激光誘導(dǎo)精密沉積銅箔實驗

黃志剛 李洪輝 印四華 郭鐘寧

廣東工業(yè)大學(xué)特種能場加工實驗室，廣州，510006

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激光誘導(dǎo)精密沉積銅箔實驗

黃志剛 李洪輝 印四華 郭鐘寧

廣東工業(yè)大學(xué)特種能場加工實驗室，廣州，510006

通過改變激光脈沖能量和激光聚焦位置，進(jìn)行了激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移銅箔的實驗，并通過超景深三維顯微鏡和掃描電子顯微鏡對基片和約束層上沉積的銅箔進(jìn)行了觀察，探討了激光脈沖能量和激光聚焦位置對銅沉積效果所產(chǎn)生的影響，在此基礎(chǔ)上研究了激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移的機(jī)理。研究結(jié)果表明，在石英玻璃基片上沉積的銅箔直徑最小可達(dá)10 μm，遠(yuǎn)小于激光光斑直徑；在約束層上也沉積有銅箔，即同時出現(xiàn)了激光誘導(dǎo)向后轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象；光脈沖能量增大，石英玻璃上沉積的銅箔逐漸分散，尺寸逐漸增大，而且呈環(huán)形分布；通過調(diào)節(jié)靶材離焦點距離，可以使環(huán)形消失，并使沉積尺寸降到激光光斑尺寸以下。最后成功實現(xiàn)了微細(xì)陣列的激光誘導(dǎo)沉積。

激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移；脈沖能量；精密沉積；微細(xì)陣列

0 引言

激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移(laser induced forward transfer，LIFT)技術(shù)早在二十世紀(jì)七十年代就有學(xué)者提出，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，針對不同靶材及在不同基片上的沉積，都已有相當(dāng)多的研究成果。早期的研究關(guān)注于印刷行業(yè)的應(yīng)用，有學(xué)者利用Nd:YAG脈沖激光和石墨靶材，在紙張和聚酯薄膜上打印出線寬小于30 μm的圖案[1]。激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移技術(shù)的適用材料廣泛，Nakata等[2]研究了小分子有機(jī)物的激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移技術(shù)；Changjian等[3]研究了碳納米管在ITO薄膜上的沉積過程；Boutopoulos等[4]研究了多壁碳納米管的轉(zhuǎn)移技術(shù)。因為分子量大，聚合物的向前轉(zhuǎn)移比較困難，Alloncle等[5]利用納秒激光器，成功將PEDOT:PSS聚合物轉(zhuǎn)移到硅基片上。生物質(zhì)材料的激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移也有學(xué)者進(jìn)行了研究，利用皮秒脈沖激光，沉積出DNA和酶等材料的微細(xì)陣列[6]。

由于金屬在微細(xì)電子元器件以及微電路板制備中的重要應(yīng)用，近年來人們越來越關(guān)注金屬的激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移技術(shù)。Bohandy首次利用Nd:YAG脈沖激光，在硅基片上沉積出單元尺寸為數(shù)十微米的銅和銀陣列，其后很多學(xué)者對不同金屬及金屬氧化物，包括銅、銀、鋅、鐵和氧化鋅等，在多種基片上的沉積過程進(jìn)行了研究[7-8]，成功制備出很多高分辨率的微細(xì)結(jié)構(gòu)。通過選擇合適的激光參數(shù)，精確控制靶材的熔融量，可以達(dá)到很高的沉積精度，單元的尺寸甚至可以小于激光光斑尺寸。Kuznetsov等[9]通過精確控制的飛秒脈沖激光，在金、銀等薄膜靶材上激發(fā)熔融噴射流和微滴噴射，成功制備出納米級別微凸、微顆粒和微柱形陣列。通過噴射熔融微滴的堆疊，Kuznetsov等[10]還制備出亞微米級別的三維微細(xì)結(jié)構(gòu)。國內(nèi)也有學(xué)者使用飛秒激光器沉積出微米級的銅微滴[11]。

本文對LIFT精密沉積過程進(jìn)行了研究，通過精確控制激光脈沖能量以及聚焦位置，成功實現(xiàn)了銅箔的精密轉(zhuǎn)移，沉積尺寸最小可達(dá)10 μm，顯然小于激光光斑尺寸(約50 μm)。通過工作平臺的移動，在石英玻璃基片上制備了尺寸一致的微點陣列。另外，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，伴隨著材料的向前轉(zhuǎn)移，同時會出現(xiàn)一種向后轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，反向在約束層上形成微小沉積點。對LIFT精密沉積的機(jī)理進(jìn)行了探索。

1 實驗材料及方法

實驗的實現(xiàn)方式如圖1所示，激光束穿過凸透鏡聚焦于銅箔與約束層交界面，銅箔沉積于接收層上。本實驗以20 mm×20 mm×1.1 mm的石英玻璃為約束層，以3 μm的銅箔作為靶材緊貼于約束層上，銅箔與接收層之間的間隔為60 μm，接收層采用的是同尺寸大小的石英玻璃。樣品安裝在三維微細(xì)工作平臺上，可調(diào)整工件位置，精度為10 μm。

圖1 實驗方案示意圖

采用的激光器是北京鐳寶光電技術(shù)有限公司的DAWA200 YAG固體激光器，激光波長為532 nm，聚焦前激光光束直徑為7 mm，經(jīng)凸透鏡匯聚后的焦點光斑直徑為50 μm，脈沖能量為0.1～100 mJ可調(diào)，重復(fù)頻率為1～10 Hz,脈寬為5～7 ns。內(nèi)控分擋可調(diào)，留有外控接口，可進(jìn)行單脈沖控制。采用超景深三維顯微系統(tǒng)(VHX-600E)對完成實驗的樣品進(jìn)行進(jìn)一步觀察，放大倍數(shù)為20～3000；場發(fā)射掃描電子顯微鏡為SU8010,放大倍數(shù)為20～800 000。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 激光脈沖能量對沉積結(jié)果的影響

圖2所示是在激光脈沖能量分別為1.25 mJ、1.78 mJ、2.13 mJ、2.61 mJ時，接收層上沉積銅箔的顯微鏡照片。當(dāng)激光脈沖能量為1.25 mJ時，沉積的銅箔集中于一點，尺寸達(dá)10 μm。隨著激光脈沖能量的增大，接收層上沉積的銅箔越來越分散。當(dāng)激光脈沖能量大于2.61 mJ時，沉積的銅箔開始呈現(xiàn)出環(huán)狀，環(huán)中間沒有銅箔沉積。對沉積直徑與脈沖能量之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖3所示，可以看到銅箔的沉積直徑隨激光脈沖能量的增大近似呈線性增長。

圖2 不同激光脈沖能量下的典型沉積結(jié)果

圖3 沉積直徑隨激光脈沖能量的變化

由于激光光斑能量分布是高斯分布，光斑中心處能量高，周圍能量低，如圖4a所示。隨著激光脈沖能量的增加，聚焦于靶材上的激光能量分布由E1變?yōu)镋2，再變至E3。當(dāng)激光束穿過透明約束層照射于銅箔時，其束縛表面(與約束層相貼的一面)層內(nèi)快速注入了能量。光斑中心處能量高，使得中心處的銅箔迅速熔化，熔化的銅箔繼續(xù)吸收熱量達(dá)到沸點，此時會在束縛表面區(qū)域產(chǎn)生一定量的高溫高壓等離子體。而光斑周圍能量太低，只能夠熔化銅箔，不能汽化或形成等離子體。由于熱量的傳導(dǎo)，以激光焦點為中心，銅箔里依次形成汽化區(qū)、熔融區(qū)以及固相區(qū)。高溫高壓等離子體產(chǎn)生的推動力迫使熔融的銅箔射向接收層，并迅速凝固形成沉積點。當(dāng)激光脈沖能量較低時，如圖4b所示，銅箔的自由表面有直徑為D的區(qū)域已經(jīng)熔化，等離子體產(chǎn)生的壓力使熔化的銅箔穿過該區(qū)域沉積于接收層上。如果脈沖能量足夠小，可實現(xiàn)微小沉積尺寸，在接收層上沉積出尺寸小于光斑的沉積點。隨著激光脈沖能量的增大，銅箔吸收的能量越多，熔化的銅箔就越多，使得銅箔自由表面熔化的區(qū)域越大，即D越大，所以接收層上沉積的銅箔尺寸也相應(yīng)地增大。當(dāng)激光能量增大到一定程度時，光斑中心處的銅箔自由表面(靠近接收層的一面)可吸收足夠的能量發(fā)生汽化，如圖4c所示，在沉積過程中會發(fā)生明顯的噴濺現(xiàn)象。由于氣相材料容易飛濺，難以固著于接收層，故沉積區(qū)會形成中心空的環(huán)狀。

(a)高斯分布激光束

(b)激光脈沖能量較低時

(c)激光脈沖能量增大到一定程度時圖4 激光誘導(dǎo)銅箔向前轉(zhuǎn)移的原理圖

由此可見，脈沖能量是影響沉積精度的重要因素之一。為提高沉積精度，應(yīng)使用較小的脈沖能量，盡量避免在靶材自由表面上形成汽化區(qū)，并適當(dāng)減小熔融區(qū)域的尺寸。

2.2 激光聚焦位置對沉積結(jié)果的影響

通過調(diào)節(jié)三維移動平臺，改變激光焦點與銅箔束縛表面的相對位置Z，來研究沉積銅箔的形貌及機(jī)理。當(dāng)激光脈沖能量為2.61 mJ，Z值分別為0、250 μm、500 μm、750 μm時的沉積結(jié)果如圖5所示。當(dāng)Z值為0 時，接收層上沉積的銅箔尺寸達(dá)51 μm，呈現(xiàn)出環(huán)狀；當(dāng)Z值為250 μm時，沉積的銅箔尺寸為74 μm，而且沒有出現(xiàn)環(huán)狀現(xiàn)象，隨著Z值的繼續(xù)增大，沉積的銅箔尺寸反而越來越小，繼而亦可沉積出比激光光斑尺寸(50 μm)更小的銅箔。

圖5 不同Z值下的沉積結(jié)果

在不同Z值下，聚焦于靶材的高斯激光光斑的能量分布情況如圖6a所示，當(dāng)Z值越來越大時，照射在銅箔的激光光斑能量分布曲線越來越平緩，峰值能量逐漸降低，由E1變?yōu)镋2，再變至E3。EQ是銅箔的自由表面(靠近接收層的一面)發(fā)生汽化的閾值。當(dāng)Z值從零逐漸增大至250 μm，激光能量分布曲線由E1變?yōu)镋2，由于E2的峰值能量低于汽化閾值EQ，故在銅箔的自由表面區(qū)域沒有銅箔發(fā)生汽化，如圖6b所示，液態(tài)銅在等離子體推動力作用下發(fā)生沉積之后，接收層上沉積的銅箔不會再出現(xiàn)環(huán)狀，且在激光能量曲線從E1變?yōu)镋2后，光斑周圍處的能量增大，熔化的銅箔相應(yīng)增大，即D值增大，所以沉積的銅箔尺寸增大；隨著Z值的不斷增大，激光能量分布曲線由E2變?yōu)镋3，如圖6c所示，峰值能量即激光光斑中心處能量逐漸降低，產(chǎn)生的高溫高壓等離子體相繼減少，等離子體的推動力只能將光斑中心處的液態(tài)銅沉積于接收層，使得接收層上沉積的銅箔尺寸逐漸減小，甚至可小于激光光斑尺寸。

(a)高斯分布激光束

(b)Z值從0增大至250 μm時

(c)Z值繼續(xù)增大時圖6 高斯激光光斑的能量分布情況

2.3 向后轉(zhuǎn)移現(xiàn)象

實驗中也對約束層和靶材的變化進(jìn)行了研究，圖7所示是當(dāng)脈沖能量為1.25 mJ、離焦距離為0時，約束層的顯微結(jié)果?？梢钥吹?，激光照射區(qū)域的銅箔被燒蝕，露出約束層。而在約束層上，卻存有一個小銅球。按照傳統(tǒng)的LIFT理論，這種現(xiàn)象是無法解釋的。輻照區(qū)域的中心，激光能量最高，不可能存在靶材殘留。通過分析實驗結(jié)果，可認(rèn)為中心的銅球不是殘留剩下的，而是由熔融銅箔的向后轉(zhuǎn)移所形成。類似的結(jié)果在文獻(xiàn)[9]中有所報道，Kuznetsov等[9]利用飛秒脈沖激光，在納米級別的金箔上同時觀察到材料的向前和向后轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。本文利用更短的激光脈沖(納秒級)和更厚的銅箔靶標(biāo)(微米級)，也證實了這種現(xiàn)象的存在。

圖7 靶材在掃描電子顯微鏡下的照片

薄膜靶材的激光誘導(dǎo)同時向前向后轉(zhuǎn)移原理如圖8所示，束縛表面吸收能量產(chǎn)生一定量的高溫高壓等離子體，熔化的銅箔在高溫高壓等離子體的推動力作用下，膨脹凸起，凸起內(nèi)表面的液態(tài)銅在等離子體推動力和自身重力下，匯流于中心處，匯合后由于液態(tài)銅的表面張力，使其形成一滴射向內(nèi)部的液態(tài)銅，反向沉積于約束層上；而在凸起外表面，等離子體推動力和重力使熔化的銅箔匯流，形成一滴向外發(fā)射的液態(tài)銅，并沉積于接收層。

圖8 激光誘導(dǎo)銅箔向后轉(zhuǎn)移原理圖

3 微細(xì)陣列的沉積

圖9 沉積的銅箔陣列

本文通過三維移動平臺，控制接收層上沉積點的位置，實現(xiàn)了微細(xì)銅點陣列的沉積。圖9所示是在石英玻璃基片上沉積的銅點陣列，激光脈沖能量為1.25 mJ，離焦距離為0，沉積點間隔為70 μm?？梢钥吹?，各沉積點的尺寸和形貌一致性都較好，每個沉積點的尺寸均保持在10 μm左右。

4 結(jié)語

本文對銅箔的激光誘導(dǎo)精密向前轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行了一系列研究，分析了沉積效果的影響因素，并探討了激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移的機(jī)理。通過實驗發(fā)現(xiàn)：脈沖能量是影響沉積精度的重要因素之一，為提高沉積精度，應(yīng)使用較小的脈沖能量；此外，激光聚焦位置也會對的轉(zhuǎn)移精度產(chǎn)生影響，當(dāng)激光脈沖能量過大時，適當(dāng)增加離焦距離，可有效改善沉積精度。首次采用納秒級脈沖激光和微米級銅箔靶材，揭示了激光誘導(dǎo)同時向前向后轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。

通過精確控制激光脈沖參數(shù)，沉積精度達(dá)到了10 μm，顯著小于激光聚焦光斑。利用三維平臺的移動，成功制備了具有良好尺寸一致性的微細(xì)銅點陣列。本文的研究證實了LIFT在微制造領(lǐng)域的良好應(yīng)用前景，有望用于微傳感器和微電路等的制備。

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(編輯 陳 勇)

Experiments on Laser Induced Precision Transfer of Cu Film

Huang Zhigang Li Honghui Yin Shihua Guo Zhongning

Non-traditional Manufacturing Lab,Guangdong University of Technology,Guangzhou,510006

The experiments on the LIFT of Cu film were carried out through changing pulse energy and defocus distances. The materials transferred on the quartz substrate and the restraint layers were investigated, and the effects of pulse energy and defocus distances were analyzed by the optical microscope and scanning electron microscope. The mechanism of LIFT was discussed based on the experimental results. A transfer dot of about 10 μm is found, and which is much smaller than the focal radius. The transferred materials are found on both of the substrate and the restraint layers, which means that there exists a backward transfer process along with forward transfer. With pulse energy increasing, the materials deposited on the substrate become more scattered, and the distribution of the deposition dots tend to form a ring. When the enlarging focal distances are enlarged, the ring disappears, and the deposition area shrinks below the foal radius. And a micro array was successfully fabricated using the LIFT method.

laser induced forward transfer(LIFT)；pulse energy；precise deposition；micro-array

2016-01-04

國家自然科學(xué)基金資助項目(11172072,51175091)

TN249

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.22.002

黃志剛，男，1975年生。廣東工業(yè)大學(xué)特種能場加工實驗室教授、博士。主要研究方向為微觀與多尺度計算及其在微細(xì)加工過程仿真中的應(yīng)用。李洪輝(通信作者)，男，1992年生。廣東工業(yè)大學(xué)特種能場加工實驗室碩士研究生。印四華，男，1983年生。廣東工業(yè)大學(xué)特種能場加工實驗室博士研究生。郭鐘寧，男，1957年生。廣東工業(yè)大學(xué)特種能場加工實驗室教授。