CN106132627A - 用于对脆性材料进行划割并随后进行化学蚀刻的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

通过在透明基材中形成细线可以非常快速地划割出非常细的闭合形式结构，通过干式或湿式化学蚀刻能蚀刻修改区域，以释放出所述闭合形式。金属层结合在透明基材上并被光致抗蚀剂覆盖。通过建立贯穿所述透明基材的细线，同时除去所述光致抗蚀剂的一部分和所述金属的一部分。光致抗蚀剂保护了未被移除的金属层部分。通过使用干式或湿式化学蚀刻削弱切削区域以移除所需部分，可以释放出所需的闭合形式。

Description

用于对脆性材料进行划割并随后进行化学蚀刻的方法和系统
本专利申请要求于2015年1月13日提交的美国临时专利申请62103031的权益和优先权，通过引用将2015年1月13日提交的美国临时专利申请62103031整体并入本文。
通过引用将2013年1月31日提交的美国专利申请13640140、2014年7月21日提交的美国专利申请14336912和2014年7月21日提交的美国专利申请14336819整体并入本文，如同将它们完全写入本文一样。
背景技术
本公开涉及材料的激光加工系统和方法。更具体地，本公开涉及用于将包含在所述材料上制成的无源或有源电子或电气器件的晶片、基材和平板单片化(singulation)和/或切割(cleaving)的系统和方法。
在目前的生产中，晶片或玻璃面板的单片化、切块(dicing)、划割(scribing)、切割、切削(cutting)和切面(facet)处理是非常重要的加工步骤，其通常依赖于金刚石或常规的烧蚀性或击穿性(隐形(stealth))激光的划割和切削，其速度对于例如LED、LED器件(例如照明组件)和发光器件(例如LED显示器)而言为至多30cm/sec。
在金刚石切削的过程中，在进行金刚石切削之后，机械辊施加应力以使裂纹传播，从而切割样品。该方法产生低品质的边缘、微裂纹、宽切口宽度和大量碎片，这是产品寿命、效率、品质和可靠性方面的主要缺陷，同时还引起额外的清洁和抛光步骤。运行金刚石划割器所用的去离子水的成本超过划割器的持有成本，并且由于水受到污染并需要精制(这进一步增加生产成本)，该技术并不环保。
已经开发了用于进行单片化、切块、划割、切割、切削和切面处理的激光烧蚀加工，以克服与金刚石切削相关的一些局限性。不幸的是，已知的激光加工方法存在缺点，特别是在透明材料中，例如加工速度慢、产生裂纹、烧蚀碎屑污染以及中等尺寸的切口宽度。此外，激光相互作用过程中的热传输会导致大面积区域的附带热损伤(即热影响区)。
激光烧蚀过程可以通过选择波长被介质强烈吸收的激光(例如，深UV准分子激光或远红外线CO2激光)来改善。然而，由于该物理烧蚀工艺所固有的侵蚀性相互作用，并不能消除上述缺点。这由某些LED应用中UV加工的失败所充分证实，其中损伤迫使该产业着眼于传统的划割和断裂、随后通过蚀刻来除去烧蚀性划割或金刚石划割工具所遗留的受损区域，这取决于所采用的具体的解决技术。
作为另一选择，透明介质表面上的激光烧蚀也可以通过减小激光脉冲的持续时间来改善。这对于在加工介质内部是透明的激光而言特别有利。当聚焦到透明材料上或者内部时，高激光强度诱导非线性吸收效果以提供动态不透明度，可以控制该动态不透明度来准确地将适宜的激光能量注入由焦点体积所限定的小体积材料中。相比长持续时间的激光脉冲，短持续时间的脉冲还提供若干其他优点，例如消除等离子体的产生以及等离子体反射，从而通过在这种激光脉冲的短得多的时间尺度内的小部分的热扩散以及其他热传输效应来减少附带损伤。
因此，飞秒和皮秒激光烧蚀在不透明和透明材料的加工中都提供了显著的好处。然而，在一般情况下，即使用短至数十至数百飞秒的脉冲加工透明材料，也会伴随着粗糙表面的形成、缓慢的处理以及在激光所形成的切口、孔或沟附近的微裂纹，这对于例如氧化铝(Al2O3)、玻璃、经掺杂的电介质和光学晶体等脆性材料而言特别成问题。此外，烧蚀碎片会污染附近的样品以及周边的器件和表面。近来，在日本已讨论了使用光纤激光法的多通飞秒切削。该方法受阻于需要多次通过并由此导致处理量低下。
尽管激光加工已经成功地克服了上文提及的与金刚石切削相关的许多限制，但新的材料组合物使得晶片和面板不能接受激光划割。此外，晶片上的器件和晶块(dice)的尺寸越来越小并相互靠近，这限制了金刚石和常规激光类划割的使用。例如，30μm是可行的划割宽度，而15μm对于这些常规方法来说则具有挑战性。此外，由于金刚石划割使用机械力来对基材进行划割，薄样品非常难以划割。由于在基于晶片的器件的制造中使用了越来越奇异(exotic)和复杂的材料堆叠体，由于堆叠体不透明，之前应用的激光划割技术不再能简单地发挥作用。
发明内容
描述了在透明材料中形成连续激光细线(filament)的系统和方法。所述透明材料可以选自玻璃、硼硅酸盐玻璃、琥珀玻璃、化学或热强化的玻璃、蓝宝石、LiNbO3、硅、Ti:蓝宝石、LiTaO3、透明陶瓷(包括光学陶瓷ALON)、晶棒、GaN、SiC和ZnSe。
超快速激光脉冲突发(burst)经聚焦而使得在受加工的材料外部形成光束汇聚部(waist)，这使得主焦点没有形成在材料内，同时在位于材料内的延伸区域中形成足够的能量密度以支持连续细线的形成，且不导致材料内的光学击穿。根据本方法形成的细线可以展现出超过至多10mm的长度，与修改区域的长度为1:1对应关系(这是因为，细线是修改剂，所以修改区域以1:1跟随细线的长度)，并且在横截面中沿着长轴观察时展现出无锥形的轮廓。在一些实施方式中，使用未校准或像差光学聚焦元件产生外部光束汇聚部，同时在材料内形成入射光束的分布式聚焦(延长的焦点)。描述了在透明基材内促进细线阵列的形成以进行切割/单片化和/或标记的各种系统。采用对细线的光学监测来提供反馈，从而有助于对该过程进行主动控制。
因此，在第一方面，提供了一种对透明材料进行激光加工的方法，所述方法包括：
激光源，其被配置成提供包括激光脉冲突发的激光束；
一个或多个聚焦元件，其被配置成相对于所述透明材料在外部聚焦激光束，以在所述透明材料外部的位置形成光束汇聚部，并同时避免形成外部等离子体通道；
将所述激光束和所述一个或多个聚焦元件配置成在所述透明材料内产生足够的能量密度以在其中形成连续激光细线且不导致光学击穿；
用于改变所述激光束和所述透明材料之间的相对位置的装置；
与改变所述激光束和所述透明材料之间的相对位置的所述装置操作性地连接的控制和处理单元；
所述控制和处理单元被配置成控制所述激光束和所述透明材料之间的相对位置以在所述透明材料内形成连续激光细线阵列；
所述连续激光细线阵列从所述透明材料的第一表面连续延伸至所述透明材料的第二表面；和
选择性地湿式蚀刻或干式蚀刻所述连续激光细线阵列以释放出闭合形式。
在另一方面，提供了一种加工透明材料的方法，其包括以下步骤：
所述透明材料具有形成为与所述透明材料相结合的金属层，且所述金属层具有形成为与所述金属层相结合的光致抗蚀剂层，
提供激光束，所述激光束包括激光脉冲突发，所述激光脉冲突发可以是单脉冲或者多脉冲；
相对于所述透明材料在外部聚焦所述激光束，以在所述透明材料外部的位置形成光束汇聚部，并同时避免形成外部等离子体通道；
将所述激光脉冲聚焦，以使得在所述透明材料内保持足够的能量密度以形成连续激光细线且不导致光学击穿；
同时在所述透明材料内形成所述连续激光细线并同时形成低功率激光束来烧蚀所述光致抗蚀剂层和所述金属层，将形成细线的激光束的功率降低至低于使所述细线同时在所述透明材料内并穿过所述透明材料的阈值，同时保持足够的功率来用所述低功率激光束在一个或多个位置烧蚀和照射所述光致抗蚀剂层和所述金属层，以使得所述激光束局部烧蚀所述金属层，从而在通过所述连续激光细线形成的贯穿所述透明材料的孔的附近除去所述金属层；和
选择性地蚀刻贯穿所述透明材料基材的孔，同时所述光致抗蚀剂避免了损伤所述金属层。
在另一方面，提供了一种加工透明材料的方法，其包括以下步骤：
所述透明材料具有形成为与所述透明材料相结合的金属层，且所述金属层具有形成为与所述金属层相结合的光致抗蚀剂层，
提供激光束，所述激光束包括激光脉冲突发，所述激光脉冲突发可以是单脉冲或者多脉冲；
相对于所述透明材料在外部聚焦所述激光束，以在所述透明材料外部的位置形成光束汇聚部，并同时避免形成外部等离子体通道；
将所述激光脉冲聚焦，使得在所述透明材料内保持足够的能量密度以形成连续激光细线且不导致光学击穿；
同时在所述透明材料内形成所述连续激光细线并同时形成低功率激光束来烧蚀所述光致抗蚀剂层和所述金属层，将形成细线的激光束的功率降低至低于使所述细线同时在所述透明材料内并穿过所述透明材料的阈值，同时保持足够的功率来用所述低功率激光束在一个或多个位置烧蚀和照射所述光致抗蚀剂层和所述金属层，以使得所述激光束局部烧蚀所述金属层，从而在通过所述连续激光细线形成的贯穿所述透明材料的孔附近除去所述金属层；
创建贯穿所述透明基材的多个孔，并除去位于贯穿所述透明基材的多个孔中每一个孔附近的金属层部分和光致抗蚀剂层部分；和
选择性地蚀刻贯穿所述透明材料基材的孔，同时所述光致抗蚀剂避免了损伤所述金属层。
在另一方面，提供了一种加工透明材料的方法，其包括以下步骤：
所述透明材料包括与所述透明材料相结合的金属层和与所述金属层相结合的光致抗蚀剂层，
提供激光束，所述激光束具有多个突发，且每个突发包括多个脉冲；
使用未校准或像差光学聚焦元件在所述透明材料外部生成所述激光束的初始汇聚部；
生成在所述透明材料内分布的弱聚焦的激光束；
在所述透明材料内形成空间延伸的和空间均匀的细线；
在所述透明基材内形成细线阵列；
除去每个连续激光细线附近的金属层部分和光致抗蚀层部分；和
选择性地干式蚀刻或湿式蚀刻连续激光细线阵列。
在另一方面，提供了其中形成有连续激光细线的透明材料
在另一方面，提供了其中形成有连续激光细线的透明材料，所述连续激光细线具有超过约1mm的长度。
在另一方面，提供了一种透明基材，其表现出超过约50MPa的切割后或单片化后断裂强度。
通过透明基材中的细线形成，可以非常快速地划割出非常细的闭合形式结构，通过干式或湿式化学蚀刻，能够蚀刻修改区域以释放出所述闭合形式。
所述透明材料选自玻璃、硼硅酸盐玻璃、琥珀玻璃、化学或热强化玻璃、蓝宝石、LiNbO3、硅、Ti:蓝宝石、LiTaO3、透明陶瓷(例如ALON)、晶棒、GaN、SiC和ZnSe。
干式蚀刻剂包括但不限于：四氟化碳CF4、六氟化硫SF6、三氟化氮NF3、氯气Cl2和二氯二氟化碳CCl2F2。湿式蚀刻剂包括但不限于硝酸(HNO3)和氢氟酸(HF)、氢氧化钾(KOH)、乙二胺邻苯二酚(EDP)和氢氧化四甲铵(TMAH)
通过参考以下详细描述和附图能实现对本公开的功能和优势方面的进一步理解。
附图说明
图1描述了用于形成细线的光学构造，其中通过聚焦光束能量使其“堆积”到位于目标透明材料上方和/或下方的焦点中(形成“光学存储器”)来调节传递到所需的细线区中的能量的量，从而形成均匀的长细线。
图2是具有划割得到的闭合形式的基材的示意图，其中所述闭合形式是所需的部件。
图2A是图1一部分的放大图，描述了孔洞/孔之间的间距。
图2B是沿图2A的1B-1B线所截取的示意截面图。
图3是具有划割得到的闭合形式的基材的示意图，其中主体是所需部分，而内部特征物将被切出。
图3A是图3中所示的插槽的放大图。
图3B是图3A一部分的放大图，描述了孔洞和裂纹线。
图3C是图3中所示的圆切块的放大图。
图3D是图3C一部分的放大图，描述了孔洞和裂纹线路径。
图3E是图3的正方形切块的放大图。
图3F是图3E一部分的放大图，描述了孔洞和裂纹线路径。
图4是闭合形式释放(硬碟)的另一示意图。
图4A是图4一部分的放大图，描述了孔洞和裂纹线。
图5A是从透明管上切下的两段的示意图。
图5B是一部分管的放大图，其示出透明管中的孔洞以及孔洞之间的微裂缝。
图6A显示了通过在透明材料中连续钻孔而实现的切割平面；和
图6B显示了透过宝石的有角度切削。
图7A-7E显示了有角度的切口，其造成有角度的边缘。
图8A-8D图示了具有切口的不同玻璃部件。
图9A和9B分别是在基材中钻出的过孔的透视图和侧视图。
图10图示了制造适用于晶片尺寸基材加工的细线的实施方式。
图11A和图11B分别是适于部件划割的示例性激光器系统布局的顶视图和正视图；
图12是透明基材的侧面示意视图，其示出了入射激光束进入像差聚焦透镜，金属层结合到透明基材底表面，光致抗蚀剂结合金属层，激光束的主焦点汇聚部位于光致抗蚀剂表面，次级焦点汇聚部位于透明基材内；
图13是图示了具有贯穿其中的孔的透明基材的侧面示意视图，金属层结合透明基材，光致抗蚀剂结合金属层，并进行湿式刻蚀--将透明基材、金属层和光致抗蚀剂浸没在化学蚀刻剂中；
图13A是图13中所示的透明基材的顶视图，图示了贯穿基材的多个孔，并在孔之间形成裂纹线；和
图14是受到干式刻蚀的具有贯穿孔的透明基材的侧面示意视图，该透明基材具有与透明基材表面相结合的金属层和与该金属层结合的光致抗蚀剂层。
具体实施方式
现将仅通过举例方式来描述本公开的实施方式。
图1描绘了用于形成细线的光学构造，其中通过聚焦光束能量使其“堆积”到位于目标透明材料上方和/或下方的焦点中(形成光学存储器220)来调节传递到所需的细线区的能量的量，从而形成均匀的长细线220。入射激光束160穿过分布式聚焦组件150，其在目标基材215之上或之下形成焦点210。
超快速激光脉冲在透明光学介质中的传播由于在线性和非线性效应的组合作用下激光脉冲的时间和空间分布发生强变形而变得复杂，所述效应例如为群速度色散(GVD)、线性衍射、自相位调制(SPM)、自聚焦、由价带至导带的电子的多光子/隧穿电离(MPI/TI)、等离子体散焦以及自陡化。参见SL Chin等，Canadian Journal of Physics,83,863-905(2005)。取决于激光参数、材料非线性性质和进入材料的聚焦状况，这些效应不同程度地发挥作用。由于非线性折射率依赖于强度，在强激光脉冲的传播过程中，脉冲的中心部分因可变的折射率而比脉冲周围部位移动得慢，从而导致脉冲自聚焦。在由所产生MPI/TI等离子体导致的自聚焦区域中，等离子体起到负透镜的作用并导致脉冲散焦，但由于高强度，自聚焦再次发生。聚焦和散焦之间的平衡作用产生了长的等离子体通道，即细线。使用低每脉冲能量，细线在材料中留下折射率改变的痕迹。细线由背景能量包围，该背景能量泵送能量以形成所述细线。在本领域中该背景能量已知为细线贮库。阻断或干扰一部分贮库将导致失去细线的后果。由此原因，细线之间的空间间隔对于细线形成而言非常重要。否则在基材中会形成损伤和裂纹而不是划割。在细线形成过程中，出现等离子体生成时所固有的光声效应。这开拓了深入基材的小于1μm直径的狭窄孔，并根据激光输出功率，可以达到至多10mm长而不改变直径。因此，可以堆叠许多片扁平基材，并以一次操作对它们全部进行划割。使用单脉冲超快速激光可在材料内形成细线，只要高于所使用的指定材料的临界峰值功率。当使用多个脉冲作为脉冲序列或突发时，由于产生了热量积累和连贯的光声冲击波，有助于更好地形成细线。光学击穿是材料内紧密聚焦的结果(等离子体空隙形成且激光聚焦)，而细线是使用小于0.4的NA进行非常温和的聚焦的结果，其中聚焦元件仅协助细线的形成。几何焦点可能在目标表面上具有100至200μm的点扩散功能，脉冲将其自身自聚焦至1μm的直径范围，这在线性光学中通过使用1或者更高的NA(100X物镜，油浸)是可能的。术语“细线”或“等离子体通道”通常用做定义该过程的标准术语，但本领域中也有一些人将该过程描述为“延长的焦点”以描述同一效应。延长的焦点是使用超快速脉冲的结果。例如，不可能延长长激光脉冲并观察到相同效应。
本领域中其他一些人将该过程描述为“突发超快速细线形成”，并宣称第一个脉冲制造出波导而连贯的脉冲跟随该波导。
同时，如果使用1MHz或更低的突发频率，热累积效应将消失。当使用30至60MHz的突发频率时，热累积能很好地产生非常明显的细线。在此条件下，由细线到细线形成了宽度小于100nm的窄裂纹。这沿着划割线由样品的顶部至底部全程形成帘(裂纹壁)。使用检漏染料证实了染料能穿过划割线并终止于另一表面。毛细效应使得染料能够在裂纹帘和细线通道中一直行进。
虽然我们公开了在Rofin StarPico模型中使用30MHz的“播种器”(seeder)，30MHz是我们的标准突发频率，而单脉冲或多脉冲可以在100KHz的频率选择，以形成突发包络(burst envelope)。可以在小于15ps时将单脉冲或多脉冲进一步放大至50W平均功率。该突发包落中有1-6个脉冲，并且超过在玻璃基材中形成细线所必需的临界功率。
图2是具有划割形成的闭合形式的基材的示意图，其中所述闭合形式是所需的部件。该闭合形式(所需部件)是图2中部由附图标记2表示的部分。
当主体或闭合形式是所需部件时，明显存在两种策略。如图2所示，产品2是通过在主基材1上进行细线划割而形成的闭合形式，即所需部件。参考图2，实线21S表示切入基材1表面1S的划割线。示例性闭合形式可以是但不限于智能手机盖面玻璃或汽车挡风玻璃、镜子、建筑窗户等。
图2A是图2一部分的放大图，示出了孔(孔洞)21B之间的间距。孔洞21B直径约为1μm。在图2A中示出了孔洞21B之间的微裂缝21C。通过光声压缩所导致的冲击波而形成微裂缝21C。取决于形式类型(样品类型)、基材厚度和孔洞深度，孔(孔洞)之间的中心至中心的间隔为2至10μm，由附图标记25表示。
图2B是沿图2A的1B-1B线所截取的示意性截面图。孔洞21B延伸完全穿过基材。在透明基材中钻出的所有孔洞基本是圆柱形的并且没有锥度。通过不同的技术，例如将样品静置在水中进行OH交换、加热、冷却或施加空气压力来削弱切割区域，可以释放出所需的闭合形式。本文公开的一个主要方面是使用干式或湿式化学蚀刻以从主体中移除所需部分。
图3是具有划割形成的闭合形式33、43和53的基材1S的示意图，其中主体1S是所需部分，而内部特征物已被切出(从基材中移除)。如图3所示，当闭合形式，例如在部件2上形成的插槽3、圆形4和切块5中的任一个或其组合，不是所需部件时，可以将插槽3、圆形4和切块5中的任一个或其组合溶解或破坏，以从主体中释放出插槽3、圆形4和切块5中的任一个或其组合。通过一段时间的氢氟酸浴来蚀刻出插槽3、圆形4或切块5的裂纹线。该蚀刻导致激光照射区域更快地溶解，从而导致沿细线划割线的完全分离，而内部闭合形式在其自重下自行下落。
例如，通过在基材中创建光声压缩材料区域，可以释放出半径为1至50mm的圆形(圆形切块)，然后其在蚀刻溶液中落下。
图3A是图3中所示的插槽3的放大图。图3B是图3A一部分的放大图，示出了孔洞33和微裂缝33C。图3C是图3中所示圆切块4的放大图。图3D是图3C一部分的放大图，示出了孔洞43和微裂缝43C。图3E是图3的正方形切块5的放大图。图3F是图3E一部分的放大图，示出了孔洞53和微裂缝53C。在所有这些实例中，使用了化学浴来移除切块。
在玻璃上划割出两个圆形以形成用于硬盘驱动器的盘片是一项工业挑战。在相关技术中，在进行金刚石辊划割后，切面品质非常差，必须要进行打磨，这增加了产品成本。图4是闭合形式释放的另一示意图。在对基材进行划割后，从基材60的主体(主要部分)中释放出盘片，还从盘片中释放出中心碟片80。
图4A是图4一部分的放大图，示出了孔洞81E和微裂缝89C。孔洞81E延伸贯穿基材60。在透明基材中钻出的所有孔洞81E基本是圆柱形的并且没有锥度。
图4中的附图标记81I表示圆形的内划割线，81E表示圆形的外划割线。划割意指所述基材包含孔洞。
通过超快速突发细线形成法，在玻璃基材60中在约一秒内形成划割圆81I、81E，以形成圆形的穿孔线。在刻蚀后，中心圆85在其自身重量下自行下落或凭借仅空气压力或机械指触碰而下落，还从废玻璃框架中释放出碟片80。
依旧参考图4，以1μm的精度切出碟片80，其切面粗糙度小于1μm。由于超快速突发细线划割过程在没有任何微裂纹或边缘碎裂的情况下切出部件，因此没有必要进行打磨。
图5A是螺旋切削硼硅酸盐管的示意图。可以看到能够干净地切削透明材料曲面的适用性。此处，从透明管70上切出硼硅酸盐玻璃环段75、77。图12B是管的一部分的放大图，示出了透明管70中的孔洞12D和孔洞之间的微裂缝12C。切削可以以螺旋运动来进行，以制造玻璃螺旋结构，或者管本身可以是杆以制造薄碟片。
如图6A所示，贯穿宝石(例如金刚石)而钻出的一系列密集间隔的孔洞156、151、152、153和154可以经排列而形成切割平面155。由于形成细线，修改区域的非常窄的帘形成了切割平面。将宝石放入合适的蚀刻溶液中，由于毛细效应，蚀刻酸在孔洞中移动并造成很好的材料分离。采用该技术，在切削过程中损失少得多的珍贵宝石。图6B表示几次切削后的最终宝石。
图7A-E显示了有角度的切出方法以制造具有成角度的边缘的内部特征物，而无需进行后单片化处理来实现所需的角度结果。在图7A-E中，通过围绕与激光束成固定入射角度的θ轴136进行旋转来实现光束轨迹137、142，所述入射角度等于在最终部件边缘765上所需的斜率。该非限制性实施方式使得能够通过细线阵列进行有角度的切削和作为装置的旋转台的平移以支持形成复杂切块。
图7E描绘了通过用多条细线形成光束142以不同角度进行加工而形成倒角部分140的示例性实施形式。应当理解的是，可以控制所述光束和细线路径以形成各种角度的倒角或斜角边缘。此外，还应该理解所述边缘可以是直的。“直的”是指其垂直于基材表面(法向)。在协同(平行)成形的情况下，可以将光束分成多束并引导其通过光学部件，以实现与法向入射光束一起抵达目标物的表现出非法向入射角的多条光路，从而创建三面边缘或倒角。
应该理解的是，可以产生有两面或多面的倒角，这取决于例如该方法所能容许的分束程度。一些示例性构造描述在图7E中。在细线形成后，将样品放入蚀刻浴中进行分离。
图8A-D呈现了在基材中不同形状的非常精细的切出物。代替标记字母和数字，可以在基材上制作名片或广告标识，而不是仅仅做标记。非常精细的结构，例如弯曲的或成角度的通道、存库、齿轮等，可以在玻璃中制造。这在MEM制造中开拓了有关玻璃和相似材料的巨大应用，在MEM制造中制造精细部件是昂贵和费时的。部件甚至可以具有金属涂层，并且仍然能在化学浴中蚀刻或进行干式蚀刻。在200μm厚的玻璃中实现了50μm宽的通道，并且蚀刻的切割线始终跟随划割线。
图9A和B是过孔钻孔的俯视图和立体图。孔可以用于质量过滤，玻璃中的过孔也可以用在微电子芯片(例如CPU)中作为层和互连通孔之间的绝缘体。用于材料注入的夹心玻璃中的孔或例如在
如图9A和B所示，质量分离装置68简单地是大致平面的玻璃基材70，其具有如图10中所述钻通的大小相同的孔洞69A(孔)的阵列。在操作中，待分离的材料(无论是气体、流体还是固体颗粒)以流的形式与基材70的平面接触，从而使得材料通过孔洞阵列69，所用力足以使得颗粒通过基材中的孔洞并超出装置68的底面。理论上，垂直于装置平面的力能最快地发挥作用，但任何角度的流也能一定程度上起作用。基材中钻出的孔洞的尺寸由被分离的物体的几何细节所决定。
非常需要在50μm至5mm厚的透明材料中制造直径为50至1000μm的孔。本方法似乎是制造这些过孔的最佳、最高效的方法。作为另一个实例，玻璃中的过孔对于半导体器件中的互连是非常需要的。由于在CPU中使用的频率非常高，使用长导线连接电路将导致辐射。为了避免芯片堆叠，使用非常薄的玻璃层作为芯片之间的绝缘层。使用通过孔来实现层与层的连接。有时在一个样品中需要超过十万个孔。使用超快速突发细线形成，通过激光烧蚀制得孔，所述孔(小圆圈)可以划割并随后通过化学蚀刻去除。这加速了生产并降低了每个部件的成本。
图10描绘了适用于部件单片化的示例性激光器系统的布局。例如，激光器72能以最高约2.5MHz的重复速率输出能量为约1μJ至50mJ的突发脉冲。
花岗岩提升管118被设计成用于减弱机械振动的工作块，如在工业中通常使用的。这可以是桥，在该桥上，载物台上方的光学元件可以沿一根轴X或Y相对于载物台平移，并与之协调。花岗岩底座120提供了可以支撑系统任何或所有组件的工作块。在一些实施方式中，出于稳定原因，处理装置122与系统振动去耦。
提供Z轴电机驱动器124，用于使光学元件(需要时，调节、聚焦和扫描光学元件)沿着Z轴相对于伺服控制的X-Y载物台84平移。该运动可以与XY载物台84和花岗岩桥上的X或Y运动以及花岗岩底座120上载物台的XY运动相协调，其保持着待加工的样品材料。
载物台84包括，例如，XY和具有倾斜轴γ(“偏航角”)的θ平台。载物台84的运动由控制计算系统进行协调，例如，从较大的母体片材上创建所需的部件形状。计量装置108提供了后加工或预加工(或二者)测量，例如用于标测(mapping)、定尺寸和/或检查切削后的边缘品质。
图11A是使用激光加工切削玻璃硬盘驱动器盘片180的示例性激光器系统的示意性顶视图。激光头177的X-Y运动图示于图10A中，其中激光头177示意性地描绘在玻璃基材170上方。玻璃基材170由花岗岩(或其他三维稳定的)支撑体120之上的梁171和172支撑。轨道175和176支撑可移动臂178，如图10A所示可移动臂178可沿轨道175、176的X方向移动。可移动臂178由电动机和控制器驱动，控制器将可移动臂178在X方向上精确定位。类似地，激光头由电动机和控制器驱动，并如图11A和11B所示可沿可移动臂178在Y方向上精确地移动和定位。图11B是图11A所示的用于切削玻璃硬盘驱动器盘片的示例性激光器系统的示意性侧视图。
可移动臂178包括轨道装置，激光头177包括电动机177M或用于将激光头177在Y方向上定位的其他装置。此外，激光头在Z方向上是可移动的，用于根据需要调节光束汇聚部。垂直轨道177V使得激光头177能够在垂直方向(Z方向)上移动。另外，应理解，可以采用选定的分布式焦点透镜用于激光头177。玻璃硬盘驱动器盘片180示于图25A和图4中。
将含有多个碟片的多片大尺寸玻璃置于化学浴中。因此，从主基材中释放出具有非常好的切面品质和精度的中心圆和盘片。刚刚描述的硬盘仅是一个例子，其可以是由脆性材料制成的扁平或弯曲形式的几乎任何部件。
图12是透明基材150T的侧面示意视图，其示出了入射激光束150I进入像差聚焦透镜150，金属层150M结合到透明基材底的表面，光致抗蚀剂150R结合金属层150M，激光束的主焦点汇聚部150P位于光致抗蚀剂150R的表面上，次级焦点汇聚部150S位于透明基材150T内。
图13是示出了具有贯穿其中的孔150H的透明基材150T的侧面示意视图，金属层150M结合到透明基材150T，光致抗蚀剂150R结合到金属层150M，并进行湿式蚀刻–将透明基材150T、金属层150M和光致抗蚀剂150R浸没在化学蚀刻剂301中。在将透明基材置于蚀刻剂中足够长时间后，透明基材的所需部分180凭借重力与透明基材150T的残余部分分离。支撑物302A、302B和302C位于透明基材的残余部分下方。残余部分是在所需部分被移除之后所剩下的部分。
图13所示的布局位于充满蚀刻剂301的容器303中。蚀刻剂残留在基材的孔150H中并削弱透明基材150T的孔150H的暴露表面。湿式蚀刻剂可以是在本文中先前鉴定为适用于本文中所述透明基材的那些湿式蚀刻剂中的任意一种。
图13A是图13所示的透明基材150T的顶视图，示出了贯穿基材的多个孔以及在其孔150H之间形成的裂纹线151C、152C。如本文其他附图中所解释的，孔150H是直径非常小的孔。孔150H以紧密的间隔排列在一起。孔150H通过激光细线的形成而制造。优选的是，孔(孔洞)之间的间距为中心至中心2～10μm。孔150H的直径小于或等于约1μm。裂纹线151C和152C形成在相邻孔150H之间，当所需部件180与基材150T分离时，裂纹线151C和152C导致形成光滑表面。所需部件(在该实例中是碟片180)可以在从浴301中移除时凭借其自身重量或机械装置、机械指(未示出)或空气压力的轻微推动而分离。
参见图13，毛细效应有助于将湿式蚀刻剂301吸入延伸穿过基材的孔150H中。存在毛细效应是由于根据本文所描述的细线形成方法造成的极小直径的孔。仍然参见图13，孔150H充满了蚀刻剂301。在孔150H中没有使用蚀刻剂符号(流体符号)是因为在图13中将难以看见。在孔150H中的蚀刻剂301沿透明材料的裂纹线削弱了透明材料，从而促进部件分离并且边缘光滑。
图14是描绘具有贯穿其中的孔150H的透明基材150T受干式蚀刻时的侧面示意视图，透明基材150T具有与该透明基材表面相结合的金属层150M和与金属层150M相结合的光致抗蚀剂层150R。电极190A、190C由RF电压源所激发，该RF电压源作用于电极之间的气体/等离子体150G，这激发了干式蚀刻剂。蚀刻剂位于基材的孔150H中并削弱透明基材150T的孔150H的暴露的表面。干式蚀刻剂可以是在本文中先前鉴定为适用于本文中所述透明基材的那些干式蚀刻剂中的任意一种。本文中未对所使用的干式蚀刻剂的类型做任何限制。
激光加工透明材料150T的示例性方法，包括以下步骤。透明材料具有形成为与所述透明材料相结合的金属层150M，金属层150M具有形成为与所述金属层150M相结合的光致抗蚀剂层150R。激光束150I(图12)，所述激光束包括激光脉冲突发，所述激光脉冲突发可以是单脉冲或多脉冲。相对于透明材料150T在外部聚焦激光束以在透明材料以外的位置形成光束汇聚部并同时避免形成外部等离子体通道。将激光脉冲聚焦，使得在所述透明材料内保持足够的能量密度以形成连续激光细线且不导致光学击穿。该方法要求同时在透明材料内形成连续激光细线(220，图1)并同时形成低功率激光束来烧蚀光致抗蚀剂层150R和金属层150M，将形成细线的激光束的功率降低至低于使细线同时在所述透明材料内并穿过所述透明材料的阈值，同时保持足够功率来用低功率激光束在一个或多个位置烧蚀和照射光致抗蚀层150R和金属层150M，使得激光束局部烧蚀金属层150M，从而在通过连续激光细线而形成的贯穿透明材料150T的孔150H的附近除去金属层150M。连续激光细线在基材中形成并贯穿基材，同时光致抗蚀剂层和金属层被烧蚀和移除。一旦光致抗蚀剂层和金属层被移除，可以用湿式或干式方法来刻蚀孔。该方法要求选择性地刻蚀贯穿透明材料的孔150H，同时残留的光致抗蚀剂150R避免了对金属层的损害。通过防止金属层暴露于湿式或干式蚀刻剂，光致抗蚀剂有效地消除了对金属层的附带损害。如图13和14所示，孔150H附近的光致抗蚀剂层和金属层被移除。应当注意的是，在湿式蚀刻方法和干式蚀刻方法中都可以使用各种掩模。在细线形成的同时移除光致抗蚀剂层和金属层。参见图14。
本发明也适用于在透明材料上印刷金属。透明材料上接收金属层，然后将光致抗蚀剂层施加到金属上。然后将掩模施加至金属层。掩模防止光抵达掩模之下的光致抗蚀剂。掩模例如形成字母A。将合适的光施加于暴露的未被掩模覆盖的光致抗蚀剂。由于本发明教导了通过光声压缩来同时进行光致抗蚀剂的烧蚀、金属的烧蚀和贯穿透明材料的孔的形成，蚀刻金属和透明材料的技术可用于制造高品质的字母A。

Claims (24)

1.一种对透明材料进行激光加工的方法，所述方法包括以下步骤：
激光源，其被构造成提供包括激光脉冲突发的激光束；
一个或多个聚焦元件，其被构造成相对于所述透明材料在外部聚焦所述激光束以在所述透明材料外部的位置形成光束汇聚部，并同时避免形成外部等离子体通道；
所述激光束和所述一个或多个聚焦元件被构造成在所述透明材料内产生足够的能量密度以在其中形成连续激光细线且不导致光学击穿；
用于改变所述激光束和所述透明材料之间的相对位置的装置；
与改变所述激光束和所述透明材料之间的相对位置的所述装置操作性地连接的控制和加工单元；
所述控制和加工单元被构造成控制所述激光束和所述透明材料之间的相对位置以在所述透明材料内形成连续激光细线阵列；
所述连续激光细线阵列从所述透明材料的第一表面连续延伸至所述透明材料的第二表面；和
选择性地湿式蚀刻或干式蚀刻所述连续激光细线阵列以释放出闭合形式。
2.如权利要求1所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述透明材料选自玻璃、硼硅酸盐玻璃、琥珀玻璃、化学或热强化玻璃、蓝宝石、LiNbO3、硅、Ti:蓝宝石、LiTaO3、透明陶瓷、ALON、晶棒、GaN、SiC和ZnSe。
3.如权利要求1所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述干式蚀刻用选自CF4、SF6、NF3、Cl2和CCl2F2的反应性气体的等离子体进行。
4.如权利要求1所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述湿式蚀刻用选自硝酸(HNO3)和氢氟酸(HF)、氢氧化钾(KOH)、乙二胺邻苯二酚(EDP)和氢氧化四甲铵(TMAH)的湿式蚀刻剂进行。
5.如权利要求1所述的对透明材料进行激光加工的方法，所述透明基材具有超过约50MPa的切割后或单片化后断裂强度。
6.如权利要求1所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述连续激光细线具有超过约1mm的长度。
7.一种对透明材料进行激光加工的方法，所述方法包括以下步骤：
所述透明材料具有形成为与所述透明材料相结合的金属层，且所述金属层具有形成为与所述金属层相结合的光致抗蚀剂层，
提供激光束，所述激光束包括激光脉冲突发，所述激光脉冲突发可以是单脉冲或者多脉冲；
相对于所述透明材料在外部聚焦所述激光束，以在所述透明材料外部的位置形成光束汇聚部并同时避免形成外部等离子体通道；
将所述激光脉冲聚焦，使得在所述透明材料内保持足够的能量密度以形成连续激光细线且不导致光学击穿；
同时在所述透明材料内形成所述连续激光细线并同时形成低功率激光束来烧蚀所述光致抗蚀剂层和所述金属层，将形成细线的所述激光束的功率降低至低于使所述细线同时在所述透明材料内并穿过所述透明材料的阈值，并保持足够的功率来用所述低功率激光束在一个或多个位置烧蚀和照射所述光致抗蚀剂层和所述金属层，使得所述激光束局部烧蚀所述金属层，从而在通过所述连续激光细线形成的贯穿所述透明材料的孔的附近除去所述金属层；和
选择性地蚀刻贯穿所述透明材料的基材的所述孔，同时所述光致抗蚀剂避免了损伤所述金属层。
8.如权利要求7所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述透明材料选自玻璃、硼硅酸盐玻璃、琥珀玻璃、化学或热强化玻璃、蓝宝石、LiNbO3、硅、Ti:蓝宝石、LiTaO3、透明陶瓷(例如光学陶瓷ALON)、晶棒、GaN、SiC和ZnSe。
9.如权利要求7所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述透明材料选自玻璃、硼硅酸盐玻璃、琥珀玻璃、化学或热强化玻璃、蓝宝石、LiNbO3、硅、Ti:蓝宝石、LiTaO3、透明陶瓷(例如光学陶瓷ALON)、晶棒、GaN、SiC和ZnSe。
10.如权利要求7所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述干式蚀刻用选自CF4、SF6、NF3、Cl2和CCl2F2的反应性气体的等离子体进行。
11.如权利要求7所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述连续激光细线具有超过约1mm的长度。
12.如权利要求7所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述透明基材具有超过约50MPa的切割后或单片化后断裂强度。
13.一种对透明材料进行激光加工的方法，所述方法包括以下步骤：
所述透明材料具有形成为与所述透明材料相结合的金属层，且所述金属层具有形成为与所述金属层相结合的光致抗蚀剂层，
提供激光束，所述激光束包括激光脉冲突发，所述激光脉冲突发可以是单脉冲或者多脉冲；
相对于所述透明材料在外部聚焦所述激光束，以在所述透明材料外部的位置形成光束汇聚部并同时避免形成外部等离子体通道；
将所述激光脉冲聚焦，使得在所述透明材料内保持足够的能量密度以形成连续激光细线且不导致光学击穿；
同时在所述透明材料内形成所述连续激光细线并同时形成低功率激光束来烧蚀所述光致抗蚀剂层和所述金属层，将形成细线的所述激光束的功率降低至低于使所述细线同时在所述透明材料内并穿过所述透明材料的阈值，同时保持足够的功率来用所述低功率激光束在一个或多个位置烧蚀和照射光致抗蚀剂层和所述金属层，使得所述激光束局部烧蚀所述金属层，从而在通过所述连续激光细线形成的贯穿所述透明材料的孔的附近除去所述金属层；
创建贯穿所述透明基材的多个孔，并除去位于贯穿所述透明基材的所述多个孔中的每一个孔附近的金属层部分和光致抗蚀剂层部分；和
选择性地蚀刻贯穿所述透明材料的所述基材的所述孔，同时所述光致抗蚀剂避免了损伤所述金属层。
14.如权利要求13所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述透明材料选自玻璃、硼硅酸盐玻璃、琥珀玻璃、化学或热强化玻璃、蓝宝石、LiNbO3、硅、Ti:蓝宝石、LiTaO3、透明陶瓷(例如光学陶瓷ALON)、晶棒、GaN、SiC和ZnSe。
15.如权利要求13所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述干式蚀刻用选自CF4、SF6、NF3、Cl2和CCl2F2的反应性气体的等离子体进行。
16.如权利要求13所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述湿式蚀刻用选自硝酸(HNO3)和氢氟酸(HF)、氢氧化钾(KOH)、乙二胺邻苯二酚(EDP)和氢氧化四甲铵(TMAH)的湿式蚀刻剂进行。
17.一种对透明材料进行激光加工的方法，所述方法包括以下步骤：
所述透明材料包括与所述透明材料相结合的金属层和与所述金属层相结合的光致抗蚀剂层，
提供激光束，所述激光束具有多个突发，每个所述突发都包括多个脉冲；
使用未校准或像差光学聚焦元件在所述透明材料之外生成所述激光束的初始汇聚部；
生成在所述透明材料内部分布的弱聚焦的激光束；
在所述透明材料内形成空间延伸的和空间均匀的细线；
在所述透明基材内形成细线阵列；
除去位于每个所述连续激光细线附近的金属层部分和光致抗蚀剂部分；和
选择性地干式蚀刻或湿式蚀刻所述连续激光细线阵列。
18.如权利要求17所述的对透明材料进行激光加工的方法，所述方法还包括以下步骤：
采用对所述细线的光学监测来提供反馈，从而促进在所述透明基材内对所述细线的所述阵列的形成的主动控制。
19.如权利要求17所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述透明材料选自玻璃、硼硅酸盐玻璃、琥珀玻璃、化学或热强化玻璃、蓝宝石、LiNbO3、硅、Ti:蓝宝石、LiTaO3、透明陶瓷(如光学陶瓷ALON)、晶棒、GaN、SiC和ZnSe。
20.如权利要求17所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述干式蚀刻用选自CF4、SF6、NF3、Cl2和CCl2F2的反应性气体的等离子体进行。
21.如权利要求17所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述湿式蚀刻用选自硝酸(HNO3)和氢氟酸(HF)、氢氧化钾(KOH)、乙二胺邻苯二酚(EDP)和氢氧化四甲铵(TMAH)的湿式蚀刻剂进行。
22.如权利要求13所述的对透明材料进行激光加工的方法，所述方法还包括如下步骤：
沿着裂纹线分离所述透明材料，生成沿着所述裂纹线的光滑边缘。
23.如权利要求22所述的对透明材料进行激光加工的方法，所述方法还包括以下步骤：
创建宽度小于15μm的划割线。
24.具有用权利要求23的方法制造的精确几何形状的产品。
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