[發(fā)明專利]一種高重頻超快激光高效直寫制造金屬微結(jié)構(gòu)的方法

有效

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• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112517922B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃婷;崔夢雅;肖榮詩
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B22F10/10
• 分類號: B22F10/10;B22F9/24;B33Y10/00;B33Y80/00
• 代理公司: 北京睿派知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11597
• 代理人: 劉鋒

本發(fā)明提供了一種高重頻超快激光高效制造金屬微結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括如下步驟：制備金屬鹽墨水，所述金屬鹽墨水由金屬鹽、吸光粒子、多元醇和去離子水組成；將所述金屬鹽墨水涂于基底表面形成液膜；采用高重頻超快激光按預(yù)設(shè)的路徑在涂有金屬鹽墨水的基底表面進(jìn)行直寫；清洗激光直寫后的基底表面，在基底表面獲得預(yù)期的金屬微結(jié)構(gòu)。該方法通過單光子線性吸收超快激光的能量，極大地降低了對光強(qiáng)的要求，顯著提高了制造效率。同時，利用超快激光與材料相互作用熱影響小的特點(diǎn)，在大氣環(huán)境中即可實(shí)現(xiàn)金屬微結(jié)構(gòu)的直寫制造，且基底不被破壞，簡化了制造過程，降低了制造成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超快激光直寫技術(shù)，特別是能夠在非金屬基底上無損傷高效制造金屬微結(jié)構(gòu)的方法，屬于微納加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在電介質(zhì)等非金屬基底表面制造微尺度金屬結(jié)構(gòu)在微電子、光電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，在光電子器件領(lǐng)域，微尺度金屬結(jié)構(gòu)可作為等離子體天線，與光相互作用可以突破衍射極限；在塑料等柔性基底上制造微尺度金屬結(jié)構(gòu)，作為柔性電子器件，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性與柔性的有機(jī)結(jié)合；在非金屬基底上各種電子器件間的導(dǎo)電連通也需要通過金屬微結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，等等。隨著對基底表面微尺度金屬結(jié)構(gòu)多樣化需求的增加，對微加工技術(shù)的要求也進(jìn)一步提高。

初期在電介質(zhì)等非金屬表面制造金屬微結(jié)構(gòu)，主要為基于光刻的金屬蒸鍍技術(shù)，通過電子束、聚焦離子束、納米球等光刻技術(shù)在基底表面實(shí)現(xiàn)微圖案化制備，通過蒸發(fā)金屬實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，以實(shí)現(xiàn)高分辨金屬二維結(jié)構(gòu)的制造。為了獲得選擇性金屬微圖案，保證制造結(jié)構(gòu)的精度，需要結(jié)合掩模實(shí)現(xiàn)選擇性曝光，復(fù)雜程度大大增加；另一方面制造環(huán)境要求苛刻，金屬微結(jié)構(gòu)與基底的結(jié)合強(qiáng)度較差，這導(dǎo)致其制造成本大大增加且應(yīng)用穩(wěn)定性減弱。

近年來，激光直寫技術(shù)快速發(fā)展，已成為無需掩模、快速、簡單地實(shí)現(xiàn)在電介質(zhì)等非金屬表面實(shí)現(xiàn)金屬微結(jié)構(gòu)制造的一種有效的替代方法。激光器按照其工作方式分為連續(xù)、普通脈沖、短脈沖和超短脈沖激光器。以連續(xù)、普通和短脈沖激光器作為工具的金屬微結(jié)構(gòu)直寫技術(shù)包括激光燒結(jié)金屬粉末、激光誘導(dǎo)前置轉(zhuǎn)移、激光誘導(dǎo)化學(xué)沉積、激光改性結(jié)合化學(xué)鍍等。這些技術(shù)均是基于激光的熱效應(yīng)，由于激光作用時間較長，易對基底造成熱損傷。此外，激光燒結(jié)金屬粉末對燒結(jié)環(huán)境要求較高，且燒結(jié)前的粉末預(yù)置時間和燒結(jié)后的冷卻時間較長。激光誘導(dǎo)前置轉(zhuǎn)移需要提前將金屬材料鍍在透明基質(zhì)表面，同時還需要在透明基底與材料薄膜之間添加合適的犧牲層，吸收激光能量，生成氣體后將金屬薄膜材料推離基底，過程復(fù)雜，受大量參數(shù)的影響，結(jié)構(gòu)不易控制；激光改性結(jié)合化學(xué)鍍先利用激光輻射基底表面實(shí)現(xiàn)局部活化，再結(jié)合化學(xué)鍍進(jìn)行導(dǎo)電線路的制備，生產(chǎn)周期長，且化學(xué)鍍對具有催化活性的金屬粒子選擇性窄。

超快(超短脈沖)激光直寫技術(shù)由于脈寬極窄(10^-12-10^-15s數(shù)量級)、瞬時功率高、與材料作用時間極短，熱影響極小，大大提高了微結(jié)構(gòu)的精度，同時不會對基底造成熱損傷，引起了越來越廣泛的關(guān)注。

現(xiàn)有超快激光直寫金屬微結(jié)構(gòu)均是基于光敏材料的雙光子或多光子吸收誘導(dǎo)的金屬離子還原的過程，其反應(yīng)原理如圖1及下式所示：

nM⁰→(M⁰)_n (3-1)