TWI749053B - 藉由雷射剝蝕來生產微機械工件的方法 - Google Patents

藉由雷射剝蝕來生產微機械工件的方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI749053B
TWI749053B TW106129451A TW106129451A TWI749053B TW I749053 B TWI749053 B TW I749053B TW 106129451 A TW106129451 A TW 106129451A TW 106129451 A TW106129451 A TW 106129451A TW I749053 B TWI749053 B TW I749053B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
protective layer
coating fluid
particles
workpiece
layer
Prior art date
Application number
TW106129451A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201815507A (zh
Inventor
麥可 克勞瑟
湯瑪斯 霍歇
Original Assignee
德商應用研究促進協會法蘭霍夫公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 德商應用研究促進協會法蘭霍夫公司 filed Critical 德商應用研究促進協會法蘭霍夫公司
Publication of TW201815507A publication Critical patent/TW201815507A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI749053B publication Critical patent/TWI749053B/zh

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/77—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate
    • H01L21/78—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/009—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a non-absorbing, e.g. transparent, reflective or refractive, layer on the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/361—Removing material for deburring or mechanical trimming
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring
    • B23K26/389—Removing material by boring or cutting by boring of fluid openings, e.g. nozzles, jets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/40—Removing material taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/60—Preliminary treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/224—Anti-weld compositions; Braze stop-off compositions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C23C28/321—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer
    • C23C28/3215—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer at least one MCrAlX layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/50—Assembly of semiconductor devices using processes or apparatus not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326, e.g. sealing of a cap to a base of a container
    • H01L21/56—Encapsulations, e.g. encapsulation layers, coatings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/34—Coated articles, e.g. plated or painted; Surface treated articles
    • B23K2101/35—Surface treated articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • B23K2103/52—Ceramics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • B23K2103/56—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26 semiconducting

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

在一種借助於雷射微機械來生產微機械工件的方法中，將保護層(SS)施加至工件(WS)的表面(OF)，並且借助於穿過保護層的雷射光束(LS)在加工區域中對該表面進行加工。使用塗覆流體來產生保護層(SS)，塗覆流體包括至少部分揮發的載液，金屬的和/或陶瓷的顆粒(PT)分散在載液中。將塗覆流體施加至表面(OF)，以使得至少加工區域被覆蓋有塗覆流體層。將經施加的層乾燥以便減少載液的含量，從而使得形成保護層(SS)，該保護層(SS)本質上由經施加的塗覆流體的顆粒(PT)或者由這些顆粒以及相對於塗覆流體百分比減小的載液組成。借助於雷射光束(LS)來對加工區域進行加工，雷射光束(LS)照射穿過保護層至工件(WS)上。

Description

藉由雷射剝蝕來生產微機械工件的方法
本發明涉及一種借助於雷射剝蝕來生產微機械工件的方法，其中，保護層被施加至工件的表面的加工區域並且借助於雷射光束穿過保護層來對加工區域中的表面進行加工。
雷射微機械中的典型雷射加工任務涉及鑽出極細的孔、切割凹槽、以及在工件上剝蝕側面(flank)。因為雷射光束常常具有高斯(Gaussian)照射輪廓，所以工件表面上的入口邊緣在表面附近通常顯示出抬升部(毛邊)或者傾向於變圓並且排布有黏附到表面的沉積物。此外，入口邊緣通常暴露於強烈的溫度效應。因為剝蝕產物(碎屑)常常無法完全被去除並且會由於高激發剝蝕等離子體而牢固地黏附到表面，所以入口邊緣由於雷射照射與局部黏附的納米級剝蝕產物的光學近場相互作用而常常不是理想地平滑的，而是可能顯示出垂落(curtaining)。
GB 2349106 A公開了在雷射衝擊鑽進期間可以通過將塗覆物施加至工件的包含分散在聚合物基質中的顆粒的表面來避免在工件上沉積剝蝕產物(飛濺物)。例如，聚合物基質可以是矽密封材料，並且顆粒可 以由陶瓷材料或者高熔點材料組成。處於室溫或者在加熱作用下，塗覆物組合物在分佈在表面上之後變硬，在該塗覆物組合物中，聚合物基質和分散在聚合物基質內的顆粒(在該示例中是碳化矽)應該以在重量上近似相同的比例而存在。除了其它要求之外，很好地黏附到表面的聚合物塗覆物應該限制與雷射光束垂直的側向熱擴散，從而使塗覆物中的孔不變得實質上比工件中的孔徑大。在完成雷射加工之後，可以使塗覆物連同剝蝕產物一起從表面分離。
JP H08187588 A描述了一種聚醯亞胺保護膜在被雷射加工處理的工件的表面上的用途。剝蝕產物聚積在保護膜上並且在雷射加工之後可以與保護膜一起被去除。
DE 10 2006 023 940 A1描述了一種由直接雷射剝蝕來使襯底納米結構化的方法。待被照射的表面被塗覆有液體、類膠體或者交聯犧牲層，其對於用於圖案形成的雷射光線是透明的。
DE 101 40 533 B4描述了一種借助於超短脈衝雷射照射對工件進行微機械的方法。在該方法中，將例如由銅組成的單片式犧牲層牢固地施加至工件的表面。接下來，生成穿透犧牲層並且去除工件的材料的超短雷射脈衝。在對工件的材料進行充分剝蝕之後，去除犧牲層。當犧牲層未堅固地化學結合至待加工的工件時，在雷射加工之後，該犧牲層被容易地去除。已經沉積在犧牲層的自由表面上的從工件剝蝕的顆粒連同犧牲層被去除。具有由雷射入口側上的雷射照射而產生的變圓邊緣的邊緣廓形形成在犧牲層中並且與該層一起被去除。這在工件表面與由雷射照射而產生的凹陷或者孔徑之間的過渡區域中產生鋒利的輪廓。
本發明的目的是提供一種上面所描述的類型的方法，與常規方法相比，該方法可以改善在加工區域中由雷射剝蝕而被微機械的工件的品質。
為了實現這個目的，本發明構成具有請求項1的特徵的方法。在附屬請求項中給出有利的改進。所有請求項的措詞通過引用的方式合併到本說明書中。
在該方法中，使用塗覆流體來產生保護層，塗覆流體包含部分或者完全揮發的載液，金屬的和/或陶瓷的顆粒分散在載液中。塗覆流體以一方式被施加至工件的表面，使得至少意圖進行雷射加工的加工區域被覆蓋有塗覆流體層。塗覆流體可以被直接地或者立即地施加至表面或者在具有居間的中間層的情況下被間接地施加。
然後，將經施加的塗覆層乾燥以便減少載液的含量，從而使得形成保護層，該保護層本質上由經施加的塗覆流體的顆粒或者由這些顆粒以及相對於該塗覆流體含量減小的或者剩餘量的該載液組成。然後，借助於(至少)一個雷射光束來對加工區域進行加工，(至少)一個雷射光束照射穿過保護層至工件上。
塗覆流體可以被描述為包含液體分散介質(載液)和固體分散顆粒的可流動分散體。塗覆流體是可流動的物質，可以取決於具體應用來多方面地選擇該可流動的物質的黏度。在這種情況下，具有與水或者乙醇的黏度相似的黏度的墨類型的稀液體塗覆流體同樣適合作為黏性塗覆流體，例如，具有漆、蜂蜜、奶油、或者漿糊的黏度的流體。在該方法中， 載液本質上用作將塗覆流體形狀鎖合地施加或者形貌適合地施加至表面時的助劑以便允許按照期望將顆粒分佈在表面上。
載液應該或多或少是容易揮發的，以便有助於經施加的層的後續乾燥(完全或者部分乾燥)。可以選擇載液以使得揮發組分可以在室溫或者略微升高的溫度時已經蒸發，以便在乾燥階段期間，減少塗覆物中的載液的含量或者增加層中的顆粒含量。為了有助於在施加層之後使載液蒸發，在可能的範圍內，載液應該是非聚合或者低聚合的並且是不可固化或者幾乎不可固化的。這可能的話有助於完成雷射加工後的對層的所期望的後續分離。
載液可以是單組分載液，即，本質上由一個單獨液體組分組成的載液，可選地具有其它物質的雜質。載液也可以由兩個或者多於兩個的組分組成，即，將成為多組分載液。例如，組分中的一個可以是相對容易揮發的組分，例如基於乙醇的組分、諸如丙酮的酮、或者醋酸鹽。另一組分可以是不太容易揮發的或者非揮發的，並且，可選地可以至少部分地保留在保護層中，在保護層中，其促進顆粒的凝聚。
可選地，在沒有任何特定乾燥促進措施的情況下，層可以自動地乾燥。也可以主動地加快乾燥步驟，例如，通過加熱和/或鼓風。以這種方式，可以加快載液的揮發組分的蒸發。
在乾燥步驟期間，將經施加的層乾燥以便減少(揮發)載液的含量，經施加的層可以初始地在本質上保持塗覆流體的黏度。借助於乾燥步驟，可以產生部分乾燥或者幾乎完全乾燥的保護層。部分乾燥的保護層可以至少在一些區域中仍然是濕的並且仍然包含載液的部分，但是其可 流動性被降低到如下的程度，使得該部分乾燥的保護層很好地黏附到表面。在更長時間的乾燥的情況下，保護層可以完全變乾，以使得幾乎沒有載液的揮發組分保持存在於保護層中。
除了其它目的之外，乾燥步驟意圖允許工件連同部分乾燥或者完全乾燥的保護層在需要的情況下傾斜到水平面外，而不導致保護層從表面分離。保護層應該大體上也是足夠乾的，以使得雷射剝蝕的位置在雷射加工期間經受定向強空氣流，而這不導致保護層失去其有效性。
對於材料去除雷射剝蝕，然後借助於雷射光束來對雷射區域進行加工，雷射光束照射穿過部分乾燥或者完全乾燥的保護層至工件上。更較佳地，該雷射光束可以是脈衝雷射光束，脈衝雷射光束例如使用超短脈衝雷射器來產生。
借助於該方法，可以以適形和形狀鎖合的方式來塗覆平滑和不完全平滑的表面兩者，例如，該表面可以具有略微凸出的導體路徑。
可以針對具體應用的條件在廣泛範圍上調節塗覆流體的成分或者配方。在許多具體實例中，使用一種塗覆流體，其中分散在載液中的顆粒主要具有10μm的最大顆粒尺寸。在這種背景下，“主要”更具體地意指至少70%或者至少80%的顆粒應該具有該相對小的尺寸。更較佳地，平均顆粒尺寸可以在個位數的微米範圍內或者低於該範圍。顆粒中的一些或者全部可以具有小於1μm的平均顆粒尺寸。顆粒可以是鱗片狀或者薄片狀的(薄片)，即，其主直徑(major diameter)比其高度大得多的扁平顆粒。例如，直徑的最大值可以是10μm，而高度通常可以遠遠小於1μm或者在幾百納米的範圍內。通常，提供關於顆粒的形式和/或形狀的特定分佈並且 該特定分佈也是有用的以便在部分乾燥或者完全乾燥的保護層中實現相對密實的多微孔或者納米多孔結構。
可以選擇塗覆流體的成分，以使得在完成的(部分乾燥或者完全乾燥的)保護層中的顆粒的填充比率顯著高於保護層體積的50%。此處所使用的術語“填充比率”指的是在單位體積的保護層中的顆粒的總體積與所觀察的單位體積的比率。例如，填充比率可以是60%或者更多或者也可以是至少70%。在許多銀墨中，銀顆粒在膠體長度尺度內，例如，在近似2nm至近似20nm的尺寸範圍內。在這種膠體塗覆流體中，可以實現更高的填充比率，例如，高達90%。通常，保護層具有殘留物孔隙度。此外，載液的殘留物也可以存在於保護層中，以使得顆粒的填充比率通常小於90%。
顆粒的材料可以適用於具體應用。在許多應用中，有利的是，如果使用了主要(例如，達至少80%或者達至少90%)或者僅僅由金屬的顆粒組成的塗覆流體。在塗覆流體中使用金屬的顆粒時，可以可選地產生具有高導熱性的保護層，該保護層通常對熱量管理或者從直接受雷射光束影響的區域排出熱量具有有益效果。另外地，金屬通常具有相對高的剝蝕閾值，以使得裝備有金屬的顆粒的保護層對於例如防止邊緣變圓保持長時間段有效，即使在長期雷射照射下。金屬的顆粒可以未被塗覆或者結有一層，諸如薄的氧化物層或者陶瓷層。金屬的顆粒(經塗覆或者未經塗覆)和陶瓷的顆粒可以在載液內混合或者在由其產生的保護層中混合。因為陶瓷通常具有甚至比金屬更高的剝蝕閾值，所以可以根據需要通過使用陶瓷的顆粒(替代金屬的顆粒或者除了金屬的顆粒之外)來進一步改善在 雷射照射下的保護層的阻抗。
例如，在該方法的背景下，使用經塗覆有或者未經塗覆有銀、金、鋁、銅、鎳和/或另一金屬的顆粒並且可選地(或者另外地)包含陶瓷的顆粒的許多市售金屬墨或者金屬漆作為塗覆流體。
在許多具體實例中，使用傳導性漆作為塗覆流體。術語“傳導性漆”指的是常規情況下主要使用在電子器件中的電傳導漆。導電性由漆基質中含量非常高(高達80%或者更高)的傳導性填充材料產生。單獨顆粒彼此接觸並且因此允許電流的流動。例如，存在基於銀(銀傳導性漆或者傳導性銀)、銅(銅傳導性漆)以及石墨顆粒(石墨傳導性漆)的傳導性漆。結合劑組分可以是包含溶劑的單組分漆或者合成樹脂(單組分或者雙組分)。
因此，本發明的部分方面涉及一種包含金屬的顆粒(更具體地是傳導性銀)的傳導性漆的新的有利用途，傳導性漆在常規情況下用於其它目的，具體地用作用以按照本申請中所描述的方法產生保護層的塗覆流體。
借助於該方法，可以產生高度有效的多功能保護層。在這種情況下，相對低的有效層厚度會是足夠的以便減少或者防止上面所提及的問題。在這種背景下，術語“有效保護層厚度”指的是在雷射加工期間(即，當層至少是部分乾燥的並且相對牢固地黏附到表面時)保護層的層厚度。
基於高斯照射輪廓的假設，有效層厚度應該足夠大，以使得在邊緣不變圓的情況下在工件中創建盡可能平滑的側面。一個重要的標準是使有效雷射光束變鋒利的所意圖的動作。此外，在這種情況下，保護層 應該足夠薄的，以使得雷射光束在有限的時間內穿透至工件表面。在許多具體實例中，保護層被產生為具有小於50μm的有效保護層厚度。根據目前的發現，範圍在5μm到50μm的有效保護層厚度在許多實際情況下表現為是有利的。更具體地，在顯著更小的有效保護層厚度的情況下，可能會發生邊緣變圓部延伸到加工工件的區域中。大得多的層厚度通常表現為是不必要的並且主要會導致沒有對應附加價值的塗覆流體的更大的材料消耗。
然而，例如對於具有高度不利的照射輪廓M2>2(即，環形光束截面)的400W雷射而言完全有可能需要厚得多的層。因此，較佳的有效層厚度也可以大於50μm，例如，在50μm至200μm的範圍內或者更大，例如，1mm或者2mm。
一般而言，在完成雷射加工之後，保護層將會可以保留在表面上。例如，在用於顯微結構診斷的基於雷射的樣品製備中可以是這種情況。然而，保護層然後應該盡可能地是相對薄的，例如，具有在範圍5μm到10μm內的有效層厚度。然而，在許多情況下，在完成雷射加工之後，從表面去除保護層。以這種方式，保留在該保護層上的沉積物(碎屑)可以與該保護層一起被從工件表面去除。
該方法的較佳變化的主要優點在於，如果需要，則在保護工件並且不留下殘留物的同時可以不花很大力氣地就將保護層從工件分離或者去除。在這種情況下，較佳地使用溶劑以便去除保護層，溶劑使保留在保護層中的可選多組分載液的組分溶解。當保護層不需要承受機械力時，保護層的該濕化學去除通常可以以環境溫度執行並且保護工件。
然而，替代濕化學溶劑，也可以使用局部施加的CO2束(有時也稱為“固態CO2射流”)來使保護層分離。在這種情況下，在正從噴嘴排出、借助於壓縮空氣加速至超聲波速度、並且被引導到樣品上時，(液體)CO2減壓。當該CO2束衝擊在保護層上時，該層快速冷卻並且因此變脆。當固態CO2在衝擊在表面上時以體積增大(600倍)的方式蒸發時，顆粒塗覆物大體上爆裂離開表面，以至於幾乎沒有留下殘留物。該情況可以得到進一步促進，因為CO2是對於可以存在於層配方中作為結合劑或者穩定劑的有機化合物而言的強溶劑。
雖然由於施加工藝(施加塗覆流體、使塗覆流體部分或者完全乾燥)保護層通常以沒有間隙的形狀鎖合和平面方式黏附到表面，但是保護層到表面的結合通常不是非常堅固的。出於該原因，在許多情況下，可以容易地分離本身堅固地結合為一整體的保護層。保護層也可以以一方式被配置成使得通超載液的非揮發殘留物而防止單獨顆粒(諸如“薄片”)彼此直接接觸。由此，顆粒之間的結合不需要是任意地堅固的，以便實現可靠的保護層。擇一地由濕化學方法或者借助於另一溶劑施加可以容易地使這種保護層溶解，因為例如溶解掉了顆粒之間的有機組分。
如上面所提及的，保護層不僅可以以僅僅部分乾燥的(可選地是濕的)形式存在而且可以以完全乾燥的形式存在。關於隨後能夠容易地分離保護層，方法變化會是有利的，在該方法變化中，在經塗覆層的乾燥階段期間，在保護層仍然包含一些載液所處的時間窗內，執行雷射加工。沒有完全乾燥而是濕的這種層通常可以例如由濕化學方法相對容易地從工件表面去除，而沒有留下任何殘留物。
可以將塗覆物施加在整個工件表面之上，並且因此也利用保護層覆蓋工件表面的隨後將借助於雷射光束而被加工的區域。例如，可以通過絲網印製、刮除、高壓霧化、旋轉塗覆、浸漬塗覆、移印等來執行全表面和結構化施加。
然而，在施加塗覆流體時，該方法也提供了如下可能性：僅僅在包括加工區域的塗覆區域中以限制在局部上的方式將塗覆流體施加至表面。例如，塗覆區域可以被配置成是圓的、橢圓形的、或者近似多邊形的或者呈條帶的形式。其可以被置於對稱地或者不對稱地分佈在加工位置周圍。該局部施加意味著：在塗覆區域的外部，表面保持未塗覆或者不具有保護層。關於塗覆區域的以後的擴展，可以注意到的是，為了保持表面乾淨，僅僅可靠地覆蓋剝蝕產物(碎屑顆粒)的最大飛行半徑就足夠了。以發明人的經驗，在相應加工區域周圍的幾微米內側向，施以對於邊緣變圓並且關於熱量管理是重要的這些效果，然而，即使在不利的情況下，剝蝕顆粒也可以飛行幾百微米或者幾微米的距離。關於這些條件，例如，塗覆區域可以大到使得它們在加工結構周圍覆蓋了2mm至5mm的最大範圍，並且可選地覆蓋了甚至更大的範圍。如果僅僅以限制在局部上的方式來施加塗覆流體或者保護層，則可以以相當大的程度節省塗覆流體，這不僅對方法的成本而且從速度和環境的角度來看都是有利的。
如果將以限定的方式來在局部上施加保護層，則體積法尤其表現為適合於塗覆流體的施加，例如，使用配量閥(諸如噴射閥或者活塞和心軸閥)或者使用噴淋閥的體積法。可選地，借助於連續式噴墨(按需滴注)方法，可以借助於靜電偏轉器以定向方式將塗覆流體的各個液滴施 加至目的地區域(塗覆區域)。替代地，可以執行使用對應塗覆流體配方的噴淋或者凹版印製，其中，可選地由掩膜將層限制到所指定的區域(塗覆區域)。
在許多情況下，將塗覆流體直接施加至工件的表面，以使得完成的保護層直接地黏附到工件。然而，在施加塗覆流體之前，也可以將中間層施加至表面並且然後將塗覆流體施加至中間層。以這種方式，保護層變成多層(更具體地是雙層保護層系統)的部分。例如，中間層可以用作黏附促進層。替代地或者另外地，也可以選擇中間層的材料，以使得在可能的範圍內，在完成雷射加工之後，可以執行保護層和載有該保護層的中間層的無殘留去除。
借助於該方法，可以通過使用多功能保護層關於一個或者多個目標來優化雷射微機械的品質。保護層的作用可以在於至少三個方面。第一，通過使用可以在加工之後被去除而沒有留下任何殘留物的塗覆物，可以十分有效地防止碎屑黏附在加工位置的區域中。第二，通過施加足夠厚的保護層，可以將邊緣變圓部轉移到保護層中，從而導致具有非常直的且“沒有毛邊”的側面的工件。第三，保護層可以有利於緊隨著雷射加工的熱量管理，例如，通過改善的散熱性。這使得可以有效地保護靠近表面定位的工件的敏感表面免受由於伴隨雷射加工而產生的緊鄰邊緣的熱量生成而發生損壞。
BB:加工區域
DEB:碎屑
DS:噴嘴
FL:側面
KT:邊緣區域
LO:有限孔
LS:雷射光束
OF:表面
PT:顆粒
SD:有效層厚度
SF:塗覆流體
SS:保護層
SSF:保護塗覆流體層
TF:載液
WS:工件
ZS:中間層
本發明的進一步的優點和方面存在於請求項書中和對本發明的較佳具體實例的下面的描述中，下面參照附圖對其進行闡釋： 圖1示出了在表面附近的穿過工件的截面，在該截面中，將借助於雷射微機械來生產孔，其中，以限制在局部上的方式將包含顆粒的塗覆流體層施加至表面；圖2示出了從塗覆流體層產生經乾燥的保護層的乾燥步驟的示意圖；圖3示出了加工步驟，在該加工步驟中，雷射光束照射穿過保護層至工件上；圖4示出了在完成雷射加工之後去除保護層的濕化學清洗步驟；圖5示出了在將傳導性銀層乾燥並且借助於聚焦Ga+離子束打出凹穴之後覆蓋有傳導性銀層的工件的掃描電子顯微鏡圖像；圖6示出了具有相同的加工結構的區域的四幅掃描電子顯微鏡圖像，在不同環境壓力條件下進行雷射加工之後該區域不受保護層保護；圖7示出了半導體樣品的SEM圖像，在去除保護層以及去除從該保護層去除的剝蝕產物之後，使用傳導性銀保護層來對半導體樣品進行雷射加工和結構化；圖8示出了與經雷射加工的側面垂直的FIB截面的SEM圖像；圖9示出了將保護層施加至具有居間的不含顆粒中間層的工件的具體實例；以及圖10示出了借助於CO2束從工件表面對保護層進行去除。
在下文中，呈現了用於借助於雷射剝蝕來生產微機械工件的方法的具體實例。例如，待加工的工件可以是用於顯微結構診斷的樣品，其可以使用該方法以高品質來製備。該方法也可以被用於雷射加工顯示器 或者被用於加工細的孔徑，例如，在射出噴嘴中。在該方法中，將保護層直接地或者間接地施加至相應工件的表面，並且借助於照射穿過保護層的雷射光束在加工區域中對該表面進行加工。
首先，參照圖1至圖4闡釋本發明的具體實例的幾個重要的部分方面。圖1示出了在工件WS的表面OF附近穿過工件WS的示意截面，在該截面中，將借助於材料剝蝕雷射微機械來產生具有垂直於工件表面延伸的側面FL的邊緣鋒利的有限孔LO。在仍完好無損的工件中將示意地示出的孔示出為虛線，該示意地示出的孔例如可以至少在其表面處具有圓形或者多邊形截面。出於清楚等的目的，附圖中的側面與表面垂直，並且它們中的大多數與表面呈傾斜角。在該示例中，工件的表面OF(也被稱為工件表面)在孔位置周圍的加工區域MA中是平滑的，但是其或多或少也可以被有力地結構化。
在該方法中，使用塗覆流體SF來形成待產生的保護層，塗覆流體SF包含至少部分揮發的載液TF，在載液TF中分散有金屬的和/或陶瓷的顆粒PT；在圖1的示例中，塗覆流體以一方式直接地施加至工件的表面OF，使得至少孔的所期望位置周圍的加工區域BB被覆蓋有保護塗覆流體層SSF。在該示例中，以限制在局部上的方式來施加塗覆流體，使得僅僅孔周圍的加工區域得到覆蓋，而同時工件的定位在該區域外部的部分保持未被覆蓋。
在施加塗覆流體的步驟之後是參照圖2示意地闡釋的乾燥步驟。在乾燥步驟期間，使塗覆流體的經施加的保護塗覆流體層SSF乾燥以便減少載液含量，從而使得從塗覆流體來形成一種保護層SS，其本質上 僅僅由經施加的塗覆流體SF的顆粒PT的相對密實的組合物來組成或者由這些顆粒和含量相對於塗覆流體大幅度減小的載液組成。
在施加時，可以將顆粒包含在多組分載液中。在載液的揮發組分的蒸發期間(可選地，通過加熱經塗覆的區域而被促進，例如，通過在烘箱中進行退火、紅外線照射等)，載液的非揮發組分保留為顆粒之間的殘留物。一方面，非揮發組分可以維持顆粒之間的接觸或者促進部分多孔保護層的凝聚，並且另一方面，非揮發組分還借助於作用在載液的剩餘組分上之方法來確保可再分離性，例如以便使它們化學溶解。
基於載液的揮發組分的蒸發，顆粒逐漸變得彼此緊密接觸並且形成相對牢固地黏附到表面OF的保護層SS，保護層SS具有有效層厚度SD，有效層厚度SD顯著小於先前經施加的塗覆流體的厚度。在乾燥階段期間，塗覆物的濕度不斷降低，可選地直到保護層SS完全乾燥為止。然而，載液的高度揮發的或者非揮發的組分也可以保留在保護層中。不管怎樣，在開始雷射加工之前，乾燥應該已經進展到足夠的程度，以使得差不多乾的保護層保持黏附到工件表面，即使當該表面傾斜到水平面外時。
圖3是加工步驟的示意圖，在該加工步驟中，借助於雷射光束LS來對加工區域進行加工，雷射光束LS照射穿過保護層SS至工件上並且繼續更深地穿透到該工件中以便產生孔LO。可以使用圖3以清楚的方式來闡釋微機械中出現的一些問題。
一個實質性問題是所謂的邊緣損壞或者邊緣變圓，該問題本質上源自雷射光束LS的高斯強度分佈。該強度分佈導致在雷射光束的截面之上的非均勻的剝蝕特性並且幾乎不可避免地發生在雷射光束在目標位置 上的“行進”期間。這導致孔在表面附近擴大，這通常是不期望的。在許多實際應用的情況下，尤其是在IC技術領域中(即，在集成半導體部件的雷射加工領域中)，待製備的目標位置定位在工件表面附近，出於該原因，時常通過相對於目標位置維持更大的安全距離來防止邊緣在雷射加工時變圓。然而，這會導致對於借助於聚焦離子束(FIB)進行最終拋光而言的更長的加工時間，這會顯著降低組合式雷射-FIB工藝的效率。
如在圖3中可以清楚地看到的，經雷射加工的邊緣發生變圓的問題總體上沒有通過施加保護層而得到解決。然而，沿豎直方向將變圓部轉移到保護層SS中，使得邊緣變圓部形成在由雷射光束來在保護層SS內產生的孔的入口側上。然而，在工件的表面OF與孔的側面FL之間的過渡區域中的特別關鍵的邊緣區域KT中，鋒利的、大部分完好的過渡形成在工件表面與剝蝕邊緣或者側面之間。
顯然很明顯的是，應該選擇保護層SS的有效層厚度，以使得邊緣變圓部的區域僅僅位於保護層內，從而工件邊緣保持整齊。待施加的保護層的厚度與照射輪廓(特別是光斑直徑)成指定比率。待實現的保護層的層厚度本質上可以通過考慮粉末密度和所使用的雷射源的光斑輪廓(M2值)來確定。在適用的情況下，這在技術上受限於應用的類型或者定位在層系統中的金屬的顆粒的尺寸。保護層的所需要的有效層厚度大體上受到襯底和保護層的取決於積分通量、取決於波長、以及取決於脈衝的剝蝕閾值的比率的影響。這在設計用於產生保護層的工藝時會被考慮。
第二個問題是雷射加工的剝蝕產物(碎屑)黏附到經雷射加工的表面。碎屑DEB的黏附可以被視為在雷射加工期間沒有充分去除經剝 蝕的工件材料的結果。雖然在許多雷射設備中是借助於專用的吹進和吸出系統(blowing-in and suctioning-out system)在機器側上促進碎屑的排出的，但是實際上無法完全避免工件的直接(direct)表面的污染物，因為附接與其說是由於黏附還不如說是由於剝蝕顆粒的“烘烤(baking on)”。因為剝蝕顆粒在它們被去除期間進一步受到雷射照射從而導致後加熱效應，所以在借助於時間要長一些的超短脈衝雷射(具有多於幾皮秒的脈衝持續時間)進行加工時情況也是如此。如在圖3中可以看到的，因為在加工區域中受到保護層保護的剝蝕產物無法沉積在工件表面上，而是僅可以沉積在保護層SS上並且結合至保護層SS，所以通過存在保護層SS來防止剝蝕產物或者碎屑DEB重新沉積在表面OF上。然後，可以連同保護層SS去除剝蝕產物，較佳地，不留下任何殘留物(參照圖4)。
如果材料(諸如導熱不良的藍寶石)被加工，則這可以導致雷射加工期間的熱量積聚以及在經雷射加工的區域附近的不可控的有時是大範圍的損壞。在具有高導熱性的保護層SS(例如，金屬保護層)的情況下，促進熱量沿側向方向(即，本質上平行於表面)的排出，從而可以減少由熱量積聚而導致的問題。
雖然在某些情況下保護層連同沉積在該保護層上的剝蝕顆粒將會可以保留在工件上，但是通常在理想情況下較佳地是對保護層進行無殘留分離。圖4示意地示出了借助於濕化學溶劑來去除保護層和沉積在該保護層上的碎屑DEB的方法步驟的變化，濕化學溶劑使保護層中的載液的可溶殘留物組分部分溶解，從而分解保護層中的顆粒的凝聚並且可以從表面OF沖洗顆粒PT和碎屑DEB，而不留下任何殘留物。根據需要，可以 通過超聲波的作用來支持該清洗工藝。替代地，也可以例如借助於固態CO2射流清洗來執行保護層的分離(參照圖10)。
對於上述問題的特別理想的解決方案被認為是應用可印製漆(lacquer)系統，可以使用納米膠體金屬的顆粒或者納米尺寸的金屬的或者陶瓷的薄片在不留下任何殘留物的情況下去除該可列印漆系統。由於它們有利的導電性和導熱性，可以考慮具有銀、金、鋁、銅或鎳的顆粒或者其組合的市售金屬墨或者金屬漆，其可選地與相對小的陶瓷的顆粒結合。
在下面更詳細地闡釋的具體實例中，使用來自Ted Pella有限公司的商用含銀傳導性漆(“傳導性銀”)。測量結果顯示：本質上由銀組成的近似80%的片狀顆粒具有小於1μm的尺寸。該塗覆流體包含基於乙醇的揮發載液。適合作為傳導性流體的其它市售傳導性漆是基於酮(諸如甲基異丁基酮)的或者基於醋酸鹽的。
針對實驗室規模的應用，例如，可以使用刷子將塗覆流體施加至有問題的工作區域。針對較大件數和/或大規模生產，也可以在印製工藝中借助於體積法(volumetric method)將這種流體以限制在局部上的方式施加至工件表面。可以通過浸泡在丙酮或者乙醇中來從工件表面去除測試用的基於銀的傳導性漆而不留下殘留物，可選地由超聲波支援。
使用含銀傳導性漆的一個優點是，銀可以在不出問題的情況下以可用顆粒尺寸(通常小於10μm)按照工業規模來製造並且銀自身示出了有利的導熱性。然而，也可以在球磨機中將其它金屬(諸如鋁或者黃銅)處理成對應的薄片。金屬薄片(即，小尺寸薄片狀金屬的顆粒)也廣泛用作用以提供閃爍和著色效果的使用在漆中的特殊效果顏料的襯底。為了提 供著色，這種薄片塗覆有納米級干擾層。也可以使用包含這種顆粒的塗覆流體。
在一系列實驗中，使用刷子將一厚度的傳導性銀施加至待加工的加工區域，以使得在載液的揮發組分蒸發之後使得到的保護層SS具有近似4至20μm的有效保護層厚度SD。圖5示出了在將傳導性銀層乾燥之後覆蓋有傳導性銀保護層的工件的掃描電子顯微鏡圖像。為了更清楚地示出工件的保護區域和過渡區域的內部結構，使用聚焦鎵離子束來產生矩形凹穴(相對於離子束的大的材料體積的剝蝕)。
可以看到的是，保護層SS本質上由在塗覆物內彼此直接接觸的小的、主要是板形或者薄片形的顆粒PT組成，以使得塗覆物作為一個整體一致地表現出導電性和有利的導熱性。由於顆粒的薄片狀結構，保護層具有鱗片狀表面。在顯微鏡下，可以在彼此物理接觸的顆粒之間看到小的或者甚至納米級的微孔。在乾燥步驟期間在載液的揮發組分蒸發期間已經形成微孔。保護層內的顆粒的填充比率(即，單位體積的保護層中的顆粒的總體積與所觀察的單位體積的比率)通常為近似60%至80%，以使得微孔百分比為約20至40%。
在雷射加工中，該薄的、主要是金屬的保護層以相對高的剝蝕閾值為特徵，其中，該剝蝕閾值可以與工件的位於下面的固體材料(半導體材料)的剝蝕閾值相似。以這種方式，關於雷射加工中的材料剝蝕，多微孔保護層的作用與位於下面的固體工件材料相似，並且，更具體地(與相同厚度的純有機塗覆物相比)，多微孔保護層不以快得多的速率而被剝蝕。
相比之下，在保護層與位於下面的工件材料之間的過渡區域中，由雷射加工而暴露的側面幾乎垂直於工件表面而延伸。在將保護層分離之後，這在側面與表面之間的過渡區域中留下了邊緣鋒利的過渡。
由於保護層的存在，所以在雷射加工期間，雷射加工中生成的剝蝕產物無法沉積在工件的表面上，而是至多沉積在保護層的粗糙表面上。然後，雷射加工中生成的剝蝕產物與該層一起被去除。
關於將碎屑沉積在工件表面上的問題，保護層應該至少覆蓋加工位置周圍的區域，在雷射加工期間，剝蝕產物可以到達該加工位置。顆粒的平均自由路徑長度或者平均飛行距離在相當大的程度上取決於環境壓力。在真空條件下進行加工時，微粒物甚至可以飛行數十釐米。然而，出於實際原因，通常避免在真空條件下進行雷射微機械。然而，在對待被保護層覆蓋的區域的合適尺寸的設計中可以利用對平均飛行距離的觀察。
作為在其它方面均相同的條件下平均飛行距離如何除了其它因素之外取決於環境壓力的示例，圖6示出了在不同的環境壓力條件下進行雷射加工之後加工結構周圍的區域的四幅掃描電子顯微圖像。在左上角處示出了以標準壓力(近似1000mbar)進行加工之後的狀態。在經加工的結構周圍的相對小的區域中存在高密度的沉積顆粒。在右上角處示出了以100mbar進行加工之後的可比較的情況。在這種情況下，無法看到對平均飛行距離產生的強效果。如處於標準壓力的情況那樣，顆粒主要分散在加工位置周圍小於1mm的區域中。在左下角處示出了以10mbar環境壓力進行加工之後的狀態。在加工位置周圍的相對大的圍繞區域之上存在相對均勻的分佈，並且顆粒的密度看起來在緊鄰加工位置時是稍微更大的。以1 mbar的強負壓進行加工時(右下角)，人們可以看到剝蝕產物在甚至更大的區域或者甚至更大的半徑之上的更均勻的分佈。
可以從這種實驗來估計調整環境壓力可以如何影響剝蝕產物在加工位置周圍的空間分佈。例如，人們也可以可選地以超壓操作以便減小飛行距離。例如，可以用如下方式來執行加工工藝：設定環境壓力以使得主要允許碎屑顆粒落在距離加工位置最大為2至5mm的位置處。在加工位置周圍進行局部塗覆時，可以選擇尺寸相對大的經塗覆區域。可以保持明顯超過平均飛行距離的區域未被塗覆。
根據所要求的發明的具體實例的一個極大的優點在於，通過使用形成保護層的塗覆流體，不僅可以可靠地保護平坦表面，而且還可以可靠地保護不平坦的工件表面，即，具有結構化表面的工件表面(諸如存在於例如功能半導體部件中的表面)。保護層也可以以形狀鎖合和形貌適合的方式來適應這種結構。為了示出該內容，圖7示出了半導體樣品的SEM圖像，在去除保護層以及連同該層一起被去除的剝蝕產物之後，使用傳導性銀保護層來對該半導體樣品進行雷射加工和結構化。可以看到的是，在去除保護層之後再次暴露的工件的表面OF顯示出呈彼此平行的珠或者線的形式的結構。
從圖8中的擴大的詳細視圖可以看到的是，加工殘留物不再保留在結構化工件表面上，並且工件的可能已經受到雷射照射的影響的任何區域僅僅具有較小的尺寸。
可以看到的是，在施加和雷射微機械之後，可以去除包含金屬薄片的保護層而不留下任何殘留物。也可以看到的是，因為有利接觸和 其高導熱性，可以認為金屬的顆粒層對加工位置的熱量管理起著重要作用。例如，這有可能是這樣：在用皮秒雷射進行加工時，即使在相對厚的異質系統中，熱效應區通常也不超過2μm。也可以看到的是，在將金屬的顆粒層(保護層)分離之後，不會在與加工側面相鄰的表面上看到碎屑。也不可能在切割邊緣上看到任何毛邊。
可能存在難以同時並在相同程度上充分滿足多個優化需求的情況，例如，關於防止邊緣變圓、防止自由工件表面上的沉積物、以及熱量管理。如果適用，則必須尋求如下兩方面之間的折衷：一方面在於保護層中裝填金屬的顆粒的可能的最大密度(出於諸如最大導熱性的原因)，而另一方面在於為了獲得非金屬組分(諸如結合劑和穩定劑)的有利溶解性的塗覆物的最大可能的多孔度。鑒於這些矛盾的要求，會是有利的是，根據方法的變化來進行，其中，塗覆流體未被直接施加至待被保護的工件表面，而是被施加有居間的中間層，在將塗覆流體施加至中間層的自由表面之前，將該中間層施加至工件表面。
在這一點上，圖9示出了穿過工件表面的示意截面，首先將可選地不含顆粒的中間層ZS施加至該工件表面，在此之後，將實際包含顆粒的保護層SS施加至該中間層。例如，可以以一方式來選擇中間層ZS的材料，使得可以容易地對整個保護層系統(保護層SS加上中間層ZS)執行濕化學的或者基於CO2束的分離。與將保護層直接施加至工件的表面相比較，在這種情況下，包含顆粒的保護層SS沉積在自身能夠分離的膜(即中間層)上。這就免除了對實際顆粒層(保護層)的可分離性的需要，當分離中間層時，可選地以平面方式(作為一個一致的整體)來去除該實際 顆粒層(保護層)連同沉積在其上的碎屑。此處，通過包含顆粒的保護層SS來保護中間層免於直接暴露於雷射。因此，除了其它原因之外，中間層ZS不必要包含金屬的顆粒和/或陶瓷的顆粒(例如，由TiO2組成)。然而，金屬的顆粒和/或陶瓷的顆粒(例如，由TiO2組成)可以被提供。
對於具有單獨層(即，直接施加至工件的表面的保護層)的變化，所規定的要求包括如下內容：保護層在雷射加工中應該具有足夠高的剝蝕閾值並且應該能夠被施加有足夠的厚度。層應該較佳地顯示出與表面的有利的可分離性和高導熱性。由於其結構，如果適用，則保護層可以在一定限度內補償熱機械應力。
在保護層與工件表面層之間具有中間層的變化中，應該注意確保不存在因為雷射耦合而焚燒中間層材料的情況以及中間層材料能夠施加有足夠的厚度。中間層可以不含顆粒或者可選地與陶瓷的顆粒混合以便促進工件表面與包含金屬的顆粒的保護層的熱解耦(thermal decoupling)。中間層也可以起到熱機械適應層的功能以便補償工件與保護層之間所誘發的熱機械應力。
存在將保護層或者具有保護層和中間層的組合的保護層系統施加至工件的各種可能性。借助於可以以可再產生的方式施加保護層/保護層系統之技術，該技術不僅取決於塗覆流體的配方，而且取決於有問題的具體應用。
在應用於隔離技術(諸如IC隔離和展示封裝)的領域中的情況下，表現為最有利的是，以非結構化的方式將保護層施加至待隔離的結構(諸如半導體晶片)的整個表面。為了這個目的，合適的方法包括絲 網印製(screen printing)、刮除(doctoring)、高壓霧化、旋轉塗覆、浸漬塗覆、移印(pad printing)等。
如果將以限定的限制在局部上的方式來施加保護層以使得也將會保留未塗覆區域，則此處最合適的方法主要表現為使用配量閥(諸如噴射閥、活塞閥、以及心軸閥)或者噴淋閥的體積法。借助於連續式噴墨(按需滴注)方法，也可以使用靜電偏轉器以定向方式將各個液滴施加至目標位置。替代地，可以執行對應塗覆流體配方的噴淋(spraying)或者凹版印製(gravure printing)，其中，可選地使用掩膜將塗覆物限制到所指定的區域。例如，在過程測試的背景下或者在製備用於微結構診斷的樣品時對塗覆流體進行限制在局部上的施加會是有利的。
在大多數具體應用中，在雷射加工之後，應該從工件去除保護層而不留下任何殘留物。更具體地，兩種方法表現出適合於這個目的。如果具有某種化學溶解性的載液的組分的結合劑和穩定劑存在於基於顆粒的保護層中，則可以通過用合適的溶劑進行沖洗來在大表面之上去除保護層(參照圖4)。在一些情況下，該工藝可以得到機械支援(諸如通過刷洗)或者由超聲波來支持。
替代地，可以使用固態CO2射流從表面在局部上去除保護層或者保護層系統(參照圖10)。在這種情況下，在正從噴嘴DS排出、借助於壓縮空氣加速至超聲波速度、並且被引導至設置有保護層SS的工件WS上時，(液體)CO2減壓。當(液體)CO2衝擊在保護層上時，該層快速冷卻並且變脆。當固態CO2在衝擊於表面上時以體積膨脹的方式蒸發時，顆粒塗覆物大體上爆裂離開工件的表面，從而幾乎沒有留下殘留物。 該情況得到進一步促進，因為CO2是對於可以存在於層配方中作為結合劑或者穩定劑的有機化合物而言的強溶劑。成功的實驗是利用位於德國迪琴根的公司acp-advanced clean production GmbH的用於固態CO2束清洗的系統來實施的。
技術上，用於例如使用連續式噴墨或者配量閥來施加層的裝置(即，用於在工件上產生保護層的塗覆系統)可以被實施在具有工具移動系統的雷射微機械單元中。除了雷射加工位置之外，這種單元也可以具有觀察位置，其中，較佳地可以利用偏移量的知識以高精度(例如，具有小於1至2μm的重複精度)在位置之間來回切換。另外地，可以提供另一塗覆位置(更具體地，以印製位置的形式)，其中，可以以相同的精度執行塗覆流體的施加以產生保護層。按照需要，可以借助於多次印製和/或選擇較大微滴來產生更厚的層。
針對大表面塗覆物的邊界情況，會是有利的是，首先以單獨的特定系統來塗覆工件(諸如晶片)，並且然後將工件分批或者連續地轉移至雷射加工系統。也較佳地以單獨系統或者單獨處理步驟來執行保護層的去除。
本發明允許顯著提高精密部件(諸如射出噴嘴或者顯示器中的孔徑)的基於雷射的生產品質或者用於微結構診斷的樣品的生產品質。借助於本發明，與現有技術相比，可以改善行進行為、入口幾何形狀、具有剝蝕產物的污染物、以及在加工工件上的熱應力。
DEB‧‧‧碎屑
FL‧‧‧側面
KT‧‧‧邊緣區域
LO‧‧‧有限孔
LS‧‧‧雷射光束
OF‧‧‧表面
PT‧‧‧顆粒
SS‧‧‧保護層
WS‧‧‧工件

Claims (15)

  1. 一種藉由雷射微機械來生產微機械工件的方法，其中，將保護層(SS)施加至該工件(WS)的表面(OF)，並且借助於穿過該保護層的雷射光束(LS)在加工區域中對該表面進行加工，其特徵在於，使用塗覆流體(SF)來產生該保護層(SS)，該塗覆流體(SF)包含至少部分揮發的載液(TF)，金屬的顆粒(PT)分散在該載液(TF)中；將該塗覆流體(SF)施加至該表面(OF)，以使得至少加工區域(MA)被覆蓋有保護塗覆流體層(SSF)；將經施加的塗覆流體乾燥以便減少該部分揮發的載液(TF)的含量，從而使得形成保護層(SS)，該保護層(SS)本質上由經施加的塗覆流體的金屬的顆粒(PT)來構成、或者由這些金屬的顆粒以及含量相對於該塗覆流體減少的該部分揮發的載液來構成；以及借助於雷射光束(LS)來執行對該加工區域的加工，該雷射光束(LS)照射穿過該保護層至該工件(WS)上。
  2. 根據請求項1的方法，其中，使用塗覆流體，在該塗覆流體中，該金屬的顆粒主要具有10μm的最大顆粒尺寸。
  3. 根據請求項1或2的方法，其中，在完成的保護層(SS)中的金屬的顆粒(PT)的填充比率超過該保護層體積的50%，其中，該填充比率較佳地大於60%。
  4. 根據請求項1或2的方法，其中， 使用一種塗覆流體(SF)，其主要或者僅僅包含金屬的顆粒(PT)。
  5. 根據請求項1或2的方法，其中，傳導性漆被用作該塗覆流體(SF)，該傳導性漆更具體地是傳導性銀。
  6. 根據請求項1或2的方法，其中，該保護層被產生成具有小於50μm的有效保護層厚度(SD)。
  7. 根據請求項1或2的方法，其中，在完成該雷射加工之後從該表面(OF)去除該保護層(SS)。
  8. 根據請求項7的方法，其中，為了去除該保護層(SS)，使用一種溶劑，其使保留在該保護層中的載液的非揮發或者難揮發的組分溶解，或者為了去除該保護層(SS)，使用被引導至該保護層上的CO2束。
  9. 根據請求項1或2的方法，其中，在該塗覆物的乾燥階段期間，在該保護層(SS)仍然包含一些載液所處的時間窗內，執行該雷射加工。
  10. 根據請求項1或2的方法，其中，在施加該塗覆流體(SF)時，將該塗覆流體以限制在局部上的方式施加至該表面(OF)上、包含該加工區域(MA)的塗覆區域，其中，該表面(OF)在該塗覆區域的外部保持未塗覆。
  11. 根據請求項10的方法，其中，通過調節環境壓力來影響剝蝕產物在加工位置周圍的空間分佈，其中，較佳地，將環境壓力設定成導致該剝蝕產物主要落在距離該加工位置最大距離為2至5mm內的位置處。
  12. 根據請求項1或2的方法，其中，在施加該塗覆流體時，借助於體積法來施加該塗覆流體。
  13. 一種藉由雷射微機械來生產微機械工件的方法，其中，將保護層(SS)施加至該工件(WS)的表面(OF)，並且借助於穿過該保護層的雷射光束(LS)在加工區域中對該表面進行加工，其特徵在於，使用塗覆流體(SF)來產生該保護層(SS)，該塗覆流體(SF)包含至少部分揮發的載液(TF)，金屬的顆粒(PT)分散在該載液(TF)中；將中間層(ZS)施加至該表面(OF)，將該塗覆流體施加至該中間層，以使得至少加工區域(MA)被覆蓋有保護塗覆流體層(SSF)；以及將經施加的塗覆流體乾燥以便減少部分揮發的載液(TF)的含量，從而使得形成保護層(SS)，該保護層(SS)本質上由經施加的塗覆流體的金屬的顆粒(PT)來構成、或者由這些金屬的顆粒以及含量相對於該塗覆流體減少的該部分揮發的載液來構成。
  14. 一種藉由雷射微機械來生產微機械工件的方法，其中，將保護層(SS)施加至該工件(WS)的表面(OF)，並且借助於穿過該保護層的雷射光束(LS)在加工區域中對該表面進行加工，其特徵在於，使用塗覆流體(SF)來產生該保護層(SS)，該塗覆流體(SF)包含至少部分揮發的載液(TF)，金屬的顆粒(PT)分散在該載液(TF)中；將該塗覆流體(SF)施加至該表面(OF)，以使得至少加工區域(MA)被覆蓋有保護塗覆流體層(SSF)； 將經施加的塗覆流體乾燥以便減少部分揮發的載液(TF)的含量，從而使得形成保護層(SS)，該保護層(SS)本質上由經施加的塗覆流體的金屬的顆粒(PT)來構成、或者由這些金屬的顆粒以及含量相對於該塗覆流體減少的該部分揮發的載液來構成；借助於雷射光束(LS)來執行對該加工區域的加工，該雷射光束(LS)照射穿過該保護層至該工件(WS)上，其中使用傳導性漆作為塗覆流體(SF)，該傳導性漆展現由漆基質中高含量的傳導性填充材料產生的導電性，而單獨金屬的顆粒彼此接觸並且因此允許電流的流動。
  15. 一種包含金屬顆粒(更具體地是傳導性銀)之傳導性漆的用途，該傳導性漆作為塗覆流體，以按照根據請求項1至14中的任一項的方法來產生保護層。
TW106129451A 2016-09-19 2017-08-30 藉由雷射剝蝕來生產微機械工件的方法 TWI749053B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16189398.7 2016-09-19
EP16189398.7A EP3296054B1 (de) 2016-09-19 2016-09-19 Verfahren zur herstellung eines mikrobearbeiteten werkstücks mittels laserabtrag
??16189398.7 2016-09-19

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201815507A TW201815507A (zh) 2018-05-01
TWI749053B true TWI749053B (zh) 2021-12-11

Family

ID=57121017

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW106129451A TWI749053B (zh) 2016-09-19 2017-08-30 藉由雷射剝蝕來生產微機械工件的方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20180079030A1 (zh)
EP (1) EP3296054B1 (zh)
JP (1) JP7078366B2 (zh)
KR (1) KR102470523B1 (zh)
CN (1) CN107838552A (zh)
TW (1) TWI749053B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109909624B (zh) * 2019-03-14 2021-05-11 苏州福唐智能科技有限公司 一种半导体工件激光切割方法
CN110860785A (zh) * 2019-11-21 2020-03-06 中国航空制造技术研究院 一种用于超快激光去除加工的边缘防护方法
CN111318860B (zh) * 2020-03-27 2021-12-31 华中科技大学 一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料加工方法及装置
JP7320889B2 (ja) * 2021-02-26 2023-08-04 国立大学法人 名古屋工業大学 レーザ加工方法
US20220305584A1 (en) * 2021-03-24 2022-09-29 Fei Company In-situ laser redeposition reduction by a controlled gas flow and a system for reducing contamination
CN114351960B (zh) * 2021-12-20 2023-09-22 广东博智林机器人有限公司 一种施工方法和墙面施工系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4322601A (en) * 1978-08-14 1982-03-30 Serlin Richard A Surface alloying method and apparatus using high energy beam
EP1811055A1 (de) * 2006-01-20 2007-07-25 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit Löchern
CN101448604A (zh) * 2006-05-20 2009-06-03 住友电气工业株式会社 其中形成有通孔的物体以及激光加工方法
US20130122687A1 (en) * 2011-11-16 2013-05-16 Applied Materials, Inc. Laser scribing systems, apparatus, and methods
CN103796946A (zh) * 2011-07-01 2014-05-14 阿托斯塔特公司 用于生产均匀尺寸的纳米颗粒的方法和设备
US20150165563A1 (en) * 2013-12-17 2015-06-18 Corning Incorporated Stacked transparent material cutting with ultrafast laser beam optics, disruptive layers and other layers
TWI541881B (zh) * 2011-06-15 2016-07-11 應用材料股份有限公司 藉由雷射與電漿蝕刻之基板切割所用的水溶性遮罩

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3533145A1 (de) * 1985-09-17 1987-04-23 Mankiewicz Gebr & Co Verfahren zur schweissnahtkontrolle und/oder -fuehrung beim lichtbogenschweissen und ein dabei eingesetzter lack
US5293025A (en) * 1991-08-01 1994-03-08 E. I. Du Pont De Nemours And Company Method for forming vias in multilayer circuits
JPH08187588A (ja) 1995-01-06 1996-07-23 Sumitomo Heavy Ind Ltd レーザ加工方法
DE19536312C1 (de) * 1995-09-29 1996-05-09 Mtu Muenchen Gmbh Verfahren zur Herstellung eines mehrlagig beschichteten Bauteils mit Bohrungen
JP4078715B2 (ja) * 1998-06-02 2008-04-23 三菱瓦斯化学株式会社 信頼性に優れたビア孔の形成方法
GB2349106A (en) 1999-04-17 2000-10-25 Rolls Royce Plc Laser drilling
US6107598A (en) 1999-08-10 2000-08-22 Chromalloy Gas Turbine Corporation Maskant for use during laser welding or drilling
DE10140533B4 (de) 2001-08-17 2005-04-28 Siemens Ag Verfahren zur Mikrobearbeitung eines Werkstücks mit Laserstrahlung
DE102006023940B4 (de) 2006-05-19 2009-06-10 Laser-Laboratorium Göttingen e.V. Verfahren zur Nanostrukturierung eines Substrats
JP4903523B2 (ja) 2006-09-25 2012-03-28 株式会社ディスコ ウエーハのレーザー加工方法
US20080241425A1 (en) 2007-03-30 2008-10-02 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. System and method to reduce redeposition of ablated material
JP5259121B2 (ja) 2007-05-23 2013-08-07 シャープ株式会社 レーザー加工方法を用いた半導体装置の製造方法
JP2009176983A (ja) * 2008-01-25 2009-08-06 Disco Abrasive Syst Ltd ウエーハの加工方法
US20090242526A1 (en) * 2008-03-26 2009-10-01 Electro Scientific Industries, Inc. Laser micromachining through a protective member
US20100078416A1 (en) * 2008-09-26 2010-04-01 Electro Scientific Industries Method of laser micro-machining stainless steel with high cosmetic quality
US20100078418A1 (en) * 2008-09-26 2010-04-01 Electro Scientific Industries, Inc. Method of laser micro-machining stainless steel with high cosmetic quality
KR20110120139A (ko) * 2010-04-28 2011-11-03 한국기계연구원 레이저를 이용한 패턴 형성 방법
KR102188054B1 (ko) * 2010-11-22 2020-12-07 도와 일렉트로닉스 가부시키가이샤 접합재료, 접합체, 및 접합방법
US9352419B2 (en) * 2011-01-13 2016-05-31 Siemens Energy, Inc. Laser re-melt repair of superalloys using flux
US20150275687A1 (en) * 2011-01-13 2015-10-01 Siemens Energy, Inc. Localized repair of superalloy component
US20130316183A1 (en) * 2011-01-13 2013-11-28 Anand A. Kulkarni, JR. Localized repair of superalloy component
JP5881464B2 (ja) * 2012-02-27 2016-03-09 株式会社ディスコ ウェーハのレーザー加工方法
EP2823959A4 (en) * 2012-03-06 2015-11-18 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp COATED METAL PLATE FOR VEHICLES WITH EXCELLENT RESISTANCE TO WELDING, CORROSION RESISTANCE AND FORMABILITY
US20140021187A1 (en) * 2012-07-19 2014-01-23 Lincoln Global, Inc. Hot-wire consumable to provide weld with increased wear resistance
JP2014086612A (ja) 2012-10-25 2014-05-12 Disco Abrasive Syst Ltd レーザー加工方法
CN105228788A (zh) * 2012-11-29 2016-01-06 康宁股份有限公司 用于激光钻孔基材的牺牲覆盖层及其方法
US9393644B2 (en) * 2013-01-31 2016-07-19 Siemens Energy, Inc. Cladding of alloys using flux and metal powder cored feed material
JP6038313B2 (ja) 2013-06-24 2016-12-07 株式会社日立製作所 レーザ加工部品の製造方法及びレーザ加工方法
JP6341666B2 (ja) 2014-01-14 2018-06-13 株式会社ディスコ レーザー加工方法
EP2918371A1 (en) * 2014-03-11 2015-09-16 Heraeus Precious Metals North America Conshohocken LLC Solderable conductive polymer thick film composition
US20190345615A1 (en) * 2018-05-14 2019-11-14 Polskie Zaklady Lotnicze SP. Z.O.O. Laser deposition processes for coating articles

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4322601A (en) * 1978-08-14 1982-03-30 Serlin Richard A Surface alloying method and apparatus using high energy beam
EP1811055A1 (de) * 2006-01-20 2007-07-25 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit Löchern
CN101448604A (zh) * 2006-05-20 2009-06-03 住友电气工业株式会社 其中形成有通孔的物体以及激光加工方法
TWI541881B (zh) * 2011-06-15 2016-07-11 應用材料股份有限公司 藉由雷射與電漿蝕刻之基板切割所用的水溶性遮罩
CN103796946A (zh) * 2011-07-01 2014-05-14 阿托斯塔特公司 用于生产均匀尺寸的纳米颗粒的方法和设备
US20130122687A1 (en) * 2011-11-16 2013-05-16 Applied Materials, Inc. Laser scribing systems, apparatus, and methods
US20150165563A1 (en) * 2013-12-17 2015-06-18 Corning Incorporated Stacked transparent material cutting with ultrafast laser beam optics, disruptive layers and other layers

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018047503A (ja) 2018-03-29
US20180079030A1 (en) 2018-03-22
EP3296054B1 (de) 2020-12-16
CN107838552A (zh) 2018-03-27
EP3296054A1 (de) 2018-03-21
KR20180031589A (ko) 2018-03-28
KR102470523B1 (ko) 2022-11-23
TW201815507A (zh) 2018-05-01
JP7078366B2 (ja) 2022-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI749053B (zh) 藉由雷射剝蝕來生產微機械工件的方法
US8728589B2 (en) Laser decal transfer of electronic materials
Cardoso et al. Superhydrophobicity on hierarchical periodic surface structures fabricated via direct laser writing and direct laser interference patterning on an aluminium alloy
Milles et al. Influence of roughness achieved by periodic structures on the wettability of aluminum using direct laser writing and direct laser interference patterning technology
Dunn et al. Laser textured superhydrophobic surfaces and their applications for homogeneous spot deposition
JP5740305B2 (ja) 高い表装面品質を有するステンレススチールのレーザ微細加工方法
US20140314995A1 (en) Pulsed laser processing method for producing superhydrophobic surfaces
IL258026B2 (en) Control of surface properties in 3D printed structures
JP2016513003A (ja) 塗布装置用有孔板、対応する塗布方法及び製造方法
IL247946B (en) Metallization using direct writing with a pulsed laser
CN105789031A (zh) 激光直写用掩膜及其刻蚀方法
US20160031043A1 (en) Method and apparatus for forming a structure on a substrate
JP2016163888A (ja) 基材上に形成した構造体、構造体の製造方法および線パターン
Molina et al. Laser-induced scanning transfer deposition of silver electrodes on glass surfaces: A green and scalable technology
JP5676941B2 (ja) 配線基板の製造方法及び配線基板
US20090162968A1 (en) Method and apparatus for producing a semitransparent photovoltaic module
Martínez-Calderon et al. Femtosecond laser manufacturing of highly hydrophobic hierarchical structures fabricated by combining surface microstructures and LIPSS
JP2009061614A (ja) インクジェットヘッド、およびインクジェットヘッドの製造方法
TWI609610B (zh) 顯示器修復裝置及方法
Das et al. Femtosecond pulsed laser damage characteristics of 7% Y 2 O 3-ZrO 2 thermal barrier coating
JP2011023608A (ja) 配線基板
Alemohammad et al. Characterization of Laser Assisted Maskless Micro-Deposition Technology for Fabrication of Conductive Micro Systems
TW201843710A (zh) 製造結構化層之方法
JP6144052B2 (ja) 膜付き基板及びその形成方法
Hoey et al. Advances in aerosol direct-write technology for fine line applications