CN104674212A - 由突发超快激光脉冲能量传递在基体上正向沉积的方法和装置 - Google Patents

由突发超快激光脉冲能量传递在基体上正向沉积的方法和装置 Download PDF

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Abstract

由突发超快激光脉冲能量传递在基体上正向沉积的方法和装置。在目标基体上正向沉积材料的处理通过使激光束的超快激光脉冲突发穿过对激光束透明的载体基体完成。在载体基体的底侧上涂覆有待传递的材料。用激光束的最初几个子脉冲激发涂覆有该材料的所述透明载体的底侧上的电子，其将该材料从载体基体剥离并且激光束的随后的子脉冲通过冲击波以超音速将材料发送至空间，其以正向动量驱使材料跨过载体基体和目标基体之间的窄的间隙，并至目标基体上。

Description

由突发超快激光脉冲能量传递在基体上正向沉积的方法和装置
背景技术
正向沉积的主要现有方法利用了化学方法，其涉及激光打孔、涂覆和成像、镀覆、光刻胶涂层、蚀刻、掩模、离子活化、沉积和镀覆步骤的化学方法。整个现有技术需要复杂，耗时的处理。现有方法最大的缺点是相邻组件路径(迹线)之间的最小可获得的间距容限。
将期望材料从大致透明的目标材料正向沉积到基体上的、允许使相邻元件或迹线更紧密地布置在基体上的更快，更精确的方法将给予电子部件更高程度的微型化和更低的部件故障率。该新的发明提供独特和新颖的结构以克服上述问题。提供比诸如CVD(化学气相沉积)的传统方法更经济的更快的正向沉积。本发明提供一种环境友好的另选方式。
发明内容
本发明涉及在目标基体上沉积期望材料的方法和装置。待沉积的材料涂覆/附着/镀覆在透明材料上并且被称为“油墨(ink)”。要传递至目标基体的材料相对目标基体接近地定置。要传递至目标基体的材料驻留在透明载体材料上并且与目标基体接触或距其小距离内。特别地，待沉积的材料距目标基体2mm内。也就是说，在要传递的材料和目标基体之间存在小于或等于2mm的间隙。通过本发明获得了具有迄今为止不能获得的宽度和不具有任何扩大的足迹的线沉积。这种方法可用于诸如印刷电路板，显示面板或未来玻璃上系统(SOG)的产品的制造或修复。这使用涉及更适用于大量生产的突发超快激光脉冲的材料加工技术。
本发明的总体目的是提供一种将镀覆在透明载体上的期望材料正向沉积在目标基体上的装置和方法，其在随后将详细描述。更广泛的说，本发明涉及使用自会聚突发超快激光脉冲激光的用户选择特性的对已涂覆的基体加工和修改。
通过诸如群速度色散(GVD)、线性衍射、自相位调制(SPM)、自会聚、电子从价带至导带的多光子/隧道离子化(MPI/TI)、等离子体自散焦、和自陡的线性或非线性效应的共同作用，由于激光脉冲的空间和时间曲线的强的重新成形，使超快激光脉冲在透明光学介质中的传播变得更加复杂。参照SL Chin et al.Canadian Journal ofPhysics，83，863-905(2005)。这些效应的作用的程度依赖于激光参数、材料非线性特性、和在材料中的会聚状况。由于非线性折射率对强度的依赖性，在强激光脉冲传播的过程中，由于导致脉冲自会聚的不同折射率，脉冲的中间部分比脉冲周围部分运动的慢。在自会聚区域中，由于产生了MPI/PI等离子体，等离子体作为负透镜并使脉冲散焦，但是由于高强度，自会聚再次发生。会聚和散焦之间的平衡作用创建长的等离子体隧道，其被称为细丝。使用低的每脉冲能量，在材料中留下折射率改变的迹线。该细丝由泵浦能量以形成细丝的背景能量围绕。该背景能量在现有技术中被称为细丝容器。阻塞或者扰动该容器的部分将具有失去细丝的作用。
下面的说明书描述一种将期望材料(诸如元素材料：铜、铬；和复合材料：SiC、GaN或掺杂氧化物玻璃)从其透明载体(诸如硼硅酸盐玻璃、硅晶片、蓝宝石甚至聚合物或类似物的透明材料)沉积到希望包含关注线路(沉积的材料作为传导路径，与要传导的信号的电磁属性无关)的目标基体上的新颖和独特的方法。
本发明的另一个目的是使得用于制造有机层压基体PCB(印刷电路板)、半导体部件、显示板、玻璃上系统(“SOG”)及类似物的平面薄片基体物理尺寸的减小。该方法通过将传导路径的物理尺寸缩小至甚至小于1μm的值将允许多结构设计和加工中的更大灵活性。由于待沉积的材料可是对激光脉冲串或激光突发包络及激光细丝边界敏感的任何材料，待沉积的材料可为用于电、磁或光传导的“线路”传导材料，唯一的限制由材料涂覆至合适透明基体的能力和材料对使用细丝来高超音速传递的敏感性带来。
该发明的一个目的是使用非线性效应在衍射极限之下会聚光束。
该发明的另一个目的是使用常规透镜，其具有在载体基体上方200μm的会聚点，该光束被会聚以在载体基体下1微米处创建细丝尖端，然后该细丝尖端用于从载体向目标烧蚀金属。
该发明的另一个目的是使用具有短波长的激光束，因为随波长减小，细丝尖端尺寸减小并且能够进行更窄宽度的线沉积。
该发明的另一个目的是使用具有对于载体基体透明的波长的激光束。
该发明的另一个目的是提供一种将材料正向沉积在基体上的系统和方法，其中，沉积材料在非常窄的线(线宽度)内并且这些线彼此设置的非常近。
该发明的另一个目的是修复基体上已有的结构或在基体上创建新的结构。
本发明的主题详细的指出并清楚地宣称在本说明书的结尾部分。但是，操作装置和方法，连同进一步的优点和其目标可通过参考下面的描述连同附图最好的理解，其中相同的附图标记指的是相同的元件。本发明的其它目标，特征和方面在以下更详细的讨论。
附图说明
图1是具有两个迹线的现有技术部件基体的示意图；
图2是具有通过应用突发超快激光脉冲而熔融在其上的三个迹线的部件基体的示意图；
图3-图5是快速激光沉积装置的具有代表截面图，其中细丝出现在透明基体的顶表面下方并具有不同的光斑尺寸；
图4A是正向激光沉积的例示图；
图6-图8是超快激光脉冲的不同突发的能量分布图的典型视图；
图9是激光加工系统的示意图；
图10和图11例示了使用非远心镜头和远心镜头的X-Y扫描仪；
图12A是在用于印刷或修复LCD上的迹线的正向沉积处理中使用的示例激光系统的示意顶视图；以及
图12B是在用于印刷或修复LCD上的迹线的正向沉积处理中使用的示例激光系统的示意侧视图。
具体实施方式
随着更高加工速度的出现和由于电子部件几何加速的放缓，包括透明基体，诸如用于SOG的硼硅酸盐玻璃的层压基体的制造被推向提供能够投送超过现有材料的性能的性能值的部件及生产技术，同时微型化部件的尺寸。由于迅速新兴的技术，半导体封装和PCB技术之间的界限变得模糊；在为了最优化基体设计的首要方案中这些都必须被同时考虑。在半导体领域中，由于影响操作频率、功率、可靠性、和成本，所以组装和封装是半导体产品的关键竞争因素。
将来用于部件制造的基体基底将需要拥有更好的电学性能，举几个例子，诸如：较低的介电常数值Er(Dk)、较低的损耗角正切(Df)、高的导电传导冶金以最小化电阻电压降及有效地向芯片提供电力、低电感连接以降低同时切换噪声、低介电常数绝缘体材料以更好地配合板阻抗并减小不期望的寄生电容、以及先进的热界面材料以管理芯片上的高功率密度并且提高在更高温度环境下工作的能力。
最重要的是这些将来的基体基底将需要其自身适用于制造技术，其允许比10μm小的多的线宽度(迹线)和线间隔(迹线间隔)的特征尺寸。解决这些问题和实现电子部件的进一步的微型化的关键在于在具有高的剥除强度并且得到小于5μm及甚至小于1μm的更精细的迹线和迹线间距的、电介质基体基底上实现极薄、窄和被非常好的控制但是仍然具有弹性的传导层(金属、电介质或混合物)。
尽管目前的方法提出从透明传递材料(诸如玻璃)将多种材料(诸如铜)沉积至部件基体(诸如另一个玻璃)，但是此处的说明书将继续讨论材料对传统线路板的这种正向沉积。本技术对于电、光和磁线路与多种合适的绝缘目标基体的结合同样有效和有利。该技术其核心是通过使用自会聚突发脉冲串及获得的细丝以产生用于书写极小的特征的精细尖端的“铅笔”来实现的、具有极严格控制的截面几何的极精细的线沉积。它们本质上不是必须为线路，如在用于光刻的光学掩模(甚至是EUV掩模)的修复的情况。基本上任何材料沉积处理能够根据成本而改造以产生强烈的动机去转变成本发明的技术和结构，其具有非常广泛的应用，远远超出那些在此描述的。沉积至任意其它材料上的任意材料可以被复制，然后通过应用该技术来改进，得到的结果低于所使用的光学系统的衍射极限并需求采用伴随的特性控制。
传统的印刷电路板(PCB)由在至少一侧覆盖铜层的完全树脂固化的玻璃纤维增强环氧树脂电介质基体基底组成。目前，存在三种将铜附着至基底的主流产业标准方法：电解/电泳沉积、箔堆积(在未固化的层压板上层压箔)、和RCC(铜涂覆树脂)。这些方法中的每种均利用树枝状结构将铜附着至基体基底。
在第一个方法中，通过在沉积铜之前。通过打毛结合面和或施加固化在基体上的结合剂来制备基体。沉积的铜必须足够厚以获得至基体表面的树枝状附着，以便保持铜层的高的剥离强度。通常这需要铜层厚度为.007英寸(7毫英寸)厚。就是这个厚度控制了线宽度(迹线)和间距的极限。该产品不能容纳小于20μm(.0008英寸)的每个迹线和间距宽度，因为它由获得足够的剥离强度特征而需要的树枝状结构的物理特征限制。
第二个方法在层压压合中通过加热和压力将铜箔附着未固化的电介质基体。同样的，由该方法制得的产品不能容纳宽度小于20μm(.0008英寸)的每个迹线和间距，因为它由获得足够的剥离强度特征的树枝状结构而需要的物理特征及相关的蚀刻处理步骤中作用在铜上的蚀刻因素限制。
第三个方法通过使用粘合剂(通常这是与制成层状基体基底相同的树脂，除了其是未固化的树脂)将薄的铜箔附着至基体表面。在此，在涂覆粘合剂之前在铜箔上形成了深的树枝状结构。它同样需要.0007英寸厚的铜层。由于树枝状结构的物理特征及相关的蚀刻处理步骤中作用在铜上的蚀刻因素，该产品不能容纳小于25μm(.00098英寸)的迹线和迹线间距。
目前作为这的一种替代，使用正向激光沉积并且已被公共和私人的很多机构开发。该烧蚀技术提供非常好的正向动量传输，但是不能产生精细的节距(pitch)、精细的CD(临界尺寸，要产生的特征宽度)控制、或截面精确度。与本发明相同，这些技术利用将激光会聚至载体之内或载体之上的标准方法，但是相似之处仅在于此。
在LCD制造业中，所有的TFT(薄膜晶体管)使用光刻技术制造。有数千米的薄膜线路来点亮每个像素的每个晶体管并且线路断开是制造中常见的错误。破损的线路被空气窗口盖覆盖并填充Cr气。激光束扫描关注区域以及推动原子向目标移动并在目标上化解(defuse)从而使电连接。该方法被称为CVD(化学气相沉积)并且是昂贵的修理，其需要高度熟练的技术人员来运行机器。Cr气是有毒并且环境不友好的并且这是这种技术的缺点之一。由于没有经济和绿色的替代技术，光刻工业使用CVD用于修复。
在基体上正向沉积的处理通过传递光的突发超快激光脉冲穿过对于激光束透明的载体材料(诸如玻璃)来完成，该载体材料已经在它的底侧用关注的待传递材料(诸如在PCB情况下的铜，或在分划板或LCD情况下的Cr)涂覆并且采用最初几个子脉冲激发铜的背面(在透明载体材料/铜界面)的电子，其将材料从载体基体剥离。接下来的几个脉冲穿过载体基体并且不碰到任何要剥离的材料及很高的发散角现在穿过该载体，其以高超音速通过冲击波将现在剥离的材料发送至空间，该冲击波采用快速动量驱使铜横穿载体材料和相邻的目标基体之间的狭窄间隙，并以将铜熔融在目标基体上的方式至目标基体上。因此这样沉积的材料随着其朝基体行进借助于在沉积材料的表面上获得的极高和均匀的能量密度还在该处理中闪退火。它提供热量和“弹道退火”。
该传递产生相互靠近的相邻线(或迹线)。换句话说，相邻线之间的间隙比入射激光束的“光斑尺寸”小。该光斑尺寸是入射在载体材料的第一表面上的激光束的直径。基体和载体通常将彼此不接触。在某种情况下，依赖于期望的结果，基体和载体可以彼此接触。基体和载体必须彼此非常接近，通常相距不超过2mm。如果间隔大于2mm，对于一些材料可能存在问题，其中传递可能不完全或不均匀。正向沉积材料的几何和尺寸由激光束的能量密度、光斑尺寸、焦点和脉冲能量控制。值得注意的是正向沉积材料的尺寸可能比光斑尺寸小的多，但在制造或生产情况下同样可比光斑尺寸大很多，其中激光束的多个扫描和多个穿过可由不同的交叠模式进行以产生非常大区域的均匀或非均匀的沉积材料。
不同于在此教导的应用细丝尖端以从载体移除材料，有人可能想到使用非常高的NA(数值孔径)以紧紧地会聚光束并获得非常小的光斑尺寸。但是该光束在会聚后很宽地分散并且得到的沉积将非常宽。使用细丝尖端帮助在衍射极限之下会聚光束，同时突发效应帮助材料的平滑移除和退火的“固化”沉积。本发明的另一个目的是使用具有在在载体基体上方200μm焦点的常规透镜，将光束会聚以在载体基体下1微米处产生细丝尖端，然后使用细丝尖端从载体向目标烧蚀金属。参照图6、图7和图8，其例示了具有突发脉冲包络A、B和C的不同突发模式。图8例示了在包络中具有不同脉冲能量和突发脉冲频率的脉冲。
本发明使用由超快激光脉冲产生的突发细丝的能量通过透明载体将期望的材料附着至部件基体基底并且因为先前讨论的闪退火，这样做不需要用于将期望材料附着至基体基底的树枝状结构。因此迹线之间的宽度同样被最小化。作为突发超快激光处理的副产物，沉积材料还被退火并且可能精确地实现降至低于微米宽度迹线的小宽度沉积。但是，利用激光的正向沉积处理的最重要的特征是沉积材料的截面几何。
参照图1和图2，可看出现有技术的迹线与超快激光脉冲能量传递所产生的部件基体基底的迹线之间的物理差异。
参照图1，由现有技术产生的由附图标记1和3例示的迹线通过深的不规则的锚定底9和11在基体13上。蚀刻9和11在截面尺寸和形状上是不同的。迹线1和3在其高度上变化，如尺寸箭头5和7所指示。锚定底9和11是不同的并比它们在基体13上的基底延伸的宽。由于锚定底9和11比基底宽，因此迹线1和3之间的间距由最小间距指示，如尺寸箭头15所示。因此，相邻迹线之间的实际操作距离间隔由尺寸箭头17指示。
参照图2，迹线19、21和23通过本发明的方法产生，可看出这些迹线熔融至基体13，使得相邻迹线之间的操作距离间隔比尺寸箭头25所示的现有技术中的小很多。迹线19、21和23具有比现有技术的迹线1和3中看到的窄的顶部27。本发明的迹线与现有技术中的那些相比，包含较少质量的迹线材料，但是，它们被更加有效和有序地排列。
参照图2，这些迹线的顶边缘31和底边缘33比现有技术中的尖锐，因为施加的材料从镀覆在载体基体上的固定厚度的材料释放。为了清楚在图2中一定程度地放大了附着区域和退火区域，但实际比显示的小并且总是小于因此沉积的材料的尺寸(长度和宽度)。
附着(附着区域)和退火的各自区域19A，21A和23A在每个迹线19，21和23的下面。该附着和退火区域是由突发超快激光脉冲的能量沉积所造成的。
可以看出，通过本发明的方法施加至基体13的迹线在截面几何中比现有技术获得的迹线窄、彼此更接近并且尺寸上更接近。这是关于这些参数和正向沉积材料布置的非常高程度的控制。这些特点允许在整个部件尺寸上的总体缩小和在基体上准确设置部件迹线。
图3-图5是正向沉积激光装置的代表截面图，其中细丝发生在透明基体的顶面下方并具有变化的光斑尺寸。图3-图5例示了在材料45传递至目标基体后的情况。图3示意地例示入射激光束35、透镜37、细丝39F、容器39R、在透明载体和材料45之间的界面上的光斑39、上面附着了材料45的透明载体47和如附着区域51A指示的在基体51之上或基体51之内沉积的材料部分49A。细丝直径小于或等于2μm。仅作为示例，在透明载体和材料之间的界面上的光斑39的直径范围为4-6μm。在透明载体47的顶部上的光斑尺寸47S的直径可在50至200μm之间调节。间隙53是示例且它在0.00mm至2mm的范围之间。
图4示意地例示了入射激光束35、透镜37A、具有2μm直径的细丝41F和尖端41T、容器41R、在透明载体和材料45之间的界面上的光斑41、上面附着了材料45的透明载体47、和由附着区域51B指示的在基体51之上或基体51之内沉积的材料部分49B。尖端41T直径可小于500nm。仅作为示例，在透明载体47和材料45之间的界面上的光斑41的直径接近细丝尖端41T的直径。在透明载体47的顶部上的光斑尺寸47S的直径可在50至200μm之间调节。图4的示例能够制造施加至目标基体51的非常薄的油墨(金属或其它材料)线。间隙53是示例且它在0.00mm至2mm范围之间。仍然参照图4，通过调整透镜37A垂直移动细丝41F来调节尖端41T至透明载体47和材料45的界面。图4A基本上与图4相同，但是显示了额外的涂层45C，其使材料45从载体基体47的释放更容易。ITO可用作该释放材料45C。
图5示意地例示了入射激光束35、透镜37B、具有20μm尖端43T的分叉细丝43F、容器43R、在透明载体和材料45之间的界面上的光斑43、上面附着有材料45的透明载体47、和由附着区域51B指示的在基体51之上或基体51之内沉积的材料部分49C。仅作为示例，在透明载体47和材料45之间的界面上的光斑43的直径为20μm。在透明载体47的顶部上的光斑尺寸47S的直径可在50至200μm之间调节。
仍然参照图3-图5，即具有不同的光斑尺寸和相对载体基体的细丝位置的正向沉积激光装置的代表截面图，可看出入射激光束如何通过透镜会聚以在透明载体47和待沉积材料45的界面处形成不同直径的细丝39F、41F或42F和光斑39、41或43一与会聚束腰位于哪里无关。在此的关键点是细丝的位置限定了该技术的最终精度。所获得的能量同样不损坏待传递的材料，而是由于激光束的突发脉冲特性以阶梯式堆积，直至待沉积的材料从透明载体完全地分离(剥离)并且能量造成正向沉积的发生并且待沉积的材料跳跃横跨空气间隙53并将迹线49、49A、49B熔融至目标基体51。
仍然参照图3-图5，可看出基本上平坦的透明载体材料(玻璃、蓝宝石、Si、SiC等)在其一个平面上涂覆了关注材料45，从而变成载体47。在透明材料(诸如硼硅酸盐玻璃)上沉积金属薄层的方法是众所周知的。可选地，如图4A中例示的，可使用释放层45C(诸如ITO)。关注材料45(通常为传导金属，诸如铬、或其它金属，以及非金属和类金属、有机材料和聚合物)要被精确地沉积在目标基体51上的特定迹线中，可能用于对具有损坏的线路或迹线的已有基体的加性修复(在例如用于光刻的光掩模或LCD线路的情况下，目前其在特定环境中利用昂贵且缓慢的方法或加性修复)。如上所述调节了特定激光参数的强突发超快激光脉冲35的入射光束通过透镜37会聚以在透明载体/待沉积的材料界面39、41、43的期望位置处产生可变(和用户可选的)尺寸的焦点，其在材料中产生了充足能量的积累，该材料逐渐(或平缓)地沉积而不是一次全部沉积。这种逐渐的积累造成待沉积的材料将从其透明载体材料上释放并被驱使穿过载体材料47与部件基体51之间的空气间隙33，其中待沉积的材料(仍处于激发和可能地加热状态)被熔融至部件目标基体51的表面。依赖于激光束35的能量等级及特定的待沉积材料和它的厚度，还会发生退火“固化”。这些处理的时间尺度发生在或大约在连续的激光脉冲之间的间隔或其倍数。
这种技术的优势是产生精确地宽度控制的传导线(迹线)的能力，用于修复显示监视器或其它高价值电子部件基体。采用使用激光的现有技术方法，沉积线的宽度或迹线总是大于入射在关注材料和基体上的激光光斑，并且它同样不是完全可重复的，具有不好的截面几何。
突发激光脉冲还适当地退火已沉积的材料及精确地实现降至50nm的小迹线宽度沉积。改变其中的脉冲和能量分布曲线能够产生高程度的处理控制。在基体上扫描激光，并且在工具文件中加载了需要沉积的精确位置，大尺寸的设备布置可以以前工业中无法获得的方式加性修复。一个绿色的优势是该技术(处理)在大气条件下执行，不是在现有修复技术的真空下。可使用约25nm*50nm的卡式盒进行成数千缺陷的微焊接修复，并且极易变为新的卡式盒。参照图12和12B。
以物理术语描述这个事件，激光束的单个突发脉冲的子脉冲之间的时间小于待沉积材料的热弛豫时间常数。因此，激光能量在焦点区域以快于它能够热消散的突发进入待沉积的材料，造成关注材料从其基态以阶梯量提高能量。这允许对待沉积材料的激光能量密度的输入进行控制，其减少了对材料的附带损坏并允许材料激发至其基态之上(使得可以发生沉积传递)同时控制温度上升(以避免激光烧蚀或表面融化)以及残留被加热的区域的大小(以控制局部微裂纹和机械振动)。总是调节脉冲能量以避免任何对载体材料的损坏并且总是保持超过油墨(所涂覆的材料)的烧蚀临界值。这确保从载体基体上将没有碎屑烧蚀并在迹线上飞。
高重复率突发(＞10kHz)与超快激光脉冲的组合实现了材料处理中的很多可能性。特别地在此，高重复率控制在每个超快激光脉冲和随后的超快激光脉冲之间，在带传递的材料中处理的进展。以实现正向沉积的处理。
已经知道激光束脉冲的脉冲持续时间、波长或脉冲形状能够带来新材料交互作用，以及在超短波脉冲区(＜100皮秒)的激光材料处理具有较长脉冲没有的优势。超快激光提供高的峰值强度以通过启动多光子、隧道离子化和电子雪崩处理来修改材料。通过调整超快激光/材料交互作用的强度、波长和脉冲持续时间，现在可以进行迄今为止导致了太多附加损坏的很多激光处理，从而证明了该结果。关于好的热导体金属(诸如铜)，激光脉冲的短持续时间(大于100kHz的高重复率)确保了随着激光能量输入至金属表面，在能够发生任何显著地热消散效应的发展之前，有效的能量耦合。激光单个脉冲持续时间、脉冲与脉冲的间隔、每个突发的脉冲数目和突发的基于时间的曲线的调节将得到针对厚度而言对材料输入特定的时域激光能量密度，以完成正向沉积，同时保持激光能量密度水平低于产生不利效应(诸如材料中和周围区域的烧蚀或过度的温度升高)的临界水平。
作为另一个示例，利用平均功率5W、设置在50kHz的12ps的脉冲持续时间、1064nm波长、在每个突发包络具有8个脉冲、具有50MHz的突发频率的激光将产生12.5μJ/脉冲。这等同于足以烧蚀载体上的材料并且在在玻璃中形成细丝的临界功率的边界内的大约2MW峰值功率。该细丝不是强到足以损坏或烧蚀基体，但将在该块中完成折射率的改变。采用在突发模式运行的激光，可能采用突发中的单一脉冲完成整个处理，在这种情况下，5W、设置在50kHz的12ps的脉冲持续时间将产生100μJ/脉冲，其对于在玻璃内形成细丝和在载体上烧蚀材料是完全足够的，但是采用如此高的单个脉冲功率，存在烧蚀基体和使沉积体上具有碎屑的可能性。在这种构造中，必须减小激光的功率。突发包络中更多的脉冲具有的优势在于前几个脉冲引起材料的剥离及传递，但随后的子脉冲帮助固化和退火在目标上沉积的材料。使用高的突发脉冲频率(50MHz)是非常有益的，因为首先相对于突发中的所有8个随后的脉冲目标看起来是稳定的，并且的确脉冲与脉冲之间的时间比材料弛豫时间短，并且它帮助有效的热积累和固化及没有必要使用热量或另一个激光进行该固化。
在10fs至小于1ns之间的脉冲宽度、1Hz至2MHz之间的重复率、在突发脉冲包络中具有1至50个脉冲的脉冲突发、以及从1W到200W的激光功率，可用于该正向沉积处理。可使用范围从350nm至2μm的激光波长。较短的波长有具有较窄的沉积宽度的优点。
正向沉积的实际机制如下。在透明载体基体(载体媒质薄片的底面)和待传递的材料薄涂层之间的界面上的会聚光斑施加适当尺寸的超快激光脉冲突发时，将在待传递材料的“背面”产生自由电子的热云，其将造成材料完全地从载体基体表面“迅速爆开”(完全地并且具有标记能量密度的光斑的锐利线条)并通过熔融将其自身沉积至在距不到2mm处设置的部件基体上。
该正向沉积将在仅几个激光脉冲内快速发生，然后激光束自由被设置在另一个位置或跟随更复杂、连续的迹线图案。没有必要重新会聚激光束或调整光束的任何能量参数，只要待沉积材料的厚度以及载体基体和部件基体之间的间隙保持不变。
激光输送(“加工”)系统
众所周知现有技术中目前有几种类型的激光输送系统可用。所有激光输送系统具有至少两个共同点：它们改变入射激光束在工件上的位置并且它们允许调节不同的激光会聚、功率和输送参数。该系统可以绕着激光束移动工件(例如，通过可在X-Y平面平移的工作台)，可以绕着工件移动激光束(例如，通过转向镜)或可利用这两种技术的组合。
图9代表了能够在玻璃基体内形成细丝的激光加工系统70的示例。它包括能够提供突发模式脉冲串的超快激光器72，优选具有小于100皮秒的脉冲宽度，配备有适当的光束转向光学装置，使得可传送激光束至多轴旋转和平移台，包括：在XY平面(θ，θ)内的旋转台、3D XYZ平移台和用于倾斜光束的轴或相对于X轴(伽马，γ)协调控制结构的部分。在所示出的示例实施方式中，通过调整光学装置74(例如正或负透镜或透镜的结合，能够传送弱会聚光斑，其能够进一步调整或操纵)光束抽样镜76、功率表78、X-Y扫描仪80、最终会聚透镜82和用于定位工件86(玻璃基体)的伺服控制台84来操纵光束。已知断开的坐标，观察系统80V精确地定位该断开，随后操作者能够进行修复。
图10和11例示了示出通过使用非远心透镜110(图10)和远心透镜112(图11)控制X-Y扫描仪80平台控制多个轴的能力示例性实施方式。可执行绕X(伽马)轴的旋转。应理解的是其它光学构造是可能的。
图12A是用于印刷或修复LCD装置上的迹线的示例激光系统的示意顶视图。附图标记47代表其上附着有待沉积的材料的载体基体。在图12A中例示了激光头97的X-Y移动，其中激光头97被示意地例示成在目标基体90上方。目标基体90由梁91、92支撑在花岗岩(或其它尺寸稳定的)支撑体上。轨道95、96支撑可动臂98，该可动臂98在X方向上沿轨道95、96是可动，如图12A中例示的。可动臂98由马达和控制器驱动，该驱动器在X方向上精确地定位可动臂98。同样地，激光头97由马达和控制器驱动并是精确地可动以及在Y方向上沿可移动的臂98定位，如图12A中例示。图12B是图12A中例示的用于印刷或修复LCD上的迹线的用于正向沉积处理的示例激光系统的示意侧视图，图12B例示了支撑体91A、91B，上面驻留了载体基体47。待沉积的材料(在此有时称为油墨)附着至载体基体47。图12B例示了头97如何在垂直Z方向上移动以控制细丝的位置。在激光头97和载体基体47之间设置有可调节的透镜(未示出)。
可动臂98包括轨道装置并且激光头97包括马达97M或用于在Y方向上定位激光头97的其它装置。此外，激光头可在Z方向上移动以调节期望的光束细丝。垂直轨道97V实现垂直方向(Z方向)上激光头97的移动。更进一步，应理解的是选择的分布式会聚透镜可适用于与激光头97一起使用。
当利用突发超快激光脉冲来完成正向沉积时，可使用具有多个旋转轴和平移控制的上述装置，目的在于为了产生复杂的迹线几何，将在不同的会聚位置、非垂直入射角及不同的配方控制的位置光束引导至工件上，目前使用当前采用的现有技术是不可能获得的。那些本领域的技术人员将认识到不是所有应用都需要所有这些轴并且一些应用将从具有简单的系统结构获益。此外，应理解的是所示的装置仅是本公开的实施方式的一个示例实现方式，并且针对各种基体、应用和部分呈现方案，在不背离本公开的范围的情况下，这些实施方式可由设备制造商变化、更改或组合。
正向沉积方法
将材料正向沉积在电介质基体上的步骤如下：
提供包含激光脉冲突发的激光束；
提供激光束传送系统，该激光束传送系统能够在所述待沉积材料上会聚所述激光束并且使所述激光束和所述待沉积的材料之间相对移动；
提供在其一侧附着有材料的透明载体基体并且在其中创建可适当调节的细丝；
在相邻相距电介质基体不超过2mm的空间结构内，采用材料附着至其一侧迭加透明载体基体，所述透明载体设置在所述电介质基体和具有突发超快激光束脉冲的激光束源之间；
将来自激光源的激光能量脉冲穿过透镜会聚组件；
调节所述透镜会聚组件相对于所述激光束源的相对距离和或角度，以将激光能量脉冲会聚到所述透明载体基体和所述待沉积材料界面上的激光能量密度光斑内；
将能量密度水平条件至足够的强度以确保待沉积的材料完全快速沉积至基体上；以及
从激光源施加具有合适波长，合适突发脉冲重复率和合适突发脉冲能量的至少一个突发激光脉冲穿过透镜会聚组件至目标上，其中，施加在所述待沉积的材料上的光斑上的脉冲能量或能量密度的总量大于通过细丝的形成而开始和传播正向沉积所需要的临界能量水平，但是小于开始烧蚀加工所需要的阈值临界能量水平；并且
当期望的一系列迹线已沉积至基体上时，停止所述突发激光脉冲。
应理解的是本发明不限定其应用在下列描述阐明或附图中例示的组件的布置。本发明能够为其它实施例并且采用多种不同顺序的步骤实行及完成。同样，应理解的是在此使用的措词和术语的目的是描述并且不应认为是限定。同样地，本领域的技术人员将意识到利用基于该公开之上的构思作为依据，可容易地设计用于完成本发明几个目的的其它结构，方法和系统。因此，在与本发明的精神和范围不能分离的范围内，权利认定为包含这种等同的结构是重要的。
本专利申请要求2013年11月19日提交的美国临时专利申请no.61906309的优先权和权益。2013年11月19日提交的美国临时专利申请no.61906309的全部内容通过引用至此在此结合。

Claims (20)

1.一种将材料正向沉积在目标基体上的处理，该处理包括以下步骤：
产生激光束的超快激光脉冲突发，所述超快激光脉冲突发包括具有子脉冲的突发脉冲包络；
在所述激光束的衍射极限之下会聚所述激光束；
将所会聚的所述激光束的超快激光脉冲突发穿过对于所述激光束透明的载体材料，所述载体基体包括先前涂覆有待传递的所述材料的底面；
用所述激光束的所述脉冲突发的最初几个子脉冲，激发涂覆有所述材料的所述透明载体的底侧上的电子；
从所述载体基体剥离所述材料；
继续将所述激光束的所述脉冲突发的随后的子脉冲穿过所述载体基体，其不碰到任何要剥离的材料并且现在以非常高的发散角穿过所述载体基体；
通过冲击波以高超音速将现在剥离的材料发送至空间，该冲击波以正向动量驱使所述材料横穿所述载体基体和所述目标基体之间的狭窄间隙，并到所述目标基体上；并且
将所述材料熔融至所述目标基体上和所述目标基体中。
2.根据权利要求1所述的在目标基体上正向沉积的处理，该处理进一步包括以下步骤：
随着所熔融的沉积材料朝所述基体行进，借助在所熔融的沉积材料的所述表面上实现的极高且均匀的能量密度，对所熔融的材料进行快速退火。
3.根据权利要求1所述的在目标基体上正向沉积的处理，其中，所述载体基体是玻璃，所述目标基体是电介质并且所述材料是传导性的。
4.根据权利要求1所述的在目标基体上正向沉积的处理，其中，所述载体基体选自由硼硅酸盐玻璃、硅晶片、蓝宝石组成的组，并且所述材料选自由铜、铬、SiC、GaN、掺杂氧化物玻璃、金、有机材料、纳米颗粒和聚合物组成的组。
5.根据权利要求1所述的在目标基体上正向沉积的处理，其中，在所述激光束的衍射极限之下会聚所述激光束的所述步骤包括使用非线性会聚装置。
6.根据权利要求1所述的将材料正向沉积在目标基体上的处理，该处理包括步骤：
产生会聚在载体基体上方200μm的主焦点，所述激光束被会聚以产生在所述载体基体下1μm的细丝尖端，然后使用所述细丝尖端从所述载体基体朝向所述目标烧蚀所述材料。
7.根据权利要求1所述的将材料正向沉积在目标基体上的处理，其中，所述激光束的所述脉冲具有对于所述载体基体透明的波长。
8.根据权利要求6所述的将材料正向沉积在目标基体上的处理，其中，所述细丝尖端尺寸依赖于所述激光束的所述脉冲的所述波长，并且所述激光束的所述脉冲的所述波长具有对于所述载体基体透明的波长。
9.根据权利要求6所述的将材料正向沉积在目标基体上的处理，其中，激光能量比它通过所述材料能够热消散快的突发进入在所述激光尖端的区域处的所述材料，导致能量在所述材料中从其基态以阶梯量上升。
10.根据权利要求1所述的将材料正向沉积在目标基体上的处理，该处理进一步包括以下步骤：
使所述激光束和所述材料之间能够相对移动；并且
在所述目标基体上创建所述材料的迹线。
11.根据权利要求1所述的将材料正向沉积在目标基体上的处理，该处理进一步包括以下步骤：
将附着至所述载体基体的所述材料与所述目标基体的间隔维持成小于或等于2mm。
12.根据权利要求1所述的将材料正向沉积在目标基体上的处理，其中，将所述材料熔融至所述目标基体上和所述目标基体中的所述步骤包括同时固化所述材料。
13.一种由权利要求11的处理制备的产品。
14.一种将材料正向沉积在基体上的方法，该方法包括以下步骤：
提供包括激光脉冲突发的激光束；
提供激光束传送系统，该激光束传送系统能够在所述激光束的衍射极限之下将所述激光束会聚在待沉积的所述材料上并且使得所会聚的激光束和待沉积的所述材料之间能够相对移动；
提供一侧附着有材料的透明载体基体并且在所述透明载体内创建细丝；
以接近所述电介质基体的不超过2mm的间隔构造叠置一侧附着了材料的所述透明载体基体，所述透明载体位于所述电介质基体和能够产生超快激光束脉冲突发的激光束源之间；
将来自所述激光源的激光能量脉冲穿过透镜会聚组件；
调节所述透镜会聚组件相对于所述激光束源的相对距离和或角度，从而将所述激光能量脉冲会聚至所述透明载体基体和待沉积的所述材料的界面处的激光能量密度光斑内；
将能量密度水平调节至足够的强度以确保将待沉积的所述材料完全地正向沉积至所述基体上；以及
从所述激光源通过所述透镜会聚组件以突发脉冲重复率和突发脉冲能量向所述材料施加具有对于所述载体基体透明的波长的激光脉冲的至少一个突发，其中，施加在待沉积的所述材料上的光斑上的脉冲能量或能量密度的总量大于在所述载体基体内通过细丝形成来开始和传播正向沉积所需要的临界能量水平，但是小于对所述载体基体开始烧蚀加工所需要的阈值临界能量水平；
将所述材料熔融至所述目标基体上和所述目标基体中并同时固化所述材料；以及
当期望的一系列迹线已沉积至所述电介质基体上时，停止所述激光脉冲突发。
15.根据权利要求14所述的将材料正向沉积在电介质基体上的方法，该方法进一步包括以下步骤：
所述载体基体选自由硼硅酸盐玻璃、硅晶片、蓝宝石组成的组并且所述材料选自由铜、银、铬、铝、SiC、GaN、掺杂氧化物玻璃、金、有机材料、纳米颗粒和聚合物组成的组。
16.一种由权利要求14的处理制备的产品。
17.根据权利要求1所述的将材料正向沉积在目标基体上的处理，其中，将所述材料熔融至所述目标基体上和所述目标基体中的步骤包括同时固化所述材料。
18.一种将材料正向沉积在目标基体上的处理，该处理包括以下步骤：
产生激光束的单个超快激光脉冲突发；
将所述激光束的所述超快激光脉冲穿过对于所述激光束透明的载体材料，所述载体基体包括先前涂覆有待传递的所述材料的底面；
从所述载体基体剥离所述材料并且通过冲击波以高超音速将现在剥离的材料发送至空间，该冲击波驱使所述材料以正向动量横穿所述载体基体和所述目标基体之间的狭窄间隙，并至所述目标基体上；以及
同时固化和熔融所述材料至所述目标基体上和所述目标基体中。
19.根据权利要求18所述的将材料正向沉积在目标基体上的处理，该处理进一步包括步骤：
在所述激光束的衍射极限之下会聚所述激光束。
20.一种将材料正向沉积在基体上的方法，该方法包括以下步骤：
提供包含激光脉冲突发的激光束；
提供激光束传送系统，该激光束传送系统能够在所述激光束的衍射极限之下将所述激光束会聚在待沉积的所述材料上并且使所会聚的激光束和待沉积的所述材料之间能够相对移动；
提供一侧附着有材料的透明载体基体并且在所述透明载体内创建细丝；
以接近所述电介质基体的不超过2mm的间隔构造叠置一侧附着了材料的所述透明载体基体，所述透明载体设置在所述电介质基体和能够产生超快激光束脉冲突发的激光束源之间；
将来自所述激光源的激光能量脉冲穿过透镜会聚组件；
调节所述透镜会聚组件相对于所述激光束源的相对距离和或角度，从而将所述激光能量脉冲会聚至所述透明载体基体和所述待沉积的材料的界面处的激光能量密度光斑内；
将能量密度水平调节至足够的强度以确保将待沉积的所述材料完全地正向沉积至所述基体上；以及
从所述激光源通过所述透镜会聚组件向所述材料以在1Hz至2MHz之间的突发脉冲重复率、在10fs至小于1ns之间的脉冲宽度、在1μJ-100μJ范围内的突发脉冲能量、从1W到200W的激光功率施加激光脉冲的至少一个突发，所述激光脉冲的突发具有每突发1-50个子脉冲，所述子脉冲具有范围从350nm到2μm的对于所述载体基体透明的波长，其中，施加在待沉积的所述材料上的光斑上的脉冲能量或能量密度的总量大于在所述载体基体内通过细丝形成来开始和传播正向沉积所需要的临界能量水平，但是小于对所述载体基体开始烧蚀加工所需要的阈值临界能量水平；以及
将所述材料熔融至所述目标基体上和所述目标基体中并同时固化所述材料；以及
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