TW202406832A - 以不連續雷射脈衝進行的雷射密封及表面突點控制方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種用於在膜通風孔之雷射密封期間控制表面突點之方法。該方法包含將具有雷射強度空間分佈之雷射施加至該膜通風孔，以在該膜通風孔上方形成密封件。該密封件具有密封表面。該雷射脈衝包含初級雷射脈衝區及在時間上比該初級雷射脈衝區晚之二次雷射脈衝區、以及在該初級雷射脈衝區與該二次雷射脈衝區之間的時間間隙。該初級雷射脈衝區及/或該二次雷射脈衝區包含於其間具有第一時間間隙之第一及第二不連續雷射脈衝及/或於其間具有第二時間間隙之第三及第四不連續雷射脈衝。該密封表面具有受控表面突點特性。
Description
本發明關於脈衝雷射照射技術，且更具體而言，是關於用於膜通風孔之雷射密封之雷射密封及表面突點控制方法，其中膜可由矽形成，且方法可使用不連續雷射脈衝。
近來已提出一種脈衝雷射照射技術，其用於密封通風孔開口以在慣性量測單元（inertial measurement unit；IMU）中形成密封區以獲取裝置內之臨界感測器空腔壓力。通風孔是藉由矽膜之深反應性離子蝕刻形成，矽膜下方為含有真空位準相依微機電系統（micro-electromechanical system；MEMS）感測器之裝置腔室。在雷射照射過程期間，密封區域品質能受諸如馬蘭哥尼流（Marangoni flow）及/或矽相變化之複雜過程物理學顯著影響。對於IMU裝置，經固化矽形貌能為有問題的。舉例而言，表面突點可在密封區域之表面上形成粗糙邊緣。移除此類結構可潛在地損壞裝置之品質。
根據一實施例，揭示一種用於在膜通風孔之雷射密封期間控制表面突點之方法。該方法包含將具有雷射強度空間分佈之雷射施加至該膜通風孔，以在該膜通風孔上方形成密封件。該密封件具有密封表面。該雷射脈衝包含初級雷射脈衝區及在時間上比該初級雷射脈衝區晚之二次雷射脈衝區、以及在該初級雷射脈衝區與該二次雷射脈衝區之間的時間間隙。該初級雷射脈衝區及/或該二次雷射脈衝區包含於其間具有第一時間間隙之第一不連續雷射脈衝及第二不連續雷射脈衝、及/或於其間具有第二時間間隙之第三不連續雷射脈衝及第四不連續雷射脈衝。該密封表面具有受控表面突點特性。
根據另一實施例，揭示一種用於在膜通風孔之雷射密封期間控制表面突點之方法。該方法包含將具有雷射強度空間分佈之雷射脈衝施加至該膜通風孔，以在該膜通風孔上方形成密封件。該密封件具有密封表面。該雷射脈衝包含初級雷射脈衝區及在時間上比該初級雷射脈衝區晚之二次雷射脈衝區、以及在該初級雷射脈衝區與該二次雷射脈衝區之間的時間間隙。該初級雷射脈衝區具有初級雷射功率，且該二次雷射脈衝區具有二次雷射功率。該二次雷射功率小於該初級雷射功率。該密封表面具有受控表面突點特性。
根據又另一實施例，揭示一種用於在膜通風孔之雷射密封期間控制表面突點之方法。該方法包含將具有雷射強度空間分佈之雷射脈衝施加於該膜通風孔上，以在該膜通風孔上方形成密封件。該密封件具有密封表面。該雷射脈衝包含初級雷射脈衝區及在時間上比該初級雷射脈衝區晚之二次雷射脈衝區。該密封表面具有受控固化路徑，其中該二次雷射脈衝區將熱施加至由該初級雷射脈衝區形成之熔區，藉此從該膜通風孔之中心向外移動熔融材料。
本文中描述本發明之實施例。然而，應理解的是，所揭示實施例僅僅為範例且其他實施例能採取各種及替代形式。諸圖未必按比例繪製；一些特徵可經放大或最小化以展示特定組件之細節。因此，本文中所揭示之特定結構及功能細節不應解釋為限制性，而僅為用於教示所屬技術領域中具通常知識者各自不同地使用實施例之一個代表性基礎。如所屬技術領域中具通常知識者將理解，參考諸圖中之任一者所說明及描述之各種特徵能與一或多個其他圖中所說明之特徵組合，以產生未明確地說明或描述之實施例。所說明特徵之組合為典型應用提供代表性實施例。然而，對於特定應用或實施方案，可需要與本發明之教示一致之特徵的各種組合及修改。
除在範例中或以其他方式明確地指示的情況之外，在描述本發明之最廣泛範疇時，在本說明書中指示反應及/或使用之材料或條件之量的所有數值量應理解為由字語「約」修飾。在所陳述數值限度內之實踐一般為較佳的。此外，除非明確相反地陳述，否則：百分比、「部分」及比率值均以權重計；術語「聚合物」包含「寡聚物」、「共聚物」、「三元共聚物」及其類似者；結合本發明對適合或較佳用於給定目的之材料群組或類別之描述意味著該群組或該類別中的部件中之任何兩者或更多者之混合物同樣適合或較佳；為任何聚合物提供之分子量是指數目平均分子量；對化學術語中之成分之描述是指在添加至本說明書中指定的任何組合時之成分，且一旦混合，未必排除混合物之成分當中的化學相互作用；縮寫字或其他縮寫之第一定義適用於相同縮寫在本文中之所有後續使用，且細節上作必要修改後適用於最初定義的縮寫之普通文法變化；且除非明確相反地陳述，否則性質之量測藉由與先前或稍後對同一性質所提及之技術相同的技術來判定。
本發明不限於下文所描述之特定實施例及方法，因為特定組件及/或條件當然可變化。此外，本文中所使用之術語僅出於描述本發明之實施例的目的而使用，且無論如何並不意欲為限制性的。
除非上下文另外明確地指示，否則如本說明書及隨附申請專利範圍中所使用，單數形式「一（a/an）」及「該（the）」包括複數個指涉對象。舉例而言，以單數形式提及組件意欲包括複數個組件。
術語「實質」可在本文中用以描述所揭示或所主張之實施例。術語「實質」可修飾本發明中所揭示或所主張之值或相對特性。在此等情況下，「實質」可表示其修飾之值或相對特性在值或相對特性之±0%、0.1%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%或10%內。
在一或多個實施例中，揭示一種降低矽膜之雷射密封中之密封區域的表面突點之方法。一或多個實施例依賴於計算流體動力學（CFD）模型以模擬用於矽膜密封過程中之雷射。CFD模型中考慮諸如表面張力及/或固化體積收縮之複雜過程物理學。諸如密度、導電性、比熱及/或表面張力係數之溫度相關材料性質可包含於CFD模型中，以改良模擬準確性。
在一或多個實施例中，具有經定義初級及二次雷射脈衝區之連續雷射脈衝用於促進表面突點之降低。初級及/或二次雷射脈衝區之雷射強度空間分佈可成形為具有矩形或高斯截面之環形。二次雷射脈衝區之功率可比初級雷射脈衝區低某一百分比（例如，在10%至60%之範圍中）。
在一或多個實施例中，在使用第一及第二個別及時間分離雷射脈衝區之系統中，可以適當時間間隙（例如，初級與補充雷射脈衝之間的時間值）施加二次雷射脈衝以降低表面突點。表面突點降低效應可藉由減少時間間隙而提高。相反，表面突點降低效應可藉由增加時間間隙而降低。
在一或多個實施例中，可變通風孔直徑或周長可用以降低表面突點。
脈衝雷射照射技術可用以密封慣性量測單元（IMU）中之通風孔開口。IMU配置以獲取裝置內之臨界感測器空腔壓力（critical sensor cavity pressure）。圖1A描繪由材料12（例如，矽膜）形成之裝置10之截面視圖。材料12界定裝置腔室14及通風孔16。通風孔16在通風孔開口18處終止。通風孔16在裝置腔室14與通風孔開口18之間延伸。圖1B描繪裝置10內之通風孔16之一部分的截面、立體、隔離視圖。圖1B描繪配置以密封通風孔開口18之密封件20。密封區域18經由雷射照射過程形成。
當材料12為矽膜時，通風孔16藉由矽（Si）膜之化學蝕刻形成，在該矽膜下方為含有壓敏微機電系統（MEMS）感測器之裝置腔室14。在雷射照射過程期間，密封區域中之矽熔融、流動及再固化，在此期間，密封品質能受諸如馬蘭哥尼流及Si相變化之複雜過程物理學顯著影響。當熔融矽固化時，體積增加，藉此減小密度，從而導致峰形表面突點之形成。對於IMU裝置，其中鄰近裝置建構於IMU頂部上，峰形表面突點可為有問題的。
圖1C及圖1D分別展示對處於熔融狀態及固化狀態下之通風孔開口18進行之雷射照射過程的示意性側視圖。雷射照射過程形成密封件20，其具有圖1D中所展示之表面異常。如圖1C中所展示，具有脈衝持續時間之雷射脈衝24用以照射矽膜鄰近於通風孔16之頂表面26。照射區28下方之材料開始熔融且流動以填充通風孔16。在雷射脈衝24關閉之後，如圖1D中所展示，熔融矽固化且密封通風孔16。然而，如圖1D中所展示，表面突點22形成於密封件20上。表面突點形成之原因可基於矽材料之特定物理性質（例如，矽材料在其熔融溫度附近具有比固體密度更大之液體密度）。
圖2為繪製矽之密度相對於溫度曲線之圖表。如圖2中所展示，矽在其熔融溫度附近具有比固體密度更大之液體密度。在熔融及固化期間，矽材料體積收縮及膨脹可最終促成表面突點形成。
一個提議涉及機械移除經固化矽突點。然而，機械移除可存在藉由密封矽通風孔產生之脆性氣密密封件故障之風險。
在一或多個實施例中，多物理場數值模擬用以研究矽材料之雷射照射及熔融，以用於過程參數之最佳化來降低或消除固化表面突點。一或多個實施例藉此呈現新穎雷射照射方法或機制以降低或消除IMU製造過程中之固化表面突點。
多物理場CFD模型特性化通風孔密封過程中之複雜熱流體現象。在一或多個實施例中，模型包含靜止雷射照射熱源、固相至液相變換、固化體積改變、由馬蘭哥尼流所引起之表面張力、蒸發壓力及/或溫度相依熱流體性質。亦可包含具有通風孔（例如，圖1B中之所關注區域）之IMU矽膜之幾何資訊。
可使用以下過程條件中之一或多者進行CFD模型之驗證模擬：（1）對材料表面之雷射照射功率；（2）矽膜厚度；（3）膜溫度；及（4）通風孔直徑，10 µm。對材料表面之雷射照射功率可為15 W至500 W。矽膜厚度可在50 µm至300 µm範圍中。通風孔直徑可為4 µm至25 µm。
圖3A及圖3B描繪自雷射密封設備收集之雷射照射特性。圖3A為繪製功率比與時間（µs）以描繪雷射脈衝持續時間（亦即，曲線頂部之長度）的圖表。圖3B為繪製隨正規化空間距離而變化之正規化強度之圖表。圖3B為描繪雷射強度之高斯分佈之圖表。
圖4A描繪使用實施例之CFD模型模擬之通風孔密封件50的影像。通風孔密封件50包含密封件通風孔52。通風孔密封件50包含熔融深度D、熔融寬度W及突點高度H。圖4B描繪熔融深度、熔融寬度及突點高度之模擬結果與實驗結果之量值（µm）的比較。如圖4B中所展示，圖4A之模擬固化特性與實驗量測具有合理一致性。基於圖4A及圖4B，一或多個實施例之CFD模型可用以特性化雷射密封過程中之表面突點的形成。CFD模型可進一步用以調查及最佳化密封品質。
在一或多個實施例中，雷射照射形狀及脈衝持續時間可最佳化以降低表面突點。雷射照射形狀可為具有矩形截面之雷射強度分佈之環形形狀（例如，形成於兩個同心圓之間）。圖5A描繪根據一實施例之雷射強度空間分佈100之平面視圖。圖5A之點線102表示在圖5B之圖表中展示為x軸的正規化空間距離及沿著圖5A之點線102截取之雷射強度空間分佈。在雷射照射區域中，例如形成於兩個同心圓之間的環形形狀，其顯示矩形截面之形狀。正規化空間距離在點線102之左側為-1且在點線102之右側延伸至+1。圖5B描繪繪製隨正規化空間距離而變化之正規化強度之圖表。如能見到的，圖5B展示-0.5與-0.6之間及0.5與0.6之間的矩形強度。
在一或多個實施例中，環形、矩形橫截面雷射強度分佈之一或多個雷射脈衝特性的修改可引起表面突點降低。圖5C及圖5D為描繪具有經修改雷射脈衝特性之第一及第二情況之雷射脈衝持續時間輪廓的圖表。如圖5C及圖5D所展示，雖然第一及第二情況分別具有用於初級雷射脈衝150及初級雷射脈衝152之相同雷射脈衝持續時間，但第一及第二情況之雷射強度分佈不同，其中二次雷射脈衝154具有較小功率。
圖6A1及圖6A2描繪在根據在第一時間及稍後第二時間截取之第一情況之施加雷射熱源之後的第一材料固化路徑之截面視圖。點線200表示第一情況之通風孔之對稱中心。參考符號202表示在第一及第二時間處之通風孔。區204表示在第一時間高於矽材料之熔點之第一區。區206表示在第二時間高於矽材料之熔點之第二區。區208表示在第一時間低於矽材料之熔點之第一區。區210表示在第二時間低於矽材料之熔點之第二區。如由圖6A1及圖6A2中之箭頭所展示，當矽材料固化時，高於熔點之第二區具有比高於熔點之第一區更小的區域，且當矽材料固化時，低於熔點之第一區具有比低於熔點之第二區更小的區域。箭頭表示矽材料之固化路徑。
圖6A3及圖6A4描繪在根據在第一時間及稍後第二時間截取之第二情況之施加雷射熱源之後的第二材料固化路徑之截面視圖。點線212表示第二情況之通風孔之對稱中心。參考符號214表示在第一及第二時間處之通風孔。區216表示在第一時間高於矽材料之熔點之第一區。區218表示在第二時間高於矽材料之熔點之第二區。區210表示在第一時間低於矽材料之熔點之第一區。區212表示在第二時間低於矽材料之熔點之第二區。如由圖6A3及圖6A4中之箭頭所展示，當矽材料固化時，高於熔點之第二區具有比高於熔點之第一區更小的區域，且當矽材料固化時，低於熔點之第一區具有比低於熔點之第二區更小的區域。箭頭表示矽材料之固化路徑。
自圖6A1、圖6A2、圖6A3及圖6A4，可觀察到第一情況遵循相對於矽材料之頂表面的外部至中心固化路徑，而第二情況遵循相對於矽材料之頂表面的中心至外部固化路徑。來自二次雷射脈衝之能量輸入有助於第二情況之固化路徑的改變。添加二次雷射脈衝輸入在熔池周邊周圍產生高溫區域，此迫使熔池周邊區域比中心區域更慢冷卻。第一及第二情況之不同類型的固化路徑導致完全不同之表面形態。第一情況之圖6A2之表面峰224實質降低，如由第二情況之圖6A4所展示。實質降低可在20%至90%之範圍內。
圖6B1描繪在根據在第三時間截取之第一情況之固化之後的第一材料固化路徑之放大截面視圖。圖6B2描繪在根據在第三時間截取之第一情況之施加雷射熱源之後的第一材料固化路徑之截面透視圖。圖6B1及圖6B2之區226為經熔融且完全固化區域（例如，材料經過整個熔融及固化過程）。圖6B1之區228展示完全固化區域之表示第一表面突點的一部分。圖6B3描繪在根據在第三時間截取之第二情況之固化之後的第二材料固化路徑之放大截面視圖。圖6B4描繪在根據在第三時間截取之第二情況之施加雷射熱源之後的第二材料固化路徑之截面透視圖。圖6B3及圖6B4之區230為經熔融且完全固化區域。圖6B3之區232展示完全固化區域之表示第二表面突點的一部分。第二表面突點之高度顯著小於第一表面突點之高度。
在另一實施例中，雷射照射形狀可為具有高斯截面之環形形狀之雷射強度分佈。圖7A描繪繪製隨正規化空間距離而變化之正規化強度之圖表。如能見者，圖7A展示在約-0.9與-0.4之間及約0.4與0.9之間的高斯形截面。圖7A展示正規化雷射強度相對於各高斯形截面之常態分佈。
在一或多個實施例中，環形高斯截面雷射強度分佈之一或多個雷射脈衝特性的修改可引起表面突點降低。圖7B及圖7C為描繪具有經修改雷射脈衝特性之第一及第二情況之雷射脈衝持續時間輪廓的圖表。如由圖7B及圖7C所展示，雖然第一情況僅使用初級雷射脈衝，而第二情況使用功率比初級雷射脈衝小之二次雷射脈衝。
圖7D描繪在根據在第一時間截取之第一情況之固化之後的第一材料固化路徑之放大截面視圖。圖7E描繪在根據在第一時間截取之第二情況之固化之後的第二材料固化路徑之放大截面視圖。圖7D之區250為第一情況之經熔融且完全固化區域（例如，材料經過整個熔融及固化過程）。圖7E之區252為第二情況之經熔融且完全固化區域。圖7D之區254展示完全固化區域之表示第一表面突點（亦即，線255上方之區）的一部分。圖7E之區256展示完全固化區域之表示第二表面突點（亦即，線257上方之區）的一部分。第二表面突點之高度顯著小於第一表面突點之高度。顯著降低可在20%至90%之範圍中。
雖然圖5A描繪配置以降低表面突點之環形雷射強度分佈，一或多個其他實施例可包含不同雷射強度分佈形狀。圖8A描繪具有具有矩形截面之橢圓形狀（例如，形成於兩個同心橢圓之間）的雷射強度空間分佈260之平面視圖。橢圓形狀具有長軸及短軸。在一或多個實施例中，長軸之長度及短軸之長度相差以下值中的一者或在以下值中之兩者之範圍中：1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%或20%。圖8B描繪具有具有圓化邊緣之正方形形狀之雷射強度空間分佈262的平面視圖。其他矩形形狀涵蓋在一或多個實施例中。其他多邊形亦可用作雷射強度空間分佈之形狀。舉例而言，圖8C描繪具有八邊形形狀之雷射強度空間分佈264之平面視圖。圖8A、圖8B及圖8C上之陰影區域指示雷射能量。
雖然圖5A、圖8A、圖8B及圖8C描繪雷射能量之連續分佈，但在其他實施例中，雷射能量之分佈可為不連續的。圖8D、圖8E及圖8F描繪根據一或多個實施例之雷射能量之不連續分佈。圖8D描繪在周邊方向上具有間隔開之不連續性268之雷射強度空間分佈266的平面視圖。間隔開之不連續性268可相等地間隔開；有序不相等地間隔開；隨機、不相等地間隔開，或以上各者的組合。圖8E描繪在徑向方向上具有間隔開之不連續性272之雷射強度空間分佈270的平面視圖。間隔開之不連續性272可相等地間隔開；有序不相等地間隔開；隨機不相等地間隔開；或以上各者的組合。圖8F描繪具有間隔開之周邊不連續性276及間隔開之徑向不連續性278的雷射強度空間分佈274之平面視圖。圖8D、圖8E及圖8F上之陰影區域指示雷射能量。不連續雷射能量分佈中之任一者能與在一或多個實施例中所揭示之雷射分佈形狀中的任一者一起使用。
在一或多個實施例中，雷射能量空間分佈為穩定的（例如，在x、y及z方向上為穩定的）。在其他實施例中，雷射能量空間分佈（例如，初級及/或二次脈衝）可具有移動（例如，在x及y方向上之徑向移動）。移動距離可受限於相對於雷射分佈形狀之量測之偏移百分比。舉例而言，移動距離可為以下值中之一者之偏移百分比或在以下值中的任兩者的範圍中：1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%及10%。舉例而言，移動距離可等於或小於雷射環形半徑之10%。圖8G描繪雷射強度空間分佈280之俯視圖，其中箭頭282描繪在徑向方向上之移動之量值。
以上實施例中之一或多者展現其中具有經界定初級及二次脈衝區之連續雷射脈衝促進突點降低的情況。在另一實施例中，兩個或更多個分離雷射脈衝可降低突點。雷射空間分佈形狀及連續性/不連續性中之任一者可應用於利用兩個或更多個分離之雷射脈衝的實施例。圖9A、圖9B及圖9C描繪繪製與用於降低突點之分離的雷射脈衝相關之第一、第二及第三情況之隨時間（µs）而變化的功率比之圖表。圖9A展示初級脈衝區且無二次脈衝區。圖9B展示初級脈衝區及二次脈衝區，其間具有第一間隙。如圖9B中所展示，初級脈衝區比二次脈衝區具有更短持續時間，且初級脈衝區比二次脈衝區具有更高功率。圖9C展示初級脈衝區及其間之第二間隙。如圖9C中所展示，初級脈衝區比二次脈衝區具有更短持續時間，且初級脈衝區比二次脈衝區具有更高功率。第二間隙長於第一間隙。
圖10A、圖10B及圖10C描繪根據分別在第一時間截取之第一、第二及第三情況之矽材料的第一、第二及第三固化之放大截面視圖。圖10A之區300為第一情況之經熔融且完全固化區域（例如，材料經過整個熔融及固化過程）。圖10B之區302為第二情況之經熔融且完全固化區域。圖10C之區304為第三情況之經熔融且完全固化區域。圖10A之區306展示完全固化區域之表示第一表面突點（亦即，線312上方之區）的一部分。圖10B之區308展示完全固化區域之表示第二表面突點（亦即，線314上方之區）的一部分。圖10C之區310展示完全固化區域之表示第三表面突點的一部分。第二表面突點之高度可顯著小於第一及第三表面突點之高度。顯著降低可在20%至90%之範圍中。
如藉由圖10B及圖10C能見，與初級脈衝區分離之二次脈衝區降低表面突點之高度。然而，圖9B中所展示之時間間隙小於圖10C中所展示之時間間隙，且圖10B之時間間隙相較於圖10C之時間間隙更有利於降低表面突點。在一或多個實施例中，謹慎地選擇初級雷射脈衝與二次雷射脈衝之間的時間間隙，此是由於相對較大時間間隙可減小表面突點降低。參考圖10B中所展示之第二情況，在起動二次雷射脈衝時，二次雷射脈衝施加於矽材料之熔融區域內。參考圖10C中所展示之第三情況，歸因於較長冷卻週期（例如，長至少兩倍），在起動二次雷射脈衝時，二次雷射脈衝施加於矽材料之再固化區域內。因此，其對突點高度降低具有最小效應。
圖11A及圖11B描繪針對第二及第三情況在二次雷射脈衝起動時二次雷射脈衝之位置之視圖。如圖11A中所展示且與第二情況相關，在起動二次雷射脈衝350時，將二次雷射脈衝350施加於矽材料之熔融區域352內。雷射照射位置位於熔融區域352之邊緣處，藉此將熔融材料自熔融區域352之中心移動至邊緣。熔融材料之此移動降低表面突點。如圖11B中所展示且與第三情況相關，在起動二次雷射脈衝354時，將二次雷射脈衝354施加於熔融區域356外部，但實情為在再固化區域中。此不僅不透過熔融區之照射降低突點，而且亦可導致在熔融區域356外部之二次雷射脈衝354的位置處產生其他表面突點。
亦可將時間間隙表達為初級雷射脈衝之持續時間與時間間隙之間的比率。在一或多個實施例中，時間間隙與初級雷射脈衝持續時間之比率可為以下比率中之任一者或在以下比率中之任兩者的範圍中：0.01:1、0.1:1、0.2:1、0.3:1、0.4:1、0.5:1及0.6:1。作為與一或多個實施例相關之另一比率，二次雷射脈衝與初級雷射脈衝之比率可為以下比率中之任一者或在以下比率中之任兩者的範圍中：8:1、7:1、6:1、5:1、4:1、3:1、2.5:1或2:1。
在一或多個實施例中，具有經界定脈衝區之多個連續或不連續雷射脈衝（例如，2個或更多個）可用以降低表面突點。圖12A、圖12B、圖12C、圖12D、圖12E及圖12F分別描繪繪製與具有多個脈衝區（例如，2個或更多個），以降低表面突點之雷射脈衝相關之第一、第二、第三、第四、第五及第六情況的隨時間（µs）而變化之功率比的圖表。在一實施例中，初級雷射脈衝區可包含具有相同雷射功率（例如，100%雷射功率）之多個離散雷射脈衝，在連續雷射脈衝之間具有相對短時間間隙（例如，相對於初級雷射脈衝區之整個持續時間，每時間間隙約1%至2%）。多個離散雷射脈衝亦可具有不同持續時間。圖12A展示具有多個精密雷射脈衝之初級雷射脈衝區。在另一實施例中，二次雷射脈衝區可包含具有相同雷射功率（例如，25%雷射功率）或不同雷射功率之多個離散雷射脈衝，連續雷射脈衝之間具有相對短時間間隙（例如，相對於二次雷射脈衝區之整個持續時間，每時間間隙約1%至2%）。圖12B展示具有多個精密雷射脈衝之二次雷射脈衝區。在又另一實施例中，初級及二次雷射脈衝區兩者可具有多個精密雷射脈衝，如例如圖12C中所展示。
在某些實施例中，多個離散雷射脈衝可具有不同雷射功率位準及/或持續時間。圖12D展示包含具有變化功率位準之多個精密雷射脈衝之初級雷射脈衝區。圖12E展示包含具有變化功率位準之多個離散雷射脈衝之二次雷射脈衝區。圖12F展示具有具有變化功率位準之多個離散雷射脈衝之初級及二次雷射脈衝區兩者。雷射功率位準變化可藉由以下值中之任一者或在以下值中之任兩者的範圍中變化：0%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%、26%、27%、28%、29%、30%、31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%、43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%及60%。
在一或多個實施例中，可變通風孔直徑能用以緩解表面突點。可變通風孔直徑可用於本文中結合圖5D所揭示之第二情況，其中雷射脈衝為具有初級及二次脈衝之環形。連續或不連續成形之雷射分佈中之任一者可根據可變通風孔直徑實施例而使用。
圖13A及圖13B描繪通風孔結合矽膜之雷射密封之第一及第二情況之示意圖。圖13A描繪界定沿著通風孔402之長度具有恆定直徑之通風孔402的膜材料400。圖13B描繪界定沿著通風孔408之長度具有可變直徑之通風孔406的膜材料404。通風孔406包含第一直徑區段408及第二直徑區段410。第一直徑區段408在通風孔開口412與第二直徑區段410之間延伸。第二直徑區段410在第一直徑區段408與裝置腔室（未展示）之間延伸。第一直徑區段408與第二直徑區段410之間的過渡形成肩部區段414，其為圓柱形形狀且具有第一直徑區段408與第二直徑區段410之直徑之間的差值寬度。第一直徑區段408比第二直徑區段410大某一百分比。百分比可為以下值中之任一者或在以下值中之任兩者的範圍中：30%、35%、40%、45%、50%及55%。第一直徑區段408之長度可等於第一直徑區段408之直徑。在另一實施例中，通風孔之放大區段可自較大直徑至底部直徑通風孔部分之直徑逐漸變窄。
圖14A及圖14B分別描繪根據圖13A及圖13B之第一及第二情況之矽膜的第一及第二固化之放大截面視圖，從而展示可變直徑通風孔降低表面突點。圖14A之區450為第一情況之經熔融且完全固化區域（例如，材料經過整個熔融及固化過程）。圖14B之區452為第二情況之經熔融且完全固化區域。圖14A之區454展示完全固化區域之表示第一表面突點的一部分（亦即，線456上方之區，其高度由箭頭458描繪）。圖14B之區460展示完全固化區域之表示第二表面突點的一部分（亦即，線462上方之區，其高度由箭頭464描繪）。第二表面突點之高度小於第一表面突點之高度，藉此支撐鄰近通風孔開口之放大直徑部分容納額外熔融材料且在固化時降低表面突點。降低可在15%至30%之範圍中。
在一或多個實施例中，可應用具有可變直徑之兩個或更多個通風孔以降低表面突點。圖15A描繪在矽膜506之上部區中分別具有第一、第二及第三直徑之第一通風孔500、第二通風孔502及第三通風孔504的截面視圖。第一通風孔500、第二通風孔502及第三通風孔504配置以產生在直接雷射照射下容納固化材料之體積。第一、第二及第三直徑可比原始通風孔直徑（例如，直徑508）大以下百分比中之任一者或在以下百分比中之任兩者的範圍中：100%、105%、110%、115%、120%、125%、130%、135%、140%、145%及150%。原始通風孔直徑可為以下值中之任一者或在以下值中之任兩者的範圍中：4 µm、5 µm、6 µm、7 µm、8 µm、9 µm、10 µm、11 µm、12 µm、13 µm、14 µm、15 µm、16 µm、17 µm、18 µm、19 µm及20 µm。所有通風孔之總高度可為以下值中之任一者或在以下值中之任兩者的範圍中：15 µm、16 µm、17 µm、18 µm、19 µm、20 µm、21 µm、22 µm、23 µm、24 µm及25 µm。
在矽膜之高度處形成於矽膜中之通風孔的截面可具有實質圓形形狀。圖15B描繪在矽膜506之高度處截取之截面A—A'。圖15C、圖15D及圖15E描繪根據一或多個實施例之所形成通風孔之各種A—A'截面形狀。圖15C描繪卵形狀510（例如，實質橢圓形狀）。圖15D描繪正方形形狀512（例如，具有圓化拐角之實質正方形形狀）。圖15E描繪矩形形狀514（例如，實質矩形形狀）。
在一或多個實施例中，CFD模型用以模擬用於IMU感測器之雷射矽膜密封過程。CFD模型考慮諸如表面張力及固化體積收縮之過程物理學。另外，在CFD模型中考慮溫度相依材料性質，諸如密度、導電性、比熱及表面張力係數以用於準確模擬。
如以上關於連續雷射脈衝之一或多個實施例中所展示，初級雷射脈衝與二次雷射脈衝之組合可降低表面突點高度。強度空間分佈可具有矩形或高斯截面之環形。二次雷射功率之功率可比初級雷射源之功率低某一百分比。百分比可在20%至60%之範圍中。
在利用連續雷射脈衝之一或多個實施例中，補充（例如，二次）雷射脈衝可降低表面突點高度。雷射強度空間分佈能為具有矩形或高斯截面之環形（或如本文所描述之其他雷射形狀）。補充雷射功率可低於初級雷射功率，例如，10%至60%。
在一或多個實施例中，可利用兩個分離的雷射脈衝，其中以適當時間間隙（初級雷射脈衝與補充雷射脈衝之間的時間值）施加補充雷射脈衝可有助於降低表面突點高度。然而，時間間隙愈大，表面突點高度降低效應愈小。初級及二次雷射脈衝可包含若干個別雷射發射。
在一或多個實施例中，可變通風孔直徑配置可用以降低表面突點高度。在一或多個實施例中，具有不同直徑之多個通風孔可有助於降低表面突點，且通風孔截面可不具有完美的圓形形狀。
以下申請案是關於本申請案：美國專利申請案第RBPA0386PUS號及美國專利申請案第RBPA0396PUS號，所述美國專利申請案各自以全文引用之方式併入本文中。
本文中所揭示之過程、方法或演算法能可遞送至處理裝置、控制器或電腦/能由處理裝置、控制器或電腦實施，該處理裝置、控制器或電腦能包含任一現有的可程式化電子控制單元或專用電子控制單元。類似地，所述過程、方法或演算法能儲存為可由控制器或電腦執行之呈許多形式之資料及指令，所述形式包含但不限於永久地儲存於諸如ROM裝置之不可寫入儲存媒體上之資訊，及可改變地儲存於諸如軟碟、磁帶、CD、RAM裝置及其他磁性及光學媒體之可寫入儲存媒體上的資訊。所述過程、方法或演算法亦能實施於軟體可執行物件中。替代地，所述過程、方法或演算法能使用合適的硬體組件來整體或部分地體現，所述硬體組件諸如特殊應用積體電路（ASIC）、場可程式化閘陣列（Field-Programmable Gate Array；FPGA）、狀態機、控制器或其他硬體組件、或者裝置，或者硬體、軟體及韌體組件之組合。
雖然上文描述例示性實施例，但並不意欲此等實施例描述申請專利範圍涵蓋之所有可能形式。本說明書中所使用之字詞為描述而非限制之字詞，並且應理解的是，在不脫離本發明內容之精神及範疇的情況下能進行各種改變。如先前所描述，各種實施例之特徵能組合以形成本發明之能未明確地描述或說明之其他實施例。雖然各種實施例可能描述為相比於其他實施例或先前技術實施在一或多個所要特性方面提供優勢或為較佳的，但所屬技術領域中具通常知識者認識到，一或多個特徵或特性能折衷以實現所要的整個系統屬性，其取決於特定應用及實施方案。此等屬性能包含但不限於成本、強度、耐用性、生命週期成本、可銷售性、外觀、包裝、大小、可維護性、重量、可製造性、易組裝性等。如此，在任何實施例描述為相比於其他實施例或先前技術實施在一或多個特性方面較不合乎需要之情況下，此等實施例並不在本發明之範疇外部且對於特定應用能為合乎需要的。
10:裝置
12:材料
14:裝置腔室
16:通風孔
18:通風孔開口/密封區域
20:密封件
22:表面突點
24:雷射脈衝
26:頂表面
28:照射區
50:通風孔密封件
52:密封件通風孔
100:雷射強度空間分佈
102:點線
150:初級雷射脈衝
152:初級雷射脈衝
154:二次雷射脈衝
200:點線
202:參考符號
204:區
206:區
208:區
210:區
212:點線/區
214:參考符號
216:區
218:區
224:表面峰
226:區
228:區
230:區
232:區
250:區
252:區
254:區
255:線
256:區
257:線
260:雷射強度空間分佈
262:雷射強度空間分佈
264:雷射強度空間分佈
266:雷射強度空間分佈
268:不連續性
270:雷射強度空間分佈
272:不連續性
274:雷射強度空間分佈
276:不連續性
278:不連續性
280:雷射強度空間分佈
282:箭頭
300:區
302:區
304:區
306:區
308:區
310:區
312:線
314:線
350:二次雷射脈衝
352:熔融區域
354:二次雷射脈衝
356:熔融區域
400:膜材料
402:通風孔
404:膜材料
406:通風孔
408:通風孔/第一直徑區段
410:第二直徑區段
412:通風孔開口
450:區
452:區
454:區
456:線
458:箭頭
460:區
462:線
464:箭頭
500:第一通風孔
502:第二通風孔
504:第三通風孔
506:矽膜
508:直徑
510:卵形狀
512:正方形形狀
514:矩形形狀
D:熔融深度
H:突點高度
W:熔融寬度
[圖1A]描繪形成有矽膜之裝置之截面視圖。
[圖1B]描繪裝置內之通風孔之一部分的截面、立體、隔離視圖。
[圖1C]及[圖1D]展示對分別處於熔融狀態及固化狀態中之通風孔開口進行之雷射照射過程的示意性側視圖。
[圖2]為繪製矽之密度相對於溫度曲線之圖表。
[圖3A]為繪製功率比與時間（微秒；µs）以描繪雷射脈衝持續時間（亦即，曲線之頂部之長度）的圖表。
[圖3B]為描繪雷射強度之高斯（Gaussian）分佈之圖表。
[圖4A]描繪使用計算流體動力學（computational fluid dynamics；CFD）模型模擬之通風孔密封件之影像。
[圖4B]描繪模擬結果之量值（微米；µm）與熔融深度、熔融寬度及突點高度之實驗結果的比較。
[圖5A]描繪根據一實施例之雷射強度空間分佈之平面視圖。
[圖5B]描繪繪製隨正規化空間距離而變化之正規化強度之圖表。
[圖5C]及[圖5D]為描繪具有經修改雷射脈衝特性之第一及第二情況之雷射脈衝持續時間輪廓的圖表。
[圖6A1]及[圖6A2]描繪在根據在第一時間及稍後第二時間截取之第一情況之施加雷射熱源之後的第一材料固化路徑之截面視圖。
[圖6A3]及[圖6A4]描繪在根據在第一時間及稍後第二時間截取之第二情況之施加雷射熱源之後的第二材料固化路徑之截面視圖。
[圖6B1]描繪在根據在第三時間截取之第一情況之固化之後的第一材料固化路徑之放大截面視圖。
[圖6B2]描繪在根據在第三時間截取之第一情況之施加雷射熱源之後的第一材料固化路徑之截面透視圖。
[圖6B3]描繪在根據在第三時間截取之第二情況之固化之後的第二固化之放大截面視圖。
[圖6B4]描繪在根據在第三時間截取之第二情況之施加雷射熱源之後的第二材料固化路徑之截面透視圖。
[圖7A]描繪繪製隨正規化空間距離而變化之正規化強度之圖表。
[圖7B]及[圖7C]為描繪具有經修改雷射脈衝特性之第一及第二情況之雷射脈衝持續時間輪廓的圖表。
[圖7D]描繪在根據在第一時間截取之第一情況之固化之後的第一材料固化路徑之放大截面視圖。
[圖7E]描繪在根據在第一時間截取之第二情況之固化之後的第二材料固化之放大截面視圖。
[圖8A]描繪具有具有矩形截面之橢圓形形狀（例如，形成於兩個同心橢圓之間）的雷射強度空間分佈之平面視圖。
[圖8B]描繪具有具有圓化邊緣之正方形形狀之雷射強度空間分佈的平面視圖。
[圖8C]描繪具有八邊形形狀之雷射強度空間分佈之平面視圖。
[圖8D]描繪在周邊方向上具有間隔開之不連續性之雷射強度空間分佈的平面視圖。
[圖8E]描繪在徑向方向上具有間隔開之不連續性之雷射強度空間分佈的平面視圖。
[圖8F]描繪具有間隔開之周邊不連續性及間隔開之徑向不連續性的雷射強度空間分佈之平面視圖。
[圖8G]描繪雷射強度空間分佈之俯視圖，其中箭頭描繪在徑向方向上之移動之量值。
[圖9A]、[圖9B]及[圖9C]描繪繪製與用於降低突點之分離的雷射脈衝相關之第一、第二及第三情況之隨時間（µs）而變化的功率比之圖表。
[圖10A]、[圖10B]及[圖10C]描繪根據分別在第一時間截取之第一、第二及第三情況之矽材料的第一、第二及第三固化之放大截面視圖。
[圖11A]及[圖11B]描繪針對第二及第三情況在二次雷射脈衝起動時二次雷射脈衝之位置之視圖。
[圖12A]、[圖12B]、[圖12C]、[圖12D]、[圖12E]及[圖12F]分別描繪繪製與具有多個雷射脈衝區（例如，2個或更多個）以降低表面突點之雷射脈衝相關之第一、第二、第三、第四、第五及第六情況的隨時間（µs）而變化之功率比的圖表。
[圖13A]描繪界定沿著通風孔之長度具有恆定直徑之通風孔的膜材料。
[圖13B]描繪界定沿著通風孔之長度具有可變直徑之通風孔的膜材料。
[圖14A]及[圖14B]分別描繪根據圖13A及圖13B之第一及第二情況之矽膜的第一及第二固化之放大截面視圖，從而展示可變直徑通風孔降低表面突點。
[圖15A]描繪在矽膜之上部區中分別具有第一、第二及第三直徑之第一、第二及第三通風孔的截面視圖。
[圖15B]描繪在矽膜之高度處截取之截面A—A'。
[圖15C]、[圖15D]及[圖15E]描繪根據一或多個實施例之所形成通風孔之各種A—A'截面形狀。
152:初級雷射脈衝
154:二次雷射脈衝
Claims (20)
- 一種用於在膜通風孔之雷射密封期間控制表面突點之方法，該方法包括： 將具有雷射強度空間分佈之雷射施加至該膜通風孔，以在該膜通風孔上方形成密封件，該密封件具有密封表面，該雷射脈衝包含初級雷射脈衝區、在時間比該初級雷射脈衝區晚之雷射二次脈衝區、以及在該初級雷射脈衝區與該二次雷射脈衝區之間的時間間隙，該初級雷射脈衝區及/或該雷射二次脈衝區包含於其間具有第一時間間隙之第一不連續雷射脈衝及第二不連續雷射脈衝、及/或於其間具有第二時間間隙之第三不連續雷射脈衝及第四不連續雷射脈衝，該密封表面具有受控表面突點特性。
- 如請求項1之方法，其中該初級雷射脈衝區包含第一不連續雷射脈衝區及第二不連續雷射脈衝區，該初級雷射脈衝區具有初級脈衝持續時間且該第一時間間隙具有第一時間間隙持續時間，該第一時間間隙持續時間為該初級脈衝持續時間之1%至2%。
- 如請求項1之方法，其中該初級雷射脈衝區包含第一不連續雷射脈衝區及第二不連續雷射脈衝區，該第一不連續雷射脈衝區具有第一不連續脈衝雷射功率且該第二不連續雷射脈衝區具有第二不連續脈衝雷射功率，該第一不連續脈衝雷射功率及該第二不連續脈衝雷射功率不相等。
- 如請求項1之方法，其中該二次雷射脈衝區包含第三不連續雷射脈衝區及第四不連續雷射脈衝區，該二次雷射脈衝區具有二次脈衝持續時間，且該第二時間間隙具有第二時間間隙持續時間，該第二時間間隙持續時間為該二次脈衝持續時間之1%至2%。
- 如請求項1之方法，其中該二次雷射脈衝區包含該第三不連續雷射脈衝區及該第四不連續雷射脈衝區，該第三不連續雷射脈衝區具有第三不連續脈衝雷射功率，且該第四不連續雷射脈衝區具有第四不連續脈衝雷射功率，該第三不連續脈衝雷射功率及該第四不連續脈衝雷射功率不相等。
- 如請求項1之方法，其中該初級雷射脈衝區具有初級雷射功率，且該二次雷射脈衝區具有二次雷射功率，該二次雷射功率小於該初級雷射功率。
- 如請求項6之方法，其中該二次雷射功率比該初級雷射功率小10%至60%。
- 如請求項1之方法，其中該受控表面突點特性為降低之表面突點高度。
- 一種用於在膜通風孔之雷射密封期間控制表面突點之方法，該方法包括： 將具有雷射強度空間分佈之雷射脈衝施加至該膜通風孔，以在該膜通風孔上方形成密封件，該密封件具有密封表面，該雷射脈衝包含初級雷射脈衝區及在時間比該初級雷射脈衝區晚之二次雷射脈衝區、以及在該初級雷射脈衝區與該二次雷射脈衝區之間的時間間隙，該初級雷射脈衝區具有初級雷射功率且該二次雷射脈衝區具有二次雷射功率，該二次雷射功率小於該初級雷射功率，且該密封表面具有受控表面突點特性。
- 如請求項9之方法，其中該初級雷射脈衝區具有初級脈衝持續時間且該時間間隙具有時間間隙持續時間，該時間間隙持續時間與該初級脈衝持續時間之比率為0.01:1至0.6:1。
- 如請求項10之方法，其中該時間間隙持續時間與該初級脈衝持續時間之該比率為0.2:1至0.6:1。
- 如請求項9之方法，其中該初級雷射脈衝區具有初級脈衝持續時間，且該二次雷射脈衝區具有二次脈衝持續時間，該二次脈衝持續時間與該初級脈衝持續時間之比率為8:1至2:1。
- 如請求項9之方法，其中該二次雷射功率比該初級雷射功率小10%至60%。
- 如請求項9之方法，其中該受控表面突點特性為降低之表面突點高度。
- 如請求項9之方法，其中該雷射強度空間分佈為環形雷射強度分佈、橢圓形雷射強度分佈及多邊形雷射強度分佈。
- 如請求項9之方法，其中形成於第一圓圈與第二圓圈、或第一橢圓與第二橢圓之間的雷射照射區內之該雷射強度空間分佈顯示具有矩形截面或高斯截面之形狀。
- 如請求項9之方法，其中該雷射強度空間分佈具有間隔開之不連續性。
- 如請求項17之方法，其中該雷射強度空間分佈包含周邊不連續性及/或徑向不連續性。
- 如請求項9之方法，其中該膜通風孔為矽膜通風孔。
- 一種用於在膜通風孔之雷射密封期間控制表面突點之方法，該方法包括： 將具有雷射強度空間分佈之雷射脈衝施加於該膜通風孔上，以在該膜通風孔上方形成密封件，該密封件具有密封表面，該雷射脈衝包含初級雷射脈衝區及在時間上比該初級雷射脈衝區晚之二次雷射脈衝區，且該密封表面具有受控固化路徑，其中該二次雷射脈衝區將熱施加至由該初級雷射脈衝區形成之熔區，藉此從該膜通風孔之中心向外移動熔融材料。
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