具体实施方式

本发明具体地涉及具有飞秒量级(小于皮秒)的持续时间和GHz量级的突发内重复频率的突发脉冲的领域。

本公开提出了一种用于确定给定材料的激光烧蚀法操作条件的方法，包括确定GHz量级的突发重复频率f的一组参数的步骤，该组参数包括激光脉冲突发的整数N个脉冲，以及突发的每脉冲注量F。从材料看到的突发总注量FT等于乘积(product)N.F。突发的重复率C是所用激光源的另一参数。

激光脉冲突发的整数N个脉冲至少大于或等于10，具体地，脉冲数N介于10至800之间。在一些应用中，突发的飞秒脉冲数N大于20或50，介于100至800之间，或介于200至600之间，或介于300至400之间。

重复频率为f的N个脉冲突发的持续时间T由T＝N/f定义。

突发的脉冲具有介于100MHz至100GHz之间，优选地介于1GHz至100GHz之间，或介于1GHz至10GHz之间的重复频率f。

突发的总能量E_b介于1μJ至20mJ之间，具体取决于所用的激光器。

脉冲突发具有介于10kHz至40MHz之间的重复率C，材料正在移动或不动，不同的突发重叠或不重叠。然而，重复率受突发的持续时间T的限制，以便确认突发的持续时间T严格小于重复率C的倒数。

根据本公开，突发的每个脉冲具有低于单个激光脉冲对材料的烧蚀阈值注量Fs1的注量F，该单个激光脉冲具有与所述突发的脉冲相同的空间、光谱和时间特性，但是按需发送，不是高速率突发的一部分。

激光脉冲突发具有介于200nm至和3μm之间的波长。

对于所有附图，均定义了坐标系XYZ，其中Z轴方向与待烧蚀材料的表面正交，并且激光束沿Z轴传播。

图1是示出包括N个脉冲的突发的示例的图。这里，所述突发脉冲的整数N个脉冲为100，所述突发的脉冲具有等于0.88GHz的重复频率f。突发的每个脉冲具有小于或等于550fs的持续时间d。所述突发具有可以从1μJ变化到100μJ的能量E_b，在该示例中，能量E_b等于33μJ。每个N个脉冲的突发具有等于114ns的总持续时间T。突发由激光源以重复率C发出，重复率C可以从1kHz变化到200kHz。

在另一示例中，脉冲突发的整数N个脉冲是50并且所述突发的脉冲具有等于0.88GHz的重复频率f。突发的每个脉冲具有小于或等于550fs的持续时间d。所述突发具有可以从1μJ变化到100μJ的能量E_b、介于1kHz至200kHz之间的可调整重复频率C，以及等于57ns的总持续时间T。

在另一示例中，脉冲突发的整数N个脉冲是200并且所述突发的脉冲具有等于0.88GHz的重复频率f。突发的每个脉冲具有小于或等于550fs的持续时间d。所述突发具有可以从1μJ变化到100μJ的能量E_b、介于1kHz至200kHz之间的可调整重复频率C，以及等于228ns的总持续时间T。

加工设备的使用允许通过静态情况下的突发空间叠加，或通过样品或激光束运动情况下的脉冲的完全或部分空间移位来管理样品上突发的定位。

考虑一种具有给定热扩散系数D(以cm²/s表示)的待烧蚀材料。

不受理论的束缚，根据本发明的方法，具有GHz量级重复频率的整数N个飞秒脉冲等于允许在深度L_th上加热和烧蚀的整数Nc个脉冲和整数Na个互补脉之和，其中L_th对应于针对重复率f与材料相关联的热深度长度。

在第一步骤，确定加热和烧蚀脉冲数Nc，该数量对应于在测试深度L上加热待烧蚀材料所必需的重复率为f的突发飞秒脉冲数，其作为优化的起点给出，以便修改阈值注量Fs1的值，直到达到低于阈值注量Fs1的另一阈值注量Fs2。突发的总注量FT被定义为使得每脉冲注量F小于阈值注量Fs1。数量Nc由等式Nc＝(L².f)/D定义。换言之，根据本公开，在飞秒脉冲突发中，每脉冲注量F小于阈值注量Fs1且大于或等于另一阈值注量Fs2。

数量Nc对应于允许在深度L上沿轴Z加热待烧蚀材料的突发脉冲数。数量Nc表示在深度L附近以突发脉冲的重复频f烧蚀时的脉冲数N的下限。换言之，Nc表示在材料表面出现深度接近L的烧蚀坑时的脉冲数。

测试深度L是针对重复率为f的脉冲突发的特征总注量值FT_char获得的。该特征总注量FT_char对应于允许观察材料表面烧蚀坑的最小突发的总注量。脉冲突发的特征总注量FT_char除以脉冲数N通常不同于表征单个脉冲烧蚀阈值的注量Fs1且小于注量Fs1，即FT_char/N<Fs1。

实际上，对于具有已知热扩散D的给定材料，以给定重复频f并针对材料烧蚀深度L的目标，计算作为D、f和L的函数的脉冲数Nc。一旦估计出脉冲数Nc，便可通过实验将特征总注量FT_char确定为允许形成深度为L的坑(crater)的Nc个脉冲突发的最小注量。

在第二步骤，然后针对N＝Nc确定突发的操作总注量FT_opt，N＝Nc对应于最佳烧蚀效率，其允许优化烧蚀深度或烧蚀体积，同时保持烧蚀效率接近其最大值。FT_char估计相当于GHz突发烧蚀的阈值注量。人们普遍接受通过获知烧蚀阈值注量FT_th来估计烧蚀效率。烧蚀深度在Ln(FT/FT_th)中变化，烧蚀体积在Ln²(FT/FT_th)中变化。特定量Ln(F/FT_th)/FT和Ln²(FT/FT_th)/FT允许估计作为每脉冲注量F的函数，并具有接近FT_th的最佳值的烧蚀效率，然后饱和。因此，在区间2.FT_char<FT_opt<6.FT_char中针对N＝Nc选择脉冲突发的操作总注量FT_opt。

突发的操作总注量值FT_opt的示例接近特征总注量值FT_char并且可以通过用特征总注量FT_char乘以2来估计，即FT_opt＝2FT_char。

加热/烧蚀阶段在每脉冲特征注量F_char接近烧蚀阈值注量Fs2的最佳条件下进行。该阈值注量Fs2未知且难以测量。根据本发明，估计每脉冲特征注量FT_char为F_char＝FT_char/Nc。该值对于每个对(FT_char,Nc)保持近似恒定，对应于针对给定材料以脉冲速率f获得坑的阈值。

本发明方法的第三可选步骤包括确定烧蚀深度大于L的脉冲数N。当针对等于FT_char的总注量FT优化突发时，在烧蚀口表面加热材料并且单个脉冲的烧蚀阈值材料的已知值Fs1变为较低值Fs2，该较低值未知且难以测量的。

正确的做法是增加脉冲数N以获得更大的烧蚀深度，避免单独增加注量时出现的饱和现象。选择通过值Na增加脉冲数N，即N＝Nc+Na，同时保持相同的每脉冲注量F_char＝FT_char/Nc。对于同一材料的所有对(FT_char,Nc)，每脉冲特征注量F_char保持相同。

这导致总注量FT的另一值等于FT_char+Na.F，也就是说等于FT_char(1+Na/Nc)。例如，如果取Na＝Nc，则FT＝2.FT_char且N＝2.Nc。更具体地，对于N＝Nc＝50，在硅材料情况下获得特征总注量FT_char＝0.96J/cm²。通过加上Na个互补脉冲，获得等于2.Nc或100的脉冲数，另一特征总注量FTchar2的值等于2.FT_char或1.9J/cm²。

为了再次优化总注量FT并获得大于FT_char2的突发的操作总注量FT_opt2的另一值，重复上述过程并且获得介于以下区间2.FT_char2<FT_opt2<6.FT_char2的突发的操作总注量FT_opt2。

图2示出了硅材料表面的烧蚀效率(或总注量烧蚀的体积)随GHz频率的每脉冲突发的总注量FT的变化。在该示例中，脉冲数N等于50(圆点)和100(方点)，重复频率f为0.88GHz。

在图中，观察到材料表面的烧蚀效率具有对应于特征总注量FT_char的总注量值FT的烧蚀阈值，从而允许观察材料表面的烧蚀坑。然后烧蚀效率随着总注量FT的增加而增加，直到达到对应于突发的总注量FT_opt的最大烧蚀效率值。突发的操作总注量FT_opt在2.FT_char至6.FT_char的范围内延伸，该范围对应于最佳烧蚀效率。一旦达到最大烧蚀效率，烧蚀效率会随着总注量FT的继续增加而降低。在这种情况下，烧蚀深度或烧蚀体积继续增加，但由于烧蚀不需要的能量的量增加而导致质量劣化。

这里，针对N＝Nc＝50(圆点)，对于等于0.96J/cm²的特征总注量FT_char，获得了等于大约18μm³/μJ的最小烧蚀效率。对于介于大约2J/cm²至6J/cm²之间的突发的操作总注量FT_opt，最大烧蚀效率等于大约25μm³/μJ。

针对N＝2Nc＝100(方点)，对于等于2FT_char或1.9J/cm²的特征总注量FT_char2，获得了大约等于27μm³/μJ的最小烧蚀效率。对于介于大约4J/cm²至12J/cm²之间的突发的操作总注量FT_opt，最大烧蚀效率等于大约34μm³/μJ。

经证实，每脉冲注量F_char几乎是恒定的。还证实了烧蚀效率在2.FT_char2至6.FT_char2之间是优选的。

图3示出了铜材料表面的烧蚀效率(或总注量烧蚀的体积)随GHz频率的每脉冲突发的总注量FT的变化。在该示例中，脉冲数N等于100(圆点)和200(方点)，重复频率f为1.76GHz。

在该图上，针对N＝100(圆点)，对于等于大约3J/cm²的特征总注量FT_char，获得等于大约0.1mm³/min/W的最小烧蚀效率。对于介于大约6J/cm²至18J/cm²之间的突发的操作总注量FT_opt，最大烧蚀效率大约为0.5mm³/min/W。

在该图上，针对N＝200(方点)，对于等于大约6J/cm²的特征总注量FT_char，获得等于大约0.5mm³/min/W的最小烧蚀效率。对于介于大约12J/cm²至36J/cm²之间的突发的操作总注量FT_opt，最大烧蚀效率大约为0.7mm³/min/W。

图4、图5和图6示出了硅材料的烧蚀深度随整数N个脉冲和突发总注量FT变化的示例。

在图4、图5和图6所示的每个示例中，重复频率C为100kHz，重复频率f为0.88GHz，两个连续突发之间的时段为10μs，突发的总持续时间T为57ns，突发脉冲的持续时间d为550fs。

图4示出了硅材料表面处的烧蚀轮廓，其中脉冲数N等于Nc，并且突发的总注量FT小于特征总注量FT_char。在这些条件下，通过光学轮廓测量法获得的图像显示材料表面处形成一个凸起：材料被加热但不能被烧蚀。在该示例中，脉冲数N为100，总注量FT等于1.7J/cm²。

图5示出了硅材料表面处的烧蚀轮廓，其中脉冲数N等于Nc，并且突发的总注量FT接近特征总注量FT_char。在这些条件下，通过光学轮廓测量法获得的图像显示材料表面处形成一个具有最小深度的坑。在该示例中，脉冲数N为100，总注量FT等于1.8J/cm²。可以观察到，由100个脉冲的突发产生的烧蚀深度约为2.6μm。

图6示出了硅材料表面处的烧蚀轮廓，其中脉冲数N等于Nc，并且脉冲突发的总注量FT大于特征总注量FT_char。在这些条件下，通过光学轮廓测量获得的图像显示先前形成的坑的烧蚀深度增加。坑的深度随总注量FT的增加而增加，并具有最佳效率。在该示例中，脉冲数N为100，总注量FT为5.8J/cm²。可以观察到，由100个脉冲突发产生的烧蚀深度约为4.5μm。

可以观察到，烧蚀深度随脉冲数N的增加而增加，其中N>Nc并且FT>FT_char。这种技术效果绝不是来自其中飞秒脉冲烧蚀非常有争议的技术领域的教导。对于包含50个脉冲的突发烧蚀深度从3.5μm降到对于包含200个脉冲的突发的7.5μm，脉冲突发的总注量FT在两种情况下都是5.8J/cm²。

一种可能的解释是，本发明方法基于热量积累现象和材料表面非常有效的烧蚀现象的耦合，这与通过持续时间为μs或ns的单个脉冲烧蚀所涉及的机制不同。

本发明方法例如允许确定以具有GHz量级的重复频率的飞秒脉冲突发对硅材料表面执行激光烧蚀的操作条件。在表1中，以具有GHz量级的重复频率的飞秒脉冲突发对硅材料表面执行激光烧蚀的操作条件以A到G索引的示例的形式列出。硅在室温下的热扩散系统D等于0.86cm²/s。

[表1]

表1列出了以具有GHz量级的重复频率的飞秒脉冲突发对硅材料执行激光烧蚀的操作条件。在该表中，L_m对应于FT＝FT_char并且N＝Nc时测得的测试长度L的实验值。

对于硅材料的一个脉冲烧蚀的阈值注量Fs1等于0.46J/cm²。在示例A到G中，脉冲突发的每脉冲注量显著小于对于硅材料的一个脉冲烧蚀的阈值注量Fs1。换言之，突发的每飞秒脉冲注量F约为Fs1/25。突发的每飞秒脉冲注量F比单个脉冲的烧蚀注量阈值Fs1小一个数量级以上。

[表2]

表2列出了以具有GHz量级的重复频率的飞秒脉冲突发对铜材料执行激光烧蚀的操作条件。

对于铜的一个脉冲烧蚀的阈值注量Fs1为1.7J/cm²。铜在室温下的热扩散系数D等于1.15cm²/s。换言之，突发的每飞秒脉冲注量F大约等于Fs1/50。同样，每飞秒脉冲的突发注量F比单个脉冲的烧蚀阈值注量Fs1小一个数量级以上。每脉冲注量F包括比单个脉冲的烧蚀阈值注量Fs1小一个数量级至两个数量级之间的因子。

对于所有示例A到J，待烧蚀材料上聚焦的脉冲入射光束的横向尺寸为24μm。实际上，待烧蚀材料上聚焦的脉冲入射光束的横向尺寸小于或等于200μm。

突发的重复率C可以介于1kHz至200kHz之间。例如，脉冲突发例如具有介于1ns至几百ns之间的持续时间。例如，突发脉冲具有介于1fs至小于1ps之间的持续时间。个脉冲的整数N可以介于10至400或更多之间。突发的每脉冲注量值F例如介于0.001J/cm²至1J/cm²之间。待烧蚀材料可以选自半导体、金属、电介质、聚合物、有机或复合材料。

图7A至图7C示出了以具有GHz量级的重复频率的飞秒脉冲突发对材料表面执行激光烧蚀法的不同步骤，作为Nc个飞秒脉冲突发的总注量的函数。

图7A示出了接收Nc个加热和烧蚀脉冲的材料表面。开始加热材料表面，总注量FT远低于特征总注量FT_char。在该说明性示例中，N＝Nc并且FT<<FT_char。

图7B示出了已经接收了Nc次加热和烧蚀脉冲的材料表面，其总注量FT高于上图所示的情况。在接近测试长度L的长度上加热材料表面，并且总注量FT小于特征总注量FT_char。在该说明性示例中，N＝Nc并且FT<FT_char。

图7C示出了接收Nc个加热和烧蚀脉冲的材料表面。达到了材料烧蚀阈值，材料烧蚀是可能的，并且总注量FT等于特征总注量FT_char。在该说明性示例中，N＝Nc并且FT＝FT_char。所获得的烧蚀深度接近测试长度L。

图8示出了通过具有GHz量级的重复频率的飞秒脉冲突发将Na个互补激光脉冲添加到材料表面的步骤。然后达到阈值，其中总注量FT＝FT_char2。烧蚀深度大于测试深度L。

图8的图表示出了材料表面接收N个脉冲，N等于数量Nc+Na。当N等于Nc+Na时，烧蚀深度作为Na的函数而增加，并且总注量FT等于另一特征总注量FT_char2，即FT_char+Na.FT_char/Nc或(Nc+Na).(F_char/Nc)。在该说明性示例中，N＝Nc+Na并且FT＝FT_char2。

通过将GHz范围内的突发内重复频率f、每突发脉冲数N和脉冲的总能量相结合的设置，可以获得优化的烧蚀。在图2中还示出的表1的示例A和B中，脉冲数N等于100个脉冲(示例B，方点)的突发允许实现比脉冲数N等于50个脉冲(示例A，圆点)的突发更高的烧蚀效率，其中相同的突发内重复频率f等于0.88GHz。该示例表明一旦达到烧蚀阈值，对于相同的突发内重复频率，突发总能量的增加以及突发总注量的增加有助于更有效的烧蚀处理。由于该现象受到过高能量的烧蚀效率饱和的限制，因此最大注量取决于每种材料并且例如约为50J/cm²的量级。

用于确定材料表面的GHz量级的重复频率的飞秒脉的冲突发的激光烧蚀法操作条件的方法允许控制脉冲数N和突发能量E_b。

本发明方法是针对具有已知热扩散系数D的材料定义的。

表3给出了不同材料的热扩散系数D的值的示例。

[表3]

本发明方法要求定义每突发的能量E_b，以便获得低于单个脉冲对所考虑材料的烧蚀阈值注量Fs1突发的的每脉冲注量F。

本发明方法有利地允许调整被获得为每脉冲固定注量F处的突发的脉冲的数N的函数的烧蚀深度。

本发明方法有利地允许调整被获得为固定脉冲数N处的突发总注量的函数的烧蚀深度。

对于每种材料和给定的烧蚀深度，可以将对应于烧蚀阈值的脉冲数N确定为突发总注量的函数。

与通过具有GHz范围内的突发内重复频率f的飞秒脉冲烧蚀材料的技术领域中的否定的现有技术不同，能在精确的操作条件下获得高烧蚀效率和良好的加工质量。

例如，对于硅材料，脉冲数N介于50至200之间，每GHz烧蚀阈值的特征脉冲的注量F_char约为0.018J/cm²，突发内重复频率对于介于2.2μm至4.4μm之间的测试深度L包括在0.88GHz至3.52GHz之间。

例如，对于铜材料，脉冲数N介于100至400之间，每GHz烧蚀阈值的特征脉冲的注量F_char约为0.03J/cm²，突发内重复频率对于介于2.5μm至5.2μm之间的测试深度L等于1.76GHz。

本公开的激光烧蚀法特别适用于玻璃或透明陶瓷之类的材料。这些材料是透明的，表面吸收发生在对应于瑞利长度的深度上。此外，这些材料很脆。这意味着表面或体积上的任何裂纹都很容易产生并导致严重损坏。最后，突发中的脉冲数优选地限于必要的最小值。在这些情况下，Nc的公式不适用，仅适用于突发的最小脉冲数N大于10的条件。此外，在这些材料中，热扩散应减少。减少热扩散的方法之一是使用超出给定玻璃基板的透明度范围的激光源波长，例如在紫外线或深紫外线(DUV)范围内。

本公开的激光烧蚀法也有利地适用于低表面粗糙度玻璃的烧蚀。在这种情况下，光被捕获在不规则表面并扩散到表面下方。表面粗糙度导致光学退化。表面粗糙度可通过激光产生，该激光的脉冲在空间上受到控制以获得这些粗糙度。表面粗糙度可通过机械手段(例如喷砂)产生。平均粗糙度的要求是达到400nm至10μm之间的表面粗糙度的程度(“RMS”(均方根斜率)粗糙度>0.25)。

在了解用于获得烧蚀的条件的情况下，本公开还允许确定用于在同一材料的各部分之间执行没有材料损耗的焊接的操作条件。因此，本公开还适用于激光焊接方法，基于以介于几百MHz至100GHz之间的突发内重复频率f施加飞秒激光脉冲的突发，其中飞秒激光脉冲的突发包括N个脉冲，激光脉冲突发的脉冲数N小于加热和烧蚀脉冲数Nc，Nc由等式Nc＝(L².f)/D定义，其中L表示测试深度，D表示材料的热扩散系数，并且其中飞秒激光脉冲突发的总注量小于特征总注量FT_char，其适于在材料中产生烧蚀坑，并且突发的每个脉冲具有低于单个激光脉冲对材料的烧蚀阈值注量Fs1的注量F。在一些应用中，激光脉冲突发的脉冲数N大于或等于10。