電/機械微芯片以及使用超快激光脈沖群的制造方法
【專利說明】
[0001] 本專利申請要求2013年11月19日提交的美國臨時專利申請序列號61906326的 優先權和權益。2013年11月19日提交的美國臨時專利申請序列號61906326在此全文引 作參考。
[0002] 本專利申請要求2013年11月19日提交的美國臨時專利申請序列號61906315的 優先權和權益。2013年11月19日提交的美國臨時專利申請序列號61906315在此全文引 作參考。
技術領域
[0003] 本發明涉及一種被極大地小型化的低成本的電/機械微芯片。
【背景技術】
[0004] 本發明涉及一種被極大地小型化的低成本的電/機械微芯片。通過本發明制造的 微芯片適合于一次使用。從透明材料中進行材料選擇，透明材料諸如是玻璃、Si、LiTi0 3、 LiNbO3、透明陶瓷、聚合物、透明導體、寬帶隙玻璃、晶體、晶態石英、金剛石（天然或人造 的）、藍寶石、稀土配方、用于顯示器的金屬氧化物以及具有或不具有涂層的處于拋光或未 拋光情形的非晶氧化物。它們在制造時使用加工透明目標基板的、包括通過超快激光脈沖 群成絲（filamentation)的方法和裝置。
[0005] 對于諸如生物芯片和MEMS裝置的電/機械微芯片持續的小型化，具有極大的需 求。微機電系統（MEMS)是一種極小裝置的技術。可使用傳統光刻工藝在基板中形成電子 裝置，傳統光刻工藝包括施加光刻膠、掩模，用光使光刻膠的一部分酰亞胺化，濕蝕刻和干 蝕刻等。用于制造 MOSFET的方法包括施加光刻膠，進行掩模和蝕刻。參見例如2008年6 月24發布的Hunter等人的美國專利No. 7, 389, 675。
[0006] 微流體通道的產生通常使用澆鑄成型，并且用玻璃板覆蓋樣品并進行粘結。其他 人嘗試使用激光變更和蝕刻在塊狀玻璃中制造微通道，但沒有取得成功。
[0007] 不僅是降低了材料的成本，而且在更小空間內還允許更大的系統復雜度。微制造 主要涉及機械鉆孔或劃線方法，和/或激光微機械加工，激光修正，化學蝕刻，掩模和電鍍 以及成型技術。較厚的基板對于底層結構是必要的，這些方法通常是精確的，不過更高水平 的小型化將需要更大的精度。
[0008] 今后，可以在更薄基板上構造的具有更小功能元件（諸如電路、部件固定點、流體 /氣體路徑、顆粒分離器/過濾器等）的電/機械微芯片將滿足電/機械微芯片工業的長期 需要。這種新型發明利用和結合了獨特且新型結構的新型技術，克服了上述問題，并且實現 其目的。
【發明內容】
[0009] 隨后將更詳細地描述的本發明的一般目的在于提供一種小型化的電/機械微芯 片，其利用新技術和材料，將其制造和成本極大地簡化到用完即拋的單次使用微芯片的水 平。該芯片可以用于手持式裝置或機器中，作為樣品保持器和分析器，并且在主模塊中可以 進行進一步處理。該芯片在每次使用之后可以被丟棄。或者，可以將其設計成工作在危險 區域中作為無線檢測器或分析器。
[0010] 通過本發明的方法執行完全穿過基板鉆孔，或者在基板中鉆一個停止孔（stopped orifice)。此外，通過本發明的方法在玻璃（或其他透明材料中）加工通道。涉及通過超快 激光脈沖群形成細絲的材料加工技術，通過對激光器參數進行特殊的調節，并結合產生多 個不同焦點的分布式聚焦透鏡組件，其中主焦點腰部從不處于透明基板目標的表面中或表 面上，以便在透明基板目標材料中產生細絲，其在透明基板目標材料的堆疊陣列的任何或 每一個構件中產生出孔，其中在期望晶片、板或基板內的期望的起始點和終止點處，孔具有 規定的深度和寬度。雖然本發明主要關注鉆孔，不過此處所述的系統和方法同樣可應用于 通過連續移動激光束對目標進行鉆、切割、切斷、通道形成、存儲器形成和劃線的加工處理， 用于在基板內形成鉆孔細絲。這種加工可以是非線性構造，由此加工不限于平面基板。
[0011] 此處披露的加工方法產生更少的浪費，并且與現有技術所能實現的相比，允許進 行更復雜的切割。更特別地，使用利用一個超快激光脈沖群或多個群的干涉的新穎方法，可 以在多層電/機械微芯片的任何基板層中加工出路徑以及部件安裝和操作空間，其中激光 和聚焦參數已經通過調節，以便在材料內產生細絲，其可以在期望的起點和期望的終點處 產生指定深度和寬度的孔。
[0012] 披露了一種新穎且獨特的技術在諸如硼硅酸鹽玻璃、Si晶片、玻璃或藍寶石的透 明材料中或穿過這些透明材料，產生納米到微米量級尺寸的孔和寬度切割。其具有此前提 到的多個優點和許多新穎的特征，導致制造廉價的小型化電/機械微芯片的新穎方法，這 些是任何現有技術，無論是單獨還是任何組合所不能預見、顯而易見地提出、建議異或暗示 的。特別是，其相對于現有技術提供了的顯著的進步，在于這些裝置可以被更加精確、廉價、 更薄和更小型地制造。這種加工提供了更平滑的切割表面，最小限度的微裂縫延伸，產生更 長/更深的孔，非錐形孔，非線性吸收，具有恒定內徑的孔，最小入口扭曲和減小鄰接損壞。
[0013] 在本說明的結論部分中具體提出并清楚地要求保護本發明的目的。不過，參照下 面結合附圖的描述，可以更好地理解該構造和操作方法以及其進一步的優點和目的，在附 圖中相同附圖標記表示相同元件。下面更詳細地討論本發明的其他目的、特征和方面。
【附圖說明】
[0014] 圖1是現有技術燒蝕激光加工裝置的示意圖，其中主焦點出現在透明基板的頂面 處；
[0015] 圖2是通過圖1的加工裝置所形成的孔的透視圖；
[0016] 圖3是現有技術燒蝕激光加工裝置的代表性側視圖，其中主焦點出現在透明基板 的頂面的下面；
[0017] 圖4是通過圖3的激光加工裝置所成的孔的透視圖；
[0018] 圖5是圖1的激光裝置所燒蝕加工的孔的代表性側視圖，其中主焦點出現在透明 基板的頂面處；
[0019] 圖6是本發明的激光加工裝置的示意圖，其中主焦點出現在透明基板的頂面以 上；
[0020] 圖7是通過本發明的激光加工裝置在透明基板中所形成的孔劃線的透視圖； [0021] 圖8是通過圖6的裝置所鉆出的兩個孔的代表性側視圖；
[0022] 圖9是現有技術燒蝕激光鉆孔裝置的示意圖；
[0023] 圖10是本發明的示意圖；
[0024] 圖11是利用分布式聚焦透鏡裝置的本發明的示意圖；
[0025] 圖12是利用分布式聚焦透鏡裝置的本發明的示意圖；
[0026] 圖13是利用分布式聚焦透鏡裝置的本發明以及焦點腰部（focal waist)的分布 的示意圖，其中主焦點處于目標物之上；
[0027] 圖14是利用分布式聚焦透鏡裝置的本發明以及焦點腰部的分布的示意圖，其中 主焦點處于目標物之下；
[0028] 圖15是圖13的本發明的示意圖，其中已經鉆出了孔；
[0029] 圖16是利用分布式聚焦透鏡裝置的本發明以及焦點腰部的分布的示意圖，其中 主焦點處于多個目標之下；
[0030] 圖17-19表示三種不同的激光能量分布構造；
[0031] 圖20是激光加工系統的示意圖；
[0032] 圖21是用于圖20的激光加工系統的控制和處理單元的示意圖；
[0033] 圖22和23表示使用非遠心和遠心透鏡的X-Y掃描儀；
[0034] 圖24表不產生與工件材料表面成一定夾角的細絲的可選的實施例；
[0035] 圖25表示適合于部件分離的一種示例性激光器系統的設備布置圖；
[0036] 圖26(a)-圖26(d)表示用于制造圖26(e)中所示成角度邊緣的角度切割方法；
[0037] 圖26 (e)示出成角度邊緣；
[0038] 圖27是已經加工形成貫穿的錐形孔的透明平板基板晶片的透視圖；
[0039] 圖28是已經加工形成貫穿的顆粒分離器或過濾器的透明平板基板晶片的透視 圖；
[0040] 圖29是已經加工形成貫穿的收集漏斗的透明平面基板晶片的透視圖；
[0041] 圖30是已經加工形成孔以接收插入物的透明平面基板晶片的透視圖；
[0042] 圖31是已經加工形成通過晶片的路徑的透明平面基板晶片的透視圖；
[0043] 圖32