TW201701978A - 用於製造結構化元件的方法及設備以及結構化元件 - Google Patents

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Abstract

在用於藉助於利用脈衝雷射輻射對工件(200)進行材料移除加工來製造結構化元件之方法中，該工件由對該雷射輻射透明之工件材料組成。該雷射輻射自輻射入口側(210)輻射至該工件中，並且在該工件之後側(220)的被定位成與該輻射入口側相反之該區域中，該雷射輻射以藉由多光子吸收在該聚焦區域中移除工件材料之方式在聚焦區域(135)中聚焦於該工件內。至少在當前繞該聚焦區域加工之加工區域中，該工件之該後側與對該雷射輻射透明之自由流動液體(320)接觸，其中該液體中之至少一些經設定成以一方式在朝該加工區域之方向上流動，該方式使得該液體與該後側成60°或更小之銳角流入該加工區域中。同樣地描述適合於執行該方法之設備。

Description

用於製造結構化元件的方法及設備以及結構化元件
本發明係關於根據申請專利範圍第1項之預表徵條項的用於藉助於利用脈衝雷射輻射對工件進行切削加工來製造結構化元件之方法，係關於根據申請專利範圍第7項之預表徵條項的適合於執行該方法之設備，並且係關於可藉助於該方法而獲得之結構化元件。
為了製造具有三維表面結構之結構化元件，已知的是加工表面以對用來利用聚焦雷射輻射製造元件之工件進行結構化。若工件由對所使用之雷射輻射透明的工件材料組成，則若在多光子吸收(非線性吸收)區域中進行操作，雷射誘導剝蝕係可能的。
例如，利用超短脈衝雷射自前側對工件進行加工是已知的。雷射射束被聚焦至工件之入口側表面上。雖然工件對所使用之雷射波長(例如，在可見或NIR範圍內)是透明的，但聚焦產生如此高強度以使得剝蝕由於多光子吸收而發生於工件表面處。有可能僅產生特定結構。例如，壁移除角受光學結構之參數限制。即使在聚焦追蹤的情況下，也不可產生任何所要陡角。另外，例如，沒有具有底切之結構可產生。
Glass Sci.Technol.76(2003)No.2中K.Du及P.Shi的文章 「Subsurface precision machining of glass substrates by innovative lasers」描述除其他外，准許在玻璃中產生精確中空結構之技術，該技術利用習知機械方法將是不可能的。亦可能的是，除在前側製程中之外，例如產生具有底切及高縱橫比之結構。在該方法中，來自奈秒雷射之雷射射束自上側輻射至玻璃中，且聚焦於相反下側上。蒸發的玻璃材料有可能自加工區自由地流走。藉助於對射束之合適偏轉，有可能在玻璃中產生具有任何所要橫截面之精確及可再生孔。
雷射誘導背側濕式蝕刻(LIBWE)是用於將微結構直接且高品質地引入至透明介電材料中之方法。蝕刻製程發生於透明試樣之後側上，從而與吸收劑液體接觸。
DE 19912879 A1描述用於利用脈衝雷射射束蝕刻透明物質之方法，其中材料之與雷射照射表面相反且與吸收雷射輻射之流體接觸的側面藉由通過流體吸收雷射輻射來移除。所聲稱之流體為溶液或有機物質及無機顏料之分散體的浴。
DE 102005055174 B3描述用於藉助於藉由將脈衝雷射輻射施加至透明材料之相對於入射雷射輻射相反且與液體接觸之側面來對對雷射波長透明的材料進行雷射輻射之方法，該液體在頻譜範圍0.2至11μm中具有大於1000cm-1的高吸收係數，其中該液體具有金屬性質。
本發明之目標在於提供用於製造結構化元件之通用方法，該通用方法准許產生具有極精細且清晰定義之三維表面結構的結構化元件。進一步目標在於提供適合於執行該方法及亦對應製造之結構化元件的設 備。
為達成此等目標，本發明提供具有申請專利範圍第1項之特徵的方法。此外，提供具有申請專利範圍第7項之特徵的設備及具有申請專利範圍第15項之特徵的結構化元件。在從屬申請專利範圍中指定有利的發展。所有申請專利範圍之用詞係參考描述內容做出。
本發明尤其基於發現由於剝蝕，可出現大量顆粒及/或氣體移除產物，從而再次沉降於表面上且可污染該表面。詳言之，在具有高縱橫比之結構的情況下及/或在具有低側向結構尺寸之結構的情況下，不可藉由氣體流有效地防止沉積，因為此類結構之內部僅不良地由氣體到達，因此所移除之材料不可被「沖出」且可直接沉積於孔及類似深結構之內部，並且因此可再次阻擋下一者。詳言之，在具有低結構大小之結構的情況下，所剝蝕材料之沉積可比在粗結構的情況下顯著地更高度值得注意。蒸發材料可再次凝結在所製造之結構的壁上。因此，有可能顯著地降低所製造之結構的表面品質，以使得光學品質不再達成。另外，尖銳邊緣可被圓形化，且精細結構可被阻擋。此外，一般而言，不同於原始工件材料，再凝結工件材料本身對所使用之雷射波長不再是透明的。因此，可在此處特別高度地吸收雷射射束，從而可導致非所要之加熱。
根據所要求保護的發明之教示，至少在當前繞聚焦區域加工之加工區域中，工件之後側與對雷射輻射透明之自由流動液體接觸。因此，在所移除材料可再次沉澱之前，將所移除材料自結構之可能狹窄的間隙移除係可能的。術語「透明的」在此方面意味用於雷射輻射之液體應以盡可能少量吸收劑之方式起作用，以使得液體本身不互動或僅與雷射輻射互 動。因此，液體對剝蝕製程沒有做出貢獻或相當大的貢獻，但可防止移除產物再次沉澱於所製造之結構上。因此，實際上專門由雷射誘導多光子吸收來判定暴露表面之微結構；可避免難以控制之化學製程。因此，可經由雷射輻射之性質確切地預定所製造之結構的形狀。液體體積應足夠高以便移除產物在其原點處被吸收至液體中，藉由該液體包封且可藉由該液體將其運輸遠離原點。
適合於執行該方法之設備具有液體提供裝置，該液體提供裝置經設計來至少在當前繞聚焦區域加工之加工區域中，使工件之後側與自由流動液體接觸。
所要求保護的發明中之特別良好的純度維護藉由經設定在朝加工區域之方向上流動的液體中之至少一些來達成。因此，可達成剝蝕產物之特別有效的運走，且可防止剝蝕產物在聚焦區域附近之有害富集。在綜合試驗中表明，若液體與後側成60°或更小的銳角流動至加工區域，則可經常達成特別良好的純度維護。此角度(亦可表示為流入角)表示液體之主流動方向(例如，可由噴嘴之定向預定)與後側之間的角度。該角度可例如處於20°至50°的角度範圍內，詳言之，30°至45°的角度範圍內。平行運行或與後側成直角(流入角，例如15°或更小)之流動在一些情況下甚至可為足夠的，但已表明藉助於成銳角的流入，甚至有效地使深達結構元件之間的工件中之精細間隙保持清潔。若流入角太淺，則液體不可能適當地滲入間隙中。在另一方面，若流入角太陡，則不再運走有可能在所要程度上係可能的。
為改良加工品質，液體提供裝置相應地具有泵及至少一個噴 嘴，該噴嘴用於在朝聚焦區域之方向上製造液體流，其中該噴嘴經對準以使得液體與後側成60°或更小的銳角流動至加工區域中。
在一個實施例中，將水用作與後側接觸之液體。原則上，此可為來自公共給水之水，該水實際上可經濟地獲得任何所要量。若必要，可在將水用作輔助加工液體之前，將水機械地(藉由過濾)及/或化學地淨化。可提供特殊添加劑但一般不必要。若使用水，則可避免液體之相關性質的變化(諸如由雷射輻射所引起的液體中之化學反應及由於該化學反應所致的液體之化學分解)，以使得可以經濟方式產生穩定加工條件。
或者，例如，不吸收雷射輻射且具有足夠低黏度或高流動性之油可用作與後側接觸之液體。
在一些實施例中，可藉由在加工期間，將加工區域中之液體設定成超音波、永久或間歇振動來達成改良的純度維持效果。藉助於流動，可將移除產物自工件表面及不太深的結構快速地帶走。然而，在緊密立柱或錐體之陣列中或在具有高縱橫比之孔中的間隙中，可能難以製造能夠快速移除所有移除產物之液體流。若在液體中製造超音波振動且進入此等間隙，則可防止移除產物在經加工之表面上的沉澱，以使得液體甚至在弱流動或無流動的情況下能夠拾取移除產物。
超音波能可直接注入至液體中，且藉由加工液體傳輸至加工區域。為此目的，超音波發生器可與液體攜帶元件(例如，管道或噴嘴)接觸或與以另一方式與液體接觸之元件(例如，液體容器)接觸。或者或另外，亦可能經由將要加工之工件注入超音波能。例如，用於工件之固持裝置可具有石英振盪器或另一超音波發生器。
可替代地或另外向液體流之製造提供超音之產生。
對於液體之提供而言，存在不同可能性。
在一些實施例中，液體提供裝置經組配來將液體以自由液體射流(亦即，自由射流)形式引導至後側。然後，工件之前側及後側可露天，或處於環境氣氛中。因此，若必要，亦可加工極大的工件。在此等情況下，固持裝置較佳地經組配以使得工件可以水平或傾斜定向固持。噴嘴可為可追蹤的，以使得在視需要不移動工件的情況下，連續不同的表面區域可暴露於液體流。
在一些實施例中，液體提供裝置具有液體容器，該液體容器可填充有液體且相對於固持裝置佈置，以使得固持於固持裝置中之工件可至少以後側浸入液體中。此液浴中之液體位準可適當地匹配工件之位置。
可能的是，工件僅局部浸入，以使得後側與液體平整接觸，而射束入口側為乾燥的或未被潤濕。因此，雷射輻射之注入可經由乾燥射束入口側在較好定義之折射條件下進行。
亦可能的是，工件完全浸入液體中，以使得射束入口側亦被潤濕。對於此情況，可在聚焦光學器件與固持裝置之間提供注入元件，該注入元件對雷射輻射透明，且雷射輻射經由該注入元件注入液體中。注入元件可例如具有平面平行板之形式。因此，可能避免對聚焦區域之位置及形式有任何影響之液體表面的可能移動。
對於加工而言，可使用具有幾奈秒(10-9s)之區域中的脈衝長度之短脈衝雷射(例如，奈秒雷射(ns-雷射))。已表明，因此，原則上可製造下降到幾100μm之範圍內的結構大小。由於對ns-雷射之使用，雷射照射區 域中之相當大的裂紋在加工期間經常顯現其本身，由於此情況，工件材料之部分幾乎被衝開。此限制最小結構大小。不可製造具有小尺寸之結構。
在較佳變體中，超短脈衝雷射輻射較佳地以至多50皮秒(ps)之脈衝寬度經輻射以用於材料移除加工。用於此目的之設備包含超短脈衝雷射作為脈衝雷射源。由於將超短脈衝用於材料移除，最小化對工件之熱影響，亦即，繞加工點僅發生工件材料之極低加熱或無加熱。根據適當加工試驗，不可見到熱影響區。若使用超短脈衝，則甚至可最大可能程度地避免可在使用ns-雷射時出現的已提及之裂紋。因此，可利用超短脈衝雷射而非具有較長脈衝寬度之雷射來製造結構化元件之較小結構及/或更清晰定義的表面。
為了能夠在工件上或該工件之後側上製造具有可預定形狀、大小、深度等之結構，該設備具有用於聚焦區域相對於工件的可變定位之定位裝置。定位裝置可例如具有用於雷射輻射相對於工件的可控制偏轉之雷射射束偏轉裝置，該雷射射束偏轉裝置例如具有電流計掃描器。
可能僅構造後側，而工件之前側保持未變化或未構造。亦可能在工件中產生(一或多個)通道開口，該等通道開口自後側通過至前側，以使得在前側上製造嘴部。為防止液體在加工及可能在前側破壞加工期間穿過所得通道開口自後側到前側，在一些實施例中，提供具有噴嘴開口的連接在聚焦光學器件之下游的噴嘴元件，雷射輻射可穿過該噴嘴元件，其中當該噴嘴元件連接至壓縮氣體源時，該噴嘴元件經組配來產生在射流入口側處引導之氣流。經由此氣流，可視需要防止液體在前側出現。
本發明之其他優點及觀點自申請專利範圍及以下對本發明之較佳示例性實施例之描述中顯現，以下藉由使用圖式來解釋該等優點及觀點。
圖1展示用於藉助於雷射射束加工來製造結構化元件之設備的實施例之一些部件的示意圖；圖2舉例展示將藉由加工工件後側來製造之結構的3D模型；圖3示意性地展示在雷射射束加工期間，處於圖2中之結構的下端處之層；圖4展示來自圖1之實施例的變體，該變體具有完全浸入之工件及用於將雷射射束注入液體中之特殊注入元件；圖5展示藉助於該方法所製造之結構在元件之後側上的掃描電子顯微鏡影像；圖6展示用於藉助於雷射射束加工來製造結構化元件之設備及方法的實施例，其中自由液體射流被引導於工件之後側處。
圖7示意性地展示在後側製造之凹陷中的液體流之進程；並且圖8A及圖8B示意性地展示在用於在工件之後側製造圓柱形孔的兩個連續作用的加工階段中之雷射射束引導。
圖1展示用於藉助於利用脈衝雷射輻射對工件200進行材料移除加工來製造結構化元件之設備100的實施例之一些部件的示意圖。該設備具有呈超短脈衝雷射形式之脈衝雷射源(未例示)，該超短脈衝雷射用於製造具有處於12ps(皮秒)之區域內的脈衝寬度及1064nm之波長的脈衝雷射 輻射。
工件200在實例的情況下由藍寶石(Al2O3)組成，且具有平面平行板之形式，該平面平行板具有平坦前側210、平行於該平坦前側之後側220，以及在該平坦前側與後側之間量測的約600μm之工件厚度。藉助於固持裝置110將工件大體上水平地固持於加工位置中。工件材料對雷射輻射在很大程度上透明。雷射射束藉由材料之衰減是不可量測的，以使得假定低百分比範圍或以下(小於1%)的吸收。在其他實例中，構造由玻璃材料製成之工件，例如一種工件由鈉鈣玻璃製成。
此外，設備100具有用於引導雷射輻射且用於製造雷射射束130之射束引導系統，該射束引導系統可大體上垂直向下地對準至工件之向上指向前側上，該向上指向前側充當射束入口側。藉助於射束擴展器加寬之雷射射束在聚焦光學器件140之方向上藉由電流計掃描器之鏡佈置偏轉，在雷射射束加工期間，該聚焦光學器件將雷射射束聚焦至聚焦區域135上，該聚焦區域主要在工件的接著前側之後側220的附近位於工件之內部。
聚焦光學器件140被實行為遠心f-θ光學器件，且以一方式與電流掃描器之偏轉範圍及入射雷射射束之性質匹配，該方式使得聚焦雷射射束在工件之後側220附近的二維擴展工作區域內之每一聚焦位置中具有大體上相同的射束性質。因此，f-θ光學器件確保偏轉雷射射束之聚焦區域不在球形表面上移動，但可在平面上移動。
電流計掃描器及聚焦光學器件為定位裝置之功能部件，聚焦區域135相對於工件之位置可利用該等部件在控製程式之控制下特定地改變。可彼此獨立地控制與聚焦光學器件之光軸成直角且與此成直角(在z方 向上)的x-y平面中之相對移動。此處，具有聚焦光學器件及掃描器之子組件可被上升(在z方向上)及下降；工件僅在x-y平面中位移。
該設備包括液體提供裝置300，該液體提供裝置經設計來至少在當前繞聚焦區域135加工之加工區域中，使工件之後側220與自由流動液體320接觸。液體提供裝置具有液體容器310，該液體容器在頂部處敞開，並且為了加工操作，填充有液體320以使得液體位準325稍微位於工件之後側的位準以上，但在前側(射束入口側)210之位準以下。因此，後側被浸入液體中，而射束入口側保持乾燥。此處所使用之液體為不吸收且對雷射輻射透明的水。
液體提供裝置具有閉合的液體電路。泵330在壓力側上具有出口，該出口經由側向引導至液體容器之內部中的液體管道322連接至液體管道之端部處的噴嘴325。噴嘴以藉由泵輸送之液體相對於後側220傾斜地成約10°至20°之銳角流入聚焦區域135中之加工區域的方式對準。自相反側，另外的液體管道324穿過顆粒過濾器326引導至泵之吸力側。
在液體容器之底部區域中，將可經由能夠振動之容器底部將超音波能注入至液體中之超音波發生器350裝配於外側。
在試驗中，該設備例如操作如下。
來自超短脈衝雷射(脈衝寬度12ps、波長1064nm、功率<2W、重複率400kHz、繞射率M2<1.3)之雷射射束被聚焦至透明工件之後側上。
藉助於聚焦區域(亦即，聚焦區域135)中之非線性吸收，材料剝蝕自工件200之後側220開始發生於工件材料內。聚焦光學器件與工件 之間的距離在照射期間增加，以使得射束之聚焦區域保持於後側材料表面上，例如藉由剝蝕所製造之盲孔的底部上。因此，對於深度方向(z方向，與後側成直角)上之剝蝕而言，發生聚焦追蹤。
由於對超短脈衝之使用，最小化對工件之熱影響，亦即，繞加工點僅發生工件材料之極低加熱或無加熱。試驗之後不可見到熱影響區。因此，甚至避免在使用較長脈衝時的可能裂紋。因此，可利用超短脈衝雷射而非具有較長脈衝寬度之雷射來製造較小結構。
在沒有液體的情況下，由於低結構大小，所剝蝕材料之沉積可使得其本身顯著地更高度值得注意。蒸發材料可再次凝結在所製造之結構的壁上。因此，可顯著地降低所製造結構之表面品質。另外，一般而言，再凝結工件材料對所使用之雷射波長不再透明，不同於在空氣中之試驗期間，此沉積呈現白色的工件之體積材料。因此，此處特別高度地吸收雷射射束，從而可導致非所要之加熱。
藉助於液體320，可能在所移除材料可再次沉澱之前，將所移除材料自結構之狹窄間隙移除。為此，工件之後側在雷射加工期間例如藉由置放於盆或液體容器中之固持器上的工件與透明液體(水)接觸，並且此盆填充有液體直到工件之下側(後側)。在此液體中，藉由泵製造流動。可藉由此流動自工件表面帶走移除產物。
應始終朝工件之當前正加工的區域流動。在試驗期間，在固定噴嘴的情況下，可加工具有約7mm之直徑的區域。為加工較大區域，藉助於追蹤裝來追蹤噴嘴。
可能在緊密立柱或錐體之陣列中及/或在具有高縱橫比之孔 中的間隙中，沒有可移除此等移除產物之液體流或僅有可移除此等移除產物之低液體流。因此，較佳地藉由啟動超音波發生器350，在液體中另外製造超音波振動，該超音波振動進入此等間隙中且因此防止移除產物之沉澱。
在所進行之試驗中，得知若以例如介於10°及45°至50°(在主要流動方向與後側之間量測)之間的銳角發生朝工件之流動，則達成最好作用，例如圖1中所示。
過濾器326將移除產物自水迴路移除，以使得該等產物不可再次流動至工件上。此處，要注意流動不由完整過濾器太嚴重地降低。適時或以規則間隔改變過濾器。可能地，可利用合適的量測設備來監視水迴路之流動速率，以便最佳化用於過濾器之變化間隔。在實例中，使用約30ml/min之流動速率，從而穿過4mm直徑之管道朝工件流動。
同樣地可能的是，超音波發生器350在其自身上之使用而沒有朝試樣的任何流動。此程序准許根據此方法之短期加工。然而，在加工期間，由於對照射點之加熱，可在液體中產生氣泡。在液體不流動的情況下，此等氣泡可在一些時間後聚集於工件下，以使得可在此處產生氣泡。因此，更難以將移除產物運走。因此，在大多數方法變體中，組合使用超音及液體流機構兩者。
除將移除產物移除之外，液體亦具有冷卻作用，藉此進一步降低熱量對工件的影響。
對於程序之控制而言，存在不同可能性。若將要製造之3D結構展示為3D模型，此等可藉由軟體分解，該軟體控制加工成平行於工件表面之單獨平面或平面層(以相似於3D印刷或雷射燒結之方式)。圖2舉例 展示結構ST之3D模型，該結構之結構元件SE以具有正方形橫截面及錐形尖端之尖柱方式設定形狀，從而形成具有狹窄間隙ZW之2D網格。
將要移除之層例如可具有自約3至8μm之厚度。此等層之厚度取決於材料且可在先前試驗中判定。圖3舉例展示在圖2中之結構的下端處之層SC。此等單獨層中之每一者含有第一區域B1，在該第一區域中，藉由雷射剝蝕來移除工件材料，以及第二區域B2，工件材料將保持於該第二區域中。如圖3中舉例所示，在加工平面(箭頭)期間利用射束掃描第一區域B1，亦即，x-y平面中之相對移動發生在雷射射束之聚焦區域及工件之間，以使得將要移除之整個區域藉由雷射射束掃過。在示例性試驗中，以400mm/s之掃描速度及5μm之掃描線的側向間距進行操作。
若結構不呈現為3D模型，則亦可用手程式化雷射射束在工件上之路徑。
在至此描述之實施例中，工件與雷射射束之間的相對移動由電流計掃描器產生，而聚焦光學器件包含f-θ物鏡。在具有45mm之焦距的f-θ物鏡的情況下，得到8-9μm之聚焦直徑。因此，產生具有保持結構元件之側向尺寸及/或暴露於50μm之區域中的結構元件之間的間隙之結構。結構深度可為多個此等值。
完成層或平面之照射後，追蹤雷射射束之聚焦區域(焦點)，以使得可加工下一層或平面。為此目的，工件或具有聚焦光學器件之掃描器可在射束方向(z軸)上移動。同樣地可能的是，藉助於可移動透鏡輕微地改變聚焦光學器件之焦距。
在圖5中，展示藉助於該方法所製造之元件的結構化後側之 SEM影像。剩餘結構元件具有帶有正方形橫截面及錐形尖端之柱的形式，該等柱以正交列及行佈置成網格。位於之間的是峽谷形間隙，該等間隙之側向淨寬(約50μm)大致對應於結構元件之寬度或稍微較小，而深度至少四倍大。
在所要求保護的發明之範疇內，存在眾多可能的變體。
代替在(非移動)工件上移動雷射射束之電流計掃描器，亦可能使用固定雷射射束，且亦可能移動工件而非雷射射束。在此情況下，可使用將雷射射束聚焦至固定點上的具有一或多個透鏡之聚焦光學器件。當工件在液體中移動，或在垂直於入射雷射射束之平面中在液體與氣體之間的介面處移動時，液體進給之出口開口保持於固定位置中。
在液體320中完成對工件200之浸入係可能的。圖4展示對應示例性實施例。因為使用對所使用之波長透明的液體，所以工件可在加工期間完全地浸入。然而，為了將雷射射束130注入至液體中，應將額外的光學透鏡或其他透明注入元件350置放於液體320與空氣之間的介面處。其他部件可對應於來自圖1之實例；對彼處描述進行參考。
同樣地可使用螺旋鑽光學器件。此處，聚焦應位於後側工件表面，如其他變體中一樣。藉由使用螺旋鑽光學器件，尤其可以極高精度製造圓孔。
使用如所描述但具有較小偏轉雷射射束而非具有固定雷射射束之聚焦光學器件。為了偏轉雷射射束，可使用具有合併壓電致動器之鏡固持器。此等固持器置放於聚焦光學器件之前面且准許對角度之調整，雷射射束以該角度撞擊聚焦光學器件(當使用單個此類固持器時)，或對角度 之單獨調整及點在聚焦光學器件上之碰撞(在兩個固持器的情況下)。因此，雷射射束可在工件上之小區域中移動，而不使用電流計掃描器。
在詳細描述之實例中，工件以後側位於下面且浸入液浴中之方式水平地固持。雷射射束自以上輻射。此不是強制的。亦可能在液浴中傾斜地定位工件或將工件定位於邊緣(垂直對準之後側)上。
液體可以自由液體射流形式引導至後側。此處，工件亦可水平地或傾斜地對準。
先前加工之工件至少100μm厚。若工件變得太薄，則更難以將聚焦限制於材料之後側，而不同時在前側產生移除。可藉由使用具有較短焦距並且因此具有較短瑞利(Rayleigh)長度之不同物鏡來避免此約束。另外，在薄基板的情況下，定位變得更困難，工件應經定位以使得上側未到達水位以下。至此最大工件厚度為3mm；然而，在所使用之結構的情況下，亦可加工甚至更厚的工件，例如至多20mm或20mm以上。
先前所使用之超音波振動的頻率範圍為約50-60kHz。在加工期間，使用固定頻率。將同樣地可能的是具有週期性頻率變化之頻率掃描。另外，工件本身原則上可受激振動。在該製程中，工件然後應不受太高的機械應力，且振幅不應如此高以使得將雷射射束聚焦至靠近後側之工件材料中太困難。
加工可在室溫下進行。在加工製程開始時，水具有約20℃之溫度，在加工期間，其被加熱至約40℃。在此溫度範圍中，不可判定溫度對加工之影響。可提供溫度控制。
針對加工製程，使用自來水。取決於水硬度，可能應使用脫 礦質水以避免水垢沉積於工件上。
具有藉由此方法所製造之結構的結構化元件可例如用作用於模製之主盤。由於由玻璃主盤模製，可能製造模具，該模具也允許對例如由塑膠製造之原始主盤結構的複製。為了模製部件之良好品質，結構元件之良好表面品質是有益的，由此所描述方法是特別合適的。結構化元件亦可用作被壓入至另一材料中的壓印模。
三維結構可為例如具有均勻的或在軸向方向上變化的孔橫截面之簡單孔、錐形或截斷錐形結構、尖柱或柱等等。
可選擇透明材料以使得至少在可見頻譜範圍(VIS，例如在380nm與780nm之間)中及/或在近紅外線範圍(NIR，在780nm與約3000nm之間)中，它們展現高傳輸或低吸收。透明材料可為例如玻璃(例如，石英玻璃(SiO2)或鈉鈣玻璃)，或晶體材料(例如，氟化物材料或氧化物材料，例如像藍寶石(Al2O3))。
參考圖6至圖8，描述特別適合且尤其適於加工特別大的工件及/或製造通道孔之示例性實施例。
圖6展示用於藉由利用脈衝雷射輻射對工件700進行材料移除加工來製造結構化元件之設備600的一個實施例之部件。
工件700具有平面平行板之形式，該平面平行板具有平坦前側710及平行於該平坦前側之後側720。工件藉助於固持裝置610大體上水平地固持於加工位置中。工件材料對雷射輻射在很大程度上透明。
設備600具有用於引導雷射輻射且用於製造雷射射束630之射束引導系統，該射束引導系統可大體上垂直向下地對準至工件之向上指 向前側(射束入口側)上。加寬雷射射束在聚焦光學器件640(例如，遠心f-θ光學器件)之方向上藉由電流計掃描器(具有掃描器鏡642)之鏡佈置偏轉，在雷射射束加工期間，該聚焦光學器件將雷射射束聚焦至聚焦區域635上，該聚焦區域主要在工件之後側720的附近位於工件之內部。
電流計掃描器及聚焦光學器件為定位裝置之功能部件，如在以上實例中，聚焦區域635相對於工件之位置可利用該等部件在控製程式之控制下在垂直方向及水平方向上特定且獨立地改變。
佈置在聚焦光學器件與工件平面(亦即，聚焦光學器件在射束方向上之下游)之間的是噴嘴元件670，該噴嘴元件具有雷射射束630可穿過之噴嘴開口。當氣體連接672連接至壓縮氣體源時，按順序提供噴嘴元件以產生引導於射束入口側(工件之前側)處的氣流。因此，射束入口區域可經受壓縮氣體(例如，壓縮空氣)。
該設備包括液體提供裝置，該液體提供裝置經設計來至少在當前繞聚焦區域635加工之加工區域中，使工件之後側720與自由流動液體(例如，水)接觸。液體提供裝置具有液體容器650，該液體容器在頂部處敞開，並且為了加工操作，局部填充有液體620。液體容器充當儲存容器及收集槽。液體位準626以一些方式處於工件之後側720以下，以使得後側及射束入口側在加工開始之前保持乾燥。
液體提供裝置具有液體迴路。泵660在壓力側上具有出口，該出口在液體管道之端部處經由液體管道662連接至噴嘴625。噴嘴以一方式對準，該方式使得由泵輸送之液體作為自由液體射流(自由射流)622相對於後側720傾斜地成約30°至60°之銳角W流動至聚焦區域135中之加工區 域中，且自此滴入或流回液體容器中。自相反側，另外的液體管道624穿過顆粒過濾器引導至泵660之吸力側。
在此設備的情況下，例如可進行以下方法變體。
在該方法中，工件700之前側710及後側720兩者都露天加工。工件經安裝以使得將要加工之區域可自後側自由地接近。
如上所述，具有雷射射束630之照射自前側發生，其中雷射射束聚焦於後側表面上，以使得在聚焦區域中，由於高能量密度所致之非線性吸收而發生材料移除。在聚焦區域635以上，雷射射束穿過透明工件700，而幾乎沒有任何材料變化互動。
自後側720，自由液體射流622被引導至工件以使得液體(在此實例中為水)繞聚焦區域潤濕將要加工之限制區域。可貫穿整個雷射照射時段維持流動至工件上之液體，以使得加工區域不斷與液體接觸。因此，在加工期間自加工點移除所出現之剝蝕殘餘物，以避免對工件之污染。
在此方法的情況下，在一個試驗中，在1.3mm厚的玻璃中製造具有500μm之直徑的圓柱形通道孔。藉助於具有60mm之焦距的聚焦光學器件來將雷射射束(波長532nm、脈衝寬度12ps、重複率400kHz、平均功率1.6W)聚焦至工件之後側。同樣地可使用例如像100mm之較長焦距。在射束路徑中位於聚焦光學器件之上游的是電流計掃描器佈置，雷射射束可利用該電流計掃描器佈置在加工平面中在平行於工件表面之x及y方向上移動。
聚焦平面中之射束直徑為約10μm。為了利用此雷射射束製造具有500μm之直徑的孔，藉助於掃描器以兩個不同移動圖案將其引導在 工件上。第一移動圖案(參看圖8A)以6μm之間距由平行線組成，該等平行線填充將要移除之整個區域。第二移動圖案(參看圖8B)繞將要移除之區域的周邊以6μm之間距由五個同心圓組成。例如，射束可在工件之下側上的第一加工平面中以第一移動圖案引導，並且以此方式，可移除具有約5μm之厚度的材料層。隨後，具有聚焦光學器件及電流計掃描器之整個光學結構可向上移動遠離工件(z方向)此量，且雷射射束之聚焦可因此在基板表面(前側710)之方向上移動相同距離。因此，可在下一加工平面以第二移動圖案(圖8B)引導雷射射束。於是，z方向上之移動及以第一移動圖案之移除可再次發生等。
代替移動整個光學結構，沿z軸之焦點位置亦可隨著可沿射束軸移動之額外透鏡(任選透鏡645)而變化。代替交替兩個移動圖案，整個移除亦可藉由僅使用第一移動圖案(根據圖8A之線性圖案)發生；然而，在兩個圖案之間交替允許較快加工，而不降低孔之表面的品質。同樣地設想到僅使用第二移動圖案，以便製造通道孔。
藉助於具有1mm之直徑的噴嘴625將蒸餾水引導至工件之後側上。在此情況下，噴嘴經佈置成與表面成約60°之角度W。流動速率為250ml/min或更小。在此情況下，水射流在工件表面上之碰撞點經選擇以使得值得注意量之水進入孔中。水射流經引導於如自噴嘴見到的孔之後邊緣處來達成此舉。然後，水沿後一者(參看圖7)之相反側從孔中流回。不是流入孔中，而是水中之一些亦沿後側工件表面流動短距離。所描述之水攜帶剝蝕殘餘物流動且自基板表面移除此等剝蝕殘餘物。具有剝蝕殘餘物之水聚集於工件下之槽(液體容器650)中，且藉助於泵並且在已濾出雜質後再次 返回到噴嘴。
應防止水穿過孔並且潤濕工件之上側(前側710)。由水攜帶之殘餘物可污染此表面；此外，由水改變之折射率可破壞雷射射束之聚焦。因此，在圖6之示例性實施例中，具有2mm之開口直徑的噴嘴元件670位於聚焦光學器件與工件表面之間，雷射射束630穿過該噴嘴元件。此噴嘴元件具備氣體連接，壓縮空氣或諸如氮氣之惰性氣體可經由該氣體連接引入。氣流經由一個區域中之噴嘴引導至工件之上側(前側)，該上側與下側(後側)上之加工位置相反。一旦已藉由雷射加工打開通道孔，則氣流穿過孔且推動流入的水從該等孔中退出，以使得水不可到達上側。氣體噴嘴之開口亦可具有其他直徑。對於將要製造之較小結構，直徑同樣地可較小，例如1mm；對於若干小結構之佈置，噴嘴可經組配以使得整個佈置經受氣流。
完成通道孔後，可進行工件與加工單元之間的相對移動，以便轉到下一加工位置。此可藉由移動工件，而且藉由同時移動包括氣體噴嘴及用於液體射流之噴嘴(液體噴嘴625)的光學結構來發生。
在該方法之另一應用實例中，在具有300μm之厚度的玻璃基板中製造具有約20μm之直徑的通道孔。在此情況下，在加工期間沿圓形輪廓引導雷射射束。加工平面之間的距離減小到約2μm。在此孔幾何形狀的情況下，可能省去氣流，因為液體在此處出現之風險低。
雖然在第一實例中，雷射射束之掃描區域受氣體噴嘴(噴嘴元件670)限制，但當省去該氣體噴嘴時，可利用例如45×45mm之電流計掃描器的整個掃描區域，從而可在沒有光學單元與工件之間的相對移動的情況下，快速連續地製造緊密定位在一起的大量孔。然而，當製造位於相對 小的工作區域之單個孔或若干孔時，水射流可經由具有1mm直徑之圓形噴嘴在此處再次引導於孔處，其中水之體積流量與較大孔相比應顯著地降低。有利的是使工件的大於僅一個單獨孔之區域經過水射流。此可例如經由噴嘴發生，該噴嘴製造具有更橢圓或線性橫截面之液體射流。
100‧‧‧設備
110‧‧‧固持裝置
130‧‧‧雷射射束
135‧‧‧聚焦區域
140‧‧‧聚焦光學器件
200‧‧‧工件
210‧‧‧前側
220‧‧‧後側
300‧‧‧液體提供裝置
310‧‧‧液體容器
320‧‧‧自由流動液體/液體
322‧‧‧液體管道
324‧‧‧液體管道
325‧‧‧液體位準/噴嘴
326‧‧‧顆粒過濾器/過濾器
330‧‧‧泵
350‧‧‧超音波發生器/透明注入元件
X‧‧‧方向
Y‧‧‧方向
Z‧‧‧方向/軸

Claims (15)

  1. 一種用於藉助於利用脈衝雷射輻射對一工件進行材料移除加工來製造一結構化元件之方法，該工件由對該雷射輻射透明之一工件材料組成，該雷射輻射自一輻射入口側輻射至該工件中，並且在該工件之一後側的被定位成與該輻射入口側相反之該區域中，該雷射輻射以藉由多光子吸收在該聚焦區域中移除工件材料之一方式在一聚焦區域中聚焦於該工件內，其特徵在於至少在當前繞該聚焦區域加工之一加工區域中，該工件之該後側與對該雷射輻射透明之一自由流動液體接觸，其中該液體中之至少一些經設定成以一方式在朝該加工區域之一方向上流動，該方式使得該液體與該後側成60°或更小之一銳角流入該加工區域中。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於，該角度處於自20°至60°的該角度範圍內。
  3. 如前述申請專利範圍中一項之方法，其特徵在於，該加工區域中之該液體在該加工期間經設定成超音波地振動，其中超音較佳地被注入至該液體中，且藉由該加工液體傳輸至該加工區域。
  4. 如前述申請專利範圍中一項之方法，其特徵在於，該液體以一自由液體射流形式引導至該後側，其中較佳而言，該工件水平地或傾斜地定向。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中一項之方法，其特徵在於，該液體提供於一液體容器中，並且該工件至少以其後側浸入該加工液體中。
  6. 如前述申請專利範圍中一項之方法，其特徵在於，超短脈衝雷射輻 射經輻射以用於該材料移除加工，其中較佳地輻射具有至多50皮秒之一脈衝寬度的超短脈衝雷射輻射。
  7. 一種用於藉助於利用脈衝雷射輻射對一工件(200)進行材料移除加工來製造一結構化元件之設備(100)，詳言之，用於執行如前述申請專利範圍中一項之方法的設備，其包含：一脈衝雷射源，其用於製造具有一波長之脈衝雷射輻射，該工件材料對該波長大體上透明；一固持裝置(110)，其用於以一方式將該工件固持於一加工位置中，該方式使得該雷射輻射可自一射束入口側(210)輻射至該工件上；聚焦光學器件(140)，其用於經由該射束入口側將該脈衝雷射輻射聚焦至該工件的被定位成與該射束入口側相反之一後側(220)上的一聚焦區域(135)中，以用於藉由多光子吸收對材料進行自該工件之該後側剝蝕；以及一定位裝置，其用於對該聚焦區域(135)進行相對於該工件(200)之該可變定位；其特徵為一液體提供裝置(300)，其經設計來至少在當前繞該聚焦區域(135)加工之一加工區域中使該工件之該後側(220)與一自由流動液體(320)接觸，其中該液體提供裝置(300)具有一泵(330)及至少一個噴嘴(325)，該噴嘴用於製造該液體(320)在朝該聚焦區域(135)之一方向上的一流動，其中該噴嘴經對準以使得該液體與該後側成60°或更小之一銳角流入該加工區域中。
  8. 如申請專利範圍第7項之設備，其特徵在於，該液體提供裝置經組配來將該液體以一自由液體射流形式引導至該後側，其中該固持裝置較佳 地經組配來以一水平或傾斜定向固持該工件，及/或在於該噴嘴為可追蹤的。
  9. 如申請專利範圍第7或8項之設備，其特徵在於，該液體提供裝置具有一液體容器(310)，該液體容器可填充有該液體，且相對於該固持裝置(110)佈置，以使得固持於該固持裝置中之該工件(200)可至少以該後側(220)浸入該液體(320)中。
  10. 如申請專利範圍第7至9項中一項之設備，其特徵為，佈置於該聚焦光學器件(140)與該固持裝置(110)之間的一注入元件(350)對該雷射輻射之該波長透明，並且經設計來將該雷射輻射注入至保持於該液體容器中之該液體(320)中。
  11. 如申請專利範圍第7至10項中一項之設備，其特徵為，一超音波源(350)，其用於至少在該加工區域中之該後側(220)上，在該液體(320)中製造一超音波振動。
  12. 如申請專利範圍第7至11項中一項之設備，其特徵在於，該脈衝雷射源為一超短脈衝雷射源，且該脈衝雷射輻射之一脈衝寬度為至多50ps。
  13. 如申請專利範圍第7至12項中一項之設備，其特徵在於，該定位裝置具有一雷射射束偏轉裝置，該雷射射束偏轉裝置用於該雷射輻射相對於該工件之該可控制偏轉。
  14. 如申請專利範圍第7至13項中一項之設備，其特徵為，連接該聚焦光學器件之下游的一噴嘴元件(670)，其具有一噴嘴開口，該雷射輻射(630)可穿過該噴嘴開口，其中當該噴嘴元件連接至一壓縮氣體源時，該噴嘴元件經組配來產生引導於該射流入口側處之一氣流。
  15. 結構化元件，其由對雷射輻射透明之一工件材料組成，並且在至少 一側上，具有一三維表面結構，其特徵在於，可藉助於如申請專利範圍第1至6項中一項之方法來獲得該結構化元件。
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