論文研究

闡明弧形光束激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移制備微電路的可視化過程及其影響因素

成果介紹

微電子技術(shù)的飛速發(fā)展對微電路的制造工藝提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的印刷電子技術(shù)在快速成型和按需定制產(chǎn)品方面缺乏靈活性、多功能性和生產(chǎn)成本較高，難以滿足現(xiàn)代微電子制造的需求。激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移（LIFT）技術(shù)作為一種新興的微納制造技術(shù)，在微電路制造領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。然而，LIFT技術(shù)在金屬微電路制備中面臨著工藝窗口狹窄、濺射衛(wèi)星液滴（碎片）和接收間隙小等問題，限制了其在工業(yè)制造的應(yīng)用。激光空間整形技術(shù)為突破瓶頸提供了新思路——通過調(diào)制激光能量分布，可精準控制微滴噴射與沉積行為，但其機理與工藝優(yōu)化尚未完全明晰，尤其在小接收間隙下微滴動態(tài)過程的可視化與精準控制仍是技術(shù)難點。

廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院激光微納加工謝小柱團隊在弧形光束激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移制備微電路的可視化過程及其影響因素方面取得重要研究成果。本研究聚焦于弧形光束激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移（AB-LIFT）技術(shù)，研究了光束調(diào)制前后激光連續(xù)輻照在金屬供體靶材引起的金屬微滴的噴射和沉積行為。通過自發(fā)光成像系統(tǒng)對小接收間隙下噴射的微滴進行了原位觀察，揭示了GB-LIFT和AB-LIFT的形成機制。然后系統(tǒng)研究單脈沖能量下AB-LIFT微滴的沉積行為和不同弧形光束（直徑和中心角）下印刷微電路的形貌、尺寸和性能。最后提出了一種有效制備高性能微電路的工藝方法。相關(guān)工作以題為  “Elucidation of the visualization process and its influencing factors for the preparation of microcircuits based on arc-beam laser-induced forward transfer”發(fā)表在英文期刊《Journal of Materials Processing Tech》2023年第322期。

研究發(fā)現(xiàn)，影響弧形光束激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移的主要因素有弧形光束的直徑和中心角。通過研究弧形光束的直徑、中心角、掃描方向和激光參數(shù)對弧形光束激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移制備微電路的影響，以獲得一個工藝窗口，它將AB-LIFT制備微電路劃分為分散（存在缺陷）、穩(wěn)定沉積和收斂沉積（損傷）三種模式，提出了一種弧形光束激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移可控制備高性能微電路的方法。當(dāng)弧形光束的中心角為π rad時，通過控制弧形光束的直徑和沉積次數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同線寬、線高的高質(zhì)量微電路的制備。實驗結(jié)果表明，所制備的微電路具有良好的導(dǎo)電性和附著性能，其電阻率接近純銅的兩倍。本研究提出的工藝方法為AB-LIFT技術(shù)在高性能微電路制造中的應(yīng)用提供了重要的理論和實驗依據(jù)，有望推動該技術(shù)在微電子制造領(lǐng)域的進一步發(fā)展。

圖片解讀

圖1. LIFT實驗裝置示意圖。(I)供體膜組成示意圖(II)激光束調(diào)制(a)弧形光束示意圖(沿弧束開口方向V1掃描，沿弧束開口相反方向V2掃描)(b-d)不同弧度弧束通過SLM分別掃描(III)暗場成像系統(tǒng):由相互垂直的脈沖激光器、補光燈和相機鏡頭組成

圖2.高斯光束激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移微滴在50 μm接收間隙處的噴射和沉積圖像（a-e）高斯光束激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移微液滴的暗場圖像(f) LIFT后供體膜溝槽形態(tài)(g)制備的Cu電路的SEM圖像

圖3.接收間隙為120µm時弧形激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移微滴的噴射和沉積圖像（a1和a2） AB-LIFT沿V1和V2兩個方向的暗場(b) AB-LIFT在玻璃基板上轉(zhuǎn)移沉積銅滴的光學(xué)顯微鏡圖像(c) AB-LIFT后供體膜溝槽形態(tài)（d-e和f-g）沿弧束V1方向和V2方向沉積1和10次的光學(xué)顯微鏡圖像（e1和g1）微電路的截面輪廓

圖4. 不同弧形光束（圓心角和直徑）下AB-LIFT在玻璃基板上轉(zhuǎn)移沉積銅滴的光學(xué)顯微鏡圖像（a1-a5， b1-b5和c1-c5）中心角調(diào)整對AB-LIFT的影響(a1-c1，a4-c4和a5-c5)直徑調(diào)整對AB-LIFT的影響

圖5. AB-LIFT制備的微電路在不同弧形光束下的光學(xué)顯微鏡圖像，接收間隙為100µm（a1-a5, b1-b5， c1-c5和d1-d5）中心角對AB-LIFT制備的微電路的影響(a1-d1，a4-d4和a5-d5)直徑對AB-LIFT制備微電路的影響

圖6. 圓心角大小和沉積次數(shù)對AB-LIFT微電路在34µm弧束直徑下的影響

圖7. 在弧束直徑為34µm時，AB-LIFT制備的微電路在不同圓心角和不同沉積次數(shù)下的三維形貌和截面輪廓

圖8.(a) AB-LIFT沉積10次制備微電路的SEM圖像（a1-a2）局部放大SEM圖像(b)微電路截面顯微形貌的SEM圖像（b1-b2）局部放大SEM圖像(c)微電路與接收基板之間界面形貌的SEM圖像

論文原文：

Huang Y J, Xie X Z, Luo Y H, et al. Elucidation of the visualization process and its influencing factors for the preparation of microcircuits based on arc-beam laser-induced forward transfer[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2023, 322: 118200

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.118200

轉(zhuǎn)自：廣工激光實驗室

通訊作者：謝小柱 第一作者：黃亞軍

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