专利名称：使用液体作为辅助介质的激光微加工方法及系统的制作方法
相关申请的交叉参考本申请要求2004年9月13日递交的美国临时申请No.60/609,530的利益。
背景技术：
电子器件市场长期以来一直要求以低成本实现高性能。为了满足这些需求，可以更有效地制造包括各种电子器件的部件，并且公差更接近。
激光微加工是受控、选择性去除材料的常见生产方法。然而，希望提高激光加工的性能，例如包括减少碎屑形成以及可能由激光微加工工艺产生的其他损坏的可能性。
在某些激光微加工应用中，在激光微加工工艺得过程中利用辅助介质，例如气体或液体，来改善性能。然而，在这些实例中，辅助介质可能对部件以及器件特定部分的材料产生不想要的影响。因而，希望利用辅助介质，同时减小由辅助介质引起的潜在的不想要的影响。
通过下面如附图中所示的示范性实施例的详细描述，本领域技术人员显而易见本发明的特征，其中图1显示了打印头一实施例的透视图；图2显示了图1的打印头实施例的截面视图；图3显示了根据一实施例的示范性激光加工设备的前正视图；图4A-图4E显示了根据一实施例用于激光加工示范性基板的工艺步骤的截面表示；
图5A-图5C显示了根据若干实施例的用于在基板内形成特征的方法的工艺流程；图6显示了打印机一实施例的透视图；图7显示了打印盒一实施例的透视图。
具体实施例方式
下面描述的实施例属于用于激光微加工基板的方法及系统。激光微加工是用于受控、选择性去除基板材料的生产方法。通过去除基板材料，激光微加工可以将具有所希望尺寸的特征形成在基板内。这些特征可以是通过基板厚度或者基板的至少两个表面的贯穿特征，例如通路或槽缝，或者是通过基板的厚度的一部分或基板的一个表面的盲特征，例如盲孔、袋状物或沟渠。
激光加工去除一个或多个激光相互作用区段的基板材料以便在基板内形成特征。某些实施例可以沿一个或多个供应路径向激光相互作用区段供应液体或气体，以便增加基板去除速率和/或降低基板材料再沉积到特征附近的发生频率和/或减小激光加工特征的壁锥形角。
将在形成基板内的给墨槽缝(“槽缝”)的背景下大致描述激光加工特征的实例。这种开槽基板可以结合在喷墨打印盒或钢笔和/或各种微机电系统(MEMS)器件内，以及其他应用中。下文描述的各种部件没有成比例示意。更确切的，所包括的附图倾向于作为示意性表示，以便示意本申请描述的各种原理。
本申请描述了特定的特征尺寸、形状以及配置的实例。然而，使用本申请所描述的发明性方法以及设备可以制造各种类型的特征尺寸以及几何结构。
图1以透视图显示了打印头14一实施例的放大图。在本实施例中，打印头14具有多个特征，包括用于向电阻器(或流体喷射器)61边缘流体给料的边缘台阶119。打印头还具有部分形成在基板表面内的沟渠124。在本打印头上还显示了向电阻器61供给流体的槽缝(或者通道)126，和/或向电阻器61供给流体的一系列孔127，各特征由本申请所描述的UV激光加工工艺形成。在一个实施例中，在图1的打印头14上可以存在至少两种所描述的特征。例如，仅有给料孔127和槽缝126形成在打印头14内，而在备选实施例中，还形成边缘台阶119和/或沟渠124。在另一实例中，边缘台阶120和槽缝126形成在打印头14内，而在备选实施例中，还形成沟渠124和/或给料孔127。
图2显示了图1的打印头14的截面图，其中具有槽缝壁(侧壁)123的槽缝126贯穿基板102形成。下文将更详细地描述贯穿基板的槽缝部位(或槽缝区域)的槽缝的形成。在另一实施例，在给定的模内形成多个槽缝。例如，槽缝间间隔或者模或基板内的相邻槽缝之间的间隔低到10微米。(在一实施例，10微米刚好超过各槽缝的热影响区间的范围的两倍，其中热影响区间沿槽缝壁由本申请中所描述的激光加工所影响的区域。)在图2，薄膜层(或者主动层、薄膜叠层、导电层或者具有微电子设备的层)120形成(例如，沉积)在基板102的前侧面或者第一侧面(或表面)121。基板的第一侧面121与基板102的第二侧面(或表面)122相对。薄膜叠层120包括形成于基板上的至少一层，并且在特定实施例中，屏蔽基板102的第一侧面121的至少一部分。作为备选或附加方案，层120在基板102的第一侧面121的至少一部分上电绝缘。
如图2所示的打印头的实施例中所显示的，薄膜叠层120包括分别形成或沉积在基板102的第一侧面121和/或前一层上方的覆盖层(capping layer)104、电阻层107、导电层108、钝化层110、空泡阻挡层(cavitation barrier layer)111以及阻挡层112。在一实施例中，基板102是硅。在不同实施例中，基板可以是以下材料中的一种单晶硅、多晶硅、砷化镓、玻璃、二氧化硅、陶瓷或者半导体材料。作为可能基板材料所列举的材料不必是可交换的并且基于它们所适用的应用进行选择。在本实施例中，对薄膜层进行适当地图案化或蚀刻，以便在电阻层中形成电阻器61、在导电层中形成导电线(conductive trace)，并且至少在由阻挡层限定的部分内形成焙烧室130。在特定实施例中，阻挡层112限定其中由相应电阻器对流体进行加热的焙烧室130，并限定加热流体经其喷射的喷嘴口132。在另一实施例，具有孔口132的孔口层(未图示)涂覆在阻挡层112上。如本领域所公知的，可以利用层和部件的其他结构以及布局。
在图2所示的实施例中，通道129贯穿形成在基板上的层120形成。通道129流体耦接焙烧室130以及槽缝126，使得流体流经槽缝126并经通道129进入焙烧室130。在所示的特定实施例中，流体的通道入口129不在槽缝126的中心。然而，如本申请所描述地基本相同地形成开槽基板，无论入口129居中还是偏心定位。
尽管图1和图2参照利用电阻器61使流体喷射，但也可以利用其他流体喷射元件。例如，可以利用超声波或者压电换能器。
参照图3，根据一个实施例的示范性激光加工设备的前主视图。激光加工机302包括用于产生足以去除基板材料以便形成特征303的光能量的装置。特征303可以具有各种配置，包括盲特征以及贯穿特征。盲特征通过小于在z方向上测量的基板的总厚度t。经该厚度t一路延伸的特征成为贯穿特征。在所示的实施例中，特征303包括在第一特征端306a和第二特征端306b之间沿x轴线延伸的盲特征。
激光加工机302可以具有能够发射激光能量310的激光能量源308。激光能量可以接触基板300a或者以其他方式在基板300a上进行引导。在其它工艺之中，示范性激光能量(例如激光能量310)可以提供充分能量以进行熔化、蒸发、剥落、相破裂(phase explode)、烧蚀、起反应和/或其组合，以导致基板材料的去除。激光能量310在其上导引的基板以及包含赋能基板材料的周围区域被称作激光相互作用部位或区域312。在某些示范性实施例中，基板300a定位在夹具313上以便进行激光加工。某些这种夹具可以配置为沿x、y和/或z坐标移动基板。
不同示范性实施例可以利用一个或多个透镜316来对激光能量310进行聚焦或扩束。在某些示范性实施例中，可以对激光能量310进行聚焦以便增加其能量密度。在这些示范性实施例中，可以利用一个或多个透镜316对激光能量进行聚焦以便实现所希望的激光能量接触基板300a的几何形状。在某些实施例中，形状的直径可以在从大约5微米到超过100微米的范围内。在一实施例中，直径大约为30微米。激光能量310还可以从激光源308直接指向基板300a，或者通过使用传感器318和/或一个或多个镜片320间接指向。
在某些实施例中，激光源可以提供从UV激光源提供大约十一瓦的激光能量的激光。在其他实施例中，从UV激光源所提供的激光能量可以大约二十瓦。此外，实施例可以利用其他激光源，例如气体激光源、固体激光源等，并以小于大约十一瓦、大于大约二十瓦或者在大约十一瓦和二十瓦之间的功率提供。
在某些示范性实施例中，激光加工机302还可以具有一个或多个液体供给结构，以便在任意给定时刻从一个或多个喷嘴向激光相互作用部位312和/或基板300a的其他部分选择性供应液体322。本实施例显示了两个液体供给结构323a、323b。下面将详细讨论适当的液体实例。
可以利用一个或多个流调节器来调节到达基板的液体流。本实施例采用两个流调节器328a、328b。一些实施例可以利用控制器330来控制激光源308以及流调节器328a，328b以及其他部件的功能。如参照图4到图6进一步详细描述的，控制器330可以在将特征303完成到其整体深度之前停止提供液体322。在某些实施例中，控制器330可以是在可换介质、固定介质、程序化器件或其组合中具有指令的计算机或者专用控制器。
在激光加工的过程中，液体322可以以各种速率供应。例如，在利用水作为适当液体的一个适当实施例每小时输送0.1加仑的水到基板。其他适当实施例可以以小于0.01加仑/小时到至少大约0.4加仑/小时的速率供水。
参照图4A-图4E，显示了根据一实施例的用于激光加工示范性基板的工艺步骤的截面表示。基板400包括第一表面402和与第一表面402基本相对的第二表面404。第二表面404包括形成于其上或其内的一个或多个薄膜层405，其还可以是其他电子器件或主动结构。在一实施例中，薄膜层405至少部分由涂层410覆盖。在一实施例中，涂层410在激光加工工艺过程中保护薄膜层405不受碎屑影响。在某些实施例中，涂层410可以是水或者其他液体可溶物。在其他实施例中，涂层410可以吸收由激光能量420产生的损坏薄膜层405或者形成在基板400内的特征边缘的能量。在这些实施例中，应用辅助液体可以使碎屑贴附到薄膜层405上。在一实施例中，涂层410可以由大约百分之二十的异丙醇、大约百分之七的聚乙烯醇、大约小于百分之一的染料材料以及水组成。
在特定实施例中，其他保护层可以介于薄膜层405和涂层410之间以便进一步保护薄膜层免受激光损坏和/或激光处理过程中产生的碎屑的影响。
激光能量420由激光能量源425提供。激光能量420在指定区域内从基板去除基板材料以便形成特征415，在特定实施例中，特征415的尺寸可以是强度、光束点尺寸以及材料结构的函数。
为了导引并聚焦来自激光能量源425的激光能量420，可以利用一个或多个镜片430以及透镜435。如图4A-图4E所示，激光能量420基本正交于第一表面402，尽管也可以利用其他配置。在本实施例，激光能量420大致沿x轴线从特征所出现的纸面的左侧向右侧移动，以便持续形成特征或者可以保持静止。还可以利用其他适当激光移动图案来形成特征，例如“跑道型”图案。
在提供激光能量420的过程中或者之前，液体450沿路径b1从喷嘴446供应到第一表面402。液体452也可以从喷嘴448供应到第一表面402。在一个实施例中，喷嘴446和448终止在第一表面402上方5-10毫米处。在进一步的实施例中，喷嘴502a、502b之间的最小距离为d加10-20毫米。在其他实施例中也可以利用其他距离。
液体供给结构442和444配置为在激光加工工艺的过程中分别经喷嘴446和448向形成特征415的区域供给液体。为了在本实施例中进行解释，利用喷嘴孔b1，b2来识别来自各喷嘴446和448的各液体供给路径。
在一个实施例中，喷嘴孔b1，b2分别相对基板400的第一表面402成角度α、β定向。在某些实施例中，角度α、β相对基板的第一表面402成锐角。在一个实施例中，角度α、β包括大约50度，并且第一和第二孔b1，b2如标记Y所指示地定向成分开大约80度。其他角度也可以提供适当的实施例。
在所示的实施例中，在第一表面402上导引的液体倾向于大致朝相对的喷嘴流过基板表面并进入特征415。例如，由喷嘴446沿喷嘴孔轴线b1导引的液体450倾向于接触第一表面402并朝喷嘴448流动。
图4B显示了激光能量420继续去除附加基板材料以形成特征415的后续视图。激光能量420已经在基板400上从左到右通过一次，并接着从右向左移动。喷嘴446和448定位成保持在扫描路径的外面，同时输送液体以形成特征415。
在图4B中，正在形成的特征415的深度d1小于第一表面402和第二表面404之间的基板400的厚度的大约90％。正在向特征415提供液体450和452以便辅助激光加工工艺。
在图4C中，特征415由进一步的激光能量420形成到深度d2，其可以是一个或多个扫描路径。在一个实施例，深度d2大于第一表面402和第二表面404之间的基板400的厚度的大约90％。在其他实施例中，深度d2可以在第一表面402和第二表面404之间的基板400的厚度的大约90％和大约98％之间。
直到特征415的深度大约等于深度d2之前，喷嘴446和448中的一个或二者均分别向基板400供应液体450和452，并具体向特征415内供给。在大约特征415具有深度d2的时刻，喷嘴446和448停止供应液体450和452。此时，由于附加液体450和452已经供应且仍必须到达正提供激光能量的区域以及特征内的液体没有完全蒸发的事实，在特征415剩余一些液体。
在图4D中，在喷嘴446和448停止操作之后，不再进一步提供液体450和452。在图4D中，特征415的深度贯穿基板400并且部分贯穿覆盖基板的薄膜层405的一部分。此时，由于施加激光能量420，特征内的几乎所有的(如果不是所有)剩余液体蒸发。
在图4E中，特征415已经贯穿基板400以及薄膜层405的覆盖部分形成。由于没有进一步提供液体，涂层410保持覆盖薄膜层405的没有覆盖特征415的那些部分。
此外，由于在第一表面402和第二表面404之间基板400的厚度的至少80％的激光加工过程中采用液体，形成非常少的碎屑。同样，某些实施例不必利用碎屑提取系统来去除蒸发的基板材料和/或由基板材料形成的分子。其他实施例可以利用碎屑提取系统，例如碎屑提取系统可以包括定位成排空激光能量和基板附近的材料的真空系统以及过滤系统。进一步的实施例可以采用标准的晶片清洗工艺来去除形成的碎屑。
在适当的实施例中可以采用各种液体供给结构类型。例如，适当的液体供给结构可以包括在加压气体中输送液体浮质的气刷。其他适当液体供给结构可以采用加压气体或者其他气体并且利用文氏管(venturi)引入液体。其他实施例可以采用超声波或者压电换能器来将水雾化成液滴。另外的实施例可以简单地利用或不利用喷嘴采用加压液体以便按所希望地配置液流。液体可以以任何适当形式输送到激光相互作用部位。例如液体可以包括雾化细雾、浮质、液滴和/或基本未散布有气体分子的液体。
在若干实施例中，利用水作为适当的液体。此外，其他适当液体可以包括有机溶剂、水基酸及碱以及水基表面活性剂。
参照图5A，显示了根据一实施例的用于在基板内形成特征的方法的工艺流程。框500，提供激光能量以便在基板形成特征，框505，在开始提供激光能量的同时或略之前，将液体供应到形成特征的基板的表面。
框510，在特征达到预定深度的时刻，例如大约在特征形成的表面之间的基板厚度的90％到98％之间，停止液体的供应。框515，当停止液体的供应后，一直提供激光能量，直到特征完成。
参照图5B，显示了根据另一实施例用于在基板内形成特征的方法的工艺流程。框500，提供激光能量，框505，同时供应液体，框520，持续确定特征的深度。在备选实施例中，可以以预定增量(increment)测量深度。在某些实施例中，可以通过使用反射计或者基于激光的位移传感器测量深度。在2004年2月24日递交的共未决美国专利申请No.10/771,495中描述并公开了反射计的一个实施例以及利用反射计的系统，本申请通过参照其全部内容而结合了该申请，就像在本申请中全面阐述一样。
框525，直到确定深度达到预定水平，框530，将液体提供到特征形成的基板和区域内。框535，当深度达到预定水平，停止液体的供给，框540，同时供应激光能量直到特征形成。
参照图5C，显示了根据附加实施例的用于在基板内形成特征方法的工艺流程。框500，提供激光能量，框505，同时供应液体，框545，确定从开始供应激光能量的时间。
框550，直到时间到达预定时刻，框555，将液体提供到特征形成的基板和区域内。框560，当时间达到预定水平，停止液体的供应，框565，同时供应激光能量直到形成特征。预定时间可以基于先前利用基板、液体、以及利用的特定强度的激光能量进行的测试。
图6和图7显示了利用所描述的实施例的至少某些实施例生产的产品实例。图6显示了可以利用示范性打印盒的示范性装置的示意性表示。在本实施例中，打印装置包括打印机600。此处所示的打印机以喷墨打印机的形式实施。打印机600能够以黑白和/或彩色形式进行打印。术语“打印装置”是指采用开槽基板实现其功能的至少一部分的任何类型的打印装置盒/或图像形成装置。这种打印装置的实例可以包括(但不限于)打印机、传真机以及影印机。在本示范性打印装置中，开槽基板包括结合到打印盒内的一部分打印头，下文将描述打印盒的实例。
图7显示了可用于示范性打印装置的示范性打印盒700的示意性表示。打印盒由打印头702以及支撑打印头的盒体704。尽管在本打印盒700中采用单个打印头702，但其他示范性配置可以在单个盒上采用多个打印头。
打印盒700配置为在盒体704内具有配套流体或墨水供应装置。其他打印盒配置可以备选或附加配置成从外部供应装置接收流体。本领域技术人员可以意识到其他示范性配置。
尽管已经以特定于结构特征以及方法步骤的语言描述了发明性概念，要理解所附权利要求并不局限于所描述的特定特征或步骤。更确切的，该特定特征和步骤作为实施发明性概念的优选形式公开。
权利要求
1.一种方法，包括通过将液体至少供应到基本包围特征的区域同时沿第一基板表面施加激光能量在基板内形成所述特征；当所述特征在所述基板内具有第一深度时停止所述液体的供应；以及通过沿所述第一基板表面施加激光能量将所述特征形成到大于所述第一深度的第二深度，其中所述第一深度为所述第一基板表面和与所述第一基板表面基本相对的第二基板表面之间的所述基板的厚度的至少大约百分之九十。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述液体包括水。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一深度不大于所述第一基板表面和所述第二基板表面之间的所述基板的厚度的大约百分之九十八。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括在所述特征的形成过程中，确定所述特征的深度，并且其中当达到预定深度时，完成所述预定部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于供应所述液体包括沿至少第一液体供应路径供应第一液体，并且沿至少第二液体供应路径供应第二液体。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括通过测量距所述激光能量的开始应用的时间确定所述第一深度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第二基板表面包括至少某些电气元件以及覆盖所述至少某些电气元件的涂层，其中所述特征贯穿所述第一基板表面和所述第二基板表面形成，所述方法进一步包括从所述第二基板表面去除所述涂层。
8.一种激光微加工基板的方法，包括通过在基板上导引激光能量将特征至少部分形成到所述基板内；以及在所述形成步骤的预定部分，至少向所述特征的第一部位供应液体。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述液体包括水。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述预定部分的深度为所述基板的第一表面和与所述第一表面相对的所述基板的第二表面之间的所述基板的厚度的至少大约百分之九十，并且其中在所述第一表面上导引所述激光能量。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述深度不大于所述第一表面和所述第二表面之间的所述基板的厚度的大约百分之九十八。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述特征是贯穿第一表面和与所述第一表面相对的第二表面之间的所述基板的厚度形成的贯穿特征，并且其中所述预定部分包括在首先施加所述激光能量时开始到预定结束时间之间的预定时间间隔。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述预定结束时间基于所述特征的深度与所述第一基板表面和所述第二基板表面之间的所述基板的厚度的比例。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于供应液体包括沿第一液体供应路径并且沿至少第二液体供应路径将液体至少供应到所述特征的第二不同部位。
15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于进一步包括在所述特征的形成过程中确定所述特征的深度，并且其中当达到预定深度时完成所述预定部分。
16.一种方法，包括在基板上导引激光能量以便去除基板材料；以及在导引激光能量的预定持续时间过程中，向所述基板选择性输送液体，其中所述预定持续时间包括在所述基板上导引所述激光能量以便形成所述特征的时间的至少一半。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述选择性输送步骤包括沿第一液体供应路径和第二供应路径选择性输送液体。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述预定持续时间基于所述特征的深度与所述第一基板表面和所述第二基板表面之间所述基板的厚度的比例。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于所述比例至少为大约0.9。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于所述比例小于大约0.98。
21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述预定持续时间至少大约在所述激光能量施加到所述基板的表面的时刻开始。
22.根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述液体包括水。
23.一种用于限定贯穿基板的流体路径的系统，所述流体路径限定在所述基板的第一表面和第二表面之间，所述系统包括在所述第一表面内限定特征的激光源；至少向基本包围所述特征的区域供应液体的液体供应设备；以及用于在所述特征的形成过程中基于所述特征的状态命令所述液体供应设备停止所述液体的供应的装置。
24.根据权利要求23所述的系统，其特征在于所述液体包括水。
25.根据权利要求23所述的系统，其特征在于所述特征的状态包括所述特征的深度，并且其中所述装置命令所述液体供应设备停止所述液体的供应的深度大约等于所述第一表面和所述第二表面之间的所述基板的厚度的至少百分之九十。
26.根据权利要求25所述的系统，其特征在于所述深度不超过所述第一表面和所述第二表面之间的所述基板的厚度的大约百分之九十八。
27.根据权利要求25所述的系统，其特征在于进一步包括用于在所述特征的形成过程中确定所述特征的深度的装置，并且其中所述用于命令的装置提供指令，以便基于由所述用于确定的装置提供的信息基础上停止所述液体的供应。
28.根据权利要求23所述的系统，其特征在于进一步包括用于确定距开始施加所述激光能量的时间的装置，其中用于命令所述液体供应设备的所述装置基于来自用于确定时间的所述装置的信息命令所述液体供应设备停止所述液体的供应。
29.一种计算机可读介质，其包括用于操作控制激光源的计算机的指令，所述指令包括用于通过至少向基本包围特征的区域供应液体同时沿所述第一基板表面施加激光能量而在基板内形成所述特征的指令；用于当所述特征在所述基板内具有第一深度时停止所述液体的供应的指令；以及用于通过沿所述第一基板表面施加激光能量将所述特征形成到大于所述第一深度的第二深度的指令，其中所述第一深度至少为所述第一基板表面和与所述第一基板表面基本相对的第二基板表面之间的所述基板的厚度的大约百分之八。
30.一种计算机可读介质，其包括用于操作控制激光源的计算机的指令，所述指令包括用于通过在基板上导引激光能量将特征至少部分形成到所述基板内的指令；以及用于在所述形成步骤的预定部分过程中至少向所述特征的第一部位供应液体的指令。
31.一种计算机可读介质，包括用于操作控制激光源的计算机的指令，所述指令包括用于在基板上导引激光能量以便去除基板材料的指令；以及用于在导引激光能量的预定持续时间内向所述基板选择性输送液体的指令，其中所述预定持续时间包括在所述基板上导引所述激光能量以便形成所述特征的时间的至少一半。
全文摘要
提供了一种激光加工基板的方法。该方法包括在基板(400)的第一表面上导引激光能量(420)，同时至少在激光能量(420)导引的区域在基板(400)的第一表面上提供辅助介质(450，452)。在利用激光能量(420)产生基板(400)内的特征的形成完成之前不再提供辅助介质(450，452)。
文档编号B23K26/36GK101052495SQ200580037933
公开日2007年10月10日 申请日期2005年7月29日 优先权日2004年9月13日
发明者M·哈思, P·G·鲁尔克, C·M·加特斯 申请人:惠普开发有限公司