CN116194240A - 用于将精密微孔机加工至厚陶瓷衬底中的方法和系统 - Google Patents

Abstract

可以使用液体射流和机械旋转工具的组合来在厚衬底中机加工精密微孔。可以使用液体射流引导的激光以将芯孔快速地钻削至该陶瓷衬底中。可以应用传感器来检测该液体射流引导的激光钻削步骤的切穿点，以实现快速并且闭环控制的机加工工艺。该衬底可以被加热以用于将液体射流引导的激光钻削工艺加速。可以应用机械工具(例如，钻头、铰刀或铣刀)来将芯孔精加工至所期望的镗孔直径。机械工具切割主要表面可以优选地由金刚石材料组成。做为钻削工艺的一部分，可以应用检查相机和照射系统来检查每个机械精加工的镗孔。

Description

用于将精密微孔机加工至厚陶瓷衬底中的方法和系统

背景技术

例如用于半导体处理设备的气体分布板和均匀性板之类的精密部件通常需要被机加工至厚陶瓷衬底中的数百或甚至数千个小的精密孔。出于避免污染硅或碳化硅产品晶片的考虑，这些气体分布和均匀性板通常由同等纯度或更纯的材料(例如，硅或碳化硅)制成。除了大量的孔之外，这些孔还需要高水平的表面光洁度。每个孔的内壁必须平滑如镜，以避免粘附可能潜在地污染实际产品晶片的不期望的颗粒。为了确保稳定并且可重复的气体分布，每个孔的入口以及出口必须具有锋利的边缘，而无任何圆周损坏。

如今，以不同方式制造气体分布板和均匀性板中的孔。可以使用钻削钻头顺序地钻削。还可以使用放电机加工工艺顺序地制造孔，其中孔内侧的材料被线侵蚀。以另一种方式，可以使用超声波板同时机加工所有孔或孔组，该超声波板通过施加至与待机加工的孔的销图案相反的销图案的超声波振动去除孔内侧的材料。替代地，可以通过具有与待侵蚀的孔的销图案相反的销图案的电极板使用放电机加工工艺同时机加工所有的孔或孔组。

虽然经由超声波处理或放电机加工同时产生孔的方法可以相对快速，但是通常每个孔皆需要后处理步骤(例如，铰削)，以实现每个孔所期望的如镜表面光洁度。在无任何后处理的情况下，通常用铣削工具顺序地钻削孔可以实现所期望的如镜表面光洁度。然而，用机械钻削工具来钻削可能引入在入口上并且具体而言在孔的出口侧部上材料碎裂的增加的风险。另外，当处理陶瓷材料(例如，但不限于硅和碳化硅)时，存在对钻削工具的实质性磨损以及有限的工具寿命。

典型的气体分布板和/或均匀性板可以是10mm至15mm厚，并且具有带有直径为0.2mm至0.8mm的1000个至2000个孔。每个孔可以用3分钟至4分钟来钻削。如果钻削钻头在例如1500个中的第1480个孔处断裂，则整个衬底可能潜在地报废，并且损失许多个小时的机加工工作。因此，对于机加工许多小孔至厚陶瓷衬底中的改进且更有效的方法存在实质性的需求。本领域技术人员将了解和理解，本发明并不仅限于气体分布板和均匀性板中的孔，而是适用于需要精密孔的范围更宽广的技术陶瓷材料和应用。

发明内容

在一些实施方案中，本发明公开了在厚衬底中机加工精密微孔的方法和系统。该衬底可以是陶瓷材料，数百或甚至数千个孔机加工至其中。可以通过应用其中应用了芯孔钻削工艺和孔精加工工艺的混合工艺来产生孔。可以使用液体射流引导的激光以将芯孔快速地钻削至该陶瓷衬底中。可以应用传感器来检测该液体射流引导的激光钻削步骤的切穿点，以实现快速并且闭环控制的机加工工艺。该衬底可以被加热以用于将液体射流引导的激光钻削工艺加速。可以应用机械工具(例如，钻头、铰刀或铣刀)来将芯孔精加工至所期望的孔直径。机械工具切割主要表面可以优选地由金刚石材料组成。做为钻削工艺的一部分，可以应用检查相机和照射系统来检查每个机械精加工的孔。

附图说明

图1A至图1B示出了根据一些实施方案的具有一系列孔或镗孔的衬底。

图2A至图2B示出了根据一些实施方案的用于在衬底中的孔的混合处理的配置。

图3A至图3C示出了根据一些实施方案的用于在衬底中形成孔的流程图。

图4示出了根据一些实施方案的液体射流引导的激光头的配置。

图5A至图5B示出了根据一些实施方案的用于用液体射流引导的激光束在衬底中制造孔的方法。

图6A至图6B示出了根据一些实施方案的孔的侧壁粗糙度。

图7示出了根据一些实施方案的用于在衬底中形成初始孔的流程图。

图8A至图8D示出了根据一些实施方案的用于在衬底中形成初始孔的流程图。

图9A至图9B示出了根据一些实施方案的由液体射流形成的孔的配置。

图10A至图10C示出了根据一些实施方案的用于在衬底中形成初始孔的流程图。

图11A至图11D示出了根据一些实施方案的用于加热衬底以用于将液体射流引导的激光孔形成工艺加速的配置。

图12A至图12D示出了根据一些实施方案的用于在液体射流工艺期间调整衬底温度的流程图。

图13A至图13C示出了根据一些实施方案的用于液体射流引导的激光工艺以检测液体射流工艺的终点的传感器配置。

图14A至图14B示出了根据一些实施方案的用于检测液体射流工艺的终点的流程图。

图15A至图15D示出了根据一些实施方案的使用液体射流和放电机加工形成初始孔的工艺。

图16A至图16B示出了根据一些实施方案的使用放电机加工形成初始孔的工艺。

图17A至图17C示出了根据一些实施方案的用EDM工艺形成孔的流程图。

图18A至图18B示出了根据一些实施方案的使用液体射流在衬底中形成多个孔的配置。

图19示出了根据一些实施方案的用液体射流引导的激光钻削孔的闭环工艺。

图20A至图20B示出了根据一些实施方案的用于形成孔的工艺。

图21A至图21C示出了根据一些实施方案的机械旋转工具的配置。

图22A至图22C示出了根据一些实施方案的用于精加工衬底中的孔的流程图。

图23A至图23B示出了根据一些实施方案的用于精加工初始通孔的工艺。

图24A至图24C示出了根据一些实施方案的用于精加工初始单侧盲孔的工艺。

图25A至图25B示出了根据一些实施方案的用于精加工初始双侧盲孔的工艺。

图26A至图26B示出了根据一些实施方案的使用两个机械旋转工具精加工孔的工艺。

图27A至图27C示出了根据一些实施方案的用于精加工衬底中的初始孔的流程图。

图28A至图28D示出了根据一些实施方案的用于冷却旋转工具的配置。

图29A至图29C示出了根据一些实施方案的用于冷却机械旋转工具的流程图。

图30A至图30B示出了根据一些实施方案的对准模块的配置。

图31A至图31B示出了根据一些实施方案的对准模块的另一配置。

图32A至图32B示出了根据一些实施方案的用于对准机械旋转工具的流程图。

图33A至图33B示出了根据一些实施方案的检查模块的配置。

图34A至图34B示出了根据一些实施方案的用于检查衬底中的最终孔的流程图。

图35示出了根据一些实施方案的用于在衬底中完全形成孔的流程图。

图36示出了根据一些实施方案的液体射流和机械旋转工具的整合系统的配置。

具体实施方式

在一些实施方案中，本发明公开了用于在衬底中形成例如通孔或盲孔之类的孔的方法和系统。所形成的孔可以具有在孔入口和出口处具有锋利的边缘的内部平滑表面。具有内表面和边缘要求的带孔的衬底可以被用于气体分布板和均匀性板中。

图1A至图1B示出了根据一些实施方案的具有一系列孔或镗孔的衬底。用于半导体处理设备的气体分布板和均匀性板是衬底的良好示例，该衬底的良好示例通常需要被机加工至厚衬底100中的大量小的精密孔或镗孔101。除了大量孔或镗孔101之外，这些孔或镗孔还需要高水平的表面光洁度105，连同在孔或镗孔的入口和出口处无损坏的尖锐边缘104。衬底厚度，例如通孔或镗孔(例如，完全穿过衬底的孔或镗孔)的深度103，可以小于20mm，例如在10mm和15mm之间。孔或镗孔的尺寸，例如孔或镗孔的直径102，可以较小，例如小于2mm，例如在0.1mm至1mm之间，以便提供均匀的气体分布。这样的衬底100，例如，硅或碳化硅产品晶片，通常具有圆形形状，并且含有数百或甚至数千个精密孔或镗孔101，以用于气体分布板和均匀性板中。圆形镗孔是典型的，但对于一些应用，也可以应用具有圆形边缘的细长孔或槽。在下面的描述中，描述了圆形孔，例如通过使液体射流沿着圆形轮廓行进而形成的孔。但是本发明不限于圆形孔，而是还包含具有圆形边缘的细长孔或槽。

出于避免污染硅或碳化硅衬底的考虑，衬底通常由同等纯度或更纯的衬底材料制成，例如也由硅或碳化硅制成。也可以使用其他材料，例如氮化铝、氮化硅、氮化钛、碳化硼以及陶瓷基复合材料(CMC)和金属基复合材料(MMC)。此外，衬底也可以是金属衬底和具有镗孔或孔的其他工件。

陶瓷基复合材料(CMC)由嵌入于陶瓷基质中的陶瓷纤维组成。纤维和基质两者都可以由任何陶瓷材料组成，其中碳和碳纤维被视为陶瓷材料。CMC可以通过嵌入颗粒或长丝束纤维改进陶瓷材料的抗裂性，因此在保持陶瓷基质的高强度和杨氏模量的同时，可以增强组合材料系统的断裂韧性。碳(C)、特种碳化硅(SiC)、氧化铝(Al₂O₃)和莫来石(Al₂O₃-SiO₂)纤维最常被用于CMC。CMC的基质材料可以是相同的，例如也由C、SiC、氧化铝和莫来石制成。举例而言，常见的CMC包含可以具有更高的破裂伸长率、增加的断裂韧性、更高的抗热震性和更高的动态负荷能力的C/C、C/SiC、SiC/SiC和Al₂O₃/Al₂O₃。

金属基复合材料(MMC)是具有至少一种金属组分和不同的金属或另一材料(例如，陶瓷或有机化合物)的复合材料。该金属基复合材料(MMC)可以通过将增强材料分散至金属基质中来制造。举例而言，碳纤维可以被用于铝基质中，以在低密度的情况下提供高强度。

在一些实施方案中，本发明公开了一种用于在衬底中形成孔的混合工艺，例如，该混合工艺可以满足表面平滑性和边缘锐度的要求而不损坏气体分布板。混合工艺可以包含例如由在液体射流引导的激光系统的液体射流引导的激光头中产生的液体射流引导的激光束或者替代地由放电机加工工艺的初始孔形成。混合工艺可以包含例如由机械旋转工具(例如，由钻削钻头、铰刀钻头、珩磨钻头或铣削钻头)的孔平滑或精加工工艺。在先前存在的孔上使用机械旋转工具可以大大减少对精加工孔的边缘的潜在损坏，增加生产量的同时，减少对机械旋转工具的磨损和撕扯。

图2A至图2B示出了根据一些实施方案的用于在衬底中的孔的混合处理的配置。图2A(a)至图2A(b)示出了其中初始孔形成和精加工孔工艺在不同的设备中执行(例如，在液体射流引导的激光系统中形成初始孔和在机械旋转系统中精加工孔)的配置。图2B(a)至图2B(b)示出了其中初始孔形成和精加工孔工艺在同一设备中(例如，在配置有机械旋转组件的液体射流引导的激光组件中)执行的配置。

在一些实施方案中，初始孔形成可以在液体射流引导的激光系统中执行，该液体射流引导的激光系统可以包含耦合至运动机构(例如，耦合至二维xy运动或三维xyz运动)的液体射流引导的激光头。液体射流引导的激光头可以被配置成产生液体射流引导的激光束，该液体射流引导的激光束可以是具有在液体射流内被内反射的激光束的液体射流，例如液柱。液体射流可以约束激光束，例如，将激光束引导至液体射流内。液体射流引导的激光束可以被用于例如由激光烧蚀工艺从衬底去除材料。

图2A(a)示出了液体射流引导的激光头210，液体射流引导的激光头210被配置成产生液体射流引导的激光束216，例如，液体射流216A，该液体射流216A具有在液体射流216A内被内反射的激光束216B。激光束216B被配置用于例如由激光烧蚀工艺进行的材料去除。液体射流216A被配置成引导激光束216B，例如，以防止激光束发散。

液体源214可以被提供给液体射流引导的激光头210中的喷嘴215。喷嘴可以包含开口，液体射流216A可以从该开口退出。激光源211可以由透镜聚焦，以在液体射流216A上形成聚焦的激光束213。聚焦的激光束213然后可以在液体射流216A内被内部反射，例如，从而形成内反射的激光束216B。

窗口212可以安置在聚焦透镜与液体源214之间。窗口212可以被配置成让激光束通过，同时防止来自液体源214的液体接触和污染激光部件。

液体射流216(例如，液体射流引导的激光束)可以被引导到衬底200上，例如，以形成具有初始直径206的通孔201*。液体射流引导的激光头210可以在闭环轮廓中(例如，在圆形轮廓或细长轮廓中)移动，该闭环轮廓基本上是例如由xy运动机构控制的具有圆形边缘的区域。液体射流216可以从圆形轮廓去除材料，以切割具有与圆形轮廓的直径类似的初始直径206的圆柱体。在液体射流216通过衬底之后，可以从衬底去除切割的圆柱体，从而留下具有与圆形轮廓的直径类似的初始直径206的孔。

液体射流引导的激光头210可以在光栅路径中(例如，在螺旋路径中或在约束在闭环轮廓中的多条平行线中)移动。液体射流216可以由螺旋线或光栅线去除闭环轮廓中的材料，以形成具有与闭环轮廓的直径类似的初始直径206的孔。

图2A(b)示出了机械旋转工具头220，机械旋转工具头220被配置成精加工初始孔，例如将初始孔201*扩大至具有最终直径202的最终孔201中，同时进一步使最终孔的内表面平滑。

机械旋转工具头220可以包含机械旋转工具221，机械旋转工具221可以具有工具直径222，工具直径222可以类似于最终孔201的最终直径202。在操作中，机械旋转工具221可以旋转，同时向下移动224至初始孔201*中。机械旋转工具221可以具有圆形或椭圆形尖端223，该圆形或椭圆形尖端223可以被配置成最小化对最终孔201的边缘的损坏。

图2B(a)和图2B(b)示出了具有液体射流引导的激光头210的组件与机械中空的旋转工具头220*的组件的组合系统226，该组合系统226可以被配置成在精加工初始孔的同时形成初始孔。液体射流引导的激光头210可以与上文描述的类似，其可以被配置成产生液体射流引导的激光束216，例如，具有在液体射流内被内反射的激光束的液体射流。液体射流引导的激光束216可以被配置成用于例如通过沿着圆形轮廓行进多次通过以切除圆柱形材料或者通过在闭环轮廓内部光栅化多次通过以在闭环轮廓内侧形成孔而在衬底中做出具有初始直径206的孔。

举例而言，液体射流引导的激光头210可以包含液体源214，液体源214被配置成在通过喷嘴215之后形成液体射流216。激光源211可以由透镜聚焦，以在液体射流216上形成聚焦的激光束213。窗口212可以安置在聚焦透镜与液体源214之间。

机械中空的旋转工具头220*可以包含机械中空的旋转工具221*，该机械中空的旋转工具221*可以具有通过旋转工具221*的导管277。机械中空的旋转工具头220*可以被定位成使得来自液体射流引导的激光头的液体射流可以进入导管277，例如，以冷却机械中空的旋转工具221*。

在操作中，衬底200定位在组合系统226下方。液体源214被打开以形成液体射流216。激光电源被打开以产生用于在液体射流216中被内反射的激光束。液体射流216被配置成通过机械旋转工具头220*，例如从而通过导管277而不干扰机械旋转工具头220*。液体射流216可以在具有初始直径206的衬底中形成孔(图2B(a))。

在形成初始孔之后，可以关闭激光源，从而留下无内反射的激光束的液体射流216。组合系统226可以在机械旋转工具221*旋转的情况下向下移动224*以精加工初始孔，例如，以将初始孔扩大至最终直径202，并且以使最终孔的表面平滑(图2B(b))。

图3A至图3C示出了根据一些实施方案的用于在衬底中形成孔的流程图。图3A使用不同或相同的设备形成孔。操作300使用液体射流引导的激光束在衬底中形成孔。操作310使用机械旋转工具使孔平滑。

图3B使用不同的设备在衬底中形成多个孔。操作330使用由第一平台上的第一运动机构控制的液体射流引导的激光束在衬底中形成多个孔。操作340使用由第二平台上的第二运动机构控制的机械旋转工具使多个孔平滑。

图3C使用单个设备在衬底中形成孔。操作360在衬底中形成孔，这可以包含：打开液体射流引导的激光头的液体供应源以形成液柱，以及打开激光源以产生被配置成在液柱中被内反射的激光束。操作370使孔平滑，这可以包含：旋转机械旋转工具，同时打开液体射流引导的激光头的液体供应源，以形成穿过通过机械旋转工具的导管的液柱。

在一些实施方案中，本发明公开了使用液体射流引导的激光系统在衬底中形成初始孔。已知，例如，美国专利8,859,988和美国专利10,022,820中所公开的液体射流引导的激光技术能够机加工各种各样的材料，例如加工金属以及陶瓷材料，包含硅、碳化硅、氮化铝、氮化硅、氮化钛、碳化硼、陶瓷基复合材料(CMC)和金属基复合材料(MMC)，这些美国专利全文通过引用并入本文中。

图4示出了根据一些实施方案的液体射流引导的激光头的配置。液体射流引导的激光头410可以包含保持窗口412的壳体。在窗口412下方，存在液体射流喷嘴415。液体源(例如，水源414)可以被压至窗口412与喷嘴415之间的空间，以形成层状液体射流416A。为了处理材料，来自激光电源的激光束413被聚焦并且被引导穿过窗口412并且穿过液体射流喷嘴415的孔口至层状液体射流416中。聚焦的激光束413可以被约束在液柱416A中，这可以由液柱416A内侧的全内反射将激光束416B的能量引导朝向工件衬底400。液体射流引导的激光416可以应用于在衬底400中精确地机加工微孔或镗孔401。

为了在钻削小并且深的孔或镗孔401*时减轻可能的水回喷干扰，可以使用空气射流模块，例如美国专利10,307,864中公开的空气射流模块。在液体射流喷嘴415下方，液体射流引导的激光通过空气射流模块427的内导管。提供穿过空气射流模块427的外部且机械地间隔开的导管的压缩气体源417的高容量喷流，该高容量喷流平行于液体射流引导的激光416并且朝向衬底400的表面行进。压缩的气体喷流418充当避免液体射流引导的激光416的回喷诱发的干扰的同轴间隔开的护罩。可以使用其他流体代替水来执行液体射流引导的激光工艺。

液体射流引导的激光头410可以耦合至运动机构，以例如在垂直于液体射流416的平面中或者在平行于和垂直于液体射流416的三维移动中移动液体射流引导的激光头。

在一些实施方案中，液体射流引导的激光头可以被用于在衬底中形成初始孔。典型的液体射流可以具有在0.02mm至0.08mm之间的直径，因此可以使用孔扩大工艺，例如使液体射流在圆形轮廓中行进，其中圆的直径等于所期望的孔的尺寸。替代地，液体射流可以使光栅图案行进以形成具有光栅区域的尺寸的孔。

图5A至图5B示出了一种根据一些实施方案使用液体射流引导的激光束在衬底中打孔的方法。液体射流引导的激光头中的液体射流直径通常小于气体分布板和均匀性板中的典型孔直径，例如，与孔直径在0.2mm至0.08mm之间相比，液体射流直径在0.02mm至0.08mm之间。在操作中，内部具有内反射激光束的液体射流516通常通过激光烧蚀逐层地去除材料，从而形成具有深度的孔，液体射流可以连续地喷射至衬底上的同一位置上，或者沿着衬底上的同一轮廓进行多次通过。

为了在衬底500中形成较大的孔或镗孔501，液体射流引导的激光516可以进行圆形加工运动530以形成切口531并且切割出圆柱形销532，或者液体射流引导的激光516可以进行螺旋运动533或者组合圆形加工运动和螺旋加工运动以去除盲孔或钻孔534直径内的所有材料。更多次地进行螺旋运动533可以在衬底500中形成通孔501。

液体射流引导的激光516可以在衬底500中形成孔或镗孔501，孔或镗孔501具有干净锋利的边缘入口和出口。由液体射流引导的激光516形成的孔或镗孔501的侧壁的平均粗糙度(Ra)可以低于10微米，或者在0.25微米与3微米之间，具体取决于衬底材料和激光束的能量参数。

在一些实施方案中，孔的侧壁的表面粗糙度可以取决于气体分布板或均匀性板的应用。对于高粗糙度要求，由液体射流引导的激光头形成的孔就足够了。对于低粗糙度要求，可以使用机械旋转工具进行精加工或平滑处理工艺。

图6A至图6B示出了根据一些实施方案的孔的侧壁粗糙度。液体射流616可以用于在衬底600中形成孔。典型的孔直径可以在0.2mm至2mm之间，例如0.2mm至1mm之间或者0.4mm至0.8mm之间。由于液体射流616的直径小得多，所以液体射流可以使用圆形图案或光栅图案来扩大孔的直径606。在液体射流工艺之后，孔的侧壁可具有粗糙度605*。液体射流可以切割具有侧壁粗糙度值的衬底，该值取决于衬底材料、激光束的能量参数和切割工艺的处理时间。举例而言，较慢的切割工艺可以提供例如具有较低的粗糙度值的较平滑的侧壁，但代价是较低的生产量。在一些实施方案中，成孔工艺可以由液体射流的高表面粗糙度工艺，然后使用机械旋转工具进行后续的平滑工艺来满足粗糙度要求，从而实现高生产量。机械旋转工具可以使初始侧壁表面605*孔平滑成最终侧壁粗糙度605，同时将初始孔直径606扩大成最终孔直径602。举例而言，机械旋转工具可以使侧壁平滑至小于几微米(例如，小于1微米、小于0.5微米或小于0.1微米)的平均粗糙度Ra。

在一些实施方案中，表面粗糙度可以用粗糙度平均值Ra来表征，粗糙度平均值Ra是根据评估长度内相对于中心线的偏差确定的过滤粗糙度轮廓的算术平均值。在实践中，Ra可以通过对表面峰值和谷值的一组单独测量值取平均值来确定。

图7示出了根据一些实施方案的在衬底中形成初始孔的流程图。具有内反射激光束的液体射流可以用于在衬底中形成孔。液体射流引导的激光头的喷嘴可以用于形成液体射流。喷嘴也可以对准激光束以获得内反射激光束。操作700打开液体射流引导的激光头中的喷嘴的液体供应源，以形成液柱。操作710打开聚焦在液柱上的激光电源，以形成在液柱中内反射的激光束。操作720将具有内反射激光束的液柱引导至衬底上，以从衬底去除材料。操作730将具有内反射的激光束的液柱保持在衬底上的位置上，以在衬底中形成孔。操作740将具有内反射激光束的液柱在衬底上的闭环轮廓中移动，以在衬底中切割具有闭环轮廓形状的材料柱。操作750将具有内反射激光束的液柱在衬底上在闭环轮廓中光栅化，以通过去除闭环轮廓区域中的材料而在衬底中形成孔。

图8A至图8D示出了根据一些实施方案的在衬底中形成初始孔的流程图。孔可以由具有内反射激光束的液体射流形成，以形成闭环轮廓或光栅图案。孔可以略微小于最终所需尺寸，该尺寸被配置成由使用机械旋转工具(例如，钻机、铰刀、铣削工具或珩磨工具)的后续工艺来平滑。

在图8A中，操作800使用液体射流引导的激光束在衬底中形成孔，其中液体射流引导的激光束被配置成在闭环轮廓(例如，圆形或椭圆形轮廓)中、在包含螺旋路径或多个平行路径的光栅区域中或者在闭环轮廓和光栅区域的组合中行进。

在图8B中，操作820使用液体射流引导的激光束在衬底中形成孔，其中孔的直径被配置用于优化孔的内表面的后续平滑工艺。

在图8C中，操作840使用液体射流引导的激光束在衬底中形成孔，其中孔的直径被配置用于在获得孔的最终直径的后续工艺中最小化对孔的边缘的损坏。

在图8D中，操作860使用液体射流引导的激光束在衬底中形成孔，其中孔的尺寸(例如，直径)在孔的最终直径的75％与99％之间，或80％与90％之间。

在一些实施方案中，液体射流可以被配置成形成通孔或盲孔，其中孔的尺寸(例如，孔的直径)被配置成为了高生产量而优化，同时满足成孔要求(例如，侧壁粗糙度值和在孔入口和出口处无边缘损坏)。举例而言，圆孔直径可以大于最终所需直径的75％、大于80％、大于85％或大于90％，例如在最终所需直径的75％与99％之间，或在最终所需直径的80％与99％之间，或在最终所需直径的90％与99％之间。

图9A至图9B示出了根据一些实施方案的由液体射流形成的孔的构造。可以使用液体射流引导的激光916(例如，具有内反射激光束的液体射流)在衬底900中形成初始孔901。初始孔可以被配置成由后续的平滑工艺(例如，机械旋转工艺)来精加工。举例而言，优化在衬底中形成初始孔的工艺以实现高生产量，从而能够以有效的方式在衬底中形成数百或数千个孔。

图9A示出了由液体射流916从衬底900的一侧去除衬底材料来形成初始孔901的工艺。举例而言，液体射流916可以沿着具有初始孔的直径906的圆形轮廓以多次通过的方式重复地移动。该工艺一直持续直至初始孔流体地连接衬底的两侧。可以从衬底的一侧或两侧(例如，与液体射流引导的激光头相对的衬底侧)安置一个或多个传感器，以检测通孔的完成情况。在观察到传感器检测信号之后，液体射流可以沿着圆形轮廓继续多几次通过，以确保液体射流完全穿透衬底。

在形成初始孔之后，液体射流可以移动至衬底上的其他位置以形成后续孔。

图9B(a)至图9B(c)示出了在衬底900中形成通孔901的另一工艺。因为在液体射流引导的激光工艺中，加工速度通常随着加工深度的增加而降低，所以可以期望从两个相反的侧部而不是从一个侧部加工工件。举例而言，在12毫米的材料上钻孔可能需要多于180秒或多于240秒来完成。一种优选的方式可以是首先钻削6mm深度的盲孔，然后将工件翻转180°，在盲孔的另一侧钻削并且流体地连接至盲孔中。如此，总加工时间可以少于90秒或少于60秒。

图9B(a)示出了第一步骤，其中应用液体射流引导的激光916在衬底900的第一表面中快速地加工至少一个盲孔934。液体射流916可以在具有初始盲孔934的直径906的圆形轮廓内以光栅图案多次通过并重复移动。盲孔934的深度可以大于衬底900厚度的30％且小于70％，例如在衬底900厚度的40％与60％之间。在形成初始盲孔之后，液体射流可以移动至衬底上的其他位置以形成后续盲孔。如图所示，液体射流已在左侧上完成了2个盲孔的形成，正在形成第三盲孔。然后，液体射流可以向右移动，以形成后续盲孔。

图9B(b)示出了第二步骤，其中衬底被翻转，使得与衬底900的第一表面相对的第二表面面向液体射流引导的激光头。举例而言，使用对准模块，将已在第一步骤中形成的盲孔934的盲部对准，使得盲孔934的中心轴线与液体射流引导的激光916的轴线相同。然后施加液体射流引导的激光916，例如，打开激光源以在液体射流内产生内反射激光束，以快速地加工盲孔934的剩余部分并且去除所有剩余的衬底材料。如图所示，液体射流通过在相对侧上形成流体地连接至现有盲孔的其他部分，完成了左侧上2个通孔的形成。液体射流正在形成第三盲孔，该第三盲孔被配置成流体地连接至相对侧上的盲孔。

图9B(c)示出了在液体射流完全去除衬底中的通孔中的材料之后形成的通孔901，其流体地连接衬底900的第一表面和第二表面。可以使用一个或多个传感器来检测通孔901的形成是否完成。然后，液体射流可以向右移动，以形成后续孔，从而与相对侧上的现有盲孔连接。

在一些实施方案中，液体射流可用于形成盲孔，例如，不连接衬底的两个相对表面的孔。液体射流可用于形成两个相对的盲孔，例如彼此不连接的两个相对的孔。

初始孔901的直径可以被配置成优化最终成孔生产量。举例而言，对于例如使用高激光功率的高生产量液体射流工艺，初始孔可以尽可能大，以最小化机械旋转工具的加工时间。因此，可以应用机械旋转工具将芯孔901快速地精加工至预期最终孔径。由于液体射流引导的激光916已完成了材料去除方面的所有繁重工作，机械工具只需去除一小部分材料。举例而言，对于0.45mm的最终孔径，初始通孔直径可以是0.40mm，因此机械工具只需去除0.40mm至0.45mm之间的衬底材料。

为了利用缓慢的机械工具工艺来提高生产量，可应用两个机械工具将初始孔901同时精加工至最终孔径。举例而言，第一机械工具可以放置在衬底的第一表面上方。第二机械工具可以放置在衬底的第二表面下方。两个机械工具的中心轴线是相同的。两个机械工具都可以沿其中心轴线彼此保持恒定的间距。衬底可以沿着两个机械工具的轴线以上下摆动的方式移动，或者替代地，两个机械工具都可以沿着芯孔的中心轴线以上下摆动的方式移动。

由于机械工具通常基于其每分钟的转速和垂直于衬底的方向上的进给速度而具有一定的材料去除率，因此两个机械工具可以在较短的时间内去除更多的材料。可要求上下摆动以从镗孔去除衬底材料。可选地，只要第一机械工具和第二机械工具的运动不与孔的中心轴线碰撞，其也可以根据需要彼此独立地沿着芯孔1217的中心轴线移动，以实现有效的去除工艺。

图10A至图10C示出了根据一些实施方案的在衬底中形成初始孔的流程图。在图10A中，操作1000使用液体射流引导的激光束在衬底中形成通孔，其中液体射流引导的激光束被配置成沿着闭环轮廓以多次通过的方式行进，在形成通孔之后去除闭环轮廓中的材料。

在图10B中，操作1020使用液体射流引导的激光束在衬底中形成通孔，其中液体射流引导的激光束被配置成在闭环轮廓中的光栅配置中以多次通过的方式行进。

在图10C中，操作1040使用液体射流引导的激光束在衬底中形成第一盲孔，其中液体射流引导的激光束被配置成沿着闭环轮廓或在闭环轮廓内的光栅配置中以多次通过的方式行进。操作1050可选地翻转衬底以自衬底的相对表面形成第二盲孔，其中第二盲孔与第一盲孔对齐。第二盲孔可以连接至第一盲孔，以形成穿过衬底的通孔。

在一些实施方案中，可以加热衬底以提高液体射流工艺的生产量。由于液体射流工艺是激光烧蚀工艺，例如由激光功率去除材料，因此高温衬底可以加速激光烧蚀过程。另外，由于液体流动，液体射流工艺可以使衬底快速冷却。因此，对于移动的液体射流切割，例如，在圆形轮廓中的材料，在液体射流返回之前可以显著地冷却衬底。

图11A至图11D示出了根据一些实施方案的用于加热衬底以加速液体射流引导的激光成孔工艺的构造。可以应用液体射流引导的激光1116以在衬底1100中形成孔1101。当衬底很薄时，例如小于几毫米，液体射流引导的激光1116可以以几次通过(例如小于15次通过或小于10次通过)的方式切割孔。当衬底非常厚时，例如大于5mm、大于10mm或大于15mm，明显需要更多次通过，例如大于50次通过或大于100次通过。

如果孔1101具有更大的形状，例如液体射流沿着其行进以切割例如几厘米的细长孔的大闭环轮廓，则只需几秒液体射流引导的激光1116就可以完成孔1101的一个圆周通过。由于液体射流的高速度、工艺水的强冷却效应以及压缩气体的同轴喷流的冷却效应，衬底1100可以在激光通过后快速冷却。

本发明认识到，可以使用少量的液体射流引导的激光来切割一定深度的小孔圆周1101。对于较大的孔圆周，例如相同深度下孔圆周加大10倍大，可能需要两倍或三倍的液体射流通过，因为液体射流引导的激光1112再次到达孔1101的圆周上的相同点之前需要更长的时间。

在一些实施方案中，由辅助加热装置可以加热由液体射流引导的激光1116加工的衬底区域，以减轻对加工时间和液体射流引导的激光通过量的冷却影响。

图11A示出了用热水灌注工件(例如，衬底1100)的注水喷嘴1141。热水流1141可以使用液体射流加速孔加工过程。在使用液体射流引导的激光1116的加工过程中，衬底1100可以由液体加热流(例如，注水喷嘴1141)加热并且保持升温。水的温度可以大于40摄氏度，例如大于50摄氏度。水的温度可以小于100摄氏度(例如小于90摄氏度)。在一些实施方案中，可以使用具有更高汽化温度的其他液体将衬底加热至高于100摄氏度。也可以要求加热衬底的背面，而不是衬底的顶面。然后将注水喷嘴安装在衬底下方。

图11B示出了红外和/或电感设备1142，其在加工区域加热衬底1100并保持衬底1100的温度以加速成孔过程。衬底的温度可以达到大于50摄氏度(例如大于60摄氏度)。衬底的温度可以达到小于150摄氏度(例如小于110摄氏度)。还可期望加热衬底的背面，而不是衬底的顶面。然后将红外和/或电感设备安装在衬底下方。

图11C示出了在液体射流引导的激光过程中加热衬底并保持衬底温度的构造。衬底1100可以完全地1143或部分地1144浸没在浸没流体中。举例而言，此种浸没流体可以是水或乙醇。浸没流体的温度可以大于40摄氏度(例如大于50摄氏度)。浸没流体的温度可以小于浸没流体的蒸发温度，例如对于水而言小于100摄氏度或小于110摄氏度。

图11D示出了在液体射流引导的激光过程中加热衬底并保持衬底温度的构造。衬底1100可以接收气体加热流，例如空气调节设备1145(例如指向正被加工的衬底1100的区域的热空气枪)。空气调节设备1145可以将衬底1100加热至大于40摄氏度(例如大于50摄氏度)的温度。衬底温度可以小于110摄氏度。

衬底可以达到其他温度(例如高于110摄氏度，例如小于200摄氏度)以改进液体射流切割工艺。在一些实施方案中，替代衬底的顶面，或者除了衬底的顶面之外，还可以加热衬底的背面。然后，替代从衬底的顶部或者除了从衬底的顶部之外，还从衬底下方提供气体加热流。

在一些实施方案中，例如，对于一些易于受热损坏且非常脆弱的衬底材料，可以将衬底冷却工艺应用于衬底。举例而言，液体加热喷嘴1141、浸没流体和气体流动喷嘴1145可以被配置成提供冷却或冷的液体或气体。举例而言，冷却温度可以小于60摄氏度，例如小于40摄氏度，并且可以大于零下10摄氏度。

图12A至图12D示出了根据一些实施方案的用于在液体射流过程中调节衬底温度的流程图。在图12A中，操作1200在液体射流引导的激光束的操作期间加热衬底，以在衬底中形成孔。

在图12B中，操作1220在液体射流引导的激光束的操作期间将衬底的温度维持在40摄氏度与100摄氏度之间。

在图12C中，操作1240在液体射流引导的激光束的操作期间控制衬底的温度，以优化在衬底中形成孔的加工时间。

在图12D中，操作1260将衬底安置在液体射流引导的激光头下方的平台上。操作1270使用液体流、气体流、红外或电感加热流中的至少一种或者完全地或部分地浸没在液体浴池中来加热衬底。操作1280操作液体射流引导的激光头，以在衬底中形成一个或多个孔。

在一些实施方案中，可以添加传感器以检测液体射流的进程，特别地，以确定液体射流工艺的终点。传感器可以定位在液体射流头的相对侧，例如，使衬底安置在液体射流头与传感器之间。

当液体射流放置在衬底的顶面时，可以使用光或光学传感器来检测衬底的底面是否存在液体射流。当光传感器检测到液体射流的存在或激光束的存在时，来自光传感器的信号可以指示液体射流已经穿透衬底。在检测信号之后，可执行附加的若干次液体射流通过，以确保完全切穿衬底。

当液体射流放置在衬底的顶面时，可以使用声学或声音传感器来检测衬底的底面是否存在液体射流。传感器可以安置在衬底附近，例如在衬底的侧面上或在衬底的顶部处。当液体射流从衬底射出时，例如，当液体射流已经穿透衬底时，声学或声音传感器可以检测到与液体射流仍然正在切穿衬底时不同的声音或音调。当液体射流开始(例如不切割衬底)时，当液体射流切割衬底时，以及当液体射流完成切割时，液体射流的音调可以不同。因此，通过监测由与衬底相互作用的液体射流发出的声音的音调，可以监测液体射流的进程。

可以使用其他传感器或传感器的组合，例如光与声音传感器的组合。

图13A至图13C示出了根据一些实施方案的用于液体射流引导的激光工艺以检测液体射流工艺的终点的传感器构造。当使用液体射流引导的激光1316在衬底1300中形成孔1301时，基于衬底材料以及工艺参数(例如，液体射流喷嘴直径、液体射流压力、激光功率、激光脉冲长度、激光频率、进给速度和压缩保护气体的压力)而施加一定的材料去除率。液体射流引导的激光系统通常能够以相同的切割速度钻削数百个或数千个孔。因此，液体射流切穿衬底的速度可以从实验数据中确定。

然而，有一些因素会影响可实现的切割速度和从衬底的顶面至衬底的底面流体地切穿孔所需的时间。举例而言，衬底材料中可能存在不均匀性，这可能导致一些区域切穿得更快或更慢。此外，在液体射流引导的激光头内部，某些部件会随着时间的推移而磨损，例如激光在其耦合至液体射流喷嘴中之前必须通过的激光窗口。经过一定数量的工作时间之后，这种激光窗口因此被替换。为了加快整个钻削或突出部切割过程，还为了检测可消耗部件的磨损情况，可以应用检测切穿点的传感器。

切穿光学传感器1352可以放置在衬底1300的附近。可选地或除此之外，切穿声学传感器1351可以放置在衬底1300的附近。在一些实施方案中，切穿光学传感器1352和切穿声学传感器1351都放置在衬底1300的旁边或下方，其中至少有一个孔1301是由液体射流引导的激光1316加工的。当钻削工艺开始并且液体射流引导的激光1316的激光束被接通时，就可以产生强烈的等离子体诱导切割声音。这种等离子体诱导声音的音调频率通常与激光束的频率相同。随着液体射流引导的激光1312穿透衬底1300的深度增加，这种等离子体诱导声音可以减小或甚至消失。在切穿时，快速退出孔1301下部的液体射流引导的激光1316发出的声级可能突然增加。在孔1301尚未被切穿的那些部分中，发出的声音会再次消失。举例而言，在液体射流引导的激光1316初始切穿时，相同激光通过时仅孔1301圆周的四分之一被切穿，而钻镗孔1301圆周的四分之三未被切穿。对于这种切穿部分，可以由切穿声学传感器1351检测发出的声音。对于孔1301圆周尚未被切穿的部分，切穿声学传感器1351可以检测到更低的声音或根本无发出的声音。

当钻削工艺开始并且液体射流引导的激光1316的激光束被接通时，大部分激光能量由液体射流引导的激光1316通过液体射流内部的全内反射导向衬底1300并进入孔1301的切割区域中。切穿光学传感器1352可以放置在衬底1300的相对位置，换言之，衬底1300位于液体射流引导的激光头与切穿光学传感器1352之间。当钻削过程开始时，切穿光学传感器1352可以检测到低强度的发射激光或根本无发射的激光。在切穿时，离开孔1301的下部的液体射流引导的激光1316发射的激光级可能突然增加。在孔1301尚未被切穿的那些部分中，发射的激光会再次消失。举例而言，在液体射流引导的激光1316初始切穿时，相同激光通过时仅孔1301圆周的四分之一被切穿，而孔1301圆周的四分之三未被切穿。对于这种切穿部分，可以由切穿光学传感器1352检测发射的激光。对于孔1301圆周尚未被切穿的部分，切穿光学传感器1352可以检测到更低的激光或根本无发射的激光。

在一些实施方案中，在液体射流引导的激光头内部，来自并非由激光本身产生的光源的光耦合至液体射流引导的激光1316中。这种二次光源可以是发射特定波长的LED。切穿光学传感器1352可以装配有至少一个光学滤波器，光学滤波器可以阻挡激光波长并使LED波长通过，反之亦然。在切穿时，在离开孔1301下部的液体射流引导的激光1316引导下，LED亮度会突然增加。在孔1301尚未被切穿的那些部分中，LED照明度会再次消失。举例而言，在液体射流引导的激光1316初始切穿时，相同激光通过时仅孔1301圆周的四分之一被切穿，而孔1301圆周的四分之三未被切穿。对于此种切穿部分，可以由切穿光学传感器1352检测LED亮度。对于孔1301圆周尚未被切穿的部分，切穿光学传感器1352可以检测到更低的LED光或根本无LED光。

图13C示出了切穿光学传感器、切穿声学传感器和发射激光的振幅行为。可应用切穿光学传感器1352中的一者或切穿声学传感器1351中的一者来精确地确定液体射流引导的激光1316切穿衬底1300的瞬间。除了确定切穿的瞬间之外，还可以检测到圆周上完全切割的孔。在这种情况下，由切穿光学传感器1352检测到的发射的激光强度1352*在液体射流引导的激光1316在孔1301的圆周上的整个加工过程中一直处于高强度状态中，或者由切穿声学传感器1351检测到的发出的声音强度1351*在液体射流引导的激光1316在孔1301的圆周上的整个加工过程中一直是处于高强度状态中。在一些实施方案中，由切穿光学传感器1352与切穿声学传感器1351的组合来检测用液体射流引导的激光1316形成的孔1301的切穿点。发射的激光强度1352*和发出的声音强度1351*可以在激光打开/关闭模式1311*中监测。

在将孔1301加工到衬底1300中之前，液体射流引导的激光头的激光发射是关闭的。通常，可以独立地控制激光发射和形成液柱的水源。举例而言，当激光发射关闭时，水可以运转。当孔1301制造过程开始时，开启激光发射并将其引导穿过液体射流至衬底1300上。在激光打开瞬间1353，检测到的发射激光强度1352*可以低于信号阈值，由于尚未切穿的衬底1300形成光学屏障，故没有激光可以被切穿光学传感器1352接收。在激光打开瞬间1353，检测到的发出声音强度1355可以高于信号阈值，因为切穿声学传感器1351可以检测到由切割等离子体发出的声音。然而，一旦液体射流引导的激光1316更深入衬底1300中，发出的声音强度1353可以快速地降低至信号阈值以下。

在激光切穿瞬间1354，发射的激光强度1356和发出的声音强度1357都可以快速地增加并且超过信号阈值。在孔1301的整个圆周期间，液体射流引导的激光可以保持处于打开状态并且进行加工，直至发射的激光强度1356和发出的声音强度1357保持在信号阈值以上。然后，激光可以切换至关闭状态，在激光关闭瞬间1354*，发射的激光强度1356和发出的声音强度1357都可以再次突然降低至信号阈值以下。监测发射的激光强度1352*和发出的声音强度1351*可以提供一种安全的方法来检测孔1301在各种各样的衬底和衬底1300材料中的完全切穿情况以及不同的镗孔几何形状(例如，圆形孔、方形孔、椭圆形孔、细长孔、锥形孔、窄的高深宽比线和其他自由形状)。

图14A至图14B示出了根据一些实施方案的用于检测液体射流工艺的终点的流程图。在图14A中，操作1400打开激光发射以产生在液柱中内反射的激光束，以形成穿过衬底的孔。操作1410接收来自光学传感器和声学传感器中的至少一者的信号，其指示孔完全穿过衬底。操作1420关闭激光发射。

在图14B中，操作1440感测具有在衬底上方产生的内反射激光束的液柱的通过，其中感测包含从光传感器和声学传感器接收信号。操作1450使具有内反射激光束的液柱行进预定的时间量。操作1460关闭激光发射。

在一些实施方案中，可以使用放电加工(EDM)工艺在衬底中形成初始孔。举例而言，可以使用EDM工艺来扩大由液体射流形成的初始孔。可选地，可以使用EDM工艺来形成初始孔，而无需液体射流。

图15A至图15D示出了一种根据一些实施方案的使用液体射流和放电加工来形成初始孔的工艺。图15A示出了使用液体射流1516在衬底1500中形成初始孔1501。初始孔1501的直径可以被配置成容纳EDM电极，例如连接EDM电源1535的两个端子的导线1507。

图15B示出了使用导线EDM工艺的扩孔加工。举例而言，在将孔扩大至略小于最终直径的尺寸之后，可以使用机械旋转工具来精加工扩大的孔，例如使扩大的孔的表面平滑。与EDM工艺相比，机械旋转工具可以提供更低的粗糙度值。

EDM工艺可以是基于导线的EDM工艺，在该工艺中，应用细导线来侵蚀孔1501的直径内的材料。在此种情况下，EDM电极直径1508远小于芯孔直径1501，并且可以进行圆形加工运动并切割出圆柱形销，或者EDM工艺可以进行螺旋加工运动或者圆形加工运动和螺旋加工运动的组合以去除孔1501的直径内的所有材料。

举例而言，滚丝可以穿过由液体射流形成并连接至EDM电源的端子的孔。衬底1500可以连接至EDM电源的第二端子。当EDM电源打开时，可以例如由从导线EDM至衬底的放电过程来去除衬底材料。导线可以在闭合回路轮廓(例如，圆形轮廓)中移动，以将初始孔扩大至预期尺寸。

图15C示出了使用基于下沉电极的EDM工艺的扩孔工艺，在该工艺中，应用孔形电极来侵蚀孔1501的直径内的材料。举例而言，在将孔扩大至略小于最终直径的尺寸之后，可以使用机械旋转工具来精加工扩大的孔，例如使扩大的孔的表面平滑。EDM电极可以在一端耦合至EDM电源。在这种情况下，EDM电极1507*可以仅略微小于由液体射流形成的初始孔。

图15D示出了由用于扩大液体射流所形成的初始孔的EDM工艺形成的孔的构造。EDM孔的直径1508可以略小于最终直径1502。EDM孔可以使用机械工具将其精加工成具有最终直径1502的预期最终孔，其中，最终直径1502具有预期质量和粗糙度值。

图16A至图16B示出了根据一些实施方案的使用放电加工形成初始孔的工艺。在图16A中，EDM工艺可以是基于下沉电极的EDM工艺，在该工艺中，将电极1607施加至衬底以侵蚀衬底中的材料。电极连接至EDM电源1635的端子。衬底连接至EDM电源的另一端子。

图16B示出了由EDM工艺形成的初始孔的构造。EDM孔的直径1608可以略小于最终直径1602。EDM孔可以使用机械工具以将其精加工成具有最终直径1602的预期最终孔，其中，最终孔具有预期质量和粗糙度值。

图17A至图17C示出了根据一些实施方案的使用EDM工艺形成孔的流程图。在图17A中，操作1700使用液体射流引导的激光束形成穿过衬底的孔。操作1710使用导线放电加工来扩大孔。操作1720使用机械旋转工具使扩大的孔平滑。

在图17B中，操作1740使用放电加工在衬底中形成孔。操作1750使用机械旋转工具使孔平滑。

在图17C中，操作1770使用液体射流引导的激光束或放电加工在衬底中形成孔。操作1780使用机械旋转工具使孔平滑。

在一些实施方案中，液体射流可以在衬底上从一个位置移动至另一个位置以形成多个初始孔，然后将衬底转移至机械旋转工具头以精加工此等孔。液体射流的移动可以由运动机构(例如，xy或xyz运动台)来执行，以使液体射流引导的激光头移动，由此产生液体射流。

图18A至图18B示出了根据一些实施方案的使用液体射流在衬底中形成多个孔的构造。图18A(a)和图18A(b)示出了一种使用液体射流从衬底的一侧在衬底中形成通孔的构造。图18B(a)和图18B(b)示出了一种构造，在该构造中，使用液体射流从衬底的一侧在衬底中形成盲孔，随后翻转衬底，再从衬底的相对侧将盲孔加工成通孔。

在图18A(a)中，液体射流1816(例如，具有约束在液体射流的边界内并且由液体射流引导的激光头产生的内反射激光束的液体射流)可以用于在衬底1800中形成通孔1801。液体射流可以沿着闭环轮廓(例如沿着圆形轮廓)进行多次通过，以切割直径与预期孔直径相同的圆柱体。可选地，液体射流可以在圆形轮廓内光栅化，例如形成螺旋路径或多条平行线，以从孔去除材料，而不是形成圆柱体。在图18A(b)中，液体射流移动至衬底上的另一位置以形成后续通孔。

衬底中的通孔可以是初始孔，例如，通孔随后由后续机械旋转工具精加工，例如，以使孔壁平滑。

在一些实施方案中，初始孔可以由液体射流与EDM工艺的组合来形成。举例而言，液体射流可以形成一个或多个具有适合EDM电极直径的初始孔。举例而言，使用基于下沉电极的EDM工艺，由液体射流形成的初始孔可略大于下沉电极尺寸。如果使用基于导线电极的EDM工艺，则初始孔可以更大，例如大得足以让导线通过。可选地，可以由EDM工艺形成孔，而无需初始孔。举例而言，可将下沉电极放置在衬底附近，并打开EDM电源，从电极去除材料以形成孔。

在任何情况下，由液体射流、液体射流与EDM电极的组合或EDM电极形成的初始孔的尺寸可以适合于使用机械旋转工具的后续精加工工艺。

在一些实施方案中，液体射流可以在衬底中形成所有通孔。然后，衬底可以移动至EDM系统，该EDM系统可以被配置成继续加工由液体射流形成的通孔。在精加工之后，衬底可以移动至机械旋转系统，在该系统中，可以使用机械旋转工具来完成初始孔的加工。

在图18B(a)中，液体射流1816可用于在衬底1800中形成盲孔1834。液体射流可以在衬底的某个位置形成盲孔。液体射流然后移动至另一位置以形成另一盲孔。继续该过程直至在衬底中形成所有的盲孔。

在图18B(b)中，衬底被翻转，例如盲孔的开口侧现位于液体射流的相对侧中。举例而言，可以由对准模块将液体射流与盲孔对准。在对准之后，液体射流可以在对准的盲孔的相对侧中形成另一盲孔。液体射流可以进一步加工将两个盲孔连接起来，以形成通孔，从而连接衬底的两侧。

在形成通孔之后，通过将盲孔连接至现有的相对盲孔中，液体射流可移动至衬底上的另一位置以形成后续通孔。

衬底中的通孔可以是初始孔，例如，通孔随后由后续机械旋转工具精加工，例如，以使孔的壁平滑。

图19示出了根据一些实施方案的使用液体射流引导的激光来钻削孔的闭环工艺。可以启用用于钻削镗孔或镗孔的芯孔的激光加工工艺。激光机床可以将液体射流引导的激光头移动至多个加工位置中的第一位置。可以启动激光工艺。一旦至少一个传感器检测到切穿信号，激光工艺就可以按规定次数进行额外的安全通过。在进行安全通过规定次数之后，激光工艺可停止，且激光机床则将液体射流引导的激光头移动至多个加工位置中的下一个加工位置。循环继续，且一旦完成多个加工位置中的最后一个位置，循环则完成。

操作1900将衬底放置在平台上。液体射流引导的激光头的喷嘴可用于形成液体射流。喷嘴也可以与激光束对准，以在液体射流内获得内反射激光束。操作1910打开液体供应，以形成液柱。操作1920将液体射流引导的激光头移动至衬底上的第一位置。操作1930打开激光发射，以产生在液柱中内反射的激光束，用于形成穿过衬底的第一孔。操作1940可选地进行额外的激光通过，以确保在观察到来自传感器的切穿信号之后切穿衬底。操作1950关闭激光发射。操作1960继续在后续位置上形成后续切穿孔。

在一些实施方案中，本发明公开了用于精加工由液体射流引导的激光系统形成的初始孔的后续工艺，例如，使初始孔的侧壁平滑并实现孔的预期最终直径，同时确保入口和出口边缘无损坏。精加工工艺可以由可以使初始孔的侧壁平滑的机械旋转工具(例如，钻削钻头、侧部铣削钻头、端部铣削钻头、铰刀或珩磨工具)进行。使用直径与最终孔直径相等的旋转工具，旋转工具还可以在使侧壁平滑的同时，将初始孔调整为具有最终直径。此外，使用具有圆形尖端(例如，椭圆形尖端)的旋转工具，旋转工具进一步可以避免旋转工具与孔入口处的表面之间的突然起动接触，这样，可以调整孔入口的边缘以使孔入口处的边缘锋利，而无磨损，例如边缘碎裂或边缘凹凸不平。在一些实施方案中，可以翻转衬底，并且旋转工具可以在通孔的另一端(例如，孔出口)处形成锋利的边缘(例如，无损坏的边缘)。

机械旋转工艺可以包含切割工艺或珩磨或磨削工艺。切割工艺可包含切割工具上的一个或多个锋利边缘，以用于切削衬底中的材料。举例而言，钻头可以在钻头的尖端部分上具有锥形切端，以用于沿轴向去除材料。钻头可在钻头的凹槽部分上具有锋利的切割边缘，以用于从钻孔的侧壁去除材料。珩磨工艺可以包含珩磨工具上的一个或多个粗糙表面，以用于由珩磨工艺去除衬底中的材料。

机械旋转工艺可以包含钻孔工艺、镗孔工艺、铰削工艺、铣削工艺或珩磨工艺。钻孔是一种切割工艺，其可以使用钻削钻头在衬底中切割圆形孔。可以在钻孔工艺中使用机械旋转工具(例如，钻削钻头)来切割材料。钻孔工艺可以在有或无初始孔的情况下进行。在有初始孔的情况下，钻削钻头可以旋转，同时随后自初始孔的侧壁刮削材料。在无初始孔的情况下，钻削钻头可以钻入衬底中以形成圆形孔。机械旋转头可用于握住和旋转旋转工具。

镗孔也是一种切割工艺，其可以使用单点切割工具、镗孔头或镗孔杆来扩大衬底中的现有孔。镗孔工艺类似于在有初始孔的情况下的钻孔，其用于将衬底中的初始孔扩大和平滑。镗孔工艺不同于在无初始孔情况下的钻孔，其用于在衬底中形成初始孔。

铰削也是一种切割工艺，其可以使用旋转切割或珩磨工具(例如，铰刀或铰削钻头)在衬底中的现有孔中形成平滑的内壁。与钻削钻头和镗孔杆一样，铰刀也会从初始孔去除侧壁材料。然而，与钻削钻头相比，铰刀去除的材料明显更少，例如去除材料的速度更慢。铰刀通常用于在初始孔中形成平滑的壁。

珩磨是一种研磨加工工艺，其可以使用磨石刀或珩磨工具由磨削磨石或磨轮在金属工件上产生精密表面。珩磨工具可以包含金刚石磨料镗杆。该工具可扩展，以补偿金刚石套筒的磨损。

在一些实施方案中，可以基于工作的目的而选择旋转工具。举例而言，可以使用钻削钻头来快速地扩大具有粗糙侧壁表面的初始孔。镗孔杆更精确，并且可以产生更平滑的侧壁表面。在三种类型的旋转切割或珩磨工具当中，铰刀和珩磨工具更精确，并且还可以产生最平滑的表面。

图20A至图20B图示了根据一些实施方案的用于形成孔的工艺。图20A(a)至图20A(c)示出了在无初始孔的情况下使用机械旋转工具的工艺。举例而言，在无初始孔的情况下，用于气体分布板和均匀性板的陶瓷衬底2000中的精密孔2001可以通过用机械旋转工具2020(例如，钻削钻头)顺序地钻削每个孔2001来形成。气体分布板或均匀性板的典型衬底2000由单晶硅材料制成，并且可以具有1000至2000个高深宽比精密孔2001，以在衬底的前侧部与后侧部之间产生流体连接，精密孔2001的孔直径为0.2mm至0.8mm、孔深度高达10mm至15mm。为了实现所期望的孔直径，通常使用具有相同直径的旋转工具。对气体分布板或均匀性板的孔的要求可以包含使每个孔的内壁平滑、如镜，以避免粘附可能潜在地污染实际产品晶片的不期望颗粒，通过这些孔2001的气体被引导至实际产品晶片上。

钻削工具2020通常可以实现孔内壁的所期望的如镜的表面光洁度。为了确保稳定并且可重复的气体分布，孔入口以及孔出口进一步必须具有锋利的边缘，而无任何圆周损坏。由于衬底2000可以是易碎的衬底(例如，单晶硅)，所以机械钻削工具可以造成增加孔入口上的材料碎裂2061以及孔出口上的材料碎裂2062的风险。

此外，当处理陶瓷衬底2000时，例如当处理如硅或碳化硅之类的材料时，存在对钻削工具的实质性磨损，从而导致工具寿命缩短。在生产量方面，每个孔2001可能花费3分钟至4分钟来钻削。举例而言，如果钻削钻头在需要1500个孔的衬底中的第1480个孔处断裂，则整个衬底2000可能潜在地被报废，并且损失许多个小时的机加工工作。

图20B(a)至图20B(c)示出了在有初始孔的情况下使用机械旋转工具2020*的工艺。可以在衬底2000中形成初始孔2001。初始孔的直径可以略微小于最终孔的直径，举例而言，初始直径可以在最终直径的75％与99％之间。替代地，最终直径与初始直径之间的差可以是初始孔表面粗糙度的几倍(例如，2倍至10倍，或2倍至6倍，或2倍至4倍)。因此，旋转工具可以使初始孔至最终孔的侧壁表面平滑，而不用大量去除侧壁材料。

旋转工具2020*可以具有工具尖端2023，例如，可以允许旋转工具从侧壁表面接触顶部边缘例如从而以不垂直于衬底的顶部表面的角度接触顶部边缘(这可以减少顶部边缘处的潜在材料碎裂)的尖端。因此，在工具尖端并且从侧壁特别是在顶部边缘处去除材料最少的情况下，孔的顶部边缘可以无不规则的成形器，例如无碎裂或无损坏2061*。旋转工具可以继续，因此可以从顶部方向通过孔。

在一些实施方案中，可以翻转衬底2066，例如，在完成通孔之前，旋转工具2020*被从衬底去除，并且衬底被翻转以使衬底的底部表面面向旋转工具。然后，旋转工具可以旋转并且向下移动，以从新的侧部(例如，从底部侧部现在变成顶部侧部)精加工孔。在有工具尖端的情况下，底部边缘可以无碎裂边缘或无损坏2062*。

图21A至图21C图示了根据一些实施方案的机械旋转工具的配置。可以使用机械旋转工具来精加工由液体射流工艺、由液体射流工艺和EDM工艺的组合或由EDM工艺形成的孔。为了去除芯孔与最终孔直径之间的剩余材料，机械工具可以以大于20.000RPM的速度来旋转。在一些实施方案中，机械工具可以以40.000RPM和120.000RPM(每分钟转数)之间的速度来旋转。

基于衬底材料，用于将芯孔精加工成最终孔直径的机械旋转工具2120可以具有不同的形状，以用于最佳的材料去除、所期望的孔内壁表面光洁度和工具寿命。机械旋转工具可以是钻削钻头、铰刀、铣削工具或珩磨工具。

图21A(a)至图21A(c)示出了旋转工具的不同工具尖端，工具尖端可以具有针对芯孔精加工工艺而优化的尖端参数。机械工具2120的工具尖端2163或2163*可以是平坦尖端，或者可以具有被优化以实现工具到芯孔的中心轴线中的软自定心的尖端。工具尖端可以具有圆锥形形状、半球形状或另一适合的凸形形状。

图21B(a)至图21B(c)示出了用于例如具有主要切割表面2164和次要切割(或非切割)表面2164*的旋转工具主体的不同配置。工具主要切割表面2164可以由碳化物、硬金属、碳化硼、氮化硅或立方氮化硼制成。在一些实施方案中，工具切割主要表面可以由金刚石材料(例如，合成金刚石材料)制成。这样的合成金刚石材料的示例是多晶金刚石(PCD)、单晶金刚石(或单晶金刚石SCD)或粘结剂材料中的金刚石颗粒。

在一些实施方案中，旋转工具可以具有由金刚石材料制成的工具主要切割表面2164，工具主要切割表面2164连接至由不同材料(例如，碳化物、硬金属、碳化硼、氮化硅或立方氮化硼)制成的次要切割或非切割表面2164*。

在一些实施方案中，旋转工具可以具有由金刚石材料制成的工具主要切割表面2164，其中工具主要切割表面一直向上延伸至工具轴。

图21C(a)至图21C(c)示出了用于旋转工具的不同工具轴配置。通常，旋转工具可以在整个主要切割表面和次要切割表面上具有相同的直径。在一些实施方案中，旋转工具可以具有第二工具直径，以优化芯孔精加工工艺的不同参数。举例而言，旋转工具可以具有带有第一工具直径的工具切割主要表面，该工具切割主要表面连接至具有第二工具直径(例如，凹部直径2165)的工具次要切割表面。

图22A至图22C图示了根据一些实施方案的用于精加工衬底中的孔的流程图。在图22A中，操作2200使用机械旋转工具使衬底中的孔平滑。在图22B中，操作2220在进入衬底中的孔时旋转机械旋转工具，其中孔具有针对高生产量和最小边缘损坏而优化的直径。

在图22C中，操作2240在进入衬底中的孔时旋转机械旋转工具。机械旋转工具可以具有圆形尖端。机械旋转工具可以具有在尖端附近的被配置成使孔的内表面平滑的部分。机械旋转工具可以具有在基部附近的部分，该部分的直径小于在机械旋转工具的尖端附近的部分的直径。

在一些实施方案中，气体分布板或均匀性板可以由液体射流工艺和机械旋转工艺的组合来形成。举例而言，可以最初使用液体射流引导的激光形成芯孔，并且然后使用机械旋转工具将芯孔精加工至最终孔。可以应用液体射流引导的激光来快速地钻削深并且高质量的微小孔，而无任何工具磨损。为了在衬底中形成芯孔，液体射流引导的激光可以进行圆形机加工运动并且切割出圆柱形销，或者液体射流引导的激光可以做出螺旋或者圆形和螺旋机加工运动的组合以去除芯孔的直径内侧的所有材料。

孔侧壁表面粗糙度可以实现低于Ra 1um的值，或者甚至低于Ra0.3um的粗糙度。然而，工件(例如，用于半导体处理设备的气体分布板和均匀性板的衬底)可以要求低于Ra0.1um的孔侧壁粗糙度值。机械钻削工具可以实现低于Ra 0.1um的这样的粗糙度值，然而，钻削工艺是缓慢的，因为钻机需要缓慢地进入至衬底材料中和从衬底材料退出，以避免以碎裂掉的衬底材料的形式对孔入口和孔出口造成损坏。这样的钻削工艺可以花费3分钟至5分钟做出仅一个孔。此外，钻削工具可能与仅几百个孔之后一样快速地磨损。

在一些实施方案中，应用液体射流引导的激光来从孔快速地去除大部分材料，并且由液体射流引导的激光，在快速去除材料且无任何工具磨损的情况下，执行所有繁重提升(heavy lifting)。可以应用液体射流引导的激光来快速地形成在直径上略微小于所期望的最终孔直径的芯孔。举例而言，如果在11mm厚的硅衬底中所期望的最终孔直径是0.45mm，则可以应用液体射流引导的激光来快速地形成0.40mm直径的芯孔。取决于液体射流引导的激光参数，可以在例如30秒至60秒内形成这样的芯孔。

在形成孔之后，可以应用机械工具来去除少量剩余材料。具有匹配最终孔直径的工具直径的工具可以将芯孔直径扩展至最终孔直径，同时只必须去除非常少的材料。因此，与钻削穿过整个大块衬底材料的最终孔相比，机械工具沿着芯孔的中心轴线的方向上的进给速度可以显著更快。这样的精加工步骤可以在例如30秒至60秒内完成，使得以所期望的质量和粗糙度钻削所期望的孔直径的总时间可以减少50％或更多。

在一些实施方案中，取决于生产设施中的优选材料流动和节拍时间，可以在同一机器(液体射流引导的激光+机械钻机)或在两个单独的机器中应用由液体射流引导的激光形成芯孔和用机械工具将芯孔精加工成最终孔直径的操作。

在一些实施方案中，初始孔可以由EDM工艺(例如，液体射流与EDM工艺的组合)或者仅由EDM工艺形成。举例而言，基于导线的电极EDM工艺可以与液体射流工艺结合使用，以形成初始孔。替代地，在无液体射流工艺的情况下，可以使用基于下沉电极的EDM工艺来形成初始孔。

在由液体射流工艺、EDM工艺或液体射流和EDM工艺的组合形成初始孔之后，初始孔可以由机械旋转工具来精加工，例如，被平滑至最终尺寸，以获得具有所期望直径和所期望质量和粗糙度值的最终孔。

在一些实施方案中，机械旋转工具可以被配置成从一个侧部、以顺序方式从2个侧部或同时从2个侧部使初始孔平滑。另外，初始通孔可以由液体射流从一个侧部或从2个侧部形成。

在一些实施方案中，可以基于初始孔形成、基于衬底材料并且进一步基于最终孔要求而优化孔精加工工艺。为了实现最好的孔，对于不同的芯孔精加工策略，必须考虑侧壁质量以及入口和出口侧部质量。举例而言，芯孔可以将衬底的上部侧部流体地连接至衬底的下部侧部。可以应用机械工具来将芯孔精加工至所期望的最终孔直径。机械工具可以具有等于或略微小于所期望的最终孔直径的工具直径。

在一些实施方案中，芯孔可以是覆盖超过30％的衬底深度(例如，超过50％但小于95％的衬底深度)的盲孔。可以应用机械工具来将芯孔精加工至所期望的最终孔直径。机械工具可以从芯孔的开口侧部进入衬底。机械工具可以产生穿过衬底的下部侧部的最终突起。机械工具可以具有等于或略微小于所期望的最终孔直径的工具直径。

在一些实施方案中，芯孔可以是覆盖超过30％的衬底深度(例如，超过50％但小于95％的衬底深度)的盲孔。机械工具可以从芯孔的盲侧部进入衬底，并且钻削穿过全部材料，直至其到达芯孔的开口部分为止。然后，可以应用机械工具来将芯孔精加工至所期望的最终孔直径。机械工具可以具有等于或略微小于所期望的最终孔直径的工具直径。

在一些实施方案中，芯孔可以由各自在衬底的相反侧部处的两个盲孔组成，其中每个芯孔的中心轴线基本上在穿过衬底的同一轴线上。两个盲孔中的每一个都可以覆盖超过30％但小于45％的衬底深度。机械工具可以从任一芯孔的开口侧部进入衬底。机械工具可以产生穿过衬底的中心部分的最终突起。机械工具可以具有等于或略微小于所期望的最终孔直径的工具直径。当机械工具进入衬底面的任一侧部时，这种方法对于对材料碎裂敏感的非常易碎衬底材料可能是优选的。关键突起在材料碎裂风险低的衬底内侧形成。

图23A至图23B示出了根据一些实施方案的用于精加工初始通孔的工艺。图23A(a)至图23A(c)示出了接近衬底2300中的通孔2301的旋转工具2320。通孔2301可以由液体射流工艺形成，其直径略微小于旋转工具2320的直径。旋转工具可以旋转并且进入初始通孔2301，以用于使初始通孔的侧壁平滑，并且也用于使初始通孔具有最终直径。旋转工具可以从衬底中抽回，例如，以移动至另一通孔。

图23B(a)至图23B(e)示出了旋转工具2320将衬底中的初始通孔精加工或平滑的另一工艺。旋转工具可以从衬底的第一侧部使通孔的一部分平滑。然后，旋转工具可以从衬底抽回。然后，可以翻转衬底2366。旋转工具可以从衬底的与第一侧部相反的第二侧部使通孔的剩余部分平滑。然后，旋转工具可以从衬底抽回。

图24A至图24C示出了根据一些实施方案的用于精加工初始单侧盲孔的工艺。图24A(a)至图24A(b)示出了旋转工具2420从盲孔的开口侧部接近盲孔2434。盲孔2434可以通过液体射流工艺在衬底2400中形成，其直径略微小于旋转工具2420的直径。旋转工具可以旋转并且进入初始盲孔2434，以用于使初始盲孔的侧壁平滑，并且还用于使初始盲孔具有最终直径。旋转工具可以从衬底中抽回，例如，以移动至另一盲孔。

图24B示出了用于精加工盲孔的另一工艺，旋转工具2420从盲孔的盲侧部(例如，从盲孔的开口的相反侧部)接近盲孔2434。盲孔2434可以通过液体射流工艺在衬底2400中形成，其直径略微小于旋转工具2420的直径。然后，可以翻转衬底，以将盲孔的盲侧部呈现给旋转工具。旋转工具可以旋转，并且从对准的位置切割至衬底中，对准的位置是盲孔的中心。然后，旋转工具可以形成最终的通孔，从而使孔的侧壁平滑，并且进一步用于使初始孔具有最终直径。旋转工具可以从衬底中抽回，例如，以移动至另一盲孔。

图24C(a)至图24C(e)示出了旋转工具2420将衬底中的初始盲孔精加工或平滑的另一工艺。旋转工具可以从盲孔的开口侧部使盲孔的一部分平滑。然后，旋转工具可以从衬底抽回。然后，可以翻转衬底2466。旋转工具可以从衬底的与盲孔的开口侧部相反的第二侧部使盲孔的剩余部分平滑。然后，旋转工具可以从衬底抽回。

替代地，旋转工具可以首先从盲孔的开口侧部的相反侧部使盲孔的一部分平滑。

图25A至图25B示出了根据一些实施方案的用于精加工初始双侧盲孔的工艺。图25A(a)至图25A(c)示出了旋转工具2520从盲孔的两个开口侧部中的任一个接近盲孔2534。盲孔2534可以通过液体射流工艺在衬底2500中形成，其直径略微小于旋转工具2520的直径。旋转工具可以旋转并且进入初始盲孔2534，以用于使初始盲孔的侧壁平滑，并且还用于使初始盲孔具有最终直径。旋转工具可以从衬底中抽回，例如，以移动至另一盲孔。

图25B(a)至图25B(e)示出了旋转工具2520将衬底中的初始盲孔精加工或平滑的另一工艺。旋转工具可以从盲孔的两个开口侧部中的任何一个使盲孔的一部分平滑。然后，旋转工具可以从衬底抽回。然后，可以翻转衬底2566。旋转工具可以从衬底的与通孔的开口侧部相反的第二侧部使盲孔的剩余部分平滑。然后，旋转工具可以从衬底抽回。

在一些实施方案中，可以应用两个机械工具来将芯孔同时精加工至最终孔直径。第一机械工具可以放置在衬底的第一表面上方。第二机械工具可以放置在衬底的第二表面下方。两个机械工具的中心轴线是相同的。两个机械工具都可以沿着其中心轴线彼此保持恒定的间距。衬底可以在上下摆动移动中沿着两个机械工具的轴线移动，或者替代地，两个机械工具都可以在上下摆动移动中同时沿着芯孔的中心轴线移动。由于机械工具通常基于其每分钟的旋转和在垂直于衬底的方向上的进给速度而具有一定的材料去除速率，因此两个机械工具可以在更短的时间内去除更多的材料。可能需要上下摆动移动来从孔去除衬底材料。替代地，第一机械工具和第二机械工具还可以根据需要沿着芯孔的中心轴线彼此独立地移动，以用于有效的去除过程，只要其移动不在芯孔的中心轴线上碰撞即可。

图26A至图26B示出了根据一些实施方案的使用两个机械旋转工具精加工孔的工艺。图26A(a)至图26A(d)示出了两个旋转工具2620和2620*面向衬底2600中的通孔2601的两个相反侧部。通孔2601可以由液体射流工艺形成，其直径略微小于旋转工具2620的直径。旋转工具可以旋转并且进入初始通孔2601，以用于使初始通孔的侧壁平滑，并且还用于使初始通孔具有最终直径。旋转工具可以独立地移动，或者可以同时移动。举例而言，两个旋转工具可以从衬底来回摆动。两个旋转工具之间的距离可以是恒定的，例如，两个旋转工具摆动，同时保持分开恒定的距离。两个旋转工具之间的距离可以变化，举例而言，距离可以从彼此非常近变化成为分开非常远。旋转工具可以从衬底中抽回，例如，以移动至另一通孔。

图26B(a)至图26B(d)示出了两个旋转工具2620和2620*面向衬底2600中的双侧盲孔2634的两个相反侧部。旋转工具可以旋转并且进入初始盲孔2601，以用于使初始盲孔的侧壁平滑，并且还用于使初始盲孔具有最终直径。

图27A至图27C图示了根据一些实施方案的用于精加工衬底中的初始孔的流程图。在图27A中，操作2700在机械旋转工具进入衬底中的通孔时旋转机械旋转工具。机械旋转工具从第一侧部进入通孔，以用于使通孔的表面完全平滑。替代地，机械旋转工具从第一侧部进入通孔，以用于使通孔的一部分的表面平滑，随后从第二相反侧部进入通孔，以用于使通孔的剩余部分的表面平滑。

在图27B中，操作2720在机械旋转工具进入衬底中的盲孔时旋转机械旋转工具。机械旋转工具从第一侧部进入盲孔，以用于使通孔的表面完全平滑。替代地，机械旋转工具从第一侧部进入盲孔，以用于使通孔的一部分的表面平滑，随后从第二相反侧部进入盲孔，以用于使盲孔的剩余部分的表面平滑。

在图27C中，操作2740在两个机械旋转工具进入衬底中的孔时旋转两个机械旋转工具。机械旋转工具独立于彼此进入孔。替代地，机械旋转工具在相反的方向上同时进入盲孔，随后在一个方向上移动机械旋转工具，同时将机械旋转工具之间的距离保持恒定。

在一些实施方案中，可以调整(例如，调节)机械旋转工具的温度，例如，以防止由于从衬底中的孔的侧壁去除材料的旋转动作所导致的过热。此外，机械旋转工具可以经受润滑剂作用，例如，以防止对于旋转工具的过度磨损和撕扯。液体或气体流或浸没式浴池可以被用于为旋转工具维持恒定温度，例如以将旋转工具冷却至环境温度。

在材料去除工艺之前、期间和之后，可以主动地冷却机械工具。主动冷却可以用冷却流体(例如，水)或气体(例如，空气或CO₂)进行。冷却介质可以作为轴向或径向或角向流从外部提供给机械工具。

在一些实施方案中，机械工具可以具有内部冷却通道，通过该内部冷却通道，冷却介质可以经由面向工具尖端的出口端口被引导并且喷射至工具切割主要表面和工具切割次要表面上。

在替代配置中，机械工具具有将工具的上部部分与工具尖端流体地连接的同轴中心孔。由于工作长度长，液体射流引导的激光可以被引导穿过机械工具中的中心孔。在第一步骤中，应用液体射流引导的激光以去除衬底材料并且形成初始芯孔。出于此目的，应用来自液体射流激光的延伸超出工具尖端的部分。在精加工步骤中，关闭激光束，并且机械工具可以开始以所期望的速度旋转，以从芯孔去除剩余材料。液体射流可以保持流动穿过机械工具朝向工件，以作为用于机械工具以及工件衬底两者的冷却剂。

图28A至图28D图示了根据一些实施方案的用于冷却旋转工具的配置。图28A示出了用冷却液体(例如，水、冷却剂或润滑液体)灌注工件(例如，衬底2800)的注水喷嘴2871。冷却水流2871可以去除由旋转工具与衬底之间的摩擦产生的热量。在用旋转工具2820的机加工工艺期间，工具2820和衬底2800可以由液体冷却流(例如，注水喷嘴2871)来冷却。水可以具有环境温度或更低的温度，例如，小于20摄氏度、15摄氏度或10摄氏度的温度。

图28B示出了其中可以使用气体冷却工艺(例如，指向旋转工具或正被机加工的衬底区域的空气喷嘴2872)的配置。

图28C示出了其中液体或气体冷却工艺可以被用于通道旋转工具的配置。液体2871A可以被提供给旋转工具内侧的导管，然后其可以向外流向衬底或孔的侧壁表面。

图28D示出了使用液体射流引导的激光头的液体射流来冷却具有中空工具头的旋转工具的配置。来自液体射流引导的激光头的液体射流2871*(例如，只有不具有内反射的激光束的液体流)可以被用于在中空的旋转工具内部行进，以用于在平滑工艺期间冷却旋转工具。

图29A至图29C图示了根据一些实施方案的用于冷却机械旋转工具的流程图。在图29A中，操作2900通过旋转机械旋转工具使衬底中的孔平滑。机械旋转工具经受液体流或气体流作用以冷却。替代地，由机械旋转工具中的导管提供液体流以用于冷却。替代地，将衬底浸没在液体浴池中，以用于冷却机械旋转工具。

在图29B中，操作2920使液体流或气体流流动至机械旋转工具的外表面或内导管，以用于在使衬底中的孔平滑期间冷却机械旋转工具。

在图29C中，操作2940将机械旋转工具定位在液体射流引导的激光头下方，其中来自液体射流引导的激光头的液柱被配置成在使衬底中的孔平滑的工艺期间通过机械旋转工具中的内导管。

在一些实施方案中，可以使用对准模块(例如，相机)将机械旋转工具与由液体射流形成的初始孔对准。在翻转衬底之后，可以使用对准模块来对准机械旋转工具，以确保顶部表面工艺与底部工艺对准。

为了将芯孔精确地精加工至最终孔直径，机械工具的中心轴线与芯孔的中心轴线必须彼此完全对准。可以应用对准相机来找到芯孔的中心轴线。对准相机可以安装在安装板上，工具主轴还安装至安装板。对准相机和工具主轴可以在其相应的中心轴线之间具有已知偏移距离。对准相机可以具有至少一个光学元件(例如，透镜)和至少一个空间检测器(例如，相机)。

为了精加工由先前液体射流工艺形成的初始孔，在第一步骤中，对准相机可以测量芯孔的中心轴线的位置。在第二步骤中，上面安装有对准相机和工具主轴安装的安装板可以移动等于对准相机与工具主轴和机械工具的中心轴线之间的偏移距离的距离。一旦机械工具轴线恰好放置在芯孔的中心轴线上方，就可以降低工具主轴，以开始将芯孔精加工至最终孔直径。机械工具可以进行上下摆动移动。替代地，机械工具仅在一个方向上沿着芯孔从衬底的第一表面移动，并且穿过衬底的第二相反表面。

举例而言，在翻转衬底之后，可以使用对准模块将旋转工具与初始孔的相反开口对准。举例而言，在从初始孔的第一开口侧部使初始孔的第一部分平滑之后，可以翻转衬底以将衬底的底部表面暴露于旋转工具。对准相机可以确定芯孔的第二开口的中心轴线的位置。上面安装有对准相机和工具主轴的安装板可以移动等于对准相机与工具主轴和机械工具的中心轴线之间的偏移距离的距离。一旦机械工具轴线恰好放置在芯孔的中心轴线上方，就可以降低工具主轴，以开始将芯孔精加工至最终孔直径。

图30A至图30B图示了根据一些实施方案的对准模块的配置。在图30A中，旋转工具3020和对准模块3074可以安装在安装板3077上。对准模块与旋转工具之间的距离3078可以被确定，并且然后被用于对准旋转工具。

图30B(a)至图30B(b)示出了用于将旋转工具与衬底3000中的初始孔3001对准的工艺。可以使用对准模块来找到初始孔的中心线。之后，含有对准模块和旋转工具的安装板可以移动等于对准模块与旋转工具之间的分离距离3078的距离。然后，旋转工具与初始孔对准，并且然后可以下降以用于使初始孔平滑。

图31A至图31B图示了根据一些实施方案的对准模块的另一配置。在图31A中，旋转工具3120和对准模块3174*可以安装在安装板3177*上，其中对准模块安装至与旋转工具相反的方向上，例如，衬底被配置成安置在对准模块与旋转工具之间。对准模块可以与旋转工具对准，例如，对准模块可以与旋转工具的中心线对准。

图31B示出了用于将旋转工具与衬底3100中的初始孔3101对准的工艺。可以使用对准模块来找到初始孔的中心线。之后，可以降低旋转工具，以用于使初始孔平滑，因为旋转工具已经与初始孔的中心线对准。

图32A至图32B示出了根据一些实施方案的用于对准机械旋转工具的流程图。在图32A中，操作3200将对准模块耦合至机械旋转工具，其中对准模块被配置成从顶部表面或从底部表面定位衬底中的孔的位置。对准模块与机械旋转工具之间的距离被用于将机械旋转工具与孔对准。如果对准模块在与旋转工具相反的方向上放置，则距离可以为零。

在图32B中，操作3220使用耦合至机械旋转工具的对准模块来确定衬底中的孔的位置。操作3230可选地使用对准模块与机械旋转工具之间的预定距离移动机械旋转工具以与孔的位置对准。如果对准模块耦合至旋转工具的相反方向，例如，对准模块被配置成从衬底的底部表面定位孔的位置，则操作是可选的。操作3240使用机械旋转工具使孔平滑。操作3250重复以上步骤，以用于使衬底中的其他孔对准和平滑。

在一些实施方案中，可以使用检查模块(例如，相机)来检查由机械旋转工具精加工的孔的质量。可以使用检查模块来继续或终止后续初始孔的平滑工艺。举例而言，如果被检查的孔通过了质量测试，例如侧壁表面粗糙度足够，并且孔入口和出口边缘无劣化损坏，则旋转工具可以移动至后续初始孔以继续处理。替代地，如果被检查的孔未通过质量测试，例如侧壁表面粗糙度不够或孔入口或出口边缘指示劣化损坏，则可以终止工艺。

在一些实施方案中，可以测量衬底中精加工的孔的尺寸和质量。举例而言，用于半导体处理设备的气体分布板和均匀性板的精密部件通常需要被机加工至厚陶瓷衬底中的数百或甚至数千个精密孔。为了确保稳定并且可重复的气体分布，每个孔的孔入口以及孔出口必须具有尖锐边缘，而无任何圆周损坏。用于做出这样的孔的机器可以具有用液体射流引导的激光或用放电机加工工艺的芯孔钻削步骤。可以用机械工具将芯孔精加工至所期望的最终孔直径和质量。有时，在芯孔钻削工艺或孔精加工工艺期间，孔可能会被损坏，例如，孔入口或孔出口可能具有碎裂掉的部分。这可能是由衬底材料中的杂质或由例如被用于将芯孔精加工成所期望的孔直径的机械工具的磨损引起的。为了避免对具有一个或多个缺陷孔的衬底的进一步处理，可以在处理步骤之后用机械工具对每个孔应用检查。

在一些实施方案中，还可以在由液体射流引导的激光或放电机加工工艺产生芯孔之后应用孔检查工艺。具有机械工具的工具主轴可以安装在机器内侧的安装板上，以用于处理衬底。检查相机可以安装至同一安装板。检查相机可以包含用于照射衬底表面的照射模块。检查相机可以含有至少一个光学元件，该至少一个光学元件适合于将等于或大于孔直径的区域成像至感测设备(例如，CCD相机)上。照射模块可以照射等于或大于孔直径的区域。与所期望的孔轮廓相比，可以由形状和亮度上的变化来检测孔圆周的缺陷。

在一些实施方案中，顶部检查模块和底部检查模块可以被配置成在衬底的两个侧部上同时测量衬底中的被精加工的孔的尺寸和质量。顶部和底部检查模块的光学轴线可以是相同的，例如，顶部和底部检查模块具有同一光学轴线。顶部检查相机可以包含用于照射衬底的上部表面以及穿过孔朝向底部检查相机照射的顶部照射模块。底部检查相机可以包含用于照射衬底的下部相反表面以及穿过孔朝向顶部检查相机照射的底部照射模块。

在一些实施方案中，顶部照射模块可以照射孔的孔入口。顶部检查相机可以通过分析与所期望的孔轮廓相比在形状和亮度上的变化来检测孔圆周的缺陷。这样的分析可以通过将顶部检查相机连接至例如计算设备来执行。除了打开顶部照射模块之外，进一步可以打开底部照射模块，使得顶部检查相机可以检测孔本身内侧的缺陷，例如检查孔侧壁上的不圆度、高粗糙度或颗粒。顶部照射模块和底部照射模块可以被同时或顺序地打开。

在一些实施方案中，底部照射模块可以照射孔的孔出口。底部检查相机可以通过分析与所期望的孔轮廓相比在形状和亮度上的变化来检测孔圆周的缺陷。这样的分析可以通过将上部检查相机连接至例如计算设备来执行。除了打开底部照射模块之外，还可以打开顶部照射模块，使得底部检查相机可以检测孔本身内侧的缺陷，例如检查孔侧壁上的不圆度、高粗糙度或颗粒。

图33A至图33B图示了根据一些实施方案的检查模块的配置。在图33A中，旋转工具3320和检查模块3375可以安装在安装板上。检查模块与旋转工具之间的距离可以被确定，并且然后在旋转工具完成处理之后被用于对准检查模块。检查模块可以包含光源3375A，例如，LED灯。检查模块可以包含用于捕获所处理的孔的图像的检查相机3375B。检查模块可以包含用于分析由相机3375B捕获的图像的处理模块3375C。

在操作中，旋转工具3320可以精加工初始孔，例如从而使侧壁平滑并且使初始孔具有最终所期望的直径。上面安装有检查模块和旋转工具的安装模块可以移动等于检查模块与旋转工具之间的分离的距离。然后，检查模块可以检查由旋转工具刚刚处理的孔的质量。

在图33B中，顶部检查模块3375和底部检查模块3375*可以耦合至旋转工具3320。顶部和底部检查模块可以被对准，例如，从而具有用于检查孔的顶部部分和底部部分的相同光学轴线。

图34A至图34B示出了根据一些实施方案的用于检查衬底中的最终孔的流程图。在图34A中，操作3400将检查模块耦合至机械旋转工具，其中检查模块被配置成从顶部表面或从底部表面检查衬底中的孔的特性。检查模块与机械旋转工具之间的距离被用于在被旋转工具平滑之后将检查模块与孔对准。

在图34B中，操作3420使用机械旋转工具使衬底中的孔平滑，其中旋转工具耦合至检查模块。操作3430使用检查模块与机械旋转工具之间的预定距离移动机械旋转工具以将检查模块与孔对准。操作3440使用检查模块检查孔。操作3450重复先前的步骤，以用于平滑和检查衬底中的其他孔。

在一些实施方案中，本发明公开了用于在可以在气体分布板和均匀性板中使用的衬底中形成孔的方法和系统。方法可以包含使用液体射流引导的激光系统或放电机加工系统或液体射流引导的激光系统和放电机加工系统的组合在衬底中形成初始孔。方法还可以包含：精加工所形成的初始孔，例如将初始孔扩大至所期望的最终直径，同时确保最终孔的侧壁是平滑的并且入口和出口边缘不被损坏。可以由机械旋转工具(例如，钻削钻头、铰刀、铣削钻头、镗孔杆或珩磨钻头)执行精加工工艺。

在一些实施方案中，可以在不同的设备(例如用于形成初始孔的液体射流引导的激光系统的第一设备和用于精加工初始孔的机械旋转工具的第二设备)中执行孔形成工艺和孔精加工工艺。

图35示出了根据一些实施方案的用于在衬底中完全形成孔的流程图。完全的孔形成可以包含在衬底中形成初始孔，并且用机械工具将初始孔精加工成具有所期望特性的所期望孔直径。

操作3500在衬底中机加工至少一个孔，其中，衬底是陶瓷衬底，并且陶瓷材料是硅、碳化硅、氮化铝、氮化硅、陶瓷基复合材料(CMC)、金属基复合材料(MMC)、碳化硼或氮化钛中的一种。操作3510确定所期望的孔直径，其中，所期望的孔直径小于2mm。操作3520钻削芯孔，其中，应用液体射流引导的激光或放电机加工工艺以使芯孔直径等于或小于所期望的最终孔直径。操作3530确定芯孔的精确位置，其中，应用相机以测量所述孔的位置作为至主轴的偏移距离。操作3540向主轴提供机械工具，其中，机械工具是钻削钻头、铰刀或铣削工具中的一种，并且其中，工具切割表面的至少端部部分由碳化物或合成金刚石材料中的一种制成。操作3550将芯孔精加工至所期望的孔直径，其中，应用机械工具以去除芯孔直径与所期望的孔直径之间的剩余材料。衬底还可以包含金属衬底和具有孔的其他工件。

在一些实施方案中，本发明公开了用于在衬底中形成孔的液体射流与机械旋转切割工具的整合。整合系统可以包含液体射流引导的激光头，该液体射流引导的激光头具有被配置成产生液体射流的液体源和被配置成在由液体源产生的液体射流中形成内反射的激光束的激光电源。液体射流引导的激光头可以包含围绕液体射流的同轴气体流，以最小化对液体射流的干扰。整合系统可以包含机械旋转工具，机械旋转工具被配置成扩大初始孔并且在不损坏孔的入口和出口边缘的情况下使扩大的孔的表面平滑。

机械工具具有将工具的上部部分与工具的尖端流体地连接的同轴中心孔。由于工作长度长，液体射流引导的激光可以被引导穿过机械工具中的中心孔。

图36示出了根据一些实施方案的液体射流和机械旋转工具的整合系统的配置。整合系统3626(例如液体射流引导的激光头3610和机械中空的旋转工具头3620的组合)可以被配置成形成初始孔以及精加工初始孔。液体射流引导的激光头3610可以包含保持窗口3612的壳体。在窗口3612下方，存在液体射流喷嘴3615。液体源(例如，水源3614)可以被压至窗口3612与喷嘴3615之间的空间，以形成层状液体射流3616A。为了处理材料，来自激光源3611的激光束被聚焦并且被引导穿过窗口3612并且穿过液体射流喷嘴3615的孔口至层状液体射流3616A中。聚焦的激光束3613可以被约束在液体射流3616A中，这可以由液体射流内侧的全内反射将激光束3616B的能量引导朝向工件衬底3600。

液体射流引导的激光头3610可以包含空气射流模块，以提供围绕液体射流的同轴气体流。在液体射流喷嘴3615下方，液体射流引导的激光通过空气射流模块3627的内导管。提供穿过空气射流模块3627的外部和机械地间隔开的导管的压缩气体源3617的高容量喷流，该高容量喷流平行于液体射流引导的激光3616并且朝向衬底3600的表面行进。压缩的气体喷流3618充当同轴间隔开的护罩，该同轴间隔开的护罩避免了液体射流引导的激光3616的回喷诱发的干扰。

机械中空的旋转工具头3620可以包含机械中空的旋转工具，该机械中空的旋转工具可以具有通过旋转工具的导管。机械中空的旋转工具头3620可以被定位，使得来自液体射流引导的激光头的液体射流可以进入导管，例如，以冷却机械中空的旋转工具。

运动机构可以耦合至整合系统，以例如在垂直于液体射流的平面中或在平行于和垂直于液体射流的三维移动中移动液体射流引导的激光头和机械旋转工具。

液体射流引导的激光束3616可以被配置用于例如通过直线切割工艺、通过沿着圆形轮廓多程行进以切除圆柱形材料或者通过在闭环轮廓内部进行多程光栅化以在闭环轮廓内侧形成孔而在衬底中制造出具有初始直径3606的孔。

机械旋转工具可以被配置成精加工初始孔，例如将初始孔扩大至最终直径3602并且使最终孔的侧壁平滑。

Claims (20)

1.一种方法，其包含：

使用液体射流引导的激光束在衬底中形成孔，

其中，所述液体射流引导的激光束包含在液柱内内反射的激光束，

其中，通过使所述液体流过喷嘴来形成所述液柱，

其中，通过将激光束聚焦至所述液柱中来形成所述内反射的激光束；

使用机械旋转工具使所述孔平滑以实现最终尺寸，

其中，所述机械旋转工具由机械旋转系统操作，

其中，所述机械旋转工具包含适合于所述孔的所述最终尺寸的直径。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述孔被配置成在所述衬底的顶部表面与底部表面之间提供流体连接。

3.根据权利要求1所述的方法，

其中，使用所述液体射流引导的激光束形成所述孔包含：使用圆周运动或螺旋运动中的至少一种形成所述孔，

其中，所述圆周运动或所述螺旋运动被配置成形成具有介于所述最终尺寸的75％与99％之间的直径的所述孔。

4.根据权利要求1所述的方法，

其中，使用所述液体射流引导的激光束形成所述孔包含：形成具有比所述最终尺寸小0.05mm的直径的所述孔。

5.根据权利要求1所述的方法，

其中，由所述液体射流引导的激光系统形成的所述孔的直径被配置成最小化所述液体射流引导的激光束与所述机械旋转工具的总处理时间。

6.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述机械旋转工具被配置成使所述孔平滑以实现具有小于0.3微米的平均粗糙度(Ra)的表面光洁度。

7.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述液体射流引导的激光束和所述机械旋转工具被配置成在无圆周损坏的情况下形成具有尖锐边缘的所述孔并且使所述孔平滑。

8.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述衬底包含硅、碳化硅、氮化铝、氮化硅、氮化钛、碳化硼、陶瓷基复合材料(CMC)或金属基复合材料(MMC)中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的方法，其还包含：

形成围绕所述液柱的同轴气体流，

其中，所述同轴气体流被配置成最小化当撞击所述衬底时由于所述液柱的回喷而对所述液柱的干扰。

10.根据权利要求1所述的方法，

其中，使用所述液体射流引导的激光束形成所述孔以及使用所述机械旋转工具精加工所述孔在同一机器中执行。

11.根据权利要求1所述的方法，

其中，使用所述液体射流引导的激光束形成所述孔以及使用所述机械旋转工具精加工所述孔在不同的机器中执行。

12.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述机械旋转工具包含机械钻削钻头、机械铰刀、机械镗孔杆、机械铣削工具或机械珩磨工具。

13.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述机械旋转工具包含由多晶金刚石或单晶金刚石材料制成的端部部分。

14.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述孔被配置成完全通过所述衬底，

其中，所述方法还包含：由光学传感器或声学传感器中的至少一个来检测所述孔的切穿。

15.根据权利要求1所述的方法，其还包含：

在使用所述液体射流引导的激光束形成所述孔期间加热所述衬底，

其中，加热所述衬底包含：使高于环境温度的液体在所述衬底的表面上方流动、使高于环境温度的气体在所述衬底的所述表面上方流动、在所述衬底的所述表面上方施加红外或电感能量或将所述衬底浸没于高于环境温度的液体中的至少一种，

其中，所述高于环境温度的液体或气体的温度在50摄氏度与100摄氏度之间。

16.根据权利要求1所述的方法，其还包含：

在由所述机械旋转工具使所述孔平滑之后检查所述孔，

其中，所述检查包含相机。

17.一种方法，其包含：

安置具有面向液体射流引导的激光头的第一表面的衬底；

使用从所述液体射流引导的激光头产生的液体射流引导的激光束在衬底中形成多个盲孔，

其中，所述液体射流引导的激光束包含在液柱内内反射的激光束，

其中，通过使所述液体流过喷嘴而形成所述液柱；

翻转所述衬底以使所述衬底的第二表面面向所述液体射流引导的激光头，

其中，所述第二表面与所述第一表面相反；

将所述多个盲孔中的每个盲孔与所述液体射流引导的激光束对准；

由所述液体射流引导的激光束形成通过所述每个盲孔的通孔；

使用机械旋转工具使所述通孔平滑。

18.根据权利要求17所述的方法，其还包含：

由光学传感器或声学传感器中的至少一个来检测形成所述通孔的所述液体射流引导的激光束。

19.根据权利要求17所述的方法，其还包含：

在由所述机械旋转工具使所述孔平滑之后检查所述孔，

其中，所述检查包含相机。

20.一种方法，其包含：

使用液体射流引导的激光束在衬底中形成孔，

其中，所述液体射流引导的激光束包含在液柱内内反射的激光束，

其中，通过使所述液体流过喷嘴而形成所述液柱；

使用机械旋转工具使所述孔平滑，

其中，所述机械旋转工具包含端部部分，所述端部部分包含合成的金刚石材料。

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