芯片微電路打印全新手段：微滴增材制造
上海交通大學胡永祥教授課題組在《激光與光電子學進展》發表題為“脈沖寬度對激光驅動微滴前向轉移的影響”的文章被選為2023年10月19期封面文章。
下圖為封面所展示的激光驅動微滴制備芯片的加工方式及工作原理。利用脈沖激光對附著在載體玻璃上的金屬薄膜進行加工，使得金屬薄膜局部熔化產生金屬射流，射流斷裂形成單個微滴飛向載體作為打印單元，通過精準控制微滴沉積位置，可以實現微結構的分模塊打印。激光驅動微滴增材制造工藝具有分辨率高、工藝柔性強等優點，可以廣泛應用于微電路打印領域。本期將簡要分享該文章的內容。
封面圖
研究背景
激光驅動微滴前向轉移工藝參數眾多，薄膜材料、厚度、激光光斑尺寸、轉印距離、激光脈寬等多種條件共同影響其微滴沉積穩定性。描述不同工藝參數下的微滴形貌特點以及對應工藝區間是激光驅動微滴前向轉移工藝研究中的重點問題。
隨著納秒短脈沖光纖激光技術的發展，激光器的脈寬調制成為可能，從而為激光驅動微滴前向轉移工藝提供了更多可選擇的范圍。迄今為止，以往的研究工作主要集中在某一特定脈寬的激光轉印實驗，尤其對于應用比較廣泛的ns 量級下不同脈寬微滴產生以及沉積行為認識不充分，因此開展相關實驗確認該類脈寬對于激光驅動微滴前向轉移工藝的影響具有重要研究價值。
激光驅動微滴前向轉移工藝原理
激光驅動微滴前向轉移工藝的基本工作原理如圖1（a）所示，利用激光輻照附著在透明載體上的金屬薄膜，靠近透明載體的薄膜吸收激光能量迅速熔化，同時在金屬薄膜與透明基底界面形成局部高壓，驅動熔化金屬噴射，形成金屬微滴，通過兩個基底之間的間隙飛向接收基底。控制透明載體和接收基底的相對位置運動，可以實現金屬三維微結構的打印。該方法是一種無噴嘴，非接觸式的具有高空間分辨率的微納增材制造技術。同時本文的實驗原理圖如圖1（b）所示。
圖1 激光驅動微滴前向轉移以及實驗裝置原理圖
創新性工作
為確定脈寬對于激光驅動微滴轉移行為的影響規律，設計不同脈寬下對照實驗，實驗時將銅膜設置在離焦100 μm，轉印距離設置為100 μm，獲得如下實驗結果。
圖2 不同脈寬下供體薄膜與接收基底的SEM圖像
根據沉積結果可以將LIFT工藝的沉積行為歸納為以下三個狀態：無微滴、完整微滴、破碎微滴。對于單一脈寬，當能流密度較低時，激光脈沖誘導的熱彈性能低于薄膜表面結合能，無法在基底上沉積微滴；隨著激光能流密度不斷增大，超過LIFT的最低能流密度閾值Fa，蒸汽驅動部分熔化薄膜飛向基底，薄膜飛行過程中在表面張力作用下收縮成一個完整微滴沉積到基底表面；當激光能流密度突破閾值Fb時，蒸汽驅動作用非常劇烈，熔融金屬膜破裂并擺脫薄膜約束高速向基底飛行，在基底上形成多個破碎微滴，破碎微滴的噴射半徑顯著增大，比單個微滴沉積范圍擴大3~5倍。
由圖2可知，激光脈寬對轉印行為有顯著影響，因此根據沉積行為對不同脈寬下激光驅動微滴前向轉移實驗結果進行統計，獲得如圖3所示激光驅動微滴前向轉移工藝區間。
圖3 不同脈寬下的激光驅動微滴前向轉移工藝區間
脈寬對沉積微滴尺寸形貌的影響如圖4所示，其中（a）、（b）分別為14 ns以及50 ns不同激光能流密度下沉積的微滴SEM圖像（基底旋轉55°）。
(責任編輯：admin)
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