CN107925217A - 用于处理透明材料的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于在一基板中形成特征的方法包括用一射束的雷射脉冲来照射一基板，其中该雷射脉冲具有一波长，该波长经选择以使得该射束的雷射脉冲穿过该基板的一第一表面传输至该基板的内部中。该射束的雷射脉冲经聚焦以在该基板的一第二表面上或附近形成一射束腰部，其中该第二表面沿z轴方向与该第一表面间隔开，且该射束腰部在自该基板的该第二表面朝向该基板的该第一表面延伸的螺旋图案中平移。该射束的雷射脉冲由在20kHz至3MHz范围内的脉冲重复率、脉冲持续时间、脉冲重叠及z轴平移速度来特征化。

Description

用于处理透明材料的方法及设备
相关申请案的交互参照
本申请主张2015年6月16日提交的美国临时申请案第62/180,568号的权益，该临时申请案以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明的实施例大体上是关于雷射处理诸如蓝宝石及玻璃的透明材料。
背景技术
蓝宝石所提供的突出的抗刮擦性、耐腐蚀性、生物相容性及热稳定性使其成为用于许多当前及下一代技术的吸引人的材料。具有莫氏指数9的蓝宝石为已知最硬材料中的一者。此硬度给予的抗刮擦性以及自可见光谱至中红外光谱的优良光学透明度已导致蓝宝石广泛用作消费性电子产品及奢侈腕表中的盖玻璃以及用作军用及民用车辆的窗户。
蓝宝石是用于许多医疗植入物及装置的首选材料，因为其与金属及聚合物相比表现出优良的生物相容性及惰性。蓝宝石的热稳定性是其作为发光二极管的基板的主要选择的原因中之一者，其中亦存在强度及电绝缘能力的原因。蓝宝石的高耐腐蚀性及耐热性已用于许多恶劣的化学及热环境中。
由于蓝宝石的广泛使用，全世界的蓝宝石生产近年来已稳定增加。然而，蓝宝石在一些市场(包括消费性电子产品)中的使用的增长已落后于预期。其部分原因在于，对许多应用有益的同一硬度亦使得蓝宝石成为一种经由习知方法及雷射处理方法很难在其中机械加工出细微结构的材料。
发明内容
本发明的一个实施例可特征化为一种用于在基板中形成特征的方法，该方法包括用一射束的雷射脉冲来照射一基板，其中该等雷射脉冲具有一波长，该波长经选择以使得该射束的雷射脉冲穿过该基板的一第一表面传输至该基板的内部中。该射束的雷射脉冲经聚焦以在该基板的一第二表面上或附近形成一射束腰部，其中该第二表面沿z轴方向与该第一表面间隔开，且该射束腰部在自该基板的该第二表面朝向该基板的该第一表面延伸的螺旋图案中平移。该射束的雷射脉冲由在20kHz至3MHz的范围内的脉冲重复率、脉冲持续时间、脉冲重叠及z轴平移速度来特征化。
本发明的另一实施例可特征化为一种设备，该设备包括：一雷射源，其经配置来产生一射束的雷射脉冲；一射束转向系统，其经配置来沿X及Y轴方向扫描该射束的雷射脉冲；一z轴平移系统，其经配置来使在聚焦该射束的雷射脉冲后产生的射束腰部沿Z轴方向平移；以及一控制器，其耦接至雷射源、射束转向系统及z轴平移系统中的至少一者。控制器可操作来控制雷射源、射束转向系统及z轴平移系统中的至少一者来进行以上段落中所描述的方法。本发明的另一实施例可特征化为一种包括一基板的物品，该基板具有根据以上段落中所描述的方法形成的孔。
附图说明
图1示意性地例示根据本发明的一个实施例的自底部向上融蚀几何形状及螺旋图案截面。
图2例示根据本文揭示的示例性实施例形成的孔的顶部及底部的一些实例。
图3例示藉由104kHz(左上图)、260kHz(右上图)、521kHz(左下图)及1042kHz(右下图)的重复率钻出的400μm直径孔的平均锥度对z轴平移速度的曲线图。针对每一个重叠条件展示单独的线。
图4示意性地例示适合于(a)完全藉由自底部向上融蚀及(b)混合的自底部向上/自顶部向下融蚀来钻孔的条件。
图5示意性地例示轮廓测定法量测结果。
图6例示藉由104kHz(顶部列)、260kHz(第二列)、521kHz(第三列)及1042kHz(底部列)的重复率钻出的400μm直径孔的顶表面的雷射扫描显微术影像。所示图片表示随z轴/处理速度而变的孔品质的进化。104kHz图片上的红色箭头经放置来将视线引导至裂纹/损伤。
图7例示以104kHz、260kHz、521kHz及1042kHz的重复率钻出的所有孔的孔品质对锥度角的图。孔在不具有裂纹或显著缺口的情况下被归于值“1”且在存在显著缺口或任何裂纹的情况下被归于值“0”。
图8例示自较轻的几乎不可见的影响(左)至亦导致背面孔品质降低的极突出的损伤(右)的背面损伤环进化。
具体实施方式
以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。
下文参考随附图式描述示例性实施例。诸多不同形式及实施例在不背离本揭示案的精神及教示的情况下是可能的，且因此本揭示案不应被视为限于本文所阐明的示例性实施例。实情为，提供此等示例性实施例以便本揭示案将为彻底及完全的，且将向熟习此项技术者传达本揭示案的范畴。在图式中，为清晰起见，组件的大小及相对大小可能不成比例及/或被夸示。本文所使用的术语仅出于描述特定示例性实施例的目的且不欲具有限制性。如本文所用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一”及“该”意欲亦包括复数形式。应进一步理解，术语“包含”在本说明书使用时指定所述特征、整数、步骤、操作、元件及/或组件的存在，但并不排除一或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件及/或其群组的存在或添加。除非另外指出，否则值的范围在被陈述时包括该范围的上限及下限以及介于上限与下限之间的任何子范围。
鉴于上述蓝宝石使用的趋势，发明者已在不同处理条件下使用超短脉冲雷射对蓝宝石进行雷射融蚀研究，该研究适合于在430μm厚的蓝宝石晶圆中钻孔(尽管本文揭示的技术亦可应用于在比430μm厚或薄的蓝宝石晶圆中钻孔或形成其他特征)。尽管藉由0.8ps、1030nm的雷射源进行涉及钻出直径<500μm孔的研究，但应了解，可藉由50ps或更小(例如，40ps或更小，30ps或更小，20ps或更小，10ps或更小，5ps或更小，2ps或更小，1ps或更小，0.8ps或更小等)的脉冲持续时间来实现本文揭示的技术的益处，只要相应地调整其他处理参数。同样地，雷射源可在除1030nm以外的波长下(例如，在1064nm、532nm、515nm、355nm、343nm等，或者介于其间、或大于1064nm或小于343nm的任何波长)产生雷射能量。类似地，尽管本文所述的研究涉及在蓝宝石中形成孔，但应了解，可应用本文论述的技术在诸如玻璃(例如，熔凝石英、钠钙玻璃、硼硅酸钠玻璃、碱土金属铝硅酸盐玻璃、碱性铝硅酸盐玻璃、氧化物玻璃等或其任何组合)的其他透明材料中形成孔，只要相应地选择本文论述的制程参数。尽管下述研究限于26.4μJ的最大脉冲能量，且因此限于用于18μm的1/e2射束腰部的20.7J/cm2的峰值通量，但应了解，可藉由小于18μm(或大于18μm)的1/e2光点大小来实现本文揭示的技术的益处，只要选择或以其他方式调整最大脉冲能量来维持峰值通量足够高以开始或支持融蚀制程。此工作的目标为，依据重复率、脉冲重叠及射束腰部高度来界定用于在透明材料中钻孔的参数空间。如本文所用，术语“脉冲重叠”指在脉冲中的每一者的射束腰部处的连续输送雷射脉冲的空间重叠。目标为，提供具有在50μm至5mm范围内的直径的孔(例如，通孔、盲孔等)，该孔没有缺口、裂纹或其他损伤，其中平均锥度角<5°且钻孔速度低至～4秒/孔。达成具有小于2°的锥度的孔。
实验
此等研究藉由0.8ps1030nm雷射进行，藉由自相关及光谱分析器加以验证，其中最大样本上脉冲能量为26.4μJ且重复率高达3MHz。实验设备使用扫描电流计(20mm入口孔隙)及100mm远心聚焦透镜来作为射束转向系统。4x射束扩展器将99％射束直径自4.6mm增加至18mm，从而针对20.7J/cm2的最大峰值通量在样本上以1/e2产生18μm的所量测射束腰部。雷射射束的偏光在雷射之外为线性的，并且由于使用λ/4波片变为圆偏光。
用于本文呈现的所有钻孔制程的图案为螺旋，该螺旋在每一螺旋重复(向内+向外返回路径)的全螺旋直径处具有附加圆形绕转，以便最佳化特征边缘的品质。图1中描绘图案截面的草图。包括扫描速度/脉冲重叠、雷射重复率、脉冲能量及图案直径的处理参数在此等研究的全程中变化，以便判定使用0.8ps脉冲进行蓝宝石钻孔的最佳处理条件。对于所有测试而言，间距在9μm(射束腰部的一半)处保持恒定。藉由26.4μJ的样本上最大脉冲能量进行所有测试。在无任何气体屏蔽的环境空气中进行实验。
在此等研究的全程中使用430μm厚、50.8mm直径的双抛光c平面蓝宝石晶圆。用于机械加工此等晶圆的有效厚度(射束腰部为了自晶圆的顶表面移动至底表面(或反之亦然)必须沿z轴平移的距离)为～250μm，等于蓝宝石晶圆的430μm厚度除以其折射率(n＝1.75)。可藉由以下方法完成射束腰部的Z轴平移：使扫描透镜沿Z轴平移；使支撑蓝宝石样本的台平移(例如，沿Z轴)；线性调频声光偏转器系统；或类似方法或其任何组合。
藉由使用如图1所示的按自底部向上几何形状的融蚀制程钻出通孔。自底部向上融蚀方法已用来在先前工作中在多种玻璃中产生零锥度孔。在此组态中，雷射射束在其射束腰部位于蓝宝石晶圆的底表面下方的情况下开始。当处理开始时，射束腰部以恒定速度沿z轴向上平移(亦即，穿过样本)，其中速度通常介于10μm/s与50μm/s之间或更高。沿z轴移动在射束腰部到达蓝宝石样本的顶表面时停止。在钻孔制程全程中，眼睛看得见电浆。在钻孔完成时，螺旋图案不再可见，且紧接着手动停止样本处理。
在图2中，例示在此等测试中产生的最高品质孔的实例。在图2中，孔中间的纹理化区域来自雷射显微镜的样本台且并不指示关于在蓝宝石中钻出的孔的品质的任何事物。顶表面及底表面影像(分别为顶部画面及底部画面)表现出极低锥度(<2°)，无缺口且无裂纹。底表面显示与顶部近乎相同的直径且亦不显示缺口或裂纹。
我们观察到顶表面及底表面上的孔直径近乎相同，但我们在任何实验条件中未观察到零锥度孔的产生。其原因在于，熔融蓝宝石微粒在处理期间沿孔侧壁的再沉积。此在图2中在高品质及低品质结果两者中可见，在两种情况下，在蓝宝石晶圆的底面(亦即，在自底部向上处理期间必须将融蚀掉的材料自其排出的侧面)上在孔内侧观察到熔融蓝宝石微粒的致密聚集体。在本文中，我们将判定得出最低锥度且因此得出沿孔侧壁的最小再沉积材料量的参数。用酒精棉片清洁经处理的样本以自晶圆表面去除碎屑及微粒，但此举不影响孔中的再沉积材料。未来的研究将考察用于在处理期间减少此再沉积的技术以及用于藉由后处理来去除再沉积材料的技术。
使用雷射扫描显微镜(Keyence VK-9700,VK9710)来分析藉由此等制程产生的孔的剖面，以判定诸如最大(亦即孔入口)及最小孔直径及平均锥度角的定量参数以及包括裂纹及缺口的品质特性。所产生的影像跨蓝宝石晶圆的整个厚度具有2μm步长。跨两个正交的线来分析每一孔，且针对此等两个线对孔入口直径及内部孔直径的结果求平均值。使用此等结果来判定孔锥度角。根据顶表面(T)上的孔直径、最小内部孔直径(B)及样本厚度(h)来判定每一孔的平均锥度角θ：
结果及论述
钻出具有相对小的直径且纵横比(样本厚度:孔直径)很高的孔常常导致对于产生高品质孔而言极受限的参数空间，其中可自该参数空间获悉极少有用的一般资讯。另一方面，钻出具有相对大的直径及低纵横比的孔导致非常广泛的有效参数空间，该参数空间亦产生极少的一般资讯。藉由400μm直径的图案直径(纵横比～1)来完成在此等研究全程中进行的大批试验，该直径预期为此等限制性情况之间的适合中点。因此，自此等研究获悉的经验可用作有助于判定自极小(低至100μm直径或更小)至极大(几毫米)尺寸的孔的最佳雷射机械加工参数的方针。
我们使用21kHz、104kHz、260kHz、521kHz及1042kHz的脉冲重复率来钻出400μm直径的孔。在每一重复率下，若有可能，藉由70％、80％、90％、95％及98％射束直径的脉冲重叠(在射束腰部处)来钻孔。在重复率增加时，任何特定脉冲重叠所需的扫描速度必须亦增加。虽然电流计的直线速度在>10m/s的速度下为可靠的，但重要的为应注意，用于400μm大小的特征的处理速度限于低得多的值。我们注意到，对于400μm直径的螺旋图案而言，移动速度限于<800mm/s的最大值。由于此限制，我们无法对所有重复率下的所有脉冲重叠条件进行研究。
在每一脉冲重叠下，焦点沿z轴的平移自10μm/s至≥50μm/s变化，除非在较低处理速度下观察到显著且规则的损伤。我们将最慢的z轴平移速度限于10μm/s来确保孔产量保持合理。对于在21kHz下进行的测试，我们将不呈现结果，在21kHz下钻出的孔偶而具有可接受的品质，但结果并非一致的，且最经常跨所有重复率及脉冲重叠导致对蓝宝石基板的严重裂纹及损伤。
最小化锥度
图3展示针对重复率、脉冲重叠及z轴速度的此阵列使用等式1计算出的锥度值。根据如上所述由两个正交的孔剖面计算出的锥度中的差值判定误差杠。
转至在90％脉冲重叠的情况下在260kHz的重复率下产生的结果(图3的右上图表，由▲指示的资料)。随z轴平移速度而变，看来锥度的进化可分成两个不同区域：在高速度(≥60μm/s)下的近似线性型及在<60μm/s的速度下的更复杂型。在此较低速度范围内，我们在z轴平移速度自10μm/s增加至40μm/s时看见锥度的增加并接着在速度自40μm/s增加至60μm/s时看见锥度的轻微减小。对于此资料集而言，40μm/s的值对应于眼睛观察到的藉由仅自底部向上融蚀而非混合的自底部向上/自顶部向下制程来钻孔的最高z轴平移速度。在低z轴平移速度(例如，在此资料集中，≤40μm/s)下，我们观察到，由于热积累及潜伏效应，自底部向上制程在射束腰部位于晶圆的底表面下方很远处的情况下开始。在整个制程全程中维持此等效应，且在积累/潜伏效应超过阈值且在顶表面上开始融蚀之前，在～250μm的z轴平移之后完成钻孔，如图4a所示。然而，在z轴速度增至高于40μm/s时，我们观察到发生自底部向上融蚀的起始，其中射束腰部愈来愈靠近蓝宝石晶圆的底表面。因此，针对250μm的自底部向上处理窗的末端的z轴值亦偏移至较高值。最后，自底部向上处理窗与在蓝宝石晶圆的顶表面上开始融蚀的z轴位置重叠。因此在40μm/s及更高的z轴速度下，制程变为混合的自底部向上/自顶部向下制程，如图4b所示，其中自顶部向下处理与自底部向上处理的比率随z轴速度增加而增加。
在由此混合制程产生的较慢z轴速度下，制程的自底部向上部分在切换至制程的自顶部向下部分的前深入进行至晶圆中。自40μm/s至60μm/s的锥度减小可如下来理解：因为自底部向上制程并不一直进行通过晶圆，所以沿侧壁再沈积熔融蓝宝石的薄层。自顶部向下制程产生不延伸经过此再沉积层的厚度的锥形壁，从而在此过渡之前导致比在最高速度下产生的自底部向上的孔更低的锥度。在速度增至60μm/s以上时，由自底部向上至自顶部向下的切换较早地发生，从而导致延伸经过再沉积层的壁锥度，导致减小孔的最小直径的突出部或悬突部，且因此导致自60μm/s至200μm/s增加锥度的一般趋势。
仅仅自底部向上制程至混合的制程之此过渡亦由如藉由轮廓测定法量测结果所判定的孔壁曲率来证实。自底部向上制程产生朝向蓝宝石晶圆的顶表面略微凸出的壁部，而藉由自顶部向下制程完成的混合孔为凹形的，其通常为自顶部向下制程的特性。此可在图5中观察到：在260kHz及90％脉冲重叠下，在此资料集中，自40μm/s至45μm/s，侧壁曲率的差值很细微但可见。在z轴平移速度进一步增加时，效果变得更明显，如图5的针对150μm/s的底部画面所示。
当脉冲重叠在260kHz下增加至95％时(图3的右上图表，由●指示的资料)，我们已针对260kHz下的90％脉冲重叠来特征化的观察及趋势极为一致，但是95％下的平均锥度值稍微高于90％下的平均锥度值。类似地，此等观察可扩展至98％的脉冲重叠(图3的右上图表，由■指示的资料)，但在30μm/s及更高速度下，孔开始展现严重的大的裂纹，因此资料集在60μm/s处被截断。在260kHz下的80％及70％的脉冲重叠所需的图案速度对于电流计而言太高，但可使用另一射束转向系统来达成，该射束转向系统诸如一或多个声光偏转器、快速转向镜等或其任何组合。
我们已观察到，在260kHz下钻出的孔的平均锥度角随脉冲重叠增加而增加，并且随z轴平移速度增加而增加。此等两个趋势在螺旋图案沿z轴的空间周期性增加时(当螺旋图案速度减小(亦即，脉冲重叠增加)时)对应于增加的锥度，沿z轴的连续图案重复之间的距离亦增加，当沿z轴的制程速度直接增加时亦如此。有可能此举亦可促成在平均锥度角中所观察到的增加，但随此等变数而变的钻出的孔的截面尚未经检查来确认或反驳此可能性。
在260kHz下随z轴平移速度而变的此等趋势亦应用于由在521kHz的重复率(图3的左下图表)及在1042kHz的重复率(图3的右下图表)下钻孔而获得的结果，但在较高重复率下存在较少可达的脉冲重叠条件，且由于相当大的裂纹及表面损伤，在1042kHz下的98％脉冲重叠资料集在超过60μm/s时不继续。在较高重复率下，潜伏效应增加，从而使自底部向上处理窗的开始偏移至在相同脉冲重叠及z轴平移速度下较低重复率的开始。此导致在较高重复率下较高z轴平移速度下的混合制程的起始。此在521kHz的95％脉冲重叠下清楚可见，其中眼睛观察到过渡发生在50μm/s而非40μm/s(对于260kHz)。由于锥度的较大波动及在此等条件下钻出的大多数孔的显著损伤，对于在521kHz及1042kHz下的98％脉冲重叠而言难以确认此特性。在104kHz的重复率(图3的左上图表)下钻出的一系列孔自针对所研究的所有脉冲重叠在较高重复率下的趋势剧烈偏离。此等孔具有相对低的品质及产生裂纹的极高可能性。
此混合制程要考虑的一个后果是其对产量的影响。当制程仅由自底部向上融蚀组成时，单个孔的钻孔时间等于250μm的有效样本厚度除以z轴平移速度。孔锥度通常在最慢z轴平移速度下最小化，其中在此等条件中具有低产量的明显缺点。对于朝向仅自底部向上处理的极限的40-50μm/s速度而言，此等于5-6秒/孔的钻孔时间。当混合制程开始发生时，制程时间停止以与z轴平移速度成反比，且我们观察到制程时间落在5-10秒范围内。因此，因为不存在对产量及孔锥度的最小潜在减少的改良，所以我们断定针对在致使混合的自底部向上/自顶部向下制程发生的等级处或该等级以上的z轴平移速度而言不存在显著优点。可藉由在260kHz(90％及95％脉冲重叠)及521kHz(95％脉冲重叠)下的广范围的z轴速度产生侧壁锥度<5度的孔。
在许多应用中，增加产量的直接方式增加重复率，例如，使要应用的重复率加倍以使平均功率加倍在许多情况下预期会使产量增加两倍。此等结果不遵循该预期。例如，针对在260kHz下的90％脉冲重叠的电流计移动速度与针对在521kHz下的95％脉冲重叠的电流计移动速度相同，但潜在产量仅少量增加，如前一段落中所描述，此由于由热积累及潜伏效应的增强所导致的用于自底部向上融蚀的制程窗的偏移。
总之，在260kHz(90％及95％脉冲重叠)及521kHz(95％脉冲重叠)下可藉由广范围的z轴速度产生侧壁锥度<5°的孔。在由自底部向上制程至混合制程的过渡附近，最快的制程在5-6秒中产生具有4-5°锥度的孔。若需要较低锥度，则可以产量为代价达成较低锥度，其中观察到的平均锥度值在521kHz下的20μm/s附近小于2°。
避免裂纹及缺口
既然我们已定义用于以可接受的产量在蓝宝石中产生低锥度孔的条件，我们必须考虑锥度之外的孔品质：何为在处理期间避免裂纹及缺口所必需的条件，以及此又如何影响在仅考虑锥度及产量时所判定的制程窗？
我们在图6中呈现了在不同z轴速度及重复率下的孔品质的代表性图片。在每一重复率下，选择表现出最好孔品质及最小量的裂纹的脉冲重叠。所有孔的圆度及对称性极佳且跨被测试的整个参数空间为一致的。在顶部列中，展示了在104kHz及90％脉冲重叠下产生的孔。在10μm/s下，该孔展示大锥度(7°，根据图3)及裂纹。在30μm/s及50μm/s下钻出的孔各具有较小锥度，但在50μm/s下的孔有裂纹。在图6的第二及第三列中的在260kHz(90％脉冲重叠)及521kHz(95％脉冲重叠)下的孔类似地发展：自10μm/s至50μm/s，其锥度皆稍微增加(自～2°至～4°)，且在此z轴速度范围内的孔无裂纹。在1042kHz(底部列)下的孔在锥度方面与在260kHz及521kHz下的孔类似地发展，但品质明显降低：在50μm/s处明显有非常严重的损伤，且在10μm/s及30μm/s处可见粘性微粒。类似微粒可藉由温和酒精棉片自较低重复率下所产生的孔容易地去除，但在1042kHz下部分地保持在表面上。此反映出在高脉冲重叠及高重复率下处理时增加的热效应。
在图7中，我们呈现了孔品质对锥度的图，其中我们将值“1”指派给无裂纹且具有(至多)极小缺口的孔，且将值“0”指派给具有可见裂纹及/或缺口的孔。在此图中汇集了在104kHz、260kHz、521kHz及1042kHz的重复率下产生的所有孔的结果。我们观察到针对高于及低于5°的锥度值的孔裂纹可能性中的明显分界。对于锥度≤5°的孔而言，我们在86％的时间未发现缺口或裂纹。然而，对于锥度>5°的孔而言，仅在24％的情况下未观察到缺口或裂纹。此证明孔品质与锥度之间很强的相关性。总而言之，此与前一节中定义的制程窗很一致：在蓝宝石中钻出的具有低锥度(≤5°)的孔不太可能出现裂纹或展现大的缺口。使用在此等实验中探索的大参数空间，个别孔的参数并未通常测试超过一次或两次，从而可容易导致在孔裂纹方面的假阴性或阳性。图7表明，藉由产生具有小于5°锥度的孔的参数来作业确保成功钻孔的高可能性。用于避免裂纹的最好条件因此为，在90％及95％脉冲重叠下的260kHz及在95％脉冲重叠下的521kHz。此等条件组中的所有三个的锥度通过由自底部向上融蚀至混合制程的过渡在z轴移动速度下保持低于5°。
除裂纹及缺口之外，我们必须亦考虑在处理期间导致形成背面损伤环的条件。此等损伤环的大小可剧烈变化，如图8所示。在此，我们呈现了几乎刚刚开始形成(左侧画面)且在不特别找寻它的情况下可能容易错过的损伤环以及更加明显的损伤环(中心画面及右侧画面)的实例。当此等损伤环最强烈明显时，它们亦可在底表面处影响孔的边缘品质，如最右实例所示。简而言之，此等环的外观的趋势不像裂纹及缺口的趋势那么清楚。如同裂纹一样，损伤环的存在与大锥度角强烈地相关，且可接受的制程参数空间由90％及95％脉冲重叠下的260kHz及95％脉冲重叠下的521kHz组成。
结论
与藉由50ps雷射源及类似规格的较早试验对比，我们藉由脉冲持续时间在小于2ps(例如，小于或等于1ps，小于或等于0.8ps等)的范围内的纤维雷射系统完成有前途的蓝宝石钻孔结果。归因于非线性吸收的制程初始化及对基板中的能量沉积、材料排出及热散逸的动态相互作用的控制以非常高的重复率(通常为500kHz)及高的脉冲脉冲重叠(90-98％)定义了制程窗来在钻孔制程的大部分中维持自底部向上制程。在此等条件下，可在小于5s内获得在430μm基板中的钻出400μm孔，其中锥度角低于2°。
在钻孔程序期间的某一点，焦点位置的提高胜过表面吸收的阈值。此为在自底部向上制程切换至典型自顶部向下融蚀机制时的过渡点，其受锥度及不良背面品质的影响。因此，在此研究中的一般发现在于，制程速度及品质皆受益于自底部向上制程。制程愈早切换至自顶部向下融蚀，锥度角及背面损伤则愈明显。
尽管未例示，但应了解，雷射源、电子束偏转系统、Z轴平移系统等的操作可经由可通信地耦接至该多个系统的一或多个控制器加以控制。可将控制器提供为经配置来执行指令的可程式化处理器(例如，包括一或多个通用电脑处理器、微处理器、数字信号处理器等或其任何组合)。此等指令可被实施软件、硬件等，或在任何适合形式的电路中实施，该电路包括：可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、现场可编程物件阵列(FPOA)、特殊应用集成电路(ASIC)(包括数字电路、类比电路及混合的类比/数字电路)或类似物或其任何组合。指令的执行可在一个处理器上进行，分散在处理器之间，跨装置内的多个处理器或跨装置的网络并行地完成等或其任何组合。根据本文提供的描述，技术人员可容易创作用于实施详细功能的软件指令，这些软件指令例如用C、C++、Visual Basic、Java、Python、Tel、Perl、Scheme、Ruby等编写。软件指令通常储存为由有形媒体传送的一或多个资料结构中的指令，有形媒体诸如磁盘或光盘、存储卡、ROM等，可在本地、远程地(例如，跨网络)或其组合来存取该等指令。
在已描述且例示本发明的各种实施例的情况下，将认识到该技术不限于此，且上述制程参数中之一或多者可取决于诸如以下因素加以调整：将被钻孔的蓝宝石的厚度；将要钻出的孔的所需直径；钻孔制程的所需产量；所得孔的所需品质；钻出的孔的所需锥度；被钻孔材料的特定化学或材料特性等或其任何组合。然而，一般熟习此项技术者将了解，若一或多个处理参数改变，则应相应地调整一或多个其他处理参数。因此，雷射源可产生具有50ps或更小(例如，40ps或更小，30ps或更小，20ps或更小，10ps或更小，5ps或更小，2ps或更小，1ps或更小，0.8ps或更小等)的脉冲持续时间的雷射脉冲。此外，雷射脉冲可产生为IR、绿色或UV雷射脉冲。例如，雷射脉冲可具有1030nm(或左右)、515nm(或左右)、343nm(或左右)等的波长。雷射脉冲可在20kHz至3MHz(例如，50kHz至1MHz或左右，100kHz至500kHz或左右，100kHz至250kHz或左右等)的范围内的重复率下输出。当然，重复率可大于3MHz或小于20kKz。在一些实施例中，脉冲重叠可在50％至刚刚小于100％的范围内(例如，在70％至98％的范围内，在80％至95％的范围内，在95％至98％的范围内，等等)。在一些实施例中，取决于被处理的材料，脉冲重叠可小于50％。例如，当在玻璃中形成孔时，脉冲重叠可小于50％(例如，40％或更小，30％或更小，20％或更小，10％或更小，5％或更小，1％或更小等)。而当在蓝宝石中形成孔时，脉冲重叠将通常被选择为大于或等于50％。z轴平移速度可在10μm/s至100μm/s的范围内(例如，在30μm/s至80μm/s的范围内，在50μm/s至60μm/s的范围内，等等))。当然，z轴平移率可大于100μm/s或小于10μm/s。可适当选择上述制程参数，以在蓝宝石基板上钻出直径在50μm至5mm的范围内(例如，在100μm至2mm的范围内，在300μm至450μm的范围内，400μm，等等)的孔。尽管已结合在蓝宝石中钻出诸如通孔及盲孔的孔来论述本文所述的钻孔技术，但应了解，此等技术亦可应用于在蓝宝石中形成除孔以外的特征，且亦可应用于在对雷射源所产生的雷射脉冲的波长为至少部分地透明的材料(例如，诸如熔凝石英、钠钙玻璃、硼硅酸钠玻璃、碱土金属铝硅酸盐玻璃、碱性铝硅酸盐玻璃、氧化物玻璃等或其任何组合的玻璃)中形成孔(或任何其他特征)。
前文对本发明的实施例的说明且不应被理解为对本发明的限制。尽管已描述数个特定示例性实施例，但熟习此项的技术人员将容易理解在不实质上偏离本发明的新颖性教示及优点的情况下，对所揭示的示范性实施例以及其他实施例的诸多修改是可能的。因此，所有此类修改意欲包括于如权利要求中所界定的本发明的范畴内。举例而言，技术人员将理解任一句子或段落之标的可与一些或所有其他句子或段落之标的组合，除此类组合互斥的情况外。对熟习此项的技术人员将显而易见，可在不脱离本发明的基本原理的情况下，对上文所描述实施例的细节进行诸多变化。因而，本发明的范畴应由以下权利要求以及包括在其中的权利要求的等效物来决定。

Claims (21)

1.一种在基板中形成特征的方法，其特征在于，该方法包含：
用一射束的雷射脉冲来照射基板，其中该雷射脉冲具有一波长，该波长经选择以使得该射束的雷射脉冲穿过该基板的第一表面传输至该基板的内部中；
将该射束的雷射脉冲聚焦以在该基板的第二表面上或附近形成射束腰部，其中该第二表面沿z轴方向与该第一表面间隔开；以及
使该射束腰部在自该基板的该第二表面朝向该基板的该第一表面延伸的螺旋图案中平移，以对该基板进行融蚀，
其中该射束的雷射脉冲至少部分地藉由脉冲重复率、脉冲持续时间、脉冲重叠及z轴平移速度来特征化，
其中该脉冲重复率在20kHz至3MHz范围内。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，该脉冲重复率在100kHz至600kHz的范围内。
3.如权利要求1的方法，其特征在于，该脉冲持续时间小于或等于50ps。
4.如权利要求3的方法，其特征在于，该脉冲持续时间小于或等于20ps。
5.如权利要求4的方法，其特征在于，该脉冲持续时间小于或等于10ps。
6.如权利要求5的方法，其特征在于，该脉冲持续时间小于或等于1ps。
7.如权利要求1的方法，其特征在于，该脉冲重叠为至少50％。
8.如权利要求7的方法，其特征在于，该脉冲重叠为至少80％。
9.如权利要求8的方法，其特征在于，该脉冲重叠为至少90％。
10.如权利要求9的方法，其特征在于，该脉冲重叠在95％至98％的范围内。
11.如权利要求1的方法，其特征在于，该脉冲重叠为小于50％。
12.如权利要求1的方法，其特征在于，该z轴平移速度在10μm/s至100μm/s范围内。
13.如权利要求12的方法，其特征在于，该z轴平移速度在30μm/s至80μm/s的范围内。
14.如权利要求13的方法，其特征在于，该z轴平移速度在50μm/s至60μm/s的范围内。
15.如权利要求1的方法，其特征在于，该特征为孔。
16.如权利要求15的方法，其特征在于，该特征为通孔。
17.如权利要求16的方法，其特征在于，该孔的直径在50μm至5mm范围内。
18.如权利要求1的方法，其特征在于，该基板包括蓝宝石。
19.如权利要求1的方法，其特征在于，该基板包括玻璃。
20.一种物品，其特征在于，包含：基板，该基板具有根据权利要求1的制程所形成的孔。
21.一种用于在基板中形成特征的设备，其特征在于，该设备包含：
雷射源，其经配置来产生一射束的雷射脉冲；
射束转向系统，其经配置来沿X及Y轴方向扫描该射束的雷射脉冲；
z轴平移系统，其经配置来使在聚焦该射束的雷射脉冲后产生的射束腰部沿Z轴方向平移；以及
控制器，其耦接至选自由该雷射源、该射束转向系统及该z轴平移系统组成的组中的至少一者，其中该控制器可操作来控制选自由该雷射源、该射束转向系统及该z轴平移系统组成的组中的至少一者来进行如权利要求1的制程。
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