TWI556898B - A method and system for preparing vertical micro-guide hole on fly black laser on opaque ceramic sheet - Google Patents

Description

一種以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之方法及其系統

本發明係關於一種雷射鑽孔之製程方法，特別是關於一種利用飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之方法及其系統。

飛秒雷射(Femtosecond laser)顧名思義是指具有飛秒尺度(fs,10-15s)脈衝的雷射，亦稱為超快雷射(Ultrafast laser)，其波長多為中心波長800nm的紅外光，由於其具備瞬間高能量和微乎其微的熱累積特性，目前已經廣泛應用於精密微奈米加工製程。在一般的飛秒雷射鑽孔製程，脈衝光束(110)多由鑽孔試片(120)正上方直接進入欲加工物的上表面(如第一圖所示)，開始進行鑽孔製程，此加工方式對於中心波長800nm可穿透的材料，例如：矽晶圓和玻璃，製作筆直微導孔是可行的，然而，對於波長800nm不可穿透的材料，例如：不透明陶瓷基板等，其所加工的微導孔就會形成具錐度的微孔，即上表面的孔洞直徑和下表面的孔洞直徑不相等。以氮化鋁為例進行飛秒雷射鑽孔，脈衝光束先由上表面進入，在由下表面鑽出，其結果見第二圖：第二圖(a)為氮化鋁薄板上表面之微孔陣列、第二圖(b)為其局部放大之形貌，這時候孔洞 大小為44μm、第二圖(c)為氮化鋁薄板下表面之微孔陣列、而第二圖(d)為其局部放大之形貌，這時候孔洞大小為14μm。

這樣的上下孔徑差異，若將其微導孔切橫截面來觀察會發現呈現一個錐狀的微導孔，如此對於後續填銅作為導電柱，將會造成導電柱電阻分配不平均的問題，導致元件效率降低。此差異的最大原因為，飛秒雷射光束對不透明陶瓷材料的聚焦有效覆蓋角度和其聚焦強度隨著聚焦點向試片內部移動而改變，即材料對飛秒雷射光之能量有吸收的現象。反之，對於透明材料(如玻璃)而言卻是降低的，即材料對飛秒雷射光之能量是吸收。這會衍生兩個問題，其一為產生錐形的微孔，再來就是不容易製備出穿孔導孔。一般業界製備垂直微導孔多以深離子蝕刻(Deep reactive ion etch,DRIE)的方式為主，由於其製程涉及微影、真空和光罩等製程，固其設備成本相較高且製程步驟相較複雜。此外，目前的DRIE導孔製程僅於矽晶圓的應用較為熟稔；於其他材質上(例如陶瓷和玻璃)製備技術相較不成熟。設備成本相較低且製程步驟較彈性的雷射鑽孔技術備受矚目，為了進一步提升其競爭力，本項專利將說明一種雷射鑽孔之方法及其系統，以改善其製程產生的錐狀微導孔。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在 於提供一種以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之方法及其系統，整合一鈦藍寶石雷射、一薄板載具、一移動平台等，以利用飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備出高寬深比之微導孔。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之方法，其步驟包括：(A)將一不透明陶瓷基板進行厚度減薄，該減薄後之不透明陶瓷薄板之厚度範圍係為20-100μm；(B)將該不透明陶瓷薄板置放於一載具上；(C)使用一飛秒雷射，對該不透明陶瓷薄板進行鑽孔，其中，該飛秒雷射鑽孔時具有以下工作參數：一脈衝寬度<100fs、一脈波頻率範圍為1,000~10,000Hz、一中心波長為800nm、一移動平台速率範圍為20-200μm/s、一雷射功率範圍為200-1000mW。

上述飛秒雷射可以是一鈦藍寶石雷射，但不以此為限，而該不透明陶瓷薄板可選自氮化鋁、氧化鋁、碳化矽等材料其中之一所組成，但不以此為限。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之另一方案，提供一種以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之方法，其步驟包括：(A)利用一飛秒雷射對一不透明陶瓷薄板進行盲孔鑽孔以得到一低寬深比(深寬比小於5：Aspect ratio<5)之孔洞；(B)利用該飛秒雷射對該不透明陶瓷薄板進行通孔鑽孔以得到高寬深比(深寬比大於5：Aspect ratio>5)，其中 該通孔鑽孔之孔面積小於該盲孔鑽孔之孔面積；(C)對該不透明陶瓷薄板進行厚度減薄，將該深寬比小於5之孔洞除去以得到深寬比大於5之微導孔，該不透明陶瓷薄板厚度減薄後，其厚度範圍係為20-100μm。

上述飛秒雷射可以是一鈦藍寶石雷射，但不以此為限，該鈦藍寶石雷射鑽孔時具有以下工作參數：一脈衝寬度<100fs、一脈波頻率範圍為1,000~10,000Hz、一中心波長為800nm、一移動平台速率範圍為20-200μm/s、一雷射功率範圍為200-1000mW；而上述之中該不透明陶瓷薄板可選自氮化鋁、氧化鋁、碳化矽等材料其中之一所組成，但不以此為限。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之另一方案，提供一種以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之系統，其包括：一鈦藍寶石雷射光源，其中心波長為800nm、脈衝寬度<100fs、雷射功率為200~1,000mW、頻率為1,000~10,000Hz；及一移動平台，該移動平台具有20-200μm/s的移動速率。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

110‧‧‧雷射光源

120‧‧‧鑽孔試片

310‧‧‧鈦藍寶石雷射光源

320‧‧‧脈衝光束

330‧‧‧載具

340、410、510‧‧‧不透明陶瓷薄板

350‧‧‧凹槽

420、520‧‧‧機具

S401-S403‧‧‧步驟

S501-S503‧‧‧步驟

第一圖係為一般飛秒雷射鑽孔示意圖； 第二圖係為一種氮化鋁薄板上進行一般飛秒雷射鑽孔之表面形貌圖；第三圖係為本發明一種在不透明陶瓷薄板上進行雷射鑽孔之系統示意圖；第四圖係為本發明一種以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之流程示意圖；第五圖係為本發明另一種以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之流程示意圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

鈦藍寶石雷射係屬飛秒雷射的一種，其脈波寬度極短，因而可限制材料加工區與周圍熱擴散效應，提高鑽孔品質，但對於中心波長800nm這個波長不可穿透的材料，例如：氮化鋁材料，其所加工的微導孔就會有嚴重的錐度問題，因此本發明實施例中提出一種鈦藍寶石雷射光源(其中心波長為800nm、脈衝寬度<100fs、雷射功率為200~1,000mW、頻率為1,000~10,000Hz)來針對一不透光或近紅外線吸收之不透明陶瓷基板(可能為氮化鋁、氧化鋁、碳化矽等材料)進行鑽孔(微導孔)，其目的是為在氮化鋁等不透明陶瓷薄板上製備出高深寬比的微導孔。

請參閱第三圖所示，為本發明一種以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之系統示意圖。如圖所示，本發明提供一種以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之系統，包括：一鈦藍寶石雷射光源(310)，其中心波長為800nm、脈衝光束(320)寬度<100fs、雷射功率為200~1,000mW、頻率為1,000~10,000Hz，一載具(330)，係用以承載不透明陶瓷薄板(340)。

上述系統另一實施中，該雷射頭可移動或固定不動，當該雷射頭可移動時，該移動平台與雷射頭結合，藉由移動平台的移動，可帶動雷射頭之移動；當該雷射頭固定時，該移動平台與薄板載具(330)結合，藉由移動平台的移動，可帶動不透明陶瓷薄板之移動；該移動平台為三軸移動平台，具有20-200μm/s的x-y軸方向移動速率和約10μm/s的z軸方向移動速率。

請參閱第四圖所示，為本發明一種以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之流程示意圖。如圖所示，本發明提供一種以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之方法，此實施例步驟包括：首先將一不透明陶瓷基板(厚度約大於500μm)，經過一機具的厚度減薄(可單面或雙面減薄)(S401)，再將減薄後的不透明陶瓷薄板放置於一薄板載具上(S402)，再透過一移動平台的控制進行飛秒雷射鑽孔(S403)，其中，本實施例中飛秒雷射係使用一鈦藍寶石雷射光 源(310)，其中心波長為800nm、脈衝光束(320)寬度<100fs、雷射功率為200~1,000mW、頻率為1,000~10,000Hz，該薄板載具設置於三軸移動平台上，該移動平台為具有20-200μm/s的x-y軸方向移動速率和約10μm/s的z軸方向移動速率；而該載具(330)為對於近紅外波段不吸收的材料(例如玻璃或矽晶圓)，係用以乘載不透明陶瓷薄板(340)，在本實施例中，此薄板為氮化鋁(330)，該薄板載具與薄板接觸之面可無挖空、全挖空或部分挖空之結構(350)，挖空的尺寸和形狀不此以為限，而飛秒雷射光源可由薄片上方或下方進行鑽孔。

請參閱第五圖所示，為本發明另一種以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之流程示意圖。如圖所示，本發明提供另一種以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之方法，實施例步驟包括：一飛秒雷射光源，以大面積的聚焦點先於不透明陶瓷基板上進行初步盲孔鑽孔(S501)；再以小面積的聚焦點於較薄之區域進行通孔鑽孔(S502)，最後再以機具研磨的方式，除去上半部的不透明陶瓷薄板(S503)，其厚度等於初步鑽孔之深度，即完成製備具垂直微導通孔之不透明陶瓷薄板。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如 後述之申請專利範圍所列。

310‧‧‧鈦藍寶石雷射光源

320‧‧‧脈衝光束

330‧‧‧載具

340‧‧‧不透明陶瓷薄板

350‧‧‧凹槽

Claims (10)

1. 一種以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之方法，其步驟包括：(A)將一不透明陶瓷基板進行厚度減薄，該減薄後之不透明陶瓷薄板之厚度範圍係為20-100μm；(B)將該不透明陶瓷薄板置放於一載具上；(C)使用一飛秒雷射光源，對該不透明陶瓷薄板進行鑽孔，其中，該飛秒雷射鑽孔時具有以下工作參數：一脈衝寬度<100fs一脈波頻率範圍為1,000~10,000Hz一雷射波長為800nm一移動平台速率範圍為20-200μm/s。
2. 如申請專利範圍第1項所述之以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之方法，其中，該飛秒雷射係為一鈦藍寶石雷射。
3. 如申請專利範圍第1項所述之以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之方法，其中，該不透明陶瓷薄板係為氮化鋁、氧化鋁、碳化矽其中之一。
4. 如申請專利範圍第1項所述之以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之方法，其中，該鈦藍寶石雷射功率範圍係為200-1000mW。
5. 一種以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之方法，其步驟包括：(A)利用一種如申請專利範圍第1項以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之方法中的該飛秒雷射對一不透明陶瓷薄板進行盲孔鑽孔以得到一深寬比小於5(Aspect ratio<5)之孔洞；(B)利用該飛秒雷射對該不透明陶瓷薄板進行通孔鑽孔以得到深寬比大於5(Aspect ratio>5)之孔洞，其中該通孔鑽孔之孔面積小於該盲孔鑽孔之孔面積；(C)對該不透明陶瓷薄板進行厚度減薄，將該深寬比小於5之孔洞除去以得到深寬比大於5之微導孔。
6. 如申請專利範圍第5項所述之以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之方法，其中，該飛秒雷射係為一鈦藍寶石雷射。
7. 如申請專利範圍第5項所述之以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之方法，其中，該不透明陶瓷薄板厚度減薄後，其厚度範圍係為20-100μm。
8. 一種以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之系統，包括：一鈦藍寶石雷射光源，進行鑽孔時具有以下工作參數，其中心波長為800nm、脈衝寬度<100fs、雷射功率為200~1,000mW、頻率為1,000~10,000Hz； 一移動平台，該移動平台具有20-200μm/s的移動速率。
9. 如申請專利範圍第8項所述之以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之系統，其中，該薄板係為氮化鋁、氧化鋁、碳化矽其中之一。
10. 如申請專利範圍第8項所述之以飛秒雷射於不透明陶瓷薄板上製備垂直微導孔之系統，其中，該薄板之厚度範圍係為20-100μm。