专利名称：一种基于蓝光激光直写的金属微结构加工方法
技术领域：
本发明属于激光微加工领域，涉及一种在非金属基底上加工金属微米线或由金属微米线构成的一维或二维金属微结构的方法，可用于诸如微波波段和太赫兹波段超材料等的制备。
背景技术：
金属微米线一般附着在非金属基底上，厚度为几百纳米到几十微米，宽度为一微米到数百微米，通常用于构成一维或二维金属微结构。金属线宽的大小决定了金属微结构的精细程度和应用领域。线宽50 μ m以上的金属线通常用于制作传感器件或显示器件的电极，如电阻应变片金属栅，触摸屏和液晶显示屏的电极阵列等。线宽50 μ m以下的金属线一般用于微波波段和太赫兹波段超材料的加工。超材料是一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。其超常性质主要是指负介电常数和负磁导率所带来的负折射率、梯度折射率、隐身、带通特性等。决定这些超常性质的关键不是具体的组成材料，而是这些材料所排列的特殊的有序结构。一般需要尺寸在电磁波波长范围内的特定结构进行周期性排列来构成所需的有序结构。对于太赫兹波段和微波波段，对应的超材料中金属微结构单元的大小都在几十到几百微米量级，其内部线宽则在微米量级，加工难度较大。目前比较成熟的金属微结构加工方法有凸版印刷，静电转印、化学蚀刻和光刻等。其中凸版印刷、静电转印和化学蚀刻方法工艺相对简单，成本较低且适应于大规模生产，被广泛用于金属微型导线和电极的生产。但是受限于工艺本身，它们所生产的金属线宽较粗，一般都大于50 μ m,无法进行精细结构的加工。光刻是一种成熟的微结构加工方法,金属和非金属都可以加工，加工线宽为微到纳米级。光刻实际是通过对光刻胶的处理来间接处理金属。一般做法是在金属膜层上涂敷光刻胶后进行曝光、显影和刻蚀，有光刻胶覆盖的金属得到保护，没有光刻胶覆盖的金属被刻蚀掉，最后去掉残留的光刻胶得到金属微结构。中间还要进行相应的清洗和烘干。这些步骤大多需要精密的控制、较长的时间和较高的质量要求，相关设备成本较高。因此光刻技术具有步骤繁冗、工艺复杂、耗时长、设备昂贵的特点。由于是间接处理金属，刻蚀后才可对加工质量进行评价，加工过程中无法对缺陷进行修补，更无法在加工过程中随时更改所加工金属微结构的参数。同时由于工艺的限制，所加工金属微结构的厚度较薄，更适用于光学波段金属微结构的加工。光刻中通常使用紫外激光器作为曝光光源。325nm氦镉(HeCd)激光器和248nm氟化氪(KrF)准分子激光器是最常用的光源,其他如266nm或355nm半导体泵浦YAG调Q激光器、351nm氩离子激光器也见使用。紫外激光器不仅系统复杂、价格高昂，而且由于转换效率低，激光器运行时需要较高的能耗，导致加工时间较长时，加工成本变高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于蓝光激光直写的金属微结构加工方法，从而在曝光中即可直接一步生成银线，大大减少了加工环节。为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为:
本发明基于蓝光激光直写的金属微结构加工方法为:将蓝光激光器输出的激光光束聚焦到银盐感光薄膜上，并对所述银盐感光薄膜进行二维扫描直写曝光得到由银线构成的金属微结构图形，然后对银盐感光薄膜进行清洗。进一步地，本发明所述银盐感光薄膜为硝酸银感光薄膜。进一步地，本发明所述蓝光激光器所输出的激光的波长为400nnT450nm。进一步地，本发明所述蓝光激光器为半导体激光器。进一步地，本发明所述激光光束为基模光束。进一步地，本发明若所述银线的宽度小于预定值，则将激光光束的聚焦焦距调大直至银线的宽度等于预定值；若所述银线的宽度大于预定值，则将激光光束的聚焦焦距调小直至银线的宽度等于预定值。进一步地，本发明若所述银线的宽度小于预定值，则将所述蓝光激光器的输出功率调大直至银线的宽度等于预定值；若所述银线的宽度大于预定值，则将所述蓝光激光器的输出功率调小直至银线的宽度等于预定值。进一步地，本发明若所述银线的宽度小于预定值，则将所述二维扫描的扫描速度降低直至银线的宽度等于预定值；若所述银线的宽度大于预定值，则将所述二维扫描的扫描速度提高直至银线的宽度等于预定值。进一步地，本发明所述硝酸银感光薄膜是由硝酸银和催化成膜剂的混合溶液均匀涂布在非金属基片上进行干燥而成。进一步地，本发明所述催化成膜剂为聚乙烯醇、聚维酮、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇缩丁醛。与现有技术相比，本发明的有益效果是:
(I)本发明选用银盐作为感光材料。曝光中硝酸银见光分解，产生的银粒子直接组成银线，银的宽度等于或略小于激光焦斑。不同于光刻中需要经过曝光、显影、刻蚀等诸多工艺流程才能完成金属结构的加工，本发明在曝光中即可直接一步生成银线，大大减少了加工环节，工艺流程简单，可大幅降低设备成本和加工成本。(2)本发明曝光时直接生成银线，可以在加工过程中通过显微镜(使用红光照明)直接观察到所加工的金属图形，从而对加工过程中的质量进行控制，可以方便地对加工中的图形进行修补，也可随时改变所加工金属微结构的参数并观察修改效果，所以本发明相对光刻等方法比较灵活。(3)本发明选用蓝光半导体激光器作为曝光光源，不同于光刻中使用的紫外激光器，蓝光半导体激光器价格便宜，能量转换效率较高，能耗低，可大幅降低设备成本和加工成本。同时激光器维护简单，体积小，易于系统集成。(4)本发明能够用于加工f 100 μ m宽度，0.5飞μ m厚度的银线，并可通过化学镀等方法增加厚度至20 μ m。采用直写曝光银盐直接生成银线，可方便地更改所加工金属微结构的参数，采用蓝光半导体激光器作为光源，设备成本和加工成本低，在微波波段和太赫兹波段超材料等的加工领域有应用前景。
图1是本发明的一个实施例中所用的曝光系统的结构示意 图2是在本发明的一个实施例中加工得到的金属微结构的局部的显微照片。
具体实施例方式本发明加工方法在具体实施过程中的关键是实现感光薄膜的直写曝光。曝光过程可使用具有二维扫描功能的平移台在垂直于激光照射方向的平面上移动银盐感光薄膜，移动轨迹上的银盐(如硝酸银)得到曝光发生分解，即可在薄膜上加工成一条银线；使用计算机控制平移台在此平面进行二维扫描的同时，通过在预定的位置控制激光器的开关，即可得到由银线构成的所需金属微结构图形。曝光中使用的光源为蓝光半导体激光器。按照所输出激光的波长进行区分，蓝光半导体激光器可分为400nm、405nm、430nm、450nm等多种型号。其中输出激光波长为405nm和450nm的半导体激光器最为常见。一般半导体激光器的输出模式为连续输出，并可方便地被计算机通过调制器控制其是否输出激光。选用半导体激光器输出激光中的基模光束进行曝光，可以获得更小的银线宽，进一步提高金属微结构精细度。在加工过程中，可通过改变聚焦系统的焦距、激光器的输出功率或者二维扫描的扫描速度来实现对所加工银线宽度的调整，直至银线的宽度与预定值相等。银线宽度的预定值由所加工的金属微结构的设计要求决定。使用本发明方法时，如果将银线宽度的预定值设置在f 100 μ m内，则能够使最终得到的金属微结构的银线宽度控制在f 100 μ m内。曝光所用的银盐感光薄膜可由银盐和催化成膜剂的混合溶液均匀涂布在非金属基片上进行干燥而成。银盐优选使用硝酸银。由于硝酸银的光解速度较慢，曝光选择性较好，不会出现异常曝光导致的灰雾现象，最适宜用于本发明方法中的感光薄膜的制作。硝酸银光解需要催化剂催化，同时为防止硝酸银结晶导致薄膜不均匀，可在感光薄膜制作时往硝酸银溶液中加入催化成膜剂。催化成膜剂优选使用聚乙烯醇、聚维酮、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇缩丁醛，以分子量较小者为佳。硝酸银溶液的溶剂优选水、甲醇或乙醇。曝光后对基片进行清洗就可得到所加工的微米级金属图形。清洗液为水或能溶解硝酸银和催化成膜剂的中性有机溶剂。金属微结构加工完成后，可进一步使用化学镀等方法在银线表面镀一层铜，以加厚金属线的厚度，从而进一步使金属线电阻下降，使金属微结构达到更好的作用效果。以下以本发明方法在太赫兹波谐振器的加工中的具体应用为例进一步详细说明本发明。(一)谐振器的加工要求:
在本实施例中，需要加工一种在0.37THz和0.73THz附近有较强吸收的太赫兹波谐振器。参见图2，本实施例中，谐振器的周期性金属微结构由平面二维阵列构成，每个阵列单元的图案为字母“T”和“U”嵌套在一起。其中，构成字母“T”的横线长135 μ m,竖线长80 μ m ;构成字母“U”的横线长135 μ m,两竖线各长80 μ m ;构成字母“T”和“U”的各线的线宽都为ΙΟμπι，单元之间的纵向和横向间距都为200μπι。谐振器的整体大小为10X10 mm。(二)曝光光源的准备:
参见图1，本实施例中，曝光所用光源为蓝光半导体激光器I，其输出波长为405nm,输出功率为5(T80mW，多模连续输出并使用TTL信号控制是否有激光输出。激光器输出光经空间滤波器2进行选模以滤选出基模光束。空间滤波器2由两个焦距为50mm透镜和一个30μηι的小孔组成。选模后的光斑直径为1.2mm,激光功率约为选模前的25%。按照所加工谐振器对金属线线宽的加工要求，聚焦系统由激光扩束镜和IOX无限远平场显微物镜构成。为方便操作，使用反射镜4将经扩束镜3扩束IOX后的基模激光光束转变为竖直向下照射的光束后再使用IOX无限远平场显微物镜5进行聚焦。(三)感光薄膜的准备:
在暗室中分别取0.5mL的硝酸银酒精溶液和聚乙烯吡咯烷酮酒精溶液均匀混合后，取3滴滴涂到聚酯(PET)薄膜上，水平静置5 10min后乙醇挥发完毕形成硝酸银感光薄膜6。滴涂中使用的溶液液滴数量会影响所加工银线的厚度，数量越多，银线越厚，数量越少，银线越薄，但同时受基底材料等因素的影响，银线的厚度一般在0.5飞μ m的区间内。混合前，硝酸银的浓度为0.3mg/mL,聚乙烯卩比咯烧酮的浓度为0.2mg/mL。但混合后,无论呈溶液状态还是干燥后的薄膜，均需避光保存。聚乙烯吡咯烷酮等级为分子量最小的K30。聚酯(PET)薄膜的厚度为50μηι,长X宽为20X20 mm。由于乙醇和聚酯接触角较大,无法实现浸润，可事先使用低温等离子体焰对聚酯(PET)薄膜进行表面处理。(四)加工过程:
参见图1，将硝酸银感光薄膜6固定在三维电动平移台7上。三维电动平移台7可载动硝酸银感光薄膜6在水平面内进行二维扫描，其移动速度即为二维扫描的扫描速度。调节平移台7的俯仰角以确保感光薄膜6处于水平状态。打开蓝光半导体激光器I的激光输出，调节平移台7的高度以将蓝光半导体激光器I发射的激光光束聚焦到硝酸银感光薄膜6上。正式曝光前，将蓝光半导体激光器I的输出激光的功率设为80mW，将平移台7在水平面二维扫描的扫描速度设定为0.5mm/s，在底片的边缘试加工一条100 μ m长的银线，利用反射式测量显微镜放大400 X后观测到该银线宽度约为15 μ m。随后将平移台7的扫描速度更改为0.8mm/s，试加工同样长度的银线，观测到银线宽度约为8.5 μ m，但边缘质量变差。以
0.7mm/s的扫描速度再次试加工，得到宽度约为10 μ m的银线，但此时银线边缘的质量不如速度为0.5mm/s时加工的银线。将平移台7的扫描速度重新调整为0.5mm/s，将蓝光激光器的输出功率设为50mW，再次试加工银线，观测到所得银线宽度约为8 μ m，且边缘质量较好。保持平移台7的扫描速度，微微上调激光器输出激光的功率，重复以上试加工过程，得到扫描速度为0.5mm/s，激光功率为58mW时，银线宽度为IOym且边缘质量较佳。由上可知，在本实施例中，综合运用了调整蓝光激光器的输出功率和二维扫描的扫描速度这两种方法以使所加工的银线的宽度等于预定值。需要说明的是，本发明可仅使用调整蓝光激光器的输出功率、调整二维扫描的扫描速度、调整激光光束的聚焦焦距这三种方法中的任一种、任两种或三种来获得宽度等于预定值的银线。具体地说，关于激光光束的聚焦焦距的调整方法为:如果所加工的银线的宽度小于预定值，则可将激光光束的聚焦焦距调大直至银线的宽度等于预定值；如果所加工的银线的宽度大于预定值，则可将激光光束的聚焦焦距调小直至银线的宽度等于预定值。关于蓝光激光器的输出功率的调整方法为:如果所加工的银线的宽度小于预定值，则可将蓝光激光器的输出功率调大直至银线的宽度等于预定值；如果所加工的银线的宽度大于预定值，则可将蓝光激光器的输出功率调小直至银线的宽度等于预定值。
关于二维扫描的扫描速度的调整方法为:如果所加工的银线的宽度小于预定值，则可将二维扫描的扫描速度降低直至银线的宽度等于预定值；如果所加工的银线的宽度大于预定值，则可将二维扫描的扫描速度提高直至银线的宽度等于预定值。使用计算机控制平移台和激光调制器逐线完成一个单元结构中“T”字和“U”字图形的加工。使用显微镜对其进行观察，发现加工所得金属图形满足设计要求，无需对控制程序和加工参数进行调整。继续使用计算机控制平移台和激光控制器逐个完成每个单元结构的加工。每个单元加工完成后，平移台一维移动200 μ m再次重复单元的加工，最终在感光薄膜上纵横各加工500个结构单元。在暗室中将曝光完成的感光薄膜浸入去离子水中5min后取出，重复3次后拿出干燥,加工过程完成。使用测量显微镜放大400X (目镜10X，物镜40X，透射照明)观测加工完成的谐振器，可看到本实施例加工得到的金属微结构图形的银线宽度为10±0.5μπι，线内分布均匀，分界清晰平直(参见图2)。使用探针式台阶仪对银线厚度进行测量。结果显示银线的平均厚度约为I μ m。为检验银线和聚酯薄膜间的结合牢固度，将加工好的金属微结构放置于70W超声波清洗机中清洗25min，未见银线脱落，说明银线和薄膜基底结合的牢固度较好。使用太赫兹时域光谱仪(TDS)对所得谐振器进行测试，谐振器在0.37THz和0.73THz两处均有较强的谐振吸收，相应的透射率分别为8%和9%。综上，使用本发明方法所加工的金属微结构器件完全满足设计要求。
权利要求
1.一种基于蓝光激光直写的金属微结构加工方法，其特征在于:将蓝光激光器输出的激光光束聚焦到银盐感光薄膜上，并对所述银盐感光薄膜进行二维扫描直写曝光得到由银线构成的金属微结构图形，然后对银盐感光薄膜进行清洗。
2.根据权利要求1所述的一种基于蓝光激光直写的金属微结构加工方法，其特征在于:所述银盐感光薄膜为硝酸银感光薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于蓝光激光直写的金属微结构加工方法,其特征在于:所述蓝光激光器所输出的激光的波长为400nnT450nm。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于蓝光激光直写的金属微结构加工方法,其特征在于:所述蓝光激光器为半导体激光器。
5.根据权利要求4所述的一种基于蓝光激光直写的金属微结构加工方法,其特征在于:所述激光光束为基模光束。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于蓝光激光直写的金属微结构加工方法,其特征在于:若所述银线的宽度小于预定值，则将激光光束的聚焦焦距调大直至银线的宽度等于预定值；若所述银线的宽度大于预定值，则将激光光束的聚焦焦距调小直至银线的宽度等于预定值。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于蓝光激光直写的金属微结构加工方法,其特征在于:若所述银线的宽度小于预定值，则将所述蓝光激光器的输出功率调大直至银线的宽度等于预定值；若所述银线的宽度大于预定值，则将所述蓝光激光器的输出功率调小直至银线的宽度等于预定值。
8.根据权利要求1或2所述的一种基于蓝光激光直写的金属微结构加工方法,其特征在于:若所述银线的宽度小于预 定值，则将所述二维扫描的扫描速度降低直至银线的宽度等于预定值；若所述银线的宽度大于预定值，则将所述二维扫描的扫描速度提高直至银线的宽度等于预定值。
9.根据权利要求2所述的一种基于蓝光激光直写的金属微结构加工方法,其特征在于:所述硝酸银感光薄膜是由硝酸银和催化成膜剂的混合溶液均匀涂布在非金属基片上进行干燥而成。
10.根据权利要求9所述的一种基于蓝光激光直写的金属微结构加工方法,其特征在于:所述催化成膜剂为聚乙烯醇、聚维酮、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇缩丁醛。
全文摘要
本发明公开了一种基于蓝光激光直写的金属微结构加工方法，它是将蓝光激光器输出的激光光束聚焦到银盐感光薄膜上，并对银盐感光薄膜进行二维扫描直写曝光得到由银线构成的金属微结构图形，然后对银盐感光薄膜进行清洗。本发明可在曝光中即可直接一步生成银线，大大减少了加工环节。本发明方法具有工艺简单，设备成本低和加工成本低的特点，可方便地更改所加工金属微结构的参数，适用于微波波段和太赫兹波段超材料的加工。
文档编号B81C1/00GK103072940SQ20131001261
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月15日 优先权日2013年1月15日
发明者刘建军, 洪治, 王文涛, 李向军, 武东伟 申请人:中国计量学院