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一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法

文檔序號:5271542閱讀:880來源:國知局
專利名稱:一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于激光微加工領(lǐng)域,涉及一種在非金屬基底上加工金屬微米線或由金屬微米線構(gòu)成的一維或二維金屬微結(jié)構(gòu)的方法,可用于諸如微波波段和太赫茲波段超材料等的制備。
背景技術(shù)
金屬微米線一般附著在非金屬基底上,厚度為幾百納米到幾十微米,寬度為一微米到數(shù)百微米,通常用于構(gòu)成一維或二維金屬微結(jié)構(gòu)。金屬線寬的大小決定了金屬微結(jié)構(gòu)的精細程度和應(yīng)用領(lǐng)域。線寬50 μ m以上的金屬線通常用于制作傳感器件或顯示器件的電極,如電阻應(yīng)變片金屬柵,觸摸屏和液晶顯示屏的電極陣列等。線寬50 μ m以下的金屬線一般用于微波波段和太赫茲波段超材料的加工。超材料是一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。其超常性質(zhì)主要是指負介電常數(shù)和負磁導(dǎo)率所帶來的負折射率、梯度折射率、隱身、帶通特性等。決定這些超常性質(zhì)的關(guān)鍵不是具體的組成材料,而是這些材料所排列的特殊的有序結(jié)構(gòu)。一般需要尺寸在電磁波波長范圍內(nèi)的特定結(jié)構(gòu)進行周期性排列來構(gòu)成所需的有序結(jié)構(gòu)。對于太赫茲波段和微波波段,對應(yīng)的超材料中金屬微結(jié)構(gòu)單元的大小都在幾十到幾百微米量級,其內(nèi)部線寬則在微米量級,加工難度較大。目前比較成熟的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法有凸版印刷,靜電轉(zhuǎn)印、化學蝕刻和光刻等。其中凸版印刷、靜電轉(zhuǎn)印和化學蝕刻方法工藝相對簡單,成本較低且適應(yīng)于大規(guī)模生產(chǎn),被廣泛用于金屬微型導(dǎo)線和電極的生產(chǎn)。但是受限于工藝本身,它們所生產(chǎn)的金屬線寬較粗,一般都大于50 μ m,無法進行精細結(jié)構(gòu)的加工。光刻是一種成熟的微結(jié)構(gòu)加工方法,金屬和非金屬都可以加工,加工線寬為微到納米級。光刻實際是通過對光刻膠的處理來間接處理金屬。一般做法是在金屬膜層上涂敷光刻膠后進行曝光、顯影和刻蝕,有光刻膠覆蓋的金屬得到保護,沒有光刻膠覆蓋的金屬被刻蝕掉,最后去掉殘留的光刻膠得到金屬微結(jié)構(gòu)。中間還要進行相應(yīng)的清洗和烘干。這些步驟大多需要精密的控制、較長的時間和較高的質(zhì)量要求,相關(guān)設(shè)備成本較高。因此光刻技術(shù)具有步驟繁冗、工藝復(fù)雜、耗時長、設(shè)備昂貴的特點。由于是間接處理金屬,刻蝕后才可對加工質(zhì)量進行評價,加工過程中無法對缺陷進行修補,更無法在加工過程中隨時更改所加工金屬微結(jié)構(gòu)的參數(shù)。同時由于工藝的限制,所加工金屬微結(jié)構(gòu)的厚度較薄,更適用于光學波段金屬微結(jié)構(gòu)的加工。光刻中通常使用紫外激光器作為曝光光源。325nm氦鎘(HeCd)激光器和248nm氟化氪(KrF)準分子激光器是最常用的光源,其他如266nm或355nm半導(dǎo)體泵浦YAG調(diào)Q激光器、351nm氬離子激光器也見使用。紫外激光器不僅系統(tǒng)復(fù)雜、價格高昂,而且由于轉(zhuǎn)換效率低,激光器運行時需要較高的能耗,導(dǎo)致加工時間較長時,加工成本變高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法,從而在曝光中即可直接一步生成銀線,大大減少了加工環(huán)節(jié)。為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為:
本發(fā)明基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法為:將藍光激光器輸出的激光光束聚焦到銀鹽感光薄膜上,并對所述銀鹽感光薄膜進行二維掃描直寫曝光得到由銀線構(gòu)成的金屬微結(jié)構(gòu)圖形,然后對銀鹽感光薄膜進行清洗。進一步地,本發(fā)明所述銀鹽感光薄膜為硝酸銀感光薄膜。進一步地,本發(fā)明所述藍光激光器所輸出的激光的波長為400nnT450nm。進一步地,本發(fā)明所述藍光激光器為半導(dǎo)體激光器。進一步地,本發(fā)明所述激光光束為基模光束。進一步地,本發(fā)明若所述銀線的寬度小于預(yù)定值,則將激光光束的聚焦焦距調(diào)大直至銀線的寬度等于預(yù)定值;若所述銀線的寬度大于預(yù)定值,則將激光光束的聚焦焦距調(diào)小直至銀線的寬度等于預(yù)定值。進一步地,本發(fā)明若所述銀線的寬度小于預(yù)定值,則將所述藍光激光器的輸出功率調(diào)大直至銀線的寬度等于預(yù)定值;若所述銀線的寬度大于預(yù)定值,則將所述藍光激光器的輸出功率調(diào)小直至銀線的寬度等于預(yù)定值。進一步地,本發(fā)明若所述銀線的寬度小于預(yù)定值,則將所述二維掃描的掃描速度降低直至銀線的寬度等于預(yù)定值;若所述銀線的寬度大于預(yù)定值,則將所述二維掃描的掃描速度提高直至銀線的寬度等于預(yù)定值。進一步地,本發(fā)明所述硝酸銀感光薄膜是由硝酸銀和催化成膜劑的混合溶液均勻涂布在非金屬基片上進行干燥而成。進一步地,本發(fā)明所述催化成膜劑為聚乙烯醇、聚維酮、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇縮丁醛。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是:
(I)本發(fā)明選用銀鹽作為感光材料。曝光中硝酸銀見光分解,產(chǎn)生的銀粒子直接組成銀線,銀的寬度等于或略小于激光焦斑。不同于光刻中需要經(jīng)過曝光、顯影、刻蝕等諸多工藝流程才能完成金屬結(jié)構(gòu)的加工,本發(fā)明在曝光中即可直接一步生成銀線,大大減少了加工環(huán)節(jié),工藝流程簡單,可大幅降低設(shè)備成本和加工成本。(2)本發(fā)明曝光時直接生成銀線,可以在加工過程中通過顯微鏡(使用紅光照明)直接觀察到所加工的金屬圖形,從而對加工過程中的質(zhì)量進行控制,可以方便地對加工中的圖形進行修補,也可隨時改變所加工金屬微結(jié)構(gòu)的參數(shù)并觀察修改效果,所以本發(fā)明相對光刻等方法比較靈活。(3)本發(fā)明選用藍光半導(dǎo)體激光器作為曝光光源,不同于光刻中使用的紫外激光器,藍光半導(dǎo)體激光器價格便宜,能量轉(zhuǎn)換效率較高,能耗低,可大幅降低設(shè)備成本和加工成本。同時激光器維護簡單,體積小,易于系統(tǒng)集成。(4)本發(fā)明能夠用于加工f 100 μ m寬度,0.5飛μ m厚度的銀線,并可通過化學鍍等方法增加厚度至20 μ m。采用直寫曝光銀鹽直接生成銀線,可方便地更改所加工金屬微結(jié)構(gòu)的參數(shù),采用藍光半導(dǎo)體激光器作為光源,設(shè)備成本和加工成本低,在微波波段和太赫茲波段超材料等的加工領(lǐng)域有應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的一個實施例中所用的曝光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖2是在本發(fā)明的一個實施例中加工得到的金屬微結(jié)構(gòu)的局部的顯微照片。
具體實施例方式本發(fā)明加工方法在具體實施過程中的關(guān)鍵是實現(xiàn)感光薄膜的直寫曝光。曝光過程可使用具有二維掃描功能的平移臺在垂直于激光照射方向的平面上移動銀鹽感光薄膜,移動軌跡上的銀鹽(如硝酸銀)得到曝光發(fā)生分解,即可在薄膜上加工成一條銀線;使用計算機控制平移臺在此平面進行二維掃描的同時,通過在預(yù)定的位置控制激光器的開關(guān),即可得到由銀線構(gòu)成的所需金屬微結(jié)構(gòu)圖形。曝光中使用的光源為藍光半導(dǎo)體激光器。按照所輸出激光的波長進行區(qū)分,藍光半導(dǎo)體激光器可分為400nm、405nm、430nm、450nm等多種型號。其中輸出激光波長為405nm和450nm的半導(dǎo)體激光器最為常見。一般半導(dǎo)體激光器的輸出模式為連續(xù)輸出,并可方便地被計算機通過調(diào)制器控制其是否輸出激光。選用半導(dǎo)體激光器輸出激光中的基模光束進行曝光,可以獲得更小的銀線寬,進一步提高金屬微結(jié)構(gòu)精細度。在加工過程中,可通過改變聚焦系統(tǒng)的焦距、激光器的輸出功率或者二維掃描的掃描速度來實現(xiàn)對所加工銀線寬度的調(diào)整,直至銀線的寬度與預(yù)定值相等。銀線寬度的預(yù)定值由所加工的金屬微結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求決定。使用本發(fā)明方法時,如果將銀線寬度的預(yù)定值設(shè)置在f 100 μ m內(nèi),則能夠使最終得到的金屬微結(jié)構(gòu)的銀線寬度控制在f 100 μ m內(nèi)。曝光所用的銀鹽感光薄膜可由銀鹽和催化成膜劑的混合溶液均勻涂布在非金屬基片上進行干燥而成。銀鹽優(yōu)選使用硝酸銀。由于硝酸銀的光解速度較慢,曝光選擇性較好,不會出現(xiàn)異常曝光導(dǎo)致的灰霧現(xiàn)象,最適宜用于本發(fā)明方法中的感光薄膜的制作。硝酸銀光解需要催化劑催化,同時為防止硝酸銀結(jié)晶導(dǎo)致薄膜不均勻,可在感光薄膜制作時往硝酸銀溶液中加入催化成膜劑。催化成膜劑優(yōu)選使用聚乙烯醇、聚維酮、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇縮丁醛,以分子量較小者為佳。硝酸銀溶液的溶劑優(yōu)選水、甲醇或乙醇。曝光后對基片進行清洗就可得到所加工的微米級金屬圖形。清洗液為水或能溶解硝酸銀和催化成膜劑的中性有機溶劑。金屬微結(jié)構(gòu)加工完成后,可進一步使用化學鍍等方法在銀線表面鍍一層銅,以加厚金屬線的厚度,從而進一步使金屬線電阻下降,使金屬微結(jié)構(gòu)達到更好的作用效果。以下以本發(fā)明方法在太赫茲波諧振器的加工中的具體應(yīng)用為例進一步詳細說明本發(fā)明。(一)諧振器的加工要求:
在本實施例中,需要加工一種在0.37THz和0.73THz附近有較強吸收的太赫茲波諧振器。參見圖2,本實施例中,諧振器的周期性金屬微結(jié)構(gòu)由平面二維陣列構(gòu)成,每個陣列單元的圖案為字母“T”和“U”嵌套在一起。其中,構(gòu)成字母“T”的橫線長135 μ m,豎線長80 μ m ;構(gòu)成字母“U”的橫線長135 μ m,兩豎線各長80 μ m ;構(gòu)成字母“T”和“U”的各線的線寬都為ΙΟμπι,單元之間的縱向和橫向間距都為200μπι。諧振器的整體大小為10X10 mm。(二)曝光光源的準備:
參見圖1,本實施例中,曝光所用光源為藍光半導(dǎo)體激光器I,其輸出波長為405nm,輸出功率為5(T80mW,多模連續(xù)輸出并使用TTL信號控制是否有激光輸出。激光器輸出光經(jīng)空間濾波器2進行選模以濾選出基模光束??臻g濾波器2由兩個焦距為50mm透鏡和一個30μηι的小孔組成。選模后的光斑直徑為1.2mm,激光功率約為選模前的25%。按照所加工諧振器對金屬線線寬的加工要求,聚焦系統(tǒng)由激光擴束鏡和IOX無限遠平場顯微物鏡構(gòu)成。為方便操作,使用反射鏡4將經(jīng)擴束鏡3擴束IOX后的基模激光光束轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直向下照射的光束后再使用IOX無限遠平場顯微物鏡5進行聚焦。(三)感光薄膜的準備:
在暗室中分別取0.5mL的硝酸銀酒精溶液和聚乙烯吡咯烷酮酒精溶液均勻混合后,取3滴滴涂到聚酯(PET)薄膜上,水平靜置5 10min后乙醇揮發(fā)完畢形成硝酸銀感光薄膜6。滴涂中使用的溶液液滴數(shù)量會影響所加工銀線的厚度,數(shù)量越多,銀線越厚,數(shù)量越少,銀線越薄,但同時受基底材料等因素的影響,銀線的厚度一般在0.5飛μ m的區(qū)間內(nèi)?;旌锨?,硝酸銀的濃度為0.3mg/mL,聚乙烯卩比咯燒酮的濃度為0.2mg/mL。但混合后,無論呈溶液狀態(tài)還是干燥后的薄膜,均需避光保存。聚乙烯吡咯烷酮等級為分子量最小的K30。聚酯(PET)薄膜的厚度為50μηι,長X寬為20X20 mm。由于乙醇和聚酯接觸角較大,無法實現(xiàn)浸潤,可事先使用低溫等離子體焰對聚酯(PET)薄膜進行表面處理。(四)加工過程:
參見圖1,將硝酸銀感光薄膜6固定在三維電動平移臺7上。三維電動平移臺7可載動硝酸銀感光薄膜6在水平面內(nèi)進行二維掃描,其移動速度即為二維掃描的掃描速度。調(diào)節(jié)平移臺7的俯仰角以確保感光薄膜6處于水平狀態(tài)。打開藍光半導(dǎo)體激光器I的激光輸出,調(diào)節(jié)平移臺7的高度以將藍光半導(dǎo)體激光器I發(fā)射的激光光束聚焦到硝酸銀感光薄膜6上。正式曝光前,將藍光半導(dǎo)體激光器I的輸出激光的功率設(shè)為80mW,將平移臺7在水平面二維掃描的掃描速度設(shè)定為0.5mm/s,在底片的邊緣試加工一條100 μ m長的銀線,利用反射式測量顯微鏡放大400 X后觀測到該銀線寬度約為15 μ m。隨后將平移臺7的掃描速度更改為0.8mm/s,試加工同樣長度的銀線,觀測到銀線寬度約為8.5 μ m,但邊緣質(zhì)量變差。以
0.7mm/s的掃描速度再次試加工,得到寬度約為10 μ m的銀線,但此時銀線邊緣的質(zhì)量不如速度為0.5mm/s時加工的銀線。將平移臺7的掃描速度重新調(diào)整為0.5mm/s,將藍光激光器的輸出功率設(shè)為50mW,再次試加工銀線,觀測到所得銀線寬度約為8 μ m,且邊緣質(zhì)量較好。保持平移臺7的掃描速度,微微上調(diào)激光器輸出激光的功率,重復(fù)以上試加工過程,得到掃描速度為0.5mm/s,激光功率為58mW時,銀線寬度為IOym且邊緣質(zhì)量較佳。由上可知,在本實施例中,綜合運用了調(diào)整藍光激光器的輸出功率和二維掃描的掃描速度這兩種方法以使所加工的銀線的寬度等于預(yù)定值。需要說明的是,本發(fā)明可僅使用調(diào)整藍光激光器的輸出功率、調(diào)整二維掃描的掃描速度、調(diào)整激光光束的聚焦焦距這三種方法中的任一種、任兩種或三種來獲得寬度等于預(yù)定值的銀線。具體地說,關(guān)于激光光束的聚焦焦距的調(diào)整方法為:如果所加工的銀線的寬度小于預(yù)定值,則可將激光光束的聚焦焦距調(diào)大直至銀線的寬度等于預(yù)定值;如果所加工的銀線的寬度大于預(yù)定值,則可將激光光束的聚焦焦距調(diào)小直至銀線的寬度等于預(yù)定值。關(guān)于藍光激光器的輸出功率的調(diào)整方法為:如果所加工的銀線的寬度小于預(yù)定值,則可將藍光激光器的輸出功率調(diào)大直至銀線的寬度等于預(yù)定值;如果所加工的銀線的寬度大于預(yù)定值,則可將藍光激光器的輸出功率調(diào)小直至銀線的寬度等于預(yù)定值。
關(guān)于二維掃描的掃描速度的調(diào)整方法為:如果所加工的銀線的寬度小于預(yù)定值,則可將二維掃描的掃描速度降低直至銀線的寬度等于預(yù)定值;如果所加工的銀線的寬度大于預(yù)定值,則可將二維掃描的掃描速度提高直至銀線的寬度等于預(yù)定值。使用計算機控制平移臺和激光調(diào)制器逐線完成一個單元結(jié)構(gòu)中“T”字和“U”字圖形的加工。使用顯微鏡對其進行觀察,發(fā)現(xiàn)加工所得金屬圖形滿足設(shè)計要求,無需對控制程序和加工參數(shù)進行調(diào)整。繼續(xù)使用計算機控制平移臺和激光控制器逐個完成每個單元結(jié)構(gòu)的加工。每個單元加工完成后,平移臺一維移動200 μ m再次重復(fù)單元的加工,最終在感光薄膜上縱橫各加工500個結(jié)構(gòu)單元。在暗室中將曝光完成的感光薄膜浸入去離子水中5min后取出,重復(fù)3次后拿出干燥,加工過程完成。使用測量顯微鏡放大400X (目鏡10X,物鏡40X,透射照明)觀測加工完成的諧振器,可看到本實施例加工得到的金屬微結(jié)構(gòu)圖形的銀線寬度為10±0.5μπι,線內(nèi)分布均勻,分界清晰平直(參見圖2)。使用探針式臺階儀對銀線厚度進行測量。結(jié)果顯示銀線的平均厚度約為I μ m。為檢驗銀線和聚酯薄膜間的結(jié)合牢固度,將加工好的金屬微結(jié)構(gòu)放置于70W超聲波清洗機中清洗25min,未見銀線脫落,說明銀線和薄膜基底結(jié)合的牢固度較好。使用太赫茲時域光譜儀(TDS)對所得諧振器進行測試,諧振器在0.37THz和0.73THz兩處均有較強的諧振吸收,相應(yīng)的透射率分別為8%和9%。綜上,使用本發(fā)明方法所加工的金屬微結(jié)構(gòu)器件完全滿足設(shè)計要求。
權(quán)利要求
1.一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法,其特征在于:將藍光激光器輸出的激光光束聚焦到銀鹽感光薄膜上,并對所述銀鹽感光薄膜進行二維掃描直寫曝光得到由銀線構(gòu)成的金屬微結(jié)構(gòu)圖形,然后對銀鹽感光薄膜進行清洗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法,其特征在于:所述銀鹽感光薄膜為硝酸銀感光薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法,其特征在于:所述藍光激光器所輸出的激光的波長為400nnT450nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法,其特征在于:所述藍光激光器為半導(dǎo)體激光器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法,其特征在于:所述激光光束為基模光束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法,其特征在于:若所述銀線的寬度小于預(yù)定值,則將激光光束的聚焦焦距調(diào)大直至銀線的寬度等于預(yù)定值;若所述銀線的寬度大于預(yù)定值,則將激光光束的聚焦焦距調(diào)小直至銀線的寬度等于預(yù)定值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法,其特征在于:若所述銀線的寬度小于預(yù)定值,則將所述藍光激光器的輸出功率調(diào)大直至銀線的寬度等于預(yù)定值;若所述銀線的寬度大于預(yù)定值,則將所述藍光激光器的輸出功率調(diào)小直至銀線的寬度等于預(yù)定值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法,其特征在于:若所述銀線的寬度小于預(yù) 定值,則將所述二維掃描的掃描速度降低直至銀線的寬度等于預(yù)定值;若所述銀線的寬度大于預(yù)定值,則將所述二維掃描的掃描速度提高直至銀線的寬度等于預(yù)定值。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法,其特征在于:所述硝酸銀感光薄膜是由硝酸銀和催化成膜劑的混合溶液均勻涂布在非金屬基片上進行干燥而成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法,其特征在于:所述催化成膜劑為聚乙烯醇、聚維酮、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇縮丁醛。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法,它是將藍光激光器輸出的激光光束聚焦到銀鹽感光薄膜上,并對銀鹽感光薄膜進行二維掃描直寫曝光得到由銀線構(gòu)成的金屬微結(jié)構(gòu)圖形,然后對銀鹽感光薄膜進行清洗。本發(fā)明可在曝光中即可直接一步生成銀線,大大減少了加工環(huán)節(jié)。本發(fā)明方法具有工藝簡單,設(shè)備成本低和加工成本低的特點,可方便地更改所加工金屬微結(jié)構(gòu)的參數(shù),適用于微波波段和太赫茲波段超材料的加工。
文檔編號B81C1/00GK103072940SQ20131001261
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者劉建軍, 洪治, 王文濤, 李向軍, 武東偉 申請人:中國計量學院
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