(57)【要約】      （修正有）【課題】作業を簡素化すると共にコストを使い捨てレベルまで大幅に軽減する新たな技術および材料を利用する小型電気／機械マイクロチップを提供する。【解決手段】複数の透明基板を使用して電気機械チップを作成する方法であって、複数の透明基板の少なくとも１つに、光音響圧縮加工を使用して完全または部分的な空洞を加工するステップ、複数の透明基板を特定の順序で並べ積層した後、透明基板を相互に貼り合せ、レーザー溶接または接着剤で封止するステップからなる。【選択図】図２７
2015098054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の透明基板と第２の透明基板とを使用して電気機械チップを作成する方法であって、 
前記第１の透明基板に、光音響圧縮加工を使用して完全または部分的な空洞を加工するステップと、 
前記第１の透明基板と第２の透明基板とを相互に貼り合せるステップと
を含む方法。
【請求項２】
第１の透明基板を使用して電気機械チップを作成する方法であって、
前記第１の透明基板の第１の側に光音響圧縮加工を使用して第１の空洞を加工するステップと、
前記第１の透明基板の第２の側に光音響圧縮加工を使用して第２の空洞を加工するステップと、
前記第１の透明基板の第１の側の前記第１の空洞に導電性材料を適用するステップと、
前記第１の透明基板の第２の側の前記第２の空洞に導電性材料を適用するステップと
を含む方法。
【請求項３】
前記第１の空洞が、部分的な空洞であり、前記第１の透明基板を貫通せず、
前記第２の空洞が、部分的な空洞であり、前記第１の透明基板を貫通しない請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記第１の空洞が、完全な空洞であり、前記第１の透明基板を完全に貫通し、
前記第２の空洞が、完全な空洞であり、前記第１の透明基板を完全に貫通し、
前記第１の空洞と第２の空洞とが、電気的に連通している請求項２記載の方法。
【請求項５】
第１の透明基板と第２の透明基板とを使用して電気機械チップを作成する方法であって、
前記第１の透明基板に光音響圧縮加工を使用して完全または部分的な空洞を加工するステップと、
前記第２の透明基板に光音響圧縮加工を使用して完全または部分的な空洞を加工するステップと、
前記第１の透明基板の完全または部分的な空洞が前記第２の透明基板の完全または部分的な空洞と連通するように、前記第１の透明基板と第２の透明基板とを相互に係合させて配置するステップと
を含む方法。
【請求項６】
電気機械チップを作成する方法であって、
透明材料を提供するステップと、
レーザーパルスのバーストを含むレーザービームを提供するステップと、
前記レーザービームを前記透明材料に対して集束でき、前記レーザービームと透明材料との間の相対的な移動を可能にするレーザービーム伝送システムを提供するステップと、
前記レーザービームを透明材料に対して相対的に集束して前記透明材料の外部にビームウエストを形成するステップであって、前記透明材料を通過する連続的なレーザーフィラメントを光学破壊なしで形成するのに十分なエネルギー密度が前記透明材料の内部で維持されるように、前記透明材料の表面に入射する前記レーザーパルスが集束されるステップと、
前記レーザーフィラメントを中心として透明材料の一部を完全に通過するオリフィスを光音響圧縮加工により穴あけするステップと、
前記透明材料に取付構造、トラフ、チャネル、スライス、または切削部を加工するステップと
を含む方法。
【請求項７】
前記透明材料が、シリコンである請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記透明材料が、ガラスである請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記光音響圧縮加工によって前記電気機械チップからいかなる透明材料も除去されない請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記レーザーパルスのバーストが、１〜５０個のパルスを含む請求項６記載の方法。
【請求項１１】
前記透明材料の取付構造、トラフ、チャネル、スライス、または切削部の内部に機械装置を取り付けるステップをさらに含む請求項６記載の方法。
【請求項１２】
複数の透明基板を使用して電気機械チップを作成する方法であって、
前記複数の透明基板の少なくとも１つの透明基板に光音響圧縮加工を使用して完全または部分的な空洞を加工するステップと、
前記複数の透明基板を特定の順序で積層するステップと、
前記複数の透明基板を相互に貼り合せるステップと
を含む方法。
【請求項１３】
前記複数の透明基板を相互にレーザー溶接することにより前記チップを封止するステップをさらに含む請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の透明基板が、多様な厚さを有する請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の透明基板を特定の順序で積層する前記ステップが、前記複数の透明基板の少なくとも２つの透明基板の完全または部分的な空洞を位置合わせするステップを含む請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の透明基板の少なくとも１つの透明基板の完全または部分的な空洞に気体、液体、または固体を注入し、その後で前記複数の透明基板を相互に封止するステップをさらに含む請求項１２記載の方法。
【請求項１７】
前記封止するステップが、レーザーを使用して実行される請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記封止するステップが、接着剤を使用して実行される請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
複数の透明基板を使用して電気機械チップを作成する方法であって、
前記複数の透明基板の少なくとも２つの透明基板に光音響圧縮加工を使用して完全または部分的な空洞を加工するステップと、
前記複数の透明基板を特定の順序で積層し、前記電気機械チップを電極、配線、電線用導管、機械用導管、電気センサ、機械センサ、トランジスタ、ＴＴＬ回路、論理回路、コンデンサ、ダイオード、ツェナーダイオード、ショットキーダイオード、リニア電源、スイッチング電源、ブリッジ回路を含む電源回路、化学的解析回路、生物学的解析回路、マイクロ流体チャネル、マイクロ流体制御、および他の超小型電子機器からなる群より選択される装置としてフォーマットするステップと、
前記複数の透明基板を相互に貼り合せるステップと
を含む方法。
【請求項２０】
前記貼り合せるステップが、レーザーを使用して実行される請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許出願は、２０１３年１１月１９日に提出された米国仮特許出願第６１９０６３２６号の優先権および利益を主張する。
２０１３年１１月１９日に提出された米国仮特許出願第６１９０６３２６号の全体を本明細書にて引用により援用する。
【０００２】
本特許出願は、２０１３年１１月１９日に提出された米国仮特許出願第６１９０６３１５号の優先権および利益を主張する。
２０１３年１１月１９日に提出された米国仮特許出願第６１９０６３１５号の全体を本明細書にて引用により援用する。
【０００３】
本発明は、低コストな超小型電気／機械マイクロチップに関する。
本発明により作成されたマイクロチップは、１回限りの使用に適している。
材料は、ガラス、Ｓｉ、ＬｉＴｉＯ３、ＬｉＮｂＯ３、透明セラミック、ポリマー、透明導体、バンドギャップの大きいガラス、結晶、結晶水晶、ダイヤモンド（天然または人工）、サファイア、希土類元素製剤、ディスプレイ用金属酸化物、コーティング有りまたはコーティング無しの研磨状態または非研磨状態のアモルファス酸化物等の透明材料から選択される。
これらのマイクロチップは、バースト超高速のレーザーパルスによるフィラメンテーションを含む、透明な対象基板を加工する方法および装置を使用して作成される。
【背景技術】
【０００４】
バイオチップや微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ；ＭＥＭＳ）装置等の電気／機械マイクロチップのさらなる小型化に対する要求はきわめて大きい。
ＭＥＭＳは、超小型装置の技術である。
従来のフォトリソグラフィ工程を使用して、基板に電子装置を形成することができる。この工程は、フォトレジストの適用、マスキング、フォトレジストのイミド化された部分への光の適用、湿式または乾式のエッチング等を含む。
ＭＯＳＦＥＴの作成方法は、フォトレジストの適用、マスキング、およびエッチングを含む。
たとえば、２００８年６月２４日にＨｕｎｔｅｒらに発行された特許文献１を参照されたい。
【０００５】
マイクロ流体チャネルの作成では、通常は鋳型を使用し、試料をガラスプレートで被覆して接着する。
レーザー改質およびエッチングを使用してバルクガラスにマイクロチャネルを製造する試みが他者によってなされてきたが、成功には至っていない。
【０００６】
この方法は、材料コストを下げるだけでなく、より複雑なシステムを、より狭いスペースで実現できる。 
微細作製は、主として機械的な穴あけまたはスクライビングの方法や、レーザー微細加工、レーザー改質、化学エッチング、マスキング、めっき、モールディング等の手法に向けられている。
基になる構造として、厚い基板が必要である。
また、これらの方法は常に改良されているが、小型化を次の段階に進めるには、これまでよりもはるかに高い精度が求められる。
【０００７】
今後は、薄い基板に、電気経路、構成要素固定ポイント、液体／気体流路、サイズセパレータ／フィルタ等の小さな機能要素を加えて構築できる電気／機械マイクロチップにより、電気／機械マイクロチップ業界の長年にわたるニーズが充足されると思われる。
本発明は、新たな技術を独自かつ新規な構成で利用および組み合わせて、上述した問題を解決し、そのようなニーズの充足を実現する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７，３８９，６７５号
【発明の概要】
【０００９】
以下に詳細に説明するように、本発明の目的は、作製を簡素化すると共にコストを使い捨てレベルまで大幅に軽減する新たな技術および材料を利用する小型電気／機械マイクロチップを提供することである。 
このチップは、携帯型の装置またはマシンで、試料保持器または試料分析器として使用することができる。
追加の処理は、メインモジュールで実行することができる。
このチップは、使用後に破棄することができる。
または、このチップは、危険区域でワイヤレスの検出器または分析器として動作するように設計することができる。
【００１０】
基板の完全な穴あけ、または基板への有底オリフィスの穴あけは、本発明の方法により実行される。
さらに、ガラス（または他の透明材料）へのチャネルの加工は、本発明の方法により実行される。
材料加工手法は、レーザーパラメータの特殊な調整と、主焦点ウエストが透明基板対象物の内部または表面上に位置しないように複数の異なる焦点を作成する分散焦点レンズ装置とを組み合わせた、超高速レーザーパルスのバーストによるフィラメンテーションを含む。
これにより、積層した一群の透明基板の任意またはそれぞれにオリフィスを発展させるフィラメントを透明基板に作成する。
オリフィスは、所望のウエハ、プレート、または基板内の所望の起点および終点で、指定された深さおよび幅を有する。
本開示では主としてオリフィスを穴あけすることに着目するが、本明細書で開示されるシステムおよび方法は、オリフィスを穴あけするフィラメントを基板の内部に形成するレーザービームの連続的な移動による対象物の穴あけ、ダイシング、切削、チャネル形成、リザーバ形成、およびスクライビングの各加工プロセスに等価に適用できる。
そのような加工は、非線形の構成でもよく、よって平らな基板に限定されない。
【００１１】
本明細書で開示される方法は、先行技術よりも生成される廃棄物が少なく、より複雑な切削を行うことができる。 
より詳細には、超高速レーザーパルスのバーストの干渉を利用する新規な方法を使用して、経路と、構成要素の取付用および動作用の空洞とを、多層電気／機械マイクロチップの任意の基板層に加工できる。
レーザーの光および集束のパラメータは、指定された深さおよび幅のオリフィスを所望の始点および終点で作成できるフィラメントを材料の内部に作成するように調節されている。
【００１２】
ホウケイ酸ガラス、Ｓｉウエハ、ガラス、サファイア等の透明材料の内部に、またはそれらの透明材料を貫通して、ナノメートルからマイクロメートルの規模のオリフィスおよび巾切りを作成する新規かつ独自の手法が開示される。
この手法は、上述した多くの利点と、多くの新規な特徴とを有し、これらの特徴によって、安価な電気／機械マイクロチップを作成するための、いかなる従来技術またはその組み合わせによっても予測されず、自明化されず、提案されず、暗示すらされない新たな方法が提供される。
詳細には、この手法には、装置を従来技術に比べてはるかに正確に、安価に、薄く、かつ小さく作成できるという点で、大きな利点がある。
この手法では、切削面がより滑らかになり、極小亀裂の伝搬が最小限に抑えられ、より長く／深いオリフィスを作成することができ、オリフィスが先細りせず、非線形吸収が生じ、オリフィスの内径が一貫し、入口歪みが最小限に抑えられ、付帯的損害が減少する。
【００１３】
本発明の主題については、本明細書の末尾で具体的に指摘し、明確にクレームする。 
ただし、動作の構成および方法と、それらのさらなる利点および目的とは、以下の説明を添付図面と共に参照することにより最良に理解される。
なお、同様の要素には、同様の符号を付している。
本発明のその他の目的、特徴、および態様については、以下で、詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】主焦点が透明基板の上面に位置する従来技術のアブレーション加工によるレーザー加工配置の概略図。
【図２】図１の加工配置により形成されたオリフィスの斜視図。
【図３】主焦点が透明基板の上面の下方に位置する従来技術のアブレーション加工によるレーザー加工配置を表す側面図。
【図４】図３のレーザー加工配置により形成されたオリフィスの斜視図。
【図５】主焦点が透明基板の上面に位置する図１のレーザー配置でアブレーション加工により加工されたオリフィスを表す側面図。
【図６】主焦点が透明基板の上面の上方に位置する本発明のレーザー加工配置の概略図。
【図７】本発明のレーザー加工配置により形成された透明基板内のオリフィススクライブの斜視図。
【図８】図６のレーザー加工配置により穴あけされた２つのオリフィスを表す側面図。
【図９】従来技術のアブレーション穴あけ配置の概略図。
【図１０】本発明の概略図。
【図１１】分散焦点レンズ配置を利用した本発明の概略図。
【図１２】分散焦点レンズ配置を利用した本発明の概略図。
【図１３】分散焦点レンズ配置を利用し、主焦点が対象物の上方に位置するように焦点ウエストを分散させた本発明の概略図。
【図１４】分散焦点レンズ配置を利用し、主焦点が対象物の下方に位置するように焦点ウエストを分散させた本発明の概略図。
【図１５】図１３に示す本発明の、オリフィスが穴あけされた状態を示す概略図。
【図１６】分散焦点レンズ配置を利用し、主焦点が複数の対象物の下方に位置するように焦点ウエストを分散させた本発明の概略図。
【図１７】レーザーエネルギーの分散の３つの異なる構成を示す図。
【図１８】レーザーエネルギーの分散の３つの異なる構成を示す図。
【図１９】レーザーエネルギーの分散の３つの異なる構成を示す図。
【図２０】レーザー加工システムの概略図。
【図２１】図２０のレーザー加工システムの制御処理ユニットの概略図。
【図２２】非テレセントリックレンズおよびテレセントリックレンズを使用するＸ−Ｙスキャナを示す図。
【図２３】非テレセントリックレンズおよびテレセントリックレンズを使用するＸ−Ｙスキャナを示す図。
【図２４】ワーク材料の表面に対して傾斜したフィラメントを生成する代替実施形態を示す図。
【図２５】部品のシングレーションに適したレーザー加工システムのレイアウトを示す図。
【図２６（ａ）】図２６（ｅ）に示す傾斜した縁部を作成するための傾斜切り欠きアプローチを示す図。
【図２６（ｂ）】図２６（ｅ）に示す傾斜した縁部を作成するための傾斜切り欠きアプローチを示す図。
【図２６（ｃ）】図２６（ｅ）に示す傾斜した縁部を作成するための傾斜切り欠きアプローチを示す図。
【図２６（ｄ）】図２６（ｅ）に示す傾斜した縁部を作成するための傾斜切り欠きアプローチを示す図。
【図２７】貫通する先細りのオリフィスを形成するように加工された透明な平面基板からなるウエハの斜視図。
【図２８】貫通するサイズセパレータまたはフィルタを形成するように加工された透明な平面基板からなるウエハの斜視図。
【図２９】貫通する収集ファンネルを形成するように加工された透明な平面基板からなるウエハの斜視図。
【図３０】挿入物を受け入れるオリフィスを形成するように加工された透明な平面基板からなるウエハの斜視図。
【図３１】ウエハを通る経路を形成するように加工された透明な平面基板からなるウエハの斜視図。
【図３２】構成要素用の切り欠きを形成するように加工された透明な平面基板からなるウエハの斜視図。
【図３３】図２７乃至図３２の基板の積層を示す図。
【図３４】プリンタヘッドのきわめてクリーンな外縁を有する３つのオリフィスの拡大写真。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ここまでは、以下に示す本発明の詳細な説明をよりよく理解し、技術に対する本貢献をよりよく把握できるよう、本発明の重要な特徴を幾分広範に説明してきた。
もちろん、本発明には、以下に説明し、本発明の請求項を形成するその他の特徴もある。
【００１６】
本開示のさまざまな実施形態および態様について、以下に詳細に説明する。
以下の説明および図面は、本開示を例示するものであり、本開示を限定するものとは理解されない。
本開示のさまざまな実施形態を詳しく理解できるよう、多数の具体的な詳細について説明する。
ただし、場合によっては、本開示の実施形態を簡潔に説明するために、既知または従来の詳細事項については説明しない。
【００１７】
この点に関し、本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、その用途において、以下の説明または図面に示される構造の詳細または構成要素の配置に限定されないことを理解されたい。
本発明は、他の実施形態に対応し、さまざまな方法で実施および実行できる。
また、本明細書で採用される表現および用語は、説明を目的としたものであり、限定と捉えられるべきものではないことを理解されたい。
【００１８】
本発明の主な目的は、超高速レーザーパルスのバーストによるフィラメンテーションにより、形状を切削し、透明基板をスクライブし、または透明基板に穴をあけるための高速、正確、かつ経済的な非アブレーションレーザー加工方法を提供することである。
大きな対象物から薄いウエハを実際に作成する作業も、工程の一部である。
本明細書では、マイクロチップを加工するために利用する装置および方法を、レーザー加工技術およびレーザー加工システムとして説明する。
【００１９】
レーザー加工技術
主として透明材料であるが、これに限定されないウエハ、プレート、もしくは基板の任意の深さから、または積層したそれらのウエハ、プレート、もしくは基板の任意の１つから、有底または貫通のオリフィスを、当該オリフィスおよび周囲材料の構造的特性が先行技術における構造的特性を上回るように穴あけすることができる。
レーザービームを対象基板に対して相対的に移動することで、透明基板（対象物）をスライスまたは切削する形式で加工を行うことができる。
この加工は、超高速レーザーパルスのバーストのフィラメンテーションを使用する新規な方法により、積層した材料群のいずれかまたはそれぞれの材料で実現できる。
レーザー光および集束のパラメータは、透明基板の指定した深さまでオリフィスを作成するか、または切削することができるフィラメントを材料の内部に作成するように調節されている。
【００２０】
別途定義しない限り、本明細書で使用されるすべての技術的用語および科学的用語は、当業者に共通して理解されるものと同一の意味を持つものとして意図される。 
コンテキスト等により別途指示しない限り、本明細書で使用される以下の用語は、以下の意味を持つものとして意図される。
【００２１】
本明細書で使用されるアブレーション穴あけという用語は、レーザービームを放射することにより対象物の表面を（通常は、材料の除去により基板を切削または穴あけすることにより）加工する方法を示す。
低いレーザー流束では、吸収されたレーザーエネルギーによって材料が加熱され、蒸発または昇華する。
高いレーザー流束では、材料が典型的にはプラズマに変換される。
通常、レーザーアブレーションとは、パルスレーザーで材料を除去することを示すが、レーザー密度が十分に高ければ、連続波のレーザービームで材料をアブレートすることが可能である。
アブレーション穴あけまたは切削の手法には、デブリ領域が形成され、材料除去工程中の特定時点に液体／溶解段階が存在し、形状の入口および／または出口に噴出土手が形成されるという特徴がある。
【００２２】
本明細書で使用される「光音響切削」（ｐｈｏｔｏ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｃｕｔｔｉｎｇ）という用語は、一般にアブレーション穴あけまたは切削の手法で使用される低パルスエネルギーの光ビームを放射することで個体の基板を切削または穴あけすることにより対象物を加工する方法を示す。
光吸収の工程とそれに続く熱弾性膨張により、放射された材料内に広帯域音響波が生成されて、ビーム伝搬軸（オリフィスの軸と共通）を中心に圧縮された材料の通路が材料内に形成される。
この方法には、オリフィスの壁が滑らかになり、噴出物が最小化または除去され、材料における極小亀裂の形成が最小化されるという特徴がある。
この工程は、「光音響圧縮加工」とも呼ばれる。
【００２３】
本明細書で使用される「光学効率」という用語は、主焦点ウエストにおけるフルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）の集束要素または装置の開口部における総入射フルエンスに対する比率に関する。
【００２４】
本明細書で使用される「透明」という用語は、入射光ビームに対して少なくとも部分的に透明な材料を意味する。
より好ましくは、透明基板は、本明細書に記載された実施形態に基づく入射光ビームによる内部フィラメント改質アレイの生成を支援できる十分な大きさの吸収深度によって特徴付けられる。
透明材料は、入射光ビームの少なくとも一部が線形吸収領域で伝達されるような吸収スペクトルおよび厚さを有する。
【００２５】
本明細書で使用される「フィラメント改質領域」（ｆｉｌａｍｅｎｔ  ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ｚｏｎｅ）という用語は、基板内のフィラメント領域であって、光ビーム経路により画定される圧縮領域により特徴付けられる領域を示す。
【００２６】
本明細書で使用される「バースト」、「バーストモード」、または「バーストパルス」という用語は、レーザービームの繰り返し周期よりも実質的に小さい相対時間間隔を有するレーザーパルス群を示す。
バースト内のパルス間の時間間隔は一定または可変であり得ること、および、バースト内のパルスの増幅は、たとえば、対象材料の内部に最適化または事前に決定されたフィラメント改質領域を作成することを目的に、可変であり得ることを理解されたい。
一部の実施形態では、パルスのバーストは、そのバーストを形成するパルスの強度またはエネルギーを変えて形成される。
【００２７】
本明細書で使用される「幾何学的焦点」（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ  ｆｏｃｕｓ）という表現は、レンズの曲線に基づいて光が通過する通常の光学経路であって、ビームウエストが光学に共通する単純なレンズ方程式に応じて位置する光学経路を示す。
この表現は、レンズの位置とその相互関係とによって作り出される光学焦点と、対象材料の熱変形によって作り出され、結果的に、最大約１５ｍｍの疑似レイリー長を提供する狭窄事象とを区別するために使用される。後者は特に珍しく、本研究の発明的な特性に関連している。
【００２８】
本明細書で使用される「基板」という用語は、対象の透明材料を意味し、透明セラミック、ポリマー、透明導電体、バンドギャップの大きいガラス、結晶、結晶水晶、ダイヤモンド（天然または人工）、サファイア、希土類元素製剤、ディスプレイ用金属酸化物、およびコーティング有りまたはコーティング無しの研磨状態または非研磨状態のアモルファス酸化物からなる群より選択され、プレートやウエハを含むがこれらに限定されない任意の幾何学的構成を網羅するように意図されている。
基板は、２つ以上の層を含む可能性があり、それら２つ以上の層の少なくとも１つの中にフィラメントアレイを生成するように集束レーザービームのビーム焦点の位置が選択される。
多層の基板は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）、有機発光ディスプレイ（ＯＬＥＤ）等の多層フラットパネルディスプレイガラスを含む可能性がある。
また、基板は、自動車用ガラス、チューブ、窓、バイオチップ、光学センサ、平面光波回路、光ファイバ、飲料用ガラス製品、アートグラス、シリコン、１１１−Ｖ半導体、超小型電子チップ、メモリチップ、センサチップ、電気光学レンズ、フラットディスプレイ、強固なカバー材料を必要とする携帯型コンピューティング装置、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、および垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）からなる群から選択され得る。
対象物または対象材料は、通常は、基板から選択される。
【００２９】
本明細書で使用される「主焦点ウエスト」（ｐｒｉｎｃｉｐａｌ  ｆｏｃａｌ  ｗａｉｓｔ）という用語は、最終集束後（光が対象物に入射する前の最後の光学要素装置を通過した後）のビームが最も密に集束され、最も焦点強度が大きい部分を示す。
また、この用語は、「主焦点」という用語と同じ意味で使用され得る。
「副焦点ウエスト」（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  ｆｏｃａｌ  ｗａｉｓｔ）という用語は、分散ビームの主焦点ウエストよりも強度が小さい他のすべての焦点を示す。
この用語は、「副焦点」という用語と同じ意味で使用され得る。
【００３０】
本明細書で使用される「フィラメント」（ｆｉｌａｍｅｎｔ）という用語は、媒体を通過し、カー効果が観測または測定され得る任意の光ビームを示す。
【００３１】
本明細書で使用される「レーザーフィラメンテーション」（ｌａｓｅｒ  ｆｉｌａｍｅｎｔａｔｉｏｎ）とは、レーザービームを使用して材料内にフィラメントを作成する行為である。
【００３２】
本明細書で使用される「犠牲層」（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ  ｌａｙｅｒ）という用語は、対象材料に除去可能に適用できる材料を示す。
【００３３】
本明細書で使用される「加工」または「改質」という用語は、対象物または基板の表面または内部のオリフィス穴あけ、切削、スクライビング、またはダイシングの工程を包含する。
【００３４】
本明細書で使用される「焦点分散」（ｆｏｃａｌ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）という用語は、全体として正レンズであるレンズ装置を通過する入射光線の時空的分散を示す。
一般に、本明細書では、それらの入射光線の集束レンズの中心からの距離に応じた有用な強度の収束スポットについて説明する。
【００３５】
本明細書で使用される、「臨界エネルギーレベル」（ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｅｎｅｒｇｙ  ｌｅｖｅｌ）、「しきい値エネルギーレベル」（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  ｅｎｅｒｇｙ  ｌｅｖｅｌ）、および「最小エネルギーレベル」（ｍｉｎｉｍｕｍ  ｅｎｅｒｇｙ  ｌｅｖｅｌ）という用語は、いずれもアブレーション加工、光音響加工、カー効果等を含むが、これらに限定されない過渡的な工程を対象材料に発生させるために対象材料に与える必要がある最小限のエネルギー量を示す。
【００３６】
本明細書で使用される「収差レンズ」（ａｂｅｒｒａｔｉｖｅ  ｌｅｎｓ）という用語は、レンズを通過する入射光に対して分散した焦点パターンを作り出すために、ｘ面のレンズ曲線がｙ面のレンズ曲線と等価ではない不完全なレンズである集束レンズを示す。
正収差レンズは、収束レンズであり、負収差レンズは発散レンズである。
【００３７】
本明細書では、「含む」および「含んでいる」という用語は、包括的かつ非限定的であると解釈されるものであり、排他的とは解釈されない。
詳細には、明細書およびクレームで使用された場合、「含む」および「含んでいる」という用語ならびにそれらの変形は、特定の特徴、ステップ、または構成要素が含まれることを意味する。
これらの用語は、他の特徴、ステップ、または構成要素の存在を排除するものとは解釈されない。
【００３８】
本明細書で使用される「例示的な」という用語は、「例、事例、または実例としての役割を果たす」ことを意味するものであり、本明細書で開示される他の構成よりも好適または有利であると解釈すべきではない。
【００３９】
本明細書で使用される「約」という用語は、特性、パラメータ、および寸法の変量など、値範囲の上限および下限の間に存在する可能性がある変量を網羅することを意味する。
【００４０】
以下の方法では、超高速レーザーパルスのバーストによるフィラメンテーションによって単一または複数の積層した対象材料の下方または上方（またはチューブの両側）に発生させることができるオリフィス（有底／盲オリフィスまたは貫通オリフィス）を対象材料に発生させる、高速で信頼性が高く経済的な非アブレーションレーザー加工手法を提供する。
レーザービームを対象材料に対して相対的に動かすことで、フィラメントを方向付けて対象物を切削またはスライスする。
【００４１】
超短パルスレーザーは、多光子、トンネルイオン化、および電子雪崩の各工程を積極的に駆動することにより表面をきれいに微小加工、改質、および処理するための高い強度を提供する。
当面の問題は、対象の透明材料に、アブレーション穴あけで使用されるエネルギーよりも少なく、かつ光音響圧縮加工を開始および維持するための臨界エネルギーレベルよりも大きいエネルギーをどのように与えて、材料内の焦点における屈折率を修正し、（先行技術のアブレーション穴あけシステムで直面する）光学破壊に直面しないフィラメントを作成して、対象材料内でのレーザービームの継続的な再集束を長距離にわたって継続し、複数の積層した基板でも先細りを抑えてオリフィス壁を比較的滑らかにしつつ対象材料の上方、下方、または内部から同時に穴あけできるようにするかである。
作製ユニットの方向付け／ステアリングにより形成されたフィラメントは、オリフィスの穴あけ、対象物の表面もしくは内部の切削、スクライビング、またはダイシングに使用できる。
【００４２】
一般に、先行技術では、材料の上方、内部、または表面の単一の主焦点に集束する高エネルギーのパルスレーザービームを利用するレーザーアブレーション手法が、透明材料の加工に使用されてきた。
先行技術の主な問題は、処理速度が遅いこと、ファセットに微小亀裂が生じること、およびカーフ幅が広くなり表面にデブリが生じることである。
さらに、先行技術では、切削した壁に常に角度が付き、垂直方向で鋭く切削することができない。
【００４３】
図１に示すように、入射レーザー光ビーム２は、集束装置を通り、最後の集束レンズ４を通過して、対象物１０の表面に主焦点ウエスト８が位置する非分散光ビーム６を集束させる。
図３からわかるように、オプションで、焦点ウエストが対象物１０の内部に位置するように非分散光ビーム６を集束させることができる。
通常、これらの手法では、図９に示すように、完全な球面集束レンズ１２、すなわちＸ面の曲率とＹ面の曲率とが等価である（Ｃｘ＝Ｃｙ）非収差レンズを使用するか、または、単一の焦点１４を持つ非分散ビームを生成する集束要素装置を用いる。
これにより、図１に示すように、対象の基板材料１０の表面上に伝達され、または図３に示すように対象の基板材料１０の内部に伝達される狭いビームスポットが作成される。
図２は、図１の手法で切削された加工済みスロット１６の形状を示し、図４は、図３の手法で作成された楕円形のオリフィス１８を示す。
【００４４】
さまざまな光学媒体での強力な超高速レーザーパルスの伝搬が広く研究されている。
材料の非線形屈曲率は、レーザー強度に依存する。
パルスの中心部が尾部よりもはるかに強力なガウス分布の強力レーザーパルスを使用すると、レーザービームパルスを受ける側の材料の中心領域と周辺領域とで屈折率が変わる。
結果として、そのようなレーザーパルスの伝搬時に、レーザーパルスが自動的につぶれる。
この非線形現象は、科学において自己集束と呼ばれている。
自己集束は、ビーム経路でレンズを使用して促進することもできる。
焦点領域で、レーザービームの強度は、多重イオン化、トンネルイオン化、および雪崩イオン化を引き起こすのに十分な値に達し、それによって材料にプラズマが作成される。
プラズマにより、レーザービームは集束解除し、ピーク強度が高いパルスによって再び集束して次のプラズマボリュームを形成する。
非分散ビームの単一焦点に固有の問題は、レーザーパルスがすべてのエネルギーを失うと工程が終了し、上述したように再集束できないことである。
【００４５】
このアブレーション加工は、材料１０の光学破壊しきい値を超えて光学破壊（ＯＢ）１６が発生するまで、材料内に最大で長さ３０ミクロンのフィラメントを発展させる。図９を参照されたい。
ＯＢの時点で、最大しきい値フルエンス（単位面積当たりで伝達されるエネルギー。単位はＪ／ｍ２）に到達し、オリフィス直径が狭くなってアブレーション加工または穴あけがそれ以上深く進まなくなる。
これは、先行技術の方法を使用することの明らかな欠点である。
なぜなら、これらの方法では、穴あけできるオリフィスのサイズが制限され、オリフィスの壁が粗くなり、対象物１０の上面と底面とで直径が異なる先細りのオリフィス２２ができあがるからである。図５を参照されたい。
こうしたことが起こるのは、アブレーション加工では、ビームの中心焦点８（主焦点ウエストともいう）が対象物１０の表面に位置し、加熱および熱膨張が局所化して、対象物１０の表面がその沸点まで加熱されキーホールが生成されるからである。
キーホールは、光学吸収率の唐突な増加につながり、オリフィスを急速に深くする。
オリフィス２２が深くなり、材料が沸騰するにつれ、生成された蒸気が融解した壁を侵食し、噴出物を噴出し、オリフィス２２をさらに大きくする。
このとき、アブレーションされる材料は、拡張しながら下方の表面に高圧のパルスを適用する。
この効果は、表面をハンマーで叩くことに似ており、脆弱な材料は、簡単に割れる。
さらに、脆弱材料は、熱破壊に特に敏感である。
熱破壊は、熱応力割（ｔｈｅｒｍａｌ  ｓｔｒｅｓｓ  ｃｒａｃｋｉｎｇ）で利用される特徴だが、オリフィスの穴あけでは望ましくない。
通常、ＯＢに到達するのは、デブリが噴出しないか、オリフィス２２で気泡が形成されるか、または、オリフィス２２の領域に対象物を亀裂させる強烈なアブレーションが存在するときである。
これらの効果のいずれかまたは組み合わせにより、ビーム６は、このポイントから散乱するか、または完全に吸収され、対象材料１０をさらに穴あけするだけの十分なビーム出力（フルエンス）が失われる。
さらに、これにより、アブレーション噴出土手２０と呼ばれる歪みまたは粗さが、対象基板１０の表面の起点の周囲に形成される。図５を参照されたい。
【００４６】
レーザーアブレーション手法のもう１つの問題は、レーザービームのフィラメンテーションの直径が距離に応じて変化するため、穴あけするオリフィスの直径が一定でないということである。
これはレイリー範囲として説明される。
レイリー範囲は、焦点ウエストから断面積が２倍になる場所までのビームの伝搬方向に沿った距離である。
これにより、図２および図５に示すような先細りのオリフィス２２ができあがる。
【００４７】
本発明は、光学破壊の問題を解決し、オリフィスの粗さとアブレーション噴出土手２０とを最小限に抑え、オリフィスの直径の先細りをなくす。
【００４８】
本開示は、レーザービームにより誘起される光音響圧縮加工によって透明材料にオリフィスを加工する装置、システム、および方法を提供する。
既知のレーザー材料加工方法と異なり、本発明の実施形態では、入射ビーム２を長手方向のビーム軸に沿って分散させる光学構成を利用する。
これにより、主焦点ウエスト８と副焦点ウエスト２４とを直線的に並べて（オリフィスの直線軸に一致するが、主焦点ウエスト８または焦点ウエストから垂直方向にずれている）、入射ビーム２が、対象材料１０を通過するときに連続して再集束できるようにし、それによって対象材料１０内のビーム経路に沿った屈折率を修正し、かつ（初歩的なフィラメンテーションを使用するものと使用しないものとを含む従来技術のアブレーション穴あけシステムに見られるような）光学破壊に直面しないフィラメントの作成を可能にし、対象材料１０におけるレーザービームの継続的な再集束を長距離にわたって続けられるようにする。図６を参照されたい。
【００４９】
この分散集束方法では、分散集束要素装置２６により副焦点２４を作成し、主焦点ウエスト８を対象材料１０の表面または内部から外部に移動することにより、主焦点ウエスト８に存在する入射ビーム２の不要なエネルギーを「ダンピング」または低減することができる。
このようにビームフルエンスのダンピングと主焦点ウエスト８および副焦点ウエスト２４の線形配列とを組み合わせることで、これまで既知の方法を使用して可能だった距離を大幅に上回る（および１ｍｍを大幅に上回る）距離にわたりフィラメントを形成しつつ、フィラメント領域の全長にわたり実際の改質および圧縮を行うための十分なレーザー強度（フルエンスμＪ／ｃｍ２）を維持することができる。
この分散集束方法は、１ミリメートルを優に超える長さのフィラメントの形成をサポートし、かつエネルギー密度を材料の光学破壊しきい値よりも低く維持する。
これにより、複数の積層基板でも異種の材料（対象材料の層の間の空気またはポリマーの間隙など）にわたって同時に穴あけできるだけの十分な強度を保ち、穴あけ距離全体での先細りをごくわずかにし（図７）、比較的滑らかな壁のオリフィスを対象材料１０の上方、下方、または内部から形成できるようにする。
オリフィスの加工中に対象物１０を相対的に移動することで、壁が先細りしていないスリット２３を対象物１０内に形成できる。
【００５０】
レーザーパルスの光学密度により、自己集束現象が起こり、フィラメントの内部／近傍／周囲の領域で非アブレーション初期光音響圧縮を行うのに十分な強度のフィラメントが生成される。
これにより、フィラメントに一致する実質的に一定の直径の線形対称空洞が作成され、またレーザーパルスの連続的な自己集束および集束解除と分散ビームの副焦点ウエストにより入力されるエネルギーとの組み合わせによって、対象材料の指定された領域を横断または貫通するオリフィスの形成を方向付ける／案内するフィラメントが形成される。
このオリフィスは、対象物から材料を除去するのではなく、形成されるオリフィスの周囲の対象材料を光音響圧縮加工することによって形成できる。
【００５１】
対象物１０の表面でのフルエンスレベルは、入射ビームの強度と特定の分散集束要素装置とに依存することがわかっており、特定の対象材料、対象物の厚さ、所望の加工速度、オリフィス全体の深さ、およびオリフィスの直径に応じて調節される。
また、穴あけされるオリフィスの深さは、レーザーエネルギーが吸収される深さに依存する。
したがって、単一のレーザーパルスによって取り除かれる材料の量は、材料の光学特性と、レーザーの波長およびパルス長とに依存する。
このため、本明細書では、使用するシステムおよび材料で最適な結果を得るために経験的な判断を必要とする幅広い加工パラメータを各基板および対応する用途と共に示す。
よって、表面でのフルエンスレベルが一時的かつ局所的なアブレーション（蒸発）加工を開始するのに十分な高さである場合、対象物１０の入口点で最小限のアブレーション噴出土手２０が形成されることがある。
ただし、このプラズマ作成は、必然ではない。 
状況によっては、過渡的かつ一時的なアブレーション穴あけを実行するのに十分な強度のフルエンスレベルを対象物の表面で利用して幅広の傾斜した入口を作成しつつ、オリフィス２２の残りの部分は同一の直径とするのが望ましい場合がある。
このようなオリフィスは、一時的なアブレーション加工とそれに続く継続的な光音響圧縮加工とを許容するエネルギーレベルを使用した分散焦点混合型穴あけ方法により作成される。図８を参照されたい。
これは、本発明により、アブレーション加工に必要なフルエンスレベルが傾斜部（または他の形状構成）の所望の深さで消耗するように、材料におけるビームの線形吸収と非線形吸収とをバランスさせたフルエンスレベルを対象物の表面で選択することにより実現できる。
この分散焦点混合型手法では、小さな噴出土手２０ができるが、対象物の表面に犠牲層３０を適用することで除去できる。 
一般的な犠牲層は、ＰＶＡ、メタクリル樹脂、ＰＥＧ等を含むがこれらに限定されない樹脂またはポリマーであり、通常必要な厚さはわずか１〜３００ミクロンである（ただし、透明材料の加工では１０〜３０ミクロンの範囲が利用される）。
犠牲層は、一般的には対象材料の表面に噴霧することにより適用される。 
犠牲層は、技術分野でよく知られているように、溶融したデブリが表面に付着するのを防ぎ、代わりに除去可能な犠牲材料に付着させることにより、対象物１０に噴出土手が形成されるのを防ぐ。図８を参照されたい。
【００５２】
光音響圧縮加工を実現するには、以下のシステムが必要である。
・バーストパルスエンベロープ内に１〜５０のサブパルスを含むプログラミング可能なパルス列を含むビームを生成できるバーストパルスレーザーシステム。
このレーザーシステムはさらに、利用する対象材料に応じて、１〜２００ワットの平均出力を生成できる必要がある。
通常、この範囲は、ホウケイ酸ガラスの場合で５０〜１００ワットである。
・対象材料での入射フルエンスがカー効果の自己集束および伝搬を引き起こすのに十分である弱収束の多焦点空間ビームプロファイルを生成できる分散集束要素装置（正レンズおよび負レンズを含む可能性があるが、全体として正集束効果を有する）。
・対象物にビームを伝えることができる光学伝送システム。
【００５３】
商業運転では、光学系に対して材料（またはビーム）を移動する（またはその逆で移動する）機能、またはシステム制御コンピュータにより駆動される協調／複合動作も必要である。
【００５４】
このシステムを使用して光音響圧縮によりオリフィスを穴あけするには、特定の対象物に対して、分散焦点要素装置の特性、バーストパルスレーザービームの特性、および主焦点の位置の各条件を操作する必要がある。
【００５５】
分散焦点要素装置は、非球面プレート、テレセントリックレンズ、非テレセントリックレンズ、非球面レンズ、アキシコン、環状ファセットレンズ（ａｎｎｕｌａｒｌｙ  ｆａｃｅｔｅｄ  ｌｅｎｓｅｓ）、カスタム研磨収差（不完全）レンズ、正レンズと負レンズとの組み合わせまたは一連の補正プレート（位相シフトマスキング）、入射ビームに対して傾斜した任意の光学要素、ビームの伝搬を操作できる能動補正光学要素など、技術分野で一般的に採用されている多様な既知の集束要素でよい。
上述した光学要素装置候補の主焦点ウエストは、通常は、主焦点ウエストにおいて入射ビームのフルエンスが９０％を超えず、また５０％を下回らない。
【００５６】
ただし、事例によっては、分散焦点要素装置２６の光学効率が９９％に近づくことがある。
図１０は、上述した工程で使用される非球面の収差レンズ３４を示す。
分散焦点要素装置２６の実際の光学効率は、個別の用途ごとに微調節する必要がある。
利用者は、各透明材料、対象物の物理構成および特性、ならびに特定のレーザーパラメータに応じた一群の経験的テーブルを作成する。
炭化ケイ素、ガリウムリン、サファイア、強化ガラス等はそれぞれ独自の値を持つ。
このテーブルは、材料内にフィラメントを作成し（レーザー出力、繰り返し率、焦点位置、およびレンズ特性のパラメータを上述したように調節する）、亀裂面または光音響圧縮加工の軸を誘起してオリフィスを作成するのに十分なフルエンスが存在することを確認することにより実験的に決定される。
【００５７】
ホウケイ酸塩でできた厚さ２ｍｍの単一の平面対象物に、５０μＪのエネルギーと２００ｋＨｚ域の周波数（繰り返し率）でバーストごとに（５０ＭＨｚで）５パルスを出力する５０ワットレーザーを使用して、直径１ミクロンの貫通オリフィスを穴あけするためのサンプル光学効率は、レーザービームの主焦点ウエストが所望の起点から最大５００μｍ離れたところに位置する状態で６５％である。
【００５８】
この光音響圧縮穴あけ工程で満たす必要がある一群の物理パラメータも存在することに注目されたい。
図１１および図１２を参照すると、ビームスポット直径３８＞フィラメント直径４０＞オリフィス直径４２の関係であることがわかる。
さらに、分散ビームの主焦点ウエスト８は、フィラメントが作成される対象材料１０の内部または表面上に位置することはない。
【００５９】
主焦点ウエスト８の位置は、一般に所望の起点から５〜５００μｍ離れた範囲内である。
これは、図６に示すエネルギーダンプ距離３２と呼ばれる。
また、各透明材料に応じた経験的テーブルの作成により、対象物の物理構成および特徴と、レーザーのパラメータとが判断される。
これは、上述した方法により作成されたテーブルより推測される。
【００６０】
レーザービームのエネルギー特性の一例は、次のとおりである。
すなわち、繰り返し率１Ｈｚ〜２ＭＨｚ（繰り返し率により、試料の移動速度と隣接フィラメント間の間隔とが画定される）で、レーザービームのパルスエネルギーは、５μＪ〜１００μＪである。
フィラメントの直径および長さは、各バーストエンベロープ内に存在する一時的エネルギー分散を変更することにより調節できる。
【００６１】
図１７乃至図１９は、バーストパルスレーザー信号の３つの異なる一時的エネルギー分散例を示している。
図１９の上昇および下降するバーストエンベロープ形状は、誘電材料から薄い金属層を除去するのに非常に適した工程制御の特に有益な手段を表している。
【００６２】
図１３乃至図１６を参照すると、本発明の機構が最もよく示されている。
ここでは、バーストピコ秒パルス光を使用している。
これは、対象材料に堆積するエネルギーの総量が低く、光音響圧縮加工が対象材料を亀裂させずに進行できるからである。
また、対象材料で生成される熱が少ないため、効率的な小単位のエネルギーが対象材料に堆積し、よってフィラメントの周囲で材料の完全性を損なうことなく対象材料を基底状態から最大励起状態に漸進的に高めることができるからである。
【００６３】
実際の物理工程は、本明細書で説明するように発生する。
パルスバーストレーザーの入射光ビームの主焦点ウエストが、分散集束要素装置を通じて、フィラメントが作成される対象材料の上方または下方（内部となることはない）の空間の点に提供される。
これにより、対象物の表面にスポットが作成されるとともに、白色光が生成される。
対象物の表面のスポットの直径は、フィラメントの直径および所望の形状（オリフィス、スロット等）の直径を上回る。
したがって、表面のスポットに入射するエネルギーの量は、二次電気光学効果（カー効果―材料の屈折率の変化は、適用される電場に比例する）を生成するための臨界エネルギーよりも大きいが、アブレーション工程を誘起するために必要な臨界エネルギーよりは低く、より明確には、材料の光学破壊のしきい値を下回る。
自己集束条件とプラズマ集束解除条件との間のバランスを維持できるように対象材料で必要な出力を時間的尺度にわたり維持した結果として、光音響圧縮加工が進行する。
この光音響圧縮加工は、均一で高出力なフィラメント形成伝搬工程の結果である。
これにより、材料は、アブレーション工程を介した除去よりも有利に転位される。
したがって、きわめて長いフィラメントの形成が、分散集束要素装置によって作成される空間拡張された副焦点によって誘発され、光学破壊に到達することなく自己集束効果が維持される。
この装置では、多数の周辺光線および近軸光線が、主焦点に対して相対的な異なる空間位置で収束する。
これらの副焦点は、無限空間に延在するが、対象物の厚さに経験的に対応する限られた範囲のみで有用な強度を持つ。
副焦点のエネルギーを、基板表面よりも低いレベルであるがフィラメント事象の能動的な底面であるレベルに集束させることにより、レーザーエネルギーがプラズマによる吸収とデブリによる散乱とを回避しながら、材料の大半にアクセスすることが可能となる。
【００６４】
分散焦点要素装置は、不均等に分散しているように見える入射ビームの焦点を、主焦点ウエストと一連の直線的に配置された副焦点ウエスト（焦点）とを含む分散焦点ビーム経路に発展させるために、入射レーザービームの経路に配置された単一の収差焦点レンズでよい。
これらの焦点の配列は、オリフィス４２の直線軸と共線的である。
なお、主焦点ウエスト８は、対象物１０の表面上または内部に位置することはない。
図１３では、主焦点ウエストが対象材料の上方にあり、図１４では、主焦点ウエストが対象材料の下方にある。
これは、集束されたビームの対称的かつ非線形の特性により、オリフィス４２が主焦点ウエスト８の上方または下方から開始されるからである。
したがって、ビームスポット５２（約１０μｍ離れている）が、対象物１０の表面に存在し、弱い副焦点ウエストが、対象物内に共線的に存在する。
これは、材料が最後の光学要素として機能して、レーザーの電場により対象物の屈折率が変化する際にこれらの焦点を作成するからである。
この分散焦点により、フィラメントラインまたはフィラメント領域６０を形成するようにレーザーエネルギーを材料に堆積させることができる。図１５を参照されたい。
複数の焦点を直線状に配置し、材料を最後のレンズとして機能させることにより、対象材料は、超高速バーストパルスレーザービームを照射されたときに、多数の連続する局所的な加熱を被る。
これにより、直線状に配列された焦点の経路に沿って、材料の局所的な屈折率（詳細には複素屈折率）の変化が熱的に誘起される。
これにより、長くて先細りのないフィラメント６０が対象物に発展し、それに続いて、音響圧縮波が材料の所望の領域を環状に圧縮して、フィラメンテーション経路の周辺に空洞および圧縮された材料のリングが作成される。
次に、レーザービームが再集束し、再集束したレーザービームと副焦点ウエストのエネルギーとの組み合わせによって臨界エネルギーレベルが維持され、この一連の事象が自動的に繰り返されて、縦横比（オリフィスの長さ／オリフィスの直径）が１５００：１で、先細りがほとんどまたは全くなく、オリフィスの入口サイズと出口サイズとが事実上同じ直径であるオリフィスが穴あけされる。
これは、エネルギーを対象材料の上面または内部に集束させ、結果として、フィラメンテーション距離が光学破壊に到達してフィラメンテーションが劣化または停止するまでの短いものとなる先行技術と異なる。
【００６５】
図１６は、空隙を挟んだ３枚の積層構成のプレート状対象物１０のうちの下の２枚へのオリフィスの穴あけを示している。
ここで、主焦点ウエスト８は、最後の対象物１０の下方に位置している。
穴あけは、複数層の構成の上方、下方、または中間から行うことができるが、同じレンズセットおよび曲率を使用した場合は、穴あけ事象は、常に、主焦点ウエストから同じ距離で発生する。
焦点ウエストは、常に、材料の外部にあり、基板表面に達することはない。
【００６６】
光音響圧縮加工を通じてオリフィスを穴あけする方法は、以下の連続するステップにより実現される。
１．レーザー源から、選択的な分散焦点レンズ集束装置を通じてレーザーエネルギーを渡す。
２．レーザー源に対する分散焦点レンズ集束装置の相対的な距離および／または角度を、レーザーエネルギーを分散焦点構成で集束して主焦点ウエストと少なくとも１つの副焦点ウエストとを作成するように調節する。
３．主焦点ウエストが、加工される対象物の表面上または内部に位置しないように、主焦点ウエストまたは対象物を調節する。
４．主焦点ウエストの下方または上方に位置する対象物の表面上のレーザーフルエンスのスポットが、対象物に形成されるフィラメントの直径よりも常に大きな直径となるように、焦点を調節する。
５．光音響圧縮加工が、対象物の所望の内部に確実に伝搬するように、副焦点ウエストのフルエンスレベルを十分な強度および数に調節する。
６．適切な波長、適切なバーストパルス繰り返し率、および適切なバーストパルスエネルギーを有するレーザーパルスの少なくとも１つのバーストを、選択的な分散焦点レンズ集束装置を通じて、レーザー源から対象物に適用する。
ここで、レーザーパルスが対象物の加工の起点に接触するスポットで対象物に適用されるパルスエネルギーまたはフルエンスの総量は、光音響圧縮加工を開始および伝搬するために必要な臨界エネルギーレベルよりも大きいが、アブレーション加工を開始するために必要なしきい値臨界エネルギーレベルよりも低い。
７．所望の加工が完了したら、レーザーパルスのバーストを停止する。
【００６７】
既に述べたように、オリフィスの入口が先細りした特殊なオリフィス構成が、望ましい場合がある。
これは、所望の距離だけアブレーション加工ができるレーザーフルエンスレベルでオリフィスを開始し、アブレーション加工の臨界レベルよりも低く且つ材料の所望の深さまで光音響加工を行うための臨界レベルよりも高いレーザーフルエンスレベルで穴あけを完了することにより実現される。
この種のオリフィス形成では、対象物の表面への除去可能な犠牲層の適用も利用できる。
これにより、噴出土手を犠牲層の上に形成し、後で噴出土手を犠牲層と共に除去することができる。
このようなアブレーション加工と光音響圧縮加工との混合型加工方法によるオリフィスの穴あけは、以下のステップにより実行できる。
なお、ここでは、犠牲層の適用を利用しているが、利用する場合は最初に実行しなくてもよい。
１．対象物の少なくとも１つの表面に犠牲層を適用する。
２．レーザー源から、選択的な分散焦点レンズ集束装置を通じてレーザーエネルギーを渡す。
３．レーザー源に対する分散焦点レンズ集束装置の相対的な距離および／または角度を、レーザーエネルギーを分散焦点構成で集束して主焦点ウエストと少なくとも１つの副焦点ウエストとを作成するように調節する。
４．主焦点ウエストが加工される対象物の表面上または内部に位置しないように、主焦点ウエストまたは対象物を調節する。
５．対象物の表面上のレーザーフルエンスのスポットが主焦点ウエストの下方または上方に位置するように、焦点を調節する。
６．対象物の表面上のレーザーフルエンスのスポットを、対象物に形成されるフィラメントの直径よりも常に大きな直径を有するように調節する。
７．副焦点ウエストのフルエンスレベルが、対象物の所望の内部に光音響圧縮加工を確実に伝搬できる強度および数であることを確認する。
８．適切な波長、適切なバーストパルス繰り返し率、および適切なバーストパルスエネルギーを有するレーザーパルスの少なくとも１つのバーストを、選択的な分散焦点レンズ集束装置を通じて、レーザー源から対象物に適用する。
ここで、レーザーパルスが対象物の加工の起点に接触するスポットで対象物に適用されるパルスエネルギーまたはフルエンスの総量は、アブレーション加工を所望の深さまで開始するために必要な臨界エネルギーレベルよりも大きく、その後、アブレーション加工により穴あけされたオリフィスの底部におけるフルエンスエネルギーは、フィラメンテーションおよび光音響圧縮加工を開始および伝搬するために必要な臨界エネルギーレベルよりも大きいが、アブレーション加工を開始するために必要なしきい値臨界エネルギーレベルよりも低い。
９．所望の加工が完了したら、レーザーパルスのバーストとフィラメンテーションとを停止する。
【００６８】
レーザー特性、主焦点ウエストの位置、ならびに最終的な集束レンズの配置および作成されるオリフィスの特徴のさまざまなパラメータを、次の表に示す。
これらは、対象材料の種類、対象材料の厚さ、ならびに所望のオリフィスのサイズおよび位置によって値が大きく異なるため、範囲で表されていることに注意されたい。
次の表は、多様な透明材料のいずれかに均一のオリフィスを穴あけするために使用される、さまざまなシステム変数の範囲を詳細に示している。
【００６９】
＜レーザー特性＞
波長                                  ５ミクロン以下
パルス幅                              １０ナノ秒以下
周波数（レーザーパルス繰り返し率）    １Ｈｚ〜２ＭＨｚ
平均出力                              ２００〜１ワット
バーストごとのサブパルス数            １〜５０
サブパルス間隔                        １ナノ秒〜１０マイクロ秒
パルスエネルギー                      ５マイクロジュール（μＪ）〜５００マイクジ
ュール（μＪ）（平均出力／繰り返し率）ワッ
ト／１／秒
＜オリフィス特性＞
最小オリフィス直径                    ．５ミクロン
最大オリフィス直径                    ５０ミクロン
最大オリフィス深さ                    ホウケイ酸ガラスで１０ｍｍ
典型的な縦横比                        １５００：１
最大縦横比                            ３０００：１
収差レンズ比率                        レンズのＣｘ：Ｃｙ比率が−５〜４，０００
オリフィス側壁の円滑性（材料非依存）  ５ミクロン未満の平均粗さ（Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｓ
ｉＮ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＰ等）
オリフィス側壁の先細り（材料非依存）  深さ１０，０００ミクロンで無視できる程度
＜ビーム特性＞
焦点分散                              −５〜４，０００
Ｍ２                                  １．００〜５．００
【００７０】
既に述べたように、上記パラメータは対象物によって異なる。
使用可能な例として、透明基板に３ミクロンの穴を深さ２ｍｍで穴あけするには、装置およびパラメータとして、波長１０６４ｎｍのレーザー、６５ワットの平均出力、１００ｋＨｚの繰り返し率、８０μＪのパルスエネルギー、およびバースト内の周波数５０ＭＨｚで８個のサブパルスを使用する。
【００７１】
たとえば、パルス幅が１０ピコ秒と仮定した場合のパルス出力は、８０μＪを１０ピコ秒で除算し、８ＭＷ（ＭＷ＝メガワット）となる。
これを、２ｍｍの空間（フィラメント活性領域が長さ２ｍｍ）にわたって焦点を分散させる収差レンズで、基板の表面の５〜５００μｍ上方または下方で集束させる。
【００７２】
レーザー加工システム
複数の種類のレーザー加工システムが現時点で利用可能であることが、技術分野でよく知られている。 
すべてのレーザー加工システムは、少なくとも２つの共通点を持つ。
すなわち、ワーク上の入射レーザービームの位置を変えることと、レーザービームの集束、出力、および伝送のさまざまなパラメータを調節できることである。
これらのレーザー加工システムは、レーザービームに対してワークを動かすか（たとえば、Ｘ−Ｙ面で移動可能なテーブルを使用）、ワークに対してレーザービームを動かすか（たとえば、ステアリングミラーを使用）、または両手法の組み合わせを利用できる。
図２０は、ＨＤＤプラッタまたはシートのガラス基板にフィラメントを形成できるレーザー加工システム７０の例を表す。
このレーザー加工システムは、好ましくは、１００ピコ秒未満のパルス幅で連続的なバーストモードパルスを供給できる、適切な一群のビームステアリング光学系を備えた超高速レーザー７２を含む。
これにより、ＸＹ面の回転ステージ（シータ、θ）、３Ｄ  ＸＹＺ移動ステージ、および、レーザービームまたは部品をＹ軸に対して傾斜させる軸（ガンマ、γ）を協調制御構造で含む多軸回転移動ステージにレーザービームを伝送できる。
図示された例示的な実施形態では、レーザービームは、調節光学系７４（たとえば、追加で調節または操作され得る弱集束スポットを提供できる正レンズ、負レンズ、または、レンズの組み合わせ）、ビームサンプリングミラー７６、電力計７８、Ｘ−Ｙスキャナ８０、最終集束レンズ８２、および表面や内部に回路要素を有する基板等のワーク８６を位置決めするサーボ制御ステージ８４により操作される。
以下で詳細に説明する制御処理ユニット８８は、本明細書で開示されるレーザーフィラメンテーションおよび切削システムの実施形態７０を制御するために利用される。
フィラメントの位置および深さは、一定の作動距離を維持するオートフォーカス構成（たとえば、位置検知装置を使用）により制御できる。
【００７３】
図２１は、制御処理ユニット８８の例示的な実装を示す。
この制御処理ユニット８８は、１または複数のプロセッサ９０（たとえば、ＣＰＵ／マイクロプロセッサ）と、バス９２と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）および／または読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）を含むメモリ９４と、１または複数のオプションの内部ストレージ装置９６（たとえば、ハードディスクドライブ、コンパクトディスクドライブ、または内部フラッシュメモリ）と、電源９８と、１または複数のオプションの通信インターフェイス１００と、オプションの外部ストレージ１０２と、オプションのディスプレイ１０４と、さまざまなオプションの入力／出力装置および／またはインターフェイス１０６（たとえば、受信機、送信機、スピーカ、デジタル静止画像カメラやデジタルビデオカメラで使用されている画像センサ、出力ポート、ならびにキーボード、キーパッド、マウス、位置追跡スタイラス、位置追跡プローブ、フットスイッチ、および／または音声命令をキャプチャするためのマイク等のユーザー入力装置）とを含む。
制御処理ユニット８８は、１または複数のレーザーシステム７２、レーザー走査／位置決めシステム８０、サーボ制御ステージ８４（基板の位置決めシステム）、および測定センサまたは撮像装置等の１または複数の測定装置またはシステム１０８とやり取りする。
【００７４】
図２１では、各コンポーネントが１つだけ示されているが、制御処理ユニット８８には各コンポーネントを任意の数だけ含めることができる。
たとえば、コンピュータは、通常、複数の異なるデータストレージメディアを含む。
さらに、バス９２は、すべての構成要素間の単一の接続として描かれているが、２つ以上の構成要素を結び付ける１または複数の回路、装置、または通信チャネルを表す可能性があることが理解される。
たとえば、パーソナルコンピュータでは、バス９２は、しばしばマザーボードを含むか、またはマザーボードである。
【００７５】
一実施形態では、制御処理ユニット８８は、汎用コンピュータもしくは他の任意のハードウェア等価物であり、またはそれらを含む。
制御処理ユニット８８は、１または複数の通信チャネルまたはインターフェイスを通じてプロセッサ９０に連結された１または複数の物理装置として実装されることもある。
たとえば、制御処理ユニット８８は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を使用して実装することができる。
代替で、制御処理ユニット８８は、ハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせとして実装することができる。
ソフトウェアは、メモリから、またはネットワーク接続を介して、プロセッサに読み込まれる。
【００７６】
制御処理ユニット８８は、プロセッサ９０で実行されたときに本開示に記載された１または複数の方法をシステムに実行させる一連の命令を使用してプログラムすることができる。
制御処理ユニット８８は、図示されているよりもはるかに多い構成要素を含む場合や、はるかに少ない構成要素を含む場合もある。
図示されていないが、量産効果、反射性、分割効率等のパラメータ入力に基づいて基板で実行される一連の切削をすべて準備する３Ｄモデリングシステムを処理ユニットに組み込むこともできる。
【００７７】
いくつかの実施形態について完全に機能するコンピュータおよびコンピュータシステムの文脈で説明したが、当業者は、さまざまな実施形態をさまざまな形式のプログラム製品として分散させることができ、実際の分散に使用されるマシンまたはコンピュータ読み取り可能媒体の種類に関係なく適用できることを理解する。
【００７８】
コンピュータ読み取り可能媒体は、データ処理システムによって実行されたときにさまざまな方法をシステムに実行させるソフトウェアおよびデータを格納するために使用することができる。 
実行可能なソフトウェアおよびデータは、ＲＯＭ、揮発性ＲＡＭ、不揮発性メモリ、キャッシュ等を含むさまざまな場所に格納することができる。
このソフトウェアおよび／またはデータの一部分を、これらのストレージ装置のいずれかに格納することができる。
一般に、マシン読み取り可能命令は、マシン（たとえば、コンピュータ、ネットワーク装置、個人用デジタル補助装置、製造ツール、１または複数のプロセッサを備えた任意の装置）によりアクセス可能な形式で情報を提供する（すなわち、格納および／または送信する）任意の機構を含む。
【００７９】
コンピュータ読み取り可能媒体の例として、揮発性および不揮発性のメモリ装置、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、フラッシュメモリ装置、フロッピー（登録商標）およびその他のリムーバブルディスク、磁気ディスクストレージ媒体、光学ストレージ媒体（コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）等）等の記録可能型および記録不可型の媒体があるが、これらに限定されない。
搬送波、赤外線信号、デジタル信号等の電気的、光学的、音響的、またはその他の形式の伝搬信号のためのデジタルおよびアナログの通信リンクに、命令を埋め込むことができる。
【００８０】
本開示の一部の側面は、少なくとも部分的に、ソフトウェアで実装することができる。
つまり、コンピュータシステムまたは他のデータ処理システムで、ＲＯＭ、揮発性ＲＡＭ、不揮発性メモリ、キャッシュ、磁気ディスク、光学ディスク、リモートストレージ装置等のメモリに含まれた命令のシーケンスを実行するマイクロプロセッサ等のプロセッサに応じて、手法を実行することができる。
さらに、命令はデータネットワークを介してコンパイル版またはリンク版としてコンピューティング装置にダウンロードすることができる。
代替で、上述した工程を実行するロジックを、追加のコンピュータおよび／またはマシン読み取り可能媒体、大規模集積回路（ＬＳＩ）や特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの個別のハードウェアコンポーネント、または電気的消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）やフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのファームウェアで実装することもできる。
【００８１】
図２２および図２３は、非テレセントリックレンズ（図２２）およびテレセントリックレンズ１１２（図２３）を使用して、Ｘ−Ｙスキャナ８０の制御を通じて複数の軸を制御する機能を示す例示的な実施形態を示している。
非テレセントリックレンズ１１０の場合、非視野補正レンズに存在する自然な歪みにより、角度のついたフィラメントパスを作成することができる。
Ｘ（γ、ガンマ）軸を中心とした回転を実行して、表面または内部に回路を備えた基板等のワーク８６の内部に、傾斜したフィラメント改質領域（１１４、１１６）を提供することができる。
他の光学構成を使用できることを理解されたい。
【００８２】
図２４は、ワーク８６を支持するサーボ制御ステージ８４（図示せず）が回転してワークの表面（たとえば、基板の表面）に対して傾斜したフィラメントを生成する、代替の実施形態を示している。
この実施形態は、走査レンズを利用する装置の実施形態と同様の結果を作り出すために、ビーム入射角に対して傾斜した試料を提供するように構成されている。
【００８３】
図２５は、部品のシンギュレーションに適したレーザーシステムのレイアウトを示している。
レーザー７２は、たとえば、約５μＪ〜５００ｍＪのエネルギーを含むバーストパルスを約２．５〜５０ＭＨｚの繰り返し率で提供することができる。
バーストエンベロープのパルスの数が増えると、平均出力が増加し、光学系への損傷が防止される。
たとえば、図１７乃至１９に示すように、複数のサブパルスをバーストエンベロープで使用し、各パルスの個別のエネルギーを低くしつつ、繰り返しごとの総エネルギーを実質的に増やすことができる。
こうすることで、光学系が過剰な出力レベルに起因する損傷から保護される。
【００８４】
花崗岩ライザ１１８は、業界で一般に使用されているように、機械的な振動を緩衝する反応物質として設計されている。
これは、ステージの上方の光学系がステージに対してＸまたはＹの１つの軸に沿って、ステージと協調して移動できるようにするブリッジ等である。
花崗岩ベース１２０は、レーザーシステムの任意またはすべての構成要素を支持する反応物質を提供する。
一部の実施形態では、操作装置１２２は、安定性の理由により、レーザーシステムから振動的に分離されている。
【００８５】
Ｚ軸モニタ駆動装置１２４は、光学系（調節、集束、および必要に応じて走査を行う光学系）をＸ−Ｙサーボ制御ステージ８４に対してＺ軸方向で移動するために設けられている。
この動きは、Ｘ−Ｙサーボ制御ステージ８４、オーバーヘッドの花崗岩ブリッジのＸ動作またはＹ動作、および加工する試料材料を保持する花崗岩ベース１２０上のステージのＸＹ動作と協調させることができる。
【００８６】
ステージ８４は、たとえば、傾斜軸ガンマ（「ヨー」）を備えたＸＹステージおよびシータステージを含む。 
ステージ８４の動きは、大きなマザーシートから所望の部品形状を作成するために、たとえば、制御コンピューティングシステムによって調節される。
測定装置１０８は、たとえば、切削後の縁部品質のマッピング、サイズ設定、および／または確認のために、工程後もしくは工程前（または両方）の測定を行う。
【００８７】
図２６（ａ）乃至図２６（ｄ）は、縁部が傾斜した内部形状を作成するための傾斜切り欠きアプローチを示している。
このアプローチは、所望の角度付き結果を実現するためのシンギュレーション後の加工を必要としない。
【００８８】
図２６（ａ）乃至図２６（ｃ）で、ビームトラックは、シータ軸１２６を中心とする回転を通じて実現される。
レーザービーム１２７の入射角は、固定され、最終的な部品の縁部１２８で望まれる傾斜と等価である。
この非限定の実施形態は、フィラメントアレイによる複雑な切り欠きの作成をサポートする装置として、傾斜のついた切削と、回転ステージの移動とを可能にする。
【００８９】
図２６（ｄ）は、異なる角度の複数のフィラメントを形成するレーザービーム１３２による面取り部品１３０の形成の例示的な実施形態を示している。
レーザービームおよびフィラメントパスを制御して、さまざまな角度の面取り縁部または傾斜した縁部を形成できることを理解されたい。
協調した（並列）形成の場合、光学系を通じてレーザービームを分割および誘導して、垂直とは異なる角度で対象物に到達する複数のビームパスを垂直の入射レーザービームと共に実現して、３面の縁部または面取りを作成することができる。
【００９０】
面取りは、たとえば、工程によって許容される分離の程度に基づいて、２つ以上の面で作成できることが理解される。
いくつかの例示的な構成を図２６（ｅ）に示す。
【００９１】
一部の実施形態では、以下に説明するように、１つのレーザービーム（およびビーム分離光学系）で両方のスクライビングステップを同時に実行できるようにレーザー加工システムを構成することができる。
このとき、レーザービームが十分な出力を備えていることが条件となる。
たとえば、平均出力が約７５Ｗのレーザービームは、すべての加工ステップを同時に実行するのに十分である。
【００９２】
多軸回転移動制御を備え、バースト超高速のレーザーパルスによるフィラメンテーションを利用して光音響圧縮加工を実現する上述した装置は、（磁気媒体で被覆されたガラス基板から）閉じた形状を切り出してガラス製ＨＤＤプラッタ等の製品を作成するために、さまざまな焦点位置、非垂直の入射角、および可変のレシピ制御位置でビームをワークに与えてフィラメントアレイの曲線部分を作成する目的で利用することができる。
これを現在利用されているレーザーアブレーション加工手法で行うことは不可能である。
当業者は、これらすべての軸がすべての用途に必要なわけではないこと、および一部の用途では簡素なシステム構成のほうが恩恵があることを理解する。
さらに、示された装置は、本開示の実施形態の１つに過ぎないこと、およびそのような実施形態は、本開示の範囲から逸脱することなく、さまざまな基板、用途、および、部品提供スキームのために装置製造業者によって変更、改良、または組み合わせられることが理解される。
【００９３】
マイクロチップ作製方法
電気／機械マイクロチップは、個別の透明基板ウエハを結合することによって形成される。
電気／機械マイクロチップは、シリコン、ガラス、または他の透明基板で作成することができる。
個別の透明基板ウエハは、その内部や表面、および／または貫通して設けられた回路要素を含む。
機械装置をウエハの内部または表面に配置することもできる。
ウエハは、１０ミクロンの薄さである（厚さ５０〜５００ミクロンのホウケイ酸ガラスが、典型的に使用される厚さ範囲および基板である）。
各ウエハは、オリフィス、トラフ、チャネル、切削部等を含むようにレーザー加工されている場合とされていない場合とがあり、電極、配線、電線用導管、機械用導管、電気センサ、機械センサ、トランジスタ、コンデンサ、ダイオード、ツェナーダイオード、ショットキーダイオード、リニア電源、スイッチング電源、ブリッジ回路を含む電源回路、化学的解析回路、生物学的解析回路、マイクロ流体チャネル、および他の超小型電子機器を形成するために活性物質または不活性物質の層で被覆されている場合とされていない場合とがある。
これらの多様なウエハを積層すると、マイクロチップ内に動作用の空洞が形成される。
ウエハを階層化して結合する前に、構成要素、接着剤、導電媒質等が挿入される。
【００９４】
状況によっては、構成要素、接着剤、導電媒質等は、ウエハを階層化して結合した後に追加される。
これらのウエハは、基板自体のレーザー溶接、マイクロチップの周囲に添付された金属粉末もしくは薄い金属シートのレーザー溶接、または接着により結合される。
完成したマイクロチップは、危険区域で使い捨ての「スマートダスト」センサとして利用することができる。
また、電子装置の単なるプリント基板として機能することもできる。
【００９５】
図２７では、基板１９０に、先細りオリフィス１６８が含まれている。
このオリフィスは、粒子をサイズ分類したり、気体を経路に流し込んだり、導電性媒質を下方のウエハの空洞に注入できるようにしたり、構成要素を収容したりするために使用することができる。
図２８は、サイズセパレータまたはフィルタ１６６が貫通して形成された加工済みの透明な平面基板１８０を示している。
サイズセパレータ１６６の下には、基板１７０に形成された円錐台形状のファンネル１６８Ｆが位置合わせされる。図２９を参照されたい。
これにより、試料をサイズに応じて収集し、何らかの種類の試料収集解析のために２レベル下のウエハの経路に送ることができる。
そのような試料採取装置または解析装置をガラスで作成し、安価なＲＦＩＤチップを取り付けて情報をワイヤレスで伝送するようにした場合、その装置を化学物質または放射性物質のタンクに入れ、解析と報告を行い、その後はマイクロチップをタンク内に放置することができる。
【００９６】
図３０の基板ウエハ１６０を図３１のウエハ１５０の上に直接配置した場合、構成要素取付挿入部１６２（基板１６０を貫通）が経路１５２の上に位置し、両方のウエハのオリフィス１５４が位置合わせされる。
電極１５８、１５８には、もちろん、図示されていない何らかの手段を通じて電力が供給される。
構成要素取付挿入部１６２は、経路１５２に係合し、経路１５２から電力が供給される。
これにより、ＬＥＤやレーザーなどの構成要素を、電源より複数枚上のウエハに配置することができる。
【００９７】
図３０のウエハ１６０は、図３１のウエハ１５０の上に配置される。
オリフィス１５４は、位置合わせされ、基板間の電気通信を可能にする導電性媒質を挿入するポイントとして機能することができる。
オリフィス１６４は、試料採取を目的として、（図２９のファンネル１６８Ｆから供給された）気体／流体媒質を経路１５２に導入することができる。
解析器は、空洞１５６に配置することができる。
【００９８】
図３１は、ウエハを通る経路であるチャネル１５２を形成するように加工された透明な平面基板からなるウエハ１５０の斜視図である。 
このウエハは、４つの構成要素取付用オリフィス（穴）１５４も備える。
このウエハ１５０を他の未加工のウエハで挟んだ場合、液体／気体を渡すための経路またはチャネル１５２が形成される（マイクロ流体チャネル）。
または、経路１５２に導電性媒質を高圧で注入した場合、大きな空洞１５６に配置された構成要素に電気信号を伝えることができる。
２つの電極１５８、１５８が経路１５２の両端に形成されていることに注目されたい。
電極１５８、１５８は、フォトリソグラフィ手法を使用して、ガラス基板１５０の上に印刷されているのが好ましい。
ガラス基板１５０の上に位置する電極１５８の高さは低く、よって、通常は、これらの電極を隠すための溝を作成する必要はない。
ガラス基板１５０の上に電極が位置していることで、ガラス基板どうしをさらに結合および溶接することができる。
【００９９】
または、溝を有するガラス基板の内部に電極を埋め込むこともできる。
または、ガラス基板１５０に加工された空洞の内部に電極を設けてもよい。
電極１５８、１５８は、これらの電極の下の空洞がウエハ１５０を貫通していないため、独立した上部ウエハを用いるだけで電極の経路を画定することができる。
図３２は、ウエハ基板１４０の複数のセンサ１７０Ａまたは類似の構成要素を示している。
図３２は、チップ用のベース基板１４０を示している。
【０１００】
よって、基板を組み合わせて編成することで、複合チップを形成することができる。
図３３は、図２７乃至図３３の基板の積層である。
図３３は、図２７乃至図３２に示す基板１９０、１８０、１７０、１６０、１５０、および１４０が上から下の順で並んだ、チップの例示的な積層コンビネーションを示している。
最上部の基板は符号１９０で示されており、最下部の基板は符号１４０で示されている。
この複合チップは、接着剤および／またはレーザー溶接により１つに固定される。
この複合チップは、上述したように、および基板によって図示されているように、電気信号および／または物質を伝達する。
図３３に示されているように、これらの基板は、チップの機能（機械的、電気的、生物学的、またはそれらの任意の組み合わせ）に応じて、厚さが異なっていてもよい。
【０１０１】
構成要素を適切に積層し、接着剤またはレーザー溶接を使用して結合することにより、設計および用途に応じて、バイオチップ、ＭＥＭＳ、またはマイクロ流体チャネルとして使用できるチップを製造することができる。 
【０１０２】
超高速レーザーパルスを使用することで、チップをより高度なものとする導波管、体積格子、結合器等を作製することができる。 
【０１０３】
上述したレーザー加工技法を、超高速レーザーパルスのバーストにより基板に形成されたフィラメントを正確に集束するコンピュータ制御のレーザー加工システムの機能と組み合わせて利用することで、個々の層に所望の空洞または切削部を正確に形成することができる。 
オリフィス、切削部、チャネル、リザーバ等を先細りなしで、またデブリや微小亀裂等の付帯的損害なしで切削できることで、さまざまな目的に使用できる隣接した機能を正確かつ密に配置することができる。
フィラメントをウエハに対して相対的に修正することで、ウエハを制限なしで完全切削または部分切削することができる。
コンピュータ化された３Ｄモデリング機能と切削の精度とにより、サイズセパレータ、通気口、ファンネル等に求められるような、鋭角および鈍角を備えた（凹状の形状を含む）多様な空洞を形成することができる。
【０１０４】
透明基板に完全または部分的な空洞を加工する方法は、
透明基板を提供するステップと、
レーザーパルスのバーストを含むレーザービームを提供するステップと、
レーザービームを対象物（透明材料またはウエハ）に集束でき、レーザービームと対象物との間の相対的な移動を可能にするレーザービーム伝送システムを提供するステップと、
レーザービームを透明材料に対して相対的に集束して透明材料の外部にビームウエストを形成するステップであって、透明材料を通過する連続的なレーザーフィラメントを光学破壊なしで形成するのに十分なエネルギー密度が透明材料の内部で維持されるように、透明材料の表面に入射するレーザーパルスが集束されるステップと、 
光音響圧縮加工により、フィラメントを中心として透明材料の一部を完全に通過するオリフィスを穴あけするステップと、
集束されたレーザービームと透明材料との間の相対的な移動をレーザービーム伝送システムにより可能にし、それによって、レーザーフィラメントの位置を移動して、透明材料内のオリフィスにより透明材料の一部を切削し透明ウエハを形成するステップと、
レーザービームをウエハに対して相対的に集束してウエハの外部にビームウエストを形成するステップであって、ウエハを通過する連続的なレーザーフィラメントを光学破壊なしで形成するのに十分なエネルギー密度がウエハの内部で維持されるように、ウエハの表面に入射するレーザーパルスが集束されるステップと、
光音響圧縮加工により、フィラメントを中心としてウエハを完全に通過するオリフィスを穴あけするステップと、
集束されたレーザービームとウエハとの間の相対的な移動をレーザービーム伝送システムにより可能にし、それによって、レーザーフィラメントの位置を移動して、ウエハ内のオリフィスによりトラフ、チャネル、スライス、切削部等をウエハに加工するステップと
により進行する。
【０１０５】
これ以降、組み立てのステップは順序が変わる可能性がある。
各ウエハを加工した後、さまざまな空洞の相乗的形状構成を機能的に実現するように、ウエハを正しい向きおよび位置で積層または積み重ねる。
マイクロチップの設計に応じて、組み立て時に構成要素を挿入する場合や、組み立て後に構成要素を挿入する場合がある。
同様に、導電性媒質、接着剤、化学物質、もしくは触媒を特定の層の特定の空洞に配置するか、またはそれらを組み立て後に適用もしくは注入する場合がある。
その後、ウエハの縁部自体のレーザー溶接またはメタルエッジング（ｍｅｔａｌ  ｅｄｇｉｎｇ）により、ウエハを結合する。
紫外線硬化性の接着剤をウエハの表面に適用し、後日ウエハを結合するために使用することもできる。
ウエハは、加工前または組み立て前に、所望の表面を所望の塗装膜で被覆することができる。
そのような被覆の例として、磁気媒体がある。
【０１０６】
上述したレーザーフィラメント加工工程を調整することで、ガラスまたは他の透明材料のきわめて薄いウエハを作成し、それを加工および積層して複雑な三次元マイクロチップ装置を作成することができる。
これらのマイクロチップは、液体、気体、粒子、電気信号、光学信号、またはその他の信号処理動作を扱う機能を有する。
【０１０７】
このマイクロチップ作製方法は、レーザーによる材料の改質およびエッチングを使用したガラス内部でのチャネル作成など、微細作製のさまざまな問題を解消する。
ウエハのエッチング、マスキング、および銅沈着は不要である。
穴あけされるオリフィスは、サイズの先細り（エッチングされたオリフィスに共通する寸法的問題）がない。
そのため、（オリフィスの基部またはフットプリントが広がらないことで）構成要素間の間隔を狭くし、マイクロチップの全体的なサイズを最小限に抑えることができる。
ウエハの厚さは、１０ミクロン程度に減らすことができる。
ガラスは、粗くて多孔質なプラスチックよりも、マイクロチップにはるかに適した材料である。
実際、ガラスは負電荷を有し、プラスチックにはない光透過性を備える。
さらに、一部の化学物質はプラスチックと相互作用する。
【０１０８】
本発明は、プリンタヘッドの微細作製で穴をあけるために使用される。
プリンタヘッドは、プリンタカートリッジの前面であり、カートリッジからのプリンタインクの流れに対応するために穴あけされている。
通常、プリンタヘッドは、シリコンまたはガラスでできている。
現在、プリンタヘッドにインク穴を穴あけまたは穿孔する方法はいくつかあるが、最も一般的なのは、透明な基板材料シートを小径のドリルで高速に穴あけする方法である。
この方法の問題点は、前縁侵食が問題となる場合に、プリンタヘッドに使用される材料が、過剰なデューティサイクルに耐えられるだけのきわめて高い耐摩耗性を備えている必要があるということである。
そのため、丈夫で穴あけに強い材料から作製することが必須となる。
よって作製の際に、この丈夫な基板に起因する破損および切れ味の低下により、ドリルビットを何度も交換することが必要となる。
さらに、小径のドリルは、負荷によってずれたり曲がったりする傾向があり、穴あけされるオリフィスが不適切な間隔になったり、相互に並行でなくなったり、プリンタヘッドの面に対して垂直でなくなったりする可能性がある。
【０１０９】
レーザーアブレーションによるオリフィスの切削はある程度有効だが、表面の開口周囲に噴出物が残り、また側壁が平行なオリフィスを穴あけできない。
【０１１０】
プリンタのオリフィスのサイズおよび形状が変化するにつれ、印刷されるものは不明瞭になる。
オリフィスの壁の粗さが進行するにつれ、インクを流すために必要な圧力も増加する。
オリフィスの壁が平行でない場合、オリフィス全体で圧力の差異が生じ、それによって当該オリフィスからインクが他の平行な側壁を有するオリフィスと同じように流れなくなる。
つまり、プリンタヘッドの理想的なオリフィスは、明確に画定された円形の開口部を有し、プリンタヘッドの前面に対して垂直であり、等間隔に設けられており、開口部を中心とした噴出物が最小限であり、滑らかで平行な（先細りのない）側壁を有する。
【０１１１】
プリンタヘッドの既存の作製方法のもう１つの問題は、開口部に損傷または粗さが残り、開口部から放射状に広がる大量の微小亀裂が生じることである。
【０１１２】
従来の方法では、要求される明瞭な解像度を実現することができない。
【０１１３】
図３４は、プリンタヘッドの３つのオリフィス１８５の拡大写真である。
図３４を参照すると、プリンタヘッド１８３に穴あけされたオリフィス１８５が、きわめてクリーンな外縁１８７を有することがわかる。
このような精度でオリフィスを穴あけすることにより、プリンタからのインクの流れをより厳密に規制できるため、はるかに高い解像度の画像を印刷することができる。
【０１１４】
光学破壊を避けるため、レーザーは常に正確に集束する必要がある。光学破壊が発生すると、オリフィスの始点に大きな噴出土手が作成され、それを研磨して除去することが必要となると共に、閉形状および／または基板に付帯的損傷が及ぶ可能性がある。
【０１１５】
第３の例として、同じ穴を、超小型電子技術で頻繁に使用される薄いガラス上のビアホールとして使用することができる。
動作周波数が限界まで高められているＣＰＵの製造では、装置間の内部配線が不必要に長くなると、漏電が生じる可能性がある。
必要なトランジスタ（それ自体のサイズも限界まで縮小されている）は増えており、そのような要件に対応するための最良の方法は、基板を積層することである。
基板を積層する際に、電子もしくは正孔の移動または電界による誘導を回避しつつ、ＣＰＵの内部で生成される熱に耐えるには、ガラスが絶縁体として最善である。
積層のあるレベルから隣接するレベルへの通信は、ビアを通じて行うことができる。
本発明では、１秒間に約１０，０００個の微細穴を作成することができる。
【０１１６】
本発明は、以上の説明または図面に示された構成要素の配置に用途が限定されるわけではないことを理解されたい。
本発明は、他の実施形態に対応し、さまざまな異なる順序のステップで実現および実行できる。
また、本明細書で採用されている表現および用語は、説明を目的としたものであり、限定とみなされるべきものではないことを理解されたい。
よって当業者は、本開示の基になっている概念が、本発明の複数の目的を実行するための他の構造、方法、およびシステムを設計するための基盤として容易に利用できることを理解する。
したがって、特許請求の範囲については、本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、そのような等価の構造物を含んでいるとみなすことが重要である。
【符号の説明】
【０１１７】
２  ・・・入射レーザービーム
４  ・・・最終レンズ
８  ・・・主焦点ウエスト
１０  ・・・透明な対象基板
１６  ・・・光学破壊に到達
２０  ・・・アブレーション噴出土手
２２  ・・・オリフィス
２４  ・・・副焦点ウエスト
２６  ・・・分散集束要素装置
３０  ・・・犠牲層
３２  ・・・エネルギーダンプ距離
３８  ・・・スポット直径
４０  ・・・フィラメント直径
４６  ・・・分散焦点ビームパス
５０  ・・・副焦点ウエスト
５２  ・・・スポット
６０  ・・・フィラメント領域
７４  ・・・調節光学系
７８  ・・・電力計
８０  ・・・Ｘ−Ｙスキャナ（移動または固定）
８２  ・・・レンズ
８４  ・・・サーボ制御ステージ（Ｘ−Ｙステージ）
８６  ・・・ワーク
８８  ・・・制御処理ユニット
９０  ・・・プロセッサ
９４  ・・・メモリ
９６  ・・・内部ストレージ
９８  ・・・電源
１００  ・・・共通インターフェイス
１０２  ・・・外部ストレージ
１０４  ・・・ディスプレイ
１０６  ・・・Ｉ／Ｏ装置およびインターフェイス
１０８  ・・・計測装置
１１０  ・・・非テレセントリックレンズ
１１２  ・・・テレセントリックレンズ
１１８、１２０  ・・・花崗岩
１２２  ・・・操作
１２４  ・・・Ｚ軸駆動
１２６  ・・・正常（シータ）軸
１２７  ・・・入射ビーム
１３０  ・・・面取り部
１３２  ・・・入射ビーム
１６６  ・・・フィルタ／サイズセパレータ
１６８Ｆ・・・収集ファンネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６（ａ）】
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【図２６（ｂ）】
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【図２６（ｃ）】
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【図２６（ｄ）】
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【図２６（ｅ）】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【外国語明細書】
2015098054000001.pdf