激光成絲在透明材料中非燒蝕光聲壓縮加工的方法和裝置制造方法
【專利摘要】激光成絲在透明材料中非燒蝕光聲壓縮加工的方法和裝置。一種利用沿著縱向光束軸以分布式的方式聚焦入射激光光束的光學(xué)結(jié)構(gòu)通過激光成絲在材料中處理孔的裝置、系統(tǒng)和方法。所述分布式聚焦方法使得能夠在長距離形成絲，并且調(diào)整激光和聚集參數(shù)來決定絲的傳播和終點(diǎn)從而產(chǎn)生單端/雙端停止孔或通孔。從堆疊的或巢狀結(jié)構(gòu)中選擇的透明襯底可以具有在該襯底內(nèi)或者穿過該襯底所形成的孔而不影響鄰近的襯底。這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導(dǎo)體中的形成具有遠(yuǎn)超10毫米的長度的絲。
【專利說明】激光成絲在透明材料中非燒蝕光聲壓縮加工的方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及用于在任何深度處開始或者在一組堆疊的晶片、一組板或襯底的任一 個(gè)中鉆出停止孔（Stopped orifice)或通孔的非燒蝕方法和裝置，所述一組堆疊的晶片、一 組板或襯底主要是諸如玻璃、藍(lán)寶石、硅的透明材料，但不限于此，使得所述孔和周邊材料 的結(jié)構(gòu)特性超過現(xiàn)有技術(shù)中已知的特性。

【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于在諸如由玻璃或聚碳酸酯制成的透明襯底中鉆出多個(gè)孔而言，存在巨大 的需求。被鉆孔的襯底的一種應(yīng)用是被用作用于空氣監(jiān)測、顆粒監(jiān)測、細(xì)胞學(xué)、趨化性 (chemotaxis)、生物測定等的過濾器。這些通常需要直徑在幾百納米到幾十微米的孔，并且 當(dāng)批量生產(chǎn)時(shí)，這些孔保持彼此相同并且具有保持穩(wěn)定的孔與表面積的比率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 技術(shù)問題
[0004] 當(dāng)前，現(xiàn)有技術(shù)的材料處理系統(tǒng)通過金剛石鉆孔或諸如燒蝕加工、結(jié)合的激光加 熱和冷卻以及高速激光刻劃等的激光曝光技術(shù)在諸如玻璃的襯底中產(chǎn)生孔。如下所述，所 有這些現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)具有低吞吐次數(shù)，無法對(duì)很多新的異類襯底材料起作用，具有多層襯 底堆疊的不透明性問題，無法獲得所尋求的緊密孔間距，使材料中的裂縫蔓延或者使得孔 側(cè)以及圍繞起始點(diǎn)的表面具有不可接受的表面粗糙度。
[0005] 在當(dāng)前的制造中，對(duì)晶片或玻璃板進(jìn)行分離（singulation)、處理來產(chǎn)生孔通常依 賴于金剛石切割路線選擇（routing)或鉆孔。
[0006] 激光燒蝕加工是針對(duì)分離、切塊（dicing)、刻劃（scribing)、切割（cleaving)、切 (cutting)及切割面（facet)處理而言積極發(fā)展的領(lǐng)域，但是特別在透明材料中具有諸如 處理速度慢、產(chǎn)生裂縫、燒蝕碎片污染以及中等尺寸的切口寬度的缺陷。此外，激光相互酌 (laser interaction)期間的熱傳輸能夠?qū)е麓蠓秶母綆釗p傷（即，熱影響區(qū)域）。盡 管激光燒蝕處理能夠通過選擇具有被媒介強(qiáng)吸收的波長的激光（例如，深UV準(zhǔn)分子激光或 遠(yuǎn)紅外CO 2激光）而得到極大地改善，但由于在該物理燒蝕處理中固有的積極的相互酌，上 述缺陷無法被消除。
[0007] 另選地，還可以通過縮短激光脈沖的持續(xù)時(shí)間來改善透明媒介表面處的激光燒 蝕。這對(duì)于在處理媒介內(nèi)部透明的激光尤其有益。當(dāng)聚焦在透明材料上或內(nèi)部時(shí)，高的激 光強(qiáng)度引起非線性吸收效果以提供動(dòng)態(tài)的不透明，所述動(dòng)態(tài)不透明度能夠被控制以將合適 的激光能量精確地投入到由焦體（focal volume)所定義的小體積材料中。短的脈沖持續(xù) 時(shí)間比較長持續(xù)時(shí)間的激光脈沖提供了多個(gè)進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)，諸如在這種激光脈沖的短得多的 時(shí)間量程中通過少量的熱擴(kuò)散和其它熱傳輸效果來消除等離子體反射并且減少附帶損傷。 因此，在不透明和透明材料這兩者的加工中，飛秒和皮秒激光燒蝕提供顯著的益處。然而， 使用短至數(shù)十或數(shù)百飛秒的脈沖對(duì)透明材料進(jìn)行加工還與激光形成的孔或溝附近的粗糙 表面和微裂縫的形成相關(guān)聯(lián)，這對(duì)于像Alumnia玻璃這種摻雜了電介質(zhì)和光學(xué)晶體的易碎 材料而言特別成問題。此外，燒蝕碎片將污染附近的樣品和周圍表面。
[0008] -種為了形成孔而對(duì)玻璃和相關(guān)材料進(jìn)行切削或刻劃的無切口方法依賴于激光 加熱和冷卻的結(jié)合，例如利用CO 2激光器和噴水器。在非常近距離地加熱和冷卻的適當(dāng)條 件下，產(chǎn)生高的拉伸應(yīng)力，其導(dǎo)致了深入材料內(nèi)部的裂縫，并且通過簡單地在表面檢查激光 冷卻源，這些裂縫可以沿靈活的曲線軌跡傳播。這樣，熱應(yīng)力導(dǎo)致的刻劃提供材料的干凈分 割且沒有機(jī)械刻劃或金剛石鋸的缺點(diǎn)，并且沒有產(chǎn)生碎片的激光燒蝕分量。然而，該方法依 賴于應(yīng)力導(dǎo)致的裂縫形成來引導(dǎo)刻劃以及啟動(dòng)裂縫形成的機(jī)械的或激光裝置。持續(xù)時(shí)間短 的激光脈沖通常提供以下益處：能夠在透明材料內(nèi)部有效地傳播，并且在透鏡的焦點(diǎn)位置 通過非線性吸收過程在塊體內(nèi)局部地引起修改。然而，通過線性和非線性效應(yīng)的共同作用 的激光脈沖的空間和時(shí)間剖面（profile)的強(qiáng)烈改造使得在透明光學(xué)媒介中超速激光脈沖 (>5麗峰值功率）的傳播復(fù)雜化，該線性和非線性效應(yīng)諸如群速度色散（GVD)、線性衍射、自 相位調(diào)制（SPM)、自聚焦、從價(jià)帶到導(dǎo)帶的電子的多光子/隧道電離（MPI/TI)、等離子體散 焦、以及自陡峭效應(yīng)。這些效應(yīng)放出的不同程度取決于激光參數(shù)、材料的非線性特性、以及 進(jìn)入該材料內(nèi)的聚焦條件。
[0009] 存在針對(duì)平板顯示器（FPD)玻璃的高速刻劃技術(shù)。具有倍頻780nm、300fs、100 μ J 輸出的IOOkHz鈦寶石啁啾脈沖放大激光器被聚焦在玻璃襯底的后表面附近以超過玻璃的 損傷閾值，并通過材料的光學(xué)擊穿而產(chǎn)生空隙。由于激光的高重復(fù)速率，空隙到達(dá)背表面。 連接起來的空隙產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力和損壞以及表面燒蝕，這便于通過機(jī)械應(yīng)力或熱沖擊沿激光 刻劃線的方向切塊。雖然該方法可能提供300mm/s的快刻劃速度，它存在有限的切口寬度、 表面損壞、切割面粗糙以及由于內(nèi)部形成的空隙到達(dá)表面而產(chǎn)生的燒蝕碎片。
[0010] 如上所述，雖然激光處理已經(jīng)成功地克服了與金剛石切割有關(guān)的很多局限，新的 材料成分已經(jīng)使得晶片和板不能被激光刻劃。
[0011] 今后，一種用于從上表面或下表面開始在透明材料中鉆出通孔或停止孔的避免了 現(xiàn)存已知系統(tǒng)的缺陷的快速、經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)將會(huì)滿足材料處理領(lǐng)域長遠(yuǎn)的需求。這個(gè)新的發(fā) 明以一種獨(dú)特和新穎的配置利用并結(jié)合已知的和新的技術(shù)來克服前述問題并實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
[0012] 技術(shù)方案
[0013] 將在后續(xù)進(jìn)行更詳細(xì)地描述的本發(fā)明的一般目的是提供一種使用具有激光參數(shù) 的具體調(diào)整的超速激光脈沖突發(fā)的激光成絲結(jié)合分布式聚焦透鏡組件在通常是諸如Si晶 片的半導(dǎo)體材料或諸如玻璃或藍(lán)寶石的材料的透明襯底中產(chǎn)生孔的裝置和方法，所述分布 式聚焦透鏡組件產(chǎn)生多個(gè)不同的焦點(diǎn)，其中主焦點(diǎn)腰不會(huì)駐留在目標(biāo)中或目標(biāo)的表面上； 使得在材料中產(chǎn)生絲，所述絲在材料的堆疊陣列的任一個(gè)或每一個(gè)構(gòu)件中生成孔，其中，所 述孔在期望的晶片、板或襯底內(nèi)部的期望的開始點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)處具有特定的深度和寬度。雖 然本公開主要關(guān)注于鉆孔，但需要理解的是，這里描述的系統(tǒng)和方法可以等同地適用于對(duì) 目標(biāo)進(jìn)行鉆孔、切塊、切割和刻劃的加工處理。
[0014] 一種在任何深度處開始或者在一組堆疊的晶片、板或襯底的任一組中鉆出停止孔 或通孔的方法和裝置，使得所述孔和周邊材料的結(jié)構(gòu)特性超過現(xiàn)有技術(shù)已知的特性，所述 一組堆疊的晶片、板或襯底主要是但不限于透明材料。更具體地，涉及通過一種利用超速激 光脈沖突發(fā)干涉的新穎方法在材料的堆疊陣列的任一個(gè)或每一個(gè)構(gòu)件中形成多個(gè)孔的裝 置和方法，其中，調(diào)整激光和聚焦參數(shù)來產(chǎn)生材料內(nèi)部的絲，所述絲能夠在期望的起始點(diǎn)和 終結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生特定深度和寬度的孔。
[0015] 有益效果
[0016] 公開了在諸如硅晶片、玻璃或藍(lán)寶石的透明材料中或者穿過該透明材料生成納米 到毫米級(jí)的孔的新穎和獨(dú)特的技術(shù)。它具有很多上述提到的優(yōu)點(diǎn)以及很多新穎的特征，得 到了一種在材料中產(chǎn)生非燒蝕鉆孔的新方法，該方法沒有被任何現(xiàn)有技術(shù)單獨(dú)地或者它們 的結(jié)合所預(yù)期、使其明顯、建議、或者甚至隱含公開。具體地，該方法相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)提供了 以下顯著優(yōu)點(diǎn)：更光滑的孔邊、最小的微裂縫蔓延、更長/更深的孔生成、非錐形孔、非線性 吸收、以及具有一致的內(nèi)部直徑、最小的入口畸變以及減少的附帶損傷的孔。
[0017] 在說明書結(jié)束的部分特別指出并清楚地要求了本發(fā)明的主題。然而，參照接下來 的描述并結(jié)合附圖可以最好的理解本發(fā)明的組織和操作方法以及進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)和目的這 兩者，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。以下會(huì)更詳細(xì)地討論本發(fā)明的其它目的、特征 和方面。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)的燒蝕激光鉆孔裝置的示意圖，其中主焦點(diǎn)出現(xiàn)在該透明襯底的 上表面處；
[0019] 圖2是由圖1的鉆孔裝置形成的孔的透視圖；
[0020] 圖3是現(xiàn)有技術(shù)的燒蝕激光鉆孔裝置的代表性側(cè)視圖，其中主焦點(diǎn)出現(xiàn)在透明襯 底的上表面的下方；
[0021] 圖4是由圖3的鉆孔裝置形成的孔的透視圖；
[0022] 圖5是如圖1的激光裝置燒蝕鉆孔的孔的代表性側(cè)視圖，其中主焦點(diǎn)出現(xiàn)在透明 襯底的上表面處；
[0023] 圖6是本發(fā)明的激光鉆孔裝置的示意圖，其中主焦點(diǎn)出現(xiàn)在透明襯底的上表面的 上方；
[0024] 圖7是透明襯底中的由本發(fā)明的激光鉆孔裝置形成的孔刻劃的透視圖；
[0025] 圖8是由圖6的的激光裝置鉆出的兩個(gè)孔的代表性側(cè)視圖；
[0026] 圖9是現(xiàn)有技術(shù)的燒蝕激光鉆孔裝置的示意圖；
[0027] 圖10是本發(fā)明的示意圖，其中為了清楚起見未修正并進(jìn)行了放大；
[0028] 圖11是利用分布式聚焦透鏡裝置的本發(fā)明的視圖；
[0029] 圖12是利用分布式聚焦透鏡裝置的本發(fā)明的視圖；
[0030] 圖13是利用分布式聚焦透鏡裝置和分布式聚焦腰的本發(fā)明示意圖，其中主焦點(diǎn) 在目標(biāo)的上方；
[0031] 圖14是利用分布式聚焦透鏡裝置和分布式聚焦腰的本發(fā)明示意圖，其中主焦點(diǎn) 在目標(biāo)的下方；
[0032] 圖15是圖13的本發(fā)明的示意圖，其中已經(jīng)鉆出了孔；
[0033] 圖16是利用分布式聚焦透鏡裝置和分布式聚焦腰的本發(fā)明示意圖，其中主焦點(diǎn) 在多個(gè)目標(biāo)的下方；
[0034] 圖17至圖19示出了激光能量的分布的三種不同配置。

【具體實(shí)施方式】
[0035] 已經(jīng)寬泛地概括了本發(fā)明更重要的特征使得接下來的本發(fā)明的詳細(xì)說明書能夠 被更好地理解并且使得對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)能夠被更好地了解。當(dāng)然，本發(fā)明的附加特征將 要在下文進(jìn)行描述并且它們將形成所附權(quán)利要求的主題。
[0036] 本公開的各種實(shí)施方式和方面將參照下面討論的細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。以下的說明書和 附圖是本公開的說明而不被解釋為限制本公開。描述了大量具體的細(xì)節(jié)來提供本公開的各 種實(shí)施方式的透徹的理解。然而，在某些實(shí)例中，沒有描述公知的或常規(guī)的細(xì)節(jié)以提供對(duì)本 公開實(shí)施方式的簡潔的討論。
[0037] 為此，在詳細(xì)解釋本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式之前，需要理解的是本發(fā)明并不將 其應(yīng)用限制于在以下描述或圖形例示中闡述的構(gòu)造的細(xì)節(jié)以及部件的布局。本發(fā)明能夠采 用其他實(shí)施方式并且以各種方式實(shí)踐和實(shí)現(xiàn)。并且，需要理解的是這里采用的措辭和術(shù)語 是用于說明的目的而不應(yīng)被當(dāng)作限制。
[0038] 除非另外定義，這里使用的所有技術(shù)和科技術(shù)語意味著具有本領(lǐng)域技術(shù)人員通常 理解的含義。除非另外指出，如這里使用的，諸如通過上下文，以下術(shù)語意味著具有下列含 乂：
[0039] 如這里所使用的，術(shù)語燒蝕鉆孔是指采用激光束對(duì)目標(biāo)表面進(jìn)行照射來進(jìn)行加工 (通常通過移除材料對(duì)襯底進(jìn)行切割或鉆孔）的方法。在低的激光通量，材料被吸收的激光 能量加熱并且蒸發(fā)或升華。在高的激光通量，材料一般被轉(zhuǎn)換成等離子體。通常，激光燒蝕 是指采用脈沖激光來去除材料，但是如果激光強(qiáng)度足夠高，也能夠采用連續(xù)波激光束來燒 蝕材料。燒蝕鉆孔或切割技術(shù)的特點(diǎn)是產(chǎn)生碎片場、在材料去除過程期間在一些點(diǎn)處存在 液相/融化相、在入口和/或出口處產(chǎn)生噴出物堆。
[0040] 如這里所使用的，術(shù)語"光聲鉆孔"是指通過采用在燒蝕鉆孔或切割技術(shù)中使用的 較低脈沖能量光束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射以對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行加工（通常通過從立方體對(duì)襯底進(jìn)行 切割或鉆孔）的方法。通過光吸收和隨后的熱彈性擴(kuò)張的過程，在被照射的材料內(nèi)部產(chǎn)生 寬帶聲波以圍繞光束傳播軸（與孔的軸相同）在材料中形成被壓縮材料的路徑，該路徑的 特征在于光滑壁的孔、最小化的或被消除的噴出物和材料中形成的微裂紋最小化。
[0041] 如這里所使用的，術(shù)語"光效率"是指在聚焦元件或組件的通光孔徑處主焦點(diǎn)腰處 的通量與總?cè)肷渫康谋嚷省?br> [0042] 如這里所使用的，術(shù)語"透明"意味著對(duì)于入射光束至少部分透明的材料。更優(yōu)選 地，透明襯底的特征在于吸收深度足夠大以支持根據(jù)這里描述的實(shí)施方式由入射光束產(chǎn)生 的內(nèi)部絲改性陣列。換句話說，具有使得入射光束的至少一部分在線性吸收狀況透過的吸 收頻譜和厚度的材料。
[0043] 如這里所使用的，術(shù)語"絲改性區(qū)域"是指在襯底內(nèi)的絲區(qū)域，其特征在于是由光 束路徑限定的壓縮區(qū)域。
[0044] 如這里所使用的，短語"突發(fā)"、"突發(fā)模式"或"突發(fā)脈沖"是指具有比激光的重復(fù) 周期實(shí)際更小的相對(duì)時(shí)間間隔的激光脈沖的集合。需要理解的是，突發(fā)內(nèi)的脈沖之間的時(shí) 間間隔可以是恒定的或可變的，并且突發(fā)內(nèi)的脈沖的幅度可以是可變的，例如，為了在目標(biāo) 材料內(nèi)產(chǎn)生最優(yōu)的或預(yù)定的絲改性區(qū)域。在一些實(shí)施方式中，脈沖的突發(fā)可以隨著組成突 發(fā)的脈沖在強(qiáng)度或能量上的變化來形成。
[0045] 如這里所使用的，短語"幾何焦點(diǎn)"是指基于透鏡的曲率常規(guī)光學(xué)路徑，光沿著該 路徑傳輸，其中光束腰根據(jù)光學(xué)通用的簡單透鏡方程定位。該短語用于區(qū)別光學(xué)聚焦和收 縮事件，所述光學(xué)聚焦由透鏡的位置以及透鏡彼此之間的關(guān)系來產(chǎn)生，所述收縮事件由目 標(biāo)材料中的熱變形產(chǎn)生，它提供有效的可達(dá)15mm量級(jí)的準(zhǔn)瑞利長度，這是特別不常見的并 且與本發(fā)明的創(chuàng)造性本質(zhì)有關(guān)。
[0046] 如這里所使用的，術(shù)語"襯底"是指玻璃或半導(dǎo)體并且可從由透明陶瓷、聚合物、 透明導(dǎo)體、寬帶隙玻璃、晶體、結(jié)晶石英、金剛石、藍(lán)寶石、稀土配方、用于顯示器的金屬氧化 物、有光澤或無光澤的具有或不具有涂層的非晶質(zhì)氧化物所組成的組中選出，并且旨在涵 蓋它們的任何幾何結(jié)構(gòu)，諸如但不限定于板或晶片。所述襯底可以包括兩層或更多層，其中 聚焦的激光束的光束焦點(diǎn)的位置被選擇以在兩個(gè)或更多個(gè)層的至少一個(gè)內(nèi)產(chǎn)生絲陣列。多 層襯底可以包括多層平板顯示器玻璃，諸如液晶顯示器（LCD)、平板顯示器（FPD)以及有機(jī) 發(fā)光顯不器（OLED)。襯底還可以從由汽車玻璃、管、窗、生物芯片、光學(xué)傳感器、平面光波電 路、光學(xué)纖維、飲用玻璃器皿、藝術(shù)玻璃、硅、III -V族半導(dǎo)體、微電子芯片、存儲(chǔ)芯片、傳感 器芯片、電光透鏡、平面顯示器、需要強(qiáng)的覆蓋材料的手持計(jì)算裝置、發(fā)光二極管（LED)、激 光二極管（LD)、以及垂直空腔表面發(fā)射激光器（VCSEL)所組成的組中選出。目標(biāo)或目標(biāo)材 料通常從襯底選出。
[0047] 如這里所使用的，術(shù)語"主焦點(diǎn)腰"(principal focal waist)是指在最終聚焦（在 光線入射到目標(biāo)之前穿過最終光學(xué)元件組件之后）后光束的最緊密聚焦和最強(qiáng)聚焦強(qiáng)度。 它還可以與術(shù)語"主焦點(diǎn)"互換地使用。術(shù)語"次聚焦腰"是指在具有比主焦點(diǎn)腰的強(qiáng)度弱 的分布式光束中的其它焦點(diǎn)的任一個(gè)。它還可以與"次聚焦"或"次焦點(diǎn)"互換地使用。 [0048] 如這里所使用的，術(shù)語"絲"是指傳播穿過媒介的任何光束，其中能夠觀察或測量 到克爾效應(yīng)。
[0049] 如這里所使用的，"激光成絲"是指通過使用激光在材料中產(chǎn)生絲的行為。
[0050] 如這里所使用的，術(shù)語"犧牲層"是指以可被去除的方式施加到目標(biāo)材料的材料。
[0051] 如這里所使用的，術(shù)語"機(jī)械加工"或"修改"包含對(duì)目標(biāo)或襯底的表面或體積進(jìn) 行鉆孔、切割、刻劃或切塊的處理。
[0052] 如這里所使用的，術(shù)語"聚焦分布"是指穿過透鏡組件的入射光線的時(shí)空分布，該 透鏡組的集合是正透鏡?？傮w上，這里討論了有用強(qiáng)度的斑點(diǎn)的后續(xù)會(huì)聚作為離開聚焦透 鏡的中心距離的函數(shù)。
[0053] 如這里所使用的，術(shù)語"臨界能量級(jí)"、"門限能量級(jí)"及"最小能量級(jí)"都指的是必 須投入目標(biāo)內(nèi)或投放到目標(biāo)上以啟動(dòng)在目標(biāo)材料中的瞬態(tài)過程的發(fā)生的最小量的能量，這 些瞬態(tài)過程諸如但不限于燒蝕加工、光聲加工以及克爾效應(yīng)。
[0054] 如這里所使用的，術(shù)語"像差（aberrative)透鏡"是指不是完美透鏡的聚焦透鏡， 其中，在X平面中的透鏡曲率不等于y平面中的透鏡曲率，從而使用穿過透鏡的入射光而產(chǎn) 生分布式聚焦圖案。正的像差透鏡是聚焦會(huì)聚透鏡，并且負(fù)的像差透鏡是聚焦分散透鏡。
[0055] 如這里所使用的，術(shù)語"包括"應(yīng)被理解為開放性的包括而不是排它性的。具體地， 當(dāng)被用在說明書和權(quán)利要求書中時(shí)，術(shù)語"包括"及其變型指的是包括特定的特征、步驟或 部件。這些術(shù)語不應(yīng)被理解為排除其它的特征、步驟或部件的存在。
[0056] 如這里所使用的，術(shù)語"示例性的"指的是"作為示例、實(shí)例或說明"，而不應(yīng)被理解 為優(yōu)選的或優(yōu)于這里公開的其它配置。
[0057] 如這里所使用的，術(shù)語"大約"和"大概"是指覆蓋取值范圍的上限和下限中可能存 在的變化，諸如特性、參數(shù)和尺寸的變化。在一個(gè)非限制性的實(shí)施例中，術(shù)語"大約"和"大 概"是指加上或減去10 %或更少。
[0058] 本發(fā)明的主要目的是提供快速、可靠和經(jīng)濟(jì)的非燒蝕激光加工技術(shù)在目標(biāo)材料中 啟動(dòng)孔（停止孔/盲孔或通孔），可以通過超速激光脈沖突發(fā)成絲在單個(gè)或多個(gè)堆疊的目標(biāo) 材料的下方或上方啟動(dòng)孔。通過積極驅(qū)動(dòng)多光子、隧道電離和電子雪崩過程，超短激光提供 高強(qiáng)度來微加工、修改、并干凈地處理表面。當(dāng)前的問題是如何在目標(biāo)的透明材料中投入足 夠能量，所述能量比在燒蝕鉆孔中使用的能量小，但是超過發(fā)起并保持光聲壓縮的臨界能 量級(jí)，從而在材料中的焦點(diǎn)處產(chǎn)生改變折射指數(shù)的絲并且不會(huì)遭遇光學(xué)擊穿（如現(xiàn)有技術(shù) 的燒蝕鉆孔系統(tǒng)所遭遇的），使得激光束在目標(biāo)材料中的持續(xù)再聚焦能夠持續(xù)長的距離，足 夠使得多個(gè)堆疊的襯底能夠同時(shí)被鉆孔，所述孔具有在鉆孔的距離上可忽略的錐度、相對(duì) 光滑的孔壁并且能夠在目標(biāo)材料的上方、下方或內(nèi)部發(fā)起。
[0059] 通常，在現(xiàn)有技術(shù)中，利用在材料的上方、內(nèi)部或表面處被聚焦成單個(gè)主焦點(diǎn)的高 能量脈沖激光束的激光燒蝕技術(shù)被用于加工透明材料。如圖1所示，入射激光束2穿過聚 焦組件，從而穿過最終聚焦透鏡4以在目標(biāo)10的表面上聚焦具有焦點(diǎn)腰8的非分布式的光 束6。從圖3可以看出，可選地，該非分布式的光束可以被聚焦為使得焦點(diǎn)腰駐留在目標(biāo)的 內(nèi)部。通常，這些技術(shù)使用理想的球形聚焦透鏡12,也就是說，在X平面的曲率等于在y平 面的曲率（Cx = Cy)的非像差透鏡，或者采用產(chǎn)生如圖9所示的具有單個(gè)焦點(diǎn)14的分布式 光束的聚焦元件組件。這產(chǎn)生緊密的光束斑點(diǎn)，該光束斑點(diǎn)然后被傳遞到目標(biāo)材料10的上 面（圖1)或內(nèi)部（圖3)。圖2例示了采用圖1的技術(shù)切出的加工后的槽16的幾何形狀， 并且圖4例示了采用圖3的技術(shù)制造的長圓形孔18的幾何形狀。
[0060] 的強(qiáng)超速激光脈沖在不同光學(xué)媒介中的傳播已經(jīng)被很好的研究。材料的非線性折 射指數(shù)是激光強(qiáng)度的函數(shù)。使強(qiáng)激光脈沖具有高斯分布（其中脈沖的中央部分的強(qiáng)度高于 尾部的強(qiáng)度）是指由于激光束脈沖，材料的中央?yún)^(qū)域和周圍區(qū)域的折射指數(shù)不同。因此，在 這種激光脈沖的傳播期間，脈沖自動(dòng)地崩潰。這種非線性現(xiàn)象在本領(lǐng)域是已知的自聚焦。還 可以在該光束路徑中使用透鏡來促進(jìn)自聚焦。在聚焦區(qū)域中，激光束強(qiáng)度達(dá)到足以引起在 材料中產(chǎn)生等離子體的多次電離、隧道電離以及雪崩電離的值。等離子體引起該激光束散 焦并重新聚焦來形成下一個(gè)等離子體量。非分布式光束中的單焦點(diǎn)的固有問題是在激光脈 沖失去其所有能量并且無法再次聚焦之后該處理結(jié)束，如下面所討論的那樣。
[0061] 該燒蝕方法在材料10中產(chǎn)生達(dá)到30微米長度的絲，直到超過該材料的光學(xué)擊穿 門限并且發(fā)生了光學(xué)擊穿（OB) 16(圖9)。在OB時(shí)達(dá)到了最大門限通量（每單位面積傳遞 的能量，單位J/M2)并且孔直徑變窄并且燒蝕加工或鉆孔停止進(jìn)行到任何更深的地方。這是 使用現(xiàn)有技術(shù)方法的明顯缺陷，因?yàn)樗鼈兿拗屏丝杀汇@的孔的尺寸，造成粗糙的孔壁并導(dǎo) 致孔具有錐形22,所述錐形22在目標(biāo)10的上表面和下表面處具有不同的直徑（圖5)。這 是由于以下原因而發(fā)生：在燒蝕加工中，光束在目標(biāo)10的表面處具有中心焦點(diǎn)8,引起目標(biāo) 的局部加熱和熱擴(kuò)張，將材料10的表面加熱到沸點(diǎn)并產(chǎn)生鍵孔（keyhole)。鍵孔導(dǎo)致光學(xué) 吸收率隨著孔的變深而迅速加地突然增加。隨著孔變深以及材料沸騰，產(chǎn)生的蒸汽腐蝕融 化的壁，將噴出物20吹出并進(jìn)一步擴(kuò)大孔22。當(dāng)它發(fā)生時(shí)，隨著被燒蝕的材料的擴(kuò)張，被燒 蝕的材料向其下面的表面施加高壓脈沖。該效果類似于用錘子擊打表面并且易碎的材料很 容易破裂（此外，易碎的材料對(duì)于熱破裂特別敏感，熱破裂是在熱應(yīng)力破裂中被利用的特 征但是在鉆孔中并不需要）。當(dāng)碎片未被噴出、在孔22中產(chǎn)生氣泡或者有猛烈的燒蝕使孔 22的區(qū)域中的目標(biāo)破裂時(shí)，通常會(huì)達(dá)到OB。這些效果中的任一種或它們的結(jié)合導(dǎo)致光束6 從該點(diǎn)散開或者被完全吸收而未留下足夠的光束能量（通量）來進(jìn)一步向下鉆通材料10。 此外，這產(chǎn)生了被稱為燒蝕噴發(fā)堆20的畸變或粗糙，燒蝕噴發(fā)堆20在目標(biāo)襯底20的表面 處的初始點(diǎn)周圍被發(fā)現(xiàn)（圖5)。
[0062] 采用激光燒蝕技術(shù)的另一問題是它鉆出的孔不具有均勻的直徑，因?yàn)榧す馐z會(huì) 改變它的直徑（直徑是距離的函數(shù)）。這被描述為瑞利范圍并且是沿著光束傳播方向從焦 點(diǎn)腰到橫截面面積加倍的位置的距離。這導(dǎo)致了如圖2和圖5所示的錐形孔22。
[0063] 本發(fā)明解決了光學(xué)擊穿問題，將孔的粗糙度和燒蝕噴發(fā)堆減到最小，并消除了錐 形直徑孔。
[0064] 本公開提供了通過激光引起的光聲壓縮在透明材料中處理孔的裝置、系統(tǒng)和方 法。不同于已知的激光材料加工方法，本發(fā)明實(shí)施方式使用以分布式方式將入射光束2沿 著縱向光束軸聚焦的光學(xué)結(jié)構(gòu)，使得存在主焦點(diǎn)8和次焦點(diǎn)24(與孔的線性軸一致但是垂 直地從主焦點(diǎn)或焦點(diǎn)腰位移）的線性排列，以允許入射光束2傳播經(jīng)過材料10時(shí)入射光束 2的持續(xù)重新聚焦，從而使得能夠在材料10中沿著光束路徑產(chǎn)生改變折射指數(shù)的絲并且不 會(huì)遭遇光學(xué)擊穿（如在現(xiàn)有技術(shù)的使用或不使用基本絲的燒蝕鉆孔系統(tǒng)中所看到的），使 得激光束在目標(biāo)材料中的持續(xù)重新聚焦能夠持續(xù)長的距離（圖6)。
[0065] 通過利用分布式聚焦元件組件26產(chǎn)生次焦點(diǎn)24,并且通過將主焦點(diǎn)腰8的位置從 材料上或材料內(nèi)定位到材料10的外部，該分布式的聚焦方法允許"釋放"或減少從可在主 焦點(diǎn)腰處發(fā)現(xiàn)的入射光束2的不必要的能量。光束通量的釋放結(jié)合主焦點(diǎn)腰8和次焦點(diǎn)腰 24的線性排列使得能夠在遠(yuǎn)超過使用現(xiàn)有方法（并且遠(yuǎn)超Imm)所能取得的距離上形成絲 并同時(shí)保持足夠的激光強(qiáng)度（通量μ J/cm2)，來實(shí)現(xiàn)在絲域的整個(gè)長度上的實(shí)際修改和壓 縮。該分布式聚焦方法支持絲的形成，其中長度遠(yuǎn)超1毫米并且仍然保持低于材料的光學(xué) 擊穿門限的能量密度，具有足夠的強(qiáng)度以使得能夠穿過不同材料（諸如在目標(biāo)材料的層之 間的空氣或聚合物隙）對(duì)多個(gè)堆疊的襯底同時(shí)鉆孔，其中在鉆孔距離上具有可忽略的錐形 (圖7)并且能夠在目標(biāo)材料上方、下方或內(nèi)部發(fā)起相對(duì)平滑地圍著的孔壁。通過在加工孔 時(shí)相對(duì)地移動(dòng)目標(biāo)10,實(shí)現(xiàn)了在目標(biāo)10中傳播非錐形的壁狹縫23。
[0066] 激光脈沖的光學(xué)密度發(fā)起自聚焦現(xiàn)象并且產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的絲來在該絲的內(nèi)部/ 附近/周圍區(qū)域非燒蝕地發(fā)起光聲壓縮從而產(chǎn)生與絲一致的基本恒定的直徑的線性對(duì)稱 空隙，并且還造成與分布式光束的次聚焦腰輸入的能量耦合的激光脈沖的連續(xù)的自聚焦和 散焦形成絲，所述絲指引/引導(dǎo)穿過或通過目標(biāo)材料的特定區(qū)域的孔的形成。不需要從目 標(biāo)去除材料就能夠形成得到的孔，而是通過在形成的孔的周圍對(duì)該目標(biāo)材料進(jìn)行光聲壓縮 來形成。
[0067] 已知目標(biāo)10的表面處的通量等級(jí)是入射光束強(qiáng)度和特定的分布式聚焦元件組件 的函數(shù)，并且針對(duì)具體的目標(biāo)材料、目標(biāo)厚度、所需的加工速度、總的孔深度和孔直徑來調(diào) 整。此外，鉆出的孔的深度取決于吸收激光能量的深度，因此由單個(gè)激光脈沖去除的材料的 量取決于材料的光學(xué)特性以及激光的波長和脈沖長度（因?yàn)檫@個(gè)原因，這里列出了大量的 處理參數(shù)，其中每個(gè)特定的襯底和匹配的應(yīng)用程序需要針對(duì)使用的系統(tǒng)和材料憑經(jīng)驗(yàn)確定 最優(yōu)的結(jié)果）。這樣，如果在該表面處的通量等級(jí)足夠高以瞬間啟動(dòng)局部燒蝕（蒸發(fā)）加 工，則目標(biāo)10上的進(jìn)入點(diǎn)將經(jīng)歷最小的燒蝕噴發(fā)堆形成20,雖然等離子體的產(chǎn)生是不必要 的。在某些情況下，可能需要利用足夠強(qiáng)度的目標(biāo)表面的通量等級(jí)來產(chǎn)生短暫的、瞬時(shí)的燒 蝕鉆孔以提供寬的斜切的入口但孔22的剩余部分具有均勻直徑（圖8)，如通過使用允許 瞬時(shí)燒蝕技術(shù)和隨后的持續(xù)光聲壓縮技術(shù)的能量等級(jí)的分布式聚焦混合鉆孔方法所產(chǎn)生 的那樣。本發(fā)明可以通過在目標(biāo)表面選擇使光束在材料中的線性吸收和非線性吸收平衡 的通量等級(jí)來實(shí)現(xiàn)這一效果，使得燒蝕加工所需的通量等級(jí)在斜切（或其他幾何結(jié)構(gòu)）處 的期望深度處被耗盡。如果將犧牲層30施加到目標(biāo)表面，則該混合技術(shù)將導(dǎo)致能夠被消 除的很小的噴發(fā)堆20。常見的犧牲層是樹脂或聚合物，諸如但不限于PVA、甲基丙烯酸鹽 (Methacrylate)或PEG，并且通常僅需要在1到300微米的厚度范圍內(nèi)（盡管10到30微米 范圍將被用于透明材料加工）并且通常通過將犧牲層噴涂到目標(biāo)材料上來施加犧牲層。通 過阻止熔化的碎片將其自身附接到表面，而是附接到現(xiàn)有技術(shù)已知的可移除的犧牲材料， 抑制在目標(biāo)10上形成噴發(fā)堆。
[0068] 實(shí)現(xiàn)光聲壓縮加工需要以下系統(tǒng)：
[0069] ?能夠產(chǎn)生包括在突發(fā)脈沖包絡(luò)中含有2到50個(gè)子脈沖的可編程的脈沖串的光 束的突發(fā)脈沖激光系統(tǒng)。此外，取決于所使用的目標(biāo)材料，該激光系統(tǒng)還需要能夠產(chǎn)生1到 200瓦特的平均功率，針對(duì)硼硅玻璃，該范圍通常將在50到100瓦特的范圍中。
[0070] ?能夠產(chǎn)生弱會(huì)聚、多個(gè)焦點(diǎn)的空間光束剖面的分布式聚焦元件組件（可能包括 正透鏡和負(fù)透鏡但是在聚合時(shí)有正的聚焦效果），其中，目標(biāo)材料中的入射通量足以引起克 爾效應(yīng)自聚焦和傳播。
[0071] ?能夠?qū)⑺龉馐鴤鬟f到目標(biāo)的光學(xué)傳遞系統(tǒng)。
[0072] 商業(yè)運(yùn)作還需要材料（或光束）相對(duì)于光學(xué)器件（反之亦然）的移位能力或者由 系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的協(xié)調(diào)/復(fù)合運(yùn)動(dòng)。
[0073] 使用該系統(tǒng)來鉆出光聲壓縮孔需要針對(duì)具體目標(biāo)操作以下條件：分布式聚焦元件 組件的特性；突發(fā)脈沖激光束的特征；以及主焦點(diǎn)的位置。
[0074] 分布式聚焦元素組件26可以是本領(lǐng)域常用的大量的公知的聚焦元件，諸如非球 面板、遠(yuǎn)心透鏡、非遠(yuǎn)心透鏡、非球面透鏡、有刻面的環(huán)形透鏡，定制的像差（非完美的）透 鏡的、正透鏡和負(fù)透鏡的組合或一系列矯正板（相移掩模）的結(jié)合、相對(duì)于入射光束傾斜的 任何光學(xué)元件、以及能夠操縱光束傳播的主動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓鈱W(xué)元件。如以上所討論的候選的光 學(xué)元件組件的主焦點(diǎn)腰一般不會(huì)在主焦點(diǎn)腰處包含超過90%或者低于50%的入射光束通 量（雖然在具體實(shí)例中該分布式聚焦元件組件26的光效率可以接近99% )。圖10例示了 將在前述處理中使用的非球面的像差透鏡34。分布式元件組件26的實(shí)際光效率將需要針 對(duì)每個(gè)具體應(yīng)用來微調(diào)。用戶將產(chǎn)生針對(duì)每個(gè)透明材料、目標(biāo)的物理結(jié)構(gòu)和特性以及具體 的激光參數(shù)而設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)表格。碳化硅，磷化鎵，藍(lán)寶石，強(qiáng)化玻璃等每一種都具有自己的 值。通過在材料內(nèi)生成絲（如上所述地調(diào)整激光功率的參數(shù)、重復(fù)速率、聚焦位置和透鏡特 征）并確保有足夠的通量來引起光聲壓縮的解理面或軸以生成孔，憑經(jīng)驗(yàn)確定所述表格。 采用輸出具有位于IMHz范圍的頻率（重復(fù)速率）的10 μ J能量的突發(fā)脈沖的1微米、50 瓦特激光器，在由硼硅酸制成的2mm厚的單個(gè)平面目標(biāo)中鉆出5微米直徑通孔（如圖11所 示）的光效率取樣是65%，其中光束的主焦點(diǎn)腰駐留在離所需的起始點(diǎn)Imm處。
[0075] 需要注意的是，光聲壓縮鉆孔處理還必須滿足一組物理參數(shù)。參照?qǐng)D11和圖12， 可知光束斑點(diǎn)直徑38>絲直徑40>孔直徑42。此外，分布式光束的主焦點(diǎn)腰8絕不會(huì)在要 在其中生成絲的目標(biāo)材料10中或表面上。
[0076] 主焦點(diǎn)腰8的位置通常在離開所需起始點(diǎn)500微米到300_的范圍內(nèi)。這被稱為 能量釋放距離32。也可以通過生成為每個(gè)透明材料、目標(biāo)的物理結(jié)構(gòu)和特性以及激光參數(shù) 設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)表來確定。這是從通過上面提到的方法創(chuàng)建的表格推斷的。
[0077] 激光束能量特性如下：光束中的脈沖能量在5μ J到ΙΟΟΟμ J之間；重復(fù)速率在 IHz到2MHz之間（該重復(fù)速率定義了樣本移動(dòng)的速度以及相鄰絲之間的間隔）。絲的直徑 和長度可以通過改變每個(gè)突發(fā)包絡(luò)中存在的時(shí)間能量分布來調(diào)整。圖17至圖19例示了突 發(fā)脈沖激光信號(hào)的三種不同的時(shí)間能量分布的示例。圖19的上升和下降的突發(fā)包絡(luò)輪廓 的代表了一種尤其適用于從介電材料去除薄的金屬層的處理控制的特別有用的手段。
[0078] -起參照?qǐng)D13至圖16,本發(fā)明的機(jī)制能夠被最好地說明。這里，使用突發(fā)皮秒 脈沖光，這是因?yàn)橥度朐谀繕?biāo)材料中的能量的總量低并且光聲壓縮能夠進(jìn)行而不使材料破 裂，并且在目標(biāo)材料中產(chǎn)生更少的熱，因而高效的更少的能量包被沉積在材料中，使得材料 能夠從基態(tài)到最大激發(fā)態(tài)逐步升高而不危及絲附近的材料的完整性。
[0079] 實(shí)際物理過程如這里所描述的那樣發(fā)生。脈沖突發(fā)激光的入射光束的主焦點(diǎn)腰經(jīng) 由分布式聚焦元素組件傳遞到要在其中生成絲的目標(biāo)材料的上部或下部的空間（但絕不 在目標(biāo)材料內(nèi)）中的點(diǎn)。這將在該目標(biāo)的表面產(chǎn)生斑點(diǎn)并產(chǎn)生白光。該目標(biāo)的表面上的斑 點(diǎn)的直徑將超過絲的直徑和所需特征（孔、槽等）的直徑。這樣入射在該表面的斑點(diǎn)中的 能量的量大于用于產(chǎn)生二次電光效應(yīng)（克爾效應(yīng)一其中材料的折射指數(shù)的變化與被施加 的電場成比例）的臨界能量，但是小于需要引起燒蝕處理的臨界能量并且更明確地低于材 料的光學(xué)擊穿門限。在高于滿足以下關(guān)系的臨界能量時(shí)發(fā)生自聚焦：能量是目標(biāo)材料的折 射的實(shí)際指數(shù)和復(fù)合指數(shù)的倒數(shù)。作為在時(shí)間尺度上保持目標(biāo)材料中所需的能量而使得能 夠保持該自聚焦條件和該光學(xué)擊穿條件之間的平的結(jié)果，進(jìn)行光聲壓縮。光聲壓縮是均勻 的和高的能量絲的形成以及傳播處理的結(jié)果，材料由此被重新排列以利于經(jīng)由燒蝕處理去 除。這樣產(chǎn)生的特別長的絲由通過由分布式聚焦元件組件產(chǎn)生的空間延伸的次焦點(diǎn)的存在 而引發(fā)，保持了自聚焦效應(yīng)而沒有達(dá)到光學(xué)擊穿。在該組件中，大量邊際或近軸光線會(huì)聚在 相對(duì)于主焦點(diǎn)的不同空間位置處。這些次焦點(diǎn)存在并延伸至無限空間，但是僅在經(jīng)驗(yàn)上對(duì) 應(yīng)于目標(biāo)的厚度的有限范圍上具有有用的強(qiáng)度。通過將這些次焦點(diǎn)的能量聚焦在低于襯底 表面下的較低高度但是在絲事件的活動(dòng)底面。這允許激光能量進(jìn)入材料塊同時(shí)避免被等離 子體吸收以及被碎片散射。
[0080] 分布式聚焦元件組件可以是位于入射激光束的路徑中的單個(gè)像差聚焦透鏡，該像 差聚焦透鏡在包含主焦點(diǎn)腰和一系列線性排列的次焦點(diǎn)腰（多個(gè)焦點(diǎn)）的分布式聚焦光束 路徑中產(chǎn)生似乎是入射光束的非均衡分布的焦點(diǎn)。這些焦點(diǎn)的排列與孔42的線性軸共軸。 注意，主焦點(diǎn)腰8從不會(huì)在目標(biāo)材料10上或目標(biāo)材料10中。在圖13中，主焦點(diǎn)腰在目標(biāo) 材料的上方，而在圖14中位于目標(biāo)材料10的下方，因?yàn)榭梢詰{借聚焦光束的對(duì)稱和非線性 特性在主焦點(diǎn)腰的上方或下方啟動(dòng)孔42。因此，光束斑點(diǎn)52 (大約10 μ m距離）駐留在該 目標(biāo)10的表面上并且較弱的次焦點(diǎn)腰共軸地駐留在目標(biāo)內(nèi)，這是因?yàn)楫?dāng)激光的電場改變 目標(biāo)的折射指數(shù)時(shí)，材料充當(dāng)了產(chǎn)生這些焦點(diǎn)的最終光學(xué)元件。分布式焦點(diǎn)允許一定量的 激光能量被沉積在材料中從而形成絲線或區(qū)域60。采用多個(gè)線性排列的焦點(diǎn)并且通過允許 材料充當(dāng)最終透鏡，當(dāng)采用超速突發(fā)脈沖激光束轟擊時(shí)，目標(biāo)材料經(jīng)歷多次連續(xù)的局部加 熱，所述局部加熱沿著線性排列的焦點(diǎn)的路徑引起材料的局部折射指數(shù)（具體地，復(fù)合指 數(shù)）的變化，導(dǎo)致在目標(biāo)中產(chǎn)生長的非錐形絲60和隨后的在所需區(qū)域中環(huán)形地壓縮材料的 聲壓波，產(chǎn)生環(huán)繞絲路徑的壓縮材料的空隙和環(huán)。然后，光束重新聚焦并且與次聚焦腰處的 能量結(jié)合的重新聚焦的光束保持臨界能量等級(jí)以及這一串的事件本身重復(fù)以便鉆出能夠 達(dá)到1500:1寬高比（孔的長度/孔的直徑）的孔，所述孔幾乎沒有錐度并且入口的孔尺寸 和出口的孔尺寸具有實(shí)際相同的直徑。這與現(xiàn)有技術(shù)不同，現(xiàn)有技術(shù)將能量聚焦在目標(biāo)材 料的上表面或目標(biāo)材料內(nèi)，導(dǎo)致在達(dá)到光學(xué)擊穿之前短的成絲距離以及成絲劣化或停止。
[0081] 圖16例示了堆疊構(gòu)造中的三個(gè)平坦目標(biāo)中的下部兩個(gè)目標(biāo)中的鉆孔，所述目標(biāo) 之間具有空氣間隙，其中主焦點(diǎn)腰8位于最終目標(biāo)10的下方。能夠從多層結(jié)構(gòu)的頂部、底 部或中間鉆出所述孔，但是如果使用相同的透鏡組和曲率，則鉆孔事件總是發(fā)生在離主焦 點(diǎn)腰相同的距離處。主焦點(diǎn)腰總是在材料之外并且從不到達(dá)襯底表面。
[0082] 通過聲光壓縮進(jìn)行鉆孔的方法通過以下順序的步驟來實(shí)現(xiàn)：
[0083] 1、通過選擇的分布式焦點(diǎn)透鏡聚焦組件從激光源傳遞激光能量脈沖；
[0084] 2、調(diào)整所述分布式焦點(diǎn)透鏡聚焦組件關(guān)于激光源的的相對(duì)距離和/或角度，從而 在分布式焦點(diǎn)構(gòu)造中聚焦激光能量脈沖以產(chǎn)生主焦點(diǎn)腰和至少一個(gè)次焦點(diǎn)腰；
[0085] 3、調(diào)整主焦點(diǎn)腰或目標(biāo)，使得主焦點(diǎn)腰不會(huì)位于被加工的目標(biāo)上或目標(biāo)內(nèi)；
[0086] 4、調(diào)整焦點(diǎn)，使得在位于所述主焦點(diǎn)腰的下方或上方的目標(biāo)的表面上的激光通量 的斑點(diǎn)具有總是比在目標(biāo)中形成的絲的直徑大的直徑；
[0087] 5、調(diào)整次焦點(diǎn)腰的通量等級(jí)為足夠的強(qiáng)度和數(shù)量以確保穿過所需體積的目標(biāo)傳 播聲光壓縮加工；以及
[0088] 6、通過所選擇的分布式焦點(diǎn)透鏡聚焦組件將合適波長、合適突發(fā)脈沖重復(fù)速率以 及合適突發(fā)脈沖能量的至少一個(gè)激光脈沖突發(fā)從激光源施加到目標(biāo)，其中在激光脈沖與在 目標(biāo)上的加工的初始點(diǎn)接觸的斑點(diǎn)處施加到目標(biāo)的脈沖能量或通量的總量大于發(fā)起并傳 播光聲壓縮加工所需的臨界能量級(jí)，但低于發(fā)起燒蝕加工所需的門限臨界能量級(jí)；以及
[0089] 7、當(dāng)所需的加工完成時(shí)，停止激光脈沖突發(fā)。
[0090] 如之前提到的，可存在特定的孔構(gòu)造，其中，可能需要進(jìn)入孔的錐形入口。這是通 過采用能夠燒蝕加工所需距離的激光通量等級(jí)發(fā)起該孔并且采用低于燒蝕加工的臨界等 級(jí)但高于光聲加工的臨界等級(jí)的激光通量等級(jí)完成在材料中所需深度的鉆孔而實(shí)現(xiàn)的。這 種類型的孔的形成還可以利用在目標(biāo)的表面上施敷可去除的犧牲層。這會(huì)允許在犧牲層上 形成噴發(fā)堆，使得噴發(fā)堆稍后可以與犧牲層一起被去除。這種通過混合的燒蝕和光聲壓縮 來鉆孔的加工方法可通過以下步驟來執(zhí)行，盡管需要利用犧牲層的施敷并且如果利用的話 不需要首先發(fā)生：
[0091] 1、在目標(biāo)的至少一個(gè)表面上施敷犧牲層；
[0092] 2、通過選擇的分布式焦點(diǎn)透鏡聚焦組件從激光源傳遞激光能量脈沖；
[0093] 3、調(diào)整所述分布式焦點(diǎn)透鏡聚焦組件相對(duì)于激光源的相對(duì)距離或角度從而采用 分布式聚焦配置對(duì)所述激光能量脈沖進(jìn)行聚焦以產(chǎn)生主焦點(diǎn)腰和至少一個(gè)次焦點(diǎn)腰；
[0094] 4、調(diào)整所述主焦點(diǎn)腰或所述目標(biāo)使得所述主焦點(diǎn)腰將不會(huì)位于被加工的目標(biāo)上 或目標(biāo)內(nèi)；
[0095] 5、調(diào)整所述焦點(diǎn)，使得在所述目標(biāo)的表面上的激光通量的斑點(diǎn)位于所述主焦點(diǎn)腰 的下方或上方；
[0096] 6、調(diào)整在所述目標(biāo)表面上的激光通量的斑點(diǎn)使得其具有總是比要在目標(biāo)中形成 的絲的直徑大的直徑；
[0097] 7、確保次焦點(diǎn)腰的通量等級(jí)為足夠的強(qiáng)度和數(shù)量以確保通過目標(biāo)的所需體積來 傳播聲光壓縮加工；以及
[0098] 8、通過所選擇的分布式焦點(diǎn)透鏡聚焦組件將合適波長、合適突發(fā)脈沖重復(fù)速率以 及合適突發(fā)脈沖能量的至少一個(gè)激光脈沖突發(fā)從激光源施加到目標(biāo)，其中在激光脈沖與在 目標(biāo)上加工的初始點(diǎn)接觸的斑點(diǎn)處施加到目標(biāo)的脈沖能量或通量的總量大于發(fā)起燒蝕加 工到所需深度所需要的關(guān)鍵能量等級(jí)并且此后在該燒蝕鉆孔的底部的通量大于發(fā)起并傳 播絲和聲光壓縮加工的臨界能量等級(jí)，但是低于發(fā)起燒蝕加工所需的門限臨界能量等級(jí)； 以及
[0099] 9、當(dāng)所需的加工完成時(shí)，停止激光脈沖突發(fā)和成絲。
[0100] 下表中列出了激光特性的各種參數(shù)、主焦點(diǎn)腰的位置和最終聚焦透鏡排列以及產(chǎn) 生的孔的特征。需要注意的是，它們以范圍表示，因?yàn)樗鼈兊闹惦S著目標(biāo)材料的類型、厚度、 尺寸和所需孔的位置而有很大不同。下表細(xì)化了用于實(shí)現(xiàn)在過多的透明材料的任何一個(gè)中 鉆出均勻的孔的各種系統(tǒng)變量的范圍。
[0101]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于加工透明目標(biāo)材料的光聲壓縮方法，該方法包括以下步驟： 從激光源向目標(biāo)施加具有合適的波長、合適的突發(fā)脈沖重復(fù)速率以及合適的突發(fā)脈沖 能量的激光脈沖的至少一個(gè)突發(fā)，其中，施加到所述目標(biāo)的其中所述激光脈沖與所述目標(biāo) 上的加工開始點(diǎn)相接觸的斑點(diǎn)處的脈沖能量或通量的總量大于開始并傳播光聲壓縮加工 所需的臨界能量等級(jí)，但是低于開始燒蝕加工所需的門限臨界能量等級(jí)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括以下步驟： 在將所述激光脈沖施加到所述目標(biāo)之前，首先使所述激光能量脈沖穿過選擇的分布式 聚焦透鏡聚焦組件并聚焦所述激光能量脈沖。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述聚焦包括： 在調(diào)整所述分布式聚焦透鏡聚焦組件相對(duì)于所述激光源的相對(duì)距離和/或角度之后， 向所述目標(biāo)傳遞所述激光脈沖以在分布式的聚焦配置中聚焦所述激光脈沖，從而產(chǎn)生主焦 點(diǎn)腰和至少一個(gè)次焦點(diǎn)腰；以及 調(diào)整所述主焦點(diǎn)腰或所述目標(biāo)，使得所述主焦點(diǎn)腰不位于正在被加工的所述目標(biāo)上或 所述目標(biāo)內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要去3所述的方法，該方法還包括以下步驟： 調(diào)整所述焦點(diǎn)，使得位于所述主焦點(diǎn)腰下方或上方的所述斑點(diǎn)具有總是比形成在所述 目標(biāo)中的絲的直徑大的直徑。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述目標(biāo)可以包括一個(gè)或一組分層結(jié)構(gòu)的透明 晶片、板或襯底，并且 其中，對(duì)所述目標(biāo)的加工以任何深度開始并且在所述分層結(jié)構(gòu)的所述一組晶片、板或 襯底中的任一個(gè)中鉆出停止孔或通孔。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述目標(biāo)可以包括一個(gè)或一組分層結(jié)構(gòu)的透明 晶片、板或襯底，并且 其中，對(duì)所述目標(biāo)的加工是以任何深度開始并且在所述分層結(jié)構(gòu)的所述一組晶片組、 板組或襯底中的任一個(gè)中鉆出停止孔或通孔。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，按照使所述次焦點(diǎn)腰的所述通量等級(jí)具有足夠 的強(qiáng)度和數(shù)量的方式選擇所述聚焦組件，以確保所述光聲壓縮加工傳播穿過所述目標(biāo)的所 需體積。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述激光脈沖具有適當(dāng)?shù)耐话l(fā)頻率以保持由之 前的脈沖與所述目標(biāo)交互而產(chǎn)生的選擇的瞬時(shí)效應(yīng)，所述激光脈沖具有比大約10納秒小 的脈沖寬度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法包括在施加激光脈沖突發(fā)之前向所述材料的表 面施敷犧牲層。
10. -種用于加工透明目標(biāo)材料的混合的燒蝕和光聲壓縮方法，該方法包括以下步 驟： 從激光源向目標(biāo)施加具有特定的波長、突發(fā)脈沖重復(fù)速率以及突發(fā)脈沖能量的至少一 個(gè)激光脈沖突發(fā)，其中，施加于所述目標(biāo)的其中所述激光脈沖與所述目標(biāo)上的加工開始點(diǎn) 相接觸的斑點(diǎn)處的脈沖能量或通量的總量大于用于所需深度的燒蝕加工和開始并傳播光 聲壓縮加工所需的臨界能量等級(jí)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，該方法還包括以下步驟： 在將所述激光脈沖施加到所述目標(biāo)之前，首先使所述激光能量脈沖穿過選擇的分布式 聚焦透鏡聚焦組件并聚焦所述激光能量脈沖。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述聚焦包括： 在調(diào)整所述分布式聚焦透鏡聚焦組件關(guān)于所述激光源的相對(duì)距離和/或角度之后，向 所述目標(biāo)傳遞所述激光脈沖使得在分布式聚焦配置中聚焦所述激光脈沖，從而產(chǎn)生主焦點(diǎn) 腰和至少一個(gè)次焦點(diǎn)腰；以及 調(diào)整所述主焦點(diǎn)腰或所述目標(biāo)，使得所述主焦點(diǎn)腰不位于正在被加工的所述目標(biāo)上或 所述目標(biāo)內(nèi)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，該方法還包括以下步驟： 調(diào)整所述焦點(diǎn)，使得位于所述主焦點(diǎn)腰下方或上方的所述斑點(diǎn)具有總是比形成在所述 目標(biāo)中的絲的直徑大的直徑。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述目標(biāo)可以包括一個(gè)或一組分層結(jié)構(gòu)的透 明晶片、板或襯底，并且 其中，對(duì)所述目標(biāo)的加工是以任何深度開始并且在所述分層結(jié)構(gòu)的所述一組晶片、板 或襯底中的任一個(gè)中鉆出停止孔或通孔。
15. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述目標(biāo)可以包括一個(gè)或一組分層結(jié)構(gòu)的透 明晶片、板或襯底，并且 其中，對(duì)所述目標(biāo)的加工是以任何深度開始并且在所述分層結(jié)構(gòu)的所述一組晶片、板 或襯底中的任一個(gè)中鉆出停止孔或通孔。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，按照使所述次焦點(diǎn)腰的所述通量等級(jí)有足夠 的強(qiáng)度和數(shù)量的方式選擇所述聚焦組件，以確保所述光聲壓縮加工傳播穿過所述目標(biāo)的所 需體積。
17. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述激光脈沖具有適當(dāng)?shù)耐话l(fā)頻率以保持由 之前的脈沖與所述目標(biāo)交互而產(chǎn)生的選擇的瞬時(shí)效應(yīng)，所述激光脈沖具有比大約10納秒 小的脈沖寬度。
18. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，該方法包括在施加激光脈沖突發(fā)之前向所述材料的 表面施敷犧牲層。
19. 一種用于加工透明目標(biāo)材料的光聲壓縮方法，該方法包括以下步驟： 通過選擇的分布式聚焦透鏡聚焦組件從激光源施加具有合適的波長、合適的突發(fā)脈沖 重復(fù)速率以及合適的突發(fā)脈沖能量的激光脈沖的至少一個(gè)突發(fā)； 在調(diào)整所述分布式聚焦透鏡聚焦組件關(guān)于所述激光源的相對(duì)距離和/或角度之后，向 所述目標(biāo)傳遞所述激光脈沖使得在分布式聚焦配置中聚焦所述激光脈沖，從而產(chǎn)生主焦點(diǎn) 腰和至少一個(gè)次焦點(diǎn)腰，其中，被傳遞到所述目標(biāo)的所述激光脈沖能量超過發(fā)起由克爾效 應(yīng)引起的自聚焦所需的臨界能量等級(jí)，使得在所述目標(biāo)中產(chǎn)生絲并且通過由所述次焦點(diǎn)腰 輸入的額外能量開始光聲壓縮加工并且然后在所述材料中傳播光聲壓縮加工，并且其中， 輸入的總能量等級(jí)低于對(duì)所述目標(biāo)材料開始基于燒蝕或蒸發(fā)的加工所需的等級(jí)。
【文檔編號(hào)】B23K26/382GK104339083SQ201410379877
【公開日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年8月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月2日
【發(fā)明者】S·A·侯賽尼, 羅正恩, G·阿爾貝羅 申請(qǐng)人:羅芬-新納技術(shù)公司