用于对脆性材料进行划割并随后进行化学蚀刻的方法和系统技术方案

通过在透明基材中形成细线可以非常快速地划割出非常细的闭合形式结构，通过干式或湿式化学蚀刻能蚀刻修改区域，以释放出所述闭合形式。金属层结合在透明基材上并被光致抗蚀剂覆盖。通过建立贯穿所述透明基材的细线，同时除去所述光致抗蚀剂的一部分和所述金属的一部分。光致抗蚀剂保护了未被移除的金属层部分。通过使用干式或湿式化学蚀刻削弱切削区域以移除所需部分，可以释放出所需的闭合形式。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利申请要求于2015年1月13日提交的美国临时专利申请62103031的权益和优先权，通过引用将2015年1月13日提交的美国临时专利申请62103031整体并入本文。通过引用将2013年1月31日提交的美国专利申请13640140、2014年7月21日提交的美国专利申请14336912和2014年7月21日提交的美国专利申请14336819整体并入本文，如同将它们完全写入本文一样。
技术介绍
本公开涉及材料的激光加工系统和方法。更具体地，本公开涉及用于将包含在所述材料上制成的无源或有源电子或电气器件的晶片、基材和平板单片化(singulation)和/或切割(cleaving)的系统和方法。在目前的生产中，晶片或玻璃面板的单片化、切块(dicing)、划割(scribing)、切割、切削(cutting)和切面(facet)处理是非常重要的加工步骤，其通常依赖于金刚石或常规的烧蚀性或击穿性(隐形(stealth))激光的划割和切削，其速度对于例如LED、LED器件(例如照明组件)和发光器件(例如LED显示器)而言为至多30cm/sec。在金刚石切削的过程中，在进行金刚石切削之后，机械辊施加应力以使裂纹传播，从而切割样品。该方法产生低品质的边缘、微裂纹、宽切口宽度和大量碎片，这是产品寿命、效率、品质和可靠性方面的主要缺陷，同时还引起额外的清洁和抛光步骤。运行金刚石划割器所用的去离子水的成本超过划割器的持有成本，并且由于水受到污染并需要精制(这进一步增加生产成本)，该技术并不环保。已经开发了用于进行单片化、切块、划割、切割、切削和切面处理的激光烧蚀加工，以克服与金刚石切削相关的一些局限性。不幸的是，已知的激光加工方法存在缺点，特别是在透明材料中，例如加工速度慢、产生裂纹、烧蚀碎屑污染以及中等尺寸的切口宽度。此外，激光相互作用过程中的热传输会导致大面积区域的附带热损伤(即热影响区)。激光烧蚀过程可以通过选择波长被介质强烈吸收的激光(例如，深UV准分子激光或远红外线CO2激光)来改善。然而，由于该物理烧蚀工艺所固有的侵蚀性相互作用，并不能消除上述缺点。这由某些LED应用中UV加工的失败所充分证实，其中损伤迫使该产业着眼于传统的划割和断裂、随后通过蚀刻来除去烧蚀性划割或金刚石划割工具所遗留的受损区域，这取决于所采用的具体的解决技术。作为另一选择，透明介质表面上的激光烧蚀也可以通过减小激光脉冲的持续时间来改善。这对于在加工介质内部是透明的激光而言特别有利。当聚焦到透明材料上或者内部时，高激光强度诱导非线性吸收效果以提供动态不透明度，可以控制该动态不透明度来准确地将适宜的激光能量注入由焦点体积所限定的小体积材料中。相比长持续时间的激光脉冲，短持续时间的脉冲还提供若干其他优点，例如消除等离子体的产生以及等离子体反射，从而通过在这种激光脉冲的短得多的时间尺度内的小部分的热扩散以及其他热传输效应来减少附带损伤。因此，飞秒和皮秒激光烧蚀在不透明和透明材料的加工中都提供了显著的好处。然而，在一般情况下，即使用短至数十至数百飞秒的脉冲加工透明材料，也会伴随着粗糙表面的形成、缓慢的处理以及在激光所形成的切口、孔或沟附近的微裂纹，这对于例如氧化铝(Al2O3)、玻璃、经掺杂的电介质和光学晶体等脆性材料而言特别成问题。此外，烧蚀碎片会污染附近的样品以及周边的器件和表面。近来，在日本已讨论了使用光纤激光法的多通飞秒切削。该方法受阻于需要多次通过并由此导致处理量低下。尽管激光加工已经成功地克服了上文提及的与金刚石切削相关的许多限制，但新的材料组合物使得晶片和面板不能接受激光划割。此外，晶片上的器件和晶块(dice)的尺寸越来越小并相互靠近，这限制了金刚石和常规激光类划割的使用。例如，30μm是可行的划割宽度，而15μm对于这些常规方法来说则具有挑战性。此外，由于金刚石划割使用机械力来对基材进行划割，薄样品非常难以划割。由于在基于晶片的器件的制造中使用了越来越奇异(exotic)和复杂的材料堆叠体，由于堆叠体不透明，之前应用的激光划割技术不再能简单地发挥作用。
技术实现思路
描述了在透明材料中形成连续激光细线(filament)的系统和方法。所述透明材料可以选自玻璃、硼硅酸盐玻璃、琥珀玻璃、化学或热强化的玻璃、蓝宝石、LiNbO3、硅、Ti:蓝宝石、LiTaO3、透明陶瓷(包括光学陶瓷ALON)、晶棒、GaN、SiC和ZnSe。超快速激光脉冲突发(burst)经聚焦而使得在受加工的材料外部形成光束汇聚部(waist)，这使得主焦点没有形成在材料内，同时在位于材料内的延伸区域中形成足够的能量密度以支持连续细线的形成，且不导致材料内的光学击穿。根据本方法形成的细线可以展现出超过至多10mm的长度，与修改区域的长度为1:1对应关系(这是因为，细线是修改剂，所以修改区域以1:1跟随细线的长度)，并且在横截面中沿着长轴观察时展现出无锥形的轮廓。在一些实施方式中，使用未校准或像差光学聚焦元件产生外部光束汇聚部，同时在材料内形成入射光束的分布式聚焦(延长的焦点)。描述了在透明基材内促进细线阵列的形成以进行切割/单片化和/或标记的各种系统。采用对细线的光学监测来提供反馈，从而有助于对该过程进行主动控制。因此，在第一方面，提供了一种对透明材料进行激光加工的方法，所述方法包括：激光源，其被配置成提供包括激光脉冲突发的激光束；一个或多个聚焦元件，其被配置成相对于所述透明材料在外部聚焦激光束，以在所述透明材料外部的位置形成光束汇聚部，并同时避免形成外部等离子体通道；将所述激光束和所述一个或多个聚焦元件配置成在所述透明材料内产生足够的能量密度以在其中形成连续激光细线且不导致光学击穿；用于改变所述激光束和所述透明材料之间的相对位置的装置；与改变所述激光束和所述透明材料之间的相对位置的所述装置操作性地连接的控制和处理单元；所述控制和处理单元被配置成控制所述激光束和所述透明材料之间的相对位置以在所述透明材料内形成连续激光细线阵列；所述连续激光细线阵列从所述透明材料的第一表面连续延伸至所述透明材料的第二表面；和选择性地湿式蚀刻或干式蚀刻所述连续激光细线阵列以释放出闭合形式。在另一方面，提供了一种加工透明材料的方法，其包括以下步骤：所述透明材料具有形成为与所述透明材料相结合的金属层，且所述金属层具有形成为与所述金属层相结合的光致抗蚀剂层，提供激光束，所述激光束包括激光脉冲突发，所述激光脉冲突发可以是单脉冲或者多脉冲；相对于所述透明材料在外部聚焦所述激光束，以在所述透明材料外部的位置形成光束汇聚部，并同时避免形成外部等离子体通道；将所述激光脉冲聚焦，以使得在所述透明材料内保持足够的能量密度以形成连续激光细线且不导致光学击穿；同时在所述透明材料内形成所述连续激光细线并同时形成低功率激光束来烧蚀所述光致抗蚀剂层和所述金属层，将形成细线的激光束的功率降低至低于使所述细线同时在所述透明材料内并穿过所述透明材料的阈值，同时保持足够的功率来用所述低功率激光束在一个或多个位置烧蚀和照射所述光致抗蚀剂层和所述金属层，以使得所述激光束局部烧蚀所述金属层，从而在通过所述连续激光细线形成的贯穿所述透明材料的孔的附近除去所述金属层；和选择性地蚀刻贯穿所述透明材料基材的孔，同时所述光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对透明材料进行激光加工的方法，所述方法包括以下步骤：激光源，其被构造成提供包括激光脉冲突发的激光束；一个或多个聚焦元件，其被构造成相对于所述透明材料在外部聚焦所述激光束以在所述透明材料外部的位置形成光束汇聚部，并同时避免形成外部等离子体通道；所述激光束和所述一个或多个聚焦元件被构造成在所述透明材料内产生足够的能量密度以在其中形成连续激光细线且不导致光学击穿；用于改变所述激光束和所述透明材料之间的相对位置的装置；与改变所述激光束和所述透明材料之间的相对位置的所述装置操作性地连接的控制和加工单元；所述控制和加工单元被构造成控制所述激光束和所述透明材料之间的相对位置以在所述透明材料内形成连续激光细线阵列；所述连续激光细线阵列从所述透明材料的第一表面连续延伸至所述透明材料的第二表面；和选择性地湿式蚀刻或干式蚀刻所述连续激光细线阵列以释放出闭合形式。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.13 US 62/103,0311.一种对透明材料进行激光加工的方法，所述方法包括以下步骤：激光源，其被构造成提供包括激光脉冲突发的激光束；一个或多个聚焦元件，其被构造成相对于所述透明材料在外部聚焦所述激光束以在所述透明材料外部的位置形成光束汇聚部，并同时避免形成外部等离子体通道；所述激光束和所述一个或多个聚焦元件被构造成在所述透明材料内产生足够的能量密度以在其中形成连续激光细线且不导致光学击穿；用于改变所述激光束和所述透明材料之间的相对位置的装置；与改变所述激光束和所述透明材料之间的相对位置的所述装置操作性地连接的控制和加工单元；所述控制和加工单元被构造成控制所述激光束和所述透明材料之间的相对位置以在所述透明材料内形成连续激光细线阵列；所述连续激光细线阵列从所述透明材料的第一表面连续延伸至所述透明材料的第二表面；和选择性地湿式蚀刻或干式蚀刻所述连续激光细线阵列以释放出闭合形式。2.如权利要求1所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述透明材料选自玻璃、硼硅酸盐玻璃、琥珀玻璃、化学或热强化玻璃、蓝宝石、LiNbO3、硅、Ti:蓝宝石、LiTaO3、透明陶瓷、ALON、晶棒、GaN、SiC和ZnSe。3.如权利要求1所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述干式蚀刻用选自CF4、SF6、NF3、Cl2和CCl2F2的反应性气体的等离子体进行。4.如权利要求1所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述湿式蚀刻用选自硝酸(HNO3)和氢氟酸(HF)、氢氧化钾(KOH)、乙二胺邻苯二酚(EDP)和氢氧化四甲铵(TMAH)的湿式蚀刻剂进行。5.如权利要求1所述的对透明材料进行激光加工的方法，所述透明基材具有超过约50MPa的切割后或单片化后断裂强度。6.如权利要求1所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述连续激光细线具有超过约1mm的长度。7.一种对透明材料进行激光加工的方法，所述方法包括以下步骤：所述透明材料具有形成为与所述透明材料相结合的金属层，且所述金属层具有形成为与所述金属层相结合的光致抗蚀剂层，提供激光束，所述激光束包括激光脉冲突发，所述激光脉冲突发可以是单脉冲或者多脉冲；相对于所述透明材料在外部聚焦所述激光束，以在所述透明材料外部的位置形成光束汇聚部并同时避免形成外部等离子体通道；将所述激光脉冲聚焦，使得在所述透明材料内保持足够的能量密度以形成连续激光细线且不导致光学击穿；同时在所述透明材料内形成所述连续激光细线并同时形成低功率激光束来烧蚀所述光致抗蚀剂层和所述金属层，将形成细线的所述激光束的功率降低至低于使所述细线同时在所述透明材料内并穿过所述透明材料的阈值，并保持足够的功率来用所述低功率激光束在一个或多个位置烧蚀和照射所述光致抗蚀剂层和所述金属层，使得所述激光束局部烧蚀所述金属层，从而在通过所述连续激光细线形成的贯穿所述透明材料的孔的附近除去所述金属层；和选择性地蚀刻贯穿所述透明材料的基材的所述孔，同时所述光致抗蚀剂避免了损伤所述金属层。8.如权利要求7所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述透明材料选自玻璃、硼硅酸盐玻璃、琥珀玻璃、化学或热强化玻璃、蓝宝石、LiNbO3、硅、Ti:蓝宝石、LiTaO3、透明陶瓷(例如光学陶瓷ALON)、晶棒、GaN、SiC和ZnSe。9.如权利要求7所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述透明材料选自玻璃、硼硅酸盐玻璃、琥珀玻璃、化学或热强化玻璃、蓝宝石、LiNbO3、硅、Ti:蓝宝石、LiTaO3、透明陶瓷(例如光学陶瓷ALON)、晶棒、GaN、SiC和ZnSe。10.如权利要求7所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述干式蚀刻用选自CF4、SF6、NF3、Cl2和CCl2F2的反应性气体的等离子体进行。11.如权利要求7所述的对透明材料进行激光加工的方法，其中，所述连续激光细线具有超过约1mm的长度。12.如权利要求7所述的对透明...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·A·侯赛尼，
申请(专利权)人：罗芬新纳技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US