阅读说明：本技术 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 (Silicon dioxide containing substrate with axially variable sidewall taper hole and method of forming the same ) 是由 R·E·达尔伯格 黄甜 金宇辉 G·A·皮切 D·O·里基茨 于 2018-05-22 设计创作，主要内容包括：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-containing substrates comprising pores having narrow waists and related devices and methods are disclosed. In one embodiment, an article includes a silica-containing substrate comprising greater than or equal to 85 mole percent silica, a first surface, a second surface opposite the first surface, and a pore extending through the silica-containing substrate from the first surface toward the second surface. The aperture includes: a first diameter of less than or equal to 100 μm at the first surface, a second diameter of less than or equal to 100 μm at the second surface, and a waist of pores between the first surface and the second surface. The bore waist has a waist diameter that is less than the first diameter and the second diameter such that a ratio of the waist diameter to the first diameter and the second diameter, respectively, is less than or equal to 75%.)

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35 U.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。

背景技术

技术领域

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***物。贯穿基材的金属化孔提供了穿过***物的路径，使得电信号在***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***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。

发明内容

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发明而被认识。

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***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***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，通过使用聚焦成位于含二氧化硅基材的块体内的激光束焦线的脉冲激光束，在含二氧化硅基材中形成破坏轨迹的方法；

图7和8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图6所示的脉冲激光束的子脉冲；

图9A-9C示意性显示根据本文所述和所示的一个或多个实施方式，图6的高斯-贝塞尔激光束焦线强度分布，其具有位于含二氧化硅基材内的各个位置处的最大强度；

图10A和10B图示性显示根据本文所述和所示的一个或多个实施方式的图6所示的激光束焦线的两种不同强度分布；

图11A-11C显示根据本文所述和所示的一个或多个实施方式的含二氧化硅基材内的破坏轨迹的数字图像；

图12显示根据本文所述和所示的一个或多个实施方式，通过激光破坏和蚀刻过程形成的含二氧化硅基材内的具有沙漏形状的孔的数字图像；

图13A-13C图示性显示柱状图，其显示根据本文所述和所示的一个或多个实施方式，通过激光破坏和蚀刻过程形成的含二氧化硅基材内的孔的第一直径、第二直径和腰直径的分布；

图14A-14C图示性显示柱状图，其显示根据本文所述和所示的一个或多个实施方式，通过激光破坏和蚀刻过程形成的含二氧化硅基材内的孔的第一直径、第二直径和腰直径的圆度分布；

图15A和15B图示性显示柱状图，其显示根据本文所述和所示的一个或多个实施方式，采用激光束焦线以4种不同脉冲群能量和3种不同聚焦设定进行激光加工的样品的腰缺陷和总缺陷。

图16A-16C图示性显示柱状图，其显示根据本文所述和所示的一个或多个实施方式，采用激光束焦线以4种不同脉冲群能量和3种不同聚焦设定进行激光加工的样品上的孔腰变化。

具体实施方式

总体参见附图，本公开的实施方式总体涉及包含具有孔(例如，孔洞)的含二氧化硅基材的制品，其允许成功地进行下游加工，包括但不限于：孔金属化/电镀以及施加再分配层(RDL)。制品可以用于半导体器件、射频(RF)器件(例如，天线和电子开关等)、***物器件、微电子器件、光电器件、微电子机械系统(MEMS)装置以及其他可以利用孔的应用。

本公开的实施方式还一般地涉及在含二氧化硅基材中产生孔的方法。在一些实施方式中，孔具有有助于孔电镀的几何形貌。含二氧化硅基材包括玻璃和玻璃陶瓷。如本文所用，术语“含二氧化硅基材”表示含二氧化硅基材包含的二氧化硅(SiO₂)含量大于或等于75摩尔％、大于或等于80摩尔％、大于或等于85摩尔％、大于或等于90摩尔％、大于或等于91摩尔％、大于或等于92摩尔％、大于或等于93摩尔％、大于或等于94摩尔％、大于或等于95摩尔％、大于或等于96摩尔％、大于或等于97摩尔％、大于或等于98摩尔％、大于或等于99摩尔％或者大于或等于99.9摩尔％。在一些实施方式中，含二氧化硅基材可以是熔合二氧化硅。示例性的含二氧化硅基材包括但不限于纽约州康宁市康宁有限公司(CorningIncorporated)以玻璃编号7980、7979和8655销售的

熔合二氧化硅。在一个实施方式中，含二氧化硅基材是包含没有经过有目的性掺杂的二氧化硅的基材。短语“没有经过有目的性掺杂的”指的是在二氧化硅熔化之前，没有故意向二氧化硅添加额外成分。

二氧化硅的性质使得它对于电子器件中的***物是合乎希望的基材。术语“***物”总体表示延伸穿过结构或者完成贯穿结构的电连接的任意结构，例如但不限于：布置在***物的相对表面上的两个或更多个电子器件之间。所述两个或更多个电子器件可以共同位于单个结构中或者可以相互相邻位于不同结构中，从而***物起到了互联结节的一部分功能等。由此，***物可以含有一个或多个有源区域(active area)，在其中，存在和形成了孔和其他互联导体(例如，电源、接地和信号导体)。***物还可以包括在其中存在和形成了盲孔的一个或多个有源区域。当用其他组件(例如，管芯、底部填充材料和/或包封等)形成***物时，可以将***物称作***物组装件。此外，术语“***物”还可以包括多个***物，例如，***物阵列等。

二氧化硅的低的热膨胀系数(CTE)使得由于施加了热通量(例如，通过连接到作为***物的含二氧化硅基材的半导体器件所产生的热通量)所导致的含二氧化硅基材的膨胀和移动最小化。由于***物与半导体器件(或者其他电子组件)之间的CTE失配所导致的***物的膨胀可能引起***物与半导体之间的粘结失效并导致分离或其他损坏。

此外，相比于诸如硅之类的其他基材，含二氧化硅基材提供了合乎希望的RF性质。合乎希望的RF性质对于高频应用(例如，高速数据通信应用)可能是重要的。

因而，在特定电子器件中的***物中，包含大于或等于75摩尔％、80摩尔％、85摩尔％、90摩尔％、95摩尔％或99摩尔％二氧化硅(SiO₂)的含二氧化硅基材可能是合乎希望的材料。但是，当希望特定几何形貌的孔时(包括但不限于沙漏形状孔时)，使用含二氧化硅基材存在挑战性。沙漏形状孔有助于通过电镀工艺对孔进行金属化。在电镀过程期间，将导电材料(例如，铜、银、铝、钛、金、铂、镍、钨、镁或者任意其他合适的材料)沉积在孔内。沙漏形状孔具有窄腰，其直径小于***物的表面处的开口直径。在电镀过程中，沉积的金属首先在腰位置形成金属桥，然后金属沉积到桥上，从而完成孔的填充以实现孔的无空穴气密填充。

激光破坏和蚀刻技术可以用来在含二氧化硅材料中形成孔。但是，用于在如本文所定义的二氧化硅基材中形成孔的常规激光破坏和蚀刻技术导致基本圆柱孔(即，孔具有基本上直的壁)。因此，由于缺乏窄腰和形成金属桥的能力，采用常规技术可能无法对含二氧化硅基材中形成的孔进行电镀。无法在含二氧化硅基材中产生具有窄腰的孔可能是由于氢氟酸中的低蚀刻速率，并且蚀刻过程没有导致不可溶副产物，所述不可溶副产物阻碍或抑制了基材中部内的蚀刻并导致表面处的孔与深入含二氧化硅基材内侧的孔之间的不同蚀刻速率。要注意的是，本文所揭示的方法不限于包含大于或等于75摩尔％二氧化硅(SiO₂)的含二氧化硅基材。本文所揭示的方法还可用于具有小于75摩尔％二氧化硅的玻璃或玻璃陶瓷基材。例如，本文所述的方法还可以用来在具有小于75摩尔％二氧化硅(SiO₂)的玻璃或玻璃陶瓷基材(例如，康宁有限公司销售的Eagle

玻璃和

玻璃)中形成窄腰孔。

本文所述实施方式涉及方法和制品，其包括具有通过激光破坏和蚀刻过程形成的孔的含二氧化硅基材，所述孔具有特定的内壁几何形貌，例如，内壁具有多个区域，所述多个区域中的每一个具有不同角度，从而限定了“沙漏”形状。实施方式提供了在含二氧化硅基材中以实际且可靠的方式形成高质量的沙漏形状孔。下文详细描述制品、半导体封装以及在基材中形成具有窄腰的孔的方法的各种实施方式。

现参见图1，示意性显示包括含二氧化硅基材100的示例性制品的部分透视图。含二氧化硅基材100包括第一表面102和与第一表面102相反的第二表面104。多个孔110延伸穿过含二氧化硅基材100的本体，从第一表面102到第二表面104。应理解的是，任意数量的孔110可以以任意布置延伸穿过含二氧化硅基材100。取决于应用，含二氧化硅基材100的厚度t可以是任意合适的厚度。作为非限制性例子，含二氧化硅基材的厚度t是：50μm至1mm的范围内(包括端点)、100μm至700μm的范围内(包括端点)、100μm至500μm的范围内(包括端点)或者250μm至500μm的范围内(包括端点)。

根据所需应用，孔110的节距(相邻孔110之间的中心-中心间距)可以是任意尺寸，例如但不限于：约10μm至约2000μm，包括约10μm、约50μm、约100μm、约250μm、约1000μm、约2000μm，或者这些值中的任意两个之间的任意值或范围(包括端点)。在一些实施方式中，在同一个含二氧化硅基材100上，孔110之间的节距可以发生变化(即，第一孔与第二孔之间的节距可以不同于第一孔与第三孔之间的节距)。在一些实施方式中，节距可以是范围，例如约10μm至约100μm、约25μm至约500μm、约10μm至约1000μm或者约250μm至约2000μm。

如图2示意性所示，含二氧化硅基材100可以是电子器件200的***物。图2示意性所示的非限制性电子器件200包括：连接到含二氧化硅基材100的第一表面102的第一电子组件201以及连接到含二氧化硅基材100的第二表面104的第二电子组件203。第一电子组件201和第二电子器件203可以构造成任意类型的电子组件，例如但不限于：半导体器件、基材、能源或者天线。含二氧化硅基材100包括多个金属化孔110，所述金属化孔110电连接了第一电子组件201和第二电子组件203，从而电信号和/或电源可以穿过。

如图3示意性所示是穿过含二氧化硅基材100的具有沙漏形状轮廓的示例性导电孔110。孔110在第一表面102处具有第一直径D₁，以及在第二表面104处具有第二直径D₂。示例性孔110还包括：沿着孔110的长度的纵轴LA、内壁111和腰w，所述腰w的腰直径D_w是孔110的最小直径。因此，腰直径D_w小于第一直径D₁和第二直径D₂这两者。作为非限制性例子，孔110的轮廓使得腰直径d_w小于第一直径D₁和第二直径D₂中的每一个的75％、65％、60％、55％、50％、45％、40％、35％、30％、25％、20％、15％、10％或5％。此外，如果减少蚀刻时间，则来自两个表面的孔会无法相连，导致“盲”孔，这是终止在基材的块体内的孔。作为非限制性例子，在蚀刻后，第一直径D₁和第二直径D₂是如下范围：5μm至150μm(包括端点)、5μm至100μm(包括端点)、20μm至150μm(包括端点)、30μm至60μm(包括端点)或者40μm至50μm(包括端点)。在一些实施方式中，第一直径D₁和第二直径D₂小于或等于100μm、90μm、80μm、70μm、60μm、50μm、40μm、30μm、20μm或10μm。第一直径D₁与第二直径D₂可以是相等或者不等的。

图3的示例性孔110具有4个不同的锥形区域：第一锥形区域112、第二锥形区域113、第三锥形区域118和第四锥形区域119。示例性孔110具有4个不同锥角：第一角度θ₁、第二角度θ₂、第三角度θ₃和第四角度θ₄，它们分别对应于第一锥形区域112、第二锥形区域113、第三锥形区域118和第四锥形区域119。示例性孔110还通过4个区段长度进行表征：从第一表面102延伸到过渡部延伸到第二锥形区域113的第一区段长度L₁；从第一锥形区域112与第二锥形区域113之间的过渡部延伸到腰w的第二区段长度L₂；从腰w延伸到第三锥形区域118与第四锥形区域112之间的过渡部的第三区段长度L₃；以及从第三锥形区域118与第四锥形区域119之间的过渡部延伸到第二表面104的第四区段长度L₄。

第一至第四区段长度L₁-L₄可以是任意合适的长度，并且本公开没有对其进行限制。在图3的例子中，四个区段长度分别是相互不同的。但是，实施方式不限于此。例如，第一区段长度L₁可以等于第四区段长度L₄和/或第二区段长度L₂可以等于第三区段长度L₃。

要注意的是，图3所示的锥角在是平行于纵轴LA的相应参照线与孔110的内壁111之间测量的。从第一锥形区域112的内壁111相对于纵轴LA测量第一角度θ₁。从第二锥形区域113的内壁111相对于纵轴LA测量第二角度θ₂。从第三锥形区域118的内壁111相对于纵轴LA测量第三角度θ₃。从第四锥形区域112的内壁111相对于纵轴LA测量第四角度θ₄。

可以通过形成与特定锥形区域的内壁111的轮廓匹配的描线TL，来确定孔110相对于纵轴LA的角度。然后，可以对描线进行分析，以确定内壁111的一个或多个部分(包括各个锥形区域112、113、118、119)的斜率。例如，如图3所示，图示性显示了描线TL，以及使用本文所述的计算机软件来确定描线TL的一个或多个线性区域。线性区域定义如下：(1)该区域的长度不小于5μm，并且通常可以大于10μm；(2)该区域可以拟合成线性函数(y＝a+bx)，其中，y是孔的半径，以及x是基材深度，拟合残差的绝对值小于1μm；以及(3)任意相邻区域的拟合函数的斜率应该相差至少0.01，这转化为锥角而言是0.57度差异。将符合所有上述标准的区域称作具有恒定斜率的区域(即，线性区域)。如图3所示，描线TL具有4个不同线性区域：点A与B之间的区域，点B与C之间的区域，点C与D之间的区域，以及点D与E之间的区域。由此，点A与B之间的区域、点B与C之间的区域、点C与D之间的区域和点D与E之间的区域的斜率是恒定的。但是，描线TL可以存在分别绕着点A、B、C、D和E的具有非恒定斜率的区域。这些区域可以是恒定斜率区域之间的过渡区域，如本文更详细所述。当在锥形区域之间存在逐渐过渡时，可能存在此类区域。

在内壁111的恒定斜率的区域终止的任意情况下，可能在每个锥形区域的斜率之间存在过渡区域。简要参见图12，如图示性所示，在含二氧化硅基材中形成孔510，其包括：点A与B之间的第一锥形区域512，点C与D之间的第二锤形区域513，点E与F之间的第三锥形区域518，以及点G与H之间的第四锥形区域519。示例性孔510具有非恒定斜率的过渡区域，它们是描线1415在点B与C之间、点D与E之间以及点F与G之间的区域。在一些实施方式中，过渡区域的斜率相对于恒定斜率区域的斜率变化大于或等于约0.57度、大于或等于约1度、大于或等于约2度、大于或等于约3度、大于或等于约4度或者大于或等于约5度。

如上文所注意到的，每个锥形区域的恒定斜率可以通过相对于大致垂直于第一表面102和/或第二表面104的孔的纵轴LA的角度来定义。再次参见图3，第一角度θ₁和第四角度θ₄中的每一个小于第二角度θ₂和第三角度θ₃中的每一个，这是由于靠近含二氧化硅基材100的第一表面102和第二表面104的强改性材料，以及含二氧化硅基材100的块体区域中的较弱改性材料所导致的。作为例子而非限制，第一角度θ₁和第四角度θ₄中的每一个小于5度，例如是如下范围：大于0度和5度、大于0度和4度、大于0度和3度、大于0度和2度、1度和5度、1度和4度、1度和3度、1度和2度、2度和5度、2度和4度、2度和3度或者4度、3度、2度或1度。在图3的例子中，锥角分别是相互不同的。但是，实施方式不限于此。例如，第一角度θ₁与第四角度θ₄可以是相互相等的，和/或第二角度θ₂与第三角度θ₄可以是相互相等的。

如上文所注意到的，腰w是孔具有最小直径(D_w)的区域。本文所述的穿过基材的孔111可以表征为第一直径(或第二直径)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，如下关系式所提供的那样：

可以通过任何已知或者尚待开发的工艺(例如，喷溅、电镀或糊料填充)，用导电材料填充孔110。导电材料可以是任意合适的材料，例如但不限于：铜、银、铝、钛、金、铂、镍、钨或镁。

现参见图4A-4E，示意性显示了激光破坏和蚀刻工艺以及在初始厚度t_I的含二氧化硅基材100中制造具有轴向可变侧壁锥度的孔110的演变。参见图4A，采用从第一表面102到第二表面104贯穿含二氧化硅基材100的块体的激光束来形成破坏轨迹120。作为例子而非限制，破坏轨迹120的直径小于或等于1μm。激光束沿着破坏轨迹120对材料进行改性。如本文所用，相对于含二氧化硅基材的术语“进行改性”或者“改性”指的是折射率变化、材料密度变化、材料的熔化、压缩、烧制或者化学改变。改性还可以包括材料开裂以产生会有助于气态或液体蚀刻剂渗透的微观裂缝或空穴。激光束形成破坏轨迹120，使得破坏轨迹120具有提供不同蚀刻性质的区段。含二氧化硅基材100的改性水平在靠近第一表面102和第二表面104处最强，以及改性水平沿着破坏轨迹120以进入含二氧化硅基材100的块体中的方向减小。改性水平影响含二氧化硅基材100的蚀刻速率。改性水平越高，含二氧化硅基材100的蚀刻速率越快。在本文所述的实施方式中，通过存在背光的情况下的显微镜下的破坏轨迹120的评估来确定改性水平。在存在背光的情况下，沿着破坏轨迹120的材料越暗，改性水平越高。在实施方式中，破坏轨迹120看上去在靠近含二氧化硅基材100的表面处较暗(即，在这些区段中，破坏轨迹具有高水平的改性)，并且看上去在靠近含二氧化硅基材100的中部较亮(即，相比于靠近表面区段，破坏轨迹在这些区段中具有低水平的改性)。图11A显示了在显微镜下，背光含二氧化硅基材100中的破坏轨迹120、120’、120”的不同材料改性水平的外观(如下文更详细所述)。

在图4A的例子中，破坏轨迹120包括4个区段，每个具有不同的改性水平从而具有不同的蚀刻性质：第一改性段120A、第二改性段120B、第三改性段120C和第四改性段120D。应理解的是，各段之间的改性水平可以不是离散的。相反地，改性水平可以沿着破坏轨迹120逐渐变化。因此，改性水平可以在破坏轨迹120的单个区段中是变化的。

如上文所注意到的，破坏轨迹120构造成使得最高改性水平存在于靠近含二氧化硅基材100的第一表面102和第二表面104处。因此，第一改性段120A和第四改性段120D是高度改性段。第二改性段120B和第三改性段120C是最小改性段，其中，它们的改性水平小于第一区段120A和第四区段120D的情况。虽然第二区段120B和第三区段120C显示作为个体区段(individual segments)，但是在一些实施方式中，第二区段120B和第三区段120C是单个最小改性段，其改性水平小于第一改性段120A和第四改性段120D的改性水平。

下面相对于图5-8讨论用于形成破坏轨迹的激光束性质的细节。

在形成破坏轨迹120之后，可以通过施加蚀刻溶液对含二氧化硅基材100进行蚀刻。在例子中，将含二氧化硅基材100布置在蚀刻溶液浴中。或者，可以将蚀刻溶液喷洒到含二氧化硅基材100上。本公开没有限制蚀刻溶液的类型。可以使用任何已知或者尚待开发的能够对含二氧化硅基材进行蚀刻的蚀刻溶液。在一个例子中，蚀刻溶液包括氢氟酸(HF)或者氢氧化钠/氢氧化钾。作为具体例子，用于对熔合二氧化硅进行蚀刻的蚀刻溶液包含20体积％HF或者20体积％HF与12体积％HCl，在约47摄氏度提供约0.005μm/s的蚀刻速率。可以进行温度调节(例如，10摄氏度至50摄氏度)和酸浓度调节来改变蚀刻速率。可以用其他无机酸来替代HCl，例如硝酸(HNO₃)。还可以使用氢氧化物蚀刻剂，例如氢氧化钠(NaOH)和氢氧化钾(KOH)。

蚀刻溶液以图4B所示的量Δs分别在含二氧化硅基材100的第一表面102和第二表面104蚀刻掉材料。在破坏轨迹120的强改性的第一段120A和第四段120D中的被破坏的材料以比破坏轨迹120外的未被破坏区域更快的速率被蚀刻掉。这种由于被破坏的材料的更快速的蚀刻速率导致在第一表面102打开第一导向孔洞115并沿着破坏轨迹的第一段120A延伸穿过含二氧化硅基材100的块体，以及在第二表面104打开第二导向孔洞117并沿着破坏轨迹120的第四段120D延伸穿过含二氧化硅基材100的块体。如图4C所示，第一导向孔洞115和第二导向孔洞117延伸更深入含二氧化硅基材100的块体中，并且含二氧化硅基材100以增量Δs进一步薄化。

现参见图4D，含二氧化硅基材100的继续蚀刻导致第一导向孔洞115的直径增加并打开成为第一锥形区域112，以及第二导向孔洞117的直径增加并打开成为第四锥形区域119。含二氧化硅基材100的第一表面102和第二表面104以增量Δs进一步薄化。此时，蚀刻溶液抵达破坏轨迹120的第二段120B和第三段120C。第二段120B打开成为第二锥形区域113，以及第三段120C打开成为第三锥形区域118。由于材料在第二段120B和第三段120C中的改性水平低于第一段120A和第四段120D，第二段120B和第三段120C中的蚀刻速率低于第一段120A和第四段120D。如图4D所示，沿着破坏轨迹120的改性水平差异导致第二锥形区域113和第三锥形区域118相对于纵轴LA的角度大于第一锥形区域112和第四锥形区域119的角度。

第二锥形区域113和第三锥形区域118在腰w处汇合。腰w是孔110的最窄区域，并且位于电镀过程期间形成金属桥的位置。现参见图4E，显示在具有最终厚度t_F的熔合基材中的完成的示例性孔110。如所示，孔110具有轴向可变的侧壁锥度，其导致不同段以及窄腰w，提供了在电镀过程期间形成金属桥的位置。

本文所述的具有变化的含二氧化硅基材100的改性水平的破坏轨迹120可以通过各种激光工艺形成。在图5所示的例子中，通过使得激光束150的聚焦激光斑LS以z方向扫描通过含二氧化硅基材100的厚度t，从而在含二氧化硅基材100中形成破坏轨迹120，如图形152所示在扫描过程中调节激光束的功率，从而在距离含二氧化硅基材100的表面的不同深度产生不同的材料改性水平(即，破坏)。当聚焦激光斑LS位于含二氧化硅基材100的块体内(即，靠近中部)的时候的激光功率低于当聚焦激光斑LS位于靠近含二氧化硅基材100的第一表面102和第二表面104的时候。但是，这种方法会需要许多连续激光暴露来形成穿过含二氧化硅基材100的整个厚度的破坏轨迹120，这使得工艺是缓慢的。

参见图6，在另一个例子中，通过脉冲激光束302a形成破坏轨迹120，所述脉冲激光束302a被聚焦成位置是穿过含二氧化硅基材100的块体的激光束焦线302b。激光束焦线在含二氧化硅基材100内产生感应多光子吸收。多光子诱发的吸收在含二氧化硅基材中沿着激光束焦线302b产生材料改性，从而形成破坏轨迹120。通过光学件306产生激光束焦线302b，在图6所示的非限制性例子中，所述光学件306是锥透镜(即，轴锥体)。美国专利第9,517,963号提供了对于产生和使用激光束焦线用于在玻璃基材中进行钻孔的方法的其他描述，其全文通过引用结合入本文。

光学件306将激光束形成为扩展的聚焦(extended focus)或者导致贝塞尔状或高斯贝塞尔束的准非衍射束。由于束的准非衍射特性，光在比更通常使用的高斯束所实现的范围长得多的范围上维持紧密聚焦强度，允许通过单个脉冲群脉冲或者激光脉冲的近时脉冲群列对玻璃基材的整个厚度t进行破坏。

为了对含二氧化硅基材进行改性和产生破坏轨迹，脉冲激光束的波长应该对于含二氧化硅基材材料是透明的。脉冲持续时间和强度应该足够短到实现上文所述的多光子吸收效应。可以使用超短脉冲激光，例如皮秒或飞秒激光源。在一些实施方式中，可以采用约10皮秒脉冲激光。作为举例而非限制，通过约1mm至约3mm程度的线聚焦以及以200kHz重复频率产生大于约50W输出功率的约10皮秒脉冲激光(250μJ/脉冲)，则线区域中的光学强度会足够高到在含二氧化硅基材中产生非线性吸收。

注意到的是，本文所述的此类皮秒激光的操作产生“脉冲的脉冲群”5子脉冲5a。图7显示3个子脉冲5a、5a’和5”(统称为“5a”)。产生脉冲的脉冲群是这样一类激光操作，其中，脉冲的发射不是均匀和稳定流，而是子脉冲的紧密簇。每个脉冲群在非常短的持续时间内含有多个个体子脉冲5a(例如但不限于，至少2个子脉冲，至少3个子脉冲，至少4个子脉冲，至少5个子脉冲)。也就是说，脉冲群5是子脉冲5a的“袋子”，相比于每个脉冲群内单体相邻脉冲的间隔，脉冲群5相互之间间隔更长的时间段。参见图8，其绘制了图7的子脉冲5a的激光发射与时间关系，子脉冲可以具有最高至100皮秒的脉冲持续时间T_d(例如，0.1皮秒、5皮秒、10皮秒、15皮秒、18皮秒、20皮秒、22皮秒、25皮秒、30皮秒、50皮秒、75皮秒或者它们之间)。单个脉冲群5中的这些个体子脉冲(例如，子脉冲5a、5a’和5a”)在本文被称作子脉冲，以表示它们存在于单个脉冲群内的事实。脉冲群5内的每个单体子脉冲5a、5a’、5”的能量或强度可能不等于脉冲群内的其他子脉冲的能量或强度，并且脉冲群内的多个子脉冲的强度分布通常符合由激光设计所管理的随时间的指数衰减。

本文所述的示例性实施方式的脉冲群5中的每个子脉冲(例如，子脉冲5a、5a’、5a”)与群内的后续子脉冲的时间间隔的时间段t_p为1ns至50ns(例如，10-50ns或者10-30ns，时间通常由激光腔设计所管理)。对于给定激光，脉冲群5内的每个子脉冲之间的时间间隔t_p(子脉冲-子脉冲间隔)较为均匀(±10％)。例如，在一些实施方式中，脉冲群内的每个子脉冲与后续子脉冲的时间间隔近似为20ns(50MHz)。例如，对于产生约20ns的子脉冲间隔t_p的激光，脉冲群内的子脉冲-子脉冲间隔t_p维持在约±10％内，或者约±2ns。

已经观察到太多的子脉冲导致圆柱形状孔。具体来说，提供80μJ能量的15子脉冲群产生圆柱形状孔，而提供50μJ能量的5子脉冲群产生沙漏形状孔。前者的每个子脉冲具有较少的能量但是会产生穿过含二氧化硅基材的厚度的非常均匀的破坏轨迹，而后者的每个子脉冲具有较大的能量但是会产生穿过含二氧化硅基材的厚度的更不均匀的破坏轨迹，在靠近玻璃表面观察到较强的破坏而在靠近含二氧化硅基材的中部观察到较弱破坏。

激光束焦线302b通常具有均匀强度。但是，在本文所述的实施方式中，对激光束群的能量和数量进行控制，从而沿着所需的破坏轨迹120提供不均匀的改性水平。换言之，作为含二氧化硅基材100内的深度的函数的破坏图案是不均匀的。观察到靠近含二氧化硅基材100的表面处(具体来说，每个表面的100μm内)的材料改性量明显不同于且强于含二氧化硅基材100的中部(中央)的破坏。在背光显微镜下观察到，靠近含二氧化硅基材100的表面处的区域通常看上去非常暗，表明更大的光学散射和材料改性，而靠近含二氧化硅基材100的中心处的区域看上去是亮的有色或破碎的暗区域，表明较少的光学散射和因而较弱或空间上更为非一致性的材料改性。此外，靠近含二氧化硅基材100的表面处的区域通常会展现出其中的材料被从基材弹出/烧蚀掉的真实孔或区域，这可以为化学蚀刻剂渗透提供简单路径。

当激光束焦线302b的激光能量降低到略高于对含二氧化硅基材100进行改性所需的阈值时，这种靠近表面处的强烈破坏效果是特别明显的，例如，高于阈值的60％内、高于阈值的65％内、高于阈值的55％内、高于阈值的50％内、高于阈值的45％内、高于阈值的40％内、高于阈值的35％内、高于阈值的30％内、高于阈值的25％内、高于阈值的20％内、高于阈值的15％内或者高于阈值的10％内。如本文所用，术语“阈值”指的是采用激光束焦线在基材上产生表面破坏所需要的最小能量。在此类情况下，最靠近表面的区域仍然会展现出暗的破坏区域，但是含二氧化硅基材的中部会在一些情况下不展现出明显的破坏或者完全不展现出改性区域。如上文所述，这种非衍射束所观察到的作为深度函数的有差别破坏效果可以被利用从而在含二氧化硅基材中形成锥形孔，否则的话此类孔形状是不可能的。作为非限制性例子，脉冲激光束的运行范围是对于5子脉冲，40μJ至55μJ(包括端点)或者45μJ至50μJ(包括端点)。

可以通过调整激光束焦线的最大强度的位置来使得孔的腰w的位置发生偏移。图9A绘制了穿过含二氧化硅基材100的激光束焦线的强度305，并且显示了在示例性含二氧化硅基材400中得到的孔410。如图9A所示，将最大强度305置于含二氧化硅基材100的中心处导致孔410在蚀刻过程之后在含二氧化硅基材400的中心具有腰。

图9B图示性显示激光束焦线的最大强度305朝向含二氧化硅基材100的第一表面102偏移。图9B还显示示例性含二氧化硅基材400’，它的孔410’在蚀刻过程之后具有相比于第一表面402更靠近第二表面404的腰。图9C图示性显示激光束焦线的最大强度305朝向含二氧化硅基材100的第二表面104偏移。图9C还显示示例性含二氧化硅基材400”，它的孔410”在蚀刻过程之后具有相比于第二表面404更靠近第一表面402的腰。腰w的偏移导致相对于穿过含二氧化硅基材100的中部的平面不对称的孔。

要注意的是，不需要使得准非衍射束(例如，激光束焦线302b)的光学强度在靠近含二氧化硅基材100的表面处是更强的。但是，可以对光学件(例如，复合轴锥体(waxicon)状元件)进行设计，其沿着束传播方向产生定制化的光学强度分布。在此类情况下，可能在熔合基材表面处增强了激光束焦线302b的光学强度，同时在含二氧化硅基材的中部产生较低强度区域。对激光束焦线的能量分布进行定制化的示例性光学件如美国专利申请第62/381,345号所述。

图10A和10B图示性显示对穿过含二氧化硅基材100的两个激光束焦线的强度分布进行操控。在图10A中，激光束焦线的强度分布305’是矩形“顶帽”形状。可以通过例如复合轴锥体光学件形成这种强度分布305’，并且可以导致比图9A-9C所示的高斯分布更强的靠近含二氧化硅基材的表面处的改性。在图10B所示的强度分布305”中，在靠近含二氧化硅基材100的第一表面102和第二表面104处具有两个最大峰，这导致靠近第一表面102和第二表面104处相比于含二氧化硅基材的中部更强的改性。图10B的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具有比激光束焦线的中央区域更大的强度。可以使用定制化光学件产生图10B所示的强度分布305”。

对靠近含二氧化硅基材的表面处的激光破坏/改性进行增强的其他方案包括对表面进行加热或冷却，从而具有温度梯度，例如通过施加热空气流，因而具有穿过玻璃厚度的不同的激光/玻璃相互作用。

实施例

采用装配运行在532nm波长的相干(Coherent)-混合(Hyper)-快速(Rapid)-50皮秒激光的系统，对厚度为0.36mm的50mm x 50mm康宁编号7980熔合二氧化硅基材进行激光破坏。束传递光学件构造成产生高斯贝塞尔激光束焦线，沿着束传播轴具有0.74mm的半峰全宽的光学强度分布，斑尺寸的直径是1.2μm(通过束的贝塞尔状横截面轮廓中的前空值或强度最小值测量)。破坏轨迹分别通过将含二氧化硅基材暴露于含有5个激光脉冲的50μJ激光群来形成，每个具有7.2ps的持续时间且每个群内的脉冲之间的时间间隔是20ns。然后将经过激光加工的含二氧化硅基材在静态浴(没有物理搅动，没有超声)中蚀刻，20％HF(体积％)和12％HCl(体积％)，47℃。块体蚀刻速率是0.0046μm/s-0.005μm/s。

图11A显示在蚀刻之前，样品在背光下的低放大倍数下的0.36mm厚熔合二氧化硅基材中制造得到的破坏轨迹120、120’和120”的图像。图11A的图像中，破坏轨迹的横向间距(即，节距)是150μm。从图11A的光学显微镜图像清楚地看到，每个破坏轨迹在靠近第一表面102(第一改性段)和第二表面104(第二改性段)具有强改性段(光学显微镜图像中，高于或低于两条水平虚线的较暗的线性特征)，以及在玻璃的中部具有较弱的第三改性段(光学显微镜图像中，两条水平虚线之间的较亮的线性特征)。因此，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。在图11B(第一表面102)和图11C(第二表面104)的高放大倍数图像中，差异显示更明显。

破坏轨迹120、120’、120”分别至少具有第一段120A、120A’、120A”，第二段120B、120B’、120B”，和第三段120C、120C’、120C”。

注意到的是，破坏轨迹强度中的差异并不解释为形成准非衍射束(高斯贝塞尔)光学件产生的光学强度差异。采用高NA显微镜物镜和CCD照相机沿着光学轴进行扫描来测量焦线强度，并且显示紧密符合高斯贝塞尔强度分布。聚焦位置设定成在靠近含二氧化硅基材的中心处实现接近最大强度，靠近每个表面具有略微减小的强度。对于这个焦线，穿过0.35mm厚玻璃的深度的预期强度变化约为6-8％。

图12显示在对实施例进行蚀刻过程之后的经过蚀刻的孔510的光学显微镜图像侧视图。如所示，孔110具有沙漏形状，具有窄腰w。孔510具有类似于图5示意性所示的示例性孔110的内壁轮廓。参见图5和12，孔510具有如下内壁轮廓：θ₁＝θ₄＝1°，θ₂＝θ₃＝8°；L₁＝L₄＝62μm，L₂＝L₃＝88μm；第一直径D₁＝49.5μm；第二直径D₂＝51.2μm；以及D_w＝25.7μm。在这个情况下，破坏轨迹绕着熔合基材厚度的中部平面是近似对称的，并且得到绕着水平中心线对称的孔，这不同于图3所示的情况。

通过这种工艺制造的含二氧化硅基材在部件水平展现出非常低的孔-孔变化性。这表明该工艺是稳定的，并且没有受到激光能量或者系统聚焦的任何小的变化性的不当影响。对于10000个孔的顶部、腰和底部，直径和圆度这两者都得到良好控制，如图13A-13C和14A-14C所示。图13A的柱状图显示第一直径，图13B的柱状图显示第二直径，以及图13的柱状图显示对于每个图中的孔的数量的腰直径。显示尺寸控制对于第一直径优于+/-1％，对于第二直径优于+/-2.5％，以及对于腰直径优于+/-6％。

对于孔质量的另一个度量是圆度，这可以通过对每个孔的第一直径(图14A)、第二直径(图14B)和腰直径(图14C)进行测量。如本文所用，通过使得孔的显微镜图像与圆进行拟合来确定圆度。取H＝{h₁,h₂,…,h_n)是沿着孔的边缘在第一直径、第二直径或腰直径鉴定的点h_i＝(x_i,y_i)的集合，从上方观察(例如，在相应的直径，来自孔的显微镜图像)。点可以是约1μm每个像素的分辨率，但不限于此。可以评估出正好一个最小二乘拟合圆。这个圆的中心点C＝(x_c,y_c)及其半径R使得量

最小化。给出设定的距离(直径)d_i＝dist(h_i,C)，可以得到最小值d_最小值和最大值d_最大值。d_最大值-d_最小值之差在此处被称作圆度。因此，对于所有距离d_i都相等的理论上完美的圆，会具有等值的d_最小值和d_最大值，导致圆度值为零。较大的圆度值表示较不圆形的孔。

图15A是4种不同群能量的样品的腰缺陷的柱状图。具有太大圆度的孔是太过于椭圆形或者差成形的孔。图15B是4种不同群能量的样品的总缺陷(盲孔、具有大于5μm入口或第二直径的孔或者腰圆度大于5μm)的柱状图。图16A(平均值)和图16B(标准偏差)的柱状图显示用不同群能量和聚焦条件制造的样品的部件上的孔腰变化性。图16C的柱状图显示不同群能量和聚焦条件下的腰直径与第一直径之比。

如图15A和15B以及图16A-16C所示，由圆度超过5μm的孔的百分比所定义，通过这种工艺制造的部件还具有极低的缺陷率，在合理的加工窗口内(图15A和15B)，并且在加工窗口内，腰开口仅具有小的变化性(图16A-16C)，这两者都表明工艺是稳定的。此外，图16A-16C显示采用5μJ能量和100μm加工窗口，可以实现35％-45％的腰直径/第一直径比。

现应理解的是，本文所述实施方式提供了方法和制品，它们在含二氧化硅基材(例如，高纯度的含二氧化硅基材)中提供了沙漏形状孔。沙漏形状孔可以采用例如电镀工艺进行金属化。通过激光破坏和蚀刻工艺可以形成沙漏形状孔，由此可以在蚀刻之前，在含二氧化硅基材中形成定制化的破坏轨迹。破坏轨迹在靠近含二氧化硅基材的表面处的材料改性强于含二氧化硅基材的块体/中部。定制化的破坏轨迹导致限定了腰的具有锥形区域的经过蚀刻的孔。腰可以作为金属桥，使得内金属层在孔中生长。具有沙漏形状孔的含二氧化硅基材可以用作电子器件(例如，高频电子器件)中的***物。

本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离要求专利权的主题的精神和范围的情况下，对本文所述的实施方式进行各种修改和变动。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各种实施方式的修改和变化形式，且这些修改和变化形式落入所附权利要求及其等同内容的范围之内。