脉冲激光诱导向前转移制备图案化金属薄层的系统和方法与流程

本发明涉及一种金属薄层精细化图案的制作系统和方法，具体涉及一种脉冲激光诱导的向前转移制备图案化金属薄层的系统和方法，通过脉冲激光诱导向前转移预先制备好的金属薄层，将该金属薄层部分的从初始基片转移到接收基片上，从而实现亚微米结构的精细化图案，属于激光应用及印刷电子技术领域。

背景技术：

目前，在精密印刷领域主要采用LIGA工艺(即光刻、电铸和压印)以及喷墨打印技术制备图案化的功能器件。对于前者而言，需要利用掩膜版来制备微纳米级的精细结构，同时，掩模版表面结构会随着压印次数增多而下降，从而降低其使用寿命；对于后者，可以通过控制墨滴的准确位置快速实现大面积复杂图案的直写和图案化，操作简便、成本低廉，已经广泛应用于各类功能器件的制备。

然而，由于受到喷孔直径的限制，现有条件下对于功能材料而言，要实现亚微米甚至更小的精度还存在很大困难。此外，喷孔对于材料的阻塞也成为严重影响实际使用效果的突出问题。

随着激光器的问世，激光微加工技术得到越来越多的关注和研究。纳秒、皮秒、飞秒激光因其具有脉宽窄、峰值功率高、相干性好等特点，被广泛应用在MEMS器件的制作，表面改性等微精细加工领域。

激光诱导向前转移技术(LIFT)是近年来发展起来的一种激光微加工技术。具有适应性强，加工精度高，成本低廉，绿色环保，适用范围广等诸多优点。

因此，寻找一种大面积、低成本、可控制备、无需掩膜版的金属薄层精细化图案制作方法具有重要的应用价值。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的之一是提出一种利用脉冲激光诱导向前转移技术实现图案化金属薄层的系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种脉冲激光诱导向前转移图案化金属薄层的系统，其特征在于：该系统包括：激光光源、光路调节系统和二维精密移动系统，所述激光光源与所述光路调节系统相连接，所述二维精密移动系统位于所述光路调节系统的下面；所述光路调节系统包括准直扩束透镜组，与之相连接的分光元件，所述分光元件呈90度分别与两个反射镜相连接，两个反射镜分别与合束镜相连接，所述合束镜通过聚焦透镜与物镜相连接；所述二维精密移动系统包括电动平台(X、Y方向)、运动控制器和计算机，所述计算机通过运动控制器和电动平台相连接，所述电动平台用于放置初始基片和接收基片。

优选地，所述激光光源为脉冲激光器。

优选地，所述激光光源的输出波长1064nm，脉冲宽度1～30ns，重复频率1～10kHz，最大脉冲能量>1mJ。

优选地，所述光路调节系统中，准直扩束透镜组由两个平凸透镜组成，对激光光源发射的激光进行准直扩束后，激光光斑直径变为原来的2倍，该准直扩束透镜组与激光光源直接固连在一起。

优选地，所述分光元件为分光棱镜或偏振分光棱镜，用于对调节后的脉冲激光进行分光，分成能量相同的反射光束A和透射光束F两束光。

优选地，所述反射镜为对于1064nm激光的全反射镜。

优选地，所述合束镜为对于1064nm激光的半透半反镜，当所述分光元件为分光棱镜时，反射镜与合束镜固定在精密螺杆上，通过调节精密螺杆(位移和俯仰)，调整分光棱镜与合束镜之间两束光路的光程，实现两束光在时间和空间上的相干，同时实现调节光栅干涉夹角的功能，改变光栅结构的周期。

优选地，当所述分光元件为偏振分光棱镜时，所述反射镜分别通过偏振方向平行放置的衍射光栅或SLM与所述合束镜相连接。

优选地，所述聚焦透镜焦距为50mm，用于对从合束镜入射至聚焦透镜的光束进行会聚。

优选地，所述物镜用于将干涉光束在金属薄层表面聚焦，形成光斑，数值孔径为1.4。

优选地，所述电动平台在X、Y方向上的行程范围分别为200mm，最大速度200mm/s，每100mm行程范围内直线度小于10μm，平直度小于15μm。

优选地，所述运动控制器采用交流伺服电机，在X、Y方向上按照预设路径控制电动平台的运动。

通过光路调节元件将激光器发出的激光聚焦于电动平台上样品的表面，运动控制器控制电动平台的精密移动，使聚焦的激光光斑按照预设路径在样品表面进行二维移动，从而实现图案化。

本发明的另一目的是提供一种利用脉冲激光诱导向前转移技术实现图案化金属薄层的方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：

一种脉冲激光诱导向前转移图案化金属薄层的方法，包括如下步骤：

(1)采用旋涂、刮涂或印刷的方法在作为透明的初始基片的载玻片上制备一层金属薄层，然后将垫片置于镀有金属薄层面的初始基片和接收基片之间，形成一个微小间距，该金属薄层面朝下，再将其放置于脉冲激光诱导向前转移图案化金属薄层的系统的电动平台上；

(2)激光光源发出的光经准直扩束透镜组入射到分光元件(分光棱镜或偏振分光棱镜)后，发生反射和透射，分成能量相同的反射光束和透射光束，该两个光束合成后，经聚焦透镜聚焦后投射到物镜的焦平面上；

(3)上述相干光束经物镜后聚焦于步骤(1)中制备好的初始基片上，焦点位于所述初始基片的金属薄层之间的位置，激光透过透明的初始基片，被金属薄层吸收，使初始基片与金属薄层的界面加热，当入射激光能量超过阈值时，金属薄层中与初始基片接触部分的温度升高，达到金属薄层材料的沸点，汽化形成的蒸汽压推动其前方熔化的材料脱离初始基片并喷向接收基片，金属薄层上的材料被局部的转移到接收基片上，此过程中二维精密移动系统，通过计算机和运动控制器控制电动平台的精密移动，使聚焦的激光光斑按照预设路径在样品表面进行二维移动，从而实现金属薄层的图案化转移。

优选地，所述步骤(2)中所述分光元件为分光棱镜，经分光棱镜分光后的反射光束和透射光束分别经过反射镜反光后入射到合束镜上形成相干条纹，过程中通过调节反射镜的位移和俯仰来实现两束光在时间和空间上的相干以及改变光栅周期，再经合束镜合束后经聚焦透镜聚焦后投射到物镜的焦平面上。

优选地，所述步骤(2)中所述分光元件为偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜分光后的反射光束和透射光束具有相互垂直的偏振态，经过反射镜反射后，分别入射到与其偏振方向平行放置的衍射光栅或SLM，投射出强度呈正弦变化的衍射条纹，再经合束镜合束后经聚焦透镜聚焦后投射到物镜的焦平面上。

优选地，所述步骤(1)中所述微小间距的距离为0-100μm，或者为1-100μm。

优选地，所述步骤(1)中所述金属薄层为纳米涂层，其厚度为10nm-500nm。

优选地，所述步骤(2)中所述激光光源输出的波长为1064nm，脉冲宽度1～30ns，重复频率1～10kHz，最大脉冲能量>1mJ。

优选地，所述步骤(2)中所述准直扩束透镜组对光源发射的激光进行准直扩束后，激光光斑直径变为原来的2倍。

优选地，所述步骤(2)中所述聚焦透镜焦距为50mm，用于对从合束镜入射至聚焦透镜的光束进行会聚。

优选地，所述步骤(2)中所述物镜用于将干涉光束在金属薄层表面聚焦，形成光斑，数值孔径为1.4。

优选地，所述步骤(3)中所述电动平台在X、Y方向上的行程范围分别为200mm，最大速度200mm/s，每100mm行程范围内直线度小于10μm，平直度小于15μm。

优选地，所述步骤(3)中所述运动控制器采用交流伺服电机，在X、Y方向上按照预设路径控制电动平台的运动。

优选地，所述步骤(1)中所述金属薄层的材料为金系导电墨、银系导电墨、铜系导电墨或碳系导电墨。

本发明提供的这种脉冲激光诱导向前转移图案化金属薄层的系统和方法，通过高能量的脉冲激光将初始基片上的金属薄层按预设路径转移到邻近的接收基片上，实现精确控制金属薄层的局部转移和沉积，得到微纳米级别的功能性图案。和现有技术相比，本发明可实现快速、高精度、大幅面的图案化转移，有利于大大降低制造成本和制造周期。

附图说明

图1是本发明实施例1中脉冲激光诱导向前转移图案化金属薄层的系统结构示意图。

图2是本发明实施例2中脉冲激光诱导向前转移图案化金属薄层的系统结构示意图。

图3是本发明激光诱导金属薄层转移过程示意图。

主要附图标记：

1 脉冲激光器 2 准直扩束透镜组

3 分光棱镜 3(1) 偏振分光棱镜

4 反射镜 5 反射镜

6 合束镜 7 聚焦透镜

8 物镜 9 初始基片

10 金属薄层 11 接收基片

12 电动平台 13 运动控制器

14 计算机 15 干涉图样

15(1) 干涉图样 16 垫片

17 衍射光栅 18 衍射光栅

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，是本发明的脉冲激光诱导向前转移图案化金属薄层的系统结构示意图，其中，1为脉冲激光器，2为准直扩束透镜组，3为分光棱镜，4和5均为反射镜，6为合束镜，7为聚焦透镜，8为物镜，9为透明的初始基片，10为金属薄层，11为接收基片，12为电动平台，13为运动控制器，14为计算机，15为干涉图样，16为垫片，其中准直扩束透镜组2与脉冲激光器1固连在一起，准直扩束透镜组2、分光棱镜3、反射镜4和5、合束镜6、聚焦透镜7、物镜8组成光路调节系统，反射镜4和5与合束镜6分别固定在精密螺杆(图中未显示)上，通过调节精密螺杆(位移和俯仰)，调整分光棱镜3与合束镜6之间两束光路的光程，实现两束光在时间和空间上的相干，同时实现调节光栅干涉夹角的功能，改变光栅结构的周期；电动平台12、运动控制器13和计算机14组成二维精密移动系统，计算机14通过运动控制器13与电动平台12相连接；采用旋涂、刮涂或蒸镀的方法在作为初始基片9的载玻片上制备一层金属纳米薄层10，然后将垫片16置于镀有金属薄层10面的初始基片9和接收基片11之间，形成一个微小间距100μm(垫片厚度)，该金属薄层10面朝下，再将其放置于脉冲激光诱导向前转移图案化金属薄层的系统的电动平台12上，电动平台12通过运动控制器13和计算机14连接。

金属薄层10为固含量30％的纳米银导电油墨薄层，其厚度为10nm，100nm，300nm，或500nm。

脉冲激光器1的输出波长1064nm，脉冲宽度1～30ns，重复频率1～10kHz，最大脉冲能量>1mJ。

准直扩束透镜组2由两个平凸透镜组成，对脉冲激光器1发射的激光进行准直扩束后，激光光斑直径变为原来的2倍，该准直扩束系统与脉冲激光器1直接固连在一起；

分光棱镜3作为分光元件，对调节后的脉冲激光进行分光，分成能量相同的反射光束A(经合束镜6透射后形成第一束反射光L₁)和透射光束F两束光(经合束镜6反射后形成第二束反射光L₂)；

反射镜4和5为全反射镜，单面镀制1064nm高反射膜，合束镜6为对于1064nm激光的半透半反镜，反射镜4和5与合束镜6分别固定在精密螺杆上，通过调节精密螺杆(位移和俯仰)，调整分光棱镜3与合束镜6之间两束光路的光程，实现两束光在时间和空间上的相干，同时实现调节光栅干涉夹角的功能，改变光栅结构的周期。

聚焦透镜7的焦距为50mm，用于对从合束镜6入射至聚焦透镜7的光束进行会聚。

物镜8将干涉光束在金属薄层10表面聚焦，形成光斑，物镜8的数值孔径为1.4。

电动平台12在X、Y方向上的行程范围分别为200mm，最大速度200mm/s，每100mm行程范围内直线度小于10μm，平直度小于15μm。

运动控制器13采用交流伺服电机，在X、Y方向上按照预设路径控制电动平台的运动。

本实施例是通过调节反射镜4和5的位移和俯仰来实现两束光在时间和空间上的相干以及改变光栅周期，再经合束镜6合束后经聚焦透镜7聚焦后投射到物镜8的焦平面上。

如图3所示，为本发明激光诱导金属薄层转移过程示意图，相干光束经物镜8后聚焦于初始基片9上，焦点位于金属薄层10与初始基片相临的位置(界面处)附近，激光脉冲被金属薄层10吸收，使初始基片9与金属薄层10材料的界面加热，当入射激光能量超过阈值时，界面处的金属薄层材料温度达到其沸点，汽化形成的蒸汽压推动其前方熔化的材料脱离初始基片9并喷向接收基片11，金属薄层10的材料被局部的转移到接收基片11上。过程中通过运动控制器13控制电动平台12的精密移动，使聚焦的激光光斑按照预设路径在样品表面进行二维移动，从而实现金属薄层的图案化转移。

本实施例的脉冲激光诱导向前转移图案化金属薄层的方法的具体步骤包括：

步骤1：脉冲激光器1发出的激光信号经准直扩束透镜组2后经分光棱镜3分光，分成能量相等的两束光，反射光束经反射镜4反射后入射到合束镜6，经合束镜6透射后形成第一束反射光L₁；

步骤2：脉冲激光光束经分光棱镜3分光后的透射光束经反射镜4反射后入射到合束镜6，经合束镜6反射后形成第二束反射光L₂；

步骤3：两束激光信号L₁和L₂相干叠加后经聚焦透镜7聚焦后投射到物镜8的焦平面上，物镜8后聚焦于初始基片9上，焦点位于金属薄层10的位置，激光脉冲被金属薄层10吸收，使初始基片9与金属薄层10上的材料界面加热，当入射激光能量超过阈值时，汽化形成的金属蒸汽压推动其前方熔化的材料脱离初始基片9并喷向接收基片11，金属薄层10的材料被局部的转移到接收基片11上。

步骤4：运动控制器13和计算机14控制电动平台12的精密移动，使聚焦的激光光斑按照预设路径在样品表面进行二维移动，从而实现金属薄层的图案化转移。

其中，脉冲激光器1的输出波长1064nm，脉冲宽度1～30ns，重复频率1～10kHz，最大脉冲能量>1mJ；准直扩束透镜组2由两个平凸透镜组成，对脉冲激光器1发射的激光进行准直扩束后，激光光斑直径变为原来的2倍，该准直扩束透镜组2与脉冲激光器1直接固连在一起；分光棱镜3对调节后的脉冲激光进行分光，分成能量相同的反射光束A和透射光束F两束光；反射镜4和反射镜5单面镀制1064nm高反射膜；合束镜6为对于1064nm激光的半透半反镜，反射镜4和5与合束镜6分别固定在精密螺杆(图中未标出)上，通过调节精密螺杆(位移和俯仰)，调整分光棱镜3与合束镜6之间两束光路的光程，实现两束光在时间和空间上的相干，同时实现调节光栅干涉夹角的功能，改变光栅结构的周期；聚焦透镜焦距为50mm，用于对从合束镜入射至聚焦透镜的光束进行会聚；物镜将干涉光束在金属薄层表面聚焦成规定尺寸的光斑，数值孔径为1.4；电动平台12在X、Y方向上的行程范围分别为200mm，最大速度200mm/s，每100mm行程范围内直线度小于10μm，平直度小于15μm；运动控制器13采用交流伺服电机，在X、Y方向上按照预设路径控制电动平台12的运动。

实施例2

如图2所示，为本实施例中脉冲激光诱导向前转移图案化金属薄层的系统结构示意图，其中，1为脉冲激光器，2为准直扩束透镜组，3a为偏振分光棱镜，4和5为反射镜，6为合束镜，7为聚焦透镜，8为物镜，9为初始基片，10为金属薄层，11为接收基片，12为电动平台，13为运动控制器，14为计算机，15(1)为干涉图样，16为垫片，17衍射光栅(也可以是SLM)，18为衍射光栅(也可以是SLM)，其中准直扩束透镜组2与脉冲激光器1固连在一起，光路调节系统包括准直扩束透镜组2、偏振分光棱镜3a、反射镜4和5、合束镜6、聚焦透镜7、物镜8、衍射光栅(或SLM)17和18；偏振分光棱镜3a将垂直入射的激光分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光；衍射光栅17和18放置时要求平行放置于所入射的线偏光的偏振方向，从而投射出强度呈正弦变化的衍射条纹；再经合束镜6合束后经聚焦透镜7聚焦后投射到物镜8的焦平面上；电动平台12、运动控制器13和计算机14组成二维精密移动系统；采用旋涂、刮涂或蒸镀的方法在作为初始基片9的载玻片上制备一层金属纳米薄层10，然后将垫片16置于镀有金属薄层10面的初始基片9和接收基片11之间，形成一个微小间距1μm(垫片厚度)，该金属薄层10面朝下，再将其放置于脉冲激光诱导向前转移图案化金属薄层的系统的电动平台12上，电动平台12通过运动控制器13和计算机14连接。

金属薄层10为固含量50％的纳米银导电油墨薄层，其厚度为100nm或500nm。

脉冲激光器1的输出波长1064nm，脉冲宽度1～30ns，重复频率1～10kHz，最大脉冲能量>1mJ。

准直扩束透镜组2由两个平凸透镜组成，对脉冲激光器1发射的激光进行准直扩束后，激光光斑直径变为原来的2倍，该准直扩束系统与脉冲激光器1直接固连在一起。

反射镜4和5为全反射镜，单面镀制1064nm高反射膜，合束镜6为对于1064nm激光的半透半反镜。

聚焦透镜7的焦距为50mm，用于对从合束镜6入射至聚焦透镜7的光束进行会聚。

物镜8将干涉光束在金属薄层10表面聚焦，形成光斑，物镜8的数值孔径为1.4。

电动平台12在X、Y方向上的行程范围分别为200mm，最大速度200mm/s，每100mm行程范围内直线度小于10μm，平直度小于15μm。

运动控制器13采用交流伺服电机，在X、Y方向上按照预设路径控制电动平台的运动。

本实施例是经偏振分光棱镜3a分光后的反射光束和透射光束具有相互垂直的偏振态，经过反射镜4和5反射后，分别入射到与其偏振方向平行放置的衍射光栅或SLM17和18，投射出强度呈正弦变化的衍射条纹，再经合束镜6合束后经会聚透镜7聚焦后投射到物镜8的焦平面上。

本实施例的脉冲激光诱导向前转移图案化金属薄层的方法的具体步骤包括：

步骤1：脉冲激光器1发出的激光信号经准直扩束透镜组2后经偏振分光棱镜3a将垂直入射的激光分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光；

步骤2：衍射光栅17和18放置时要求平行放置于所入射的线偏光的偏振方向，从而投射出强度呈正弦变化的衍射条纹；

步骤3：再经合束镜6合束后经聚焦透镜7聚焦后投射到物镜8的焦平面上；物镜8后聚焦于初始基片9上，焦点位于金属薄层10的位置，激光脉冲被金属薄层10吸收，使初始基片9与金属薄层10上的材料界面加热，当入射激光能量超过阈值时，汽化形成的金属蒸汽压推动其前方熔化的材料脱离初始基片9并喷向接收基片11，金属薄层10的材料被局部的转移到接收基片11上；

步骤4：运动控制器13和计算机14控制电动平台12的精密移动，使聚焦的激光光斑按照预设路径在样品表面进行二维移动，从而实现金属薄层的图案化转移。

其中，脉冲激光器1的输出波长1064nm，脉冲宽度1～30ns，重复频率1～10kHz，最大脉冲能量>1mJ；准直扩束透镜组2由两个平凸透镜组成，对脉冲激光器1发射的激光进行准直扩束后，激光光斑直径变为原来的2倍，该准直扩束透镜组2与脉冲激光器1直接固连在一起；偏振分光棱镜3a将垂直入射的激光分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光；衍射光栅17和18放置时要求平行放置于所入射的线偏光的偏振方向，从而投射出强度呈正弦变化的衍射条纹；再经合束镜6合束后经聚焦透镜7聚焦后投射到物镜8的焦平面上；聚焦透镜焦距为50mm，用于对从合束镜入射至聚焦透镜的光束进行会聚；物镜将干涉光束在金属薄层表面聚焦成规定尺寸的光斑，数值孔径为1.4；电动平台12在X、Y方向上的行程范围分别为200mm，最大速度200mm/s，每100mm行程范围内直线度小于10μm，平直度小于15μm；运动控制器13采用交流伺服电机，在X、Y方向上按照预设路径控制电动平台12的运动。

以上所述具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，但并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本报发明的保护范围之内。