CN102817051A - 一种激光脉冲电镀系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光脉冲电镀系统，包括：脉冲激光器、脉冲发生控制器、衰减器、电子快门、扩束器、反射镜、CCD实时监测系统、光学振镜、聚焦物镜、电解池、三维移动台和脉冲电镀电源。本发明采用脉冲电镀电源和脉冲激光器，结合脉冲电镀电源电镀和脉冲激光电镀的工作方式，超越高频脉冲电镀电源的性能限制，控制脉冲激光器发出的激光脉冲与脉冲电镀电源发出的电脉冲相匹配，提高镀层的加工效率和分辨率。应用领域包括激光电镀、激光刻蚀。

Description

一种激光脉冲电镀系统

技术领域

本发明涉及激光电镀技术领域，尤其是一种激光脉冲电镀系统，通过利用与激光脉冲和脉冲电镀电源的共同作用，结合待加工的材料和电解液的晶核生长特性，实现金属离子对激光热效应的充分吸收，在阴极上实现高精度可控沉积，以利于取得理想的电镀处理结果。

背景技术

脉冲电镀是通过槽外控制方法改善镀层质量的一种强有力的手段，相比于普通的直流电镀镀层，其具有更优异的性能，如耐蚀、耐磨、纯度高、导电、焊接及抗变色性能好等，且可大幅节约稀贵金属，因此，在功能性电镀中得到较好的应用。

脉冲电镀将电镀槽与脉冲电镀电源连接构成电镀体系，在含有某种金属离子的电解质溶液中，将被镀工件作为阴极，阳极是该种金属离子的金属或不溶性阳极，通以一定波形的脉冲电流，使金属离子在阴极上脉冲式的沉积，形成金属层的加工过程。脉冲电镀所依据的电化学原理，主要是利用脉冲电压或脉冲电流的张弛、间隙工作，增强阴极的活性极化和降低阴极的浓差极化，从而有效地改善镀层的物理化学特性，得到致密、均匀和导电率高的镀层。

脉冲电镀实质上是一种通断直流电镀。一般的直流电镀只有一个参数：电流或电压。与直流电镀不同，脉冲电镀所依据的电化学原理主要是利用电流或电压脉冲的张驰增加阴极的活化极化和降低阴极的浓差极化，从而改善镀层的物理化学性能。在直流电镀时，由于电流是连续的，金属离子在阴极不断的被沉积，这样就容易造成析氢和浓差极化。在脉冲电镀过程中，当电流导通时，峰值电流密度相当于普通直流电流密度或平均电流密度的几倍甚至十几倍，高的电流密度所导致的高过电位使阴极表面吸附的原子的总数高于直流电沉积的总数，电化学极化增大，阴极区附近金属离子被充分沉积。其结果使晶核的形成速率远远大于原有晶体的生长速率，从而形成具有较细晶粒结构的沉积层，改善镀层的物理化学特性。当电流关断时，高的过电位使阴极附近的金属离子以极快的速度被消耗，当阴极界面金属离子的质量浓度为零或很低时，电沉积过程进入关断期，此时金属离子向阴极附近传递从而使扩散层中金属离子的质量浓度得以回升，阴极区附近放电离子又恢复到初始的质量浓度，浓差极化消除，有利于在下一个脉冲周期使用较高的峰值电流密度，并伴有对沉积层有利的重结晶、吸脱附等现象。在电源接通和断开的时候，阴极周围的离子不断的得到补充，有效的避免了析氢和浓差极化。因此，脉冲电镀可以采用较高的阴极平均电流密度，不但电流效率不会下降，而且改进了镀层质量。这样的过程周期性的贯穿于整个电镀过程的始末。

脉冲电镀电源是脉冲电镀技术的重要组成部分，通常采用恒流或恒压两种不同的供电模式，当然也有采用非恒流方式的。脉冲电流或电压的波形通常有方波、正弦波、锯齿波和间隔齿波等以及这些波形与直流的叠加。

从电镀实际结果来看，方波脉冲以及与其他波形适当组合对贵金属电镀可获得较好的效果。就方波脉冲而言，前沿和后沿的陡度越大可获得越好的实镀效果。但脉冲电镀电源在用于电镀时并不能得到理想的正方波，而是一种近似于梯形的波形，这会影响脉冲电镀瞬时高电位有利作用的充分发挥。脉冲频率对镀层结晶也会产生较大影响，频率过低，效果不明显；频率过高，波形畸变程度大，甚至脉冲电流会变成直流电流。主要原因为当使用频率较高的脉冲电镀电源时，脉冲前、后沿极易对导通、关断时间造成严重影响，从而影响脉冲电镀瞬时高电位有利作用的充分发挥。当使用频率更高的脉冲电镀电源，大于10KHz时，其输出的电流实质是一种直流电流，与能够改善镀层结晶的方波脉冲电流有本质的区别。目前，前后沿的上升时间和下降时间限制在数微秒到数十微秒之内。

激光电镀是目前涌现出来的另一种新型电镀手段。激光是能量密度很高的热源，而且具有很好的方向性、单色性和相干性。激光电镀是以高密度激光束照射待处理样品表面，造成局部温升和微区搅拌，从而诱发或增强辐照区的化学反应，引起液体物质的分解，并在固体表面沉积出反应生成物。激光电镀使电化学反应大大增强，电镀速率提高二至三个数量级，空间分辨率可以达到微米量级，实现激光直写精密电镀。激光电镀的优良性能已愈来愈引起人们的重视。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种激光脉冲电镀系统，以实现对电镀镀层精确的控制。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种激光脉冲电镀系统，包括：脉冲激光器1，用于提供激光电镀用的激光脉冲；脉冲发生控制器2，用于控制脉冲激光器1发出的激光脉冲与脉冲电镀电源13发出的电脉冲的发生时间，实现激光脉冲与电脉冲之间互相匹配或有一定的时间延迟；衰减器3，用于控制脉冲激光器1的功率，防止损伤电镀材料；电子快门4，用于控制激光脉冲的关断；扩束器5，用于扩展激光束的直径，减小激光束的发散角；反射镜6，用于改变激光束的传播方向，将激光束传播至待处理样品基底10；CCD实时观察系统7，用于实时观测处理样品基底10的电镀过程；光学振镜8，用于控制激光束的扫描速度；聚焦物镜9，用于将激光束聚焦在待处理样品基底10表面；电解池11，用于放置电解液；三维移动台12，用于移动在电解池11中待处理样品基底10的位置；脉冲电镀电源13，用于提供电解池11正负极电压的电压。

上述方案中，所述脉冲激光器1的波长范围从100nm-2μm，重复频率从1Hz-100MHz，脉冲的宽度从毫秒到飞秒。

上述方案中，所述脉冲发生控制器2采用电调制方式分别给脉冲激光器1和脉冲电镀电源13触发信号，控制脉冲的重复频率在1Hz-100MHz，时间延迟为皮秒到秒。

上述方案中，通过衰减器3或调整激光输出功率将焦点处的峰值功率控制在10⁵W/cm²到10⁹W/cm²，使激光能量小于材料的损伤阈值和电解液的汽化阈值。

上述方案中，所述电子快门4控制激光脉冲通断及照射时间1us到100s，进行激光脉冲的直写电镀。

上述方案中，所述光学振镜8控制激光扫描速度从100nm/s到10cm/s，使激光光束在10nm-10cm的范围内移动。

上述方案中，所述三维移动台12的移动范围在10nm-10cm。

上述方案中，所述脉冲电镀电源13的工作频率为1KHz-1MHz，工作电压从0.1V-1kV，电流密度1uA/cm²-100A/cm²。

上述方案中，所述电解池11中放置的电解液包含电镀处理的金属离子溶液。

上述方案中，在交换所述电解池的正负极后，该系统亦适用于脉冲激光刻蚀。

(三)有益效果

本发明提供的激光脉冲电镀系统，结合脉冲电镀和激光电镀，打破了高频脉冲电镀电源的限制，可实现对电镀镀层精确的控制。在激光脉冲器和脉冲电镀电源的共同作用下，结合待加工的材料和电解液的晶核生长特性，实现金属离子对激光热效应的充分吸收，在电解池的阴极上实现高精度可控沉积，以利于取得理想的电镀处理结果。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的激光脉冲电镀系统的结构示意图；图中，1.脉冲激光器，2.脉冲发生控制器，3.衰减器，4.电子快门，5.扩束器，6.反射镜，7.CCD实时观察系统，8.光学振镜，9.聚焦物镜，10.待处理样品基底，11.电解池，12.三维移动台，13.脉冲电镀电源

图2(a)是理想电源脉冲与实际电源脉冲比较的示意图；其中，理想电源脉冲(横向或竖向直线)为方波信号，占空比50％，工作频率1MHz，实际电源脉冲(斜向直线)为锯齿波；

图2(b)是实际电源脉冲与激光脉冲匹配的示意图；其中，实际电源脉冲(斜向直线)为锯齿波，激光脉冲(曲线)为脉冲波形，重复频率1MHz，脉宽100ns。

具体实施方式

下面将参照附图结合本发明优选实施例对本发明进行说明。应当理解，在下面的说明书中，提供许多具体的细节例如对光学元件的说明以便于对本发明实施例的全面了解。然而，本领域普通技术人员应当理解，本发明不仅适用于一个或多个具体的描述，且适用于其它结构元件，波长和材料等。说明书下文中所列举的实施例是示意性的而非限制性的。

脉冲电镀电源是其输出直流波形、频率、占空比和平均电流密度等参数均可根据电镀需要而设定的直流电源，其主要参数为工作频率、占空比、特殊波形(如方波等)，对应于激光脉冲的参数重复频率、脉宽、波形。脉冲电镀电源的这些特点在生产中的实际意义就是，在电镀过程中，脉冲电镀电源可通过改变其输出波形的频率、占空比和平均电流密度，来改变电镀槽中金属离子电沉积过程，使电沉积过程在较宽范围内变化，从而可获得均匀致密较为理想的镀层。例如在印刷线路板行业中，使用脉冲电镀电源进行电镀，可提高其深镀能力，使镀层均匀、致密、不脱落。但受限于目前高频电源的性能限制，输出的高频往往会发生畸变，大大影响脉冲电镀的工作效率和质量。

本发明的工作方式为采用脉冲电镀电源和脉冲激光，结合脉冲电镀电源电镀和脉冲激光电镀的优点，超越高频脉冲电镀电源的限制，控制激光脉冲与电镀电源的脉冲相匹配，使电镀过程在低过电位区瞬时通过极高的峰值电流密度和激光脉冲峰值功率，两者脉冲进行固定的重复频率、脉宽以及时间延迟相互匹配，这样得到的就是一个经过修正的激光镀层加工过程，该过程比单一的激光电镀和脉冲电镀电源电镀处理效率更高，能够克服目前脉冲电镀电源的性能对目前脉冲电镀研究的制约，可以获得精细的镀层质量，在控制镀层的厚度和镀线的宽窄尺度，有着高自由度的调控。在激光脉冲和电镀电源脉冲的共同作用下，晶核的形成速率远远大于原有晶体的生长速率，从而形成具有较细晶粒结构的沉积层，并可控制镀层宽度，避免或尽量减少在本体上的不需要的电镀，提高镀层的加工效率和分辨率。

此外，激光脉冲和电镀电源脉冲的选择、匹配和优化，如激光脉冲和电镀电源脉冲的重复频率、脉宽以及时间延迟的确定，必须针对镀层材料的特性，这决定了激光脉冲和电镀电流对镀层材料作用的最终效率。下面结合实施例对本发明的系统进行进一步的说明。

图1给出了根据本发明一个实施例的激光脉冲电镀系统的结构示意图。该激光脉冲电镀系统包括脉冲激光器1，脉冲发生控制器2，衰减器3，电子快门4，扩束器5，反射镜6，CCD实时观察系统7，光学振镜8，聚焦物镜9，待处理样品基底10，电解池11，三维移动台12，脉冲电镀电源13。

脉冲激光器1提供激光电镀的激光脉冲，脉冲激光器1的波长范围从100nm-2μm，重复频率从1Hz-100MHz，脉冲的宽度从毫秒到飞秒。脉冲发生控制器2控制脉冲激光器1发出的激光脉冲与脉冲电镀电源13发出的电脉冲的发生时间，实现激光脉冲与电脉冲之间互相匹配或有一定的时间延迟。衰减器3控制脉冲激光器1的功率，防止损伤电镀材料。电子快门4控制激光脉冲的关断。扩束器5扩展激光束的直径，减小激光束的发散角。反射镜6用于改变激光束的传播方向，将激光束传播至待处理样品基底10。CCD实时监测系统7用于实时观测处理样品基底10的电镀过程。光学振镜8用于控制激光束的扫描速度。聚焦物镜9聚焦激光束在待处理样品基底10表面。电解池11用于放置电解液。三维移动台12移动在电解池11中待处理样品基底10的位置。脉冲电镀电源13用于提供电解池11正负极电压的电压。

脉冲发生控制器2利用电调制分别给脉冲激光器1和脉冲电镀电源13触发信号，脉冲控制重复频率在1Hz-100MHz，时间延迟皮秒到秒。通过衰减器3或调整激光输出功率将焦点处的峰值功率控制在10⁵W/cm²到10⁹W/cm²，使激光能量小于材料的损伤阈值和电解液的汽化阈值。脉冲电镀电源13，工作频率为1KHz-1MHz，工作电压从0.1V-1kV，电流密度1uA/cm²-100A/cm²。光学振镜8控制激光扫描速度从100nm/s到10cm/s，使激光光束在10nm-10cm的范围内移动。电子快门4控制激光脉冲通断及照射时间1us到100s，进行激光脉冲的直写电镀。三维移动台12的移动范围在10nm-10cm。

基于本发明提供的激光脉冲电镀系统，以下对该激光脉冲电镀系统的工作过程进行详细说明。

步骤1：打开脉冲激光器1的电源，脉冲激光器1发出的激光脉冲须选择在待处理样品基底10能吸收而溶液不吸收的波段。输出平均功率在1mW-50W范围内，波长在100nm到2μm范围内，脉宽从毫秒到飞秒，重复频率从1Hz到100MHz。

步骤2：打开脉冲电镀电源13和脉冲发生控制器2，调节脉冲电镀电源13发出的电源脉冲和脉冲激光器1发出的激光脉冲互相匹配或有固定的时间延迟。电源脉冲和激光脉冲的重复频率需保持一致，或者成固定的比例关系。

步骤3：调节衰减器3、电子快门4、扩束器5、反射镜6、CCD实时观察系统7和聚焦物镜9，操纵光学振镜8和三维移动台12，使激光脉冲聚焦在待处理样品基底10表面。激光脉冲与电源脉冲叠加，选择性地在待处理样品基底10表面直接进行无掩膜的镀层处理，热传导性稍差的材料比热传导性好的材料有优势，吸收不同时间到达的脉冲局部上升温度差更高，反应速度更快，效果更明显，但要注意材料的损伤阈值。

步骤4：通过衰减器3将焦点处的峰值功率控制在10⁵W/cm²到10⁹W/cm²，使激光能量小于材料的损伤阈值和电解液的汽化阈值。

步骤5：通过光学振镜8控制激光扫描速度从0到10cm/s，激光光束在10nm-10cm的范围内移动；电子快门4控制激光脉冲通断及照射时间1μs到100s，进行与脉冲电镀电源13匹配的激光脉冲直写电镀。

实施例

以下结合图1对本发明的激光脉冲电镀系统的具体实施进行详细说明：脉冲激光器1为调Q的YAG倍频激光器输出的激光束波长为532nm，平均功率为350mW，脉宽为100ns，聚焦后光斑直径为500um，工作频率1MHz；脉冲激光器1和脉冲电镀电源13连接于脉冲发生控制器2，通过电信号调制的方法控制脉冲激光器1发出的脉冲激光和脉冲电镀电源13发出的电源脉冲相叠加，即时延差为0。脉冲激光器和脉冲电镀电源的重复频率需保持一致。图2(a)中显示了理想电源脉冲与实际电源脉冲的比较示意图。其中，理想电源脉冲(横向或竖向直线)为方波信号，占空比50％，工作频率1MHz。实际电源脉冲(斜向直线)为锯齿波，可以从图2(a)看出高频电源脉冲实际发生的方波信号是一种类似锯齿波的脉动直流电流。图2(b)显示了修正的激光脉冲与实际电源脉冲与的匹配结果。实际电源脉冲(斜向直线)类似锯齿波，激光脉冲(曲线)为脉冲波形，重复频率1MHz，脉宽100ns。经过脉冲发生控制器2进行匹配修正好，可以改善高频电源性能对脉冲电镀的制约，提升高频电镀质量。

衰减器3可进一步调整脉冲激光器1的输出功率，防止损伤电镀材料。电子快门4可控制脉冲激光器1发出的激光束的通断和照射时间；扩束镜5扩展脉冲激光器1发出的激光束的直径，减小激光束的发散角。反射镜6将激光束反射入光学振镜8，经过光学振镜8和聚焦物镜9，激光束被聚焦在待处理样品基底10上。光学振镜8可在电脑控制下移动激光束的位置，控制激光束的扫描速度，使激光束在10nm-10cm的范围内移动。待处理样品基底10放置在电解池11中并与三维移动台12连接。电解池11的两电极间施加的电流是由脉冲电镀电源13提供的。激光束经过聚焦后照射在电解池11的阴极上，电解池11的阴极为预镀有镍薄膜的玻璃基片，电解池11的阳极为金属铂片。电解液为硫酸铜水溶液，对532nm激光有良好透明性。三维移动台12用来放置或者移动待处理样品基底10的位置，在10nm-100cm范围内移动。CCD实时监测系统7实时观测待处理样品基底10上的电镀过程。

以上所述的具体实施例，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，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光脉冲电镀系统，其特征在于，包括：

脉冲激光器(1)，用于提供激光电镀用的激光脉冲；

脉冲发生控制器(2)，用于控制脉冲激光器(1)发出的激光脉冲与脉冲电镀电源(13)发出的电脉冲的发生时间，实现激光脉冲与电脉冲之间互相匹配或有一定的时间延迟；

衰减器(3)，用于控制脉冲激光器(1)的功率，防止损伤电镀材料；

电子快门(4)，用于控制激光脉冲的关断；

扩束器(5)，用于扩展激光束的直径，减小激光束的发散角；

反射镜(6)，用于改变激光束的传播方向，将激光束传播至待处理样品基底(10)；

CCD实时观察系统(7)，用于实时观测处理样品基底(10)的电镀过程；

光学振镜(8)，用于控制激光束的扫描速度；

聚焦物镜(9)，用于将激光束聚焦在待处理样品基底(10)表面；

电解池(11)，用于放置电解液；

三维移动台(12)，用于移动在电解池(11)中待处理样品基底(10)的位置；

脉冲电镀电源(13)，用于提供电解池(11)正负极电压的电压。

2.根据权利要求1所述的激光脉冲电镀系统，其特征在于，所述脉冲激光器(1)的波长范围从100nm-2μm，重复频率从1Hz-100MHz，脉冲的宽度从毫秒到飞秒。

3.根据权利要求1所述的激光脉冲电镀系统，其特征在于，所述脉冲发生控制器(2)采用电调制方式分别给脉冲激光器(1)和脉冲电镀电源(13)触发信号，控制脉冲的重复频率在1Hz-100MHz，时间延迟为皮秒到秒。

4.根据权利要求1所述的激光脉冲电镀系统，其特征在于，通过衰减器(3)或调整激光输出功率将焦点处的峰值功率控制在10⁵W/cm²到10⁹W/cm²，使激光能量小于材料的损伤阈值和电解液的汽化阈值。

5.根据权利要求1所述的激光脉冲电镀系统，其特征在于，所述电子快门(4)控制激光脉冲通断及照射时间1us到100s，进行激光脉冲的直写电镀。

6.根据权利要求1所述的激光脉冲电镀系统，其特征在于，所述光学振镜(8)控制激光扫描速度从100nm/s到10cm/s，使激光光束在10nm-10cm的范围内移动。

7.根据权利要求1所述的激光脉冲电镀系统，其特征在于，所述三维移动台(12)的移动范围在10nm-10cm。

8.根据权利要求1所述的激光脉冲电镀系统，其特征在于，所述脉冲电镀电源(13)的工作频率为1KHz-1MHz，工作电压从0.1V-1kV，电流密度1uA/cm²-100A/cm²。

9.根据权利要求1所述的激光脉冲电镀系统，其特征在于，所述电解池(11)中放置的电解液包含电镀处理的金属离子溶液。

10.根据权利要求1所述的激光脉冲电镀系统，其特征在于，在交换所述电解池的正负极后，该系统亦适用于脉冲激光刻蚀。

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