具有轴向可变侧壁锥度的孔的含二氧化硅基材及其形成方法技术

揭示了包含具有窄腰的孔的含二氧化硅基材以及相关的装置和方法。在一个实施方式中，制品包括含二氧化硅基材，所述含二氧化硅基材包含大于或等于85摩尔％二氧化硅、第一表面、与第一表面相对的第二表面以及从第一表面朝向第二表面延伸穿过含二氧化硅基材的孔。孔包括：第一表面处小于或等于100μm的第一直径，第二表面处直径小于或等于100μm的第二直径，以及第一表面与第二表面之间的孔腰。孔腰具有小于第一直径和第二直径的腰直径，使得腰直径与第一直径和第二直径之比分别小于或等于75％。

Silica based materials with holes with axially variable sidewall taper and their formation method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有轴向可变侧壁锥度的孔的含二氧化硅基材及其形成方法本申请根据35U.S.C.§119，要求2017年05月25日提交的美国临时申请系列第62/510,957号和2017年11月20日提交的美国临时申请系列第62/588,615号的优先权，本文以它们作为基础并将它们两者全文分别通过引用结合于此。
技术介绍

本公开一般地涉及具有孔的含二氧化硅基材。具体来说，本公开涉及具有轴向可变侧壁锥度的包含至少75摩尔％二氧化硅的含二氧化硅基材，结合了具有孔的含二氧化硅基材的电子器件，以及用于在含二氧化硅基材中形成具有轴向可变侧壁锥度的孔的方法。技术背景基材(例如，硅)被用作布置在电子组件(例如，印刷电路板和集成电路等)之间的插入物。贯穿基材的金属化孔提供了穿过插入物的路径，使得电信号在插入物的相对侧之间穿过。玻璃基材对于电信号传输是高度有利的诱人材料，因为它们具有得益于低的热膨胀系数(CTE)的优异的热尺度稳定性和在高频电性能下非常好的低电损耗，以及在厚度和大面板尺寸形成的可能性。具体来说，高二氧化硅含量的基材(例如，熔合二氧化硅)甚至比一般玻璃更吸引人，因为熔合二氧化硅的CTE会是极低的(约0.5ppm/摄氏度)，并且电损耗正切甚至会比通常含有显著比例的非二氧化硅材料的玻璃更低。但是，高二氧化硅含量基材中的通孔形成和金属化存在明显挑战性。可以通过电镀工艺填充孔，其中，导电材料(例如，铜)沉积在孔的侧壁上，并且持续积累直到孔被气密密封。对孔进行电镀要求具有窄腰的沙漏形状，其提供了使得导电材料发生初始沉积的金属“桥”。导电材料持续沉积到这个桥的两侧上，直到填充了孔。可以通过激光破坏-蚀刻工艺形成有利于在电子器件的玻璃插入物中提供电连接的小直径孔。在这个过程中，通过使用激光沿着破坏轨迹对玻璃材料进行改性，在玻璃基材中初始形成破坏轨迹。然后向玻璃基材施加蚀刻溶液。通过蚀刻溶液使得玻璃基材薄化。由于在破坏轨迹处的玻璃材料的蚀刻速率较快，破坏轨迹发生优先蚀刻从而打开了贯穿玻璃基材的孔。在大多数玻璃材料中，孔的优先形状是有利于电镀的沙漏形状。但是，在具有高二氧化硅含量的含二氧化硅基材(例如，熔合二氧化硅)中，所得到的孔是圆柱形状，没有用于在电镀过程期间提供金属桥的窄腰。熔合二氧化硅中的此类直壁孔无法进行电镀。因此，存在对于在含二氧化硅基材中形成具有轴向可变侧壁锥度(例如，沙漏形状)的替代方法以及结合了此类孔的含二氧化硅基材的需求。
技术实现思路
在一个实施方式中，对包含二氧化硅、第一表面与第一表面相对的第二表面的基材进行加工的方法包括：采用激光束形成贯穿基材从第一表面到第二表面的破坏轨迹，其中，沿着破坏轨迹的基材改性水平以从第一表面开始朝向基材块体的第一方向减小，以及基材改性水平以从第二表面开始朝向基材块体的第二方向减小。破坏轨迹包括靠近第一表面的第一改性段、靠近第二表面的第二改性段以及布置在第一高度改性段与第二高度改性段之间的第三改性段，其中，第三改性段的改性水平小于第一改性段和第二改性段的改性水平。方法还包括：采用蚀刻溶液来蚀刻基材，以形成孔，所述孔具有：第一表面处的第一直径，第二表面处的第二直径，以及在第一表面与第二表面之间的具有腰直径的孔腰，其中，腰直径小于第一直径且小于第二直径。在另一个实施方式中，制品包括含二氧化硅基材，所述含二氧化硅基材包含大于或等于85摩尔％二氧化硅、第一表面、与第一表面相对的第二表面以及从第一表面朝向第二表面延伸穿过含二氧化硅基材的孔。孔包括：第一表面处直径小于或等于100μm的第一直径，第二表面处直径小于或等于100μm的第二直径，以及第一表面与第二表面之间的孔腰。孔腰具有小于第一直径和第二直径的腰直径，使得腰直径与第一直径和第二直径之比分别小于或等于75％。在另一个实施方式中，电子器件包括含二氧化硅基材，所述含二氧化硅基材包含大于或等于85摩尔％二氧化硅、第一表面、与第一表面相对的第二表面以及从第一表面朝向第二表面延伸穿过含二氧化硅基材的孔。孔包括：第一表面处直径小于或等于100μm的第一直径，第二表面处直径小于或等于100μm的第二直径，以及第一表面与第二表面之间的孔腰，其中，孔腰的腰直径小于第一直径和第二直径，使得腰直径与第一直径和第二直径之比分别小于或等于75％。电子器件还包括连接到含二氧化硅基材的半导体器件，其中，半导体器件电连接到孔。在另一个实施方式中，基材包含大于或等于85摩尔％二氧化硅、第一表面、与第一表面相对的第二表面以及从第一表面朝向第二表面延伸穿过基材的破坏轨迹。沿着破坏轨迹的基材改性水平以从第一表面开始朝向基材块体的第一方向减小，以及基材改性水平以从第二表面开始朝向基材块体的第二方向减小。破坏轨迹包括靠近第一表面的第一改性段、靠近第二表面的第二改性段以及布置在第一高度改性段与第二高度改性段之间的第三改性段。在另一个实施方式中，制品包括含二氧化硅基材，所述含二氧化硅基材包含大于或等于85摩尔％二氧化硅、第一表面、与第一表面相对的第二表面以及从第一表面朝向第二表面延伸穿过含二氧化硅基材的孔。孔包括：第一表面处直径小于或等于100μm的第一直径，第二表面处直径小于或等于100μm的第二直径，以及第一表面与第二表面之间的孔腰。孔腰具有小于第一直径和第二直径的腰直径，使得第一直径和腰直径之差与含二氧化硅基材的一半厚度之比大于或等于1/15。在以下的详细描述中提出了本文中描述的实施方式的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本专利技术而被认识。要理解的是，前面的一般性描述和以下的详细描述都描述了各种实施方式且都旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各种实施方式的进一步理解，附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本文所描述的各种实施方式，且与描述一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。附图说明附图所示的实施方式实际上是示意性和示例性的，并不旨在限制通过权利要求所限定的主题。结合以下附图阅读可以理解如下示意性实施方式的详细描述，其中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：图1示意性显示根据本文所述和所示的一个或多个实施方式的作为插入物的含二氧化硅基材的部分透视图；图2示意性显示根据本文所述和所示的一个或多个实施方式的示例性电子器件，其包括作为布置在电子器件之间的插入物的含二氧化硅基材；图3示意性显示根据本文所述和所示的一个或多个实施方式的贯穿含二氧化硅基材的示例性孔的尺度特性；图4A-4E示意性显示根据本文所述和所示的一个或多个实施方式的贯穿含二氧化硅基材的示例性孔的形成演变；图5示意性显示根据本文所述和所示的一个或多个实施方式，通过使得激光斑扫描穿过含二氧化硅基材的块体同时调节激光斑强度，在含二氧化硅基材中形成破坏轨迹的方法；图6示意性显示根据本文所述和所示的一个或多个实施方式，通过使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对基材进行加工的方法，所述基材包含二氧化硅、第一表面和与第一表面相对的第二表面，所述方法包括：/n采用激光束，形成穿过基材从第一表面到第二表面的破坏轨迹，其中，沿着破坏轨迹的基材改性水平以从第一表面开始朝向基材块体的第一方向减小，以及基材改性水平以从第二表面开始朝向基材块体的第二方向减小，使得破坏轨迹包括：/n靠近第一表面的第一高度改性段；/n靠近第二表面的第二高度改性段；和/n布置在第一高度改性段与第二高度改性段之间的最小改性段；以及/n采用蚀刻溶液来蚀刻基材以形成孔，所述孔包括：第一表面处的第一直径，第二表面处的第二直径，以及在第一表面与第二表面之间的具有腰直径的孔腰，其中，腰直径小于第一直径且小于第二直径。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170525 US 62/510,957;20171120 US 62/588,6151.一种对基材进行加工的方法，所述基材包含二氧化硅、第一表面和与第一表面相对的第二表面，所述方法包括：
采用激光束，形成穿过基材从第一表面到第二表面的破坏轨迹，其中，沿着破坏轨迹的基材改性水平以从第一表面开始朝向基材块体的第一方向减小，以及基材改性水平以从第二表面开始朝向基材块体的第二方向减小，使得破坏轨迹包括：
靠近第一表面的第一高度改性段；
靠近第二表面的第二高度改性段；和
布置在第一高度改性段与第二高度改性段之间的最小改性段；以及
采用蚀刻溶液来蚀刻基材以形成孔，所述孔包括：第一表面处的第一直径，第二表面处的第二直径，以及在第一表面与第二表面之间的具有腰直径的孔腰，其中，腰直径小于第一直径且小于第二直径。


2.如权利要求1所述的方法，其中，通过激光束改性了破坏轨迹的最小改性段。


3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在破坏轨迹的最小改性段中的至少一部分基材没有被激光束改性。


4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，基材包含至少75摩尔％二氧化硅。


5.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，基材包含至少90摩尔％二氧化硅。


6.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，基材包含至少99摩尔％二氧化硅。


7.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，基材包括未经有目的性掺杂的二氧化硅。


8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基材的厚度大于或等于50μm且小于或等于1mm。


9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，腰直径至少分别是第一直径和第二直径的50％。


10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，孔具有沙漏形状。


11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，孔腰的位置更靠近第一表面和第二表面中一个，这是相对于第一表面或第二表面中的另一个而言。


12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，第一直径和第二直径大于或等于5μm。


13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
基材的第一表面面朝发射激光束的激光源；以及
腰直径与第一直径之比大于或等于35％且小于或等于45％。


14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
孔包括纵轴、内壁、位于第一表面与孔腰之间的第一锥形区域以及位于第二表面与孔腰之间的第二锥形区域；
所述第一锥形区域包括在第一锥形区域中的内壁与纵轴之间测量的第一角度；以及
所述第二锥形区域包括在第二锥形区域中的内壁与纵轴之间测量的第二角度。


15.如权利要求14所述的方法，其中，第一角度等于第二角度。


16.如权利要求14所述的方法，其中，第一角度不同于第二角度。


17.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，操作激光束使得：
破坏轨迹包括位于最小改性段与第二高度改性段之间的额外最小改性段；以及
所述额外最小改性段的改性水平小于第一高度改性段和第二高度改性段的改性水平。


18.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
孔包括：
纵轴；
内壁；
位于靠近第一表面的第一锥形区域，所述第一锥形区域包括在第一锥形区域中的内壁与纵轴之间测量的第一角度；
位于第一锥形区域与孔腰之间的第二锥形区域，所述第二锥形区域包括在第二锥形区域中的内壁与纵轴之间测量的第二角度；
与孔腰相邻的第三锥形区域，所述第三锥形区域包括在第三锥形区域中的内壁与纵轴之间测量的第三角度；以及
位于第三锥形区域与第二表面之间的第四锥形区域，所述第四锥形区域包括在第四锥形区域中的内壁与纵轴之间测量的第四角度；以及
第二角度和第三角度中的每一个小于第一角度和第四角度。


19.如权利要求18所述的方法，其中，第一角度与第四角度是不同的。


20.如权利要求19所述的方法，其中，第一角度和第四角度分别小于或等于5度。


21.如权利要求18所述的方法，其中，第二角度与第三角度是不同的。


22.如权利要求18所述的方法，其中，第一角度、第二角度、第三角度和第四角度中的每一个不同于第一角度、第二角度、第三角度和第四角度中的其他那些。


23.如权利要求18-22中任一项所述的方法，其中，孔腰的位置更靠近第一表面和第二表面中一个，这是相对于第一表面或第二表面中的另一个而言。


24.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
激光束包括聚焦成激光束焦线的脉冲激光束，所述激光束焦线的位置穿过基材的块体；以及
激光束焦线在基材中产生感应多光子吸收，多光子感应吸收在基材内沿着激光束焦线产生材料改性，从而形成破坏轨迹。


25.如权利要求24所述的方法，其中，脉冲激光束包括多个激光束子脉冲，以及所述多个激光束子脉冲中的个体激光束子脉冲以时间间隔分隔开。


26.如权利要求25所述的方法，其中，所述多个激光束群包含少于10个个体激光束子脉冲。


27.如权利要求25所述的方法，其中，所述多个激光束群包含少于或等于5个个体激光束子脉冲。


28.如权利要求24-27中任一项所述的方法，其中，激光束的激光束焦线在靠近基材的第一表面和第二表面处的基材改性强于远离基材的第一表面和第二表面处的区域。


29.如权利要求24-28中任一项所述的方法，其中，激光束焦线的最大强度沿着所需破坏轨迹的线位于第一表面与第二表面之间的中点。


30.如权利要求24-28中任一项所述的方法，其中，激光束焦线的最大强度更靠近第一表面和第二表面中一个，这是相对于第一表面或第二表面中的另一个而言。


31.如前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括当使用激光束形成破坏轨迹时，调节第一表面和第二表面中的一个或多个的温度。


32.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，激光束是准非衍射束。


33.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，激光束的能量高于基材改性的阈值。


34.如权利要求33所述的方法，其中，激光束的能量比基材改性的阈值高了小于75％。


35.如权利要求34所述的方法，其中，激光束的能量比基材改性的阈值高了小于10％。


36.如权利要求24-28中任一项所述的方法，其还包括操作激光束使得激光束焦线在激光束焦线的第一端和激光束焦线的第二端的强度大于激光束焦线的中央区域。


37.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，蚀刻溶液包括氢氟酸。


38.如权利要求37所述的方法，其中，蚀刻溶液包含20体积％氢氟酸和12体积％盐酸。


39.如前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括在对基材进行蚀刻之后，对孔进行电镀。


40.一种制品，其包括：
含二氧化硅基材，所述含二氧化硅基材包含大于或等于75摩尔％二氧化硅、第一表面、与第一表面相对的第二表面以及从第一表面朝向第二表面延伸穿过含二氧化硅基材的孔，所述孔包括：
第一表面处的第一直径；
第二表面处的第二直径；以及
位于第一表面与第二表面之间的孔腰，其中，孔腰具有小于第一直径和第二直径的腰直径，使得腰直径与第一直径和第二直径之比分别小于或等于75％。


41.如权利要求40所述的制品，其中，含二氧化硅基材包含至少90摩尔％二氧化硅。


42.如权利要求40所述的制品，其中，含二氧化硅基材包含至少99摩尔％二氧化硅。


43.如权利要求40所述的制品，其中，含二氧化硅基材包括未经有目的性掺杂的二氧化硅。


44.如权利要求40-43中任一项所述的制品，其中，含二氧化硅基材的厚度大于或等于50μm且小于或等于1mm。


45.如权利要求40-44中任一项所述的制品，其中，腰直径至少分别是第一直径和第二直径的50％。


46.如权利要求40-45中任一项所述的制品，其中，孔具有沙漏形状。


47.如权利要求40-46中任一项所述的制品，其中，孔腰的位置更靠近第一表面和第二表面中一个，这是相对于第一表面或第二表面中的另一个而言。


48.如权利要求40-47中任一项所述的制品，其中，第一直径和第二直径分别大于或等于5μm且小于或等于100μm。


49.如权利要求40-48中任一项所述的制品，其中，腰直径与第一直径之比大于或等于35％且小于或等于45％。


50.如权利要求40-49中任一项所述的制品，其中：
孔包括纵轴、内壁、位于第一表面与孔腰之间的第一锥形区域以及位于第二表面与孔腰之间的第二锥形区域；
所述第一锥形区域包括在第一锥形区域中的内壁与纵轴之间测量的第一角度；以及
所述第二锥形区域包括在第二锥形区域中的内壁与纵轴之间测量的第二角度。


51.如权利要求50所述的制品，其中，第一角度等于第二角度。


52.如权利要求50所述的制品，其中，第一角度不同于第二角度。


53.如权利要求40-49中任一项所述的制品，其中：
孔包括：
纵轴；
内壁；
位于靠近第一表面的第一锥形区域，所述第一锥形区域包括在第一锥形区域中的内壁与纵轴之间测量的第一角度；
位于第一锥形区域与孔腰之间的第二锥形区域，所述第二锥形区域包括在第二锥形区域中的内壁与纵...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·E·达尔伯格，黄甜，金宇辉，G·A·皮切，D·O·里基茨，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US