KR20150058073A - 전기/기계 마이크로칩 및 버스트 초고속 레이저 펄스로 만드는 방법 - Google Patents

전기/기계 마이크로칩 및 버스트 초고속 레이저 펄스로 만드는 방법 Download PDF

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압바스 호세이니 에스.
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Abstract

광음향 압축을 사용하여 복수의 기판 중 적어도 하나 내에 완전한 또는 부분적인 보이드들을 기계가공하는 단계를 포함하는, 복수의 투명 기판을 사용하여 전기계식 칩을 만드는 방법이 개시된다. 복수의 투명 기판은 특정 순서로 적층되고 배치된다. 투명 기판들은 부착되고 함께 밀봉된다. 칩은 레이저 용접 또는 접착제에 의해 밀봉될 수 있다.

Description

전기/기계 마이크로칩 및 버스트 초고속 레이저 펄스로 만드는 방법{ELECTRO/MECHANICAL MICROCHIPS AND METHOD OF MAKING WITH BURST ULTRAFAST LASER PULSES}
본 발명은 2013년 11월 19일에 출원된 미국가특허출원 제 61906326호의 우선권과 이익을 주장한다. 2013년 11월 19일에 출원된 미국가특허출원 제 61906326호는 여기에 참조로써 전체가 통합된다.
본 발명은 2013년 11월 19일에 출원된 미국가특허출원 제 61906315호의 우선권과 이익을 주장한다. 2013년 11월 19일에 출원된 미국가특허출원 제 61906315호는 여기에 참조로써 전체가 통합된다.
본 발명은 상당히 소형화된 저비용 전기/기계 마이크로칩에 관한 것이다. 본 발명에 의해 만들어지는 마이크로칩들은 한 번 사용에 적합하다. 재료 선택은 유리, 실리콘, 디리튬티탄산화물(LiTiO3), 리튬니오브산염(LiNbO3), 투명 세라믹, 중합체, 투명 전도체, 투명 전도체, 광대역 밴드갭(bandgap) 유리, 수정, 결정 석영, 다이아몬드(천연 또는 인공), 사파이어(sapphire), 희토 제형, 디스플레이용 금속 산화물 및 코팅이 있거나 또는 없는 광택 또는 비광택 상태의 비정질 산화물과 같은 투명 재료로부터 존재한다. 재료들은 버스트 초고속 레이저 펄스들에 의한 필라멘테이션을 포함하는 투명 표적 기판들을 기계가공하기 위한 방법 및 장치를 사용하여 만들어진다.
바이오칩들과 같은 전자/기계 마이크로칩들, 및 미소 전자기계 장치들의 지속적인 소형화에 대한 거대한 수요가 존재한다. 미소 전자 기계 시스템(microelectromechanical systems, MEMS)은 매우 작은 장치들의 기술이다. 종래의 포토리소그래피 공정(photolithographic process)은 기판들 내에 전자 장치를 형성하도록 사용될 수 있으며 포토레지스트(photoresist), 마스크들의 적용, 포토레지스트의 부들을 이미드화하기(imidize) 위한 광의 적용, 습식 및 건식 에칭(etching) 등을 포함할 수 있다. 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 만들기 위한 방법은 포토레지스트, 마스킹(masking), 및 에칭의 적용을 포함한다. 예를 들면, 2008년 6월 24일에 등록된 Hunter 등의 미국특허 제 7,389,675가 참조된다.
미세유동 채널들의 생성은 일반적으로 몰딩(molding)을 사용하고 샘플은 유리 플레이트로 덮이고 접착된다. 다른 시도들은 레이저 변경 및 에칭을 사용하여 대규모 유리 내에 미세채널들의 제조에 성공하지 못하였다.
이는 재료들의 비용들을 감소시킬 뿐만 아니라 좁은 공간 내에 더한 시스템 복잡성을 허용한다. 미세가공은 주로 기계적 드릴링 또는 스크라이빙(scribing) 방법들 및/또는 레이저 미세가공, 레이저 변형, 화학적 에칭(etching), 마스킹(masking), 및 플레이팅(plating)과 몰딩 기술들에 관한 것이다. 근본적인 구조를 위하여 두꺼운 기판들이 필요하며, 이러한 방법들이 끊임없이 정제되는 동안에, 그 다음 레벨의 소형화는 더 많은 정밀도를 요구할 것이다.
지금부터, 전기 경로들, 부품 보호 경로들, 유체/가스 경로들, 크리 분리기/필터들 등과 같은 더 작은 기능적 소자들로 얇은 기판 상에 구성될 수 있는 전기/기계 마이크로칩은 전기/기계 마이크로칩 산업에 오랫동안 느껴온 필요를 실현할 수 있다. 이러한 신규 발명은 앞서 언급된 문제점들을 극복하고 이를 달성하기 위하여 독특하고 새로운 구성으로 새로운 기술들을 사용하고 결합한다.
뒤에 더 상세히 설명될, 본 발명의 일반적인 목적은 그것의 공정과 비용을 일회용의, 단일 사용 마이크로칩의 레벨 이하로 상당히 단순화하는 새로운 기술들과 재료들을 사용하는 소형화된 전기/기계 마이크로칩을 제공하는 것이다. 칩은 샘플 홀더(sample holder) 또는 분석기로서 소형 장치 또는 기계에서 사용될 수 있으며, 메인 모듈(main module) 내에 또 다른 공정이 사용될 수 있다. 칩은 각각의 사용 후에 버려질 수 있다. 또는 칩은 무선 검출기 또는 분석기로서 위험 영역에서의 작동하도록 사용될 수 있다.
기판을 통한 완전한 드릴링 또는 기판 내의 정지 오리피스들의 드릴링이 본 발명의 공정에 의해 실행된다. 부가적으로, 유리(또는 다른 투명 재료) 내의 채널들의 기계가공이 본 발명의 공정에 의해 실행된다. 재료 기계가공 기술은 복수의 서로 다른 초점을 생성하는 분포식 초점 렌즈 어셈블리와 함께 레이저 파라미터들의 특정 조정을 갖는 초고속 레이저 펄스들의 버스트들에 의한 필라멘테이션을 포함하고, 투명 기판 표적 재료의 적층된 어레이 중 어느 하나 또는 각각의 부재 내에 오리피스를 발생시키는 투명 기판 표적 재료 내에 필라멘트를 생성하기 위하여 주 초점 웨이스트가 결코 투명 기판 표적의 표면 내에 또는 표면 상에 남지 않으며, 오리피스는 원하는 웨이퍼, 플레이트 또는 기판 내의 원하는 개시 지점과 원하는 종료 지점에서 지정된 깊이와 폭을 갖는다. 본 발명은 주로 오리피스들의 드릴링에 초점을 맞추나, 여기에 설명되는 시스템들과 방법들은 드릴링, 다이싱(dicing) 절단, 채널 형성, 레저버(reservoir) 형성의 기계가공 공정들 및 기판 내에 형성되는 필라멘트를 드릴링하는 오리피스에 대한 책임이 있는 레이저 빔의 계속적인 이동에 의한 표적들의 스크라이빙에 동등하게 적용될 수 있다. 그러한 기계가공은 비선형 구성들일 수 있으며, 그와 같이 기계가공은 평면 기판들에 한정되지 않는다.
여기에 개시된 기계가공을 위한 방법은 폐기물을 덜 생산하고 종래 기술에 의해 달성될 수 있는 것보다 더 많은 복잡한 컷들을 허용한다. 더 구체적으로, 이는 초고속 레이저 펄스들의 버스트의 간섭을 사용하는 신규 방법을 사용하는 다중 층 전기/기계 마이크로칩의 어떠한 기판 층 내의 기계가공 경로들 및 부품 장착과 작동 보이드(void)들을 허용하며 레이저 광 및 초점화 파라미터들은 원하는 개시 지점과 종료 지점에서 지정된 깊이와 폭의 오리피스를 생성할 수 있는 재료 내부에 필라멘트를 생성하도록 조정되었다.
붕규산 유리, 실리콘 웨이퍼들, 유리 또는 사파이어와 같은 투명 재료 내에 그리고 투명 재료를 통하여 나노미터 내지 마이크로미터 단위 오리피스들을 생성하기 위한 신규의 독특한 기술이 개시된다. 이는 지금까지 언급된 많은 장점들 및 단독으로 또는 그것들의 조합으로, 종래 기술에 의해 예상되거나, 제공되거나, 제안되거나 또는 심지어 설명되지 않은 저비용의 소형화된 전기/기계 마이크로칩들을 만드는 새로운 방법을 야기하는 많은 새로운 특징들을 갖는다. 특히, 이는 이러한 장치들이 훨씬 더 정밀하게 만들어질 수 있다는 점에서 종래 기술을 넘어 다음의 엄청난 발전을 제공한다. 기계가공은 더 매끈한 절단 면들, 최소 미소균열 전파, 더 긴/깊은 오리피스 생성, 비-테이퍼식(non-tapered) 오리피스들, 비선형 흡수, 일정한 내부 직경을 갖는 오리피스, 최소화된 입구 왜곡 및 감소된 부수적 손상을 제공한다.
본 발명의 주제는 특히 본 발명의 결론 부에서 언급되고 명백하게 주장된다. 그러나, 본 발명의 또 다른 장점들 및 대상들과 함께, 작동의 조직과 방법 모두는 첨부된 도면과 함께 설명되는 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있는데, 같은 참조 특성들은 같은 소자들을 언급한다. 본 발명의 다른 목적들, 특징들 및 양상들이 아래에 더 상세히 설명된다.
도 1은 주 초점이 투명 기판의 상단 표면에서 발생하는 종래 기술의 레이저 절제 드릴링 어레인지먼트의 다이어그램 표현이다.
도 2는 도 1의 드릴링 어레인지먼트에 의해 형성되는 오리피스의 사시도이다.
도 3은 주 초점이 투명 기판의 상단 표면 아래에 발생하는 종래 기술의 절제식 레이저 기계가공 어레인지먼트의 측면도이다.
도 4는 도 3의 레이저 기계가공 어레인지먼트에 의해 형성되는 오리피스의 사시도이다.
도 5는 일차 초점이 투명 기판의 상단 표면에서 발생하는 도 1의 레이저 어레인지먼트와 같이 절제식으로 기계가공된 오리피스의 측면도이다.
도 6은 일차 초점이 투명 기판의 상단 표면 위에 발생하는 본 발명의 레이저 기계가공 어레인지먼트의 다이어그램 표현이다.
도 7은 본 발명의 레이저 기계가공 어레인지먼트에 의해 형성된 투명 기판 내의 오리피스 스크라이브의 사시도이다.
도 8은 도 6의 레이저 어레인지먼트에 의해 드릴링된 두 오리피스의 측면도이다.
도 9는 종래 기술의 절제 레이저 드릴링 어레인지먼트의 다이어그램 표현이다.
도 10은 본 발명의 다이어그램 표현이다.
도 11은 분포식 초점 렌즈 어레인지먼트를 이용하는 본 발명의 다이어그램 표현이다.
도 12는 분포식 초점 렌즈 어레인지먼트를 이용하는 본 발명의 다이어그램 표현이다.
도 13은 주 초점이 표적 위에 존재하는 분포식 초점 렌즈 어레인지 및 초점 웨이스트의 분포를 이용하는 본 발명의 다이어그램 표현이다.
도 14는 주 초점이 표적 위에 존재하는 분포식 초점 렌즈 어레인지 및 초점 웨이스트의 분포를 이용하는 본 발명의 다이어그램 표현이다.
도 15는 오리피스가 드릴링된 도 13의 본 발명의 다이어그램 표현이다.
도 16은 주 초점이 다중 표적 아래에 존재하는 분포식 초점 렌즈 어레인지먼트 및 초점 웨이스트의 분포의 다이어그램 표현이다.
도 17-19는 레이저 에너지 분포의 세 가지 다양한 구성을 도시한다.
도 20은 레이저 기계가공 시스템의 다이어그램 표현이다.
도 21은 도 20의 레이저 기계가공 시스템을 위한 제어 및 가공 유닛의 다이어그램 표현이다.
도 22 및 23은 비-텔레센트릭 및 텔레센트릭 렌즈들을 사용하는, X-Y 스캐너를 도시한다.
도 24는 공작물 재료의 표면에 대하여 각진 필라멘트들을 생산하는 대안의 실시 예를 도시한다.
도 25는 부품 싱귤레이션에 적합한 바람직한 레이저 시스템의 레이아웃을 도시한다.
도 26a-d는 도 26e에 도시된 것과 같은 각진 모서리들을 만들기 위한 각진 컷 아웃 접근법을 도시한다.
도 27은 그것을 통하여 가늘고 긴 오리피스를 형성하기 위하여 기계가공된 투명 평면 기판 웨이퍼의 투명 평면 기판의 사시도이다.
도 28은 그것을 통하여 크기 분리기 또는 필터를 형성하기 위하여 기계가공된 투명 평면 기판 웨이퍼의 투명 평면 기판의 사시도이다.
도 29는 그것을 통하여 수집 펀넬(funnel)을 형성하기 위하여 기계가공된 투명 평면 기판 웨이퍼의 투명 평면 기판의 사시도이다.
도 30은 인서트들을 수용하도록 오리피스들을 형성하기 위하여 기계가공된 투명 평면 기판 웨이퍼의 투명 평면 기판의 사시도이다.
도 31은 웨이퍼를 통한 경로를 형성하기 위하여 기계가공된 투명 평면 기판 웨이퍼의 투명 평면 기판의 사시도이다.
도 32는 부품 컷아웃들을 형성하기 위하여 기계가공된 투명 평면 기판 웨이퍼의 투명 평면 기판의 사시도이다.
도 33은 도 27-32의 기판들의 스택(stack)이다.
도 34는 매우 깨끗한 주변을 갖는 프린터 헤드 내의 세 개의 프린터 헤드 오리피스 중 어느 하나의 확대 사진이다.
뒤따르는 상세한 설명이 더 잘 이해되고 종래 기술에 대한 본 발명의 기여가 더 잘 인식되도록 하기 위하여 본 발명의 더 많은 중요한 특징들이 설명될 것이다. 물론, 이후에 설명되고 첨부된 청구항들의 주제를 형성할 본 발명의 부가적인 특징들도 존재한다.
본 발명의 다양한 실시 예들과 양상들이 아래에 설명되는 상세 내용을 참조하여 설명될 것이다. 다음의 설명과 도면들은 본 발명의 설명을 위한 것이며 본 발명을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 본 발명의 다양한 실시 예들의 철저한 이해를 제공하기 위하여 다양한 특정 상세 내용들이 설명된다. 그러나, 특정 경우에 있어서, 본 발명의 실시 예들의 간결한 논의를 제공하기 위하여 잘 알려지거나 또는 종래의 내용들은 설명되지 않는다.
이러한 양상에서, 본 발명의 적어도 하나의 실시 예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 구성의 상세 내용 및 다음의 설명 또는 도면들에서 제시하는 부품들의 어레인지먼트들에 대한 그것의 적용에 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 다양한 방법으로 다른 실시 예들을 실행하고 수행할 수 있다. 또한, 여기에 사용되는 어법과 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 이를 한정하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 이해하여야 한다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 통상의 지식을 가진 자들에 통상적으로 사용되는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 의도된다. 달리 표시되지 않는 한, 문맥을 통하여, 여기에 설명되는 것과 같이, 다음의 용어들은 다음의 의미를 갖는 것으로 의도된다:
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 절제 드릴링(ablative drilling)은 레이저 빔으로 조사함으로써(일반적으로 재료의 제거에 의한 기판의 절삭 또는 드릴링에 의해) 표적 표면을 가공하는 방법을 언급한다. 낮은 레이저 유동에서, 재료는 흡수된 레이저 에너지에 의해 가열되고 증발하거나 또는 승화한다. 높은 레이저 유동에서, 재료는 일반적으로 플라스마로 전환된다. 일반적으로, 레이저 절제는 펄스된 레이저로의 재료의 제거를 언급하나, 만일 레이저 강도가 충분히 높으면 지속파 레이저 빔으로 재료를 절제하는 것이 가능하다. 절제 드릴링 또는 절삭 기술들은 잔해 영역의 생성, 재료 제거 공정 동안에 일부 지점에서의 액체/용융 상(phase)의 존재, 및 특징부의 입구 및/또는 출구에서 분출 언덕(ejecta mound)의 생성을 특징으로 한다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "광음향 드릴링(photoacoustic drilling)"은 절제 드릴링 또는 절삭 기술들에서 사용되는 낮은 펄스 에너지 광 빔으로 조사함으로써 기판으로부터 표적을(일반적으로 기판의 절삭 또는 드릴링에 의해) 가공하는 방법을 언급한다. 광학 흡수 뒤에 열탄성 팽창을 통하여, 매끈한 벽의 오리피스, 최소화되거나 제거된 분출 및 재료 내의 최소화된 미소균열 형성을 특징으로 하는 그 안에 빔 전파 축(오리피스의 축과 마찬가지로) 주위에 압축된 재료의 경로를 형성하기 위하여 광대역 음향 파들이 조사된 재료 내에 발생된다.
여기서 사용되는 것과 같이 용어 "광학 효율"은 초점 소자 또는 어셈블리의 확실한 초점에서의 총 입사된 플루엔스(fluence)에 대한 주 초점 웨이스트에서의 플루엔스의 비율을 언급한다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "투명한"은 입사된 광학 빔에 대하여 적어도 부분적으로 투명한 재료를 의미한다. 더 구체적으로, 투명한 기판은 여기에 설명되는 실시 예들에 따른 입사 빔에 의해 내부 필라멘트 변형 어레이의 발생을 제공하는데 충분히 큰 흡수 깊이를 특징으로 한다. 달리 설명되지 않는 한, 재료는 입사 빔의 적어도 일부가 선형 흡수 체제 내에 전달되는 것과 같은 흡수 스펙트럼과 두께를 갖는다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "필라멘트 변형 구역(filament modified zone)"은 광학 빔 경로에 의해 정의되는 압축의 영역을 특징으로 하는 기판 내의 필라멘트 영역을 언급한다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "버스트(burst)", "버스트 방식", 또는 "버스트 펄스"는 실질적으로 레이저의 반복 기간보다 적은 상대적 시간 간격을 갖는 레이저 펄스들의 수집을 언급한다. 버스트 내의 펄스들 사이의 시간 간격은 일정하거나 또는 가변적이며 버스트 내의 펄스들의 진폭은 예를 들면, 표적 재료 내의 최적화되거나 미리 결정된 필라멘트 변형 구역들을 생성하는 목적을 위하여 가변적일 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 일부 실시 예들에서, 펄스들의 버스트는 버스트를 만드는 펄스들의 강도 또는 에너지의 변형으로 형성될 수 있다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "기하학적 초점"은 광학에 통상적인 간단한 렌즈 방정식에 따라 위치되는 빔 웨이스트로, 광이 렌즈의 곡률(curvature)을 기초로 하여 이를 따라 이동하는 정상적인 광학 경로를 언급한다. 이는 렌즈들의 위치와 서로에 대한 관련성에 의해 생성되는 광학 초점 및 실제로 대략 15 ㎜까지의 준-레일리(quasi-Rayleigh) 길이를 제공하는 표적 재료 내의 열 왜곡에 의해 생성되는 구성 이벤트들 사이를 구별하는데 사용되며, 이는 특히 드물며 본 발명의 본질과 관련된다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "기판"은 유리 또는 반도체를 의미하며 투명 세라믹, 중합체, 투명 전도체, 와이드 밴드갭(wide bandgap) 유리, 수정, 석영, 다이아몬드, 사파이어, 희토(rare earth) 제형, 디스플레이용 금속 산화물 및 코팅들을 갖거나 또는 갖지 않는 도정(polished) 또는 비도정 상태의 비정질 산화물들로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있으며, 플레이트들과 웨이퍼들과 같으나 이에 한정되지 않는 그것들의 기하학적 구성들 중 어느 하나를 포함하는 것으로 여겨진다. 기판은 두 개 또는 그 이상의 층을 포함할 수 있으며 초점이 맞춰진 레이저 빔의 빔 초점의 위치는 두 개 또는 그 이상의 층 중 적어도 하나 내에 필라멘트 어레이들을 발생시키도록 선택된다. 다층 기판은 액정 디스플레이(LCD), 평면 패널 디스플레이, 및 유기 발광 디스플레이(OLED)와 같은, 다층 평면 패널 디스플레이 유리를 포함할 수 있다. 기판은 또한 오토글라스(autoglass), 튜빙(tubing), 창, 바이오칩, 광학 센서, 평면 광파 회로, 공예 유리, 실리콘, 111-Ⅴ 반도체, 미소전위 칩, 메모리 칩, 센서 칩, 전자 광학 렌즈, 평면 디스플레이, 강한 보호 재료를 필요로 하는 포켓용 컴퓨팅 장치, 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 및 수직 공간 표면 발광 레이저(VCSEL)로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 표적들 또는 표적 재료들은 일반적으로 기판들로부터 선택된다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "주 초점 웨이스트"는 최종 초점화 후에(표적 상의 광 입사 전에 최종 광학 소자 어셈블리를 통과한 후에) 빔의 가장 단단히 초점이 맞춰지고 가장 강력한 초점 강도를 언급한다. 이는 또한 용어 "주 초점"과 호환하여 사용될 수 있다. 용어 "이차 초점 웨이스트"는 주 초점 웨이스트보다 덜한 강도를 갖는 분포식 빔 내의 나머지 초점들 중 어느 하나를 언급한다. 이는 또한 용어 "이차 초점" 또는 "이차 초점들"과 호환하여 사용될 수 있다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "필라멘트"는 커 효과(Kerr effect)가 관찰되거나 측정될 수 있는, 매체를 통하여 이동하는 어떠한 광 빔을 언급한다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "레이저 필라멘테이션(laser filamentation)"은 레이저의 사용을 통하여 재료 내에 필라멘트들을 생성하는 작용을 언급한다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "희생 층(sacrificial layer)"은 표적 재료에 제거 가능하게 적용될 수 있는 재료를 의미한다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "가공" 또는 "변형"은 오리피스들의 드릴링, 절삭, 표적 또는 기판의 표면 또는 볼륨의 스크라이빙 또는 다이싱의 공정을 포함한다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "초점 분포"는 그것의 어그리게이트(aggregate)가 정 렌즈(positive lens)인 렌즈 어셈블리를 통과하는 입사 광선들의 시공간적 분포를 언급한다. 일반적으로, 여기서 초점 렌즈의 중심으로부터의 거리로부터의 함수로서 유용한 강도의 후속 집합 점이 논의된다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "임계(critical) 에너지 레벨", "한계(threshold) 에너지 레벨" 및 "최소 에너지 레벨"은 모두 절제 가공, 광음향 가공, 및 커 효과와 같으나 이에 한정되지 않는 표적 재료 내의 일시적 공정의 발생을 개시하기 위하여 표적 내로 또는 표적 상으로 들어가야만 하는 에너지의 최소량을 언급한다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "수차 렌즈(aberrative lens)"는 완벽한 렌즈가 아닌 초점 렌즈를 언급하며, x 면의 렌즈의 곡률은 렌즈를 통과하는 입사 광을 갖는 분포된 렌즈 패턴을 생성하기 위하여 y 면의 렌즈 곡률과 동일하지 않다. 정 절제 렌즈는 초점에 모여드는 볼록 렌즈이고 부 절제 렌즈는 초점에 갈라지는 오목 렌즈이다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어들 "포함하다(comprise)" 및 "포함하는"은 포함되고 개방 확장형이며 독점적이지 않는 것으로 해석된다. 구체적으로, 명세서와 청구항들에서 사용될 때, 용어들 "포함하다" 및 "포함하는" 및 그것들의 변형들은 명시된 특징들, 단계들 또는 부품들이 포함되는 것을 의미한다. 이러한 용어들은 다른 특징들, 단계들 또는 부품들의 존재를 배제하지 것으로 해석되지 않는다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어 "바람직한"은 "일례, 경우, 또는 도해로서 역할을 하는" 것을 의미하며 여기에 개시되는 다른 구성에 걸쳐 바람직하거나 선호하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
여기서 사용되는 것과 같이, 용어들 "약(about)" 및 "대략(approximately)"은 특성, 파라미터, 및 면적의 변이와 같은, 값들의 범위의 상한과 하한에 존재할 수 있는 변이를 포함하는 것으로 의미된다. 비-제한적 예에서, 용어들 "약" 및 "대략"은 ±10% 또는 그 이하를 의미한다.
다음의 방법론은 초고속 레이저 펄스들의 버스트(들)에 의한 필라멘테이션에 의해 단일의 다중 적층된 표적 재료 아래 또는 위에 개시될 수 있는 표적 재료 내의 오리피스들(정지/블라인드(blind) 또는 관통 오리피스들)을 개시하기 위하여 빠르고, 확실하며 경제적인 비-절제 레이저 가공 기술을 제공할 것이다. 표적 재료에 대한 레이저 빔의 이동은 표적을 절단하거나 또는 슬라이싱하기 위하여 필라멘트를 향할 것이다.
초단(ultra short) 레이저들은 다광자, 터널(tunnel) 이온화, 및 전자 애벌란시(electo-avalanche) 공정들을 공격적으로 구동함으로써 표면들을 깨끗하게 미세가공하고, 변형하고 처리하기 위한 높은 강도를 제공한다. 현재의 문제점은 표적 재료 내의 레이저 빔의 지속적인 재초점화가, 다중의 적층된 기판들도 드릴링되는 거리에 대하여 무시해도 될 정도의 테이퍼(taper)로 동시에 드릴링되고 표적 재료 위, 아래 또는 내로부터 개시하는데 충분한, 긴 거리들에 대하여 지속하도록 하기 위하여, 재료 내의 초점 지점들에서 굴절률을 변형하는 필라멘트를 생성하기 위하여 광움향 압축을 개시하고 유지하기 위하여 절제 드릴링에서 사용되는 것보다 적으나 임계 에너지보다 높은, 표적의 투명 재료 내에 어떻게 충분한 에너지를 제공하고 광학적 파괴(종래 기술의 절제 드릴링 시스템들에서 직면하는 것과 같이)에 직면하지 않도록 하는가이다. 제조 유닛이 방향/조종에 의해 형성되는 필라멘트는 오리피스들을 드릴링하고, 표적의 표면 또는 용량을 절단하거나, 스크라이빙하거나 또는 다이싱하는데 사용될 수 있다.
일반적으로, 종래 기술에서, 재료의 표면 내에 또는 표면에서, 위의 단일 주 초점에 초점이 맞춰지는 고 에너지 펄스된 레이저 빔을 사용하는 레이저 절제 기술들은 투명 재료들을 가공하도록 사용되어 왔다. 종래 기술의 주요 문제점은 느린 속도 공정, 미세균열들을 갖는 측면들, 펴면 상에 잔해를 갖는 넓은 커프 폭(kerf width)이다. 부가적으로, 종래 기술 공정들은 항상 각을 갖는 잘린 벽들을 야기하고 컷들은 수직 방향으로 날카롭게 수행될 수 없다.
도 1에 도시된 것과 같이, 입사 레이저 광 빔(2)은 표적(10)의 표면에서 초점 웨이스트(8)를 갖는 비-분포식 광 빔(6)의 초점을 맞추기 위하여 최종 초점화 렌즈(4)를 통과하는 초점화 어셈블리를 통과한다. 도 3에서 알 수 있는 것과 같이, 선택적으로, 초점 웨이스트가 표적 내에 존재하도록 비-분포식 광 빔이 초점화될 수 있다. 일반적으로 이러한 기술들은 완벽한 구형(spherical) 초점화 렌즈(12), 즉 Y 면 내의 곡률과 동일한 X 면 내의 곡률을 갖거나 또는 대안으로서 도 9에 도시된 것과 같이 단일 초점을 갖는 비 분포식 빔을 생산하는 초점화 소자 어셈블리를 갖는 절제되지 않은 렌즈를 사용한다. 이는 그리고 나서 표적 기판 재료(10) 상에(도 1) 또는 내에 전달되는 조밀한 빔 스폿(spot)을 생성한다. 도 3이 참조된다. 도 2는 도 1의 기술로 절단된 가공된 슬롯(slot, 16)의 기하학적 구조를 도시하고, 도 4는 도 3의 기술로 만들어진 긴 타원형 오리피스(28)의 기하학적 구조를 도시한다.
서로 다른 광학 매체에서 강력한 초고속 레이저 펄스들의 전파는 잘 연구되어 왔다. 재료의 비선형 굴절률은 레이저 강도의 함수이다. 펄스의 중심 부분이 꼬리 부분들보다 상당히 높은 강도를 갖는, 가우시안 프로파일(Gaussian profile)을 갖는 것은 굴절률이 레이저 빔 펄스를 보는 재료의 중심 및 주변 영역을 변경된다는 것을 의미한다. 그 결과, 그러한 레이저 펄스의 전파 동안에, 펄스는 자동으로 붕괴된다. 이러한 비선형 현상은 산업 분야에서 자동 초점화(self-focusing)로 알려져 있다. 자동 초점화는 또한 빔 경로 내의 렌즈를 사용하여 실행될 수 있다. 초점 영역에서 레이저 빔 강도는 다중 이온화, 터널 이온화 및 애벌란시 이온화를 야기하기에 충분한 볼륨에 도달하며, 이는 재료 내에 플라스마를 생성한다. 플라스마는 레이저 빔이 그 다음의 플라스마 볼륨을 위하여 탈초점화를 야기하고 높은 피크 강도에 기인하여 다시 재초점화하도록 야기한다. 비-분포식 빔 내의 단일 초점의 내재적 문제점은 레이저 펄스들이 모든 에너지를 잃은 후에 공정이 끝나고 아래에 설명되는 것과 재초점화할 수 없다는 것이다.
절제 방법은 재료에 대한 광학적 파괴 한계를 초과하고 광학적 파괴(OB, 16)가 발생할 때까지 30 마이크론까지의 길이의 재료 내에 필라멘트를 발생한다. 도 9가 참조된다. 광학적 파괴에서 최대 한계 플루엔스(단위 영역 당 전달되는 에너지, J/㎡ 단위)이 도달되고 오리피스 직경은 좁아지며 절제 가공 또는 드릴링은 더 깊게 진행되는 것을 중단한다. 종래 기술 방법들을 사용하는 것은 명백한 문제가 되는데 그 이유는 그것들이 드릴링될 수 있는 오리피스의 크기를 제한하고, 거친 오리피스 벽을 야기하며, 표적(10)의 상단 및 바닥 표면들에서 서로 다른 직경을 갖는 테이퍼(22)를 갖는 오리피스를 야기하기 때문이다. 도 5가 참조된다. 이는 절제 가공에서, 빔이 그 안에 재료(10)의 표면을 끓는 점까지 가열하고 키홀(keyhole)을 발생시키는 국부적 가열과 열 팽창을 야기하는 표적(10)의 표면에서 중심 초점(8, 또한 주 초점 웨이스트로서 언급되는)을 갖기 때문에 발생한다. 키홀은 오리피스를 빠르게 깎는 최적 흡수도의 갑작스런 중가에 이르게 한다. 오리피스가 깊어지고 재료가 끓으면, 발생된 증기는 용융 벽들을 침식시키고 분출을 끄며 나아가 오리피스(22)를 확장한다. 이러한 상황이 발생함에 따라, 절제된 재료는 높은 압력의 펄스를 재료가 확장함에 따라 재료 아래의 표면에 적용한다. 그 효과는 해머로 표면을 치는 것과 유사하며 잘 부러지는 재료들은 쉽게 균열된다(부가적으로, 잘 부러지는 재료들은 특히 열 응력 균열에 이용되는 특징이나 오리피스 드릴링에는 바람직하지 않은 열 파괴에 민감하다). 광학적 파괴는 일반적으로 잔해가 배출되지 않고, 오리피스(22) 내에 버블(bubble)이 생성되거나 또는 오리피스(22)의 영역 내에 표적을 균열시키는 거친 절제가 존재할 때 도달된다. 이러한 효과들 중 어느 하나 또는 이들의 조합은 재료(10)를 통하여 더 아래로 드릴링하기 위하여 빔(6)이 이러한 지점으로부터 산란하거나 또는 충분한 빔 전력(플루엔스)을 남기지 않고 완전히 흡수되도록 야기한다. 부가적으로, 이는 표적 기판(10)의 표면에서 개시 지점 주위에 발견되는 절제 분출 언덕(20)으로서 알려진 왜곡 또는 거칠기를 생성한다. 도 5가 참조된다.
레이저 절제 기술의 또 다른 문제는 레이저 빔 필라멘테이션이 거리의 함수로서 그것의 직경을 변경하기 때문에 드릴링하는 오리피스들이 균일한 직경이 아니라는 것이다. 이는 레일리 범위(Rayleigh range)로서 설명되며 초점 웨이스트로부터 단면의 영역이 두 배가 되는 위치까지의 빔의 전파 방향을 따른 거리이다. 이는 도 2와 5에 도시된 것과 같이 가늘고 긴 오리피스(22)를 야기한다.
본 발명은 광학적 파괴 문제를 해결하고, 오리피스 거칠기와 절제 분출 언덕을 최소화하며, 끝이 가늘고 긴 직경 오리피스를 제거한다.
본 발명은 레이저 유도 광음향 압축에 의한 투명 재료들 내의 오리피스의 처리를 위한 장치들, 시스템들 및 방법들을 제공한다. 레이저 재료 가공의 이전에 알려진 방법들과 달리, 본 발명의 실시 예들은 그것이 재료(10)를 통하여 이동함에 따라 입사 빔(2)의 지속적인 재초점화를 허용하기 위하여 주 초점(8) 및 이차 초점(24, 오리피스의 선형 축과 일치하나 주 초점 또는 초점 웨이스트로부터 수직으로 배치되는)의 선형 정렬이 존재하도록 세로 빔 축을 따라 분포식 방식으로 입사 빔(2)의 초점을 맞추는 광학 구성을 이용하고 그렇게 함으로써 재료(10) 내의 빔 경로를 따라 굴절률 지수를 변형하는 필라멘트의 생성을 가능하게 하며 표적 재료 내의 레이저 빔의 지속적인 재초점화가 긴 거리에 걸쳐 지속되도록 광학적 파괴(기본적인 필라멘테이션을 사용하고 사용하지 않는 종래 기술의 절제 드릴링 시스템들에서 보는 것과 같이)와 마주치지 않는다. 도 6이 참조된다.
이러한 분포식 초점화 방법은 뷴포식 초점화 소자 어셈블리(26)에 의한 이차 초점들(24)의 생성에 의해, 그리고 재료로부터 또는 재료 내의 주 초점 웨이스트(8)의 위치를 재료(10) 외부로 위치시킴으로써, 주 초점 웨이스트(8)에서 발견되는 입사 빔(2)으로부터의 불필요한 에너지의 "덤핑(dumping)" 또는 감소를 허용한다. 주 초점 웨이스트(8)와 이차 초점 웨이스트들(24)의 선형 정렬과 결합되는 이러한 빔 플루엔스의 덤핑은 필라멘트 구역의 전체 길이에 대한 실제 변형 및 압축을 달성하기 위하여 충분한 레이저 강도(플루엔스 μJ/㎠)를 유지하는 동안에 이전에 알려진 방법들을 사용하여 지금까지 달성된 것을 훨씬 넘는(1 ㎜를 훨씬 넘는) 거리들에 대하여 필라멘트들의 형성을 가능하게 한다. 이러한 분포식 초점화 방법은 다중의 적층 기판들이 드릴링되는 거리에 대하여 무시해도 될 정도의 테이퍼를 갖는(도 7) 다른 재료들(표적 재료의 층들 사이의 공기 또는 중합체 갭들과 같은) 및 표적 재료 위, 아래 또는 내로부터 개시될 수 있는 상대적으로 매끄러운 벽의 오리피스 벽을 가로질러 동시에 드릴링되도록 하기 위하여, 1 밀리미터가 훨씬 넘는 길이들을 갖는 필라멘트들의 형성 및 또한 충분한 강도를 갖는 재료의 광학적 파괴 한계 아래의 에너지 밀도의 유지를 제공한다. 표적(10) 내의 비-테이퍼형 벽 슬릿(wall slit, 23)의 전파는 오리피스를 가공하는 동안에 표적(10)의 상대적 이동에 의해 달성된다.
레이저 펄스의 최적 밀도는 자동 초점화 현상을 개시하고 필라멘트와 일치하는 실질적으로 일정한 직경의 선형 대칭 보이드를 생성하기 위하여 필라멘트 내의/주위의 구역 내의 초기 비-절제 광음향 압축에 대한 충분한 강도의 필라멘트를 발생시키며, 또한 분포식 빔의 이차 초점 웨이스트들에 의한 에너지 입력과 결합된 상기 레이저 펄스의 연속적인 자동 초점화 및 탈초점화가 표적 재료의 지정된 영역들을 가로지르거나 또는 이들을 통하여 오리피스의 형성을 안내하는 필라멘트를 형성하도록 야기한다. 결과로서 생기는 오리피스는 표적으로부터 재료의 제거 없이, 오히려 형성되는 오리피스의 주변 주위의 표적 재료의 광음향 압축에 의해 형성될 수 있다.
표적(10)의 표면에서의 플루엔스 레벨들은 입사 빔 강도 및 특정 분포식 초점화 소자 어셈블리의 함수이며, 특정 표적 재료(들), 표적(들) 두께, 원하는 가공 속도, 총 오리피스 깊이 및 오리피스 직경을 위하여 조정되는 것이 알려져 있다. 부가적으로, 드릴링되는 오리피스의 깊이는 레이저 에너지가 흡수되는 깊이에 의존하며, 따라서 단일 레이저 펄스에 의해 제거되는 재료의 양은 재료의 광학 특성들 및 레이저 파장과 펄스 길이에 의존한다(이러한 이유 때문에 사용되는 시스템과 재료들로 최적 결과를 위한 경험적 결정을 필요로 하는 각각의 특정 기판과 가공 적용에 대한 광범위한 범위의 공정 파라미터들이 여기에 열거된다). 그와 같이, 표적(10) 상의 입구 지점은 비록 이러한 플라스마 생성이 필요하지 않더라도 만일 표면에서의 플루엔스 레벨들이 순간적이고, 국부적 절제(증기) 가공을 개시하기에 충분히 높으면 일부 최소 절제 분출 언덕 형성(20)을 수행할 것이다. 특정 상황들에서, 순간적인 절제 기술 후에 지속적인 광음향 압축 기술을 허용하는 에너지 레벨을 사용하는 분포식 초점 하이브리드 드릴링 방법에 의해 생성될 수 있는 것과 같이 균일한 직경(도 8)의 잔여 오리피스(22)를 갖는 넓은 사면(bevelled) 입구를 제공하기 위하여 일시적이고, 순간적인 절제 드릴링을 생성하기에 충분한 강도인 표적 표면에서의 플루엔스 레벨을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 절제 가공을 위하여 필요한 플루엔스 레벨이 사면(또는 다른 기하학적 구조)의 원하는 깊이에서 고갈되도록 재료 내의 빔의 비선형 흡수에 대항하여 선형 흡수의 균형을 유지하는 표적 표면에서 플루엔스 레벨의 선택에 의한 본 발명에 의해 달성될 수 있다. 하이브리드 기술은 만일 희생 층(30)이 표적 표면에 적용되면 제거될 수 있는 작은 분출 언덕(20)을 야기할 것이다. 통상적인 희생 층들은 폴리비닐 아세테이트(PVA), 메타크릴산염(Methacrylate) 또는 폴리에틸렌 글리콜(PEG)과 같으나 이에 한정되지 않는 수지 또는 중합체들이며, 일반적으로 1 내지 400 마이크론 두께의 범위 내에서만 필요하며(비록 투명 재료 가공을 위하여 10-30 마이크론 범위가 사용될 수 있더라도) 통상적으로 희생 층을 표적 재료 상으로 분무함으로써 적용된다. 희생 층은 용융 잔해가 종래에 잘 알려진 것과 같이 제거가능한 희생 재료 대신에 부착하는, 표면에 스스로 부착하는 것을 방지함으로써 표적(10) 상의 분출 언덕의 형성을 저해할 것이다.
광음향 압축을 달성하기 위하여 가공은 다음의 시스템을 필요로 한다:
● 버스트 펄스 엔벨로프(burst pulse envelope) 내에 2 내지 50 서브펄스들을 포함하는 펄스들의 프로그램 가능한 트레인(train)을 포함하는 빔을 발생시킬 수 있는 버스트 펄스 레이저 시스템. 또 다른 레이저 시스템은 사용되는 표적 재료에 따라 1 내지 200 와트의 평균 전력을 발생시키는 것이 필요하며, 일반적으로 이러한 범위는 붕규산염 유리에 대하여 50 내지 100 와트의 범위일 수 있다.
● 표적 재료에서의 입사 플루엔스가 커 효과, 자동 초점화 및 전파를 야기하는데 충분한, 약하게 모이는, 다중 초점 공간 빔 프로파일을 생산할 수 있는 분포식 초점 소자 어셈블리(잠재적으로 볼록 및 오목 렌즈들을 포함하나 어그리게이트(aggregate) 내에 정 초점 효과를 갖는).
● 빔을 표적에 전달할 수 있는 선택적 전달 시스템.
상업적 운영은 또한 광학과 관련하여 재료(또는 빔)의 이동 능력(또는 반대로) 혹은 시스템 제어 컴퓨터에 의해 구동되는 조화/복합 운동을 필요로 할 수 있다.
광음향 압축 오리피스들을 드릴링하기 위한 이러한 시스템의 사용은 특정 표적(들)을 위하여 조각되는 다음의 조건들을 필요로 한다: 분포식 초점 소자 어셈블리의 특성들; 버스트 펄스된 레이저 빔 특성들; 및 주 초점의 위치.
분포식 초점 소자 어셈블리는 비구면(aspheric) 플레이트들, 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)들, 비-텔레센트릭 렌즈들, 비구면 렌즈들, 환상으로 깎인 렌즈들, 주문 바탕의 수차 렌즈, 정 및 오목 렌즈 또는 일련의 보정 플레이트들(위상 변이 마스킹), 입사 빔과 관련하여 명칭되는 어떠한 광학 소자, 및 빔 전파를 조작할 수 있는 능동으로 보상되는 광학 소자들과 같은, 종래에 통상적으로 사용되는 일반적으로 알려진 다양한 초점 소자들일 수 있다. 위에 설명된 것과 같이 후보 광학 소자 어셈블리의 주 초점 웨이스트는 일반적으로 주 초점 웨이스트에서 90% 이상 및 50% 이하의 입사 빔 플루엔스를 포함하지 않을 것이다.
비록 특정 경우에서라도, 분포식 초점 소자 어셈블리(26)의 광학 효율은 약 99%일 수 있다. 도 10은 앞서 언급된 공정들에서 사용될 수 있는 것과 같은, 비-비구면의, 수차 렌즈(34)를 도시한다. 분포식 초점 소자 어셈블리(26)의 실제 광학 효율은 각각의 특정 적용을 위하여 미세 조정되어야만 할 것이다. 사용자들은 각각의 투명 재료, 표적의 물리적 구성과 특성뿐만 아니라 특정 레이저 파라미터들을 위하여 맞춰진 경험적 테이블들의 세트를 생성할 것이다. 탄화규소(silicon carbide), 갈륨 인(Gallium Phosphide), 사파이어, 강화 유리 등, 각각은 그들 고유의 값을 갖는다. 이러한 테이블은 재료 내에 필라멘트를 생성(위에 설명된 것과 같이 레이저 전력, 반복률, 초점 위치 및 렌즈 특성들의 파라미터를 조정)에 의해 경험적으로 결정되며 오리피스를 생성하기 위하여 분포식 초점 소자 어셈블리(26)는 분할의 면 또는 광음향 압축의 축을 유도하는데 충분한 플루엔스가 존재한다는 것을 보장한다.
200 ㎒ 범위 내일 수 있는 주파수(반복률)를 갖는 50 μJ 에너지로 각각의 버스트 내에 5 펄스(50 ㎒에서)를 출력하는 50 와트 레이저를 사용하여, 붕규산염으로 만들어진 2 ㎜ 두께의 단일, 평면 표적 내에 오리피스(도 11에 도시된 것과 같은)를 통하여 1 마이크론 직경을 드릴링하기 위한 샘플 광학 효율은 65%이며 빔의 주 초점 웨이스트는 원하는 개시 시점에서 500 ㎛까지 위치한다.
또한 이러한 광음향 압축 드릴링 고정을 충족시켜야만 하는 일련의 물리적 파라미터들이 존재한다는 것을 이해하여야 한다. 도 11과 12를 참조하면 빔 스폿 직경은 38＞이고 필라멘트 직경은 40＞이며 오리피스 직경은 42인 것을 알 수 있다. 부가적으로 분포식 빔의 주 초점 웨이스트(8)는 그 안에 필라멘트가 생성되는 표적 재료(10)의 표면 내에 또는 표면 상에 존재하지 않는다.
주 초점 웨이스트(8)의 위치는 일반적으로 원하는 개시 지점에서 5 내지 500 ㎛ 범위이다. 이는 도 6에 도시된 것과 같이 에너지 덤프 거리(12)로서 알려져 있다. 이는 또한 각각의 투명 재료, 표적의 물리적 구성과 특징뿐만 아니라 레이저 파라미터들에 맞춰진 경험적 테이블들의 세트의 생성에 의해 결정된다. 이는 위에 설명된 방법에 의해 생성된 테이블에 의해 추정된다.
레이저 빔 에너지 특성들의 일례는 다음과 같다: 5 μJ 내지 100 μJ의 빔 내의 펄스 에너지, 1 ㎐ 내지 2 ㎒의 반복률(반복률은 샘플 이동 및 이웃하는 필라멘트들 사이의 공간의 속도를 정의함). 필라멘트의 직경과 길이는 각각의 버스트 엔벨로프 내에 존재하는 시간적 에너지 분포를 변경함으로써 조정될 수 있다.
도 17-19는 버스트 펄스된 레이저 신호의 3가지 서로 다른 시간적 에너지 분포의 예들을 도시한다. 도 19의 버스트 엔벨로프 프로파일의 상승과 하강은 특히 유용한 공정 제어 수단들이 유전체 재료로부터 얇은 금속 층들을 제거하도록 잘 적용되었다는 것을 나타낸다.
선택적으로 도 13-16을 참조하면, 본 발명의 메커니즘이 가장 잘 설명될 수 있다. 여기서, 버스트 피코초로 펄스된 광이 사용되는데 그 이유는 표적 재료 내에 증착된 에너지의 총 양이 낮기 때문이며, 광음향 압축은 재료의 균열 없이 진행될 수 있으며, 표적 재료 내에 더 적은 열이 발생되며 따라서 재료가 필라멘트 부근에서 재료의 통합을 조장하지 않고 기저 상태로부터 여기 상태로 증가적으로 발생하도록 하기 위하여 효율적인 에너지의 더 작은 패킷들이 재료 내에 증착된다.
실제 물리적 과정은 여기서 설명된 것과 같이 발생한다. 펄스된 버스트 레이저의 입사 광 빔의 주 초점 웨이스트는 분포식 초점 소자 어셈블리를 통하여 필라멘트가 생성되려는 표적 재료의 위 또는 아래의(결코 내(within)는 아닌) 공간 내의 지점에 전달된다. 이는 표적 표면 상에 스폿뿐만 아니라 백색 광 발생을 생성할 것이다. 표적 표면 상의 스폿 직경은 필라멘트 직경 및 원하는 특징부(오리피스, 슬롯 등) 직경을 초과할 것이다. 따라서 표면 상의 스폿 내에 입사된 에너지의 양은 2차 전기 광학 효과(quadratic electrooptic effect, 커 효과 - 재료의 굴절률의 변화가 적용된 전기 장에 비례하는)를 생산하기 위한 임계 에너지보다 크나 절제 공정을 유도하는데 필요한 임계 에너지보다는 낮으며 더 명확하게는 재료의 광학적 파괴 한계 아래이다. 광음향 압축은 자동 초점화 상태와 플라스마 탈초점화 상태 사이의 균형이 유지되도록 하기 위하여 시간 척도에 따라 표적 재료 내의 필요한 전력의 유지의 결과로서 진행된다. 이러한 광음향 압축은 균일하고 고 전력의 필라멘트 형성 및 전파 과정의 결과이며 이에 의해 재료는 절제 과정을 거쳐 제거에 유리하게 재배치된다. 이에 따라 생산된 매우 긴 필라멘트는 분포식 초점 소자 어셈블리에 의해 생성되는 공간적으로 확장하는 이차 초점의 존재에 의해 조성되며, 광학적 파괴에 도달하지 자동 초점화를 유지한다. 이러한 어셈블리에서, 상당한 수의 주변 및 근축(paraxial) 광선들이 주 초점에 대하여 서로 다른 공간 위치들에 모인다. 이차 초점의 에너지를 기판 표면 아래의 낮은 레벨, 그러나 필라멘트 이벤트의 활성 바닥 면에 초점을 맞춤으로써 이러한 이차 초점이 존재하고 무한 공간 내로 확장하나 이는 단지 경험적으로 표적의 두께에 상응하는 제한된 범위에 대한 유용한 강도이다. 이는 플라스마에 의한 흡수와 잔해에 의한 산란을 방지하는 동안에 레이저 에너지가 재료의 대부분에 액세스하도록 허용한다.
분포식 초점 소자 어셈블리는 주 초점 웨이스트 및 일련의 선형으로 배치되는 이차 초점 웨이스트를 포함하는 분포식 초점 빔 경로 내로 입사 빔의 고르지 않게 분포되는 초점인 것 같은 것을 발생시키기 위하여 입사 레이저 빔의 경로 내에 위치되는 단일 수차 초점 렌즈일 수 있다. 이러한 초점들의 정렬은 오리피스(42)의 선형 축과 동일 선상이다. 도 13에서 쥬 초점 웨이스트는 표적 재료 위에 존재하고 도 14에서는 표적 재료(10) 아래에 존재하는데 그 이유는 초점이 맞춰진 빔의 대칭 및 비-선형 특성들 때문에 오리피스(42)가 주 초점 웨이스트(8) 위 또는 아래에서 개시될 수 있기 때문이다. 따라서 빔 스폿(52, 약 10 ㎛ 거리)은 표적(10)의 표면 상에 위치하며 이차 초점 웨이스트들은 표적 내에 동일 선상으로 위치하는데 그 이유는 레이저의 전자 장이 표적의 굴절률을 변경하기 때문에 재료가 이러한 초점 지점들을 생성하는 최종 광학 소자로서 작용하기 때문이다. 이러한 분포된 초점은 필라멘트 라인 또는 구역(60)을 형성하기 위하여 레이저 에너지의 양이 재료 내에 증착되도록 허용한다. 도 15가 참조된다. 다중의 선형으로 정렬된 초점으로, 그리고 재료가 최종 렌즈로서 작용하도록 허용함으로써, 표적 재료는 초고속 버스트 펄스 레이저 빔들로 충격이 가해질 때 길고 끝이 가늘어지지 않은 필라멘트(60)가 표적 내에 발생되도록 야기하는 선형으로 정렬된 초점의 경로를 따라 재료의 국부적 굴절률(특히, 복소율(complex index))의 변화를 열적으로 유도한 많은, 연속적인, 국부적 가열을 경험하며 그 뒤에 원하는 영역에서 재료를 환상으로(annularly) 압축하는 음향 압축 파는 필라멘테이션 경로 주위에 보이드 및 압축 재료의 링을 생성한다. 그리고 나서 빔은 다시 초점을 맞추고 이차 초점 웨이스트들에서의 에너지와 결합된 다시 초점이 맞춰진 빔은 임계 에너지 레벨을 유지하고 이러한 일련의 이벤트들은 테이퍼(tazper)가 없고 효율적으로 동일한 직경인 입구 오리피스 크기와 출구 오리피스 크기를 갖는 1500:1 가로세로비(aspect ration, 오리피스의 길이/오리피스의 직경)가 가능한 오리피스를 드릴링하기 위하여 반복된다. 이는 광학적 파괴가 도달하고 필라멘테이션이 저하되거나 중단될 때까지 짧은 필라멘테이션 거리를 야기하는 표적 재료의 상단 표면 또는 내에 대한 에너지를 강조하는 종래 기술과는 다르다.
도 16은 그것들 사이의 공기 갭을 갖는 적층 구성으로 3개의 평면 표적 중 두 개의 바닥부에서 오리피스들의 드릴링을 도시하는데 주 초점 웨이스트(8)는 최종 표적(10) 아래에 위치된다. 구멍은 다중 층 설정의 상단 또는 바닥부 또는 중간으로부터 드릴링될 수 있으나, 드릴링 이벤트는 만일 동일한 렌즈 설정과 곡률이 사용되면 항상 주 초점 웨이스트오부터 동일한 거리에서 발생한다. 초점 웨이스트는 항상 재료의 외부에 위치되고 기판 표면에 도달하지 않는다.
오리피스들을 드릴링하는 방법은 광음향 압축을 통하여 다음의 단계 순서에 의해 달성된다:
1. 레이저원으로부터의 레이저 에너지 펄스들을 선택된 분포-초점 렌즈 초점 어셈블리를 통과시키는 단계;
2. 주 초점 웨이스트 및 적어도 하나의 이차 초점 웨이스트를 생성하도록 분포된 초점 구성 내의 레이저 에너지 펄스들에 초점을 맞추기 위하여 레이저원과 관련하여 상기 분포식-초점 렌즈 초점화 어셈블리의 상대 거리 및/또는 각을 조정하는 단계;
3. 주 초점 웨이스트가 가공되는 표적 상에 또는 내에 남아 있지 않도록 주 초점 웨이스트 또는 표적을 조정하는 단계;
4. 상기 주 포점 웨이스트 아래 또는 위에 위치되는 표적의 표면 상의 레이저 플루엔스의 점이 표적 내에 형성되는 필라멘테이션의 직경보다 항상 크도록 초점을 조정하는 단계;
5. 표적의 원하는 볼륨을 통하여 광음향 압축 가공의 전파를 보장하기 위하여 충분한 강도와 횟수인 이차 초점 웨이스트의 플루엔스 레벨을 조정하는 단계;
6. 레이저원으로부터의 적절한 파장의 레이저 펄스들, 적절한 버스트 펄스 반복률 및 적절 버스트 펄스 에너지 중 적어도 하나의 버스트를 선택된 분포-초점 렌즈 초점 어셈블리를 통하여 표적에 적용하는 단계, 여기서 레이저 펄스가 표적 상의 가공의 개시 지점과 접촉하는 점에서 적용되는, 펄스 에너지 또는 플루엔스의 총 양은 광음향 압축 가공을 개시하고 전파하기 위한 임계 에너지 레벨보다 크나, 절제 가공을 개시하는데 필요한 한계 임계 에너지보다 작음; 및
7. 원하는 가공이 완료되었을 때 레이저 펄스들의 버스트를 중단하는 단계.
이전에 언급된 것과 같이, 오리피스에 대한 가늘고 긴 입구가 바람직할 수 있는 특정 오리피스 구성이 존재할 수 있다. 이는 원하는 거리 동안 절제 가공을 할 수 있고 그러한 재료 내의 원하는 깊이로의 광음향 가공을 위한 임계 레벨 위의 절제 가공을 위하여 임계 레벨 아래의 레이저 영향 레벨로 드릴링을 완료할 수 있는 레이저 플루엔스 레벨을 갖는 오리피스의 개시에 의해 달성된다. 이러한 형태의 오리피스 형성은 또한 표적의 표면 상에 제거가능한 희생 층의 적용을 이용할 수 있다. 이는 분출 언덕이 나중에 희생 층과 함께 제거될 수 있도록 희생 층 상에 분출 언덕의 형성을 허용할 수 있다. 하이브리드 절제 및 광음향 압축 가공 방법에 의해 드릴링되는 그러한 오리피스는 비록 희생 층의 적용이 사용될 필요가 있고 만일 사용되면 우선 발생할 필요가 없더라도, 다음의 단계들을 통하여 실행될 수 있다:
1. 표적의 적어도 하나의 표면에 희생 층을 적용하는 단계;
2. 레이저원으로부터 에너지 펄스들을 선택된 분포식 초점 렌즈 초점화 어셈블리를 통하여 통과시키는 단계;
3. 주 초점 웨이스트 및 적어도 하나의 이차 초점 웨이스트를 생성하기 위한 분포식 초점 구성에서 레이저 에너지 펄스들에 초점을 맞추기 위하여 레이저원에 대하여 상기 분포식 초점 렌즈 초점화 어셈블리의 상대 거리 및/또는 각을 조정하는 단계;
4. 주 초점 웨이스트가 기계가공되려는 표적 상에 또는 표적 내에 위치하지 않을 것과 같이 주 초점 웨이스트 또는 표적을 조정하는 단계;
5. 표적의 표면 상의 레이저 플루엔스의 스폿이 상기 주 초점 웨이스트 아래에 또는 위에 위치되는 것과 같이 초점을 조정하는 단계;
6. 표적 내에 형성되려는 필라멘테이션의 직경보다 항상 큰 것과 같이 표적의 표면 상의 레이저 플루엔스의 스폿을 조정하는 단계;
7. 표적의 원하는 용량을 통한 광음향 압축 기계가공의 전파를 보장하는데 충분한 강도와 수의 이차 초점 웨이스트의 플루엔스 레벨을 보장하는 단계;
8. 선택된 분포식 초점 렌즈 초점화 어셈블리를 통하여 레이저원으로부터 표적으로 적절한 파장, 적절한 버스트 펄스 반복률 및 적절한 버스트 펄스 에너지의 레이저 펄스들 중 적어도 하나의 버스트를 적용하는 단계, 여기서 레이저 펄스가 표적 상의 기계가공의 개시 지점과 접촉하는 스폿에서 표적에 적용되는, 펄스 에너지 또는 플루엔스의 총량은 광음향 압축 기계가공을 개시하고 전파하는데 필요한 임계 에너지 레벨보다 크고, 이후에 절제 드릴링되는 오리피스의 바닥에서의 플루엔스 에너지는 필라멘테이션과 광음향 압축 기계가공을 개시하고 전파하기 위한 임계 에너지 레벨보다 크나, 절제 기계가공을 개시하는데 필요한 한계 임계 에너지 레벨보다 작음; 및
9. 원하는 기계가공이 완성되었을 때 레이저 펄스들과 필라멘테이션을 중단시키는 단계.
레이저 특성, 주 초점 웨이스트의 위치, 및 최종 초점 렌즈 어레인지먼트뿐만 아니라 생성된 오리피스의 특성의 다양한 파라미터들이 다음의 테이블에 설명된다. 그것들의 값들이 표적 재료의 종류, 그것의 두께 및 원하는 오리피스의 크기와 위치에 따라 크게 변경되기 때문에 범위들로 표현된다는 것을 이해하여야 한다. 다음의 차트는 많은 투명 재료 중 어느 하나에서 균일한 오리피스들의 드릴링을 달성하도록 사용되는 다양한 시스템 변수들의 범위들을 상세히 설명한다.
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이미 설명된 것과 같이 위의 파라미터들은 표적에 따라 변경된다. 작동 예의 형태로, 투명 기판 내의 2 ㎜ 깊이의 3 마이크론 홀을 디릴링하기 위하여 다음의 장치와 파라미터들이 사용될 수 있다: 1064 나노미터 파장 레이저; 64 와트의 평균 전력; 100 ㎑ 반복률, 80 μJ 펄스 에너지; 및 버스트, 엔벨로프 내의 50 ㎒의 주파수에서 8 펄스.
예를 들면 10 피코초의 펄스 폭을 가정한 펄스 전력은 10 피코초로 나누어 80 μJ이며, 이는 8 MW(MW= 메가 와트)를 생산한다. 이는 기판의 위 또는 아래에 5 내지 500 ㎛로 초점을 맞추는 2 ㎜의 공간(필라멘트 활성 구역이 2 ㎜)에 대하여 분포된 초점을 전달하는 수차 렌즈로 초점이 맞춰질 수 있다.
레이저 기계가공 시스템
현재 이용가능한 기계가공 시스템들의 일부 종류가 존재한다는 사실이 종래에 알려져 있다. 모든 기계가공 시스템은 공통적으로 적어도 두 가지를 갖는다: 시스템들은 입사 레이저 빔의 위치를 변경하고 시스템들은 다양한 레이저 초점화, 전력 및 전달 파라미터들의 조정을 허용한다. 시스템들은: 공작물을 레이저 빔 주위로 이동시킬 수 있거나(즉, X-Y 평면 내에서 병진 가능한 테이블을 사용하여), 레이저 빔을 공작물 주위로 이동시킬 수 있거나(예를 들면, 조종 미러(steering mirror)들을 통하여), 또는 두 기술의 조합을 사용할 수 있다. 도 20은 하드 디스크 드라이브 플래터(HDD platter)들 또는 시트의 유리 기판 내에 필라멘트들을 형성할 수 있는 레이저 기계가공 시스템(70)의 일례를 도시한다. 시스템은 레이저 빔이 XY 평면(세타, θ) 내의 회전 스테이지, 3차원 XYZ 병진 스테이지, 및 조화된 제어 구조에서 X축(감마, γ)에 대한 빔 또는 부품을 티핑하기(tipping) 위한 축을 포함하는, 다중 축 회전 및 병진 스테이지에 전달될 수 있는 것과 같이, 빔 조정 광학장치의 적절한 선택이 구비된, 바람직하게는 100 피코초 미만의 펄스를 갖는, 버스트 방식 펄스들의 트레인을 제공할 수 있는 초고속 레이저(72)를 포함한다. 도시된 실시 예에서, 빔은 조절 광학(conditioning optic, 74, 예를 들면, 더 조절되거나 조작될 수 있는 약하게 초점이 맞춰진 스폿을 전달할 수 있는 정 또는 오목 렌즈 또는 렌즈들의 조합), 빔 샘플링 미러(76), 전력계(power meter, 78), X-Y 스캐너(80), 최종 초점화 렌즈(82), 및 공작물(118), 예를 들면, 그 위에, 그 안에, 그리고 그것을 통하여 회로 소자들을 갖는 기판을 위치시키기 위한 서보-제어식(servo-controlled) 스테이지(84)의 조절에 의해 조작된다. 아래에 더 상세히 설명될, 제어 및 처리 유닛(88)은 여기에 개시되는 레이저 필라멘트 및 절단 시스템 실시 예(70)의 제어를 위하여 사용된다. 필라멘트 위치와 깊이는 일정한 작동 거리를 유지하는 자가-초점 구성(예를 들면, 위치-감지 장치를 사용하여)에 의해 제어될 수 있다.
도 21은 하나 또는 그 이상의 프로세서(90), 예를 들면, 중앙 처리 유닛/마이크로프로세서), 버스(92), 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및/또는 읽기 전용 메모리(ROM)를 포함할 수 있는 메모리(94), 하나 또는 그 이상의 선택적 내부 저장 장치(96, 예를 들면, 하드 디스크 드라이브, 콤팩트 디스크 드라이브 또는 내부 플래시 메모리), 전원 공급장치(98), 하나 이상의 선택적 통신 인터페이스(100), 선택적 외부 저장장치(102), 선택적 디스플레이(104), 및 다양한 선택적 입력/출력 장치들 및/또는 인터페이스들(106, 예를 들면, 수신기, 트랜스미터, 스피커, 디지털 스틸 카메라 또는 디지털 비디오 카메라에서 사용되는 것과 같은 영상 센서, 출력 포트, 키보드, 키패드, 마우스, 위치 추적 스타일러스(position tracked stylus), 위치 추적 프로브, 풋 스위치(foot switch), 및/또는 음성 명령들을 포획하기 위한 마이크로폰과 같은 사용자 입력 장치)을 포함하는, 제어 및 처리 유닛(88)의 바람직한 일 구현을 제공한다. 제어 및 처리 유닛(88)은 하나 또는 그 이상의 레이저 시스템(72), 레이저 스캐닝/위치 시스템(80), 서보-제어식 스테이지(84, 기판을 위한 위치선정 시스템), 및 하나 또는 그 이상의 계측 센서(metrology sensor) 또는 영상 센서와 같은 하나 또는 그 이상의 계측 장치 또는 시스템(108) 중 적어도 하나 이상과 인터페이스로 접속된다.
비록 도 21에 각각의 컴포넌트 중 하나만이 도시되나, 제어 및 처리 유닛(88)에 어떠한 수의 각각의 컴포넌트도 포함될 수 있다. 예를 들면, 컴퓨터는 일반적으로 다수의 서로 다른 저장 매체를 포함한다. 게다가, 비록 모든 컴포넌트 사이의 단일 연결로서 버스(92)가 도시되나, 버스(92)는 두 개 또는 그 이상의 컴포넌트를 연결하는, 하나 또는 그 이상의 회로, 장치, 통신 채널을 나타낼 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들면, 개인용 컴퓨터들에서, 버스(554)는 때때로 마더보드(motherboard)를 포함하거나 또는 마더보드이다.
일 실시 예에서, 제어 및 처리 유닛(88)은 일반 목적의 컴퓨터 또는 다른 어떠한 하드웨어 등가물일 수 있거나 또는 이들을 포함할 수 있다. 제어 및 처리 유닛(88)은 또한 하나 또는 그 이상의 통신 채널 또는 인터페이스를 통하여 프로세서(90)에 결합되는 하나 또는 그 이상의 물리적 장치로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 제어 및 처리 유닛(88)은 주문형 반도체(ASIC)를 사용하여 구현될 수 있다. 대안으로서, 제어 및 처리 유닛(88)은 소프트웨어가 메모리로부터 또는 네트워크 연경을 거쳐 프로세서 내에 로딩되는, 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로서 구현될 수 있다.
제어 및 처리 유닛(88)은 프로세서 내에 실행될 때 시스템이 본 발명에서 설명된 하나 또는 그 이상의 방법을 실행하도록 야기하는 명령들의 세트로 프로그래밍될 수 있다. 제어 및 처리 유닛(88)은 도시된 것보다 더 많거나 더 적은 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 비록 도시되지는 않았으나, 볼륨 효율, 반사율, 및 분할 효율과 같은 입력된 파라미터들을 기초로 하여 기판 상에 실행될 컷들의 전체 시리즈를 준비하는 3차원 모델링 시스템들이 또한 처리 유닛과 통합될 수 있다.
완전한 기능을 하는 컴퓨터들과 컴퓨터 시스템들의 맥락에서 일부 실시 예들이 설명되었으나, 통상의 지식을 가진 자들은 다양한 실시 예들이 다양한 형태의 프로그램 제품으로 분포될 수 있으며 실제로 분포에 영향을 미치도록 사용되는 특정 형태의 기계 또는 컴퓨터 판독가능 매체 없이 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
컴퓨터 판독가능 매체는 데이터 처리 시스템에 의해 실행될 때 시스템이 다양한 방법들을 실행하도록 야기하는 소프트웨어 및 데이터를 저장하도록 사용될 수 있다. 실행가능한 소프트웨어 및 데이터는 예를 들면, ROM, 휘발성 RAM, 비-휘발성 메모리 및/또는 캐시를 포함하는 다양한 위치들에 저장될 수 있다. 일반적으로, 기계 판독가능 매체는 기계(예를 들면, 컴퓨터, 네트워크 장치, 개인 휴대용 단말기, 제조 공구, 하나 또는 그 이상의 프로세서의 세트를 갖는 어떠한 장치 등)에 의해 액세스 가능한 형태로 정보를 제공하는(즉, 저장 및/또는 전송하는) 어떠한 메커니즘을 포함한다.
컴퓨터 판독가능 매체의 예들은 그중에서도 휘발성 및 비-휘발성 메모리장치들, 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 플래시 메모리 장치, 플로피 및 다른 제거가능 디스크들, 자기 디스크저장 매체, 광학 저장 매체(예를 들면, 콤팩트디스크(CD), 디지털 다기능 디스크(DVD) 등)과 같은, 기록가능 및 비-기록가능 형태 매체를 포함하나 이에 한정되지 않는다. 명령들은 전기, 광학, 음향, 또는 캐리어 파, 적왜선 신호들, 디지털 신호들 등과 같은 다른 형태의 전파 신호들을 위한 디지털 또는 아날로그 통신 링크들로 구현될 수 있다.
본 발명의 일부 양상들은 적어도 부분적으로 소프트웨어에서 구현될 수 있다. 즉, 기술들은 ROM, 휘발성 RAM, 비-휘발성 메모리 캐시, 자기 및 광학 디스크, 또는 원격 저장 장치들과 같은, 메모리 내에 포함된 명령들의 시퀀스들을 실행하는 마이크로프로세서와 같은, 그것의 프로세서에 응답하는 컴퓨터 시스템 또는 다른 데이터 시스템에서 수행될 수 있다. 게다가, 명령들은 컴플라이 버전(complied version) 또는 링크 버전의 형태로 데이터 네트워크를 넘어 컴퓨팅 장치 내로 다운로드될 수 있다. 대안으로서, 위에 설명된 과정들을 실행하기 위한 논리는 부가적인 컴퓨터 및/또는 대규모 집적 회로(LSIC), 주문형 반도체(ASIC)와 같은, 기계 판독가능 매체, 또는 전기적으로 소거가능한 프로그램가능 판독-전용 메모리(EEPROM) 및 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA)들과 같은 펌웨어에서 구현될 수 있다.
도 22 및 23은 비-텔레센트릭(110) 렌즈(도 22) 및 텔레센트릭 렌즈(112, 도 23)를 사용하여, 스테이지의 제어를 거쳐 다중 축을 제어하는 능력을 나타내는 바람직한 실시 예들을 도시한다. 비-텔레센트릭 렌즈(110)의 경우에 있어서, 비-필드-수정 렌즈 내에 존재하는 자연적인 왜곡에 의해 각이 있는 필라멘트 경로가 생성될 수 있다. 정상적인 입사 광을 사용하는 공작물(86) 내에 각이 있는 필라멘트 변형 구역(114, 116)을 제공하기 위하여 X(감마) 축 주위의 회전이 실행될 수 있다. 다른 광학 구성들이 가능하다는 것을 이해하여야 한다.
도 24는 가공되려는 재료를 지탱하는 스테이지가 재료 표면에 대하여 각이 있는 필라멘트들 생산하도록 회전되는 대안의 실시 예를 도시한다. 이러한 실시 예는 스캔 렌즈를 사용하는 장치 실시 예와 유사한 결과들을 생산하기 위하여 빔 입사 각에 대하여 경사진 샘플을 나타내도록 구성된다.
도 25는 부품 싱귤레이션에 적합한 바람직한 레이저 시스템의 레이아웃을 도시한다. 레이저(72)는 예를 들면, 약 2.5-50 ㎒ 범위의 반복률로, 약 5 μJ - 500 μJ의 범위의 에너지를 갖는 버스트 펄스들을 전달할 수 있다. 버스트 엔벨로프 내의 펄스들의 수의 증가는 평균 전력을 증가시키고 광학장치에 대한 손상을 방지한다. 예를 들면, 도 17-19에 도시된 것과 같이, 버스트 엔벨로프 내에 다중 서브펄스들이 사용될 수 있으며 각각의 펄스는 더 낮은 개별 에너지를 가지나 반복 당 총 에너지는 실질적으로 증가된다. 이러한 방법으로, 광학장치는 과도한 전력 레벨에 기인하는 손상으로부터 보호된다.
화강암 라이저(granite riser, 118)는 산업용으로 통상적으로 사용되는 것과 같이, 기계적 진동을 약화시키기 위한 반응성 질량이 되도록 디자인된다. 이는 스테이지 위의 광학장치들이 하나의 축, 스테이지에 대한 X 또는 Y를 따라 이동할 수 있고 그것과 조화될 수 있는 브리지(bridge)일 수 있다. 화강암 베이스(120)는 시스템의 컴포넌트들 중 어느 하나 또는 모두를 제공할 수 있는 반응성 질량을 제공한다. 일부 실시 예들에서, 핸들링 장치(122)가 안정성 이유를 위하여 시스템으로부터 진동으로 분리된다.
스테이지에 대하여 Z 축 내의 광학장치(만일 필요하면 조절 및 초점화 및 스캔 광학장치) 이동을 위하여 Z 축 모터 드라이브(124)가 제공된다. 이러한 모터는 XY 스테이지 및 오버헤드 화강암 브리지 내의 X 또는 Y 운동, 및 가공되려는 샘플 재료를 받치는, 화강암 베이스 상의 스테이지의 XY 운동과 조화될 수 있다.
스테이지(84)는 예를 들면, XY 및 기울기 축, 감마("요(yaw)")를 갖는 세타 스테이지를 포함한다. 스테이지(84)의 운동은 예를 들면, 큰 기본 시트로부터 원하는 부품 형태를 생성하기 위하여 제어 컴퓨팅 시스템에 의해 조화된다. 계측 장치(108)는 예를 들면, 매핑, 크기, 및/또는 절삭 후 모서리 품질 검사를 위하여, 후 가공 또는 선 가공(또는 모두) 측정들을 제공한다.
도 26a-d는 바람직한 각 결과를 달성하기 위하여 후 싱귤레이션 가공이 필요하지 않은 각이 있는 모서리들을 갖는 내부 특징부를 만들기 위한 각이 있는 컷 아웃 접근법을 도시한다.
도 26a-c에서, 빔 추적은 최종 부품 모서리(128) 상에서 원하는 슬로프와 동일한, 고정된 입사 각 레이저 빔(127)을 갖는 세타 축(126) 주위의 회전을 통하여 달성된다. 비-제한적 실시 예는 필라멘트 어레이들을 거쳐 복합 컷아웃들의 생성을 제공하기 위한 장치로서 회전식 스테이지의 각이 있는 절삭과 이동을 가능하게 한다.
도 26d는 서로 다른 각도에서 다중 필라멘트 형성 빔들(132)로의 가공을 거쳐 챔퍼처리된 부품(130)의 형성의 바람직한 구현을 도시한다. 빔과 필라멘트 경로는 다양한 정도의 챔퍼처리되거나 사면 모서리들을 형성하도록 제어될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 합성(평행) 형성의 경우에 있어서, 3면 모서리 또는 챔퍼가 생성되는 것과 같이, 정상적 입사 각을 따라, 정상 이외의 입사 각들을 나타내는 표적에 도달하는 다중 빔 경로를 달성하기 위하여 빔은 분열되고 광학 장치를 향한다.
첨버는 예를 들면, 과정에 의해 용인되는 분할의 정도에 따라, 두 개 또는 그 이상의 측면으로 생성될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 일부 바람직한 구성이 도 26e에 도시된다.
일부 실시 예들에서, 아래에 설명되는 것과 같이, 레이저 가공 시스템은 하나의 레이저(빔 스플리팅 광학장치를 갖는)가 두 스크라이빙 단계를 동시에 실행할 수 있는 것과 같이 구성될 수 있다. 예를 들면, 약 75W의 평균 전력을 갖는 레이저가 동시에 모든 가공 단계를 실행하는데 충분하다는 것이 밝혀졌다.
다중 축 회전 및 이동 제어를 갖는, 앞서 언급된 장치는 광음향 압축 기계가공을 달성하기 위하여 버스트 초고속 레이저 펄스들에 의한 필라멘테이션을 사용할 때, 현재 존재하거나 또는 현재 사용되는 레이저 절제 기계가공 기술들을 사용하여 가능하지 않은 유리 하드 디스크 드라이브 플래터(자기 매체가 덮인 유리 기판으로부터)들과 같은 제품들을 생성하도록 폐형 형태들의 절단의 목적으로, 다양한 초점 위치들에서, 필라멘트 어레이들의 곡면 구역들을 생성하기 위한 비-정상 입사 각 및 가변적인, 레시피 제어 위치들에서 빔을 공작물 상으로 가져오는 목적을 위하여 사용될 수 있다. 통상의 지식을 가진 자들은 모든 적용을 위하여 이러한 모든 축이 필요하지 않으며 일부 적용들은 단순한 시스템 구성으로 이익이 발생한다는 것을 이해할 것이다. 게다가, 도시된 장치는 단지 본 발명의 실시 예의 바람직한 구현이며, 그러한 실시 예들은 장치 제조사에 의한 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 기판들, 적용들, 및 부품 표현 전략들을 위하여 변경되거나, 변형되거나 또는 혼성된다는 것을 이해하여야 한다.
마이크로칩 제조 방법론
전기/기계 마이크로칩은 개별 투명 기판 웨이퍼들을 함께 연결함으로써 형성된다. 전기/기계 마이크로칩은 실리콘, 유리 또는 또 다른 투명 기판으로 만들어질 수 있다. 개별 투명 기판 웨이퍼들은 그 안에 및/또는 그 위에 및/또는 그것을 통하여 회로 소자들을 포함한다. 웨이퍼들은 10 마이크론만큼 얇을 수 있다(50-500 마이크론 두께 붕규산 유리가 일반적인 작동 두께 범위 및 기판일 수 있다). 각각의 웨이퍼들은 오리피스들, 트로프(trough)들, 채널들, 컷들 등을 포함하도록 레이저 기계가공되거나 또는 레이저 기계가공될 수 있거나, 또는 전극들, 와이어들, 전기 및 기계적 도돤들, 전기 및 기계적 센서들, 트랜지스터들, 트랜지스터 트랜지스터 논리(TTL) 회로들, 논리 회로들, 커패시터들, 다이오드들, 제너 다이오드들, 쇼트키 다이오드들, 선형 및 스위칭 전원 공급장치들, 브리지 회로들, 화학적 및 생물학적 분석 회로들을 포함하는 전원 공급 회로, 미세유동 채널들, 미세유동 제어들 및 다른 마이크로 전자장치들을 형성하기 위하여 능동 능동 또는 수동 재료의 층들로 코팅될 수 있다. 함께 적층될 때 이러한 다양한 웨이퍼들은 마이크로칩 내에 형성되는 작동 보이드(void)들을 정의한다. 웨이퍼들이 층을 이루고 연결되기 전에 부품들, 접착제(glue), 전도성 매체 등이 삽입될 수 있다.
다른 상황들에서 이것들은 웨이퍼들이 층을 이루고 연결된 후에 삽입될 수 있다. 이러한 웨이퍼들은 기판들 자체의 레이저 용접, 마이크로칩의 주변에 고정된 금속 분말 또는 얇은 금속 시트의 레이저 용접, 또는 접착(gluing)에 의해 연결될 수 있다. 완성된 마이크로칩은 위험 환경 내에서의 한 번 사용을 위한 "스마트 더스트(smart dust)" 센서로서 사용될 수 있다. 이는 또한 전자 장치 내의 단순한 인쇄 회로 기판(PCB)으로서 기능을 할 수 있다.
도 27은 입자들을 크기화하거나, 가스를 경로로 이동시키거나, 웨이퍼 내의 보이드로의 전기적 전도성 매체의 주입을 허용하거나 또는 부품을 수용하도록 사용될 수 있는 가늘고 긴 오리피스(168)를 갖는다. 도 28은 그것을 통하여 크기 분리기 또는 필터(166)를 형성하도록 기계가공된 투명 평면 기판(180) 웨이퍼를 도시한다. 크기 분리기(166)는 필터(166) 아래에 정렬되는 기판(170) 내에 형성되는 절단된 원뿔형 펀넬 위에 위치한다. 도 29가 참조된다. 이러한 방법으로 샘플은 크기를 기초로 하여 수집될 수 있으며 그리고 나서 일부 종류의 샘플 수집 분석을 위하여 두 레벨 아래의 웨이퍼 상의 경로로 이동된다. 만일 그러한 샘플링 또는 분석 장치가 유리로 만들어졌고 무선으로 정보를 전송하기 위한 저비용의 RFID 칩과 맞으면, 이는 화학적 또는 방사성 재료의 탱크 내로 던져지고, 분석이 만들어지고, 기록되며, 그리고 나서 마이크로칩은 탱크 내에 남을 수 있다.
만일 도 30의 기판 웨이퍼(160)가 도 31의 웨이퍼 바로 맨 위에 위치되었으면 부품 장착 인서트들(162, 기판(160)을 통하여 확장하는)가 경로(152) 위에 위치되고 두 웨이퍼 상의 오리피스들(154)이 정렬할 수 있다는 것을 알 수 있다. 전극들(158)에 물론 도시되지 않은 일부 수단을 통하여 전력이 공급될 수 있다. 부품 장착 인서트들(162)은 경로(152)와 맞물리고 그것으로부터 전력이 공급된다. 이는 발광 다이오드 또는 레이저와 같은 부품이 몇몇 웨이퍼들을 전력원 위에 위치시키도록 허용한다.
도 30의 웨이퍼(160)는 도 31의 웨이퍼 위에 위치된다. 오리피스들(154)이 정렬되고 기판들 사이의 전기적 통신을 가능하게 하는, 그 안에 전기적 전도성 매체의 주입을 위한 지점으로서 역할을 할 수 있다. 오리피스(164, 펀넬(168)로부터 제공되는)는 샘플링 목적을 위하여 가스/유체 매체를 경로(152) 내로 도입할 수 있다. 분석기가 보이드(156) 내에 위치될 수 있다.
도 31은 웨이퍼를 통하여 경로, 채널(152)을 형성하기 위하여 기계가공된 투명 평면 기판 웨이퍼(150)의 사시도이다. 이러한 웨이퍼는 또한 일련의 4개의 부품 장착 오리피스, 또는 홀(154)을 가질 수 있다. 만일 이러한 웨이퍼(150)가 두 개의 다른 기계가공되지 않은 웨이퍼와 샌드위치되었으면, 유체/가스의 통과를 위한 경로 또는 채널(152)이 형성될 수 있다(미세유체 채널). 대안으로서, 만일 경로(152)가 전기적 전도성 매체로 고압 주입되었으면, 전기적 신호가 큰 보이드(156) 내에 위치하는 부품에 전달될 수 있다. 경로(152)의 각각의 단부에 형성되는 두 개의 전극(158, 158)이 존재한다는 것에 유의하여야 한다. 바람직하게는 전극들(158, 158)은 포토리소그래피 기술들을 사용하여 유리 기판(150)의 상단 상에 인쇄된다. 유리 기판(150)의 상단 상에 위치하는 전극들(158, 158)의 높이는 작으며 따라서 일반적으로 그것들을 숨기기 위한 홈을 만들 필요가 없다. 유리 기판(150)의 상단 상에 위치하는 전극들과 함께 유기 기판은 여전히 함께 연결되고 용접될 수 있다.
대안으로서, 전극들은 그 안에 홈을 갖는 유리 기판 내부에 묻힐 수 있다. 대안으로서, 전극들은 유리 기판(150) 내에 기계가공된 보이드 내에 위치할 수 있다. 전극들(158, 158)은 전극들의 경로를 정의하기 위하여 단지 분리된 상단 웨이퍼만을 필요로 하는데 그 이유는 전극들 아래의 보이드들이 웨이퍼(150)를 통하여 확장하지 않기 때문이다. 도 32는 웨이퍼 기판(140) 내의 다중 센서(170A) 또는 유사한 부품을 도시한다. 도 32는 칩을 위한 베이스 기판(140)을 도시한다.
따라서, 기판들은 결합된 칩을 형성하도록 결합될 수 있고 조직화될 수 있다. 도 33은 도 27-32의 기판들의 스택이다. 도 33은 도 27-31에 도시된 것과 같은 기판들(190, 180, 170, 160, 150 및 140)의 상단부터 바닥까지의 바람직한 칩 적층 결합을 도시한다. 상단 기판은 참조 번호 190에 의해 표시되고 바닥 기판은 참조 번호 140에 의해 표시된다. 결합된 칩은 접착제 및/또는 레이저 용접에 의해 함께 고정된다. 결합된 칩은 위에 설명되고 기판들에 의해 도시된 것과 같이 전기적 신호들 및/또는 기판들과 통신한다. 도 33에 도시된 것과 같이, 기판들은 칩의 기계적, 전기생물학적 기능 또는 그것들의 어떠한 조합에 따라 필요한 것과 같이 서로 다른 두께일 수 있다.
부품들을 적절하게 적층하고 접착제 또는 레이저 용접을 사용하여 그것들을 결합함으로써 디자인 및 적용에 따라 바이오칩 또는 미소 전자 기계 시스템 또는 미세유체 채널로서 사용될 수 있는 칩들이 제조될 수 있다.
초고속 펄스들을 사용하여 칩을 훨씬 더 고급으로 만드는 도파관(waveguide), 부피 격자(volume grating), 결합기(combiner) 등을 제조하는 것이 가능하다.
초고속 레이저 펄스들의 버스트에 의해 기판 내에 형성되는 필라멘테이션의 초점을 정확하게 맞추기 위하여 컴퓨터화된 레이저 기계가공 시스템의 능력과 함께 위에 설명된 레이저 기계가공 기술의 이용은 각각의 개별 층 내의 원하는 보이드 또는 컷의 정밀한 형성을 허용한다. 오리피스들, 컷들, 채널들, 레저버(reservoir)들 등이 테이퍼 없이, 그리고 잔해 또는 미세균열과 같은 부수적 손상 없이 깨끗하게 절단될 수 있다는 사실은 다수의 목적을 위하여 유용한 인접한 특징부들의 정밀하고 가까운 배치를 허용한다. 웨이퍼에 대한 필라멘트의 변경은 웨이퍼 내에서 만들어지는 비제한적 완전한 또는 부분적 컷들을 허용한다. 컴퓨터화된 3차원 모델링 능력 및 컷들의 정밀성 때문에, 과잉의 보이드들은 크기 분리기, 벤트 또는 펀넬을 위하여 필요할 수 있는 것과 같이 예각과 둔각(오목 프로파일을 포함하여) 모두를 통하여 절단될 수 있다.
투명 기판 상의 완전한 또는 부분적인 보이드들을 기계가공하기 위한 방법은 다음의 단계들로 진행된다:
투명 재료를 제공하는 단계;
레이저 펄스들의 버스트를 포함하는 레이저 빔을 제공하는 단계;
표적(투명 재료 또는 웨이퍼) 상에 레이저 빔에 초점을 맞출 수 있고 레이저 빔과 투명 재료 사이의 상대적 이동을 가능하게 하는 레이저 빔 전달 시스템을 제공하는 단계;
투명 재료에 대하여 외부의 위치에서 빔 웨이스트를 형성하기 위하여 투명 재료에 대하여 레이저 빔에 초점을 맞추는 단계, 투명 재료의 표면 상에 입사되는 레이저 펄스들은 광학적 파괴를 형성하지 않고 그것을 통하여 연속적인 레이저 필라멘트를 형성하기 위하여 투명 재료 내에 충분한 에너지 밀도가 유지되는 것과 같이 초점이 맞춰짐;
광음향 압축에 의해 투명 재료의 섹션을 통하여 완전히 가로지르는 필라멘트 주위에 오리피스를 전파하는 단계;
투명 재료 내의 오리피스가 상기 투명 기판의 섹션을 통한 컷을 만들고 투명 웨이퍼를 형성하도록 야기하는 레이저 필라멘트의 위치를 이동시키기 위하여, 레이저 빔 전달 시스템으로 초점이 맞춰진 레이저 빔 및 투명 재료 사이의 상대적 이동을 가능하게 하는 단계;
웨이퍼에 대하여 외부의 위치에서 빔 웨이스트를 형성하기 위하여 웨이퍼에 대하여 레이저 빔에 초점을 맞추는 단계, 여기서 웨이퍼의 표면 상에 입사되는 레이저 펄스들은 광학적 파괴를 형성하지 않고 그것을 통하여 연속적인 레이저 필라멘트를 형성하기 위하여 웨이퍼 내에 충분한 에너지 밀도가 유지되는 것과 같이 초점이 맞춰짐;
광음향 압축에 의해 웨이퍼를 통하여 완전히 가로지르는 필라멘트 주위에 오리피스를 전파하는 단계; 및
웨이퍼 내의 오리피스가 상기 웨이퍼를 통하여 트로프, 채널, 슬라이스, 컷 등을 기계가공하도록 야기하는 레이저 필라멘트의 위치를 이동시키기 위하여, 레이저 빔 전달 시스템으로 초점이 맞춰진 레이저 빔 및 투명 재료 사이의 상대적 이동을 가능하게 하는 단계.
이 지점에서, 조립의 단계들은 순서가 변경될 수 있다. 각각의 웨이퍼들의 기계가공 후에, 기능적으로 다양한 보이드들의 상승적 기하학적 구성을 가능하게 하기 위하여 웨이퍼들은 적층되거나 또는 정밀한 지향 및 위치로 층을 이룬다. 조립이 발생함에 따라 삽입되는 부품이 존재할 수 있거나 또는 부품들은 마이크로칩의 디자인에 따라 나중에 삽입될 수 있다. 유사하게, 특정 층 내의 특정 보이드 내에 위치되는 전기적 전도성 매체 또는 접착제 또는 화학적 촉매가 존재할 수 있거나 혹은 그것들은 이후에 적용될 수 있다. 웨이퍼들은 그리고 나서 웨이퍼들의 모서리들 자체의 레이저 용접 또는 금속 에징(edging)에 의해 결합된다. 웨이퍼들은 기계가공 이전에 또는 원하는 표면 상의 원하는 코팅을 갖는 조립 이전에 코팅될 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 그러한 코팅의 바람직한 예는 자기 매체일 수 있다.
위에 설명된 필라멘트 기계가공 과정을 조정함으로써, 매우 얇은 유리 또는 투명 재료의 웨이퍼들이 생성될 수 있고 그 뒤에 기계가공되고 복합 3차원 마이크로칩 장치 내로 층을 이룬다. 이러한 마이크로칩들은 액체, 가스, 입자, 전기 신호, 광학 신호 또는 다른 신호 처리 능력을 처리하기 위한 기능을 갖는다.
이러한 마이크로칩 제조 방법은 레이저 재료 변형 및 에칭을 사용하여 대량의 유리 내부에 채널들을 만드는 것과 같은 많은 미세 제조 문제점을 제거한다. 웨이퍼들 상의 에칭, 마스킹 및 구리 증착의 필요성이 존재하지 않는다. 드릴링되는 오리피스들이 크기가 점점 가늘어지지(에칭된 오리피스들에서의 통상적인 치수 문제점인) 않기 때문에 부품들 사이의 간격이 감소되고(오리피스의 베이스 또는 풋프린트가 넓어지지 않기 때문에) 마이크로칩의 전체 크기가 최소화된다. 웨이퍼들의 두께는 10 마이크론 범위로 감소될 수 있다. 생물학적 샘플링 장치들을 위한 유리의 사용은 거칠고 다공성인 플라스틱보다 마이크로칩들을 위한 훨씬 더 나은 재료이다. 실제로 유리는 음전하를 가지며 플라스틱이 갖지 못하는 광학 투명도를 갖는다. 대안으로서, 일부 화학물질이 플라스틱과 상호작용하도록 의도된다.
본 발명은 프린터 헤드들의 미세제조에서 홀들을 드릴링하도록 사용된다. 프린터 헤드는 카트리지로부터 프린터 잉크의 흐름을 수용하도록 드릴링된 프린터 카트리지의 전면이다. 통상적으로 이것들은 실리콘 또는 유리로 만들어진다. 현재, 프린터 헤드 내의 잉크 홀들을 드릴링하거나 또는 천공하기 위한 일부 방법들이 존재하나, 가장 일반적인 방법론은 작은 직경의 드릴들로 투명 기판 재료 시트의 고속 드릴링을 사용하는 것이다. 이것이 갖는 문제점은 프린트 헤드를 위하여 사용되는 재료가 리딩 에지(leading edge)의 부식이 문제가 될 때 과잉의 사용률(duty cycle)을 견딜 수 있는 극도의 마모 저항성이어야만 한다는 것이다. 이는 거칠고 드릴링하기에 어려운 재료로부터의 제조를 필요로 한다. 따라서, 제조는 파손에 기인하는 많은 수의 드릴 비트의 교체 및 이러한 거친 기판 상의 드릴링을 포함한다. 부가적으로, 작은 직경 드릴들은 하중 하에서 떨어져 나가거나 휘거나 또는 구부러지는 성향을 가지며, 적절하게 간격을 두지 않거나 또는 서로 평행하지 않고 프린터 헤드의 면에 수직이 아닌 오리피스들을 드릴링한다.
오리피스들을 절단하기 위한 레이저 절제는 어느 정도는 효과가 있으나, 깨끗하게 잘린 오리피스들을 남기지 않고, 개구부 주위에 표면 분출을 남기며, 평행한 측벽이 있는 오리피스들을 드릴링하지 않는다.
프린터 내의 오리피스의 크기와 형태가 변경됨에 따라 인쇄되는 대상들은 덜 선명해진다. 오리피스 벽의 거칠기가 증가함에 따라 잉크를 흐르도록 하는데 필요한 압력도 증가한다. 만일 오리피스들의 벽들이 평행하지 않으면 잉크가 이러한 오리피스로부터 동등하게 또 다른 평행한 벽이 있는 오리피스로 흐르지 않는 것과 같이 오리피스를 가로질러 압력 차이가 발생한다. 이는 이상적인 프린터 헤드 오리피스들이 예리하게 정의되는 원형 개구부들, 프린터 헤드의 전면에 수직인 오리피스들, 균일하게 간격을 두는 오리피스들, 개구부들 주위에 최소 분출을 갖는 오리피스들, 매끄러운 벽들을 갖는 오리피스들, 및 평행한(비-테이퍼식) 측벽들을 갖는 오리피스들을 가질 것이라는 것을 의미한다.
존재하는 프린터 헤드들의 제조 방법들이 갖는 또 다른 문제점은 그것으로부터 방출하는 과잉의 미세 균열을 갖는 손상되거나 또는 거친 개구부를 남긴다는 것이다.
최신 기술들은 필요한 예리한 해상도를 달성하지 않는다.
도 34는 세 개의 프린터 헤드 오리피스들(185)의 어레이의 확대 사진이다. 도 34를 참조하면, 결과로서 생긴 드릴링되는 오리피스들(185)이 매우 선명한 주변(187)을 갖는다는 것을 알 수 있다. 오리피스 드릴링에서의 이러한 형태의 정밀도는 프린터로부터 더 조밀하게 조절되는 잉크 흐름 때문에 인쇄에 의해 만들어지는 훨씬 높은 해상도 이미지들을 야기한다.
광학적 파괴의 형성을 방지하기 위하여 항상 레이저는 정확하게 초점이 맞춰질 필요가 있다는 것에 유의하여야 하며, 만일 형성되면, 연마에 의한 제거를 필요하게 할 뿐만 아니라 잠재적으로 폐형 및/또는 기판에 대한 부수적 손상에 영향을 미칠 오리피스 개시의 지점에 생성되는 상당한 크기의 분출 언덕이 존재할 것이다.
세 번째 예로서 동일한 홀들이 마이크로전자장치에서 아주 많이 사용되는 얇은 유리 상에 홀들을 거치는 것과 같이 사용될 수 있다. 작동 주파수가 그것들의 한계까지 처한 중앙 처리 유닛(CPU) 제조에서 장치들 사이의 불필요한 내부 배선의 연장은 누설을 야기할 수 있다. 더 많은 트랜지스터들(크기의 제한으로 만들어지더라도)은 공간이 필요하고 위의 요구들을 수용하기 위한 최선의 방법은 기판들의 적층이다. 어떠한 전자 또는 홀 전달 혹은 전기 장들을 거친 어떠한 도입도 방지하고 또한 기판들이 적층되는 동안에 중앙 처리 유닛 내부에 발생된 열을 견뎌내기 위하여, 절연체로서 유리가 가장 가능한 후부이다. 스택의 하나의 레벨로부터 그 다음 레벨까지의 통신은 바이어스로 수행될 수 있다. 본 발명은 초 당 약 10,000 마이크로 홀을 생산할 수 있다.
본 발명은 상세한 설명에서 설명되거나 또는 도면들에서 도시된 부품들의 어레인지먼트에의 적용에 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 다른 실시 예들을 수행할 수 있으며 다양한 다른 순서 단계들로 실행되고 수행될 수 있다. 예를 들면, 기판으로부터 폐형을 릴리프하는 일부 방법들이 상세히 설명되었으나, 이는 종래에 알려져 있으며 적용되는 열원은 또한 기판을 템퍼링하고(temper) 어닐링하는데 사용할 수 있고 따라서 어닐링 및 분리 단계를 결합하기 위한 제조를 허용한다는 사실이 종래에 잘 알려져 있다. 또한, 여기서 사용되는 어법과 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 이를 한정하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 이해하여야 한다. 그와 같이, 통상의 지식을 가진 자들은 본 발명이 기초로 하는 개념이 본 발명의 일부 목적들을 수행하기 위하여 다른 구조들, 방법들 및 시스템의 디자인을 위한 기초로서 쉽게 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 청구항들은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않는 한, 그러한 동등한 구성들을 포함하는 것으로 간주된다는 사실이 중요하다.
2 : 입사 빔
4 : 렌즈
6 : 비-분포식 광 빔
8 : 초점 웨이스트
10 : 표적
12 : 초점화 렌즈
16 : 슬롯
20 : 분출 언덕
22 : 오리피스
23 : 벽 슬릿
24 : 이차 초점
26 : 뷴포식 초점화 소자 어셈블리
28 : 오리피스
30 : 희생 층
34 : 수차 렌즈
42 : 오리피스
52 : 빔 스폿
70 : 레이저 기계가공 시스템
72 : 초고속 레이저
74 : 빔은 조절 광학
76 : 빔 샘플링 미러
78 : 전력계
80 : X-Y 스캐너
82 : 최종 초점화 렌즈
84 : 서보-제어식 스테이지
86 : 공작물
88 : 제어 및 처리 유닛
90 : 프로세서
92 : 버스
94 : 메모리
96 : 내부 저장 장치
98 : 전원 공급장치
100 : 통신 인터페이스
102 : 외부 저장장치
104 : 디스플레이
106 : 입력/출력 장치 및/또는 인터페이스
108 : 계측 장치 또는 시스템
110 : 비-텔레센트릭 렌즈
112 : 텔레센트릭 렌즈
114, 116 : 필라멘트 변형 구역
118 : 화강암 라이저
120 : 화강암 베이스
122 : 핸들링 장치
124 : Z 축 모터 드라이브
126 : 세타 축
127 : 입사 각 레이저 빔
128 : 최종 부품 모서리
130 : 챔퍼처리된 부품
132 : 다중 필라멘트 형성 빔
140 : 기판
150 : 웨이퍼
152 : 경로
154 : 오리피스
156 : 보이드
158 : 전극
160 : 웨이퍼
162 : 부품 장착 인서트
164 : 오리피스
166 : 크기 분리기 또는 필터
168 : 오리피스
170 : 기판
170A : 다중 센서
180 : 기판
185 : 오리피스
187 : 주변
190 : 기판

Claims (20)

  1. 제 1 투명 기판과 제 2 투명 기판을 사용하여 전기기계식 칩을 만드는 방법에 있어서,
    광음향 압축을 사용하여 상기 제 1 기판 상에 완전한 또는 부분적인 보이드들을 기계가공하는 단계;
    상기 제 1 투명 기판 및 상기 제 2 투명 기판을 부착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  2. 제 1 투명 기판을 사용하여 전기기계식 칩을 만드는 방법에 있어서,
    광음향 압축을 사용하여 상기 제 1 투명 기판의 제 1 면 상에 제 1 보이드들 기계가공하는 단계;
    광음향 압축을 사용하여 상기 제 1 투명 기판의 제 2 면 상에 제 2 보이드들 기계가공하는 단계;
    상기 제 1 투명 기판의 상기 제 1 면 상의 상기 보이드 내에 전기적 전도성 재료를 적용하는 단계;
    상기 제 1 투명 기판의 상기 제 2 면 상의 상기 보이드 내에 전기적 전도성 재료를 적용하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 보이드는 부분적 보이드이고 상기 제 1 기판을 통하여 확장하지 않으며,
    상기 제 2 보이드는 부분적 보이드이고 상기 제 2 기판을 통하여 확장하지 않는 것을 특징으로 하는 하는 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 보이드는 완전한 보이드이고 상기 제 1 기판을 통하여 확장하고,
    상기 제 2 보이드는 완전한 보이드이고 상기 제 2 기판을 통하여 확장하며,
    상기 제 1 보이드 및 상기 제 2 보이드는 전기 통신되는 것을 특징으로 하는 하는 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  5. 제 1 투명 기판과 제 2 투명 기판을 사용하여 전기기계식 칩을 만드는 방법에 있어서,
    광음향 압축을 사용하여 상기 제 1 투명 기판 내에 완전한 또는 부분적인 보이드들을 기계가공하는 단계;
    광음향 압축을 사용하여 상기 제 2 투명 기판 내에 완전한 또는 부분적인 보이드들을 기계가공하는 단계;
    상기 제 1 투명 기판의 상기 완전한 또는 부분적인 보이드들이 상기 제 2 투명 기판의 상기 완전한 또는 부분적인 보이드들과 통신되는 것과 같이 상기 제 1 및 제 2 투명 기판을 서로 맞물려 위치시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  6. 투명 재료를 제공하는 단계;
    레이저 펄스들의 버스트를 포함하는 레이저 빔을 제공하는 단계;
    상기 투명 재료에 대하여 상기 레이저 빔에 초점을 맞출 수 있고 상기 레이저 빔과 상기 투명 재료 사이의 상대적 이동을 가능하게 하는 레이저 빔 전달 시스템을 제공하는 단계;
    상기 투명 재료에 외부인 위치에서 빔 웨이스트를 형성하기 위하여 상기 투명 재료에 대하여 상기 레이저 빔에 초점을 맞추는 단계, 여기서 상기 투명 재료의 표면 상에 입사되는 상기 레이저 펄스들은 광학적 파괴를 형성하지 않고 상기 재료를 통하여 연속적인 레이저 필라멘트를 형성하기 위하여 상기 투명 재료 내에 충분한 에너지 밀도가 유지되는 것과 같이 초점이 맞춰짐;
    광음향 압축에 의해 상기 투명 재료의 섹션을 통하여 완전히 가로지르는 상기 필라멘트 주위에 오리피스를 전파하는 단계; 및
    상기 투명 재료를 통하여 장착 구조, 트로프, 채널, 슬라이스, 또는 컷을 기계가공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 투명 재료는 실리콘인 것을 특징으로 하는 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 투명 재료는 유리인 것을 특징으로 하는 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 광음향 압축은 상기 칩으로부터 어떠한 투명 재료도 제거하지 않는 것을 특징으로 하는 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 펄스들의 버스트는 1-50 펄스 사이를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 투명 기판을 통하여 상기 장착 구조, 트로프, 채널, 슬라이스, 또는 컷 내에 기계적 장치를 장착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  12. 복수의 투명 기판을 사용하여 전기기계식 칩을 만드는 방법에 있어서,
    광음향 압축을 사용하여, 상기 복수의 기판 중 적어도 하나 내에 완전한 또는 부분적인 보이드들을 기계가공하는 단계;
    특정 순서로 상기 복수의 기판을 적층하는 단계;
    상기 기판들을 함께 부착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 투명 기판들을 함께 레이저 용접함으로써 상기 칩을 밀봉하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 투명 기판을 사용하여 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 복수의 투명 기판은 다양한 두께를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 투명 기판을 사용하여 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 복수의 기판을 적층하는 단계는 상기 복수의 기판 중 적어도 두 개 네에 상기 완전한 또는 부분적인 보이드들을 정렬시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 투명 기판을 사용하여 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 복수의 기판 중 상기 적어도 하나 내의 상기 완전한 또는 부분적인 보이드들 중 어느 하나 내로 가스, 액체, 또는 고체를 주입하는 단계, 및 그리고 나서 상기 복수의 기판을 함께 밀봉하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 투명 기판을 사용하여 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 밀봉하는 단계는 레이저로 실행되는 것을 특징으로 하는 복수의 투명 기판을 사용하여 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 밀봉하는 단계는 접착제로 실행되는 것을 특징으로 하는 복수의 투명 기판을 사용하여 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  19. 복수의 투명 기판을 사용하여 전기기계식 칩을 만드는 방법에 있어서,
    광음향 압축을 사용하여, 상기 복수의 기판 중 적어도 두 개 내에 완전한 또는 부분적인 보이드들을 기계가공하는 단계;
    지정된 순서로 상기 복수의 기계가공된 투명 기판을 적층하는 단계와, 전극들, 와이어들, 전기 및 기계적 도관들, 전기 및 기계적 센서들, 트랜지스터들, 트랜지스터 트랜지스터 논리(TTL) 회로들, 논리 회로들, 커패시터들, 다이오드들, 제너 다이오드들, 쇼트키 다이오드들, 선형 및 스위칭 전원 공급장치들, 브리지 회로들, 화학적 및 생물학적 분석 회로들을 포함하는 전원 공급 회로, 미세유동 채널들, 미세유동 제어들 및 다른 마이크로 전자장치의 그룹으로부터 선택되는 장치로서 전기기계식 칩을 포맷팅하는 단계; 및
    상기 기판들을 함께 부착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계식 칩을 만드는 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 밀봉하는 단계는 레이저로 실행되는 것을 특징으로 하는 복수의 투명 기판을 사용하여 전기기계식 칩을 만드는 방법.
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