專利名稱：掩膜作軌道運動以形成激光燒蝕的特征物的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種在噴墨打印頭應(yīng)用中諸如通過激光器燒蝕聚合物襯底而在襯底中形成燒蝕特征物的方法和設(shè)備。
相關(guān)技術(shù)的描述用掩模和成像透鏡系統(tǒng)在聚合物材料上形成激光器燒蝕特征物是眾所周知的。在此工藝中，用激光照射掩模上的特征物。然后，將透過掩模上透明圖案的激光成像到諸如聚合物薄膜等襯底上，在襯底上發(fā)生燒蝕過程。


圖1示出了傳統(tǒng)準分子激光器加工系統(tǒng)10的基本布局。一般地說，計算機12通過與系統(tǒng)操作人員聯(lián)系的接口控制系統(tǒng)10。計算機12控制啟動脈沖激光器系統(tǒng)24和低速度、低分辨率的伺服系統(tǒng)14。伺服系統(tǒng)14的功能是，對掩模16和襯底卡盤18定位，以便在燒蝕襯底19之前將激光器研壓(milled)圖案與襯底19上的其它特征物適當對準。為此，通常將一可視系統(tǒng)(未圖示)與計算機系統(tǒng)相連。伺服系統(tǒng)14或計算機12可以控制衰減模塊20，以改變進入系統(tǒng)中的紫外線輻射量。另一種方法是，通過調(diào)節(jié)激光器的高電壓或者控制能量設(shè)置點來改變激光器的脈沖能量，并由激光器內(nèi)部脈沖的能量控制回路保持激光器的脈沖能量。
在此圖中，用箭頭22表示紫外線光束的光路，它體現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部紫外線能量的流向(這里，箭頭22并不表示實際的光線線路，一般兩路光線不平行)。紫外線功率發(fā)源于脈沖準分子激光器24。激光器24一般以100-300Hz的頻率點火，用持續(xù)時間大約為20-40納秒的脈沖進行經(jīng)濟加工。典型的工業(yè)準分子激光器的時均功率為100-150瓦，但由于脈沖的持續(xù)時間短，所以峰值功率可以達到兆瓦。這些高峰值功率在加工多種材料中較為重要。
離開激光器的輸出端后，紫外線能量一般要穿過衰減器20；但是，這是一個可供選擇的部件，并不是所有激光器加工系統(tǒng)中都有的。衰減器20可以實現(xiàn)一種或兩種可能的功能。在第一種功能中，衰減器20對光列(opticaltrain)的惡化進行補償。如此用途的衰減器20允許激光器運行在較窄的脈沖能量帶(從而處于一個受限制的高電壓電平范圍內(nèi))中，以便長時間地進行更穩(wěn)定的操作。利用系統(tǒng)中的新型光學(xué)鏡片，可以將衰減器20設(shè)置成能夠耗散一部分激光器功率。當光學(xué)鏡片本身退化并開始吸收能量時，調(diào)節(jié)衰減器20以提供附加光能。對于此功能，可以使用一個或多個簡單的手動衰減板。衰減板一般是具有特殊介電膜的石英或熔融石英板，用以將一部分激光器能量轉(zhuǎn)射向衰減器外罩內(nèi)的吸光收集器。
衰減器20的另一個可能功能是對激光器功率進行短期控制。在這方面，用步進電動機或伺服系統(tǒng)驅(qū)動衰減器20，并且調(diào)節(jié)衰減器，以便在襯底上提供適當?shù)哪芰棵芏?每單位面積的能量)，從而實現(xiàn)合適的工藝控制。
離開衰減器20后，紫外線能量傳播到擴束望遠鏡26(可選的)。擴束望遠鏡26用于調(diào)節(jié)光束的截面積，以適當提供對光束均質(zhì)器(beam homogenizer)28的入射光線。通過在離開均質(zhì)器時形成正確的照明數(shù)值孔徑而對總的系統(tǒng)分辨率有很重要的影響。典型的準分子激光光束在水平與垂直方向上是不對稱的。一般稱準分子激光光束為“頂帽式高斯分布”，指在激光器出射方向(通常為垂直方向)之間，光束分布是“頂帽形的”(開始時相對平坦，并在邊緣處急劇下降)。在橫向方向上，光束具有一典型的強度分布曲線，該曲線看上去是高斯性質(zhì)的，比如一條常規(guī)的概率曲線。
擴束望遠鏡26對這些方向上的功率分布進行一定程度的相對調(diào)整，以減小(但不完全消除)成像到襯底19上的圖案因這兩個軸上分辨率的差而產(chǎn)生的畸變。
圖中示出了在擴束望遠鏡26和均質(zhì)器28之間有一個平直束折疊式反射鏡30。大多數(shù)系統(tǒng)由于空間的局限只能容納少量的這類反射鏡為將系統(tǒng)折疊在有效的空間內(nèi)。一般來說，可以將反射鏡放置在各部件之間，但在某些區(qū)域內(nèi)，能量密度會非常高。因此，要仔細選擇反射鏡的位置，以避免這些高能量密度的區(qū)域?？偟膩碚f，系統(tǒng)設(shè)計者會限制折疊式反射鏡30的數(shù)量，以最大程度地降低光學(xué)鏡片更換成本和對準難度。
接著，紫外線光進入光束均質(zhì)器28。均質(zhì)器28的目的是在掩模平面產(chǎn)生一個均勻的強照射場。它還決定了照射場的數(shù)值孔徑(即，入射到掩模上的光錐的半角的正弦值)。如上所述數(shù)值孔徑會影響總的系統(tǒng)分辨率。由于準分子光束的某些部分比其它部分熱，所以均勻照射要求將光束解析成在掩模平面上延伸和覆蓋的較小分段。本領(lǐng)域已知幾種方法，其中一些方法基于例如美國專利4,733,944和5,414,559所揭示的傳統(tǒng)的折射光學(xué)鏡片，兩項專利的內(nèi)容通過引用包括在此。所述方法還可以基于例如美國專利5,610733(其內(nèi)容通過引用包括在此)所揭示的衍射或全息光學(xué)鏡片；或者基于連續(xù)起伏微透鏡陣列(Nikoladjeff等人在1997年的《應(yīng)用光學(xué)》第36卷，第32期，第8481-8489頁上發(fā)表的“用于準分子激光光束均質(zhì)化的、在熔融石英中重復(fù)的衍射微透鏡”對此有描述)。
離開光束均質(zhì)器28后，光傳播到場透鏡32，場透鏡32用于收集來自均質(zhì)器28的光，并將其適當耦合到成像透鏡34中。根據(jù)應(yīng)用，場透鏡32可以是簡單的球面透鏡、柱面透鏡、其變形或組合。場透鏡32的精心設(shè)計和放置對于在透鏡32的襯底側(cè)實現(xiàn)遠心成像是很重要的。
掩模16一般放在場透鏡32的附近。掩模16帶有一圖案，該圖案將被復(fù)制在襯底19上。此圖案一般比襯底19上所需的圖案大(2-5倍)。成像透鏡34經(jīng)設(shè)計，可以在將掩模16成像到襯底19上的過程中縮小掩模。這可以獲得以下所需性能，即在掩模平面上保持較低的紫外線能量密度，而在襯底平面上保持較高的能量密度。大比例的縮小通常會限制襯底平面上可用的場的大小。
掩模16可以通過以下方式制成，即在石英或熔融石英襯底上涂覆鉻或鋁，然后用光刻或其它已知方法將圖案刻蝕在金屬層內(nèi)。另一種方法是，熔融石英掩模上的反射層和/或吸收層可以包含一系列介電層，諸如美國專利4,923,772和5,298,351中所描述的介電層。兩專利的內(nèi)容通過引用包括在此。
成像透鏡34的目的是縮小掩模圖案并將其轉(zhuǎn)傳到襯底19上。如果圖案在每一維上縮小到1/M，那么能量密度將升高M2乘以成像透鏡34的透射系數(shù)(一般約80％)。在最簡單的情況下，成像透鏡34是單元件透鏡。一般，成像透鏡34是一個復(fù)雜的多元件透鏡，它被設(shè)計成用于減小像中的各種像差和畸變。成像透鏡34最好被設(shè)計成具有為實現(xiàn)所需圖像質(zhì)量所必需的最少元件，以便提高透光率，降低成像透鏡34的成本。一般來說，成像透鏡34是光束列中最昂貴的部件之一。
如上所述，成像透鏡34在襯底19上產(chǎn)生掩模16之圖案的縮小像。每次激光器發(fā)射，都將一個強的具有圖案的區(qū)域照射在襯底19上。結(jié)果，在被照射區(qū)域刻蝕襯底材料?？梢詫υS多襯底材料如此成像，特別是對聚合物材料。諸如“Kapton”和“Upilex”等各種商品名的聚酰亞胺是微電子應(yīng)用和噴墨應(yīng)用中最通用的材料。
圖1所描述的系統(tǒng)10是一種“典型的”系統(tǒng)。對于那些沒有具體要求的應(yīng)用來說，系統(tǒng)可以進一步簡化但仍可以產(chǎn)生燒蝕部分，只是在特征物容限、重復(fù)性或兩方面有一些損失。在應(yīng)用的具體需要驅(qū)使下，對這種典型構(gòu)造作一些改變對于系統(tǒng)來說是不足為奇的。
對聚合物材料進行激光燒蝕有許多應(yīng)用。一些應(yīng)用或其中的一些部分在例如電氣通路(electrical via)的容限方面沒有要求，而是將重點放在小尺寸、高密度特征物和低成本上。其它應(yīng)用對容限和重復(fù)性有很高的要求。后一類應(yīng)用的例子有諸如噴墨打印頭噴嘴制造和配藥噴嘴制造等液流應(yīng)用。在這些高要求的應(yīng)用中，對精確尺寸、形狀和制造重復(fù)性的要求比微電子通路孔提供的較簡單的導(dǎo)電通路特征物要嚴格得多。此系統(tǒng)的細節(jié)結(jié)構(gòu)難于獲得嚴格容限和產(chǎn)品重復(fù)性。另外，工藝參數(shù)和光學(xué)部件都對獲得最嚴格的可能容限起著重要的作用，達到亞微米級。
如上所述，本發(fā)明涉及為噴墨打印頭應(yīng)用和其它液流應(yīng)用形成噴嘴。在熱噴墨打印頭點火期間，會蒸發(fā)少量的油墨。被蒸發(fā)的油墨使墨滴通過噴孔(即，噴嘴)射向打印介質(zhì)。熱噴墨打印的質(zhì)量取決于噴孔的特性。噴孔的關(guān)鍵屬性包括孔的形狀和表面條件。
液流應(yīng)用的一個重要方面是通路壁的斜度。用傳統(tǒng)方法制成的通路具有非常陡的壁面斜度，其斜率取決于入射輻射的能量密度(每單位面積的能量)，并且在較小程度上依賴于用來產(chǎn)生特征物的激光脈沖的個數(shù)。使用傳統(tǒng)方法幾乎不能有效控制通路壁的斜度，或者對其定形。一種方法是控制襯底上的輻射能量分布。如美國專利5,378,137所描述的，在一投影成像系統(tǒng)中，可以通過在掩模上放一個環(huán)形孔徑來達到此目的。但是，用來產(chǎn)生孔輪廓的掩模特征物必須非常小(成像系統(tǒng)的次分辨率)，或者可以將它們成像到被燒蝕的孔或通路中。此方法的缺點是，小的掩模特征物很容易被損壞，并且還給掩模制造工藝增加了難度和花費。
在目前本行業(yè)中制造的一個典型噴墨打印頭中，在聚合物薄膜襯底中制造小的燒蝕噴孔或通路，其密度大約為每英寸300個或更多個燒蝕噴孔。噴孔的大小可以根據(jù)特定應(yīng)用而變化，但一般出口直徑小于約35微米。噴孔的入口直徑一般小于100微米，平均入口直徑大約為50微米至60微米則更典型。本文所述發(fā)明的目的是除了在控制噴孔的具體形狀方面對掩模特征物、能量密度、激光發(fā)射等進行傳統(tǒng)的工藝控制之外，還對噴孔的形狀進行附加控制。
除了上述環(huán)-掩模方法之外，另一種對噴孔壁的角度定形的方法是用光學(xué)方法移動光束。例如可以通過旋轉(zhuǎn)掩模和投影透鏡之間的平的或楔形光學(xué)元件來實現(xiàn)此目的。美國專利4,940,881描述了這樣一種方法。將旋轉(zhuǎn)元件放在掩模和投影透鏡之間會影響像在圓形軌道上的移動。此等移動會移動襯底表面的入射光，從而改變燒蝕特征物。美國專利4,940,881方法的缺點是，在加工周期期間不容易改變軌道半徑。如果如美國專利4,118,109所述，光學(xué)元件是楔形的，那么該方法還具有在沿軌道移動期間改變光束角度的缺點，這會限制最小的可能光束移動，并使工藝控制復(fù)雜化。額外的限制是，當與傳統(tǒng)的激光器掩模結(jié)合使用(例如，對于每個被燒蝕的特征，掩模在反射或吸收涂層中具有簡單的孔)時，孔壁傾斜輪廓被限制成凹入的幾何形狀(參見圖6)，除非能量密度非常小。
共同待批的美國專利申請09/197,127描述了一種用兩個旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件來控制燒蝕噴孔形狀的設(shè)備和方法。所述專利申請的名稱為“激光器燒蝕圖案形成裝置”，申請日與本案相同，并且其內(nèi)容通過引用包括在此。共同待批的美國專利09/197,127的發(fā)明相比美國專利4,940,881的優(yōu)點在于，通過控制兩個旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件之間的相對旋轉(zhuǎn)速度和相位角，可以改變孔壁的輪廓。按此方式，不需要復(fù)雜的掩模結(jié)構(gòu)就可以獲得任何所需孔輪廓(即，凹入、凸出或直的)。
在襯底上移動像的另一種方法是在掩模和投影透鏡之間使用一可移動的反射鏡?？梢砸赃@樣的方式傾斜反射鏡，使得像沿規(guī)定的軌道移動，從而移動襯底的入射光。此方法的一個主要缺點是限制了控制靈敏度，因為反射鏡的小角度傾斜可以相當大地移動掩模的宏觀位置。另外，這類反射鏡必須具有最小厚度，以確保反射表面具有足夠的機械穩(wěn)定性和平坦性。這又導(dǎo)致相當大的慣性，并還限制了裝置的帶度或最大速度。當系統(tǒng)帶寬受限制時，它會限制可以有效地用于對孔定形的掃描圖案。
另一種用光學(xué)或機械方式移動掩模像的方法是實際移動襯底。但是，其缺點是襯底的移動必須非常精確。高精度的要求是由燒蝕系統(tǒng)的投影透鏡將投影掩模的像縮小到襯底上從而密集激光能量而引起的。結(jié)果，對移動曲線的容限也會成比例地縮小。此方法通常具有與上述傾斜反射鏡的方法相同的慣性問題，并且在典型自動化系統(tǒng)中使用襯底保持件和移動臺而產(chǎn)生的附加質(zhì)量會進一步加重慣性問題。
由此可見，可以用多種方式將激光燒蝕特征物的輪廓控制到一定的程度。但是，也可以看出，目前可用的方法都存在局限性，限制了其使用。因此，需要且本發(fā)明提供了一種對激光器燒蝕特征物的輪廓進行控制的設(shè)備和方法，這種設(shè)備和方法適應(yīng)性很強，允許產(chǎn)生多種類型的噴孔輪廓，同時提供精確和可重復(fù)的結(jié)果。在本發(fā)明中，對于每個激光脈沖，根據(jù)一組規(guī)定的坐標，連續(xù)移動掩模本身。此移動的詳細軌跡線對最終燒蝕得到的孔的形狀有很大影響。在不增加任何光學(xué)元件的情況下改變孔的幾何形狀的能力是一個強有力的且適應(yīng)性很強的工藝參數(shù)。在某個規(guī)定的軌跡線內(nèi)移動掩模本身可以按所需要的模式改變燒蝕特征物的幾何形狀，包括凸出、凹入或直壁的特征物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種改善激光燒蝕特征物之幾何形狀的方法。在本發(fā)明的方法中，在燒蝕過程中，掩模在垂直于系統(tǒng)光軸的平面內(nèi)作高速、高分辨率的移動，從而使像按類似的方式移動，并改變襯底上燒蝕特征物的幾何形狀。可以按任何所需的圖案移動掩模，諸如圓形圖案、螺旋形圖案、或者更一般的掃描圖案，以便為燒蝕特征物提供所需的壁面傾斜形狀。在加工周期中，沿橢圓軌道移動掩模，可以使燒蝕特征物呈卵形。
在一個主要方面，本發(fā)明提供了一種在襯底中燒蝕特征物的過程。該過程包括用透過掩模的輻射照射襯底，在襯底中形成一個經(jīng)燒蝕得到的特征物。在形成特征物期間，掩模沿垂直于光軸的軌道運動，從而形成一個選定的壁面形狀。
本發(fā)明的過程可用來燒蝕各種材料。例如，本發(fā)明的過程可以用來在半導(dǎo)體制造過程中利用諸如X射線和包括深紫外線的紫外線等各種輻射源在有機或無機光致抗蝕性材料中刻蝕或曝光圖案。本發(fā)明的過程可以用來在襯底中燒蝕特征物，這些特征物或者完全橫穿過襯底(即，形成空穴或通道)，或者特征物的給定深度小于襯底的總深度，通常將這種特征物稱為“盲(blind)”特征物。
在另一個主要方面，本發(fā)明提供了一種用于在襯底中制孔的設(shè)備。該設(shè)備包括輻射源；掩模，它位于輻射源以及受輻射源之輻射照射的襯底之間，當照射襯底時，掩?？梢源怪庇谙到y(tǒng)光軸的移動，以便形成與掩模不作軌道運動時不同的特征物形狀。
正如本文中所使用的，術(shù)語“激光特征物”包括空穴、孔、通道、噴嘴、噴孔等，并且特征物可以完全燒穿襯底，或者僅部分地穿過襯底(“盲”特征物)。
附圖概述圖1示出了一典型的激光器加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)在照射襯底時使用掩模。
圖2示出了一激光器加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)在燒蝕過程中使用一復(fù)合的掩模移動裝置。
圖3示出了一種可能的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，用于控制掩模的移動。
圖4示出了伺服控制系統(tǒng)的觸發(fā)反饋。
圖5示出了激光器脈沖與掩模處于適當位置時之間的時間差。
圖6示出了可以用本發(fā)明產(chǎn)生的不同的孔分布。
圖7示出了可以用本發(fā)明產(chǎn)生的激光射點圖案，用以產(chǎn)生一個軸不與襯底表面正交的噴嘴。
圖8示出了噴嘴陣列，其中噴嘴陣列的縱軸沿預(yù)定方向傾斜，以便引導(dǎo)噴嘴陣列射出的流體，并控制出射流體的相對方向。
本發(fā)明的詳細描述如上所述，圖1示出了傳統(tǒng)的準分子激光器加工系統(tǒng)10的基本布局。系統(tǒng)10包括伺服系統(tǒng)14，用于控制掩模16；襯底卡盤18和衰減器20。如上所述，在圖1的典型系統(tǒng)10中，伺服系統(tǒng)14是低速、低分辨率的系統(tǒng)，其功能是在燒蝕襯底19之前適當對準掩模16和襯底19。在燒蝕工藝期間，伺服系統(tǒng)14不移動，只提供掩模16和襯底19的總移動(移動幾毫米)，以對準掩模16和襯底19。
與圖1的加工系統(tǒng)相反，實施本發(fā)明所用的掩模在照射襯底期間能夠在垂直于光軸的平面內(nèi)高速和高分辨率地移動。圖2示意地示出了此等激光器系統(tǒng)的概念。該激光器系統(tǒng)包括高速活動掩模掃描子系統(tǒng)48，其中子系統(tǒng)48與激光器控制器構(gòu)成一體，背載于低速伺服系統(tǒng)14上。來自光束調(diào)節(jié)光學(xué)鏡片(所述光學(xué)鏡片可以按應(yīng)用需要由圖1所述的衰減器、擴束器、均質(zhì)器和場透鏡等部件組成)的光充滿掩模16上的特征物，以便可以在照射場的均勻區(qū)內(nèi)移動掩模大約+/-100微米或更小的距離。然后，成像透鏡34將通過掩模的光成像到固定襯底19上。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員應(yīng)該理解，圖2的示意性圖示是非限制性的，其它控制系統(tǒng)也可以是合適的。
激光燒蝕用的掩模是眾所周知的。美國專利5,378,137描述了可用于實施本發(fā)明的一類掩模的一個代表性的例子，該專利的內(nèi)容通過引用包括在此。一般地說，掩模包括一透明的熔融石英襯底，襯底具有一不透明的或反射的薄層。不透明材料可以是已被濺射到襯底上的一層鉻、紫外線增強涂層、或者諸如多層介電層等任何其它合適的反射或不透明涂層。掩模上的反射或不透明涂層具有圖案，它包含一系列孔或其它光線可以通過并最終照射到襯底上的結(jié)構(gòu)。掩模上的每個孔對應(yīng)于襯底中的一個結(jié)果特征物。
所用激光器的類型將根據(jù)燒蝕襯底而定。例如，一般用于制造噴墨打印頭和電子封裝應(yīng)用的聚合物薄膜是聚酰亞胺，諸如商品名“Kapton”和“Upilex”等，其厚度大約為2密耳。對于這些應(yīng)用，通常使用準分子激光器，諸如KrF準分子(248納米)，或者XeCl準分子(308納米)。另一種方法，對于大于約35微米的特征物，可以用TEA CO2激光器來燒蝕聚酰亞胺。一般，準分子激光器通常產(chǎn)生約30納米的脈沖寬度，這在激光器重復(fù)速率和掩模移動的時間標度上是非?？斓?。激光器的功率可以根據(jù)系統(tǒng)中光學(xué)部件的數(shù)量和類型進行選擇，以便將在大約400-1000毫焦耳/厘米2或更大的能量密度傳遞到襯底上。
在實施本發(fā)明過程中，當襯底是諸如聚酰亞胺薄膜等聚合物時，可以由一盤架提供聚合物，并將聚合物定位在激光器系統(tǒng)的襯底臺上。然后，激光器重復(fù)發(fā)射脈沖一段預(yù)定的時間，以燒蝕聚合物，形成由燒蝕特征物組成的圖案。有各種因素會影響特征物的幾何特征，除了本發(fā)明的掩模軌跡線外，還包括掩模中使用的結(jié)構(gòu)、激光器功率、能量密度、激光器脈沖的數(shù)量等等。然后取下所得到的聚合物，將新的聚合物放在襯底臺上。
可以用各種方式使掩模16移動。如上所述，通過機械方式用與掩模直接或間接相連的電機伺服電動機或其等效裝置來移動掩模16。這種伺服系統(tǒng)適于低速、低分辨率的移動，諸如掩模16和襯底19的初始調(diào)準。但是，這類伺服系統(tǒng)不能提供激光加工操作所必需的高速、高分辨率的移動，因為激光加工操作中一般存在較高的系統(tǒng)慣性和其它因素，后文將對此作更詳細的討論。
對于高速、高分辨率的移動，將掩模16與壓電材料或設(shè)備相連，諸如線性或旋轉(zhuǎn)的壓電微定位器，它背載于低速的伺服系統(tǒng)14上。這類微定位器的代表性的、非限制性的例子可以從Physik Instrumente公司獲得。這類微定位器的分辨率一般為0.1μm，定位器具有變化的移動范圍、旋轉(zhuǎn)角速度以及速度范圍。用傳統(tǒng)技術(shù)很容易將上述結(jié)構(gòu)與掩模相連。
圖3示出了掩模掃描系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。這是一個代表性的且非限制性的結(jié)構(gòu)。參照圖3，通常用計算機或微控制器12控制激光加工系統(tǒng)，其中計算機或微控制器12包括燒蝕系統(tǒng)控制器50和用于控制激光器光源24的激光器控制器52。燒蝕系統(tǒng)控制器50和激光器控制器52都與實時伺服控制器54相連，而實時伺服控制器54通過x軸和y軸微定位移動臺62和64分別控制激光掩模16在x、y方向的控制。位置反饋系統(tǒng)60將實時位置信息發(fā)回實時伺服控制器54(稱為“閉環(huán)”控制)?？赡艿姆答佈b置包括但不限于LVDT傳感器、應(yīng)變傳感器、電容傳感器和電感傳感器。
當激光器光源是準分子或TEA CO2激光器等高壓氣體放電激光器時，激光器的輸出特性極大地取決于穩(wěn)定點火或重復(fù)速率。典型的重復(fù)速率可以是200-300Hz。如果激光器以非穩(wěn)定的重復(fù)速率點火，那么電極之間的氣體更換會不完全，或者隨不同激光射點而改變；高電壓電容器的充電會改變；以及可能產(chǎn)生其它不希望有的影響。另外，激光器制造商一般會就激光器穩(wěn)定點火而使激光器最優(yōu)化。因此，對最佳激光器性能的要求又對掩模微定位移動臺62和64的移動控制提出了嚴格的定時要求。定時要求再與激光器的高點火速率結(jié)合，要求總的定位系統(tǒng)(定位系包括掩模16、掩模保持件、微定位器62和64、伺服放大器58、位置反饋裝置60和實時伺服控制器54)具有相對較大的帶寬。激光器的高點火速率排除使用傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)，因為這種系統(tǒng)太慢，不能以200-300Hz的速率提供精確的移動。
總的系統(tǒng)帶寬依賴于幾個系統(tǒng)部件。具體地說，機械系統(tǒng)具有一些固有的時間常數(shù)。例如，位置反饋裝置60會影響系統(tǒng)帶寬，而提供移動的驅(qū)動器會有一些延遲。例如，移動一壓電裝置類似于通過電阻器給電容器充電，因此，具有固有的RC時間常數(shù)。另外，伺服或壓電系統(tǒng)的電源具有阻抗或時間常數(shù)。因此，當設(shè)計系統(tǒng)時必須將總體系統(tǒng)性能作為整體來考慮，并且必須選擇和測試各部件，以提供適合輻射源之理想重復(fù)速率的移動帶寬。
對于一給定的硬件設(shè)施，可以有幾種不同的控制方案。實現(xiàn)本發(fā)明的最簡單的方法是在電動機控制系統(tǒng)處于適當位置(在以下規(guī)定的誤差內(nèi))之后觸發(fā)激光器。但是，如上所述，為了獲得最佳激光器性能，激光器必須以穩(wěn)定的重復(fù)速率點火，而用此類控制方案是很難的。另外，此類控制方案不能夠獲得最大的材料生產(chǎn)量，這是一個重要的經(jīng)濟考慮。因此，任何實用的控制方案必須提供在200-300Hz范圍內(nèi)穩(wěn)定點火的激光器，同時在激光器點火時使掩模處于理想位置的一些小容差范圍內(nèi)，從而獲得可重復(fù)的激光器加工工藝。
圖4示意地示出了與激光器點火的定時和移動控制系統(tǒng)相關(guān)的概念。首先，用于掩模移動的實時伺服控制器50可以與激光器觸發(fā)源56相連或不相連。激光器觸發(fā)源56通過與激光器控制器52連接，根據(jù)其穩(wěn)定的時鐘輸出決定激光器點火速率。當實時控制器54不與觸發(fā)源56相連時，實時控制器54的內(nèi)部時基產(chǎn)生一時序，在這些時間上掩模將處于所需的位置。在該情況下，需要一個外部信號(諸如信號來自燒蝕系統(tǒng)控制器50)，以與激光器脈沖串和掩模移動的開始同步。在一較佳實施例中，實時伺服控制器54與觸發(fā)源56相連，允許對激光器點火時的實際掩模位置進行數(shù)據(jù)捕獲(在硬件的速度限制內(nèi))。觸發(fā)源有幾種可能的選擇，包括實時伺服控制器54的內(nèi)部時鐘、激光器控制器52的內(nèi)部時鐘或者外部時鐘。
圖5用等間隔的實線表示幾個激光器射點“脈沖串”的時序。一般，由于存在傳播延遲、伺服隨動誤差、系統(tǒng)慣性以及其它固有系統(tǒng)因素，所以對于定期發(fā)出的激光脈沖，掩模處于所需(x，y)位置的時刻會變化。在圖5中，用虛線表示了掩模處于適當位置(在足夠小的容差范圍內(nèi))的時刻。兩者之間的時間差用τ表示。掩模的位置誤差近似等于τ與掩模瞬時速度的積。
掩模位置誤差對最后燒蝕結(jié)果的影響可以減小一定量，此減小的量正比于成像透鏡的縮小倍數(shù)，縮小倍數(shù)一般在2-5倍的范圍內(nèi)。對于高精度應(yīng)用，要求襯底上光圖案的定位誤差小于0.2微米。因此，對于5倍縮小的系統(tǒng)，這會使得掩模位置誤差為1微米或更小。利用觸發(fā)源鑒定，可以在系統(tǒng)傳播延遲、位置反饋裝置的速度以及數(shù)據(jù)捕獲速度所確定的時間期限內(nèi)計算出掩模的實際位置。在這些固有的限制內(nèi)，可以在激光器點火時量化掩模位置。250Hz的激光器點火對應(yīng)于激光器射點之間的4毫秒，而捕獲掩模位置的誤差一般小于30毫秒。
可以將不同的控制方案與上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)合使用。但是，在較佳實施例中，預(yù)先計算一組位置、速度和時間(“PVT”)的矢量。這些矢量包括與激光器觸發(fā)對應(yīng)的所需掩模位置的x，y坐標。但是，它們還包含實際激光器觸發(fā)點之間許多點的PVT信息。通過預(yù)先計算移動分布曲線中的這些中間點，選擇軌跡線，使總系統(tǒng)的諧振頻率及其諧波最小，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。在激光器工作之前，將PVT矢量裝入實時伺服控制器54中。伺服控制器54連續(xù)調(diào)節(jié)掩模速度，以便在規(guī)定的時刻達到規(guī)定的位置。
應(yīng)該認識到，可以用同步或異步的方式操作這種控制系統(tǒng)，其中同步方式是指用同一時鐘源控制激光器點火和掩模的高速移動，異步方式是指用獨立的時鐘源控制激光器點火和掩模的高速移動。同步操作適于較高的精度。另外，控制系統(tǒng)可以使用“閉環(huán)”控制，即在燒蝕過程中提供關(guān)于掩模16之位置的反饋；或者使用“開環(huán)”控制，即在燒蝕過程中不提供關(guān)于掩模16之位置的反饋。上述較佳的“PVT”控制系統(tǒng)使用閉環(huán)控制，盡管也可以使用開環(huán)系統(tǒng)。
系統(tǒng)軟件在性能上可以用參數(shù)表示，并且較佳實施例是多線程(multi-threaded)的軟件結(jié)構(gòu)。從燒蝕控制器50讀取移動軌跡線的PVT矢量和時間間隔。如此計算軌跡線的中間點和速度，以使最有效的掩模移動提供系統(tǒng)帶寬。用多個線程來控制至實時伺服控制器54的信息流，其中實時伺服控制54與燒蝕控制器50同步。位置反饋系統(tǒng)60將數(shù)據(jù)返回燒蝕控制器50。
圖6示出了襯底中的燒蝕特征物是如何具有直的、凹入的或凸出的壁形狀的，這里從孔的軸開始測量。如上所述有選擇地控制掩模16的移動，可以調(diào)節(jié)壁面形狀，這里所述有選擇地控制允許從孔內(nèi)以不同的速度燒蝕材料，從而產(chǎn)生不同的壁面形狀。通過簡單地改變掩模16之移動來改變激光器射點之圖案(從而對孔壁定形)的能力是一個強有力的且適應(yīng)性強的工藝參數(shù)，這在以前是無法獲得的。
本發(fā)明一項特別有用的地方是，燒蝕特征物的軸向定向不垂直于襯底表面。也就是說，噴孔的軸可以相對于襯底表面傾斜。通過產(chǎn)生一個螺旋式激光射點圖案(如圖7所示)，并且在燒蝕過程中允許每條圓形“軌道”的中心沿規(guī)定方向慢慢移動，可以使噴孔具有這種可變軸定向。這種激光射點圖案不可能具有例如單個旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件，如美國專利4,940,881所述，單個旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件只能按圓形移動光線。
在液流應(yīng)用中，產(chǎn)生具有非正交軸的燒蝕噴孔的能力是一個明顯的進步和優(yōu)點。例如，如圖8所示，可以如此定位兩個或多個噴嘴組成的組，使得每個噴嘴的軸指向一個公共的預(yù)定點。在圖8中，將個體噴嘴82布置成陣列84、85、86和87，每個陣列具有四個噴嘴82。在每個陣列84、85、86和87中，噴嘴82分別向位于每個陣列84、85、86和87之中心上的公共點88、89、90和91傾斜一角度。噴嘴82在每個陣列84、85、86和87內(nèi)的這種定向大大改進了(例如)用于控制每個噴嘴82射出液滴之方向的能力。因此，這種控制允許或防止了(例如)液滴在射出噴嘴82之后聚結(jié)。另一種方法是，它可以控制液滴在目標材料上的相對布局(諸如來自噴墨打印頭的油墨在紙上的布局)，從而影響打印質(zhì)量。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員應(yīng)該認識到，可以燒蝕任何數(shù)量的噴嘴和陣列，以為特定應(yīng)用獲得必要的結(jié)果。
參照圖8可見，在每個陣列84、85、86和87中至少有一個噴嘴82′的軸與第一公共軸92對準，并且每個陣列84、85、86和87中的第二個噴嘴82″與第二公共軸94對準。同樣，每個陣列84、85、86和87的每個噴嘴82與一預(yù)定的公共軸對準。當陣列84、85、86和87成形后，用一個步驟燒蝕噴嘴82′，并用另一個步驟燒蝕噴嘴82″，等等。通過以預(yù)定方式改變掩模的移動，簡單地改變燒蝕圖案，從而產(chǎn)生噴嘴82的不同方向軸。
如上所述，圖8所示的噴嘴安排在希望控制噴嘴出射的個體液滴的應(yīng)用中是有用的，例如，它允許或防止液滴在射出噴嘴82的聚結(jié)。通過改變每個陣列中噴嘴縱軸的定位，可以控制個體液滴是否聚結(jié)的趨勢。具體使用包括用于噴墨打印機的打印頭(其噴嘴的出口直徑在8～35微米的范圍內(nèi)，并且最好在10和25微米之間)，以及用于諸如藥物吸入器等噴霧劑噴嘴板(其噴嘴的出口直徑小于約5微米，并且最好在0.5-3.0微米的范圍內(nèi))。
與控制燒蝕特征物之壁面形狀的其它方法相比，本發(fā)明的掩模軌道設(shè)備具有明顯的優(yōu)勢。具體地說，本發(fā)明允許按各種方式對個體激光射點進行精確的、可重復(fù)的布置。可以將個體激光射點布置在改變很大但又很容易控制的圖案中，從而使燒蝕特征物獲得所需的壁面形狀和軸向定向。
權(quán)利要求
1. 一種在襯底中燒蝕特征物的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟用透過掩模的輻射照射襯底，在襯底中形成一個經(jīng)燒蝕得到的特征物，在形成燒蝕特征物期間，掩模跟蹤一條垂直于光軸的預(yù)定軌跡線，從而形成一個選定的壁面形狀。
2. 如權(quán)利要求1所述的過程，其特征在于，用與掩模相連的壓電定位器移動掩模。
3. 如權(quán)利要求1所述的過程，其特征在于，所述輻射是激光。
4. 如權(quán)利要求1所述的過程，其特征在于，所述襯底是聚合物薄膜。
5. 如權(quán)利要求1所述的過程，其特征在于，所述特征物是聚酰亞胺薄膜中的一個噴墨噴嘴。
6. 如權(quán)利要求1所述的過程，其特征在于，所述選定的壁面形狀基本上呈凸出狀。
7. 如權(quán)利要求1所述的過程，其特征在于，所述選定的壁面形狀基本上呈凹入狀。
8. 如權(quán)利要求1所述的過程，其特征在于，所述選定的壁面形狀基本上是直的。
9. 一種用于對聚合物薄膜燒蝕特征物的過程，其特征在于，所述過程包括以下步驟來自準分子激光器的激光通過熔融石英或石英襯底上的具有圖案的金屬和/或介電掩模，照射到聚合物薄膜上，在聚合物薄膜中形成燒蝕的特征物，在形成特征物期間，掩模在垂直于系統(tǒng)光軸的平面內(nèi)移動，從而形成一個選定的壁面形狀，并且特征物的出口直徑小于約30微米。
10. 一種用于在襯底中制孔的設(shè)備，其特征在于，包括輻射源；掩模，它位于輻射源以及受輻射源之輻射照射的襯底之間，當照射襯底時，掩?？梢栽诖怪庇谙到y(tǒng)光軸的平面內(nèi)移動，以便形成與掩模不作軌道運動時不同的燒蝕特征物形狀。
11. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述輻射源是準分子激光器。
12. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述掩模是用與掩模相連的壓電定位器移動的。
13. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述掩模是用與掩模相連的音圈定位器移動的。
14. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述襯底是聚合物薄膜。
15. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述掩模包括熔融石英基片和至少一個由介電層構(gòu)成的區(qū)域，所述介電層至少部分減少透過掩模的輻射。
16. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，還包括一投影透鏡，它位于掩模和襯底之間。
17. 一種噴墨打印頭，其特征在于，包括襯底，它具有一般的平面；噴嘴陣列，它至少具有兩個通過襯底延伸的噴嘴，所述至少兩個噴嘴中的每個噴嘴都具有一個縱軸；其中，噴嘴陣列的所述至少兩個噴嘴中至少有一個噴嘴的縱軸不垂直于襯底表面。
18. 如權(quán)利要求17所述的打印頭，其特征在于，噴嘴陣列的所述至少兩個噴嘴的縱軸彼此不平行。
19. 如權(quán)利要求17所述的打印頭，其特征在于，噴嘴陣列中每個噴嘴的縱軸都轉(zhuǎn)過一角度，朝向一預(yù)定的公共點。
20. 如權(quán)利要求19所述的打印頭，其特征在于，打印頭還包括多個噴嘴陣列。
21. 如權(quán)利要求20所述的打印頭，其特征在于，所述多個噴嘴陣列中的每個陣列都具有其縱軸平行對準第一預(yù)定公共縱軸的第一噴嘴。
22. 如權(quán)利要求21所述的打印頭，其特征在于，所述多個噴嘴陣列中的每個陣列都具有其縱軸平行對準第二預(yù)定公共縱軸的第二噴嘴。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于從襯底中燒蝕得到特征物的過程,該過程包括以下步驟:用透過掩模的激光照射襯底,在襯底中形成燒蝕特征物。在形成特征物期間,掩模沿垂直于激光角度的軌道運動,從而形成一選定的壁面形狀。本發(fā)明還涉及一種用于在襯底中制孔的設(shè)備,該設(shè)備包括輻射源;位于輻射源以及受輻射源之輻射照射的襯底之間。掩模能夠跟隨垂直到輻射角度的軌跡線。
文檔編號B23K26/00GK1326394SQ99813496
公開日2001年12月12日 申請日期1999年3月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月20日
發(fā)明者C·L·休梅克, L·A·阿吉雷 申請人:美國3M公司