TWI674164B - 以雷射切削透明物質之方法 - Google Patents

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Abstract

一種藉由雷射絲化作用在材料加工穿孔之裝置、系統及方法，該雷射絲化作用係使用一種將入射雷射光束以一分散方式沿縱向光束軸聚焦的光學組態。這分散式聚焦方法可在多段距離上形成絲，且該雷射及聚焦參數係調整成可決定該絲的增長及結束點，以產生一單/雙端封閉孔，或一貫穿孔。由一堆疊或套疊組態選擇之透明基板可具有在不影響相鄰基板之情形下形成在其中或穿過其中之多數孔。這些分散式聚焦方法將支持在硼矽玻璃及類似的易碎材料及半導體中形成具有遠超過十毫米的多種長度之絲。

Description

以雷射切削透明物質之方法
本發明係有關於一種非燒蝕的方法及裝置，其係用以在主要但不限於例如玻璃、藍寶石、矽等透明材料所構成之一組堆疊的晶圓、平板或基板中的任一者中，自任何深度開始，鑽出封閉或貫穿孔，同時使得該孔及周圍物質材料之結構特性均超過在習知技術中所能企及的程度。
對於在例如由玻璃或一聚碳酸酯構成之透明基板中進行鑽孔的工作，實務上有大量需求。一經鑽孔基板之一應用係供作為空氣監測、粒子監測、細胞學、趨化作用、生物評估等之過濾器使用。這些應用器材通常需要直徑數百奈米至數十微米之多數個孔，且該等孔必須保持彼此相同的形態，且在大量生產時仍能保持穩定之孔對表面積的比例。
目前，習知材料加工系統藉由鑽石鑽孔、或例如：燒蝕切削；組合雷射加熱及冷卻；及高速雷射畫線之雷射曝光技術在例如玻璃之基板中產生多數孔。所有習知技術均具有低穿透次數，無法與許多新的基板材料進行良好作用，或無法克服多層基板堆疊物之不透明性等問題，而無法獲得所欲達成的封閉性孔空間效果，有可能在該材料中增長裂縫，或在該等孔的側面及起始點之周圍表面上留下不可接受之粗糙表面。
在目前的製造方法中，分離、處理晶圓或玻璃板以產生孔，通常需要依靠鑽石切割程序或鑽孔。
雷射燒蝕切削係用以分離、切片、畫線、分裂、切割及刻面處理之一種積極發展中的領域，但是特別在透明材料中，具有加工速度慢、產生裂縫、被燒蝕碎屑污染、及切口寬等缺點。此外，在雷射交互作用時，熱傳送會導致大區域之間接破壞(即受熱影響區域)。雖然可藉由選擇具有被介質強力吸收之波長的雷射(例如準分子雷射或遠紅外線CO2雷射)大幅改善雷射燒蝕程序，但是基於本質上存在於物理燒蝕程序中之侵入性交互作用特性，以致無法消除上述缺點。
或者，亦可在透明介質之表面藉由減少雷射脈衝之時間改善雷射燒蝕。這對於在該加工介質為透明之雷射特別有利。當聚焦在透明材料上或內時，該高雷射強度能產生非線性吸收效應，以造成一種動態的不透明性，且該動態不透明性可被控制，以準確地將適當的雷射能量放入由焦點體積所界定之一小體積材料中。透過該等雷射脈衝之短時間下之小分量熱擴散及其他傳送效應，該短時間的脈衝提供優於較長時間雷射脈衝之數種其他優點，例如能消除電漿反射及減少間接破壞。因此，飛秒及皮秒雷射燒蝕在切削不透明及透明材料時都有明顯的優點。但是，以甚至短至數十至數百飛秒之脈衝切削透明材料的方法，亦伴隨在雷射形成的孔或槽附近，形成粗糙表面及微裂縫的缺點，這對於如氧化鋁玻璃、摻雜介電體及光學晶體之易碎材料等物質，會特別有問題。此外，燒蝕的碎屑也會污染附近的樣本及周圍表面。
一種在玻璃及相關材料上切割或畫線以形成無切口的孔的 方法，依靠一雷射的加熱及冷卻之組合，例如具有一CO2雷射及一水噴柱之組合。在緊密的加熱及冷卻之適當條件下，產生高拉伸應力，且該等高拉伸應力會產生深入該材料中之裂縫，而藉由通過該表面掃描該雷射冷卻源，該等裂縫便會在撓性曲線路徑中增長。依此方式，熱應力得以誘發畫線效果，造成該材料之乾淨俐落的分離，且沒有機械式畫線或鑽石鋸之缺點，並且不會產生雷射燒蝕之碎屑。但是，該方法依靠應力誘發裂縫形成，以啟動畫線，以及內機械或雷射裝置來啟動裂縫的形成。短時間的雷射脈衝通常可提供在透明材料內有效地增長，及在一透鏡之焦點位置藉由非線性吸收程序在該整體內局部地產生修正的好處。但是，超快雷射脈衝(>5MW尖峰功率)在透明光學介質中之傳播，會因透過線性及非線性效應之一組合作用，造成該雷射脈衝之空間及暫時曲線分布之強力再整形而複雜化，且該等線性及非線性效應係例如群速色散(GVD)、線性繞射、自相位調變(SPM)、自動對焦、由價能帶至導電帶之電子之多光子/隧道離子化(MPI/TI)、電漿散焦及自陡化。這些效應會依據雷射參數、材料非線性性質、及進入該材料之聚焦條件，而展現出不同程度的效果。
此外，亦有用於平板顯示器(FPD)玻璃之其他高速畫線技術。頻率雙倍780nm、300fs、100μJ輸出之一100-kHz Ti：藍寶石調頻-脈衝-放大雷射係聚焦在一玻璃基板之後表面附近，以超過該玻璃破壞臨界值，且藉由該材料之光崩潰產生空孔。由於該雷射之高重覆速率，該等空孔會到達背部表面。該等連接之空孔產生內部應力及破壞，有助於以沿該雷射畫線之方向，藉由機械應力或熱震切片而產生表面燒蝕。雖然這方法可提供300mm/s之快速畫線速度，但是當內部形成空孔到達表面時，則會 造成一定的切口寬度、表面破壞、刻面粗糙及燒蝕碎屑。
雖然雷射加工已成功克服如上所述之鑽石切割而帶來的許多限制，但是，新材料的組合已使晶圓及面板無法被雷射畫線。
因此，用以在透明材料中由頂部或底表面鑽出貫穿或封閉孔之一快速、符合經濟效益的系統，將滿足在材料加工工業中之一長期需要。這新發明以一種獨特而新穎的組合方式，使用並組合習知技術及新技術，以克服前述的種種問題，並達成上述的需求。
以下將更詳細地說明，本發明之一般目的係提供一種在透明基材，通常是例如Si晶圓之半導體材料，或例如玻璃或藍寶石之材料中產生孔的裝置及方法，其係藉由使用超快雷射脈衝之猝發絲化，並配合產生多數不同焦點之分散式聚焦透鏡總成特定調整雷射參數而達成，其主要的聚焦腰部不位在該靶材之表面上或表面內；以便在該材料中產生絲，且該絲在一疊材料之陣列之任一或各構件中產生孔，其中該孔在該晶圓、平板或基板內之一所希望的起始點及結束點具有一特定深度及寬度。雖然本發明主要聚焦在鑽孔，但是應了解的是，在此所述之系統及方法同樣可應用在鑽孔、切片、切割及畫線靶材之切削程序之上。
一種方法及裝置，其係用以在任何深度開始，或在主要但不限於透明材料之一組堆疊晶圓、平板或基板中任一者中鑽出封閉或貫穿孔，使得該孔的本身，以及孔的周圍之材料結構特性超過習知技術所能達成之效果。更具體地說，本發明是有關於一種藉由使用超快雷射脈衝之猝發干涉之新方法，在一疊材料之陣列之任一或各構件中形成多數孔，其中 該雷射光及聚焦參數已調整成可在該材料內產生一絲，且該絲可在所欲起始點及結束點產生一特定深度及寬度之孔。
本發明揭露一種在或通過例如Si晶圓、玻璃或藍寶石之透明材料中產生奈米至微米級孔之新且獨特之技術。它具有前述許多優點及許多新特徵，該等新特徵產生在材料中產生非燒蝕鑽孔之一新方法，且該新方法不是由單獨的習知技術或在習知技術的組合中可以預期的、顯而易見的、已建議的、或甚至由任一習知技術暗示的。詳言之，它提供優於習知技術之以下大進步：較平滑的孔側、最小的微裂縫增長，產生較長/較深的孔、非錐形孔、非線性吸收、具有一致內徑之孔、最小的進入扭曲，以及較少的間接破壞。
本發明之重點，係在本說明書之結論部份特別列出的請求專利範圍。本發明的操作方法，與其他的優點及目的，可配合以下的符號及元件與附圖，與本說明書相互參照而得到最佳地了解。本發明之其他目的、特徵及特性，將在以下更詳細地加以說明。
2‧‧‧入射雷射光束
4‧‧‧最後聚焦透鏡
6‧‧‧非分散光束
8‧‧‧聚焦腰部(主要聚焦)(中央焦點)
10‧‧‧靶材
12‧‧‧完全聚焦透鏡
14‧‧‧焦點
16‧‧‧切削槽
17‧‧‧光學崩解(OB)
18‧‧‧長橢圓形孔
19‧‧‧無光學崩解(NOB)
20‧‧‧拋出物
21‧‧‧蒸發之傾斜入口
22‧‧‧錐形孔
23‧‧‧形成貫穿孔
24‧‧‧次要聚焦
26‧‧‧分散式聚焦元件總成
28‧‧‧分散聚焦
30‧‧‧犧牲層
32‧‧‧能量傾卸距離
34‧‧‧非球面、像差透鏡
35‧‧‧非球面/球面透鏡(未修正，且以誇大方式顯示)
38‧‧‧光斑直徑
40‧‧‧絲直徑
42‧‧‧孔直徑
44‧‧‧像差聚焦透鏡
45‧‧‧分散光束路徑
46‧‧‧分散聚焦光束路徑
50‧‧‧次要聚焦腰部
52‧‧‧光斑
54‧‧‧未形成絲
60‧‧‧絲線(區域)
61‧‧‧光束路徑
62‧‧‧
64‧‧‧猝發A波封
65‧‧‧猝發脈衝頻率
66‧‧‧猝發脈衝A
68‧‧‧猝發頻率重覆速度A
70‧‧‧脈衝能量
72‧‧‧猝發B波封
74‧‧‧猝發脈衝B
76‧‧‧猝發頻率重覆速度B
78‧‧‧猝發C波封
80‧‧‧猝發頻率重覆速度C
1C‧‧‧脈衝1C
1D‧‧‧脈衝1D
4C‧‧‧脈衝4C
4D‧‧‧脈衝4D
7D‧‧‧脈衝7D
圖1係一習知燒蝕雷射鑽孔配置之示意圖，其中主要的聚焦作用發生在該透明基板之頂表面；圖2係由圖1中之鑽孔方式所形成之一孔的立體圖；圖3係一習知燒蝕雷射鑽孔方式之說明側視圖，其中該主要聚焦發生在該透明基板之頂表面下方；圖4係由圖3之鑽孔方式所形成之一孔的立體圖；圖5係依圖1之雷射燒蝕方式鑽出之一孔的側視圖，其中該主 要聚焦發生在該透明基材之頂表面；圖6係本發明雷射鑽孔方式之示意圖，其中該主要聚焦發生在該透明基材之頂表面；圖7係在一透明基材中藉由本發明之雷射鑽孔方法畫線之一孔的立體圖；圖8係藉圖6之雷射方法鑽出之兩孔的側視圖；圖9係習知燒蝕雷射鑽孔方法之示意圖；圖10係本發明之示意圖；圖11係使用一分散式聚焦透鏡之本發明的示意圖；圖12係使用一分散式聚焦透鏡之本發明的示意圖；圖13係使用一分散式聚焦透鏡之本發明及聚焦腰部之分布的示意圖，其中該主要聚焦係在該靶材上方；圖14係使用一分散式聚焦透鏡之本發明及其聚焦腰部之分布的示意圖，其中該主要聚焦係在該靶材下方；圖15係圖13中之本發明之示意圖，其中該孔已鑽出；圖16係使用一分散式聚焦透鏡之本發明及聚焦腰部之分布的示意圖，其中該主要聚焦係在多層靶材的下方；及圖17至19顯示雷射能量分布之各種組態。
在此謹綱要式地提出本發明之較重要特徵，以便可更佳地了解隨後將敘述之本發明之詳細說明，以便可更佳地了解其對所屬技術領域 之貢獻。當然，以下的說明及本發明之其他特徵，也將形成後附申請專利範圍的內容。
本發明之各種實施例及態樣，將參照以下說明之細節說明。以下說明及圖式係本發明之舉例說明，不應被解讀為對本發明的限制。在此必需說明許多特定細節，以便徹底了解本發明之各種實施例。但是，在某些情形下，不會去說明眾所周知的習知技術，這樣才能用較簡潔的方式，對本發明之實施例的提供說明。
依此方式，在詳細說明本發明之至少一實施例之前，應了解的是，本發明應用於構造之細節，不限於在以下說明或圖式中所示之組件的配置。本發明可以用其他實施例加以實施，且以各種方式實施及實現。又，應了解的是，在此使用之語詞及術語之目的是用以說明，不應被視為某種限制。
除非另外定義，否則在此使用之所有技術及科學用語，應具有與所屬技術領域中具有通常知識者一般所了解的相同意義。除非另外指出，否則在本說明書中，以下用語應具有以下意義： 在此所使用之用語「燒蝕鑽孔」，是表示一種藉由以一雷射光束照射並切削一靶材(通常藉由對基材進行切割或鑽孔並移除部分材料)的表面的方法。在低雷射通量，該材料被所吸收之雷射能量且蒸發或昇華。在高雷射通量，該材料通常被轉換成一電漿。通常，雷射燒蝕表示以一脈衝雷射移除材料，但是如果該雷射強度足夠高，則可以一連續波雷射光束燒蝕材料。燒蝕鑽孔或切割技術之特徵在於產生一碎屑域，在材料被移除之過程中，在某些點出現一液/熔融相，及在該特徵之入口或出口之一拋出 物料堆。
在此所使用之用語“光聲鑽孔”，是表示一種切削一靶材之方法，通常藉由以比在燒蝕鑽孔或切割技術中所使用者為低之脈衝能量加以照射，來切割或鑽一個固體基板。通過光學吸收，及接著熱彈性膨脹之程序，在該被照射材料內產生寬頻聲波，以在環繞該傳播軸(與該孔之軸同軸)之位置形成被加壓材料之一個通路，其特徵在於平滑的壁孔，最小或消除拋出物，及在該材料中形成最小的微裂縫。
在此所使用之用語“光學效率”，係有關於在主要聚焦腰部之通量對在該聚焦元件或總成之穿透孔之總入射通量之比。
在此所使用之用語“透明”，係表示材料對入射光學光束而言至少部份地透明。更佳地，依據在此所述之實施例，一透明基板之特徵在於大到足以藉由一入射光束支持一內絲修改陣列之產生的吸收深度。換言之，是指具有吸收光譜及厚度特性之材料，使得該入射光束之至少一部份在該線性吸收範圍中得以透射。
在此所使用之用語“絲修改區域”，是表示在一基材內之一絲區域，其特徵為，其是藉由該光學光束路徑所界定之一被加壓的區域。
在此所使用之用語“猝發”、“猝發模式”或“猝發脈衝”，是表示具有相對暫時間隔之一組雷射脈衝，且該相對暫時間隔係實質小於該雷射之重覆時間。應了解的是，在脈衝之間，在一猝發內之該暫時間隔，是可固定或變化的，且在一猝發內之脈衝之波幅亦可固定或變化，例如，得以在該靶材材料內產生最佳化或預定絲修改區域。在某些實施例中，一脈衝之猝發可形成有變化的強度，或構成該猝發之脈衝的能量。
在此所使用之用語“幾何聚焦”，是表示光依據透鏡之曲率移動之正常光徑，且一光束腰部係依據光學元件通用之簡單透鏡公式定位。它被用來區別由該等透鏡之位置所產生之光學焦點及它們的相對關係，與由在該靶材材料中之熱扭曲所產生之收歛情形，且事實上，該等收歛情形提供到達15mm數量級之一準-雷利(Rayleigh)長度，這是特別不尋常的，且與本發明之本質有關。
在此所使用之用語“基板”，是表示一玻璃或一半導體，其可選自於由在經研磨或未經研磨之情形下，有或沒有塗層附著之透明陶瓷、聚合物、透明導體、寬能帶間隙玻璃、晶體、結晶石英；鑽石、藍寶石、稀土配方、有顯示作用的金屬氧化物及非晶質氧化物等物質所構成之群組，同時也涵蓋其所有的幾何組態，例如但不限於平板及晶圓。該基材可包含兩層或兩層以上，其中該聚焦雷射光束之光束聚焦之位置，係選擇在該兩層或兩層以上中至少一層內產生絲陣列。該多層基材可包含多層平板顯示玻璃，例如一液晶顯示器(LCD)、平板顯示器(FPD)及有機發光顯示器(OLED)。該基板亦可選自於由汽車玻璃、管、窗、生物晶片、光學感測器、平面光波電路、光纖、飲用玻璃器具、藝術玻璃、矽、111-半導體、微電子晶片、記憶體晶片、感測器晶片、光電透鏡、平板顯示器、需要強覆蓋材料之手持式計算裝置、發光二極體(LED)、雷射二極體(LD)及垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)等物質所構成之群組。靶材或靶材材料通常選自基材中的一種。
在此所使用之用語“主要聚焦腰部”，是表示在最後聚焦後(在通過最後光學元件總成後光照射在該靶材前)，該光束之最緊密聚焦及最 強的聚焦強度所在位置。它亦可與用語“主要聚焦”互換使用。該用語“次要聚焦腰部”表示在具有一強度比該主要聚焦帶小之在該分散光束中其他聚焦之任一聚焦。它亦可與用語“次要聚焦”互換使用。
在此所使用之用語“絲”，是表示通過一介質之任何光束，在其中可以觀察及測量克爾效應。
在此所使用之用語“雷射絲化”，係透過使用一雷射在一材料中產生多數絲之動作。
在此所使用之用語“犧牲層”，是表示可移除地施加在靶材材料上之一材料。
在此所使用之用語“切削”或“修改”，是包含鑽孔、分割、畫線或切片一靶材或基材之一表面或體積的程序。
在此所使用之用語“聚焦分布”，是表示通過其集合體係一正型透鏡之一透鏡總成之入射光線的空間時間分布。通常，它們之有用強度之後續點收歛隨著距離該聚焦透鏡之中心的距離而改變。
在此所使用之用語“臨界能階”、“閾能階”及“最小能階”均表示一種最低的能量，其必須放在一靶材之中或之上，以在該靶材材料中間時啟動(例如但不限於)燒蝕切削、光聲切削、及克爾效應的一最少能量。
在此所使用之用語“燒蝕透鏡”，是表示不是一完美透鏡之一聚焦透鏡，其在x平面中之透鏡曲率不等於在y平面中之透鏡曲率，且通過該透鏡之入射光會產生一分散式聚焦圖案。一正型燒蝕透鏡係一焦點收歛透鏡，而一負型燒蝕透鏡係一焦點發散透鏡。
在此所使用之用語“包含”應解釋為內含及開放的，且非排除 的。詳言之，當在說明書及申請專利範圍中使用此用語時，該用語“包含”及其變化詞句表示包括特定特徵、步驟或組件。這些用語不應被解釋為排除其他特徵、步驟或組件之存在。
在此所使用之用語“示範裝置”表示“作為一例子、例證或實例”不應被解釋為其與在此被揭露之其他組態相較，是較佳的或更有利的。
在此所使用之用語“大約”、“大略”表示涵蓋可存在數值範圍之上與下限中之變化，例如性質、參數及尺寸之變化。在一非限制性的例子中，該等用語“大約”、“大略”表示加或減一個等於或小於百分之10的幅度。
本發明之主要目的係提供快速、可靠且符合經濟效益之非燒蝕切削技術，以在該靶材材料中開始形成多數孔(封閉/盲或貫穿孔)，且該等孔可藉由藉超快雷射脈衝之一或多數猝發絲化，在多數堆疊靶材材料中之一單一靶材材料之下或之上開始形成。超短雷射對微切削提供高強度，以便藉由積極地驅動多光子、隧道離子化、及電子突崩程序修改且乾淨俐落地加工在材料的表面。目前之問題，在如何將足夠之能量放在該靶材之透明材料中，小於在燒蝕鑽孔中使用之能量，但超過該臨界能階，以開始且維持光聲加壓，以便產生一修改在該材料中該焦點之折射率，且不會遭遇光學崩解(如習知燒蝕鑽孔系統中遭遇者)，使得在該靶材材料中，該雷射光束之連續再聚焦可繼續足夠長之距離，使得即使是多數堆疊的基材亦可以在該鑽孔距離上造成一相當平滑孔壁的鑽孔，而且其即使有錐形產生，亦小到可以忽略的程度。同時，鑽孔也可以由該靶材材料之上方、下方或內部開始進行。
通常，在習知技術中，使用在該材料之上方、內部或其上之聚焦至一單一主要焦點之高能雷射脈衝的雷射燒蝕技術，已被用來切削透明材料。如圖1所示，該入射雷射光束2通過一聚焦總成，且通過一最後聚焦透鏡4，以聚焦一非分散光束6，該非分散光束6在該靶材10之表面具有一聚焦腰部8。或者，如圖3所示，該非分散光束可聚焦使得該聚焦腰部位在該靶材內。通常，這些技術是使用完全球面聚焦透鏡12，即一種在X平面中具有等於在Y平面中之曲率(Cx=Cy)之非燒蝕透鏡，或同時也使用一種能產生具有如圖9中所示之單一焦點14之非分散光束的聚焦元件。這會產生一緊密光斑，且該緊密光斑接著傳送到靶材基板材料10的之上(圖1)或其中(圖3)。圖2顯示以圖1之技術切割之切削槽16的幾何形狀，圖4顯示以圖3之技術製成之一長橢圓形孔18的幾何形狀。
在不同光學介質中傳播密集超快雷射脈衝已被充分地研究。材料之非線性折射率能隨雷射強度而改變。具有有高斯分布曲線之密集雷射脈衝，該脈衝之中央部份具有比尾部高甚多之強度，這表示雷射光束脈衝在該材料之中央及周圍區域之折射率會有所不同。因此，在該雷射脈衝傳播時，該脈衝會自動地瓦解。這種非線性現象在工業中通稱為自動對焦。此種自動對焦亦可在光束路徑中使用一透鏡而促進其效果。在該聚焦區域中，該雷射光束強度到達一足以產生多數離子化、隧道離子化及突崩離子化之值的時候，在該材料中會產生電漿。電漿會使該雷射光束散焦並再聚焦，以形成一電漿體積。在一非分散光束中，單一聚焦之固有問題為，在該雷射脈衝喪失其所有能量後，程序即結束，無法再聚焦。
這種燒蝕方法在材料10中會產生長度達到30微米之絲，直 到它超過該材料之光學崩解臨界值且光學崩解(OB)發生為止(如圖9所示)。在OB時，已到達最大臨界通量(每單位面積傳送之能量，單位為J/cm2)，孔的直徑會縮小，並且燒蝕切削或鑽孔不能再更深入地進行。這是使用習知方法之明顯缺點，因為它們限制了可鑽之孔的尺寸，產生一粗糙孔壁，且導致具有一錐形之孔22，該錐形孔在該靶材10之頂與底表面具有不同的直徑(圖5)。之所以這會發生，是因為在燒蝕切削中，該光束在該靶材10之表面具有中央焦點8(亦被稱為一主要聚焦腰部)，在其中造成局部加熱及熱膨脹，而靶材10之表面被加熱至其沸點時，即產生一鑰孔。該鑰孔導致光學吸收性突然增加，從而快速地加深該孔。當該孔加深且該材料沸騰時，所產生之蒸氣會腐蝕該熔融壁，將拋出物20吹出且進一步加大該孔22。當這發生時，該被燒蝕的材料在它膨脹時，會施加一脈衝式高壓力至它下方的表面上，其效果類似於以一個錘子打擊該表面，這使得易碎材料容易破裂。(此外，易碎材料對於熱破壞特別敏感，此種熱破壞的效果係在熱應力破裂中可被利用的特點，但是在鑽孔時卻必須避免遭遇此種效果。OB通常是在該碎屑未排出、氣泡在該孔22中產生、或在有使該靶材在該孔22之區域中破裂之猛烈燒蝕發生時產生。這些效應中之任一效應或其組合，會使該光束6由這點散射，或完全被吸收，而沒有留下足以進一步向下鑽過材料10之光束功率(通量)。此外，這也會在靶材基板10上產生一被稱為燒蝕拋出物堆20之環繞該起始點的扭曲或粗糙部位(圖5)。
雷射燒蝕技術之另一問題是，它鑽出之孔不是均一直徑，因為雷射光束絲化會隨著距離改變其直徑。這被稱為雷利(Rayleigh)範圍，其係沿光束之傳播方向由該晶圓至橫截面積成為雙倍處的距離。這會產生一 錐形孔22，如圖2與5所示。
本發明能解決該光學崩解問題，將孔粗糙度及燒蝕拋出物堆減至最小，且消除錐形直徑孔。
本發明為一種藉由雷射誘發光聲加壓在透明材料中，以形成孔的裝置、系統及方法。與雷射材料切削之先前習知方法不同，本發明之實施例使用一光學組態，該光學組態以一分散方式沿縱光束軸聚焦該入射光束2，使得有該主要聚焦8與次要聚焦24線性對齊(亦即與該孔之線性軸一致，但是與該主要聚焦或聚焦腰部垂直地分開)，以便讓入射光束2在通過該靶材10時可連續再聚焦，藉此可沿著材料10中之光束路徑修改折射率，且不會遭遇光學崩解(如在習知燒蝕鑽孔系統中所見的光學崩解，無論有或沒有使用基本絲化作用，均同)，使得在該靶材材料中之雷射光束之連續再聚焦可繼續一段長的距離。(圖6)
這種分散式聚焦方法，可藉由以該分散式聚焦元件總成26產生之次要聚焦24，且藉由定位該主要聚焦腰部8在該材料之上或之中的位置，由在該主要聚焦腰部8之入射光束2“傾卸”或減少不必要之能量至該材料10外。這種主要聚焦腰部8及次要聚焦24之線性對齊組合之光束通量的傾卸，可在遠超過目前使用的先前習知技術所達成之距離(遠超過1mm)外形成絲，同時保持一足夠雷射強度(通量為μJ/cm2)，以便在該絲區域之全長上達成有效的修改及加壓。這種分散式聚焦方法能形成長度遠超過1毫米之絲，且仍保持一在該材料之光學崩解臨界值以下的能量密度，並且其強度足以使得堆疊的基板可同時被鑽過，同時也可鑽過不相似材料(例如在靶材材料間之空氣或聚合物間隙)，同時在該鑽孔的距離內，其錐形效果是可忽略的 (圖7)，同時在該靶材材料之上方、下方或內部形成之一相當平滑之孔壁。在靶材10中增長一非錐形的壁狹縫23的效果，係藉由在切削一孔時，將該靶材10做相對性的移動來達成。
該雷射脈衝之光學密度，能引發自動對焦現象且產生絲，該絲具有足以在該絲內/四週/周圍之一區域中，以非燒蝕性的方式，啟動光聲加壓的強度，以產生與該絲實質相同的直徑的一線性對稱空孔，且亦造成該雷射脈衝之連續自動對焦及散焦，而這藉由該分散光束之次要聚焦腰部與該能量輸入，耦合形成導引/引導該孔通過或穿過該靶材材料之特定區域形成的絲。所製得之孔可不必由靶材中移除材料，因為孔是藉由環繞所形成之孔周邊光聲加壓該靶材材料之情形下而形成。
吾人已知，在靶材10之表面的通量值係隨著入射光束強度及該特定分散式聚焦元件總成而改變，且依該(等)特定靶材的材料、靶材厚度、切削之所欲速度、總孔深度及孔直徑而調整。此外，鑽出之孔的深度取決於該雷射能量被吸收之深度，因此，由單一雷射脈衝移除之材料量，取決於該材料之光學性質及該雷射波長與脈衝長度。(因此，在此所使用之系統及材料，需要用實驗來得到最佳結果之各特定基板，及一系列配合應用之加工參數)。因此，如果在該表面之通量值高到足以啟動瞬時、局部之燒蝕(蒸發)，則在該靶材10之進入點會形成某些拋出物堆20，雖然這些電漿的產生是不需要的。在某些情形下，可能需要在該靶材表面使用強度足以產生暫時、瞬時燒蝕鑽孔之一通量值，以產生一寬傾斜入口，同時藉由使用允許一瞬時燒蝕技術之一能量值之一分散聚焦混合式鑽孔方法，接續使用連續光聲加工技術，而產生具有均一直徑之孔22(圖8)。這可藉由本發明 在該靶材表面選擇一通量值來達成，該通量值得以使材料中光束之非線性吸收抵消線性吸收而達到平衡，使得燒蝕切削所需要之通量值將在該傾斜(或其他幾何形態)之所需深度用盡。如果將一犧牲層30施加在該靶材表面上，則這混合式技術將產生一可消除之最小拋出物堆20。一般犧牲層係樹脂或聚合物，例如但不限於PVA、甲基丙烯酸酯或PEG，且通常只需要在1至300微米厚度之範圍內(10至30微米範圍將供透明材料的加工使用)，並且通常藉由噴灑該犧牲層在該靶材材料上的方式來施加。藉由防止熔融碎屑直接附接在材料表面上，而如習知方式一般地附接在該可移除的犧牲材料上，使得該犧牲層得以防止拋出物堆的形成。
達成光聲加壓切削，需要以下系統：一猝發脈衝雷射系統，可產生包含一連串程式化脈衝之光束，且該一連串程式化脈衝在該猝發脈衝波封內包含2至50個子脈衝。又，該雷射系統必須可以依據所使用之靶材材料的不同，而產生1至200瓦特之平均功率，對硼矽玻璃而言，通常這範圍是在50至100瓦特之範圍內。
一分散式聚焦元件總成(可能包含正型及負型透鏡，但是在其集合體中具有一正聚焦作用)，可產生一弱收歛、多焦點空間光束曲線分布，其中在該靶材材料之入射通量足以產生克爾效應的自動對焦及傳播。
一光學傳送系統，可傳送光束至靶材。
商業上的操作將需要該材料(或光束)相對於光學元件(反之亦然)具有相對移動的能力，或藉由一系統控制電腦，以驅動相關的配位/組合動作。
要使用這系統鑽出光聲加壓孔，需要對特定的靶材做以下條 件的安排：該分散式聚焦元件總成之性質；該猝發脈衝雷射光束的特性；及該主要聚焦之位置。
該分散式聚焦元件總成26可以是通常在所屬技術領域中使用之許多一般習知聚焦元件，例如非球面板、遠心透鏡、非遠心透鏡、非球面透鏡、環狀多面體透鏡、定製基本像差(非完美)透鏡、一正型與負型透鏡或一連串修正板(相位移遮蔽)之組合、相對於入射光束傾斜之任一光學元件、及可管理光束傳播之主動補償光學元件。上述之可選擇的光學元件之主要聚焦腰部，通常不包含大於90%或小於50%之入射光束通量(但是在特定情形下，該分散式聚焦元件總成26之光學效率可接近99%)。圖10顯示了一種可在前述程序中使用之一非球面、像差透鏡34。該分散式聚焦元件總成26之真正光學效率將必須在各個特定應用情況下做微調。使用者將做出為各透明材料、靶材之物理組態及特性以及特定雷射參數而定製的一組實驗表。碳化矽、磷化鎵、藍寶石、強化玻璃等，各具有它們自己的數值。這個表係藉由在該材料內形成絲(調整如上所述之雷射功率、重覆速度、聚焦位置及透鏡特性之參數)，且確保有足夠通量誘發光聲加壓之一斷裂平面或軸以產生孔，而通過實驗方式加以決定。一用以在由硼矽酸鹽製成之2mm厚的單一、平面靶材中，以具有將在1MHz範圍內之頻率(重覆速度)之10μJ能量的1微米50瓦猝發脈衝鑽出5微米直徑貫穿孔(如圖11所示)之樣本，其光學效率係65%，其中該光束之主要聚焦腰部，位在偏離所欲開始點的1mm處。
應注意的是，亦有必須藉由這光聲加壓鑽孔程序達成之一組物理參數。請參閱圖11與12，可看到該光斑直徑38>該絲直徑40>該孔直徑 42。此外，該分散光束之主要聚焦腰部8絕不會在產生絲之該靶材材料10的表面之中或之上。
該主要聚焦腰部8之位置，通常是在偏離所欲開始點500微米至300mm之範圍內。這被稱為能量傾卸距離32。它亦是藉由為各透明材料、靶材之物理組態及特性、以及特定雷射參數而定製的一組實驗表而決定。它是由藉由上述方法所產生之表做推衍而得到的。
該雷射光束能量的性質如下：其是在該光束中，在0.5μJ至1000μJ之間，具有由1Hz至2MHz之重覆速度(該重覆速度界定樣本移動之速度及在相鄰絲之間之間距)的一個脈衝能量。該絲之直徑及長度可藉由改變在各猝發波封內出現之瞬時能量分布來調整。圖17至19顯示一脈衝雷射信號之三種不同瞬時能量分布的例子。圖19之猝發波封曲線分布之上升與下降，表示特別適合由介電材料移除薄金屬層之一特別有用之加工控制裝置。
請一起參閱圖13至16，可最佳地顯示本發明之機制。在此，使用猝發飛秒脈衝光，因為其放在該靶材材料上之總能量低，且光聲加壓可在不使材料破裂之情形下進行，並且在靶材材料中產生較少的熱，因此，較小但足夠的能量封包得以放在材料中，使得材料可在不犧牲在該絲附近之材料完整性的情形下，由基態遞增地上升至一最大激發狀態。
真正的物理反應之發生過程，將在此敘述。脈衝猝發雷射之入射光束之主要聚焦腰部，係透過一分散式聚焦元件總成傳送至該靶材材料之上方或下方(但不在內部)之空間中所欲產生該絲的一點。這將在該靶材表面上產生一斑點且產生白光。在該靶材表面上之斑點直徑將超過該絲直徑及所欲形成的孔或槽孔等特定形狀的直徑。因此，照射在表面上之斑 點中之能量，係大於用以產生二次光電效應(即克爾Kerr效應-其中該材料之折射率之變化與所施加電場成正比)的能量，但是小於誘發燒蝕程序所需之臨界能量，且明顯地更低於該材料之光學崩解臨界值。自動對焦發生在一足以滿足該相對關係之臨界功率以上的狀態，因此該功率係與該靶材材料之實數與複數折射率之積成反比。光聲加壓的得以進行，是在時間標度維持在該靶材材料中所需的功率，使得該自動對焦條件與該光學崩解條件之間的平衡得以維持的情況下，所達成的結果。這光聲加壓係一均一且高功率的絲之形成與傳播程序之結果，因此材料會重新排列，以便透過燒蝕程序移除。如此產生之該非常長的絲，藉由該分散式聚焦元件總成所產生之空間，延伸次要聚焦的存在而被煽動，在不到達光學崩解之情形下維持該自動對焦效應。在這總成中，大量的邊緣及近軸光線，相對該主要聚焦而收歛在不同的空間位置。這些次要聚焦存在並延伸進入無限空間，但是只在該靶材之厚度的一有限範圍具有有用之強度。藉由聚集該次要聚焦之能量在基材表面下之一較低高度(但是亦在該絲之活化底面)的方式，這使得該雷射能量可到達該塊材料的位置，同時避免被電漿吸收，或被碎屑散射。
該分散式聚焦元件總成可為一單一像差聚焦透鏡，其放在該入射雷射光束之路徑中，以使得原本似乎是不均勻分散聚焦的入射光束發展成一分散聚焦的光束路徑，且該分散聚焦光束路徑包含一主要聚焦腰部及一連串線性配置之次要聚焦腰部(聚焦)。這些聚焦之對齊係與該孔42之直線軸同一直線。請注意，該主要聚焦腰部8不會在該靶材材料10的之上或之中。在圖13中，該主要聚焦腰部係在該靶材材料的上方，且在圖14中，它是在靶材材料10的下方，因為該孔42係藉由該聚焦光束之系統及非線性性 質，在該主要聚焦腰部8的上方或下方開始形成。因此一光斑52(大約10μm距離)位在該靶材10之表面上，且該等較弱次要聚焦腰部共線地位在該靶材內，因為當雷射之電場改變靶材之折射率時，該材料將作為產生這些焦點之最後光學元件。這分散式聚焦使得雷射能量可沈積在該材料中，以形成一絲線或區域60。利用多數線性對齊聚焦，且讓該材料作為最後透鏡，該靶材材料在受到超快猝發脈衝雷射光束轟擊時，會進行多次、連續、局部的加熱，該等加熱的熱將誘發該材料沿該線性對齊聚焦之路徑之局部折射率(具體而言，為複數折射率)，使一長的非錐形絲60可在靶材中產生，接著一光聲加壓波在所欲區域中環狀地加壓該材料，而環繞該絲化路徑產生一空孔及一加壓材料環。接著，該光束再聚焦，且該再聚焦的光束與在該等次要聚焦腰部的能量相組合，以維持臨界能階，這一連串程序的不斷重覆，可以鑽出一可為1500：1長度直徑比(孔之長度/孔之直徑)之孔，且該孔僅具有些許(甚至沒有)錐形的問題，而是相同直徑之入口孔尺寸及出口孔尺寸。與習知技術不同處在於，本案是聚焦該能量在該靶材材料之頂表面上或在該靶材材料內，以產生一短絲化距離，直到到達該光學崩解且絲化減緩或停止為止。
圖16顯示，在一堆疊形態之三個平面靶材10中，在兩個底部靶材中鑽孔，且在它們之間具有一空氣間隙，其中該主要聚焦腰部8係定位在該最後靶材10下方。該孔可由一多層構造之頂或底或中間鑽出，但是如果使用相同透鏡組及曲率，則該鑽孔效果只能在該主要聚焦腰部8的相同距離之處發生。該聚焦腰部一直在該材料的外側，且不會到達該基材的表面。
該鑽孔之方法係透過光聲加壓，且係藉由以下順序之步驟果使用相同透鏡組及曲率，則該鑽孔效果只能在該主要聚焦腰部8的相同距離之處發生。該聚焦腰部一直在該材料的外側，且不會到達該基材的表面。
該鑽孔之方法係透過光聲加壓，且係藉由以下順序之步驟達成：1.使雷射能量脈衝由一雷射源通過一選擇之分散聚焦透鏡聚焦總成；2.調整該分散聚焦透鏡聚焦總成，相對於一雷射源之相對距離及/或角度，以聚焦該雷射能量脈衝成一分散聚焦組態，且產生一主要聚焦腰部及至少一次要聚焦腰部；3.調整該主要聚焦腰部或該靶材，使得該主要聚焦腰部不位在被切削之靶材的之上或之中；4.調整該聚焦，使得在位於該主要聚焦腰部下方或上方之該靶材表面上雷射通量的斑點具有一直大於在該靶材中形成之絲之直徑的一直徑；5.調整該次要聚焦腰部之通量值，為確保一光聲加壓切削傳播通過該靶材之所欲體積的足夠強度及數量；及6.透過該被選擇之分散聚焦透鏡聚焦總成，由該雷射源施加一特定波長、特定猝發脈衝重覆速度及特定猝發脈衝能量的至少一猝發之雷射脈衝至該靶材，其中在該雷射脈衝接觸至該靶材上切削之開始點的一斑點，施加至該靶材的該脈衝能量或通量之總量，係大於開始及傳播光聲加壓切削所需之臨界能階，但小於開始燒蝕切削所需之閾值臨界能階；及7.當已完成該所欲的切削時，停止該猝發之雷射脈衝。
且該雷射通量值係可燒蝕切削一所欲的距離，且以在燒蝕切削之臨界值以下，但在光聲切削之臨界值以上之一雷射通量，來完成鑽孔至該材料中之所欲深度。這種孔的形成，亦可使用在該靶材之表面上施加一可移除犧性層。這可使拋出物堆形成在該犧牲層上，使得拋出物堆可與該犧牲層在稍後一起被移除。藉由一混合式燒蝕及光聲加壓切削方法鑽出之孔，將透過以下步驟實施，雖然該犧牲層之施加必須被使用，但如果使用的話也不必須在第一步驟就先發生：1.施加一犧牲層至一靶材之至少一表面上；2.使雷射能量脈衝由一雷射源通過一選擇之分散聚焦透鏡聚焦總成；2.調整該分散聚焦透鏡聚焦總成，相對於一雷射源之相對距離及/或角度，以聚焦該雷射能量脈衝成一分散聚焦組態，且產生一主要聚焦腰部及至少一次要聚焦腰部；3.調整該主要聚焦腰部或該靶材，使得該主要聚焦腰部不位在被切削之靶材的之上或之中；4.調整該聚焦，使得雷射通量之斑點在位於該主要聚焦腰部下方或上方之靶材表面上；5.調整在該靶材上之雷射通量之斑點，使得它具有一直大於欲在該靶材中形成之絲之直徑的一直徑；6.確保該次要聚焦腰部之通量值，以確保一光聲加壓切削傳播通過該靶材之所欲體積的足夠強度及數目；及7.透過該選擇之分散聚焦透鏡聚焦總成，由該雷射源施加一播通過該靶材之所欲體積的足夠強度及數目；及7.透過該選擇之分散聚焦透鏡聚焦總成，由該雷射源施加一特定波長、特定猝發脈衝重覆速度及特定猝發脈衝能量的至少一猝發之雷射脈衝至該靶材，其中在該雷射脈衝接觸在該靶材上切削之開始點的一斑點施加至該靶材的該脈衝能量或通量之總量，係大於開始燒蝕切削至所欲深度所需之臨界能階，且接著在該燒蝕地鑽出之孔之底部之通量能量係大於開始及傳播一絲化及光聲加壓切削所需之臨界能階，但小於開始燒蝕切削所需之閾值臨界能階；及8.當已完成所欲的切削時，停止該猝發之雷射脈衝及絲化。
該等雷射性質之各種參數，該主要聚焦腰部之位置，及最後聚焦透鏡以及所產生之孔之特性，均揭示在以下的表中。應注意的是，它們係以範圍呈現，因為它們的值隨著該靶材材料之種類、其厚度、及所欲形成的孔之尺寸及位置而大幅改變。以下圖表詳述用以在多數透明材料中完成鑽出均一孔之各種系統變數的範圍。
如前所述，上述參數會隨著靶材而變化。就一操作例而言，為在一透明基板中鑽出一2mm深之3微米孔，使用以下裝置及參數：一1064奈米波長雷射；65瓦特之平均功率；10μJ脈衝能量；每猝發15子脈衝；及一MHz重覆速度。這將以傳送分散聚焦之一像差透鏡加以聚焦在2mm以上之空間(絲活化區域係2mm長)，依據該材料在頂表面上方聚焦5微米至100mm。
應了解的是，本發明之應用不限於在以下說明中提出或在圖中所示之組件的配置。本發明可具有其他實施例，且可以各種不同順序之步驟實施或實行。又，應了解的是，在此使用之語詞及術語係用以說明且不應被視為限制。因此，所屬技術領域中具有通常知識者，可了解本發明所依據之觀念，可做為輕易地設計出用以實現本發明之多個目的之其他結構、方法及系統的基礎。因此，重要的是，申請專利範圍在均等且不偏離本發明之精神與範疇之情形下，應被視為包括該等等效的構造在內。

Claims (20)

  1. 一種用以電射切削透明物質之方法，其包含以下步驟：使用一分散聚焦透鏡，將一來自一雷射光源的雷射脈衝的光束加以聚焦，每一脈衝之持續時間為小於10奈秒，被聚焦的光束沿著一縱向的光束軸而散佈，該被分散聚焦透鏡所聚焦之光束，具有一主要聚焦與至少一次要聚焦；及以該被聚焦的光束照射透明物質，該被聚焦的光束在透明物質中，於被分散聚焦透鏡所聚焦之光束內產生一光絲，該光絲在透明物質中沿著該縱向光束軸的直線產生一空洞，該光絲以環狀的方式沿著該縱向光束軸而對該透明物質施壓。
  2. 如請求項1中的方法，其中每一雷射脈衝所具有的能量，其範圍介於0.5微焦耳(μJ)到100微焦耳(μJ)。
  3. 如請求項1中的方法，其中該雷射脈衝的光束具有至少一雷射脈衝的猝發，在每一猝發內的雷射脈衝具有一介於1奈秒至10微秒間之時間間距。
  4. 如請求項3中的方法，其中每一猝發含有1至50個雷射脈衝。
  5. 如請求項3中的方法，其中該猝發的重覆頻率為介於1Hz至2MegaHz之間。
  6. 如請求項3中的方法，其中每一猝發所具有之能量介於5微焦耳(μJ)至500微焦耳(μJ)之間。
  7. 如請求項1中的方法，其更具有移動該透明物質與該聚焦的光束之相對位置的步驟。
  8. 如請求項7中的方法，其中該雷射切削將透明物質加以切割。
  9. 如請求項7中的方法，其中該雷射切削將該透明物質加以刻劃。
  10. 如請求項1中的方法，其中該透明物質為一玻璃。
  11. 如請求項1中的方法，其中該透明物質為一半導體。
  12. 如請求項1中的方法，其中該分散的聚焦透鏡為一像差透鏡。
  13. 如請求項1中的方法，其中該主要聚焦位於該透明物質的外部，且至少一次要聚焦是位於透明物質的內部。
  14. 如請求項13中的方法，其中該主要聚焦位於該透明物質的下方。
  15. 如請求項1中的方法，其中該空洞的形成過程中並沒有物質被移出該透明物質之外。
  16. 如請求項1中的方法，其中該空洞的形式為一孔。
  17. 如請求項16中的方法，其中該孔之直徑介於0.5微米(mm)至50微米 (mm)之間。
  18. 如請求項1中的方法，其中該雷射脈衝的光束之波長為1064奈米。
  19. 如請求項1中的方法，其中該空洞之直徑小於該聚焦光束的直徑。
  20. 如請求項1中的方法，其中該光絲之長度大於1毫米。
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