CN1287945C - 激光加工系统和方法 - Google Patents

Abstract

基片(16)加工形成例如孔。基片位于气体环境受到控制的腔室(15)内。传输控制参数，比如激光脉冲参数的加工激光束(13)，以获得所需的效果。气体环境可以得到控制，以控制孔的绝缘衬里的整体生长，从而不再需要后续的蚀刻和氧化物生长步骤。而且，可以以多道工序进行加工，以使热损伤最小，且获得其他所需的效果，比如特定的孔的几何形状。

Description

激光加工系统和方法

本发明涉及基片的激光加工。

利用脉冲激光进行微孔的激光钻孔可以用两种方法完成。在第一种方法中，使用静止光束(像素孔)：使用这种技术，多个激光脉冲瞄准基片上一个点。达到一定深度所需的激光脉冲数取决于其能量。这种技术适合直径小于约100微米的孔。精确的孔直径取决于激光束的直径、光学和激光参数以及材料性能。

在另一种方法中，光束沿孔的外轮廓扫描。这种技术适于直径大于约100微米的孔。激光以一个或多个同心圆的圆形方式移动。为了达到所需的深度，可能需要重复几次。孔的直径是外圆半径和光束直径的函数。这种孔被称为扫描孔或环钻孔。

通常，使用激光束加工孔会带来若干问题。这些问题导致需要若干激光加工后处理步骤。具体而言，问题是：

碎屑

在激光钻孔工艺中，晶片顶面上的碎屑是由孔出口的碎屑和熔化材料的积聚造成的。这在图A中示出。它通常表现为两种不同的形式。在一种形式中，碎屑表现为围绕孔的“唇”状材料。所述唇的高度可以达到几十微米。人们认为，有助于形成所述唇的工艺之一是在激光切割的过程中从孔中喷出的熔化和气态材料的重新凝固。通常，不能使用常规的清洗技术去除碎屑。理想的孔应当没有碎屑或唇状结构。

第二种形式的碎屑表现为覆盖晶片顶面的“粉尘”。通常，这种碎屑可以使用简单的清洗工艺去除，然而，更可取的是彻底消除碎屑的出现。

侧壁的热损伤区

钻孔中出现的第二个问题是，当脉冲率、脉冲能量和进入到材料中的总激光脉冲数增加时，材料中积累的热量也随之增加。在某一刻，在周围材料中耗散的热量可能对结构内壁造成严重的热损伤。这种热损伤的影响是由于微裂纹和晶体变形而降低了结构的整体性。一种减少这种情况的技术是光束斩波，从而减少传输给孔的总能量。然而，这也减少了传输到表面的总能量，因此，不是一种有效的技术。

侧壁成分

钻孔工艺的最终目的是为了获得可以金属化的绝缘微孔。重要的是这种孔结构良好，并且可以满足所有的可靠性指标。使用传统的技术不可能控制材料成分或传导率。为了更好地理解钻孔工艺的需求，在下一部分中将描述整个循环。

在金属互连件插入前，微孔内壁上需要绝缘层的情况下，在孔的加工后需要两个附加工艺。第一个是清洁并平滑微孔壁，随后第二个工艺是生长绝缘层。这个三步工艺在图B中示出。在步骤1，使用激光加工具有粗糙的锥形壁的孔结构。孔内的锥度定义为侧壁的“斜度”，如图A所示为arctan(a/b)。步骤2是清洁步骤，其中清洁孔结构的侧壁。这可以产生光滑的、高质量的表面光洁度。在步骤3中，在孔的内壁上形成绝缘层。

本发明的目的是：

提供一种减少孔顶侧(加工所述孔的一侧)的碎屑量的用于微孔激光钻孔的技术。

提供一种减轻孔内侧壁热影响区的范围的用于微孔激光钻孔的技术。

简化生产具有所需的侧壁形态、成分以及光电特性的孔的工艺。

实现激光钻孔使用的通用性。

把生产具有所需内壁特性的高质量的孔结构的工艺连成一步工艺。

减少在常规的孔制造技术中所需的设备。

发明内容

本发明提供了一种包含激光源和光束传输系统的激光加工系统，其中所述光束传输系统包含用于控制由激光源产生的激光束向基片传输的装置，其特征在于

所述系统还包含进气系统，该进气系统包含用于在加工位置周围提供可控气体环境的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统和进气系统包含控制光束脉冲参数和气体环境而在基片上钻孔的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含根据被加工材料的光学、热学和机械性能，控制激光脉冲能量、激光脉冲间隔和脉冲数的装置。

在一个实施例中，所述进气系统包含控制气体环境中的氧气比例，以控制、避免或促进作为衬里的氧化物生长的装置。

在一个实施例中，所述进气系统包含控制气体环境中的氮气比例，以控制或避免衬里中氮化物生长的装置。

在一个实施例中，所述进气系统包含在气体环境中提供受控量的惰性气体的装置。

在一个实施例中，所述进气系统包含将一种气体引入到气体环境中的装置，所述气体具有在激光束存在时离解的性质，而提供基片的蚀刻剂或反应物。

在一个实施例中，所述进气系统包含控制气体环境，在基片上获得清洁的加工壁的装置。

在一个实施例中，所述进气系统包含控制气体环境，在基片的加工壁上获得所需光洁度的装置。

在一个实施例中，所述进气系统包含控制气体环境，增强从加工地点和位置去除碎屑，或减少产生的碎屑量的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含控制脉冲参数，使基片的热损伤降低到最小的装置。

在一个实施例中，所述激光脉冲在时间上是不均匀间隔的。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含非远心透镜，以及相对于法线成一角度通过所述透镜传输激光束而钻出斜孔的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含变化斜孔入口到光束光轴的距离，而设定斜孔斜度的装置。

在另一个实施例中，所述光束传输系统包含在基片上钻孔，并根据当前孔深动态改变激光束参数的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含在任何特定深度根据基片材料改变激光束参数的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含为了获得所需的孔的几何形状，随深度改变激光束参数的装置。

在一个实施例中，所述改变装置包含改变激光束参数钻出盲孔的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含为了在基片的入口和出口点获得受控的孔直径，随深度改变激光束参数的装置。

在一个实施例中，所述改变装置包含通过改变激光重复频率、脉冲能量和脉冲峰值功率而控制所述入口和出口之间锥形斜度的装置。

在一个实施例中，所述改变装置包含改变焦点尺寸以控制内孔形状的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含望远镜，以及用于调节所述望远镜而设定或动态改变光束直径、焦平面和景深，以提供所需的孔几何形状的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含分多道工序加工所述基片的装置，其中每一道工序加工到某一程度，去除一部分材料。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含在工序之间调节所述望远镜的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含在钻孔后，为了清除孔周围的基片表面上的碎屑而增大焦点尺寸的装置。

在一个实施例中，所述进气系统和光束传输系统包含控制激光脉冲发生和气体环境，而在半导体基片上钻出的孔内提供受控的绝缘衬里的装置。

在一个实施例中，所述基片为Si材料，所述衬里为SiO₂。

在一个实施例中，所述进气系统包含密封的腔室，将气体输送到所述腔室的装置和从所述腔室中抽取气体的装置。

在一个实施例中，所述腔室包含对激光束来说透明的窗口。

在一个实施例中，所述进气系统包含将卤化气体送入气体环境中以去除气态碎屑的装置。

在一个实施例中，所述进气系统包含为除去气态和颗粒形式的碎屑而控制气流的装置。

在一个实施例中，所述系统还包含翻转基片的装置，并且所述光束传输系统包含在基片反面的对准位置钻孔而完成通孔的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统和进气系统包含控制光束脉冲发生参数和气体环境的装置，以钻出具有适于用作电绝缘衬里的孔。

在一个实施例中，所述光束传输系统和进气系统包含控制光束脉冲发生参数和气体环境的装置，以钻取具有适于用作光波导覆层衬里的孔。

本发明还提供了一种激光加工方法，包含将激光束传输到基片上加工基片的步骤，其中

在加工位置周围提供气体环境；

激光束是脉冲的；

所述激光束和气体环境受到控制，从而加工所述基片，在基片上获得所需的性能。

在一个实施例中，激光脉冲能量、激光脉冲间隔和脉冲数根据基片的光学、热学和机械性能加以控制。

在一个实施例中，气体环境中氧气和氮气的浓度受到控制，以控制或抑制作为孔衬里的氧化物或氮化物的生长。

在一个实施例中，受控量的惰性气体引入到气体环境中。

在一个实施例中，具有在激光束存在时离解特性的气体引入到气体环境中，并且离解的气体蚀刻基片。

在一个实施例中，所述加工是钻孔，且激光束参数根据当前的孔深动态变化。

在一个实施例中，所述激光束和气体环境受到控制，而形成电绝缘的衬里，并且所述方法包含使用导电性材料填充孔，而在基片中形成导电体的另外步骤。

在一个实施例中，所述激光束和气体环境受到控制，而形成光学不透明的衬里，并且所述方法包含使用透光材料填充孔，而在基片中利用作为覆层的衬里形成光学波导的另外步骤。

在一个实施例中，所述激光束和气体环境受到控制，而形成热传导路径，并且所述方法包含使用热传导材料填充孔，而在基片中形成热传导路径的另外步骤。

在一个实施例中，所述方法包含将散热器连接到位于孔中的热传导材料上的另外步骤。

本发明还提供了一种激光加工系统，包含激光源，和包含用于控制由激光源产生的激光束向基片传输而加工基片的光束传输系统，其中

所述光束传输系统包含向基片传输脉冲激光束的装置；

所述光束传输系统包含在多个加工地点将基片加工至不完整阶段，并在所述地点加工至少一道后续工序的装置，其中，在其他地点加工一道工序时，在任何地点的加工之间存在延迟。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含在工序之间改变光束传输参数的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含在工序之间根据一道工序的基片层材料改变光束传输参数的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含在工序之间根据加工地点所需的基片形状改变光束传输参数的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含在工序之间控制光束传输参数，以使基片热损伤减少到最小程度的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含在工序之间控制光束传输参数，以减少碎屑沉积的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含在工序之间控制光束传输参数，以在加工地点获得所需的基片几何形状的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含在工序之间控制光束传输参数而在基片上钻多个孔的装置。

在一个实施例中，所述系统还包含翻转基片的装置，所述光束传输系统包含在对准基片反面的加工地点加工基片，以加工单一形状的装置。

在一个实施例中，所述光束传输系统包含控制光束传输参数，以加工基片并在经过加工地点形成绝缘衬里的装置。

在一个实施例中，所述系统还具有进气系统，其中在后续工序之间可以改变气体和气体参数。

在一个实施例中，所述系统还包含进气系统，该进气系统变化在加工地点周围提供受供的气体环境的装置，并且所述光束传输系统和进气系统包含在一道工序中有或没有周围气体的情况下在基片上加工成形，以及在所述地点没有周围气体的情况下在加工地点加工而形成绝缘衬里的装置。

本发明还提供了一种激光加工方法，该方法包含将激光束传输到基片上加工基片的步骤，其中所述光束在一道中工序传输到基片上的多个地点，随后在同样的地点以至少一个后续工序钻孔，从而完成每个地点的加工。

在一个实施例中，在每个地点钻孔。

在一个实施例中，光束的传输受到控制，而在每一地点加工成形且在每一地点的基片壁上形成电绝缘衬里。

在一个实施例中，在加工地点提供受控的气体环境，以有助于衬里以受控的方式生长。

在一个实施例中，所述系统可以气体和气体参数可以在后续工序之间变化的方式使用。

本发明还提供了一种激光加工系统，该系统包含激光源、和包含用于控制由激光源产生的激光束向基片传输而加工基片的光束传输系统，其中所述光束传输系统包含以一定角度向基片传输脉冲激光束而钻出斜孔的装置。

本发明还提供了一种激光加工方法，该方法包含将激光束传输到基片上而加工基片的步骤，其中所述激光束是脉冲的，且所述光束以一定角度传输而钻出斜孔。

在一个实施例中，钻出所述孔而使基片上的层互连。

在一个实施例中，钻出所述孔而与将安装在基片上的元件引线相适应。

在一个实施例中，钻出多个互连的孔。

在一个实施例中，钻出所述孔而在基片表面互连。

在一个实施例中，钻出所述孔而在基片内互连，且每个孔在基片表面具有独立的开口。

本发明还提供了一种激光加工方法，包含将激光束传输到基片上而加工基片的步骤，其中所述激光束是脉冲的，且传输到基片上而在基片上钻孔，且所述方法包含使用导热性材料填充所述孔而形成导热体的另外步骤。

在一个实施例中，所述方法包含将散热器连接于导热材料的另外步骤。

在一个实施例中，所述方法包含靠近所述孔钻出另一孔，并使用导电性材料填充所述另一孔，并使电元件连接于所述导电材料的另外步骤。

在一个实施例中，所述孔为盲孔。

在一个实施例中，以可以使基片一侧的多个孔接触点到达基片另一侧的一个接触点的几何形状形成所述斜孔。

在一个实施例中，合并多个电源输入端和输出端或多个接地输入端和输出端，以减少输入端和输出端的数目。

在一个实施例中，所述斜孔用于通过连接焊盘(pads)置于芯片背面来减小器件的尺寸。

在一个实施例中，所述激光源是固体二极管泵激激光器。

在一个实施例中，所述激光器是多频固态激光器。

在一个实施例中，所述激光器是固态激光器，其中的激光介质是基质：杂质类型，其中，基质是YAG、YIF、钒酸盐。

在一个实施例中，所述激光重复频率范围介于1kHz到200kHz之间。

在一个实施例中，所述激光脉宽小于200纳秒。

在一个实施例中，所述激光脉宽小于10纳秒。

本发明的详细描述

附图简要说明

从下面参照附图给出的一些示例的描述，可以更清楚地理解本发明，其中：

图1是示出了根据本发明对通孔进行激光钻孔的图；

图2是示出了用于在受控的气体环境下钻孔的激光加工系统的图；

图3是示出了使用多步骤的激光工艺钻多个孔的步骤的图；

图4是示出了变量Δt_RR，N_{T_Delay}和T_Delay的激光脉冲序列的图；

图5(a)是示出了被分成面积等于电流计视场(galvanometer field ofview)的矩形的晶片视图，图5(b)是图5(a)的放大图，示出了典型的电流计视场，其中，d₁，d₂，d₃是孔结构之间的距离；

图6是烧蚀深度与激光脉冲数之间的关系曲线；

图7是示出了使用多步激光工艺钻通多层基片的连续层的图；

图8是示出了在基片的两面钻孔而完成通孔的图；

图9是示出了为获得成型的孔内侧壁而从基片两侧进行加工的多步激光加工工艺的图；

图10、11和12是示出了激光钻孔的光学参数的图；

图13是示出了围绕孔的区域的视图，在孔上方置有散焦的激光束用于激光清洁；

图14是本发明的光电元件基片的一组视图；

图15是更详细地示出基片顶面的透视图；

图16和17是示出了用于光纤的V型槽的成形的图；

图18是光纤的透视图；

图19是更详细地示出了孔的透视图；

图20、21和22是示出了钻出斜孔的图；

图23(A)是示出了焊盘的常规位置和位于作为有源器件的芯片同一侧的钎料球的图；

图23(B)是示出了使用激光加工的孔结构接近的晶片背面的焊盘和钎料球的重定位的图；

图24是示出了有源器件的四个I/O点到位于晶片底部的公共地或公共电源点的连接的图。

实施例描述

对基片进行加工而在基片上形成结构，比如孔。对侧壁的形态、结构完整性和成份有良好的控制。而且，对所产生的碎屑数量和位置有非常良好的控制。而且，对于激光钻孔来说，本发明提供了改善的通用性，其中可以以简单、有效的方式钻盲孔、多层孔和斜孔。

在描述钻孔机构之前，给出激光脉冲参数，如下：

加工速度(V_mach)

该参数定义为每秒内可以钻出的孔的数目。加工速度的单位是每秒的孔数目。通常总是意图优化这一参数达到最高值，同时保持可接受的切割质量。

孔切割时间(T_Delay)

该参数定义为在给定的激光加工步骤中，电流计(galvo)保持在特定的孔位置上的时间。钻出的孔的深度与T_Delay成正比。通常，为了在可接受的孔质量的情况下获得最高的加工速度(V_mach)，该参数被优化至最低的可能值。对于孔的加工工艺来说，最佳的T_Delay将根据被加工材料的物理性能(比如材料的热导率)、等离子体的扩张/驰豫时间、孔之间的距离、孔的质量、激光脉冲能量以及其他参数的不同而变化。较高的T_Delay通常会对孔结构造成更大的热损伤。

单永冲周期(Δt_RR)

该参数定义为脉冲序列的激光脉冲之间的时间间隔，且实质上是激光重复频率的倒数。

例如，对于45kHz的激光重复频率，Δt_RR～22μs。

脉冲数(N_{T_Delay})

该参数定义为在给定的激光加工步骤中，传输到某一特定孔位置的脉冲数。T_Delay、Δt_RR、N_{T_Delay}相互之间由下述公式表示：

T_Delay＝N_{T_Delay}×Δt_RR

这些参数在图4中示出。

步骤数(NS_tep)

该参数定义为将某一孔结构加工到所需深度需要的步骤总数。步骤总数将决定被钻孔的深度。

孔的密度(N_Via/Field)

该参数定义为在电流计扫描仪的容许工作视场内孔的总数，N_Via/Field在图5中示出。

孔之间的距离(d_Via)

该参数定义为两孔之间的距离，且通常孔与孔之间的距离是不同的，如图3和图5所示。

电流计的跳跃速度(J_Speed)

该参数定义为在两个孔结构之间电流计移动的速度，以米每秒(ms^-1)的单位进行测量。较高的J_Speed值会导致加工速度提高。

跳跃延迟(J_Delay)

该参数定义为在移动到新的孔位置后电流计的稳定时间。如果J_Delay过小，由于电流计反射镜稳定随后从一孔到下一孔的运动的时间不足，会在孔周围产生“尖峰”的激光线。然而，较长的J_Delay会导致较短的加工时间。较高的电流计跳跃速度(J_Speed)通常需要较高的跳跃延迟(J_Delay)，因此，为了在具有可接受的切割质量的情况下获得最高的加工速度，这两个参数的优化是非常重要的。

光学参数

光束直径

光束直径指的是激光空间强度剖面的直径的1/e次方。在孔的加工过程中，孔的直径是光束直径的函数。光束直径是一个可以通过选择聚焦透镜、扫描镜头，或光束望远镜进行控制的变量。调整光束直径是为了调整焦点处的功率密度值。

峰值功率密度(强度)

该参数定义为单位面积的峰值功率，其中峰值功率是每秒的能量。

其中，E是以焦耳为单位的能量，Δt是单位为秒的脉宽，A是单位为平方厘米的面积，峰值功率密度的单位是瓦特每平方厘米。

能量密度

该参数定义为以焦耳为单位的能量(E)除以以平方厘米为单位的面积(A)。能量密度的单位是焦耳每平方厘米。

景深

第二、第三和第四次谐波的YAG、YLF和钒酸盐型激光器的聚焦光束的景深比多模式激光器和具有大M平方值的激光器的景深大。这主要是由于从YAG、YLF和钒酸盐型激光器系统的空间输出是高斯型的。大景深对厚晶片上孔的加工非常有利，通常晶片的厚度是这样的，即它可以置于远离工作透镜的固定距离处，而不需要重新定位来补偿散焦作用。然而，在特定的情况下，为了改善孔内壁的质量或锥角，可能需要光束有一定的散焦。

通孔式微孔的成形

参照图1，通过受控的激光脉冲3和/或受控的气流4，对基片1钻孔，其中孔侧壁2上有绝缘层。基片定义为待加工的工件，可以包括但并不仅限于晶片和其他半导体、电子或光电器件。这种基片可以由单一材料或复合材料构成，包括但不限于由单一材料或多种材料构成的层状结构，且这些材料可以或不具有图案。

将激光脉冲和气流的控制组合或仅使用其中的一种工艺，将使孔的加工具有显著减少的碎屑和显著减轻侧壁的热损伤。例如，使用多步激光加工工艺可以生成光滑的、高质量的内壁表面以及低度的孔锥度，其中在一定的时间段内，将受控数目的激光脉冲(具有可变的脉冲间隔和脉冲能量)传输到基片上。这减少了对孔侧壁的热损伤，因此，产生了光滑的内侧壁。

激光控制器基于被加工材料的光学、热学和机械性能，在基片材料中的加工深度以及所使用的激光类型，控制每个脉冲激光加工步骤中的激光脉冲能量、脉冲间隔以及脉冲数。

进气系统控制气体环境。在一个实施例中，所述环境包括基片材料的光敏化蚀刻剂。选择环境中的氧气浓度，而在加工孔结构的过程中保持恒定或变化，从而在激光加工过程中促进氧化层在孔内壁上的生长。控制氧气的浓度或含氧气体的浓度(例如，CO₂)可以控制插入到在硅基片上加工的孔中的典型金属互连件电绝缘所需氧化层的厚度。

参照图2，激光加工系统10包含电流计11和提供Q一开关的UV激光束13的远心透镜12。所述光束13指向容纳需钻孔的晶片16的清洁腔室15的进入窗口14。所述系统10包含进气口17和用于腔室15的真空抽气管路18。所述腔室15安装在X-Y转换台上。

激光进入能够承受高达10巴压力的气体反应腔室15的窗口14。作为选择，该腔室可以抽真空，直到0.1巴的典型压力，以便在低于大气压力下进行加工。不同的气体通过一系列质量流控制器17进入腔室15中，质量流控制器17可以控制腔室15中的相对气体浓度，以便在静态的气体环境下进行激光加工。并且，位于位于入口和真空出口管路上的质量流控制器17和18可以控制不同气体的流速，以便在非静态的气体环境下加工。

真空排气管路18可以将腔室15抽真空到低于大气压力，并且还可以用于排出在激光加工过程中生成的废气产物。连接于真空管路的过滤器可以过滤不需要的废物，并循环未使用的气体。连接于腔室15的检测器可以在激光加工过程中测量母气以及生成的副产品的相对和绝对浓度。

通过改变用于加工单一孔结构的多步骤工艺的不同步骤的激光脉冲能量和脉冲之间的间隔，可以获得光滑的内孔壁。这可以控制被加工基片上的热负载，从而避免由于热应力造成的对孔侧壁的过度损伤。

而且，在加工孔结构的过程中，将氟化碳气体(即CF₄)引入到腔室15中减少了加工碎屑的产生，因为光学离解的氟有助于去除气态形式的硅。在气体反应腔室内在硅的低碎屑加工过程中使用的其他光敏气体包括，但不仅限于含氯氟烃和卤烃。

通过组合上述两种工艺，可以获得高质量的孔。

在惰性气体环境中，例如氦气和氩气，孔结构的激光加工可以抑制氧化物在孔内侧壁的生长，用于需要非绝缘侧壁的应用场合。在加工过程中将氮气引入到气体反应腔室中可以使绝缘材料氮化硅在孔内侧壁上生长，用于需要非绝缘侧壁的应用场合。

激光加工后，在孔结构的内侧壁上形成一层。该层是在激光加工过程中熔化的基片材料冷却后重新凝固时形成的。通过适当地选择气体混合物、流速及其相对浓度，该层的化学计量、显微结构以及其他性能可以改变，从而生成具有最适于所需应用场合的电学和/或光学性能的侧壁。气体混合物包括用于控制孔内侧壁上氧化物的生成的活性(例如，O₂，CO₂)+惰性气体(例如，He，Ar)，用于控制氮化物在孔内侧壁的生长的氮气+惰性气体(例如，He，Ar)，用于控制氧化物和氮化物在孔内侧壁上的生长，且可以降低表面粗糙度并减少孔结构内外的碎屑的活性(例如，O₂，CO₂)或氮气+蚀刻剂气体(例如，含氯氟烃和卤烃)。

多步骤的微孔加工

图3示出了多步骤孔加工策略的基本操作。在这种策略中，激光束在一个孔位置上停留预定的时间(即，T_Delay)，然后移动到下一孔位置。完成了最后一个孔的切割后，激光束移回到第一孔位置。该工序再重复(N_Step-1)次。所述多步骤方案的一个目的是减小孔内的热影响区(HAZ)，热影响区被认为有助于形成碎屑并降低孔侧壁的质量。而且，通过改变多步骤工艺的不同步骤的激光脉冲和光束性能，可以在每个步骤中有效地加工由不同材料构成的多层结构。

加工速度(V_mach)

加工速度作为其他激光工艺参数的函数，可以推导如下：

对于给定的电流计视场，如图5所示。

对于一个孔，切割一个步骤所需的时间＝T_Delay

                                  ＝N_{T_Delay}×Δt_RR

对于所有需要加工的孔，切割一个步骤所需的总时间(t₁)

                                  ＝N_Via/Field×T_Delay

                                t₁＝N_Via/Field×N_{T_Delay}×Δt_RR

对于一个切割步骤，电流计的总跳跃距离＝对于N_Via/Field个孔来说电流计行进的总距离(d_via)

$=\underset{i=1}{\overset{i=N_{\mathrm{via}/\mathrm{field}}}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{\mathrm{via}}$

对于N_Via/Field个孔来说，加工一个步骤所需的电流计总跳跃时间(t₂)

$=\frac{\underset{i=1}{\overset{i=N_{\mathrm{via}/\mathrm{field}}}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{\mathrm{via}}}{J\_\mathrm{Speed}}$

对于N_Via/Field个孔来说，加工一个步骤所需的电流计总设定时间(t₃)

＝J_Delay×N_via/field

对于N_Via/Field个孔来说，完成一个钻孔步骤所需的总时间

＝t₁+t₂+t₃

假定在所有工艺步骤中，所有光束参数保持不变，则在多步骤工艺中，对于一个电流计视场来说完成所有钻孔步骤的总时间

＝N_Step×(t₁+t₂+t₃)

每秒所钻的孔数(即加工速度或V_mach)

$=\frac{N_{\mathrm{vid}/\mathrm{field}}}{N_{\mathrm{Step}}\×(t_1+t_2+t_3)}$

在上述公式(1.1)中，非常清楚地示出决定加工速度的其中一个非常重要的参数是NS_tep，即NS_tep越低，加工速度越高。因为在一定厚度的被加工材料上，加工孔需要的脉冲总数是恒定的，所以减小NS_tep的可能方法是在每个步骤中增加发射的脉冲数(N_{T_Delay})。然而，由于在每一时刻较高数目的脉冲照向每个孔，N_{T_Delay}的增加可能会在孔结构内产生热损伤。对这两个参数进行优化，以获得在最佳孔质量的情况下的最高加工速度。

公式(1.1)还表明，加工速度与J_Speed成正比，但是与J_Delay成反比。较高的J_Speed(较高的加工速度)要求更长的J_Delay(即，更长的电流计设定时间)，这将又降低总加工速度。对于给定的基片材料和激光器类型，对这两个参数进行优化，以获得最高的加工速度。

如公式(1.1)所示，确定加工速度的另一参数是激光重复频率，即重复频率越高，Δt_RR越低，因此加工速度越高。这可以理解为在更高的重复频率下更多的脉冲传输到孔上，而提高总的加工速度。然而，以较高的重复频率操作的激光脉冲会由于激光的自然特性产生较低的平均功率。而且，较高的重复频率也会潜在地在侧壁上引起更大的热损伤，因为在较短的时间内较多的脉冲传输到孔上。对于给定类型的激光器，对这一参数进行优化，以在具有最佳孔质量的情况下，获得最高的加工速度。

公式(1.1)还表明，加工速度与孔之间的总距离(即 $=\frac{\underset{i=1}{\overset{i=N_{\mathrm{via}/\mathrm{field}}}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{\mathrm{via}}}{J\_\mathrm{Speed}}$ 成反比，即所述距离越长，加工速度越低。作为本发明的一部分，已经开发了软件算法，从而对于电流场中给定的一组孔的分布，确定电流计行进的最“有效”(即最短)距离，以获得最高的可能加工速度。

示例1

在以55kHz的激光重复频率在15mm×15mm的电流计范围内钻1000个孔的工艺中，在每个孔上使用两个脉冲和50个加工步骤，跳跃速度为5m/sec，跳跃延迟为50μs。所有孔之间的总距离为～0.48米。

加工速度可以估计如下：

$\mathrm{\Δ}{t}_{\mathrm{RR}}=\frac{1}{55000}=18.9\mathrm{\μs}=18.9\×{10}^{-6}\sec$

N_via/field＝1000

J_{_Speed}＝5m/sec

J_{_Delay}＝50μs＝50×10¹⁶sec

N_{T_Delay}＝2(对于每个步骤两个脉冲的情况)

N_Step＝50

$V_{\mathrm{mach}}=\frac{1000}{50[(1000\×2\×18.19\×{10}^{-6})+\left(\frac{0.48}{5}\right)+(50\×{10}^{-6}\×1000)]}$

$~10\mathrm{via}/\sec$

上述示例描述了特定的情况，其中激光脉冲参数在整个多步骤工艺中保持不变。然而，如果激光脉冲特性，例如，脉冲之间的间隔(Δt_RR)和每个步骤中的脉冲数(N_{T_Delay}′)在步骤与步骤之间改变，公式(1.1)的分母需要被每一步骤的t₁、t₂和t₃的总和替换。

盲孔式微孔的成形

通孔式微孔能使基片顶部和底部表面连通。然而，在某些应用场合，不需要孔结构完全钻通基片材料，因此制成盲孔。需要这种类型的孔的应用示例是传导层位于半导体内或电介质叠片内，且必须钻通部分晶片到达导体，而不损伤或破坏导体的情况。在钻孔工艺的该具体示例中，金属未受损伤并保持其整体性，在加工过程中生成的碎屑不会阻碍传导路径，且所述孔完全钻通到金属或半导体。

这种结构的一个示例如图7所示。作为示例，顶层可以是厚度为Dx+dz的晶体硅，下面是厚度为c的一层铜，再下面是另一层硅。

在本发明的一个实施例中，需要钻一个向下到达金属高度的孔，且不损伤金属。在这种情况下，使用通常的孔加工参数将所述孔钻到Dx的深度。为了钻到金属层，激光功率、重复频率以及脉冲能量可以调节而以较低的速度去除厚度dz。这可以保证多余的能量不会扩散到传导金属层中，且在金属薄膜上保持清洁的接触。另外，在有光敏蚀刻剂气体存在的情况下和/或多步骤工艺中执行这一加工工艺有助于所述工艺。

在另一个实施例中，要求钻通铜，而不损坏下面的硅层。在这种情况下，重复上述的两个步骤，然后再次改变激光钻孔参数，从而钻通铜层，且不会损坏下面的硅。

在另一个实施例中，半导体结构可以是半导体、绝缘体(例如，聚合物、石英、玻璃)和/或金属材料的堆叠结构。根据所述层，钻孔参数(脉冲间隔、脉冲能量、平均功率、激光焦点尺寸等)可以调节，而确保最佳地加工通多层结构的每一层。这样，调节这些参数，确保缺陷，比如离层、熔化和碎屑最小化。

孔深度和形状的控制

当穿过半导体钻孔时，烧蚀深度随激光脉冲次数呈对数增加。这种关系在图6中针对硅大致示出。总之，在薄晶片上加工孔比在厚晶片上加工孔要快指数倍。如果钻孔参数保持恒定，该数据是正确的。

上述观测结果的第二影响是微孔的锥度取决于用于加工所述孔的激光参数。具体而言，是峰值功率和平均功率。

为了改善在基片较深部位的材料去除，调整激光参数是非常有利的，而可以使用具有更高峰值功率的脉冲。这种方案可以更有效地去除更深孔中的材料，且还可以控制微孔的锥度。

在另一个实施例中，所述孔可以通过首先在晶片的一侧加工到深度d₁，然后翻转晶片，对准位于晶片另一侧的孔，钻到深度d₂，而钻成深度为d₁+d₂的完整孔。该过程在图8中示出。其效果是可以消除锥度，并可以保证顶部和底部的直径相同，而且，因为较薄晶片(或减小深度的孔)的深度加工较快，所需脉冲总数明显低于从一侧钻孔的情况。

本发明的另一实施例涉及以圆形或具有特定偏移量的一系列同心圆来扫描光束。这种方法对于较大直径的孔尤其有效，其中功率密度太低，而不能在直接象素孔的加工方案中有效。使用包括周围气氛控制和校正延迟的技术，可以极大地改善扫描的孔的质量。而且，侧壁的形态和成分可以以这种方式精确控制。最后，在深度方向上使用多个步骤，可以控制所述扫描孔的锥度而形成喷嘴。图9中示出了这种方案的示意图。这并不仅限于纯圆形的孔。使用扫描光束加工工艺还可以加工椭圆孔型。

斜孔的成形

除了直的通孔和盲孔以外，本发明的另一个实施例是斜孔的成形。斜孔的优点包括，将顶侧晶片的凸起接头移动到晶片背面，减小了连接所需的顶侧面积，以及能够从顶侧或底侧连接到微加工的侧壁结构边缘上一点而能够与嵌入器件连接的能力。

以一定角度进行微孔激光钻孔的合理方案是使基片相对于光轴倾斜。实际上，这不容易实施，因为很难保证透镜和工作表面之间的恒定工作距离。这一距离只可以沿倾斜轴保持，且一侧更靠近或远离焦点。在振动时，所述倾斜将具有加宽了所述孔，而没有片刻带来任何优选的角度。

在6″晶片上，小到10°的倾斜将在外围导致26毫米的竖直位移，且在10mm的方形区域上，竖直位移会达到1.74mm，这明显在几乎最长的扫描透镜的景深之外。

为了在这样的情况下使用，需要在视场上进行光束的自动重新聚焦，以补偿工作表面到扫描透镜的不同的相对位移。这还可以根据加工地点到倾斜轴的距离，通过移动晶片的垂直位置来实现。

在本发明的一个实施例中，使用非远心透镜形成倾斜的微孔。这种透镜在图10中示出。透镜的直径是D，视场的对角线为L。因为透镜是非远心的，所以发出的光束并不垂直于光轴(除非沿光轴时入射)，且最大的可用偏角为θ，即arctan((L-D)/2*WD)。对于典型工作距离为188mm的非远心F-theta透镜来说，透镜的直径为90mm，视场的对角线为140mm，最大偏角为7.6°。

对于这种特定的透镜，斜孔的可用范围在0～7.6°之间。通过采用适当的透镜，可以实现1和14°之间的其他范围。

可以获得的角度范围是由电流计的扫描角度和透镜的规格决定的。为了控制角度，需要控制晶片相对于所述物场点的位置，在该物场点，所述光束相对于光学系统法线角形成所述角。这可以通过与电流计和激光同步的X-Y工作台定位系统来实现。

钻孔过程中的可变焦点

变焦望远镜

由于F-theta透镜的景深是有限的，孔的直径可能随穿过基片的延伸深度而变化，在某种程度上这是不希望的。为了减轻这种情况，在钻孔过程中，可以使用具有调整焦点位置效果的变焦系统。这种系统使用与扫描透镜结合的变焦望远镜。这种望远镜可以在5～50μm之间自动调节焦点处的光斑尺寸。在图11中示意地示出了这种光学结构的示例。

望远镜和扫描透镜系统这样构成，即从望远镜发出的光束得到调整而可以使扫描透镜在其额定工作距离5毫米内的任意位置聚集。这在图12中示出。集成到加工环境中的自动化和软件控制，使得这种方法成为解决保证精确控制孔的纵横比的一种非常可靠、成熟的解决方案。它比钻孔到一定深度，停止，通过调整电流计/扫描透镜的位置手动而改变焦点，然后完成所述孔更简单。

在本发明的一个实施例中，通过将变焦望远镜调整到可以获得较宽的尺寸范围的适当设定值，可用的孔直径可以介于5和200μm之间。

在另一个实施例中，通过调节变焦望远镜的瞄准而在工件上产生不同的焦点位置，可以提高钻孔速度，确保穿过所述孔体的稳定的光斑尺寸。

在多步骤的工艺中，在每个可以精确控制孔型的加工步骤中，可以调节孔的直径。

在另一个实施例中，通过使望远镜散焦，入射光束可以放大到使入射密度低于工件的烧蚀阈值，但高于可以爆炸地清洁孔入口附近表面的清洁阈值的程度。这在图13中示出。

在本发明的另一个式样中，在最终的处理步骤，通过低功率的光束照入孔中且移动侧壁，可以清洁每个孔的侧壁，因此可以去除随屑并提高加工表面的质量。

通过适当调整主激光参数，比如，脉宽、脉冲能量和重复频率、光束尺寸，以及发散度，可以控制孔的锥度。

本发明的另一个实施例是在多步骤工艺的每一个步骤中，控制晶片相对于光束腰部的垂直位置。在每个步骤中，相对于腰部的垂直位置的改变具有调整光束尺寸的作用。这类似于控制固定光束直径的焦平面。

下述总结本发明的特征。

通过多步骤激光加工工艺在半导体和绝缘材料上生产高质量的微孔结构。

通过可以控制微孔结构的内壁形态和材料成分的受控气体环境，在半导体和绝缘材料上生产高质量的微孔结构。

通过受控的气体环境和多步骤激光加工工艺在半导体和绝缘材料上生产高质量的微孔结构。

在每个加工步骤中，根据基片的光学、热学、机械性能，激光器类型以及在基片中的深度选择激光脉冲能量、激光脉冲间隔，以及激光脉冲数目。

在激光加工过程中，为了促使受控的氧化物在微孔结构内壁上的生长，在气体反应腔室中使用受控量的氧气或含氧气体。

在激光加工过程中，为了抑制受控的氧化物在微孔结构内壁上的生长，在气体反应腔室中使用受控量的惰性气体。

一种在存在加工激光束时发生光学和热学离解的气体，生成作为被加工基片的蚀刻剂的副产品，从而可以实现微孔结构的清洁加工，并减少微孔入口、出口以及内壁上的随屑。

一种与激光的副产品自然地反应的气体，促使材料去除，避免反应物沉积。

多步骤激光加工工艺用于控制基片材料的热负荷，从而避免在微孔内壁上产生裂纹和损伤的热冲击。

直径超过100微米的微孔结构通过以包含一系列同心圆的方式扫描的激光束加工。

直径超过100微米的微孔结构通过保持在基片表面上固定位置的激光束加工。

在加工微孔结构的过程中，为了限定内侧壁的轮廓，使用自动光束望远镜改变激光束的焦点尺寸。

在加工了微孔结构后，激光束的焦点尺寸增大，从而可以激光清洁围绕微孔入口的基片表面上的碎屑区域。

在加工微孔结构的过程中，通过调节自动光束望远镜的瞄准，从而控制微孔结构的内侧壁轮廓，使激光焦点扫描穿过基片材料。

通过使晶片相对于光束倾斜可以以锐角钻出倾斜的微孔结构。

在一个实施例中，使用非远心透镜相对于基片表面以锐角钻出微孔，因此可以接近基片内的器件，从而可以允许层状元件结构，且还允许元件更紧密的几何定位。

从位于基片一侧的公共入口到基片内相同或不同深度或到底部加工一系列倾斜的微孔结构，这样，在微孔结构中插入传导材料之后，可以利用位于基片表面的公共点实现基片上的多点电连接。

从基片一侧加工一系列倾斜的微孔结构，而连接于基片内部或另一侧的公共点，这样，在微孔结构中插入传导材料之后，可以利用基片内或基片其他位置的公共点实现基片表面上的多点电连接。

穿过基片钻孔，使基片的相对侧电互连。

钻通孔或盲孔，以有助于热接触和散热。

所述基片是硅材料，且绝缘衬里是SiO₂。

激光束具有在VIS-UV范围内的波长。

本发明的应用示例

近年来，集成电子元件的生产已经有了巨大的发展。然而，因为对于元件定位的机械要求，比如波导、光源和检测器，光学元件生产的自动化已经无法在任何明显的程度上实现。

本发明能够实现简化这类元件的制造性的装置结构。

例如，光学元件可以通过以下步骤生产：

提供基片；

使用激光束在基片上蚀刻沟槽；

在沟槽中安装光学器件。

所述方法还包含激光钻孔的步骤来设置导电体。另外，加工相对于基片表面以一定角度钻出的斜孔，以便接近基片内的器件的能力可以提供层状的元件结构。这种结构的优点在于在晶片或基片一侧的多个接触焊盘可以连接于晶片或基片另一侧的单个焊盘或沟槽中。如上所述，所述系统可以在孔内形成Si/SiO₂或其他绝缘衬里。

参照图14和15，示出了用于光学元件的基片101。所述基片是硅光具座(SiOB)。基片101包含V型槽102和用于光源以及相应的珀尔帖(Peltier)热控制元件的沟槽103和104。激光钻出的倾斜微孔105可以到达沟槽，用于电连接。激光钻孔还用于产生安装孔106。而且，穿过基片钻有通孔(未示出)，用于实现从一侧到另一侧的电访问。

在附图中，光纤由标记10表示，其中，有芯部111和覆层112。所述蚀刻过程在图17中示出，其中示出了斑点的花样116。

使用成角度(倾斜)的孔可以敷设分层的元件，其中元件一个放在另一个上，同时仍然保持所需的电接触。这可以增加元件的密度。一种结构是将电路置于基片表面上，而光学器件在基片内。

激光钻孔的一方面是通过适当控制钻孔参数和气体，例如氧气，在内部产生绝缘衬里。这样，填充到孔中的钎料与周围的半导体材料绝缘，且不需要添加分立的绝缘衬里。绝缘衬里的厚度可以通过适当控制激光参数和气体环境来控制。在一个实施例中，激光束是UV或可见光，例如，355nm/266nm的UV系统和532nm的绿色激光系统，且重复频率高于1kHz。

参照图20到22，其中示出了钻斜孔的方法。如图20和21所示，使用非远心透镜引导从电流计激光头的输出。

参照图22，另一种方法是使用倾斜的工作台倾斜适当的角度。这是必须的，可以调整晶片的高度，保证景深适当。然而，如果晶片可在形成孔的特定点附近倾斜，则不必调整高度。即，所需的深度变化仅是从孔到倾斜点的距离乘以90°减去孔的所需角度的正弦。

再次参照图14到19，斜孔的入口在晶片顶上，且出口在放置激光器的腔室中。激光器在其可以电连接的一侧。位于激光器下方的腔室用作热敏电阻，且整个系统置于珀耳帖器件(peltier)上。所述激光器置于腔室中，然后将适当的电材料置于沟槽中，确保与激光安全清洁的接触，且不会对其造成损坏。“接地”沟槽可以置于腔室的右侧，其中适当的电材料制成有助于保持激光器基片的稳定。

用于钻孔和蚀刻的激光源是二次和更高次谐波频率的固态激光器，在高脉冲能量和纳秒脉宽下运行。可以使用较短的脉宽激光器实施本发明，但是本发明高生产量的中心是激光器必须以非常高的重复频率运行。

下述是本发明的优势特征。

通过使用例如Nd:Yag三倍和四倍频激光器激光烧蚀在集成光学芯片(IOC)上形成的V形槽用于光纤排列。在目标为SiOB的情况下，355nm和266nm尤其有用。在使用LiNbO3和绝缘基片的情况下，266nm(或四次谐波)的激光器是优选选择。

通过激光烧蚀形成的用于排列和/或容纳例如激光二极管芯片或发光二极管芯片的元件狭缝或沟槽，表示了盲孔的示例。

通过激光烧蚀在集成光学芯片(IOC)上形成通孔，可以实现从晶片一侧到另一侧的电接触。

通过激光烧蚀形成斜孔或具有角度的通孔，其中所述孔通常开始于晶片顶部(或底部或侧部)，且出口在沟槽中，可以使置于沟槽中的特定元件实现精确的电连接。在硅的情况下，使用特定的一组激光参数，孔的侧壁成分可以得到控制，而由玻璃态的二氧化硅组成。这种氧化物的成分和结构还可以通过存在或缺乏气体以及激光参数来进一步控制。例如从烧蚀反应中去除氧气将降低SiO₂的含量。

在另一个实施例中，微孔可以形成光波导的穿透连接。所述波导结构由覆层和芯部区域限定。在该示例中，覆层部分上是由控制激光加工参数和气体环境，而使内孔侧壁上形成玻璃状层形成的。光波导可以通过用适当的具有足够高透明度的塑料或玻璃材料填充所述孔形成，从而形成光波导通孔。

本发明的应用示例

斜孔可以用于缩小芯片的尺寸，尤其是在芯片包含有源器件且焊盘位于同一侧，以及具有被焊盘和器件利用的芯片面积相当的情况下。在这些情况下尤其有意义，其中，所述器件具有数量较少的I/O连接，但仍然适用于具有大量I/O连接的芯片，其中在芯片边缘包含大部分焊盘(边缘引线的芯片)。

在本发明的一个实施例中，所述器件在芯片一侧，其位置大致在芯片表面中心(参见图23)。所述I/O连接分布在该器件上。从器件上的接触位置钻孔，直到一系列焊盘。如图23A所示，代替使用从器件向外延伸到芯片边缘的焊盘，所述孔被金属化(或形成传导路径)，且所述焊盘在芯片背侧形成，如图23B所示。孔的角度可以使I/O从始至终位于芯片背侧的中心，从而可以实现芯片背侧表面的分布均匀。

既然所述器件是晶片前侧的唯一特征，则芯片尺寸可以显著降低(减少了在先前被焊盘占据的区域)。这不仅可以实现较小的芯片和较小的封装尺寸，还可以在晶片制造过程中，在同一晶片上生成更多的芯片。虽然在这些优点中，首要的是产品的特征优点(较小的芯片，在最终器件中浪费的面积较小)，后者具有显著降低制成这些器件的晶片制造过程中产生的制造成本的潜力(同样数量的芯片可以由更少的晶片制成)。

在本发明的另一个实施例中，具体到这一示例，所述孔不必倾斜，尤其是当仅有少量来自有源器件的I/O连接时。在这种情况下，可以从器件上的接触点加工直孔，穿透到达芯片背侧的焊盘。在芯片边缘的孔将连接于芯片底侧的焊盘，它们可以朝向芯片的中心形成图案，这样，可以从芯片顶部到底部保持有源器件的占有区域，因此，仍然可以增加晶片前侧的有源器件的数量。

在本发明的另一实施例中，斜孔对于在芯片上重新分布I/O连接非常有用。在典型的凸起芯片中，约三分之一的I/O连接是接电源或接地。当这些引线引出封装外时，所有的地连接在一起，且所有电源引线也相连。只有信号引线需要保持独立。这样，斜孔可以实现一种全新的方案。当晶片背侧凸起时，所述地和/或电源引线可以连接到焊盘本身。在这种技术中，斜孔从凸起相对于其轨迹平面内元件(参见图24)指向不同的方向。这样，晶片背侧的一个凸起可以连接到位于晶片前面的多个接触点(例如可以一个焊盘用于四个接地点)。

本发明并不仅限于上述实施例，可以在结构和细节上加以变化。

Claims (79)

1.一种激光孔生成系统(10)，包括：激光源，用于产生激光束(13)；光束传输系统(11，12)，用于将激光束传输到基片(16)上，以在基片上的加工点处制出激光孔；脉冲控制装置，用于控制激光束的脉冲参数；进气系统(15，17，18)，包括在加工地点周围形成气体环境的装置；使得孔的特点可以通过选择激光束参数、选择激光脉冲参数和选择气体环境而预定。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于脉冲控制装置包括用于根据待加工基片材料的光学、热学和机械特性控制激光脉冲能量、激光脉冲间隔以及激光束脉冲数量的装置。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于进气系统包括控制气体环境中氧气比例，以控制、避免或促进作为孔衬里的氧化物生长的装置。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于进气系统包括控制气体环境中氮气比例，以控制或避免孔衬里的氮化物生长的装置。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于进气系统包括在气体环境中提供受控量的惰性气体的装置。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于进气系统包括将一种气体引入气体环境中的装置，其中该气体在存在激光束时将分解，以形成基片的蚀刻剂或反应物。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于进气系统包括控制气体环境以实现清洁的孔加工壁的装置。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于进气系统包括控制气体环境以在孔加工壁中所需光洁度的装置。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于进气系统包括控制气体环境以增强从加工地点和位置去除碎屑或减少产生的碎屑量的装置。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于脉冲控制装置包括控制脉冲参数以将对基片的热损伤减到最小的装置。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于脉冲控制装置设计成提供时间上不均匀间隔的激光脉冲。

12.如权利要求1所述的系统，其特征在于光束传输系统包括非远心透镜，以及相对于法线成一角度通过所述透镜传输激光束而钻出斜孔的装置。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于光束传输系统包括用于改变斜孔的入口到光束光轴的距离，以设置斜孔的斜度的装置。

14.如权利要求1所述的系统，其特征在于光束传输系统包括以当前孔深为函数动态改变激光束参数的装置。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于光束传输系统包括根据任何特定深度处的基片材料改变激光束参数的装置。

16.如权利要求14所述的系统，其特征在于光束传输系统包括随加工深度改变激光参数、以获得所需的孔几何形状的装置。

17.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述的光束传输系统包括改变激光束参数以钻出盲孔的装置。

18.如权利要求14所述的系统，其特征在于光束传输系统包括随深度改变激光束参数、以在基片的入口和出口点获得受控的孔直径。

19.如权利要求18所述的系统，其特征在于脉冲控制装置包括通过改变激光脉冲重复频率、脉冲能量和脉冲峰值功率而控制入口和出口之间锥形斜度的装置。

20.如权利要求15所述的系统，其特征在于光束传输系统包括用于改变焦斑尺寸以控制内孔形状的装置。

21.如权利要求1所述的系统，其特征在于光束传输系统包括望远镜和用于调节望远镜以设置或动态改变光束直径、焦平面和景深、从而提供所需的孔几何形状的装置。

22.如权利要求1所述的系统，其特征在于光束传输系统包括分多道工序加工所述基片的装置，其中每一道工序加工到某一程度，去除一部分材料。

23.如权利要求22所述的系统，其特征在于光束传输系统包括在工序之间调节所述望远镜的装置。

24.如权利要求1所述的系统，其特征在于光束传输系统包括在钻孔后，为了清除孔周围的基片表面上的碎屑而增大焦斑尺寸的装置。

25.如权利要求1所述的系统，其特征在于进气系统和脉冲控制装置包括分别控制气体环境和激光脉冲发射，而在半导体基片上钻出的孔内提供受控的绝缘衬里的装置。

26.如权利要求25所述的系统，其特征在于所述基片为Si材料，所述衬里为SiO₂。

27.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述进气系统包括密封的腔室(15)、将气体输送到所述腔室的装置(17)和从所述腔室中抽取气体的装置。

28.如权利要求27所述的系统，其特征在于所述腔室包括对激光束(13)透明的窗口。

29.如前面任一权利要求所述的系统，其特征在于所述进气系统包括将卤化气体送入气体环境中以去除气态碎屑的装置。

30.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述进气系统包括为除去气态和颗粒形式的碎屑而控制气流的装置(18)。

31.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述系统还包括翻转基片的装置，并且所述光束传输系统包含在基片反面的对准位置钻孔而完成通孔的装置。

32.如权利要求1所述的系统，其特征在于脉冲控制装置和进气系统包括分别控制光束脉冲参数和气体环境的装置，以钻出具有适于用作电绝缘衬里的孔。

33.如权利要求1所述的系统，其特征在于脉冲控制装置和进气系统包括分别控制光束脉冲参数和气体环境的装置，以钻出具有适于用作光波导包层的孔。

34.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述光束传输系统包括在多个加工地点将基片加工到不完整的阶段、并在所述地点加工至少一道后续工序的装置，由此在其它地点加工一道工序时，在任何地点的加工之间存在延迟。

35.如权利要求34所述的系统，其特征在于所述光束传输系统包括在工序之间改变光束传输参数的装置。

36.如权利要求35所述的系统，其特征在于所述光束传输系统包括在工序之间根据一道工序的基片层材料改变光束传输参数的装置。

37.如权利要求35所述的系统，其特征在于所述光束传输系统包括在工序之间根据加工地点所需的基片形状改变光束传输参数的装置。

38.如权利要求35所述的系统，其特征在于所述光束传输系统包括在工序之间控制光束传输参数，以使基片热损伤减少到最小程度的装置。

39.如权利要求35所述的系统，其特征在于所述光束传输系统包括在工序之间控制光束传输参数，以减少碎屑沉积的装置。

40.如权利要求35所述的系统，其特征在于所述光束传输系统包括在工序之间控制光束传输参数，以在加工地点获得所需的孔几何形状的装置。

41.如权利要求35所述的系统，其特征在于所述光束传输系统包括在工序之间控制光束传输参数而在基片上钻出多个孔的装置。

42.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述光束传输系统包括用于控制光束传输参数以加工基片并在加工地点形成孔的电绝缘衬里的装置。

43.如权利要求34所述的系统，其特征在于可以在后续工序之间改变气体环境参数。

44.如权利要求43所述的系统，其特征在于进气系统包括在一道工序中有或没有周围气体的情况下在加工地点加工成形，并在后续工序中在没有周围气体的情况下在加工地点加工形成加工地点处孔的绝缘衬里的装置。

45.如权利要求1所述的系统，其特征在于光束传输系统包括以一定角度向基片传输脉冲激光束而钻出斜孔的装置。

46.一种生成激光孔的方法，包括步骤：

a)将脉冲激光束(13)传输到处于加工地点的基片(16)上；

b)控制激光脉冲的参数；

b)控制激光束的参数；

d)在加工地点周围提供可选择的气体环境；和

e)利用选取的脉冲参数、选取的光束参数和选取的气体环境在加工地点在基片中制出激光孔，以获得预定特性的孔。

47.如权利要求46所述的方法，其特征在于激光脉冲能量、激光脉冲间隔和脉冲数根据基片的光学、热学和机械性能加以控制。

48.如权利要求46所述的方法，其特征在于控制气体环境中氧气或氮气的浓度，以控制或抑制做为孔衬里的氧化物或氮化物的生长。

49.如权利要求46所述的方法，其特征在于将受控量的惰性气体引入到气体环境中。

50.如权利要求46所述的方法，其特征在于具有在激光束存在时离解特性的气体引入到气体环境中，并且离解的气体蚀刻基片。

51.如权利要求46所述的方法，其特征在于激光束参数根据当前的孔深动态变化。

52.如权利要求46所述的方法，其特征在于所述激光束和气体环境受到控制，从而形成电绝缘的衬里，并且所述方法还包含使用导电性材料填充孔，从而在基片中形成导电体的另外步骤。

53.如权利要求46所述的方法，其特征在于所述激光束和气体环境受到控制，从而形成光学不透明的衬里，并且所述方法还包括使用光学透明材料填充孔，从而在基片中利用衬里作为包层的光波导的另外步骤。

54.如权利要求46所述的方法，其特征在于所述激光束和气体环境受到控制，从而形成热传导路径，并且所述方法还包括使用热传导材料填充孔，从而在基片中形成热传导路径的另外步骤。

55.如权利要求54所述的方法，还包括将散热器连接到位于孔中的热传导材料的步骤。

56.如权利要求46所述的方法，其特征在于所述光束在一道工序中传输到基片上的多个地点，随后在同样的地点以至少一个后续工序钻孔，从而完成每个地点的加工。

57.如权利要求56所述的方法，其特征在于在每个地点钻孔。

58.如权利要求56所述的方法，其特征在于控制光束的传输，从而在每一地点加工形成孔，并在每个加工地点的孔的基片壁上形成电绝缘衬里。

59.如权利要求58所述的方法，其特征在于在加工地点提供受控的气体环境，以有助于衬里以受控的方式生长。

60.如权利要求56所述的方法，其特征在于在后续工序之间改变气体和气体参数。

61.如权利要求46所述的方法，其特征在于激光束以一定角度传输以钻出斜孔。

62.如权利要求61所述的方法，其特征在于钻出所述斜孔而使基片中的层互连。

63.如权利要求61所述的方法，其特征在于钻出所述斜孔而与将安装在基片上的元件引线相适应。

64.如权利要求61所述的方法，其特征在于钻出多个互连的斜孔。

65.如权利要求64所述的方法，其特征在于钻出所述斜孔以在基片表面互连。

66.如权利要求64所述的方法，其特征在于钻出所述的斜孔而在基片内互连，且每个斜孔在基片表面具有独立的开口。

67.如权利要求46所述的方法，其特征在于还包括用导热材料填充所述孔以形成热导体的步骤。

68.如权利要求67所述的方法，其特征在于还包括将散热器连接于导热材料的步骤。

69.如权利要求68所述的方法，其特征在于还包括靠近所述孔钻出第二孔，并使用导电性材料填充所述第二孔，使电元件连接到所述导电材料的步骤。

70.如权利要求46所述的方法，其特征在于所述的孔是盲孔。

71.如权利要求61所述的方法，其特征在于以可以使基片一侧的多个孔接触点到达基片另一侧的一个接触点的几何形状形成所述斜孔。

72.如权利要求71所述的方法，其特征在于合并多个电源输入端和输出端或多个接地输入端和输出端，以减少输入端和输出端的数目。

73.如权利要求71所述的方法，其特征在于所述斜孔用于通过连接焊盘置于芯片背面来减小器件的尺寸。

74.分别如权利要求1或46所述的系统或方法，其特征在于激光源是二极管泵浦的固体激光器。

75.如权利要求74所述的系统或方法，其特征在于激光源是倍频固体激光器。

76.如权利要求74所述的系统或方法，其特征在于所述激光器是固体激光器，其中的激光介质是基质：杂质类型，其中基质是YAG、YIF或钒酸盐。

77.如权利要求74所述的系统或方法，其特征在于激光束的激光重复频率范围介于1KHz-200KHz之间。

78.如权利要求74所述的系统或方法，其特征在于所述激光束的激光脉宽小于200ns。

79.如权利要求74所述的系统或方法，其特征在于所述激光束的激光脉宽小于10ns。

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