方法，形成的正方形微结构柱状体的规则图案；
图10是一种玻璃基板的顶视图，显示了根据本发明图示和描述的用来在玻璃基板中形成微结构的一种方法，形成的三角形微结构柱状体的规则图案；
图11A显示根据本发明图示和描述的用来在玻璃基板中形成微结构的一种方法，入射在玻璃基板表面上形成圆形微结构柱状体的激光脉冲点区域的第一图案；
图11B显示根据本发明图示和描述的用来在玻璃基板中形成微结构的一种方法，入射在玻璃基板表面上形成圆形微结构柱状体的激光脉冲点区域的至少一个第二图案；
图12是一种玻璃基板的顶视图，显示了根据本发明图示和描述的用来在玻璃基板中形成微结构的一种方法，形成的圆形微结构柱状体的规则图案。
具体实施方式
首先来看图1，图中显示了一种用来在玻璃基板中形成微结构的激光系统。所述系统通常可以包括激光源，用来将激光源的激光脉冲投射和扫描到玻璃基板上的光束操纵机构，用来将光束聚焦到玻璃基板上的透镜系统，以及可将玻璃基板置于其上的工作台。本文中将会对所述系统的各种元件以及使用所述系统在玻璃基板中形成微结构的各种方法进行更详细的讨论。
下面参见图1，图中显示了一种激光器系统100，其用来将来自激光源102的光束112投射、聚焦和扫描到玻璃基板108上。所述激光器系统100通常可以包括激光源102，光束操纵机构104和透镜系统106。在一个实施方式中，所述激光器系统100还可以包括多轴工作台110，工件(例如玻璃基板108)可以置于其上。
所述激光源102一般可以包括输出功率足以将玻璃从玻璃基板的表面烧蚀掉的激光源。因此，激光源一般可以包括Nd:YAG激光器，Nd:YVO4激光器，Nd:YLF激光器，CO2激光器等。在一个实施方式中，激光源102一般可以以脉冲输出方式工作，使得激光源的光束112包括不连续的激光脉冲。较佳的是，所述激光产生脉冲的时间小于激光的上升时间，导致短脉冲时间(例如小于100微秒，更优选小于80微秒)。在一个具体的实施方式中，激光源可以包括一种CO2激光器，所述CO2激光器以一定的方式工作，产生包括多种不连续的激光脉冲的光束。例如，CO2激光器常规的脉冲上升时间约为100μs，当脉冲达到全功率之后，CO2激光器通常以连续波输出激光器的形式工作。但是，通过在脉冲上升时间过程中关闭激光器，所述CO2激光器可以以脉冲方式工作。因此，在一个实施方式中，CO2激光器通过在脉冲上升时间内启动激光器和关闭激光器以脉冲的方式进行工作，使得产生的激光脉冲约为55μs至80μs，激光源输出的各个激光脉冲的能量约为15μJ至100μJ，更优选约为20μJ至80μJ，最优选约为25μJ至40μJ。可以使得各个脉冲的持续时间发生变化，以控制通过烧蚀从玻璃基板的表面除去的材料的量。在激光源102的输出处光束112的直径dB通常可以约为2毫米。
在另一个实施方式中，激光源102一般可以以连续波输出方式工作，使得激光源的光束112包括连续的光束。例如，在一个实施方式中，激光源可以包括以连续波方式工作的CO2激光器。可以通过脉冲宽度调制(PWM)来调节CO2激光器的输出，产生基本连续的平均功率输出。用来产生CO2激光器系统的连续波输出的一般调制频率优选约为1kHz至20kHz，周期约为1ms至50μs。用于连续波工作的标准调制频率最优选约为5kHz，周期约为200μs。
因此，现在应当理解，本文所述的方法和系统可以使用以连续波方式或者脉冲方式工作的激光源，在玻璃基板的表面中形成微结构。
将激光源102的光束112投射到光束操纵机构104中，在此机构104中，使光束112改方向，使其射向玻璃基板108。光束操纵机构104通常可以包括至少一个扫描镜(图中未显示)，例如快速扫描镜，用来使光束112改方向射到玻璃基板108的表面上。在一个实施方式中，所述光束操纵机构104可以包括一对检流计反射镜。各个检流计反射镜可以设置成绕着不同的轴旋转，使得能够沿着2个轴使光束扫描通过玻璃基板108的表面。
在通过光束操纵机构104使光束112改方向之后，所述光束112可以通过透镜系统106，所述透镜系统将光束聚焦在玻璃基板的表面上。例如，当激光源是CO2激光器，输出光束的直径dB为2毫米的情况下，可以使用透镜系统106聚焦光束，使得玻璃基板表面上的激光脉冲的光束点112的直径dSA为55微米。在另一个实施方式中，透镜系统106可以包括F-θ透镜，这是光束扫描应用中公知的透镜。所述F-θ透镜可以有助于将直径2毫米的光束聚焦成直径55μm的点区域，同时还在扫描的图象平面(例如玻璃基板108的表面109)提供平扫描场。换句话说，对于特定的工作区域，在工作区域内玻璃基板表面上的任意位置，F-θ透镜的光束输出基本上垂直于玻璃基板108的表面。例如，在一个实施方式中，F-θ透镜可以在25毫米×25毫米的工作区域上产生直径55微米的点区域，其中，所述F-θ透镜的输出基本上垂直于玻璃基板的表面。
所述激光器系统100还可以包括多轴工作台110。所述多轴工作台110可以用来在激光烧蚀过程中确定玻璃基板108的位置。所述多轴工作台110还可以用来相对于透镜系统106，在x-y平面和z方向确定玻璃基板108的位置。在一个实施方式中，当透镜系统106包括具有减小的工作区域的F-θ透镜的时候，所述多轴工作台110可以用来相对于F-θ透镜确定玻璃基板的位置，以有效地增大F-θ透镜的工作区域。
因此，可以将光束操纵机构104与透镜系统106结合使用，在不连续的位置，将来自激光源102的光束112在玻璃基板108的表面上聚焦和确定并确定位置。另外，因为激光源102的输出功率足以从玻璃基板108的表面烧蚀掉玻璃，可以使用激光系统100从玻璃基板108烧蚀掉玻璃，从而有助于通过激光烧蚀在玻璃基板108的表面上引入各种图案，从而在玻璃基板108的表面内形成玻璃微结构。
下面来看图2-7，其中显示了通过激光烧蚀在玻璃基板中形成微结构的方法的一个实施方式。在此实施方式中，可以使用激光系统，例如图1所示的激光系统100，将来自激光源的光束投射到玻璃基板的表面上，使得光束的点区域在玻璃基板的表面上形成图案。所述光束可以是脉冲的，图案中各个激光脉冲的点区域可以与之前的、之后的、或者此二者的激光脉冲的点区域重叠，从而在玻璃基板的表面中以蜂窝图案的形式形成多个微结构凹穴。采用本发明所述的方法，所述蜂窝图案形式的各个微结构凹穴的直径小于玻璃基板表面上光束点区域的直径。
为了使用以脉冲方式工作的激光源在玻璃基板108的表面109内形成微结构凹穴118，可以将第一激光脉冲投射到玻璃基板108的表面109上。可以将第一激光脉冲聚焦到表面109上，使得第一激光脉冲在玻璃基板的表面109上具有直径为dSA的第一点区域116。玻璃基板表面109处的点区域116的直径可以显著小于激光源102输出处的激光脉冲的直径dB，使得入射到玻璃基板表面109上的激光脉冲具有足够的能量密度，超过玻璃基板的烧蚀阈值，从而在玻璃基板108的表面109内烧蚀出第一微结构凹穴118。所述第一微结构凹穴在玻璃基板108的表面109处的初始直径可以基本上与第一激光脉冲在玻璃基板108的表面上的点区域116的直径dSA相等。图2中显示了第一微结构凹穴118具有倾斜的侧壁121，123，由于在烧蚀过程中，激光脉冲的能量衰减，随着在玻璃基板108的表面109之下的深度的增加，内径减小。
将具有第二点区域120的第二激光脉冲投射并聚焦在玻璃基板108的表面109上。所述第二激光脉冲的点区域具有直径dSA，使得第二激光脉冲的点区域120基本上与第一激光脉冲的点区域116相等。使用图1所示的激光系统100的光束操纵机构104，所述第二激光脉冲可以投射到玻璃基板108的表面109上，使得第二激光脉冲的点区域120与第一激光脉冲的点区域116重叠，从而在玻璃基板108的表面109内烧蚀形成具有锥形结构的第二微结构凹穴124。因为第二激光脉冲的点区域120与第一激光脉冲的点区域116重叠，所以第一微结构凹穴和第二微结构凹穴之间的一部分侧壁127与玻璃基板表面109的相应部分一起被烧蚀掉。在该部分侧壁127被烧蚀之后，第一微结构凹穴的开口的直径dMS与第二微结构凹穴内的开口的直径dMS相等，这两个直径都小于玻璃基板表面109上的第一激光脉冲或者第二激光脉冲的点区域的直径dSA。应理解，微结构凹穴开口的直径表示微结构凹穴最宽的部分的直径。因为第一和第二微结构凹穴都具有倾斜的结构，对一部分侧壁127以及微结构凹穴之间的表面的相应部分的烧蚀形成具有开口直径dMS的微结构凹穴，该直径小于入射到玻璃基板初始表面上的点区域的直径dSA。因此，通过使得相邻的激光脉冲的点区域重叠，可以通过激光烧蚀在玻璃基板中形成微结构凹穴，使得微结构凹穴的开口的直径小于用来烧蚀玻璃以及形成微结构凹穴的激光脉冲的直径。例如，如果激光脉冲在玻璃基板表面上的点区域是55微米，由于点区域的重叠形成的微结构凹穴的开口直径dMS通常约小于50微米，更优选约小于40微米，最优选约小于30微米。因此，对于玻璃基板表面上点区域的特定的直径dSA，所得的微结构微凹穴的开口直径约小于各个点区域的开口直径，各个微结构凹穴的开口直径约小于.90*dSA，更优选约小于.7*dSA，最优选约小于.55*dSA。
尽管本文描述了将第一激光脉冲和第二激光脉冲投射到玻璃基板108的表面上的情况，但是应当理解，所述第一激光脉冲和第二激光脉冲可以同时投射到玻璃的表面上，例如当使用多个激光系统100将多个光束点投射到玻璃基板108的表面上的情况。
参见图3，可以通过调节相邻的激光脉冲之间的间距，因而调节相邻的点区域之间的重叠122，从而控制第一和第二微结构凹穴之间的开口直径dMS。因此，通过增加重叠(或者减小相邻的激光脉冲的点区域之间的间距)，从相邻的微结构凹穴之间除去了更多的侧壁。因为凹穴之间的侧壁是倾斜的，通过除去更多的侧壁(或者减小侧壁的高度)，可以减小微结构凹穴的开口的直径。因此，可以通过调节依次相邻的激光脉冲之间的间距，使得相邻的点区域重叠，从而调节制得的微结构凹穴的开口直径。
用来在玻璃基板的表面内形成微结构凹穴的激光脉冲的点区域重叠的技术可以重复多次，从而在玻璃基板108的表面109内形成微结构凹穴的图案，如图5-8所示。在一个实施方式中，可以将多个激光脉冲投射并聚焦在玻璃基板108的表面109上，使得各个激光脉冲的点区域与之前、之后或此二者的激光脉冲的点区域重叠。例如，如图5和图6所示，可以沿直线将第一的多个激光脉冲投射在玻璃基板108的表面109上，使得激光脉冲的点区域形成重叠的点区域126的第一线性图案128，其中各个点区域126表示通过激光烧蚀在玻璃基板内形成微结构凹穴125。
然后，可以沿直线将第二或之后的多个激光脉冲投射在玻璃基板108的表面109上，使得激光脉冲的点区域形成重叠的点区域126的第二或之后的线性图案130，其中各个点区域126表示通过激光烧蚀在玻璃基板内形成另一个微结构凹穴125。所述第二或之后的线性图案130通常可以平行于第一线性图案128，通常可以与第一线性图案128重叠，使得各个点区域126与每一个相邻的点区域126重叠，使得形成的微结构凹穴的直径和间距(微结构凹穴中心点之间的距离)通常小于第一线性图案以及第二或之后的线性图案130内的点区域的直径。例如，对于50微米的光束点尺寸，制得的结构的中心点距离可以为20微米。因此，例如，可以制得一些结构，其中间距(中心点之间的距离)小于激光的点尺寸，更优选小于激光的点尺寸的.75倍，在一些情况下甚至小于激光点尺寸的.5倍。另外，所述第二或之后的线性图案130可以线性偏离第一线性图案128，使得第一线性图案128内的各个点区域126的中心设置在第二或之后的线性图案130内的两个相邻的点区域126的中心之间。更具体来说，所述第一线性图案128可以线性偏离第二或之后的线性图案130，使得任意三个相互相邻的点区域126(例如点区域126A，126B和126C)的中心点形成等腰三角形或等边三角形134的顶点。然后可以使用另外的重叠点区域126的第二或之后的线性图案132在玻璃基板108的表面109内形成微结构凹穴125的蜂窝图案，如图7所示。
现在应当理解，可以通过激光烧蚀法，也就是说，通过将多个激光脉冲投射到玻璃基板的表面上，使得激光脉冲的点区域形成点区域的重叠图案，在玻璃基板中形成微结构，特别是微结构凹穴，因为激光脉冲的点区域发生重叠，所以制得的微结构凹穴的开口直径可以小于用来形成微结构凹穴的点区域的直径。
下面来看图8和图9，其中显示了通过激光烧蚀在玻璃基板中形成微结构的一种方法的另一个实施方式。在此实施方式中，可以使用图1所示的激光系统，沿着成组的平行线，将光束投射到玻璃基板的表面上。使用激光系统100沿着平行线烧蚀玻璃，使平行线划入玻璃基板中。因此，通过使用激光系统100划出具有不同相对取向的多组平行线，可以在不同组平行线的交点之间的空隙处，在玻璃基板内形成微结构156的图案。
如图8所示，在一个实施方式中，通过沿着多条平行线151、投射来自以脉冲方式工作的激光源的多个激光脉冲，在玻璃基板的表面内划出第一组平行线152，使得第一组平行线中的各条线包括一排重叠的点区域162，从而沿着平行线151从玻璃基板烧蚀掉玻璃。根据制得的微结构的所需尺寸，选择和调节平行线151的间距Pr。激光脉冲(图中未显示)以平行线151为中心，使得多个激光脉冲中的各个脉冲在玻璃基板表面上的点区域164以平行线151为中心。沿着平行线151的各个激光脉冲的点区域164可以与之前的、之后的或此二者的激光脉冲的点区域重叠，使得一排重叠点区域162可通过基本平行的边163与该排重叠的点区域任一侧上的各个点区域164相切的来限定。为达到此结果，各个点区域164可以与之前的、之后的或此二者的激光脉冲的点区域重叠约大于50％的点区域直径。
在玻璃基板表面内划出第一组平行线152之后，可以按照与第一组平行线152相同的方式在玻璃基板的表面内划出第二组或之后组的平行线154。在图8所示的实施方式中，通过使用激光系统沿着平行线161投射激光脉冲，从而在玻璃基板的表面内划出第二组平行线154，这样在玻璃基板内划出第二组或之后组的平行线154。如图8所示，平行线161的取向与平行线151垂直。因此，在玻璃基板表面内划出的第二组平行线154垂直于第一组平行线152。由此形成微结构柱状体156的规则重复图案，其在第一组平行线152和第二组平行线154的交点之间的空隙处具有如图8和图9所示的正方形或者矩形的截面。柱状体的顶面或者高度与玻璃基板108的上表面109相同，或者可以“没于”表面109之下。
如上文所述，可以对平行线151的间距Pr以及平行线161的间距Pr进行选择和调节，以控制制得的微结构柱注状体156的尺寸和形状。例如，为了制得正方形的微结构柱状体，选择平行线151的间距Pr和平行线161的间距Pr是相同的。为了制得矩形的微结构柱状体，选择平行线151的间距Pr和平行线161的间距Pr是不同的。另外，可以通过增大或减小平行线151、161的间距，调节制得的微结构柱转体156的尺寸。在一个实施方式中，对平行线151、161的间节距进行选择，使得制得的微结构柱状体156的边尺寸(例如长度和宽度)小于用来形成微结构柱状体的激光脉冲的点区域的直径。例如，对于55μm的点区域，可以选定线151，161的间距为75μm，使得制得的微结构柱状体是20μm×20μm的正方形微结构柱状体。因此，对于在玻璃基板的表面上具有直径dSA的点区域，可以对线151，161的间距进行选择，使得微结构柱状体的边尺寸约小于.75*dSA，更优选约小于.5*dSA，最优选约小于.40*dSA。
尽管图8和图9显示了沿着互相成90度取向的两组平行线，从玻璃基板上烧蚀掉玻璃，从而形成正方形或矩形的微结构柱状体，但是现在应当理解，可以沿着两组或更多组平行线，从玻璃基板烧蚀掉玻璃而形成具有不同形状的微结构柱状体，所述多组平行线相互是非平行的取向的。例如，在一个实施方式中，可以在两组平行线的交点之间的空隙形成菱形的微结构柱状体，所述每组平行线与另一组平行线成45度取向。在另一个实施方式中，如图10所示，可以在互相成60度取向的三组平行线的交点之间的空隙处形成三角形微结构柱状体，因此，可以使用本文所述的激光烧蚀技术，在玻璃基板表面内划出多组相交的平行线的各种图案，形成各种形状和图案的微结构柱状体。
另外，尽管本文具体描述了通过沿着平行的线151、161，投射来自脉冲光束的多个激光脉冲，从而在玻璃基板中划出第一组和第二组平行线152，154，但是应当理解还可以使用使得输出光束是连续的连续波输出方式的激光系统100的激光源，在玻璃基板中划出第一组和第二组平行线152，154。例如，可以通过沿着平行线151、161将激光源的连续光束投射到玻璃基板上，并且使光束横向通过玻璃基板的表面，从而沿着平行线151、161烧蚀掉玻璃，在玻璃基板中划出第一组和第二组平行线，从而在玻璃基板内划出第一组和第二组平行线152，154。图8显示的成排的重叠点区域通常显示了连续光束沿着其通过的路径。结果是在第一组和第二组平行线152、154的交点之间的空隙处形成正方形或者矩形的微结构柱状体。可以通过调节平行线151、161的间距Pr，控制制得的微结构柱状体的边尺寸(即边的长度)。
下面来看图11A-12，图中显示了用来在玻璃基板中形成微结构的一种方法的另一个实施方式，其中来自激光源的包括多个激光脉冲的光束以辐射状图案投射到玻璃基板的表面上，沿着辐射状图案，在不连续的位置从玻璃基板上烧蚀掉玻璃，从而形成圆形微结构柱状体178。使用图1所示的系统来控制入射到玻璃基板上的激光脉冲的位置，以圆形图案将第一组的多个顺序的激光脉冲投射到玻璃基板的表面上，使得各个激光脉冲的点区域172在玻璃基板的表面上形成半径为R的第一辐射状图案170。将各个激光脉冲投射到玻璃基板的表面上，使得各个激光脉冲的各个点区域172的中心与中心点174的距离相等。因此，各个点区域172的中心以中心点174为中心，沿着半径R的圆排列。另外，各个激光脉冲172的点区域与之前的、之后的、或此二者的激光脉冲的点区域重叠。可以通过增大或减小第一辐射状图案的半径R以及/或者减小相邻的激光脉冲之间的间距(例如增大相邻的点区域之间的重叠)以及为第一辐射状图案170添加另外的激光脉冲，来增大或减小制得的微结构175的尺寸。
如图11A所示，在从玻璃基板上烧蚀玻璃之后，在第一辐射状图案170中心保留的微结构175的截面为不规则的星形的形状。为了将微结构175改进为具有圆形截面的微结构柱状体，可以以第二或之后的辐射状图案176对玻璃基板施加第二或之后的多个激光脉冲，例如如图11B所示，从而沿着第二或之后的辐射状图案176，在离散的位置处，从玻璃基板上烧蚀掉玻璃。所述第二或之后的辐射状图案176可以以同一个中心点174为中心。在一个实施方式中，第二或之后的辐射状图案176中各个激光脉冲的各个点区域173的中心通常可以位于半径为R的同一个圆上，使得各个点区域173与中心点174等距，与第一辐射状图案170的情况相同。在另一个实施方式中，第二或之后的辐射状图案176中的各个激光脉冲的各个点区域173的中心可以位于半径小于第一辐射状图案的半径R的圆上。在任一实施方式中，第二或之后的辐射状图案176可以以旋转的方式偏离第一辐射状图案，使得在没有被第一辐射状图案170中的第一的多个激光脉冲烧蚀的部分玻璃基板被第二或之后的辐射状图案176中的第二或之后的多个激光脉冲烧蚀，从而使得星形微结构175的形状改进为如图11B所示的圆形微结构柱状体178。与第一辐射状图案170的情况相同，第二或之后的辐射状图案176中的各个激光脉冲的点区域173可以与之前的、之后的或此二者的激光脉冲的点区域重叠。
现在应当理解，可以对玻璃基板施加多个激光脉冲点区域的辐射状图案，以改进圆形微结构柱状体178的形状。另外，应理解，通过采用施加激光脉冲点区域的多个辐射状图案的方法，可以在玻璃基板的表面上形成具有各种截面尺寸的圆形微结构柱状体。可以在玻璃基板的表面上重复这些方法，使得在玻璃基板的表面上可以形成圆形微结构柱状体的规则图案，如图12所示。另外，采用这些方法，可以制得一些圆形微结构柱状体，其截面尺寸小于用来形成所述微结构的激光脉冲的点区域的直径。另外，可以通过调节辐射状图案的半径、辐射状图案中脉冲的数量、辐射状图案中相邻脉冲的重叠，或者它们的各种组合，改变圆形微结构柱状体的截面尺寸。在一个实施方式中，对于在玻璃基板的表面上具有直径dSA的点区域，可以对第一和第二辐射状图案的半径R进行选择，使得制得的圆形微结构状形体的直径约小于.90*dSA，更优选约小于.75*dSA，最优选约小于0.50*dSA。
另外，使用施加多个激光脉冲点区域的辐射状图案的方法，可以形成圆形微结构柱状体，其截面尺寸大于用来形成微结构的激光脉冲的点区域的直径。这可以通过以下方式完成：选择第一和第二图案的半径R，使其大于入射在玻璃基板表面上的各个激光脉冲的点区域的直径dSA。
还应当理解，可以在玻璃基板的表面上施加另外的激光脉冲的辐射状图案，以通过烧蚀改变圆形微结构柱状体的物理特性，例如表面润湿性质等。另外，还应当理解在玻璃基板的表面上沿着辐射状图案烧蚀玻璃的工艺可以绕着不同的中心点重复多次，以形成如图12所示的圆形玻璃微结构178的规则图案。另外，如图12所示，可以在中心点175处将另外的激光脉冲投射到玻璃基板上，在各个圆形微结构柱状体178的中心形成凹穴180。
在另一个实施方式中，可以对第一辐射状图案170的半径R进行选择，使得各个激光脉冲的点区域172在中心点175处相交或者重叠。例如，在一个实施方式中，所述第一辐射状图案170的半径R可以小于第一辐射状图案中的各个点区域的半径。在此实施方式中，当第一辐射状图案170中心处的玻璃从玻璃基板的表面烧蚀掉的时候，形成了以中心点174为中心的微结构凹穴而不是圆形微结构柱状体。所述微结构凹穴的直径通常大于用来制造微结构凹穴的点区域的直径。然后可以采用以中心点174为中心并且以旋转的方式偏离第一辐射状图案的第二或之后的重叠点区域的辐射状图案进一步改进所述圆形微结构凹穴的形状。
另外，尽管本文具体描述了将激光脉冲以第一和第二辐射状图案170，176投射到玻璃基板上，以在玻璃基板中形成圆形微结构柱状体或者凹穴，但是应当理解，还可以通过使用激光源的连续波长输出形成圆形玻璃微结构。例如，可以使用图1所示的激光系统将来自激光源的连续光束投射到玻璃基板上。可以按照半径为R的辐射状图案的方式，将连续的光束投射到玻璃基板的表面上，并横向通过基板，从而在辐射状图案的中心处形成玻璃微结构。图11A所示的重叠点区域172通常显示了连续光束沿着其通过的路径。根据选定的辐射状图案的半径，所述玻璃微结构可以是圆形微结构柱状体或者圆形微结构凹穴。可以按照与第一图案重叠的第二或之后的辐射状图案的方式，将激光源的连续波输出投射到表面上，以便如上文所述改进微结构的形状和尺寸。
现在应当理解，本文显示和描述的系统和方法可以用来在玻璃基板上形成微结构，更具体来说是形成微结构的图案。尽管本发明显示和描述的具体实施例涉及将本发明的方法和系统与平坦的玻璃基板结合使用，但是应当理解，所述系统和方法可以用来在具有各种其它的形状的玻璃基材上，例如玻璃棒、玻璃管、弯曲的表面等之上形成微结构。另外，现在还应当理解，本文所述的系统和方法提供了更快更有成本效益的替代光刻法和化学蚀刻的方法，用来在玻璃基板中形成微结构，因为无需使用掩蔽或者施加其它的/另外的化学试剂。
另外，现在还应当明显地看到，使用本文所述的系统和方法在玻璃基板中形成的微结构有可能应用于微射流技术，高疏水性表面，微型凹穴阵列，微型透镜系统，生命科学细胞，微型反应器混合设计等。例如，本文所述的系统和方法可以用来制造具有微结构的玻璃基板，例如与以下方面结合使用：微射流技术，高疏水性表面，微型凹穴阵列，微型透镜系统，生命科学细胞，微型反应器混合设计等。因此，根据本文所述的系统和方法制造的玻璃基板可以用于生物应用、化学应用、药学应用、光学应用等。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是，可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下对本发明进行各种修改和变动。因此，本发明人的意图是本发明包括对本发明的修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求书和其等同项的范围之内。

Claims (20)

1.一种通过激光烧蚀在玻璃基板上形成微结构的方法，所述方法包括：
将激光源的光束投射到玻璃基板的表面上，并使得所述光束横向通过玻璃基板的表面，使得当光束横向通过玻璃基板的时候，光束的点区域在玻璃基板的表面上形成第一图案，沿着所述第一图案，从玻璃基板上烧蚀掉玻璃；以及
将激光源的光束投射到玻璃基板的表面上，并使得所述光束在玻璃基板的表面上横向通过，使得当光束横向通过玻璃基板的时候，光束的点区域在玻璃基板的表面上形成第二或之后的图案，其中所述第二或之后的图案与第一图案重叠或者相交，沿着所述第二或之后的图案，从玻璃基板上烧蚀掉玻璃，从而在玻璃基板上形成至少一个微结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一图案包括一组平行线，所述第二或之后的图案包括一组平行线，所述第一图案的该组平行线不平行于所述第二或之后的图案的该组平行线，使得在玻璃基板上形成的至少一个微结构包括在所述第一图案的该组平行线以及第二或之后的图案的该组平行线交点之间的空隙处、玻璃基板上形成的微结构柱状体的图案。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一图案的该组平行线垂直于所述第二或之后的图案的该组平行线。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述微结构柱状体的规则图案中微结构柱状体所需的尺寸，对所述第一图案的该组平行线的间距以及第二或之后的图案的该组平行线的间距进行选择。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一图案包括以中心点为中心的辐射状图案，所述第二或之后的图案包括以该中心点为中心的与第一图案重叠的辐射状图案，使得至少一个微结构是以所述中心点为中心的圆形微结构柱状体或者圆形微结构凹穴。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光源的光束包括多个激光脉冲，所述第一图案包括第一的多个激光脉冲，所述第一的多个激光脉冲中各个激光脉冲的点区域与之前、之后、或此二者的激光脉冲的点区域重叠；
所述第二或之后的图案包括第二或之后的多个激光脉冲，其中第二或之后的激光脉冲图案中的各个激光脉冲的点区域与之前、之后或此二者的激光脉冲的点区域重叠。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一图案包括重叠的点区域的线性图案，所述第二或之后的图案包括重叠的点区域的线性图案，所述第二或之后的图案的线性图案基本上与第一图案平行和重叠，使得玻璃基板上形成的至少一个微结构是多个锥形的微结构凹穴，所述多个锥形的微结构凹穴中的各个锥形的微结构凹穴具有开口，所述开口的直径小于第一图案中激光脉冲的点区域的直径、第二图案中激光脉冲的点区域的直径、或者同时小于此二者。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一图案包括一组平行线，该组平行线中的各条线包括一排重叠的点区域，所述第二或之后的图案包括一组平行线，该组平行线中的各条线包括一排重叠的点区域，所述第一图案的该组平行线与所述第二或之后的图案的该组平行线不平行，使得在玻璃基板上形成的至少一个微结构包括在所述第一图案的该组平行线和第二或之后的图案的该组平行线的交点之间的间隙处、在玻璃基板上形成的微结构柱状体的规则图案。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一图案的该组平行线垂直于所述第二或之后的图案的该组平行线。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，根据所述微结构柱状体的规则图案中微结构柱状体所需的尺寸，对所述第一图案的该组平行线的间距以及第二或之后的图案的该组平行线的间距进行选择。
11.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一图案包括以中心点为中心的重叠的点区域的辐射状图案，使得所述第一辐射状图案中的各个点区域的中心与中心点等距离，所述第二或之后的图案包括以所述中心点为中心的重叠的点区域的辐射状图案，使得所述第二或之后的辐射状图案中的各个点区域的中心与所述中心点等距离，所述第二或之后的图案以旋转的方式偏离第一图案，使得至少一个第二图案中的各个点区域不与第一图案中的点区域同心，从而形成以所述中心点为中心的位于玻璃基板上的圆形微结构柱状体或者圆形微结构凹穴。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，对第一辐射状图案的半径以及第二或之后的辐射状图案的半径进行选择，使得所述微结构是圆形微结构柱形状。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，对第一辐射状图案的半径以及第二或之后的辐射状图案的半径进行选择，使得所述微结构是圆形微结构凹穴。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，使所述第二或之后的辐射状图案偏离所述第一辐射状图案，使得第二或之后的辐射状图案中的各个激光脉冲的各个点区域不与所述第一辐射状图案中的激光脉冲的点区域同心。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用包括激光源、光束操纵机构和透镜系统的激光系统将激光源的光束投射到玻璃基板的表面上，将来自激光源的光束射入所述光束操纵机构中，所述机构使光束改方向，使其射到玻璃基板的表面上，并进入透镜系统，所述透镜系统将光束聚焦在玻璃基板的表面上，所述光束操纵机构与透镜系统结合使用，以在玻璃基板的表面上确定激光脉冲的位置。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述光束操纵机构包括至少一个检流计反射镜，用来使光束改方向，所述激光源包括CO2激光器，所述透镜系统包括F-θ透镜。
17.一种用来在玻璃基板内形成微结构凹穴的方法，所述方法包括：
将第一激光脉冲投射到玻璃基板上，从而在玻璃基板中形成具有锥形结构的第一微结构凹穴，其中所述第一激光脉冲在所述基板的表面上具有第一点区域；
将具有第二点区域的第二激光脉冲投射到玻璃基板上，使得第二点区域与第一点区域重叠，从而在玻璃基板中形成具有锥形结构的第二微结构凹穴，其中所述第二点区域基本上与基板表面上的第一点区域相同，第二点区域与第一点区域重叠，第一微结构凹穴和第二微结构凹穴之间的一部分侧壁被烧蚀，使得该部分侧壁烧蚀之后，第一凹穴的开口的直径和第二凹穴的开口的直径小于第一点区域的直径和/或第二点区域的直径。
18.如权利要求17所述的方法，该方法还包括将多个激光脉冲投射到玻璃基板的表面上，使得多个激光脉冲中的各个激光脉冲的点区域与之前的、之后的、或此二者的激光脉冲的点区域重叠，其特征在于，所述至少一个激光脉冲的至少一个点区域与所述第一点区域或第二点区域中的至少一个重叠，从而在玻璃基板中形成具有锥形结构的多个微结构凹穴，所述多个激光脉冲中的各个激光脉冲的点区域基本上与基板表面上的第一点区域、第二点区域、或此二者相同，所述多个微结构凹穴中的各个微结构凹穴的开口的直径小于第一点区域的直径。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述多个激光脉冲以平行的排的方式投射到玻璃基板上，使得一排激光脉冲中的各个激光脉冲的点区域与该排中之前的、该排中之后的、或此二者的激光脉冲的点区域重叠。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述相邻的平行的成排的激光脉冲发生重叠，其特征在于，所述相邻的平行的成排的激光脉冲发生偏离，使得一个平行排内的各个激光脉冲的中心点设置在相邻的平行排中的两个顺序的激光脉冲的中心之间，从而在玻璃基板上形成微结构凹穴的蜂窝图案。
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