CN113614045A - 采用脉冲激光束聚焦线和气相蚀刻对透明工件进行激光加工的方法 - Google Patents

采用脉冲激光束聚焦线和气相蚀刻对透明工件进行激光加工的方法 Download PDF

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Abstract

透明工件的加工方法包括：引导脉冲激光束进入透明工件中，使得被引导进入到透明工件中的一部分的脉冲激光束在透明工件中产生感应吸收，从而在透明工件内形成损坏线，以及被引导进入到透明工件中的那部分的脉冲激光束包括：波长λ，光斑尺寸wo，和大于FD(方程式(I))的瑞利范围ZR，式中，FD是包含10或更大数值的无量纲发散性因子。此外，对透明工件进行加工的方法包括：用蚀刻蒸汽对透明工件进行蚀刻从而沿着损坏线去除至少一部分的透明工件，从而形成延伸穿过所述至少一部分的透明工件厚度的孔隙。

Description

采用脉冲激光束聚焦线和气相蚀刻对透明工件进行激光加工 的方法
本申请要求2019年2月8日提交的美国临时申请系列第62/802,905号的优先权，本文以其作为基础并将其全文通过引用结合于此。
背景技术
技术领域
本说明书大体上涉及在透明工件中形成穿孔(via)的设备和方法，更具体来说，涉及采用激光加工和气相蚀刻技术在透明工件中形成穿孔。
技术背景
对于各种应用，需要将透明工件构造成具有开口用于后续加工或者用于产品功能性。通常来说，可以使用激光在工件中直接钻孔，但是这种工艺是缓慢的并且特征尺寸受限。其他常规技术可能采用湿蚀刻工艺。但是，蚀刻剂渗透小直径的穿孔和/或孔隙的能力可能导致穿孔和/或孔隙具有窄的腰部而不是圆柱形状。
因此，存在对于在透明工件中形成穿孔和/或孔隙的替代方法的需求。
发明内容
根据各种方面，透明工件的加工方法包括：引导脉冲激光束通过光学系统并进入透明工件中，使得被引导进入到透明工件中的一部分的脉冲激光束在透明工件中产生感应吸收，从而在透明工件内形成损坏线，所述损坏线从透明工件的第一表面延伸穿过至少一部分的透明工件的厚度，被引导进入到透明工件中的那部分的脉冲激光束包括：波长λ，光斑尺寸wo，和大于
Figure BDA0003269638920000011
的瑞利范围ZR，式中，FD是包含10或更大数值的无量纲发散性因子。此外，对透明工件进行加工的方法包括：用蚀刻蒸汽对透明工件进行蚀刻从而沿着损坏线去除至少一部分的透明工件，从而形成延伸穿过所述至少一部分的透明工件的孔隙。
另一个方面包括前述方面的方法，其中，孔隙包括孔隙直径，并且在穿过透明工件的厚度上，孔隙直径变化小于或等于30％。
另一个方面包括任意前述方面的方法，其中，孔隙直径小于约20μm。
另一个方面包括任意前述方面的方法，其中，玻璃基材的平均厚度与所述多个孔隙的平均直径的纵横比大于或等于20:1。
根据各种方面，透明工件的加工方法包括：引导脉冲激光束通过光学系统并进入透明工件中，使得被引导进入到透明工件中的一部分的脉冲激光束在透明工件中产生感应吸收以及在透明工件内生成缺陷，被引导进入到透明工件中的那部分的脉冲激光束包括：波长λ，光斑尺寸wo，和大于
Figure BDA0003269638920000021
的瑞利范围ZR，式中，FD是包含10或更大数值的无量纲发散性因子。方法还包括使得透明工件和脉冲激光束相对于彼此位移，从而形成多个损坏线，该损坏线贯穿透明工件的厚度从透明工件的第一表面延伸到透明工件的第二表面。此外，对透明工件进行加工的方法包括：用蚀刻蒸汽对透明工件进行蚀刻从而沿着所述多个损坏线中的每一个去除至少一部分的透明工件，从而形成延伸穿过透明工件的多个孔隙。所述多个孔隙中的每一个具有：沿着贯穿透明工件的厚度的所述多个孔隙中的每一个的长度小于20μm的平均直径以及小于30％的锥度。
另一个方面包括任意前述方面的方法，其中，孔隙直径小于约15μm。
另一个方面包括任意前述方面的方法，其还包括用湿化学蚀刻溶液对透明工件进行蚀刻从而进一步增加孔隙直径。
另一个方面包括任意前述方面的方法，其还包括在蚀刻过程中，向湿化学蚀刻溶液施加超声。
另一个方面包括任意前述方面的方法，其中，蚀刻蒸汽包括干HF蒸汽。
另一个方面包括任意前述方面的方法，其中，透明工件的厚度与所述多个孔隙的平均直径的纵横比是大于或等于20:1且小于或等于55:1。
另一个方面包括任意前述方面的方法，其中，材料是：高纯度熔凝二氧化硅(HPFS)、硼硅酸盐玻璃或者含有大于或等于95重量％二氧化硅的玻璃。
另一个方面包括任意前述方面的方法，其中，在不存在蚀刻掩蔽的情况下进行透明工件的蚀刻。
根据另一个方面，玻璃制品包括玻璃基材，所述玻璃基材具有：第一主表面和第二主表面，所述第二主表面与所述第一主表面相对并且与所述第一主表面间隔大于或等于50μm且小于或等于1000μm的平均厚度；以及贯穿玻璃基材从所述第一主表面延伸到所述第二主表面的多个孔隙。所述多个孔隙中的每一个具有大于或等于5μm且小于或等于20μm的平均直径，并且玻璃基材的平均厚度与所述多个孔隙的平均直径的纵横比大于或等于20:1。
另一个方面包括前述方面的玻璃制品，其中，纵横比大于或等于30:1。
另一个方面包括任意前述方面的玻璃制品，其中，纵横比大于或等于40:1。
另一个方面包括任意前述三个方面的玻璃制品，其中，所述多个孔隙中的每一个在所述第一主表面处的直径与从所述多个孔隙中的每一个的所述第一主表面开始的玻璃基材的一半平均厚度的距离处的直径之差小于或等于30％。
另一个方面包括任意前述四个方面的玻璃制品，其中，玻璃制品包括高纯度熔凝二氧化硅。
另一个方面包括任意前述五个方面的玻璃制品，其中，玻璃制品包括硼硅酸盐玻璃。
另一个方面包括任意前述六个方面的玻璃制品，其中，玻璃制品包括二氧化硅含量大于或等于95摩尔％的玻璃。
在以下的具体实施方式中提出了本文所述的工艺和系统的其他特征和优点，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看出，或者通过实施包括以下具体实施方式、权利要求书以及附图在内的本文所述的实施方式而被认识。
要理解的是，前述的一般性描述和下文的具体实施方式都描述了各个实施方式且都旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各个实施方式的进一步理解，附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本文所描述的各个实施方式，并且与说明书一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。
附图说明
附图所示的实施方式本质上是示意性和示例性的，并不旨在限制通过权利要求所限定的主题。结合以下附图阅读可以理解如下示意性实施方式的详细描述，其中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：
图1A示意性显示根据本文所述一个或多个实施方式的损坏线的形成；
图1B示意性显示根据本文所述一个或多个实施方式，在透明工件的加工过程中的示例性脉冲激光束聚焦线；
图2示意性显示根据本文所述一个或多个实施方式，用于脉冲激光束加工的光学装配件；
图3示意性显示根据本文所述一个或多个实施方式，具有多个损坏线的透明工件的气相蚀刻；
图4是根据本文所述一个或多个实施方式，在其中形成有多个孔隙的透明工件的横截面；
图5示意性显示根据本文所述一个或多个实施方式，形成透明工件中的缺陷的闭合轮廓线的闭合轮廓；
图6示意性显示根据本文所述一个或多个实施方式，在透明工件中形成穿孔的方法；
图7A是暴露于QNDB激光并且气相蚀刻27分钟的350μm厚的高纯度熔凝二氧化硅基材的俯视图；
图7B是对应于根据图7A所示例子的横截面图；
图7C是暴露于QNDB激光并且气相蚀刻54分钟的350μm厚的高纯度熔凝二氧化硅基材的俯视图；
图7D是对应于根据图7C所示例子的横截面图；
图7E是暴露于QNDB激光并且气相蚀刻108分钟的350μm厚的高纯度熔凝二氧化硅基材的俯视图；
图7F是对应于根据图7E所示例子的横截面图；以及
图8是暴露于QNDB激光并且气相蚀刻27分钟的400μm厚的铝硅酸盐玻璃基材的俯视图。
具体实施方式
下面详细参考用于透明工件(例如，玻璃工件)的激光加工工艺的实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要可能，在附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部分。根据本文所述一个或多个实施方式，可以对透明工件进行激光加工以形成损坏线，可以对所述损坏线进行气相蚀刻以形成延伸穿过透明工件的厚度的孔隙。根据一个实施方式，将脉冲激光束引导通过非球面光学元件(例如，轴椎体)并进入透明工件中。可以利用脉冲激光束聚焦线在透明工件中产生一系列的缺陷，从而形成损坏线，所述损坏线延伸穿过透明工件的厚度从透明工件的第一表面到透明工件的第二表面。在本文中，可以将这些缺陷称作工件中的线缺陷、打孔或者纳米打孔。在各种实施方式中，工艺还包括用蚀刻蒸汽对透明工件进行蚀刻从而沿着损坏线去除至少一部分的透明工件，从而形成延伸穿过透明工件的孔隙。下面将具体结合附图描述用于对透明工件进行加工的方法和设备的各个实施方式。
虽然对透明工件进行加工形成延伸穿过透明工件的一个或多个孔隙的实施方式可以用于各种情况，但是各种实施方式特别适用于在透明工件中形成如下孔隙，其具有：小的直径(例如，小于20μm)和/或透明工件厚度与所述多个孔隙的平均直径的高纵横比(例如，大于或等于20:1)，以及沿着基材的深度具有非常小的孔/孔隙锥度，其定义为孔隙的最大直径与孔隙的最小直径(腰部直径)之差。除此之外，在各种实施方式中，在透明工件的第一表面处的孔/孔隙的直径与透明工件的第二表面处的孔/孔隙的直径相差小于或等于2μm。先前的在透明工件中形成孔隙的方法限制了这些孔隙所能够实现的尺寸和纵横比，并且受限于产生具有明显锥度的孔隙。
如本文所用，短语“透明工件”表示由透明材料形成的工件，其中，如本文所用，术语“透明”表示对于规定脉冲激光波长，对于每mm材料深度材料具有小于约20％的光学吸收(例如小于约10％每mm材料深度)，或者例如对于规定脉冲激光波长，小于约1％每mm材料深度。根据一个或多个实施方式，透明工件可以具有如下厚度：约50微米(μm)至约10mm(例如，约200μm至约500μm，或者约250μm至约400μm，例如：100μm、200μm、250μm、300μm或者500μm等。透明工件也考虑其他厚度，包括最高至约10mm的厚度。
根据一个或多个实施方式，本公开内容提供了加工工件的方法。如本文所用，“激光加工”可以包括在透明工件中形成损坏线。“激光加工”还可以包括形成轮廓线(例如，闭合的轮廓线)、对透明工件进行分离，或其组合。透明工件可以包括玻璃工件。根据一些实施方式，玻璃工件材料是高纯度熔凝二氧化硅(HPFS)。此类高纯度熔凝二氧化硅的例子会是康宁公司的玻璃编号7979、7980和8655。或者，玻璃可以是硼硅酸盐玻璃，主要含有二氧化硅(SiO2)和氧化硼(B2O3)，具有少于10摩尔％的其他构成组分。这些硼硅酸盐玻璃的例子是BorofloatTM、BK7以及康宁公司玻璃编号7070和7740。或者，玻璃可以是高二氧化硅含量的玻璃，含有大于或等于95重量％的二氧化硅。此类高二氧化硅含量的玻璃的例子包括VycorTM。
不受限于理论，具有高水平挥发性物质的玻璃或玻璃陶瓷会被卤化氢(例如，氯化氢、氟化氢、溴化氢和碘化氢)气相蚀刻。可蚀刻物质之外的组分保留为表面残留物或者腐蚀产物，其中一些是水溶性的，从而可以将它们清洗掉，或者其中一些不是水溶性的，从而没有那么容易从穿孔或者通道去除，如下文更详细所述。在气相蚀刻中不是挥发性的元素包括碱性物质(例如，Li、Na、K、Rb和Cs)，但是它们是水溶性的。既不是挥发性也不是水溶性的元素包括碱土元素(例如，Mg、Ca、Sr和Ba)以及稀土元素(例如，Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Er和Yb)。
在各种实施方式中，玻璃或玻璃陶瓷含有对于蚀刻剂而言挥发性的组分。例如，在氟化物的情况下，B2O3和SiO2是最为挥发性的，而碱性元素、碱土元素和稀土元素(REE)则不是。因此，为了对蚀刻进行优化并且避免表面残留物和腐蚀产物，在各种实施方式中，使得(B2O3+SiO2)之和最大化，例如至少大于或等于80重量％。这些硼硅酸盐玻璃的例子包括Schott BorofloatTM和BK7以及康宁公司玻璃编号7740和7070。更优选95重量％或更高的情况，例子包括高二氧化硅玻璃，康宁公司玻璃编号7979、7980和8655。
在HF之外的蚀刻剂中，例如HF、HCl、HBr和HI，除了B和Si之外的其他元素是挥发性的，例如，Sb、As、Sn、Se、Te和S。这扩大了可行的材料范围。
在各种实施方式中，透明工件包括玻璃或玻璃陶瓷，其在卤化氢(HF、HCl、HBr、HI)中具有最大程度的挥发性物质(例如，硅酸盐，(B2O3+SiO2)大于或等于80重量％、大于或等于85重量％、大于或等于90重量％、或者大于或等于95重量％)以及最小程度的非挥发性物质(例如，小于或等于20重量％、小于或等于15重量％、小于或等于10重量％、或者小于或等于5重量％)。在一些此类实施方式中，非挥发性物质可以是水溶性的，从而更容易地去除表面残留物或者腐蚀产物。
在一些实施方式中，例如，在HPFS的情况下，玻璃材料在100℃至200℃的温度范围上会具有0.4-0.6ppm/℃的热膨胀系数(CTE)。对于硼硅酸盐玻璃，CTE通常会是3-5ppm/℃，但是对于要求相对于硅的热膨胀系数更严格匹配的那些电子应用，可能选择对其进行选择使其在20℃至300℃的温度范围上是3-4ppm/℃。对于高二氧化硅含量玻璃，在0至300℃的温度范围上，CTE可能落在0.5-1.0ppm/℃之间。
如本文所用，短语“损坏线”表示由透明工件内的多个缺陷形成的线，其从透明工件的第一表面延伸到透明工件的第二表面，穿过透明工件的厚度。
如本文所用，短语“闭合轮廓线”表示沿着闭合轮廓形成的线(例如，线、曲线等)，所述闭合轮廓沿着透明工件的表面延伸。闭合轮廓限定了所需的特征周界，可以沿着它来去除透明工件的材料，从而在暴露于适当的加工条件之后形成延伸穿过透明工件的一个或多个特征。闭合轮廓线通常由采用各种技术引入到透明工件中的一个或多个缺陷构成。
如本文所用，“缺陷”可以包括：(相对于本体材料)发生材料改性的区域，空穴空间，划痕，瑕疵，孔，或者透明工件中的其他残缺情况，其可以通过向透明工件施加化学蚀刻溶液来实现产生穿过基材的开口或者孔，或者实现沿着闭合轮廓线的透明工件的材料分离。虽然不旨在受限于理论，但是蚀刻蒸汽可以在每个缺陷处以及紧紧围绕每个缺陷的地方(因此，每个损坏线处)去除透明工件的材料，从而将每个缺陷放大成空穴、开口或者通孔。在损坏线形成闭合轮廓线的实施方式中，将缺陷放大成使得由相邻缺陷形成的空穴发生重叠，最终导致透明工件沿着闭合轮廓线的分离并且形成延伸穿过透明工件的特征。
例如，现参见图1A和1B，示意性显示根据本文所述方法进行加工的透明工件160(例如，玻璃工件或玻璃陶瓷工件)。图1A和1B显示在透明工件160中形成损坏线170。图1A和1B显示脉冲激光束112沿着束路径111并取向成使得可以采用非球面光学元件(图2，例如，轴椎体以及一个或多个透镜(例如，如下文所述和图2所示的第一透镜130和第二透镜132))将脉冲激光束112聚焦成透明工件160内的脉冲激光束聚焦线113。此外，脉冲激光束聚焦线113是准非衍射束的一部分，如下文更详细定义。
图1A和1B显示脉冲激光束112形成投射到透明工件160的成像表面162上的束斑114。如本文所用，透明工件160的“成像表面”162是透明工件160中脉冲激光束112最初与透明工件160发生接触的表面。此外，如本文所用，“束斑”指的是激光束(例如，脉冲激光束112)在最初接触工件(例如，透明工件160)的点处的横截面。在一些实施方式中，脉冲激光束聚焦线113在与束路径111垂直的方向上可以包括轴对称横截面(例如，轴对称束斑)，而在其他实施方式中，脉冲激光束聚焦线113在与束路径111垂直的方向上可以包括非轴对称横截面(例如，非轴对称束斑)。如本文所用，轴对称指的是对于绕着中心轴的任何任意旋转角是对称或者看上去是相同的形状，而“非轴对称”指的是对于绕着中心轴的任何任意旋转角不是对称的形状。圆形束斑是轴对称束斑的一个例子，而椭圆形束斑是非轴对称束斑的一个例子。最常见的旋转轴(例如，中心轴)选取为激光束的传播轴(例如，束路径111)。包含非轴对称束横截面的示例性脉冲激光束更详细参见题为“Apparatus and Methods forLaser Processing Transparent Workpieces Using Non-Axisymmetric Beam Spots(采用非轴对称束斑对透明工件进行激光加工的设备和方法)”的美国临时专利申请第62/402,337号所述，其全文通过引用结合入本文。
损坏线170包括多个缺陷，其延伸进入到透明工件160的表面中并且建立起用于后续的透明工件160的材料的优先去除的位置或路径，从而至少沿着损坏线170形成延伸穿过透明工件160的孔隙180(图4)，例如，通过向透明工件160施加蚀刻蒸汽302(图3)。
虽然图1A显示单根损坏线170，但是应理解的是，在各种实施方式中，多根损坏线170可以紧密间隔在一起形成如下多种闭合构造中的任一种的闭合轮廓线，包括但不限于：圆形、椭圆形、正方形、六边形、卵形、规则几何形状、不规则形状、多边形以及任意形状等，例如如图5所示。在此类情况下，相邻损坏线170之间的距离应该足够靠近使得后续蚀刻步骤导致蚀刻特征的汇聚。相邻激光损坏线或位点170之间的间隔或间距可以是例如1-200微米，但是更优选5-50微米，例如10-20微米。
参见图1A和1B，在本文所述的实施方式中，可以将(具有投射到透明工件160上的束斑114的)脉冲激光束112引导到透明工件160上(例如，缩合成高纵横比线聚焦，其穿透通过透明工件160的至少一部分的厚度)。这形成了脉冲激光束聚焦线113。此外，束斑114是脉冲激光束聚焦线113的示例性横截面，并且当脉冲激光束聚焦线113辐射透明工件160(形成束斑114)时，脉冲激光束聚焦线113穿透至少一部分的透明工件160。
此外，脉冲激光束112可以相对于透明工件160发生位移从而形成多个损坏线。将脉冲激光束112引导至或者局部化到透明工件160中，这在透明工件160中产生了感应吸收并且沉积了足够的能量在间隔位置处断开透明工件160中的化学键从而形成所述多个损坏线。根据一个或多个实施方式，可以通过如下方式使得脉冲激光束112在透明工件160上位移：使得透明工件160运动(例如，连接到透明工件160的位移工作台190的运动)，使得脉冲激光束112运动(例如，脉冲激光束聚焦线113的运动)，或者透明工件160和脉冲激光束聚焦线113这两者的运动。通过使得脉冲激光束焦线113相对于透明工件160发生位移，可以在透明工件160中形成所述多个缺陷。
再次参见图1A和1B，用于形成缺陷的脉冲激光束112还具有强度分布I(X,Y,Z)，式中，Z是脉冲激光束112的束传播方向，而X和Y是垂直于传播方向的方向，如附图所示。X方向和Y方向还可以被称作横截面方向，以及X-Y平面可以被称作横截面平面。脉冲激光束112在横截面平面中的强度分布可以被称作横截面强度分布。
在束斑114或者其他横截面处的脉冲激光束112可以包括准非衍射束(例如，以如下数学方式定义的低束发散度的束)，通过使得脉冲激光束112传播(例如，采用束源110输出脉冲激光束112(例如高斯束))通过非球形光学元件120，如下文关于图2所示的光学装配件100更详细所述。束发散度指的是束横截面在束传播方向(即，Z方向)上的扩大速率。如本文所用，短语“束横截面”指的是沿着垂直于脉冲激光束112的束传播方向的平面(例如，沿着X-Y平面)的脉冲激光束112的横截面。本文所讨论的一个示例性束横截面是投射到透明工件160上的脉冲激光束112的束斑114。示例性的准非衍射束包括高斯-贝塞尔束和贝塞尔束。
如上文所述，准非衍射束112C的长度由其瑞利范围所决定。具体来说，准非衍射束112C限定了具有第一端点和第二端点的激光束聚焦线113，分别由如下位置所限定：准非衍射束从束腰部开始传播的等于准非衍射束的瑞利范围的距离。美国临时申请序列第62/402,337号以及荷兰专利申请第2017998号中提供了对于形成准非衍射束以及它们长度的确定的详细描述(包括此类束至不对称(例如非轴对称)束横截面分布的一般性描述)，它们全文通过引用结合入本文。
瑞利范围对应于(相对于如ISO 11146-1:2005(E)的第3.12节所定义的束腰位置的)如下距离：在其上，(相对于束腰位置的方差)，激光束的方差翻倍，并且是激光束的横截面区域的发散度的测量。瑞利范围也可以是沿着束轴观察到的束的横截面分布中所观察的峰值光学强度衰减到束腰部位置(最大强度位置)处的束的横截面分布中观察到的数值的一半的距离。准非衍射束限定了具有第一端点和第二端点的激光束聚焦线。准非衍射束的第一和第二端点定义为准非衍射束从束腰部开始传播至等于准非衍射束的瑞利范围的距离的位置。具有大的瑞利范围的激光束具有低的发散度并且相比于具有小的瑞利范围的激光束在束传播方向上随距离膨胀更为缓慢。
通过形状和尺度来表征束横截面。通过束的斑尺寸来表征束横截面的尺度。对于高斯束，通常将斑尺寸定义为束强度下降到其最大值的1/e2的径向程度。高斯束的最大强度存在于强度分布的中心处(x＝0且y＝0(笛卡尔)或r＝0(圆柱形))，以及相对于中心测量用于确定斑尺寸的径向程度。
具有高斯强度分布的束对于激光加工来形成损坏轨迹是较不优选的，因为当聚焦成足够小的光斑尺寸(例如，微米级的光斑尺寸，例如约1-5μm或者约1-10μm)从而实现激光脉冲能量对材料(例如玻璃)进行改性时，它们高度衍射并且在短的传播距离上明显发散。为了实现低发散性，希望控制或优化脉冲激光束的强度分布以降低衍射。脉冲激光束可以是非衍射或者弱衍射的。弱衍射激光束包括准非衍射激光束。代表性的弱衍射激光束包括：贝塞尔束、高斯-贝塞尔束、艾里束、韦伯束和马修束。
非衍射或者准非衍射束通常具有复杂的强度分布，例如，随着半径不是单调递减的那些。类似于高斯束，对于任何束(甚至是非轴对称束)，有效斑尺寸Wo,eff可以定义为任意方向上强度从最大强度的径向位置(r＝0)降低到最大强度的1/e2的最短径向距离。此外，对于轴对称束，wo,eff是强度从最大强度的径向位置(r＝0)降低到最大强度的1/e2的径向距离。对于轴对称束，可以通过如下方程式(1)所示来规定形成破坏区域的非衍射束或准非衍射束的基于有效斑尺寸Wo,eff的瑞利范围的标准：
Figure BDA0003269638920000101
式中，FD是具有如下值的无量纲发散性因子：至少10、至少50、至少100、至少250、至少500、至少1000、10至2000、50至1500、100至1000。对于非衍射或者准非衍射束，方程式(1)中的距离ZR是FD乘以预期距离，如果使用典型高斯束分布的话(在所述ZR上，有效束尺寸翻倍)。无量纲发散性因子FD提供了判断确定激光束是否为准非衍射的标准。如本文所用，如果对于FD的值≥10，激光束的特性满足方程式(1)，则将脉冲激光束112认为是准非衍射的。随着FD的值增加，脉冲激光束112接近更为近乎完美的非衍射状态。
现参见图2，示意性显示用于产生脉冲激光束112的光学装配件100，所述脉冲激光束112是准非衍射的并且采用非球面光学元件120(例如，轴椎体122)在透明工件160形成脉冲激光束聚焦线113。光学装配件100包括：输出脉冲激光束112的束源110，以及第一和第二透镜130、132。
此外，透明工件160可以放置成使得通过束源110输出的脉冲激光束112在例如穿过非球面光学元件120之后以及在穿过第一透镜130和第二透镜132这两者之后照射到透明工件160。光学轴102在束源110与透明工件160之间沿着Z轴延伸，从而当束源110输出脉冲激光束112时，脉冲激光束112的束路径111沿着光学轴102延伸。如本文所用，“上游”和“下游”指的是两个位置或者组件沿着束路径111相对于束源110的相对位置。例如，如果脉冲激光束112在穿过第二组件之前穿过第一组件，则第一组件位于第二组件的上游。此外，如果脉冲激光束112在穿过第一组件之前穿过第二组件，则第一组件位于第二组件的下游。
通过图2的光学系统产生的示例性准非衍射束的横截面分布(特别是聚焦线113的横截面)可以通过贝塞尔函数描述，并且因此此类激光束常被称作贝塞尔束。在非限制性例子中，准非衍射束的波长约为532nm并且数值孔径约为0.29，这提供了贝塞尔束的中心处的芯的直径约为1.2μm。可以在数百微米的长度上维持这个芯斑中的激光束强度，这远长于等价光斑尺寸的典型高斯分布束的衍射限制的瑞利范围(即，仅数微米)。
作为通过准非衍射束所产生的聚焦线的结果，每个激光脉冲可以使得玻璃片的整个深度发生暴露或者改性。这应该不同于用于优先蚀刻的材料改性的典型高斯激光束(其中，衍射将严格聚焦的(例如，数微米或更小的直径)激光改性限制到微米级或者数十微米的瑞利范围)。在典型高斯束的情况下，在每个所需穿孔的位点处必须使用多个激光脉冲。这使得典型激光加工是缓慢的，通常需要数百个或者甚至数千个脉冲，脉冲传递速率通常不仅受限于可行的激光重复频率并且还受到加热效应的限制，所述加热效应阻碍了对于高脉冲重复频率的使用。这通常将那些激光损坏加工限制到每秒数十或者可能数百个穿孔位点。
相反地，准非衍射束的激光暴露在单个脉冲或者脉冲群的持续时间期间(这通常小于数百纳秒，并且对于单个脉冲甚至可以以数量级缩短时间)使得每个所需的穿孔位点发生完全暴露。因此，QNDB激光暴露的速度仅仅受到使得激光束准确移动到下一个所需穿孔位点的工作台和光学扫描仪的限制，并且通常可以实现接近数千个穿孔/秒的速率。
仍然参见图2，束源110可以包括构造成输出脉冲激光束112的任何已知或者尚待开发的束源110。在运行时，通过透明工件160与束源110输出的脉冲激光束112的相互作用产生损坏线170的缺陷(图1A)。在一些实施方式中，束源110可以输出脉冲激光束112，其包括例如1064nm、1030nm、532nm、530nm、355nm、343nm或266nm或215nm的波长。此外，用于在透明工件160中形成缺陷的脉冲激光束112可以良好地适用于对于选定脉冲激光波长是透明的材料。
用于形成缺陷的合适的激光波长是透明工件160的线性吸收和散射总损耗足够低的波长。在实施方式中，透明工件160在所述波长处由于线性吸收和散射所导致的总损耗小于20％/mm，或者小于15％/mm，或者小于10％/mm，或者小于5％/mm，或者小于1％/mm，其中，量纲“/mm”表示透明工件160中的脉冲激光束112的传播方向(例如，Z方向)上的每毫米距离。用于许多玻璃工件的代表性波长包括：Nd3+的基波和谐波波长(例如Nd3+:YAG或Nd3+:YVO4，基波波长接近1064nm，以及更高阶谐波波长接近532nm、355nm和266nm)。也可以使用满足给定基材材料的总线性吸收和散射损耗要求的光谱的紫外、可见光和红外部分中的其他波长。
在运行时，束源110所输出的脉冲激光束112可以在透明工件160中产生多光子吸收(MPA)。MPA是相同或不同频率的两个或更多个光子的同时吸收，其将分子从一个状态(通常是基态)激发到较高能电子态(即，电离)。所涉及的分子的较低能态与较高能态之间的能量差等于所涉及的光子的能量总和。MPA，也被称作感应吸收，可以是二阶或三阶过程(或者更高阶)，例如，比线性吸收弱数个数量级。其与线性吸收的不同之处在于，例如二阶感应吸收的强度可以与光强度的平方成比例，因此其是非线性光学过程。
产生损坏线170(图1A)的步骤可以利用束源110(例如，超短脉冲激光)结合非球面光学元件120、第一透镜130和第二透镜132，从而将束斑114投射到透明工件160上并产生脉冲激光束聚焦线113。脉冲激光束聚焦线113包括如上文所定义的准非衍射束(例如，高斯-贝塞尔束或者贝塞尔束)，并且可以完全穿透透明工件160从而在透明工件160中形成缺陷，所述缺陷可以形成损坏线170。在一些实施方式中，单个脉冲的脉冲持续时间是约1飞秒至约200皮秒(例如，约1皮秒至约100皮秒或者5皮秒至约20皮秒等)，以及单个脉冲的重复频率可以是约1kHz至4MHz(例如，约10kHz至约3MHz或者约10kHz至约650kHz)。
在各种实施方式中，可以采用能够产生脉冲群的脉冲激光束112。群序列的额外细节可以参见2018年10月17日提交的美国专利申请序列第16/162,644号，其全文通过引用结合入本文。
再次参见图2，将非球面光学元件120放置在束路径111中位于束源110与透明工件160之间。在运行时，脉冲激光束112(例如，输入的高斯束)传播通过非球面光学元件120，这可以使得脉冲激光束112发生变化从而传播离开非球面光学元件120的那部分的脉冲激光束112是如上文所述的准非衍射的。非球面光学元件120可以包括赋予了激光束非球面波阵面(wavefront)的任何光学元件，例如包括非球面形状的透镜。在一些实施方式中，非球面光学元件120可以包括产生锥形波阵面的光学元件，例如：轴锥体透镜，例如负折射率轴锥体透镜、正折射率轴锥体透镜、反射轴锥体透镜、衍射轴锥体透镜或者可编程空间光调制器轴锥体透镜(例如，相位轴锥体)等。
要注意的是，用于照射非球面光学元件120的脉冲激光束112不一定具有高斯分布，并且除此之外，不一定采用轴椎体作为非球面光学元件120来形成准非衍射束122C。因此，可以沿着光学轴形成不同的能量分布，其中，强度可以“顶帽”分布或者其他分布形状的形式。这提供了在透明工件160的深度上更均匀的能量分布或者对能量分布进行调节从而以确定性的方式使得透明工件160的某些区域接收到比其他区域更多或更少能量的能力。产生此类光学件(可以被称作“复合轴锥体(waxicon)”)参见2017年8月29日提交的美国专利申请序列第15/689,456号所述，其全文通过引用结合入本文。
在一些实施方式中，当非球面光学元件120包括轴椎体122时(如图2所示)，轴椎体122可以具有约1.2°的角度的激光输出表面126(例如，锥形表面)，例如：约0.5°至约5°，或者约1°至约1.5°，或者甚至约0.5°至约20°，在脉冲激光束112进入轴椎体122之后，相对于激光输入表面124(例如，平坦表面)测量该角度。此外，激光输出表面126终止于锥尖端。除此之外，非球面光学元件120包括从激光输入表面124延伸到激光输出表面126并且终止于锥尖端的中心线轴125。在其他实施方式中，非球面光学元件120可以包括：复合轴椎体、空间相位调制器(例如，空间光调制器)或者衍射光栅。在运行时，非球面光学元件120将输入的脉冲激光束112(例如，输入的高斯束)成形为准非衍射束，进而将其引导通过第一透镜130和第二透镜132。
仍然参见图2，第一透镜130放置在第二透镜132的上游并且可以在第一透镜130与第二透镜132之间的准直空间134内使得脉冲激光束112准直化。这个空间134中的激光束的横截面分布通常具有环形或者“环状”光的形式，例如，在最终形成高斯-贝塞尔束的情况下。此外，第二透镜132可以将脉冲激光束112聚焦到透明工件160中，所述透明工件160可以放置在成像平面104处。第二透镜132的作用是对准直空间134中的束分布进行光学傅里叶变换。环的傅里叶变换是贝塞尔函数，这是为何通常将环形或者“环状”束输入用作形成贝塞尔状束的原因。将在准直空间134中传播的环形光的改变为特定强度分布或相位可以用于赋予不同于理想贝塞尔函数的形式的聚焦束形状，例如使得贝塞尔状聚焦斑产生更为椭圆形芯，或者导致束的聚焦芯曲线化，如产生艾里束那样的情况。在一些实施方式中，第一透镜130和第二透镜132分别包括平-凸透镜。当第一透镜130和第二透镜132分别包括平-凸透镜时130，第一透镜130和第二透镜132的曲率可以分别朝向准直空间134取向。在其他实施方式中，第一透镜130可以包括其他准直透镜以及第二透镜132可以包括弯月面透镜、球面透镜或者其他更高阶校准的聚焦透镜。
再次参见图1A-2，形成包含缺陷的损坏线170的方法包括：将沿着束路径111取向并由束源110输出的脉冲激光束112引导(例如，局部化)至透明工件160中，使得引导到透明工件160中的那部分脉冲激光束112在透明工件中产生感应吸收并且感应吸收在透明工件160中产生多个缺陷。例如，脉冲激光束112可以包括足以超过透明工件160的损坏阈值的脉冲能和脉冲持续时间。在一些实施方式中，将脉冲激光束112引导到透明工件160中包括将由束源110输出的脉冲激光束112聚焦成沿着束传播方向(例如，Z轴)取向的脉冲激光束聚焦线113。将透明工件160放在束路径111中，至少部分重叠脉冲激光束112的脉冲激光束聚焦线113。因此，将脉冲激光束聚焦线113引导到透明工件160中。脉冲激光束112(例如，脉冲激光束聚焦线113)在透明工件160中产生感应吸收从而在透明工件160中产生多个缺陷，从而形成损坏线。在一些实施方式中，可以以数百千赫的速率产生单独的缺陷(即，每秒数十万个缺陷)。
在一些实施方式中，非球面光学元件120可以将脉冲激光束112聚焦成脉冲激光束聚焦线113。在运行时，可以通过相对于透明工件160适当地放置和/或对齐脉冲激光束112以及通过对光学装配件100的参数进行适当选择，来控制脉冲激光束聚焦线113的位置。例如，可以沿着Z轴和绕着Z轴控制脉冲激光束聚焦线113的位置。此外，脉冲激光束聚焦线113可以具有约0.1mm至约100mm或者约0.1mm至约10mm的长度范围。各种实施方式可以构造成使得脉冲激光束聚焦线113的长度l是：约0.1mm、约0.2mm、约0.3mm、约0.4mm、约0.5mm、约0.7mm、约1mm、约2mm、约3mm、约4mm、或者约5mm，例如约0.5mm至约5mm。
仍然参见图1A-2，透明工件160的加工方法可以包括：使得透明工件160相对于脉冲激光束112位移(或者脉冲激光束112可以相对于透明工件160位移)，例如呈位移方向，从而形成多个损坏线170，有时也称作损坏轨迹。在一些实施方式中，所述多个损坏线可以形成闭合轮廓从而勾画出所需的特征周界，可以在后续的气相蚀刻步骤之后在透明工件160中形成所述特征。损坏线可以穿透玻璃的整个深度。应理解的是，虽然有时候描述为“孔”或者“孔状”，但是本文公开的缺陷和由此形成的损坏线通常可能不是空穴空间，而是透明工件160已经被如本文所述的激光加工进行了改性的部分，从而使得该部分的透明工件160更容易进行蚀刻。
在一些实施方式中，损坏线170通常可能相互间隔大于约10μm的距离。例如，损坏线170之间合适的间距可以是约10μm至约500μm。预期可以基于特定的半导体性质和要求来对损坏线170之间的距离进行选择。在一些其他实施方式中，例如对损坏线170进行蚀刻从而导致经过蚀刻的特征汇聚的实施方式中，相邻激光损坏线或位点170之间的间隔或间距可以是例如：大于或等于1μm且小于或等于200μm，大于或等于5μm且小于或等于50μm，或者甚至大于或等于10μm且小于或等于20μm。此外，可以通过采用一个或多个位移工作台190使得透明工件160和/或束源110发生移动，来进行透明工件160相对于脉冲激光束112的位移。
现参见图3，在透明工件160中形成损坏线170之后，可以沿着损坏线对透明工件160进行气相蚀刻，从而形成延伸穿过透明工件160的孔隙180。例如，可以通过至少沿着损坏线170将透明工件160暴露于蚀刻蒸汽302来对透明工件160进行气相蚀刻。在各种实施方式中，可以在不存在蚀刻掩蔽的情况下降透明工件160暴露于蚀刻蒸汽，但是在一些实施方式中，也可以使用蚀刻掩蔽。换言之，在本文所述的各种实施方式中，可以通过蚀刻工艺在不需要掩蔽的情况下形成穿过透明工件160的孔隙180，但是没有特别地排除使用掩蔽的情况。
在各种实施方式中，蚀刻蒸汽302是干蚀刻蒸汽，其可以包括气体形式的蚀刻剂，例如HF。HF会与玻璃基材中存在的二氧化硅反应从而形成四氟化硅和水蒸气。在一些实施方式中，还存在醇，这起到使得蚀刻蒸汽离子化的作用并且可以作为催化剂。不受限于理论，相信气态蚀刻剂相比于湿化学蚀刻溶液可以更高效地渗透损坏线170。此外，相信可以将蚀刻剂渗透或扩散进入到透明工件160的深度中的速率控制到比蚀刻的反应速率更快，这进而可以实现孔隙形状的控制。例如，在各种实施方式中，蚀刻蒸汽扩散进入到透明工件160中的速率可以远快于蚀刻的反应速率，这会导致形成更为圆柱状的孔隙而不是“沙漏”形状的孔隙，当激光改性玻璃的蚀刻速率在靠近基材表面处大于玻璃体内的深处时，形成所述“沙漏”形状的孔隙。在其他实施方式中，可以具体地确定蚀刻蒸汽进入激光改性玻璃中的扩散速率来实现特定的腰部开口。
如本文所用，术语“圆柱状”表示对于孔隙或“穿孔”，在透明工件160的厚度上的直径变化小于或等于30％或者小于或等于20％。可以通过如下方式来计算穿孔的直径变化：得到测得的最大的穿孔直径与测得的最小的穿孔直径之差，并将该结果除以测得的最大的穿孔直径。在实施方式中，采用穿孔的SEM横截面或者从顶侧/底侧对穿孔进行光学测量(例如，对顶部、底部、腰部进行测量)来测量直径。除非另有说明，否则采用SEM横截面测量直径。如本文所用，术语“腰部”指的是穿孔或孔隙在其最窄点的直径或者穿孔的最小直径。
在各种实施方式中，可以在约10千帕(kPa)至约20kPa的压力下进行气相蚀刻。预期在各种实施方式中，可以对工艺的压力和温度以及蚀刻蒸汽的量进行调节来控制蚀刻剂进入透明工件160中的扩散速率。市售可得的合适的气相蚀刻系统包括例如但不限于购自奥博泰克公司(以色列)的商标名为SPTS的那些。
通常来说，通过准非衍射束产生的激光改性区域对于液相蚀刻剂的渗透和整个基材深度上的均匀蚀刻是非常具有挑战性的。为了通过液相蚀刻使得穿孔完全打开，也就是说，在基材的整个深度上去除了玻璃的透彻开放通道会需要：对于进入到基材深度中每5μm的蚀刻渗透而言约1μm的穿孔入口/出口直径的穿孔直径生长。这意味着对于液相蚀刻，实现纵横比>10:1的穿孔会是具有挑战性的。即使实现了充分的液相蚀刻来打开穿孔，穿孔通常会具有“沙漏”形状，其中，穿孔的腰部直径远小于穿孔的顶部/底部直径，例如<70％的顶部/底部直径(即，直径差异>30％)，或者<50％的顶部/底部直径(即，直径差异>50％)，或者<30％的顶部/底部直径(即，直径差异>70％)。此外，假设没有使用掩模来勾画出绕着穿孔/激光损坏的区域的话，采用液相蚀刻这意味着要确保蚀刻剂渗透到玻璃的中心厚度，还会发生明显的表面去除(薄化)。例如，1:5的穿孔直径生长与蚀刻渗透深度之比意味着对于液相蚀刻，要在300μm厚的玻璃中形成贯穿孔，必须形成至少30μm直径的孔，因此会需要完成至少30μm的表面去除(薄化)。采用掩模(例如氧氮化硅涂层)来实现穿孔自身在液相HF中蚀刻而没有发生表面薄化，导致其他穿孔形状复杂度，例如在穿孔边缘处的掩模的蚀刻咬边。
因此，准非衍射束激光改性的气相蚀刻可以帮助实现对于穿孔尺寸而言明显不同且有利的性质。在蚀刻之后，各种实施方式实现了透明工件160的平均厚度t(如图4所示)与孔隙的平均直径d的纵横比为大于或等于20:1。例如，纵横比可以是大于或等于30:1，大于或等于40:1，或者甚至大于或等于50:1。在一些实施方式中，纵横比小于或等于55:1。此外，延伸穿过玻璃基材的孔隙通常具有大于或等于5μm且小于或等于50μm，小于或等于20μm，小于或等于15μm，或者甚至小于或等于10μm的平均直径。尽管考虑了具有较大直径的孔隙，但是应理解的是，在各种实施方式中，对透明工件进行蚀刻的反应速率会限制加工时间并且因而限制经济可行性。
在一些实施方式中，可以对透明工件进行湿蚀刻从而进一步增加孔隙的直径。例如，可以通过向透明工件160施加包含化学蚀刻剂的湿化学蚀刻溶液来对透明工件160进行湿蚀刻。湿化学蚀刻溶液可以是例如喷洒到透明工件上，或者可以将透明工件浸入含化学蚀刻溶液的浴中。当使用湿蚀刻来增加延伸穿过透明工件160的所述一个或多个孔隙180的直径时，可能希望使得从透明工件160的表面去除的材料量最小化(即，尽可能小的厚度去除)以及使得每个孔隙180的深度上的均匀材料去除最大化。这可以通过使得蚀刻速率最小化来实现，如下文更详细所述。
孔隙180提供了湿蚀刻溶液渗透进入到透明工件160的深度中以及从孔隙180中和周围去除透明工件160的材料的路径，增加了穿孔的直径。在一些实施方式中，湿蚀刻溶液可以去除沿着闭合轮廓线的相邻孔隙180之间的透明工件160的材料，从而从透明工件160的余下部分分离了闭合轮廓线内的透明工件160的材料，从而形成特征。
虽然不希望受限于理论，但是孔隙180的湿蚀刻可能导致形成沙漏形状轮廓，其中，孔隙180在透明工件160的主表面处的直径大于孔隙的深度中(例如，透明工件160的每个主表面之间的大致一半处)的腰部直径，如图6所示。如本文所用，“主表面”指的是透明工件160的成像表面162以及与成像表面162相对的表面(例如，背表面)。这种沙漏形状轮廓是由于穿过孔隙180的深度(即，扩散通过孔隙180的深度)的化学蚀刻溶液的初始限制所导致的。因此，当化学蚀刻溶液接触透明工件160时，孔隙180在主表面处以及靠近主表面处的部分会立即发生蚀刻；而孔隙180在透明工件160中的部分直到化学蚀刻溶液扩散通过孔隙180的深度(即，从每个主表面扩散到孔隙180的腰部)才会发生蚀刻。
在采用气相蚀刻和湿化学蚀刻工艺这两者的实施方式中，可以通过对每个工艺所进行的蚀刻量进行调节来控制孔隙180的特定形状。例如，对于更为圆柱形的孔隙，可以首先进行更长时间量的气相蚀刻，然后可以进行较短时间量的湿化学蚀刻(相比于实现更为沙漏形状的孔隙的加工方法而言)。作为补充或替代，可以对一种或两种蚀刻工艺的蚀刻速率进行调节从而调节孔隙180的形状。
在实施方式中，在湿化学蚀刻期间，孔隙180在主表面处的直径可能大于孔隙180的腰部直径。此外，一旦湿化学蚀刻溶液穿过孔隙180(即，达到孔隙180的腰部/中心)，每个孔隙180的表面直径与腰部直径之间的差异会在之后保持恒定。因此，使得蚀刻速率最小化会使得透明工件160的材料的厚度损失最小化并且使得孔隙180的表面直径与腰部直径之间的差异最小化，因为使得蚀刻速率最小化这使得在湿化学蚀刻溶液之前被去除的透明工件160的材料量延伸穿过透明工件160的深度最小化。换言之，使得蚀刻速率最小化会使得每个孔隙180的深度上的材料去除的均匀性最大化，从而使得孔隙180在主表面处的直径与孔隙180的腰部直径之间的差异最小化。此外，增加孔隙180的均匀性导致孔隙180更均匀的壁(即，孔隙壁近乎垂直于或者完全垂直于透明工件160的主表面)。
虽然不打算受限于理论，但是蚀刻速率是化学蚀刻工艺的蒂勒模量
Figure BDA0003269638920000181
的可控变量，其在数字上代表了蚀刻速率与扩散速率之比，如Thiele,E.W的“颗粒的催化活性与尺寸之间的关系(Relation between catalytic activity and size of particle)”，工业工程化学，31(1939)，第916-920页所述。当蚀刻速率大于扩散时间时，蒂勒模量会大于1。这意味着引入到孔隙180中的初始湿化学蚀刻溶液会在其达到孔隙180的腰部(例如中心)之前被消耗掉，其中，其会被来自透明工件160的相对表面的那部分的孔隙180的额外化学蚀刻剂的扩散所补充。作为结果，在孔隙180的顶部和底部的湿化学蚀刻的开始会早于中心处(例如，腰部)，导致从孔隙180形成沙漏状的形状。但是，如果扩散时间等于或大于蚀刻速率，则蒂勒模量会小于或等于1。在此类情况下，沿着整个孔隙180的化学蚀刻剂浓度会是均匀的，并且会对孔隙180进行均匀蚀刻，得到沿着每个孔隙180基本圆柱形的空穴。
如本文所述，可以对蚀刻速率进行控制来控制湿化学蚀刻过程的蒂勒模量，并且从而控制沿着孔隙180形成的腰部直径的扩张比与由孔隙180形成的空穴的顶部和底部开口的直径的扩张比。此外，在一些实施方式中，本文所述的化学蚀刻过程的蒂勒模量会是：小于或等于约5，小于或等于约4.5，小于或等于约4，小于或等于约3.5，小于或等于约3，小于或等于约2.5，小于或等于约2，小于或等于约1.5，或者小于或等于约1。
可以通过如下方式降低蚀刻速率：降低湿化学蚀刻溶液的化学蚀刻剂的浓度，降低湿化学蚀刻溶液的温度，在蚀刻过程中采用例如超声或者物理运动等方式来搅动湿化学蚀刻溶液。此外，蚀刻速率可能受到透明工件160的组成的影响。
图6示意性显示示例性方法，其中，对透明工件160进行激光改性以产生延伸穿过透明工件160的多个损坏线170，然后进行气相蚀刻来产生孔隙180。在形成孔隙180之后，可以使用湿化学蚀刻溶液将穿孔或者孔隙湿蚀刻至特定形状。如图6所示，可以使用较为缓慢的湿蚀刻来产生具有更为圆柱状形状，而较为快速的湿蚀刻可以用来产生具有较小腰部的孔隙180。
在各种实施方式中，湿化学蚀刻溶液可以是包含化学蚀刻剂和去离子水的水性溶液。在一些实施方式中，化学蚀刻剂可以包含第一酸和第二酸。第一酸可以是氢氟酸，而第二酸可以是硝酸、盐酸或者硫酸。在一些实施方式中，化学蚀刻剂可以仅包含第一酸。在一些实施方式中，化学蚀刻剂可以包含除了氢氟酸之外的第一酸和/或除了硝酸、盐酸或硫酸之外的第二酸。例如，在一些实施方式中，第一酸化学蚀刻剂可以包含约1体积％氢氟酸至约15体积％氢氟酸，例如：约2.5体积％氢氟酸至约10体积％氢氟酸，2.5体积％氢氟酸至约5体积％氢氟酸，以及其间的所有范围和子范围。此外，在一些实施方式中，第二酸可以包含约1体积％氢氟酸至约20体积％硝酸，例如：约2.5体积％硝酸至约15体积％硝酸，2.5体积％硝酸至约10体积％硝酸，2.5体积％硝酸至约5体积％硝酸，以及其间的所有范围和子范围。又例如，化学蚀刻剂可以包含10体积％氢氟酸/15体积％硝酸，5体积％氢氟酸/7.5体积％硝酸，2.5体积％氢氟酸/3.75体积％硝酸，5体积％氢氟酸/2.5体积％硝酸，或者2.5体积％氢氟酸/5体积％硝酸等。此外，降低化学蚀刻溶液中的化学蚀刻剂的浓度可以降低蚀刻速率。因此，在化学蚀刻溶液中使用最小有效浓度的化学蚀刻剂可能是有利的。
在各种情况下，湿化学蚀刻溶液可以是氢氧化物溶液，例如NaOH或KOH。用于在高纯度熔凝二氧化硅或者其他玻璃中的蚀刻穿孔的示例性溶液是195°F(约90℃)的12MNaOH。
在一些实施方式中，当透明工件160置于化学蚀刻浴中的时候，可以对湿化学蚀刻溶液进行搅动。例如，化学蚀刻溶液可以进行机械搅动、超声搅动，或其组合。搅动可以增加化学蚀刻溶液穿过孔隙180的深度的扩散速率，从而有助于更快速的分离的同时限制材料去除和促进均匀形状的孔隙。在一些实施方式中，可以以X、Y和Z方向对化学蚀刻浴进行机械搅动从而改善孔隙180的均匀蚀刻。X、Y和Z方向的机械搅动可以是连续的或者变化的。在一些实施方式中，化学蚀刻浴可以包括一个或多个构造成产生化学蚀刻浴内的化学蚀刻溶液的超声搅动的超声换能器。例如，超声换能器可以位于化学蚀刻浴的底部或者化学蚀刻浴的一侧或多侧。
不受限于理论，相信在孔隙180在透明工件160的整个深度上打开之前向化学蚀刻浴施加超声搅动可以导致在孔隙180中形成大空穴。但是，如果孔隙180从透明工件的第一主表面打开到透明工件的第二主表面，则可能施加超声搅动而没有形成此类空穴。因此，在各种实施方式中，经由气相蚀刻形成开放孔隙使得能够从湿化学蚀刻过程的开始时使用超声搅动，从而降低了在孔隙中产生空穴的可能性。
此外，如上文所述，在各种实施方式中，可以使用多个损坏线来形成闭合轮廓线。当由多个损坏线的蚀刻所形成的孔隙的直径增加时，可以去除相邻孔隙之间的材料，导致一部分的透明工件沿着闭合轮廓线发生分离。例如，如图5所示，闭合轮廓线570沿着闭合轮廓565延伸，其勾画出了沿其可以在透明工件160中形成一个或多个特征的目标分离线。闭合轮廓线570包括多根损坏线170，其延伸进入到透明工件160的表面中并且建立起了被轮廓线570封闭的透明工件160的材料与余下的透明工件160发生分离的路径，从而形成了延伸穿过透明工件160的特征，例如这是通过沿着闭合轮廓线570向透明工件160施加气相蚀刻剂。在相邻孔隙汇聚使得该部分的透明工件分离之后，形成包含这一系列孔隙的边缘。在一些此类实施方式中，边缘(或者至少其一部分)包括汇聚的部分孔隙。换言之，边缘可能不是光滑的，作为替代，可能包括之前形成孔隙的多个凹口或凹痕。
形成闭合轮廓线以及采用闭合轮廓线在透明工件中形成特征的其他细节可参见2018年10月17日提交的美国专利申请序列第16/162,644号，其全文通过引用结合入本文。
所得到的部件边缘的形貌会是由激光导致的任何破损(例如，微裂纹)与蚀刻特征(例如，汇聚在一起使得内部轮廓与余下工件发生分离的穿孔)的组合。通常来说，在赋予材料足够的激光改性来实现液体蚀刻剂的快速渗透与尝试使得激光导致的微开裂最小化从而产生光滑或牢固边缘之间存在平衡。如果是弱激光改性的话，那么微裂纹最小化，但是使得蚀刻剂渗透较为缓慢且不是那么有效。因此，对于液相蚀刻的部件，边缘通常具有由于蚀刻的微裂纹所导致的纹理化外观。此类特征会使得玻璃边缘产生“橘皮”状纹理。但是，通过气相蚀刻，通过蒸汽甚至可以对中等材料改性进行蚀刻，意味着所得到的部件边缘会更为光滑，表现为个体激光改性汇聚在一起的圆柱形状特征。
实施例
以下实施例阐述了本文所述实施方式的一个或多个特征。
将厚度为350μm的高纯度熔凝二氧化硅样品暴露于QNDB激光并进行气相蚀刻来形成穿过样品厚度的穿孔。图7A-7F显示QNDB激光暴露与气相蚀刻的结果。采用532nm波长、约0.7mm聚焦线长度、约1.2微米直径、80μJ/群的群能量和15个脉冲/群的高斯-贝塞尔束对每个穿孔位点进行激光暴露。在激光暴露之后，采用无水HF和乙醇蒸汽的组合以约0.23μm/分钟的蚀刻速率对部件进行气相蚀刻。图像显示穿孔在蚀刻之后的入口直径(图7A、7C和7E)，以及开放穿孔轨迹的横截面轮廓(图7B、7D和7F)。在这些图像中，暗色区域表明已经去除了材料的玻璃中的开口。具体来说，图7A和7B显示27分钟蚀刻暴露之后的8微米直径的穿孔，图7C和7D显示54分钟蚀刻暴露之后的13μm直径的穿孔，以及图7E和7F显示108分钟蚀刻暴露之后的27μm直径的穿孔。在所有情况下，穿孔的横截面轮廓(图7B、7D和7F)都显示<<20％的穿孔顶部直径(具体来说，<5％的穿孔顶部直径)的可忽略不计的穿孔直径锥度。350μm厚的玻璃中的8μm穿孔对应于约350/8＝44:1的纵横比，在穿孔的顶部与玻璃的中部之间的直径锥度<1μm(在精确测量能力内)，这代表了穿孔深度上<13％直径的变化。
相反地，图8显示相同的QNDB激光暴露和27分钟气相蚀刻以尝试在400μm厚EagleXG(铝硅酸盐玻璃)中产生穿孔的结果。在这个情况下，在玻璃中的激光损坏位点处存在小的开口，但是穿孔没有被蚀刻打开。此外，存在明显的表面纹理，代表了部件的“结皮(crust)”。在这种情况下，HF蒸汽已经与铝硅酸盐玻璃发生反应并且开始蚀刻过程，但是形成了不溶于HF蒸汽(非挥发性的)明显的副产物，并且形成结皮，这同时导致了表面纹理并且阻塞了HF蒸汽的渗透继续蚀刻玻璃主体中的激光改性，从而在激光改性位点没有形成贯穿开口。这表明玻璃的选择对于激光暴露的穿孔位点的气相蚀刻能力具有明显影响，并且副产物的形成是关键的。在EXG玻璃的情况下，组合物含有显著比例的Al2O3、CaO、MgO、SrO和SrO，构成了>20％的玻璃组成(以摩尔％计)。因此，在EXG玻璃中存在许多元素，当与HF反应时，会形成积聚在玻璃表面上并且阻碍了进一步蚀刻的非挥发性化合物。
但是，玻璃中的SiO2会在HF气相蚀刻过程中形成挥发性化合物，这是为何高纯度熔凝二氧化硅(100％SiO2)持续蚀刻并导致开放穿孔的原因。此外，许多玻璃组合物(例如，硼硅酸盐玻璃中)以显著比例存在的B2O3也会形成挥发性化合物-原硼酸。因此，高二氧化硅含量玻璃(此处定义为玻璃含有>95SiO2，以摩尔％计)和硼硅酸盐玻璃(本文定义为玻璃主要含有二氧化硅(SiO2)和氧化硼(B2O3)，以摩尔％计，具有少于10％的其他构成组分)都预期能够成功地进行气相蚀刻来形成穿孔。
基于上文所述，应理解的是，可以通过采用脉冲激光束聚焦线形成的损坏线的气相蚀刻来形成具有小直径和高纵横比的孔隙。此外，应理解的是，可以在气相蚀刻之后使用湿蚀刻技术来快速地增加孔隙直径。
本文中，范围可以表示为从“约”另一个具体值开始和/或至“约”另一个具体值终止。当表述这样的范围时，另一个实施方式包括自所述一个具体数值始和/或至所述另一具体数值止。类似地，当用先行词“约”将数值表示为近似值时，应理解具体数值构成了另一个实施方式。还会理解的是，每个范围的端点在与另一个端点有关及独立于另一个端点时都是重要的。
本文所用的方向术语，例如上、下、右、左、前、后、顶、底，仅仅是参照绘制的附图而言，并不用来暗示绝对的取向。
除非另有明确说明，否则本文所述的任何方法不应理解为其步骤需要按具体顺序进行，或者要求使任何设备具有特定取向。因此，如果方法权利要求没有实际叙述其步骤要遵循的顺序，或者任何设备权利要求没有实际叙述各组件的顺序或取向，或者权利要求书或说明书中没有另外具体陈述步骤限于具体顺序，或者没有叙述设备组件的具体顺序或取向，那么在任何方面都不应推断顺序或取向。这同样适用于任何可能的未明确表述的解释依据，包括：关于设置步骤、操作流程、组件顺序或组件取向的逻辑；由语法结构或标点获得的一般含义；以及说明书所述的实施方式的数量或种类。
除非上下文另外清楚地说明，否则，本文所用的单数形式“一个”、“一种”以及“该”包括复数指代。因此，例如，提到的“一种”部件包括具有两种或更多种这类部件的方面，除非文本中有另外的明确表示。
对本领域的技术人员显而易见的是，可以对本文所述的实施方式进行各种修改和变动而不偏离要求保护的主题的精神和范围。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各个实施方式的修改和变化形式，条件是这些修改和变化形式落入所附权利要求及其等同内容的范围之内。

Claims (20)

1.一种用于对透明工件进行加工的方法，该方法包括：
引导脉冲激光束通过光学系统并进入透明工件中，使得被引导进入到透明工件中的一部分的脉冲激光束在透明工件中产生感应吸收，所述感应吸收在透明工件中产生多个缺陷从而在透明工件内形成损坏线，所述损坏线从透明工件的第一表面延伸穿过至少一部分的透明工件的厚度，被引导进入到透明工件中的那部分的脉冲激光束包括：
波长λ；
斑尺寸wo；和
大于
Figure FDA0003269638910000011
的瑞利范围ZR，式中，FD是包含10或更大数值的无量纲分歧因子；以及
用蚀刻蒸汽对透明工件进行蚀刻从而沿着损坏线去除至少一部分的透明工件，从而形成延伸穿过所述至少一部分的透明工件厚度的孔隙。
2.如权利要求1所述的方法，其中，孔隙包括孔隙直径，并且在穿过透明工件的厚度上，孔隙直径变化小于或等于30％。
3.如权利要求2所述的方法，其中，孔隙直径小于约20μm。
4.如权利要求2或3中任一项所述的方法，其中，透明工件的平均厚度与所述多个孔隙的平均直径的纵横比大于或等于20:1。
5.如权利要求2或3中任一项所述的方法，其还包括用湿化学蚀刻溶液对透明工件进行蚀刻从而进一步增加孔隙直径。
6.如权利要求5所述的方法，其还包括在蚀刻过程中向湿化学蚀刻溶液施加超声。
7.如权利要求1所述的方法，其中，蚀刻蒸汽包括干HF蒸汽。
8.一种玻璃制品，其包含：
具有第一主表面和第二主表面的玻璃基材，所述第二主表面与所述第一主表面相对并且通过厚度与所述第一主表面间隔开；和
延伸穿过玻璃基材从第一主表面到第二主表面的多个孔隙，其中：
所述多个孔隙中的每一个具有大于或等于5μm且小于或等于20μm的平均直径；以及
玻璃基材的平均厚度与所述多个孔隙的平均直径的纵横比大于或等于20:1。
9.如权利要求8所述的玻璃制品，其中，纵横比大于或等于30:1。
10.如权利要求8所述的玻璃制品，其中，纵横比大于或等于40:1。
11.如权利要求8-10中任一项所述的玻璃制品，其中，所述多个孔隙中的每一个在所述第一主表面处的直径与从所述多个孔隙中的每一个的所述第一主表面开始的玻璃基材的一半平均厚度的距离处的直径之差小于或等于30％。
12.如权利要求8-10中任一项所述的玻璃制品，其中，玻璃制品包括高纯度熔凝二氧化硅。
13.如权利要求8-10中任一项所述的玻璃制品，其特征在于，所述玻璃制品包括硼硅酸盐玻璃。
14.如权利要求8-10中任一项所述的玻璃制品，其中，玻璃制品包括二氧化硅含量大于或等于95摩尔％的玻璃。
15.一种用于对透明工件进行加工的方法，该方法包括：
引导脉冲激光束通过光学系统并进入透明工件中，使得被引导进入到透明工件中的一部分的脉冲激光束在透明工件中产生感应吸收，所述感应吸收在透明工件中产生缺陷，被引导进入到透明工件中的那部分的脉冲激光束包括：
波长λ；
斑尺寸wo；和
大于
Figure FDA0003269638910000031
的瑞利范围ZR，式中，FD是包含10或更大数值的无量纲分歧因子；以及
使得透明工件和脉冲激光束相对于彼此位移，从而形成多个损坏线，该损坏线贯穿透明工件的厚度从透明工件的第一表面延伸到透明工件的第二表面；以及
用蚀刻蒸汽对透明工件进行蚀刻从而沿着所述多个损坏线中的每一个去除至少一部分的透明工件，从而形成延伸穿过透明工件的多个孔隙，其中，所述多个孔隙中的每一个沿着穿过透明工件的厚度的所述多个孔隙中的每一个的长度具有小于20μm的平均直径和小于30％的锥度。
16.如权利要求15所述的方法，其中，透明工件的厚度与所述多个孔隙的平均直径的纵横比是大于或等于20:1且小于或等于55:1。
17.如权利要求15或16中任一项所述的方法，其中，透明工件包括：高纯度熔凝二氧化硅、硼硅酸盐玻璃、或者二氧化硅含量大于或等于95摩尔％。
18.如权利要求15-17中任一项所述的方法，其中，在没有蚀刻掩蔽的情况下进行透明工件的蚀刻。
19.如权利要求15-17中任一项所述的方法，其还包括用湿化学蚀刻溶液对透明工件进行蚀刻从而增加所述多个孔隙中的每一个的平均直径。
20.如权利要求19所述的方法，其还包括在蚀刻过程中向湿化学蚀刻溶液施加超声。
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