CN107849687A - 对激光诱导正向转移喷射角度的控制 - Google Patents

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Abstract

一种用于受体表面上的材料沉积的设备，其包括透明供体基底，所述供体基底具有相反的第一表面和第二表面，且所述设备包括在所述第二表面上的供体薄膜。所述设备还包括光学组件，其配置为引导辐射的射束穿过所述供体基底的第一表面并在所述第二表面上的位置处冲击在所述供体薄膜上，以便诱导熔化材料的液滴在所述位置处以不垂直于所述第二表面的角度从所述供体薄膜喷射到所述受体表面上。

Description

对激光诱导正向转移喷射角度的控制
技术领域
本发明总体上涉及激光诱导材料印刷，且特别地涉及以受控的喷射角度进行印刷的方法和系统。
背景技术
在激光直接写入(LDW)技术中，激光射束通过控制材料烧蚀或沉积来形成具有空间分辨的三维结构的图案化表面。激光诱导正向转移(LIFT)是一种LDW技术，其可以应用于在表面上沉积微图案。LIFT是用于各种材料(例如金属和聚合物)的高质量印刷的技术。下面提供现有技术的示例。
Meinders等人的PCT国际公开WO 2013/165241(其公开内容通过引用并入本文)描述了一种用于从供体片材转移材料的光引导正向转移制造方法。使用供体片材，该供体片材包括在供体片材的表面中的沟槽，转移材料在沟槽中。通过沿着沟槽的底部扫描光斑来转移材料。
使用LIFT的金属射出的另外的示例在以下中提供：Willis等人的“Microdropletdeposition by laser‐induced forward transfer,”Appl.Phys.Lett.86，244103(2005)；Willis等人的“The effect of melting-induced volumetric expansion on initiationof laser-induced forward transfer,”Appl.Surf.Sci.，253：4759-4763(2007)；以及Banks等人的“Nanodroplets deposited in microarrays by femtosecond Ti：sapphirelaser-induced forward transfer,”Appl.Phys.Lett.，89，193107(2006)，它们全部通过引用并入本文。
在本专利申请中通过引用并入的文件被认为是本申请的组成部分，就在这些并入的文件中以与本申请文件中明确或隐含地作出的定义冲突的方式来定义任何术语的方面而言，应仅考虑本申请文件中的定义。
发明内容
本文所述的本发明的实施例提供了一种用于受体表面上的材料沉积的设备，其包括透明供体基底，所述供体基底具有相反的第一表面和第二表面，且所述设备包括在所述第二表面上的供体薄膜。所述设备还包括光学组件，其配置为引导辐射的射束穿过所述供体基底的第一表面并在所述第二表面上的位置(location)处冲击在所述供体薄膜上，以便诱导熔化材料的液滴在所述位置处以不垂直于所述第二表面的角度从所述供体薄膜喷射到所述受体表面上。
在一些实施例中，所述光学组件配置为在所述射束中产生不对称性，所述不对称性被选择成使得所述液滴以不垂直于所述第二表面的选定角度被喷射。在其他实施例中，所述光学组件包括声光偏转器(AOD)，其配置为将所述辐射的射束形成为以相应的不同角度从所述AOD离开的多个子射束，所述子射束一起形成具有所述不对称性的复合射束。在另一些实施例中，所述设备还包括驱动电路，其配置为向所述AOD输入具有多个频率的驱动信号，以便通过所述AOD中的衍射形成所述子射束。
在实施例中，所述设备还包括处理器，其配置为在所述辐射的射束与所述驱动信号的多个频率之间进行同步，以便形成具有所述不对称性的复合射束。在另一实施例中，所述光学组件包括多个反射镜，所述多个反射镜配置为将所述辐射的射束形成为多个子射束，所述多个子射束一起形成具有所述不对称性的复合射束。在又一实施例中，所述光学组件配置为通过使用所述反射镜关闭一个或多个选定的子射束来将所述不对称性引入到所述复合射束中。
在一些实施例中，所述光学组件配置为通过使用所述反射镜控制一个或多个选定的子射束的相应的相位来将所述不对称性引入到所述复合射束中。在其他实施例中，所述光学组件包括液晶单元阵列，其配置为将所述辐射的射束形成为多个子射束，所述多个子射束一起形成具有所述不对称性的复合射束。在另一些实施例中，所述光学组件配置为通过使用所述液晶单元阵列的单元控制所述一个或多个选定的子射束的相应的相位来将所述不对称性引入到所述复合射束中。在替代实施例中，所述供体薄膜在所述第二表面上的定位(position)处具有不均匀性，且所述光学组件配置为引导所述射束在所述定位附近冲击在所述供体薄膜上，以便使得所述液滴以不垂直于所述第二表面的选定角度被喷射。
在实施例中，冲击在所述供体薄膜上的射束是球对称的。在另一实施例中，所述不均匀性包括所述供体薄膜中的孔和沟槽中的至少一个。在又一实施例中，所述不均匀性具有预定义的形状，所述预定义的形状被选择成使得所述液滴以所述选定角度被喷射。在替代实施例中，所述射束的冲击点与所述定位的距离被选择成使得所述液滴以所述选定角度被喷射。
在一些实施例中，所述光学组件配置为使用所述辐射的射束在所述供体薄膜中形成所述不均匀性。在其他实施例中，所述不均匀性包括第一不均匀性和第二不均匀性，且所述光学组件配置为在形成所述第一不均匀性之后，且在喷射所述液滴之前或之后，形成所述第二不均匀性。
根据本发明的实施例，还提供了一种用于受体表面上的材料沉积的方法，所述方法包括：提供透明供体基底，其具有相反的第一表面和第二表面，且提供在所述第二表面上的供体薄膜。引导辐射的射束穿过所述供体基底的第一表面并在所述第二表面上的位置处冲击在所述供体薄膜上，以便诱导熔化材料的液滴在所述位置处以不垂直于所述第二表面的角度从所述供体薄膜喷射到所述受体表面上。
将通过以下对实施例的详细描述并结合附图而更全面地理解本发明，在附图中：
附图说明
图1是根据本发明的实施例的在用于在基底上直接写入的系统的示意性图示；
图2A是根据本发明的另一实施例的示出了光学组件的细节的示意性图示；
图2B是根据本发明的替代实施例的另一光学组件的示意性图示；
图3是根据本发明的实施例的声光偏转器的示意截面图；
图4A和图4B是根据本发明的实施例的非对称射束分布的曲线图；
图5是根据本发明的替代实施例的替代光学组件的示意性图示；
图6是根据本发明的另一实施例的用于在基底上直接写入的示意侧视图；
图7A-7C是根据本发明的实施例的从供体喷射的液滴的示意图；以及
图8A-8C是根据本发明的其他实施例的供体和热屏障的示意图示。
具体实施方式
概述
现有技术的电子装置通常包括3D结构，其顺应于其所构建于之上的非平坦表面。这样的结构难以涂覆、重新图案化(例如，完成缺少的结构)、或者在之上构建(例如，添加金属柱)。激光诱导正向转移(LIFT)技术提供高质量和成本有效的印刷，但是通常限于将微液滴正交地喷射到供体的表面。因此，常规的LIFT系统能够在受体的水平表面上印刷微液滴，但是不能以可接受的质量在3D结构的侧壁上进行印刷。
下文所述的本发明的实施例通过提供若干新颖的光学组件和供体结构以及操作LIFT系统的对应的方法克服了现有技术的局限，例如上文所例示的那些。本发明的实施例包括金属和非金属材料的印刷。
在一些实施例中，一种用于受体表面上的材料沉积的系统包括透明供体基底，所述基底具有相反的第一表面和第二表面，且还在所述供体的第二表面上包括供体薄膜。所述系统还包括光学组件，其配置为引导辐射的射束穿过所述供体基底的第一表面并在所述供体的第二表面上的选定位置处冲击所述供体薄膜。所述辐射的射束能够诱导熔化材料的液滴在所述选定位置处以不垂直于(即，不正交于)所述供体的第二表面的角度从所述供体薄膜喷射。
典型的LIFT技术需要供体和受体之间的紧密的接近度(例如，基本上小于1mm)，因此供体和受体通常彼此平行地设置。液滴从供体薄膜喷射到受体表面上，且通常在供体和受体平行的情况下以不正交于受体的顶表面的角度着陆，因此，系统可以在3D结构的侧壁上印刷液滴。
在实施例中，供体薄膜中的不对称加热分布可以导致液滴以所需角度喷射(或射出)。所公开的技术可以用于通过以下方式产生不对称加热分布：通过在供体薄膜上冲击不对称射束，或通过在供体薄膜的材料中引入一些不均匀性(其导致不对称性)并在供体薄膜上冲击球对称射束。反映加热不对称性的热“喷嘴”形成在供体薄膜中，并在熔化材料中形成压力梯度。喷嘴的压力梯度和不对称性决定了液滴的射出角度。因此，控制供体薄膜中的不对称性允许用户在供体定位成平行于受体的同时控制射出角度。
在一些实施例中，光学组件配置为将来自激光器的入射射束分成多个子射束。子射束通常被调制并引导到供体的下表面，以在供体薄膜上形成不对称射束。可以选择光斑不对称性，以使得液滴以不垂直于供体的第二表面的选定角度从供体薄膜喷射(在供体的第二表面上)。在一个实施例中，光学组件包括声光装置，其产生多个输出子射束，所述子射束组合以产生所需的复合不对称射束。
在替代实施例中，光学组件可以包括具有微反射镜的阵列的微光电机系统(MOEMS)。MOEMS装置通常控制每个微反射镜的旋转或高度位置，以便控制通过该装置产生的子射束的相位或偏转角度。通过控制输出子射束的局部相位或方向，用户可以形成复合输出射束的各种分布。本发明的光学组件的光学器件可以配置为组合输出子射束，以在供体薄膜上形成所需的不对称光斑。
在替代实施例中，供体薄膜包括在薄膜中的不均匀性，例如沟槽或孔。在替代实施例中，光学组件可以配置为引导辐射的射束(在这种情况下通常为球对称射束)以在具有不均匀性的位置附近冲击在供体薄膜上。射束与供体薄膜之间的相互作用熔化冲击位置处的供体薄膜的材料，且不均匀性充当热屏障。热屏障在熔化的材料周围产生不对称的热导率分布，使得熔化的材料进而具有不对称分布，使得液滴以对供体薄膜的非正交的角度喷射。
在一些实施例中，系统通过选择图案与射束之间的特定接近度来控制喷射角度的方位角和大小。在替代实施例中，使用图案形状(例如圆孔或矩形沟槽)和图案与射束之间的接近度的组合来控制喷射角度。
上述技术使得LIFT系统能够使用简单且成本有效的光学组件和扁平供体结构在复杂的3D结构(例如侧壁)上进行印刷。使用不对称射束的实施例可用于使用任何常规的供体以预定义的和受控的非正交角度进行印刷。使用供体薄膜中不均匀性的实施例也允许以受控的非正交角度进行印刷。所公开的能力可以容易地在运营的大批量生产线上实施。
系统描述
图1是根据本发明的实施例的用于在基底24上进行写入的印刷和直接写入系统10的示意性图示。在这里示出该系统及其部件，仅用于说明可以在其中实现本文所述的技术的环境的种类。这样的技术可以类似地使用其他类型的合适的设备或以其他配置来执行。
印刷和直接写入系统10在电子电路12的基底24上操作，电子电路12例如是平板显示器(FPD)或印刷电路板(PCB)，其被保持在安装表面14上。在通常LIFT工艺中，基底24也称为接收器或受体。术语“平板显示器”、“FPD”、“印刷电路板”和“PCB”在本文中通常用于指代任何种类的电介质或金属或半导体基底，在其上沉积导电材料(例如金属)、或非导电材料(例如电介质和聚合物)，而无论基底的类型和用于沉积的工艺如何。系统10可以用于在各种基底上或任何其他电子装置中沉积新的层(诸如印刷金属电路)。
桥18形式的定位组件通过沿着系统10的轴线线性地移动组件16而将光学组件16定位在所讨论基底24的相关位点之上。在其他实施例中，定位组件可以是其他形式，例如沿着一个(X)轴、两个(X，Y)轴、或三个(X，Y，Z)轴的移动台。控制单元27控制光学组件和定位组件的操作，并且执行诸如温度控制的附加功能，以执行所需的印刷、图案化和/或其他制造操作。通常，控制单元27与操作者终端(未示出)通信，所述操作者终端包括通用计算机，其包括处理器和显示器(未示出)，以及用户界面和软件。
光学组件16包括激光器40和光学器件44，以从供体11施加激光诱导正向转移(LIFT)技术。插图38是示意侧视图，其示出了光学组件16的部件和模块，以及以不正交于供体11的下表面69的喷射角度θ从供体薄膜62喷射液滴的过程。
激光器40将脉冲射束52发射到射束操纵组件41中，且组件41配置为将射束52分成多个输出子射束54。子射束54作为彼此分开的两个或更多个子射束离开组件41。光学器件44将子射束54汇聚成复合不对称射束43，且复合射束由光学器件聚焦以在下表面69处形成复合不对称光斑23。下面参考图2A-4B更详细地描述组件41的操作。激光器40可以包括例如具有倍频输出的脉冲Nd:YAG激光器，且激光器的脉冲幅度可以由控制单元27控制。
光学器件44将不对称射束43聚焦到供体11上，其包括供体基底60，在供体基底60的下表面沉积一个或多个供体薄膜62。通常，基底60包括透明光学材料，例如玻璃或塑料片。光学器件44将射束43通过基底60的顶表面59聚焦到薄膜62上。光斑23的不对称性使得熔化材料的液滴以相对于薄膜62测得的非正交喷射角度θ从薄膜62喷射到电路12的薄膜25上。参照图4A-4B和图7A-7C更详细地描述了以选定角度喷射的机制。
图2A是示出了根据本发明实施例的光学组件16的细节的示意性图示。激光器40发射光学辐射的射束52，其可以包括可见光辐射、紫外辐射或红外辐射。驱动器48将具有接近频率的多个信号驱动到组件41的声光偏转器(AOD)42中。AOD将射束52分成多个输出子射束54，多个输出子射束54从AOD中的多频衍射光栅衍射和发散。在实施例中，扫描反射镜46将子射束54偏转到光学器件44，光学器件44将子射束54通过基底60聚焦，以在由衍射角确定的邻近位置处冲击在供体薄膜62上。当冲击在供体薄膜62上时，衍射的子射束54在相应的位置处部分地形成重叠的光斑，从而形成不对称射束43。
为了产生多个子射束54，多频驱动电路48将驱动信号施加到压电晶体50，其驱动偏转器42以便在偏转器中产生声波，用于分开射束52。尽管在图2A中仅示出了单个反射镜46，但在替代实施例中(未在图中示出)可以采用双轴反射镜，其可以一起或单独地扫描，和/或可以采用本领域已知的其他合适类型的射束扫描仪。
驱动电路48可以以各种不同的模式驱动声光偏转器42，以便产生多个输出射束54。多种合适的驱动技术、以及可以适用于光学组件24的辅助聚焦和扫描光学器件例如在Naveh等人的美国专利8,395,083中描述，其公开内容通过引用并入本文。根据这些技术中的一个，驱动电路48产生多频驱动信号，其使得声光偏转器以不同的相应的角度将射束52衍射为多个输出射束54。这种多频驱动的进一步细节在Hecht的“MultifrequencyAcoustooptic Diffraction,”IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics SU-24，7-18页(1977)中描述，其通过引用并入本文；及其Antonov等人的“Efficient Multiple-Beam Bragg Acoustooptic Diffraction with Phase Optimization of aMultifrequency Acoustic Wave,”Technical Physics 52：8，1053-1060页(2007)中描述，其同样通过引用并入本文。
图2B是根据本发明的替代实施例的另一光学组件17的示意性图示。组件17可以用于替代系统10的组件16。在组件17中，第一声光偏转器42A从激光器40接收射束52，并将射束52分成多个子射束54A。偏转器42A沿着X轴分离子射束。子射束54A沿着X轴的强度分布可以是对称的或不对称的。第二声光偏转器42B配置为沿着Y轴将子射束54A中的一个或多个进一步分成相应的子射束54B。子射束54B沿着Y轴的强度分布可以再次是对称的或不对称的。
驱动电路48向偏转器42A和42B中的每一个提供具有接近频率的多个驱动信号。数据“接近频率”是指小于系统10的频率分辨率Δf的频率差，其由比率Δf＝V/给出，其中V是声速，D是孔径的尺寸。
所公开的技术使用短持续时间的激光脉冲，其比声音穿过由偏转器的衍射光栅所形成的光学孔径所花费的时间(也被称为“上升时间”)短得多。例如，对于D＝6mm的孔径宽度，并假设声速V为59000米/秒，上升时间约等于1.02微秒。
通过偏转器的射束52可以在供体的表面上形成部分地彼此重叠的一个或多个光斑，从而形成不对称射束。使用具有接近频率的信号的偏转器可以产生不对称子射束(54A或54B)的二维(2D)阵列。每个子射束冲击在供体上以便以所需角度射出液滴，该所需角度与不对称射束的形状相关。不对称子射束的2D阵列可以同时射出多个液滴，其中，由不同的子射束形成的液滴以与相应的不对称子射束的形状对应的角度射出。
替代地，偏转器42A可以在X方向上扫描其入射射束，而偏转器42B被驱动以将其入射射束分成在Y方向上分离的多个不对称射束。偏转器42A和42B被包含在组件41中，且由相应的压电晶体50A和50B驱动。与组件16相比，组件17提供了更大的通用性和转向速度。尽管以更高的射束强度损失为代价。
图3是根据本发明的实施例的声光偏转器42的示意截面图。该图示出了包括驱动电路48和压电晶体50的多频驱动的效果和操作。来自电路48的多频驱动信号使得压电晶体50以多个驱动频率产生声波，其通过偏转器42中的声光晶体传播。不同的驱动频率中的每一个以对应的空间频率在偏转器中建立声光衍射光栅，即，偏转器包含具有不同间隔的多个叠加光栅。
当射束52进入偏转器42时，根据光栅间隔，晶体中的每个光栅以不同的角度衍射射束52。因此，偏转器42以对应于由晶体50提供的不同的频率f1，f2…的不同的角度θ1，θ2…将射束52分成多个子射束54。例如，被驱动到偏转器42中的具有接近频率的两个驱动信号导致当冲击在供体薄膜62上时形成部分重叠的两个邻近的衍射子射束54，从而形成不对称射束43。
除了提供多个频率f1，f2以外，驱动电路48配置为提供频率的相应的幅度，以便控制由射束52的每个脉冲产生的对应的子射束54的强度。如下文更详细地解释的，电路48通过与射束52的脉冲适当同步地在对应的频率处调制信号的幅度来控制子射束的强度。更具体地，驱动电路48可以打开和关闭对应的频率分量，以便选择输出射束54的组合以在每个脉冲下产生。
图4A是根据本发明的实施例的光斑23的不对称射束分布56的示意曲线图。分布56是沿着由偏转器42的方向限定的线的光斑23的横截面，其绘制了强度y对(vs.)跨越光斑的距离x。射束分布56包括表示图3所示的两个相应的输出子射束54的两个峰值。峰值57对应于以角度θ1偏转的第一输出子射束54。峰值58对应于以角度θ2偏转的第二输出子射束54。第一和第二输出射束54由驱动电路48施加到偏转器42的对应的频率(f1，f2)、幅度(A1，A2)和相位(p1，p2)的预定义的组形成。
应当理解的是，当第一和第二子射束54被聚焦到光斑23时，f1和f2的值之间的差导致在该光斑处两个射束的峰值的小的位置偏移，并且因此产生曲线图中所示的不对称分布。
通常，当将包括两个接近频率的信号施加到偏转器42时，偏转器42内的声学信号以两个信号之间的频率差给定的周期被调制，因此产生相长和相消干涉。为了获得最大的衍射效率，控制单元27配置为使激光器40的脉冲与偏转器42中发生的相长干涉同步。另外，激光脉冲的时间宽度必须远小于调制周期，以使激光脉冲与相长干涉同步。
图4B是根据本发明的实施例的光斑23的不对称分布60另一曲线图示例。射束分布60由第一、第二和第三子射束54形成，且包括单个峰值61。为了产生所示的分布，驱动电路48产生三个频率f1，f2和f3，其由晶体50输入到偏转器42中，以便产生对应的第一、第二和第三子射束。驱动电路48还设定对应于频率f1，f2和f3的幅度A1，A2和A3。当幅度A2和A3相等(A2＝A3)，且幅度A1等于A2+A3时，产生该分布。此外，频率之间的差异为f1-f2＝2*(f2-f3)。考虑到图4A和4B，将会理解，系统10的用户可以通过选择预定义的脉冲组(其具有对应的频率和幅度的具体组)来设计不对称射束的期望形状、以及由射束产生的不对称光斑。
如下所示，光学组件16可以配置为以高速率修改或刷新光斑23的形状，该高速率对应于高重复率激光器，例如激光器40，其通常以1MHz或更小的频率刷新。
如果激光器40的空间脉冲宽度为D，那么AOD 42中的声波渡越(transit)脉冲宽度所用的时间tT由等式(1)给出：
其中vs是AOD中的声波速度。
AOD中的波长λ由等式(2)给出：
其中F是声波的频率。
对于通过AOD的有效衍射，光脉冲的宽度D应当覆盖在AOD中产生的衍射光栅中的大量的波，即，
D＞＞λ，或
组合等式(1)和(3)，得出：
由于AOD的F可以为200MHz或更高，在200MHz下驱动的AOD中的20个波(举例来说)的渡越时间tT是10-7s。该渡越时间对应于10MHz的激光器刷新率，其比上面引用的1MHz的典型速率大一个数量级。因此，本发明的实施例允许激光器40的刷新率远高于典型的。上面的描述和数值纯粹是以举例的方式给出的。在替代实施例中，可以使用任何其他合适的操作方案、激光参数或其他数值。
图5是根据本发明的替代实施例的替代光学组件19的示意性图示。组件19可以用于替代系统10中的组件16。激光器40将射束52发射到射束扩展器65中，扩展器65将射束52扩展并准直在微反射镜64的阵列之上，微反射镜64的阵列包含在微电机系统(MEMS)装置63中。
诸如MEMS装置63的MEMS装置可从多个制造商商购获得，例如由德国慕尼黑弗劳恩霍夫研究所(Fraunhofer Institute)制造的微反射镜产品，并且还可以表示为MOEMS(微光电机系统)。例如，Gehner在“MEMS Adaptive Optics Development at IPMS”，2007，中描述了这种装置，其通过引用并入本文。
装置63通常包括微反射镜64的一个或多个阵列(例如，百万像素装置中一百万个微反射镜64)，并且通常控制阵列中的每个微反射镜64的旋转和高度。在一些实施例中，光学组件配置为通过将相应的微反射镜旋转到合适的旋转角度来关闭子射束54中的一个或多个。这种技术被广泛使用(例如被德州仪器)，并允许通过关闭特定微反射镜来形成具有所需强度形状的不对称射束。通常，对每个微反射镜64的旋转控制使得能够以高分辨率控制每个子射束54的偏转角度。光学器件44聚焦子射束54以形成复合不对称射束43，且射束43在薄膜62上形成光斑23，如已经参照图3所描述的。
在其他实施例中，光学组件配置为控制微反射镜64中的一个或多个的高度，从而调节由相应的子射束穿越的路径的光学长度。这种调节改变了子射束之间的相对相位，从而形成所需的射束分布。该技术由弗劳恩霍夫研究所开发(称为IPMS)。基于微反射镜的技术允许装置63用作高空间分辨率空间光调制器。
在另一些实施例中，作为MEMS装置63的替代，组件19可以包括晶单元阵列，例如硅空间光调制器上的液晶(LCOS-SLM)，以进行不对称射束成形。液晶单元阵列中的每个单元都被电控，以便为反射的子射束产生明显的相位延迟。这样的SLM装置例如由滨松光子学株式会社(Hamamatsu Photonics K.K.，日本，滨松市)提供。
上述用于在供体薄膜上产生不对称光斑的方法仅为举例，对于本领域普通技术人员而言，用于产生不对称光斑的其他方法将是显而易见的。所有这样的方法都包含在本发明的范围中。
组件16、17、19(以及图6所示的组件21)和它们相应的光路的配置是简化的配置，为了清楚起见，其纯粹以举例的方式来选择。在替代实施例中，任何其他合适的配置和光路可以用于光学组件。例如，在组件19中，射束52可以以不同于45°的角度投射到装置63上，以便改善射束54的强度。
图6是根据本发明的另一实施例的系统13的示意侧视图。除了下面描述的差异以外，系统13的操作基本类似于系统10，并且在系统13和10中由相同附图标记表示的元件在结构和操作上基本上类似。在系统13中，光学组件21包括激光器40，其将射束52引导到光学器件44中。光学器件44将射束52通过基底60的顶表面聚焦到薄膜62上。与系统10相比，系统13中的射束52沿着其整个光路(包括其冲击在薄膜62上时)通常是球对称的。还与系统10相比，在系统13中，薄膜62是不均匀的，如下面更详细描述的。
薄膜62包括一个或多个不均匀性68，其包括图案化在薄膜62中的沟槽或孔。在一些实施例中，在供体11的制备过程中，不均匀性68被图案化在薄膜62中。一旦薄膜62包括所有设计的不均匀性68，供体被安装在系统上，以便开始上述的LIFT印刷工艺。
在替代实施例中，薄膜62可以在LIFT工艺期间被图案化。供体11在薄膜62被图案化或部分地图案化有不均匀性68之前安装在系统上。激光器40配置为通常通过使用不同的辐照方式来从薄膜62射出材料，从而形成一个或多个不均匀性68。在实施例中，激光器在开始LIFT印刷工艺之前形成不均匀性。在另一实施例中，激光器可以完成LIFT工艺的一部分(例如，覆盖供体的第一区域)，然后图案化附加的不均匀性68(例如，在供体的不同区域中)。这种能力允许用户使图案(例如，不均匀性的布局)适合于印刷工艺要求，并且还可以允许通过优化不均匀性68图案来更好地利用薄膜62中的材料，以满足LIFT印刷要求。
在操作中，光学组件21可以配置为引导射束52(在此假设为球对称射束)在薄膜62中的给定不均匀性的位置的附近冲击在薄膜62上。射束52和薄膜62之间的相互作用使冲击位置处的薄膜62的材料熔化，并且不均匀性充当热屏障。热屏障在熔化材料的周围形成不对称热导率分布，使得熔化材料进而具有不对称分布。结果，液滴70以非垂直喷射角度θ从薄膜62喷射到电路12的薄膜25上，并且可以通常在供体与受体平行的情况下，以不正交于薄膜25的顶表面的角度着陆。参照图7A-7C更详细地描述非垂直喷射过程和机制。
图7A-7C是根据本发明实施例的从薄膜62喷射的液滴70的示意图。在附图中，供体11包括基底60(其对于射束52是透明的)和不均匀的薄膜62(其包括一个或多个孔68)。在所有三个图中，假设光学组件21引导具有球对称射束分布66的射束52在位置73处冲击在薄膜62上。
射束52和薄膜62之间的相互作用在位置73处熔化薄膜62的材料并形成热“喷嘴”。薄膜62中的热喷嘴(通常为金属)通过薄膜62耗散热量，并且耗散热量到薄膜周围的周围环境(例如空气)。
图7A示出了给定孔68距离位置73足够远使得孔不影响从位置73处的热喷嘴的散热的情况。在这种情况下，进行散热的薄膜区域72和74围绕位置73。区域72和74具有相同的尺寸并相对于位置73对称地定位，使得在热喷嘴周围存在对称的热分布(未示出)。由于对称的热分布，在位置73处通过从热喷嘴排出而形成的液滴70在与基底66的下表面69正交的方向76上喷射。
图7B示出了给定孔68足够靠近位置73使得孔确实影响从位置73处的热喷嘴的散热的情况。如上面参考图7A所述，薄膜62传导从薄膜耗散的热量。薄膜区域80位于位置73的左侧，并且包括在位置73处形成的热喷嘴与孔68之间的薄膜62的材料。区域78位于位置73的右侧，并且包括在位置73处形成的热喷嘴与薄膜62的右边缘79之间的薄膜62的材料。区域80和78耗散热量。然而，区域80小于区域78，使得从区域80和从区域78散热的速率不同，因此在位置73处的热喷嘴周围产生不对称的热分布(未示出)。不对称热分布使得液滴70以相对于表面69的法线77测得的非零角度82喷射。
图7C示出了孔68比图7B的情形更接近位置73的情况。如同图7B的情况，图7C所示的孔的位置确实影响从位置73处的熔化材料的散热。区域86位于位置73的左侧，并包括在位置73与孔68之间的薄膜62的材料。区域84位于位置73的右侧，并且包括位置73与薄膜62的右边缘79之间的薄膜62的材料。由于区域86和84的面积差异比区域80和78(图7B)之间的差异大，图7C中的位置73周围的热分布(未示出)与图7B相比更加不对称。图7C中的热分布的较高的不对称性使得液滴70以非零角度88喷射，该非零角度88大于图7B中的角度82。
从图7A-7C可以理解，系统13使用球对称射束52，其允许简化光学组件的设计，而且还为系统13提供了以下能力：通过在薄膜62中具有孔68，以不垂直于表面69的角度来喷射液滴70。通常，系统13的用户可以引导射束52以距孔68的选定距离冲击在薄膜62上，以便设定液滴70从供体11到基底24的所需喷射角度。在图7A-7C中描述的示例中，孔68和位置73之间的距离越短，从薄膜62相对于表面69的喷射角度越大。
图8A-8C是根据本发明的实施例的如从位于供体11的下方的电路12看到的供体11和不同的热屏障的示意图示。除以下所示之外，供体11包括覆盖表面69的区域的薄膜62。
图8A示出了薄膜62中的提供热屏障92的圆孔。光学组件21(未在图8A中示出)引导对称射束52以圆形光斑90冲击在薄膜62上，该圆形光斑位于屏障92的左侧，且在屏障附近。(通常，图8A中的屏障92和光斑90大致对应于图7B中的孔68和位置73)。图8A中的箭头94指示喷射的液滴70的方向，并且示出图7B中的以角度82的液滴70的喷射方向。当射束52冲击在薄膜62上时，在光斑90周围耗散热量。然而，与光斑90周围的其他点的温度梯度相比，空间91中的温度梯度更陡峭。点93和95位于距光斑90的边缘相似的距离处，但由于屏障92，点93和95处的温度彼此不同，并且与空间91处的温度不同。不同的温度说明光斑90周围的不对称热分布，并导致液滴70向右喷射。
图8B示出了薄膜62中的代表热屏障98的矩形孔。光学组件21(未在图8B中示出)引导对称射束52以圆形光斑100冲击在位于屏障98下方的薄膜62上。
当射束52冲击在薄膜62上时，产生的热量在光斑100周围耗散，由于靠近屏障98而在光斑100周围产生不均匀的温度梯度。光斑100和屏障98之间的梯度是陡峭的。由于屏障98的矩形形状，点95非常靠近热屏障，并且因此，即使点93和95都位于距光斑90的边缘相似的距离处，它们的温度是不同的。如同图8A的情况，不同的温度说明了光斑90周围的不对称热分布。箭头96指示喷射的液滴70的方向，并且在图8B的示例中，由于屏障98位于光斑100上方，箭头96指向下。
图8C示出了薄膜62中的代表热屏障104的矩形孔。光学组件21(未在图8C中示出)引导射束52以圆形光斑102冲击在薄膜62上，该圆形光斑102位于屏障104的左侧。
当射束52冲击在薄膜62上时，产生的热量在光斑102周围耗散，由于靠近屏障104而在光斑102周围产生不均匀的温度梯度。如同图8B的情况，点93和95都位于距光斑90的边缘相似的距离处，但是由于屏障104的存在，它们的温度是不同的。不同的温度说明了光斑102周围的不对称热分布。箭头106指示喷射的液滴70的方向，并且在图8C的示例中，由于屏障104位于光斑100的右侧，箭头96指向左侧。
从图7A-8C的以上描述中可以理解，薄膜62中的热屏障的形状和尺寸以及屏障与激光束在薄膜上的冲击点之间的距离都有助于不对称热分布在薄膜中产生。应当理解的是，通过选择这些屏障参数，即屏障形状、尺寸和距离，系统13中的任何给定液滴70的喷射角度的方向和值都可以被系统的用户设定为基本上任何所需的值。
上面描述的系统已经使用单个射束52。然而，本领域普通技术人员能够使该描述适合于同时使用多个输入射束进行并行印刷情况。Kotler等人的美国专利申请62/078,450描述了一种用于产生可用于并行印刷的多射束的方法，其公开内容通过引用并入本文。
应当理解，上面描述的实施例是作为示例引用的，并且随附的权利要求不限于上文已经特别示出和描述的内容。相反，范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读前述描述时将会想到和在现有技术中未公开的变化和修改。

Claims (34)

1.一种用于受体表面上的材料沉积的设备，其包括：
透明供体基底，其具有相反的第一表面和第二表面，且所述设备包括在所述第二表面的供体薄膜；以及
光学组件，其配置为引导辐射的射束穿过所述供体基底的所述第一表面并在所述第二表面上的位置处冲击在所述供体薄膜上，以便诱导熔化材料的液滴在所述位置处以不垂直于所述第二表面的角度从所述供体薄膜喷射到所述受体表面上。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述光学组件配置为在所述射束中产生不对称性，所述不对称性被选择成使得所述液滴以不垂直于所述第二表面的选定角度被喷射。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述光学组件包括声光偏转器(AOD)，其配置为将所述辐射的射束形成为以相应的不同角度从所述AOD离开的多个子射束，所述子射束一起形成具有所述不对称性的复合射束。
4.如权利要求3所述的设备，还包括驱动电路，其配置为向所述AOD输入具有多个频率的驱动信号，以便通过所述AOD中的衍射形成所述子射束。
5.如权利要求4所述的设备，还包括处理器，其配置为在所述辐射的射束与所述驱动信号的多个频率之间进行同步，以便形成具有所述不对称性的复合射束。
6.如权利要求2所述的设备，其中，所述光学组件包括多个反射镜，所述多个反射镜配置为将所述辐射的射束形成为多个子射束，所述多个子射束一起形成具有所述不对称性的复合射束。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述光学组件配置为通过使用所述反射镜关闭一个或多个选定的子射束来将所述不对称性引入到所述复合射束中。
8.如权利要求6所述的设备，其中，所述光学组件配置为通过使用所述反射镜控制一个或多个选定的子射束的相应的相位来将所述不对称性引入到所述复合射束中。
9.如权利要求2所述的设备，其中，所述光学组件包括液晶单元阵列，其配置为将所述辐射的射束形成为多个子射束，所述多个子射束一起形成具有所述不对称性的复合射束。
10.如权利要求9所述的设备，其中，所述光学组件配置为通过使用所述液晶单元阵列的单元控制一个或多个选定的子射束的相应的相位来将所述不对称性引入到所述复合射束中。
11.如权利要求1所述的设备，其中，所述供体薄膜在所述第二表面上的定位处具有不均匀性，且其中，所述光学组件配置为引导所述射束在所述定位附近冲击在所述供体薄膜上，以便使得所述液滴以不垂直于所述第二表面的选定角度被喷射。
12.如权利要求11所述的设备，其中，冲击在所述供体薄膜上的射束是球对称的。
13.如权利要求11所述的设备，其中，所述不均匀性包括所述供体薄膜中的孔和沟槽中的至少一个。
14.如权利要求11所述的设备，其中，所述不均匀性具有预定义的形状，所述预定义的形状被选择成使得所述液滴以所述选定角度被喷射。
15.如权利要求11所述的设备，其中，所述射束的冲击点与所述定位的距离被选择成使得所述液滴以所述选定角度被喷射。
16.如权利要求11所述的设备，其中，所述光学组件配置为使用所述辐射的射束在所述供体薄膜中形成所述不均匀性。
17.如权利要求16所述的设备，其中，所述不均匀性包括第一不均匀性和第二不均匀性，且其中，所述光学组件配置为在形成所述第一不均匀性之后，且在喷射所述液滴之前或之后，形成所述第二不均匀性。
18.一种用于受体表面上的材料沉积的方法，所述方法包括：
提供透明供体基底，其具有相反的第一表面和第二表面，且提供在所述第二表面上的供体薄膜；以及
引导辐射的射束穿过所述供体基底的所述第一表面并在所述第二表面上的位置处冲击在所述供体薄膜上，以便诱导熔化材料的液滴在所述位置处以不垂直于所述第二表面的角度从所述供体薄膜喷射到所述受体表面上。
19.如权利要求18所述的方法，还包括在所述射束中产生不对称性，所述不对称性被选择成使得所述液滴以不垂直于所述第二表面的选定角度被喷射。
20.如权利要求19所述的方法，还包括配置声光偏转器(AOD)，以将所述辐射的射束形成为以相应的不同角度从所述AOD离开的多个子射束，所述子射束一起形成具有所述不对称性的复合射束。
21.如权利要求20所述的方法，还包括向所述AOD输入多个频率，以便通过所述AOD中的衍射形成所述子射束。
22.如权利要求21所述的方法，其中，使用激光脉冲的序列产生所述辐射的射束，并且所述方法包括在所述激光脉冲与驱动信号的多个频率之间进行同步，以便形成具有所述不对称性的复合射束。
23.如权利要求19所述的方法，还包括配置多个反射镜以将所述辐射的射束形成为多个子射束，所述多个子射束一起形成具有所述不对称性的复合射束。
24.如权利要求23所述的方法，其中，配置所述反射镜包括通过使用所述反射镜关闭一个或多个选定的子射束来将所述不对称性引入到所述复合射束中。
25.如权利要求23所述的方法，其中，配置所述反射镜包括通过使用所述反射镜控制一个或多个选定的子射束的相应的相位来将所述不对称性引入到所述复合射束中。
26.如权利要求19所述的方法，还包括配置液晶单元阵列以将所述辐射的射束形成为多个子射束，所述多个子射束一起形成具有所述不对称性的复合射束。
27.如权利要求26所述的方法，其中，配置所述液晶单元阵列包括通过使用所述液晶单元阵列的单元控制一个或多个选定的子射束的相应的相位来将所述不对称性引入到所述复合射束中。
28.如权利要求18所述的方法，其中，所述供体薄膜在所述第二表面上的定位处具有不均匀性，所述方法还包括引导所述射束在所述定位附近冲击在所述供体薄膜上，以便使得所述液滴以不垂直于所述第二表面的选定角度被喷射。
29.如权利要求28所述的方法，其中，冲击在所述供体薄膜上的射束是球对称的。
30.如权利要求28所述的方法，其中，所述不均匀性包括所述供体薄膜中的孔和沟槽中的至少一个。
31.如权利要求28所述的方法，还包括选择所述不均匀性以具有预定义的形状，以使得所述液滴以所述选定角度被喷射。
32.如权利要求28所述的方法，还包括选择所述射束的冲击点与所述定位的距离，以使得所述液滴以所述选定角度被喷射。
33.如权利要求28所述的方法，还包括使用所述辐射的射束在所述供体薄膜中形成所述不均匀性。
34.如权利要求33所述的方法，其中，形成所述不均匀性包括在开始喷射所述液滴之后形成所述不均匀性。
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