專利名稱：采用緊貼光刻技術燒蝕成象的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及一種在工件上制成具有一定形狀的圖形的方法。具體地說，本發(fā)明涉及的方法采用強能源和一靠近工件設置的防護層以防止工件上的碎屑從工件上散開。
在工件上制成具有一定形狀的圖形的技術有多種。這些技術廣泛地用于制造許多類型的電子設備，例如具有光學伺服軌跡的數(shù)據(jù)存貯磁盤、存儲卡電路和柔性電路。有關的技術也用來標記各種具有如條形碼信息的設備，以形成如刻制板的印刷元件，以及形成裝飾性的圖形。
壓印是一種在工件上形成一具有一定形狀的圖形的技術。例如，用印模模壓可在數(shù)據(jù)存貯磁盤上產(chǎn)生光學可讀的伺服針點。這種壓印技術的一個問題在于壓印模具有相對較短的壽命間隔。同時，盤的彈性特性使當超過一定時限后壓印針腳的幾何形狀發(fā)生變化。
化學蝕刻是在工件上形成一具有一定形狀的圖形技術的另一個例子。在這種技術中，光阻材料施加到一基底上并以已知的方式制出圖形。然后通過化學蝕刻的方法去除抗蝕材料的顯影部分而留下具有一定形狀的的圖形。起到蝕刻作用的化學物并不是完全有益的。例如，化學物可能將凹蝕工件的未顯影部分。這種凹蝕現(xiàn)象限制了可能形成在工件上的具有一定形狀的圖形的尺寸和位置布置。
其它眾所周知的在一工件上形成一具有一定形狀的圖形的工藝包括電子束、離子束、電暈和等離子處理。這些方法或者是持續(xù)的或者是長脈沖的長度蝕刻工藝，由于其低能量通量，它們產(chǎn)生低速熱轉移。當蝕刻表面涂層(諸如以聚合物為基底的涂層)時低速熱轉移是有害的。具體地，低速熱轉移在蝕刻區(qū)域以外的涂層上產(chǎn)生不必要的熱處理效果。
激光技術對于在工件上形成一具有一定形狀的圖形同樣是有用的。其中一種技術是采用氬/離子激光在一數(shù)據(jù)存貯磁盤內直接地燃燒一個接一個的光學可讀的伺服針點。在磁盤旋轉和一終止物鏡被轉換時，激光束被光學地打開和關閉。屬于Nierenberg的美國專利第4,323,755號涉及了一種生產(chǎn)機器可讀的、標記在工件表面，例如電視機顯像管的玻璃面板上的數(shù)碼的方法，即用CO2激光在面板表面上汽化類似寬度的平行區(qū)域。屬于Bleacher等人的美國專利第4,515,867號描述了一種通過在漏斗形玻璃罩上涂有顏料的無機物涂層上燒蝕圖形特征而直接標記電視機顯像管的漏斗形玻璃罩的技術。在801高功率激光163-167(1987)的一篇名為“電介質基底上的金屬薄膜的激基締合物激光加工工藝”的文章中U.Sowado，H.J.Kahlert和D.Basting論及采用燒蝕方法在使用聚合物的金屬涂層上制作圖形。
屬于Cates等人的美國專利第5,204,517號中揭示了一種采用激基締合物激光從金屬和聚合物基底上除去顏料涂層的方法。激光有數(shù)值相當于0.2微秒的較長的脈沖寬度，在此過程中能量密度在1-5J/cm2的范圍中。該方法涉及通過監(jiān)測顏料涂層的光譜輻射來控制除去顏料的過程。
屬于Ouderkirk等人的美國專利第5,061,604號描述了采用激基締合物激光對半結晶的聚合物表層照射以在所述的表層中產(chǎn)生一準非結晶的圖形狀分布。然后用一種反作用的離子燒蝕工藝在表層照射后優(yōu)先除去半結晶的聚合物。
屬于Ouderkirk等人的美國專利第4,822,451號，屬于Yorkgitis等人的4,868,006號，屬于Ouerkirk等人的第4,879,176號同樣述及了用激基締合物激光照射半結晶的聚合物表層以再生準非結晶的表層。已經(jīng)注意到準非結晶層的存在一般將加強半結晶聚合物與其它材料，包括粘性材料的粘結作用。同樣也注意到準非結晶層的存在減少了半結晶聚合物的光學反射同時增加了其光學輻射，增強了與半結晶聚合物的涂層粘結，同進減少了半結晶聚合物表面的摩擦系數(shù)。
對于具有少量圖形特征的一些工件和具有較少量工件的一些項目來說，這種直接用激光形成各個具有一定形狀的的圖形特征的方法是理想的。然而，直接用激光形成各個特征的方法也不是完全不存在問題。例如，燒蝕通常產(chǎn)生高能量的碎屑，它們經(jīng)常濺入與激光器連接的光學儀器中。從光學儀器中清除碎屑在工業(yè)實踐中是破壞性的和不現(xiàn)實的。
解決碎屑問題的一個可能的方案包括將最終的光學表面移離工件一段附加的距離。然而，由于種種原因這種方案也是不理想的。例如，激光束控制和相對工件取向都是較大的技術挑戰(zhàn)并且當光學表面再移離工件一段距離也是不經(jīng)濟的。另外，對所占空間的考慮通常也妨礙了將光學表面移離工件。
屬于Erbach等人的美國專利第4,032,743號揭示了一旋轉的圓柱形鼓和多個靜止的激光器，以采用一個激光器的單脈沖鉆出緊密地隔開的穿過裝于鼓上的金屬箔帶的各個孔。薄膜帶連接到恒速供帶和卷帶盤上并位于箔帶和激光器的透鏡之間以防止透鏡受到汽化材料的破壞。薄膜相對于激光器的輻射波長是可穿透的。
雖然對于具有少量圖形特征的工件和小批量工件來說直接形成單獨的圖形特征經(jīng)常是有益的，但是另一個顧慮是直接特征的形成不總是最佳的選擇。例如，激光器每一次直接形成一個圖形特征所費時間就比激光器對工件周圍多個圖形或圖形特征進行操作時在每一圖形上所化費的時間多得多。
技術進步已經(jīng)允許激光器每一次對一個以上的圖形或圖形特征進行操作。例如，屬于Das的美國專利第4,877,480號就揭示了一種用來在工件，諸如涂礬土的陶瓷基底上形成具有一定形狀的的圖形的接觸式光刻技術。據(jù)Das所述，一種由能對所選的激光器波長進行強烈反射的材料制成的掩模被放置在與礬土涂層接觸處。來自于CO2激光器的輻射施加到掩模上以除去礬土涂層上沒有被掩蓋住的部分。掩模的反射表面將激光輻射從被掩模覆蓋的工件區(qū)域上反射掉。
M.Gauthier，R.Bourret，E.Adler，和Cheng-Kuei Jen在129材料研究學會研討會論文集，399-404(1989)一篇名為“聚乙二烯二氟化物上以激基締合物激光器金屬薄膜制成圖形”的文章中討論了一種采用一激基締合物激光器和一掩模燒蝕位于聚合物薄膜的前面和背面上的金屬涂層而在各外涂層上制成圖形的技術。激光器首先以單脈沖在涂層的前側面上燒蝕一圖形。然后以單脈沖通過將輻射經(jīng)聚合物薄膜的前側面?zhèn)鬟f到背面涂層上而在其上燒蝕成一圖形。
如Das專利中所述的，相對工件放置的掩?？梢允且槐恢位虿槐恢蔚难谀?。不被支撐的掩模即是不包括用于掩模的透明窗口部分的底層機械支撐、并使要從工件上被除去的區(qū)域具有一定形狀的。使用不被支撐的掩模由于種種原因可能是不利的。不被支撐的掩模將吸收可能引起掩模變形的熱量。同樣的，由于不被支撐的掩模不能支撐掩模材料的隔離區(qū)域，所以采用不被支撐的掩模不可能制作某些圖形特征，諸如X-Y圖形或字母“O”的中心。在一些制造誤差極限下也難以使不被支撐的掩模與要制出圖形的工件保持緊密的接觸。這可能有損于分辯率并可能產(chǎn)生調整的難題。
一支撐的接觸掩模包括支撐掩模所有區(qū)域的機械支撐，并避免許多由不被支撐的掩模所伴生的問題。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)即使使用與激光器結合的支撐掩模以在工件上形成具有一定形狀的的圖形時也不是完全令人滿意的。一個主要問題是由成象工藝，諸如燒蝕所產(chǎn)生的碎屑。具體地，碎屑經(jīng)常濺到掩模上。在各次使用后清潔掩模在工業(yè)應用中是不現(xiàn)實的。同樣，在成象加工過程中碎屑可能在掩模的透明窗口部分產(chǎn)生斑點。這種斑點可引起激光束的衍射，并可能妨礙形成精確的圖形特征。
解決碎屑問題的一個潛在方案是將掩模從工件上移掉。在一些應用中，投影刻制技術包括一離開工件設置的掩模。J.R.Lankard和G.Wolbold在一篇名為“制造設施中的聚酰亞胺激基締合物燒蝕”(54應用物理A-固體和表面335-359(1987))中討論了與涂聚合物的基底的激光燒蝕有關的投影刻制技術的應用。
然而，投影刻制技術也有許多局限，包括設備成本高激光束通過量低。同時，投影刻制技術僅可能一次顯露工件上的小塊面積。由于掩模必須相對成象區(qū)域重復地并精確地移動，所以這一小塊面積尺寸使大面積成象、非重復的具有一定形狀的圖形變得復雜。掩模移離工件同樣也可能減弱工件上圖形特征的分辯率，并可能使掩模圖形和工件之間的圖像浮散。
發(fā)明概述本發(fā)明包括一種采用高功率能源在工件上形成一具有一定形狀的圖形的方法。這種方法包括將一防護層設置在接近工件處，這樣該防護層可阻止工件上的碎屑從工件擴散，并將來自高功率能量源的輻射經(jīng)過防護層引到工件上，該防護層相對于由高功率能量源所產(chǎn)生的輻射基本上是可穿透的，這樣高功率能量源能夠形成具有一定形狀的圖形。本發(fā)明還包括一種阻止工件上的碎屑從工件上擴散的方法，以及用來阻止碎屑從工件擴散的系統(tǒng)。
圖例的簡述

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的透視圖。
圖2是本發(fā)明的阻擋層和一個工件實施例的側視圖。
圖3是本發(fā)明的阻擋層和工件的另一個實施例的側視圖。
圖4是本發(fā)明的系統(tǒng)另一種實施例的透視圖。
圖5是本發(fā)明的系統(tǒng)再一實施例的透視圖。
圖6是與用于一片25μm電容器等級的雙軸向的聚丙烯薄膜的輻射波長范圍相關的輻射透射率的百分比曲線圖。
圖7是本發(fā)明的系統(tǒng)的又一個實施例的側視圖。較佳實施例的詳細描述本發(fā)明包括一種采用高功率能量源在工件上形成一具有一定形狀的圖形的方法，以及防止工件上的碎屑從工件上擴散的方法。本發(fā)明還包括一種防止工件上的碎屑從工件擴散的系統(tǒng)，以及采用高功率能量源在工件上形成具有一定形狀的圖形的成套儀器。
根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)，如示出在圖1的成批構架系統(tǒng)23中的來自高功率能量源12的能量輸出11指向一工件10以在工件10形成一具有一定形狀的圖形，如三維圖形13?？稍O置諸如透鏡和反光鏡的各種光學元件14中的任一個以調節(jié)高功率能量源12的能量輸出11。
在某些情況下，能量輸出11可能迫使碎屑離開工件。一阻擋層16設置在接近工件10處以防止碎屑從工件10上擴散并防止碎屑與位于靠近工件10的任何最終的光學元件(未示)接觸。阻擋層16也可以防止碎屑再沉積于靠近工件圖形13的工件10的表面上。(在圖1中，為清楚起見繪制的阻擋層16與工件10隔開)。本質上，阻擋層16是一個碎屑阻擋層，它起到一物理的阻擋作用以將碎屑從圖形13和工件10上移開。阻擋層16用來防止“清潔室”環(huán)境由于聚集接近工件10的碎屑受到污染。
尤其值得注意的是，如圖2所示的，工件10包括一基底19、基底19的一側面或幾個側面上可包括一涂層20。如果基底19不包括涂層20，那么基底19就有代替涂層20的一界面部分(未示)。如果基底包括涂層20的話，圖形13最好形成在涂層20上，如果基底19不包括涂層20，圖形則形成在界面部分上。
基底19可由許多種有機的或無機材料制成，包括硅，金屬或諸如聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚酰胺、聚乙烯對酞酸鹽或聚酰亞胺等的聚合物。界面部分由與基底相同的材料制成。涂層包括一表面涂層(未示)，同時可包括附加涂層(未示)。涂層可以任何所需的次序排列。圖形13可根據(jù)需要形成在任一涂層中，只要所需的涂層對于形成圖形13的足夠量的能量輸出11而言是可見的。
有機和無機材料可包括在涂層中以提供所需的操作、結構、識別和美觀特征。例如，一個或多個涂層可由傳導性材料制成以提供所需的傳導特性。考慮到的傳導金屬的實例包括銅、銀、鎳、鉻，以及這些金屬的合金，如銦錫氧化物。同樣，一個或多個涂層可由磁性化合物制成以提供所需的磁性。為了說明起見，磁性成分是具有磁性特性的單質金屬或金屬化合物。磁性化合物可以是一構成特別涂層的單一成分或者可以是構成特別涂層的幾種成分的一種成分，如分布在特別涂層中的磁性顆粒。磁性金屬的例子包括鐵、氧化鐵、鐵酸鋇、鈷鎳、鈷磷、鈷鉻，以及氧化鈷。
可能的工件包括涂有磁性金屬或磁性材料的基底，如磁性的數(shù)據(jù)存貯盤，通常也稱為軟盤。在一個實施例，圖形13為磁性存貯盤的伺服通道，如螺旋形軌跡。在另一實施例中，圖形13，即伺服通道，包括多個形成在存貯磁盤中的同心的光學伺服通道?？赡艿墓ぜ钠渌影ㄍ坑袀鲗Ы饘俚幕祝绱鎯娐泛陀|碰式屏幕電路。其余可能的工件例子包括涂有聚合物的基底，如放有條形碼信息的物件。
如圖1所示的能量輸出11最好同時具有高功率能量密度，即單位面積上功率能量高、高流量，和每次脈沖的高功率能量密度以確保獲得滿意的成象。影響高功率能量源選擇的其它變化包括基底特性、涂層特性以及圖形特性，如圖形線的寬度和間隔，總的圖形尺寸和圖形深度。可能的高功率能量源包括單色裝置，如激光器和短脈沖長度，和寬帶源，如表面放電機構和閃光燈。
在一個實施例中(未示)，阻擋層16包括工件10的基底19?；?9的涂覆面(未示)包括涂層20。涂覆和未涂覆側面相對。在此實施例中，高功率能量源12位于基底19的未涂覆面上。高功率能量源12的能量輸出11進入基底19的未涂覆面并穿過基底19。能量輸出11在與基底19接觸的涂層20的一側(未示)接觸涂層20并在工件10的涂層上產(chǎn)生圖形13。
在最佳實施例中，阻擋層16可以是一薄膜片(未示)，或者是如圖1所示的設置得隔開工件10的一張薄膜18。除了有其它說明的之外，關于阻擋層16的所有解釋都適用于該張薄膜18、薄膜片和基底(當基底就為阻擋層16時)。阻擋層16可充分持久地提供足夠的操作特性，并足以防止碎屑從工件10上脫離。
最好選擇高功率能量源12和阻擋層16以確保在工件10的涂層或界面部分(未示)上最佳地成象，并確保充分地使用能量輸出11。在涂層或界面部分上所需的能量輸出11取決于能量輸出11的波長的分布和工件的特性，它包括基底、涂層和欲成形的圖形13的特征。波長分布和工件特性基本上決定了涂層或附面部分的吸收特性，以及由此所產(chǎn)生的燒蝕結果。
實際到達涂層或界面部分的能量輸出11取決于經(jīng)阻擋層16透射的能量輸出11。經(jīng)阻擋層16的較高的透射率降低了高功率能量源12所需的輸入能量，并降低了阻擋層16所吸收的熱量。阻擋層16的透射率主要決定于制成阻擋層16的材料和其厚度。
阻擋層16足以透過高功能量率源12的能量輸出11，這樣能量輸出11在穿過阻擋層16之后，有足夠的剩余能量在工件10的涂層或界面部分中形成圖形13。阻擋層16最好是對能量輸出11來說是高透射率的，這樣高功率能量源12可有效地在涂層或界面部分上顯影出圖形13。最好是，阻擋層16足以讓能量輸出11透過以使至少約50％，最好至少有80％的能量輸出11穿過阻擋層16。
最好選擇高功率能量源12和阻擋層16使之確保在涂層或界面部分上最佳地成象。成象取決于能量輸出11的幾何形狀的變化，因為輸出11經(jīng)過阻擋層16而引起的輸出11的散射和繞射。能量輸出11的幾何形狀變化由阻擋層16的制造缺陷所引起，如沖壓線、表面不平整和厚度不均。最好是，阻擋層16的制造缺陷最小，同時具有很好的質量使在涂層或附面部分上生成所需的成角分辨率。
阻擋層16的透射率和能量輸出11所發(fā)生的幾何形狀變化取決于制成阻擋層16的材料，其厚度和其上所存在的制造缺陷。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些有機聚合物薄膜、如特級聚丙烯薄膜，在某種情況下，都有特別好的傳導性以最佳地成象和有效地利用來自高功率能量源12的能量輸出11。
一般希望將阻擋層16放置在靠近涂層或界面部分，這樣最終的光學元件(未示)、如用于投影刻制技術中的投影透鏡(未示)可緊密地靠近工件10。最終的光學元件(未示)和涂層或界面部分的緊密間隔有助于減少成象成本和改進的圖形13特征。緊密間隔也能限制位于圖形特征外側的圖形13上的非成象部分21受到污染。當阻擋層16與涂層20緊密接觸時，如圖2所示，碎屑22不會擴散到圖形13的非成象部分21。當阻擋層16稍微與涂層20隔開時，如圖3中所示的，碎屑22會擴散到圖形特征的外側并污染圖形13的非成象部分21。
然而，阻擋層16和涂層或界面部分之間所需的緊密接觸程度也取決于工件的變化，如工件10的涂層或界面部分的粗糙度。例如，一些涂層20比其它涂層20的表面粗糙?？梢韵嘈湃绻钃鯇?6與粗糙表面緊密接觸，這樣阻擋層將去適應粗糙表面，由能量源所產(chǎn)生的圖形13將可能具有略差的分辨率?？上嘈?，較差的分辨率將由于當能量輸出以非基本垂直的方向穿過阻擋層16時所產(chǎn)生的散射和繞射作用而提高。
再參見圖1，阻擋層16和涂層或界面部分的緊密間隔可通過將阻擋層16靠著涂層或界面部分放置而獲得，這樣阻擋層16和工件10相互固定地接觸。(在圖1中，為清楚起見阻擋層16繪制得與工件10隔開)。同樣，阻擋層16和涂層的緊密間隔在基底就是該阻擋層16時是本來就存在的。
另一方面，在圖4中，工件10和阻擋層16可以動態(tài)關系用一連續(xù)的分級系統(tǒng)24來放置，這樣阻擋層16和工件20的涂層或附面部分相互接觸，但相互間不固定。(為清楚起見，圖4中沒有示出圖形13)。這里，工件10呈一帶狀工件25，阻擋層16呈一阻擋帶26。
帶狀工件25從供帶輥28伸出，繞過兩個定位輥30、32到達一卷帶輥34。阻擋帶26從供帶輥36向一卷帶輥38延伸，這樣阻擋帶26與定位輥30、32之間的帶狀工件25接觸。最好地，帶狀工件25和阻擋帶26在相同方向以相等的線速度轉換，這樣帶狀工件25和阻擋帶26基本上都是相對靜止的。
再參見圖1，一個如具有導槽(未示)的被支撐的掩模40的樣板可置于靠近工件10處。掩模40的導槽主要包括一外或多個成形的的窗口(未示)，當能量輸出11和工件10相對移動時，它們將高功率能量源12的能量輸出11引向工件10，并且呈圖形13樣子。工件10位于掩模40的一側面上，同時高功率能量源12位于掩模40的另一面上。阻擋層16位于掩模40和工件10的涂層或界面部分之間以防止碎屑從工件10上擴散并防止碎屑與掩模40接觸。阻擋層16還可防止碎屑再沉積于工件10鄰近工件的圖形13的區(qū)域上。
阻擋層16起到物理的、不可透過的阻擋層的作用以防止碎屑從工件10上移開，并因此防止碎屑接觸和污染掩模40。假如阻擋層16不存在，碎屑將接觸并粘到成形的窗口中的掩模40上。因此需要將碎屑從掩模40上清除或替換掩模40以防止能量輸出11的散射和繞射以及不希望的成象效果。清除碎屑是破壞性的，替換掩模40則是花費昂貴的。
高功率能量源12的波長特征和掩模40的反射率是選擇掩模40要考慮的兩個因素。在掩模40的導槽外部對高功率源12的輸出波長的高反射率是必要的，其處需要阻擋能量輸出11。高反射率使在窗口外部區(qū)域上掩模的燒蝕最小。
在其它實施例中，阻擋層16和掩模40是連成一體的。在一個實施例中，掩模40與阻擋層16的任一面成一體，這樣掩模40能夠引導高功率能量源12的能量輸出11以在工件10上形成圖形13。在另一實施例中，掩模形成于阻擋層16之內。一體地連接的阻擋層16和掩模40位于靠近工件10的涂層或界面表面以防止碎屑從工件10上擴散開。一體地連接的阻擋層16和掩模40還防止碎屑再沉積于工件10鄰近圖形13的區(qū)域上。
在另一個實施例中，樣板是一放置于或靠近工件10的涂層或界面部分上的墨印構造(未示)。墨印構造可取代掩模40。當能量輸出11和工件10相對移動時，墨印起到引導高功率能量源12的能量輸出11的作用。當墨印構造被直接置于工件10上時，墨印構造位于阻擋層16和工件10之間，否則阻擋層16位于墨印構造和工件10之間。在一個實施例中，墨印構造用已知的印刷工藝形成在阻擋層16上。墨印構造可形成在阻擋層16的任一面上，只要墨印構造能夠引導高功率能量源12的能量輸出11以在工件10上形成圖形13。
當使用墨印構造時，阻擋層16起到物理的、不可透過的阻擋層的作用，它防止碎屑從工件10上移開，由此而防止碎屑接觸最終的光學元件(未示)。假如阻擋層16不存在，碎屑將接觸并粘到最終的光學元件上。那么就需要將清除最終的光學元件上的碎屑或替換最終的光學元件以防止能量輸出11的散射和繞射以及不必要的成象。清除碎屑是破壞性的，替換光學元件也是昂貴的。
在本發(fā)明的方法的一個較佳實施例中，以一種眾所周知的、稱為燒蝕腐蝕、以下本文中稱為燒蝕的工藝，高功率能量源12有選擇地將呈圖形13樣子的涂層或界面部分除去。已知燒蝕將產(chǎn)生高能量的碎屑。據(jù)信碎屑將從工件10上移開約1或2厘米。涂層或界面部分的燒蝕可在有或沒有掩模40或墨印構造的情況下完成。
如圖1所示，用于燒蝕工藝的高功率能量源12在一個實施例中最好是激光器42。激光器42所產(chǎn)生的能量輸出11是激光束44。激光器42最好是一種激基締合物激光器。激基締合物激光器產(chǎn)生具有充足的能量密度(近似0.5J/cm2)的短脈沖長度(例20毫微秒)激光束以有效地進行工件10上的燒蝕。較高密度能量的短脈沖確保在非常短的時間段內在工件10的涂層或界面部分上發(fā)生大量的熱，這樣在燒蝕工藝的短時間增量過程中發(fā)生的熱量停留在涂層或界面部分上。
從激基締合物激光器上獲得的短脈沖長度、高密度的能量一定集中在涂層或界面部分的圖形上，而不是從圖形上流失或流出涂層或界面部分之外。另外，與其它激光器相比，激基締合物激光器的高密度能量可在一較大區(qū)域上方獲得。與掩模40的導槽相接的大面積激光束44允許激基締合物激光器一次按需要燒蝕多于一個的圖形或圖形特征。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，激基締合物激光器發(fā)生的248毫微米波長的光束可產(chǎn)生高分辨率的圖形和在一些所選擇的表面涂層上的較高的能量吸收率。同樣，在一些表面涂層中，已發(fā)現(xiàn)激基締合物激光器發(fā)出的308毫微米波長的光束，它與248毫微米紫外光(248nm UV)波長相比可產(chǎn)生良好的圖形分辨率、可接受的表面涂層高吸收率和可能更經(jīng)濟的操作和維護。從使用一定比例的氪、氟、氖和氦的混合物的激基締合物激光器中可獲得248毫微米波長的激光束。從激基締合物激光器發(fā)生308毫微米的紫外光波長輻射需要氙、氯化氫、氖和氦的混合物。當在燒蝕工藝中使用激基締合物激光器和掩模40時激光束的適當?shù)膸缀涡螤钍且粋€重要的參數(shù)。對于激基締合物而言光束幾何形狀的特別重要的變量包括光束的形狀、光束的平行性、光束的焦點長度和光束的寬度和高度。從激基締合物激光器發(fā)射的光束是長寬比大約為3∶1的近似矩形。在一個實施例中，光學元件14包括一個將激基締合物激光器的光束對齊的準直儀(未示)。該準直儀包括具有用于選定的能量密度的光束的涂層的前表面為鋁或絕緣式反射鏡。
當在燒蝕工藝中使用激基締合物激光器和掩模40時有價值的其它參數(shù)是連續(xù)的激光脈沖的光束重疊的數(shù)量和連續(xù)激光脈沖之間的光束間隙的數(shù)量。有必要使光束重疊最少，同時也要避免連續(xù)激光脈沖之間的光束間隙。光束重疊可產(chǎn)生令人不滿意的燒蝕效果，如在圖形13的不需要的變化、工件10中的不必要的熱，以及碎屑構成中的有害的改變。光束間隙可導致形成不完全的圖形13。光束重疊和光束間隙可通過改變相對工件10的光束轉換速度來控制。光束重疊和光束間隙還可通過改變激基締合物激光器的脈沖重復頻率來控制。光束重疊和光束間隙的控制可取決于光束的各種因素，如光束的焦點長度和光束的能量密度分布輪廓。光束重疊控制和光束間隙控制還取決于工件的變化，如工件的吸收力和燒蝕特性。
光學元件14最好包括一圓柱形聚焦透鏡(未示)和一圓柱形的發(fā)散透鏡(未示)。圓柱形聚焦透鏡調定光束的焦點長度。在本方法的一個實施例中，聚焦透鏡焦點長度為106.68cm。圓柱形發(fā)散透鏡調定由聚焦透鏡出射的光束的水平范圍。在本方法的一個實施例中，發(fā)散透鏡的焦點長度為15.24cm。聚焦和發(fā)散透鏡都由強紫外線透射的材料制成，如熔融石英，一般稱為人工石英。
通過調節(jié)聚焦透鏡、發(fā)散透鏡、和工件10之間的相對距離，可有選擇地調節(jié)光束44的寬度和高度以提供適應于具體樣板尺寸和工件的所需光束能量密度和所需光束范圍。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)激基締合物激光器的光束44，寬度近似200mm，高度范圍近似0.5mm至4.0mm，特別適用于在工件10的涂層或界面部分上形成圖形的掩模40。
在另一個實施例中，高功率能量源12是如圖5所示的一個閃光燈46。較佳地，閃光燈46是一個短脈沖線型閃光燈，它包括一透明的、壁厚大約在1mm左右的石英燈管(未示)。燈管有直徑在近似3-20mm范圍中的內孔(未示)。閃光燈46的長度最好有幾十厘米，例如大約30cm。最好由鎢制成的電極封在燈管的端部。燈管充滿惰性氣體，考慮效率因素這種氣體最好是氙氣。
采用一電容罐將5-40KV高壓施加到電極上以對閃光燈46加以1-20Hz范圍的脈沖。電荷電離氙原子以形成發(fā)散出從大約200nm至800nm輻射寬帶的離子。閃光燈46包括一反射器48，它置于閃光燈46上方以使輻射具有一定形狀的和引導它。制作反射器48以將所需密度和流量的輻射引向樣板和工件10的涂層或界面部分。
線型閃光燈能夠產(chǎn)生大約5μsec的較短脈沖、較短波長的高強度、高流量的能量輸出。較高密度能量的短脈沖確保在非常短的時間內在涂層或界面部分上生成大量的熱量，這樣所生成的熱量在成象工藝、如燒蝕的短時間遞增過程中停留在涂層或界面部分上。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有寬帶光譜輸出的氙線型閃光燈在大約2至6μsec之間的脈沖的過程中產(chǎn)生于樣板的能量密度大約在1.0和1.5J/cm2之間，并能夠用一些樣板在一些工件上形成圖形13。另外，與其它高功率能量源相比，線型閃光燈的能量可在一較大面積上獲得。與掩模40的導槽形狀連接的大輻射作用面積使線型閃光燈一次可形成多個圖形13或圖形特征。
再參見圖1，掩模40置于高功率能量源12和工件10之間，這樣能量輸出11在工件10的涂層或界面部分燒蝕出圖形13。最好地，掩模40由可很好地讓高功率能量源12的能量輸出11、如激基締合物激光器的紫外線波長透過的基體材料制成。掩模40的基體材料涂有保護覆蓋層(未示)，對于有價值的波長它具有高反射率。在一個實施例中，掩模40的基體材料由人工的熔融石英制成，保護覆蓋層是鋁。鋁最好是真空地設置到熔融石英基體材料上，其深度近似600nm。掩模40的導槽形狀通過標準的半導體工業(yè)光刻和濕蝕刻加工工藝形成在鋁保護覆蓋層上。
阻擋層16位于掩模40和工件10之間，這樣掩模40與工件10成緊密的工作關系。(在圖1中為清楚起見，掩模40、阻擋層16和工件10都繪制成隔開的)。在此位置，阻擋層16防止碎屑從工件10上移開并可防止碎屑與掩模40接觸。阻擋層16還可防止碎屑再沉積到鄰近工件的圖形13的工件10的那部分上。一般地需要將阻擋層16置于與掩模40和工件10兩者緊密接觸處以使光束44傳過掩模40之后的擴散最小。然而，阻擋層16和工件10之間的緊密接觸程度，如前所述及的，取決于工件10的變化，如涂層或界面部分的粗糙度。
最好為一張薄膜的阻擋層16可由商品級的聚合物薄膜制成，諸如，商品級的聚丙烯和聚乙烯。然而，商品級的聚合物薄膜并不是最好的，因為商品級的聚合物薄膜一般都有制造缺陷，諸如，擠壓線、表面不規(guī)則和孔徑不均勻。這些缺陷可使能量輸出11不均勻，例如，當激光束44穿過薄膜片時。另外，具有這些缺陷的商品級聚合物薄膜將吸收能量輸出11的能量。這將使聚合物薄膜變熱并降低聚合物薄膜的耐久性和使用壽命。
如果仍然選擇了商品級聚合物薄膜，則應注意，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)與商品級聚丙烯相比，商品級聚乙烯對于一些有價值的波長來說透射率明顯過低。相應地，輸送到以在相同的工件上形成一相同圖形的高功率能量源12上、為通過商品級聚乙烯發(fā)散特別波長能的特別能源所需的能量相對于通過商品級聚丙烯發(fā)散特別波長能的類似能源所需的能量而言是增加的。
最佳的，阻擋層16由電容級雙軸向聚丙烯(BOPP)制成。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電容器級聚丙烯提供高達248nm紫外光的透射率，如圖6所示。另外，電容器級聚丙烯有平滑的光潔度、均勻的厚度和極小的缺陷，如鑄造標記。當能量輸出11傳過薄膜片時，這些品質使能量輸出11吸收和擴散最小，從而保持圖形的分辨率并延長薄膜的壽命。
阻擋層16，最好是薄膜層，可相對工件10以多種方式定位。例如，薄膜層可位于工件10的涂層或界面部分上或上方。然后掩模40可置于與工件10呈工作關系處，這樣薄膜就處于掩模40和工件10之間。如另一個例子，采用傳統(tǒng)的擠壓或疊壓設備和技術可將薄膜擠壓或疊壓到工件10的涂層上。
另一方面，參見圖1中的成批分級系統(tǒng)23，掩模40可裝到工件10上，這樣工件10、阻擋層16和掩模40都固定地接觸，并且阻擋層16位于工件10和掩模40之間。(在圖1中為清楚起見，掩模、阻擋層16和工件10表示為隔開的)。分級系統(tǒng)23還包括一X-Y轉換臺52。工件10固定在轉換臺52上并且掩模40固定得背朝轉換臺52。轉換臺52通過激光束44轉換以將能量輸出11掃描在掩模40的導槽上方從而在工件10上燒蝕圖形13。
阻擋層16定位的另一個方案包括如圖4所示的連續(xù)分級系統(tǒng)24，它將阻擋帶26與工件帶25與掩模40保持緊密的、協(xié)調的和動態(tài)的關系。掩模40裝到掩模轉換架(未示)上。一個傳統(tǒng)的程控器(未示)將架和掩模40在一起始位54和一結束位置56之間轉換。
掩模40和工件帶25及阻擋帶26一樣以相同方向和相同速度轉換以將掩模40在起始和結束位置54，56之間掃過激光束44，從而在工件帶25上燒蝕出圖形13。在完成各個圖形之后，掩模40再回到起始位置54，換掉工件10和阻擋層16，并且掩模40再次經(jīng)過激光束44在一個重復的循環(huán)中轉換。連續(xù)分級系統(tǒng)使工件帶25、阻擋帶26和掩模40在工件上具有一定形狀的圖形的過程中保持接觸和固定的關系，雖然工件帶25、阻擋帶26和掩模40相互不固定。
另一方面，在制作一具有一定形狀的成套元件的成形的工藝之前，薄膜層可擠壓或疊壓到工件10的涂層或界面部分上。以成套元件的形式，薄膜層在存放和運送工件10的過程中保護涂層或界面部分。成套元件也可在一集中的位置上準備以減少放置薄膜的費用。
圖形13形成在工件10之后，阻擋層16從工件10上拆除。當阻擋層16由雙軸的聚丙烯制成時。大量的碎屑一般隨薄膜層一起除去，包括涂層或界面部分的基底可用傳統(tǒng)的二氧化碳雪噴工藝清除其上的剩余碎屑。按照雪噴工藝，具有約59.76kg/cm2壓力的二氧化碳與環(huán)境空氣混合以生成結晶的二氧化碳雪粒。采用普通的噴槍以“噴砂”形式使結晶雪粒在工件10的涂層或界面部分上突出。
雖然根據(jù)本發(fā)明可實施多種例子，但是通過以下示出的并無限定作用的實例可說明本發(fā)明。
舉例例1圖1中的成批分級系統(tǒng)23是用于例1中的裝置的代表。激光器42是從馬薩諸塞Lambda Physik of Acton獲得的LPX315型150瓦激基締合物激光器。LPX315型激光器能夠有選擇地以最高達150Hz脈沖速度輸出400至800mJ的光束能。激基締合物激光器對于氟是最優(yōu)選的并產(chǎn)生波長為248nm的紫外光輻射。
工件10是涂有金屬的基底。基底由25μm厚聚乙烯制成，涂層為銅。采用標準的E-光蒸發(fā)工藝在一個真空腔中將銅蒸發(fā)到聚乙烯基底上，而形成100nm厚的銅涂層。
掩模40的基體材料由2.3mm厚的人工熔融石英板制成，并且基體材料涂有鋁。鋁是真空地置于熔融石英板上，深度近似600nm。通過標準的半導體工業(yè)光刻技術和濕蝕刻加工藝將導槽形成在掩模40上。
阻擋層16是厚50μm的商品級聚丙烯片。通過將掩模40、阻擋層16和工件10固定到X-Y轉換臺52上，阻擋層16與掩模40和工件10的銅涂層接觸并位于其間。
光學元件14包括106.68cm焦距長度的圓柱形聚焦透鏡和15.24cm焦距長度的圓柱形發(fā)散透鏡。調節(jié)聚焦透鏡和工件10之間以及聚焦透鏡和發(fā)散透鏡之間的距離來為提供燒蝕工件10的銅涂層所需的光束寬度、高度和能量密度的組合。
X-Y轉換臺52通過激光束44轉換以掃描掩模40的導槽，從而在銅涂層上形成圖形13。X-Y轉換臺52在Y方向以250cm/min的線速度轉換。激光器42在工件10上產(chǎn)生125mJ/cm2的能量密度。能量密度用從加拿大魁北克Gentech of Ste-Fog，獲得的ED-500型焦耳計測得。焦耳計放置得離開激光器42的距離與存在于激光器42和工件10之間的距離相同。
圖形13燒蝕在工件10的銅涂層上之后，拆除并廢棄阻擋層16。阻擋層16防止碎屑與掩模40接觸，在阻擋層16被拆除后掩模40除掉碎屑。形成在銅涂層上的圖形13具有良好的分辨率并且在圖形特征之間沒有缺陷。
例2圖2采用圖5中描述的結構。高功率能量源12為閃光燈46。閃光燈46是從加利福尼亞Sunnyvale，ILC技術有限公司購得的No.ILCT-18型。閃光燈46弧長為8.9cm，包括有6mm直徑的內孔的石英燈管，并且還包括密封在燈管端部的鎢電極。燈管中充滿400mmHg(0℃)壓力的氙氣。閃光燈46具有輸入能量為100焦耳/脈沖的6μsecFWHM的脈沖寬度。閃光燈46以近似1Hz的脈沖重復速度工作。閃光燈的脈沖輻射由一反射器48引向工件10，它經(jīng)過一5.0cm的反射孔呈橢圓形。
工件10是涂有金屬的基底。基底由50μm厚的聚乙烯對酞酸鹽制成。涂層是厚75nm的銅涂層，它是真空地涂到聚乙烯對酞酸鹽基底上的。阻擋層16是從康涅狄格Dayville的Bollmet工業(yè)公司購得的25μm厚電容級聚丙烯。掩模40基本上與例1中的掩模40類似。閃光燈46的輻射經(jīng)掩模40和阻擋層16導向以工件10的涂層上燒蝕圖形13。閃光燈46的輻射燒蝕聚乙烯對酞酸鹽基底上約14cm2面積的銅。工件10上的圖形13成象之后，拆除并廢棄阻擋層16。圖形13的分辨率是良好的，在圖形特征之間沒有缺陷。圖形特征包括與100μm一樣窄的線，線與線間隔為50μm。
例3在此例中，采用如圖7所示的轉換透鏡裝置58。轉換透鏡裝置58包括工件10，阻擋層16、掩模40和激光器42。另外，轉換透鏡裝置58包括一具有安裝在臺/伺服機構60上的平面鏡62的線型轉換臺/伺服機構60，這樣激光器42的激光束44經(jīng)掩模40和阻擋層16引導而在工件10上形成圖形13。
激光器42是如例1中描述的LPX315型Lambda Physik激基締合物激光器。光學元件14包括布置得如圖1中所述的并和圖1中一樣的圓柱形聚焦透鏡和圓柱形發(fā)散透鏡。
這個例子中的工件是公稱的8.89cm數(shù)據(jù)存貯磁盤，一般為一軟盤64。軟盤64由覆有由分散在0.7μm聚合粘結劑中的磁性顆粒組成的磁性涂層的聚乙烯對酞酸鹽基底制成。阻擋層16由從康涅狄格Dayville的Bollmet工業(yè)公司獲得的電容器級雙軸聚丙烯薄膜制成。阻擋層16的厚度為25μm，參見圖6，它對248nm的輻射有大約82％的透射率。用從明尼蘇達Eden Prairie的Perkin Elmer公司獲得Lambda-9型UV/Vis分光光度計可測得透射率。掩模40與例1中所描述的掩模40基本相同。另外，掩模40的導槽能夠用于在軟盤64的磁性涂層上形成圖形13。圖形13包括多個同心的光學伺服軌道。各個伺服軌道包括多個以單一的排列形式尾尾相接地布置的針點。每一針點寬約為5μm，長在40至80μm之間總的來說，圖形13包括近似于1.5百萬個針點。
軟盤64包括一個具有中心定位件68的標準中心襯套66。具有定心銷72的掩模定心套70附著于掩模40的中心。
阻擋層16然后被置于掩模40上，使得阻擋層16被掩模40的導槽完全覆蓋。軟盤64然后放在掩模40上，使得阻擋層16位于掩模40和軟盤64之間。軟盤64采用中心定位件68和掩模定心套70精確地與掩模40的導槽對齊。一受力的接觸底板74放在軟盤64上以使軟盤64的受損最小并確保軟盤64和阻擋層16之間以及阻擋層16和掩模40之間的緊密接觸。(為清楚起見，在圖7中掩模40、阻擋層16、軟盤64和接觸底板74是繪制得隔開的。)掩模40、阻擋層16和軟盤64是相對線型的轉換臺/伺服機構60固定的，這樣從光學元件14的發(fā)散透鏡出射的激光束44反射離平面鏡62，并掃過掩模40的導槽，當臺/伺服機構60移動時，而在工件10的磁性涂層上形成光學伺服軌道的圖形13。一與DC伺服馬達78結合的標準的程控器引導臺/伺服機構60，以及平面鏡62相對掩模40作直線運動，速度近似100英寸/秒(254cm/minute)。
激光器42以140Hz的脈沖重復率產(chǎn)生近似125mJ/cm2的能量密度。完成燒蝕之后，拆除阻擋層16。然后用二氧化碳雪噴工藝以近似59.76kg/cm2的壓力清潔磁性涂層。原子能顯微鏡(AFM)測量顯示因由阻擋層16或掩模40而在光學伺服軌道的圖形13上產(chǎn)生的繞射效果是最小的。幾百個軟盤64連續(xù)地成象，掩模40沒有任何毀壞的跡象。在各個阻擋層16從各個軟盤64上分離之后，于阻擋層16上顯現(xiàn)有大量碎屑。
例4例4中采用圖1所示的成批分級系統(tǒng)23。關于激光器42和光學元件14的詳細描述與例1所述的那些基本相似。具有采用不同的阻擋層16以不同的激光脈沖重復率和不同的X-Y轉換臺52轉換速度在各個單獨工件10的涂層上形成的不同圖形13的多個工件都包括在例4的工藝中，并如下表所概括的
激光器42將近似125mJ/cm2能量密度輸送至各個工件10的涂層上以在各個涂層或界面部分上形成各個圖形13。在各個圖形13具有一定形狀的之后，拆除阻擋層16，檢查各個工件10的圖形13。雖然在各個工件10中圖形質量是變化的，但激光器42在工件10的各個涂層和界面部分上令人滿意地具有一定形狀的了各個圖形13。
例5例5中采用圖1中的成批分級系統(tǒng)23。激光器42、光學元件14、工件10、阻擋層16和掩模40與例1所述的相同。形成在工件10的涂層中的圖形13是在按250μm中心距布置的12μm寬的直線網(wǎng)格。圖形13形成在工件10上，如例1所述的，采用相同的掩模40可在超過150個工件樣品具有一定形狀的。除了用Texwipes@和異丙基乙醇周期性清潔掩模40以外，不需要作專門的處理。在150個樣品中，形成在工件10上的圖形13具有良好的分辨率。
如果不使用阻擋層16，掩模40的預期壽命將近似10個樣品。反之，使用阻擋層16可使掩模40使用到在150個樣品，而掩模40導槽沒有明顯損壞，并且將來可能再連續(xù)用于工件10的其它樣品上。
雖然已經(jīng)結合較佳實施例對本發(fā)明作了描述，但是本技術領域中的熟練人員將可認識到只要不脫離本發(fā)明的精神和范圍，還可對形式和細節(jié)作出改變。
權利要求
1.一種用高功率能量源(12)在工件(10)上燒蝕圖形(13)的方法，所述方法包括將碎屑阻擋層(16)置于貼近所述工件處，這樣所述阻擋層可防止工件上的碎屑從工件上散開，所述阻擋層基本上可透過由高功率能量源發(fā)出的輻射，使得所述高功能量率源能夠燒蝕所述圖形；將高功率能量源的輻射經(jīng)碎屑阻擋層引向所述工件；以及用所述輻射燒蝕所述工件，從而形成具有一定形狀的圖形。
2.一種防止工件(10)上的碎屑從所述工件上散開的方法，所述碎屑由用來在工件上燒蝕圖形(13)的紫外光激光器(42)產(chǎn)生，所述方法包括將一樣板(40)貼近所述工件；將一碎屑阻擋層(16)置于所述樣板和所述工件之間，所述阻擋層上基本上能透過由所述激光器所發(fā)出的紫外光輻射(44)，使得所述激光器能夠燒蝕圖形；將由激光器所發(fā)出的輻射經(jīng)所述樣板，再經(jīng)所述碎屑阻擋層引向所述工件；以及用所述輻射燒蝕所述工件，從而形成具有一定形狀的圖形。
3.一種用發(fā)射輻射(44)的激光器(42)制作數(shù)據(jù)存貯盤(64)的方法，所述方法包括提供一具有磁性涂層的基底；將碎屑阻擋層(16)放置得與所述涂層接觸，所述阻擋層基本上可透過紫外光輻射；將一掩模(40)放置得與所述阻擋層接觸，使得所述阻擋層位于所述掩模和所述有涂層的基底(64)之間；經(jīng)所述掩模和所述碎屑阻擋層引導激光器產(chǎn)生的紫外光輻射；以及用所述輻射燒蝕所述涂層，從而在涂層上具有一定形狀的一圖形(13)。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述高功率能量源發(fā)射紫外線波長的輻射，并且其中所述碎屑阻擋層基本上可透過紫外線輻射。
5.如權利要求1，2，或3所述的方法，其特征在于，所述碎屑阻擋層包括電容器級的雙軸聚丙烯。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述高功率能量源由一閃光燈(46)組成。
7.如權利要求1，2或3所述的方法，還包括在燒蝕步驟之后的拆除和廢棄所述碎屑阻擋層的步驟。
8.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述圖形包括多個布置成離心的或同心形式的光學伺服軌道，并且其中所述伺服軌道包括多個以單一排列、尾尾相接地隔開的針點，各個針點的寬度約小于10μm。
9.如權利要求1，2或3所述的方法，其特征在于，所述碎屑阻擋層包括聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯。
10.一種防止工件(10)上的碎屑從工件上散形的系統(tǒng)，所述碎屑由用于在工件上形成具有一定形狀的圖形(13)的高功率能量源(12)產(chǎn)生，所述系統(tǒng)包括所述工件；以及貼近所述工件的阻擋層(16)，所述阻擋層基本上能透過高功率能量源發(fā)射的輻射，使得高功率能量源能夠形成具有一定形狀的圖形，而阻擋層則防止碎屑從工件上散開。
全文摘要
本發(fā)明包括一種用高功率能量源(12)在工件(10)上形成具有一定形狀的圖形(13)的方法，該方法包括將阻擋層(16)貼近工件，使得阻擋層可防止工件上的碎屑散開，并將高功率能量源發(fā)射的輻射經(jīng)阻擋層引向工件，阻擋層基本上可透過由高功率能量源發(fā)射的輻射，使得高功率能量源能夠形成具有一定形狀的圖形。
文檔編號B23K26/06GK1136792SQ94194403
公開日1996年11月27日 申請日期1994年10月31日 優(yōu)先權日1993年12月17日
發(fā)明者杰弗雷B·霍爾, 安德魯J·奧德科克, 丹尼爾P·斯塔布斯, 羅伯特S·杰克遜, 道格拉斯S·杜恩 申請人:美國3M公司