CN115138997B - 一种多点贝塞尔光束玻璃打孔装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多点贝塞尔光束玻璃打孔装置及方法。其中，玻璃打孔装置包括激光出射装置、锥透镜、4f系统、聚焦镜和位移台，激光出射装置形成入射激光，锥透镜将入射激光转变为贝塞尔光束，贝塞尔光束射入4f系统后，将经过透射式整形器件，最终射出4f系统，或贝塞尔光束射入4f系统后，将在偏振分束棱镜处被反射，经过1/4波片然后到达反射式整形器件，经反射式整形器件反射，再次经过1/4波片然后穿过偏振分束棱镜，最终射出4f系统，聚焦镜对平行的各个贝塞尔光束进行聚焦，形成多点贝塞尔光束，位移台搭载玻璃样品，并带动玻璃样品移动。本发明可成倍地提高玻璃通孔的加工效率，而不影响孔加工的质量和锥度，非常适合大幅面TGV的工程化应用。

Description

一种多点贝塞尔光束玻璃打孔装置及方法

技术领域

本发明涉及超快激光微纳加工技术领域，尤其涉及一种多点贝塞尔光束玻璃打孔装置及方法。

背景技术

随着智能手机、物联网、汽车电子、高性能计算、5G、人工智能等新兴领域的蓬勃发展，各种新的应用对先进封装提出更高的要求，硅基转接板2.5D集成技术作为先进系统集成技术，可实现多芯片高密度三维集成，易于实现异质集成，近年得到了迅猛的发展。然而硅基转接板成本高、电学性能差成为阻碍其进一步发展的重要因素。

玻璃作为一种可能替代硅基转接板的材料，玻璃通孔（TGV）与硅通孔（TSV）相比，具有低成本、大尺寸超薄玻璃衬底易获取、高频电学性能优异、机械稳定性强等优点，目前已成为3D半导体封装领域研究重点和热点。

制约玻璃转接板技术发展的主要困难之一就是TGV深孔成形工艺。近年来，许多研究工作都在致力于研发低成本、小尺寸、细间距、无损快速成孔技术，现已开发的玻璃成孔技术有等离子体刻蚀、喷砂法、聚焦放电、光敏玻璃、电化学、激光烧蚀等。但这些方法都存在一些无法克服的缺点，比如：喷砂法和电化学法孔径及孔间距大；光敏玻璃价格昂贵；等离子体刻蚀工艺复杂；聚焦放电和激光刻蚀存在锥度。综合来看，由于玻璃材料易碎、表面平滑、化学惰性特点，现有技术尚不能实现TGV规模化生产及应用。

激光诱导化学腐蚀是基于激光技术和化学方法发展起来的一种新型TGV技术，先利用超快激光在玻璃内加工形成改性区域，然后采用化学腐蚀剂对改性区域进行腐蚀，既克服了激光直接刻蚀速度慢、存在裂纹的缺点，也解决了化学腐蚀无法定向蚀刻的问题。具有成孔快、可制作高密度高深宽比的玻璃通孔、无损伤的优点，有望成为TGV的主流技术。然而，激光由于高斯分布及其聚焦特性，在加工玻璃改性区域时总是存在锥度的问题，导致刻蚀出来的孔不垂直，影响器件性能。

贝塞尔光束是一种无衍射光束，在一定距离内可以随着距离增加而光斑保持不变，即可认为其具有较长的焦深，这对于玻璃高深径比直通孔的加工来说是一种绝佳的工具。可以先采用贝塞尔光束对玻璃进行改性，然后再对改性后的玻璃进行化学腐蚀，即可实现高质量的玻璃直通孔。目前此方法已在工程上得到应用，具有不错的加工效果。但随着工程需求的持续增加，对加工效率的要求也越来越高，现有加工效率越来越难以满足工程上对大幅面高密度的加工追求，非常有必要开发新型的可极大提高加工效率的玻璃通孔加工工艺方法，为TGV技术的工程化应用和先进封装技术的实现乃至于对未来新兴半导体产业的发展提供必要的支持和推动力量。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种多点贝塞尔光束玻璃打孔装置及方法，可成倍地提高玻璃通孔的加工效率，而不影响孔加工的质量和锥度，非常适合大幅面TGV的工程化应用。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多点贝塞尔光束玻璃打孔装置，包括激光出射装置、锥透镜、4f系统、聚焦镜和位移台；

所述激光出射装置用于形成入射激光；

所述锥透镜设置在激光出射装置后，用于将入射激光转变为贝塞尔光束；

所述4f系统设置在锥透镜后，且：

4f系统的傅里叶面上设有透射式整形器件，贝塞尔光束射入4f系统后，将经过透射式整形器件，最终射出4f系统，从而压缩贝塞尔光束的主瓣直径并对其进行多光束整形，形成若干平行的贝塞尔光束；

或4f系统的傅里叶面上设有反射式整形器件，4f系统中还设有偏振分束棱镜、1/4波片，贝塞尔光束射入4f系统后，将在偏振分束棱镜处被反射，经过1/4波片然后到达反射式整形器件，经反射式整形器件反射，再次经过1/4波片然后穿过偏振分束棱镜，最终射出4f系统，从而压缩贝塞尔光束的主瓣直径并对其进行多光束整形，形成若干平行的贝塞尔光束；

所述聚焦镜设置在4f系统后，用于对平行的各个贝塞尔光束进行聚焦，形成多点贝塞尔光束；

所述位移台用于搭载玻璃样品，并带动玻璃样品移动。

进一步的，所述透射式整形器件为透射DOE或透射光栅。

进一步的，所述反射式整形器件为反射DOE或反射光栅或压电扫描装置。

进一步的，所述激光入射装置包括激光器和扩束镜，激光器发出的激光经过扩束镜放大形成入射激光后进入锥透镜，将入射激光转变为贝塞尔光束。

进一步的，所述激光器发出的激光为高斯光束。

一种多点贝塞尔光束玻璃打孔方法，采用上述一种多点贝塞尔光束玻璃打孔装置，包括以下步骤：

S1、将玻璃样品搭载至位移台；

S2、使激光出射装置形成入射激光，入射激光经过锥透镜后，将形成贝塞尔光束，贝塞尔光束经过4f系统后，将形成若干平行的贝塞尔光束，平行的各个贝塞尔光束通过聚焦镜进行聚焦，将形成多点贝塞尔光束；

S3、通过位移台带动玻璃样品移动至聚焦镜后，对玻璃样品进行打孔加工作业；

S4、采用化学溶液对打孔加工后的玻璃样品进行化学腐蚀，得到具有成形群孔的玻璃成品。

进一步的，所述化学溶液为HF溶液或KOH溶液。

本发明的有益效果为：

本发明通过激光出射装置、锥透镜3、4f系统、聚焦镜10和位移台组成玻璃打孔装置，重点在4f系统的傅里叶平面上对贝塞尔光束11进行整形，进而实现多贝塞尔光束11并行加工，可成倍地提高玻璃通孔的加工效率，而不影响孔加工的质量和锥度，非常适合大幅面TGV的工程化应用。

附图说明

图1为本发明实施例1 中多点贝塞尔光束玻璃打孔装置的结构示意图；

图2为本发明实施例2 中多点贝塞尔光束玻璃打孔装置的结构示意图；

图3为本发明已打孔玻璃成品的实物图。

标注说明：1、激光器，2、扩束镜，3、锥透镜，4、第一透镜，5、第一反射镜，6、第二反射镜，7、透射式整形器件，8、第三反射镜，9、第二透镜，10、聚焦镜，11、贝塞尔光束，12、多点贝塞尔光束，13、偏振分束棱镜，14、1/4波片，15、反射式整形器件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

请参阅图1所示，一种多点贝塞尔光束玻璃打孔装置，包括激光出射装置、锥透镜3、4f系统、聚焦镜10和位移台。

激光出射装置用于形成入射激光，锥透镜3设置在激光出射装置后，用于将入射激光转变为贝塞尔光束11。

具体的，激光入射装置包括激光器1和扩束镜2，激光器1发出的激光为高斯光束，激光器1发出的高斯光束经过扩束镜2放大后进入锥透镜3，将高斯光束转变为贝塞尔光束11。

在一些实施例中，锥透镜3可以采用空间光调制器替换使用。

4f系统设置在锥透镜3后，且4f系统的傅里叶面上设有透射式整形器件7，贝塞尔光束11射入4f系统后，将经过透射式整形器件7，最终射出4f系统，从而压缩贝塞尔光束11的主瓣直径并对其进行多光束整形，形成若干平行的贝塞尔光束11。

其中，4f系统由第一透镜4和第二透镜9组成，贝塞尔光束11射入4f系统，即贝塞尔光束11穿过第一透镜4。

可选的是，透射式整形器件7为透射DOE或透射光栅。

聚焦镜10设置在4f系统后，用于对平行的各个贝塞尔光束11进行聚焦，形成多点贝塞尔光束12。

位移台用于搭载玻璃样品，并带动玻璃样品移动。位移台为成熟现有技术，图中未示出，此处也不再赘述其具体结构。

实施例2：

请参阅图2所示，一种多点贝塞尔光束玻璃打孔装置，包括激光出射装置、锥透镜3、4f系统、聚焦镜10和位移台。

激光出射装置用于形成入射激光，锥透镜3设置在激光出射装置后，用于将入射激光转变为贝塞尔光束11。

具体的，激光入射装置包括激光器1和扩束镜2，激光器1发出的激光为高斯光束，激光器1发出的高斯光束经过扩束镜2放大后进入锥透镜3，将高斯光束转变为贝塞尔光束11。

4f系统设置在锥透镜3后，且4f系统的傅里叶面上设有反射式整形器件15，4f系统中还设有偏振分束棱镜13、1/4波片14，贝塞尔光束11射入4f系统后，将在偏振分束棱镜13处被反射，经过1/4波片14然后到达反射式整形器件15，经反射式整形器件15反射，再次经过1/4波片14然后穿过偏振分束棱镜13，最终射出4f系统，从而压缩贝塞尔光束11的主瓣直径并对其进行多光束整形，形成若干平行的贝塞尔光束11。

其中，4f系统由第一透镜4和第二透镜9组成，贝塞尔光束11射入4f系统，即贝塞尔光束11穿过第一透镜4。贝塞尔光束11进入4f系统，在偏振分束棱镜13处被引向反射式整形器件15，而当贝塞尔光束11再次返回偏振分束棱镜13处时，共通过两次1/4波片14，偏振方向旋转了90°，才得以穿过偏振分束棱镜13。

可选的是，反射式整形器件15为反射DOE或反射光栅或压电扫描装置。

聚焦镜10设置在4f系统后，用于对平行的各个贝塞尔光束11进行聚焦，形成多点贝塞尔光束12；

位移台用于搭载玻璃样品，并带动玻璃样品移动。位移台为成熟现有技术，图中未示出，此处也不再赘述其具体结构。

实施例1、2中，各光学组件之间的光传输通过反射镜连接。如图1，实施例1的4f系统中设计了3面反射镜，分别为第一反射镜5、第二反射镜6和第三反射镜8；如图2，实施例2的4f系统中无反射镜。

针对实施例1、2，需要说明的是，虽然单个锥透镜3就可以产生高质量的贝塞尔光束11，但在实际应用中，单个锥透镜3往往并不能满足各种激光精微加工的要求。这是因为对于波长一定的光束，虽然贝塞尔光束11的主瓣半径与锥透镜3的底角成反比，可以通过增大底角来减小主瓣半径，但随着底角增加，主瓣半径减小的速率将会减慢。因此，要获得接近于波长的主瓣半径，仅靠增大锥透镜3的底角并不是有效的选择。除此之外，由于从锥透镜3的尖端开始贝塞尔光束11就已经形成，如果直接使用单个锥透镜3加工材料，工作距离过短，稍有不慎就会使材料触碰到尖端，导致锥透镜3损坏。

有鉴于此，紧接着需要在锥透镜3后设置4f系统和聚焦镜10的组合，将贝塞尔光束11变换至聚焦镜10后。一方面可以压缩贝塞尔光束11的主瓣半径，不仅可以增大其能量密度实现更高的加工能力，而且光斑的减小有利于其实现更为精密的加工过程；另一方面，可以通过4f系统和聚焦镜10的组合来调节贝塞尔光束11的工作距离，使其符合特定的应用场景，满足多样化的工程需求。

最后，为了实现多点贝塞尔光束12的加工需求，需要在4f系统的傅里叶平面上对贝塞尔光束11进行多光束整形，此处多光束整形所需器件可以是振镜、DOE、光栅等器件，视具体应用需求而定。之所以要在4f系统的傅里叶平面上对贝塞尔光束11进行整形，是因为多光束整形的各分束存在一定的夹角，若整形的位置不在4f系统的傅里叶平面上，各分束通过光学系统聚焦后形成的多点贝塞尔光束12也必然存在一定的角度，除了中心一束是垂直出射的，其余的均是倾斜的。而若整形的位置恰好在4f系统的傅里叶平面上，由于此处为第二个4f镜片的前焦面，即使各分束在此处存在夹角，通过第二个4f镜片后，仍然是保持平行的，即各分束均会以相同的角度进入聚焦镜10而聚焦，最终实现同步垂直出射。这样既可实现多点贝塞尔光束12并行加工，也不会影响加工质量。

具体的，采用实施例1或2的多点贝塞尔光束玻璃打孔装置进行玻璃打孔，包括以下步骤：

S1、将玻璃样品搭载至位移台；

S2、使激光出射装置形成入射激光，入射激光经过锥透镜3后，将形成贝塞尔光束11，贝塞尔光束11经过4f系统后，将形成若干平行的贝塞尔光束11，平行的各个贝塞尔光束11通过聚焦镜10进行聚焦，将形成多点贝塞尔光束12；

S3、通过位移台带动玻璃样品移动至聚焦镜10后，对玻璃样品进行打孔加工作业；

S4、采用化学溶液对打孔加工后的玻璃样品进行化学腐蚀，得到具有成形群孔的玻璃成品。

其中，可选的是，化学溶液为HF溶液（氢氟酸）或KOH溶液（氢氧化钾）。

采用实施例1对石英玻璃样品进行打孔加工，选用透射DOE（双光束整形器件）对贝塞尔光束11进行整形，加工后的石英玻璃样品采用HF溶液进行化学腐蚀，得到具有成形群孔的石英玻璃成品。如图3所示，可以看到石英玻璃成品的通孔垂直且无锥度，实现了预定加工效果。

总的来说，本发明通过激光出射装置、锥透镜3、4f系统、聚焦镜10和位移台组成玻璃打孔装置，重点在4f系统的傅里叶平面上对贝塞尔光束11进行整形，进而实现多贝塞尔光束11并行加工，可成倍地提高玻璃通孔的加工效率，而不影响孔加工的质量和锥度，非常适合大幅面TGV的工程化应用。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种多点贝塞尔光束玻璃打孔装置，其特征在于：包括激光出射装置、锥透镜、4f系统、聚焦镜和位移台；

所述激光出射装置用于形成入射激光；

所述锥透镜设置在激光出射装置后，用于将入射激光转变为贝塞尔光束；

所述4f系统设置在锥透镜后，且：

4f系统的傅里叶面上设有透射式整形器件，贝塞尔光束射入4f系统后，将经过透射式整形器件，最终射出4f系统，从而压缩贝塞尔光束的主瓣直径并对其进行多光束整形，形成若干平行的贝塞尔光束；

或4f系统的傅里叶面上设有反射式整形器件，4f系统中还设有偏振分束棱镜、1/4波片，贝塞尔光束射入4f系统后，将在偏振分束棱镜处被反射，经过1/4波片然后到达反射式整形器件，经反射式整形器件反射，再次经过1/4波片然后穿过偏振分束棱镜，最终射出4f系统，从而压缩贝塞尔光束的主瓣直径并对其进行多光束整形，形成若干平行的贝塞尔光束；

所述聚焦镜设置在4f系统后，用于对平行的各个贝塞尔光束进行聚焦，形成多点贝塞尔光束；

所述位移台用于搭载玻璃样品，并带动玻璃样品移动。

2.根据权利要求1所述的一种多点贝塞尔光束玻璃打孔装置，其特征在于：所述透射式整形器件为透射DOE或透射光栅。

3.根据权利要求1所述的一种多点贝塞尔光束玻璃打孔装置，其特征在于：所述反射式整形器件为反射DOE或反射光栅或压电扫描装置。

4.根据权利要求1所述的一种多点贝塞尔光束玻璃打孔装置，其特征在于：所述激光出射装置包括激光器和扩束镜，激光器发出的激光经过扩束镜放大形成入射激光后进入锥透镜，将入射激光转变为贝塞尔光束。

5.根据权利要求4所述的一种多点贝塞尔光束玻璃打孔装置，其特征在于：所述激光器发出的激光为高斯光束。

6.一种多点贝塞尔光束玻璃打孔方法，其特征在于：采用权利要求1-5任意一项所述的一种多点贝塞尔光束玻璃打孔装置，包括以下步骤：

S1、将玻璃样品搭载至位移台；

S2、使激光出射装置形成入射激光，入射激光经过锥透镜后，将形成贝塞尔光束，贝塞尔光束经过4f系统后，将形成若干平行的贝塞尔光束，平行的各个贝塞尔光束通过聚焦镜进行聚焦，将形成多点贝塞尔光束；

S3、通过位移台带动玻璃样品移动至聚焦镜后，对玻璃样品进行打孔加工作业；

S4、采用化学溶液对打孔加工后的玻璃样品进行化学腐蚀，得到具有成形群孔的玻璃成品。

7.根据权利要求6所述的一种多点贝塞尔光束玻璃打孔方法，其特征在于：所述化学溶液为HF溶液或KOH溶液。

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