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TWI669182B - 在玻璃中快速雷射鑽孔孔洞的方法及由該方法所製得的產品 - Google Patents

在玻璃中快速雷射鑽孔孔洞的方法及由該方法所製得的產品 Download PDF

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TWI669182B
TWI669182B TW103143890A TW103143890A TWI669182B TW I669182 B TWI669182 B TW I669182B TW 103143890 A TW103143890 A TW 103143890A TW 103143890 A TW103143890 A TW 103143890A TW I669182 B TWI669182 B TW I669182B
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彭斯 薛普曼卡洛斯Ａ
瓦爾卡基格蒙德
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美商康寧公司
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Abstract

在一材料中形成孔洞包括以下步驟：將一脈衝雷射束聚焦成沿射束傳播方向定向且導向至該材料中之一雷射束焦線，該雷射束焦線於該材料內產生一誘導吸收，該誘導吸收於該材料內產生沿該雷射束焦線之一缺陷線；以及將該材料及該雷射束相對於彼此平移，進而在該材料中形成複數個缺陷線；以及於一酸溶液中蝕刻該材料，以便藉由擴大該材料中之該等缺陷線而產生直徑大於1微米之孔洞。一種玻璃物件包括：一玻璃基板堆疊，其具有延伸穿過該堆疊之直徑為1-100微米之成型孔洞。

Description

在玻璃中快速雷射鑽孔孔洞的方法及由該方法所製得的產品 【相關申請案】
本申請案根據專利法主張2014年11月07日申請的美國專利申請案第14/535800號之優先權權益，該案主張2014年10月31日申請的美國臨時申請案第62/073191號之權益，該臨時申請案主張2014年7月11日申請之美國臨時申請案第62/023429號及2013年12月17日申請之美國臨時申請案第61/917179號之權益，以上申請案之整個教示內容以引用方式併入本文。
本發明係關於在玻璃中快速雷射鑽孔孔洞的方法及由該方法製得的產品。
當今，人們對用於電子學應用的具有精確成型孔洞之薄玻璃存在強烈的興趣。孔洞由導電材料填充，且係用於將電信號自一部件傳導至另一部件，從而允許中央處理單元、記憶體晶片、圖形處理單元或其他電子組件之精確連接。對此等應用而言，其中具有金屬化孔洞之基板典型地稱為「中介體(interposer)」。相較於目前使用的諸如纖維加強聚合物 或矽的中介體材料，玻璃具有許多有利性質。玻璃可以大的片材形式形成為薄的或光滑的而無需拋光，其具有比有機替代物更高的硬度及比其更大的尺寸穩定性，其為比矽更好的電絕緣體，其具有比有機選擇方案更好的尺寸(熱及剛性)穩定性，且其可針對不同熱膨脹係數來特製，以便控制積體電路中之堆疊翹曲(stack warp)。
各種孔洞形成方法可用於在玻璃中產生孔洞，該等方法諸如熱壓製、可光加工玻璃之微影術、放電鑽孔、粉末噴砂及各種各樣的雷射鑽孔方法。利用該等技術中之任何技術時，挑戰通常係在於以足夠高的速率(孔洞/秒)形成具有足夠品質(低裂痕、適當大小或圓度)之孔洞，此最終影響成本。例如，玻璃之熱壓製具有形成足夠小尺寸(小於或等於約100微米)之孔洞的困難，放電鑽孔可能難以達成緻密孔洞間距(亦即，孔洞至孔洞距離小於約50微米)，使用射束鑿孔的雷射鑽孔孔洞可能較慢(例如約1個孔洞/秒)，並且準分子雷射處理及可光加工玻璃可具有大的初始資金成本。
已證明利用UV奈秒雷射之雷射鑽孔方法製得尤其高品質之孔洞。雷射係用於每個孔洞使用多個(例如一百個)雷射脈衝來製得直徑約10微米之導孔，且隨後利用酸來蝕刻該部件，以便擴大孔洞且達成目標尺寸。隨後將孔洞金屬化，添加再分配層來扇出電信號，且將該等部件切成較小塊體來產生功能中介體。然而，雷射鑽孔可為耗時製程，且係利用衝擊鑽孔(亦即，於同一位置處的一個接一個地脈衝)，其耗費一百個脈衝來使單個孔洞鑽至所要深度。由於精確雷射鑽孔 平台之資金成本可為重要的(接近$1M/機器)，所以孔洞形成之速度為總體中介體製造成本中之關鍵參數。
因此，需要對諸如玻璃之材料雷射鑽孔之方法，該方法最小化或消除以上提及的問題。
本文揭示的實施例係關於在極快速率下形成破壞徑跡(亦稱為導孔)之方法。利用特化光學遞送系統及皮秒脈衝雷射，可利用少達形成每一破壞徑跡/導孔所需的單一雷射脈衝來在玻璃或其他透明材料中鑽孔破壞徑跡/導孔。此製程允許比可利用以上所述的奈秒雷射鑽孔製程所達成者輕易快100X的破壞徑跡/導孔鑽孔速率。然而，初始破壞徑跡/導孔通常太小而無法允許由導電材料進行填充，且常常不為相連的。因此，此種破壞徑跡/導孔自身並不適於中介體或電通孔。藉由將上述製程與後續酸蝕刻步驟組合，可隨後在高度並行製程中擴大破壞徑跡或導孔至實際用於中介體之孔洞大小。此組合製程以比其他方法低得多的每部件成本(cost per part)在玻璃中產生孔洞，該等孔洞具有用於中介體之適當大小(自小於二十微米至大約數十微米)、外形及品質。
在一個實施例中，在大體上透明材料中雷射鑽孔或形成貫通孔之方法包括以下步驟：將脈衝雷射束聚焦成沿射束傳播方向定向且導向至材料中之雷射束焦線，該雷射束焦線於材料內產生誘導吸收，該誘導吸收於該材料內產生沿該雷射束焦線之破壞徑跡，以及將該材料及該雷射束相對於彼此平移，進而雷射形成複數個破壞徑跡。該方法進一步包 括以下步驟：於酸溶液中蝕刻該材料，以便藉由擴大該材料中之缺陷線而產生直徑大於1微米之孔洞。蝕刻速率可為小於約10微米/min之速率，諸如小於約5微米/min之速率，或小於約2微米/min之速率。刻蝕製程之塞爾模數可為小於或等於2。
在一些實施例中，脈衝持續時間可在大於約1皮秒與小於約100皮秒之間，諸如大於約5皮秒與小於約20皮秒之間的範圍內，且重複率可在約1kHz與4MHz之間的範圍內，諸如介於約10kHz與650kHz之間的範圍內。除在上述重複率下之單一脈衝之外，該等脈衝可以兩個脈衝或兩個以上脈衝(諸如3個脈衝、4個脈衝、5個脈衝或5個以上脈衝)之爆發、以每次爆發至少40μJ之能量來產生，該等脈衝藉由在約1nsec與約50nsec之間的範圍內，例如10nsec至30nsec，諸如約20nsec加或減2nsec的持續時間區隔，且爆發重複頻率可在約1kHz與約200kHz之間的範圍內。該脈衝雷射束可具有一波長，該波長經選擇以使得該材料在此波長下為大體上透明的。在該材料處量測的每次爆發之平均雷射能量可為每mm厚度之材料大於40微焦耳，例如介於40微焦耳/mm與1000微焦耳/mm之間，或介於100微焦耳/mm與650微焦耳/mm之間。該脈衝雷射束可具有在25微焦耳/mm線焦點至125微焦耳/mm線焦點範圍內之爆發能量密度。該脈衝雷射束可產生至少500個破壞徑跡/sec、至少1,000個破壞徑跡/sec或至少5,000個破壞徑跡/sec。該等破壞徑跡可以非週期性圖案製得。
該雷射束焦線可藉由使用貝色束或高斯-貝色束。焦線可使用旋轉三稜鏡來產生。該雷射束焦線可具有在約0.1mm與約10mm之間的範圍內之長度，諸如約1mm、約2mm、約3mm、約4mm、約5mm、約6mm、約7mm、約8mm或約9mm，或在約0.1mm與約1mm之間的範圍內之長度，且平均斑點直徑在約0.1微米與約5微米之間的範圍內。該等貫通孔各自可具有介於5微米與100微米之間的直徑。該等破壞徑跡各自可具有小於或等於約5微米之直徑。在一些實施例中，該材料可為玻璃片之堆疊。該等孔洞之間隔可介於50微米與500微米之間，或介於10微米與50微米之間。將該材料及該雷射束相對於彼此平移可包含以下步驟：利用一系列線性臺階來平移該玻璃片，或使用線性臺階、共振掃描鏡掃描儀、電流計(galvo)反射鏡掃描儀、壓電式可調整鏡或聲光射束偏轉器來平移該雷射束。該方法可進一步包括以下步驟：用導體塗佈該等貫通孔處之內部玻璃表面以在該等貫通孔之頂部與底部之間產生導電性，或塗佈該等貫通孔處之內部玻璃表面以促進生物分子之附著。該材料可對在390nm至700nm範圍內之至少一個波長透明，及/或可透射在390nm至700nm範圍內之至少一個波長的至少70%。該材料可為玻璃、熔融矽石或玻璃片之堆疊。
在一些實施例中，複數個貫通孔具有20μm或更小之直徑，10μm或更大的介於相鄰貫通孔之間的間隔，複數個貫通孔包含第一表面中之開口、第二表面中之開口及位於第一表面中之開口與第二表面中之開口之間的腰部，該腰部 之直徑為第一表面中之開口或第二表面中之開口之直徑的至少50%，且第一表面中之開口之直徑與第二表面中之開口之直徑之間的差異為3μm或更小。其他實施例包括根據以上及詳細描述中所述之方法製得之玻璃物件。
在另一實施例中，玻璃物件包括具有複數個破壞徑跡之基板，其中該等破壞徑跡具有小於5微米之直徑、至少20微米之介於相鄰孔洞之間的間隔以及20：1或更大之縱橫比。該等破壞徑跡之直徑可為小於1微米。
在又一實施例中，玻璃物件包括玻璃基板之堆疊，其具有穿過該堆疊形成的複數個孔洞，其中該等孔洞延伸穿過玻璃基板中之每一者，且其中該等孔洞之直徑介於約1微米與約100微米之間，且具有約25-1000微米之孔洞至孔洞間隔。該玻璃物件可包括藉由大於10微米之氣隙分離的至少兩個玻璃基板。
在另一實施例中，大體上透明物件包括對介於約200nm與約2000nm之間的波長大體上透明的材料之多層堆疊，該多層堆疊具有穿過該堆疊之多個層形成的複數個孔洞。該等孔洞之直徑介於1微米與100微米之間且具有25-1000微米之孔洞至孔洞間隔。該多層堆疊可包括以下任何一或多者：a)位於該等玻璃層之間的多個玻璃層及至少一個聚合物層，b)具有不同組成物之至少兩個玻璃層，或c)至少一個玻璃層及至少一個非玻璃無機層。
在另一實施例中，在材料中形成貫通孔之方法包括以下步驟：藉由將脈衝雷射束聚焦成沿射束傳播方向定向 之雷射束焦線且將該雷射束焦線導向至該材料中來將複數個破壞徑跡形成於該材料中，其中該等破壞徑跡具有5μm或更小之直徑，以及於酸溶液中蝕刻該材料以擴大該複數個缺陷線，以便於該材料中產生複數個貫通孔，其中該蝕刻之塞爾模數小於或等於2。該材料可對在390nm至700nm範圍內之至少一個波長透明，及/或可透射在390nm至700nm範圍內之至少一個波長的至少70%。該方法亦可包括以下步驟：在蝕刻期間機械地攪拌該酸溶液。該酸溶液可包括表面活性劑。該複數個貫通孔可具有20μm或更小之直徑及至少10μm之介於相鄰貫通孔之間的間隔。該複數個貫通孔包含第一表面中之開口、第二表面中之開口及位於第一表面中之開口與第二表面中之開口之間的腰部，該腰部之直徑為第一表面中之開口或第二表面中之開口之直徑的至少50%，且第一表面中之開口之直徑與第二表面中之開口之直徑之間的差異為3μm或更小。
在其他實施例中，物件包括具有複數個貫通孔之基板，該等貫通孔自該基板之第一表面連續地延伸至該基板之第二表面，其中該基板對在390nm至700nm範圍內之至少一個波長透明，該複數個貫通孔具有20μm或更小之直徑，該複數個貫通孔包含第一表面中之開口、第二表面中之開口及位於第一表面中之開口與第二表面中之開口之間的腰部，該腰部之直徑為第一表面中之開口或第二表面中之開口之直徑的至少50%，且第一表面中之開口之直徑與第二表面中之開口之直徑之間的差異為3μm或更小。該複數個貫通孔可具 有大於5μm之直徑，15μm或更小之直徑，或10μm或更小之直徑。該腰部之直徑為第一表面之開口或第二表面中之開口之直徑的至少70%、至少75%或至少80%。該基板可為熔融矽石、玻璃或化學強化玻璃。該基板可具有1mm或更小之厚度，或在20μm至200μm範圍內之厚度。該等貫通孔可具有在5個貫通孔/mm2至50個貫通孔/mm2範圍內之密度。該等貫通孔可具有在5：1至20：1範圍內之縱橫比。該等貫通孔可具有非週期性圖案。該等貫通孔含有導電材料。
本文所述的實施例提供許多優點，包括允許與單一雷射脈衝或脈衝之單一爆發一樣少的孔洞/破壞徑跡之形成，從而允許比傳統撞擊鑽孔雷射方法快得多的鑽孔或孔洞/破壞徑跡形成速率。本文所述的孔洞/破壞徑跡鑽孔速率僅受雷射之重複率及雷射束可移動至下一鑽孔位置之速度的限制。一百個孔洞/sec之鑽孔速度易於達成，且取決於所使用的臺階及孔洞圖案密度，大於10,000個孔洞/sec之鑽孔速率為可能的。另外，此製程可同時鑽孔多個部件(堆疊)，從而進一步增大系統之吞吐量。
由於線焦點光學，雷射鑽孔孔洞/破壞徑跡之直徑極小(例如，約1微米)，該直徑比用高斯光學射束可達成之燒蝕孔洞尺寸(典型地大於約10微米)要小得多。
酸蝕刻之使用允許具有實際用於金屬化或其他化學塗佈之尺寸的穿通孔之形成。所有導孔/破壞徑跡於並行製程中並行擴大至目標直徑，該並行製程比使用雷射來鑽出孔洞以至藉由使用進一步雷射暴露而達成的大直徑快得多。
酸蝕刻藉由鈍化由雷射引起的任何微裂紋或損壞而產生比僅使用雷射更強的部件。
1‧‧‧基板/平面基板
1a‧‧‧平面/表面
1b‧‧‧平面/表面/反向表面
2‧‧‧脈衝雷射束/雷射束
2a‧‧‧部分/射束叢
2b‧‧‧雷射束焦線/焦線/線
2c‧‧‧擴延區段/區段/誘導吸收
2aR‧‧‧射束叢之外周邊範圍中之射束
2aZ‧‧‧靠近射束叢之中心的射束叢/中心射束
3‧‧‧雷射
6‧‧‧光學總成
7‧‧‧球面切斷雙凸透鏡/透鏡/非像差校正球形透鏡
8‧‧‧圓形孔徑/孔徑
9‧‧‧旋轉三稜鏡
10‧‧‧旋轉三稜鏡光學元件
11‧‧‧透鏡/平凸透鏡/聚焦透鏡
12‧‧‧準直透鏡/透鏡
430‧‧‧玻璃片
432‧‧‧焦線
610‧‧‧爆發
620‧‧‧脈衝
1000‧‧‧基板
1002‧‧‧破壞徑跡/導孔
1004‧‧‧第一表面/頂表面
1006‧‧‧第二表面/底表面
1008‧‧‧貫通通孔
br‧‧‧圓環寬度
D‧‧‧斑點直徑
Dt‧‧‧頂部直徑
Dw‧‧‧腰部直徑
Db‧‧‧底部直徑
d‧‧‧厚度/深度
dr‧‧‧圓環直徑
l‧‧‧長度
L‧‧‧長度
Z1‧‧‧距離
Z1a‧‧‧距離
Z1b‧‧‧距離
Z2‧‧‧距離
SR‧‧‧圓形轉變/圓形輻射
Tb‧‧‧時間區隔/時間
Tp‧‧‧持續時間/時間區隔/脈衝至脈衝區隔
x‧‧‧軸
y‧‧‧軸
z‧‧‧軸
前述內容將自示例性實施例之以下更特定描述而明顯，該等示例性實施例如例示於隨附圖式中，其中相同參考符號在整個不同視圖中指代相同部分。圖式未必按比例繪製，而重點是關注對實施例的例示。
第1圖為用於雷射鑽孔之光學總成之一個實施例的示意圖。
第2A及2B圖為雷射束焦線之定位之圖解，亦即，由於沿焦線的誘導吸收而對雷射波長透明的材料之處理。
第3A圖為根據一個實施例之用於雷射處理之光學總成的圖解。
第3B-1至3B-4圖為藉由將雷射束焦線相對於基板進行不同定位來處理基板之各種可能性之圖解。
第4圖為用於雷射處理之光學總成之第二實施例的圖解。
第5A及5B圖為用於雷射處理之光學總成之第三實施例的圖解。
第6圖為示範性皮秒雷射之雷射發射量(強度)隨時間變化的圖表。
第7A及7B圖為藉由雷射鑽孔形成的，如在一塊Eagle XG®玻璃中製得的特徵之掃描電子顯微照片。
第8圖為典型破壞徑跡、穿孔或缺陷線(此等三個術語可在本文中互換地使用)之側視的、無蝕刻的顯微鏡影像。穿過玻璃製得之徑跡通常並不完全敞開--亦即，移除材料之諸多區域，但未必形成完全貫通孔。
第9圖為破壞徑跡或穿孔在比第8圖展示之顯微照片更大放大率下、在無酸蝕刻之情形下的顯微鏡側視影像。
第10圖為典型破壞徑跡或孔洞之俯視的、無酸蝕刻的顯微鏡影像。
第11圖為孔洞之掃描電子顯微照片，該等孔洞係利用得到顯著微裂痕之製程條件，藉由使用得到較短焦線(約0.5mm)及因此缺陷線中之高能量密度的較短焦距物鏡(f=30mm)來製得。
第12圖為孔洞之掃描電子顯微照片，該等孔洞並未穿透部件之完全厚度且可用於製得盲孔。
第13A及13B圖分別為進入孔洞蝕刻後(雷射入射側)及退出孔洞-酸蝕刻後(雷射退出側)之掃描電子顯微照片。
第14圖為微裂痕之影響的蝕刻後影像。微裂紋已被酸蝕刻成狹長特徵。
第15圖為展示酸蝕刻後孔洞之側視圖的照片。已切開樣本來展示橫截面。明亮區域為玻璃；暗區域為孔洞。
第16圖為展示酸蝕刻後孔洞之側視圖的照片，但其比第15圖展示的照片放大率更高。
第17A-17C圖為在頂部(第17A圖)、底部(第17B圖)以及腰部(第17C圖)處，孔洞之數量隨直徑變化的圖表，其展示對約10,000個蝕刻後孔洞得出的孔洞直徑統計學。
第18A-18C圖為在頂部(18A)、底部(18B)以及腰部(18C)處，孔洞之數量隨直徑變化的圖表，其展示蝕刻後的圓度統計學。圓度=給定孔洞之最大直徑-最小直徑。資料指示：所有孔洞皆不具有將蝕刻成顯著非圓形形狀之顯著裂紋/碎屑。
第19A-19C圖為徑向裂紋於蝕刻之前之照片(第19A圖)，以及進入孔洞陣列之較大放大率之照片(第19B及19C圖)。
第20A-20C圖為孔洞於蝕刻之前之照片，其展示俯視圖(第19A圖)、仰視圖(第19B圖)及側視圖(第19C圖)。
第21A-21E圖為孔洞在55%雷射功率(第21A圖)、65%雷射功率(第21B圖)、75%雷射功率(第21C圖)、85%雷射功率(第21D圖)及100%雷射功率(第21E圖)下酸蝕刻後之俯視圖之照片。
第22A-22E圖為孔洞在55%雷射功率(第22A圖)、65%雷射功率(第22B圖)、75%雷射功率(第22C圖)、85%雷射功率(第22D圖)及100%雷射功率(第22E圖)下酸蝕刻後之仰視圖之照片。
第23A-23C圖酸蝕刻後孔洞之俯視圖之照片--第23A圖：呈150x150陣列的在200微米間距下的100微米 孔洞；第23B及23C圖：呈300x300陣列的在100微米間距下的50微米孔洞，其展示(第23C圖)一些開裂及碎裂的孔洞。
第24A-24C圖為具有100x100陣列孔洞之樣本的孔洞之數量隨直徑變化的圖表，其展示樣本頂部(第24A圖)、底部(第24B圖)及腰部(第24C圖)之結果。
第25A-25C圖為具有100x100陣列孔洞之樣本的孔洞之數量隨圓度變化的圖表，其展示樣本頂部(第25A圖)、底部(第25B圖)及腰部(第25C圖)之結果。
第26A-26C圖為具有100x100陣列孔洞之樣本的孔洞之數量隨直徑變化的圖表，其展示第二樣本頂部(第26A圖)、底部(第26B圖)及腰部(第26C圖)之結果。
第27A-27C圖為具有100x100陣列孔洞之樣本的孔洞之數量隨圓度變化的圖表，其展示第二樣本頂部(第27A圖)、底部(第27B圖)及腰部(第27C圖)之結果。
第28A-28C圖及第29A-29C圖分別為使用100%雷射功率製得的30微米及50微米孔洞之酸蝕刻後照片，其展示俯視圖(第28A、29A圖)、側視圖(第28B、29B圖)及仰視圖(第28C、29C圖)。
第30A-30C圖及第31A-31C圖分別為使用100%雷射功率製得的75微米及100微米孔洞之酸蝕刻後照片，其展示俯視圖(第30A、31A圖)、側視圖(第30B、31B圖)及仰視圖(第30C、31C圖)。
第32A-32C圖及第33A-3C圖分別為使用85%雷射功率製得的30微米及50微米孔洞之酸蝕刻後照片，其展 示俯視圖(第32A、33A圖)、側視圖(第32B、33B圖)及仰視圖(第32C、33C圖)。
第34A-34C圖及第35A-35C圖分別為使用85%雷射功率製得的75微米及100微米孔洞之酸蝕刻後照片，其展示俯視圖(第34A、35A圖)、側視圖(第34B、35B圖)及仰視圖(第34C、35C圖)。
第36A-36C圖及第37A-37C圖分別為使用75%雷射功率製得的30微米及50微米孔洞之酸蝕刻後照片，其展示俯視圖(第36A、37A圖)、側視圖(第36B、37B圖)及仰視圖(第36C、37C圖)。
第38A-38C圖及第39A-39C圖分別為使用75%雷射功率製得的75微米及100微米孔洞之酸蝕刻後照片，其展示俯視圖(第38A、39A圖)、側視圖(第38B、39B圖)及仰視圖(第38C、39C圖)。
第40A-40C圖及第41A-41C圖分別為使用65%雷射功率製得的30微米及50微米孔洞之酸蝕刻後照片，其展示俯視圖(第40A、41A圖)、側視圖(第40B、41B圖)及仰視圖(第40C、41C圖)。
第42A-42C圖及第43A-43C圖分別為使用65%雷射功率製得的75微米及100微米孔洞之酸蝕刻後照片，其展示俯視圖(第42A、43A圖)、側視圖(第42B、43B圖)及仰視圖(第42C、43C圖)。
第44A-44C圖及第45A-45C圖分別為使用55%雷射功率製得的30微米及50微米孔洞之酸蝕刻後照片，其 展示俯視圖(第44A、45A圖)、側視圖(第44B、45B圖)及仰視圖(第44C、45C圖)。
第46A-46C圖及第47A-47C圖分別為使用55%雷射功率製得的75微米及100微米孔洞之酸蝕刻後照片，其展示俯視圖(第46A、47A圖)、側視圖(第46B、47B圖)及仰視圖(第46C、47C圖)。
第48圖例示延伸穿過三個堆疊的150微米Eagle XG®玻璃片之焦線。
第49圖為酸蝕刻前照片，其展示已鑽孔成具有破壞徑跡的兩個300微米厚EXG玻璃片之堆疊的側視圖。
第50圖為酸蝕刻後照片，其展示來自第49圖之同一堆疊在酸蝕刻之後的側視圖。
第51圖為酸蝕刻後照片，其展示來自第49圖之同一堆疊在酸蝕刻之後的俯視圖。
第52A及52B圖分別例示在雷射鑽孔之後及在酸蝕刻之後的基板1000。
第53圖例示蝕刻系統之塞爾模數與腰部直徑相對於頂部及底部開口之直徑的期望百分比之間的關係。
第54圖繪製蝕刻系統之塞爾模數隨破壞徑跡之半徑的變化。
第55圖繪製蝕刻系統之塞爾模數隨玻璃基板之一半厚度的變化。
第56圖繪製蝕刻系統之塞爾模數隨有效擴散率(Deff)的變化。
第57圖繪製蝕刻系統之塞爾模數隨以體積%計的酸濃度的變化，以及改變有效擴散率及酸濃度對塞爾模數之組合效應。
第58圖為玻璃部件之側視圖之酸蝕刻後照片。
示例性實施例之描述如下。
以下實施例利用短(例如，10-10至10-15秒)脈衝雷射、使用產生線焦點系統之光學系統來在對雷射之波長為大體上透明的一塊材料中形成缺陷線、破壞徑跡或孔洞，該材料諸如玻璃、熔融矽石、合成石英、玻璃陶瓷、陶瓷、諸如藍寶石之結晶材料，或此等材料之積層(例如，經塗佈玻璃)。線焦點之產生可藉由將高斯雷射束發送至旋轉三稜鏡透鏡中來執行，在該狀況下，產生稱為高斯-貝色束之射束剖面(beam profile)。此種射束比高斯射束更加緩慢地繞射(例如，與幾十微米或更小相對，其可維持單一微斑點大小於數百微米或毫米之範圍)。因此，與材料強烈相互作用之焦點深度或長度可比在僅使用高斯射束時大得多。亦可使用其他形式或緩慢繞射或非繞射射束，諸如艾瑞射束。當在此波長下每mm材料深度的吸收小於約10%、較佳小於約1%時，材料或物件對該雷射波長為大體上透明的。在一些實施例中，材料亦可對在約390nm至約700nm範圍內之至少一個波長為透明的。強雷射及線焦點之使用允許每一雷射脈衝同時破壞、燒蝕或以其他方式改質玻璃中的長(例如100-1000微米)徑跡。此徑跡可易於延伸穿過玻璃部件之整個厚度。即使單一脈衝 或脈衝之爆發亦由此產生完全「導孔」或強破壞徑跡，且不需要撞擊鑽孔。
導孔/破壞徑跡之橫截面尺寸極小(幾微米或更小)，但其為相對長的-亦即，其具有高縱橫比。隨後將該等部件酸蝕刻以達到最終孔洞尺寸--例如直徑為約30微米或更小、約25微米或更小、約20微米或更小、約15微米或更小、約10微米或更小；在以下範圍內：約5至約10微米、約5至約15微米、約5至約20微米、約5至約25微米、約5至約30微米；或至多為數十微米，此取決於對所欲用途之要求。在一些實施例中，蝕刻可進行來以便刻蝕製程之塞爾模數為約3或更小、約2.5或更小、約2或更小、約1.5或更小、約1或更小，或約0.5或更小。蝕刻之後，玻璃之表面可因刻蝕製程中之不完全均勻性而輕微織構化--雖然某種程度上是光滑的，但蝕刻孔洞之內部亦可具有一些精細顆粒質地，其在顯微鏡或掃描電子顯微鏡下可見。在一些實施例中，基板可具有自基板之第一表面連續延伸至基板之第二表面的複數個貫通孔，其中基板對在390nm至700nm範圍內之至少一個波長為透明的，該複數個貫通孔具有20μm或更小之直徑，該複數個貫通孔包含第一表面中之開口、第二表面中之開口及位於第一表面中之開口與第二表面中之開口之間的腰部，該腰部之直徑為第一表面中之開口或第二表面中之開口之直徑的至少50%，且第一表面中之開口之直徑與第二表面中之開口之直徑之間的差異為3μm或更小。
孔洞可隨後例如經由金屬化由導電材料塗佈及/或填充，以便產生由透明材料製得之中介體部件。金屬或導電材料可例如為銅、鋁、金、銀、鉛、錫、銦錫氧化物或其組合或合金。用於金屬化孔洞之內部的製程可例如為電鍍、無電電鍍、物理氣相沉積或其他蒸發塗佈方法。孔洞亦可用催化材料塗佈，該等催化材料諸如鉑、鈀、二氧化鈦或有助於孔洞內之化學反應的其他材料。或者，孔洞可利用其他化學功能化來塗佈，以便使表面濕潤性質變化或允許生物分子之附著，且用於生物化學分析。此種化學功能化可為孔洞之玻璃表面之矽烷化，及/或設計來促進用於所要應用之生物分子之附著的特定蛋白質、抗體或其他生物學特異分子之另外附著。
在一個實施例中，雷射鑽孔材料之方法包括以下步驟：將脈衝雷射束聚焦成沿射束傳播方向定向且導向至材料中之雷射束焦線，該雷射束具有在該材料處量測的大於約50微焦耳每mm所處理材料厚度之平均雷射爆發能量，具有在約25μJ/mm線焦點至約125μJ/mm線焦點範圍內之爆發能量密度，具有脈衝，該等脈衝具有小於約100皮秒之持續時間及在約1kHz與約4MHz之間的範圍內之重複率。線焦點之長度可藉由光軸上強度為最大強度一半的兩個點之間的距離來測定。雷射束焦線在材料內產生誘導吸收，該誘導吸收在材料內產生沿雷射束焦線之孔洞。該方法亦包括以下步驟：將該材料及該雷射束相對於彼此平移，進而於該材料內以如下速率雷射鑽孔複數個孔洞(或破壞徑跡)：大於約50個 孔洞/秒、大於約100個孔洞/秒、大於約500個孔洞/秒、大於約1,000個孔洞/秒、大於約2,000個孔洞/秒、大於約3,000個孔洞/秒、大於約4,000個孔洞/秒、大於約5,000個孔洞/秒、大於約6,000個孔洞/秒、大於約7,000個孔洞/秒、大於約8,000個孔洞/秒、大於約9,000個孔洞/秒、大於約10,000個孔洞/秒、大於約25,000個孔洞/秒、大於約50,000個孔洞/秒、大於約75,000個孔洞/秒，或大於約100,000個孔洞/秒，此取決於孔洞/破壞徑跡之所要圖案。該方法進一步包括以下步驟：以小於約5微米/min之速率，諸如以約2微米/min之速率以酸溶液中蝕刻該材料，進而擴大該材料中之孔洞。
在一些實施例中，脈衝持續時間可在大於約5皮秒與小於約100皮秒之間的範圍內，且重複率可在約1kHz與4MHz之間的範圍內。該等脈衝可以至少兩個脈衝之爆發來產生，該等脈衝藉由在約1nsec與約50nsec之間的範圍內，例如10nsec至30nsec，諸如約20nsec加或減2nsec的持續時間區隔，且爆發重複頻率可在約1kHz與約4MHz之間的範圍內。該脈衝雷射束可具有一波長，該波長經選擇以使得該材料在此波長下為大體上透明的。此波長可例如為1064、532、355或266奈米。在一些實施例中，爆發重複頻率可在約1kHz與約4MHz之間的範圍內，在約10kHz與約650kHz之間的範圍內，為約10kHz或更大，或約100kHz或更大。
雷射束焦線可具有在約0.1mm與約10mm之間的範圍內之長度，或在約0.1mm與約1mm之間的範圍內之 長度，以及在約0.1微米與約5微米之間的範圍內之平均斑點直徑。貝色束之斑點直徑D可寫為D=(2.4048λ)/(2πB)，其中λ為雷射束波長，且B為射束之圓錐角之函數。
雷射及光學系統：
出於切割透明基板、尤其是玻璃之目的，開發出一種方法，其使用1064nm皮秒雷射與線焦點射束形成光學元件組合來在基板中產生破壞之線或破壞徑跡。此方法在以下詳述，且詳述於2013年1月15日申請之美國專利申請案第61/752,489號中，2014年1月14日申請之美國專利申請案第14/154,525號(公開為US公開案第2014/0199519號)對該申請案主張權益，每一申請案之全部內容皆以引用方式併入，如同於本文中完全闡述一般。藉由雷射產生的破壞徑跡在本文中可互換地稱為孔洞、導孔、缺陷線或穿孔。切割透明基板之方法亦可應用於產生破壞徑跡，該等破壞徑跡隨後藉由刻蝕製程來擴大，如下所述。
第1圖給出一個概念版本之示意圖，其中旋轉三稜鏡光學元件10及其他透鏡11及12係用於將光線自雷射3(未圖示)聚焦成圖案2b，該圖案2b將具有直線形狀，其平行於系統之光軸。基板1經定位以便其處於線焦點內。利用約1mm範圍之線焦點及在100kHz之重複率(在材料處量測的約200微焦耳/爆發)下產生大於或等於約20W之輸出功率的皮秒雷射的情況下，線區域2b中之光學強度可易於為足夠高的，以便在該材料中產生非線性吸收。脈衝雷射束可具有在材料處量測的每mm厚度材料大於40微焦耳之平均雷射爆發 能量。所使用的平均雷射爆發能量可高達每mm厚度材料2500μJ，例如為100-2000μJ/mm，較佳為200-1750μJ/mm，且更佳為500-1500μJ/mm。此「平均雷射能量」亦可稱為平均每次爆發的線性能量密度，或每次雷射爆發每mm厚度材料之平均能量。在一些實施例中，爆發能量密度可在約25μJ/mm線焦點至約125μJ/mm線焦點之範圍內，或在約75μJ/mm線焦點至約125μJ/mm線焦點之範圍內。產生的所破壞、燒蝕、汽化或以其他方式改質材料之區域大致遵循高強度之線性區域。
轉而參看第2A及2B圖，雷射處理材料之方法包括以下步驟：將脈衝雷射束2聚焦成沿射束傳播方向定向之雷射束焦線2b。如第3A圖所示，雷射3(未圖示)發射雷射束2，其具有入射至光學總成6之部分2a。光學總成6將入射雷射束轉變成輸出側上沿射束方向(焦線之長度l)的在所限定擴張範圍內的擴延雷射束焦線2b。平面基板1定位於射束路徑中以至少部分地重疊雷射束2之雷射束焦線2b。雷射束焦線因此導向至基板中。參考符號1a指定平面基板的分別面向光學總成6或雷射之表面，且參考符號1b指定基板1之反向表面。基板或材料厚度(在此實施例中係垂直於平面1a及1b，亦即垂直於基板平面來量測)係以d來標記。基板或材料可為玻璃物件，其對例如雷射束2之波長為大體上透明的。
如第2A圖所描繪，將基板1(或材料或玻璃物件)垂直於縱向射束軸來對準，且因此處於藉由光學總成6產生的同一焦線2b後方(基板係垂直於圖式之平面)。在焦線沿射 束方向定向或對準的情況下，基板相對於焦線2b以如下方式定位：焦線2b在基板之表面1a前方開始且在基板之表面1b前方停止，亦即焦線2b仍終止於基板內且不延伸超出表面1b。在雷射束焦線2b與基板1之重疊區域中，亦即在藉由焦線2b覆蓋的基板材料中，擴延雷射束焦線2b產生(假定沿雷射束焦線2b之適合雷射強度，該強度藉由將雷射束2聚焦於長度l之區段上，亦即聚焦於長度l之線焦點上來確保)擴延區段2c(沿縱向射束方向對準)，誘導吸收係沿該擴延區段2c產生於基板材料中。誘導吸收於基板材料中沿區段2c產生缺陷線。缺陷線為在大體上透明材料、基板或工件中藉由使用單一高能量爆發脈衝產生的微觀(例如，直徑>100nm且<0.5微米)狹長「孔洞」(亦稱為穿孔、破壞徑跡或缺陷線)。個別穿孔可例如以數百千赫之速率(每秒數十萬個穿孔)來產生。利用來源與材料之間的相對運動，此等穿孔可設置成彼此鄰近(空間離距視需要自次微米變化至許多微米)。此空間離距(間距)可經選擇來促進材料或工件之分離。在一些實施例中，缺陷線/破壞徑跡為「貫通孔」，其為自大體上透明材料之頂部延伸至底部的孔洞或敞開通道。在其他實施例中，破壞徑跡不為真實的「貫通孔」，因為材料之粒子阻斷破壞徑跡之路徑。因此，雖然破壞徑跡可自材料之頂表面延伸至底表面，但在一些實施例中，其不為連續孔洞或通道，因為材料之粒子阻斷該路徑。缺陷線/破壞徑跡形成不僅為局部的，而且在誘導吸收之擴延區段2c之整個長度上。區段2c之長度(其相應於雷射束焦線2b與基板1重疊之長度)係以參考符號L來 標記。誘導吸收之區段2c(或基板1之材料中經歷缺陷線形成之區段)的平均直徑或範圍係以參考符號D來標記。此平均範圍D基本上相應於雷射束焦線2b之平均直徑δ，亦即，在約0.1微米與約5微米之間的範圍內之平均斑點直徑。
因此，可能在透明材料中使用單一高能量爆發脈衝產生微觀(亦即，直徑<2微米且>100nm，且在一些實施例中<0.5μm且>100nm)狹長「孔洞」(亦稱為穿孔、破壞徑跡或缺陷線，如上所述)。此等個別穿孔可以數百千赫之速率(例如每秒數十萬個穿孔)來產生。因此，利用來源與材料之間的相對運動，此等穿孔可設置於工件內之任何所要位置處。在一些實施例中，缺陷線/破壞徑跡為「貫通孔」，其為自透明材料之頂部延伸至底部的孔洞或敞開通道。在一些實施例中，缺陷線/破壞徑跡可不為連續通道，且可藉由固體物料(例如玻璃)之部分或區段阻斷或部分阻斷。如本文所定義，缺陷線/破壞徑跡之內徑為敞開通道或氣孔之內徑。例如，在本文所述的實施例中，缺陷線/破壞徑跡之內徑為<500nm，例如400nm或300nm。在本文揭示的實施例中，材料的圍繞孔洞之擾動或改質區域(例如，壓緊、熔融或以其他方式變化)較佳具有<50微米(例如，<10微米)之直徑。
如第2A圖所示，基板材料(其對雷射束2之波長λ為透明的)歸因於沿焦線2b之誘導吸收而受熱，該誘導吸收係由與焦線2b內雷射束之高強度相關聯的非線性效應而產生。第2B圖例示的是：受熱基板材料將最終膨脹，以便相應誘導的張力導致微裂紋形成，其中該張力在表面1a處為最高。
雷射源之選擇預示在透明材料中產生多光子吸收(MPA)之能力。MPA為兩個或兩個以上具有相等或不同頻率之光子之同時吸收，以便將分子自一個狀態(通常為基態)激發至較高能量電子狀態(可能產生離子化)。分子之所涉及低能狀態與高能狀態之間的能量差可等於兩個或兩個以上光子之能量的總和。MPA(亦稱為誘導吸收)可為第二階、第三階或更高階過程，例如，比線性吸收弱若干個數量級。MPA不同於線性吸收之處在於：誘導吸收之強度可例如與光強度之平方或立方或其他更高冪成比例，而非與光強度自身成比例。因此，MPA為非線性光學過程。
以下描述可應用來產生焦線2b之代表性光學總成6，以及其中可應用此等光學總成之代表性光學設置。所有總成或設置基於以上描述，以便相同參考符號用於相同組件或特徵或其功能等同的彼等組件。因此，以下僅描述差異。
為確保高品質鑽孔孔洞(就達成高破裂強度、幾何精確度、用於蝕刻劑之強固路徑之產生、孔洞內部形態學及微裂痕之避免而言)，定位於基板表面上之個別焦線應使用以下所述之光學總成來產生(在下文中，光學總成亦替代地稱為雷射光學元件)。為在雷射3(與基板1之材料相互作用)之給定波長λ的狀況下達成例如0.5微米至2微米之小斑點大小，通常必須對雷射光學元件6之數值孔徑強加某些要求。
為達成需要數值孔徑，一方面，光學元件必須根據已知的阿貝公式(N.A.=n sin(θ)，n：待處理玻璃或其他材料之折射率；θ：孔徑角之一半；且θ=arctan(D/2f)；D：孔 徑，f：焦距)、針對給定焦距來安置所需開口。另一方面，雷射束必須照射光學元件直至達到所需孔徑，其係典型地藉助於在雷射與聚焦光學元件之間使用增寬伸縮鏡(widening telescope)進行射束增寬而達成。
出於沿焦線均勻相互作用之目的，斑點大小不應改變過於強烈。此可例如藉由以下來確保(參見以下實施例)：僅在小的圓形區域中照射聚焦光學元件，以便射束開口及因此數值孔徑之百分比僅輕微改變。
根據第3A圖(於雷射輻射2之雷射束叢中的中心射束之位準處垂直於基板平面之截面；亦在此，雷射束2垂直地入射至基板平面，亦即入射角為0°，以便焦線2b或誘導吸收之擴延區段2c平行於基板法線)，藉由雷射3發射的雷射輻射2a首先導向至圓形孔徑8上，該圓形孔徑8對所使用之雷射輻射完全不透明。孔徑8經定向垂直於縱向射束軸，且定中心於所描繪射束叢2a之中心射束上。孔徑8之直徑以如下方式加以選擇：靠近射束叢2a之中心的射束叢或中心射束(此處以2aZ來標記)碰撞該孔徑且完全地由其吸收。僅射束叢2a之外周邊範圍中之射束(邊緣射線，此處以2aR來標記)不被吸收，此歸因於相較於射束直徑而言減小的孔徑，而其側向地通過孔徑8且碰撞光學總成6之聚焦光學元件之邊緣區域，在此實施例中，該光學總成6係設計為球面切斷雙凸透鏡7。
如第3A圖中所例示，雷射束焦線2b不僅為用於雷射束之單一焦點，而且為用於雷射束中不同射線之一系列 焦點。該系列焦點形成具有限定長度之狹長焦線，該長度在第3A圖展示為雷射束焦線2b之長度l。透鏡7定中心於中心射束上，且係設計為呈普通球面切斷透鏡形式之非校正雙凸面聚焦透鏡。此種透鏡之球形像差可為有利的。作為替換物，亦可使用偏離理想校正系統之非球體或多透鏡系統(亦即，不具有單一焦點之透鏡或系統)，其不形成理想焦點但形成具有限定長度之相異、狹長焦線。透鏡之區帶因此沿焦線2b聚焦，其受離透鏡中心之距離的影響。孔徑8跨於射束方向之直徑為射束叢之直徑(藉由射束之強度降低至峰值強度之1/e2所需的距離來定義)的大致90%，且為光學總成6之透鏡之直徑的大致75%。因此使用的是：藉由阻斷在中心之射束叢而產生的非像差校正球形透鏡7之焦線2b。第3A圖展示在穿過中心射束之一個平面中的截面，且當所描繪射束繞焦線2b旋轉時可看見完整的三維叢。
此種類型的焦線之一個潛在缺點在於：條件(斑點大小、雷射強度)可沿焦線(且因此沿材料中之所要深度)改變，且因此所要類型的相互作用(無熔融、誘導吸收、熱塑性變形直至裂紋形成)可能僅在焦線之所選部分中發生。此繼而意指：可能入射雷射光之僅一部分以所要方式由基板材料吸收。以此方式，製程之效率(所要分離速度之所需平均雷射功率)可受損，且雷射光亦可透射至非所要之區域(黏附至基板或基板固持夾具之部件或層)中且與其以不合需要的方式(例如，加熱、擴散、吸收、非所需改質)相互作用。
第3B-1-4圖展示(不僅對於第3A圖中之光學總成而言，而且基本上對於任何其他可應用之光學總成6而言)：雷射束焦線2b之位置可藉由將光學總成6相對於基板1適合地定位及/或對準以及藉由適合地選擇光學總成6之參數來控制。如第3B-1圖所例示，焦線2b之長度l可以如下方式調整：其超過基板厚度d(此處係超過2倍)。若基板1中心地置放於焦線2b(在縱向射束方向上觀察)，那麼誘導吸收之擴延區段2c係於整個基板厚度上產生。雷射束焦線2b可例如具有在約0.01mm與約100mm之間的範圍內或在約0.1mm與約10mm之間的範圍內之長度l。各種實施例可配置來具有例如約0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、1mm、2mm、3mm或5mm之長度l。
在第3B-2圖中所示的狀況下，產生具有長度l之焦線2b，其或多或少地相應於基板厚度d。因為基板1相對於線2b以如下方式定位：線2b在基板外部之一點處開始，所以誘導吸收之擴延區段2c之長度L(此處其自基板表面延伸至限定基板深度，而不延伸至反向表面1b)小於焦線2b之長度l。第3B-3圖展示以下狀況，其中基板1(沿垂直於射束方向之方向觀察時)定位於焦線2b之起始點上方，以便如在第3B-2圖中，線2b之長度l大於基板1中誘導吸收之區段2c之長度L。因此，焦線在基板內開始且延伸超出反向表面1b。第3B-4圖展示以下狀況：焦線長度l小於基板厚度d，以便--在入射方向上觀察到基板相對於焦線之中心定位時--焦線 在基板內接近表面1a處開始且在基板內接近表面1b處結束(例如，l=0.75．d)。
尤其有利的是：將焦線2b以如下方式定位：藉由焦線覆蓋表面1a、1b之至少一個，以便誘導吸收之區段2c至少在基板之一個表面上開始。以此方式，可能達成事實上理想的切口或破壞徑跡之形成，同時避免在表面處的燒蝕、羽化(feathering)及微粒化。
第4圖描繪另一可應用光學總成6。基本構造遵循第3A圖中所述之構造，因此以下僅描述差異。所描繪光學總成係基於使用具有非球形自由表面之光學元件，以便產生焦線2b，該焦線2b係以形成具有限定長度l之焦線的方式成形。為達此目的，非球體可用作光學總成6之光學元件。在第4圖中，例如使用所謂的錐形稜鏡，亦常稱為旋轉三稜鏡。旋轉三稜鏡為一種特殊的錐形切斷透鏡，其在沿光軸之線上形成斑點源(或將雷射束轉變成環)。此種旋轉三稜鏡之佈局通常為熟習此項技術者所知；實例中之圓錐角為10°。此處以參考符號9來標記的旋轉三稜鏡之頂點朝向入射方向導向且定中心於射束中心。因為藉由旋轉三稜鏡9產生的焦線2b在其內部內開始，所以基板1(此處垂直於主射束軸對準)可定位於射束路徑中、處於旋轉三稜鏡9之直接後方。如第4圖所示，亦可能由於旋轉三稜鏡之光學特徵而使基板1沿射束方向移位，同時保持於焦線2b之範圍內。基板1之材料中的誘導吸收之區段2c因此在整個基板深度d上延伸。
然而，所描繪佈局遭受以下限制：因為藉由旋轉三稜鏡9形成的焦線2b之區域在旋轉三稜鏡9內開始，所以在其中旋轉三稜鏡9與基板或玻璃複合物工件材料之間存在離距之情形下，雷射能量之顯著部分不聚焦於位於材料內的焦線2b之誘導吸收之區段2c中。此外，焦線2b之長度l經由旋轉三稜鏡9之折射率及圓錐角而與射束直徑相關。此為在相對薄材料(若干毫米)的狀況下總焦線比基板或玻璃複合物工件厚度長得多的原因，因而得到更多雷射能量不聚焦於材料中之效果。
出於此原因，可能需要使用包括旋轉三稜鏡及聚焦透鏡兩者的光學總成6。第5A圖描繪此種光學總成6，其中具有設計來形成擴延雷射束焦線2b之非球形自由表面的第一光學元件係定位於雷射3之射束路徑中。在第5A圖所示的狀況下，此第一光學元件為具有5°之圓錐角的旋轉三稜鏡10，其垂直於射束方向定位且定中心於雷射束3。旋轉三稜鏡之頂點朝向射束方向定向。此處為平凸透鏡11之第二聚焦光學元件(其曲率朝向旋轉三稜鏡定向)係定位於射束方向上、離旋轉三稜鏡10距離z1處。在此狀況下大致為300mm之距離z1係以如下方式來選擇：藉由旋轉三稜鏡10形成的雷射輻射圓形地入射於透鏡11之外徑向部分上。透鏡11將圓形輻射聚焦於距離z2(在此狀況下離透鏡11為大致20mm)處之輸出側上的具有限定長度(在此狀況下為1.5mm)之焦線2b上。在此實施例中，透鏡11之有效焦距為25mm。雷射束藉由旋轉三稜鏡10之圓形轉變係以參考符號SR來標記。
第5B圖詳細地描繪根據第5A圖的在基板1之材料中焦線2b或誘導吸收2c之形成。元件10、11之光學特徵以及其定位係以如下方式選擇：焦線2b於射束方向上之長度l與基板1之厚度d恰好相等。因此，需要基板1沿射束方向之確切定位，以便將焦線2b恰好定位於基板1之兩個表面1a與1b之間，如第5B圖所示。
因此有利的是，焦線在離雷射光學元件之某一距離處形成的情況，及雷射輻射之較大部分聚焦至焦線之所要末端的情況。如所述，此可藉由僅圓形地(環形地)照射主要聚焦元件11(透鏡)之特定外徑向區域來達成，從而一方面用以實現所需數值孔徑及因此所需斑點大小，然而另一方面，在斑點(如基本上圓形斑點)之中心的極短距離上形成所需焦線2b之後，擴散圓環之強度減小。以此方式，缺陷線/破壞徑跡形成在所需基板深度的短距離內停止。旋轉三稜鏡10及聚焦透鏡11之組合符合此項要求。旋轉三稜鏡以兩種不同的方式來作用：歸因於旋轉三稜鏡10，將通常為圓形的雷射斑點以環之形式發送至聚焦透鏡11，且旋轉三稜鏡10之非球面性具有如下效應：形成超出透鏡之焦平面的焦線替代在焦平面中形成焦點。焦線2b之長度l可經由旋轉三稜鏡上之射束直徑來調整。另一方面，沿焦線之數值孔徑可經由旋轉三稜鏡-透鏡的距離z1及經由旋轉三稜鏡之圓錐角來調整。以此方式，整個雷射能量可集中於焦線中。
若缺陷線/破壞徑跡形成意欲持續至基板之背側，則圓形(環形)照射仍具有以下優點：(1)最佳在如下意義 上使用雷射功率：大多數雷射光保持集中於焦線之所需長度中；以及(2)可能沿焦線達成均勻斑點大小--及因此部件與基板沿焦線之均勻分離--此係歸因於圓形照射區帶連同藉助於其他光學功能設定的所要像差。
替代第5A圖中所描繪的平凸透鏡，亦可能使用聚焦彎月面透鏡或另一較高校正聚焦透鏡(非球體、多透鏡系統)。
為僅使用第5A圖所描繪的旋轉三稜鏡及透鏡11之組合來產生極短焦線2b，有必要選擇入射於旋轉三稜鏡上的極小射束直徑之雷射束。其具有以下實際缺點：射束於旋轉三稜鏡之頂點上的定中心必須極為精確，且所得者對雷射之方向變化(射束漂移穩定性)極為敏感。此外，緊密準直雷射束極為發散，亦即，歸因於光偏轉，射束叢在短距離上變得模糊。兩種效應均可藉由在光學總成6中包括另一透鏡，即包括準直透鏡12來避免。附加正準直透鏡12用於極緊密地調整聚焦透鏡11之圓形照射。準直透鏡12之焦距f'係以如下方式來選擇：所要圓環直徑dr由旋轉三稜鏡至準直透鏡12之距離z1a產生，該距離z1a等於f'。環之所要寬度br可經由距離z1b(準直透鏡12至聚焦透鏡11)來調整。作為純幾何學之問題，圓形照射之小寬度導致短焦線。在距離f'處可達成最小值。
因此，第5A圖中所描繪的光學總成6係基於第1圖中所描繪的光學總成，因此以下僅描述差異。此處亦設計為平凸透鏡(其曲率朝向射束方向)之準直透鏡12另外置放於 介於一側上的旋轉三稜鏡10(其頂點朝向射束方向)與另一側上的平凸透鏡11之間的射束路徑之中心處。準直透鏡12與旋轉三稜鏡10之距離稱為z1a，聚焦透鏡11與準直透鏡12之距離稱為z1b，且焦線2b與聚焦透鏡11之距離稱為z2(始終在射束方向上觀察)。
亦如第5A圖所示，藉由旋轉三稜鏡10形成的圓形輻射SR沿距離z1b調整至所需圓環寬度br，以在聚焦透鏡11處達到至少大致恆定圓環直徑dr，該圓形輻射SR發散地且在圓環直徑dr下入射於準直透鏡12上。在所示的狀況下，意欲產生極短焦線2b，以便在透鏡12處大致4mm之圓環寬度br由於透鏡12之聚焦性質而減小至在透鏡11處的大致0.5mm(該實例中圓環直徑dr為22mm)。
在所描繪實例中，可能使用2mm之典型雷射束直徑、具有焦距f=25mm之聚焦透鏡11、具有焦距f‘=150mm之準直透鏡且選擇距離Z1a=Z1b=140mm及Z2=15mm來達成小於0.5mm的焦線l之長度。
注意，此皮秒雷射之典型操作產生脈衝之「爆發」，有時亦稱為「爆發脈衝」。爆發為一類雷射操作，其中脈衝之發射不呈均勻及穩定流，而是緊密脈衝叢。此描繪於第6圖中。每一「爆發」610可含有多個極短持續時間之脈衝620(諸如至少2個脈衝、至少3個脈衝、至少4個脈衝、至少5個脈衝、至少10個脈衝、至少15個脈衝、至少20個脈衝或20個以上的脈衝)。亦即，脈衝爆發為脈衝之「包袋(pocket)」，且爆發藉由比每次爆發內個別相鄰脈衝之區隔時 間更長的持續時間來彼此區隔。脈衝610可具有在以下範圍內之脈衝持續時間Td：約0.1psec至約100psec(例如，0.1psec、5psec、10psec、15psec、18ps、20ps、22ps、25ps、30ps、50ps、75ps或介於其之間)。在一些實施例中，脈衝持續時間可在大於約1皮秒且小於約100皮秒或大於約5皮秒且小於約20皮秒之範圍內。單一爆發610內之此等個別脈衝620亦可稱為「子脈衝」，其簡單地表示該等脈衝係出現在脈衝之單一爆發內。爆發610內之每一雷射脈衝620之能量或強度可不等於爆發內的其他脈衝之能量或強度，且爆發610內之多個脈衝之強度分佈常常遵循由雷射設計所決定的在時間上之指數衰變。在一些實施例中，爆發610內之每一脈衝620藉由在約1nsec與約50nsec之間的範圍內(例如10-50ns，或10-50ns，或10-30nsec)之持續時間Tp而在時間上區隔，其中時間常常由雷射共振腔設計來決定。對於給定雷射而言，爆發610內之每一脈衝之間的時間區隔Tp(脈衝至脈衝區隔)為相對均勻的(±10%)。例如，在一些實施例中，Tp為大致20nsec(50MHz)。此外例如，對產生約20nsec之脈衝至脈衝區隔Tp之雷射而言，爆發內之脈衝至脈衝區隔Tp維持於約±10%內或為約±2nsec。脈衝620之每一「爆發」610之間的時間(亦即，爆發之間的時間區隔Tb)將更加長(例如，0.25微秒Tb 1000微秒，例如1-10微秒，或3-8微秒)。在一些示範性實施例中，對約100kHz之雷射重複率而言，Tb為約10微秒。在本文所述的雷射之一些示範性實施例中，對約200kHz之雷射重複率或頻率而言，Tb可為約5微秒。例 如，對約200kHz之雷射重複率而言，每一「爆發」之間的時間亦可為約5微秒。雷射重複率亦在本文中稱為爆發重複頻率，且定義為一爆發中之第一脈衝與後一爆發中之第一脈衝之間的時間。在其他實施例中，爆發重複頻率在約1kHz與約4MHz之間的範圍內。更佳地，雷射重複率可在約10kHz與650kHz之間的範圍內。在一些實施例中，雷射重複率可為約10kHz或更大，或約100kHz或更大。每一爆發中之第一脈衝與後一爆發中之第一脈衝之間的時間Tb可為0.25微秒(4MHz重複率)至1000微秒(1kHz重複率)，例如0.5微秒(2MHz重複率)至40微秒(25kHz重複率)，或2微秒(500kHz重複率)至20微秒(50kHz重複率)。確切時序、脈衝持續時間及重複率可取決於雷射設計而改變，但高強度之短脈衝(Td<20psec且較佳Td 15psec)已證實為工作尤其良好的。在一些實施例中，5psecTd 15psec。
改質材料之所需能量可就爆發能量--爆發內所含的能量(每一爆發610含有一系列脈衝620)而言，或就單一雷射脈衝內所含的能量(許多個單一雷射脈衝可構成一爆發)而言來描述。對於此等應用而言，每次爆發之能量可為25μJ-750μJ，更佳40μJ-750μJ、50μJ-500μJ、50-250μJ，或100-250μJ。爆發內的個別脈衝之能量可較小，且確切的個別雷射脈衝能量將取決於爆發內的脈衝之數量及雷射脈衝隨時間的衰變速率(例如指數衰變速率)，如第6圖所示。例如，對恆定能量/爆發而言，若爆發含有10個別雷射脈衝，則每一個 別雷射脈衝將含有比同一爆發僅具有2個個別雷射脈衝的情況更小的能量。
使用能夠產生脈衝之此等爆發的雷射有利於此種處理。與使用藉由雷射之重複率而在時間上間隔分開的單一脈衝相對比，使用經由子脈衝(其構成爆發)之快速序列來傳播雷射能量的爆發序列允許獲得相較於利用單一脈衝雷射的情況而言與材料相互作用的高強度之較大時間標度。雖然單一脈衝可在時間上延展，因為此已完成，但是脈衝內之強度必須粗略地下降為脈衝寬度上之強度。因此，若10psec脈衝延展為10nsec脈衝，則強度下降大約三個數量級。此種減小可減小其中非線性吸收不再為重要的點之光學強度，且光材料相互作用不再強烈到足以允許材料改質。對比而言，利用爆發脈衝雷射，每一子脈衝期間的強度可保持極高--例如在時間上間隔分開大致10nsec的三個10psec脈衝仍允許每一脈衝內之強度大致在單一10psec脈衝之三倍以內，而使得雷射與材料相互作用在現在為大三個數量級的時間標度上相互作用。因此，對爆發內的多個脈衝之此種調整允許以如下方式來操縱雷射-材料相互作用之時間標度：該方式可有助於與預存在電漿羽流(plume)的更大或更小光相互作用、與已藉由初始或先前雷射脈衝預激發的原子及分子的更大或更小光-材料相互作用。
當脈衝之單一爆發大體上大體上擊打材料上之同一位置時，在材料中形成破壞徑跡或孔洞。亦即，單一爆發內之多個雷射脈衝相應於材料中之單一缺陷線或孔洞位 置。當然，因為材料平移(例如藉由恆定地移動臺階)或射束相對於材料移動，所以爆發內之個別脈衝無法恰好處於材料上之同一空間位置處。然而，脈衝係完全在相對彼此的1微米內，以便其擊打材料之基本上同一位置。例如，脈衝可以間隔sp來擊打材料，其中相對彼此而言，0<sp500nm。例如，當材料上之一位置由20個脈衝之爆發來碰撞時，爆發內之個別脈衝相對彼此在250nm內擊打玻璃。因此，在一些實施例中，間隔sp在約1nm至約250nm或約1nm至約100nm範圍內。
形成線焦點之光學方法可採取多種形式，其使用圈餅形雷射束及球形透鏡、旋轉三稜鏡透鏡、繞射元件或形成如上所述高強度之線性區域的其他方法。亦可改變雷射之類型(皮秒、飛秒等等)及波長(IR、綠色、UV等等)，只要達到足夠的光學強度來產生基板材料之擊穿(breakdown)即可。
孔洞或破壞徑跡形成：
藉由上述雷射製程產生的破壞徑跡通常採取孔洞之形式，其內部尺寸在約0.1微米至2微米，例如0.1-1.5微米範圍內。較佳地，藉由雷射形成的孔洞在尺寸上極小(幾微米或更小)--亦即，其為狹窄的。在一些實施例中，此等孔洞之直徑為0.2至0.7微米。如上所述，在一些實施例中，破壞徑跡不為連續孔洞或通道。破壞徑跡之直徑可為5微米或更小、4微米或更小、3微米或更小、2微米或更小，或1微米或更小。在一些實施例中，破壞徑跡之直徑可在大於100nm至小於2微米，或大於100nm至小於0.5微米範圍內。第 7A及7B圖中展示此等特徵之掃描電子顯微照片影像。此等孔洞為未蝕刻孔洞(亦即，其尚未藉由蝕刻步驟增寬)。
孔洞或缺陷線/破壞徑跡可穿孔材料之整個厚度，且可或可不為貫通材料之深度的連續開口。第8圖展示此等徑跡或缺陷線之實例，該等徑跡或缺陷線穿孔150微米厚Eagle XG®玻璃基板之工件之整個厚度。穿孔或破壞徑跡經由劈開邊緣之側面來觀察。穿過材料之徑跡未必為貫通孔。玻璃常常存在堵塞孔洞之區域，但該等區域通常大小較小，例如大約數微米。
第9圖展示相似孔洞或破壞徑跡之更大放大率影像，其中可更清晰可見孔洞之直徑以及其中孔洞由剩餘玻璃塞堵之區域的存在。穿過玻璃而製得的徑跡之直徑為約1微米。其不完全地敞開--亦即，移除材料之諸多區域，但未必形成完全貫通孔。
亦可能在堆疊玻璃片或其他大體上透明材料之堆疊中穿孔或產生孔洞/破壞徑跡。在此狀況下，焦線長度需要比堆疊高度更長。例如，用三種堆疊150微米Eagle XG®玻璃片來執行試驗，且穿過所有三個試件製得完全穿孔，其具有自上片材之頂表面一直延伸至底部片材之底表面的穿孔或缺陷線/破壞徑跡(具有大致1微米內徑)。第3B-1圖展示配置用於穿過單一基板之完全穿孔的焦線之實例，而下文結合第48圖描述了穿過三種堆疊片材之完全穿孔。如本文所定義，缺陷線/穿孔之內徑為敞開通道或氣孔之內徑。材料的圍繞孔洞之擾動或改質區域(例如，壓緊、熔融或以其他方式變 化)可具有大於敞開通道或氣孔之內徑的直徑。堆疊中之穿孔可受酸蝕刻來產生延伸穿過構成堆疊之全部玻璃片的複數個貫通孔，或替代地，可將玻璃片分離且隨後可單獨地在片材之每一者中酸蝕刻孔洞。例如，此製程可產生具有以下蝕刻孔洞直徑之玻璃：1-100微米，例如10-75微米、10-50微米、2-25微米、2-20微米、2-15微米、2-10微米，且孔洞可具有例如25-1000微米之間隔。
亦可利用此製程來在不同於玻璃之透明材料片中產生孔洞。因為光學系統使用線焦點，所以可能鑽穿在基板片材之間具有大(>1微米，至多4mm，例如10-500微米)氣隙或其他填充材料(例如水、透明聚合物、如銦錫氧化物之透明電極)之透明材料。即使在多個玻璃片宏觀分離(數微米、數十微米或甚至數百微米)時，持續鑽穿該等玻璃片之能力將視為此線焦點鑽孔方法之特定優點。對比而言，當使用其他雷射方法時，諸如依賴於以克爾效應(Kerr-effect)為基礎的自我聚焦來形成高縱橫比通道之彼等方法，或使用玻璃孔洞自身之形成來產生光導的彼等方法，諸如兩個玻璃塊之間的氣隙的間隙之存在可完全中斷製程，從而使得底部片材之有品質鑽孔困難或完全無效。這是因為當此種非線焦點(例如非高斯-貝色)射束進入空氣時，其將繞射且快速傳播。若不存在欲對之進行重新局限的預存在通道，或不存在欲對之進行重新聚焦的實質克爾效應，則射束將傳播成過大之直徑以致於無法改質處於下方之材料。在以克爾效應為基礎的自我聚焦的狀況下，在空氣中自我聚焦之臨界功率比玻璃中所需的臨界 功率大約20X，使得此種氣隙極易出問題。然而，對線焦點系統而言，射束將持續形成高強度核心，無論是否存在玻璃材料，或聚合物，或氣隙，或甚至存在真空。因此，線焦點射束毫無問題地持續鑽孔下方之玻璃層，而不管材料中介於該玻璃層與上方玻璃片之間的間隙。
類似地，基板片材之堆疊可含有遍及該堆疊具有不同玻璃組成物之基板。例如，一種堆疊可含有Eagle XG玻璃之基板片材以及Corning玻璃2320號之基板片材。或透明基板片材之堆疊可含有非玻璃透明無機材料，諸如藍寶石。基板必須對用於產生線焦點之雷射之波長為大體上透明的，例如，雷射波長適於為200nm至2000nm，例如，1064nm、532nm、355nm或266nm。在一些實施例中，基板亦可對在約390nm至約700nm範圍內之至少一個波長為透明的。在一些實施例中，基板可透射在約390nm至約700nm範圍內之至少一個波長之至少70%、至少75%、至少80%、至少85%或至少90%。在玻璃或其他透明材料中鑽孔孔洞/破壞徑跡可用於產生包含基板(彼此間隔或直接接觸)之堆疊的物件，該堆疊具有穿過該堆疊形成的複數個孔洞，其中該等孔洞延伸穿過該等基板中之每一者，該等孔洞之直徑例如在1-100微米之間，且例如具有25-1000微米之間隔。因此，可利用此製程來產生包含多層堆疊之大體上透明物件，其中該多層堆疊包含多個玻璃層及位於該等玻璃層之間的至少一個聚合物層，或具有不同組成物之至少兩個玻璃層，或至少一個玻璃層及至少一個非玻璃無機層。
在基板係於聚焦雷射束下方平移時，孔洞或缺陷線/破壞徑跡之間的側向間隔(間距)係藉由雷射之脈衝或爆發速率來決定。通常形成一整體孔洞僅需要單一皮秒雷射脈衝爆發，但需要時可使用多次爆發。為以不同間距來形成孔洞，雷射可受觸發來以更長或更短間隔發射。在一些實施例中，雷射觸發通常可與射束下方之工件之臺階驅動運動同步，因此雷射爆發以固定間隔來觸發，該固定間隔諸如每1微米、每5微米、每10微米或每20微米或更大。當在基板中形成意欲用作中介體之破壞徑跡時，相鄰破壞徑跡之間的距離或週期性可取決於貫通孔(亦即，在刻蝕製程之後形成的孔洞)之所要圖案。例如，在一些實施例中，破壞徑跡(及蝕刻之後由其形成的所得貫通孔)之所要圖案為具有不規則間隔的非週期性圖案。其需要處於其中跡線將置於中介體上或其中將在中介體上設置與晶片之特定電連接的位置處。因此，用於中介體之切割及破壞徑跡鑽孔之間的差別在於：用於中介體之貫通孔以非週期性圖案來佈局。然而，對切割圖案而言，破壞徑跡係以特定週期性間距來製得，其中間距取決於所切割材料之組成物。在本文所述的方法中，孔洞或缺陷線(或破壞徑跡，或穿孔)可具有約10μm或更大、約20μm或更大、約30μm或更大、約40μm或更大、約50μm或更大之介於相鄰孔洞/缺陷線/破壞徑跡之間的間隔。在一些實施例中，間隔可至多為約20mm。在一些實施例中，間隔可為50微米至500微米，或10微米至50微米。
第10圖自俯視圖展示相似樣本，在此狀況下該樣本為300微米厚Corning Eagle XG®玻璃，其具有孔洞之週期性陣列。雷射束之進入點清晰可見。相鄰孔洞之間的間距或間隔為300微米，且孔洞之近似直徑為2微米，圍繞每一孔洞之邊沿或改質或凸起材料之直徑為約4微米。探究各種雷射製程參數來尋找產生完全穿透材料且使玻璃之微裂痕最小的孔洞之條件。
雷射功率及透鏡焦距(其決定焦線長度及因此功率密度)為確保對玻璃之完全穿透及低微裂紋的尤其重要的參數。例如，第11圖展示其中發生玻璃之顯著微裂痕的結果。
亦可能特意產生僅部分地延伸穿過材料之穿孔或破壞徑跡。在此狀況下，此等徑跡適用於製得盲孔或通孔。第12圖展示雷射形成的盲孔之一實例。此處，破壞徑跡延伸達穿過玻璃之行程的約75%。為完成此舉，光學元件之焦點向上凸起直至線焦點僅引起玻璃之頂部區段的破壞。可實現其他盲孔深度，諸如延伸達穿過玻璃之行程的僅10%、僅25%、僅50%，或玻璃厚度之任何分數值。
發現以下條件適合於在300微米厚Corning Eagle XG®玻璃中產生自第一表面延伸至第二表面的為連續或非連續貫通孔或通道之破壞徑跡：
去往旋轉三稜鏡透鏡之輸入射束直徑約3mm1/e2
旋轉三稜鏡角度=10度
初始準直透鏡焦距=125mm
最終物鏡焦距=50mm
入射光束收斂度(β)=12.75度
焦點設定在z=0.25mm(部件之頂表面下方大致50微米)
雷射脈衝能量為約180微焦耳
雷射之脈衝重複率=200kHz。
3個脈衝/爆發
第10圖展示來自此等條件之結果。
對切割操作而言，雷射觸發通常係與射束下方之部件之臺階驅動運動同步，且雷射脈衝最常以固定間隔來觸發，該固定間隔諸如每1微米一次或每5微米一次。在給定基板中之應力位準的情況下，確切間隔藉由有助於穿孔孔洞至穿孔孔洞的裂紋傳播之材料性質決定。然而，與切割基板對比，亦可能使用相同方法來僅以孔洞或破壞徑跡之間的較大距離穿孔材料。在中介體的狀況下，孔洞通常藉由比切割所需大得多的距離來分離--替代約10微米或更小之間距，孔洞之間的間隔可為數百微米。如以上所論述，孔洞之確切位置無需處於規則間隔(亦即，其為非週期性的)--位置簡單地藉由雷射受觸發來發射之時間決定，且可在部件內之任何位置。第9圖中製得的孔洞為間隔及圖案之實例，其中在某種程度上代表中介體應用。
一般而言，可利用的雷射功率愈高，材料可愈快地穿孔及/或破壞徑跡可利用以上製程愈快地形成於材料中。在用於中介體或相似應用之鑽孔玻璃的狀況下，製程速度通常不受雷射功率的直接限制，而更多地受將已富餘雷射脈衝或爆發導向至需要孔洞之特定位置處的能力限制。如上所 述，在一些實施例中，破壞徑跡(及蝕刻之後由其形成的所得貫通孔)之所要圖案為具有不規則間隔的非週期性圖案。其需要處於其中跡線將置於中介體上或其中將在中介體上設置與晶片之特定電連接的位置處。因此，用於中介體之切割及破壞徑跡鑽孔之間的差別在於：用於中介體之貫通孔以非週期性圖案來佈局。例如，市售的爆發模式psec雷射可容易以約100-200kHz之重複率來產生約200微焦耳/爆發之雷射爆發。此相應於約20-40瓦特之時間平均雷射功率。然而，為鑽孔中介體，最常情況下，大多數此等爆發未獲使用，因為即使利用極快射束偏轉方法，射束僅可以kHz或可能數十kHz之速率設置在所要孔洞位置處。此意指：對利用以上線焦點及psec脈衝雷射製程之有效鑽孔的主要挑戰為射束如何跨於基板表面移動及導向。一種可用於將孔洞圖案分成一系列1維線之方法，其中每一線含有例如共用共同的y軸位置之所有孔洞。玻璃或射束可隨後以「光柵掃描」模式來掃描，其中雷射束在x方向上行進，掃描橫跨共用共同的y軸值之所有所要孔洞位置。當射束掃描時，該雷射受觸發來僅在所要孔洞位置處發射爆發。在掃描給定y線之後，將基板或雷射束移動至新的y位置，重複該製程以用於在此新的y線上對所要孔洞位置之新設定。此製程隨後持續直至在基板上製得所有所要孔洞。
以上製程是直接的，但未必有效，因為所要孔洞之臺階及間隔所處之速度將決定可使用多少分數的雷射脈衝/爆發。例如，若雷射可以200,000爆發/sec來產生脈衝或爆發， 但臺階移動在0.5m/sec之平均速度下移動且孔洞平均隔開100微米，則僅使用約5,000爆發/sec--約2.5%之可利用的雷射爆發。雖然此舉鑽孔5,000個孔洞(或破壞徑跡)/sec，但其僅為雷射容量之一小部分。
可使用更有效方式來導向雷射束。玻璃或射束遞送光學元件之掃瞄可與自電流計反射鏡(galvo)及f-θ透鏡獲得的快速射束偏轉組合，或與光學元件或玻璃或小範圍之壓電致動組合，或與電光射束偏轉(EOD)或聲光射束偏轉(AOD)組合，以便允許射束在正交於以上所述的線性「光柵」掃描方向之方向上快速調整。在彼狀況下，當射束沿y軸掃瞄時，可利用快速射束偏轉器來達成小而快速的調整，該快速射束偏轉器允許脈衝在給定時間導向至線性臺階(x,y)坐標之某一範圍內的任何孔洞。因此，替代能夠將雷射束沿線導向至僅給定位置，該系統現可將雷射束導向至光柵掃描線之具有寬度dy之掃描帶內的任何孔洞。此可大大地增加每單位時間可藉由雷射束獲得的孔洞之數量，且因此大大地增加可鑽孔的孔洞/sec之數量。另外，快速射束偏轉器可不僅在垂直於光柵掃描軸之方向上使用，而且在平行於掃描軸之方向上使用。亦藉由使平行於掃瞄軸之射束偏轉，可使用快速射束偏轉組件(例如，galvo、AOD、EOD、壓電)，以便允許鑽孔dy掃描帶內具有相等掃描軸位置(例如，以上實例中之x軸)但不同y軸位置之孔洞，因為射束可相對於臺階掃描向後「移動」，以便在給定x位置處鑽孔第二孔洞，而不停止線性臺階運動。另外，沿掃瞄軸之快速偏轉亦允許設置孔洞之更大 精確度，因為其可用於將射束導向至所要x軸位置，而不管在脈衝雷射可利用來發射爆發時的任何小時間延遲，且亦補償線性臺階運動中之速度及加速度假影(artifact)。
或者，替代在一個方向上連續掃瞄並與彼掃描協作進行快速射束移動，亦可能使用更傳統的「步進及重複」方法，其中將線性臺階移動至特定(x,y)位置，鑽孔快速射束偏轉器(例如galvo)之某一場內的所有孔洞，且線性臺階步進至新的(x,y)位置，且重複製程。然而，對總體鑽孔速度而言可為有利的是：替代地使用上述協作式線性臺階及快速偏轉器方法，其中線性臺階保持幾乎恆定地移動。
為達成甚至更高的系統吞吐量(孔洞/sec/系統)，以上射束掃描方法亦可與分束技術組合，其中一般雷射源使其爆發分佈在單一基板或系列基板上方的多個射束遞送頭之中。例如，聲光或電光元件可用於每第N個脈衝偏轉至給定光程，且可使用N個光學頭。此方法可伴隨使用此等射束轉向元件之角度偏轉性質，或伴隨使用此等元件之極化改變性質，以便將經由極化依賴性分束器來導向射束。
取決於破壞徑跡(及藉由刻蝕製程由其產生的貫通孔)之所要圖案，破壞徑跡可在以下速度下產生：大於約50個破壞徑跡/秒、大於約100個破壞徑跡/秒、大於約500個破壞徑跡/秒、大於約1,000個破壞徑跡/秒、大於約2,000個破壞徑跡/秒、大於約3,000個破壞徑跡/秒、大於約4,000個破壞徑跡/秒、大於約5,000個破壞徑跡/秒、大於約6,000個破壞徑跡/秒、大於約7,000個破壞徑跡/秒、大於約8,000個破 壞徑跡/秒、大於約9,000個破壞徑跡/秒、大於約10,000個破壞徑跡/秒、大於約25,000個破壞徑跡/秒、大於約50,000個破壞徑跡/秒、大於約75,000個破壞徑跡/秒，或大於約100,000個破壞徑跡/秒。
蝕刻：
為擴大孔洞至適用於金屬/導電材料塗佈/填充及電連接之大小，將部件酸蝕刻。使用酸蝕刻來擴大孔洞至最終直徑可具有許多益處：1)酸蝕刻使孔洞自過小以致於實際上無法金屬化及用於中介體之大小(例如，約1微米)變化至更合宜的大小(例如，5微米或更高)；2)可採取的蝕刻可以非相連孔洞或僅僅是穿過玻璃之破壞徑跡來開始，且將其蝕刻來形成連續貫通通孔；3)蝕刻為高度並行製程，其中部件中之所有孔洞/破壞徑跡同時擴大--此擴大比在雷射必須重新來到孔洞且鑽除更多材料來將其擴大而所發生的情況快得多；以及4)蝕刻有助於鈍化部件內之任何邊緣或小裂縫(check)，從而增加材料之總體強度及可靠性。
第52A及52B圖分別例示在雷射鑽孔之後及在酸蝕刻之後的基板1000。如第52A圖所示，基板1000可經受以上所述的雷射鑽孔製程中之任何製程，以便形成一或多個破壞徑跡或導孔1002，其自第一或頂表面1004延伸至第二或底表面1006。僅出於圖解之目的將破壞徑跡1002係例示為連續孔洞。如上所述，在一些實施例中，破壞徑跡1002為非連續孔洞，其中基板之粒子存在於破壞徑跡中。如第52B圖所示，在基板1000經受以下所述的刻蝕製程中之任何製程之 後，破壞徑跡獲擴大來產生貫通通孔1008，其具有在頂表面1004中之頂部開口處的頂部直徑Dt、在底表面1006中之底部開口處的底部直徑Db以及腰部直徑Dw。如本文所使用，腰部係指孔洞的位於頂部開口與底部開口之間的最狹窄部分。雖然貫通通孔1008之剖面由於腰部而展示為沙漏形，但此僅為示範性的。在一些實施例中，貫通通孔為大體上圓柱形。在一些實施例中，刻蝕製程產生具有以下直徑之貫通通孔：大於1微米、大於約2微米、大於約3微米、大於約4微米、大於約5微米、大於約10微米、大於約15微米或大於約20微米。
在一個實例中，所使用的酸為以體積計10% HF/15% HNO3。部件係於24-25℃之溫度下蝕刻53分鐘來移除約100微米之材料。將部件浸沒於此酸浴中，且使用在40kHz及80kHz頻率之組合下的超音波攪動來促進孔洞/破壞徑跡中流體之滲透及流體交換。另外，進行超音波場內之手動攪動(例如機械攪動)，以便防止來自超音波場之駐波圖案於部件上產生「熱斑(hot spot)」或空蝕相關的破壞，且亦提供跨於部件之宏觀流體流動。酸組成物及蝕刻速率係特意設計來緩慢地蝕刻部件--僅1.9微米/分鐘之材料移除速率。小於例如約2微米/分鐘之蝕刻速率允許酸完全地穿透狹窄的孔洞/破壞徑跡，並允許攪動來交換新鮮流體且自初始極為狹窄的孔洞/破壞徑跡移除溶解的材料。此舉允許孔洞在蝕刻期間以幾乎相同的速率遍及基板之厚度(亦即遍及孔洞或破壞徑跡之長度)膨脹。在一些實施例中，蝕刻速率可為小於約10微米 /min之速率，諸如小於約5微米/min之速率，或小於約2微米/min之速率。
第13A及13B圖展示所得部件之俯視圖及仰視圖。孔洞之直徑為約95微米，且孔洞十分圓，從而指示材料之極少的微裂痕。孔洞間距為300微米，且每一孔洞之直徑為大致90-95微米。第13A及13B圖中之影像利用背光來獲取，且每一孔洞內之明亮區域亦指示孔洞已完全藉由酸蝕刻敞開。隨後切開相同樣本以更接近地查看孔洞之內部剖面。第15及16圖展示結果。孔洞具有「沙漏」形狀，亦即，其朝向孔洞之中部縮窄。典型地，此形狀藉由蝕刻環境決定，而非導孔形成製程決定。明亮區域為玻璃；暗區域為孔洞。孔洞之頂部(雷射入射)直徑為約89微米直徑，腰部為約71微米，且底部(雷射退出)直徑為約85微米。
對比而言，第14圖展示蝕刻樣本之結果，該樣本具有來自雷射製程之顯著微裂痕--孔洞蝕刻成狹長形狀替代圓形特徵。微裂痕可藉由以下方式減少：降低雷射爆發能量，增加每次爆發之脈衝數量，或增加線焦點之長度，例如，使用較長焦距物鏡。此等變化可降低基板內所含的能量密度。另外，必須小心地確保光學系統之最佳對準，以使得不將像差引入至線焦點以致在線焦點中產生方位角不對稱性。此等不對稱性可引入基板內可導致微裂紋之高能量密度位置。
為驗證此雷射及蝕刻製程得到一致性結果，將孔洞圖案以300微米間距製得成100x100陣列(總計10,000個孔 洞)，且隨後使用機器視覺系統來量測蝕刻樣本以便獲得每一孔洞之頂部及底部直徑以及腰部之直徑。第17A-17C圖中將結果展示為直方圖。頂部及底部直徑兩者皆為約95微米，大小極為接近，且標準偏差為約2.5微米。與頂部及底部直徑對比，腰部為約70微米，標準偏差為約3微米。因此，腰部比頂部及底部直徑窄約30%。第18A-18C圖展示對相同孔洞的頂部、底部及腰部的圓度量測之直方圖。圓度係定義為孔洞之最大直徑減去同一孔洞之最小直徑，且以微米為單位得出。分佈結果指示：孔洞總體上為小於約5微米之圓度。不存在顯著的分佈尾部，該等尾部指示已蝕刻來產生非圓形狀之微裂紋或碎屑。
在形成第13A-16圖所描繪的且具有第17A-18C圖顯示特徵的酸蝕刻基板之後，發現：可修改酸蝕刻條件來調整貫通孔之各種屬性，以使得其適於用作用於中介體之穿通孔。在一些實施例中，例如，貫通孔可具有頂部開口、底部開口及腰部，且腰部之直徑與頂部或底部開口之直徑的比率可得以控制。如本文所使用，腰部係指孔洞的位於頂部開口與底部開口之間的最狹窄部分。控制腰部、頂部開口及底部開口之直徑的兩個因素為蝕刻反應速率及擴散速率。為蝕刻移除遍及基板之厚度的材料以將破壞徑跡擴大成穿通孔，酸需要行進破壞徑跡之整個長度。若蝕刻速率太快以致於酸沒有時間充分擴散且達到破壞徑跡之所有部分，則酸將在材料之表面處不成比例地蝕刻移除比材料之中部更多的材料。如Thiele,E.W.Relation between catalytic activity and size of particle,Industrial and Engineering Chemistry,31(1939)，第916-920頁中所述，可利用對刻蝕製程之塞爾模數(φ)的操縱來控制腰部直徑與頂部或底部開口之直徑的比率。塞爾模數為擴散時間與蝕刻反應時間之比率，且由以下方程式表示： 其中：kr為用於蝕刻之反應速率常數；C為容積酸濃度；γ為基於動力反應級數之因子；r為在反應期間孔洞之半徑；Deff為在破壞徑跡或孔洞中酸穿過水向下之有效擴散率，其為藉由攪動及音波處理增強的擴增天然擴散率D；以及L為材料之厚度的½。
根據以上方程式，當蝕刻反應時間大於擴散時間時，塞爾模數將大於1。此意指：酸將在其行進破壞徑跡或孔洞之整個長度之前耗盡，且可在破壞徑跡或孔洞之中心藉由擴散來補足。因此，蝕刻將在徑跡或孔洞之頂部及底部處以由kr決定的速率更快地進行，且在中心處之蝕刻將以由導致通孔之沙漏狀形狀的擴散決定的速率更緩慢地發生。然而，若擴散時間等於或大於蝕刻反應時間，則塞爾模數將小於或等於1。在此等條件下，酸濃度將沿整個破壞徑跡或孔洞為均勻的，且破壞徑跡或孔洞將受均勻地蝕刻，從而產生大體上圓柱形的通孔。
在一些實施例中，擴散時間及蝕刻反應時間可受控制來控制蝕刻系統之塞爾模數，且進而控制腰部直徑與頂部及底部開口之直徑的比率。第53圖例示蝕刻系統之塞爾模數與腰部直徑相對於頂部及底部開口之直徑的期望百分比之間的關係。在一些實施例中，刻蝕製程之塞爾模數可小於或等於約5、小於或等於約4.5、小於或等於約4、小於或等於約3.5、小於或等於約3、小於或等於約2.5、小於或等於約2、小於或等於約1.5或小於，或等於約1。在一些實施例中，通孔之腰部之直徑為通孔之頂部及/或底部開口之直徑的50%至100%、50%至95%、50%至90%、50%至85%、50%至80%、50%至75%、50%至70%、55%至100%、55%至95%、55%至90%、55%至85%、55%至80%、55%至75%、55%至70%、60%至100%、60%至95%、60%至60%、60%至85%、60%至80%、60%至75%、60%至70%、65%至100%、65%至95%、65%至90%、65%至85%、65%至80%、65%至75%、65%至70%、70%至100%、70%至95%、70%至90%、70%至85%、70%至80%、70%至75%、75%至100%、75%至95%、75%至90%、75%至85%、75%至80%、80%至100%、80%至95%、80%至90%、80%至85%、85%至100%、85%至95%、85%至90%、90%至100%、90%至95%，或95%至100%。在一些實施例中，通孔之腰部之直徑為通孔之頂部及/或底部開口之直徑的約50%或更大、約55%或更大、約60%或更大、約65%或更大、約70%或更大、約75%或更大、約80%或更大、約85%或更大、約90%或更大、約95%或更大，或約100%。在 一些實施例中，通孔之腰部之直徑為通孔之頂部及底部開口之平均直徑的50%至100%、50%至95%、50%至90%、50%至85%、50%至80%、50%至75%、50%至70%、55%至100%、55%至95%、55%至90%、55%至85%、55%至80%、55%至75%、55%至70%、60%至100%、60%至95%、60%至60%、60%至85%、60%至80%、60%至75%、60%至70%、65%至100%、65%至95%、65%至90%、65%至85%、65%至80%、65%至75%、65%至70%、70%至100%、70%至95%、70%至90%、70%至85%、70%至80%、70%至75%、75%至100%、75%至95%、75%至90%、75%至85%、75%至80%、80%至100%、80%至95%、80%至90%、80%至85%、85%至100%、85%至95%、85%至90%、90%至100%、90%至95%，或95%至100%。在一些實施例中，通孔之腰部之直徑為通孔之頂部及底部部開口之直徑的平均值的約50%或更大、約55%或更大、約60%或更大、約65%或更大、約70%或更大、約75%或更大、約80%或更大、約85%或更大、約90%或更大、約95%或更大，或約100%。
如可自以上塞爾模數方程式判定的，破壞徑跡之初始半徑及玻璃之厚度貢獻於塞爾模數。第54圖例示塞爾模數如何隨破壞徑跡之初始半徑減小。第55圖例示塞爾模數如何隨基板之一半厚度增加。基板之厚度及破壞徑跡之半徑為在一些情況下若需要破壞徑跡之某一厚度或半徑則不能加以變化的因素。因此，影響塞爾模數之其他因素可在此等情形下加以調整。例如，第56圖例示塞爾模數如何隨有效擴散率 (Deff)增加而減小。在一些實施例中，有效擴散率可藉由對蝕刻條件增加攪動及/或音波處理來增加，如以下更詳細所述。第57圖例示塞爾模數如何隨酸濃度(在此實例中為HF濃度)減小而減小。第57圖還例示增加有效擴散率及減小酸濃度之組合如何減小塞爾模數。
在一些實施例中，蝕刻反應時間可藉由調整蝕刻溶液中之酸濃度來控制。在一些實施例中，蝕刻溶液可為包括去離子水、主要酸及次要酸的水溶液。主要酸可為氫氟酸且次要酸可為硝酸、鹽酸或硫酸。在一些實施例中，蝕刻溶液可僅包括主要酸。在一些實施例中，蝕刻溶液可包括不同於氫氟酸的主要酸及/或不同於硝酸、鹽酸或硫酸的次要酸。示範性蝕刻溶液可包括10體積%氫氟酸/15體積%硝酸或5體積%氫氟酸/7.5體積%硝酸，或2.5體積%氫氟酸/3.75體積%硝酸。
在一些實施例中，基板於蝕刻槽中之定向、機械攪動及/或向蝕刻溶液添加表面活性劑為可修改來調整通孔之屬性的其他蝕刻條件。在一些實施例中，將蝕刻溶液超音波攪動且將基板定向於盛放蝕刻溶液之蝕刻槽中，以便破壞徑跡之頂部及底部開口接受對超音波的大體上均勻暴露，以便均勻地蝕刻破壞徑跡。例如，若超音波轉換器佈置在蝕刻槽之底部處，則基板可定向於蝕刻槽中以便基板的具有破壞徑跡之表面垂直於蝕刻槽之底部而非平行於蝕刻槽之底部。
在一些實施例中，蝕刻槽可在x、y及z方向上機械地攪動以便改良破壞徑跡之均勻蝕刻。在一些實施例中，在x、y及z方向上之機械攪動可為連續。
在一些實施例中，表面活性劑可添加至蝕刻溶液以增加破壞徑跡之可濕性。增加的可濕性減少擴散時間且可允許增加通孔腰部之直徑與通孔頂部及底部開口之直徑的比率。在一些實施例中，表面活性劑可為任何適合的表面活性劑，其溶於蝕刻溶液中且不與蝕刻溶液中之酸反應。在一些實施例中，表面活性劑可為氟表面活性劑，諸如Capstone® FS-50或Capstone® FS-54。在一些實施例中，以ml表面活性劑/L蝕刻溶液計的表面活性劑之濃度可為約1、約1.1、約1.2、約1.3、約1.4、約1.5、約1.6、約1.7、約1.8、約1.9、約2或更大。
速度：
使用以上所述的方法、用雷射來製得穿孔或「導孔」或「破壞徑跡」之主要優點在於：製程時間極其短。第8圖所示的破壞徑跡中之每一者係利用皮秒雷射脈衝之單一爆發來製得。此基本上不同於撞擊鑽孔，在該撞擊鑽孔中需要許多雷射脈衝漸進地移除材料之層。
對此處所示的樣本而言，臺階速度為12m/min=200mm/sec。對300微米間隔而言，此意指：雷射爆發每1.5msec發射一次以形成孔洞，即為667個孔洞/sec之形成速率。由於製得此大致30mm x 30mm孔洞圖案之每一列之臺階加速度及減速度，孔洞形成速率完全超過300個孔 洞/sec。若在實體程度上製得較大圖案，即因此臺階常常需要較小地加速，則平均孔洞形成速率將較快。
因為此處使用的雷射在完全脈衝能量下可易於提供100,000個脈衝/sec，所以可能在此速率下形成孔洞。一般而言，對孔洞形成速率之限制為雷射束可多快地相對於基板移動。若孔洞間隔分開10微米，且臺階速度為1m/sec，則形成100,000個孔洞/sec。實際上，此即為基板之切割常常進行的方式。但對實際中介體而言，孔洞常常間隔數百微米，且處於更隨機的間隔(亦即，存在非週期性圖案)。因此，以上對所示圖案所述的數量僅為約300個孔洞/sec。為達成更高速率，臺階速度可例如自200mm/sec增加至1m/sec，從而實現速度之另一5X增加。類似地，若平均孔洞間距小於300微米，則孔洞形成速率將同量地增加。
除在雷射束下方平移基板之外，可能使用其他方法以用於將雷射快速地在孔洞與孔洞間移動：移動光學頭自身、使用電流計及f-θ透鏡、聲光偏轉器、空間光調變器等等。
如上所述，取決於破壞徑跡(及藉由刻蝕製程由其產生的貫通孔)之所要圖案，破壞徑跡可在以下速度下產生：大於約50個破壞徑跡/秒、大於約100個破壞徑跡/秒、大於約500個破壞徑跡/秒、大於約1,000個破壞徑跡/秒、大於約2,000個破壞徑跡/秒、大於約3,000個破壞徑跡/秒、大於約4,000個破壞徑跡/秒、大於約5,000個破壞徑跡/秒、大於約6,000個破壞徑跡/秒、大於約7,000個破壞徑跡/秒、大於約8,000個破壞徑跡/秒、大於約9,000個破壞徑跡/秒、大 於約10,000個破壞徑跡/秒、大於約25,000個破壞徑跡/秒、大於約50,000個破壞徑跡/秒、大於約75,000個破壞徑跡/秒，或大於約100,000個破壞徑跡/秒。
最終部件：
在一些實施例中，使基板經受破壞徑跡形成及酸蝕刻之以上製程可產生具有複數個貫通通孔之基板。在一些實施例中，通孔可具有以下直徑：約30微米或更小、約25微米或更小、約20微米或更小、約15微米或更小、約10微米或更小；在以下範圍內：約5至約10微米、約5至約15微米、約5至約20微米、約5至約25微米、約5至約30微米；或至多數十微米，此取決於對所欲用途之要求。在其他實施例中，通孔可具有大於約20μm之直徑。在一些實施例中，基板可具有直徑改變的通孔，例如通孔可具有至少5μm的直徑差異。在一些實施例中，通孔之頂部開口及底部開口之直徑的差異可為3μm或更小、2.5μm或更小、2μm或更小、1.5μm或更小或1μm或更小，其可藉由使用線焦點射束來在材料中產生破壞徑跡而實現。此等破壞徑跡在基板之整個深度上維持極小直徑，此即為在蝕刻之後最終產生的均勻頂部及底部直徑。在一些實施例中，相鄰通孔之間的間隔(中心至中心距離)可為約10μm或更大、約20μm或更大、約30μm或更大、約40μm或更大、約50μm或更大。在一些實施例中，相鄰通孔之間隔可為至多約20mm。在一些實施例中，通孔之密度可為約0.01個通孔/mm2或更大、約0.1個通孔/mm2或更大、約1個通孔/mm2或更大、約5個通孔/mm2或 更大、約10個通孔/mm2或更大、約20個通孔/mm2或更大、約30個通孔/mm2或更大、約40個通孔/mm2或更大、約50個通孔/mm2或更大、約75個通孔/mm2或更大、約100個通孔/mm2或更大、約150個通孔/mm2或更大、約200個通孔/mm2或更大、約250個通孔/mm2或更大、約300個通孔/mm2或更大、約350個通孔/mm2或更大、約400個通孔/mm2或更大、約450個通孔/mm2或更大、約500個通孔/mm2或更大、約550個通孔/mm2或更大、約600個通孔/mm2或更大，或約650個通孔/mm2或更大。在一些實施例中，通孔之密度可在約0.01個通孔/mm2至約650個通孔/mm2，或約5個通孔/mm2至約50個通孔/mm2之範圍變化。
如以上所論述，在一些實施例中，通孔之腰部之直徑為通孔之頂部及/或底部開口之直徑的50%至100%、50%至95%、50%至90%、50%至85%、50%至80%、50%至75%、50%至70%、55%至100%、55%至95%、55%至90%、55%至85%、55%至80%、55%至75%、55%至70%、60%至100%、60%至95%、60%至60%、60%至85%、60%至80%、60%至75%、60%至70%、65%至100%、65%至95%、65%至90%、65%至85%、65%至80%、65%至75%、65%至70%、70%至100%、70%至95%、70%至90%、70%至85%、70%至80%、70%至75%、75%至100%、75%至95%、75%至90%、75%至85%、75%至80%、80%至100%、80%至95%、80%至90%、80%至85%、85%至100%、85%至95%、85%至90%、90%至100%、90%至95%，或95%至100%。在一些實施例中，通孔 之腰部之直徑為通孔之頂部及底部開口之直徑的約50%或更大、約55%或更大、約60%或更大、約65%或更大、約70%或更大、約75%或更大、約80%或更大、約85%或更大、約90%或更大、約95%或更大，或約100%。在一些實施例中，通孔之腰部之直徑為通孔之頂部及底部開口之平均直徑的50%至100%、50%至95%、50%至90%、50%至85%、50%至80%、50%至75%、50%至70%、55%至100%、55%至95%、55%至90%、55%至85%、55%至80%、55%至75%、55%至70%、60%至100%、60%至95%、60%至60%、60%至85%、60%至80%、60%至75%、60%至70%、65%至100%、65%至95%、65%至90%、65%至85%、65%至80%、65%至75%、65%至70%、70%至100%、70%至95%、70%至90%、70%至85%、70%至80%、70%至75%、75%至100%、75%至95%、75%至90%、75%至85%、75%至80%、80%至100%、80%至95%、80%至90%、80%至85%、85%至100%、85%至95%、85%至90%、90%至100%、90%至95%，或95%至100%。在一些實施例中，通孔之腰部之直徑為通孔之頂部及底部開口之平均直徑的約50%或更大、約55%或更大、約60%或更大、約65%或更大、約70%或更大、約75%或更大、約80%或更大、約85%或更大、約90%或更大、約95%或更大，或約100%。
在一些實施例中，通孔之縱橫比(基板厚度：通孔直徑)可為約1：1或更大、約2：1或更大、約3：1或更大、約4：1或更大、約5：1或更大、約6：1或更大、約7：1或更大、約8：1或更大、約9：1或更大、約10：1或更大、約11：1或更 大、約12：1或更大、約13：1或更大、約14：1或更大、約15：1或更大、約16：1或更大、約17：1或更大、約18：1或更大、約19：1或更大、約20：1或更大、約25：1或更大、約30：1或更大，或約35：1或更大。在一些實施例中，通孔之縱橫比可在以下範圍內：約5：1至約10：1、約5：1至20：1、約5：1至30：1，或約10：1至20：1、約10：1至30：1。
在一些實施例中，基板具有在以下範圍內之厚度：約20μm至約3mm、約20μm至約1mm，或約50μm至300μm，或100μm至750μm，或約1mm至約3mm。在一些實施例中，基板可由透明材料製得，該透明材料包括但不限於玻璃、熔融矽石、合成石英、玻璃陶瓷、陶瓷及諸如藍寶石之結晶材料。在一些實施例中，基板可為玻璃，且玻璃可包括含鹼玻璃、無鹼玻璃(例如無鹼鹼性鋁硼矽酸鹽玻璃)，或具有含有不同玻璃組成物之層的積層玻璃塊。在一些實施例中，玻璃可為化學強化(例如離子交換)玻璃。在一些實施例中，基板可對在約390nm至約700nm範圍內之至少一個波長為透明的。在一些實施例中，基板可透射在約390nm至約700nm範圍內之至少一個波長之至少70%、至少75%、至少80%、至少85%或至少90%。
貫通通孔可隨後由導電材料塗佈及/或填充且用於電中介體應用。在一些實施例中，塗佈及/或填充可藉由金屬化來進行。金屬化可例如藉由真空沉積、無電電鍍、由導電膏填充或各種其他方法來進行。之後，可在部件之表面上圖案化電跡線，且可建立一系列再分佈層及接觸墊，從而允 許電信號自孔洞安排路由至微晶片或其他電氣電路上的連接部。
對諸如數位聚合酶鏈反應(dPCR)測試之生物化學應用而言，部件亦可利用塗層來功能化，該等塗層允許控制表面之親水性或疏水性性質。亦可塗覆允許抗體、蛋白質或其他生物分子之附著的其他塗層。對dPCR微陣列而言，具有孔洞之極緻密及常規陣列的基板為尤其適用的--例如間距小於約100微米的孔洞之六方緊密堆積圖案。對此圖案而言，可能利用上述雷射製程達成的速度為尤其高的，因為雷射可極其頻繁地發射且有效地使用雷射之完全重複率。因此，可達成超過10,000個孔洞/sec之孔洞形成速率(在孔洞之100微米間隔下，1m/sec的臺階速度)。應注意，孔洞形成可僅利用雷射脈衝之一小部分。雷射爆發重複率可易於為數百kHz，而其可難以在大到足以使用所有此等爆發之速率下將射束導向至新的孔洞位置。例如，實際孔洞形成速率可為100個孔洞/sec、500個孔洞/sec、999個孔洞/sec、3,000個孔洞/sec、5,000個孔洞/sec、10,000個孔洞/sec，而同時雷射重複率可為100,000次爆發/sec、200,000次爆發/sec。在此等狀況下，大多數爆發脈衝藉由諸如電光調變器之裝置重新定向來進入射束集堆，而非導向至雷射外且導向至基板。因此，相較於實際上可自雷射之完全重複率獲得的情況，利用較小數量之爆發/sec來進行孔洞鑽孔。許多短脈衝雷射器在其輸出端處具有電光或聲光調變器，從而使得其能夠以此方式來操作。
實例 實例1
Corning Eagle XG®玻璃(厚度300微米)之試驗樣本係製備來用於在樣本中製得貫通孔，其展示於第19B及19C圖中。儘管爆發能量及皮秒雷射之每次爆發的脈衝之數量有所改變，且間距自50微米改變至300微米，但在所有樣本中均觀察到玻璃內的約10微米程度上的小徑向裂紋，如第19A圖所示。
Corning Eagle XG®玻璃(厚度150微米)之其他樣本係製備來用於製得貫通孔，接著蝕刻以擴大孔洞之直徑。部件為：間距為300微米之100x100孔洞陣列，雷射功率或爆發能量有所改變(5個樣本)，一個樣本具有間距為200微米之150x150孔洞陣列，且一個樣本具有間距為100微米之300x300孔洞陣列。如第20A-20C圖中，即俯視圖(第20A圖)、仰視圖(第20B圖)及側視圖(第20C圖)中之預蝕刻照片所示，成功地製得貫通孔而玻璃表面處無實質的碎屑或裂紋，但具有一些內徑向裂紋及表面下破壞(未圖示)。如第21A-21E圖所示，在利用漸增雷射功率(第21A圖=55%、第21B圖=65%、第21C圖=75%、第21D圖=85%、第21E圖=100%雷射功率)的情況下，蝕刻後(蝕刻至約100微米直徑)的間距為300微米之100x100孔洞陣列之俯視圖展示：在較高功率位準下獲得最好結果(最圓孔洞，無阻塞(暗中心指示阻塞孔洞))，在約75-85%功率下最佳；對相同樣本之仰視圖發現相同的結果， 其展示於第22A-22E圖中(第22A圖=55%、第22B圖=65%、第22C圖=75%、第22D圖=85%、第22E圖=100%雷射功率)。
如第23A-23C圖所示，較大陣列試驗結果得出：在65%雷射功率下(第23A圖=150x150陣列、200微米間距、100微米孔洞)(第23B-23C圖=300x300陣列、100微米間距、50微米孔洞)對100微米及50微米孔洞而言產生圓形孔洞，但亦產生一些阻塞，阻塞中存在一定週期性(可能係歸因於超音波駐波，其在蝕刻期間產生較高混合及較低混合之小區域)，且亦產生一些具有開裂及碎裂孔洞之區域，如第23C圖所示。
對兩個100x100陣列樣本之尺寸分析展示：圓度(圓度=最大內切直徑-最小內切直徑)為良好的(亦即，小於約5微米)，如第25A-25C圖對第一樣本所示(第25A圖=頂部、第25B圖=底部、第25C圖=腰部)，及第27A-27C圖對第二樣本所示(第27A圖=頂部、第27B圖=底部、第27C圖=腰部)，且頂部(對第一樣本而言展示於第24A圖中，且對第二樣本而言展示於第26A圖中)及底部(對第一樣本而言展示於第24B圖中，且對第二樣本而言展示於第26B圖中)直徑幾乎相等，且腰部(對第一樣本而言展示於第24C圖中，且對第二樣本而言展示於第26C圖中)為敞開。
實例2
測試Corning Eagle XG®玻璃(厚度300微米)之其他樣本來檢查孔洞品質如何隨最終直徑(蝕刻後)改變。以300微米間距、利用漸增雷射功率(55%、65%、75%、85%及100% 雷射功率)，且以藉由蝕刻移除所獲得的四個孔洞直徑(30、50、75及100微米直徑)將貫通孔製得150x150陣列(每一樣本22,500個孔洞)。用於貫通孔製得製程之雷射條件為：50mm透鏡、12m/min(200mm/sec)臺階速度、200kHz重複率、每次爆發3個脈衝。貫通孔係在約187個孔洞/sec下製得。如第28A-28C圖對30微米孔洞所示及第29A-29C圖對50微米孔洞所示，在100%雷射功率下，30微米孔洞情況下之腰部似乎變窄(第28B圖)，而50微米孔洞情況下之腰部(第29B圖)寬闊敞開。如第30A-30C圖對75微米孔洞所示及第31A-31C圖對100微米孔洞所示，在100%雷射功率下，兩個大小情況下的腰部(第30B及31B圖)均寬闊敞開。如第32A-32C圖對30微米孔洞所示及第33A-33C圖對50微米孔洞所示，在85%雷射功率下，30微米孔洞情況下之腰部似乎變窄(第32B圖)，而50微米孔洞情況下之腰部(第33B圖)極為敞開。如第34A-34C圖對75微米孔洞所示及第35A-35C圖對100微米孔洞所示，在85%雷射功率下，兩個大小情況下的腰部(第34B及35B圖)均寬闊敞開。如第36A-36C圖對30微米孔洞所示及第37A-37C圖對50微米孔洞所示，在75%雷射功率下，30微米孔洞情況下之腰部似乎變窄(第36B圖)，而50微米孔洞情況下之腰部(第37B圖)寬闊敞開。如第38A-38C圖對75微米孔洞所示及第39A-39C圖對100微米孔洞所示，在75%雷射功率下，兩個大小情況下的腰部(第38B及39B圖)均敞開，但總體孔洞直徑可存在一定可變性。如第40A-40C圖對30微米孔洞所示及第41A-41C圖對50微米孔洞所示，在65%雷射 功率下，蝕刻之後孔洞並未完全形成於玻璃內部，其中30微米孔洞(第41B圖)情況下之結果最差，儘管甚至50微米孔洞(第41A圖)似乎具有一定的開口缺失或阻塞。如第42A-42C圖對75微米孔洞所示及第43A-43C圖對100微米孔洞所示，在65%雷射功率下，根據俯視圖(第42A及43A圖)及仰視圖(第42C及43C圖)，存在不良開口及阻塞之跡象。如第44A-44C圖對30微米孔洞所示及第45A-45C圖對50微米孔洞所示，在55%雷射功率下，孔洞並未完全形成且酸蝕刻未將其敞開。如第46A-46C圖對75微米孔洞所示及第47A-47C圖對100微米孔洞所示，在55%雷射功率下，孔洞並未完全形成且酸蝕刻未能將其敞開。如第47A及47C圖所示，甚至100微米孔洞分別在俯視圖及仰視圖中展示開口腰部缺失或阻塞之跡象。
實例3
本文揭示的方法亦藉由允許多個層得以同時鑽孔來允許甚至更高的製程速度。第48圖例示延伸穿過三個堆疊的150微米Eagle XG®玻璃片430之焦線432。利用延伸穿過所有三個堆疊片材之焦線432，可同時形成穿過所有三個層的完全穿孔或完全缺陷線。為產生穿過堆疊之完全穿孔，焦線長度需要比堆疊高度更長。一旦部件獲鑽孔，即可將其分離且隨後蝕刻，從而允許輔助物(aid)更容易地進入每一片材之孔洞中。
用於鑽孔之此線焦點方法之顯著優點在於：不同於依賴於雷射束之自我聚焦的製程，該製程對部件之間的氣 隙不敏感。例如，聚焦高斯射束將在進入第一玻璃層後發散，且將不鑽孔至大的深度，或若在鑽孔玻璃時由於沿孔洞或波導之側面的反射而發生自我聚焦，則射束將自第一玻璃層出射且繞射，且將不會鑽入第二玻璃層中。甚至在使用以克爾效應為基礎的自我聚焦(有時稱為「束絲形成」)來達成材料內部之較長相互作用長度的狀況下，使雷射束離開上玻璃塊並進入空氣是有問題的，因為相較於需要在玻璃中維持克爾效應自我聚焦之功率而言，空氣在空氣中需要約20倍大的功率來誘導以克爾效應為基礎的自我聚焦。對比而言，貝色束將在線焦點之完全範圍上鑽孔兩個玻璃層，而不管氣隙之大小的變化(至多數百微米或甚至1mm)。
實例4
亦可能在此鑽孔製程期間、於玻璃塊之頂部、下方及之間插入保護層或塗層。只要材料對雷射輻射為透明的，射束仍將聚焦穿過保護塗層且鑽孔玻璃塊。若試圖保持部件清潔且防止在鑽孔製程期間的刮擦或其他處置破壞，則此舉可為尤其有利的。在鑽孔部件之後，可移除塗層。同樣地，諸如透明聚合物之薄層(諸如來自Donguan Yunyang Industrial Co.Ltd.之YY-100聚乙烯自黏性薄膜)的此等層可在堆疊鑽孔製程期間用於片材之間，以便防止一片材於另一片材上之表面磨損，從而有助於保持部件強度且防止外觀或其他缺陷。
第49圖展示已利用此種方法鑽孔的兩個300微米厚EXG玻璃片之影像。第50圖展示酸蝕刻之後的相同部 件。在此狀況下，根據側剖面，孔洞之直徑似乎為150微米，但直徑實際上為約70微米，且似乎僅自側視角看為大的，因為存在多列延伸遠離攝影機之焦平面的孔洞，且每一列均側向輕微偏離，從而得到比其實際情況大的開口孔洞之錯覺。孔洞之俯視圖(第51圖)展示孔洞之直徑的確為大致70微米，且穿過每一孔洞之中心而出的光指示其均為敞開貫通孔。
實例5
將具有破壞徑跡之150μm厚Corning Eagle XG®玻璃部件垂直地置於具有以體積計5% HF/7.5% HNO3之酸蝕刻浴中。在26℃之溫度下，將部件蝕刻810秒以便以約1微米/min之速率移除約13微米之材料。使用在40kHz及80kHz頻率之組合下的超音波攪動來促進孔洞中流體之滲透及流體交換。另外，進行部件在超音波場內的於x、y及z方向上之連續移動，以便防止來自超音波場之駐波圖案於部件上產生「熱斑」或空蝕相關的破壞，且亦提供跨於部件之宏觀流體流動。在蝕刻期間，將破壞徑跡擴大來產生具有13μm直徑、11：1之縱橫比以及一腰部直徑之通孔，該腰部直徑為玻璃部件之頂部及底部表面處的通孔開口之直徑之平均值的73%。第58圖為玻璃部件之側視圖之酸蝕刻後照片。
本文引用的所有專利、公開申請案及參考文獻之相關教示內容以全文引用方式併入本文。
雖然本文已揭示示範性實施例，但熟習此項技術者將理解的是，在不脫離隨附申請專利範圍所涵蓋的範疇的情況下，可在該等實施例中做出各種形式變化及細節變化。

Claims (20)

  1. 一種在一大體上透明材料中形成孔洞之方法，該方法包含以下步驟：將一脈衝雷射束聚焦成沿射束傳播方向定向且導向至該材料中之一雷射束焦線，該雷射束焦線於該材料內產生一誘導吸收，該誘導吸收於該材料內產生沿該雷射束焦線之一破壞徑跡；將該材料及該雷射束相對於彼此平移，進而形成複數個破壞徑跡；以及於一酸溶液中蝕刻該材料，以便藉由擴大該材料中之該等破壞徑跡而產生直徑大於1微米之複數個貫通孔，使得(i)該複數個貫通孔包括該材料之一第一表面中的一開口及該材料之一第二表面中的一開口，以及(ii)該複數個貫通孔在該第一表面與該第二表面中之至少一者處具有小於5微米的圓度。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該蝕刻之一塞爾模數為小於或等於2。
  3. 如請求項1或2所述之方法，其中該脈衝雷射產生每次爆發具有至少2個脈衝之爆發，且產生每次爆發至少40μJ之一能量。
  4. 如請求項1或2所述之方法，其中該脈衝雷射產生至少1,000個破壞徑跡/sec。
  5. 如請求項1或2所述之方法，其中該焦線係藉由使用一貝色束或一高斯-貝色束來產生。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該脈衝雷射束之一脈衝持續時間在大於1皮秒與小於100皮秒之間的一範圍內。
  7. 如請求項1或2或6所述之方法，其中該脈衝雷射束具有在25微焦耳/mm線焦點至125微焦耳/mm線焦點的一範圍內之一爆發能量密度。
  8. 如請求項1、2或6所述之方法，其中該脈衝雷射束之脈衝係以至少兩個脈衝之爆發來產生，該等脈衝係藉由在1nsec與50nsec之間的一範圍內之一持續時間區隔，且其中該等爆發之一爆發重複頻率在1kHz與650kHz之間的一範圍內。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該等破壞徑跡係以一非週期性圖案製得。
  10. 如請求項1所述之方法，其進一步包含以下步驟：用一電導體塗佈該等貫通孔之內表面，以便在該等貫通孔之一頂部與一底部之間產生導電性。
  11. 如請求項1所述之方法，其進一步包含以下步驟：塗佈該等貫通孔之內表面以促進生物分子之附著。
  12. 一種在一材料中形成貫通孔之方法，該方法包含以下步驟：藉由將一脈衝雷射束聚焦成沿一射束傳播方向定向的一雷射束焦線且將該雷射束焦線導向至該材料中來形成複數個破壞徑跡至該材料中，其中該等破壞徑跡具有5μm或更小之一直徑；以及於一酸溶液中蝕刻該材料，以便擴大該複數個破壞徑跡以在該材料中產生複數個貫通孔，使得(i)該複數個貫通孔包括該材料之一第一表面中的一開口及該材料之一第二表面中的一開口，以及(ii)該複數個貫通孔在該第一表面與該第二表面中之至少一者處具有小於5微米的圓度，其中該蝕刻之一塞爾模數為小於或等於2。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該複數個貫通孔具有20μm或更小之一直徑及至少10微米之介於相鄰貫通孔之間的一間隔。
  14. 如請求項12或13所述之方法，其中：該複數個貫通孔包含位於該第一表面中之該開口與該第二表面中之該開口之間的一腰部，該腰部之一直徑為該第一表面中之該開口或該第二表面中之該開口之直徑的至少50%，且該第一表面中之該開口之一直徑與該第二表面中之該開口之一直徑之間的一差異為3μm或更小。
  15. 一種由請求項1至14任一項所述之方法製得的物件，其包含：具有該複數個貫通孔之一基板，該等貫通孔自該基板之一第一表面連續地延伸至該基板之一第二表面，其中：該基板對在390nm至700nm的一範圍內之至少一個波長為透明的；該複數個貫通孔具有20μm或更小之一直徑；10μm或更大的介於相鄰貫通孔之間的一間隔；該複數個貫通孔包含該第一表面中之該開口、該第二表面中之該開口及位於該第一表面中之該開口與該第二表面中之該開口之間的一腰部；該腰部之一直徑為該第一表面中之該開口或該第二表面中之該開口之直徑的至少50%；且該第一表面中之該開口之一直徑與該第二表面中之該開口之一直徑之間的一差異為3μm或更小。
  16. 如請求項15所述之物件，其中該複數個貫通孔具有大於5μm之一直徑。
  17. 如請求項15所述之物件，其中該腰部之該直徑為該第一表面之該開口或該第二表面中之該開口之該直徑的至少70%。
  18. 如請求項15所述之物件，其中該複數個貫通孔具有在5個貫通孔/mm2至50個貫通孔/mm2的一範圍內之一密度。
  19. 如請求項15或16所述之物件，其中該複數個貫通孔具有在5：1至20：1的一範圍內之一縱橫比。
  20. 如請求項15、16、17或18所述之物件，其中該複數個貫通孔含有一導電材料。
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