СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЯЕМОГО ПЕРЕНОСА ВЕЩЕСТВА Российский патент 2004 года по МПК B41J2/435 

Изобретение относится к классу печатающих устройств, воспроизводящих на заданном объекте (бумага, пластик, стекло, биологическая структура и т.п.) заданную конфигурацию (изображение) из вещества (материала), нанесенного на подложку. К таким устройствам можно отнести: устройства для прямого изготовления элементов микроэлектроники, биоструктур, катодолюминесцентных дисплеев высокого разрешения, цветной высококачественной печати и др.

Изобретение относится к способам и устройствам, использующим энергию излучения для управляемого переноса вещества непосредственно с носителя на заданный объект без промежуточных операций в реальном масштабе времени.

Общим принципом известных способов является использование энергии излучения для создания давления, выбрасывающего часть вещества с прозрачной подложки-носителя на объект-носитель информации. В известных способах, использующих вышеприведенный эффект, для переноса вещества в качестве источника излучения используется лазер, а для концентрации энергии в малых объемах используют оптические методы фокусировки и элементы из сильно поглощающего лазерное излучение материала.

Известны способ и устройство, использующие эффект прямого лазерного переноса вещества для изготовления высококачественных приборов микроэлектроники и биоструктур, опубликованные в журнале Laser Focus World за сентябрь 2000 г в статье "Laser Direct Writing Builds biostracture", стр.113-116 (авторы: Douglas Chrisey и др.). Устройство содержит УФ-лазер (λ =355 нм) с высокой частотой повторения импульсов излучения, микрообъектив, прозрачную ленту, на которую нанесен материал, подлежащий переносу, подложку для переносимого материала, систему управления лазерными импульсами и перемещающуюся платформу. Устройство работает следующим образом. Перенос материала с прозрачной ленты на подложку происходит в точке падения лазерного луча, сфокусированного микрообъективом. Лента с переносимым материалом и подложка закреплены на платформе, которая двигается с шагом, равным диаметру сфокусированного лазерного луча, синхронно с частотой работы лазера, образуя на подложке рисунок заданной конфигурации, определяемой изменением направления движения платформы. Меняя вещество, нанесенное на ленту, возможно конструирование различных, в том числе и трехмерных структур, широко применяемых в микроэлектронике (конденсаторы, резисторы, высокочастотные контуры и т.п.). Аналогичное устройство, использующее эффект прямого переноса вещества с прозрачной подложки, описано в статье J.M.Fitz-Gerald и др., опубликованной в журнале Applied Physics Letters, v.76, № 11, p.p.1386-1387 (2000). Устройство использовалось для лазерного переноса люминофоров при изготовлении цветного дисплея высокого разрешения.

Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству является “Способ и устройство для печати” (патент RU 2176600 от 01.02.2000). Отличительными особенностями этого способа и устройства являются:

- применение в качестве вещества (материала) для управляемого лазерного переноса красок, широко применяемых в полиграфии;

- применение для формирования и управления лазерным лучом современных средств модуляции, сканирования и фокусировки (зеркальный DMD модулятор, акустооптическая система модуляции и отклонения лазерного луча), расположенных на выходе УФ источника излучения;

- применение различного типа носителей краски и изображения.

Перечисленные особенности обеспечивают высокую скорость и качество печати цветных изображений.

Существенными общими признаками для всех перечисленных устройств являются:

- применение в качестве излучателя источников УФ-излучения;

- расположение систем формирования и излучения на выходе основного источника излучения.

Известные способы лазерного переноса вещества с прозрачной подложки-носителя на заданный объект имеют ряд общих недостатков, как:

- низкая эффективность и высокая стоимость лазерных источников УФ-излучения;

- необходимость применения специальных оптических элементов и устройств, прозрачных для УФ-излучения, а также устройств, стойких к УФ-излучению;

- расположение систем управления излучением на выходе источника излучения (лазера), где они подвергаются воздействию полной мощности лазерного излучения.

Перечисленные недостатки приводят к увеличению стоимости и уменьшению ресурса работы вышеперечисленных устройств.

Задачей данного изобретения является создание способа и устройства для лазерного переноса вещества с высокой эффективностью и большим ресурсом работы. Поставленная задача решается следующим образом.

В способе управляемого переноса вещества, заключающемся в использовании энергии излучения для переноса вещества непосредственно с носителя вещества на установленный напротив носитель изображения, на вещество, нанесенное на прозрачный носитель, воздействуют импульсами излучения, предварительно промодулированными пространственным модулятором и пропущенными последовательно через усиливающую активную среду, оптическую систему и прозрачный носитель, отображая на веществе уменьшенный элемент или фрагмент с конфигурацией, заданной пространственным модулятором. При этом управляют его положением и интенсивностью излучения таким образом, что в областях, на которые спроецировано изображение элемента или фрагмента, возникают импульсы давления, переносящие часть вещества на носитель изображения и формирующие на нем негативное изображение элемента или фрагмента, сформированного пространственным модулятором.

Для последующей модуляции и усиления используют часть излучения усиливающей среды, находящейся в состоянии суперлюминесценции.

Интенсивность и длительность импульса излучения в местах падения вещества выбирают из условий:

I₀=T_k·_{ρ·c/τ · α ,}

где T_k - критическая температура, при которой происходит испарение (разложение) вещества;

ρ - плотность вещества;

с - теплоемкость вещества;

α - коэффициент поглощения;

τ - длительность импульса лазерного излучения; τ ≤ 1/α · θ ,

где θ - коэффициент температуропроводности вещества.

Поставленная задача решается также устройством для управляемого переноса вещества, реализующим описанный способ.

Устройство содержит последовательно расположенные источник излучения, системы формирования и управления излучением, носитель вещества и носитель изображения.

В качестве источника излучения использована излучающая и усиливающая излучение активная среда, на входе которой расположен пространственный модулятор, выполненный в виде прозрачного транспаранта, расположенного между усиливающей средой и глухим зеркалом.

В качестве прозрачного транспаранта может быть использована жидкокристаллическая матрица.

В качестве усиливающей среды может быть использована активная среда лазеров на парах металлов, активная среда лазера на парах меди, излучающая в зеленой и желтой областях спектра, активная среда эксимерных лазеров, в том числе, активная среда эксимерного ХеС1 лазера и эксимерного KrF лазера.

Кроме того, на выходе усиливающей среды может быть установлена плоскопараллельная прозрачная для усиленного излучения пластина, образующая с зеркальной поверхностью пространственного модулятора оптический резонатор, а также - оптическая система, которая проецирует уменьшенное изображение, сформированное пространственным модулятором на границу между носителем вещества и веществом.

Между оптической системой носителем вещества может быть установлен зеркальный сканер для сканирования изображения, сформированного пространственным модулятором по поверхности носителя вещества, при этом носители вещества и изображения могут быть установлены на подвижной платформе.

Описанный способ может быть реализован устройством для управляемого переноса вещества в другом конструктивном исполнении.

Это устройство содержит последовательно расположенные источник излучения, системы формирования и управления излучением, носитель вещества и носитель изображения.

При этом в качестве источника излучения использована излучающая и усиливающая излучение активная среда, на входе которой расположен пространственный модулятор, выполненный в виде большого числа управляемых микрозеркал.

В качестве усиливающей среды в этом устройстве может быть использована активная среда лазеров на парах металлов, активная среда лазера на парах меди, излучающая в зеленой и желтой областях спектра, активная среда эксимерных лазеров, в том числе эксимерного ХеС1 лазера, а также эксимерного KrF лазера.

Кроме того, на выходе усиливающей среды может быть установлена плоскопараллельная прозрачная для усиленного излучения пластина, образующая с зеркальной поверхностью пространственного модулятора оптический резонатор, а на выходе усилителя - оптическая система, которая проецирует уменьшенное изображение, сформированное пространственным модулятором, на границу между носителем вещества и веществом.

Между оптической системой носителем вещества возможна установка зеркального сканера для сканирования изображения, сформированного пространственным модулятором по поверхности носителя вещества.

Носители вещества и изображения в этом устройстве могут быть установлены на подвижной платформе.

Способ осуществляют, воздействуя через прозрачную подложку на вещество, нанесенное на нее с противоположной стороны, импульсами излучения, предварительно промодулированными пространственным модулятором и пропущенными последовательно через усиливающую среду, оптическую систему формирования изображения и управления его положением, выбирая их характеристики таким образом, что в областях падения излучения в результате взаимодействия с веществом возникают импульсы давления, выбрасывающие часть вещества на объект, установленный напротив прозрачной подложки с веществом, образуя на нем уменьшенное оптической системой изображение с конфигурацией, заданной пространственным модулятором излучения.

Устройство для реализации способа содержит усиливающую излучение лазерную активную среду, находящуюся в состоянии суперлюминесценции, пространственный оптический модулятор, оптическую систему для формирования изображения, устройство для перемещения изображения, прозрачную подложку с нанесенным на ее поверхность веществом, объект, на который переносится вещество.

В основе предлагаемого способа лежит возможность предварительного формирования изображения, соответствующего требуемой конфигурации переносимого вещества, на входе усиливающей среды, с последующим усилением интенсивности свечения изображения и проекции его уменьшенного изображения с помощью оптической системы и системы управления по положению в требуемое место на прозрачной подложке-носителе вещества, расположенной непосредственно над объектом, на который переносится вещество, формирующее изображение. Вторым достоинством является возможность использования для переноса вещества монохроматического излучения, удовлетворяющего условию: 1/α (λ )<х, где х - толщина слоя вещества, нанесенного на подложку-носитель краски и обычно не превосходящее 10-15 мкм. Применение данного условия позволяет работать в тех случаях, когда не требуется разрешения сравнимого с длиной волны излучателя, и коэффициент поглощения α на длине волны источника достаточно велик (~10³-10⁴ см^-1), использовать излучение видимого и инфракрасного спектрального диапазона, что значительно уменьшает стоимость и требования к элементам устройства в целом. Существенным достоинством данного способа является также возможность переноса целых фрагментов изображения, отображенных на пространственном модуляторе за один такт работы устройства, что при заданной тактовой частоте может значительно повысить скорость переноса вещества: D=F× S, где F - тактовая частота, S - площадь массива, переносимого за 1 такт, и значительно снизить требования к системе отклонения луча. Расположение пространственного модулятора на входе усиливающей среды между активной средой и 100% зеркалом оптического резонатора позволяет значительно (в некоторых случаях более чем на порядок) снизить тепловую нагрузку на пространственный модулятор.

На фиг.1 схематически показана взаимосвязь основных элементов устройства по лазерному переносу вещества для осуществления данного способа.

В качестве задающего источника излучения могут быть использованы маломощный источник индуцированного излучения (лазер) с активной средой из того же материала, что и усиливающая среда, работа которых синхронизирована, или часть излучения усиливающей среды, находящейся в состоянии суперлюминесценции. В качестве усиливающей среды могут быть использованы пары металлов и эксимеры, широко применяемые в лазерах от УФ- до ИК-диапазона.

Пространственный модулятор. Пространственный модулятор служит для пространственной модуляции излучения на входе в усилительную среду. Для этой цели могут быть применены как различные типы светоклапанных устройств (жидкокристаллические, акустооптические, зеркальные DMD-модуляторы), обычно применяемые в устройствах отображения информации, так и транспаранты, отражающие или пропускающие излучение.

Усиливающая среда. Усиливающая среда необходима для усиления предварительно промодулированного вынуждающего излучения. В качестве усиливающей среды могут быть использованы твердые, жидкие или газообразные среды, способные к индуцированному излучению. Следует заметить, что с учетом зависимости порога выброса вещества от длины волны излучения наиболее благоприятной представляется работа с усиливающей активной средой эксимерных лазеров или лазеров на парах металлов.

Формирующая и управляющая системы. Формирующая оптическая система служит для уменьшения размеров изображения, сформированного пространственным модулятором, и проекции его на границу между веществом и носителем. Управляющая система служит для управления положением изображения на носителях вещества и изображения. Обе системы могут быть выполнены из оптических элементов, широко применяемых в оптоэлектронных устройствах (линзы, зеркала, сканеры и т.п.).

Носитель вещества. Носитель вещества должен быть изготовлен из материала, слабо поглощающего рабочее излучение, и может быть выполнен в виде вращающегося диска, пластины или ленты, на которые вещество наносится со стороны, противоположной падающему излучению, или заранее, или в процессе работы устройства.

Носитель изображения. Носитель изображения располагается непосредственно под носителем вещества на расстоянии, обычно не превышающем несколько сот микрон, и выполняется из материала, на который необходимо перенести данное вещество.

Система синхронизации. Система синхронизации синхронизирует работу пространственного модулятора, усиливающей среды и управляющей системы. Для эффективной реализации способа необходимо, чтобы характеристики лазерного излучения были согласованы с характеристиками переносимого вещества. Источник излучения и формирующие элементы должны обеспечить интенсивность I₀ падающего на вещество излучения:

I₀=T_k·_{ρ·c/τ · α ,}

где T_k - критическая температура, при которой происходит испарение (разложение) вещества;

ρ - плотность вещества;

с - теплоемкость вещества;

α - коэффициент поглощения;

τ - длительность импульса лазерного излучения.

Например, если Т~1000° С, р· с~1, τ =10^-8 с, α =10⁵, то интенсивность падающего на вещество излучения должна быть равна I_0≥ 10⁶ Вт/см². Длительность, при которой достигается минимальная энергия переноса, должна удовлетворять условию: τ ≤ 1/α · θ , где θ - температуропроводность вещества. При α =10⁵ см^-1, θ =10^-2 см²·^{c-1, τ ≤ 10-8 с.}

На фиг.2а, б, в, приведены три варианта устройства для реализации способа. Устройство фиг.2а содержит последовательно расположенные:

- глухое зеркало (1);

- пространственный модулятор (2), выполненный в виде управляемого транспаранта;

- усиливающую среду (3);

- оптическую систему для сканирования (4) и уменьшения изображения транспаранта (5);

- носители вещества (6) и изображения (7), сформированного веществом.

Устройство (фиг.2а) работает следующим образом. Излучение усиливающей среды (3), находящейся в состоянии суперлюминесценции, проходит сквозь прозрачные для излучения участки транспаранта (2), отражается от глухого зеркала (1) и при обратном проходе усиливается усиливающей средой (3), сохраняя информацию, заданную транспарантом. В качестве транспаранта может быть применена активная жидкокристаллическая матрица, широко используемая в настоящее время в проекционных устройствах. Формирующая оптическая система (4, 6) уменьшает размеры изображения и проецирует его на границу между носителем и веществом. Сканирующая система (5), представляющая собой вращающийся многогранный зеркальный барабан или колеблющееся зеркало, сканирует сфокусированное излучение по плоскости носителя вещества (7) в направлении, ортогональном движению носителя изображения (8). При выполнении порогового условия вещество (9) выбрасывается на носитель изображения, образуя элемент или фрагмент изображения, заданный транспарантом.

Во втором варианте устройства (фиг.2б) применяется пространственный модулятор (1), состоящий из большого числа миниатюрных зеркал, которые могут разворачиваться на небольшой угол (~15° ). Подобного типа модулятор, известный как DMD модулятор, изготавливается фирмой Texis Instruments и применяется в проекционных и печатающих машинах. DMD-модулятор устанавливается на входе в усилительную среду (2) на расстоянии, которое обеспечивает выход отраженного от зеркал излучения за пределы апертуры усилительной среды при их повороте на максимальный угол. Формирующая система (3, 5) обеспечивает уменьшение и проецирование изображения, многогранный зеркальный барабан (4) сканирует сфокусированное изображение по границе носителя вещества (6) и вещества (8), перенося его на носитель изображения (7). Путем поворота зеркал (1) задается требуемая конфигурация элемента изображения или необходимая градация при работе в цифровом режиме формирования изображения. Переключение элементов DMD может происходить в интервале между импульсами излучения. В этом случае время переключения транспаранта t_k должно удовлетворять условию t_k≤_{Т0, где Т0 - период повторения импульсов излучения.}

В третьем варианте (фиг.2в) устройство состоит из пространственного модулятора (1), усиливающей среды (2), поворотного зеркала (3), объектива (4) и перемещающейся управляемой платформы (на чертежах не показана), на которой установлены носитель (5) с веществом (7) и носитель изображения (6). Последний вариант может применяться в прецизионных устройствах с высокими требованиями по разрешению и точности изготовления изделия, например, в электронной промышленности. Во всех трех вариантах, для увеличения интенсивности и улучшения направленности излучения, на выходе усиливающей среды может быть установлена прозрачная для излучения плоскопараллельная пластина с небольшим коэффициентом отражения, которая образует с зеркальными элементами пространственного модулятора резонаторные системы.

Изобретение относится к печатающим устройствам, а именно к способам и устройствам, использующим энергию излучения для управляемого переноса вещества (металлов, полимеров, диэлектриков, краски, полупроводников и др.) на заданный объект, образуя на нем изображение требуемой конфигурации с высоким разрешением (до 1000 элементов на см²). Способ заключается в воздействии на вещество, нанесенное на прозрачный носитель импульсами излучения, предварительно промодулированными пространственным модулятором и пропущенными через усиливающую среду и оптическую систему. Оптическая система управляет положением изображения, сформированного пространственным модулятором таким образом, что в областях падения излучения возникают импульсы давления. Они переносят часть вещества на объект, установленный напротив прозрачного носителя, образуя на нем заданное изображение. Устройство для осуществления способа содержит пространственный модулятор излучения, усиливающую среду (источник излучения), элементы формирования и управления излучением, прозрачный носитель вещества и объект, на котором формируется изображение из вещества носителя. При использовании описанных способа и устройства для управляемого переноса вещества обеспечивается высокая эффективность переноса вещества и повышение ресурса работы. 3 с. и 21 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управляемого переноса вещества, заключающийся в использовании энергии излучения для переноса вещества непосредственно с носителя вещества на установленный напротив носитель изображения, отличающийся тем, что на вещество, нанесенное на прозрачный носитель, воздействуют импульсами излучения, предварительно промодулированными пространственным модулятором и пропущенными последовательно через усиливающую активную среду, оптическую систему и прозрачный носитель, отображая на веществе уменьшенный элемент или фрагмент с конфигурацией, заданной пространственным модулятором, и управляя его положением и интенсивностью излучения таким образом, что в областях, на которые спроецировано изображение элемента или фрагмента, возникают импульсы давления, переносящие часть вещества на носитель изображения и формирующие на нем негативное изображение элемента или фрагмента, сформированного пространственным модулятором.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для последующей модуляции и усиления используют часть излучения усиливающей среды, находящейся в состоянии суперлюминесценции.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсивность и длительность импульса излучения в местах падения вещества выбирают из условий

I₀=T_k·_{ρ·c/τ · α ,}

где T_k - критическая температура, при которой происходит испарение (разложение) вещества;

ρ - плотность вещества;

с- теплоемкость вещества;

α - коэффициент поглощения;

τ - длительность импульса лазерного излучения;

τ ≤ 1/α · θ , где θ - коэффициент температуропроводности вещества.