CN1326394A - 掩膜作轨道运动以形成激光烧蚀的特征物 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于从衬底中烧蚀得到特征物的过程,该过程包括以下步骤:用透过掩模的激光照射衬底,在衬底中形成烧蚀特征物。在形成特征物期间,掩模沿垂直于激光角度的轨道运动,从而形成一选定的壁面形状。本发明还涉及一种用于在衬底中制孔的设备,该设备包括辐射源;位于辐射源以及受辐射源之辐射照射的衬底之间。掩模能够跟随垂直到辐射角度的轨迹线。
Description
发明背景
发明领域
本发明涉及一种在喷墨打印头应用中诸如通过激光器烧蚀聚合物衬底而在衬底中形成烧蚀特征物的方法和设备。
相关技术的描述
用掩模和成像透镜系统在聚合物材料上形成激光器烧蚀特征物是众所周知的。在此工艺中，用激光照射掩模上的特征物。然后，将透过掩模上透明图案的激光成像到诸如聚合物薄膜等衬底上，在衬底上发生烧蚀过程。
图1示出了传统准分子激光器加工系统10的基本布局。一般地说，计算机12通过与系统操作人员联系的接口控制系统10。计算机12控制启动脉冲激光器系统24和低速度、低分辨率的伺服系统14。伺服系统14的功能是，对掩模16和衬底卡盘18定位，以便在烧蚀衬底19之前将激光器研压(milled)图案与衬底19上的其它特征物适当对准。为此，通常将一可视系统(未图示)与计算机系统相连。伺服系统14或计算机12可以控制衰减模块20，以改变进入系统中的紫外线辐射量。另一种方法是，通过调节激光器的高电压或者控制能量设置点来改变激光器的脉冲能量，并由激光器内部脉冲的能量控制回路保持激光器的脉冲能量。
在此图中，用箭头22表示紫外线光束的光路，它体现了系统内部紫外线能量的流向(这里，箭头22并不表示实际的光线线路，一般两路光线不平行)。紫外线功率发源于脉冲准分子激光器24。激光器24一般以100-300Hz的频率点火，用持续时间大约为20-40纳秒的脉冲进行经济加工。典型的工业准分子激光器的时均功率为100-150瓦，但由于脉冲的持续时间短，所以峰值功率可以达到兆瓦。这些高峰值功率在加工多种材料中较为重要。
离开激光器的输出端后，紫外线能量一般要穿过衰减器20；但是，这是一个可供选择的部件，并不是所有激光器加工系统中都有的。衰减器20可以实现一种或两种可能的功能。在第一种功能中，衰减器20对光列(opticaltrain)的恶化进行补偿。如此用途的衰减器20允许激光器运行在较窄的脉冲能量带(从而处于一个受限制的高电压电平范围内)中，以便长时间地进行更稳定的操作。利用系统中的新型光学镜片，可以将衰减器20设置成能够耗散一部分激光器功率。当光学镜片本身退化并开始吸收能量时，调节衰减器20以提供附加光能。对于此功能，可以使用一个或多个简单的手动衰减板。衰减板一般是具有特殊介电膜的石英或熔融石英板，用以将一部分激光器能量转射向衰减器外罩内的吸光收集器。
衰减器20的另一个可能功能是对激光器功率进行短期控制。在这方面，用步进电动机或伺服系统驱动衰减器20，并且调节衰减器，以便在衬底上提供适当的能量密度(每单位面积的能量)，从而实现合适的工艺控制。
离开衰减器20后，紫外线能量传播到扩束望远镜26(可选的)。扩束望远镜26用于调节光束的截面积，以适当提供对光束均质器(beam homogenizer)28的入射光线。通过在离开均质器时形成正确的照明数值孔径而对总的系统分辨率有很重要的影响。典型的准分子激光光束在水平与垂直方向上是不对称的。一般称准分子激光光束为“顶帽式高斯分布”，指在激光器出射方向(通常为垂直方向)之间，光束分布是“顶帽形的”(开始时相对平坦，并在边缘处急剧下降)。在横向方向上，光束具有一典型的强度分布曲线，该曲线看上去是高斯性质的，比如一条常规的概率曲线。
扩束望远镜26对这些方向上的功率分布进行一定程度的相对调整，以减小(但不完全消除)成像到衬底19上的图案因这两个轴上分辨率的差而产生的畸变。
图中示出了在扩束望远镜26和均质器28之间有一个平直束折叠式反射镜30。大多数系统由于空间的局限只能容纳少量的这类反射镜为将系统折叠在有效的空间内。一般来说，可以将反射镜放置在各部件之间，但在某些区域内，能量密度会非常高。因此，要仔细选择反射镜的位置，以避免这些高能量密度的区域。总的来说，系统设计者会限制折叠式反射镜30的数量，以最大程度地降低光学镜片更换成本和对准难度。
接着，紫外线光进入光束均质器28。均质器28的目的是在掩模平面产生一个均匀的强照射场。它还决定了照射场的数值孔径(即，入射到掩模上的光锥的半角的正弦值)。如上所述数值孔径会影响总的系统分辨率。由于准分子光束的某些部分比其它部分热，所以均匀照射要求将光束解析成在掩模平面上延伸和覆盖的较小分段。本领域已知几种方法，其中一些方法基于例如美国专利4,733,944和5,414,559所揭示的传统的折射光学镜片，两项专利的内容通过引用包括在此。所述方法还可以基于例如美国专利5,610733(其内容通过引用包括在此)所揭示的衍射或全息光学镜片；或者基于连续起伏微透镜阵列(Nikoladjeff等人在1997年的《应用光学》第36卷，第32期，第8481-8489页上发表的“用于准分子激光光束均质化的、在熔融石英中重复的衍射微透镜”对此有描述)。
离开光束均质器28后，光传播到场透镜32，场透镜32用于收集来自均质器28的光，并将其适当耦合到成像透镜34中。根据应用，场透镜32可以是简单的球面透镜、柱面透镜、其变形或组合。场透镜32的精心设计和放置对于在透镜32的衬底侧实现远心成像是很重要的。
掩模16一般放在场透镜32的附近。掩模16带有一图案，该图案将被复制在衬底19上。此图案一般比衬底19上所需的图案大(2-5倍)。成像透镜34经设计，可以在将掩模16成像到衬底19上的过程中缩小掩模。这可以获得以下所需性能，即在掩模平面上保持较低的紫外线能量密度，而在衬底平面上保持较高的能量密度。大比例的缩小通常会限制衬底平面上可用的场的大小。
掩模16可以通过以下方式制成，即在石英或熔融石英衬底上涂覆铬或铝，然后用光刻或其它已知方法将图案刻蚀在金属层内。另一种方法是，熔融石英掩模上的反射层和/或吸收层可以包含一系列介电层，诸如美国专利4,923,772和5,298,351中所描述的介电层。两专利的内容通过引用包括在此。
成像透镜34的目的是缩小掩模图案并将其转传到衬底19上。如果图案在每一维上缩小到1/M，那么能量密度将升高M2乘以成像透镜34的透射系数(一般约80％)。在最简单的情况下，成像透镜34是单元件透镜。一般，成像透镜34是一个复杂的多元件透镜，它被设计成用于减小像中的各种像差和畸变。成像透镜34最好被设计成具有为实现所需图像质量所必需的最少元件，以便提高透光率，降低成像透镜34的成本。一般来说，成像透镜34是光束列中最昂贵的部件之一。
如上所述，成像透镜34在衬底19上产生掩模16之图案的缩小像。每次激光器发射，都将一个强的具有图案的区域照射在衬底19上。结果，在被照射区域刻蚀衬底材料。可以对许多衬底材料如此成像，特别是对聚合物材料。诸如“Kapton”和“Upilex”等各种商品名的聚酰亚胺是微电子应用和喷墨应用中最通用的材料。
图1所描述的系统10是一种“典型的”系统。对于那些没有具体要求的应用来说，系统可以进一步简化但仍可以产生烧蚀部分，只是在特征物容限、重复性或两方面有一些损失。在应用的具体需要驱使下，对这种典型构造作一些改变对于系统来说是不足为奇的。
对聚合物材料进行激光烧蚀有许多应用。一些应用或其中的一些部分在例如电气通路(electrical via)的容限方面没有要求，而是将重点放在小尺寸、高密度特征物和低成本上。其它应用对容限和重复性有很高的要求。后一类应用的例子有诸如喷墨打印头喷嘴制造和配药喷嘴制造等液流应用。在这些高要求的应用中，对精确尺寸、形状和制造重复性的要求比微电子通路孔提供的较简单的导电通路特征物要严格得多。此系统的细节结构难于获得严格容限和产品重复性。另外，工艺参数和光学部件都对获得最严格的可能容限起着重要的作用，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条件。
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面斜度，其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特征物的激光脉冲的个数。使用传统方法几乎不能有效控制通路壁的斜度，或者对其定形。一种方法是控制衬底上的辐射能量分布。如美国专利5,378,137所描述的，在一投影成像系统中，可以通过在掩模上放一个环形孔径来达到此目的。但是，用来产生孔轮廓的掩模特征物必须非常小(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，小的掩模特征物很容易被损坏，并且还给掩模制造工艺增加了难度和花费。
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，其密度大约为每英寸300个或更多个烧蚀喷孔。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特征物、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-掩模方法之外，另一种对喷孔壁的角度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影响像在圆形轨道上的移动。此等移动会移动衬底表面的入射光，从而改变烧蚀特征物。美国专利4,940,881方法的缺点是，在加工周期期间不容易改变轨道半径。如果如美国专利4,118,109所述，光学元件是楔形的，那么该方法还具有在沿轨道移动期间改变光束角度的缺点，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，当与传统的激光器掩模结合使用(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，孔壁倾斜轮廓被限制成凹入的几何形状(参见图6)，除非能量密度非常小。
共同待批的美国专利申请09/197,127描述了一种用两个旋转光学元件来控制烧蚀喷孔形状的设备和方法。所述专利申请的名称为“激光器烧蚀图案形成装置”，申请日与本案相同，并且其内容通过引用包括在此。共同待批的美国专利09/197,127的发明相比美国专利4,940,881的优点在于，通过控制两个旋转光学元件之间的相对旋转速度和相位角，可以改变孔壁的轮廓。按此方式，不需要复杂的掩模结构就可以获得任何所需孔轮廓(即，凹入、凸出或直的)。
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，从而移动衬底的入射光。此方法的一个主要缺点是限制了控制灵敏度，因为反射镜的小角度倾斜可以相当大地移动掩模的宏观位置。另外，这类反射镜必须具有最小厚度，以确保反射表面具有足够的机械稳定性和平坦性。这又导致相当大的惯性，并还限制了装置的带度或最大速度。当系统带宽受限制时，它会限制可以有效地用于对孔定形的扫描图案。
另一种用光学或机械方式移动掩模像的方法是实际移动衬底。但是，其缺点是衬底的移动必须非常精确。高精度的要求是由烧蚀系统的投影透镜将投影掩模的像缩小到衬底上从而密集激光能量而引起的。结果，对移动曲线的容限也会成比例地缩小。此方法通常具有与上述倾斜反射镜的方法相同的惯性问题，并且在典型自动化系统中使用衬底保持件和移动台而产生的附加质量会进一步加重惯性问题。
由此可见，可以用多种方式将激光烧蚀特征物的轮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，需要且本发明提供了一种对激光器烧蚀特征物的轮廓进行控制的设备和方法，这种设备和方法适应性很强，允许产生多种类型的喷孔轮廓，同时提供精确和可重复的结果。在本发明中，对于每个激光脉冲，根据一组规定的坐标，连续移动掩模本身。此移动的详细轨迹线对最终烧蚀得到的孔的形状有很大影响。在不增加任何光学元件的情况下改变孔的几何形状的能力是一个强有力的且适应性很强的工艺参数。在某个规定的轨迹线内移动掩模本身可以按所需要的模式改变烧蚀特征物的几何形状，包括凸出、凹入或直壁的特征物。
发明内容
本发明提供了一种改善激光烧蚀特征物之几何形状的方法。在本发明的方法中，在烧蚀过程中，掩模在垂直于系统光轴的平面内作高速、高分辨率的移动，从而使像按类似的方式移动，并改变衬底上烧蚀特征物的几何形状。可以按任何所需的图案移动掩模，诸如圆形图案、螺旋形图案、或者更一般的扫描图案，以便为烧蚀特征物提供所需的壁面倾斜形状。在加工周期中，沿椭圆轨道移动掩模，可以使烧蚀特征物呈卵形。
在一个主要方面，本发明提供了一种在衬底中烧蚀特征物的过程。该过程包括：用透过掩模的辐射照射衬底，在衬底中形成一个经烧蚀得到的特征物。在形成特征物期间，掩模沿垂直于光轴的轨道运动，从而形成一个选定的壁面形状。
本发明的过程可用来烧蚀各种材料。例如，本发明的过程可以用来在半导体制造过程中利用诸如X射线和包括深紫外线的紫外线等各种辐射源在有机或无机光致抗蚀性材料中刻蚀或曝光图案。本发明的过程可以用来在衬底中烧蚀特征物，这些特征物或者完全横穿过衬底(即，形成空穴或通道)，或者特征物的给定深度小于衬底的总深度，通常将这种特征物称为“盲(blind)”特征物。
在另一个主要方面，本发明提供了一种用于在衬底中制孔的设备。该设备包括：辐射源；掩模，它位于辐射源以及受辐射源之辐射照射的衬底之间，当照射衬底时，掩模可以垂直于系统光轴的移动，以便形成与掩模不作轨道运动时不同的特征物形状。
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、喷孔等，并且特征物可以完全烧穿衬底，或者仅部分地穿过衬底(“盲”特征物)。
附图概述
图1示出了一典型的激光器加工系统，该系统在照射衬底时使用掩模。
图2示出了一激光器加工系统，该系统在烧蚀过程中使用一复合的掩模移动装置。
图3示出了一种可能的系统硬件结构，用于控制掩模的移动。
图4示出了伺服控制系统的触发反馈。
图5示出了激光器脉冲与掩模处于适当位置时之间的时间差。
图6示出了可以用本发明产生的不同的孔分布。
图7示出了可以用本发明产生的激光射点图案，用以产生一个轴不与衬底表面正交的喷嘴。
图8示出了喷嘴阵列，其中喷嘴阵列的纵轴沿预定方向倾斜，以便引导喷嘴阵列射出的流体，并控制出射流体的相对方向。
本发明的详细描述
如上所述，图1示出了传统的准分子激光器加工系统10的基本布局。系统10包括伺服系统14，用于控制掩模16；衬底卡盘18和衰减器20。如上所述，在图1的典型系统10中，伺服系统14是低速、低分辨率的系统，其功能是在烧蚀衬底19之前适当对准掩模16和衬底19。在烧蚀工艺期间，伺服系统14不移动，只提供掩模16和衬底19的总移动(移动几毫米)，以对准掩模16和衬底19。
与图1的加工系统相反，实施本发明所用的掩模在照射衬底期间能够在垂直于光轴的平面内高速和高分辨率地移动。图2示意地示出了此等激光器系统的概念。该激光器系统包括高速活动掩模扫描子系统48，其中子系统48与激光器控制器构成一体，背载于低速伺服系统14上。来自光束调节光学镜片(所述光学镜片可以按应用需要由图1所述的衰减器、扩束器、均质器和场透镜等部件组成)的光充满掩模16上的特征物，以便可以在照射场的均匀区内移动掩模大约+/-100微米或更小的距离。然后，成像透镜34将通过掩模的光成像到固定衬底19上。本领域的熟练技术人员应该理解，图2的示意性图示是非限制性的，其它控制系统也可以是合适的。
激光烧蚀用的掩模是众所周知的。美国专利5,378,137描述了可用于实施本发明的一类掩模的一个代表性的例子，该专利的内容通过引用包括在此。一般地说，掩模包括一透明的熔融石英衬底，衬底具有一不透明的或反射的薄层。不透明材料可以是已被溅射到衬底上的一层铬、紫外线增强涂层、或者诸如多层介电层等任何其它合适的反射或不透明涂层。掩模上的反射或不透明涂层具有图案，它包含一系列孔或其它光线可以通过并最终照射到衬底上的结构。掩模上的每个孔对应于衬底中的一个结果特征物。
所用激光器的类型将根据烧蚀衬底而定。例如，一般用于制造喷墨打印头和电子封装应用的聚合物薄膜是聚酰亚胺，诸如商品名“Kapton”和“Upilex”等，其厚度大约为2密耳。对于这些应用，通常使用准分子激光器，诸如KrF准分子(248纳米)，或者XeCl准分子(308纳米)。另一种方法，对于大于约35微米的特征物，可以用TEA CO2激光器来烧蚀聚酰亚胺。一般，准分子激光器通常产生约30纳米的脉冲宽度，这在激光器重复速率和掩模移动的时间标度上是非常快的。激光器的功率可以根据系统中光学部件的数量和类型进行选择，以便将在大约400-1000毫焦耳/厘米2或更大的能量密度传递到衬底上。
在实施本发明过程中，当衬底是诸如聚酰亚胺薄膜等聚合物时，可以由一盘架提供聚合物，并将聚合物定位在激光器系统的衬底台上。然后，激光器重复发射脉冲一段预定的时间，以烧蚀聚合物，形成由烧蚀特征物组成的图案。有各种因素会影响特征物的几何特征，除了本发明的掩模轨迹线外，还包括掩模中使用的结构、激光器功率、能量密度、激光器脉冲的数量等等。然后取下所得到的聚合物，将新的聚合物放在衬底台上。
可以用各种方式使掩模16移动。如上所述，通过机械方式用与掩模直接或间接相连的电机伺服电动机或其等效装置来移动掩模16。这种伺服系统适于低速、低分辨率的移动，诸如掩模16和衬底19的初始调准。但是，这类伺服系统不能提供激光加工操作所必需的高速、高分辨率的移动，因为激光加工操作中一般存在较高的系统惯性和其它因素，后文将对此作更详细的讨论。
对于高速、高分辨率的移动，将掩模16与压电材料或设备相连，诸如线性或旋转的压电微定位器，它背载于低速的伺服系统14上。这类微定位器的代表性的、非限制性的例子可以从Physik Instrumente公司获得。这类微定位器的分辨率一般为0.1μm，定位器具有变化的移动范围、旋转角速度以及速度范围。用传统技术很容易将上述结构与掩模相连。
图3示出了掩模扫描系统硬件结构。这是一个代表性的且非限制性的结构。参照图3，通常用计算机或微控制器12控制激光加工系统，其中计算机或微控制器12包括烧蚀系统控制器50和用于控制激光器光源24的激光器控制器52。烧蚀系统控制器50和激光器控制器52都与实时伺服控制器54相连，而实时伺服控制器54通过x轴和y轴微定位移动台62和64分别控制激光掩模16在x、y方向的控制。位置反馈系统60将实时位置信息发回实时伺服控制器54(称为“闭环”控制)。可能的反馈装置包括但不限于LVDT传感器、应变传感器、电容传感器和电感传感器。
当激光器光源是准分子或TEA CO2激光器等高压气体放电激光器时，激光器的输出特性极大地取决于稳定点火或重复速率。典型的重复速率可以是200-300Hz。如果激光器以非稳定的重复速率点火，那么电极之间的气体更换会不完全，或者随不同激光射点而改变；高电压电容器的充电会改变；以及可能产生其它不希望有的影响。另外，激光器制造商一般会就激光器稳定点火而使激光器最优化。因此，对最佳激光器性能的要求又对掩模微定位移动台62和64的移动控制提出了严格的定时要求。定时要求再与激光器的高点火速率结合，要求总的定位系统(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、位置反馈装置60和实时伺服控制器54)具有相对较大的带宽。激光器的高点火速率排除使用传统的伺服系统，因为这种系统太慢，不能以200-300Hz的速率提供精确的移动。
总的系统带宽依赖于几个系统部件。具体地说，机械系统具有一些固有的时间常数。例如，位置反馈装置60会影响系统带宽，而提供移动的驱动器会有一些延迟。例如，移动一压电装置类似于通过电阻器给电容器充电，因此，具有固有的RC时间常数。另外，伺服或压电系统的电源具有阻抗或时间常数。因此，当设计系统时必须将总体系统性能作为整体来考虑，并且必须选择和测试各部件，以提供适合辐射源之理想重复速率的移动带宽。
对于一给定的硬件设施，可以有几种不同的控制方案。实现本发明的最简单的方法是在电动机控制系统处于适当位置(在以下规定的误差内)之后触发激光器。但是，如上所述，为了获得最佳激光器性能，激光器必须以稳定的重复速率点火，而用此类控制方案是很难的。另外，此类控制方案不能够获得最大的材料生产量，这是一个重要的经济考虑。因此，任何实用的控制方案必须提供在200-300Hz范围内稳定点火的激光器，同时在激光器点火时使掩模处于理想位置的一些小容差范围内，从而获得可重复的激光器加工工艺。
图4示意地示出了与激光器点火的定时和移动控制系统相关的概念。首先，用于掩模移动的实时伺服控制器50可以与激光器触发源56相连或不相连。激光器触发源56通过与激光器控制器52连接，根据其稳定的时钟输出决定激光器点火速率。当实时控制器54不与触发源56相连时，实时控制器54的内部时基产生一时序，在这些时间上掩模将处于所需的位置。在该情况下，需要一个外部信号(诸如信号来自烧蚀系统控制器50)，以与激光器脉冲串和掩模移动的开始同步。在一较佳实施例中，实时伺服控制器54与触发源56相连，允许对激光器点火时的实际掩模位置进行数据捕获(在硬件的速度限制内)。触发源有几种可能的选择，包括实时伺服控制器54的内部时钟、激光器控制器52的内部时钟或者外部时钟。
图5用等间隔的实线表示几个激光器射点“脉冲串”的时序。一般，由于存在传播延迟、伺服随动误差、系统惯性以及其它固有系统因素，所以对于定期发出的激光脉冲，掩模处于所需(x，y)位置的时刻会变化。在图5中，用虚线表示了掩模处于适当位置(在足够小的容差范围内)的时刻。两者之间的时间差用τ表示。掩模的位置误差近似等于τ与掩模瞬时速度的积。
掩模位置误差对最后烧蚀结果的影响可以减小一定量，此减小的量正比于成像透镜的缩小倍数，缩小倍数一般在2-5倍的范围内。对于高精度应用，要求衬底上光图案的定位误差小于0.2微米。因此，对于5倍缩小的系统，这会使得掩模位置误差为1微米或更小。利用触发源鉴定，可以在系统传播延迟、位置反馈装置的速度以及数据捕获速度所确定的时间期限内计算出掩模的实际位置。在这些固有的限制内，可以在激光器点火时量化掩模位置。250Hz的激光器点火对应于激光器射点之间的4毫秒，而捕获掩模位置的误差一般小于30毫秒。
可以将不同的控制方案与上述系统结构结合使用。但是，在较佳实施例中，预先计算一组位置、速度和时间(“PVT”)的矢量。这些矢量包括与激光器触发对应的所需掩模位置的x，y坐标。但是，它们还包含实际激光器触发点之间许多点的PVT信息。通过预先计算移动分布曲线中的这些中间点，选择轨迹线，使总系统的谐振频率及其谐波最小，从而优化系统性能。在激光器工作之前，将PVT矢量装入实时伺服控制器54中。伺服控制器54连续调节掩模速度，以便在规定的时刻达到规定的位置。
应该认识到，可以用同步或异步的方式操作这种控制系统，其中同步方式是指用同一时钟源控制激光器点火和掩模的高速移动，异步方式是指用独立的时钟源控制激光器点火和掩模的高速移动。同步操作适于较高的精度。另外，控制系统可以使用“闭环”控制，即在烧蚀过程中提供关于掩模16之位置的反馈；或者使用“开环”控制，即在烧蚀过程中不提供关于掩模16之位置的反馈。上述较佳的“PVT”控制系统使用闭环控制，尽管也可以使用开环系统。
系统软件在性能上可以用参数表示，并且较佳实施例是多线程(multi-threaded)的软件结构。从烧蚀控制器50读取移动轨迹线的PVT矢量和时间间隔。如此计算轨迹线的中间点和速度，以使最有效的掩模移动提供系统带宽。用多个线程来控制至实时伺服控制器54的信息流，其中实时伺服控制54与烧蚀控制器50同步。位置反馈系统60将数据返回烧蚀控制器50。
图6示出了衬底中的烧蚀特征物是如何具有直的、凹入的或凸出的壁形状的，这里从孔的轴开始测量。如上所述有选择地控制掩模16的移动，可以调节壁面形状，这里所述有选择地控制允许从孔内以不同的速度烧蚀材料，从而产生不同的壁面形状。通过简单地改变掩模16之移动来改变激光器射点之图案(从而对孔壁定形)的能力是一个强有力的且适应性强的工艺参数，这在以前是无法获得的。
本发明一项特别有用的地方是，烧蚀特征物的轴向定向不垂直于衬底表面。也就是说，喷孔的轴可以相对于衬底表面倾斜。通过产生一个螺旋式激光射点图案(如图7所示)，并且在烧蚀过程中允许每条圆形“轨道”的中心沿规定方向慢慢移动，可以使喷孔具有这种可变轴定向。这种激光射点图案不可能具有例如单个旋转光学元件，如美国专利4,940,881所述，单个旋转光学元件只能按圆形移动光线。
在液流应用中，产生具有非正交轴的烧蚀喷孔的能力是一个明显的进步和优点。例如，如图8所示，可以如此定位两个或多个喷嘴组成的组，使得每个喷嘴的轴指向一个公共的预定点。在图8中，将个体喷嘴82布置成阵列84、85、86和87，每个阵列具有四个喷嘴82。在每个阵列84、85、86和87中，喷嘴82分别向位于每个阵列84、85、86和87之中心上的公共点88、89、90和91倾斜一角度。喷嘴82在每个阵列84、85、86和87内的这种定向大大改进了(例如)用于控制每个喷嘴82射出液滴之方向的能力。因此，这种控制允许或防止了(例如)液滴在射出喷嘴82之后聚结。另一种方法是，它可以控制液滴在目标材料上的相对布局(诸如来自喷墨打印头的油墨在纸上的布局)，从而影响打印质量。本领域的熟练技术人员应该认识到，可以烧蚀任何数量的喷嘴和阵列，以为特定应用获得必要的结果。
参照图8可见，在每个阵列84、85、86和87中至少有一个喷嘴82′的轴与第一公共轴92对准，并且每个阵列84、85、86和87中的第二个喷嘴82″与第二公共轴94对准。同样，每个阵列84、85、86和87的每个喷嘴82与一预定的公共轴对准。当阵列84、85、86和87成形后，用一个步骤烧蚀喷嘴82′，并用另一个步骤烧蚀喷嘴82″，等等。通过以预定方式改变掩模的移动，简单地改变烧蚀图案，从而产生喷嘴82的不同方向轴。
如上所述，图8所示的喷嘴安排在希望控制喷嘴出射的个体液滴的应用中是有用的，例如，它允许或防止液滴在射出喷嘴82的聚结。通过改变每个阵列中喷嘴纵轴的定位，可以控制个体液滴是否聚结的趋势。具体使用包括用于喷墨打印机的打印头(其喷嘴的出口直径在8～35微米的范围内，并且最好在10和25微米之间)，以及用于诸如药物吸入器等喷雾剂喷嘴板(其喷嘴的出口直径小于约5微米，并且最好在0.5-3.0微米的范围内)。
与控制烧蚀特征物之壁面形状的其它方法相比，本发明的掩模轨道设备具有明显的优势。具体地说，本发明允许按各种方式对个体激光射点进行精确的、可重复的布置。可以将个体激光射点布置在改变很大但又很容易控制的图案中，从而使烧蚀特征物获得所需的壁面形状和轴向定向。
Claims (22)
1. 一种在衬底中烧蚀特征物的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：用透过掩模的辐射照射衬底，在衬底中形成一个经烧蚀得到的特征物，在形成烧蚀特征物期间，掩模跟踪一条垂直于光轴的预定轨迹线，从而形成一个选定的壁面形状。
2. 如权利要求1所述的过程，其特征在于，用与掩模相连的压电定位器移动掩模。
3. 如权利要求1所述的过程，其特征在于，所述辐射是激光。
4. 如权利要求1所述的过程，其特征在于，所述衬底是聚合物薄膜。
5. 如权利要求1所述的过程，其特征在于，所述特征物是聚酰亚胺薄膜中的一个喷墨喷嘴。
6. 如权利要求1所述的过程，其特征在于，所述选定的壁面形状基本上呈凸出状。
7. 如权利要求1所述的过程，其特征在于，所述选定的壁面形状基本上呈凹入状。
8. 如权利要求1所述的过程，其特征在于，所述选定的壁面形状基本上是直的。
9. 一种用于对聚合物薄膜烧蚀特征物的过程，其特征在于，所述过程包括以下步骤：来自准分子激光器的激光通过熔融石英或石英衬底上的具有图案的金属和/或介电掩模，照射到聚合物薄膜上，在聚合物薄膜中形成烧蚀的特征物，在形成特征物期间，掩模在垂直于系统光轴的平面内移动，从而形成一个选定的壁面形状，并且特征物的出口直径小于约30微米。
10. 一种用于在衬底中制孔的设备，其特征在于，包括：辐射源；掩模，它位于辐射源以及受辐射源之辐射照射的衬底之间，当照射衬底时，掩模可以在垂直于系统光轴的平面内移动，以便形成与掩模不作轨道运动时不同的烧蚀特征物形状。
11. 如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述辐射源是准分子激光器。
12. 如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述掩模是用与掩模相连的压电定位器移动的。
13. 如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述掩模是用与掩模相连的音圈定位器移动的。
14. 如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述衬底是聚合物薄膜。
15. 如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述掩模包括熔融石英基片和至少一个由介电层构成的区域，所述介电层至少部分减少透过掩模的辐射。
16. 如权利要求10所述的设备，其特征在于，还包括一投影透镜，它位于掩模和衬底之间。
17. 一种喷墨打印头，其特征在于，包括：
衬底，它具有一般的平面；
喷嘴阵列，它至少具有两个通过衬底延伸的喷嘴，所述至少两个喷嘴中的每个喷嘴都具有一个纵轴；
其中，喷嘴阵列的所述至少两个喷嘴中至少有一个喷嘴的纵轴不垂直于衬底表面。
18. 如权利要求17所述的打印头，其特征在于，喷嘴阵列的所述至少两个喷嘴的纵轴彼此不平行。
19. 如权利要求17所述的打印头，其特征在于，喷嘴阵列中每个喷嘴的纵轴都转过一角度，朝向一预定的公共点。
20. 如权利要求19所述的打印头，其特征在于，打印头还包括多个喷嘴阵列。
21. 如权利要求20所述的打印头，其特征在于，所述多个喷嘴阵列中的每个阵列都具有其纵轴平行对准第一预定公共纵轴的第一喷嘴。
22. 如权利要求21所述的打印头，其特征在于，所述多个喷嘴阵列中的每个阵列都具有其纵轴平行对准第二预定公共纵轴的第二喷嘴。
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