TW201639652A - 雷射式修改透明材料的系統及其方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之實施例提供一雷射式材料加工系統，用於液體輔助式、超短脈動(USP)雷射微機械加工。材料加工應用之範例包含在接近透明的玻璃工作部件(基材)上使用n x m陣列之聚焦雷射光束進行平行加工，以鑽通孔或盲孔。本發明揭露之方法以及系統可形成細間距排列的低錐度且高深寬比的複數個孔。

Description

雷射式修改透明材料的系統及其方法 【相關申請之交互參照】
此申請書主張2015年1月29日申請的美國專利申請號第62/109,485“Laser-Based Modification of Transparent material”之優先權，其透過引用的方式而併入至本文中。
本發明有關於一種對透明材料之雷射式修改，特別是使用水輔助式超短脈衝雷射加工以高速形成多個高深寬比與低錐度的孔洞。
對於透明材料之高速且高品質加工處理的挑戰在於鑽孔的精細線距、短間距的孔洞、切口以及溝渠之形成，雷射切割、以及其他在目標材料上進行精微尺度之控制修改的微機械加工應用。
本發明揭露用於透明材料(及/或不透明及/或局部透明的材料)之雷射式處理的各種系統以及方法。本文中，所使用的處理技術包含，但不限於，鑽孔(drilling)、切割(cutting)、刻線(scribing)、分割(dicing)、開槽(grooving)、輾壓(milling)、加工(machining)、表面紋理處理(surface texturing)、旋切打孔、及/或去框(singulaing)技術。對材料的處理可包含，但不限於，對材料進行微機械加工、在材料上或材料中形成切口或溝渠、物理性修改材料(例如，變更其折射率及/或修改材料之表面、從材料移除物質、在至少一材料中進行焊接、或是其他類似處理。
本發明之系統以及方法之實施例可用於處理材料，例如透 明基材、玻璃、多層透明材料、以及其他類似材料。此材料包含，但不限於，顯示玻璃(例如，有經化學強化與壓縮表面層的玻璃)、藍寶石、熔融石英、石英無鉛玻璃、鋼化玻璃、非鋼化玻璃、鈉鈣玻璃、無鹼玻璃、碳化矽(SiC)、矽、鑽石、透明陶瓷、氮氧化鋁。本發明之系統以及方法不限於處理透明材料。在各種實施例中，該系統以及方法可用於處理透明、局部透明、半透明、半透光、不透光及/或不透明材料。
因為工作部件之透明度與波長有關，此透明度通常是在用於處理工作部件之雷射光之波長下量測的。在許多情況下，上述材料在至少一部份可見光頻譜的波長下(例如，範圍從約400nm至約700nm之間的波長)、或是在至少一近紅外雷射加工波長下(範圍從約700nm至約2.5μm之間的波長)呈現透明。透明材料可具有一定比例的光穿透率(在雷射加工波長下)，即是，大於約75%、約80%、約85%、約90%、約95%、約99%或者更高的光穿透率。透明材料在雷射加工波長下的光衰減是小於約1.5dB、約1.0dB、0.5dB、0.25dB、0.1dB或更低。透明材料在雷射加工波長下可具有衰減係數(單位dB/km)，其少於約100、10、1、0.1或更低。
在一示例性態樣中，本發明之特徵在於雷射材料加工處理經由平行加工而快速執行，例如，以能產生光束陣列的空間光調制器(SLM)、光繞射元件(DOE)或其它多光束產生器來進行平行加工。在至少一裝置中，沿著一預設路徑導引一超短脈衝雷射輸出以定義一加工路徑。多光束產生器將導引光束轉換成具有預設角度分布的光束陣列(例如，複數個細光束)，在多光束產生器之輸出端輸出。複數個細光束係輸入至一掃描及傳輸系統。例如，在至少一實施例中提供一n x m細光束陣列，其中n以及m的值介於1至5的範圍之間，或是介於1至10(或更高)的範圍之間。在諸多實施例中，n以及m可相同，或是不同。在一些裝置中，每秒可形成至少100孔洞，或是高達約500至1000個孔洞。
在另一示例性態樣中，本發明之特徵在於使用水輔助式雷射式方法以及系統在透明材料上鑽孔以形成多個具有低錐度以及高深寬比的孔洞(例如高的深度對寬度比值)，且其處理速度可為每秒形成至少約10個孔洞、25個孔洞、50個孔洞、100個孔洞、1000個孔洞或更多。在各種實施例中，高深寬比的孔洞的深度對寬度(例如，圓孔的直徑)的比值大於2、 大於3、大於5、大於10、大於20、大於50、大於100、大於200、大於500、大於1000或是更高。高深寬比的孔洞之深度對寬度(例如，圓孔的直徑)的比值範圍為約2至1000之間、約2至200之間、約3至30之間、約5至20之間、約10至100之間或是其他範圍。低錐度的孔洞在直徑上的變化(即沿著孔洞之長度)低於約10%、約5%、約1%或較小。低錐度的孔洞的出口直徑對入口直徑之比值是大約等於1，例如，其比值為1的10%、5%或1%之內。在另一示例性態樣中，本發明之特徵在於使用雷射式方法以及系統進行鑽孔，其中利用在處理中的材料表面上接觸脫氣的水循環以減少雷射剝離造成的雜質。其有利的效果在於在限制在孔洞中或接近孔洞(例如孔洞中的孔壁或局部基材區域)的重鑄材料形成以及累積脈衝效果的散熱情況下仍可增強鑽高深寬比且低錐度之孔洞的能力。例如，在上述脫氣之水中的溶氧程度可低於大約4.2mg/liter、約2mg/liter、更佳者為低於約1mg/liter。例如，以相同偵測器量測，在室温下水中的溶氧程度大約為8.4mg/liter。
在另一示例態樣中，本發明之特點在於使用雷射式方法以及系統進行鑽孔，其中聚焦雷射光束在水下方或孔中進行動作以產生光學擊穿並造成氣蝕現象以產生足夠強的壓力脈衝將材料雷射剝離產生的雜質排出孔洞或切口。
在另一示例性態樣中，本發明之特徵在於雷射式方法以及系統包含一超短脈衝雷射系統，其操作在高重複率下，且利用孔洞幾何圖形以及重複率之間的先前未有的相關性。例如，在其他實施例中使用下述近似關係式：Ropt (k．D)/L(t)，其中k的範圍從約250kHz至350kHz，L(t)為孔深(例如孔洞之長度)，其為時間t函數。D為孔徑(對於非錐形孔，D為固定值)。Ropt為較佳或最佳重複率，單位為kHz。根據上述參數，進行迅速鑽孔時可避免積聚雜質。對於鑽長度L的通孔或盲孔，Ropt為有效的最佳重複率。Ropt不需為常數，且隨著進行鑽孔處理的孔洞深度(例如，在不同時間t，L(t)的數值會改變)而改變。最佳重複率Ropt可為是最大值(例如，當L(t)遠小於D)，其中此最大值的範圍為約100kHz至約1MHz。
在另一示例性態樣中，可使用一鑽孔路徑(通常是鑽孔處理路徑)來進行鑽孔，根據此路徑進行鑽孔，至少部分連續性鑽洞是至少間隔 一最小鄰近距離。例如，將連續鑽孔地點分離一距離，其距離大於鑽孔處理時產生的氣泡可移動到的距離，有助於鑽孔處理的進行。在氣泡貼附至附近表面而溶解或消除後，可接續再鑽附近的孔洞。再者，利用水流傳播氣泡將其推向已經完成鑽孔的區域或是不須鑽孔的區域，將有助於鑽孔處理。
在另一示例性態樣中，可配置一氣體噴嘴來實施鑽孔處理，氣體噴嘴可將從先前鑽洞漏出的水引導遠離主動鑽孔區域，朝向目標材料上已經完成鑽孔的區域或是不須鑽孔的區域。
在另一示例性態樣中，持續過濾循環的水以移除雷射鑽孔處理所產生的雜質，並消除溶解在水中的氣體，使得雷射剝離處理產生的氣體可迅速溶解入水中而非產生長時間存在的氣泡。
在另一示例性態樣中，可加熱循環水以輔助移除溶解的氣體。
在另一示例性態樣中，水係接觸目標材料下方，而雷射光束之聚焦位置一開始是位於目標材料下方以及水中。接著，雷射光束之聚焦位置往上移動穿過目標材料以進行鑽孔。鑽孔處理可形成通孔、盲孔、開槽、溝渠、切口或其他孔洞。可清洗目標材料(例如在液體槽洗或使用超音波技術清洗)以移除在雷射加工期間形成的雜質。
在另一示例性態樣中，在進行雷射加工之間，可施加一薄膜塗層、厚膜塗層或黏膠在工作部件上以降低通孔之出口碎屑。雷射加工處理之後可移除塗層或黏膠。此外，在雷射加工處理之前可將有厚度的支撐玻璃以黏合或其他方式，以使用或不使用黏膠層，貼附至工作部件上。在其他實施例中，可使用載體晶圓做為支撐玻璃。雷射加工處理之後，可使用剝離或其他方式將支撐玻璃移除。
在另一示例性態樣中，本發明之液體輔助式雷射加工系統可進行編程在透明工作部件(例如：玻璃)上鑽通孔或盲孔。孔洞有相對低錐度以及在孔洞長度上近似固定的直徑(例如，直徑差異低於約5%至10%)。例如，可控制雷射光束之打孔(trepanning)半徑，以形成有預選錐度的孔洞。然而，本發明之系統可編程可在工作部件材料之表面及/或主體中形成其他預選形狀的孔洞，例如有特定的最大以及最小直徑及/或錐度的盲孔或開槽。 在其他實施例中，孔洞或特徵點的幾何形狀不需為圓形，亦可為橢圓、方形、矩形或一維或多維的多邊形。
在另一示例性態樣中，本發明提供一種將盲孔轉換成通孔的方法。此方法可盲孔之雷射加工完成後進行，且包含雷射拋光、雷射蝕刻、或化學蝕刻工作部件以移除盲孔之封閉端以及工作部件之表面之間的薄膜材料。
在另一示例性態樣中，本發明提供一種雷射式系統以執行上述任一方法。
以下內容將詳細描述本發明。本發明之上述及其他特徵及優勢將藉由參照附圖詳細說明其例示性實施例而變得更顯而易知。
1000‧‧‧雷射式鑽孔系統
1005‧‧‧工作部件
1010‧‧‧超短脈衝雷射源
1020‧‧‧預掃描器
1030‧‧‧多光束產生器
1040‧‧‧光束掃描與傳送系統
1042‧‧‧掃描系統
1050‧‧‧夾具
1060‧‧‧液體循環系統
1065‧‧‧液體
1070‧‧‧控制器
1075‧‧‧氣體噴嘴
1080、1082‧‧‧孔洞
1085‧‧‧水屏
1090‧‧‧水窪
1095‧‧‧透鏡
2010‧‧‧USP雷射光束
2020‧‧‧預掃描光束
2030‧‧‧光束
2040‧‧‧線材
3010‧‧‧熱水槽
3020‧‧‧水過濾器
3030‧‧‧水泵
3040‧‧‧脫氣過濾器
3050‧‧‧真空幫浦
3060‧‧‧出風口
3072‧‧‧進口
3074‧‧‧液體進儲箱
3076‧‧‧出口
3078‧‧‧液體出儲庫
4000‧‧‧雷射光束
4005‧‧‧入口表面
4010‧‧‧出口表面
4020‧‧‧聚焦區域
4050‧‧‧最小間隔
5000a、5000b‧‧‧透明層
5050‧‧‧支撐材料
6000‧‧‧方法
6100~6300‧‧‧步驟
L11、L12、L31、L32‧‧‧透鏡
Mx、My‧‧‧掃描鏡
第1圖係繪示本發明之雷射式材料加工系統之示意圖，其用於水輔助、超短脈衝雷射微機械加工，例如在玻璃上鑽通孔或盲孔。
第2圖係繪示第1圖之雷射加工系統之特定示例之示意方塊圖，其包含雷射系統以及光學系統裝置。
第2A與2B圖係繪示第2圖之雷射系統以及光學系統裝置之一部份。
第3A與3B圖係分別繪示一水循環系統之範例以及用於水輔助雷射加工系統之工作部件夾具之範例。
第3C圖係繪示水輔助鑽孔系統之一部份之範例，在水輔助鑽孔系統中氣體噴嘴係用以引導不要的液體遠離主動/局部雷射加工位置，將其導向先前的鑽孔、已完成鑽孔的區域、或是不須鑽孔的區域。
第4A圖繪示在100μm厚的玻璃上形成的10μm徑孔的俯視圖以及仰視圖，其呈現形成微米尺寸、低錐度且可忽略之碎屑的的孔洞。
第4B圖繪示在100μm厚的玻璃上形成彼此間距為25μm的複數個20μm徑孔，以及其中兩個孔洞的放大圖。
第4C圖繪示用於鑽細間距之複數孔的多個考量因素。
第5A圖繪示在100μm厚玻璃上形成30μm徑孔，其用SLM 產生的2x4陣列之光束進行平行加工。
第5B圖係繪示SLM產生的2x4陣列之光束配置，其在空間光調制器(SLM)之轉換平面上取得。
第6A與6B圖係分別繪示商用SLM之量測反應時間以及整體頻率響應之數據圖。
第7圖係繪示根據一經驗關係，孔深以及重複率之變化之範例數據圖。
第8A至8D圖係水輔助雷射鑽孔在工作部件上形成一通孔以及出口碎屑之範例之示意圖。
第9A至9D圖係繪示減少通孔之出口碎屑的技術之範例。
第10圖係本發明之對工作部件進行加工之方法之範例之流程圖。
於整份說明書中相似之參考符號代表相似之結構、元件或部分。上述圖式是僅為說明本發明之實施例之用，而非為限制。
高速且水輔助鑽孔系統之概述
第1圖係繪示雷射式材料加工系統1000之示意圖，其用於水輔助式超短脈衝(USP)雷射微機械加工。在一示例中，材料加工應用可包含使用聚焦光束之n x m陣列在一接近透明的玻璃工作部件(例如基材、樣品或晶圓)上平行加工以鑽通孔或盲孔。
第1圖所繪示之系統1000包含一超短脈衝雷射源1010以及相關的光學系統(如第2圖所示)。一選擇性預掃描裝置1020係設置以產生一掃描光束，其具有一預定路徑用以鑽單一孔洞，且選擇性預掃描裝置1020具體上有助於在該預設路徑上迅速掃描。舉例來說，預掃描器1020可用以從USP 1010接收脈衝雷射輸入光束，並沿著一預設路徑引導光束，舉例來說，針對具體的加工應用，光束之軌跡係形成一圓、螺旋、同心圓、矩形、多角形或其他幾何形狀。可使用習知雷射鑽孔系統以及文獻所熟知的打孔(trepanning)及/或軸動(wobbling)技術。
在第1圖之系統中，多光束產生器1030係接收來自預掃描器1020的光束，並產生一組不連接的光束，例如n x m光束陣列(例如：多個細光束)，如以下舉例說明。光束細聚焦以及傳送至工作部件。在一實施例中，nxm陣列之細光束彼此可相等，但本發明不受限於此。細光束之空間分配可形成一規則陣列、不規則陣列或稀疏陣列，而且該陣列可為非矩形。根據光束掃描與傳送系統1040，光束係聚焦以及傳送至工作部件1005，每一細光束之掃描路徑係對應於預掃描器產生的一預設路徑。工作部件1005之透明材料係於光束掃描與傳送系統1040之瞬時場中進行修改。控制器1070係連接預掃描器1020以及光束掃描與傳送系統1040，以控制光束移動以及工作部件定位，其根據加工應用係包含同步光束導引、後續光束導引、或工作部件定位功能。透過工作部件之Z軸及/或聚焦透鏡(第1圖中未繪示)之Z軸轉移以移動聚焦平面，可在相對厚的工作部件中形成通孔或盲孔。
使用多光束產生器產生陣列可降低高速掃描之需求。舉例來說，在一實施例中，若有足夠的加工速度，則在光束掃描與傳送系統1040使用的掃描機制可導引SLM產生的n x m陣列之細光束沿著預定路徑進行鑽孔。光束掃描與傳送系統1040之掃描機制亦可移動掃描場之位置(例如，在X、Y、X-Y或X-Y-Z方向上)或者，選擇性引導光束來加工工作部件。在此規劃中，可省略不用選擇性預掃描器(或者不啟動)。因此，SLM產生n x m陣列之USP輸出(以及相關的USP光學系統)。機台或掃描設備之任何合適的組合皆可使用於工作部件或光束定位。考量到高密度、精細線距、孔洞圖案變化以及加工速度之目標，使用預掃描器1020以及光束掃描以及傳送系統之X-Y掃描機制具體上是有幫助的。
在工作部件1005之至少一個裝置中，可選擇性安裝於一個或多個移動機台上(例如：移轉或轉動機台，其未繪示於第1圖中)，而工作部件1005係定位而由控制器輸入多光束產生器1030以進行鑽孔加工，以同樣的動作鑽n x m孔洞陣列，或是使用修改光束或光束陣列。
若多光束產生器1030包含一空間光調制器(SLM)，透過SLM之編程可增加產生陣列圖案(細光束)的彈性，具體來說，係使用電腦生成全息圖(CGH)以界定一預設SLM圖案。市面上SLM之頻率響應特徵係 顯示20ms至30ms(例如：1個標準影框時間)以足夠更新該SLM圖案，而不同的SLM設計可適用不同的變化。SLM更新可與其他系統操作重疊，例如基材位置，而其對生產量上的影響不大或是可忽略。
SLM編程參數可根據用於特定工作部件的孔洞圖案而有變化。在一實施例中，可透過平行加工以及單光束鑽孔的多種組合將生產量最佳化。SLM可據以進行編程且可用以產生單一輸出光束達到n x m陣列，舉例來說，n與m係介於1至約5或10之間。
在一些實施例中，透明工作部件(例如：待雷射加工的玻璃基材、玻璃晶圓、樣品、或其它材料)以及雷射光束之間的相對移動可與諸多元件之轉移共同進行，或是在靜止基材上執行。在一些實施例中，可使用基材移動以及雷射系統之元件的移動之各種組合來進行。
工作部件夾具1050係設置以協助液體輔助式加工處理，使得工作部件1005之一部份能接觸液體1065(例如：水或其他合適的可溶氣體液體)。材料加工系統尚包括一液體循環系統1060，其可包含一水泵、一水過濾器、一脫氣過濾器、以及一水槽(其可加熱)。循環系統1060亦可包含一出風口以及一真空管(例如，第3A圖所示)。第1圖所示之虛線箭頭係顯示液體循環系統1060產生的液體1065之循環。
系統控制器1070係用於監控以及控制副系統以及相關元件。系統控制器/電腦1070可與每一副系統相通訊，並包含用於系統操作以及控制的分散(局部)程式，舉例來說，根據至少一CGH進行SLM圖案修改、循環系統之控制、雷射以及掃描系統校正，或是相似動作。
在一示例性實施例中，在未啟動預掃描裝置1020的情況下，光束之光軸光束係導引至反光SLM，其入射角係從約2.3度到90度。在一情況下，理想入射夾角係為0度，但是小的入射夾角(例如，約低於1°、約低於2°、約低於5°、約低於10°)是可接受的。使用4-f系統，將SLM影像化至XY電流計掃描機(可用SCANLAB AG，Puchheim，Germany)之出孔徑，每一透鏡對包含400mm之消色差雙峰。一聚焦透鏡(例如F-Theta透鏡、遠心透鏡、物鏡)係設置在電流計掃描機之出口。例如，操作時透過市售的掃描控制器，預掃描共振鏡幅度A係從0增加到A度。SLM上的入射角係從A°-2.3°至A°+2.3°在一維方向上變化，以及在正交方向上從+A°至-A°之間 變化
可使用一光隔離器降低或消除SLM上的小入射角，使得入射光束以及反射光束角可垂直SLM表面，以降低或消除任何因上述小夾角造成的不對稱。偏振分光器可用於分離入射光束以及反射光束。相對於典型安裝配置，SLM以45°夾角安裝以容許來自光隔離器的光束轉動。
系統1000可包含其他元件，例如束流收集器(beam dump)、分光器、小型望遠鏡(reducing telescope)、潛望鏡、快門、波克爾斯盒(Pockels cell)、電光調製器、二分之一或四分之一波片等等。
平行雷射式材料加工之系統範例
參閱第1圖，雷射1010可包含一超短脈衝(USP)源，其提供具有合適修改透明材料之脈衝特性的超短脈衝。例如，超短脈衝寬度可介於約100飛秒(fs)至約500皮秒(ps)之間。在諸多實施例中，可使用光纖雷射式系統。舉例來說，IMRA America公司(Ann Arbor，MI)販賣或是正在研發的啾頻脈衝放大系統可提供亞皮秒超短脈衝，其脈衝能量高達約50μJ(例如，FCPA μJewel系列)。在一實施例中可使用高功率固態超短脈衝雷射系統。在系統以及方法之多個實施方式中可使用諸多USP源，例如美國專利公開申請案2010/0025387(簡稱‘5387)，名稱為"Transparent material process with an ultrashort pulse laser"，或/及美國專利號8,158,493(簡稱‘493)，名稱為"Laser-based material process method and system"。上述每一文獻係做為參考文獻進行引述而整體併入本文。
例如，超短脈衝能源可介於約0.5微焦耳(μJ)或1μJ至高達約20μJ、50μJ、100μJ或200μJ之間，在一實施例中甚至可高達約1毫焦耳(mJ)。在非常高峰值功率/高強度的裝置係受限於可能的光學損壞以及自聚焦機制之操作，並於光學設計中考量。可根據通量(例如，Joules/cm2)或強度(例如，W/cm2)選擇適當脈衝能量以修改工作部件材料。超短脈衝特性可包含一脈波寬度，其介於約100fs至10ps、100fs至100ps、1ps至100ps、或是相似的範圍。在至少一較佳實施例中，可使用脈波寬度係介於約100fs至約1ps。在工作部件上的聚焦光束之強度可介於約0.25x1012W/cm2至高達約1013W/cm2之間，而通量可從脈波寬度以及強度決定。通 量可高於該透明材料在操作波長下的單發熔蝕臨界值，或者單一脈衝通量可低於一單發臨界值，其特徵在於相對低於多個脈衝臨界值。在一較佳實施例中，可使用一光纖式啾頻脈衝放大(FCPA)系統以產生超短脈衝，其峰值功率係介於約1MW至20MW之間，或是產生亞皮秒脈衝(例如：100fs至1ps)，其脈衝能量約20μJ。可用的脈衝重複率可介於約10kHz、50kHz、100kHz以及高達約5MHz。在至少一較佳實施例中，針對玻璃基材之水輔助式鑽孔，重複率可根據特定孔洞參數而選擇或變化，舉例來說，待鑽之孔洞深度。重複率可介於約10kHz至高達約50kHz、70kHz或100kHz超短脈衝可產生在接近紅外線(IR)波長(例如：約1μm)或轉換(或產生)頻率以產生可見光(例如，波長從400nm至700nm)或接近紫外線(UV)輸出(例如，波長從約300nm至400nm)。在一些實施例中，USP可產生或頻移至IR(例如，從約700nm至2.5μm)。
USP輸出脈衝能量可在用於透明材料之平行加工的多數雷射光點之間共用，因此，較佳的是使用相對高能量USP。在一些實施例中，可使用多個雷射以及能結合多光束的光學元件，以提供足夠的脈衝能量。在其他應用中，隨著脈衝放大器之平行陣列之使用可增加脈衝能量，而其輸出係針對平行加工而同調結合式、不同調結合式或分散至個別的光學系統。例如，增加光纖式系統之脈衝能量的方法以及系統已在美國專利8,199,398(簡稱‘398)，其名稱為"High power parallel fiber array"(例如：同調結合器)、美國專利7,486,705(簡稱‘705)，其名稱為“Femtosecond laser process system with process parameter,control,and feedback"(例如：其第6圖以及相關文字係描述一分光器，用以分離脈衝形成個別時間的多個部分，其接著在放大之後隨著時間分離脈衝之重新組合)。美國專利公開申請案2012/0230353(簡稱‘353)，其名稱為"Optical pulse source with increase peak power"(例如：重新組合個別時間脈衝，並放大脈衝以形成一有增加峰值功率的脈衝)。‘398、‘705、以及‘353之揭露內容係做為參考文獻進行引述，並整體併入本文。
USP光學元件可由市售的元件(圖中未顯示)提供，或是在材料加工應用之一最終用戶配置中，或者兩者皆有。USP光學元件可用於光束擴大/縮小、偏振控制、波長轉換/選擇、調變/強度控制、脈衝選擇、光束 移動或其他操作。
在第1圖之示例中，選擇性預掃描裝置1020係定義一用於產生單孔的工作部件加工路徑，此單孔係大量複製以平行(實質上同步)鑽多個孔洞。產生孔洞的雷射鑽孔方法可分為兩類，衝擊鑽孔法以及旋切打孔法(trepanning)。舉例來說，在2001年美國雷射學會發表的雷射材料加工之LIA手冊的第13章，第471-474頁，Ready,John F.(ed.),“Hole drilling”。在許多旋切打孔雷射鑽孔的應用中，具體上是微機械加工之尺度，需鑽的孔洞尺寸遠大於聚焦點的尺寸。因此，鑽孔光束會穿透材料進行旋轉以及前進。相反地，在衝擊鑽孔法中雷射光束聚焦成大約是待鑽之孔洞的尺寸，而至少一脈衝用於鑽孔。在本發明之各種實施例中，旋切打孔法是用於形成孔徑大於聚焦雷射光點尺寸的孔洞。同時，舉例來說，透過控制雷射光束之旋切半徑，可形成有預設錐度的孔洞。上述錐度(孔洞之端部之間)可為線性錐度或任何類型的錐度。
在本發明之至少一實施例中，在將光束引導向多光束產生器1030之前，預掃描器1020先產生旋切打孔光束。在至少一裝置中，預掃描器包含用於旋切打孔的一對共振掃描機。相比於較高慣性的掃描機(例如X-Y線性電流計、旋轉柱或是相似裝置)，具有微縮鏡(compact mirror)的共振掃描機能相對高速操作。然而，如果有足夠的旋切打孔速度，則亦可使用較高慣性的掃描機。在一實施例中，可使用兩維聲光偏轉器用於高速旋切打孔，且足以補償超短脈衝造成與掃描率以及色散效果有關的任何透鏡效果。
舉例來說，多光束產生器1030可包含一空間光調制器(SLM)以形成n x m陣列光束(例如多個細光束)。上述裝置可用為反射式液晶型SLM，例如適用波長約1064nm的HSPDM512-1064-PCIe，其由Meadowlark光學公司(Frederick,CO；formerly Boulder Nonlinear Systems Inc.(BNS))提供。根據總孔圖案的重複性、密集度、以及與應用相關的因素，比起單光束加工，平行加工可增加鑽孔速度高達n x m倍。在一實施中，多光束產生器可達成的陣列尺寸n x m可高達約5 x 5、10 x 10或較高尺寸的陣列。n與m的值可至少部分由代加工的孔洞圖案之尺寸以及個別孔洞之孔徑所決定。陣列的長寬可為1至約10之間，例如，3 x 3、2 x 4或1 x 8。如上所 述，SLM產生的圖案並不受限於矩形陣列，在一實施例中，SLM產生的圖案可包含圓形陣列、六角形、多角形陣列或其他需要的幾何形狀。
在一雷射加工應用中，多光束產生器1030亦可包含至少一繞射光學元件(DOE)以產生多個細光束。亦可包含多個光學元件以散發光束。舉例來說，如美國專利號5,948,291，名稱"Laser beam distributor and computer program for controlling the same"，揭露一連串的具有透射以及反射部的可動光束反射器。可根據特定應用目標來選擇具體應用的原件。各種變化型皆為可能。
光束掃描與傳送系統1040接收多個細光束，並透過預設掃描圖案將多個細光束聚焦傳送至目標材料(例如，工作部件1005)。在至少一實施例中，可使用傳統X-Y電流計型鏡子以及掃描透鏡與動態聚焦機構，將多個細光束傳送至工作部件目標材料。可使用平場掃描透鏡或遠心掃描透鏡。
雷射以及光學裝置之示例
第2圖為平行材料加工的具體雷射以及光學系統裝置的示例。此裝置包含一USP源(1010)、一預掃描器(1020)、做為多光束產生器(1030)的一SLM、以及光束掃描與傳送系統(1040)。此裝置更包含工作部件1005(樣品)以及定位機構(例如：X-Y機台)。
此雷射輸出(例如，一連串超短脈衝)是引導向一外部脈衝選取器(例如，波克爾斯盒(Pockels cell))。可使用光束縮束望遠鏡以及偏振元件，以調整波克爾斯盒之光束尺寸以及偏振。脈衝選取器是用於變化雷射之有效重複率，尤指作為一下計數器以選擇性調整提供給下行光學元件以及目標材料的雷射脈衝率。波克爾斯盒可使用做為高速強度調製器及/或在此雷射加工系統控制雷射功率在至少約50：1之動態範圍內。半波片(1/2 WP或HWP)與分光棱鏡(PBS)之組合可減弱此雷射至需要的功率。
在第2圖之示例中，使用一電光調製器(例如波克爾斯盒)於強度調製及/或脈衝選擇。偏振光學元件(例如波片)與在光束擴大/縮小光學元件之組合是用於輸入以及提取雷射脈衝。在一些實施例中，聲光盒(AO)可與適當的光束塑形光學元件一起使用。預掃描器可包含共振掃描鏡，用 於對一或雙方向進行掃描。比起線性電流計型系統，共振掃描鏡其可提供較高的旋切打孔率。此外，線性電流計鏡可編程在足夠高速下產生旋切打孔雷射光點，用於各種鑽孔或微機械加工應用。
在第2圖之裝置中，預掃描器1020包含X-Y鏡(例如共振掃描機)，用於光束導引，以及包含多個4-f光學副系統，其具有適當的光束操作光學元件用於控制光束尺寸以及形狀。可更進一步擴大及/或縮小掃描光束以相符適用的SLM清楚孔徑，且此掃描光束傳送下行至一多光束產生器。在此例中，多光束產生器包含一SLM。多光束產生器1030形成n x m陣列的細光束。接著，每一細光束聚焦以及傳送至工作部件1005，用於根據預掃描器1020產生的預設旋切打孔路徑進行平行加工。
第2A圖更詳細繪示一部分的預掃描裝置。在此例中，在Mx鏡以及My鏡之間設置一4-f成像系統，此兩鏡在垂直方向x以及y上旋轉，其包含兩透鏡L11以及L12。在此例中，透鏡L11以及L12皆具有相同焦距f，但其可有不同焦距以產生放大。在工作站環境中，在Mx鏡以及My鏡之間設有4-f成像系統，可讓裝置更有操作彈性。在各種實施例中，若把Mx鏡以及My鏡設置更靠近，則可不用第一4-f系統且可簡短光學路徑之長度。在實施例中，在相對輕薄的裝置中，可使用光束路徑彌補技術以有效消除鏡偏移量。
在本實施例中，透鏡L11以及L12設置彼此相隔距離2f，如圖所示。在透鏡L11的物平面上，第一掃描鏡Mx與透鏡L11(例如從透鏡中心或是主平面)相隔距離f；在像平面上，第二掃描鏡My與透鏡L12(例如透鏡中心或主平面)相隔距離f。此裝置造成鏡Mx成像到鏡My，且當鏡Mx移動時，此裝置可有效保持光束靜止在鏡My上。USP雷射光束2010入射至第一掃描鏡Mx上。從第二掃描鏡My離去的光束形成一X-Y預掃描光束2020，其可引導向一額外的4-f系統。
在至少一較佳實施中，第2圖中繪示的額外4-f系統成像系統(在第2B圖中標示為4f-2)將預掃描光束2020成像至多光束產生器1030(例如SLM)，使得入射光束靜止在SLM之正面上。4f-2裝置亦可設置已放大光束到適合用魚SLM適用孔徑的尺寸。
參閱第2B圖。與第2A圖所示相似的光學裝置用以提供 SLM(或其他多光束產生器)以及所產生的細光束之成像，成像至下行X-Y掃描系統以傳送至工作部件。首先，從第2B圖之第二4-f成像系統(4f-2)所接收的光束入射到SLM上。第2B圖所示的額外4-f成像系統包含兩透鏡L31以及L32，用於將SLM成像到掃描系統1042之出孔上。在此例中，兩個透鏡具有相同焦距f，但若使用不同焦距可產生放大效果。此些透鏡彼此相隔距離2f。物平面(SLM)與透鏡L31(例如透鏡中心或主平面)相隔距離f。對應X-Y掃描機1042之出孔的像平面離透鏡L32之中心(例如透鏡中心或主平面)距離f。此造成SLM以及出射的n x m陣列之細光束成像到X-Y掃描機系統1042之出孔上，而引導光束2030射向附近聚焦目標所在位置。此聚焦目標傳送此聚焦光束至工作部件1005，如第2圖所示。值得注意的是，在L31之背聚焦平面中，SLM圖案之傅立葉轉換(FT)可方便形成在轉換平面FT。
例如，多光束產生器1030可為市售的液晶型空間光調制器(SLM-LCD)，可更佳提供校正曲線。波前校正可應用於縮小不要的空間相位變化。使用特定偏振敏感SLM，λ/2波片可用於旋轉偏振入射光至SLM上，使得偏振可與SLM之縱軸平行。
更多的系統考量因素
對於雷射加工系統的長期穩定性以及光束管理，有額外的考量可用於全天操作(例如24/7)。在實施例中，為了補償系統中的製造變異以及時變的焦距變異，可包含額外的光學元件以校正焦距以及放大。在較佳實施例中，可實施自動校準程序，由控制器進行光學調整。
在雷射加工應用中，可使用高數值孔徑(NA)光學系統以縮小深度之焦距產生小點。可使用三維以及定位機構將工作部件上的深度變異降到最小。可使用傳統用於半導體量測以及處理的動態聚焦以及表面方法可用於補償縮小深度的焦距。更佳地，工作部件表面平坦度以及正交性的偏移量足夠小時可降低或避免n x m陣列之細光束場中的動態調整。以下將更進一步討論。在至少一實施例中，在一範圍(高於工作部件與夾具的深度變異之總厚度)內的Z軸調整可縮小或避免在光場中的Z軸調整。
此外，在各種實施例中，應阻擋從SLM反射出的零階光束 (除非沒有使用)，使得任何殘留的零階功率不會對雷射加工結果有任何影響。應在不產生前向傳播雜散光以及不影響SLM產生的衍射斑點(細光束)的情況下，阻擋從SLM射出的零階光束。在至少一實施例中，衍射斑點之圖案有些微移動，例如約5μ施至10μm，以容許阻擋零階光束。在一示例中，可使用一薄型三維定位機構將線材2040定位在傅立葉平面(FT)下以阻擋零階光束，如第2B圖所示。
在至少一實施例中，可調整零階光束之阻擋，以使用不同的SLM產生圖案。使用SLM之好處在於其透過電腦生成全息圖(CGH)產生各種圖案的能力。在實施例中，對於n x m之陣列(n以及m為奇數整數，例如3x3陣列)，零階光束可使用做為圖案之中央光束。在此裝置中，零階光束之強度可透過CGH控制以避免孔洞過度曝光，其包含高強度的零階光束。
高速水輔助鑽孔之示例
本發明之一態樣係為一用於晶圓尺寸之樣品(例如約6英寸或約15毫米直徑)的水輔助系統以及連續處理流程。請再參閱第1圖，可包含用於水流控制、雜質過濾、脫氣以及加熱的副系統。相對於先前系統，連續流動水輔助系統可減少出口表面碎屑，並能移除以及控制氣泡。水輔助鑽孔技術有多個優勢：(i)透過氣蝕力從高深寬比孔洞移除雜質；(ii)冷卻雜質顆粒以避免重鑄孔洞內部；(iii)冷卻基材以避免破裂；及/或(iv)捕捉雜質(非在空氣中)。透明材料之水輔助式加工可產生非常小而高深寬比的孔洞，且無錐度。將在以下示例說明。
對於系統的考量因素以及挑戰在於處理因氣泡聚積而阻擋水進入孔洞的問題。對於相對深且高深寬比的孔洞，當沒有水時，不會有空化壓力協助排出雜質。如果無法從孔洞排出雜質，則鑽孔會變慢而最後停止。進一步，鑽孔之後，可通水進入此孔洞之出口表面但也會干擾後續附近孔洞的雷射聚焦。在出口表面碎屑以及處理速度之間必須有取捨。當孔洞非常接近出口表面時，容易觀察到出口表面碎屑會因為水中的氣蝕現象而從光學擊穿中產生。此壓力壓破玻璃之薄剩餘層而產生出口表面碎屑。與較低脈衝能量與較慢平移速度相比，較高脈衝能量以及更快的Z軸平移 將可減少鑽孔時間，但是通常也會在出口表面產生更多的碎屑。當材料夠厚可抵擋空化壓力時，可在接近出口表面之處使用低脈衝能量以及平移速度，而在基材主體中使用較高脈衝能量以及較高平移速度，藉此盡可能達到最佳化。上述考量可用於傳統單光束鑽孔系統以及平行加工系統中。以下將以範例說明減少碎屑的技術以及裝置。
參閱第1圖。如上所述，工作部件夾具1050之一部分係設置接觸液體1065(例如水)。系統1000更包含液體循環系統1060，其可包含一水泵、一水過濾器、一脫氣過濾器以及一熱水槽。
在至少一實施例中，水在基材下方且直接接觸基材。例如，雷射係從上方導入。光束聚焦平移之z方向範圍是從基材之下方邊緣開始，到基材之上方邊緣結束。在基材上方以及下方的額外移動會增加處理時間，但可讓上述處理對於基材之平坦度較不敏感。如果使用自動聚焦裝置，則可降低或最小化上述額外移動。
如果使用單一個超短脈衝雷射光束，則上述處理會較慢但是可僅使用低脈衝能量，例如處理玻璃時可僅用約2μJ以下的脈衝能量，而處理藍寶石時可僅用約4μJ以下的脈衝能量。本文描述的平行加工可增加高速處理、在線工業應用的可能性。在應用中，可使用IMRA美國公司市售的雷射產品(例如光纖式啾頻脈衝放大(FCPA)雷射技術)，用於實用確立之雷射技術的超短雷射加工。例如，用於平行加工至少約10μ0、20μ0、50μ0或100μ0的脈衝能量。例如，100μ0輸出足以處理藍寶石上高達有25個元素的陣列，藉此可增加有重複陣列孔洞的生產量。如上所述，本發明揭示在光纖式系統中提供高脈衝能量的方法以及系統。
第3A圖繪示一閉迴路水循環系統1060之範例的部分元件。熱水槽3010用於調節水温，水過濾器3020用於移除雜質，水泵3030執行系統中的水循環(虛線箭頭顯示水循環)。脫氣過濾器3040用於移除水中氣體。真空幫浦3050產生壓力差(例如，圖中所示的實心箭頭)將氣體從水中移除。工作部件夾具1050握持工作部件1005(例如，目標晶圓或其他目標基材)，並讓水順暢地沿著工作部件之底面流動。雖循環系統1060中使用水，但本發明不受其限制，仍可使用其他液體進行循環。
第3B圖繪示工作部件夾具1050之示例之剖面側視圖。夾 具1050可支撐工作部件1005，其可為一半導體晶圓。工作部件夾具之用途在於讓水在晶圓下方以及鄰近待鑽孔之入口表面處能順暢流動。晶圓係貼附在夾具之頂面。在一實施中，水流之深度係低於約4mm，而保持在約1mm至約5mm之間的範圍內。在其他實施例中，可允許更大深度，例如10mm或100mm。減少或最小化深度可減少輸送至系統之水的用量。深度亦可影響氣體、雜質以及水從孔洞下方的排出。
工作部件夾具1050可包含一進口3072、一液體進儲箱3074、一出口3076以及一液體出儲庫3078。工作部件夾具1050之進口3072是一個相對大的液體進儲箱3074，其用途在於從一供應水的圓形軟管輸送水流到晶圓下寬以及扁的空間。液體出儲庫3078亦作為一累積器，以避免或減少水壓累積在出口3076。在出口管路的出風口3060可開放至大氣以避免此管中充滿水而產生吸力造成水抽出的速度高於水泵供應的速度。
第3C圖繪示水輔助鑽孔系統之一部份的示意圖。圖中，設置氣體噴嘴1075以引導不要的液體遠離主動/局部雷射加工位置，特別是引導朝向先前的鑽洞1080、已經完成鑽孔的區域、或是不須鑽孔的區域。氣體噴嘴亦用於避免從孔洞排出的液體接觸到聚焦透鏡。第3C圖顯示工作部件1005中待鑽之孔洞1082之入口表面4005以及出口表面4010的位置。在接近工作部件1005之入口表面4005(相鄰於液體)在對焦雷射光束4000之聚焦區域4020開始鑽孔程序。鑽孔時，雷射光束4000之聚焦區域4020朝工作部件1005之出口表面4010(相對)移動。工作部件1005之出口表面4010通常外露於環境中(例如空氣；然而，在第9A-9D圖中，工作部件之出口表面係由一暫時透明黏膠、塗層或蓋層所覆蓋)。因此，在第3C圖所示之示例性系統中，在鑽孔時，對焦雷射之聚焦區域是向上移動。在其他系統中，可在工作部件鄰近空氣的表面開始鑽孔程序並朝向鄰近液體的表面移動。雖然第3C圖中所示的孔洞1080與1082與工作部件1005之入口表面4005以及出口表面4010垂直，但這僅是說明之目的而非為限制本發明之目的。在其他示例中，可適當的定向工作部件1005以及雷射光束4000，讓孔洞(或其他類型的洞)與工作部件表面形成不同夾角。
如果循環水壓過大，則更多的水會流過工作部件中加工的通孔。高水壓亦可能讓薄的工作部件偏斜。如果有負壓(例如來自出口管線 的吸力)，則空氣將會透過既有的孔洞被吸入水中而產生空氣氣泡，其會妨礙附近的鑽孔。
在鑽孔處理之特定實驗期間，當光束射向工作部件1005下方(例如孔洞之入口表面4005下方)時，水中可看見電漿。當開始加工，水中可看見氣泡以及雜質排出。當從出口表面4010(工作部件之頂部)破壞出孔洞時，水即從出口表面4020向上排出。當在工作部件表面上導向孔洞的空氣或惰性氣體噴嘴1075可用於避免孔洞穿透而產生的水屏擊中聚焦透鏡(如第3C圖所示)。抽吸系統亦能避免水掉到工作部件的表面上而妨礙後續鑽孔的聚焦。此外，上述水屏亦可引導朝向不須鑽孔的區域或是已經鑽孔的區域。
此外，鑽孔之處亦設置一氣體噴嘴，用以將漏水引導向先前的鑽洞而遠離局部或主動雷射加工位置。第3C圖繪示迫使不要的液體遠離主動或附近雷射加工位置的裝置。例如，可迫使液體朝向工作部件1005上已經完成鑽孔洞1080的區域、或是不須鑽孔的區域。可設置連接至少一噴氣源(其連接控制器1070)的至少一氣體噴嘴1075，以避免水屏1085噴到聚焦透鏡1095以及選擇性排出液體，以避免在工作部件表面上形成水窪1090，進而避免對雷射聚焦以及處理有負面影響。
跨過工作部件(接近孔洞之入口表面4005)的水流應足夠大足以移開任何氣泡。因此，在水流率、水壓、氣泡產生、排水以及氣泡移除之間要有取捨。從實驗結果觀察，如果水流無法將水推出小徑孔洞(例如60μm直徑的孔洞)，也無法移除太黏附在玻璃表面的氣泡。增加流量可提高水壓。因此，進行水循環之優勢在於可從水中移除雷射剝離的雜質並循環已脫氣的水到晶圓，使得水能迅速重吸收氣泡。
較佳地，使用流動的水(可經脫氣)可減少雷射剝離處理中產生的氣泡(電漿以及雜質)。如果氣泡阻擋在形成孔洞的入口處，將會讓水無法進入且無法產生氣蝕壓力以移除雜質。即使未使用特定理論，一般相信水氣蝕現象可輔助剝離雜質從深孔洞排出。特別是，聚焦雷射光束可在下方的水中或是孔洞中移動以產生光學擊穿以及氣蝕現象，藉此足夠強的壓力脈衝可將雜質排出孔洞或切口外。若沒使用水，則雜質無法從深孔洞移去且會在孔壁側上形成重鑄，最後完全阻擋孔洞。如此一來，從實驗觀察， 沒有使用水會導致結束剝離處理結束。
可根據氣泡造成的限制，修改鑽孔順序以改善加工結果。具體而言，在各種裝置中，當在晶圓上進行大陣列孔洞之加工時，可使用非連續的加工方式，其可讓鑽洞期間產生的氣泡在相鄰孔洞加工之前溶於水中或導離水。更佳的是，孔洞順序應由其距離大於氣泡從特定孔洞移動(表示氣泡會黏附在下玻璃表面)的距離的孔洞而決定。例如，上述距離至少約0.5mm，其範圍約1mm至2mm。更進一步，晶圓上的孔洞圖案的處理方向之設定，應該對應水流動下氣泡傳播的方向，藉此水流可將氣泡推到晶圓上已經加工孔洞的區域或是不需產生孔洞的區域，如此，氣泡不會干擾鑽洞。同理，在出口表面上的水應往同一方向推動。
當變化雷射重複率時可觀測到驚奇效果。雖然光纖雷射系統可具有相對高的重複率，但是經實驗發現在許多情況下相對低的重複率可鑽穿最大基材厚度且產生小孔徑。然而，上述相關性並無法在低重複率(例如1kHz)超短脈衝上觀察到。傳統上，會建議使用較高重複率搭配較高的處理速度。此外，實驗上亦可發現提高10倍的重複率(例如，從22kHz提高到200kHz)無法有效製造小孔洞。
有不同厚度的玻璃基材可加工形成不同孔徑D。當玻璃越厚，則能用於鑽透基材的重複率則越低。此外，鑽孔的孔徑越大，則能穿透基材的最大重複率則越高。孔洞之深寬比(長度/徑長)與最佳重複率相乘的值是大約為250kHz至350kHz。例如，對於100μm厚度的玻璃中的一20μm直徑孔洞，深寬比為5，則最佳重複率為50kHz至70kHz，其符合以下關係式：Ropt (k．D)/L(t)
其中k值的範圍從約250kHz至350kHz之間；L(t)為孔深(例如孔洞之長度)，其為時間t之函數；D為孔徑(對於非錐形孔而言，孔徑為一常數)；Ropt係為避免迅速鑽孔時積聚雜質的一最佳重複率，其單位為kHz。因此，在特定實施例中，Ropt為長度L以及直徑D的孔洞之鑽孔有效的最佳重複率。對於非圓形孔洞，D代表孔洞之寬度。對於其他類型的洞(例如凹槽或切口)，D代表此洞的側面尺寸，而L(t)代表此洞的深度。為了鑽一通孔(穿透整個工作部件的孔洞)，則長度L最終值係對應工作部件之厚度。 為了鑽一個盲孔(不穿透整個工作部件的孔洞)，則長度L之最終值對應於盲孔之深度，且小於工作部件之全厚度。在其他實施例中，比例係數k的範圍在約100kHz至1000kHz之間。開始鑽孔時(例如t接近0)，深度L(t)的數值小(例如，遠小於D)，此時重複率可達一最大重複率，例如可使用上述關係式中最大重複率。最大重複率的範圍從約100kHz至約1MHz之間。
未使用任何特定理論，重複率現象與從雷射剝離之水氣蝕現象產生的孔洞中的水共振有關。當孔洞較深(或在較厚的基材中形成孔洞)時，孔洞內的水量增加。為了增加加工速度，可隨著待鑽的孔洞之深度而變化重複率，或是當孔洞變深時減少雷射重複率。所選的重複率的範圍在約5kHz至10kHz，甚至高達約50kHz、70kHz或100kHz之間。
綜上所述，對於較薄的玻璃(例如，較小值的L)可使用較高的重複率。但對於較厚的玻璃(例如，較大值的L)，使用較低的重複率可能會導致鑽孔終止或鑽孔效益不彰。在接近水表面，雷射剝離產生的水氣蝕現象的限制會接著產生一大的壓力脈衝。最大重複率會受限於在孔洞中的形成妨礙的水的共振頻率。當孔洞變得較深，形成妨礙的水量增加而使得共振頻率變低。因此，可控制的重複率有利於對不同厚度之基材上鑽洞。因此，鑽孔時，鑽孔系統之特定實施例可降低雷射重複率。例如，重複率可反比於洞孔深度。
示例 旋切打孔以及鑽孔-實驗觀察
使用旋切打孔、軸動或其組合生產孔洞，所產生的事非常圓的孔洞，且對光束品質的依賴性低。光束動作以及重複率之組合會影響後續脈衝之時間以及空間分離。具體而言，對於大孔洞，脈衝重疊會影響氣泡動作以及熱能累積，而對小孔洞較無影響。使用市售的電流計型掃描(例如，預掃描以及X-Y掃描)，可達成速度50mm/s至500mm/s之間的旋切打孔(高達1kHz至3kHz的頻率)。在特定情況下，可使用共振旋切打孔以增加旋切打孔頻率高達至約15kHz。此更高的速度可降低快鑽孔速度造成的脈衝重疊。
整體而言，對於特定實用的商用實施，孔洞加工速度有其 上限。增加脈衝能量可讓Z軸速度以及旋切打孔更快，但在出口表面有更多的碎屑。在剝離臨界上較長之聚焦區域可能會造成碎屑。當光束聚焦在出口表面些微下方時，較高的脈衝能量會造成較嚴重的剝離以及氣蝕現象，其會穿透薄的剩餘材料進而造成更多碎屑。
根據孔洞尺寸、孔洞間的間隔以及雷射脈衝能量，可使用的平行光束之數目也有限。為了加工小孔洞，常使用有高數值孔徑(NA)的聚焦透鏡。高NA透鏡有相對小的聚焦平面場區。因此，配合此場域的光束數目與光束之間的間隔相關。由於每一光束能產生足夠通量以加工此目標材料，所以能產生的光束總數量依賴雷射可產生的最大脈衝能量除以使用給定聚焦透鏡以加工單一孔洞的脈衝能量。
一連串的鑽洞之間的最小間隔至少部分依據孔徑以及樣品厚度。如果孔洞彼此之間太靠近，則當聚焦樣品之入口表面上時，既有的相鄰孔洞會扭曲光束，而降低產生小而精準的聚焦光點之可能性。第4C圖繪示有限效果以及顯示相鄰孔洞之間最小間隔4050的示例。在各種實施例中，最小間隔4050可為孔徑D之倍數，例如0.1D、0.25D、0.5D、0.75D、1.0D、1.5D、1.75D、2.0D、2.5D、3.0D或更多倍數。除了生產多個相靠近的孔洞陣列，平行鑽一個有相近間隔的孔洞陣列時，不會受到精細線距之極限。
在其他實施例中，使用有相對高NA之聚焦透鏡，當在孔洞之開頭(工作部件之底部)的線距很小時，相鄰孔洞會干擾聚焦。進行平行加工時，多個平行的孔洞以相同速率逐步形成，所以此類型的干擾較不會造成問題。然而，在特定情況下，平行加工僅能處理有限數目之孔洞，而此限制可能遠小於陣列中鄰近孔洞的數目。所以，在此特定情況下，此干擾對於有鄰近間隔之孔洞的大陣列是一種挑戰。在其他實施例中，為了解決此挑戰，可能以局部加工每一孔洞或次孔洞陣列至一深度，其可降低或避免相鄰孔洞之間的干擾。接著，在下一步驟中雷射鑽孔系統重覆地走過每一孔洞或次孔洞陣列，以逐漸增加深度直至完成所有孔洞。
通常，上述最小間距不希望與基材厚度相關，但是處理步驟之數量是與基材厚度相關。孔洞之間的小量玻璃之機械強度可能會限制較小線距。如下所述，對薄玻璃鑽非常小孔洞線距時，用以降低孔洞碎屑 的支撐材料或支撐層亦可用於支撐玻璃。
在其他實施例中，在增加聚焦之Z位置以增加深度之前，透過局部加工整個孔洞陣列至特定深度，可能獲得縮減的孔洞線距。為了每一次可回到每一孔洞的大致上相同位置(例如1μm之精準度或更佳的精準度)，可使用高度反覆傳送台以逐步鑽整個陣列孔洞。
例如，使用連串鑽孔的方法，在200μm厚玻璃上鑽20μm直徑的孔洞之間的最小間距可為100μm至150μm之間。使用逐步鑽孔的方法，可進一步縮減孔洞線距，例如縮減至30μm或更小。
此外，在此實驗中，產生的氣泡似乎不會干擾鑽孔。在特定情況下，其可能是氣泡排出測試的陣列之孔洞夠遠但更大的孔洞陣列有產量的問題。作為測試之用，量測孔洞截面可證明在每一次鑽圓孔時，上述定位台事實上是將樣品定位到正確位置。
水輔助鑽孔結果以及後續鑽孔
第4A圖顯示在100μm厚的玻璃上鑽10μm直徑之孔洞的入口表面(左)以及出口表面(右)的光學顯微鏡影像之俯視圖。出口直徑與入口直徑大約相同，例如在100μm的直徑中誤差約1μm，其可表示非常低錐度。孔洞邊緣表面上的暗色的環狀影像是因為沿著玻璃基材之厚度(孔深)有累積的光線吸收或散射現象。傳統雷射加工生產的錐狀孔洞的出口直徑明顯小於入口直徑。
第4B圖顯示在100μm厚玻璃(左)上逐一加工20μm直徑的孔洞之10x10陣列之光學顯微鏡影像(俯視圖)，以及兩個相鄰孔洞之放大圖(右)。放大圖中顯示兩個加工孔洞的間隔為25μm，其接近上述玻璃厚度以及聚焦透鏡NA的條件下在相鄰孔洞彼此干擾尚未大幅增加下的最小距離。
第4A以及4B圖中的影像是在樣品有支撐的情況下擷取的，因此孔洞下方沒有任何物件。值得注意的是，孔洞之邊緣顯示出沒有碎屑。如上所述，因為孔洞內部表面係相對粗糙而散射照明光線，所以孔洞之圓周上有暗色的圓形影像。
旋切打孔以及鑽孔結果--平行超短脈衝處理
第5A以及5B圖繪示平行加工結果之範例。
第5A圖係顯示100μm厚的玻璃上30μm直徑的孔洞2 x 4陣列(孔洞間隔70μm)的光學顯微鏡影像之俯視圖。其使用SLM進行平行處理。第5B圖係顯示此SLM產生之2 x 4陣列光束的影像，其在SLM之轉換平面(FT)上使用一光束曲線攝影機擷取此影像。
上述孔洞品質相當於後續處理(單光束)產生的孔洞(請見第4A以及4B圖)。與單一光束鑽單一孔洞所需的相同時間內，先粗糙產生2 x 4陣列中的8個孔洞，但是其需要鑽單一孔洞所需的脈衝能量(約SLM之95%的效能)的8倍。
SLM反應時間以及頻率響應
在此評估Boulder Nonlinear System(BNS)公司市售的SLM的反應時間。BNS提供的SLM軟體是用於周期性的相位圖案。所使用的兩個相位圖案包含(1)空白圖案或(2)一維閃耀光柵(週期為8個像素)。傅立葉面上的狹縫孔是用於阻擋零級光束以及傳送閃耀光柵的一級光束。
SLM軟體周期性地切換空白圖案以及閃耀光柵圖案，其在光二極體輸出端產生一方波圖案。上昇以及下降時間受限於SLM之切換速度。第6A圖繪示一示波器影像，其顯示切換幀率。應注意的是，幀率為1/T，T為影像之時間長度。示波器之取樣頻率為幀率的一半。SLM的上昇時間(0-90%)=17ms，下降時間為6ms。
第6B圖繪示示例性SLM的頻率響應之示意圖。在30Hz至40Hz的幀率，頻率響應僅有少許或沒有下降。因此，在實際商用上可以考量在執行微機械加工之前SLM使用20ms至30ms來改變圖案。在等待期間，可執行另一系統操作，例如定位工作部件。
在其他實施例中可使用其他系統、設定以及參數，以提供相同或不同的結果。應注意的是，許多可能的變化皆在本發明之範圍內。如需要，可增加/移除/結合/重設置材料、成份、特徵、結構及/或元件。此外，可增加、移除或重排序流程或方法步驟。對於每一實施例，沒有單一特徵或步驟、特徵群組或步驟群組是不可或缺或必須的。
重複率以及孔洞參數
如上所述，經驗關係式可提供根據特定孔洞參數設定雷射脈衝重複率的指導。不使用任何特定理論，最佳重複率係近似Ropt (k．D)/L(t)，其中k的範圍從約250至350kHz之間；L(t)為孔深(例如孔洞之長度)，其為一時間t函數；D為孔徑(對於非錐形孔，D為常數)；Ropt為最佳重複率，其單位為kHz。
第7圖為根據此經驗關係的重複率與孔深之間的變化示意圖。此關係不包含在鑽孔期間改變Z軸速度的考量。例如，以固定的25kHz重複率，在500μ0厚玻璃上鑽40μm直徑的孔洞。此外，使用上述經驗關係，重複率可為孔深之函數而隨之改變。例如，孔深增加時可降低重複率(例如，大約與孔深呈反比)。
此經驗關係中，時間t為0(其中L(t)=0)時Ropt未定義。在實際態樣上，接近在工作部件之入口表面處，對於初始鑽孔重複率可實現的上限的範圍在約100kHz至高達約1MHz或5MHz之間。在高重複率時，先前脈衝之擴大電漿或水屏會干擾上述鑽孔處理。在至少一實施例中，水輔助鑽孔係由下而上進行處理，進而降低水屏干擾，但是所產生的電漿會限制鑽孔處理。無論初始重複率為何，隨著鑽孔進行(例如，當L(t)增加時)，重複率會快速下降，藉此限制使用非常高初始重複率的速度改善。
降低通孔之出口碎屑的示例性技術
第8A至9D圖繪示水輔助式雷射鑽孔的各種示例以及降低通孔之出口碎屑的示例性技術。使用這些技術可改善通孔品質。在下述示例中，鑽孔系統使用的液體為水(例如，經脫氣的水)，但亦可使用任何合適的液體。
在工作部件之出口表面(例如，未暴露於水的表面)上使用一可移除的塗層、黏膠或支撐材料(例如，支撐玻璃、載體晶圓或其他合適的透明材料)，可減少碎屑。
在玻璃上以水輔助鑽通孔的實驗中，在目標玻璃基材之出口表面附近，不要的碎屑產生在孔洞邊緣周遭。沿著出口孔洞之邊緣的碎 屑尺寸約5μm，其可為孔徑之一大部份。例如，在其他鑽孔應用中，需要直徑範圍在約5μm至50μm之間的通孔。除了會改變孔洞幾何圖形，碎屑也會造成玻璃在其他物件之間有應力集中時的強度。出口表面可為光束離開之玻璃空氣介面或玻璃水介面。
實驗顯示在玻璃介面上引進薄膜塗覆層、厚膜塗覆層、黏膠或有一定厚度的支撐玻璃(不管有無黏膠薄層)，可降低碎屑。鑽孔操作完成之後，可移除(例如，以溶劑清洗)塗覆層或支撐玻璃(不管有無黏膠)。
未使用任何特定理論，當表面下雷射聚焦接近出口表面時，因為雷射剝離處理以及水氣蝕現象產生的壓力，玻璃之剩餘薄層在熔蝕之前被折斷而造成碎屑。實驗顯示，增加脈衝能量會增加碎屑尺寸。
以下將說明基材碎屑的特定態樣以及使用膜、塗層、黏膠及/或支撐玻璃降低或消除碎屑的示例。
第8A至8D圖繪示在工作部件上進行水輔助式雷射鑽孔以及形成出口碎屑的示意圖。如第8A圖所示，在水中，雷射光束4000先聚焦(例如，經由透鏡1095)在透明工作部件1005(例如玻璃)下方的聚焦區域4020，並接著向上移動以鑽一孔洞1082。具體而言，上述處理流程適合處理在雷射波長下呈現光學透明的基材。第8A圖中，雷射聚焦在正z方向上往上移動(相對移動)。第8B以及8C圖則顯示雷射光束4000之聚焦區域4020移動進入玻璃工作部件1005之主體，而透過雷射剝離，雷射光束開始移除材料以形成孔洞1082。經由孔洞1082中的水擷取以及冷卻所產生的雜質。雷射剝離亦在水中產生氣蝕現象。雷射剝離以及水氣蝕現象產生的壓力可協助雜質經由孔洞入口4005從孔洞1082排出並進入工作部件下方的水1065中。冷卻水中的雜質可避免雜質重新附著到孔洞之內部表面上。在工作部件下方的水中可看見從孔洞入口排出的雜質以及氣泡之水屏。充滿雜質的水從孔洞排出後，隨著氣蝕壓力消退可同時將清潔用的水汲取入孔洞中。例如，如果雷射加工停止在第8C圖所示的點上，則可在工作部件1005上形成不穿透整體工作部件1005的一盲孔。視需要，可使用各種後雷射處理技術將一盲孔轉換成穿透整個工作部件的一通孔。以下將詳細描述。
第8D圖繪示碎屑如何在未經清潔的鑽洞1082之出口表面4010附近逐步形成。當聚焦4020接近工作部件1005之表面時，雷射剝離 以及水擊穿的壓力會爆穿玻璃之薄剩餘層，進而產生碎屑以及造成出口4010粗糙邊緣。當雷射聚焦接近出口表面4010時，降低雷射脈衝能量以及放慢z方向速度可降低出口的粗糙度。
當上述壓力破壞玻璃時，水及雜質係從出口孔洞4010噴射排出(如同第3C圖所示的水屏1085)。第8D圖中以箭頭線顯示此噴出。工作部件之正面上可收集排出的水(或可使用一氣體噴嘴或吸嘴移除排出的水，如第3C圖所示)。
第9A至9D圖繪示降低通孔之出口碎屑的技術示意圖。第9A圖繪示一裝置，薄透明層5000a設置在工作部件上以至少降低以及更佳能消除上述出口碎屑。此相對薄的透明層5000a以低光干擾度以及低吸收率的情形下傳送聚焦的雷射光束，並當雷射聚焦接近工作部件之出口表面時，此相對薄的透明層5000a對玻璃之薄剩餘層提供機械支撐。足夠低的光束失真度有助於提供充分聚焦以及鑽孔洞1082。透明層5000a之足夠低的吸收率有助於避免過高的雷射脈衝能量損失以及散射，而在入射聚焦光束之封閉能量高度局部化時需要雷射脈衝能量。在至少一實施例中，薄層的厚度高於約1000nm，超出範圍從約2μm至100μm。
第9B圖繪示一裝置，其中沉積一相對厚的透明層5000b(其厚度相對於第9A圖所示的透明層5000a更厚)。例如，此厚度可為幾十微米或高達約100μm、或更厚。當聚焦區域接近工作部件之表面時，較厚的透明層可對工作部件之薄的剩餘層提供更強的機械支撐，但是對緊密聚焦(例如，接近繞射極限)雷射光束也會有較高的光干擾度。在其他實施例中，雷射加工系統(例如，雷射鑽孔系統1000)可包含光學/機械元件以降低或補償當使用強聚焦高NA光束時因膜厚度而產生的像差。
例如，適當薄(或厚)的層5000a以及5000b具有足夠厚度以提供足夠的機械強度來抵擋雷射誘發的壓力，但是其厚度仍不足以讓聚焦雷射光束通過塗層而受到擾亂，進而影響鑽洞品質。透明層5000a以及5000b可包含至少一介電層。可使用薄膜技術將透明層5000a以及5000b沉積在工作部件上，或是塗佈在工作部件上。透明層5000a以及5000b可包含透明材料，例如聚合物。
第9C圖繪示支撐材料5050，其黏合在工作部件之頂以至 少降低或是最好可消除出口碎屑。例如，支撐材料5050可包含透明材料薄片(例如藍寶石、熔融石英或無鉛玻璃)，其透過一薄透明黏膠層而黏合在工作部件正面上。當鑽孔處理接近結束時，透明支撐材料薄片5050對工作部件材料之薄剩餘層提供機械支撐以避免產生碎屑以及粗糙的出口邊緣。例如，在至少一實施例中，支撐材料5050之厚度範圍在約10μm至2mm之間。
第9D圖繪示薄支撐材料5050之有利效果。圖中可看出，工作部件中形成通孔1082之後，通孔1082並未穿透整個支撐材料5050。因此，不會有水經由完成的孔洞漏流到支撐材料5050之正面，而如果有漏水，則在加工後續孔洞時水會擾亂雷射光束而影響加工的成功率。在目標工作部件之頂面的支撐材料薄片5050可有足夠厚度使得在光束穿透支撐材料5050之前停止平移。在至少一實施例中，支撐材料係與目標工作部件光學接觸。在上述內容用以考量以及補救因為增加膜厚度而造成的光束失真亦可應用於此支撐材料。
使用合適的薄(或厚)層或薄的支撐材料亦可有利於盲孔加工，而盲孔之底部係接近出口表面。
將盲孔轉換成通孔的示例性技術
如本文所用，盲孔包含不完全穿通工作部件的孔洞，而通孔是完全穿通工作部件的孔洞。盲孔包含一第一開口端，其位於工作部件之入口表面4005。但是與通孔(其在工作部件之出口表面4010具有另一開口端)相反，盲孔具有第二封閉端，其位於工作部件之主體內。盲孔之第二封閉端不穿透工作部件之表面4010(入口表面4005之相反面)，而盲孔之第二端以及工作部件之表面4010之間會有剩餘材料。在雷射光束之聚焦區域4020到達工作部件之表面4010之前結束雷射加工，可形成盲孔。例如，在第8C圖所示之點結束雷射加工，則可形成盲孔1082。以下將進一步說明可將盲孔轉換成通孔的各種後處理技術。
後處理盲孔以形成通孔的好處在於可降低或避免不要的出口碎屑(如第8D圖所示，當聚焦區域4020離開工作部件1005之表面4010時會發生出口碎屑)。
因此，如果在透明工作部件(例如玻璃)中形成盲孔而盲孔之封閉端接近出口表面，以及在盲孔之至少一位置需要形成通孔，則可在一後處理步驟中或是在形成盲孔完成後選擇性移除盲孔之封閉端以及工作部件之出口表面(在其他實施例中可能指的是薄膜)之間的剩餘材料。在其他實施例中，依據雷射鑽孔處理以及工作部件材料，盲孔之封閉端以及出口表面之間的薄膜材料的厚度範圍在約0.1μ.至1μ.之間、1μ間至5μ間之間、5μ間至10μ0之間或是其他厚度範圍。
例如，全部或一部份工作部件表面可進行雷射加工或化學蝕刻(溼式或乾式蝕刻)以移除工作部件之較淺部分，其接近盲孔位置以及接近工作部件之出口表面。雷射加工或化學蝕刻可移除薄膜以將盲孔轉換成通孔。雷射加工(例如，使用超短雷射脈衝，像是飛秒脈衝)可與化學蝕刻結合使用以增加移除材料量。在其他實施例中，至少一部份工作部件上接近盲孔之薄膜可進行雷射加工，例如，使用CO2雷射(或其他類型雷射)進行雷射拋光。在其他實施例中，可處理全部(或大部分)或部分工作部件表面以移除多個盲孔的薄膜，藉此將全部盲孔轉換成通孔。因為將多個盲孔平行後處理，所以此實施例可提升處理速度。對於部分類型的化學類蝕刻(例如，酸)，工作部件之上下表面以及孔洞之內表面皆可進行蝕刻。
在至少一範例中，可對厚度範圍在約5μm至50μm之工作部件間進行蝕刻(或其他處理)以開通盲孔。藉此處理，能有效將預選的盲孔轉換成通孔，且沒有錐度並且通孔的幾何圖形通常會與盲孔一致。蝕刻的結果，孔洞有部分可能會發生放大，其與移除之材料厚度有關。
在其他實施例中，除了使用薄膜處理技術，也可使用超音波加工技術以移除出口表面接近的薄膜材料，將盲孔轉換成通孔。例如，可使用超音波移除接近出口表面的剩餘薄玻璃(例如約1μm至5μm厚度)以開通一盲孔，藉此將盲孔轉換成通孔。此外，超音波清洗技術可用於移除工作部件表面上或工作部件之孔洞內部的雜質。更佳的是，進行任何後處理時，接近孔洞邊緣的任何剩餘碎屑(如果有)將會遠小於5μm至10μm而可移除(例如經由超音波清洗)。在其他實施例中，可使用其他微加工技術來移除材料，將盲孔轉換成通孔(微切割技術、研磨拋光、化學機械拋光/平坦化、電漿蝕刻等等)。相關後處理可使用上述技術或是其組合。
處理以及生產考量的範例
為了便於在生產環境中使用水輔助式鑽孔系統1000且不需使用過多的處理步驟，所以有以下考量因素。
在進行水輔助式雷射加工之前，可使用其他技術以結合工作部件以及支撐材料(例如：載體晶圓)，且將相同後續處理分開進行，將於以下內容討論。此外，在一些實施例中，可使用層5000a與5000b(例如：可移除的黏膠或塗層)，而不須使用支撐材料5050，如上所述。
此外，因為特定目標基材可能非常薄，例如幾十微米至約100微米，所以必須確認如何運送到水輔助式雷射材料加工地點。因為材質很脆，所以薄玻璃晶圓可以與載體晶圓一起運送。在其他實施例中，可使用半導體製程以及其他業界已經熟知的方法。
在一實施例中，如第9C圖所示，工作部件1005以及支撐材料5050設置光學接觸。在放置接觸之前，徹底清潔其表面以達到最佳的光學接觸。薄片之間可能殘留部分溶劑。在溶劑蒸發之後，只要薄片表面上或溶劑中沒有顆粒，則兩薄片將達成光學接觸。
後續進行雷射式鑽孔，工作部件係浸泡在超音波水槽1小時以進行清潔並將光學接觸的兩薄片分離。例如，超音波清洗能移除工作部件表面上或是工作部件中孔洞內的雜質。
此外，在孔洞鑽孔處理接近出口表面時，暫時與工作部件黏合的玻璃薄片亦可支撐此目標玻璃。在其他實施例中，支撐材料可為玻璃晶圓載體，用於機械支撐薄玻璃目標材料，其在處理初期非常易碎。值得注意的是，大的薄基材可貼附至載體晶圓，以在處理期間以及製造流程獲得機械支撐。如果載體晶圓是玻璃，則有助於避免碎屑。但是使用玻璃載體晶圓作為支撐材料5050進行鑽孔的缺點在於玻璃載體晶圓在鑽孔處理中經過局部加工或其他修改後可無法重複使用。足夠薄的黏合層(例如：約5μm以下)可能有限地光學吸收以及擾亂通過的雷射光束。然而，在特定情況下，因為進行分離時難以在兩片玻璃之間循環更換溶劑，所以薄塗層可能難以移除。
在其他實施例中，可使用目標基材以及支撐材料之間的光 學接觸或黏膠層。如果兩片玻璃之間有薄空氣間隙，則在完成穿透目標基材的孔洞後可將水注入此間隙。兩片玻璃之間的水可能會擾亂在孔洞附近的後續雷射聚焦。如果僅加工單一孔洞或如果孔洞間隔距離大，則兩片玻璃之間的水則較無重要。然而，在玻璃空氣介面上因為反射造成的光學損耗可能會降低支撐材料下方可用於加工的雷射脈衝能量。
當使用薄黏膠層時必須考量光學耗損以及剝離處裡。可用液體溶劑、紫外線(UV)曝光、加熱或是機械剝離來完成黏膠層剝離。
支撐層或材料的厚度與支撐層或材料的強度有關。為了降低或避免目標基材之碎屑，如果支撐層有與玻璃相同的強度，則此層或材料應有與目前觀測到的碎屑大約相同的厚度。在許多情況下，支撐層或材料不會有與玻璃一樣的強度，所以所選擇的層或材料很可能需要比觀測到的碎屑厚度更厚，以避免碎屑。
此外，具有塗覆層而沒有支撐玻璃的裝置可降低碎屑且與工作部件形成光學接觸。此塗層無法避免在鑽孔時吸收或擾亂光束。即使有塗層仍會發生碎屑，但是其碎屑比沒有塗層之情況的碎屑小。在其他實驗中，在鑽孔穿通之前薄塗層可能會被損壞而無法協助穿透玻璃的孔洞完成。因此，較佳的是選擇有足夠高之雷射損壞臨界值的支撐塗覆層。
在各種實驗中，多種不同透明塗覆層可應用於薄玻璃目標基材。最初，為了避免塗層在鑽孔處理早期被損壞(損壞的塗層會擾亂雷射在基材表面下聚焦)，假定塗層之損壞臨界值與玻璃相似。經處理後，塗層會有大幅地損壞，在特定情況下塗層損壞的面積會大於孔洞，因此建議塗層之損壞臨界值應遠低於目標基材玻璃為佳。然而，由於塗層的損壞似乎是發生在鑽孔處理晚期，所以適合用於通孔。
在實驗中，使用兩類塗覆層。一類是水溶性塗層而另一類是需要專用溶劑的塗層。水溶性塗層較便於處理。溶劑可能會殘留在孔洞內部，進而影響填充材料之黏著(如果有使用填充材料)。
在另一示例中，可使用黏晶切割膠帶以支撐薄晶圓。在一些實施例中，如果在鑽孔處理即將結束前對剩餘薄基材玻璃的機械支撐已經足夠，則可使用膠帶避免碎屑。更佳的是，膠帶在雷射波長下為光學透明。
目前有多種可用於透明層5000a與5000b的黏膠或塗層。例如，可使用暫時性黏膠或Temploc(Denka公司，Campbell，CA提供)，其可用UV光線固化而在熱水(不需有機溶劑)中剝離移除。在至少一較佳實施例中，可使用有厚度均勻之塗層的塗佈玻璃基材。
第10圖繪示處理工作部件之示例性方法6000的一流程圖。在區塊6100，將至少一光學透明支撐材料結合至工作部件、在工作部件上塗佈材料以形成一薄膜塗層或厚膜塗層，或在工作部件上配置黏膠，藉此製備工作部件。可搭配第9A至9D圖描述工作部件之製備範例。製備此工作部件有助於降低通孔或是工作部件中形成的其他類型的洞之出口碎屑。區塊6100是選擇性的，在其他實施例中也可以不執行。例如，如果要鑽盲孔，在部分情況下此工作部件不需塗層或結合支撐材料。
在區塊6200中，使用脈衝雷射處理工作部件以在工作部件之表面上或主體中形成孔洞。如本文所述，工作部件可包含的材料對於雷射波長為透明的(例如，玻璃、顯示玻璃、熔融石英、石英無鉛玻璃、鋼化玻璃、非鋼化玻璃、鈉鈣玻璃、無鹼玻璃、藍寶石、碳化矽(SiC)、矽晶等等)。可用本發明之雷射式鑽孔系統1000之實施例來處理此工作部件。例如，液體(例如水，其可經脫氣)可在工作部件之表面上流動，如第1、3A、3C、4C以及8A-9D圖所示。此些孔洞可為通孔、盲孔、凹槽、切口、溝渠或其他類型之洞、各種洞的組合的n x m陣列、其他形狀或圖案。此孔洞具有大致上固定的截面(深度)或可為錐形。在其他實施例中，隨著孔洞深度變化可使用不同的脈衝雷射之重複率(例如，當孔洞深度增加則重複率降低)。在處理的至少一部份期間，雷射重複率可正比於待鑽之孔洞的直徑而反比於待鑽之孔洞的深度。
在選擇性的區塊6300中，工作部件可做後處理以與生產設備保持相容性，或是更包含進行至少一處理步驟。例如，可移除支撐材料、塗層或黏膠(如果有進行到區塊6100)。可清潔工作部件(例如使用超音波)以移除工作部件上的雜質或是形成在工作部件中的孔洞內的雜質。如本發明所述，在一些實施例中，區塊6300中的後處理可包含將盲孔轉換成通孔的處理方法(例如：雷射蝕刻、雷射拋光或化學蝕刻)。在各種實施例中，上述後處理操作中的全部、一部分可使用於選擇性區塊6300中，或是都不使 用。
在方法6000之其他實施例中，在第一平台(區塊6100)中製備工作部件，並在第二平台(區塊6200)中執行雷射加工，在第三平台執行後處理(區塊6300)。這三個平台可為同一平台(或是同一平台的各部分或子部分)，但不限制本發明。例如，第二平台可以從第一平台接收製備好的工作部件，以執行雷射加工，並將經處理的工作部件傳送至第三平台進行後處理。
其他範例以及態樣
在第一態樣中，提供用於處理工作部件的液體輔助式雷射系統。此系統包含一雷射源、一多光束產生器(MBG)、一光束掃描及傳輸系統、一液體循環系統、一控制器。雷射源用以產生脈衝雷射輸出。多光束產生器(MBG)用以接收此脈衝雷射輸出，並在其輸出端產生複數不連接的光束；一光束掃描及傳輸系統用以傳送以及聚焦複數個不連接的光束到工作部件上或工作部件中。液體循環系統用以循環液體，而當液體循環系統循環液體時，工作部件之一部份係與液體相接觸。控制器用以至少連接雷射源、MBG、液體循環系統以及光束掃描及傳輸系統。
在第二態樣中，與第一態樣之液體輔助式雷射系統相比，第二態樣的系統更包含一預掃描器，其設置在雷射源以及MBG之間，而預掃描器用以沿著一預設路徑導引上述脈衝雷射輸出。
在中，第三態樣中，預掃描器更包含一線性檢流計型掃描機或一共振掃描機。
在第四態樣中，第一至三態樣之任何一個態樣中的液體輔助式雷射系統中，雷射源包含超短脈衝雷射(USP)，而脈衝雷射輸出包含脈波寬度範圍從約100fs至100ps的雷射脈衝。
在第五態樣中，第一至四態樣之任何一個態樣的液體輔助式雷射系統中，其中系統用於在透明材料上鑽孔，而雷射輸出包含根據孔徑D以及孔深L的重複率下產生的脈衝，其中在鑽個別孔洞的其間重複率有變化。上述材料在雷射加工波長下呈現透明。
在第六態樣中，第一至五態樣之任何一態樣的液體輔助式 雷射系統，其中系統用於在透明材料上鑽孔，在透明材料上雷射鑽孔的變化重複率包含一第一重複率Rentrance用於在出口表面上或接近出口表面處鑽孔，以及包含一第二重複率Rexit用於在出口表面上或接近出口表面處鑽孔，其中Rentrance>Rexit。
在第七態樣中，第五或六態樣中的液體輔助式雷射系統，重複率是根據以下關係式進行選擇：Ropt=(k．D)/L(t)，其中k的範圍在約250至350之間；L(t)為孔深，其為時間t的函數；D為孔徑；而Ropt為最佳重複率，其單位為kHz。
在第八態樣中，第七態樣之液體輔助式雷射系統中，最大重複率的範圍從約100kHz至約1MHz。
在第九態樣中，第一至八態樣之任何一個的液體輔助式雷射系統中，複數不連接的光束是形成平行的n x m陣列，聚焦光束照射在工作部件表面上，其中n以及m的範圍分別從1至10之間。
在第十態樣中，第一至九態樣之任何一個的液體輔助式雷射系統中，MBG包含一空間光調制器(SLM)、一光繞射元件(DOE)或一散反射光學元件或是其組合，用以分束以及重新組合光束。
在第十一態樣中，在第一至十態樣之任何一個的液體輔助式雷射系統中，光束掃描及傳輸系統包含一X-Y檢流計型掃描機。
在第十二態樣中，第一至十一態樣之任何一個的液體輔助式雷射系統中，工作部件是安裝在至少一傳送台上，而上述系統包含一Z軸平移機構，用以沿著光軸移動工作部件或光束掃描及傳輸系統之至少一部份。
在第十三態樣中，揭露一種用於處理工作部件的液體輔助式雷射式鑽孔系統。工作部件包含在雷射波長下呈現接近透明的材料。雷射式系統包含一雷射源用以產生脈衝雷射輸出，以及一液體循環系統用以循環液體。液體循環系統包含一脫氣過濾器。包含一過濾器用以移除雜質；以及一液體加熱器。當液體循環系統循環液體時，工作部件之一部份係接觸液體。雷射式鑽孔系統也包含一控制器，可操作連接雷射源以及液體循環系統。
在第十四態樣中，第十三態樣之液體輔助式雷射式鑽孔系 統更包含一液體源，用以供應液體給液體循環系統，且此液體可溶氣體。
在第十五態樣中，第十三或十四態樣之液體輔助式雷射式鑽孔系統中，液體循環系統包含一氣體噴嘴，其連接控制器以及用於選擇性把不要的液體引導遠離主動雷射加工位置，引導向先前鑽洞、透明材料上已經完成鑽孔的區域、或是不需鑽孔的區域。
在第十六態樣中，態樣第十三至十五態樣之任何一個的液體輔助式雷射式鑽孔系統中，鑽孔洞陣列時，在雷射加工期間上述控制器根據氣泡產生的限制執行不連續鑽孔，而不連續鑽孔包含連續鑽相隔至少約0.5mm距離的孔洞。
在鑽孔第十七態樣中，揭露一種使用雷射在工作部件上鑽孔洞陣列的液體輔助式雷射式方法，其使用不連續鑽孔方法以在相鄰孔洞加工之前讓鑽孔期間產生的氣泡溶解或消散於液體。不連續鑽孔方法包含：決定一距離，其大於氣泡從特定孔洞可移動的距離。對應氣泡在液體流動中傳播位移到工作部件上孔洞已經加工的區域或是不需鑽孔的區域，控制工作部件以及雷射之相對移動。
在第十八態樣，第十七態樣之用於鑽孔洞陣列的液體輔助式雷射式方法中，上述距離至少約0.5mm。
在第十九態樣，第十七態樣之用於鑽孔洞陣列的液體輔助式雷射式方法中，上述距離範圍在約1mm至2mm。
在第二十態樣中，第十七至十九態樣之任何一個的用於鑽孔洞陣列的液體輔助式雷射式方法中，更包含：選擇性將不要的液體引導遠離雷射加工位置，朝向先前鑽洞、透明材料上已經完成鑽孔的區域、或是不需鑽孔的區域。
在第二十一態樣中，第二十態樣之用於鑽孔洞陣列的液體輔助式雷射式方法中，選擇性引導不要的液體遠離雷射加工位置可部分使用連接至控制器的氣體噴嘴來實施。
在第二十二態樣中，揭露一種鑽孔洞陣列的液體輔助式雷射式方法。此方法包含：根據孔徑D以及孔深L以預選重複率的雷射脈衝進行鑽孔，其中在鑽孔洞陣列中的個別孔洞時重複率有變化。
在第二十三態樣中，揭露一種處理工作部件的液體輔助式 雷射式鑽孔系統。此系統包含一夾具。夾具具有開口用以支撐工作部件，且包含一液體進口、一液體出口以及一通道，通道設置相鄰開口，當夾具貼附至一液體源時，通道用以讓工作部件之至少一部份表面能接觸液體，以及讓液體進口以及液體出口之間進行流體交換。液體進口包含一液體進儲箱，用以流體連接液體源且讓液體從液體源流向通道。液體出口包含一液體出儲庫，用以降低在液體出口的液體壓力。
在第二十四態樣中，揭露一種處理工作部件的方法。此方法包含：將光學透明支撐材料與工作部件結合、在工作部件上塗層以形成一薄或厚膜塗層、或是在工作部件使用黏膠，藉此製備用於雷射式材料加工的工作部件；在製備步驟之後，對此工作部件進行雷射加工，其中工作部件包含在雷射加工波長下呈現透明的材料，而此雷射加工係修改透明材料之表面以及主體以形成具有預選幾何形狀的孔洞。其中，在有上述支撐材料、塗層或黏膠的情況下在工作部件之介面上或是接近工作部件之介面處進行的雷射加工誘發幾何修改，大致上符合上述預選形狀。
在第二十五態樣中，第二十四態樣所述的方法更包含：從工作部件移除光學透明支撐材料、塗層或黏膠。
在第二十六態樣中，第二十四或二十五態樣所述之方法中，上述孔洞包含在工作部件中的通孔，而預選幾何形狀包含大致上固定圓孔徑。
在第二十七態樣中，第二十四至二十六態樣中之任一個所述之方法中，對工作部件進行雷射加工之步驟包含在雷射加工期間將液體流過工作部件之一表面。液體可包含水(其可經脫氣)。
在第二十八態樣中，第二十四至二十七態樣中任一個所述之方法中，上述孔洞包含一盲孔，而此方法更包含處理工作部件接近盲孔之至少一部份，以將盲孔轉換成通孔。
在第二十九態樣中，第二十八態樣所述之方法中，處理工作部件接近盲孔之至少一部份的步驟包含使用化學蝕刻、雷射蝕刻、雷射拋光、超音波加工、或微加工技術。
在第三十態樣中，第二十四至二十九態樣之任一個所述的方法中，雷射加工是使用第一、十三或二十三態樣所述之雷射式系統來實 施。
在第三十一態樣中，揭露一種處理工作部件的方法，其包含：對工作部件進行雷射加工以形成盲孔，此盲孔在工作部件之第一面上有開口端，而在工作部件之第二面上有封閉端。工作部件包含在雷射加工波長下呈現透明的材料。在雷射加工之後，上述方法包含移除接近盲孔之封閉端的材料，將盲孔轉換成通孔，其在工作部件之第二面上具有開口端。
在第三十二態樣中，第三十一態樣所述之方法中，雷射加工包含在工作部件之第一面上流動液體，此液體可包含水(其可經脫氣)。
在第三十三態樣中，第三十一或三十二態樣所述之方法中，移除接近盲孔之封閉端材料的步驟包含使用化學蝕刻、超音波加工或微加工技術。
在第三十四態樣中，第三十一或三十二態樣所述之方法中，移除盲孔之封閉端材料包含雷射蝕刻或雷射拋光。
在第三十五態樣中，第三十一至三十四態樣所述之方法，其中雷射加工係以第一、十三或二十三態樣所述之雷射式系統來執行。
在第三十六態樣，揭露一種處理工作部件的雷射式系統。系統包含：一雷射源、一多光束產生器(MBG)、一光束掃描及傳輸系統、以及一控制器。雷射源用以產生脈衝雷射輸出。多光束產生器用以接收脈衝雷射輸出，並在輸出端產生複數不連接的光束。光束掃描及傳輸系統用以傳送以及聚焦複數個不連接的光束到工作部件上或工作部件中。控制器可至少連接雷射源、MBG以及光束掃描及傳輸系統。
以下為與本發明相關的專利、專利公開申請案、以及非專利公開資料。
美國專利號3,991,296，專利名稱"Apparatus for form groove use a laser"。
美國專利號5,841,099，專利名稱"Method employ UV laser pulse of vary energy density to form depthwise self-limiting blind via in multilayered target"。
美國專利號5,593,606，專利名稱"Ultraviolet laser system and method for form via in multi-layered target"。
美國專利號5,847,960，專利名稱"Multi-tool position system"。
美國專利號5,948,291，專利名稱"Laser beam distributor and computer program for controlling the same"。
美國專利號6,362,453，專利名稱"Method of etch transparent solid material with laser beam"。
美國專利號6,990,285，專利名稱"Method of make at least one hole in a transparent body and device made by this method"。
美國專利號6,995,336以及7,560,658，專利名稱"Method for form nanoscale feature"。
美國專利號7,033,519，專利名稱"Method of fabricate sub-micron structure in transparent dielectric material"。
美國專利號7,486,705，專利名稱"Femtosecond laser process system with process parameter,control,and feedback"。
美國專利號7,528,342，專利名稱"Method and apparatus for via drill and selective material removal use an ultrafast pulse laser"。
美國專利號7,626,138，專利名稱"Transparent material process with an ultrashort pulse laser"。
美國專利號8,158,493，專利名稱"Laser-based material process method and system"。
美國專利號8,199,398，專利名稱"High power parallel fiber array"。
美國專利公開申請案號2005/0090813，名稱"Method for remove waste product produce while stripping material in transparent object by laser-induced plasma formation"。
美國專利公開申請案號2010/0025387，名稱"Transparent material process with an ultrashort laser"。
美國專利公開申請案2003/0235385，名稱"Method of fabricate sub-micron structure in transparent dielectric material"。
美國專利公開申請案號2011/0111179，名稱"Laser drill technique for create nanoscale hole"。
美國專利公開申請案號2012/0230353，名稱"Optical pulse source with increase peak power"。
美國專利公開申請案號2013/0146570，名稱"method and system for use in laser machine"。
美國雷射學會2001年出版，雷射材料加工LIA手冊"Hole drilling"，第13章，471-474頁，作者Ready,John F.(ed.)。
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本發明之方法的特定處理步驟或動作可用硬體、軟體或韌體來實施，其可用至少一通用及/或專門用途電腦、處理器或控制器來執行，上述電腦、處理器或控制器可包含至少一可程式化閘陣列(FPGA)、可程式化邏輯裝置(PLD)、特定應用積體電路(ASIC)、及/或任何其他合適處理裝置。在特定實施例中，控制器或控制手段所提供的至少一功能可由至少一硬體處理裝置可執行的軟體、指令、邏輯電路及/或模組來執行。在一些實施例中，上述軟體、指令、邏輯電路及/或模組可儲存在電腦可讀取媒體，其包含在實體儲存裝置及/或通訊媒體上實施的非臨時性儲存媒體，可利於信息傳遞。在各種實施例中，本發明之方法或控制器功能之部分或全部步驟或動作可由至少一處理裝置自動執行。上述揭露的技術的修改是可能的。
當“包含(comprises)”及/或“包含(comprising)”，或“包括(includes)”及/或“包括(including)”之用語使用於說明書中時，係指明所述特性、整數、步驟、操作、元件構件、或及其結合的存在，但是不排除一個或更多其他特性、整數、步驟、操作、元件、構件或及其結合的存在或增添。於此使用，詞彙“與/或”包含一或多個相關條列項目之任何或所有組合。當“至少其一”之敘述前綴於一元件清單前時，係修飾整個清單元件而非修飾清單中之個別元件。例如，a、b以及c中的至少一個可包含a、 b、c、a與b、a與c、b與c、a與b與c。此外，在本發明之實施例說明以及專利範圍中所用之用語"一"，應理解其表示為"至少一"或是"一個或多個"的意思，除非有相反陳述。
本文中描述的示例性實驗、實驗資料、表格、圖形、圖表、影像、繪圖以及處理及/或操作參數(例如，數值及/或)是為說明本發明之系統以及方法操作情況的用途，非旨在限制本發明之方法以及系統的各種實施例之操作情況之範圍。此外，本文中描述的示例性實驗、實驗資料、表格、圖形、圖表、影像、繪圖以及處理及/或操作參數(例如，數值及/或)是呈現本發明之系統以及方法之實施例可有效操作以產生至少一所需結果的各種機制。此操作機制以及所需結果並不受限於顯示在表格、圖形、圖表、影像中的操作參數、情況或結果之特定數值，尚包含上述特定數值之外的合適範圍。因此，本文中揭露的數值包含列於或顯示於表格、圖形、圖表、繪圖內的數值之間的數值範圍。此外，本文揭露的數值包含列於或顯示於表格、圖形、圖表、繪圖等等內的數值以上或以下的數值，其可列於或顯示於表格、圖形、圖表、繪圖內的其他數值。此外，雖然本文揭露之資料可對特定實施例建立至少一有效操作範圍及/或至少一需要的結果，但應了解的是並非每一實施例都需操作在每一操作範圍內或是產生每一所需結果。更進一步，所揭露之系統以及方法之其他實施例可操作在其他操作機制及/或產生其他結果，其與本文中顯示以及描述之示例實驗、實驗資料、表格、圖形、圖表、影像、繪圖以及其他資料不同。此外，對於本文中揭露的各種數值，可使用相對性用語"約"、"近似"、“大約”、“大致上”或其他類似用語。一般而言，若無他說明，根據對應的實施例，相對性用語可表示在±20%、±15%、±10%、±5%的誤差範圍內。
在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。
1000‧‧‧雷射式鑽孔系統
1005‧‧‧工作部件
1010‧‧‧超短脈衝雷射源
1020‧‧‧預掃描器
1030‧‧‧多光束產生器
1040‧‧‧光束掃描與傳送系統
1050‧‧‧夾具
1060‧‧‧液體循環系統
1065‧‧‧液體
1070‧‧‧控制器

Claims (35)

  1. 一種液體輔助式雷射式系統，用以加工一工作部件，該液體輔助式雷射系統包含：一雷射源，用以產生一脈衝雷射輸出；一多光束產生器(MBG)，係用以接收該脈衝雷射輸出，並在其一輸出端生產複數個不連接的光束；一光束掃描及傳輸系統，係用以將該複數個不連接的光束傳送以及聚焦於該工作部件上或該工作部件中；一液體循環系統，係用以循環一液體，其中當該液體循環系統循環該液體時，該工作部件之一部份係接觸該液體；以及一控制器，係至少連接該雷射源、該多光束產生器、該液體循環系統以及該光束掃描及傳輸系統。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之液體輔助式雷射式系統，更包含一預掃描器，該預掃描器設置在該雷射源以及該多光束產生器之間且用以沿著一預設路徑導引該脈衝雷射輸出。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之液體輔助式雷射式系統，其中該預掃描器包含一線性檢流計型掃描機或一共振掃描機。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之液體輔助式雷射式系統，其中該雷射源包含一超短脈衝雷射(USP)，而該脈衝雷射輸出包含脈波寬度在約100fs至100ps範圍間的一雷射脈衝。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中之任一項所述之液體輔助式雷射式系統，其中該液體輔助式雷射系統用以在一透明材料鑽孔，該材料在一雷射加工波長下呈現透明，其中該脈衝雷射輸出包含根據一孔徑D以及一孔深L所決定之一重複率產生的脈衝，其中在個別孔洞之鑽孔期間該重複率係有變化。
  6. 如申請專利範圍第1至3項中之任一項所述之液體輔助式雷射式系統，其中該液體輔助式雷射系統用於在一透明材料上鑽孔，其中在該透明材料上進行雷射鑽孔以複數個不同重複率來實施，該複數個不同重複率包含一第一重複率Rentrance用於在一入口表面上或接近該入口表面處鑽孔，以及一第二重複率Rexit用於在一出口表面上或接近該出口表面處鑽孔，其中Rentrance>Rexit。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之液體輔助式雷射式系統，其中至少部分根據以下關係式來選擇該重複率：Ropt=(k．D)/L(t)，其中k的範圍從約250到350；L(t)為孔深，其為一時間t的函數；Ropt為一最佳重複率，其單位為kHz。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之液體輔助式雷射式系統，其中一最大重複率係在約100kHz到約1MHz的範圍內。
  9. 如申請專利範圍第1至3項中之任一項所述之液體輔助式雷射式系統，其中該複數個不連接的光束係形成一平行且聚焦的n x m陣列光束，照射在該工作部件之一表面，其中n以及m的範圍分別在1到10之間。
  10. 如申請專利範圍第1至3項中之任一項所述之液體輔助式雷射式系統，其中該多光束產生器包含一空間光調制器(SLM)、一光繞射元件(DOE)或一散反射光學元件或是其組合，用以分束以及重組光束。
  11. 如申請專利範圍第1至3項之任一項所述之液體輔助式雷射式系統，其中該光束掃描及傳輸系統包含一X-Y檢流計型掃描機。
  12. 如申請專利範圍第1至3項之任一項所述之液體輔助式雷射式系統，其中該工作部件係安裝在至少一傳送台上，且該液體輔助式雷射系統更包含一Z軸平移機構用以沿著一光軸平移該工作部件或是該光束掃描及傳輸系統之至少一部份。
  13. 一種液體輔助式之雷射式鑽孔系統，用以加工一工作部件，該工作部件包含一物質，其在一雷射波長下近乎透明，該雷射式鑽孔系統包含：一雷射源雷射源，係用以產生一脈衝雷射輸出；一液體循環系統，用以循環一液體，該液體循環系統包含：一脫氣過濾器；一過濾器，用以移除雜質；以及一液體加熱器，其中當該液體循環系統循環該液體時，該工作部件之一部份係接觸該液體，以及一控制器，係用以連接該雷射源以及該液體循環系統。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之液體輔助式之雷射式鑽孔系統，更包含一液體源，用以供應該液體給該液體循環系統，其中液體可溶氣體。
  15. 如申請專利範圍第13項或第14項所述之液體輔助式之雷射式鑽孔系統，其中該液體循環系統包含一氣體噴嘴，係連接該控制器且設置以選擇性引導不要的液體離開主動雷射加工位置並移向先前鑽洞、 該透明材料上已經完成鑽孔的區域、或是不需鑽孔的區域。
  16. 如申請專利範圍第13項或第14項所述之液體輔助式之雷射式鑽孔系統，用於鑽一孔洞陣列，其中該控制器根據在該雷射加工期間形成的氣泡引起的限制實施不連續的鑽孔，該不連續鑽孔包含以間隔至少約0.5mm的連續鑽孔。
  17. 一種使用一雷射在一工作部件上鑽一孔洞陣列的液體輔助式雷射式方法，該方法使用一不連續鑽孔方法用以在相鄰孔洞加工之前讓鑽孔期間產生的氣泡溶解或散逸至該液體，其中該不連續鑽孔方法包含：決定一距離，該距離大於該氣泡從一特定孔洞移動出的距離；以及對應該氣泡在該液體流動中傳播位移到該工作部件上該孔洞已經加工的一區域或是不需鑽孔的區域，控制該工作部件以及該雷射之相對移動。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之液體輔助式雷射式方法，其中該距離至少約0.5mm。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之液體輔助式雷射式方法，其中該距離係為1mm至2mm的範圍。
  20. 如申請專利範圍第17至19項中的任一項所述之液體輔助式雷射式方法，更包含：選擇性將不要的液體引導遠離一雷射加工位置，朝向先前鑽洞、該透明材料上已經完成鑽孔的一區域、或是不需鑽孔的一區域。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之液體輔助式雷射式方法，其中選擇性引導不要的液體遠離該雷射加工位置之步驟可部分使用連接至一控制器的一氣體噴嘴來實施。
  22. 一種鑽孔洞陣列的液體輔助式雷射式方法，包含：使用根據一孔徑D以及一孔深L所預選的一重複率的雷射脈衝進行鑽孔，其中在鑽孔洞陣列中的個別孔洞時該重複率有變化。
  23. 一種液體輔助式雷射式系統，用以處理一工作部件，該液體輔助式雷射式系統包含：一夾具，具有開口用以支撐工作部件，且包含：一液體進口；一液體出口；以及一通道，設置相鄰該開口，用以當該夾具貼附一液體源時，讓該工作部件之一表面之至少一部份接 觸液體，該通道係與該液體進口以及該液體出口流體交換，其中該液體進口包含一液體進儲箱，用以流體連接該液體源且讓液體從該液體源流向通道，以及其中該液體出口包含一液體出儲庫，用以降低在該液體出口的液體壓力。
  24. 一種處理一工作部件的方法，包含：將一光學透明支撐材料與該工作部件結合、在該工作部件上塗層以形成一薄或厚膜塗層、或是在該工作部件使用黏膠，藉此製備用於雷射式材料加工的該工作部件；在該製備步驟之後，對該工作部件進行雷射加工，其中該工作部件包含在一雷射加工波長下呈現之透明材料，而該雷射加工係修改該透明材料之一表面以及一主體以形成具有一預選幾何形狀的一孔洞；其中，在有該支撐材料、該塗層或該黏膠的情況下在該工作部件之一介面上或是接近該工作部件之一介面處進行的該雷射加工誘發幾何修改，大致上符合該預選形狀。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之方法，更包含：從該工作部件移除該光學透明支撐材料、該塗層、或該黏膠中的至少一個。
  26. 如申請專利範圍第24或25項所述之方法，其中該孔洞包含該工作部件中的一通孔，而該預選幾何形狀包含一實質固定圓孔徑。
  27. 如申請專利範圍第24或25項所述之方法，其中對該工作部件進行該雷射加工之步驟係包含：在該雷射加工期間於之工作部件之一表面流過一液體。
  28. 如申請專利範圍第24或25項所述之方法，其中該孔洞包含一盲孔，且該方法更包含該工作部件在該盲孔附近的至少一部份進行加工，藉此把該盲孔轉換成一通孔。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之方法，其中在該工作部件之該盲孔附近的至少一部份進行加工的步驟包含使用化學蝕刻、雷射蝕刻、雷射拋光、超音波加工、或使用一微加工技術。
  30. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中該雷射加工係以如申請專利範圍第1、13或23項所述之系統中的任一個來實施。
  31. 一種加工一工作部件之方法，包含： 對該工作部件進行雷射加工以形成一盲孔，該盲孔在該工作部件之一第一面上具有一開口端以及在接近該工作部件之一第二面之處具有一封閉端，其中該工作部件包含一在一雷射加工波長下呈現透明的透明材料；以及在該雷射加工之後，移除將接近該盲孔之該封閉端之物質，以將該盲孔轉換成一通孔，該通孔在該工作部件之該第二面具有一開口端。
  32. 如申請專利範圍第31項所述之方法，其中該雷射加工包含在該工作部件之該第一面上流過一液體。
  33. 如申請專利範圍第31或32項所述之方法，其中移除接近該盲孔之該封閉端之該物質之步驟係使用：化學蝕刻、超音波加工、或微加工技術。
  34. 如申請專利範圍第31或32項所述之方法，其中移除接近該盲孔之該封閉端之該物質之步驟係使用雷射蝕刻或雷射拋光。
  35. 如申請專利範圍第31項所述之方法，其中該雷射加工係以申請專利範圍第1、13或23項所述之系統中的任一個來實施。
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