CN103492139A - 在电绝缘或半导电的衬底中生成孔或凹进或井的方法 - Google Patents

在电绝缘或半导电的衬底中生成孔或凹进或井的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在电绝缘的或半导电的衬底中生成孔或凹进或井或其阵列的方法。本发明也涉及由所述方法在衬底中生成的孔或井或凹进的阵列。本发明同样涉及用于执行根据本发明的所述方法的装置。

Description

在电绝缘或半导电的衬底中生成孔或凹进或井的方法
技术领域
本发明涉及在电绝缘或半导电的衬底中生成孔或凹进或井或其阵列的方法。本发明同样涉及由所述方法在衬底中生成的孔或井或凹进的阵列。本发明同样涉及用于执行根据本发明的方法的装置。
背景技术
WO2005/097439和WO2009/059786公开了一种采用将电压施加到衬底而在衬底中生成各种结构的方法。这些早期应用中的孔，当以阵列形式存在时，典型地需要在相邻孔之间具有大距离（典型地，距离>1毫米），以避免在生产无绝缘层的阵列期间出现闪络。WO2011/038788和WO2010/063462公开了采用将电压施加到衬底而在衬底中生成各种结构的方法，所述方法允许制造具有小间距（典型地，间距<1毫米）的孔的阵列。由于必须将高电压电容器再充电到开孔所需的能量，因此这些方法在用于生产多个孔的速度方面受到限制。这些专利申请在利用其能够执行的质量和可靠性方面也具有局限性。
因此，现有技术中需要提供改进的方法，以允许在衬底中生成高质量的孔及其致密阵列，并且显著地改善表面质量以及孔参数的可控性。
因此，本发明的目的是提供用于生产孔的装置和方法，具有孔形状以及在孔及孔周围处的表面质量的较好的可控性。同样，本发明的目的是提供一种较快且能量更有效的方法。本发明的目的同样是提供这样一种方法，所述方法易于执行并且能够适合于大规模生产这种穿孔的衬底。
发明内容
本发明的目的通过在电绝缘或者半导电的衬底中生成孔或凹进或井或其连续的线状结构或阵列的方法得以解决，所述方法包括如下步骤：
a)提供室温下为电绝缘或半导电的衬底，并将所述衬底放置在两个电极之间；
b)通过使用热源加热所述衬底的一定体积的材料而使所述一定体积的材料熔化，所述一定体积的材料从所述衬底的第一表面全部或局部延伸到所述衬底的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相反，
c)通过使用两个电极在所述衬底两端施加用户定义了幅度的电压而去除由步骤b）所产生的熔化的一定体积的材料，所述两个电极连接到用户控制的电压源、并且被放置成离所述衬底具有一段距离且位于所述衬底的相反侧面上，从而将限定量的电能施加到所述衬底，并且从所述衬底耗散所述电能，
其中，耗散所施加的电能的速率受控于至少一个电流和/或功率调制元件，所述至少一个电流和/或功率调制元件为所述电压源和这些电极之间的电连接部的一部分，其中，所述电流和/或功率调制元件为电阻器、电容器或电感器或者前述的任意组合，附带条件是如果仅有一个电流和/或功率调制元件，则其不是欧姆电阻器。
在一个实施例中，使用装置来执行所述方法，所述装置包括：
第一电极和第二电极，
开关，
可选的AC电压源，
DC电压源，
定时和控制单元，
衬底保持部件，以及
激光器，
所述第一电极为地电极或参比电极，所述第二电极为用于向所述衬底施加电压的电压电极，这些电极位于所述衬底的相反侧面上，所述第二电极被连接到所述开关，所述开关被连接到所述AC电压源和所述DC电压源；所述AC电压源、所述DC电压源以及所述开关被连接到所述定时和控制单元。
在一个实施例中，所述至少一个电流和/或功率调制元件位于所述开关和所述DC电压源之间的电连接部中，或者位于所述第二电极和所述开关之间的电连接部中，或者位于所述第一电极和地之间的电连接部中，或者是所述DC电压源的固有部分，或者是所述开关的一部分，或者如果存在多于一个的电流和/或功率调制元件，则是前述的任意组合。
在一个实施例中，存在多于一个的电流和/或功率调制元件，各自独立地选自电阻器、电容器和电感器。
在一个实施例中，存在两个电流和功率调制元件的组合，并且所述组合为电阻器和电容器的组合，或者为电阻器和电感器的组合，或者为电容器和电感器的组合。
在一个实施例中，存在三个或更多个电流和/或功率调制元件的组合，并且所述组合为零、一个或更多个电阻器、零、一个或更多个电容器以及零、一个或更多个电感器的组合。
在一个实施例中，所述热源为激光器，优选地，为以上限定的所述装置的所述激光器或者加热元件或加热板，热源被连接到所述定时和控制单元，并且如果所述衬底被所述衬底保持部件保持，则所述热源能够在限定的位置处加热衬底。
在一个实施例中，如果所述电流和/或功率调制元件是电阻器，则具有的电阻处于0.01欧姆～1M欧姆的范围内，优选1欧姆～100k欧姆，更优选1欧姆～10k欧姆，而如果是电容器，则具有的电容处于0.1pF～100nF的范围内，优选1pF～10nF，更优选1pF～1nF，而如果是电感器，则具有的电感处于0.1μH～10mH的范围内，优选1μH～1mH，更优选1μH～500μH。
在一个实施例中，使用一个或多个所述电流和/或功率调制元件来限定和/或控制孔或凹进或井的形状和/或几何结构。
本发明的目的也通过用于执行根据本发明的方法的装置得以实现，所述装置为如上限定的。
图1A示出了用于在衬底中生成结构的基本设置的一个实施例。待处理的衬底被放置在两个电极之间，并且衬底材料的体积被热源熔化，热源典型地为激光器或高频（HF）发生器或所述热源的组合。通过使用两个电极将DC电压脉冲施加到衬底上而去除熔化的材料，两个电极被连接到电压源并且放置成离衬底具有一定距离且位于衬底的相反（或相背）侧面上。
术语“AC电压源”指能够生成AC电压优选为高频电压的电压源。如本文所用的，术语“AC电压源”用于和如“高频发生器”、“HF发生器”以及“HF HV电源”（HF=高频率；HV=高电压）的表述同义并且可互换。
包括高频发生器（如果有的话）、DC高电压源、开关、电极、电子元件和连接器的电路的特性和设计，对于快速且能量有效的加工过程、其可控性以及所钻的孔的质量是重要的。由于所使用组件的固有电特性（例如，电线的自感、电感器的内部电容、连接器的阻抗等）以及寄生效应，整个电路可能处于并非用户定义的或者例如在其阻抗和共振频率方面根本没有良好地定义的状态。这对于微秒范围的短暂处理时间变得甚至更为如此，或者变得甚至低于这样一种情况，其中短的DC放电类似于高频率AC输入地激励系统，这是因为电气系统的特性和响应是频率相关的。这种没有良好适应的条件的结果是孔的质量不够好并且缺乏重复性。
为了确保可靠的处理性能和结果，电路的特性（例如，阻抗、共振频率、电流波形、传递函数）必须适合于所需的孔特性以及所使用的过程参数。这能够通过以最简单的方式例如通过添加或改变电阻和电抗元件来改变电路而实现。
在一个实施例中，在DC电路中，在电容器CDC（被充电到高电压U）和衬底S之间串联地添加电阻器R（在图1中，X=R）将(1.)调制通过衬底的电压降Us，Us=U/(1+R/RS)，其中，RS为衬底的电阻（时间相关的），(2.)限制通过衬底的峰电流，I=U/(R+RS)，(3.)当改变DC放电的特征时间常数τR=(R+RS)CDC时，调制DC放电的时间行为。
导致高电流幅度以及短放电时间的小R典型地致使被排出的材料更多以及较大的孔直径。通常，随着R的增加，放电衰减越来越多，从而当超过R的某个限制（取决于衬底材料和厚度）时，将不再形成开孔，这是因为在衬底中耗散的电功率变得太小而不能排出足够的材料。取而代之，能够以此方式生成盲孔或井，此时仅一小部分熔化的材料被排出。电路中的电阻器将能量转换为热量，这对于实际的钻孔过程而言为损耗，并因此降低了处理效率。
在一个实施例中，代替电阻器，能够使用电抗组件，例如电感器L（在图1中，X=L），其优点是能量不被转化为热量，而是临时储存在由流经电感器的电流建立的磁场中并且随后反馈回电路内。因此整个过程使能量更加有效，并且能够使用较小的输入能量CDCU2/2驱动过程。这允许降低致使CDC的再充电时间较短的电容CDC或电压U，并因此导致接续钻孔的较快重复速率。电感L引入了另一个时间常数τL=L/RS（通常，电阻器和电感器的串联组合生成时间常数τL=L/(RS+R)），该时间常数描述了流经L和衬底的电流以及在L两端和衬底两端的电压降的指数上升和下降。这导致（仅与电路中的R对比）在放电开始时经由衬底的电流增加相当缓慢（图2A，B）。当放电电流开始降低时，临时储存在电感器的磁场中的能量将被释放，并且抵消了导致相当缓慢的电流衰减（其时间常数为τL+τR）的电流降低，在这样的条件下钻的孔在其内部被更好地构造（图3A），并且在孔周围的表面上产生了更多的堆积材料（图4A）。这些结构的尺寸和形状能够通过调整L而进行调整，以例如在较厚的丝状（filamentous）轮缘（图4A）或小轮缘（图4B）方面在孔周围获得限定的结构。利用特别适合的L获得了具有非常光滑的内表面的孔，并且几乎没有材料堆积在孔入口周围的表面上（图4C）。当电感比电路寄生电感小得多时，所述寄生电感限定了处理特性。当寄生电感为高度可变时，它能够导致不受控制的处理性能以及孔特性和形状的巨大变化。
若干电抗和/或电阻组件的组合允许电路的进一步调制或调整。例如，具有在电路中跨接地设置的并联电容器C的电感器L形成DC电路中的并联共振子电路，其共振频率ω＝(LC)-1/2。当高电压电容器CDC放电时，该子电路开始振荡并且调制流经衬底的电流。电流上的这种AC振荡允许精细调整孔的质量，特别是钻孔，而无任何材料堆积在孔入口处（图5）。
通常，电感器、电容器和电阻器或者甚至多于一个的每种组件的任意组合都能够用于适当地调整处理性能。所述组件或其组合可以被放置在DC电路中的不同位置（图1B），或者它们甚至可以是DC电源的集成部分或开关的一部分。例如，当开关闭合时，开关（例如，触发的火花隙）本身能够具有某个限定的阻抗，这对处理可能有利或者不利，从而它必须通过例如阻抗匹配进行补偿。如果作为热源的并具有在输出上的某个电感的、在高频操作（“HF发生器”）的AC电压源经由耦合电容器CC而被耦接到系统（图1B），则它将同样形成共振子电路，该子电路不是DC电路的集成部分，但能够调制经由DC电路和衬底的电流（甚至当HF功率输出被关闭时，这典型地是当DC电压被切换到电极时的情况）。因此，调整HF发生器的CC或特性开创了另一种方式，以间接地使DC电路的行为适应目标孔质量。
当高电压电容器CDC被放电时，流经电路和衬底的峰电流能够典型地达到几个安培的数值。这种高电流能够引发额外的效应，例如，电感器的芯（典型地，一种铁磁材料）可能磁饱和。当到达饱和时，电感下降且电流进一步增加导致非线性操作。能够采用限定的非线性来控制孔质量。如果优选线性操作，则必须使用具有高于最大放电电流的饱和电流的电气元件，或者不饱和的材料，作为例如空芯。图6示出了用线绕制的空芯电感器获得的孔质量，并且表明与图4C的结果具有明显差别，在图4C中使用了Superflux铁氧体芯电感器，但具有相同的额定电感值L=5μH。
通过设计所使用的组件同样能够调整电性能。例如，电感器的配线类型（电线的直径、绕组间的距离、绝缘材料的特性）由于频率相关的表面效应和邻近效应能够引起显著的自身电阻，后者同样能够引起取决于频率的电感。如果利用高于电感器的自身共振频率的频率振荡来调制流经DC电路的电流，则对于这些较高的频率，电感器的阻抗变成类电容性的，这可能引起不期望的寄生效应。
发明人已然惊奇地发现了通过在电路中使用电流和/或功率调制元件来执行这种方法，能够实现改善的钻孔质量和钻孔方法的过程控制。这种电流和/或功率调制元件可以是电阻器和电感器或电容器以及前述的组合。在用于执行根据本发明的所述方法的电路中，如果电流和/或功率调制元件为单一实体，即如果仅有一个电流和/或功率调制元件，则它不是欧姆电阻器。
前述的组合，例如电感器和电容器，同样能够被用作电流和/或功率调制元件。这种组合可以通过带有并联电容器的电感器组成，所述并联电容器被放置在电路中并且形成了具有共振频率的并联共振子电路。当DC电压源（典型地包括高电压电容器）放电时，这种子电路开始振荡，并且这种振荡调制流经衬底的电流。这种振荡能够用于精细调整孔质量。
在一个实施例中，步骤b）的所述体积具有圆柱形的形状或柱状的形状或圆锥形的形状，并且其中，所述体积从所述第一表面延伸贯穿所述衬底至所述第二表面，并且具有的长度为所述衬底的厚度。在另一个实施例中，步骤b）的所述体积具有圆柱形的形状或柱状的形状或圆锥形的形状，并且不完全从所述第一表面延伸至所述第二表面，并且其中，步骤c）生成了盲孔、凹进或井。术语“圆柱形的”形状意味着也包括如下那些形状，其中这种圆柱体的横截面不是完美的圆，而是椭圆或者其它圆形的形状。
在一个实施例中，在步骤c）中施加的所述电压为恒定的或者单极电压。
在一个实施例中，通过施加处于1kV～250kV范围内的DC电压而施加所述电压。这种电压可以例如使用连接有电极的DC电源而被施加。
在一个实施例中，所述电压被施加的时间段处于1纳秒～10秒的范围内，优选10纳秒～8000毫秒，更优选100纳秒～1000毫秒。
在一个实施例中，对于全部或部分的步骤c）叠加所述电压，交流（AC）电压具有的频率>10kHz，优选>100kHz，并且更优选≥1MHz。
在一个实施例中，所述热源选自一个激光器或若干激光器、能够以高频率提供AC电压的装置，诸如高频高压（HF HV）源或者AC电源、特斯拉变压器、加热元件，诸如电热丝、加热电极、气体火焰或者这些热源的组合。能够以高频率提供AC电压的装置为能够在衬底中引起介电损耗或者能够对衬底引起电弧形成的装置，并且如果这种AC电压以高频率施加到所述衬底，则可能贯穿衬底。“高频高电压源”为以高频率提供高AC电压的电压源。如本文所用的，术语“高电压”指电压幅度处于100V～100kV的范围。如本文所用的，术语“高频率”指频率处于10kHz～1GHz的范围。
在一个实施例中，所述热源为激光器。
当热源为激光器时，优选所述激光器具有的功率为1～10000W，并且在步骤b）期间，以适合于材料特性诸如熔点和厚度的功率被操作，这可能有必要将激光器功率降低至例如≥60%。与WO2005/097439的方法相比，优选操作所述激光器，从而在步骤c）开启之前显著量的材料或者甚至材料的整个体积被熔化。
在一个实施例中，所述激光器发射光，当光照射到所述衬底上时能够穿透所述衬底材料，并且当光照射到所述衬底上时，光不在所述衬底的表面处全部被吸收或者反射，而是也进入到所述表面下方的衬底区域中。
在一个实施例中，两个激光束用于加热和熔化。两个光束指向衬底的相反侧面和待熔化且要被去除的体积。
在一个实施例中，所述激光器发射光，当光照射到所述衬底上时，这些光全部或几乎全部（>90%）在衬底表面处被吸收，并且其中，所述材料的体积通过内部热传导被加热。
在另一个实施例中，所述激光器发射光，当光照射到所述衬底上时，不全部在所述衬底的表面处被吸收，以便同样在衬底内加热。
在又一个实施例中，所述激光器发射光，当光照射到所述衬底上时，仅在所述衬底的表面处被微弱地吸收，优选<10%，其中，该微弱吸收允许贯穿衬底的厚度均匀地加热衬底。
在一个实施例中，当所述激光器发射光至表面上时，具有的焦点直径处于1微米～15000微米的范围内，优选1微米～10000微米，更优选2微米～500微米的范围（1微米=1x10-6米）。
在一个实施例中，在步骤b）期间，所述激光器照射所述衬底的所述材料的体积的时间段为1微秒～10秒，优选1微秒～5000毫秒，更优选1微秒～3000毫秒，甚至更优选1微秒～1000毫秒，并且甚至更优选1微秒～300毫秒。
在一个实施例中，所述热源为能够以高频率提供高AC电压的装置，例如高频高压源（HF-HV电源），并且通过将高频高压（AC）施加到衬底而执行步骤b），所述高频高压优选使用在步骤c）中使用的电极来施加。在一个实施例中，所述高频高压具有的幅度处于100V～100kV的范围内，优选150V～50kV，更优选150V～25kV，并且所述高频高压具有的频率处于10kHz～1GHz的范围，优选50kHz～100MHz，更优选100kHz～50MHz，并且所述高频高压被施加的时间段为1微秒～5秒，优选1微秒～1秒，更优选50微秒～500毫秒，甚至更优选5微秒～100毫秒。在这样一个实施例中，由于在衬底中的电弧形成和/或介电损耗而可能发生衬底熔化。在一个实施例中，步骤b）包括第一子步骤b1）和第二子步骤b2），其中在子步骤b2）中，如上所述，所述高频高压通过衬底被施加至所述衬底的一区域处，其中，在子步骤b1）中，通过预加热所述区域例如通过将激光脉冲施加到所述区域而限定所述区域。激光脉冲具有限定所述区域的焦点。在一个实施例中，所述预加热发生的时间段为1微秒～100毫秒，优选1微秒～10毫秒。在一个实施例中，子步骤b1）和b2）重叠1微秒～100毫秒，优选1微秒～50毫秒，并且更优选5微秒～10毫秒。在一个实施例中，步骤c）包括第一子步骤c1）和第二子步骤c2），其中，在子步骤c2）中，如上所述，所述DC电压在所述衬底的区域处被施加到衬底，并且其中，在子步骤c1）中，通过将激光脉冲施加到所述区域而限定所述区域。在一个实施例中，在子步骤c1）中所施加的激光脉冲被施加到先前在子步骤b1）中限定的相同区域，例如同样通过施加激光脉冲。在一个实施例中，在子步骤b1）后立即执行子步骤c1），或者在子步骤b1）结束后1微秒～5000毫秒的时间间隔范围，优选1微秒～1000毫秒，更优选1微秒～300毫秒，执行子步骤c1）。在一个实施例中，当检测到衬底上的电流增加、衬底上的电压幅度降低、高频高压源的输出电流增加、高频高压源的输入电流增加、高频高压源的输出电压降低或者由高频高压源发射的高频电场改变（降低）时，启动子步骤c）。这种检测能够例如通过测量在高频高压源处的适当参数容易地实现。在一个实施例中，在所述检测后立即执行子步骤c），或者与所述检测的时间间隔处于1微秒～5000毫秒的范围，优选1微秒～1000毫秒，更优选1微秒～300毫秒，执行子步骤c）。通过使用定时和控制单元能够实现各个步骤和子步骤的定时。
在一个实施例中，在步骤b）开始后的时间间隔t时开启步骤c），该时间间隔处于0毫秒～10秒的范围内，优选1微秒～5000毫秒，更优选1微秒～3000毫秒。
然而，应当注意，对于厚度≥500微米的衬底，优选t≠0毫秒，并且甚至更加优选步骤c）仅在步骤b）运行显著量的时间诸如大于其总时间的10%后开启，或者甚至在步骤b）完成之后才开启，优选在显著量的材料或材料的整个体积被熔化后才开启。
在一个实施例中，在步骤c）中由通过所述电压施加的静电力而发生熔化的材料的体积的去除。
在一个实施例中，通过在衬底中建立的内部压力、通过场诱导的焦耳加热而发生或支持熔化的材料的所述去除。
在一个实施例中，当在衬底上施加高频率（HF）高电压（HV）时实现加热和熔化，优选使用还用于去除材料的DC电压的施加的电极。在这些条件下形成的电弧能够熔化相应的体积。
在一个有关的实施例中，该HF电压的频率、电压和持续时间决定了熔化区域的直径。适当的频率介于10kHz～1GHz之间，优选50kHz～100MHz，更优选100kHz～50MHz。电压优选介于100V～100kV之间，更优选150V～50kV，并且更优选150V～25kV。施加时间优选介于1微秒～1000毫秒之间，更优选1微秒～500毫秒，并且更优选5微秒～100毫秒。
在一个典型的实施例中，通过预加热并且可选地在该区域生成等离子体而使HF-HV放电即电弧指向衬底上感兴趣的区域。典型地，激光器用于这种预热，诸如激光器（例如，10～250W CO2）对点加热0.001～100毫秒，优选0.001～10毫秒。
在一个实施例中，预热激光脉冲和HF-HV施加重叠0.001～100毫秒，优选0.001～50毫秒，更优选0.005～10毫秒。这种重叠提供了相邻孔之间的小间距，诸如对于在170微米厚的无碱玻璃中的40微米的孔，间距为0.07毫米。
在一个实施例中，激光器用于（1）引导HF–HV放电/电弧以及（2）DC HV放电；这能够以这样一种方式被定时，使得具有两个独立的激光脉冲，或者能够被组合在一个单激光脉冲中，重叠了HF-HV放电和DC HV放电的开始。
在一个实施例中，根据本发明的方法包括：
提供室温下为电绝缘或半导电的衬底，
b1）使用热源诸如激光器预加热将要形成孔的所述衬底的区域，可选地使用所述热源熔化所述区域的材料的体积，
b2）可选地将高频高压施加到所述区域，从而熔化所述区域的材料的体积，
c1）可选地将激光脉冲施加到所述区域，并且
c2）将DC电压施加到所述区域，从而从所述衬底去除熔化的材料的体积。
在一个实施例中，在步骤b1）、b2）、c1）和c2）之间有重叠地执行这些步骤，附带条件是步骤b1）首先被启动，并且步骤c2）最后被启动。
在一个实施例中，通过分析HF发生器特性，诸如电流耗散（例如，电流突然增加）、输出电流和/或电压、频率、相位关系或者由高频高压源发射的高频电场的改变（降低），来检测遍及整个衬底的熔化的开始。该信号用于触发DC HV的施加（步骤c）或者可选地首先触发激光脉冲（步骤c1）并且随后是DC HV（步骤c2）。触发可以紧接在延伸通过整个衬底厚度的熔化区域的检测之后发生，或者以预设的延迟发生，所述延迟能够被设定成处于0～1000毫秒之间，优选0～100毫秒。
典型的实施例提供了通过单个电极对施加DC HV（DC高电压）以及HF HV的部件，电极对由连接到地或者任何其它适当的电压参照点的一个电极以及连接到开关的另一个电极组成，所述开关将DC HV或HF HV（高频高压）或者由HF HV叠加的DC HV路由到所述电极。以高频率和高电压工作使得这种开关难以设计。一个可能的实施例由直接连接到HF-HV电源或者通过小（0.1～10000pF）电容器连接到电极的电压电极以及通过触发的火花隙（典型地，100V～30kV）串联连接至电极的DC高电压组成。另一个可能的实施例由直接连接到HF-HV电源或者通过小（0.1～10000pF）电容器连接到电极的电压电极以及通过继电器（例如>10kV的舌簧继电器）和火花隙（典型地处于500～25000V的范围，优选1000～10000V）串联连接到电极的DC高电压组成。火花隙主要用于隔离并且安装电极的目的，以避免HF HV电源寄生放电到周围的部分以及经继电器放电进入DC HV电源。
在用于避免从衬底去除的材料过度沉积到其表面上的典型实施例中，在形成孔期间，利用气流吹走被排出的材料。为避免衬底过度冷却并因此形成龟裂，可以将气流加热至高达几百度，诸如空气被加热到100～800℃。
在为避免形成孔期间特别是形成致密的孔阵列期间机械张力过大而发明的实施例中，参比/地电极由另一热源诸如加热丝形成或者被其围绕，热源将衬底加热至明显高于室温的温度，对于玻璃优选50～700℃，更优选100～500℃。
在一个实施例中，所述衬底由电绝缘材料制成，所述材料选自玻璃、石英、钻石、氧化铝、蓝宝石、氮化铝、氧化锆和尖晶石，或者由半导电材料制成，所述材料选自包括掺杂硅和晶体硅的元素硅、锗以及复合半导体，诸如砷化镓和磷化铟。
在一个实施例中，通过定时器-继电器或者两个独立的定时器-继电器确定并且由用户控制在步骤b）中所述加热的持续时间以及在步骤c）中施加电压的持续时间，彼此独立地控制每个所述持续时间，或者二者均被触发装置控制，当达到某些处理条件时，诸如指定的衬底电流或温度或者衬底电流或温度阈值，所述触发装置触发即关闭或者调制热源和电压。在一个实施例中，在步骤c）中形成孔或凹进或井后不完全关闭热源，而是降低热源的加热作用以调制衬底的被动冷却行为，从而控制/防止在衬底中形成热应力。
在一个实施例中，在执行步骤c）之前、期间和/或之后，将加热到100℃～800℃的温度范围内的气流引导至衬底的将在那里执行步骤c）的区域处。这种温度控制的气流一方面用于从衬底表面去除在孔形成期间被排出的材料，而另一方面有助于避免衬底中的热应力。在一个实施例中，电极之一诸如地电极或参比电极由第二热源诸如加热丝形成或者被其围绕，该第二热源加热并将衬底保持在处于50℃～900℃范围内的温度，优选50℃～700℃，并且更优选100℃～500℃。在优选的实施例中，这种第二热源加热并将衬底保持在处于以上提到的范围内的恒定温度。
在一个实施例中，所述电压源具有的源阻抗为从0至≤100MΩ，优选<10M欧姆，并且甚至更优选<1000k欧姆。
在一个实施例中，所述电极被连接到电容器，所述电容器具有的电容为1～200000pF并被连接到所述DC电压源。
在一个实施例中，所述衬底具有的厚度为0.05毫米～10毫米，优选均匀厚度为0.05毫米～7毫米。
如本文所用的，“厚”衬底为具有的优选均匀厚度为≥150微米的衬底。
在一个实施例中，每个所述电极被放置在离所述衬底0.1毫米～25毫米处。
在一个实施例中，在步骤b）和/或步骤c）期间或者在步骤c）后，将所述衬底相对于所述电极和所述热源例如激光器移动优选限定的距离。这允许延伸孔/凹进/井结构以便例如生成衬底中的线，并且也允许弱化或者甚至切开所述衬底。也允许形成阵列。这种相对移动能够在所述衬底中生成连续的线状结构。如本文所用的，术语“连续的线状结构”可以指线状的凹进结构，诸如沿着衬底表面的通道，或者这种术语也可以指衬底中的切口。这在很大程度上取决于步骤b）期间加热/熔化的深度。
在一个实施例中，在形成孔后，即在步骤c）之后，将所述衬底相对于所述电极和所述热源例如激光器移动优选限定的距离。这对于生成孔或凹进或盲孔的阵列是特别有用的。
在一个实施例中，在孔形成期间，即在步骤b）和步骤c）期间，将所述衬底相对于所述电极和所述热源例如激光器移动优选限定的距离。这对于快速处理是特别有用的，即在阵列内钻孔的短重复时间。
相对于所述电极和热源的衬底的移动因此也可以被用于生成孔阵列。在这种情况下，将步骤b）和c）重复多次，且重复次数与形成的孔数量相同。在该实施例中，在步骤c）后将衬底移动限定的距离，并且再次重复步骤b）和c），以生成下一个孔或凹进或井或盲孔。如果步骤b）和c）被重复n次，并且将衬底同样移动限定的距离n次，这将生成n+1个孔的阵列。取决于移动方向能够形成一维或者二维阵列。
本发明的目的也通过由根据本发明的方法生成的在衬底中的孔或凹进或井或线状结构得以解决。
本发明的目的同样通过由根据本发明的方法生成的在衬底中的孔或凹进或井或连续的线状结构的阵列得以解决，其中，所述孔或凹进或井之间的距离<3毫米，优选<1.2毫米，更优选<500微米，甚至更优选<300微米，并且甚至更优选<100微米。使用根据本发明的方法以相当高的速度生成这种阵列变得可行而且可能，形成单个孔并且移动到下一个位置的平均持续时间处于0.1毫秒～约10毫秒的范围内。间距，即在这种阵列中孔之间的距离，能够被制作得惊人地小，而不存在使电弧形成通过已经形成的孔发生的风险。使用根据本发明的方法，制造几千个至几十万个孔的阵列因此变为可能。
本发明的目的同样通过用于执行根据本发明方法的装置得以实现，所述装置包括第一电极和第二电极、开关、高频高压源、DC电源、定时和控制单元以及衬底保持部件，所述第一电极为地电极或参比电极，所述第二电极为将电压施加到所述衬底的电压电极，这些电极位于所述衬底保持部件的相反侧面上，所述第二电极被连接到所述开关，所述开关被连接到所述高频高压源和所述DC电源，所述高频高压源、所述DC电源、所述开关和所述第一电极被连接到所述定时和控制单元。
在一个实施例中，所述开关将DC电压或DC电压以及高频率AC电压路由至所述电极，并且包括用于将所述第二电极直接或者经过电容器连接至所述高频高压源的连接，并且包括用于将所述第二电极通过触发的火花隙或者通过串联的继电器和火花隙连接至所述DC电源的连接。
在一个实施例中，根据本发明的装置另外包括热源，优选激光器或加热丝或加热板，所述热源被连接到所述定时和控制单元，并且如果所述衬底被所述衬底保持部件保持，则所述热源能够在限定的位置加热衬底。
在一个实施例中，根据本发明的装置另外包括将加热的气流引导至衬底的部件，如果有的话。
在一个实施例中，所述参比电极被另一个热源围绕或者形成另一个热源，诸如加热丝，如果存在，所述热源将整个衬底或其部分加热至限定的温度或限定的温度范围，其中，所述另一个热源优选具有加热电源，并且优选通过所述加热电源而连接到所述定时和控制单元。在一个实施例中，所述另一个热源被确定尺寸，从而使其加热的衬底面积处于1mm2～1000mm2的范围。在另一个实施例中，它可以被确定尺寸，从而加热整个衬底。所述另一个热源的整个目的是防止在衬底中热应力的发展。本领域技术人员知道如何设计以及确定例如加热丝或加热板的尺寸，以加热衬底的限定区域。
如本文所用的，术语“所述衬底的材料的体积”指所述衬底的材料的大体积。在本发明的上下文中，应当注意这种体积具有的长度对应于衬底的厚度。在优选的实施例中，这种体积具有柱状形状或圆柱形的形状或圆锥形的形状，并且从该衬底的一个主要表面延伸到与之相反的所述衬底的另一个主要表面。
在另一个实施例中，所述体积并不延伸贯穿衬底，并且所述体积也能够具有圆柱形的或圆锥形的或者柱形的形状。在去除材料后得到的结构将是井或凹进或盲孔。
发明人惊奇地发现了有可能在绝缘衬底诸如玻璃、石英或者硅中生成孔或凹进或井（几微米至毫米的规模）。如果将衬底的一个区域包括衬底的表面以及表面下的大块材料熔化，则该熔化的材料能够通过施加电压而被完全去除。热能够延伸遍及衬底的整个厚度并且也包括衬底内部，并因此在给定的位置处贯穿而熔化衬底。热也可以仅在衬底内局部延伸，在这种情况下，当去除所述材料后形成了井或凹进或盲孔。
发明人惊奇地发现了能够通过使用热源例如激光器和/或HF HV诱导的电流并且随后施加电压而实现生成几微米至几毫米规模的孔/凹进以及生成这种孔/凹进的阵列。对于特定的衬底材料，本领域技术人员知道如何根据功率和类型选择哪种激光器。例如，以玻璃作为衬底时，已证明具有的功率为25W并且被聚焦到约10～500微米斑点的CO2激光器是有用的，具有其它功率同样是可能的（1W～10000W）。假定热被允许穿透衬底，则通过从热源直接加热或者通过衬底中的热传导，其它的加热部件当然也是可能的，例如，如果加热功率大部分在衬底表面上被吸收，这就如同在玻璃中使用CO2激光束的情况。
特别是对于厚衬底，直接加热整个体积加以去除是不可能的，使用激光器进行贯穿熔化看起来是不利的，并且不得不选择其它部件。发明人发现了当优选在电极之间施加高频率（例如，100kHz～50MHz）高电压（例如，100～20000V）时，实现了高效率的加热以及熔化小体积，所述电极还用于施加DC HV。施加这种高频率AC电压导致电弧形成，其中居间的衬底用作电容器的电介质。电弧的高温导致衬底局部熔化。当熔化的材料仅呈现小电阻时，在熔化的和仍然较凉的衬底材料之间的界面中出现显著的功率耗散，导致电弧/熔化的材料在样品中的快速穿透。此外，AC电压的高频率和高幅度直接导致衬底中的介电损耗以及能量耗散，并因此导致温度增加。介电损耗典型地随着温度的增加而增加，从而非常快速均匀度贯穿加热整个衬底的厚度是可能的，而不依赖于热传导。甚至厚如4毫米玻璃的衬底能够很容易在小于2秒内被贯穿熔化。对于许多需要穿透加热样品材料的激光器系统而言，不需要热传导使之高效。
随后通过施加DC HV排出熔化的材料。在一个实施例中，因此通过施加HF电压接着重叠或不重叠DC电压实现了加热。这能够例如通过使用适当的电路或开关将DC高电压源和高频率特斯拉变压器连接到电极而实现。其它可能的加热部件包括加热元件，诸如激光器、加热丝、加热电极、气体火焰。
根据本发明，使用适当的加热部件熔化如上进一步限定的材料的体积，并且之后通过施加DC高电压而将其从所述衬底去除。如果熔化衬底材料的适当体积，则电压施加的发生是重要的。“适当的”可以指贯穿衬底从一个表面延伸至相反表面的体积，或者它可以仅仅是在衬底中从一个表面延伸但不到达相反表面的体积。因此，根据衬底的厚度，加热可能花费的时间周期处于0毫秒～10秒的范围内。不希望受任何理论约束，目前相信通过在衬底中累积的静电力和压力进行对熔化的材料的体积的随后去除，对此，电压似乎贡献显著，这可能是通过焦耳加热引起的。
在使用根据本发明的方法最终生成的孔尺寸方面，孔尺寸被热源典型地是激光器和/或HF HV电源以及施加的电压确定。关于激光器，更特别的是激光器的斑点尺寸以及施加时间决定孔的尺寸。在施加的电压方面，更特别的是这种电压的电压幅度和施加时间决定孔的尺寸。电压的施加时间指单次放电的宽度，这能够通过调整DC电路的电特性（例如，阻抗）而被调整。或者指开关被关闭的时间，以便将来自DC电源的电能路由到衬底。在后面的情况下，能够发生多次放电，重复速率和电压以及电流幅度由DC电源的特性限定（例如，电容CDC的充电电流）。此外，电压源的源阻抗也影响孔尺寸。如果增加电压的施加时间，超出某个施加时间时达到饱和，则对于给定的材料和给定的电压，孔的尺寸不再增加。这最有可能是由于在某个电压施加时间后，所有熔化的材料已经被去除了。对于厚度范围为大约100微米～3毫米的玻璃衬底，这种饱和行为典型地发生在施加电压几十毫秒至几百毫秒后。
然而，在DC HV电源（=DC电源）始终提供足够的能量以便将所有熔化的材料从处理区域排出的典型条件下，对孔直径的最显著影响来自于局部的热源以及被该热源熔化的区域。因此，激光器和/或HF HV施加的时间和幅度主要决定了孔直径。
应当注意，在一些实施例中，衬底同样能够另外具有附接的附加绝缘层，所述绝缘层首先被加热，并且经由绝缘层间接加热衬底。
通过放置在衬底相反侧面上的两个电极来施加电压，所述电极在一个实施例中被连接到电容器，所述电容器接着被电压源充电。能够使用欧姆电阻器R限定源阻抗。如以上进一步概述的，源阻抗同样能够对孔尺寸具有影响，这是由于假定特定的施加时间间隔，孔直径间接地正比于源阻抗。对于一致的结果，已经显示出是有利地，提供足够的电能（CDCU2/2以及积分（U*I）dt）以排出所有的熔化的材料并且通过先前的加热步骤来限定孔直径。
使用定时器-继电器/开关或者定时和控制单元能够确定和控制步骤b）即加热/熔化步骤的持续时间。同样地，使用定时器-继电器/开关或者定时和控制单元，电压施加的持续时间也能够由用户控制。当触发事件生成时，例如一旦达到某个横过衬底的电流或衬底温度时，也可以对二者进行调制，诸如关掉，具有或不具有延迟。通过使用降低的激光/加热功率可以表征孔形成后的时间，以调制冷却过程，从而例如避免在衬底中热诱导的张力。
附图说明
此外，参照了附图，其中附图显示了以下内容：
图1（A）给出了一种基本实验设置的示例。DC高电压源以及可选地生成具有高频率的AC电压的高频源HF经由开关连接到第二电极E2，衬底S被放置在所述第二电极和用作参比或地电极的第一电极E1之间。所述衬底被聚焦的激光辐射而局部加热，并且可选地同样被施加到衬底的HF加热。当衬底材料熔化时，通过启动DC电源和电极之间的快速开关，将DC电压脉冲施加到所述电极之间，以将熔化的材料驱离所述衬底。该过程被一个或多个电流和/或功率调制元件X调制和调整，所述电流和/或功率调制元件可以是电阻器或电感器或其组合或者电阻器、电感器和电容器的组合。示出了X在DC电路中的可能位置，即从开关上方的DC电源延伸到经由衬底的电极的电路。激光、开关、HF发生器和DC电源被控制单元控制。（B）示出了可能实现的DC电路的一个示例。DC电源由被带有内部DC阻抗Ri的高电压源U0充电的电容器CDC组成。开关包含触发的火花隙TSG以及用于高频率HF的耦合电容器CC。
图2示出了在DC放电期间横过衬底的电流的电流-时间图，对于不同的条件，使用LTSpice以数字方式获得。CDC=1nF，U=5kV，衬底电阻RS=500欧姆。（A）对于利用参见图4C的相似条件获得的试验结果，R=10欧姆。（B）对于利用参见图4A的相似条件获得的试验结果，L=40μH。（C）对于利用参见图5的相似条件获得的试验结果，并联的L=5μH和50pF。（D）并联的L=5μH和330pF。
图3（A）示出了利用L=17μH获得的孔的内部结构，与（B）中利用R=10欧姆时生成的孔相对比，并且其他相同的参数为U=4.5kV，CDC=5.6nF。
图4示出了当改变DC电路中的电感值时，如何能够限定孔入口的形状。材料为170微米厚的玻璃，过程参数为U=5kV，CDC=0.9nF并且（A）L=40μH，导致孔周围具有非常明显但不对称的材料轮缘，（B）L=15μH，给出了可再现的并且非常确定的均匀轮缘，（C）L=5μH，其中仅生成了非常微小的轮缘。进一步降低L导致结果变化很大，大概是由于未控制的寄生电感变得更加显著。
图5为170微米厚的玻璃中的孔，没有任何材料堆积在孔周围的表面上。通过精细调整电路实现这种结果，在这种特殊情况下，C=50pF的电容器被并联地添加到L=5μH（如在图4C中所使用的），以调制电流波形。U=5kV，CDC=0.9nF。
图6示出了通过轴向缠绕的带有空芯的电感器获得的孔质量的差别，空芯电感器L=5μH，其中与图4C相比，显著量的材料被沉积在孔周围，其中，L=5μH的电感器为SMD封装的类型，具有WE-Superflux芯。
在说明书、权利要求书和/或附图中公开的本发明的特征单独地以及以其任意组合方式是用于以其各种形式实现本发明的素材。

Claims (10)

1.一种在电绝缘或半导电衬底中生成孔或凹进或井或其连续的线状结构或阵列的方法，包括步骤：
a）提供室温下为电绝缘或半导电的衬底，并将所述衬底放置在两个电极之间；
b）通过使用热源加热所述衬底的一定体积的材料而使所述一定体积的材料熔化，所述一定体积的材料从所述衬底的第一表面全部或局部延伸到所述衬底的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相反，
c）通过使用两个电极在所述衬底的两端施加电压而去除由步骤b）产生的熔化的材料的所述一定体积的材料，所述两个电极连接到用户控制的电压源、并且被放置成离所述衬底具有一段距离且位于所述衬底的相反侧面上，从而将限定量的电能施加到所述衬底，并且从所述衬底耗散所述电能，
其中，耗散所施加的电能的速率受控于至少一个电流和/或功率调制元件，所述至少一个电流和/或功率调制元件为所述电压源和这些电极之间的电连接部的一部分，
其中，所述电流和/或功率调制元件为电阻器、电容器或电感器、或者前述的任意组合，附带条件是如果仅有一个电流和/或功率调制元件，则其不是欧姆电阻器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法使用装置来执行，所述装置包括：
第一电极和第二电极，
开关，
可选的AC电压源，
DC电压源，
定时和控制单元，
衬底保持部件，以及
激光器；
所述第一电极为地电极或参比电极，所述第二电极为用于向所述衬底施加电压的电压电极，这些电极位于所述衬底的相反侧面上，所述第二电极被连接到所述开关，所述开关被连接到所述AC电压源和所述DC电压源；所述AC电压源、所述DC电压源以及所述开关被连接到所述定时和控制单元。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个电流和/或功率调制元件位于所述开关和所述DC电压源之间的所述电连接部中、或者位于所述第二电极和所述开关之间的所述电连接部中、或者位于所述第一电极和地之间的所述电连接部中、或者是所述DC电压源的一部分、或者是所述开关的一部分、或者如果存在多于一个的电流和/或功率调制元件则是前述的任意组合。
4.根据权利要求2-3中任一项所述的方法，其中，存在多于一个的电流和/或功率调制元件，所述电流和/或功率调制元件各自独立地选自电阻器、电容器和电感器。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，存在两个电流和功率调制元件的组合，并且所述组合为电阻器和电容器的组合，或者为电阻器和电感器的组合，或者为电容器和电感器的组合。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，存在三个或更多个电流和/或功率调制元件的组合，例如三个、四个、五个或更多个，并且所述组合为零、一个或更多个电阻器、零、一个或更多个电容器、以及零、一个或更多个电感器的组合。
7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述热源为激光器或者为加热元件或加热板，所述热源被连接到所述定时和控制单元，并且如果所述衬底由所述衬底保持部件保持，则所述热源能够在限定的位置处加热衬底。
8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，如果所述电流和/或功率调制元件是电阻器，则其具有的电阻在0.01欧姆至1M欧姆的范围内，而
如果是电容器，则其具有的电容在0.1pF至100nF的范围内，而
如果是电感器，则其具有的电感在0.1μH至10mH。
9.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，使用一个或多个所述电流和/或功率调制元件来限定和/或控制所述孔或凹进或井的形状和/或几何结构。
10.一种用于执行根据前述任一项权利要求所述的方法的装置，所述装置被限定为如权利要求2-8中任一项所述。
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