TW201701981A - 用於處理透明材料之方法及設備 - Google Patents

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傑佛利 洛特
尼可拉斯 法勒托
萊納 克林
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伊雷克托科學工業股份有限公司
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Abstract

一種用於在一基板中形成特徵之方法包括用一射束的雷射脈衝來照射一基板，其中該等雷射脈衝具有一波長，該波長經選擇以使得該射束的雷射脈衝穿過該基板之一第一表面傳輸至該基板之內部中。該射束的雷射脈衝經聚焦以在該基板之一第二表面上或附近形成一射束腰部，其中該第二表面沿z軸方向與該第一表面間隔開，且該射束腰部在自該基板之該第二表面朝向該基板之該第一表面延伸的螺旋圖案中平移。該射束的雷射脈衝係由在20kHz至3MHz之範圍內的脈衝重複率、脈衝持續時間、脈衝重疊及z軸平移速度來特徵化。

Description

用於處理透明材料之方法及設備 【相關申請案之交互參照】
本申請主張2015年6月16日提交之美國臨時申請案第62/180,568號之權益，該臨時申請案以全文引用之方式併入本文中。
本發明之實施例大體上係關於雷射處理諸如藍寶石及玻璃之透明材料。
藍寶石所提供之突出的抗刮擦性、耐腐蝕性、生物相容性及熱穩定性使其成為用於許多當前及下一代技術之吸引人的材料。具有莫氏指數9的藍寶石為已知最硬材料中之一者。此硬度給予之抗刮擦性以及自可見光譜至中紅外光譜之優良光學透明度已導致藍寶石廣泛用作消費性電子產品及奢侈腕表中的蓋玻璃以及用作軍用及民用車輛之窗戶。
藍寶石係用於許多醫療植入物及裝置之首選材料，因為其與金屬及聚合物相比表現出優良的生物相容性及惰性。藍寶石之熱穩定性係其作為發光二極體之基板之主要選擇的原因中之一者，其中亦存在強度及電絕緣能力的原因。藍寶石之高耐腐蝕性及耐熱性已用於許多惡劣的化學及熱環境中。
由於藍寶石之廣泛使用，全世界的藍寶石生產近年來已穩定增加。然而，藍寶石在一些市場(包括消費性電子產品)中之使用的增長已落後於預期。其部分原因在於，對許多應用有益的同一硬度亦使得藍寶石成為一種經由習知方法及雷射處理方法很難在其中機械加工出細微結構的材料。
本發明之一個實施例可特徵化為一種用於在基板中形成特徵之方法，該方法包括用一射束的雷射脈衝來照射一基板，其中該等雷射脈衝具有一波長，該波長經選擇以使得該射束的雷射脈衝穿過該基板之一第一表面傳輸至該基板之內部中。該射束的雷射脈衝經聚焦以在該基板之一第二表面上或附近形成一射束腰部，其中該第二表面沿z軸方向與該第一表面間隔開，且該射束腰部在自該基板之該第二表面朝向該基板之該第一表面延伸的螺旋圖案中平移。該射束的雷射脈衝係由在20kHz至3MHz之範圍內的脈衝重複率、脈衝持續時間、脈衝重疊及z軸平移速度來特徵化。
本發明之另一實施例可特徵化為一種設備，該設備包括：一雷射源，其經配置來產生一射束的雷射脈衝；一射束轉向系統，其經配置來沿X及Y軸方向掃描該射束的雷射脈衝；一z軸平移系統，其經配置來使在聚焦該射束的雷射脈衝後產生之射束腰部沿Z軸方向平移；以及一控制器，其耦接至雷射源、射束轉向系統及z軸平移系統中之至少一者。控制器可操作來控制雷射源、射束轉向系統及z軸平移系統中之至少一者來進行以上段落中所描述之方法。本發明之另一實施例可特徵化為一種包括 一基板之物品，該基板具有根據以上段落中所描述之方法形成的孔。
圖1示意性地例示根據本發明之一個實施例的自底部向上融蝕幾何形狀及螺旋圖案截面。
圖2例示根據本文揭示之示例性實施例形成之孔的頂部及底部之一些實例。
圖3例示藉由104kHz(左上圖)、260kHz(右上圖)、521kHz(左下圖)及1042kHz(右下圖)之重複率鑽出的400μm直徑孔之平均平均錐度對z軸平移速度之曲線圖。針對每一個別重疊條件展示單獨的線。
圖4示意性地例示適合於(a)完全藉由自底部向上融蝕及(b)混合的自底部向上/自頂部向下融蝕來鑽孔之條件。
圖5示意性地例示輪廓測定法量測結果。
圖6例示藉由104kHz(頂部列)、260kHz(第二列)、521kHz(第三列)及1042kHz(底部列)之重複率鑽出的400μm直徑孔之頂表面的雷射掃描顯微術影像。所示圖片表示隨z軸/處理速度而變的孔品質之進化。104kHz圖片上之紅色箭頭經放置來將視線引導至裂紋/損傷。
圖7例示以104kHz、260kHz、521kHz及1042kHz之重複率鑽出的所有孔之孔品質對錐度角之圖。孔在不具有裂紋或顯著缺口的情況下被歸於值「1」且在存在顯著缺口或任何裂紋的情況下被歸於值「0」。
圖8例示自較輕的幾乎不可見的影響(左)至亦導致背面孔品質降低之極突出的損傷(右)之背面損傷環進化。
下文參考隨附圖式描述示例性實施例。諸多不同形式及實施例在不背離本揭示案之精神及教示的情況下係可能的，且因此本揭示案不應被視為限於本文所闡明之示例性實施例。實情為，提供此等示例性實施例以便本揭示案將為徹底及完全的，且將向熟習此項技術者傳達本揭示案之範疇。在圖式中，為清晰起見，組件之大小及相對大小可能不成比例及/或被誇示。本文所使用的術語僅出於描述特定示例性實施例之目的且不欲具有限制性。如本文所用，除非上下文另外明確指示，否則單數形式「一」及「該」意欲亦包括複數形式。應進一步理解，術語「包含」在本說明書使用時指定所述特徵、整數、步驟、操作、元件及/或組件之存在，但並不排除一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件及/或其群組之存在或添加。除非另外指出，否則值的範圍在被陳述時包括該範圍之上限及下限以及介於上限與下限之間的任何子範圍。
鑒於上述藍寶石使用之趨勢，發明者已在不同處理條件下使用超短脈衝雷射對藍寶石進行雷射融蝕研究，該等研究適合於在430μm厚的藍寶石晶圓中鑽孔(儘管本文揭示之技術亦可應用於在比430μm厚或薄之藍寶石晶圓中鑽孔或形成其他特徵)。儘管藉由0.8ps、1030nm的雷射源進行涉及鑽出直徑<500μm之孔的研究，但應瞭解，可藉由50ps或更小(例如，40ps或更小，30ps或更小，20ps或更小，10ps或更小，5ps或更小，2ps或更小，1ps或更小，0.8ps或更小等)之脈衝持續時間來實現本文揭示之技術的益處，只要相應地調整其他處理參數。同樣地，雷射源可在除1030nm以外的波長下(例如，在1064nm、532nm、515nm、355nm、343nm等，或者介於其間、或大於1064nm或小於343nm的任何波長)產生雷 射能量。類似地，儘管本文所述之研究涉及在藍寶石中形成孔，但應瞭解，可應用本文論述之技術在諸如玻璃(例如，熔凝石英、鈉鈣玻璃、硼矽酸鈉玻璃、鹼土金屬鋁矽酸鹽玻璃、鹼性鋁矽酸鹽玻璃、氧化物玻璃等或其任何組合)之其他透明材料中形成孔，只要相應地選擇本文論述之製程參數。儘管下述研究限於26.4μJ之最大脈衝能量，且因此限於用於18μm之1/e2射束腰部的20.7J/cm2之峰值通量，但應瞭解，可藉由小於18μm(或大於18μm)的1/e2光點大小來實現本文揭示之技術之益處，只要選擇或以其他方式調整最大脈衝能量來維持峰值通量足夠高以開始或支持融蝕製程。此工作之目標為，依據重複率、脈衝重疊及射束腰部高度來界定用於在透明材料中鑽孔的參數空間。如本文所用，術語「脈衝重疊」指代在脈衝中之每一者之射束腰部處的連續輸送雷射脈衝之空間重疊。目標為，提供具有在50μm至5mm範圍內之直徑的孔(例如，通孔、盲孔等)，該等孔沒有缺口、裂紋或其他損傷，其中平均錐度角<5°且鑽孔速度低至~4秒/孔。達成具有小於2°之錐度的孔。
實驗
此等研究係藉由0.8皮秒1030nm雷射進行，藉由自相關及光譜分析器加以驗證，其中最大樣本上脈衝能量為26.4μJ且重複率高達3MHz。實驗設備使用掃描電流計(20mm入口孔隙)及100mm遠心聚焦透鏡來作為射束轉向系統。4x射束擴展器將99%射束直徑自4.6mm增加至18mm，從而針對20.7J/cm2的最大峰值通量在樣本上以1/e2產生18μm的所量測射束腰部。雷射射束之偏光在雷射之外為線性的，並且由於使用λ/4波片變為圓偏光。
用於本文呈現之所有鑽孔製程之圖案為螺旋，該螺旋在每一螺旋重複(向內+向外返回路徑)之全螺旋直徑處具有附加圓形繞轉，以便最佳化特徵邊緣之品質。圖1中描繪圖案截面之草圖。包括掃描速度/脈衝重疊、雷射重複率、脈衝能量及圖案直徑之處理參數在此等研究的全程中變化，以便判定使用0.8ps脈衝進行藍寶石鑽孔的最佳處理條件。對於所有測試而言，間距在9μm(射束腰部之一半)處保持恆定。藉由26.4μJ之樣本上最大脈衝能量進行所有測試。在無任何氣體屏蔽之環境空氣中進行實驗。
在此等研究的全程中使用430μm厚、50.8mm直徑的雙拋光c平面藍寶石晶圓。用於機械加工此等晶圓之有效厚度(射束腰部為了自晶圓之頂表面移動至底表面(或反之亦然)必須沿z軸平移之距離)為~250μm，等於藍寶石晶圓之430μm厚度除以其折射率(n=1.75)。可藉由以下方法完成射束腰部之Z軸平移：使掃描透鏡沿Z軸平移；使支撐藍寶石樣本的台平移(例如，沿Z軸)；線性調頻聲光偏轉器系統；或類似方法或其任何組合。
藉由使用如圖1所示的按自底部向上幾何形狀之融蝕製程鑽出通孔。自底部向上融蝕方法已用來在先前工作中在多種玻璃中產生零錐度孔。在此組態中，雷射射束在其射束腰部位於藍寶石晶圓之底表面下方的情況下開始。當處理開始時，射束腰部以恆定速度沿z軸向上平移(亦即，穿過樣本)，其中速度通常介於10μm/s與50μm/s之間或更高。沿z軸之移動在射束腰部到達藍寶石樣本之頂表面時停止。在鑽孔製程全程中，眼睛看得見電漿。在鑽孔完成時，螺旋圖案不再可見，且緊接著手動停止樣本處理。
在圖2中，例示在此等測試中產生的最高品質孔之實例。在圖2中，孔中間的紋理化區域係來自雷射顯微鏡之樣本台且並不指示關於在藍寶石中鑽出的孔之品質的任何事物。頂表面及底表面影像(分別為頂部畫面及底部畫面)表現出極低錐度(<2°)，無缺口且無裂紋。底表面顯示與頂部近乎相同的直徑且亦不顯示缺口或裂紋。
我們觀察到頂表面及底表面上的孔直徑近乎相同，但我們在任何實驗條件中未觀察到零錐度孔之產生。其原因在於，熔融藍寶石微粒在處理期間沿孔側壁之再沈積。此在圖2中在高品質及低品質結果兩者中可見，在兩種情況下，在藍寶石晶圓之底面(亦即，在自底部向上處理期間必須將融蝕掉的材料自其排出之側面)上在孔內側觀察到熔融藍寶石微粒之緻密聚集體。在本文中，我們將判定得出最低錐度且因此得出沿孔側壁之最小再沈積材料量的參數。用酒精棉片清潔經處理的樣本以自晶圓表面去除碎屑及微粒，但此舉不影響孔中之再沈積材料。未來的研究將考察用於在處理期間減少此再沈積之技術以及用於藉由後處理來去除再沈積材料之技術。
使用雷射掃描顯微鏡(Keyence VK-9700,VK9710)來分析藉由此等製程產生之孔的剖面，以判定諸如最大(亦即孔入口)及最小孔直徑及平均錐度角之定量參數以及包括裂紋及缺口之品質特性。所產生之影像跨藍寶石晶圓之整個厚度具有2μm步長。跨兩個正交的線來分析每一孔，且針對此等兩個線對孔入口直徑及內部孔直徑之結果求平均值。使用此等結果來判定孔錐度角。根據頂表面(T)上之孔直徑、最小內部孔直徑(B)及樣本厚度(h)來判定每一孔之平均錐度角θ：
結果及論述
鑽出具有相對小的直徑且縱橫比(樣本厚度：孔直徑)很高的孔常常導致對於產生高品質孔而言極受限的參數空間，其中可自該參數空間獲悉極少有用的一般資訊。另一方面，鑽出具有相對大的直徑及低縱橫比之孔導致非常廣泛的有效參數空間，該參數空間亦產生極少的一般資訊。藉由400μm直徑之圖案直徑(縱橫比~1)來完成在此等研究全程中進行的大批試驗，該直徑預期為此等限制性情況之間的適合中點。因此，自此等研究獲悉之經驗可用作有助於判定自極小(低至100μm直徑或更小)至極大(幾毫米)尺寸之孔的最佳雷射機械加工參數之方針。
我們使用21kHz、104kHz、260kHz、521kHz及1042kHz之脈衝重複率來鑽出400μm直徑的孔。在每一重複率下，若有可能，藉由70%、80%、90%、95%及98%射束直徑的脈衝重疊(在射束腰部處)來鑽孔。在重複率增加時，任何特定脈衝重疊所需的掃描速度必須亦增加。雖然電流計之直線速度在>10m/s之速度下為可靠的，但重要的為應注意，用於400μm大小之特徵的處理速度限於低得多的值。我們注意到，對於400μm直徑的螺旋圖案而言，移動速度限於<800mm/s之最大值。由於此限制，我們無法對所有重複率下的所有脈衝重疊條件進行研究。
在每一脈衝重疊下，焦點沿z軸之平移自10μm/s至50μm/s變化，除非在較低處理速度下觀察到顯著且規則的損傷。我們將最慢的z軸平移速度限於10μm/s來確保孔產量保持合理。對於在21kHz下進行的測試，我們將不呈現結果，在21kHz下鑽出的孔偶而具有可接受的品 質，但結果並非一致的，且最經常跨所有重複率及脈衝重疊導致對藍寶石基板的嚴重裂紋及損傷。
最小化錐度
圖3展示針對重複率、脈衝重疊及z軸速度之此陣列使用等式1計算出的錐度值。根據如上所述由兩個正交的孔剖面計算出之錐度中之差值判定誤差杠。
轉至在90%脈衝重疊的情況下在260kHz之重複率下產生之結果(圖3之右上圖表，由▲指示之資料)。隨z軸平移速度而變，看來錐度之進化可分成兩個不同區域：在高速度(60μm/s)下的近似線性型及在<60μm/s之速度下的更複雜型。在此較低速度範圍內，我們在z軸平移速度自10μm/s增加至40μm/s時看見錐度之增加並接著在速度自40μm/s增加至60μm/s時看見錐度之輕微減小。對於此資料集而言，40μm/s之值對應於眼睛觀察到的藉由僅自底部向上融蝕而非混合的自底部向上/自頂部向下製程來鑽孔之最高z軸平移速度。在低z軸平移速度(例如，在此資料集中，40μm/s)下，我們觀察到，由於熱積累及潛伏效應，自底部向上製程在射束腰部位於晶圓之底表面下方很遠處的情況下開始。在整個製程全程中維持此等效應，且在積累/潛伏效應超過閾值且在頂表面上開始融蝕之前，在~250μm的z軸平移之後完成鑽孔，如圖4a所示。然而，在z軸速度增至高於40μm/s時，我們觀察到發生自底部向上融蝕之起始，其中射束腰部愈來愈靠近藍寶石晶圓之底表面。因此，針對250μm的自底部向上處理窗之末端的z軸值亦偏移至較高值。最後，自底部向上處理窗與在藍寶石晶圓之頂表面上開始融蝕之z軸位置重疊。因此在40μm/s及更高之z軸速 度下，製程變為混合的自底部向上/自頂部向下製程，如圖4b所示，其中自頂部向下處理與自底部向上處理之比率隨z軸速度增加而增加。
在由此混合製程產生之較慢z軸速度下，製程之自底部向上部分在切換至製程之自頂部向下部分之前深入進行至晶圓中。自40μm/s至60μm/s之錐度減小可如下來理解：因為自底部向上製程並不一直進行通過晶圓，所以沿側壁再沈積熔融藍寶石之薄層。自頂部向下製程產生不延伸經過此再沈積層之厚度的錐形壁，從而在此過渡之前導致比在最高速度下產生之自底部向上的孔更低之錐度。在速度增至60μm/s以上時，由自底部向上至自頂部向下之切換較早地發生，從而導致延伸經過再沈積層之壁錐度，導致減小孔之最小直徑的突出部或懸突部，且因此導致自60μm/s至200μm/s增加錐度之一般趨勢。
僅僅自底部向上製程至混合的製程之此過渡亦由如藉由輪廓測定法量測結果所判定的孔壁曲率來證實。自底部向上製程產生朝向藍寶石晶圓之頂表面略微凸出之壁部，而藉由自頂部向下製程完成之混合孔為凹形的，其通常為自頂部向下製程之特性。此可在圖5中觀察到：在260kHz及90%脈衝重疊下，在此資料集中，自40μm/s至45μm/s，側壁曲率之差值很細微但可見。在z軸平移速度進一步增加時，效果變得更明顯，如圖5之針對150μm/s的底部畫面所示。
當脈衝重疊在260kHz下增加至95%時(圖3之右上圖表，由●指示之資料)，我們已針對260kHz下的90%脈衝重疊來特徵化之觀察及趨勢極為一致，但是95%下的平均錐度值稍微高於90%下的平均錐度值。類似地，此等觀察可擴展至98%的脈衝重疊(圖3之右上圖表，由■指示之 資料)，但在30μm/s及更高速度下，孔開始展現嚴重的大的裂紋，因此資料集在60μm/s處被截斷。在260kHz下的80%及70%之脈衝重疊所需的圖案速度對於電流計而言太高，但可使用另一射束轉向系統來達成，該射束轉向系統諸如一或多個聲光偏轉器、快速轉向鏡等或其任何組合。
我們已觀察到，在260kHz下鑽出的孔之平均錐度角隨脈衝重疊增加而增加，並且隨z軸平移速度增加而增加。此等兩個趨勢在螺旋圖案沿z軸之空間週期性增加時(當螺旋圖案速度減小(亦即，脈衝重疊增加)時)對應於增加的錐度，沿z軸的連續圖案重複之間的距離亦增加，當沿z軸之製程速度直接增加時亦如此。有可能此舉亦可促成在平均錐度角中所觀察到的增加，但隨此等變數而變之鑽出的孔之截面尚未經檢查來確認或反駁此可能性。
在260kHz下隨z軸平移速度而變之此等趨勢亦應用於由在521kHz之重複率(圖3之左下圖表)及在1042kHz之重複率(圖3之右下圖表)下鑽孔而獲得之結果，但在較高重複率下存在較少可達的脈衝重疊條件，且由於相當大的裂紋及表面損傷，在1042kHz下的98%脈衝重疊資料集在超過60μm/s時不繼續。在較高重複率下，潛伏效應增加，從而使自底部向上處理窗之開始偏移至在相同脈衝重疊及z軸平移速度下較低重複率之開始。此導致在較高重複率下較高z軸平移速度下的混合製程之起始。此在521kHz的95%脈衝重疊下清楚可見，其中眼睛觀察到過渡發生在50μm/s而非40μm/s(對於260kHz)。由於錐度的較大波動及在此等條件下鑽出的大多數孔之顯著損傷，對於在521kHz及1042kHz下的98%脈衝重疊而言難以確認此特性。在104kHz之重複率(圖3之左上圖表)下鑽出的一系列孔 自針對所研究之所有脈衝重疊在較高重複率下的趨勢劇烈偏離。此等孔具有相對低的品質及產生裂紋之極高可能性。
此混合製程之要考慮的一個後果係其對產量的影響。當製程僅由自底部向上融蝕組成時，單個孔的鑽孔時間等於250μm之有效樣本厚度除以z軸平移速度。孔錐度通常在最慢z軸平移速度下最小化，其中在此等條件中具有低產量之明顯缺點。對於朝向僅自底部向上處理之極限的40-50μm/s速度而言，此等於5-6秒/孔之鑽孔時間。當混合製程開始發生時，製程時間停止以與z軸平移速度成反比，且我們觀察到製程時間落在5-10秒範圍內。因此，因為不存在對產量及孔錐度之最小潛在減少之改良，所以我們斷定針對在致使混合的自底部向上/自頂部向下製程發生之等級處或該等級以上的z軸平移速度而言不存在顯著優點。可藉由在260kHz(90%及95%脈衝重疊)及521kHz(95%脈衝重疊)下的廣範圍的z軸速度產生側壁錐度<5度之孔。
在許多應用中，增加產量之直接方式係增加重複率，例如，使要應用之重複率加倍以使平均功率加倍在許多情況下預期會使產量增加兩倍。此等結果不遵循該預期。例如，針對在260kHz下之90%脈衝重疊的電流計移動速度與針對在521kHz下之95%脈衝重疊的電流計移動速度相同，但潛在產量僅少量增加，如前一段落中所描述，此係由於由熱積累及潛伏效應之增強所導致的用於自底部向上融蝕之製程窗之偏移。
總之，在260kHz(90%及95%脈衝重疊)及521kHz(95%脈衝重疊)下可藉由廣範圍的z軸速度產生側壁錐度<5°之孔。在由自底部向上製程至混合製程的過渡附近，最快的製程在5-6秒中產生具有4-5°錐度之孔。 若需要較低錐度，則可以產量為代價達成較低錐度，其中觀察到的平均錐度值在521kHz下的20μm/s附近小於2°。
避免裂紋及缺口
既然我們已定義用於以可接受之產量在藍寶石中產生低錐度孔之條件，我們必須考慮錐度之外的孔品質：何為在處理期間避免裂紋及缺口所必需之條件，以及此又如何影響在僅考慮錐度及產量時所判定的製程窗？
我們在圖6中呈現了在不同z軸速度及重複率下的孔品質之代表性圖片。在每一重複率下，選擇表現出最好孔品質及最小量的裂紋之脈衝重疊。所有孔之圓度及對稱性極佳且跨被測試的整個參數空間為一致的。在頂部列中，展示了在104kHz及90%脈衝重疊下產生之孔。在10μm/s下，該孔展示大錐度(7°，根據圖3)及裂紋。在30μm/s及50μm/s下鑽出的孔各具有較小錐度，但在50μm/s下的孔有裂紋。在圖6之第二及第三列中之在260kHz(90%脈衝重疊)及521kHz(95%脈衝重疊)下之孔類似地發展：自10μm/s至50μm/s，其錐度皆稍微增加(自~2°至~4°)，且在此z軸速度範圍內的孔無裂紋。在1042kHz(底部列)下之孔在錐度方面與在260kHz及521kHz下之孔類似地發展，但品質明顯降低：在50μm/s處明顯有非常嚴重的損傷，且在10μm/s及30μm/s處可見黏性微粒。類似微粒可藉由溫和酒精棉片自較低重複率下所產生之孔容易地去除，但在1042kHz下部分地保持在表面上。此反映出在高脈衝重疊及高重複率下處理時增加之熱效應。
在圖7中，我們呈現了孔品質對錐度之圖，其中我們將值「1」 指派給無裂紋且具有(至多)極小缺口之孔，且將值「0」指派給具有可見裂紋及/或缺口之孔。在此圖中彙集了在104kHz、260kHz、521kHz及1042kHz之重複率下產生之所有孔的結果。我們觀察到針對高於及低於5°的錐度值的孔裂紋可能性中的明顯分界。對於錐度5°之孔而言，我們在86%的時間未發現缺口或裂紋。然而，對於錐度>5°之孔而言，僅在24%的情況下未觀察到缺口或裂紋。此證明孔品質與錐度之間很強的相關性。總而言之，此與前一節中定義之製程窗很一致：在藍寶石中鑽出的具有低錐度(5°)之孔不太可能出現裂紋或展現大的缺口。使用在此等實驗中探索之大參數空間，個別孔之參數並未通常測試超過一次或兩次，從而可容易導致在孔裂紋方面的假陰性或陽性。圖7表明，藉由產生具有小於5°錐度之孔的參數來作業確保成功鑽孔之高可能性。用於避免裂紋之最好條件因此為，在90%及95%脈衝重疊下的260kHz及在95%脈衝重疊下的521kHz。此等條件組中之所有三個的錐度通過由自底部向上融蝕至混合製程之過渡在z軸移動速度下保持低於5°。
除裂紋及缺口之外，我們必須亦考慮在處理期間導致形成背面損傷環的條件。此等損傷環之大小可劇烈變化，如圖8所示。在此，我們呈現了幾乎剛剛開始形成(左側畫面)且在不特別找尋它的情況下可能容易錯過的損傷環以及更加明顯的損傷環(中心畫面及右側畫面)之實例。當此等損傷環最強烈明顯時，它們亦可在底表面處影響孔之邊緣品質，如最右實例所示。簡而言之，此等環之外觀的趨勢不像裂紋及缺口之趨勢那麼清楚。如同裂紋一樣，損傷環之存在與大錐度角強烈地相關，且可接受的製程參數空間由90%及95%脈衝重疊下的260kHz及95%脈衝重疊下的521kHz 組成。
結論
與藉由50ps雷射源及類似規格之較早試驗對比，我們藉由脈衝持續時間在小於2ps(例如，小於或等於1ps，小於或等於0.8ps等)之範圍內的纖維雷射系統完成有前途的藍寶石鑽孔結果。歸因於非線性吸收之製程初始化及對基板中之能量沈積、材料排出及熱散逸之動態相互作用的控制以非常高的重複率(通常為500kHz)及高的脈衝脈衝重疊(90-98%)定義了製程窗來在鑽孔製程的大部分中維持自底部向上製程。在此等條件下，可在小於5s內獲得在430μm基板中之鑽出400μm孔，其中錐度角低於2°。
在鑽孔程序期間的某一點，焦點位置之提高勝過表面吸收之閾值。此為在自底部向上製程切換至典型自頂部向下融蝕機制時的過渡點，其受錐度及不良背面品質之影響。因此，在此研究中之一般發現在於，製程速度及品質皆受益於自底部向上製程。製程愈早切換至自頂部向下融蝕，錐度角及背面損傷則愈明顯。
儘管未例示，但應瞭解，雷射源、電子束偏轉系統、Z軸平移系統等之操作可經由可通信地耦接至該等系統的一或多個控制器加以控制。可將控制器提供為經配置來執行指令之可程式化處理器(例如，包括一或多個通用電腦處理器、微處理器、數位信號處理器等或其任何組合)。此等指令可被實施軟體、韌體等，或在任何適合形式之電路中實施，該電路包括：可程式邏輯裝置(PLD)、現場可程式閘陣列(FPGA)、現場可程式物件陣列(FPOA)、特殊應用積體電路(ASIC)(包括數位電路、類比電路及混合的 類比/數位電路)或類似物或其任何組合。指令之執行可在一個處理器上進行，分散在處理器之間，跨裝置內之多個處理器或跨裝置之網路並行地完成等或其任何組合。根據本文提供之描述，工匠可容易創作用於實施詳細功能之軟體指令，該等軟體指令例如用C、C++、Visual Basic、Java、Python、Tel、Perl、Scheme、Ruby等編寫。軟體指令通常儲存為由有形媒體傳送之一或多個資料結構中的指令，有形媒體諸如磁碟或光碟、記憶卡、ROM等，可在本地、遠程地(例如，跨網路)或其組合來存取該等指令。
在已描述且例示本發明之各種實施例的情況下，將認識到該技術不限於此，且上述製程參數中之一或多者可取決於諸如以下因素加以調整：將被鑽孔之藍寶石的厚度；將要鑽出的孔之所需直徑；鑽孔製程的所需產量；所得孔之所需品質；鑽出的孔之所需錐度；被鑽孔材料的特定化學或材料特性等或其任何組合。然而，一般熟習此項技術者將瞭解，若一或多個處理參數改變，則應相應地調整一或多個其他處理參數。因此，雷射源可產生具有50ps或更小(例如，40ps或更小，30ps或更小，20ps或更小，10ps或更小，5ps或更小，2ps或更小，1ps或更小，0.8ps或更小等)之脈衝持續時間的雷射脈衝。此外，雷射脈衝可產生為IR、綠色或UV雷射脈衝。例如，雷射脈衝可具有1030nm(或左右)、515nm(或左右)、343nm(或左右)等之波長。雷射脈衝可在20kHz至3MHz(例如，50kHz至1MHz或左右，100kHz至500kHz或左右，100kHz至250kHz或左右等)之範圍內的重複率下輸出。當然，重複率可大於3MHz或小於20kKz。在一些實施例中，脈衝重疊可在50%至剛剛小於100%之範圍內(例如，在70%至98%之範圍內，在80%至95%之範圍內，在95%至98%之範圍內，等等)。在一些 實施例中，取決於被處理的材料，脈衝重疊可小於50%。例如，當在玻璃中形成孔時，脈衝重疊可小於50%(例如，40%或更小，30%或更小，20%或更小，10%或更小，5%或更小，1%或更小等)。而當在藍寶石中形成孔時，脈衝重疊將通常被選擇為大於或等於50%。z軸平移速度可在10μm/s至100μm/s之範圍內(例如，在30μm/s至80μm/s之範圍內，在50μm/s至60μm/s之範圍內，等等))。當然，z軸平移率可大於100μm/s或小於10μm/s。可適當選擇上述製程參數，以在藍寶石基板上鑽出直徑在50μm至5mm之範圍內(例如，在100μm至2mm之範圍內，在300μm至450μm之範圍內，400μm，等等)的孔。儘管已結合在藍寶石中鑽出諸如通孔及盲孔之孔來論述本文所述之鑽孔技術，但應瞭解，此等技術亦可應用於在藍寶石中形成除孔以外的特徵，且亦可應用於在對雷射源所產生之雷射脈衝之波長為至少部分地透明的材料(例如，諸如熔凝石英、鈉鈣玻璃、硼矽酸鈉玻璃、鹼土金屬鋁矽酸鹽玻璃、鹼性鋁矽酸鹽玻璃、氧化物玻璃等或其任何組合之玻璃)中形成孔(或任何其他特徵)。
前文係對本發明的實施例之說明且不應被理解為對本發明之限制。儘管已描述數個特定示例性實施例，但熟習此項技術者將容易理解在不實質上偏離本發明之新穎性教示及優點的情況下，對所揭示之示範性實施例以及其他實施例之諸多修改係可能的。因此，所有此類修改意欲包括於如申請專利範圍中所界定的本發明之範疇內。舉例而言，技藝人士將理解任一句子或段落之標的可與一些或所有其他句子或段落之標的組合，除此類組合互斥的情況外。對熟習此項技術者將顯而易見，可在不脫離本發明之基本原理之情況下，對上文所描述實施例之細節進行諸多變 化。因而，本發明之範疇應由以下申請專利範圍以及包括在其中之申請專利範圍的等效物來決定。

Claims (21)

  1. 一種在一基板中形成一特徵之方法，該方法包含：用一射束的雷射脈衝來照射一基板，其中該等雷射脈衝具有一波長，該波長經選擇以使得該射束的雷射脈衝穿過該基板之一第一表面傳輸至該基板之一內部中；將該射束的雷射脈衝聚焦以在該基板之一第二表面上或附近形成一射束腰部，其中該第二表面沿一z軸方向與該第一表面間隔開；以及使該射束腰部在自該基板之該第二表面朝向該基板之該第一表面延伸之一螺旋圖案中平移，以對該基板進行融蝕，其中該射束的雷射脈衝至少部分地藉由一脈衝重複率、一脈衝持續時間、一脈衝重疊及一z軸平移速度來特徵化，其中該脈衝重複率在20kHz至3MHz之一範圍內。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該脈衝重複率在100kHz至600kHz之一範圍內。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該脈衝持續時間小於或等於50ps。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該脈衝持續時間小於或等於20ps。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中該脈衝持續時間小於或等於10ps。
  6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該脈衝持續時間小於或等於1ps。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該脈衝重疊為至少50%。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中該脈衝重疊為至少80%。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該脈衝重疊為至少90%。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該脈衝重疊在95%至98%之一範 圍內。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該脈衝重疊為小於50%。
  12. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該z軸平移速度在10μm/s至100μm/s之一範圍內。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該z軸平移速度在30μm/s至80μm/s之一範圍內。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該z軸平移速度在50μm/s至60μm/s之一範圍內。
  15. 如申請專利範圍第1項中之方法，其中該特徵為一孔。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該特徵為一通孔。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該孔之一直徑在50μm至5mm之一範圍內。
  18. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該基板包括藍寶石。
  19. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該基板包括玻璃。
  20. 一種物品，其包含：一基板，該基板具有根據申請專利範圍第1項之製程所形成之一孔。
  21. 一種用於在一基板中形成一特徵之設備，該設備包含：一雷射源，其經配置來產生一射束的雷射脈衝；一射束轉向系統，其經配置來沿X及Y軸方向掃描該射束的雷射脈衝；一z軸平移系統，其經配置來使在聚焦該射束的雷射脈衝後產生之一射束腰部沿一Z軸方向平移；以及一控制器，其耦接至選自由該雷射源、該射束轉向系統及該z軸平移系 統組成之組中之至少一者，其中該控制器可操作來控制選自由該雷射源、該射束轉向系統及該z軸平移系統組成之組中之至少一者來進行如申請專利範圍第1項之製程。
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