论文研究

阐明弧形光束激光诱导前向转移制备微电路的可视化过程及其影响因素

成果介绍

微电子技术的飞速发展对微电路的制造工艺提出了越来越高的要求。传统的印刷电子技术在快速成型和按需定制产品方面缺乏灵活性、多功能性和生产成本较高，难以满足现代微电子制造的需求。激光诱导前向转移（LIFT）技术作为一种新兴的微纳制造技术，在微电路制造领域展现出了巨大的应用潜力。然而，LIFT技术在金属微电路制备中面临着工艺窗口狭窄、溅射卫星液滴（碎片）和接收间隙小等问题，限制了其在工业制造的应用。激光空间整形技术为突破瓶颈提供了新思路——通过调制激光能量分布，可精准控制微滴喷射与沉积行为，但其机理与工艺优化尚未完全明晰，尤其在小接收间隙下微滴动态过程的可视化与精准控制仍是技术难点。

广东工业大学机电工程学院激光微纳加工谢小柱团队在弧形光束激光诱导前向转移制备微电路的可视化过程及其影响因素方面取得重要研究成果。本研究聚焦于弧形光束激光诱导前向转移（AB-LIFT）技术，研究了光束调制前后激光连续辐照在金属供体靶材引起的金属微滴的喷射和沉积行为。通过自发光成像系统对小接收间隙下喷射的微滴进行了原位观察，揭示了GB-LIFT和AB-LIFT的形成机制。然后系统研究单脉冲能量下AB-LIFT微滴的沉积行为和不同弧形光束（直径和中心角）下印刷微电路的形貌、尺寸和性能。最后提出了一种有效制备高性能微电路的工艺方法。相关工作以题为  “Elucidation of the visualization process and its influencing factors for the preparation of microcircuits based on arc-beam laser-induced forward transfer”发表在英文期刊《Journal of Materials Processing Tech》2023年第322期。

研究发现，影响弧形光束激光诱导前向转移的主要因素有弧形光束的直径和中心角。通过研究弧形光束的直径、中心角、扫描方向和激光参数对弧形光束激光诱导前向转移制备微电路的影响，以获得一个工艺窗口，它将AB-LIFT制备微电路划分为分散（存在缺陷）、稳定沉积和收敛沉积（损伤）三种模式，提出了一种弧形光束激光诱导前向转移可控制备高性能微电路的方法。当弧形光束的中心角为π rad时，通过控制弧形光束的直径和沉积次数能够实现不同线宽、线高的高质量微电路的制备。实验结果表明，所制备的微电路具有良好的导电性和附着性能，其电阻率接近纯铜的两倍。本研究提出的工艺方法为AB-LIFT技术在高性能微电路制造中的应用提供了重要的理论和实验依据，有望推动该技术在微电子制造领域的进一步发展。

图片解读

图1. LIFT实验装置示意图。(I)供体膜组成示意图(II)激光束调制(a)弧形光束示意图(沿弧束开口方向V1扫描，沿弧束开口相反方向V2扫描)(b-d)不同弧度弧束通过SLM分别扫描(III)暗场成像系统:由相互垂直的脉冲激光器、补光灯和相机镜头组成

图2.高斯光束激光诱导前向转移微滴在50 μm接收间隙处的喷射和沉积图像（a-e）高斯光束激光诱导前向转移微液滴的暗场图像(f) LIFT后供体膜沟槽形态(g)制备的Cu电路的SEM图像

图3.接收间隙为120µm时弧形激光诱导前向转移微滴的喷射和沉积图像（a1和a2） AB-LIFT沿V1和V2两个方向的暗场(b) AB-LIFT在玻璃基板上转移沉积铜滴的光学显微镜图像(c) AB-LIFT后供体膜沟槽形态（d-e和f-g）沿弧束V1方向和V2方向沉积1和10次的光学显微镜图像（e1和g1）微电路的截面轮廓

图4. 不同弧形光束（圆心角和直径）下AB-LIFT在玻璃基板上转移沉积铜滴的光学显微镜图像（a1-a5， b1-b5和c1-c5）中心角调整对AB-LIFT的影响(a1-c1，a4-c4和a5-c5)直径调整对AB-LIFT的影响

图5. AB-LIFT制备的微电路在不同弧形光束下的光学显微镜图像，接收间隙为100µm（a1-a5, b1-b5， c1-c5和d1-d5）中心角对AB-LIFT制备的微电路的影响(a1-d1，a4-d4和a5-d5)直径对AB-LIFT制备微电路的影响

图6. 圆心角大小和沉积次数对AB-LIFT微电路在34µm弧束直径下的影响

图7. 在弧束直径为34µm时，AB-LIFT制备的微电路在不同圆心角和不同沉积次数下的三维形貌和截面轮廓

图8.(a) AB-LIFT沉积10次制备微电路的SEM图像（a1-a2）局部放大SEM图像(b)微电路截面显微形貌的SEM图像（b1-b2）局部放大SEM图像(c)微电路与接收基板之间界面形貌的SEM图像

论文原文：

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

论文链接:

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

转自：广工激光实验室

通讯作者：谢小柱 第一作者：黄亚军

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