电/机械微芯片以及使用超快激光脉冲群的制造方法
【专利说明】
[0001] 本专利申请要求2013年11月19日提交的美国临时专利申请序列号61906326的 优先权和权益。2013年11月19日提交的美国临时专利申请序列号61906326在此全文引 作参考。
[0002] 本专利申请要求2013年11月19日提交的美国临时专利申请序列号61906315的 优先权和权益。2013年11月19日提交的美国临时专利申请序列号61906315在此全文引 作参考。
技术领域
[0003] 本发明涉及一种被极大地小型化的低成本的电/机械微芯片。
【背景技术】
[0004] 本发明涉及一种被极大地小型化的低成本的电/机械微芯片。通过本发明制造的 微芯片适合于一次使用。从透明材料中进行材料选择，透明材料诸如是玻璃、Si、LiTi0 3、 LiNbO3、透明陶瓷、聚合物、透明导体、宽带隙玻璃、晶体、晶态石英、金刚石（天然或人造 的）、蓝宝石、稀土配方、用于显示器的金属氧化物以及具有或不具有涂层的处于抛光或未 抛光情形的非晶氧化物。它们在制造时使用加工透明目标基板的、包括通过超快激光脉冲 群成丝（filamentation)的方法和装置。
[0005] 对于诸如生物芯片和MEMS装置的电/机械微芯片持续的小型化，具有极大的需 求。微机电系统（MEMS)是一种极小装置的技术。可使用传统光刻工艺在基板中形成电子 装置，传统光刻工艺包括施加光刻胶、掩模，用光使光刻胶的一部分酰亚胺化，湿蚀刻和干 蚀刻等。用于制造 MOSFET的方法包括施加光刻胶，进行掩模和蚀刻。参见例如2008年6 月24发布的Hunter等人的美国专利No. 7, 389, 675。
[0006] 微流体通道的产生通常使用浇铸成型，并且用玻璃板覆盖样品并进行粘结。其他 人尝试使用激光变更和蚀刻在块状玻璃中制造微通道，但没有取得成功。
[0007] 不仅是降低了材料的成本，而且在更小空间内还允许更大的系统复杂度。微制造 主要涉及机械钻孔或划线方法，和/或激光微机械加工，激光修正，化学蚀刻，掩模和电镀 以及成型技术。较厚的基板对于底层结构是必要的，这些方法通常是精确的，不过更高水平 的小型化将需要更大的精度。
[0008] 今后，可以在更薄基板上构造的具有更小功能元件（诸如电路、部件固定点、流体 /气体路径、颗粒分离器/过滤器等）的电/机械微芯片将满足电/机械微芯片工业的长期 需要。这种新型发明利用和结合了独特且新型结构的新型技术，克服了上述问题，并且实现 其目的。
【发明内容】
[0009] 随后将更详细地描述的本发明的一般目的在于提供一种小型化的电/机械微芯 片，其利用新技术和材料，将其制造和成本极大地简化到用完即抛的单次使用微芯片的水 平。该芯片可以用于手持式装置或机器中，作为样品保持器和分析器，并且在主模块中可以 进行进一步处理。该芯片在每次使用之后可以被丢弃。或者，可以将其设计成工作在危险 区域中作为无线检测器或分析器。
[0010] 通过本发明的方法执行完全穿过基板钻孔，或者在基板中钻一个停止孔（stopped orifice)。此外，通过本发明的方法在玻璃（或其他透明材料中）加工通道。涉及通过超快 激光脉冲群形成细丝的材料加工技术，通过对激光器参数进行特殊的调节，并结合产生多 个不同焦点的分布式聚焦透镜组件，其中主焦点腰部从不处于透明基板目标的表面中或表 面上，以便在透明基板目标材料中产生细丝，其在透明基板目标材料的堆叠阵列的任何或 每一个构件中产生出孔，其中在期望晶片、板或基板内的期望的起始点和终止点处，孔具有 规定的深度和宽度。虽然本发明主要关注钻孔，不过此处所述的系统和方法同样可应用于 通过连续移动激光束对目标进行钻、切割、切断、通道形成、存储器形成和划线的加工处理， 用于在基板内形成钻孔细丝。这种加工可以是非线性构造，由此加工不限于平面基板。
[0011] 此处披露的加工方法产生更少的浪费，并且与现有技术所能实现的相比，允许进 行更复杂的切割。更特别地，使用利用一个超快激光脉冲群或多个群的干涉的新颖方法，可 以在多层电/机械微芯片的任何基板层中加工出路径以及部件安装和操作空间，其中激光 和聚焦参数已经通过调节，以便在材料内产生细丝，其可以在期望的起点和期望的终点处 产生指定深度和宽度的孔。
[0012] 披露了一种新颖且独特的技术在诸如硼硅酸盐玻璃、Si晶片、玻璃或蓝宝石的透 明材料中或穿过这些透明材料，产生纳米到微米量级尺寸的孔和宽度切割。其具有此前提 到的多个优点和许多新颖的特征，导致制造廉价的小型化电/机械微芯片的新颖方法，这 些是任何现有技术，无论是单独还是任何组合所不能预见、显而易见地提出、建议异或暗示 的。特别是，其相对于现有技术提供了的显著的进步，在于这些装置可以被更加精确、廉价、 更薄和更小型地制造。这种加工提供了更平滑的切割表面，最小限度的微裂缝延伸，产生更 长/更深的孔，非锥形孔，非线性吸收，具有恒定内径的孔，最小入口扭曲和减小邻接损坏。
[0013] 在本说明的结论部分中具体提出并清楚地要求保护本发明的目的。不过，参照下 面结合附图的描述，可以更好地理解该构造和操作方法以及其进一步的优点和目的，在附 图中相同附图标记表示相同元件。下面更详细地讨论本发明的其他目的、特征和方面。
【附图说明】
[0014] 图1是现有技术烧蚀激光加工装置的示意图，其中主焦点出现在透明基板的顶面 处；
[0015] 图2是通过图1的加工装置所形成的孔的透视图；
[0016] 图3是现有技术烧蚀激光加工装置的代表性侧视图，其中主焦点出现在透明基板 的顶面的下面；
[0017] 图4是通过图3的激光加工装置所成的孔的透视图；
[0018] 图5是图1的激光装置所烧蚀加工的孔的代表性侧视图，其中主焦点出现在透明 基板的顶面处；
[0019] 图6是本发明的激光加工装置的示意图，其中主焦点出现在透明基板的顶面以 上；
[0020] 图7是通过本发明的激光加工装置在透明基板中所形成的孔划线的透视图； [0021] 图8是通过图6的装置所钻出的两个孔的代表性侧视图；
[0022] 图9是现有技术烧蚀激光钻孔装置的示意图；
[0023] 图10是本发明的示意图；
[0024] 图11是利用分布式聚焦透镜装置的本发明的示意图；
[0025] 图12是利用分布式聚焦透镜装置的本发明的示意图；
[0026] 图13是利用分布式聚焦透镜装置的本发明以及焦点腰部（focal waist)的分布 的示意图，其中主焦点处于目标物之上；
[0027] 图14是利用分布式聚焦透镜装置的本发明以及焦点腰部的分布的示意图，其中 主焦点处于目标物之下；
[0028] 图15是图13的本发明的示意图，其中已经钻出了孔；
[0029] 图16是利用分布式聚焦透镜装置的本发明以及焦点腰部的分布的示意图，其中 主焦点处于多个目标之下；
[0030] 图17-19表示三种不同的激光能量分布构造；
[0031] 图20是激光加工系统的示意图；
[0032] 图21是用于图20的激光加工系统的控制和处理单元的示意图；
[0033] 图22和23表示使用非远心和远心透镜的X-Y扫描仪；
[0034] 图24表不产生与工件材料表面成一定夹角的细丝的可选的实施例；
[0035] 图25表示适合于部件分离的一种示例性激光器系统的设备布置图；
[0036] 图26(a)-图26(d)表示用于制造图26(e)中所示成角度边缘的角度切割方法；
[0037] 图26 (e)示出成角度边缘；
[0038] 图27是已经加工形成贯穿的锥形孔的透明平板基板晶片的透视图；
[0039] 图28是已经加工形成贯穿的颗粒分离器或过滤器的透明平板基板晶片的透视 图；
[0040] 图29是已经加工形成贯穿的收集漏斗的透明平面基板晶片的透视图；
[0041] 图30是已经加工形成孔以接收插入物的透明平面基板晶片的透视图；
[0042] 图31是已经加工形成通过晶片的路径的透明平面基板晶片的透视图；
[0043] 图32