KR20130127970A - 공작물에 복수의 홀들을 생성하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유리 및 유리류 재료들 및 반도체들의 얇은 공작물들(1) 내에 복수의 홀들(12)을 생성하기 위한 방법들 및 장치들에 관한 것이다. 종종, 레이저 비임들(41)이 공작물(1)의 미리 결정된 천공 지점들(10) 상으로 지향되고, 상기 레이저 비임들은 1600 내지 200 nm의 파장을 가지고 그리고 각각의 경우에 필라멘트형 채널(11)을 따라서 공작물 재료(1)를 국소적으로, 그리고 교번적으로 파괴할 수 있는 복사선 세기를 가진다. 그 이후에, 필라멘트형 채널들(11)이 홀들의 희망하는 지름으로 확대된다.

Description

공작물에 복수의 홀들을 생성하는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICES FOR CREATING A MULTIPLICITY OF HOLES IN WORKPIECES}
본 발명은 유리 및 유리류 재료들 및 반도체들의 얇은 시트들 및 기판들 형태의 공작물들 내에 복수의 홀들을 제조하기 위한 방법들에 관한 것이고, 그리고 추가적으로 그러한 방법들을 실행하기 위한 장치 및 그러한 방법들에 의해서 생산된 제품에 관한 것이다.
전기적으로 생성된 스파크들에 의한 플라스틱 필름들의 천공작업이 U.S. 4,777,338로부터 공지되어 있다. 복수의 전극-대응 전극 쌍들이 제공되고, 그 사이에는 플라스틱 필름이 안내되고 그리고 그러한 플라스틱 필름을 가로질러 고-전압 에너지가 방전된다. 필름이 수조(water bath)를 통해서 이동되고, 그리고 수조의 온도를 이용하여 천공들의 크기를 제어한다.
플라스틱 필름들 내에 기공들을 생성하기 위한 다른 방법이 U.S. 6,348,675 B1으로부터 공지되어 있다. 펄스 시퀀스들(pulse sequences)이 전극 쌍들 사이에 생성되고, 이때 플라스틱 필름이 그들 사이에 배치되며, 제 1 펄스는 천공 지점에서 플라스틱 필름을 가열하는 역할을 하고 그리고 추가적인 펄스들이 천공을 형성하고 그리고 그 천공을 성형하는 역할을 한다.
U.S. 4,390,774로부터, 전기적 수단에 의한 비-전도성 공작물들의 처리는 공작물의 절단(cutting) 또는 공작물의 용접이라는 측면에서 공지되어 있다. 레이저 비임은 레이저 비임에 대한 노출 동안에 이동되는 공작물 상으로 지향되고, 그리고 2개의 전극들을 이용하여 고-전압이 가열된 구역으로 인가되어 공작물을 프로세싱하는 역할을 하는 아아크(arc)를 형성한다. 공작물의 절단 동안에, 공작물이 제어되는 방식으로 연소되고(burn), 또는 유리의 절단과 유사하게, 공작물의 전기 전도성이 온도와 함께 증가된다. 공작물들을 용접하고자 할 때, 반응성 또는 비활성 가스의 스트림들이 가열된 구역으로 추가적으로 지향되어 공작물 또는 전극 또는 용제(fluxing agent)와 반응한다. 이러한 방식에서, 유리, 종이, 직물(cloth), 카드보드, 가죽, 플라스틱들, 세라믹들, 그리고 반도체들이 절단될 수 있고, 또는 유리 및 플라스틱들이 용접될 수 있고, 고무가 가황처리될 수 있으며, 그리고 합성 수지들이 열적으로 경화(cure)될 수 있다. 그러나, 이러한 장비는 공작물 내에 가느다란 홀들을 형성하고자 하는 것과 관련하여 본질적으로 너무 투박하다(clunky).
WO 2005/097439 A2로부터, 전기적으로 절연인 기판의 영역 내에서, 구조물, 바람직하게 홀 또는 공동 또는 채널을 형성하기 위한 방법이 공지되어 있으며, 그러한 방법에서는, 또한 레이저 비임에 의한 에너지, 바람직하게 열 형태의 에너지가 또한 기판 또는 영역으로 공급되고, 그리고 전압이 상기 영역으로 인가되어 그 곳에서 유전체 절연파괴(breakdown)를 생성한다. 프로세스는 피드백 메커니즘을 이용하여 제어된다. 가느다란 개별적인 홀들을 차례로 형성할 수 있으나, 복수의 전극 쌍들을 동시에 채용하는 것은 불가능하다. 이는, 평행한 고전압 전극들이 서로 상호간에 영향을 미치고 그리고 한 번의 절연파괴가 전체 전류를 끌어드리기 때문이다.
WO 2009/059786 A1 로부터, 전기 절연 기판의 영역 내에서, 구조물, 특히 홀 또는 공동 또는 채널 또는 리세스(recess)을 형성하기 위한 방법이 공지되어 있으며, 여기에서 저장된 전기 에너지가 상기 영역을 가로질러 방전되고 그리고 추가적인 에너지가, 바람직하게는 열이 기판 또는 상기 영역으로 공급되어 기판 또는 영역의 전기 전도도를 높이고 그에 따라 전류 유동을 개시시키고, 그 에너지가 기판 내에서 소멸되고(dissipate) 즉, 열로 변환되고, 이때 전기 에너지의 소멸 속도(rate)는 전류 및 전력 변조 요소(elements)에 의해서 제어된다. 복수의 홀들을 동시에 생성하기 위한 장치는 개시되어 있지 않다.
WO 2009/074338 A1는 전기 절연성 또는 전기 반전도성 기판의 제 1 영역 내에서 유전 성질 및/또는 광학적 성질의 변화를 도입하기 위한 방법을 개시하고 있으며, 여기에서 기판 온도의 일시적인 증가로 인해서 광학적 성질 또는 유전 성질이 비가역적으로 변화되는 기판은, 선택적으로 전기 전도성, 반전도성 또는 절연성 층을 가지며, 여기에서 전기적 에너지가 전압 공급부로부터 제 1 영역으로 공급되어 제 1 영역으로부터의 물질의 방출(ejection)을 유발하지 않고 제 1 영역의 부분들 또는 전부를 상당히 가열 또는 용융시키고, 그리고 또한, 선택적으로, 부가적인 에너지는 국소적으로 열을 생성하고 그리고 제 1 영역의 위치를 한정한다. 전기 에너지의 소멸은 기판 내의 전류 유동 형태로 자체적으로 표시된다. 전기 에너지의 소멸은 전류 및 전력 변조 요소에 의해서 제어된다. 상기 방법에 의해서 생성된 기판 표면들에서의 변경들에는 또한 파라핀 또는 고온 용융 접착제로 이루어진 절연 층을 구비하는 붕규산염 유리 또는 실리콘 기판들에서 생성되는 홀들이 포함된다. 또한, 홀들은 실리콘, 지르코니아, 사파이어, 인듐 포스파이드(indium phosphide) 또는 갈륨 비화물(gallium arsenide) 내에 생성된다. 부분적으로, 방전 프로세스가 10.6 ㎛(CO2 레이저) 파장의 레이저 비임 조사(irradiation)에 의해서 개시된다. 홀들의 격자들(grids)이 또한 개시되나, 홀들의 간격이 비교적 크다. 복수의 홀들을 동시에 생성하기 위한 장치는 개시되어 있지 않다.
JP 2006 239 718 A로부터, 투명한 재료들 내에 필라멘트형 채널들(filamentary channels)을 생성하는 그리고 필라멘트들을 투명한 재료의 하단부까지 하향 연장시키는 방법이 공지되어 있다. 이는, 유리와 같은 투명한 재료 내에 미세 구조물들을 효과적으로 그리고 정확하게 생성할 수 있게 허용한다.
DE 37 42 770 A1는 제한된 기공 크기의 깔때기 형상으로 테이퍼진 기공들을 가지는 유기 폴리머들, 유리 또는 세라믹 재료들의 호일로부터의 편평한 격막들을 기술하고 있으며, 그러한 격막들은 개구 마스크를 공작물로 투사함으로써 레이저 광을 이용하여 제조된다. 그에 따라, 각각의 레이저 비임은 공작물 내의 복수의 기공들과 연관된다.
그에 따라, 적절한 주파수 또는 펄스 형상의 고전압 전기장(electric field)을 이용하여 유전체 재료의 호일들 및 얇은 시트들을 어떻게 천공하는지를 종래 기술로부터 분명하게 알 수 있다. 재료의 국소적인 가열은 천공하고자 하는 지점들에서 유전 강도를 감소시키고, 그에 따라 인가된 전계 강도는 전류가 재료를 가로질러 유동할 수 있게 할 정도로 충분하다. 유리, 유리-세라믹들, 및 반-도체들의 경우에서와 같이(또한 많은 플라스틱들의 경우와 같이), 만약 재료가 온도 증가에 따라 충분히 큰 전기 전도도 증가를 나타낸다면, 재료 내의 천공 채널의 "전기-열적 자가-포커싱(electro-thermal self-focusing)" 결과를 초래한다. 재료가 증발(evaporate)하고 천공부가 "불어 내어질(blow open)" 때까지, 천공 재료가 점점 더 고온이 되고, 전류 밀도가 증가한다. 그러나, 천공이 유전체 절연파괴를 기초로 하기 때문에, 절연파괴의 희망 위치와 정확하게 일치시키는 것이 어렵다. 공지된 바와 같이, 플래시들이(flashes) 매우 불규칙적인 경로를 따른다.
CPU 칩들은 하단부 표면의 작은 영역에 걸쳐 분포된 수백 개의 콘택(contact) 지점들을 가진다. 콘택 지점들로의 공급 라인들을 생성하기 위해서, 얇은 시트들(< 1mm)이 이용되고, 다시 말해서 "인터포저들(interposers)"로서 지칭되는 에폭시 재료로 코팅된 유리섬유 매트들이 이용되고, 상기 유리섬유 매트들을 통해서 공급 라인들이 연장된다. 이를 위해서, 수백 개의 홀들이 인터포저 내에 위치되고 그리고 전도성 재료로 충진된다. 통상적인 홀 크기들은 홀당 250 내지 450 ㎛ 범위가 된다. CPU 칩과 인터포저 사이의 길이는 어떠한 변동들도 없어야 할 것이다. 그에 따라, 인터포저들은 칩의 반도체 재료의 열 팽창 거동과 유사한 열 팽창 거동을 나타내야 하나, 종래에 사용되었던 인터포저들의 경우에는 그렇지 않다.
홀들 간의 간격이 120 ㎛ 내지 400 ㎛이고 그리고 전기-열적 천공 프로세스를 이용할 때, 종래 기술에서 부족하였던 것은 또한 서로 인접한 복수의 얇은 홀들을 산업적인 규모로 제조하는 것이다.
본 발명의 목적은, 이하의 요건들 중 하나 또는 둘 이상을 충족시켜야 하는 경우에, 유리 및 유리류 재료들 및 반도체들의 얇은 시트들(< 1mm) 및 기판들 형태의 공작물 내에 복수의 홀들을 생성하는 방법 및 장치를 제공하는 것으로서, 충족시켜야 하는 요건은 다음과 같다:
- 홀들이 정확하게 위치될 수 있어야 한다(± 20 ㎛).
- 엄격한 홀들 간의 공차들로 공작물마다 많은(10 내지 10,000개) 작은 홀들을 생산할 수 있어야 한다.
- 좁은 홀들 간의 간격(30 ㎛ 내지 1000 ㎛)으로 홀들을 생산할 수 있어야 한다.
- 홀들이 산업적인 규모로, 즉 공작물마다 많은 마이크로홀들을 동시에 생산할 수 있어야 한다.
특히, 이하의 성질들을 가지는 "유리 인터포저들"을 생산할 수 있어야 한다:
- 유리 인터포저들이 1 내지 10의 종횡비들(유리 두께 대 홀 지름의 비율)과, 20 ㎛ 내지 450 ㎛, 바람직하게 50 ㎛ 내지 120 ㎛의 홀 지름들을 가지는 홀 패턴을 가진다.
- 홀들의 수가 1000 내지 5000 개로 다양하다.
- 홀들의 중심 간 거리가 120 ㎛ 내지 400 ㎛ 범위이다.
- 홀들의 형상이 이상적인 원통형이 아니라, 홀의 유입구와 배출구의 에지에서 라운딩된다.
- 5 ㎛ 이하의 비드(bead) 높이를 가지는 홀들의 엣지 주위의 비드가 선택적으로 허용될 수 있을 것이다.
- 홀들의 벽들이 매끄럽다(파이어 폴리싱됨(fire-polished)).
본 발명에 따른 방법은 2개의 단계들로 진행된다. 첫 번째로, 각각의 필라멘트형 채널을 따라서 기판 내에 비-열적 파괴(non-thermal destruction)를 유도하기 위해서, 레이저 비임을 미리 규정된 천공 지점들로 지향시킴으로써 천공하고자 하는 공작물 내의 홀이 "준비된다(prepared)". 재료의 투명성으로 인해서, 레이저 비임이 재료 내로 침투하고, 그리고 만약 복사선 세기(radiation intensity)가 매우 높다면 레이저의 높은 필드 강도에 의해서 재료가 비-열적 방식으로 국소적으로 파괴된다. 이러한 효과는 투명한 재료 내의 광학적 자가-포커싱에 의해서 강화된다(intensify). 그에 따라, 직선형의, 매우 얇은 파괴 채널이 생성된다. 이는 홀들의 정확한 포지셔닝을 가능하게 한다. 손상이 매우 얇은 채널을 따라서 연장하기 때문에, 제조 프로세스들의 상호 간섭 없이, 그러한 필라멘트형 채널들을 서로 근접한 간격으로 생성할 수 있다.
제 2 단계에서, 필라멘트형 채널들이 희망하는 홀 지름으로 확대된다. 원칙적으로, 이러한 것은 공지된 공정들을 기초로 하여 달성되나, 필라멘트형 채널들을 희망하는 홀 지름들로 확대하기 위해서 혁신적인 공정들을 이용할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따라서, 시트 또는 기판 재료의 표면으로부터 시작하여, 국소적으로 제한된 전도성 영역들이 미리 결정된 천공 지점들에서 생성되고, 그러한 전도성 영역들은 고전압 절연파괴를 위한 마이크로-전극들로서 이용되고, 또는 공급되는 고주파수 에너지를 위한 마이크로-안테나로서 이용되어 전기-열적 절연파괴들을 초래하고 그에 따라 희망하는 홀들의 형성을 초래한다. 이온화 생성 및 플라즈마 형성에 의해서, 국소적으로 제한된 전도성 영역들이 생성될 수 있을 것이다.
전도성 영역들이 국소적으로 인쇄된 재료에 의해서 형성될 수 있을 것이며, 상기 인쇄된 재료는 본질적으로 전도적이거나 또는 에너지 입력을 통해서 전도적이 된다.
또한, 전도성 영역들은 열 전도에 의해서 효과적으로 만들어질 수 있을 것이고, 그리고 그러한 경우에 복사선 흡수 잉크가 미리 결정된 천공 지점들로 인쇄될 수 있을 것이다.
본 발명은 또한 천공 방법을 실행하기 위한 장치에 관한 것이다. 복수의 레이저들의 어레이가 미리 결정된 피치(pitch)에 따라서 각각의 레이저 비임들을 방출하도록 제공된다. 공작물 홀더가 시트 또는 기판 재료를 레이저 비임들의 방향에 대해서 횡방향으로(transversely) 천공되도록 지지하고 그리고 복수의 레이저 어레이에 대한 공작물의 횡방향 배치 및 고정을 가능하게 한다. 레이저들은 3000 내지 200 nm 범위의 파장에서 효과적이고, 이때 각각의 레이저 비임이 재료 내로 침투하는 정도로 시트 또는 기판 재료가 적어도 부분적으로 투명하다. 펄스형 레이저들이 이용되며, 그러한 펄스형 레이저들은 상당한 복사선 세기를 얻을 수 있으며 그에 따라 재료가 비-열적인 방식으로 국소적으로 파괴될 수 있다. 재료 내로 포함된 흡수체(absorbers)/산란 중심(scattering centers)이 국소적으로 엄밀하게(closely) 제한된 파괴의 이러한 효과를 촉진할 것이다.
필라멘트형 채널들이 일단 형성되며, 그 채널들을 희망하는 홀 지름으로 확대시키는 2가지 방식이 있으며, 그러한 방식들은 또한 다음과 조합될 수 있을 것이다: 즉
1. 필라멘트형 채널들을 따른 재료의 고주파 에너지 가열 및 용융/증발을 이용함으로써 조합될 수 있고, 선택적으로 형성된 천공 벽들을 따라서 화학적 효과들을 조합함으로써 촉진된다.
2. 고전압에 의해서 유발된 필라멘트형 채널들을 따른 전기-열적 절연파괴와 조합될 수 있을 것이고, 선택적으로는 침식된 재료의 화학적/물리적 제거와도 조합될 수 있다.
필라멘트형 채널들을 희망하는 균일한 홀들로 확대하기 위해서, 고전압 전극들이 이용될 수 있을 것이고, 상기 전극들은 상호 대향된 관계의 필라멘트형 채널들에 근접하여 배치된다. 여기에서, 재료의 절연파괴 필드 강도가 감소되며, 그에 따라 인가된 고전압에 의해서 전류 유동들이 유발되고, 그러한 전류 유동들은 필라멘트형 채널들을 따른 재료의 가열을 유발하고, 그러한 가열은 다시 영향을 받은 재료의 전기 전도도가 국소적으로 증대되게 하고, 결과적으로 필라멘트형 채널들의 영역 내에서 여전히 전류 흐름 및 가열이 크게 된다. 이는, 최종적으로 천공 재료의 증발 및 공작물 내의 희망하는 홀들의 형성을 초래한다. 진원도(roundness) 및 균일도와 관련한 공작물 내의 홀들 또는 천공부들의 품질을 높이기 위해서, 전극 홀더의 각각의 천공부 주위로 대칭적으로 배열되는 고전압 전극들이 대응 전극들에 대한 교대 및 교번적인(rotating and alternating) 패턴으로 스위칭 온(switched on)된다. 이는 전극들의 마모를 감속시키고 그리고 균일하게 하며, 그에 따라 장기적으로 균일하게 성형된 홀들이 시트들 또는 기판 재료들에서 예상될 수 있다.
홀들을 클리어(clear)하기 위해서 고전압 스파크들을 이용하는 대신에, 고주파수 에너지가 필라멘트형 채널들 내의 재료를 국소적으로 가열하도록 채용될 수 있을 것이다. 실제적으로, 미리 결정된 천공 지점들에서 플라즈마가 형성되도록 레이저 비임들이 제공될 수 있으며, 상기 천공 지점들은 공급되는 고주파 에너지에 대한 마이크로-안테나들로서 이용될 수 있을 것이다. 전극 및 대응 전극을 플레이트형 형상으로 제공함으로써 그리고 전극들을 고주파로 여기시킴으로써, 레이저 비임들의 패턴과 연관된 시트 또는 기판 재료의 모든 천공 지점들에 대한 상호 간섭이 없이 그리고 동시적으로 전기-열적 에너지가 공급될 수 있고, 그에 따라 증가된 전류 흐름 및 증발을 수반하는 천공 재료의 가열을 달성할 수 있고, 그리고 최종적으로 공작물 내의 희망하는 홀들의 형성을 달성할 수 있다.
필라멘트형 채널들의 생성 및 그 확대는 다른 장치 부품들에서 달성될 수 있을 것이나, 또한 조합된 시스템들을 이용할 수 있을 것이다.
조합된 시스템은:
- 미리 결정된 피치에 따라서 개별적인 레이저 비임들을 방출하기 위한 복수의 레이저 어레이;
- 상기 피치에 상응하는 개구들을 가지는 플레이트형의 고주파 전극;
- 상기 피치에 상응하는 개구들을 가지는 플레이트형의 고주파 대응 전극;
- 고주파 전극들 사이의 프로세싱 공간 내에서 천공하고자 하는 시트 또는 기판 재료를 배치하고 고정하기 위한 공작물 홀더;
- 재료 내에 형성되는 홀들로 반응성 가스들 및 퍼지 가스들을 공급하고 그리고 반응 생성물들을 제거하기 위한 공급 및 배출(discharge) 채널들을 포함한다.
다른 조합된 시스템이 복수의 레이저들의 어레이를 포함할 수 있고, 그러한 복수의 레이저들은 미리 결정된 피치에 따라서 레이저 비임들을 방출하도록 배열된다.
플레이트형 전극 홀더가 시트 또는 기판 재료의 미리 결정된 천공 지점들과 일치되는 미리 결정된 피치의 개구들을 가진다. 고전압 전극들이 전극 홀더의 각각의 천공부 주위에 대칭적으로 배열된다. 대응 전극 홀더가 상기 전극 홀더로부터 거리를 두고 배열되어 중간 공간을 형성하고, 그리고 전극들에 대향하는 위치들에서 대응 전극들을 구비한다. 공작물 홀더는 전극들과 대응 전극들 사이의 중간 공간 내에서 천공하고자 하는 시트 또는 기판 재료를 지지한다. 레이저는 미리 결정된 피치에 따라서 시트 또는 기판 재료 내에 필라멘트형 채널들을 생성하기 위해서 레이저 비임들을 방출하도록 특정 시간들에 스위칭 온될 수 있을 것이다. 그 후의 시간들에서, 전극들 및 대응 전극들이 스위칭 온되어, 고전압 플래시오버들(flashovers; 표면 방전)을 유도하여 시트 또는 기판 재료 내에 홀들을 생성한다.
두 가지 기본적인 공정들에서, 공작물 내의 미리 결정된 천공 지점들의 패턴이 각각의 레이저 비임들의 어레이보다 더 클 수 있을 것이다. 그러한 경우에, 공작물에 대해서 어레이를 몇 차례에 걸쳐 변위시킴으로써 천공 패턴이 생성될 수 있을 것이다. 이러한 방식에서, 비록 복수 어레이의 레이저들이 홀 간격에 상응할 수 있도록 조밀하게 패킹(tightly packed)되지 않지만, 홀들은 근접한 간격으로 생성될 수 있을 것이다.
이제, 도면들을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명할 것이다.
도 1은 고전압 스파크들을 이용하여 얇은 시트들 및 기판들 내에 마이크로홀들을 생성하기 위한 제 1 실시예를 도시한다.
도 2는 고주파 에너지 입력을 이용하여 마이크로홀들을 생성하기 위한 장치를 도시한다.
도 1은 유리, 유리 세라믹들, 또는 반도체 재료로 이루어진 시트형 공작물(1) 내에 마이크로홀들을 생성하기 위한 장치의 개략도이다. 공작물은 상부 플레이트-유사 전극 홀더(26) 및 하부 플레이트형 전극 홀더(37) 사이의 프로세싱 공간(23)으로 도입된다. 전극 홀더(26) 위에서, 레이저들(40)의 어레이(4)가 제공된다. 공작물(1)은 공작물 홀더(5)에 의해서 지지되고, 그러한 공작물 홀더는 전극 홀더(26)와 전극 홀더(37) 사이의 프로세싱 공간(23) 내에서 매우 미세한 스텝들(steps)로 공작물(1)을 조정할 수 있게 허용한다. 전극 홀더(26)는 레이저들(40)의 각각의 비임들(41)과 정렬된 개구들(20)을 가진다. 개구들(20) 각각의 주위의 원형으로 분포되어, 전극들(6)이 배열되고, 그러한 전극들(6)은 하나 또는 둘 이상의 독립적인 고전압 공급원(들)을 통해서 대응 전극들(7)에 연결된다. 공작물(1)은 많은 수의 의도된 천공 지점들(10)을 가지고, 그러한 지점들에서 천공부들(12)이 생성될 것이다. 전극 홀더(26) 내의 개구들(20)은 천공 지점들(10)의 패턴과 일치(match; 매칭)되는 피치를 가지고, 즉 천공 지점들(10)의 패턴이 개구들(20)의 피치의 배수가 된다.
레이저들(40)로서, 적어도 부분적으로 투명한 공작물(1)의 개별적인 재료에 특히 맞춰진, 3000 내지 200 nm 사이의 파장 범위의 레이저가 이용된다. 레이저들의 파장 범위가 공작물 재료의 투명도 범위 내에 포함된다. 그에 따라, 레이저 복사선(41)이 공작물 재료 내로 깊이 침투할 수 있고 그리고 표면에서 흡수되지 않는다. 짧은 펄스 지속시간을 가지는 펄스형 레이저가 이용되고, 이때 레이저의 높은 필드 강도에 의해서 비-열적인 방식으로 재료가 파괴될 수 있을 정도로 비임 포커스 내의 복사선 세기가 충분히 강하다. 그 효과는 투명한 재료 내에서의 광학적 자가-포커싱에 의한 자가-강화이다. 그에 의해서, 파괴된 재료의 매우 미세한 필라멘트형 채널들(11)이 공작물(1) 내에 형성된다. 그러한 필라멘트형 채널들(11)을 생성하기에 적합한 레이저는 복사선 파장이 1064 nm이고 펄스 지속시간이 피코초 내지 나노초 범위인 Nd:YAG 레이저이다. 다른 적합한 레이저들에는 980 nm의 Yb:YAG, 1055 nm 또는 3000 nm의 Er:YAG, 1300 내지 1400 nm의 Pr:YAG 또는 Tm:YAG가 포함된다. 부분적으로, 이러한 레이저들을 이용하여 주파수 2배화 또는 3배화(tripling)가 이루어질 수 있을 것이다.
공작물 재료가 특히 유리인 경우에, 공작물 재료(1) 내에 흡수재들 또는 산란 장소들을 자연발생적으로 또는 인공적으로 도입함으로써 필라멘트형 채널(11)의 형성이 촉진될 수 있을 것이다. 결합수(bound water)가 흡수재로서 이용될 수 있을 것이다. 이용될 수 있는 흡수 원소들(elements; 요소들)이 Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb의 활성 희토류 이온들과 같은 협-대역 흡수 레이저 활성(active) 원소들을 포함한다. 전이 금속들, 예를 들어 Cr, Mn, Fe와 같은 광-대역 흡수 원소들이 또한 유용한다. 레이저들 및 흡수 원소들이 서로에 대해서 맞춰진다. 극히 적은 양의 적절한 흡수재들만이 요구된다.
필라멘트형 채널들(11)이 일단 생성되고, 천공부들 또는 홀들(12)이 형성된다. 도 1에 도시된 특정 장치의 경우에, 이는 전극들(6 및 7)로 고전압을 인가함으로써 달성된다. 상기 전극들은 각각의 비임 방향(41) 주위에 대칭적으로 분포되는 방식으로 배열되고 그리고 바람직하게 각각의 경우에 3개의 전극들을 포함한다. 상부 전극들(6)이 교대적인 순서로 스위칭 온되는 한편, 하부 전극들(7)은 무작위적인 패턴 또는 프로그램에 따라서, 그러나 고전압 동작 중의 임의 시간에 상부 전극들 중 하나와 하부 전극들 중 하나가 스위칭 온되는 방식으로, 스위칭 온 및 오프된다. 스파크들이 필라멘트형 채널들(11)을 따라서 가장 적은 저항의 경로로 흐르고, 도입된 열은 전기 저항을 감소시키고, 전류 밀도를 증가시키며, 그리고 가열은 천공 재료의 증발을 유발한다. 교번적으로 구동되는 개별적인 전극들의 동작은, 홀들이 시트의 평면에 대해서 수직으로 형성되도록 그리고 양호한 축방향 대칭이 달성되도록 보장한다. 홀들(12)의 벽들은 대략적으로 원통형 형상을 따른다. 또한, 큰 응력을 받는 전극들(6, 7)의 연장된 수명을 기대할 수 있을 것이다.
증기화된 천공 재료가 프로세싱 공간(23)으로부터 흡입되어 제거될 수 있을 것이고, 이에 대해서는 더 구체적으로 설명하지 않는다. 이러한 목적을 위해서, 반응성 가스들이 가스 상의 증기를 이송하기 위해서 이용될 수 있을 것이고 그리고 원치 않는 장소들에서 재료가 석출되는 것을 대략적으로 방지하기 위해서 이용될 수 있을 것이다.
도 2는 공작물(1) 내에서 복수의 홀들(12)을 생성하기 위한 다른 장치를 도시한다. 공작물(1)은 2개의 플레이트형의 고주파 전극들(2, 3) 사이의 프로세싱 공간(23) 내에 배열된다. 전극들은 상호 정렬된 개구들(20, 30)을 가지며, 그러한 개구들은 패턴을 형성한다. 복수의 레이저들(40)이 동일한 패턴의 복수의 어레이(4)로 배열되고, 그에 따라 방출된 비임들(41)이 개구들(20 및 30)에 대해서 정렬된다. 공작물(1)이 공작물 홀더(5) 내에 안착되며, 이는 좌표에 기초한 정확한 변위들을 허용한다. 이러한 방식에서, 공작물(1)의 미리 결정된 천공 지점들(10)이, 변위에 의해서, 복수의 어레이(4)에 대해서 조정될 수 있을 것이다. 고주파 발생기(9)로부터의 플레이트 전극들(2, 3)로 적절한 고주파 전압이 공급될 수 있을 것이다. 도관들 및 채널들(22, 33)의 시스템은 반응성 가스들 및 퍼지 가스들을 개구들(20, 30)을 통해서 전극들(2, 3) 사이의 프로세싱 공간(23) 내로 공급할 수 있게 허용하고, 그리고 반응 생성물들 및 퍼지 가스뿐만 아니라 증발된 천공 재료를 배출할 수 있게 허용한다.
장치의 동작은 다음과 같다:
특정의 미리 결정된 천공 지점들(10)이 개구들(20, 30)에 대해서 정렬되도록, 공작물(1)이 제위치에 배치된다. 이어서, 레이저들(40)이 스위칭 온되고 그리고 필라멘트형 채널들(11)을 따라서 비-열적인 파괴들을 생성한다. 동시에, 플라즈마가 비임들(41)의 타격 위치들에서 생성된다. 이러한 플라즈마는 조사(照射)되는 고주파 에너지에 대한 국소적인 안테나로서 작용하는 전도성 스폿(spot)의 한 종류이다. 그러한 고주파 에너지는 고주파 발생기(9)를 스위칭 온시킴으로써 생성되고, 이는 필라멘트형 채널들(11)을 따른 재료(1)의 가열을 유발한다.
추가적으로, 도입된 전기 에너지는 채널들을 따른 전류를 유발하고, 그러한 전류는 온도 증가와 함께 증대되고 그리고 최종적으로 천공 재료의 증발을 유발한다. 홀들의 천공은 반응성 가스의 도입에 의해서 개선되고 수정될 수 있을 것이다. 그러한 반응성 가스는 공급 라인(22) 및 개구들(20)을 통해서 가열된 영역들로 공급된다. 반응 생성물들은 개구들(30) 및 채널(33)을 통해서 배출된다. 퍼지 가스들은 공작물(1)의 청정화(cleaning)를 위해서 제공된다.
만약 의도된 홀 패턴(10)이 레이저 비임들(41)의 피치보다 더 조밀한 피치를 가진다면, 재료(1)가 이동되고 그리고 전술한 프로세스가 반복된다. 이는, 모든 미리 결정된 천공 지점들(10)이 프로세싱될 때까지 계속된다. 큰 홀 길이 대 홀 지름의 비율, 소위 종횡비를 가지는 가느다란 홀들을 생성할 수 있다. 홀들의 유입구들 및 배출구들에서 어떠한 날카로운 엣지들도 존재하지 않을 것이다.
전술한 장치들은 수정될 수 있을 것이다. 예를 들어, 필라멘트형 채널들(11)은 독립적인 장치에서 생성될 수 있을 것이고, 후속 홀들(12)이 다른 장치에서 생성될 수 있을 것이다. 또한, 의도된 천공 지점들(10)과 관련하여 시트 또는 기판 재료(1)를 준비할 수 있을 것이다. 의도된 천공 지점들에서, 복사선 흡수 잉크가 재료로 인쇄될 수 있을 것이다. 이는, 재료(1)의 국소적인 가열을 촉진하고, 그에 따라 이러한 지점들로부터의 시작하여 전기-열적 가열의 시작이 발생되고, 그러한 가열은 홀들(12)을 초래한다. 이러한 국소적인 가열의 경우에, 통상적인 복사선 공급원이 레이저 대신에 유사하게 이용될 수 있을 것이다. 이러한 것은, 필라멘트형 채널들(11) 및 홀들(12)의 독립적인 제조를 고려할 때, 특히 검토된다. 또한, 레이저 보다 유지하는데 있어서 더 저렴하고 더 용이한 그와 같은 통상적인 복사선 공급원들은 재료(1)의 넓은 면적들을 균일하게 조사할 수 있게 허용한다. 천공하고자 하는 재료(1)가 흡수하는 스펙트럼 영역들을 방출된 복사선으로부터 필터링하여 제거할 수 있을 것이다. 또는, 천공하고자 하는 재료(1)을 투과하는 좁은 스펙트럼 대역들만을 방출하는 통상적인 복사선 공급원들이 이용된다. 이러한 경우들에서, 선택적인 흡수재들이 인쇄 잉크들에 부가될 수 있을 것이다. 또한, 인쇄 잉크를 반드시 건조할 필요가 없는데, 이는 상기의 작업이 복사로 인해서 이루어지기 때문이다. 세라믹 칼라들(colors)(흡수재들 및 적은 유기 결합제를 포함하는 유리 프릿(frit))이 또한 천공 지점들(10)을 마킹(marking)하는데 있어서 유용하다.
마찬가지로, 천공하고자 하는 지점들(10)을 마킹하기 위해서 전도성 페이스트(paste)를 도포하는 것이 유용하다. 페이스트는 국소적인 전극으로서 작용하고, 다시 말해서 전극들(2, 3)로부터의 전기장이 이러한 국소적인 전극들에 대해서 특히 강하게 커플링되고 그리고 그들의 국소적인 분위기 내에서 특히 큰 전기장을 생성하며, 그에 따라 바람직하게 전기-열적 가열이 이러한 영역 내에서 발생된다. 여기에서, 다시 페이스트를 반드시 건조시킬 필요가 없다. 또한, 페이스트는 금속 입자들을 포함할 수 있을 것이고 또는 열적 및 화학적 프로세스들로 인해서 금속 입자들을 방출(release)할 수 있을 것이다.
SiN으로 코팅되는 태양 전지들의 경우에, PbO 또는 BiO 함량을 가지는 유리 플릿 기반 페이스트들이 특히 유리하게 이용되는데, 이는 PbO 및 BiO가, 가열되었을 때, 전기 절연성 SiN 층과 화학적으로 반응하여 그것을 용해시키기 때문이다. 나머지 Pb 또는 BiO의 일부가 전도성 금속 Pb 또는 Bi으로 환원된다. 이러한 금속 입자들은 공작물 상의 천공 지점들을 마킹하고, 그러한 천공 지점들로부터 홀들 또는 천공부들의 전기-열적 형성이 이루어진다.
잉크 및 페이스트 모두를 전기 전도성 함유물과 조합할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
천공 지점들을 마킹하기 위해서, 잉크 및/또는 페이스트가 여러 가지 인쇄 프로세스들에 의해서, 예를 들어 스크린 또는 패드 인쇄 방법, 또는 잉크 젯 방법을 이용하여 도포될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 설명된 천공 방법은 신규한 인터포저들을 제조하기 위해서 개발된 것이다. 그러한 인터포저들은 700 ppm 미만의 알칼리 함유물을 가지는 유리로 제조된 기본 기판을 포함한다. 그러한 유리는 실리콘 칩들의 열팽창 계수에 근접한 열팽창 계수를 가진다. 신규한 천공 방법은 20 ㎛ 내지 450 ㎛ 범위의, 바람직하게는 50　㎛ 내지 120 ㎛ 범위의 매우 가느다란 홀들을 생성할 수 있게 한다.

Claims (20)

  1. 유리, 특히 유리류 재료들, 유리 세라믹들, 및 반도체들로 이루어진 얇은 시트들 및 기판들 형태의 공작물(1)들 내에 복수의 홀들(12)을 제조하기 위한 방법으로서:
    a) 천공하고자 하는 공작물(1)을 제공하는 단계;
    b) 복수의 레이저 비임 어레이(4)를 공작물(1)의 미리 결정된 천공 지점들(10)에 대해서 정렬시키는 단계;
    c) 공작물(1) 재료가 대해 적어도 부분적으로 투과적인 3000 내지 200 nm 범위의 파장 범위를 가지고 그리고 각각의 필라멘트형 채널(11)을 따른 공작물 재료(1)의 비-열적 파괴를 유도하는 복사선 세기를 가지는, 포커싱된 레이저 펄스들(41)을 트리거링하는 단계;
    d) 상기 필라멘트형 채널들(11)을 희망하는 홀들(12)의 지름으로 확대하는 단계를 포함하는, 복수의 홀들을 제조하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 d)에서, 고전압 필드가 각각의 미리 결정된 천공 지점들에서 생성되어 그 곳에서 각각의 유전체 절연파괴를 생성하고, 상기 절연파괴는 희망하는 크기 및 구성의 홀들(12)을 초래하는, 복수의 홀들을 제조하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공작물(1)의 표면으로부터 시작하여, 국소적으로 엄밀하게 제한된 전도성 영역들이 미리 결정된 천공 지점들(10)에서 생성되고; 그리고
    생성된 전도성 영역들은 상기 단계 d)에서 고주파 에너지를 공급하기 위한 마이크로-안테나로서 이용되고, 그러한 마이크로-안테나로서의 이용이 전기-열적 절연파괴 및 홀들(12)의 형성을 유발하는, 복수의 홀들을 제조하기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전도성 영역들이 국소적인 이온화 및 플라즈마의 생성에 의해서 생성되는, 복수의 홀들을 제조하기 위한 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 전도성 영역들은 전도성의 또는 에너지 입력을 통해서 전도성을 가지게 되는 국소적으로 인쇄된 재료에 의해서 형성되는, 복수의 홀들을 제조하기 위한 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    PbO 또는 BiO 함량을 가지는 페이스트들이 SiN 층 상으로 인쇄되고, 포커싱된 레이저 펄스들로 조사될 때 상기 페이스트들이 서로 반응하여 SiN 층을 분해하고, 그에 따라 공작물의 천공 지점들에서 금속 Pb 또는 Bi 를 생성하는, 복수의 홀들을 제조하기 위한 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    복사선을 흡수하고 그에 따라 효과를 나타내는(effective) 잉크에 의해서 상기 전도성 영역들이 형성되는, 복수의 홀들을 제조하기 위한 방법.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 전도성 영역들이 상기 공작물(1) 내에 통합된 흡수체들 또는 산란 중심들에 의해서 형성되는, 복수의 홀들을 제조하기 위한 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    피코초 내지 나노초 범위의 펄스 지속시간을 가지는 솔리드-스테이트(solid-state) 레이저의 복사선이 필라멘트형 채널들(11)을 생성하기 위해서 이용되는, 복수의 홀들을 제조하기 위한 방법.
  10. 제 4 항에 있어서,
    파장이 250 ㎛인 KrF 레이저들 또는 파장이 209 ㎛인 KrBr 레이저들이 플라즈마 생성을 위해서 이용되는, 복수의 홀들을 제조하기 위한 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 d)에서, 근적외선 범위의 또는 가시광선 범위의 레이저들이 천공하고자 하는 공작물(1)의 균일하고 깊은 가열을 위해서 이용되는, 복수의 홀들을 제조하기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 천공하고자 하는 공작물(1)이 광 흡수 물질을 포함하는, 복수의 홀들을 제조하기 위한 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 d)에서, 홀들(12)의 형성을 촉진하기 위해서 반응성 가스들이 채용되는, 복수의 홀들을 제조하기 위한 방법.
  14. 공작물(1) 내에 복수의 홀들(12)의 패턴을 생성하기 위한 그리고 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치로서:
    - 상기 공작물(1)을 수용하기 위한 프로세싱 공간(23)을 둘러싸는 플레이트형의 전극 홀더(26) 및 플레이트형의 대응 전극 홀더(37);
    - 상기 프로세싱 공간(23) 내에서 공작물(1)을 정확하게 포지셔닝하기 위한 공작물 홀더(5); 및
    - 상기 공작물(1)의 미리 결정된 천공 지점들(10)의 패턴에 맞춰진 미리 결정된 피치에 따라서 각각의 레이저 비임들(41)을 방출하기 위한 복수의 레이저들(40)의 어레이(4)로서, 상기 각각의 레이저 비임은 상기 전극 홀더(26) 내의 하나의 개구(20) 및 상기 공작물(1) 내의 하나의 천공 지점(10)과 연관되는, 어레이(4)
    를 포함하고;
    - 적어도 상기 전극 홀더(26)가 상기 공작물(1)의 미리 결정된 천공 지점들(10)에 맞춰진 미리 결정된 피치의 개구들(20)을 가지며;
    - 상기 전극 홀더(26)가 전극들(6)을 포함하고, 그리고 상기 전극 홀더(37)가 대응 전극들(7)을 포함하며;
    - 상기 레이저(40)들은 레이저 비임들(41)을 방출하기 위해서 특정된 시간들에 스위칭 온될 수 있고;
    - 상기 레이저들(40)은, 천공하고자 하는 공작물(1)에서 필라멘트형 채널들(11)을 따라서 비-열적 손상을 겪게 되는 세기와 3000 내지 200 nm 범위의 파장을 갖는 복사선(41)을 방출할 수 있고; 그리고
    - 상기 전극들(6) 및 상기 대응 전극들(7)이 후속 시간(later time)에 스위칭 온되어 고-전압 플래시오버들을 유발시켜 공작물(1) 내에 홀들(12)을 생성할 수 있는, 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 개별적인 전극들(6)이 상기 전극 홀더(26)의 각각의 개구(20) 주위로 대칭적으로 배열되고, 상기 전극들은 이와 관련하여 상응하게 대향하는 개별 상대 전극들(7)을 가지며, 상기 개구(20) 주위로 대칭적으로 정렬된 개별적인 전극들(6)은 개별적인 대응 전극들(7)에 대해서 교대적인 순서로 그리고 교번적인 패턴으로 고전압에 노출되는, 장치.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    채널 시스템(22, 33)이 상기 프로세싱 공간(23)과 소통하고 홀들(12)의 형성을 촉진하도록 반응성 가스들 및 퍼지 가스들의 도입 및 제거를 허용하고 그리고 반응 생성물들의 배출을 허용하는, 장치.
  17. 공작물(1) 내에 복수의 홀들(12)의 패턴을 생성하고 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치로서:
    - 상기 공작물(1)을 수용하기 위한 프로세싱 공간(23)을 둘러싸는 플레이트형의 전극(2) 및 플레이트형의 고주파 대응 전극(3);
    - 상기 프로세싱 공간(23) 내에서 공작물(1)을 정확하게 포지셔닝하기 위한 공작물 홀더(5); 및
    - 상기 공작물(1)의 미리 결정된 천공 지점들(10)의 패턴에 맞춰진 미리 결정된 피치에 따라서 각각의 레이저 비임들(41)을 방출하기 위한 복수의 레이저들(40)의 어레이(4)로서, 상기 각각의 레이저 비임은 상기 전극 홀더(26) 내의 하나의 개구(20) 및 상기 공작물(1) 내의 하나의 천공 지점(10)과 연관되는, 어레이(4)
    를 포함하고;
    - 적어도 상기 고주파 전극(2)이 상기 공작물(1)의 미리 결정된 천공 지점들(10)에 맞춰진 미리 결정된 피치의 개구들(20)을 가지며;
    - 상기 레이저들(40)은, 천공하고자 하는 공작물(1)에서 필라멘트형 채널들(11)을 따라서 비-열적 손상을 겪게되는 세기와 3000 내지 200 nm 범위의 파장을 갖는 복사선(41)을 방출할 수 있고;
    - 상기 패턴에 따라서 미리 결정된 천공 지점들(10)에서 엄밀하게 제한된 국소적인 전도성 영역들의 형성을 제공하기 위한 레이저 비임들(41)을 방출하기 위해서 특정된 시간들에 상기 레이저들(40)이 스위칭 온될 수 있고;
    - 상기 전극-대응 전극 쌍(2, 3)으로 고주파 에너지를 공급하여 상기 전도성 영역들의 패턴에 고주파 에너지를 인가하고 그에 따라 상기 공작물(1) 내의 미리 결정된 지점들(10)에서 홀들(12)을 생성할 수 있는, 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 플레이트형의 고주파 전극들(2, 3) 모두가 개구들(20, 30)을 가지고, 상기 개구들은 서로 정렬되고 그리고 침식된 천공 재료를 제거하기 위해서 가스 공급 및 배출 채널들(22, 33)에 연결되는, 장치.
  19. 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공작물 홀더(5)는 상기 공작물(1)이 매우 미세한 스텝들로 좌표들과 관련하여 조정될 수 있게 하여, 상기 공작물(1)을 미리 결정된 천공 지점들(10)에 따라서 복수의 레이저들(40)의 어레이(4)에 대한 상이한 원하는 위치들에 배치할 수 있는, 장치
  20. 유리 인터포저로서,
    700 ppm 미만의 알칼리 함량을 가지는 유리로 제조된 기본 기판을 포함하고, 그리고 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라서 생성된 홀들을 구비하며, 상기 홀들의 크기가 20 ㎛ 내지 450 ㎛ 범위인, 유리 인터포저.
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