激光成丝在透明材料中非烧蚀光声压缩加工的方法和装置制造方法
【专利摘要】激光成丝在透明材料中非烧蚀光声压缩加工的方法和装置。一种利用沿着纵向光束轴以分布式的方式聚焦入射激光光束的光学结构通过激光成丝在材料中处理孔的装置、系统和方法。所述分布式聚焦方法使得能够在长距离形成丝，并且调整激光和聚集参数来决定丝的传播和终点从而产生单端/双端停止孔或通孔。从堆叠的或巢状结构中选择的透明衬底可以具有在该衬底内或者穿过该衬底所形成的孔而不影响邻近的衬底。这些分布式聚焦方法支持在硼硅玻璃和相似的脆性材料以及半导体中的形成具有远超10毫米的长度的丝。
【专利说明】激光成丝在透明材料中非烧蚀光声压缩加工的方法和装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及用于在任何深度处开始或者在一组堆叠的晶片、一组板或衬底的任一 个中钻出停止孔（Stopped orifice)或通孔的非烧蚀方法和装置，所述一组堆叠的晶片、一 组板或衬底主要是诸如玻璃、蓝宝石、硅的透明材料，但不限于此，使得所述孔和周边材料 的结构特性超过现有技术中已知的特性。
【背景技术】
[0002] 对于在诸如由玻璃或聚碳酸酯制成的透明衬底中钻出多个孔而言，存在巨大 的需求。被钻孔的衬底的一种应用是被用作用于空气监测、颗粒监测、细胞学、趋化性 (chemotaxis)、生物测定等的过滤器。这些通常需要直径在几百纳米到几十微米的孔，并且 当批量生产时，这些孔保持彼此相同并且具有保持稳定的孔与表面积的比率。
【发明内容】
[0003] 技术问题
[0004] 当前，现有技术的材料处理系统通过金刚石钻孔或诸如烧蚀加工、结合的激光加 热和冷却以及高速激光刻划等的激光曝光技术在诸如玻璃的衬底中产生孔。如下所述，所 有这些现有技术系统具有低吞吐次数，无法对很多新的异类衬底材料起作用，具有多层衬 底堆叠的不透明性问题，无法获得所寻求的紧密孔间距，使材料中的裂缝蔓延或者使得孔 侧以及围绕起始点的表面具有不可接受的表面粗糙度。
[0005] 在当前的制造中，对晶片或玻璃板进行分离（singulation)、处理来产生孔通常依 赖于金刚石切割路线选择（routing)或钻孔。
[0006] 激光烧蚀加工是针对分离、切块（dicing)、刻划（scribing)、切割（cleaving)、切 (cutting)及切割面（facet)处理而言积极发展的领域，但是特别在透明材料中具有诸如 处理速度慢、产生裂缝、烧蚀碎片污染以及中等尺寸的切口宽度的缺陷。此外，激光相互酌 (laser interaction)期间的热传输能够导致大范围的附带热损伤（即，热影响区域）。尽 管激光烧蚀处理能够通过选择具有被媒介强吸收的波长的激光（例如，深UV准分子激光或 远红外CO 2激光）而得到极大地改善，但由于在该物理烧蚀处理中固有的积极的相互酌，上 述缺陷无法被消除。
[0007] 另选地，还可以通过缩短激光脉冲的持续时间来改善透明媒介表面处的激光烧 蚀。这对于在处理媒介内部透明的激光尤其有益。当聚焦在透明材料上或内部时，高的激 光强度引起非线性吸收效果以提供动态的不透明，所述动态不透明度能够被控制以将合适 的激光能量精确地投入到由焦体（focal volume)所定义的小体积材料中。短的脉冲持续 时间比较长持续时间的激光脉冲提供了多个进一步优点，诸如在这种激光脉冲的短得多的 时间量程中通过少量的热扩散和其它热传输效果来消除等离子体反射并且减少附带损伤。 因此，在不透明和透明材料这两者的加工中，飞秒和皮秒激光烧蚀提供显著的益处。然而， 使用短至数十或数百飞秒的脉冲对透明材料进行加工还与激光形成的孔或沟附近的粗糙 表面和微裂缝的形成相关联，这对于像Alumnia玻璃这种掺杂了电介质和光学晶体的易碎 材料而言特别成问题。此外，烧蚀碎片将污染附近的样品和周围表面。
[0008] -种为了形成孔而对玻璃和相关材料进行切削或刻划的无切口方法依赖于激光 加热和冷却的结合，例如利用CO 2激光器和喷水器。在非常近距离地加热和冷却的适当条 件下，产生高的拉伸应力，其导致了深入材料内部的裂缝，并且通过简单地在表面检查激光 冷却源，这些裂缝可以沿灵活的曲线轨迹传播。这样，热应力导致的刻划提供材料的干净分 割且没有机械刻划或金刚石锯的缺点，并且没有产生碎片的激光烧蚀分量。然而，该方法依 赖于应力导致的裂缝形成来引导刻划以及启动裂缝形成的机械的或激光装置。持续时间短 的激光脉冲通常提供以下益处：能够在透明材料内部有效地传播，并且在透镜的焦点位置 通过非线性吸收过程在块体内局部地引起修改。然而，通过线性和非线性效应的共同作用 的激光脉冲的空间和时间剖面（profile)的强烈改造使得在透明光学媒介中超速激光脉冲 (>5丽峰值功率）的传播复杂化，该线性和非线性效应诸如群速度色散（GVD)、线性衍射、自 相位调制（SPM)、自聚焦、从价带到导带的电子的多光子/隧道电离（MPI/TI)、等离子体散 焦、以及自陡峭效应。这些效应放出的不同程度取决于激光参数、材料的非线性特性、以及 进入该材料内的聚焦条件。
[0009] 存在针对平板显示器（FPD)玻璃的高速刻划技术。具有倍频780nm、300fs、100 μ J 输出的IOOkHz钛宝石啁啾脉冲放大激光器被聚焦在玻璃衬底的后表面附近以超过玻璃的 损伤阈值，并通过材料的光学击穿而产生空隙。由于激光的高重复速率，空隙到达背表面。 连接起来的空隙产生内部应力和损坏以及表面烧蚀，这便于通过机械应力或热冲击沿激光 刻划线的方向切块。虽然该方法可能提供300mm/s的快刻划速度，它存在有限的切口宽度、 表面损坏、切割面粗糙以及由于内部形成的空隙到达表面而产生的烧蚀碎片。
[0010] 如上所述，虽然激光处理已经成功地克服了与金刚石切割有关的很多局限，新的 材料成分已经使得晶片和板不能被激光刻划。
[0011] 今后，一种用于从上表面或下表面开始在透明材料中钻出通孔或停止孔的避免了 现存已知系统的缺陷的快速、经济的系统将会满足材料处理领域长远的需求。这个新的发 明以一种独特和新颖的配置利用并结合已知的和新的技术来克服前述问题并实现本发明。
[0012] 技术方案
[0013] 将在后续进行更详细地描述的本发明的一般目的是提供一种使用具有激光参数 的具体调整的超速激光脉冲突发的激光成丝结合分布式聚焦透镜组件在通常是诸如Si晶 片的半导体材料或诸如玻璃或蓝宝石的材料的透明衬底中产生孔的装置和方法，所述分布 式聚焦透镜组件产生多个不同的焦点，其中主焦点腰不会驻留在目标中或目标的表面上； 使得在材料中产生丝，所述丝在材料的堆叠阵列的任一个或每一个构件中生成孔，其中，所 述孔在期望的晶片、板或衬底内部的期望的开始点和终结点处具有特定的深度和宽度。虽 然本公开主要关注于钻孔，但需要理解的是，这里描述的系统和方法可以等同地适用于对 目标进行钻孔、切块、切割和刻划的加工处理。
[0014] 一种在任何深度处开始或者在一组堆叠的晶片、板或衬底的任一组中钻出停止孔 或通孔的方法和装置，使得所述孔和周边材料的结构特性超过现有技术已知的特性，所述 一组堆叠的晶片、板或衬底主要是但不限于透明材料。更具体地，涉及通过一种利用超速激 光脉冲突发干涉的新颖方法在材料的堆叠阵列的任一个或每一个构件中形成多个孔的装 置和方法，其中，调整激光和聚焦参数来产生材料内部的丝，所述丝能够在期望的起始点和 终结点产生特定深度和宽度的孔。
[0015] 有益效果
[0016] 公开了在诸如硅晶片、玻璃或蓝宝石的透明材料中或者穿过该透明材料生成纳米 到毫米级的孔的新颖和独特的技术。它具有很多上述提到的优点以及很多新颖的特征，得 到了一种在材料中产生非烧蚀钻孔的新方法，该方法没有被任何现有技术单独地或者它们 的结合所预期、使其明显、建议、或者甚至隐含公开。具体地，该方法相对于现有技术提供了 以下显著优点：更光滑的孔边、最小的微裂缝蔓延、更长/更深的孔生成、非锥形孔、非线性 吸收、以及具有一致的内部直径、最小的入口畸变以及减少的附带损伤的孔。
[0017] 在说明书结束的部分特别指出并清楚地要求了本发明的主题。然而，参照接下来 的描述并结合附图可以最好的理解本发明的组织和操作方法以及进一步的优点和目的这 两者，其中相同的附图标记表示相同的元件。以下会更详细地讨论本发明的其它目的、特征 和方面。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是现有技术的烧蚀激光钻孔装置的示意图，其中主焦点出现在该透明衬底的 上表面处；
[0019] 图2是由图1的钻孔装置形成的孔的透视图；
[0020] 图3是现有技术的烧蚀激光钻孔装置的代表性侧视图，其中主焦点出现在透明衬 底的上表面的下方；
[0021] 图4是由图3的钻孔装置形成的孔的透视图；
[0022] 图5是如图1的激光装置烧蚀钻孔的孔的代表性侧视图，其中主焦点出现在透明 衬底的上表面处；
[0023] 图6是本发明的激光钻孔装置的示意图，其中主焦点出现在透明衬底的上表面的 上方；
[0024] 图7是透明衬底中的由本发明的激光钻孔装置形成的孔刻划的透视图；
[0025] 图8是由图6的的激光装置钻出的两个孔的代表性侧视图；
[0026] 图9是现有技术的烧蚀激光钻孔装置的示意图；
[0027] 图10是本发明的示意图，其中为了清楚起见未修正并进行了放大；
[0028] 图11是利用分布式聚焦透镜装置的本发明的视图；
[0029] 图12是利用分布式聚焦透镜装置的本发明的视图；
[0030] 图13是利用分布式聚焦透镜装置和分布式聚焦腰的本发明示意图，其中主焦点 在目标的上方；
[0031] 图14是利用分布式聚焦透镜装置和分布式聚焦腰的本发明示意图，其中主焦点 在目标的下方；
[0032] 图15是图13的本发明的示意图，其中已经钻出了孔；
[0033] 图16是利用分布式聚焦透镜装置和分布式聚焦腰的本发明示意图，其中主焦点 在多个目标的下方；
[0034] 图17至图19示出了激光能量的分布的三种不同配置。
【具体实施方式】
[0035] 已经宽泛地概括了本发明更重要的特征使得接下来的本发明的详细说明书能够 被更好地理解并且使得对现有技术的贡献能够被更好地了解。当然，本发明的附加特征将 要在下文进行描述并且它们将形成所附权利要求的主题。
[0036] 本公开的各种实施方式和方面将参照下面讨论的细节进行描述。以下的说明书和 附图是本公开的说明而不被解释为限制本公开。描述了大量具体的细节来提供本公开的各 种实施方式的透彻的理解。然而，在某些实例中，没有描述公知的或常规的细节以提供对本 公开实施方式的简洁的讨论。
[0037] 为此，在详细解释本发明的至少一个实施方式之前，需要理解的是本发明并不将 其应用限制于在以下描述或图形例示中阐述的构造的细节以及部件的布局。本发明能够采 用其他实施方式并且以各种方式实践和实现。并且，需要理解的是这里采用的措辞和术语 是用于说明的目的而不应被当作限制。
[0038] 除非另外定义，这里使用的所有技术和科技术语意味着具有本领域技术人员通常 理解的含义。除非另外指出，如这里使用的，诸如通过上下文，以下术语意味着具有下列含 乂：
[0039] 如这里所使用的，术语烧蚀钻孔是指采用激光束对目标表面进行照射来进行加工 (通常通过移除材料对衬底进行切割或钻孔）的方法。在低的激光通量，材料被吸收的激光 能量加热并且蒸发或升华。在高的激光通量，材料一般被转换成等离子体。通常，激光烧蚀 是指采用脉冲激光来去除材料，但是如果激光强度足够高，也能够采用连续波激光束来烧 蚀材料。烧蚀钻孔或切割技术的特点是产生碎片场、在材料去除过程期间在一些点处存在 液相/融化相、在入口和/或出口处产生喷出物堆。
[0040] 如这里所使用的，术语"光声钻孔"是指通过采用在烧蚀钻孔或切割技术中使用的 较低脉冲能量光束对目标进行照射以对该目标进行加工（通常通过从立方体对衬底进行 切割或钻孔）的方法。通过光吸收和随后的热弹性扩张的过程，在被照射的材料内部产生 宽带声波以围绕光束传播轴（与孔的轴相同）在材料中形成被压缩材料的路径，该路径的 特征在于光滑壁的孔、最小化的或被消除的喷出物和材料中形成的微裂纹最小化。
[0041] 如这里所使用的，术语"光效率"是指在聚焦元件或组件的通光孔径处主焦点腰处 的通量与总入射通量的比率。
[0042] 如这里所使用的，术语"透明"意味着对于入射光束至少部分透明的材料。更优选 地，透明衬底的特征在于吸收深度足够大以支持根据这里描述的实施方式由入射光束产生 的内部丝改性阵列。换句话说，具有使得入射光束的至少一部分在线性吸收状况透过的吸 收频谱和厚度的材料。
[0043] 如这里所使用的，术语"丝改性区域"是指在衬底内的丝区域，其特征在于是由光 束路径限定的压缩区域。
[0044] 如这里所使用的，短语"突发"、"突发模式"或"突发脉冲"是指具有比激光的重复 周期实际更小的相对时间间隔的激光脉冲的集合。需要理解的是，突发内的脉冲之间的时 间间隔可以是恒定的或可变的，并且突发内的脉冲的幅度可以是可变的，例如，为了在目标 材料内产生最优的或预定的丝改性区域。在一些实施方式中，脉冲的突发可以随着组成突 发的脉冲在强度或能量上的变化来形成。
[0045] 如这里所使用的，短语"几何焦点"是指基于透镜的曲率常规光学路径，光沿着该 路径传输，其中光束腰根据光学通用的简单透镜方程定位。该短语用于区别光学聚焦和收 缩事件，所述光学聚焦由透镜的位置以及透镜彼此之间的关系来产生，所述收缩事件由目 标材料中的热变形产生，它提供有效的可达15mm量级的准瑞利长度，这是特别不常见的并 且与本发明的创造性本质有关。
[0046] 如这里所使用的，术语"衬底"是指玻璃或半导体并且可从由透明陶瓷、聚合物、 透明导体、宽带隙玻璃、晶体、结晶石英、金刚石、蓝宝石、稀土配方、用于显示器的金属氧化 物、有光泽或无光泽的具有或不具有涂层的非晶质氧化物所组成的组中选出，并且旨在涵 盖它们的任何几何结构，诸如但不限定于板或晶片。所述衬底可以包括两层或更多层，其中 聚焦的激光束的光束焦点的位置被选择以在两个或更多个层的至少一个内产生丝阵列。多 层衬底可以包括多层平板显示器玻璃，诸如液晶显示器（LCD)、平板显示器（FPD)以及有机 发光显不器（OLED)。衬底还可以从由汽车玻璃、管、窗、生物芯片、光学传感器、平面光波电 路、光学纤维、饮用玻璃器皿、艺术玻璃、硅、III -V族半导体、微电子芯片、存储芯片、传感 器芯片、电光透镜、平面显示器、需要强的覆盖材料的手持计算装置、发光二极管（LED)、激 光二极管（LD)、以及垂直空腔表面发射激光器（VCSEL)所组成的组中选出。目标或目标材 料通常从衬底选出。
[0047] 如这里所使用的，术语"主焦点腰"(principal focal waist)是指在最终聚焦（在 光线入射到目标之前穿过最终光学元件组件之后）后光束的最紧密聚焦和最强聚焦强度。 它还可以与术语"主焦点"互换地使用。术语"次聚焦腰"是指在具有比主焦点腰的强度弱 的分布式光束中的其它焦点的任一个。它还可以与"次聚焦"或"次焦点"互换地使用。 [0048] 如这里所使用的，术语"丝"是指传播穿过媒介的任何光束，其中能够观察或测量 到克尔效应。
[0049] 如这里所使用的，"激光成丝"是指通过使用激光在材料中产生丝的行为。
[0050] 如这里所使用的，术语"牺牲层"是指以可被去除的方式施加到目标材料的材料。
[0051] 如这里所使用的，术语"机械加工"或"修改"包含对目标或衬底的表面或体积进 行钻孔、切割、刻划或切块的处理。
[0052] 如这里所使用的，术语"聚焦分布"是指穿过透镜组件的入射光线的时空分布，该 透镜组的集合是正透镜。总体上，这里讨论了有用强度的斑点的后续会聚作为离开聚焦透 镜的中心距离的函数。
[0053] 如这里所使用的，术语"临界能量级"、"门限能量级"及"最小能量级"都指的是必 须投入目标内或投放到目标上以启动在目标材料中的瞬态过程的发生的最小量的能量，这 些瞬态过程诸如但不限于烧蚀加工、光声加工以及克尔效应。
[0054] 如这里所使用的，术语"像差（aberrative)透镜"是指不是完美透镜的聚焦透镜， 其中，在X平面中的透镜曲率不等于y平面中的透镜曲率，从而使用穿过透镜的入射光而产 生分布式聚焦图案。正的像差透镜是聚焦会聚透镜，并且负的像差透镜是聚焦分散透镜。
[0055] 如这里所使用的，术语"包括"应被理解为开放性的包括而不是排它性的。具体地， 当被用在说明书和权利要求书中时，术语"包括"及其变型指的是包括特定的特征、步骤或 部件。这些术语不应被理解为排除其它的特征、步骤或部件的存在。
[0056] 如这里所使用的，术语"示例性的"指的是"作为示例、实例或说明"，而不应被理解 为优选的或优于这里公开的其它配置。
[0057] 如这里所使用的，术语"大约"和"大概"是指覆盖取值范围的上限和下限中可能存 在的变化，诸如特性、参数和尺寸的变化。在一个非限制性的实施例中，术语"大约"和"大 概"是指加上或减去10 %或更少。
[0058] 本发明的主要目的是提供快速、可靠和经济的非烧蚀激光加工技术在目标材料中 启动孔（停止孔/盲孔或通孔），可以通过超速激光脉冲突发成丝在单个或多个堆叠的目标 材料的下方或上方启动孔。通过积极驱动多光子、隧道电离和电子雪崩过程，超短激光提供 高强度来微加工、修改、并干净地处理表面。当前的问题是如何在目标的透明材料中投入足 够能量，所述能量比在烧蚀钻孔中使用的能量小，但是超过发起并保持光声压缩的临界能 量级，从而在材料中的焦点处产生改变折射指数的丝并且不会遭遇光学击穿（如现有技术 的烧蚀钻孔系统所遭遇的），使得激光束在目标材料中的持续再聚焦能够持续长的距离，足 够使得多个堆叠的衬底能够同时被钻孔，所述孔具有在钻孔的距离上可忽略的锥度、相对 光滑的孔壁并且能够在目标材料的上方、下方或内部发起。
[0059] 通常，在现有技术中，利用在材料的上方、内部或表面处被聚焦成单个主焦点的高 能量脉冲激光束的激光烧蚀技术被用于加工透明材料。如图1所示，入射激光束2穿过聚 焦组件，从而穿过最终聚焦透镜4以在目标10的表面上聚焦具有焦点腰8的非分布式的光 束6。从图3可以看出，可选地，该非分布式的光束可以被聚焦为使得焦点腰驻留在目标的 内部。通常，这些技术使用理想的球形聚焦透镜12,也就是说，在X平面的曲率等于在y平 面的曲率（Cx = Cy)的非像差透镜，或者采用产生如图9所示的具有单个焦点14的分布式 光束的聚焦元件组件。这产生紧密的光束斑点，该光束斑点然后被传递到目标材料10的上 面（图1)或内部（图3)。图2例示了采用图1的技术切出的加工后的槽16的几何形状， 并且图4例示了采用图3的技术制造的长圆形孔18的几何形状。
[0060] 的强超速激光脉冲在不同光学媒介中的传播已经被很好的研究。材料的非线性折 射指数是激光强度的函数。使强激光脉冲具有高斯分布（其中脉冲的中央部分的强度高于 尾部的强度）是指由于激光束脉冲，材料的中央区域和周围区域的折射指数不同。因此，在 这种激光脉冲的传播期间，脉冲自动地崩溃。这种非线性现象在本领域是已知的自聚焦。还 可以在该光束路径中使用透镜来促进自聚焦。在聚焦区域中，激光束强度达到足以引起在 材料中产生等离子体的多次电离、隧道电离以及雪崩电离的值。等离子体引起该激光束散 焦并重新聚焦来形成下一个等离子体量。非分布式光束中的单焦点的固有问题是在激光脉 冲失去其所有能量并且无法再次聚焦之后该处理结束，如下面所讨论的那样。
[0061] 该烧蚀方法在材料10中产生达到30微米长度的丝，直到超过该材料的光学击穿 门限并且发生了光学击穿（OB) 16(图9)。在OB时达到了最大门限通量（每单位面积传递 的能量，单位J/M2)并且孔直径变窄并且烧蚀加工或钻孔停止进行到任何更深的地方。这是 使用现有技术方法的明显缺陷，因为它们限制了可被钻的孔的尺寸，造成粗糙的孔壁并导 致孔具有锥形22,所述锥形22在目标10的上表面和下表面处具有不同的直径（图5)。这 是由于以下原因而发生：在烧蚀加工中，光束在目标10的表面处具有中心焦点8,引起目标 的局部加热和热扩张，将材料10的表面加热到沸点并产生键孔（keyhole)。键孔导致光学 吸收率随着孔的变深而迅速加地突然增加。随着孔变深以及材料沸腾，产生的蒸汽腐蚀融 化的壁，将喷出物20吹出并进一步扩大孔22。当它发生时，随着被烧蚀的材料的扩张，被烧 蚀的材料向其下面的表面施加高压脉冲。该效果类似于用锤子击打表面并且易碎的材料很 容易破裂（此外，易碎的材料对于热破裂特别敏感，热破裂是在热应力破裂中被利用的特 征但是在钻孔中并不需要）。当碎片未被喷出、在孔22中产生气泡或者有猛烈的烧蚀使孔 22的区域中的目标破裂时，通常会达到OB。这些效果中的任一种或它们的结合导致光束6 从该点散开或者被完全吸收而未留下足够的光束能量（通量）来进一步向下钻通材料10。 此外，这产生了被称为烧蚀喷发堆20的畸变或粗糙，烧蚀喷发堆20在目标衬底20的表面 处的初始点周围被发现（图5)。
[0062] 采用激光烧蚀技术的另一问题是它钻出的孔不具有均匀的直径，因为激光束丝会 改变它的直径（直径是距离的函数）。这被描述为瑞利范围并且是沿着光束传播方向从焦 点腰到横截面面积加倍的位置的距离。这导致了如图2和图5所示的锥形孔22。
[0063] 本发明解决了光学击穿问题，将孔的粗糙度和烧蚀喷发堆减到最小，并消除了锥 形直径孔。
[0064] 本公开提供了通过激光引起的光声压缩在透明材料中处理孔的装置、系统和方 法。不同于已知的激光材料加工方法，本发明实施方式使用以分布式方式将入射光束2沿 着纵向光束轴聚焦的光学结构，使得存在主焦点8和次焦点24(与孔的线性轴一致但是垂 直地从主焦点或焦点腰位移）的线性排列，以允许入射光束2传播经过材料10时入射光束 2的持续重新聚焦，从而使得能够在材料10中沿着光束路径产生改变折射指数的丝并且不 会遭遇光学击穿（如在现有技术的使用或不使用基本丝的烧蚀钻孔系统中所看到的），使 得激光束在目标材料中的持续重新聚焦能够持续长的距离（图6)。
[0065] 通过利用分布式聚焦元件组件26产生次焦点24,并且通过将主焦点腰8的位置从 材料上或材料内定位到材料10的外部，该分布式的聚焦方法允许"释放"或减少从可在主 焦点腰处发现的入射光束2的不必要的能量。光束通量的释放结合主焦点腰8和次焦点腰 24的线性排列使得能够在远超过使用现有方法（并且远超Imm)所能取得的距离上形成丝 并同时保持足够的激光强度（通量μ J/cm2)，来实现在丝域的整个长度上的实际修改和压 缩。该分布式聚焦方法支持丝的形成，其中长度远超1毫米并且仍然保持低于材料的光学 击穿门限的能量密度，具有足够的强度以使得能够穿过不同材料（诸如在目标材料的层之 间的空气或聚合物隙）对多个堆叠的衬底同时钻孔，其中在钻孔距离上具有可忽略的锥形 (图7)并且能够在目标材料上方、下方或内部发起相对平滑地围着的孔壁。通过在加工孔 时相对地移动目标10,实现了在目标10中传播非锥形的壁狭缝23。
[0066] 激光脉冲的光学密度发起自聚焦现象并且产生足够强度的丝来在该丝的内部/ 附近/周围区域非烧蚀地发起光声压缩从而产生与丝一致的基本恒定的直径的线性对称 空隙，并且还造成与分布式光束的次聚焦腰输入的能量耦合的激光脉冲的连续的自聚焦和 散焦形成丝，所述丝指引/引导穿过或通过目标材料的特定区域的孔的形成。不需要从目 标去除材料就能够形成得到的孔，而是通过在形成的孔的周围对该目标材料进行光声压缩 来形成。
[0067] 已知目标10的表面处的通量等级是入射光束强度和特定的分布式聚焦元件组件 的函数，并且针对具体的目标材料、目标厚度、所需的加工速度、总的孔深度和孔直径来调 整。此外，钻出的孔的深度取决于吸收激光能量的深度，因此由单个激光脉冲去除的材料的 量取决于材料的光学特性以及激光的波长和脉冲长度（因为这个原因，这里列出了大量的 处理参数，其中每个特定的衬底和匹配的应用程序需要针对使用的系统和材料凭经验确定 最优的结果）。这样，如果在该表面处的通量等级足够高以瞬间启动局部烧蚀（蒸发）加 工，则目标10上的进入点将经历最小的烧蚀喷发堆形成20,虽然等离子体的产生是不必要 的。在某些情况下，可能需要利用足够强度的目标表面的通量等级来产生短暂的、瞬时的烧 蚀钻孔以提供宽的斜切的入口但孔22的剩余部分具有均匀直径（图8)，如通过使用允许 瞬时烧蚀技术和随后的持续光声压缩技术的能量等级的分布式聚焦混合钻孔方法所产生 的那样。本发明可以通过在目标表面选择使光束在材料中的线性吸收和非线性吸收平衡 的通量等级来实现这一效果，使得烧蚀加工所需的通量等级在斜切（或其他几何结构）处 的期望深度处被耗尽。如果将牺牲层30施加到目标表面，则该混合技术将导致能够被消 除的很小的喷发堆20。常见的牺牲层是树脂或聚合物，诸如但不限于PVA、甲基丙烯酸盐 (Methacrylate)或PEG，并且通常仅需要在1到300微米的厚度范围内（尽管10到30微米 范围将被用于透明材料加工）并且通常通过将牺牲层喷涂到目标材料上来施加牺牲层。通 过阻止熔化的碎片将其自身附接到表面，而是附接到现有技术已知的可移除的牺牲材料， 抑制在目标10上形成喷发堆。
[0068] 实现光声压缩加工需要以下系统：
[0069] ?能够产生包括在突发脉冲包络中含有2到50个子脉冲的可编程的脉冲串的光 束的突发脉冲激光系统。此外，取决于所使用的目标材料，该激光系统还需要能够产生1到 200瓦特的平均功率，针对硼硅玻璃，该范围通常将在50到100瓦特的范围中。
[0070] ?能够产生弱会聚、多个焦点的空间光束剖面的分布式聚焦元件组件（可能包括 正透镜和负透镜但是在聚合时有正的聚焦效果），其中，目标材料中的入射通量足以引起克 尔效应自聚焦和传播。
[0071] ?能够将所述光束传递到目标的光学传递系统。
[0072] 商业运作还需要材料（或光束）相对于光学器件（反之亦然）的移位能力或者由 系统控制计算机驱动的协调/复合运动。
[0073] 使用该系统来钻出光声压缩孔需要针对具体目标操作以下条件：分布式聚焦元件 组件的特性；突发脉冲激光束的特征；以及主焦点的位置。
[0074] 分布式聚焦元素组件26可以是本领域常用的大量的公知的聚焦元件，诸如非球 面板、远心透镜、非远心透镜、非球面透镜、有刻面的环形透镜，定制的像差（非完美的）透 镜的、正透镜和负透镜的组合或一系列矫正板（相移掩模）的结合、相对于入射光束倾斜的 任何光学元件、以及能够操纵光束传播的主动补偿的光学元件。如以上所讨论的候选的光 学元件组件的主焦点腰一般不会在主焦点腰处包含超过90%或者低于50%的入射光束通 量（虽然在具体实例中该分布式聚焦元件组件26的光效率可以接近99% )。图10例示了 将在前述处理中使用的非球面的像差透镜34。分布式元件组件26的实际光效率将需要针 对每个具体应用来微调。用户将产生针对每个透明材料、目标的物理结构和特性以及具体 的激光参数而设计的经验表格。碳化硅，磷化镓，蓝宝石，强化玻璃等每一种都具有自己的 值。通过在材料内生成丝（如上所述地调整激光功率的参数、重复速率、聚焦位置和透镜特 征）并确保有足够的通量来引起光声压缩的解理面或轴以生成孔，凭经验确定所述表格。 采用输出具有位于IMHz范围的频率（重复速率）的10 μ J能量的突发脉冲的1微米、50 瓦特激光器，在由硼硅酸制成的2mm厚的单个平面目标中钻出5微米直径通孔（如图11所 示）的光效率取样是65%，其中光束的主焦点腰驻留在离所需的起始点Imm处。
[0075] 需要注意的是，光声压缩钻孔处理还必须满足一组物理参数。参照图11和图12， 可知光束斑点直径38>丝直径40>孔直径42。此外，分布式光束的主焦点腰8绝不会在要 在其中生成丝的目标材料10中或表面上。
[0076] 主焦点腰8的位置通常在离开所需起始点500微米到300_的范围内。这被称为 能量释放距离32。也可以通过生成为每个透明材料、目标的物理结构和特性以及激光参数 设计的经验表来确定。这是从通过上面提到的方法创建的表格推断的。
[0077] 激光束能量特性如下：光束中的脉冲能量在5μ J到ΙΟΟΟμ J之间；重复速率在 IHz到2MHz之间（该重复速率定义了样本移动的速度以及相邻丝之间的间隔）。丝的直径 和长度可以通过改变每个突发包络中存在的时间能量分布来调整。图17至图19例示了突 发脉冲激光信号的三种不同的时间能量分布的示例。图19的上升和下降的突发包络轮廓 的代表了一种尤其适用于从介电材料去除薄的金属层的处理控制的特别有用的手段。
[0078] -起参照图13至图16,本发明的机制能够被最好地说明。这里，使用突发皮秒 脉冲光，这是因为投入在目标材料中的能量的总量低并且光声压缩能够进行而不使材料破 裂，并且在目标材料中产生更少的热，因而高效的更少的能量包被沉积在材料中，使得材料 能够从基态到最大激发态逐步升高而不危及丝附近的材料的完整性。
[0079] 实际物理过程如这里所描述的那样发生。脉冲突发激光的入射光束的主焦点腰经 由分布式聚焦元素组件传递到要在其中生成丝的目标材料的上部或下部的空间（但绝不 在目标材料内）中的点。这将在该目标的表面产生斑点并产生白光。该目标的表面上的斑 点的直径将超过丝的直径和所需特征（孔、槽等）的直径。这样入射在该表面的斑点中的 能量的量大于用于产生二次电光效应（克尔效应一其中材料的折射指数的变化与被施加 的电场成比例）的临界能量，但是小于需要引起烧蚀处理的临界能量并且更明确地低于材 料的光学击穿门限。在高于满足以下关系的临界能量时发生自聚焦：能量是目标材料的折 射的实际指数和复合指数的倒数。作为在时间尺度上保持目标材料中所需的能量而使得能 够保持该自聚焦条件和该光学击穿条件之间的平的结果，进行光声压缩。光声压缩是均匀 的和高的能量丝的形成以及传播处理的结果，材料由此被重新排列以利于经由烧蚀处理去 除。这样产生的特别长的丝由通过由分布式聚焦元件组件产生的空间延伸的次焦点的存在 而引发，保持了自聚焦效应而没有达到光学击穿。在该组件中，大量边际或近轴光线会聚在 相对于主焦点的不同空间位置处。这些次焦点存在并延伸至无限空间，但是仅在经验上对 应于目标的厚度的有限范围上具有有用的强度。通过将这些次焦点的能量聚焦在低于衬底 表面下的较低高度但是在丝事件的活动底面。这允许激光能量进入材料块同时避免被等离 子体吸收以及被碎片散射。
[0080] 分布式聚焦元件组件可以是位于入射激光束的路径中的单个像差聚焦透镜，该像 差聚焦透镜在包含主焦点腰和一系列线性排列的次焦点腰（多个焦点）的分布式聚焦光束 路径中产生似乎是入射光束的非均衡分布的焦点。这些焦点的排列与孔42的线性轴共轴。 注意，主焦点腰8从不会在目标材料10上或目标材料10中。在图13中，主焦点腰在目标 材料的上方，而在图14中位于目标材料10的下方，因为可以凭借聚焦光束的对称和非线性 特性在主焦点腰的上方或下方启动孔42。因此，光束斑点52 (大约10 μ m距离）驻留在该 目标10的表面上并且较弱的次焦点腰共轴地驻留在目标内，这是因为当激光的电场改变 目标的折射指数时，材料充当了产生这些焦点的最终光学元件。分布式焦点允许一定量的 激光能量被沉积在材料中从而形成丝线或区域60。采用多个线性排列的焦点并且通过允许 材料充当最终透镜，当采用超速突发脉冲激光束轰击时，目标材料经历多次连续的局部加 热，所述局部加热沿着线性排列的焦点的路径引起材料的局部折射指数（具体地，复合指 数）的变化，导致在目标中产生长的非锥形丝60和随后的在所需区域中环形地压缩材料的 声压波，产生环绕丝路径的压缩材料的空隙和环。然后，光束重新聚焦并且与次聚焦腰处的 能量结合的重新聚焦的光束保持临界能量等级以及这一串的事件本身重复以便钻出能够 达到1500:1宽高比（孔的长度/孔的直径）的孔，所述孔几乎没有锥度并且入口的孔尺寸 和出口的孔尺寸具有实际相同的直径。这与现有技术不同，现有技术将能量聚焦在目标材 料的上表面或目标材料内，导致在达到光学击穿之前短的成丝距离以及成丝劣化或停止。
[0081] 图16例示了堆叠构造中的三个平坦目标中的下部两个目标中的钻孔，所述目标 之间具有空气间隙，其中主焦点腰8位于最终目标10的下方。能够从多层结构的顶部、底 部或中间钻出所述孔，但是如果使用相同的透镜组和曲率，则钻孔事件总是发生在离主焦 点腰相同的距离处。主焦点腰总是在材料之外并且从不到达衬底表面。
[0082] 通过声光压缩进行钻孔的方法通过以下顺序的步骤来实现：
[0083] 1、通过选择的分布式焦点透镜聚焦组件从激光源传递激光能量脉冲；
[0084] 2、调整所述分布式焦点透镜聚焦组件关于激光源的的相对距离和/或角度，从而 在分布式焦点构造中聚焦激光能量脉冲以产生主焦点腰和至少一个次焦点腰；
[0085] 3、调整主焦点腰或目标，使得主焦点腰不会位于被加工的目标上或目标内；
[0086] 4、调整焦点，使得在位于所述主焦点腰的下方或上方的目标的表面上的激光通量 的斑点具有总是比在目标中形成的丝的直径大的直径；
[0087] 5、调整次焦点腰的通量等级为足够的强度和数量以确保穿过所需体积的目标传 播声光压缩加工；以及
[0088] 6、通过所选择的分布式焦点透镜聚焦组件将合适波长、合适突发脉冲重复速率以 及合适突发脉冲能量的至少一个激光脉冲突发从激光源施加到目标，其中在激光脉冲与在 目标上的加工的初始点接触的斑点处施加到目标的脉冲能量或通量的总量大于发起并传 播光声压缩加工所需的临界能量级，但低于发起烧蚀加工所需的门限临界能量级；以及
[0089] 7、当所需的加工完成时，停止激光脉冲突发。
[0090] 如之前提到的，可存在特定的孔构造，其中，可能需要进入孔的锥形入口。这是通 过采用能够烧蚀加工所需距离的激光通量等级发起该孔并且采用低于烧蚀加工的临界等 级但高于光声加工的临界等级的激光通量等级完成在材料中所需深度的钻孔而实现的。这 种类型的孔的形成还可以利用在目标的表面上施敷可去除的牺牲层。这会允许在牺牲层上 形成喷发堆，使得喷发堆稍后可以与牺牲层一起被去除。这种通过混合的烧蚀和光声压缩 来钻孔的加工方法可通过以下步骤来执行，尽管需要利用牺牲层的施敷并且如果利用的话 不需要首先发生：
[0091] 1、在目标的至少一个表面上施敷牺牲层；
[0092] 2、通过选择的分布式焦点透镜聚焦组件从激光源传递激光能量脉冲；
[0093] 3、调整所述分布式焦点透镜聚焦组件相对于激光源的相对距离或角度从而采用 分布式聚焦配置对所述激光能量脉冲进行聚焦以产生主焦点腰和至少一个次焦点腰；
[0094] 4、调整所述主焦点腰或所述目标使得所述主焦点腰将不会位于被加工的目标上 或目标内；
[0095] 5、调整所述焦点，使得在所述目标的表面上的激光通量的斑点位于所述主焦点腰 的下方或上方；
[0096] 6、调整在所述目标表面上的激光通量的斑点使得其具有总是比要在目标中形成 的丝的直径大的直径；
[0097] 7、确保次焦点腰的通量等级为足够的强度和数量以确保通过目标的所需体积来 传播声光压缩加工；以及
[0098] 8、通过所选择的分布式焦点透镜聚焦组件将合适波长、合适突发脉冲重复速率以 及合适突发脉冲能量的至少一个激光脉冲突发从激光源施加到目标，其中在激光脉冲与在 目标上加工的初始点接触的斑点处施加到目标的脉冲能量或通量的总量大于发起烧蚀加 工到所需深度所需要的关键能量等级并且此后在该烧蚀钻孔的底部的通量大于发起并传 播丝和声光压缩加工的临界能量等级，但是低于发起烧蚀加工所需的门限临界能量等级； 以及
[0099] 9、当所需的加工完成时，停止激光脉冲突发和成丝。
[0100] 下表中列出了激光特性的各种参数、主焦点腰的位置和最终聚焦透镜排列以及产 生的孔的特征。需要注意的是，它们以范围表示，因为它们的值随着目标材料的类型、厚度、 尺寸和所需孔的位置而有很大不同。下表细化了用于实现在过多的透明材料的任何一个中 钻出均匀的孔的各种系统变量的范围。
[0101]
【权利要求】
1. 一种用于加工透明目标材料的光声压缩方法，该方法包括以下步骤： 从激光源向目标施加具有合适的波长、合适的突发脉冲重复速率以及合适的突发脉冲 能量的激光脉冲的至少一个突发，其中，施加到所述目标的其中所述激光脉冲与所述目标 上的加工开始点相接触的斑点处的脉冲能量或通量的总量大于开始并传播光声压缩加工 所需的临界能量等级，但是低于开始烧蚀加工所需的门限临界能量等级。
2. 根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤： 在将所述激光脉冲施加到所述目标之前，首先使所述激光能量脉冲穿过选择的分布式 聚焦透镜聚焦组件并聚焦所述激光能量脉冲。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述聚焦包括： 在调整所述分布式聚焦透镜聚焦组件相对于所述激光源的相对距离和/或角度之后， 向所述目标传递所述激光脉冲以在分布式的聚焦配置中聚焦所述激光脉冲，从而产生主焦 点腰和至少一个次焦点腰；以及 调整所述主焦点腰或所述目标，使得所述主焦点腰不位于正在被加工的所述目标上或 所述目标内。
4. 根据权利要去3所述的方法，该方法还包括以下步骤： 调整所述焦点，使得位于所述主焦点腰下方或上方的所述斑点具有总是比形成在所述 目标中的丝的直径大的直径。
5. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述目标可以包括一个或一组分层结构的透明 晶片、板或衬底，并且 其中，对所述目标的加工以任何深度开始并且在所述分层结构的所述一组晶片、板或 衬底中的任一个中钻出停止孔或通孔。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标可以包括一个或一组分层结构的透明 晶片、板或衬底，并且 其中，对所述目标的加工是以任何深度开始并且在所述分层结构的所述一组晶片组、 板组或衬底中的任一个中钻出停止孔或通孔。
7. 根据权利要求3所述的方法，其中，按照使所述次焦点腰的所述通量等级具有足够 的强度和数量的方式选择所述聚焦组件，以确保所述光声压缩加工传播穿过所述目标的所 需体积。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光脉冲具有适当的突发频率以保持由之 前的脉冲与所述目标交互而产生的选择的瞬时效应，所述激光脉冲具有比大约10纳秒小 的脉冲宽度。
9. 根据权利要求1所述的方法，该方法包括在施加激光脉冲突发之前向所述材料的表 面施敷牺牲层。
10. -种用于加工透明目标材料的混合的烧蚀和光声压缩方法，该方法包括以下步 骤： 从激光源向目标施加具有特定的波长、突发脉冲重复速率以及突发脉冲能量的至少一 个激光脉冲突发，其中，施加于所述目标的其中所述激光脉冲与所述目标上的加工开始点 相接触的斑点处的脉冲能量或通量的总量大于用于所需深度的烧蚀加工和开始并传播光 声压缩加工所需的临界能量等级。
11. 根据权利要求10所述的方法，该方法还包括以下步骤： 在将所述激光脉冲施加到所述目标之前，首先使所述激光能量脉冲穿过选择的分布式 聚焦透镜聚焦组件并聚焦所述激光能量脉冲。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述聚焦包括： 在调整所述分布式聚焦透镜聚焦组件关于所述激光源的相对距离和/或角度之后，向 所述目标传递所述激光脉冲使得在分布式聚焦配置中聚焦所述激光脉冲，从而产生主焦点 腰和至少一个次焦点腰；以及 调整所述主焦点腰或所述目标，使得所述主焦点腰不位于正在被加工的所述目标上或 所述目标内。
13. 根据权利要求12所述的方法，该方法还包括以下步骤： 调整所述焦点，使得位于所述主焦点腰下方或上方的所述斑点具有总是比形成在所述 目标中的丝的直径大的直径。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述目标可以包括一个或一组分层结构的透 明晶片、板或衬底，并且 其中，对所述目标的加工是以任何深度开始并且在所述分层结构的所述一组晶片、板 或衬底中的任一个中钻出停止孔或通孔。
15. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述目标可以包括一个或一组分层结构的透 明晶片、板或衬底，并且 其中，对所述目标的加工是以任何深度开始并且在所述分层结构的所述一组晶片、板 或衬底中的任一个中钻出停止孔或通孔。
16. 根据权利要求12所述的方法，其中，按照使所述次焦点腰的所述通量等级有足够 的强度和数量的方式选择所述聚焦组件，以确保所述光声压缩加工传播穿过所述目标的所 需体积。
17. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述激光脉冲具有适当的突发频率以保持由 之前的脉冲与所述目标交互而产生的选择的瞬时效应，所述激光脉冲具有比大约10纳秒 小的脉冲宽度。
18. 根据权利要求10所述的方法，该方法包括在施加激光脉冲突发之前向所述材料的 表面施敷牺牲层。
19. 一种用于加工透明目标材料的光声压缩方法，该方法包括以下步骤： 通过选择的分布式聚焦透镜聚焦组件从激光源施加具有合适的波长、合适的突发脉冲 重复速率以及合适的突发脉冲能量的激光脉冲的至少一个突发； 在调整所述分布式聚焦透镜聚焦组件关于所述激光源的相对距离和/或角度之后，向 所述目标传递所述激光脉冲使得在分布式聚焦配置中聚焦所述激光脉冲，从而产生主焦点 腰和至少一个次焦点腰，其中，被传递到所述目标的所述激光脉冲能量超过发起由克尔效 应引起的自聚焦所需的临界能量等级，使得在所述目标中产生丝并且通过由所述次焦点腰 输入的额外能量开始光声压缩加工并且然后在所述材料中传播光声压缩加工，并且其中， 输入的总能量等级低于对所述目标材料开始基于烧蚀或蒸发的加工所需的等级。
【文档编号】B23K26/382GK104339083SQ201410379877
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年8月4日 优先权日:2013年8月2日
【发明者】S·A·侯赛尼, 罗正恩, G·阿尔贝罗 申请人:罗芬-新纳技术公司