电/机械微芯片以及使用超快激光脉冲群的制造方法 |
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| 申请号 | CN201410848774.X | 申请日 | 2014-11-19 | 公开(公告)号 | CN104646837B | 公开(公告)日 | 2017-12-19 |
| 申请人 | 罗芬-新纳技术公司; | 发明人 | S·A·侯赛尼; | ||||
| 摘要 | 电/机械微芯片以及使用超快激光脉冲群的制造方法。一种使用多个透明 基板 制造 电机 械芯片的方法，包括步骤：使用光声压缩在多个基板中的至少一个中加工完整或部分空隙。按照特定的顺序层叠和布置多个透明基板。将透明基板固定和密封在一起。可通过 激光 焊接 或 粘合剂 来密封芯片。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种使用第一透明基板和第二透明基板制造电机械芯片的方法，该方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 电/机械微芯片以及使用超快激光脉冲群的制造方法[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、LiTiO3、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。 [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； [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是已经加工形成部件切口的透明平面基板晶片的透视图； [0044] 图33是图27-32的基板的堆叠； [0045] 图34是打印头中具有非常整齐边缘的三个打印头孔阵列的放大照片。 具体实施方式[0046] 已经这样概括地，更确切地说粗略地描述了本发明比较重要的特征，以便能够更好地理解随后的详细描述，从而可以更好地理解本发明相对于现有技术的贡献。当然，下面将描述本发明的附加特征，将构成所附权利要求的主题。 [0047] 将参照后面讨论的细节描述本发明的多个实施例和方面。后面的描述和附图是发明内容的说明，无意于对内容构成限制。多个具体细节被描述，以提供对本发明多个实施例的全面的理解。不过，在有些情形中，为了对本发明的实施例提供简明扼要的讨论而没有描述众所周知或传统的细节。 [0048] 在这一方面，在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应当理解，在申请中并未将本发明限制为下面的描述所给出的或附图中所示的结构的细节和部件的排列。本发明可以具有其他实施方式，并且可以按照不同的方式来实施和完成。此外，应当理解，此处所采用的措词和术语是为了说明的目的，不应当将其视作限制性的。 [0049] 本发明的主要目的在于提供一种快速、精确和经济的非烧蚀激光加工方法，以便通过超快激光脉冲群形成细丝而在透明基板中切割形状，划线或钻孔。从较大目标实际产生较薄的晶片，也是方法的一部分。在此将详细描述所采用的加工微晶片的设备和方法，作为激光加工技术和激光加工系统。 [0050] 激光加工技术 [0051] 可以在任何深度开始，或者在主要但不限于透明材料的一组层叠晶片、板或基板中的任何一个中钻出截止孔或通孔，使得孔和周围材料的结构特征胜过现有技术。激光束相对于目标基板的运动按照基板(目标)切断或切割形式提供加工。这可以通过使用超快激光脉冲群形成细丝的新颖方法，在材料的堆叠阵列的任何或每个单元中实现，其中对激光和聚焦参数进行调整，在材料的内部产生细丝，细丝可以通过透明基板的指定深度形成孔或切口。 [0052] 除非另外定义，否则此处使用的所有的技术和科学术语与本领域普通技术人员的常规理解具有相同的含义。除非另有定义，诸如通过上下文，正如此处所使用的，下面的术语旨在具有下面的含义： [0053] 如此处所使用的，术语烧蚀钻孔指的是通过用激光束照射而加工目标表面的方法(通常通过去除材料切割或钻基板)。在低激光通量时，材料被所吸收的激光能量加热，发生蒸发或升华。在高激光通量时，材料典型地被转变成等离子体。通常，激光烧蚀指的是使用脉冲激光去除材料，不过如果激光强度足够高，也可能是通过连续波激光束烧蚀材料。烧蚀钻孔或切割技术的特征在于，产生碎片场(debris field)，在材料去除过程期间在某点存在液相/熔融相，并且在特征的入口和或出口处产生喷出物堆。 [0054] 正如此处所使用的，术语“光声切割”指的是通常通过用比烧蚀钻孔或切割技术中所用的低的脉冲能量光束照射而切割或钻孔实心基板从而加工目标的方法。通过后面跟随热弹性膨胀的光吸收过程，在被照射的材料内产生宽带声波，以在其中绕光束传播轴(与孔的轴一致)形成压缩材料的路径，特征在于平滑的壁孔，最小化或消除了喷出物，以及在材料中形成最小化的微裂纹。这一现象也称作“光声压缩”。 [0056] 正如此处所使用的，术语“透明”意味着材料对于入射光束至少部分上透明。更优选的，透明基板的特征在于足够大的吸收深度，以支持根据此处所述实施例通过入射光束产生内部细丝修正阵列。透明材料具有使至少一部分入射光束在线性吸收区域中透射的吸收光谱和厚度。 [0057] 正如此处所使用的，术语“细丝修正区域”指的是基板内部的特征在于通过光束路径定义的压缩区域的细丝区域。 [0058] 正如此处所使用的，“群”、“群模式”或“群脉冲”指的是具有远小于激光重复周期的相对时间间隔的激光脉冲的集合。应当理解，群内脉冲之间的时间间隔可以是恒定的或可变的，并且群内脉冲的幅值是可改变的，例如为了在目标材料内产生最佳的或预先确定的细丝修正区域。在一些实施例中，脉冲群可以形成为构成群的脉冲的强度或能量变化。 [0059] 正如此处所使用的，术语“几何焦点”指标准光路，光基于透镜的曲率沿该标准光路行进，根据光学系统所通用的简单透镜方程确定束腰的位置。其用于区分透镜的位置和透镜彼此相对关系所产生的焦点与目标材料中的热变形所产生的收缩活动，热变形导致产生高达15mm量级的准瑞利(quasi-Rayleigh)长度，其极为罕见，并且涉及了本发明的创造性。 [0060] 正如此处所使用的，术语“基板”表示透明材料目标物，并且可以选自透明陶瓷、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组成的组，旨在涵盖其任何的几何结构，诸如但不限于板和晶片。基板可以包括两层或多层，其中选择聚焦激光束的光束焦点的位置，在两层或多层中的至少一层中产生细丝阵列。多层基板可包括多层平板显示玻璃，诸如液晶显示器(LCD)，平板显示器(FPD)以及有机发光显示器(OLED)。基板还可以选自由汽车玻璃、管道、窗户、生物芯片、光学传感器、平面光波导、光纤、玻璃杯器皿、艺术玻璃、硅、III-V半导体、微电子芯片、存储器芯片、传感器芯片、电-光透镜、平板显示器、需要坚固的覆盖材料的手持式计算装置、发光二极管(LED)、激光二极管(LD)以及垂直腔面发射激光器(VCSEL)所组成的组。目标或目标材料通常选自基板。 [0061] 正如此处所使用的，“主焦点腰部”指在最终聚焦之后(在光入射到目标上之前，在通过最后一个光学元件组件之后)光束被最紧密聚焦和具有最强焦点强度。还可以互换地使用术语“主焦点”。术语“次焦点腰部”指的是具有低于主焦点腰部的强度的分布式光束中的任何其他焦点。还可以互换地使用术语“次焦点”。 [0062] 正如此处所使用的，“细丝”指通过介质传播的任何光束，其中可以观察或测量到克尔效应。 [0063] 正如此处所使用的，“激光细丝形成”是通过使用激光而在材料中产生细丝的行为。 [0064] 正如此处所使用的，术语“牺牲层”指施加到目标材料的可以被去除的材料。 [0065] 正如此处所使用的，术语“加工”或“修正”包含了钻孔、切断、划线或切割目标或基板的表面或体积的过程。 [0066] 正如此处所使用的，术语“聚焦分布”指入射光线通过透镜组件的空间时间分布，透镜组件整体上是正透镜。通常，讨论以距聚焦透镜中心的距离为函数的有用强度光斑的随后的会聚。 [0067] 正如此处所使用的，术语“临界能级”，“阈值能级”和“最小能级”均指必须输入到目标中或目标上以使目标材料中的瞬变过程开始发生的最小能量，瞬变过程诸如但不限于烧蚀加工、光声加工以及克尔效应。 [0068] 正如此处所使用的，术语“像差透镜”指非理想透镜的聚焦透镜，其中X平面中的透镜曲率不等于Y平面中的透镜曲率，从而当入射光通过透镜时产生一种分布式的聚焦图案。正像差透镜是一种会聚透镜，而负像差透镜是一种发散透镜。 [0069] 正如此处所使用的，术语“包括”被理解为包含且是开放式和非排它式的。具体而言，当用于说明书和权利要求中时，术语“包括”及其词性的变化指的是包含了指定的特征、步骤或者部件。不要将这些术语理解为排除了其他特征、步骤或部件的存在。 [0070] 正如此处所使用的，术语“示例性”指“作为一个示例，实例或例证”，不应当将其解释为优选的或者优于此处披露的其他结构。 [0071] 正如此处所使用的，术语“大约”和“近似”指的是涵盖数值范围的上限和下限的可能的变化，诸如特征、参数和尺寸的改变。 [0072] 以下的方法将提供快速、可靠且经济的非烧蚀激光加工技术，通过超快激光脉冲群形成细丝，在可以在单个或多层堆叠目标材料(或者在管子的任一侧上)的下面或上面开始的目标材料中产生孔(闭孔/盲孔或通孔)。激光束相对于目标材料的运动将引导细丝对目标进行切割或划线。 [0073] 超短激光提供高强度，以便通过激烈地驱动多光子、通道离子化和电子-雪崩过程整齐地对表面进行微加工、修正和处理。目前的问题在于如何使小于烧蚀钻孔中所用能量但超过临界能级能量的足够多的能量进入透明的目标材料中，以启动和保持光声压缩，从而产生细丝化，改变焦点处材料的折射率，并且不产生光击穿(如现有技术烧蚀钻孔系统所遇到的)，从而激光束在目标材料中连续的重新聚焦能够持续足够长的距离，从而即便是多个层叠基板，也可以被同时钻孔，其随着钻孔距离具有可以忽略的锥形形状，具有相对平滑的孔壁，并且可以在目标材料上、下或内启动钻孔。通过制造单元的方向/控制所形成的细丝可以被用于钻孔、切断、划线或切割目标的表面或体积。 [0074] 通常，在现有技术中，利用被聚焦到材料之上、之内或表面处的单个主焦点的高能脉冲激光束的激光烧蚀技术，已经被用于加工透明材料。现有技术的主要问题在于低速过程，刻面具有微裂缝，表面上具有碎片的较宽的切口宽度。此外，现有技术方法所产生的切割壁经常具有一定的角度，不能在垂直方向进行锐利地切割。 [0075] 如图1中所示，入射激光束2穿过聚焦组件通过最后一个聚焦透镜4，从而在目标10的表面处聚焦具有焦点腰部8的非分布式光束6。如在图3中可以看出的，可选择地，非分布式光束可以被聚焦，使得焦点腰部处于目标之内。通常这些技术使用理想的球面聚焦透镜12，也就是说，X平面中的曲率等于Y平面中的曲率(Cx＝Cy)的无像差的透镜，或者可选择地，具有产生具有如图9中所示单焦点14的非分布式光束的聚焦元件组件。这样就产生了之后被提供到目标基板材料10上面(图1)或内部的紧密束斑。参见图3。图2表示采用图1的技术切割出的加工槽16的几何形状，图4表示采用图3的技术制造的长方形孔18的几何形状。 [0076] 强超快激光脉冲在不同光学介质中的传播已经得到了很好地研究。材料的非线性折射率是激光强度的函数。令强激光脉冲具有高斯分布，其中，脉冲的中央部分比尾部具有高得多的强度，意味着材料的中央区域和周围区域的折射率因激光束脉冲而是变化的。结果，在该激光脉冲传播过程中，脉冲自动地崩塌。这种非线性现象在科学界称为自聚焦。也可以通过在光路中使用透镜来产生自聚焦。在聚焦区域中，激光束强度达到足以引起多次电离、隧穿电离和雪崩电离的数值，在材料中产生等离子体。等离子体使激光束散焦，并且由于高峰值强度脉冲后向散焦，形成下一个等离子体区。这种非分布式光束中单焦点的固有的问题在于，在激光脉冲丧失其全部能量之后过程才结束，且光束不能被重新聚焦，如下面所讨论的。 [0077] 这种烧蚀方法在材料10中形成长度达到30微米的细丝，直至超出该材料的光击穿阈值，并产生光击穿(OB)16。参见图9。在OB处达到最大阈值能量密度(每单位面积传送的能量，单位为J/m2)，孔径缩小，烧蚀加工或钻孔不再进行到任何更深的位置。这是使用现有技术方法的明显的缺陷，因为其限制了可以被钻出的孔的尺寸，产生粗糙的孔壁，并且导致在目标10的顶面和底面具有不同直径的锥形孔22。参见图5。该现象的产生是因为在烧蚀加工中，光束在目标10的表面处具有中央焦点8(也称作主焦点腰部)，导致其中发生局部加热和热膨胀，将材料10的表面加热到其沸点，并产生小孔(keyhole)。小孔导致随着孔的加深，光吸收率突然急剧增加。随着孔的加深和材料达到沸点，所产生的蒸汽侵蚀熔融壁，将喷出物20吹出，进一步增大了孔22。由于这个原因，被烧蚀的材料在发生膨胀时会对其下面的表面产生高压脉冲。其结果类似于用铁锤敲击表面，易碎材料很容易产生裂纹。此外，易碎材料特别容易发生热破裂，热破裂是热应力破裂中所利用的一个特征，但是是钻孔中所不期望的。通常当碎片还没有被喷出时就已经达到了OB，在孔22中产生气泡，或者在孔22的区域中发生剧烈的烧蚀，使目标产生裂缝。这些影响中的任何一个或者组合都会导致光束6从该点处被散射或者被完全吸收，导致没有剩下足够大的光束功率(能量密度)通过材料10进一步地向下钻孔。此外，这会在目标基板10的表面处，在起始点周围产生被称作烧蚀喷出物堆20的变形或粗糙不平。参见图5。 [0078] 激光烧蚀技术的另一个问题在于，所钻出的孔不具有均匀的直径，因为激光束细丝以距离为函数改变其直径。将其描述为瑞利范围，并且是沿光束传播方向从焦点腰部到横截面面积加倍的位置的距离。这导致图2和5中所示的锥形孔22。 [0079] 本发明解决了光击穿问题，使孔粗糙度和烧蚀喷出度堆最小化，并且消除了锥形直径的孔。 [0080] 本发明提出通过激光引发的光声压缩在透明材料中加工出孔的装置、系统和方法。与此前已知的激光材料加工方法相比，本发明的实施例利用将入射光束2以分布式方式沿纵光轴聚焦的光学结构，使主焦点8与次焦点24线性对准(与孔的直线轴一致，但垂直偏移主焦点或焦点腰部)，允许入射光束2在通过材料10行进时连续地重新聚焦，从而能够在材料中10中产生细丝，细丝改变沿光路方向的折射率，并且不会发生光击穿(如现有技术烧蚀钻孔系统中在使用和不使用痕迹细丝时所呈现出的)，使得激光束在目标材料中的连续的重新聚焦可以持续较长的距离。参见图6。 [0081] 这种分布式聚焦方法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部8的位置从材料上或材料内，设置到材料10的外部，能够在主焦点腰部8处“丢弃”或减小入射光束2的不必要的能量。光束能量密度的这种丢弃连同将主聚焦腰部8与次焦点腰部24线性对准，能够在超出目前使用此前已知的方法所实现的距离以上的距离上形成细丝(并且超过1mm)，同时保持足够大的激光强度(能量密度μJ/cm2)，在细丝区域的整个长度上实现实际的调整和压缩。这种分布式聚焦方法支持以足够的强度形成长度超过一毫米的细丝，并且依然保持能量密度低于材料的光击穿阈值，从而即便是多个层叠的基板也可以被同时在不同材料上进行钻孔(诸如目标材料层之间的空气或聚合物间隙)，在所钻出的距离上具有可以忽略的锥形(图7)，并且可以从目标材料之上、之下或之内开始钻出相对平滑的孔壁。通过在目标10运动的同时加工孔，可以在目标10中延伸出非锥形壁狭缝23。 [0082] 激光脉冲的光密度引发自聚焦现象，并产生足够强度的细丝，在细丝以内/周围/附近的区域中产生非烧蚀初始光声压缩，从而产生与细丝一致的基本恒定直径的线对称的孔隙，还导致与通过分布式光束的次焦点腰部输入的能量耦合的所述激光脉冲连续的自聚焦和散焦，形成细丝，在目标材料的指定区域上或者通过目标材料的指定区域引导/指引孔的形成。所产生的孔可以被形成，而无需从目标去除材料，而是通过在所形成的孔的周围对目标材料进行光声压缩。 [0083] 已知目标10表面处的能量密度是入射光束强度的函数，并且针对具体目标材料，目标厚度，期望的加工速度，总的孔深以及孔径来调节特定分布式聚焦元件组件。此外，钻孔的深度取决于激光能量被吸收的深度，因而通过单个激光脉冲所去除的材料的量取决于该材料的光学性质以及激光波长和脉冲长度。为此，在此针对每种特定基板列出了宽范围的加工参数，并且为了获得最佳结果，与所使用的系统和材料匹配，通过经验确定应用要求。由此，如果表面处的能量密度水平高到足以引发瞬时的、局部的烧蚀(汽化)加工，目标10上的入口点可能有某些少量的烧蚀喷出物堆形成20，尽管这种等离子体的产生是不必要的。在某些情况下，可能希望利用入口点处足够强的能量密度水平，产生短暂、瞬时的烧蚀钻孔，产生宽而倾斜的入口，不过孔22的其余部分依然具有均匀的直径如图8，如同使用其能级允许瞬时烧蚀技术然后是连续光声压缩技术的分布式聚焦混合钻孔方法所产生的。这可以通过本发明来实现，通过选择目标表面处的能量密度水平，使得光束在材料中的线性吸收与非线性吸收达到平衡，从而在期望的倾斜(或其他几何结构)深度处，烧蚀加工所需的能量密度水平将会耗尽。这种混合技术将导致少量的喷出物堆20，如果在目标表面上施加牺牲层30，则可以将其消除。常用的牺牲层为树脂或聚合物，诸如但不限于PVA、甲基丙烯酸酯或PEG，并且通常仅需要1到300微米范围的厚度(不过对于透明材料加工将利用10-30微米范围)，并且通过将牺牲层喷射到目标材料上而进行施加。如现有技术中众所周知的，牺牲层通过防止熔融碎片附着到表面而是附着到可去除的牺牲材料上，从而避免在目标10上形成喷出物堆。参见图8。 [0084] 为了实现光声压缩加工，需要以下的系统： [0085] ·群脉冲激光器系统，能够产生在群脉冲包络内包含1到50个子脉冲的可编程脉冲链的光束。另外，取决所用目标材料，该激光器系统能够产生从1到200瓦的平均功率，并且对于硅酸盐玻璃来说，通常这一范围将介于50到100瓦范围内。 [0086] ·分布式聚焦元件组件(可包括正透镜和负透镜，不过整体上具有正聚焦效果)，能够产生弱会聚、多焦点空间光束分布，在目标材料处的入射能量密度足以引起克尔效应自聚焦和传播。 [0087] ·光输送系统，能够将光束输送至目标。 [0088] 商品化的操作还需要材料(或光束)相对于光学系统(反之亦然)的平移能力，或者通过系统控制计算机驱动的联动/复合运动。 [0089] 使用该系统钻出光声压缩孔，针对具体目标要求对以下条件进行控制：分布式聚焦元件组件的性质；群脉冲激光束性质；以及主焦点的位置。 [0090] 分布式聚焦元件组件可以是现有技术中经常采用的多种广为人知的聚焦元件，诸如非球面板，远心透镜，非远心透镜，非球面透镜，旋转三棱镜，筒状多面体透镜，传统毛面像差(非理想)透镜，正透镜与负透镜的组合，或者一系列校正板(相移掩模)，相对于入射光束倾斜的任何光学元件，以及能够控制光束传播的主动补偿式光学元件。前面所讨论的候选光学元件组件的主焦点腰部通常将包含不超过主焦点腰部处的入射光束能量密度的90％，不少于50％。 [0091] 不过在具体示例中，分布式聚焦元件组件26的光学效率可以接近99％。图10表示前述过程中使用的一种非-非球面、像差透镜34。必需针对每个具体应用精调分布式聚焦元件组件26的实际光学效率。用户将产生一系列满足目标的每种透明材料、物理结构和性质的要求以及具体激光器参数的试验表格。碳化硅、磷化镓、蓝宝石、强化玻璃等均具有其自己的数值。该表格是通过试验确定的，通过在材料内产生细丝(调节前面所述的激光功率参数、重复率、聚焦位置和透镜参数)，并且保证有足够大的能量密度诱发光声压缩裂面或裂轴，从而产生孔。 [0092] 一种示例性的使用具有50μJ能量具有介于200kHz范围内的频率(重复率)、每个群中5个脉冲(以50MHz)的50瓦激光输出，在2mm厚由硼硅酸盐制成的单个平面目标中钻出1微米直径通孔(如图11中所示)的光学效率为65％，其中，光束的主焦点腰部偏离期望的起始点高达500μm。 [0093] 注意这种光声压缩钻孔方法还必需要满足一系列物理参数。参见图11和12，可以看出，束斑直径38＞细丝直径40＞孔径42。此外，分布式光束的主焦点腰部8绝不处于产生细丝的目标材料10以内或者表面上。 [0094] 主焦点腰部8的位置通常偏离期望的起始点5到500μm的范围。如图6中所示，将其称作能量丢弃距离32。也是通过满足目标的每种透明材料、物理结构和性质的要求以及激光器参数而产生试验表格。其是从前面提到的方法所产生的表格推知的。 [0095] 激光束能量性质的一个示例如下：光束中的脉冲能量介于5μJ到100μJ之间，重复率为1Hz到2MHz(重复率定义了样品移动的速度以及相邻细丝之间的间隔)。可以通过改变每个群包络中的时间能量分布而调节细丝的直径和长度。 [0097] 整体地参见图13-16，可以更好地说明本发明的作用原理。此处，使用群皮秒脉冲光，因为注入目标材料中的总能量较低，能够在不使材料破裂的情况下进行光声压缩，并且在目标材料中产生更少的热量，从而将足够小的能量包被注入材料中，从而材料可以从基态逐渐增加能量达到最大激发态，而不会损害细丝附近的材料的完整性。 [0098] 如此处所述发生实际的物理过程。脉冲群激光的入射光束的主焦点腰部通过分布式聚焦元件组件被传送到其中将要产生细丝的目标材料的上面或下面(不过不会处于其中)的空间中的某一点。这将在目标表面上产生光斑以及白光产生。目标表面上的光斑直径将超过细丝直径和期望的特征(孔，槽等)直径。从而入射到表面上光斑中的能量大于产生二次电光效应的临界能量(克尔效应一其中材料的折射率改变正比于所施加的电场)，但低于引发烧蚀过程所需的临界能量，并且更显著地低于材料的光击穿阈值。由于在目标材料中保持所需的功率超过时标(time scale)，从而可以在自聚焦条件与等离子体散焦条件之间保持平衡，从而发生光声压缩。这种光声压缩是均匀且高能量细丝形成和传播过程的结果，从而材料被重新排列，要优于通过烧蚀过程去除材料。所产生的超长细丝，通过由分布式聚焦元件组件所产生的空间延长的次焦点而激起(fomented)，保持自聚焦效应，同时不会达到光击穿。在该组件中，大量的周边和近轴光线被会聚在相对于主焦点不同的空间位置处。这些次焦点存在并且延一伸到无限空间中，不过仅在通过试验确定的与目标的厚度相应的有限区域上具有有用的强度。通过将次焦点的能量聚焦到基板表面以下一个更低的水平，但处于细丝作用的底面处，允许激光能量达到材料体，同时避免等离子体所导致的吸收和碎片的散射。 [0099] 分布式聚焦元件组件可以是设置在入射激光束路径中的单个像差聚焦透镜，在分布式聚焦光束路径中产生入射光束的一种非均匀分布的包含主焦点腰部和一系列线性排列的次焦点腰部(焦点)的焦点。这些焦点的排列与孔42的线性轴共线。注意，主焦点腰部8绝不处于目标10上或内部。在图13中，主焦点腰部处于目标材料之上，在图14中处于目标材料10之下，因为利用聚焦光束的对称性和非线性性质，可以在主焦点腰部8之上或之下开始孔42。因此，束斑52(大约10μm距离)处于目标10的表面上，较弱的次焦点腰部共线地处于目标材料内，因为随着激光器的电场改变目标的折射率，材料作为产生这些焦点的最后光学元件。这种分布式聚焦允许注入材料中的激光能量形成细丝线或区域60。参见图15。通过多个线性对准的焦点并且通过使材料起到最后透镜的作用，当用超快群脉冲激光束照射目标材料时，发生众多连续的局部加热，导致沿线对准焦点的路径，因为热诱发而改变材料的局部折射率(具体地，复折射率)，在声压缩波环形地压缩期望区域中的材料之后，在目标中形成长的非锥形细丝60，围绕细丝路径产生空隙和压缩材料环。然后，光束重新聚焦，重新聚焦光束且次焦点腰部处的能量保持临界能级，重复这一系列作用，直至钻出1500∶1纵横比(孔长/孔径)的孔，具有较小直至没有锥形，入口孔径尺寸和出口孔径尺寸实际上为相同直径。这与现有技术不同，现有技术将能量聚焦到目标材料的顶面上或目标材料内部，导致较短细丝距离，直至发生光击穿并且细丝退化或中止。 [0100] 图16表示在彼此之间具有空气隙的层叠结构的三个平面目标10中的底部两个中进行钻孔，其中主焦点腰部8位于最后一个目标10的下面。可以从多层设置的顶部或底部或中间进行钻孔，不过如果使用相同透镜组件和曲率，则通常钻孔活动发生在距离主焦点腰部相同距离处。焦点腰部通常处于材料的外部，并且不会达到基板表面。 [0101] 通过光声压缩进行钻孔的方法，通过以下步骤序列来实现： [0103] 2.调节所述分布式焦点透镜聚焦组件相对于激光源的相对距离和或角度，以便将激光能量脉冲聚焦成分布式焦点形态，产生主焦点腰部和至少一个次焦点腰部； [0104] 3.调节主焦点腰部或目标，使主焦点腰部不处于待加工的目标上或目标中； [0105] 4.调节焦点，使目标表面上的处于所述主焦点腰部的下面或上面的激光能量密度光斑的直径，总是大于将要在目标中形成的细丝的直径； [0106] 5.将次焦点腰部的能量密度级别调节成具有足够的强度和数量，确保光声压缩加工通过目标的期望体积传播； [0107] 6.从激光源将适当波长、适当群脉冲重复率和适当群脉冲能量的至少一个激光脉冲群，通过所选择的分布式焦点透镜聚焦组件，施加给目标，其中在目标上，在激光脉冲接触加工起始点的位置，施加给目标的总脉冲能量或能量密度，大于启动和传播光声压缩加工所需的临界能级，但低于启动烧蚀加工所需的阈值临界能级；以及 [0108] 7.当完成期望的加工之后，停止激光脉冲群。 [0109] 如前所述，有可能期望孔具有锥形入口的特殊的孔结构。这通过利用能够烧蚀加工期望距离的激光能量密度级开始形成钻孔，并且用低于烧蚀加工的临界能级但高于在该材料中光声加工期望深度的临界能级的激光能量密度级完成钻孔，来实现。这种孔的形成还可以利用在目标表面上施加可去除的牺牲层。这将允许在牺牲层上形成喷出物堆，使得随后可以随牺牲层一起去除喷出物堆。这种通过混合烧蚀和光声压缩加工方法所钻出的孔将通过以下步骤进行，尽管需要利用牺牲层的施加，不过如果利用的话，并非必需首先施加牺牲层： [0110] 1.在目标的至少一个表面施加牺牲层； [0111] 2.使来自激光源的激光能量脉冲通过所选择的分布式焦点透镜聚焦组件； [0112] 3.调节所述分布式焦点透镜聚焦组件相对于激光源的相对距离和或角度，以便将激光能量脉冲聚焦成分布式焦点结构，产生主焦点腰部和至少一个次焦点腰部； [0113] 4.调节主焦点腰部或目标，使主焦点腰部不处于待加工的目标上或目标中； [0114] 5.调节焦点，使目标表面上的激光能量密度光斑处于所述主焦点腰部之下或之上； [0115] 6.调节目标表面上的激光能量密度的光斑，使其直径总是大于目标中将要形成的细丝的直径； [0116] 7.保证次焦点腰部的能量密度级别具有足够的强度和数量，确保光声压缩加工通过目标的期望体积传播；以及 [0117] 8.从激光源将适当波长、适当群脉冲重复率和适当群脉冲能量的至少一个激光脉冲群，通过所选择的分布式焦点透镜聚焦组件，施加给目标，其中在目标上激光脉冲接触加工起始点的位置，施加给目标的总脉冲能量或能量密度，大于启动烧蚀加工预定深度所需的临界能级，之后在被烧蚀钻出的孔的底部处，能量密度级别大于启动和传播细丝和光声压缩加工的临界能级，然而低于启动烧蚀加工所需的阈值临界能级；以及 [0118] 9.当完成期望的加工之后，停止激光脉冲群和细丝。 [0119] 下表中列出了激光性质，主焦点腰部的位置和最后聚焦透镜布置以及所产生的孔的性质的多个参数。注意，随着目标材料的种类、其厚度以及期望的孔的尺寸和位置的不同，其数值范围表现出较大改变。下表中详细表示了可用于在任意多种透明材料中实现均匀钻孔的各系统的范围。 [0120] [0121] 如前所述，上述参数随目标改变而改变。在一个操作例中，为了在透明基板中钻2mm深的3微米孔，将使用下述设备和参数：1064nm波长激光器，64瓦平均功率，100kHz重复率，80μJ脉冲能量以及在群包络内8个50MHz频率的子脉冲。 [0122] 脉宽10皮秒的脉冲功率例如为80μJ除以10皮秒，产生8MW(MW＝兆瓦)。通过输送分布式焦点的像差透镜将其聚焦到2mm的空间(细丝活性区域为2mm长)，聚焦到基板表面的上面或下面5到500μm处。 [0123] 激光加工系统 [0124] 现有技术中已知有多种当前可用的激光加工系统。所有的激光加工系统均共同地具有至少两个行为：它们改变入射激光束在工件上的位置，并且允许对多个激光聚焦、功率和输送参数进行调节。系统可以使工件围绕激光束运动(例如通过可在X-Y平面中平移的台面)，可以使激光束围绕工件运动(例如，通过转向镜)，或者可以利用两种技术的组合。图20表示激光加工系统70的一个示例，其能够在HDD母板或片的玻璃基板中形成细丝。包括超快激光器72，能够输送群模式脉冲链，优选具有小于100皮秒的脉宽，装配有适当选择的光束转向光学装置，使得激光束可以被输送到多轴旋转和平移台，包括在XY平面中的旋转台(赛塔，θ)，3D XYZ平移台和在协同控制结构中使光束或部件相对于X轴倾斜的轴(伽马，γ)。在所示的示例性实施例中，通过调节光学装置74(例如，能够输送弱聚焦光斑的可以被进一步调节或控制的正透镜或负透镜或者透镜的组合)、光束采样镜76、功率计78、X-Y扫描仪80、最后聚焦透镜82和使工件86定位的伺服控制平台84来控制光束，工件86例如是上面、其中和贯穿有电路元件的基板。采用下面将要进一步描述的控制和处理单元88，控制此处所披露的激光细丝和切割系统实施例70。可通过能保持恒定工作距离的自动聚焦结构(例如使用位置传感装置)，控制细丝位置和深度。 [0125] 图21提供控制和处理单元88的一种示例性实施方式，包括一个或多个处理器90(例如CPU/微处理器)，总线92，包括随机存取存储器(RAM)和/或只读存储器(ROM)的存储器94，一个或多个任选的内存装置96(例如硬盘驱动器，光盘驱动器或内部闪存)，电源98，一个或多个任选的通信接口100，任选的外部存储器102，任选的显示器104，以及多种任选的输入/输出装置和/或接口106(例如接收器，发射器，扬声器，诸如数字静止照相机或数字视频照相机中所使用的成像传感器，输出端口，用户输入装置诸如键盘、鼠标、小键盘、位置追踪笔尖、位置追踪探针、脚踏开关，和/或用于捕获语音命令的麦克风)。控制和处理单元88与激光器系统72，激光扫描/定位系统80，伺服控制平台84(用于基板的定位系统)中的一个或多个，以及诸如一个或多个计量传感器或成像装置的一个或多个计量装置或系统108相连接。 [0126] 尽管图21中仅表示中每种部件中的一个，不过控制和处理单元88中可以包含任何数量的每种部件中。例如，计算机通常包含若干不同的数据存储介质。此外，尽管总线92被描述为在所有部件之间的单一连线，应当理解，总线92可代表连接两个或多个部件的一个或多个电路，装置或通信通道。例如，在个人计算机中，总线92通常包括母板或者总线92是母板。 [0127] 在一个实施例中，控制和处理单元88可以为或者包括通用计算机或任何其他的硬件等效物。控制和处理单元88还可以被实现为，通过一个或多个通信通道或接口中与处理器90连接的一个或多个物理装置。例如，可以使用专用集成电路(ASIC)实现控制和处理单元88。或者，控制和处理单元88可以被实现为硬件与软件的组合，而软件从存储器或者通过网络连接被载入处理器中。 [0128] 可以通过指令的集合对控制和处理单元88进行编程，当在处理器90中执行指令集合时，使系统执行本文中所述的一种或多种方法。控制和处理单元88可以包括比所示更多或更少的部件。尽管没有示出，不过可以将3D模型化系统结合到处理单元中，其中3D模型化系统基于诸如体积效率、反射率和分割效率的参数输入，制备将要在基板上形成的全部切口系列。 [0129] 虽然在全功能计算机和计算机系统的角度描述了某些实施例，不过本领域技术人员将理解到，可以按照多种方式将多个实施例分布成程序产品，并且能够被调用，与实际用于实现分布的机器或计算机可读介质的具体类型无关。 [0130] 可使用计算机可读介质存储软件和数据，当通过数据处理系统执行这些软件和数据时，使该系统执行多个方法。可执行的软件和数据可以被存储在各个空间中，包括例如ROM，易失性RAM，非易失性存储器和/或高速缓冲存储器。这些软件和/或数据的一部分可以被存储到这些存储装置的任何一种中。通常，机器可读介质包括以可由机器(例如计算机，网络装置，个人数字助理，制造工具，具有一个或多个处理器的集合的任何装置等)访问的方式提供(即存储和/或传播)信息的任何机构。 [0131] 计算机可读介质的例子包括但不限于可记录和不可记录型介质，诸如易失性和非易失性存储装置，只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，闪存装置，简易式盒式磁盘和其他可移动盘，磁盘存储介质，光盘存储介质(例如光盘(CD)和数字多功能光盘(DVD)等)亦在其中。指令可以被包含到用于电、光、声或其他形式传播信号的数字和模拟通信链路中，诸如载波、红外信号、数字信号等。 [0132] 本发明的某些方面至少一部分可以通过软件来实现。即，这些技术可以在计算机系统或其他数据处理系统中实现，响应于其处理器诸如微处理器，执行包含在存储器中的指令序列，存储器诸如ROM，易失性RAM，非易失性存储器，高速缓冲存储器，磁盘和光盘，或者远程存储装置。另外，指令可以通过数据网络，按照编译和链接形式被下载到计算装置中。或者，可以在附加的计算机和/或机器可读介质中实现前面所述的用于执行处理的逻辑，这些附加的计算机和/或机器可读介质诸如大规模集成电路(LSI)，专用集成电路(ASIC)的分离的硬件，或者诸如电可擦除的可编程只读存储器(EEPROM)和场可编程的门阵列(FPGA)的固件。 [0133] 图22和23表示的示例性实施例示出了使用非远心透镜110(图22)和远心透镜112(图23)，通过控制X-Y扫描仪80的平台而控制多个轴的能力。在非远心透镜110的情形中，通过未经场校正的透镜中存在的自然扭曲，可以产生倾斜的细丝路径。可围绕X(伽马)轴进行旋转，在工件86例如上面和其中具有电路的基板内，提供倾斜的细丝修正区域(114，116)。应当理解，可以是其他光学配置。 [0134] 图24表示一个可替换的实施例，其中使支撑工件86的伺服控制台84(未示出)旋转，产生相对于工件材料表面，例如基板表面成角度的细丝。该实施例被构造成相对于光束入射角呈现出倾斜的样品，用于产生与采用扫描透镜的装置实施例类似的结果。 [0135] 图25表示适用于部件分离(part singulation)的一种示例性激光器系统的布置。激光器72能输送群脉冲，例如具有介于大约5μJ-500μJ范围内的能量，以大约处于2.5- 50MHz范围内的重复率。增加群包络中脉冲的数量，可以增大平均功率，并防止损坏光学装置。例如，如图17-19中所示，在群包括中可以使用多个子脉冲，其中每个脉冲具有更低的单独能量，但每次重复的总能量被显著地增加。通过这种方式，保护光学装置因过量功率水平而损坏。 [0136] 正如工业中经常使用的，将花岗岩升降器118设计成反作用体(reactive mass)，用于阻尼机械振动。其可以是桥状，工作台上的光学装置可以沿一个轴，X或Y相对于工作台平移，并且与其协作。花岗岩基座120提供可以对系统的任何或所有部件进行支撑的反作用体。在一些实施例中，出于稳定性原因，将把手装置122与系统振动地解耦合。 [0137] 提供Z轴电机驱动器124，用于使光学装置(调节和聚焦以及如果需要的话扫描光学装置)在X轴相对伺服控制X-Y工作台84平移。该运动可以与XY工作台84和上面花岗岩桥中的X或Y运动以及花岗岩基座120上的工作台的XY运动协同，花岗岩基座120保持待加工的样品材料。 [0138] 工作台84包括例如XY和具有倾斜轴伽马(“yaw，偏航”)的θ工作台。通过控制计算系统调整工作台84的运动，例如从较大母板产生期望的部件形状。计量装置108提供处理后或处理前(或两者)测量，例如，用于在切割后绘制图形、测量尺寸和/检查边缘质量。 [0139] 图26(a)-图26(d)表示倾角切割方法，用于制造具有斜角边缘的内部特征，无需后分离处理即可实现期望的斜角结果。 [0140] 在图26(a)-图26(c)中，通过使固定入射角激光束127围绕θ轴126旋转，实现光束追踪，固定入射角等于最终部件边缘128上期望的斜度。该非限定性实施例能够进行斜角切割并使旋转台平移，作为支持通过细丝阵列产生复杂切割的设备。 [0141] 图26(d)表示通过使用多个不同角度的细丝形成光束132进行加工，形成削角部件130的一种示例性实施方式。应当理解，可以控制光束和细丝路径，形成各种角度的削角或斜角边缘。在共同(平行)形成的情形中，可以将光束分束，并通过光学装置引导，实现以目标入射角度而非垂直到达的多个光束路径，与法线入射光束一起，产生三面边缘或削角。 [0142] 应当理解，根据例如该方法所能允许的分光程度，可以产生具有两个或多个平面的削角。图26(e)中表示出一些示例结构。 [0143] 在一些实施例中，如下所述，可以将激光加工系统配置成使一个激光器(具有分束光学装置)能同时执行划线步骤，条件是该激光器具有足够的功率。已经发现，例如，具有大约75瓦平均功率的激光器足以同时执行所有加工步骤。 [0144] 当利用通过群超快激光脉冲实现光声压缩加工而形成细丝时，为了使光束以可变聚焦位置、非法线入射角和在可变可控位置入射到工件上，可以采用具有多轴旋转和平移控制的上述设备，产生曲线性细丝阵列区域，以便切割出闭合形状，(由覆盖玻璃基板的磁性介质)产生诸如玻璃HDD母板的产品，使用当前所采用的激光烧蚀加工技术是不可能实现的。本领域技术人员将认识到，针对所有的应用而言并非需要这些轴中的全部，有些应用得益于具有更简单的系统构造。此外，应当理解，仅在本发明实施例的一种示例性实施方式中表示出的设备，对于多种基板、应用和部件存在形式，在不偏离本发明范围的条件下，装置制造商可以对设备进行改变、变型或混合。 [0145] 微芯片制造方法 [0146] 通过将各个透明基板晶片结合在一起，形成电/机械微芯片。电/机械微芯片可以由硅或玻璃或其他透明基板制造而成。单个透明基板晶片包括处于其中和/或其上和/或贯穿其中的电路元件。还可以在晶片中或晶片上设置机械装置。晶片可以如10微米(50-500微米厚硅酸盐玻璃将是典型的工作厚度范围和基板)这样薄。每个晶片可以或不可以被激光加工出包括孔、槽、通道、切口等，或者被涂覆有源或无源材料层以形成电极、布线、电和机械导管、电和机械传感器、晶体管、电容、二极管、齐纳二极管、肖特基二极管、线性和开关功率源、包括桥电路的电源电路、化学和生物分析通路、微流体通道、微流体控制和其他微电子装置。当层叠在一起时，这些各个晶片限定了形成于微芯片中的操作空隙。在层叠和结合晶片之前，可以插入部件，粘结剂，导电介质等。 [0147] 在其他情形中，它们可以在晶片已经被层叠和结合之后被加入。可通过对基板本身进行激光焊接，对附着到微芯片周围的金属粉末或薄金属板进行激光焊接，或者通过粘结，而将这些晶片结合。完成的微芯片可以在危险环境中被用作一次性使用的“智能灰尘，，传感器。还可以仅用作电子装置中的简单的PCB。 [0148] 图27在基板190中具有锥形孔168，可以用于测定颗粒的尺寸，将气体会集到某一路径，允许将导电介质注入到下面晶片中的某一空隙中或容纳某一部件。图28表示已经被加工形成贯通的颗粒分离器或过滤器166的透明平面基板180。颗粒分离器166处于基板170中所形成的与过滤器166对准的锥台漏斗168F的上面。参见图29。通过这种方式，可以根据尺寸对样品进行收集，然后将其输送到下面两级晶片上的某一路径，用于收集分析某种样品。如果这种采样或分析装置由玻璃制成，并且装配廉价的RFID芯片通过无线方式传送信息，则可以将其置入化学或放射性材料池中，进行分析、报告，然后可以将微芯片留在池中。 [0149] 如果图30的基板晶片160被直接放置在图31的顶部晶片150上，则可以看出，部件安装插入口162(通过基板160延伸)将处于路径152的上面，两个晶片上的孔154将对准。当然，将通过某些未示出的装置对电极158，158供电。部件安装插入口162连接路径152，并且由此供电。这就允许诸如LED或激光器的部件处于电源上面的几个晶片上。 [0150] 图30的晶片160被放置在图31的晶片150的上面。孔154对准，并且起到导电材料介质注入点的作用，使基板之间能够进行电连通。孔164(从图29的漏斗168输送)可以将气体/流体介质引入路径152中，用于进行采样。分析仪可以处于空隙156中。 [0151] 图31为已经通过加工而形成通过晶片的路径，通道152的透明平面基板晶片150的透视图。该晶片也具有一系列四个部件安装孔154。如果将该晶片150夹在两个其他的未加工晶片之间，可以形成使流体/气体通过的路径或通道152(微流体通道)。或者，如果将导电介质高压注入路径152，则可以将电信号加载到处于较大空隙156中的部件。应当注意，在路径152的每一端处形成两个电极158，158。优选使用光刻技术将电极158，158印制到玻璃基板150的顶面上。电极158，158在玻璃基板150顶面上的高度较小，从而无需制造沟槽来隐藏它们。当玻璃基板150顶面上具有电极时，依然可以将玻璃基板结合并焊接在一起。 [0152] 或者，可以将电极埋入其中具有沟槽的玻璃基板的内部。或者，电极可以处于在玻璃基板150中加工出的空隙中。电极158，158仅需要一个分离的顶部晶片就能限定电极的路径，这是因为电极下面的空隙没有通过晶片150延伸。图32表示晶片基板140中的多个传感器170A或类似部件。图32表示用于该芯片的底部基板140。 [0153] 从而，可以将基板组合并组织，以形成一种组合式芯片。图33为图27-32的基板的叠层。图33表示从顶部到底部将图27-31所示的基板190，180，170，160，150和140组合层叠的一种示例性芯片。用附图标记190表示顶部基板，用附图标记140表示底部基板。通过粘结剂和/或通过激光焊接将组合的芯片固定在一起。组合的芯片传递电信号和或前面所述的物质，如基板所示。如图33中所示，根据芯片的功能，机械，电生物或它们的任何组合，基板根据需要可以为不同的厚度。 [0155] 使用超快激光脉冲可以制造波导，体光栅，组合器等，使芯片更先进。 [0156] 利用前面详细说明的激光加工技术结合激光加工系统的计算能力，通过超快激光脉冲群，可以相对于透明基板精确地聚焦形成细丝，允许在每个单独的层中精确地形成期望的空间或切口。事实是，可以清洁地无碎片或无邻近损伤诸如微裂缝地切割出不具有锥形的孔，切口，沟道，储存器等，允许精密和紧密地放置相邻的特征，用于广泛的应用中。通过相对于晶片改变细丝，允许在晶片中进行没有限制的完全或部分切口。由于计算机化的3D模型化能力以及切割的精度，可以切割出包含锐角和钝角(包括凹入分布)的多个空隙，诸如颗粒分离器，通气口或漏斗所需的空隙。 [0157] 在基板上加工完整或部分空隙的方法进行以下步骤： [0158] 提供透明材料； [0159] 提供包括激光脉冲群的激光束； [0160] 提供激光束输送系统，能够将激光束聚焦到目标(透明材料或晶片)上，并且在激光束与目标之间能够进行相对运动； [0161] 将激光束相对于透明材料聚焦，在透明材料外部的某一位置形成束腰，其中，入射到透明材料表面上的激光束被聚焦，使得在透明材料内保持足够的能量密度，通过其形成连续的激光细丝，而不会导致光击穿； [0162] 通过光声压缩使孔围绕所述细丝完全通过透明材料截面延伸； [0163] 通过激光束输送系统使聚焦激光束与透明材料之间能够相对运动，从而移动激光细丝的位置，在透明材料中产生孔，从而通过透明材料的所述截面进行切割，形成透明晶片； [0164] 相对于晶片聚焦激光束，在晶片外部的某一位置形成束腰，其中，入射到晶片表面上的激光脉冲被聚焦，使得在晶片内可以保持足够的能量密度，通过其形成连续的激光细丝，而不会引起光击穿； [0165] 通过光声压缩使孔围绕所述细丝完全通过晶片延伸；以及 [0166] 通过激光束输送系统使聚焦激光束与晶片之间能够相对运动，从而移动激光细丝的位置，在晶片中加工出通过所述晶片的槽，通道，切片、切口等的孔。 [0167] 由此，可以改变步骤组合的顺序。在对每个晶片进行加工之后，按照精确的取向和位置对晶片进行堆叠或层叠，从而使各种空隙形成在功能上叠加的几何结构。取决于微芯片的设计，可以在组装时插入部件，或者在组装后插入部件。同样地，可以将导电介质或粘合剂或化学或催化剂放置到特定层中的特定的空隙中，或者可以在之后施加或注入。然后通过对晶片边缘本身进行激光焊接或者通过金属轧边，可以将晶片结合。在晶片的表面上可以干燥UV固化胶，以备将来结合晶片时使用。注意，可以在加工之前或者在组装之前，使用期望的涂层在期望的表面上涂覆晶片。这种涂层的一个例子是磁性介质。 [0168] 通过调节上述激光细丝加工过程，可以产生非常薄的玻璃或其他透明材料晶片，并且进一步加工并层叠成复杂的三维微芯片装置。这些微芯片具有处理液体，气体，微粒，电信号，光信号或其他信号处理活动的能力。 [0169] 这种微芯片制造方法克服了许多微制造问题，诸如使用激光材料进行修饰和蚀刻，在玻璃体内部制造通道。无需在晶片上进行蚀刻、掩模和铜沉积。由于所钻出的孔在尺寸上不形成锥形(蚀刻孔通常具有的尺寸问题)，可减小部件之间的空间(因为孔的底部或足部不被加宽)，并且使微芯片的总体尺寸最小化。可以将晶片的厚度减小到10微米范围。与粗糙和多孔的塑料相比，使用玻璃作为生物采样装置是微芯片更佳的材料。实际上，玻璃具有负电荷，并且具有塑料所不具有的光学透明度。此外，有些化学物质倾向于与塑料发生相互作用。 [0170] 在打印头微制造过程中，使用本发明进行钻孔。打印头处于打印机墨盒的前面，并且已经被钻孔，用于容纳来自墨盒的打印机墨水流。通常，这些是由硅或玻璃制成的。目前，有几种方法用于在打印头中钻出或打出墨水孔，不过最常见的方法利用小直径钻头对透明基板材料片进行高速钻孔。其问题在于，打印头所使用的材料必须极其耐磨损，能够经受住大量的反复使用，反复使用引导边缘的磨损成为问题。这就需要必须由刚性且难以钻孔的材料来制造。因此，制造包括由于这种刚性基板上的断裂和钝化而更换大量的钻头刀头。此外，小直径钻头在负载下有发生偏斜和弯曲或拐折的倾向，钻出的孔没有适当间隔或者彼此不平行且与打印头的表面不垂直。 [0171] 激光烧蚀切割孔能够在一定程度上起作用，不过没有留下清洁切割的孔，在开口周围留下喷出物，并且不能钻出平行侧壁的孔。 [0172] 随着打印机中孔的尺寸和形状的改变，所打印出的对象将不清晰。当孔的粗糙度增加时，使墨水流动所需要的压力也增大。如果孔壁不平行，则孔上产生压差，从而墨水不能够从该孔同样地流动到另一个平行侧壁的孔。这意味着理想打印头孔将具有锐利限定的圆形开口，垂直于打印头的前表面的孔，均匀间隔的孔，开口周围具有最少喷出物的孔，具有平滑的壁的孔以及具有平行(非锥形)侧壁的孔。 [0174] 现有技术方法的状态不能实现所需的锐度分辨率。 [0175] 图34是三个打印头孔185的阵列的放大照片。参照图34，可以看出，在打印头183中所产生的钻孔185具有非常整齐的边缘187。这种钻孔精度导致打印出更高分辨率图像，因为来自打印机的墨水流被更严格地调节。 [0176] 注意，在所有时间都需要将激光正确地聚焦，以避免形成光击穿，因为如果发生光击穿将会在孔起点处产生相当大的喷出物堆，而这种相当大的喷出物堆必须通过抛光来去除，有可能造成附近元件或基板的邻近损伤。 [0177] 作为第三示例，孔可以被用作在微电子装置中被大量使用的薄玻璃上的通孔。在CPU制造过程中，操作频率已经被推动到其极限，不必要地加长装置之间的内部布线可能会导致漏电。更多晶体管(即便将它们制造成其尺寸极限)需要空间，将它们容纳在其上的最佳方式是对基板进行层叠。为了避免电场引起任何电子或空穴迁移或者任何诱导作用，并且在层叠基板的同时依然能够免受CPU内部所产生的热量的影响，玻璃是作为绝缘体的最可能的选择。从堆叠的一层到下一层可以进行通信，反之亦然。本发明可以每秒产生大约10000个微孔。 [0178] 应当理解，本发明在申请中没有局限于随后的说明书或附图中给出的部件的排列方式。本发明可以有其他实施方式，并且可以通过各种不同顺序的步骤实施和执行。此外，应当理解，此处所采用的用语和术语是为了描述的目的，不应当将其理解为限制性的。由此，本领域技术人员将理解本申请所基于的概念，可以很容易地被用作设计实现本发明多个目的的其他结构、方法和系统的基础。从而，重要的是，将权利要求视为包含不偏离本发明精神和范围的这些等效结构。 |
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