激光微加工及其方法和系统.pdf

本说明描述的实施例涉及一种利用激光对衬底进行微加工的方法和系统。一个示例的实施例把衬底(206)设置在一个敞开的大气环境(403)中。衬底(206)具有由相对的第一表面(210)和第二表面(212)限定的厚度。借助于把激光束(406)引导到衬底(206)的第一表面(210)并把辅助气体(414)引入(806)由激光束(406)接触的衬底(206)的区域(411)附近切割所述衬底。

权利要求书
1.  一种用于对衬底(206)进行微加工的设备(402)，包括：
在其中可以处理衬底(206)的敞开的大气区域(403)；
激光源(404)，其在操作上相对于敞开的大气区域(403)被设置，用于产生激光束(406)，激光束配置成用于激励位于敞开的大气区域(403)内的衬底(206)的衬底材料；
气源(412)，其在敞开的大气区域(403)中供应含卤的辅助气体(414)，其中至少一些衬底(206)的材料可以被激光束(406)激励，并且其中至少一些被激励的衬底(206)的材料可以和辅助气体(414)进行化学反应而形成一种或几种可以消散在所述敞开的大气区域(403)中的化合物。

2.  如权利要求1所述的设备，还包括固定装置(407)，用于把衬底设置在敞开的大气环境(403)中，并且在固定装置上所述衬底(206)可以和激光束(406)接触，并且其中固定装置(407)可以相对于激光束(406)移动衬底(206)。

3.  如权利要求1所述的设备，其特征在于，气源(412)包括至少一个气体供应喷嘴(416)，其被设置用于在衬底(206)附近提供辅助气体(414)。

4.  如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述含卤的辅助气体(414)包括卤化碳。

5.  一种用于对衬底(206)进行微加工的设备(402)，包括：
激光源(404)，在在操作上被设置用于产生激光束(406)，其被配置用于通过从衬底(206)除去材料进行切割，其中激光束(206)可被配置用于制造具有从大约4.5到大约11.25的长宽比范围的切口(500)，并且在所述长宽比范围下，激光束(406)每焦耳的激光能量除去大于或等于9800000立方微米的衬底(206)的材料。

6.  如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述衬底(206)包括晶体硅。

7.  一种利用激光加工衬底(206)的方法，包括：
把衬底(206)设置在一个敞开的大气环境(403)中，
其中衬底(206)具有由相对的第一表面(210)和第二表面(212)限定的厚度；以及
借助于把激光束(406)引导到衬底(206)的第一表面(210)并把辅助气体(414)引入(806)由激光束(406)接触的衬底(206)的区域(411)附近切割所述衬底。

8.  一种用于处理半导体衬底(206)的方法，包括：
把衬底(206)设置在一个敞开的大气区域(403)中；
激励804衬底(206)的一部分，从而加快除去至少一些衬底(206)的材料；以及
在衬底(206)的被激励的部分附近引入(806)含卤的辅助气体(414)，使得辅助气体(414)和被激励的衬底材料进行化学反应而至少部分地形成一种或几种易挥发的化合物。

9.  如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的激励(804)的作用以及引入(806)的作用在衬底(206)中形成槽(204)。

10.  一种用于处理半导体衬底(206)的方法，包括：
把激光束(406)引导(804)到设置(802)在敞开的大气环境(403)中的打印头衬底(206)上；
在激光(406)接触的衬底(206)的区域附近引入(806)含卤的辅助气体(414)；以及
其中在具有辅助气体(414)的情况下激光束(406)在衬底(206)中形成具有至少大约为10的长宽比的切口(500)。

11.  一种利用激光对衬底进行微加工的方法，包括以下步骤：
把衬底设置在一个环境中；
把激光束引向衬底的表面；以及
在由激光束接触的衬底的区域附近引入辅助气体。

说明书激光微加工及其方法和系统
背景技术
电子器件制造者继续要求降低成本增加性能。为了满足这些要求，必须更有效地更接近公差地制造包括各种电子器件的元件。
激光微加工是一种通用的用于可控地选择地除去材料的生产方法。不过，现有的激光微加工技术受到若干个缺点的限制，例如在其生产的切口上的均匀性不够，以及当激光在衬底的较深处切割时去除速度的改变。其它激光微加工技术一直试图解决这些问题，但是对于生产技术是不实际的。
因而，本发明旨在提供一种利用激光对各种衬底进行微加工的快速而经济的方法。
附图说明
在所有附图中相同的标号表示相同的结构和元件。
图1表示按照一个示例的实施例的印刷墨盒的透视图；
图2表示按照本发明的一个示例的实施例的印刷墨盒的一部分的截面图；
图3表示按照一个示例的实施例的打印头的顶视图；
图4表示按照一个示例的实施例的激光加工设备的正视图；
图5a-c表示按照本发明的一个示例的实施例的衬底的截面图；
图6a-6b表示按照一个示例的实施例的衬底的截面图；
图7a-7b表示按照一个示例的实施例的衬底的截面图；以及
图8表示按照一个示例的实施例的步骤的流程图。
具体实施方式
下面说明的实施例属于利用激光对衬底进行微加工的系统和方法。激光微加工是一种通用的用于可控地选择地除去材料的生产方法。在本发明的实施例中，激光微加工包括例如通过钻加工和三维加工在各种衬底材料上进行切割、开槽、切块和单一化(singulating)。这可以包括局部地或完全地通过衬底的厚度对于结构进行的加工。
在一个示例的实施例中，激光微加工工艺利用激光机，激光机可以在一个开放的周围环境中产生用于激励或者用于除去衬底材料的激光束。所述激励可以包括熔化，蒸发，剥落，相爆炸与/或熔化等处理。在一些实施例中，激励可在围绕激光束和与激光束接触的衬底材料的界面区域内发生。在其它的实施例中，激励过程的效率可以通过对界面区域施加含卤的辅助气体改善。辅助气体可以通过把辅助气体引向界面区域的气体供应喷嘴来提供。在一些实施例中，辅助气体可以和被激励的衬底材料反应而形成更容易被除去与/或消散的化合物。借助于对界面区域施加辅助气体，可以改善激光加工工艺的速度和效率而不需要在受控的条件下操作。一种示例的激光加工设备在开放的空气环境中操作，而不需处理室或其它的保存容器，因此，非常适用于生产技术。
激光加工处理的一个示例的实施例将针对在衬底中形成槽的情况进行说明。这种槽可用于流体馈入槽。在一个示例的实施例中，含有流体馈入槽的衬底可被包括在打印头或其它的流体喷射器件中。作为在打印头中通用的器件，衬底可以包括半导体衬底，其具有包括在所述衬底内并由所述衬底支撑着的微电子电路。在一个示例的实施例中，流体馈入槽使流体例如油墨能够被提供给在打印头内的喷射室中包含的流体喷射元件。流体喷射元件通常包括加热电阻，其对油墨加热，从而使喷射室中的压力增加。所述油墨地一部分可以通过加热喷嘴排出，排出的油墨由通过油墨供给槽提供的油墨代替。
虽然这里包括的示例的实施例针对提供用于喷墨印刷机中的小片进行说明，但是应当认识到并且应当理解，这里所述的技术可以应用于其中需要对衬底进行微加工的其它应用。例如，所述的实施例可用于快速而高效地切割半导体芯片成为单片。
下面所述的各种元件可能不精确地说明其有关的尺寸。而且，给出的附图也只是示意地表示这里所述的各个有创造性的原理。
示例产品
图1表示一个示例的印刷墨盒142。所述印刷墨盒由打印头144和墨盒本体146构成。本领域技术人员应当理解，还有另外其它的示例的结构。
图2表示沿图1的线a-a取的示例的印刷墨盒142的一部分的截面图。其表示墨盒本体146，其中含有油墨202，用于供给打印头144。在这个实施例中，印刷墨盒被构成用于向打印头供应单色油墨，但是其它的示例的结构可以供应多色与/或黑色油墨。提供了许多不同的油墨馈给槽，其中以204a，204b，204c表示3个示例的槽。其它示例的实施例可以利用或多或少的油墨馈给槽。一些示例的实施例可以划分油墨供应，使得每3个油墨馈给槽204a-204c接收一个单独的油墨供应。
各个油墨馈给槽通过衬底206的部分。在一些实施例中，硅可以是合适的衬底。在一些这样的实施例中，衬底206包括晶体衬底，例如单晶硅或多晶硅衬底。其它合适的衬底的例子包括砷化镓、玻璃、二氧化硅、陶瓷或半导体材料。衬底可以具有各种构型，如本领域技术人员理解的那样。在这个示例的实施例中，所述衬底包括一个底层，此处表示为硅衬底208。
硅衬底具有第一表面210和第二表面212。在硅衬底的上方设置有独立可控的油墨活化元件或加热元件，在本实施例中，所述加热元件包括加热电阻214。在这个示例的实施例中，所述电阻是在硅衬底208的顶上的薄膜叠层的一部分。薄膜层还可以包括阻挡层216。在一些实施例中，阻挡层可以包括光阻聚合物衬底。在阻挡层的上方，可以设置孔板218，其可以包括但不限于镍衬底。在一个附加的实施例中，阻挡层216和孔板218由同一材料制成并被集成在一起。
在一些实施例中，所述孔板具有多个喷嘴219，通过所述喷嘴由各个电阻加热的油墨可被喷出以便印刷在印刷介质上(未示出)。所述各层可被形成或者被沉积在前一层上。此处给出的配置只是一种可能的配置。
图1和图2所示的示例的印刷墨盒是和使用期间的通常方位倒置的。当处于使用状态时，油墨可从墨盒本体146流到一个或多个槽204a-204c内。从这些槽中，油墨可以通过油墨馈给通路20，其把油墨引导到加热室222。在一些实施例中，加热室可以由加热电阻、喷嘴和与其相邻的给定数量的空间构成。其它的配置也是可能的。当电流通过给定的加热室中的电阻时，油墨被加热而膨胀，从而从喷嘴219排出油墨的一部分。然后排出的油墨可以由从油墨馈给通路220进入的附加油墨代替。
图3表示从上方看的被包括在打印头中的衬底的薄膜层表面的一个实施例。所述衬底被孔板218覆盖，具有用虚线表示的打印头下方的结构。所示的孔板具有多个喷嘴219。在每个喷嘴下方具有加热室222，其和油墨馈给通路220相连，然后和槽204a-c相连。当从衬底的第一表面上方看时，在本实施例中的所述的槽被表示为一个椭圆的构型。其它的示例的几何结构包括矩形。
示例系统
图4表示按照一个示例的实施例能够对衬底206a进行微加工的示例的设备或激光机402。所示的激光机可被配置用于开放的空气环境或区域403中。激光机可以具有激光源404，其能够发射激光束406。激光束可以接触或者被引导到衬底206a上。在一些示例的实施例中，衬底可以位于开放的环境中的固定设备407上。
示例的激光机是在市场上可以得到的。一种这样的示例的激光机是由Dublin的XsilLtd.，Ireland制造的Xise200Laser MachiningTool。
示例的激光机可以利用各种激光源。激光源具有当被激励时可以发射激光束的晶体或其它的结构。示例的激光源是Coherent AVIA355-4500，其含有晶体Nd.YVO4(也称为Vanadte)。其它的示例的晶体包括Nd:YAG和Nd:YLF。
在一个实施例中，这些材料的每一个可以产生具有大约1064纳米(nm)的基本波长的激光束。不同波长的激光束可以提供合适的实施例。例如，一些实施例可以具有大约小于550nm的范围内的波长。
在一些示例的实施例中，激光束的波长可在激光源404内调整。例如，一个实施例可以利用AVIA 355，其中频率被增至3倍，以便产生一个355nm的激光束波长。另一个示例的实施例可以利用具有波长532nm的激光源。例如，Lambda Physik PG 532-15可用来提供具有所述波长的激光束的激光源。其它的示例的实施例可利用波长范围从小于100nm到大于1500nm的的激光束。其它的合适的实施例可以利用具有不同特性的激光束实现，如下面详细说明的。
各种示例的实施例可以利用一个或多个透镜408，用于聚焦或扩展激光束。在一些这样的实施例中，激光束可被聚焦，以便提高其能量密度，从而更有效地加工衬底。在这些示例的实施例中，激光束可以利用一个或多个透镜408聚焦，以便在激光束接触衬底206a的位置实现所需的直径。在一些这种实施例中，这个直径的范围从大约1微米到100微米以上。在一个实施例中，所述直径大约是20微米。此外，激光束可以从激光源404被直接的射到衬底206a上，或者通过一个或多个反射镜410被间接地射到所述衬底上。
示例的激光束可以提供足够的能量，用于激励被激光束照射的衬底材料。所述激励包括熔化、蒸发、剥落、相爆炸(phase explosion)与/或融化。一些示例的实施例可以在等于或大于其材料除去阈值下激励衬底材料。所述材料除去阈值是通过熔化、蒸发、剥落与/或相爆炸除去材料所需的能量密度。下面将更详细地讨论能量密度。激光束照射的并包围着含有被激励的衬底材料的区域的衬底在本文中被称为界面区域411。
在一些示例的实施例中，激光机402也可以具有气体供应412，用于向界面区域供应辅助气体414。在一些示例的实施例中，辅助气体可以通过一个或多个气体供应喷嘴416供应。
一些示例的实施例也可以利用碎片提取系统418，其可以除去蒸发的衬底材料与/或由衬底材料形成的分子以及辅助气体的成分，还有各种其它的分子。在一些示例的实施例中，所述碎片提取系统可以包括真空系统，其被设置用于排空在激光束和衬底附近的材料。下面更详细地说明示例的碎片提取系统。
在一些实施例中，辅助气体可以增加激光束切割或除去衬底材料的效率。多种机构可用于增加去除速率。例如，在一些实施例中，辅助气体的分子可借助于激光束能量电离。至少一些所得的离子可以和激励的衬底材料起反应。这种反应可以形成合成的成分，它们可以是易挥发的，或者是相对不起反应的。这些性能可以使得合成的成分扩散或者从界面区域消散，因而可以减少衬底材料重新沉积的发生率。
这比其它的其中利用激光除去的材料的大部分又重新沉积在衬底上的激光加工技术有利的。在界面区域附近的重新沉积的材料可以引起不希望的碎片或成分破坏。在界面区域重新沉积的材料影响激光/衬底的相互作用，因而减少除去材料的速度。
另外，激光加工处理的一些实施例还导致形成一般具有1微米或更小的直径或尺寸的微粒碎片。在这些实施例中，这种碎片可以由直接从衬底的表面释放的熔化的材料形成，并且也由蒸发的衬底材料的凝结而成。这种微粒材料或碎片可以引起激光朝向激光脉冲的末端的散射和吸收，尤其是在持续时间大于5-10纳秒的激光脉冲中，因而减少这个实施例中的达到目标材料表面的有用激光的数量。这种微粒材料然后可以沉积在界面区域内的或者和界面区域相邻的区域上。
因而，这些技术导致重新沉积，其又导致减少切割或加工的速度和最终的加工的衬底的质量。与此相反，此处所述的本发明的优选实施例可以大大减少或消除再沉积，因而可以生产清洁得多的、更均匀的切口和加工。在一个示例的实施例中，小于被除去的材料的大约1.0％被再沉积。在一个特定的实施例中，被再沉积的材料小于除去的材料的大约0.5％。
许多机构可以有助于这个提高的性能，包括但不限于下述机构。在一些实施例中，辅助气体与/或辅助气体的分离的成分可以和由激光束的作用而产生的微粒碎片相互作用。这种相互作用可以减少碎片的尺寸，使得能够借助于提取系统更容易地除去碎片。这些机构的另一种机构可以借助于使辅助气体或其成分和界面区域中的衬底材料的蒸气烟缕中的凝结的材料反应，从而减少任何粘结材料的尺寸，使得其能够利用提取系统更容易地被除去。
图5a-5c表示通过衬底206b的横截面的一个示例的实施例。其中，一个结构在所述衬底中正在被进行加工。在这个实施例中，所述结构是衬底内的沟槽，其最终被形成，贯穿整个衬底，从而形成一个通路。也可以形成其它示例的特征，如下所述。
在图5a-5c所示的实施例中，衬底可以具有由第一表面210和相对的第二表面212限定的厚度t。在另一个实施例中，衬底的厚度范围可以从小于100微米到大于2000微米。在这些示例的实施例中，所述厚度大约为675微米。
现在参看图5a，所示的激光束406a被引导到衬底206b上。如图所示，激光束和衬底的第一表面210正交，虽然其它的配置也可以提供满意的实施例。激光束通过第一表面210在衬底中形成了一个窄的缺口500a。在这个实施例中，示出了两个辅助气体喷嘴416a和416b，它们位于激光束的相对侧，用于向界面区域411a供应辅助气体(未示出)。虽然这里利用两个辅助气体喷嘴，其它的满意的实施例可以使用或多或少的喷嘴。使用术语“喷嘴”用于描述用来向衬底的界面区域提供辅助气体的硬件。在各个实施例中，这可以包括出口孔502a、502b。在优选实施例中，出口孔对平面c的横截面可以基本上呈圆形，如图5b所示。
在其它的示例的实施例中，出口孔可以包括其它的构型。例如，出口孔可以呈多管构型，气刀构型以及环形的环面构型等。
在一个示例的实施例中，辅助气体喷嘴的出口孔520a，502b可以距第一表面210上方大约12毫米的垂直距离，距离激光束406大约3.2毫米的水平距离，但是其它的合适的实施例的喷嘴的位置具有不同的距离和角度的组合。喷嘴可被定位使得从出口孔相对于衬底的第一表面以大约45到大约90度的角度δ从出口孔喷出辅助气体。在图5a-5b所示的示例的实施例中，角度δ大约是70度。
辅助气体可以在多种输送压力和速度下被提供。例如，在一个实施例中，气体供应喷嘴的出口孔可以具有相当小的直径，以便对于给定的流量产生较高的速度，或者所述直径可以较大，以便对于给定的流量可以提供较低的速度。在一个示例的实施例中，所述直径大约是1.0毫米。
几个示例的实施例可以利用多种辅助气体。在一些实施例中，辅助气体可以包括卤化物含卤素的气体。示例的辅助气体可以包括但不限于卤化碳和六氟化硫。
许多示例的辅助气体，其中包括许多卤化碳气体具有使环境恶化的后果。一些示例的实施例单独地利用过滤系统，或者把过滤系统用作碎片提取系统418的一个元件，用于除去或最小化和环境相关的任何气体，否则这些气体将扩散而从界面区域进入周围环境中。这种过滤系统可以包括用于把来自界面的辅助气体和各种副产品气体转换成较为惰性的化合物的机构。
其它的示例的实施例可以利用辅助气体例如1，1，1，2四氟代乙烷，其是有效的辅助气体，并且被认为是对环境相当良性的，因而是有利的。气体示例的辅助气体也可以具有增加激光加工性能和减少环境影响的组合效果。虽然在示例的实施例中描述了使用一种辅助气体的实施例，其它的实施例可以利用多种辅助气体，它们的组合可以提供有益的特性。
在一个示例的实施例中。辅助气体可以包括卤素前体，其中的至少一些分子可以借助于界面区域中的激光能量离子化或分离。在另一些示例的实施例中，辅助气体可以在激光激励的区域周围的热环境中分离或电离，并可以和被激励的衬底材料反应而至少部分地形成一种或几种易挥发的化合物。这个过程可以减少再沉积发生的几率，与/或更容易地由提取系统除去。
在一些实施例中，辅助气体以一个足以作为界面区域中的过量的反应物的流量被提供。在一个示例的实施例中，其中辅助气体包括1，1，1，2四氟代乙烷，辅助气体喷嘴以大约0.08克/秒到大约0.5克/秒的范围内的流量提供辅助气体。另一个实施例提供大约0.33克/秒的1，1，1，2四氟代乙烷。各种示例的辅助气体的其它示例的流量是本领域技术人员公知的。
图5b是一个示例的实施例，表示衬底的另一个截面图，其中激光切割通过衬底206b的大部分厚度的沟槽500b。沟槽的深度由y表示，其可以和衬底的厚度t相当。在这个示例的实施例，辅助气体仍然可以向界面区域411b提供，以便维持有效的切割，尽管界面区域至少部分地在沟槽500的底部。这使得激光能够基本上以和窄的沟槽如图5a所示的沟槽相同的速率和效率进行切割。这个实施例还使得激光能够切割在沟槽的整个深度上直径基本上均匀的沟槽。
图5c表示通过整个衬底厚度t加工出的沟槽500c。沟槽500c的深度等于衬底206b的厚度t。因而，这样一个被称为通路的通孔对于在衬底上包括微电子器件的许多方面是有用的。如图所示，整个通孔基本上具有一致的直径d。在这些实施例中，所述直径可以小于大约60微米，虽然可以实现较大的直径。
一些实施例能够生产具有小于或等于大约30微米的直径的沟槽与/或通路。这些实施例的效率可以使得这些沟槽或通路能够具有至少大约为10的长宽比(结构的深度除以结构的宽度)，另一些实施例具有大于20的长宽比。因而，在图5b所示的沟槽中，结构深度等于y，结构宽度等于d。再次参见图5c，通路的深度y等于衬底的厚度t。因此在这个实施例中，长宽比等于衬底的厚度t除以直径d。虽然这里示出了一个通路，但这些实施例也可以形成其它的特征，例如沟槽，槽与/或切口，如同对对照图6a-6b已经7a-7b将要详细说明的。
在一些实施例中的激光加工设备可以在衬底上切割一个特定的点，并且可以通过同一衬底形成小于或等于大约30微米的沟槽，而不移动激光或衬底。这不仅使得能够在衬底中制成较小的沟槽，而且可以使得沟槽形成处理较快并且质量较好，同时和利用其它的一般技术可以实现的相比，对周围的衬底材料的影响较小。
本发明的一些实施例使得能够形成具有小的直径的沟槽和通路，所述直径一般对于通路的整个深度是一致的。这是通过借助于减少再沉积和颗粒积聚来保持除去处理的速率和效率来实现的。
在其它的实施例中，其中的技术试图使用多种气体帮助激光起作用，不过，这些系统一般需要一个被控的环境，这个环境通常利用一个室来实现，把衬底放置在所述室内。在这个实施例中，在开始激光加工之前改变室的条件和气体的成分。当元件被加入或除去时必须打开和关闭并重新密封而重新建立受控的环境强加的限制阻止了这种方法在商业上的实际应用。与此相比，这里所述的一些实施例，借助于这样的事实，即它们被构成使得用于敞开的大气环境，固有地非常适用于大量生产的例如装配线的应用。
图6a-6b表示用于切割或除去衬底材料从而形成沟槽602的激光束。图6a是沿着沟槽的纵轴截取的截面图，而图6b垂直于所述纵轴截取的截面图。
图6a表示沿沟槽602的长度截取的截面图，沟槽602是由接触衬底的激光束同时使衬底沿x方向相对于激光束移动而形成的。在另一个示例的实施例中，激光束可以用几种方式相对于衬底运动。例如，激光束可以沿x，y任何一个方向或两个方向移动，而衬底保持静止。辅助气体喷嘴可以和激光束一道移动或保持静止。或者，使衬底移动而激光束保持静止。例如，在一个实施例中，衬底206c可被置于固定装置407上，在一些实施例中，固定装置具有使衬底相对于激光束移动的能力。其它的示例的实施例可以利用这些技术的组合，使衬底和激光束彼此相对移动。
图6a还表示两个辅助气体喷嘴416c，416d，它们和激光束406b相邻并平行，因此它们中的每一个都和衬底的单元表面210正交。这是一种示例的结构，其可以向界面区域供应辅助气体。
图6b表示激光束在衬底中形成切槽k的实施例。切槽是由激光束当其相对于衬底移动时形成的切口的宽度。切槽的宽度可以受几种因素的影响，其中包括衬底材料再沉积的数量以及激光的参数与激光束相对于衬底移动的速度。
在一些示例的实施例中，激光的参数可以建立一个具有大于1GW/cm2的峰值功率密度的激光束，一个示例的实施例具有大约4.78GW/cm2的峰值功率密度。在各个实施例中，激光机可以产生任何合适的值的范围内的激光脉冲。在一些实施例中，脉冲值的范围从大约1千赫兹到大约200千赫兹。在一个实施例中，脉冲的频率是大约20千赫兹。其它的合适的实施例可以使用这个范围上下的速率。激光束的脉冲宽度可以是大约1-100纳秒，一个实施例中大约为15纳秒。
每个单位时间激光束相对于衬底的运动在本文中被称为激光扫描速率。示例的实施例可以利用大约为1-1000毫米/秒的激光扫描速率。一些示例的实施例可以利用大约10-300毫米/秒的激光扫描速率，其它的示例的实施例利用大约为100毫米/秒的扫描速率。在一个实施例中，这些参数使得激光能够快速切割具有一致的切槽宽度的切口，因此得到的沟槽的表面粗糙度比利用现有技术的小。
维持均匀的切槽可以得到较好质量的沟槽、槽或其它结构，其沿着长度和深度更加均匀，并更接近于所需的尺寸。所述的实施例改进了沟槽的均匀性，并能够得到增加的切割速度。
所述的实施例可以有效地形成高的长宽比特征，同时保持高的切割效率。在一个实施例中，利用每焦耳的激光能量的激光除去至少大约9800000立方微米的衬底材料，可以获得大约为4.5-11.25范围内的长宽比。在一些实施例中，借助于极少地减少效率，可以制成具有更高的长宽比的特征。这和激光加工技术的其它的实施例形成对照，在这些实施例中，长宽比的增加将导致效率急剧降低。
图7a-7b表示其中使用激光和另一种除去技术相结合而在衬底中形成槽的一个实施例。所述槽可以包括流体馈给槽，在优选实施例中，可以包括在被安装在流体喷射装置内的衬底中的流体馈给槽。
参见图7a，激光切割已经在衬底206d中形成一个沟槽702。在这个实施例中，沟槽具有深度x和长度l1。在这个例子中，沟槽的深度小于衬底的整个厚度。其它的例子可以被图示的较浅或较深，或者至少其长度的一部分可以全部通过衬底的厚度，从而形成通过衬底的槽。
在这个实施例中，沟槽可以由在衬底上方一次或几次通过的激光束来形成。正如由图中沿沟槽的长轴可以看到的，沟槽具有一个呈一定轮廓的构型。其它的构型可以包括锥形的、阶梯形的等。
图7b表示沿衬底的长轴截取的截面的实施例，表示具有长度l2的第二个沟槽704，其中l2小于l1，其通过第二表面212形成，其截断第一沟槽的至少一部分而形成通槽204h。第二沟槽可以利用多种衬底除去技术形成，包括但不限于：沙钻，干刻，湿刻，激光微加工以及机加工。如果使用激光加工作为第二除去技术，则激光束可以具有和用于制造第一沟槽或结构的激光束相同的性能，或者第二激光束可以具有不同的性能。例如，在一个实施例中，第一激光束具有大约1100纳米发波长，用于切割第一沟槽，然后利用大约355纳米的波长的第二激光束除去另外的材料。这个示例的实施例可以利用不同波长的激光的不同的切割性能。
在图7a，7b给出的例子中，首先使用激光加工方法形成第一沟槽或结构，然后使用随后的除去处理形成第二沟槽。也可以不必如此，例如在一些实施例中，可以使用沙钻从第一侧除去衬底材料。这个处理之后，利用激光加工除去另外的衬底材料。在这些实施例中，可以从和进行沙钻的同一侧或同一表面进行激光加工处理，或者从相对的第二侧进行。
其它的示例的实施例可以使用附加的中间步骤得到所需的特征。一些中间步骤可以施加或淀积由随后的除去步骤进一步构形的材料。
至此针对在衬底中切割或成形沟槽、通路和槽说明了几个示例的实施例。不过，这些示例的实施例也可以用于需要受控地、选择地除去材料的情况下。这可以包括其它的处理，例如切割、切片、形成单片以及在各种衬底材料中的三维加工。这可以进一步包括部分地或完全地过衬底的厚度进行的特征的微型加工。
例如，在半导体工业中近年来由于产品的尺寸约束和成本的考虑，使器件朝向越来越小的方向发展。每个半导体衬底或晶片上的器件越多，则装置的成本越低。半导体衬底通常含有许多器件，这要求在封装之前进行切片或单片化，以便被装入电子装置中，例如流体喷射装置、喷墨打印头或一些其它装置中。
在半导体工业中，传统上，使用机械切片锯对这些元件切片或单片化。现有技术局限于在衬底材料中进行直线切割，而所述的激光微加工的实施例可以形成具有复杂形状的、直线的、曲线的、不连续的切口的或者它们的组合的特征或切口。
所述的实施例根据衬底的材料和厚度还可以实现切槽宽度为10-15微米或更小的结构。切槽越小，使得每个晶片上的器件越多，因而可以降低装置的成本。
此外，机械切片是一种湿处理，其中一般使用冷却流体进行切割处理。所述的实施例消除了暴露器件于冷却流体可能的破坏之下，并且是非常有效的，具有极少的或者没有除去的碎片材料的再沉积。这些和其它的特征使得所述的实施例比现有技术能够更好地完成许多微加工任务。
示例方法
图8是用于帮助说明这里所述的各个示例的方法的流程图。
步骤802把衬底置于一个敞开的大气环境中。上面说明了各种衬底的例子。在这个实施例中，衬底被设置在一个固定装置407或其它合适的结构上。步骤804把激光束引导到衬底上，以便激励衬底材料的一部分。在优选实施例中，这种激励可以切割或除去衬底材料。公知示例的激光机和激光束已经在上面说明了。
步骤806对由激光束接触的区域引入辅助气体。在一些示例的实施例中，辅助气体可被引导到界面区域。一些示例的实施例通过一个或多个不同构型的辅助气体喷嘴提供辅助气体，上面说明了示例的实施例。多种辅助气体可被引导到界面区域而增加激光束切割衬底材料的性能。
结论
上述的实施例可以利用激光束在敞开的大气环境中切割或微加工衬底。在几个实施例中，借助于向激光束激励其中的衬底材料的界面区域提供辅助气体，使得激光束以较高的效率和速度进行切割。具体地说，当供应辅助气体时，激光束可以比现有技术形成具有较高的长宽比的切口。此外，可以使所述切口保持接近所需的参数，并且在一些实施例中，可以使其尺寸的改变较小。所述的一些实施例可以比目前的和过去的技术形成较窄的切口，并且在整个切口的深度上可以保持这些切割的速度和效率，同时比现有技术能够形成高质量的产品。所有这些都可以利用有利于生产技术的系统和方法来实现。
概括地说，本说明披露了一种利用激光对衬底进行微型加工的方法和系统。一个示例的实施例把衬底置于敞开的大气环境中。衬底具有由相对的第一和第二表面限定的厚度。可以通过把激光束引向第一表面并把辅助气体引入接触激光束的衬底的区域附近来切割衬底。
略微详细地说，本说明披露了用于对衬底206进行激光微加工的系统和方法。一个示例的实施例在步骤802把衬底206置于敞开的大气环境403中。衬底206具有由相对的第一表面210和第二表面212限定的厚度。在步骤804可以通过把激光束406引向衬底206的第一表面210并在步骤806把辅助气体414引入接触激光束406的衬底206的区域411附近来切割衬底206。
虽然按照结构特征和方法步骤对本发明进行了说明，应当理解，在所附权利要求中限定的发明不需要限制于所述的特征和步骤。而是，这些特定的特征和步骤是作为用于实施权利要求限定的发明的优选形式披露的。