專利名稱：脈沖激光微沉積圖案形成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及脈沖激光沉積，以及通過脈沖激光沉積形成圖案化材料。
背景技術(shù)：
當(dāng)將脈沖激光用于圖案化材料沉積時，主要的兩類方法是激光誘導(dǎo)順向轉(zhuǎn)移 (LIFT)和激光誘導(dǎo)逆向轉(zhuǎn)移(LIBT)。燒蝕材料通過LIFT沿相同的方向或通過LIBT沿相對于入射激光相反的方向被轉(zhuǎn)移至接收基片。在LIFT，靶膜需要被沉積在激光可透的支撐基片上。接收基片被放置成面向靶膜。從靶支撐基片的未涂層側(cè)入射的激光束導(dǎo)致靶膜中的燒蝕。燒蝕材料沿與激光相同的方向被順向轉(zhuǎn)移，并且被轉(zhuǎn)移至接收基片。在LIBT設(shè)置中，幾何方向是相反的。激光首先被引導(dǎo)通過激光可透的接收基片并且聚焦在靶上。靶可以是由希望的靶材制成的板。在燒蝕后，燒蝕材料沿與入射激光束相反的方向被逆向轉(zhuǎn)移并且沉積在接收基片上。若干LIFT方法披露于例如專利權(quán)人為Mayer的美國專利4，752，455和 6，159，832，專利權(quán)人為Williams等人的美國專利4，987，006，和專利權(quán)人為Chrisey等人的美國專利6，177，151和6，766，764中。幾個LIBT方法披露于專利權(quán)人為Yu等人的美國專利5，173，441，專利權(quán)人為Hanada等人的日本專利2005-79245，和Liu等人申請的美國專利申請2007/0243328中。激光誘導(dǎo)等離子體輔助燒蝕已被用于金屬靶的顏色標(biāo)記，如Hanata等人的 "Colour marking of transparent materials by laser-induced-plasma-assisted ablation (LIPAA) Journal of Physics =Conference Series 59 (2007)，687—690 所披露。 測試了各種激光，并且產(chǎn)生了各種皮秒、納秒和飛秒輸出，最大重復(fù)頻率為ΙΟΚΗζ。對于該 RGB處理，結(jié)果表明在激光標(biāo)記行業(yè)中，傳統(tǒng)的納秒脈沖寬度對于高質(zhì)量和有成本效益的標(biāo)記具有很大的潛力。上述方法的一個目的是材料的精確和圖案化沉積。如果應(yīng)用于印刷(打印)，這些方法是二元的并且會提供開/關(guān)效果或可視的黑/白效果。為了在較大的灰度范圍上印制位像，需要滿足兩個要求(i)足夠數(shù)量的灰度級和(ii)實際可接受的印制速度。Shah等人發(fā)明、受讓給本申請的受讓人的最近國際專利申請W02008/091898披露了在固體表面上超短脈沖激光印制圖像的方法。該方法是基于由超短脈沖激光與固體表面的相互作用引起的表面織構(gòu)。在激光能流和曝光時間(每單位面積的平均功率)的一范圍中，在激光照射后可產(chǎn)生幾種類型的表面紋理，包括波紋、柱、孔和多種類型的隨機微突起部。這些紋理的受控結(jié)構(gòu)(排列)通過散射、捕獲和吸收光產(chǎn)生可視效果的灰度。該方法不涉及從靶至基片的材料轉(zhuǎn)移。LIFT、LIBT和LIPAA系統(tǒng)已經(jīng)使用了在IkHz重復(fù)頻率下的Nd:YAG， Ti = Sapphire (藍(lán)寶石)，并且用基于NdYVO4的系統(tǒng)可高達(dá)約IOKHz。由于低重復(fù)頻率的原因，宏觀尺度上形成高分辨率的圖案或圖像可能要花可達(dá)上千分鐘的時間，限制了這些方法的應(yīng)用。此外，如上文所述，很多系統(tǒng)限于產(chǎn)生二元圖案。

發(fā)明內(nèi)容
一個或多個實施例的一個目的是在透明基片上精確沉積材料，其中位置和厚度均處于控制之下。所述基片可以是玻璃，或其它合適的介質(zhì)。至少一個實施例提供了一種LIBT方法，用于以高速度在透明介質(zhì)上形成圖案。在不同的實施例中，控制沉積材料的位置和厚度以改變介質(zhì)區(qū)域的光密度，使得通過照明介質(zhì)可獲得灰度圖像。舉例來說，沉積材料的位置和厚度在介質(zhì)的微觀區(qū)域上受到控制，并且當(dāng)通過肉眼或以低倍率觀察時介質(zhì)上反射系數(shù)的相關(guān)變化產(chǎn)生可視效果的灰度和可識別圖像?？刹捎弥車蚴芸卣彰?。在不同的實施例中，接收基片被放置成靠近靶板并與靶板相對。激光束被引導(dǎo)通過接收基片并且在靶上聚焦，使得材料被燒蝕并且逆向轉(zhuǎn)移至接收基片。另一個目的是在透明基片上激光印制圖像，所述圖像包括但不限于藝術(shù)或攝影圖 (影)像。更具體地說，通過高重復(fù)頻率的超短脈沖激光，可以實現(xiàn)可視效果的灰度和快速的印制速度。在不同的實施例中，通過改變材料沉積產(chǎn)生灰度，以便根據(jù)沉積的厚度改變印制圖案的光透射和反射。通過控制激光參數(shù)可連續(xù)地控制厚度。利用高重復(fù)頻率激光使得在激光照射下的靶能夠在聚焦光斑直徑上接收可變數(shù)量的激光脈沖。在不同的實施例中，在印制過程中通過兩種方式改變沉積量(i)改變激光束掃描速度同時保持恒定的掃描線密度，( )改變激光掃描線密度同時保持恒定的激光束掃描速度。第一種方式提供用于印制藝術(shù)、攝影等等的位像。第二種方式提供用于印制矢量圖形例如文字圖案和簡單的幾何圖形。不同的實施例提供了快速的印制速度。例如，在激光重復(fù)頻率為IMHz的實施例中，2x2平方英寸的圖像在20秒到1分鐘內(nèi)印制完成。通過具有IkHz重復(fù)頻率的其它激光，所述印制會花費可達(dá)上千分鐘的時間。在不同的實施例中，可以在空氣中進(jìn)行PLD圖案形成，并且不需要真空腔。在一些實施例中，可采用真空或一些其它的氣壓控制，例如干空氣的氣流。靶材料可以是金屬，例如鋼、鋁或銅。鋼會對印制的圖像提供呈褐色的顏色。還可以使用介電材料，包括但不限于硅和碳。另一個目的是通過功能(型)靶材料印制圖案。所述材料除了改變光透射或反射外還提供特殊的功能。在至少一個實施例中，使用由磷光體材料制成的靶，使得印制圖像在室內(nèi)照明或日光照射下幾乎不可見，并且只在通過UV光的特殊照射下所述圖像變得可見。


圖1示意性地示出了用于脈沖激光微沉積圖案形成的結(jié)構(gòu)。
圖2示意性地示出了用于脈沖激光微沉積材料以提供不同光密度的圖案的結(jié)構(gòu) (裝置)的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。圖3是示出印制圖案的兩個光學(xué)顯微鏡圖像的示例。圖4是示出用鋼板作為靶印制在2-英寸玻璃晶圓上的兩個圖像的示例。圖5是示出利用由磷光體材料制成的靶在Ixl平方英寸的玻璃晶圓上印制的文字的示例。
具體實施例方式圖1示意性地示出了用于脈沖激光微沉積圖案形成的結(jié)構(gòu)的一部分，并且提供了激光-材料相互作用的圖示。在本示例中，激光束1被引導(dǎo)通過透明介質(zhì)2(例如玻璃基片)，并且在靶3上聚焦。燒蝕除去了焦點4處的材料并且產(chǎn)生小凹陷處(不按比例)。在本示例中，燒蝕材料尤其是噴出物5逆向轉(zhuǎn)移，大體沿與激光入射方向相反的方向傳播。材料被沉積在基片上，例如面向靶的表面。在至少一個實施例中，基片被設(shè)置在靶附近，以便在靶和接收基片2之間留有小間隙。通過在基片和靶之間插入不同厚度的間隔裝置可以調(diào)節(jié)間隙寬度。優(yōu)選小的間隙寬度，例如小于約10微米，以提供高的圖像分辨率。在實踐中，基片可被放置成與靶直接接觸。在這種情況，從在光滑的靶表面和基片之間經(jīng)常出現(xiàn)的干涉條紋判斷，間隙寬度約為1 微米。在一些實施例中，通過提供分隔的間隙將介質(zhì)和靶間隔開。間隙可以填充有周圍空氣或流動的干空氣。在一些實施例中，間隙可以填充有惰性氣體，例如氮氣或氬氣?？梢钥刂崎g隙內(nèi)的物理參數(shù)，例如壓力。當(dāng)靶表面平滑和有光澤時，基片和靶之間的干涉條紋具有高反差。這些條紋通過調(diào)制激光能流可使印制質(zhì)量下降。一種避免干涉效應(yīng)的方式是使用粗糙的靶表面，例如粒狀表面，使離開靶的反射隨機化。一般，通過大于激光波長的粗糙度，可將干涉效應(yīng)降低至可忽略的水平。再次參見圖1，沉積材料主要集中在激光束掃描線(未示出)的周邊附近。在接收基片上形成雙線6。這是因為在直接激光照射下的高溫和高壓將燒蝕材料向旁邊驅(qū)逐。因此，受激光相互作用影響的介質(zhì)的局部區(qū)域具有一維厚度分布，所述一維厚度分布可通過由具有受控材料沉積的較厚部分包圍低厚度的中心部分表征。舉例來說，沉積所得到的總線寬為激光焦斑尺寸的約2-3倍。對于激光光斑尺寸為直徑20微米，沉積的線寬為約40-60 微米，在不同的實施例中仍足以用于較高分辨率的圖像印制。圖2進(jìn)一步示出了用于材料的脈沖激光微沉積以提供不同光密度的圖案的結(jié)構(gòu) (裝置)的示例。在本示例中，激光7優(yōu)選是高重復(fù)頻率脈沖激光。脈沖選擇器(例如，聲光或電光調(diào)制器(未示出))可被連接至控制器12并用于選擇脈沖以便傳送至靶。使用了激光束掃描器8，在計算機控制下，以形成圖案。掃描器是可控制的，以產(chǎn)生不同的掃描速度。掃描器8可包括兩個掃描鏡9和10，以及聚焦透鏡11，例如f-θ透鏡以提供平直束掃描平面。在一些實施例中可使用遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。掃描器從控制器12接收計算機處理的控制信號。可使用市場上可買到的激光束掃描系統(tǒng)，例如可從SCANLAB America Inc.買到的各種產(chǎn)品，包括掃描頭、具有計算機接口的控制器、和用戶軟件以加載圖像并編輯文字和幾何圖形。
在不同的實施例中，可采用其它的掃描機構(gòu)，單獨或以任何合適的組合，以形成具有不同光密度的預(yù)定空間圖案。例如，聲光偏轉(zhuǎn)器、多邊形、旋轉(zhuǎn)棱鏡等等可使掃描速度進(jìn)一步增大。一些實施例可包括快速和慢速偏轉(zhuǎn)機構(gòu)的組合，以控制沉積同時保持高掃描速度。例如，第一掃描機構(gòu)可沿第一方向以固定的速率掃描，而第二掃描器沿與第一方向相反的方向以第二速率掃描?？梢援a(chǎn)生不同的掃描圖案，包括開孔(tr印armed)和抖動的圖案。所述機構(gòu)已經(jīng)在激光標(biāo)記、鉆孔和微加工中被建議和采用，并且還可被設(shè)置用于脈沖激光微沉積圖案形成。高重復(fù)頻率超短激光為PLD圖案形成提供了一些益處。與納秒脈沖激光燒蝕相比，超短脈沖激光燒蝕要求更少的脈沖能量以達(dá)到燒蝕閾值。可用的超高峰值功率和超短脈沖持續(xù)時間促成了低閾值。例如，幾微焦的飛秒脈沖比幾毫焦的傳統(tǒng)納秒脈沖具有更高的峰值功率。此外，焦斑處的減少的熱影響區(qū)(HAZ)顯著增大了用于燒蝕的能量效率。IMRA America Inc.(本申請的受讓人)披露了若干基于光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有高于IMHz的高重復(fù)頻率，從500飛秒到幾皮秒的超短脈沖持續(xù)時間，和大于10瓦特的高平均功率。各種光纖結(jié)構(gòu)可在市場上得到，如下文所述。通過高激光重復(fù)頻率，例如在IOOkHz到高于IMHz的范圍內(nèi)，在激光束從局部聚焦區(qū)域移走之前，靶在短時間間隔內(nèi)接收多個激光脈沖。例如，對于IMHz重復(fù)頻率、lm/s的激光束掃描速度和直徑為20微米的光斑尺寸，重疊激光脈沖的數(shù)量為約20，相當(dāng)于相鄰光斑之間約95%重疊。脈沖之間具有較近時間間隔(例如1微秒或更小)的多個激光脈沖可產(chǎn)生可考慮用于圖像形成的物理效應(yīng)。例如，(i)沉積的積聚和(ii)空氣間隙中熱量和壓力的積聚值得考慮。通過可變的激光束掃描速度，第一效應(yīng)由于不同的沉積(層)厚度產(chǎn)生不同的光透射和反射，這優(yōu)選以連續(xù)方式控制。厚度的變化以及在透射和/或反射上的相關(guān)變化產(chǎn)生了灰度的視覺效果。第二效應(yīng)涉及觀察到沉積物集中在激光束路徑的周邊附近，如圖1中所示，并且會通過圖3中的示例圖像進(jìn)一步說明。高重復(fù)頻率脈沖激光對于高印制速度也是需要的。傳統(tǒng)固態(tài)激光器例如Q-開關(guān)激光器和基于再生放大器的超短激光系統(tǒng)提供從IOHz到幾十kHz的通常重復(fù)頻率。盡管以IMHz重復(fù)頻率需要約20秒到1分鐘來打印2x2平方英寸的圖像，以IkHz的重復(fù)頻率需要大約一千分鐘使脈沖間具有相同的空間重疊。不同的實施例可采用基于光纖的高重復(fù)頻率超短脈沖激光器，例如由IMRA America Inc.制造的FCPAy Jewel型。激光器具有從IOOkHz到可達(dá)5MHz的重復(fù)頻率， 500fs到IOps的脈沖持續(xù)時間，和可達(dá)到20微焦的脈沖能量。通過直徑為20-30微米的聚焦束光點，該激光器可燒蝕多種金屬、絕緣體和半導(dǎo)體材料。以更高的重復(fù)頻率工作是可行的。Dong等人的發(fā)明名稱為“Highly Rare-Earth-Doped Optical Fibers for Fiber Lasers and Amplifiers，，的美國臨時申請U. S. 61/120，022在此被結(jié)合入本文作為引用?！?22申請中所披露的不同示例包括高度稀土摻雜的增益光纖，具有可達(dá)到約5000dB/m的泵浦光吸收，并且每單位長度的增益在.5-5dB/cm的范圍內(nèi)。不同的摻雜濃度降低了 ％團簇，從而提供高泵浦吸收、大增益、和低光暗化效應(yīng)。所述稀土摻雜的光纖用于構(gòu)造短腔長度光纖激光器，并且用于產(chǎn)生重復(fù)頻率超過IGHz的高能量超短脈沖。通過可利用具有增大的脈沖能量的GHz光纖源，根據(jù)脈沖寬度、能量、光斑尺寸、和平均功率的不同組合可獲得改進(jìn)的質(zhì)量因數(shù)，并且優(yōu)選通過使用全光纖系統(tǒng)。在不同的實施例中，通過分束器和光延遲線的組合可增大重復(fù)頻率。圖3和4示出了灰度的視覺效果。圖3示出了選自圖4(a)中所示的印制藝術(shù)圖像的不同灰度級的兩個顯微鏡部分。在圖3(a)中，兩條亮線通過掃描速度為8-lOm/s的快速激光束掃描得到。回到圖1，沉積材料6對應(yīng)于圖3a中亮線之間的區(qū)域。如上文所解釋，掃描線的白度是由于在激光束的直接照射下高溫和高壓導(dǎo)致的，這迫使噴出物被驅(qū)至旁邊。在圖3(a)中，由于快速掃描速度，相對很少的沉積物留下，尤其是在圖像之上。圖3(b)示出了通過平均0.2m/s的慢速掃描速度制得的三條掃描線，其中在線之間形成厚的多的沉積物，導(dǎo)致暗的總體視覺效果。白色掃描線也存在。因此，不同的激光束掃描速度控制掃描線之間的材料沉積并產(chǎn)生灰度變化。通過這種方式，印制出著名的藝術(shù)圖像并在圖4(a)中示出。五分鎳幣被放在玻璃晶圓旁邊以表示尺寸。在上述的示例中，假設(shè)沉積厚度與激光束掃描速度線性相關(guān)，通過激光束掃描速度的最小增量和最大掃描速度確定灰度級的數(shù)量。例如，通過10m/S的最大掃描速度和 lmm/s的速度增量，沉積量的增量足夠小以產(chǎn)生視覺連續(xù)的灰度。圖4(b)示出了具有不同灰度的三個相同文字圖案的圖像。在本示例中，通過控制掃描線密度同時保持5m/s的恒定激光束掃描速度形成圖案。對于從上到下的三個圖案，掃描線密度分別是每毫米4、8和12條線。這是打印矢量圖形的一個示例。這種圖案形成技術(shù)也適用于填充簡單的幾何形狀。通過改變掃描線密度，可用的灰度級的數(shù)量可超過10。 在不同的實施例中，可設(shè)置至少1單位(10 1)并且可達(dá)到約3-4單位的光密度(0. D.)。在不同的實施例中，利用除改變光的反射或透射外提供功能的材料形成圖案。在圖5中示出了一個示例，其中文字打印在Ixl平方英寸的玻璃晶圓上，靶由磷光體材料制成。這種材料在室內(nèi)光或日光下是白色粉末，但是用UV照射所述材料發(fā)出橙色光。利用該材料作為靶，圖5(a)中打印的文字在室內(nèi)光下幾乎看不見。在圖5(b)中，通過UV照射，文字變得明亮發(fā)光。這證實了在打印過程中保留了原靶材料的發(fā)光特性。在上文的實施例中，保留了靶材料的特殊物理和化學(xué)功能，例如磷光或熒光特性。 盡管材料隨激光照射分解，但原材料的相關(guān)物理和化學(xué)特性沒有被激光燒蝕破壞。超短脈沖提供了所述優(yōu)點。在不支持任何特定理論的情況下，脈沖激光燒蝕的過程可大體被分成若干階段， 包括(i)光吸收，(ii)加熱和相變，和(iii)等離子體膨脹。最終的材料沉積高度取決于激光參數(shù)，所述激光參數(shù)包括脈沖持續(xù)時間、脈沖能量、波長、和重復(fù)頻率，并且還取決于靶材料的類型，例如金屬或絕緣體。在這些因素中，在傳統(tǒng)納秒脈沖激光和超短脈沖激光之間首先考慮和比較脈沖持續(xù)時間，這是因為幾個數(shù)量級的較大差異。對于納秒脈沖激光器例如Q-開關(guān)Nd YAG, Nd YLF,或Nd YVO4激光器，脈沖持續(xù)時間長于固體中電子和離子之間的能量交換的時間量程。時間量程通常是幾十皮秒。納秒激光脈沖用熱方法加熱固體并且導(dǎo)致熱蒸發(fā)和離子化，并且等離子體由激光形成。激光脈沖的尾部還可以進(jìn)一步加熱等離子體，產(chǎn)生幾乎完全分裂成原子和高度離子化的蒸汽羽流， 除了幾滴大液滴之外。在存在大氣的情況下，在燒蝕過程中預(yù)期有強化學(xué)反應(yīng)，例如氧化反應(yīng)，所述強化學(xué)反應(yīng)會改變燒蝕材料的物理和化學(xué)特性。
通過超短脈沖激光具有在幾百飛秒到幾十皮秒范圍內(nèi)的脈沖持續(xù)時間，并且通過激光能流在接近燒蝕閾值的范圍內(nèi)，燒蝕材料可分裂成小顆粒。所述顆?？赡茉诩{米范圍內(nèi)，如在下文所列的參考文獻(xiàn)No. 1-6中所報道。保持了幾個原來的物理和化學(xué)特性，例如結(jié)晶度、化學(xué)成分、和合金成分，如在參考文獻(xiàn)No. 1-3中所報道。因此，可保留功能特性。一些功能特性的示例為發(fā)磷光、電致發(fā)光、以及用于可視顏色效應(yīng)的選擇性的光吸收和發(fā)射。 如圖5的示例所示，所述特性可被開發(fā)用于基于PLD的微沉積和圖案形成。對于適于PLD圖案形成的高重復(fù)頻率源存在很多可能性。上文所述的超短脈沖和各種結(jié)構(gòu)提供精確和可重復(fù)的材料去除。不過，在不同的實施例中，可以采用高重復(fù)頻率皮秒或納秒源。已知通過分束和重組輸出和/或組合多個激光輸出可增大q_開關(guān)源 (q-switched source)的有效重復(fù)頻率。例如，q_開關(guān)激光可具有70KHz的基本重復(fù)頻率， 通過多束激光和/或分束和組合可將所述重復(fù)頻率增大至大大超過ΙΟΟΚΗζ。此外，半導(dǎo)體激光二極管可產(chǎn)生皮秒或納秒脈沖，并且所述二極管能夠以非常高的重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)制， 所述重復(fù)頻率至少為幾十MHz。例如，二極管的輸出可通過光纖放大器被放大，以便將皮秒或納秒脈沖的能量水平增大至微焦的范圍。脈沖選擇器可用于選通脈沖以便放大并傳送至靶。存在許多可能性。在不同的實施例中，金屬靶會被燒蝕，并且不同的激光參數(shù)可被預(yù)先選擇以控制速度和分辨率。舉例來說，通過小于IOOns并且優(yōu)選低于IOps的脈沖寬度以至少約IOOkHz 并且更高的重復(fù)頻率可實施脈沖激光微沉積圖案形成。低于約20μ J的脈沖能量在約 30 μ m的聚焦光斑直徑中提供至少約2. 8J/cm2的能流，并且適于形成各種圖案。所述能流顯著大于很多金屬的燒蝕閾值?？刹捎幂^小的光斑直徑。對于給定的能流，所需的能量隨光斑面積減小，提供對給定平均功率在重復(fù)頻率上的潛在增大，但是增加的掃描時間。在不同的實施例中，通過接近于金屬靶的燒蝕閾值的能流可進(jìn)行材料沉積。因此，發(fā)明人已經(jīng)描述了用于脈沖激光微沉積和圖案形成的方法、系統(tǒng)和材料。至少一個實施例包括一種脈沖激光沉積以便在介質(zhì)上產(chǎn)生圖案的方法，所述介質(zhì)在脈沖激光的波長下基本透明。所述方法包括從脈沖激光源產(chǎn)生脈沖激光束，并且將所述脈沖激光束聚焦到靶上。所述靶產(chǎn)生噴出物來響應(yīng)脈沖激光束和靶的相互作用。所述方法包括積聚至少一部分噴出物在介質(zhì)上以便在介質(zhì)上形成材料沉積物。所述方法包括控制材料沉積物的厚度以改變介質(zhì)的一區(qū)域的光密度，并且形成具有不同的光密度的空間圖案。在不同的實施例中所述方法包括使脈沖激光束透射通過介質(zhì)；相對于介質(zhì)和靶掃描激光束；和改變激光束掃描速度和掃描線密度中的至少一個以控制厚度。至少一部分的圖案可被表征為具有一維厚度分布，所述一維厚度分布具有比緊鄰周圍部分更薄厚度的中心部分，所述周圍部分的厚度被控制以改變光密度。脈沖激光源具有從約IOOkHz到IOOMHz并且可達(dá)到約IGHz的重復(fù)頻率。激光脈沖具有在從約10飛秒至可達(dá)到約100納秒的范圍內(nèi)的脈沖持續(xù)時間。激光脈沖能量在約100納焦到約100微焦的范圍內(nèi)。介質(zhì)包括玻璃、石英、藍(lán)寶石、塑料片材、或聚合物。靶包括金屬，并且所述金屬可包括鋼、鋁、銅、金、銀、和/或鉬。靶包括非金屬，并且所述非金屬可包括碳、硅、和/或有機材料例如聚合物。
靶包括用于發(fā)光的功能材料，所述功能包括磷光體發(fā)光和電致發(fā)光中的一種或多種。靶包括用于彩色印制的材料。靶包括由靶材料制成的結(jié)構(gòu)。靶材料是金屬，并且所述金屬可包括貴金屬。靶材料包括絕緣體，并且所述絕緣體可包括礦物質(zhì)和/或金屬氧化物。激光束掃描速度根據(jù)要印制的圖案的灰度改變。lmm/s-lm/s的激光束掃描速度被用于產(chǎn)生積聚的材料沉積。激光束掃描線密度在1-100條線/每毫米的范圍內(nèi)。介質(zhì)被設(shè)置成與靶接觸，設(shè)置在距靶100微米內(nèi)，或設(shè)置在距靶5mm內(nèi)。光密度對應(yīng)于圖案的數(shù)字化圖像中的至少三個灰度級。靶的表面具有的粗糙度大于激光的波長。圖案包括位像和/或矢量圖形。通過圖案的周圍或受控照射可獲得具有可識別特征的灰度圖像。介質(zhì)被設(shè)置在源和靶之間，并且噴出物沿與激光方向相反的方向傳播。控制包括掃描脈沖激光束和改變掃描速度。控制包括掃描脈沖激光束和改變掃描的線密度。介質(zhì)的位置相對于靶設(shè)置以便控制圖案的空間分辨率?？刂瓢ㄔ诎猩弦粋€或多個光柵和矢量圖形中掃描脈沖束。至少一個脈沖寬度在約IOOfs到約IOps的范圍內(nèi)。至少一個實施例包括一種脈沖激光沉積以便在介質(zhì)上產(chǎn)生具有光密度的圖案的系統(tǒng)，所述介質(zhì)在脈沖激光的波長下基本透明。所述系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生脈沖激光束的高重復(fù)頻率激光源，和激光束傳送系統(tǒng)。所述激光束傳送系統(tǒng)包括聚焦子系統(tǒng)以便將脈沖激光束聚焦到靶上，所述靶產(chǎn)生噴出物來響應(yīng)脈沖束和靶的相互作用。至少一部分所述噴出物積聚在介質(zhì)上并且在介質(zhì)上形成材料沉積物?？刂破鞅贿B接至所述源和激光束傳送系統(tǒng)用于控制材料沉積物的厚度以便改變介質(zhì)的一區(qū)域的光密度。形成了具有不同的光密度的空間圖案。在不同的實施例中傳送系統(tǒng)包括激光束偏轉(zhuǎn)器，并且聚焦子系統(tǒng)包括掃描透鏡?？刂破鞅辉O(shè)置成改變激光束掃描速度和掃描線密度中的至少一個以控制厚度。介質(zhì)和靶通過提供分隔的間隙被分隔開，并且所述間隙可填充有周圍空氣或填充有流動的干空氣、或惰性氣體，例如氮氣或氬氣?？梢钥刂崎g隙內(nèi)的物理參數(shù)，例如壓力。至少一個實施例制造一種產(chǎn)品，所述產(chǎn)品包括其上形成有圖案的介質(zhì)。所述圖案通過上文所述的脈沖激光沉積方法形成。在不同的實施例中，圖案對應(yīng)于數(shù)字化圖像中具有至少三個可察覺灰度級的灰度圖像。至少一個實施例包括一種脈沖激光沉積以便在介質(zhì)上產(chǎn)生圖案的方法，所述介質(zhì)在脈沖激光的波長下基本透明。所述方法包括由脈沖激光源產(chǎn)生脈沖激光束，并且將脈沖激光束聚焦到靶上。所述靶產(chǎn)生噴出物來響應(yīng)脈沖束和靶的相互作用。所述方法包括在介質(zhì)上積聚至少一部分噴出物以便在介質(zhì)上形成材料沉積物。沉積材料包括功能材料，所述功能材料可操作以發(fā)出輻射來響應(yīng)激勵。所述方法包括 控制材料沉積物的厚度以便改變材料沉積物的光學(xué)特性。
在不同的實施例中，功能材料的光學(xué)特性包括發(fā)磷光、電致發(fā)光、和用于可視顏色效應(yīng)的選擇性光吸收和發(fā)射中的一種或多種。所述激勵可包括輻射、例如導(dǎo)致熒光激發(fā)的短波長輻射。因此，盡管本文僅具體描述了某些實施例，但顯而易見，在不偏離本發(fā)明的精神和保護范圍的情況下可對本發(fā)明做出多種修改。此外，首字母縮寫詞僅用于增強說明書和權(quán)利要求書的可讀性。應(yīng)當(dāng)指出，這些首字母縮寫詞并不旨在降低所用術(shù)語的概括性并且不應(yīng)當(dāng)將它們解釋成將權(quán)利要求書的范圍限制于本文所述的實施例。參考的公開文獻(xiàn)
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權(quán)利要求
1.一種脈沖激光沉積以便在介質(zhì)上產(chǎn)生圖案的方法，所述介質(zhì)在所述脈沖激光的波長下基本透明，所述方法包括由脈沖激光源產(chǎn)生脈沖激光束；將所述脈沖激光束聚焦到靶上，所述靶產(chǎn)生噴出物來響應(yīng)所述脈沖激光束和所述靶的相互作用；在所述介質(zhì)上積聚至少一部分所述噴出物以便在所述介質(zhì)上形成材料沉積物；和控制所述材料沉積物的厚度以改變所述介質(zhì)的一區(qū)域的光密度，并且形成具有不同的光密度的空間圖案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括 使所述脈沖激光束透射通過所述介質(zhì)； 相對于所述介質(zhì)和靶掃描所述激光束；和改變激光束掃描速度和掃描線密度中的至少一個以控制所述厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中至少一部分所述圖案可被表征為具有一維厚度分布，所述一維厚度分布具有比緊鄰的周圍部分更薄厚度的中心部分，控制所述周圍部分的厚度以改變光密度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述脈沖激光源具有從約IOOkHz到IGHz的重復(fù)頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述激光脈沖具有在約10飛秒至可達(dá)到約100納秒的范圍內(nèi)的脈沖持續(xù)時間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中激光脈沖能量在約100納焦到約100微焦的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述介質(zhì)包括玻璃、石英、藍(lán)寶石、或聚合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述靶包括金屬。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述金屬包括鋼、鋁、銅、金、銀、或鉬。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述靶包括非金屬。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述非金屬包括碳、硅、或聚合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述靶包括用于發(fā)光的功能材料，所述功能包括磷光體發(fā)光和電致發(fā)光中的一種或多種。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述靶包括用于彩色印制的材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述靶包括由靶材料制成的結(jié)構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述靶材料是金屬。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述金屬包括貴金屬。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述靶材料包括絕緣體。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述絕緣體包括礦物質(zhì)和金屬氧化物中的至少一種。
19.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述激光束掃描速度根據(jù)要印制的圖案的灰度改變。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述激光束掃描速度在約lmm/s-約lm/s的范圍內(nèi)，并且用于產(chǎn)生積聚的材料沉積。
21.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述激光束掃描線密度在1-100條線/每毫米的范圍內(nèi)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述介質(zhì)被放置成與所述靶接觸，或放置在距所述靶可達(dá)到約5毫米的距離處。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述光密度對應(yīng)于所述圖案的數(shù)字化圖像中的至少三個灰度級。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述靶的表面具有的粗糙度大于所述激光的波長。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述圖案包括位像。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述圖案包括矢量圖形。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過所述圖案的周圍或受控照射可獲得具有可識別特征的灰度圖像。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述介質(zhì)被設(shè)置在所述源和所述靶之間，并且所述噴出物沿著與激光方向相反的方向傳播。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述控制步驟包括掃描所述脈沖束和改變所述掃描速度。
30.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述控制步驟包括掃描所述脈沖束和改變所述脈沖束掃描的線密度。
31.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述介質(zhì)的位置相對于所述靶設(shè)置以便控制所述圖案的空間分辨率。
32.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述控制步驟包括在所述靶上一個或多個光柵和矢量圖形中掃描所述脈沖束。
33.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中至少一個脈沖寬度在約IOOfs到約IOps的范圍內(nèi)。
34.一種脈沖激光沉積以便在介質(zhì)上產(chǎn)生具有光密度的圖案的系統(tǒng)，所述介質(zhì)在所述脈沖激光的波長下基本透明，所述系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生脈沖激光束的高重復(fù)頻率激光源；激光束傳送系統(tǒng)，所述激光束傳送系統(tǒng)包括聚焦子系統(tǒng)，以便將所述脈沖激光束聚焦到靶上，所述靶產(chǎn)生噴出物來響應(yīng)所述脈沖束和所述靶的相互作用，其中至少一部分所述噴出物積聚在所述介質(zhì)上并且在所述介質(zhì)上形成材料沉積物；和控制器，所述控制器被連接至所述源和所述激光束傳送系統(tǒng)，用于控制所述材料沉積物的厚度以改變所述介質(zhì)的一區(qū)域的光密度，并且形成具有不同的光密度的空間圖案。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的系統(tǒng)，其中所述傳送系統(tǒng)包括激光束偏轉(zhuǎn)器，并且所述聚焦子系統(tǒng)包括掃描透鏡。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被設(shè)置成改變激光束掃描速度和掃描線密度中的至少一個以控制所述厚度。
37.根據(jù)權(quán)利要求34所述的系統(tǒng)，其中所述介質(zhì)和所述靶通過提供分隔的間隙被分隔開，并且所述間隙被設(shè)置成包含周圍空氣、流動的干空氣或惰性氣體。
38.一種其上形成有圖案的介質(zhì)，所述圖案通過權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積方法形成。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的介質(zhì)，其中所述圖案對應(yīng)于數(shù)字化圖像中具有至少三個可察覺灰度級的灰度圖像。
40.一種脈沖激光沉積以便在介質(zhì)上產(chǎn)生圖案的方法，所述介質(zhì)在所述脈沖激光的波長下基本透明，所述方法包括由脈沖激光源產(chǎn)生脈沖激光束；將所述脈沖激光束聚焦到靶上，所述靶產(chǎn)生噴出物來響應(yīng)所述脈沖束和所述靶的相互作用；至少一部分所述噴出物積聚在所述介質(zhì)上以便在所述介質(zhì)上形成材料沉積物；所述沉積物包括功能材料，所述功能材料可操作以發(fā)出輻射來響應(yīng)激勵；和控制所述材料沉積物的厚度以改變所述材料沉積物的光學(xué)特性。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中所述功能材料的光學(xué)特性包括發(fā)磷光、電致發(fā)光、和用于可視顏色效果的選擇性光吸收和發(fā)射中的一種或多種。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中所述激勵包括輸入輻射。
全文摘要
本申請披露了一種利用脈沖激光在透明基片上形成圖案的方法。不同的實施例包括超短脈沖激光，對于激光波長透明的基片，和靶板。激光束被引導(dǎo)通過透明基片并聚焦在靶表面上。靶材料被激光燒蝕并且被沉積在相對的基片表面上。通過相對于靶掃描激光束形成圖案，例如灰度圖像。激光束掃描速度和掃描線密度的變化控制了材料沉積并且改變了沉積圖案的光學(xué)特性，產(chǎn)生視覺效果的灰度。在一些實施例中，在制備過程中可在微電子設(shè)備的一部分上形成圖案。在一些實施例中，高重復(fù)頻率皮秒和納秒源被設(shè)置成產(chǎn)生圖案。
文檔編號B23K26/00GK102325626SQ201080008819
公開日2012年1月18日 申請日期2010年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月9日
發(fā)明者劉冰, 村上真, 胡震東, 許景周, 車勇 申請人:Imra美國公司