激光烧蚀特征形成装置的制作方法

专利名称：激光烧蚀特征形成装置的制作方法
技术领域：
本发明背景本发明领域本发明涉及一种诸如通过对聚合物基片进行激光烧蚀而在基片内形成烧蚀特征物的方法和装置，以及利用这种装置和方法所形成的产品。本发明特别涉及用于流体流动应用，尤其是喷墨印刷头应用的喷嘴的形成。
相关技术的描述利用掩模和成象透镜系统在聚合材料上激光烧蚀形成特征物是众所周知的。在该加工过程中，用激光对掩模上的特征物进行照射。穿过掩模的透明特征物的激光随后被成象至诸如一聚合薄膜之类的基片上，在该处进行烧蚀加工。


图1示出了一种传统准分子激光加工系统10的基本设置。通常，系统10是借助一至该系统操作者的界面、由一计算机12来加以控制。所述计算机可控制脉冲激光系统24和一伺服系统14的发射时间。伺服系统14的作用是对掩模16和基片夹盘18进行定位，以便使激光烧蚀图案相对于基片19上的其它特征物适当对齐。为了该目的，通常将一可视系统(未示)与所述计算机系统相对接。伺服系统14或计算机12可以控制一衰减器模块20，以改变进入所述系统的紫外线辐射量。或者，可以通过调节激光高压或一由激光的内脉冲能量控制环路所保持的能量用控制设定点来改变激光脉冲能量。
在该图中，箭头22表示紫外光束路径(不应将其视为实际的光路，实际的光路通常是不平行的)，它示出了进入所述系统内部的紫外线能量的流动情况。紫外能起始于脉冲准分子激光器24。激光器24通常以100—300赫兹的频率发射，以便借助那些持续时间约为20—40毫微秒的脉冲进行经济地加工。这种典型的工业用准分子激光器的时间平均功率是100—150瓦，但是由于脉冲的持续时间较短，峰值功率可达兆瓦级。这些高的峰值功率在加工多种材料中较为重要。
紫外能通常是从激光器的输出端横穿过衰减器20；但是，这是一个不会出现在所有激光加工系统中的选用件。衰减器20可起到一个或者两个可能的作用。在第一种作用中，衰减器20可以补偿光链的降级。因此所采用的衰减器20可以使所述激光器运行在一较狭窄的脉冲能带(以及一受限制的高压电平范围)内，从而可以长时间地进行更为稳定的工作。由于在所述系统中采用了新的光学装置，因此设置所述衰减器20以耗散掉一些激光功率。当光学装置衰变并开始吸收它们自身的能量时，对衰减器20进行调节以提供附加的光能。为此，可以采用一块或几块简单的手动衰减板。衰减板通常是石英板或熔融氧化硅板，并且在其上具有一些特殊的介电涂层，以使一些激光能量朝着衰减器壳体内部的一吸光收集器改向。
衰减器20的另一个可能的作用是可以对激光功率进行短期控制。在这种情况中，衰减器20由步进电机或伺服系统来带动，并可对衰减器进行调节，以在基片处提供正确的能量密度(每单位面积的能量)从而进行适当的加工控制。
紫外能从衰减器20传播至一光束扩展望远镜26(可任选)。光束扩展望远镜26起着调节光束横截面面积的作用，以适当地提供至光束均质器28的入射光线。它通过在离开均质器时形成正确的照明数值孔径而对总系统分辨率有很重要的影响。常用的准分子激光束在水平方向与垂直方向是不对称的。通常，将准分子光束描述成“凹帽高斯”，它意味着在激光释放方向(通常是纵向)之间，光束的轮廓呈“凹帽形”(起初比较平坦，但在边缘处急剧下降)。在横向，所述光束具有一典型的强度分布曲线，它看上去象一定性高斯曲线，比如一正常的概率曲线。
光束扩展望远镜26可以对这些方向上的功率分布作一定程度的相对调整，这样可以减少因两轴上的分辨率差而使成象在基片19上的图案出现畸变的现象。
如图所示在光束扩展望远镜26和均质器28之间是一平面的光束折叠式反射镜30。大多数系统由于空间的限制需采用为数不多的这类反射镜30来将系统折叠到可供使用的空间内。通常，可以将反射镜放置在各构件之间，但是在一些区域中，能量密度会相当高。因此，需仔细选择反射镜的位置以避免这些高能量密度的区域。总地来说，这一系统的设计者会设法限制折叠式反射镜30的数量，以最大程度地降低光学装置的置换成本和对准难度。
接下来，紫外光将进入光束均质器28。均质器28的目的是为了在掩模平面处形成一均匀的强照明场。它还可以确定照明场的数值孔径(照射在掩模上的光锥的半角的正弦)，如上文中所指出的，所述数值孔径对于总系统分辨率有影响。由于准分子光束的某些部分比其它部分要热，因此，均匀照明要求将光束解析成几个在掩模平面处伸延和重叠的较小分段。为此在已有技术中有几种方法，其中一些方法是以例如美国专利No.4,733,944和5,414,559中所揭示的传统折射光学装置为基础的，该两专利援引在本文中作为参考之用。所述方法还可以以例如美国专利No.5,610,733中所揭示的衍射或全息光学装置为基础，该专利援引在本文中作为参考之用，或者以连续释放(relief)微型透镜阵列(在1997年的《应用光学》第36卷第32期第8481-8489页、由Nikoladjeff等人撰写的、题为“用于准分子激光束均质化的、复制在熔融氧化硅中的衍射微型透镜”一文中有所描述)为基础。
光从光束均质器28传播至一向场透镜32，所述向场透镜可将来自于均质器28的光聚集起来，并将其与成象透镜34适当联接。向场透镜32可以是结构简单的球面透镜、柱面透镜、变形透镜或其组合物，视应用场合而定。向场透镜32的精心设计和设置对于在透镜32的基片侧上获得远心象是很重要的。
掩模16通常是紧靠向场透镜32而设置。掩模16携带有一待复制在基片19上的图案。该图案通常比希望出现在基片19上的图案的尺寸大(2至5倍)。成象透镜34设计成可以在将其成象在基片19上的过程中使掩模16缩倍。它具有使紫外能量密度在掩模平面处保持较低而使其在基片平面处保持较高这一理想性能。高缩倍通常对于基片平面处的可用场尺寸会有所限制。
掩模16可以由镀覆在一石英或熔融氧化硅基片上的铬或铝形成，并藉助光刻法或其它已知途径将图案蚀刻在金属层内。或者，熔融氧化硅掩模基片16上的反射和/或吸收层可以包括一系列介电层，诸如在美国专利No.4,923,772和No.5,298,351中所揭示的介电层，该两专利援引在本文中作为参考之用。
成象透镜34的目的是将掩模图案缩倍和转象在基片19上。如果图案在每一维上被缩小到1/M，则能量密度将增加M2乘以成象透镜34的透射系数(通常大约为80％)。取其最简单的形式来说，成象透镜34是一单片透镜。通常，成象透镜34是一被设计成可减少图象的各种象差和畸变的复杂多片透镜。成象透镜34最好设计成具有为了获得理想的图象质量以便增大透光率和降低成象透镜34成本所必需的最少元件。通常，成象透镜34是光束链的最为昂贵的零部件之一。
如上文所指出的，成象透镜34可在基片19上形成掩模16的图案的缩倍图象。每当激光器发射时，一强图案区域被照亮在基片19上。其结果是，可在照亮区域对基片材料进行蚀刻。很多基片材料可以这样来成以图象，尤其是聚合材料。可在市场上买到的、以诸如“KaptonTM和UpilexTM为商品名的聚酰亚胺是微电子应用和喷墨应用的可最常用材料。
图1中所示出的系统10是一种“典型”系统。对于那些没有具体要求的应用来说，可以进一步简化所述系统而仍能产生烧蚀部件，但在特征物公差、可重复性或者该两方面会有一定的损失。在应用场合的具体需要的驱使下，对这种典型构造作出一些改变对于系统来说是不足为奇的。
聚合材料的激光烧蚀有很多种应用。一些应用或其某些部分，例如电通路在公差方面是没有要求的，并且重点在于尺寸较小、密度较高的特征物和较低的成本。其它的应用需要高要求的容差和可重复性。后一些应用的例子是流体流动场合，例如喷墨打印头的喷嘴的制造以及药品分配喷嘴的制造。在这些高要求的应用中，对准确尺寸、形状和制造重复性的要求比微电子通路提供的较简单的导电通路图形要严格得多。为了获得严格的容差和产品重复性，对系统的细节结构是苛刻的。另外，工艺参数和光学部件都对获得最严格的可能容差起着重要的作用，达到亚微米级。
如上所述，本发明涉及为喷墨打印头应用和其它液流应用形成喷嘴。在热喷墨打印头点火期间，会蒸发少量的油墨。被蒸发的油墨使墨滴通过喷孔(即，喷嘴)射向打印介质。热喷墨打印的质量取决于喷孔的特性。喷孔的关键属性包括孔的形状和表面状况。
液流应用的一个重要方面是通路壁的斜度。用传统方法制成的通路具有非常陡的壁斜度，斜率取决于入射辐射的能量密度(每单位面积的能量)，并且在较小程度上依赖于用来产生图形的激光脉冲的个数。使用传统方法几乎不能有效控制通路壁的斜度，或者对其定型。一种方法是控制辐射射到衬底上的能量分布。在一投影成像系统中，通过将一环形光阑放在掩模上可以达到此目的，诸如美国专利5,378,137对此有描述。但是，用来产生孔轮廓的掩模图形必须非常小(成像系统的次分辨率)，或者可以将它们成像到被烧蚀的孔或通路中。此方法的缺点是，小的掩模图形很容易被损坏，并且还给掩模制造工艺增加难度和花费。
在目前本行业中制造的一个典型喷墨打印头中，在聚合物薄膜衬底中制造小的烧蚀喷孔或通路，密度大约为每英寸300或更多的烧蚀喷孔。喷孔的大小可以根据特定应用而变化，但一般出口直径小于约35微米。喷孔的入口直径一般小于100微米，平均入口直径大约为50微米至60微米则更典型。本文所述发明的目的是除了在控制喷孔的具体形状方面对掩模图形、能量密度、激光发射等进行传统的工艺控制之外，还对喷孔的形状进行附加控制。
除了上述环状掩模方法之外，另一种对喷孔壁角定形的方法是使掩模本身在一特定的轨迹中移动。在没有任何附加光学部件的情况下，这种改变喷孔的几何形状的能力是一个非常有效的、灵活的加工参数，需要掩模按照每一个激光脉冲的一组规定的坐标来连续地移动。这种运动的详细轨迹对烧蚀喷孔的最终形状有很大的影响。与本申请同时提出的、题为“掩模沿轨道运动以形成激光烧蚀的特征物”的美国专利申请09/196,962描述了一种用于控制烧蚀喷孔形状的装置和方法，该专利的内容可援引在此以作参考。
另一种对喷孔壁角定形的方法是用光学方法移动光束。例如可以通过旋转掩模和投影透镜之间的平的或楔形光学元件来实现此目的。美国专利4,940,881描述了这样一种方法。将旋转元件放在掩模和投影透镜之间会移动在圆形轨道上的像。此等移动会移动入射在衬底表面的光，从而改变烧蚀图形。美国专利4,940,881方法的缺点是，在加工周期期间不便改变轨道半径。如果如美国专利4,118,109所述的，光学元件是楔形的，那么该方法还具有在沿轨道而行期间改变光束之角度的缺点，这会限制最小的可能光束移动，并使工艺控制复杂化。额外的限制是，当与传统的激光掩模结合使用(例如，对于每个被烧蚀的特征，掩模在反射或吸收涂层中具有简单的孔)时，将孔壁斜率分布限制成凹陷的几何形状(参见图15)，除了在能量密度非常小的情况下。
在衬底上移动像的另一种方法是在掩模和投影透镜之间使用一可移动的反射镜。可以以这样的方式倾斜反射镜，使得像沿规定的轨道移动，从而移动入射衬底的光。此方法的一个主要缺点是限制了控制灵敏度，因为反射镜的小倾斜可以相当大地移动视在的掩模的位置。而且，这些镜子必须具有最小的厚度，以确保反射表面具有足够大的机械稳定性和平整性。这样就造成了一相当大的惯性，并且还限制了所述装置的带宽或最高速度。当系统带宽受到限制时，它就会对那些可以被有效地用来成形各孔的扫描图案有所限制。
另一种可以光学地或机械地移动掩模图象的方法是使基片移动。但是这有一个缺点，即，基片的运动必须非常精确才行。高精确度的要求归因于这样一个实际情况，即，烧蚀系统的投影透镜将投影的掩模图象收缩至基片，以使激光能量集中。因此，运动分布曲线的公差也按比例收缩。这种方法通常具有与上述倾斜镜方法相同的惯性问题，只是基片保持件和常用自动系统中所用的移动台的附加质量进一步加剧了该问题。
可以看到，有多种可对激光烧蚀特征物的轮廓进行一定程度控制的方法。但是，还可以看到，目前可供使用的方法有一定的局限性，从而限制了它们的有用性。因此，人们所需要的以及本发明所提供的是这样一种用来控制激光烧蚀特征物轮廓的装置和方法，它可以非常机动灵活地形成各种类型的孔口轮廓，与此同时还可以提供正确且可重复的结果。
本发明概述本发明提供了一种用来控制激光烧蚀特征物的几何形状的方法和装置，并且还提供了一种利用该方法和装置所形成的独特产品。本发明装置包括两个具有不同运动轮廓的旋转光学元件，这两个光学元件被设计成两者相结合能为激光光束提供一特定的扫描图案。每一光学元件均有助于激光光束的总偏移，两光学元件之间的角度关系决定了光束的总径向偏移。由于在加工过程中激光是脉冲激发的，因此，每一个脉冲均着陆于基片上的不同位置。各脉冲着陆于基片上的次序和位置可以使烧蚀特征物的最终形状和方向得以精确控制。同时对可重复运动控制部件加以考虑，可以使所述图案反复出现在后续基片上。可以改变两光学装置的相对旋转速度，以在基片上形成不同的能量密度图案，由此可以改变烧蚀特征物的壁面斜度。此外，还可以对两旋转光学装置之间的角度关系加以控制，以产生一种具有所需形状的烧蚀特征物。两光学装置之间的角度关系可以通过改变光学元件的相对速度(例如使光学元件加速或减速)来加以控制。通过对光学元件之间的旋转速度和相对角度的综合情况进行控制，可以使所形成的烧蚀特征物具有任意一种所选定的壁面倾斜构造。此外，本文所描述的装置和方法还可以对烧蚀特征物的轴向取向加以控制，由此可以形成独特且有用的产品。
本发明方法可以用来对各种材料进行烧蚀。例如，所述方法可以用来在半导体制造过程中利用各种辐射源，诸如X射线和紫外线，包括深紫外线，在有机或无机光阻材料内烧蚀出各图案或使其暴露出来。本发明方法可以在基片内烧蚀出一些完全横穿过基片(即，空穴或通道)的特征物，或者可烧蚀出一具有给定深度的特征物，所述给定深度小于基片的总深度，这种特征物通常称为“盲”特征物。
正如本文中所使用的，术语“激光特征物”包括空穴、孔、通道、喷嘴等，并且可以被完全烧蚀穿过基片，或者仅部分地穿过基片(“盲”特征物)。
附图简要说明图1示意性地示出了一种采用一用来照射基片的掩模的传统型准分子激光加工系统。
图2示出了图1所示激光加工系统，它还采用了本发明的光学扫描器。
图3示意性地示出了本发明的各光学元件。
图4a至图4c示意性地示出了图3所示的各个光学元件之间的不同相位关系。
图5a至图5c进一步示意性地示出了在图3和图4a至图4c中所示的各光学元件之间的相位关系。
图6示出了一通过一光学元件的光束的折射情况。
图7至图10示出了当各光学元件以固定的、互不相同的速度旋转时所获得的激光射点图。
图11和图12示出了通过改变光学元件的相对速度(相位控制)来改变光学元件之间角度关系所获得的激光射点图。
图13和图14示出了一径向路径对于光学元件的角偏移不太敏感。
图15示出了如何才能使所述烧蚀孔具有一当沿孔轴线测量时呈笔直、凹入或凸出的壁面形状。
图16示出了一用来形成喷嘴的激光射点图，所述喷嘴具有非正交于基片表面的轴线。
图17示出了喷嘴阵列，其中，各喷嘴阵列的纵向轴线朝预定方向倾斜，以对离开这些喷嘴阵列的流体进行导引并对流出流体的相对方向进行控制。
本发明的具体描述如上文所述，图1示出了一种传统的准分子激光加工系统的基本设置情况。图2示出了本发明激光烧蚀特征物形成装置，在本文中它指的是光学扫描器50。从图2可见，光学扫描器50插设在激光加工系统10内、位于成象透镜34和掩模16之间。光学扫描器50由计算机12和伺服系统14加以控制。
图3示出了光学扫描器50的总体示意图。光学扫描器50包括两个自旋透明盘52、54。第一自旋透明盘52和第二自旋透明盘54可以具有不同的厚度。但是，盘52、54具有着基本一致的厚度(即，盘52、54具有平行的表面)。盘52、54可以以不同的角速度56、58旋转。线条60表示一束通过盘52、54的光束。类似于盘52、54的光学元件之旋转方法是众所周知，并且在例如美国专利4,119,109、4,822,974和4,940,881中有所揭示。
图4a、图4b和图4c示出了图3所示光学扫描器50的侧视图。应予认识到的是，图4a、图4b和图4c示出了当盘52、54正在旋转的同时、在以特定间距隔开的透明盘52、54之间的特殊关系。可予理解的是，由于盘52、54连续不断地旋转，因此，盘52、54同相或异相的程度也在不停地变化。同样，光束60在离开第二盘54之后投射在基片上的位置也将不停地变化，这将在下文中予以描述。
在图4a中，第一盘52和第二盘54同相旋转，并且当盘52、54旋转时，每一盘52、54相对于具有辐射能的光束60的初始路径具有相同的角度。也就是，盘52、54相对于所述垂直于光束60的光轴62的参考平面以一角度倾斜。同样，盘52、54旋转以相对于光轴62保持相同的角度。自辐射源辐射出来的光束60折射穿过第一盘52，从而使其作为第一出射光束64离开第一盘52，该第一出射光束由于第一盘52的旋转作用而形成一圆形图案66。一旦第一光束离开第一盘52，它即在一偏离光轴62一段距离的地方进入第二盘54，然后由第二盘54进一步折射，从而使第二出射光束68进一步偏离光轴62。由于第二盘54也在自旋，因此可以从第二出射光束68中产生一最终为圆形的图案70。
在图4b中，盘52、54相差为180°。这种构造使得第一出射光束64被折射得使第二出射光束68与光轴62成一直线。
在图4c中，盘52、54的相差不到180°。第二出射光束68将根据盘52、54的相差程度而位于圆弧72上的任一处。当盘52、54相差不到180°但大于90°时，第二出射光束68将落在内区76内部。当盘52、54相差不到90°但也不是如图4a所示的同相时，第二出射光束68将落在外区74内部。
可以理解的是，可以将那些可对每一盘52、54的运动进行处理的数学公式表示如下θ1(t)＝θ01＋ω01t＋1/2α1t2θ2(t)＝θ02＋ω02t＋1/2α2t2式中，α1＝0θ01＝θ02ω01＝ω02在这些公式中，θ表示盘的初始角，ω表示速度，α表示盘的加速度。应予注意的是，上述数学公式仅限于盘52、54具有恒定加速度的情况。
图5a、图5b和图5c进一步论证了结合图4a、图4b和图4c加以讨论的那些概念。图5a示出了如图4a所示的、盘52、54为同相的设置情况。在图5a中，辐射光束60进入光盘52，在该处被折射，并以第一出射光束64出射出来，该第一出射光束偏离光束60的初始路线，该初始路径由虚线62所示，示出了光束60的光轴。应予注意的是，在图5a中，第一盘52以一角度设定在盘保持件78内部，该盘保持件可以被构造成能与一诸如伺服电动机之类的装置(未示)相协作，该装置可以围绕光轴62使整个盘组件80旋转。
而在图5b中，盘52、54相差为180°。因此，在图5b中，第二出射光束68向回折射，并与光轴62相合并。
图5c示出了其中盘52、54相差为90°的构造。在图5c中，第一出射光束64保持其路径而穿过第二盘54(也就是，第一出射光束64没有被第二盘54折射)、应予注意的是，图5a、图5b和图5c所示的元件不是按比例绘制的，而是概念性地示出了诸如激光光束之类的一光束当其穿过盘52、54时的路径。
下面将对可以用来计算光束路径的数学公式进行描述，第一个公式是用于本文中称之为“速度控制”的情况，第二个公式是用于本文中称之为“相位控制”的情况。速度控制涉及的是第一和第二盘52、54没有相对加速度、以不同速度旋转且速度比相对较大(大于1)的情况。相位控制涉及的是第一和第二盘52、54最初以相同速度旋转并且盘52、54具有一相对加速度的情况。
光束穿过单个光学元件后的偏移量(如图6所示)可利用下式来计算。
偏移量＝厚度*sin(i－r)/cos(r)式中，r＝sin-1(n1*sin(i)/n2)n1，n2＝折射率而对于相位控制而言
x(t)＝偏离量1cos(ω1t)＋偏移量2cos(ω2t)＋θdiff(t))以及y(t)＝偏离量1sin(ω1t)＋偏移量2sin(ω2t)＋θdiff(t))对于速度控制而言x(t)＝偏离量1cos(ω1t)＋偏移量2cos(ω2t)；以及y(t)＝偏离量1sin(ω1t)＋偏移量2sin(ω2t)；则，无论是对于相位控制还是速度控制而言半径(t)＝sqrt(x(t)2＋y(t)2)在这些公式中，θ表示盘的初始角，ω是速度，而α是盘的加速度。
图7、图8、图9和图10示出了当盘52、54以不同速度旋转时所获得的激光射点图案。可以看到，盘52、54的速度比可以变化以在基片上形成一种不同的激光射点图案，并由此而改变烧蚀特征壁的倾斜度。
在图7中，可以看到盘52、54的速度是不够大的，因为所获得的图案没有将用来形成所述孔的所有空间填满。在图7的例子中，盘52的速度为2赫兹，盘54的速度为8赫兹，速度比为4，偏移量为1/光学元件，激光重复率为256赫兹，激光射点个数为210。可以看到，如果采用较小的速度，采用那些诸如图7所示例子中的速度，则，激光射点的位置的随机性就不足以形成一均匀特征。
在图8中，盘的速度也不足以获得一均匀的烧蚀特征。在图8中，盘52的速度为0.5赫兹，盘54的速度为75赫兹，速度比为150，偏移量为1/光学元件，激光重复率为256赫兹，激光射点个数为210。因此，在图8中，可以证明，如果光盘52、54其中之一的旋转速度慢于激光发射时间，则，大部分的激光射点将出现在一个象限内，从而会使所述烧蚀特征畸形。
当盘52、54的速度和盘52、54之间的速度比增大时，落在基片上的激光射点图案就变得更均匀，如图9所示。在图9中，盘52的速度为65赫兹，盘54的速度为87赫兹，速度比为1.33，偏移量为1/光学元件，激光重复率为256赫兹，激光射点个数为210。较快的速度和较小的速度比可以通过一种足够均匀的激光射点图案，从而可以产生良好形成的烧蚀特征。
这种工作构造的缺点是激光射点图案对于两个旋转盘52、54的速度非常敏感(例如，只对盘52、54的速度加以控制)。即使将盘52或54的速度改变1赫兹，也会显著改变烧蚀图案。这种效应可以通过比较图9和图10而看到，其唯一区别在于；在图10中，盘54的旋转速度已被增大了1赫兹。
这种特殊工作构造的另一缺点是由于盘52、54之间的光学关系未被加以控制，因此，各部分的光图案就会互不相同。这意味着，对于每一部分来说，第一和最后一个脉冲不会出现在同一位置。当旋转速度较低时这种情况尤为明显。
因此，为了在基片上形成均匀的烧蚀特征，盘52、54采用固定的但互不相同的速度可以产生一些比所希望的较少的结果。因此，有人设想通过对盘52、54之间的角度关系加以控制能制造出一种具有准确的、可重复的形状的烧蚀特征。这可以通过改变每一盘52、54的相对速度，比如改变加速度(例如，“相位控制”)来实现。
在图11中，盘52、54是以下列参数来同相起动的。盘52的初始速度为75赫兹，盘54的速度为75赫兹，盘52的加速度为一1.48赫兹/秒，偏移量为1/光学元件，激光重复率为256赫兹，激光射点个数为210。在图12中，盘是在其它参数与结合图11所描述的那些相同的情况下来异相驱动的。当对图11和图12进行比较时，可以看到，只需使一个光学元件减速，即可显著改变光束路径。与图7至图10所示的相比，在盘52、54之间进行这种附加的角度控制可以为所述系统提供附加的灵活性，从而可以为每一激光脉冲确定一精确的路径。由于盘52、54之间的角度关系可被控制得能对轨道图案加以复制，因此，每一激光射点的定位是可重复的，从而可以形成可重复的特征。
图13和图14证明了光束的径向路径对于角偏向是不太敏感的，因此可得到一种用来成形烧蚀特征、与图7至图10所示的纯“速度控制”方法相比较佳的方法。
图15示出了怎样才能使基片内的烧蚀特征具有一当沿孔的轴线观察时呈笔直、凹入或凸出的壁面形状。壁面形状可以通过对盘52、54的起始位置和加速度进行控制来加以调节，这样就能以与孔内不同的速率来对材料进行烧蚀，由此可形成不同的壁面形状。只需通过改变每一光学元件52、54的加速度和起始位置即可改变激光射点图案(进而改变孔的壁面形状)的能力是一个迄今为止未被使用的、有力且灵活的加工参数。
应予指出的是，如美国专利No.4,940,881中所描述的那样，只采用一个旋转盘，而不采用会显著增加掩模成本的、复杂的掩模结构，只能产生一种凹入的壁面形状(参见图15)。在流体控制喷嘴的范围内，凹入的壁面形状是最不希望的形状，按照该次序，笔直的和凸出的形状则是较佳的。此外，为了能够仅利用一个旋转盘来获得不同的壁面形状，必须采用不同的掩模，这也会增加制造成本。本发明的两个旋转盘52、54可以提供一优于已有技术的显著优点，即，不需要任何复杂的掩模结构，只需对盘52、54的旋转速度和相对加速度加以控制，采用同一掩模即可形成不同的壁面形状。
本发明的独特性能可以使烧蚀特征具有一不垂直于基片表面的轴向取向。也就是，孔的轴线可以相对于基片表面倾斜。孔的这样一种可变化的轴向取向可以通过形成一种螺旋形的激光射点图案(如图16所示)并且在烧蚀过程中使每一圆形“轨道”的中心朝着预定方向缓慢移动而实现。这样一种激光射点图案利用例如美国专利No.4,940,881中所示的、只能使光线以圆形图案移动的单个旋转光学元件是不可能的。
形成一具有非垂直轴线的烧蚀孔的能力是一显著的优点，并且在流体流动应用中是有利的。例如，如图17所示，可以将具有两个或两个以上喷嘴的一组喷嘴定位成使每一孔的轴线指向一共同的预定点。在图17中，各喷嘴82被设置成阵列84、85、86、87，每一阵列84、85、86、87均具有四个喷嘴82。在每一阵列84、85、86、87中，喷嘴82分别朝着一位于每一阵列84、85、86、87的中心的公共点88、89、90、91倾斜。喷嘴82在每一阵列84、85、86、87中的这种取向显著提高了例如对流体液滴被喷射穿过每一喷嘴82的方向加以控制的能力。这种控制允许或者防止例如各液滴在离开喷嘴82之后发生聚结。或者，它可以对各流体液滴在一目标材料上的相对各方位进行控制，诸如来自于一喷墨印刷头的油墨在纸张上的方位进行控制，从而可以影响印刷质量。应予认识到的是，对于本技术领域的那些熟练人员来说，可以烧蚀任意数量的喷嘴和阵列，以满足特定应用的需要。
对图17进行研究可以看到，每一阵列84、85、86、87中至少有一个喷嘴82’的轴线与第一公共轴线92相对齐，而每一阵列84、85、86、87中的第二喷嘴82″与一第二公共轴线94相对齐。同样，每一阵列84、85、86、87的每一喷嘴82均与一预定的公共轴线相对齐。当形成阵列84、85、86、87时，在一个步骤中对喷嘴82’进行烧蚀，在一单独步骤中对喷嘴82″进行烧蚀，等等。各喷嘴82的不同方向的轴线只需通过以预定方式改变盘52、54的旋转运动来改变烧蚀图案即可形成。
正如上文所指出的，图17所示的喷嘴设置方案在那些希望对离开喷嘴的各液滴进行控制的应用场合是非常有用的，例如，能允许或防止液滴在离开喷嘴82之后发生聚结。液滴相聚结或者不相聚结的趋势可以通过改变每一阵列中的喷嘴的纵向轴线的方向来加以控制。具体应用包括喷墨打印机的印刷头(具有出口直径在8至35微米范围内，最好在10和25微米范围的喷嘴)，以及用于诸如医用吸入器之类的应用场合的气雾剂喷嘴板(具有出口直径小于大约5微米范围但最好在0.5至3.0微米范围的喷嘴)。
本文所描述的本发明光学扫描器可以提供显著优于其它烧蚀特征壁面形状控制方法的优点。具体地说，本发明允许各激光射点以各种方式精确地、可重复地移动。各激光射点可以被设置成能大范围变化但极易加以控制的图案，以使烧蚀特征获得理想的壁面形状和轴向方向。
权利要求
1. 一种用来在一基片内烧蚀出特征物的方法，所述方法包括用已穿过一厚度均匀的第一旋转透明盘和一厚度均匀的第二旋转透明盘的辐射来照射所述基片，其特征在于，所述第一盘和第二盘彼此独立地旋转。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二盘以不同的角速度旋转。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在对基片进行照射的过程中，相对于第二盘使第一盘加速或减速。
4. 权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一和第二盘最初是同相的。
5. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一盘和第二盘最初是异相的。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋转的第一和第二盘使辐照以预定图案的方式在所述基片上移动。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基片上的预定图案是不对称的。
8. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基片上的预定图案是对称的。
9. 一种利用权利要求3的工艺形成的产品。
10. 一种利用权利要求7的工艺形成的产品。
11. 一种利用权利要求8的工艺形成的产品。
12. 一种利用权利要求4的工艺形成的产品。
13. 一种利用权利要求5的工艺形成的产品。
14. 一种用来在一基片内烧蚀出特征物的装置，所述装置包括一辐射源；以及一厚度均匀的第一旋转透明盘和一厚度均匀的第二旋转透明盘，它们位于所述辐射源和一待照射的基片之间。
15. 如权利要求14所述的装置，其特征在于，它还包括一位于所述辐射源和所述第一、第二盘之间的掩模；以及一位于所述第一、第二盘和待照射基片之间的投射透镜。
16. 如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述第一盘和第二盘以不同的角速度旋转。
17. 如权利要求16所述的装置，其特征在于，在烧蚀过程中，所述第一盘和第二盘之间的角速度差是变化的。
18. 如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述第一和第二盘适于在所述基片上产生一种不对称的照射图案。
19. 一种喷墨印刷头，它包括一具有大体平面状表面的基片；一具有至少两个喷嘴的喷嘴阵列，所述喷嘴延伸穿过所述基片，所述至少两个喷嘴中每一喷嘴具有一纵轴；其特征在于，所述喷嘴阵列的至少两个喷嘴的至少其中之一的纵轴不垂直于所述基片的表面。
20. 如权利要求19所述的印刷头，其特征在于，所述喷嘴阵列的至少两个喷嘴的所述纵轴彼此不相平行。
21. 如权利要求19所述的印刷头，其特征在于，所述喷嘴阵列的每一喷嘴的纵轴朝着一公共预定点倾斜。
22. 如权利要求21所述的印刷头，其特征在于，所述印刷头还包括多个喷嘴阵列。
23. 如权利要求22所述的印刷头，其特征在于，所述多个喷嘴阵列的每一喷嘴阵列均具有一其纵轴与一第一公共预定纵轴平行对齐的第一喷嘴。
24. 如权利要求23所述的印刷头，其特征在于，所述多个喷嘴阵列的每一喷嘴阵列均具有一其纵轴与一第二公共预定纵轴平行对齐的第二喷嘴。
全文摘要
一种用来在一基片内烧蚀出各特征物的方法和装置,所述装置包括一辐射源和设置在所述辐射源和一待照射基片之间的第一、第二厚度均匀的旋转透明盘。所述方法包括用已穿过第一和第二旋转盘的辐射光来照射所述基片,其中,所述第一盘和第二盘以不同的角速度独立旋转,以在所述基片上形成一预定的照射图案。所述盘可以具有一相对加速度。所述方法和装置可以用来烧蚀那些其纵轴不垂直于所述基片表面且彼此不相互平行的喷嘴。
文档编号B23K26/00GK1326392SQ99813422
公开日2001年12月12日 申请日期1999年3月17日 优先权日1998年11月20日
发明者D·J·特雷德韦尔, C·L·休梅克 申请人:美国3M公司