CN110449734A - 一种气体保护下激光诱导反向转移制备导电图案的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光应用及电子印刷技术领域，提供了一种气体保护下激光诱导反向转移制备导电图案的方法。激光穿过透明的基片照射在靶材上，由于激光和靶材之间的相互作用，从靶材表面溅射形成等离子体羽辉，等离子体向透明基片转移发生沉积。采用不同保护气对其进行保护，有效的隔绝了空气环境，保证靶材材料在转移过程中不会发生成分变化，使得玻璃上的导电层具有和靶材高度一致的成分，运用激光诱导反向转移方法在玻璃基片上沉积导电图案。将保护气吹向激光刻蚀区。本发明采用的方法低成本、无需掩膜工艺简单，可以在大气压环境下实现快速、高精细、高质量导电图案。可用于导电薄膜制备和精密电路的制备。

Description

一种气体保护下激光诱导反向转移制备导电图案的方法
技术领域
本发明为一种气体保护下激光诱导反向转移制备导电图案方法，它可以防止转移过程中靶材材料被氧化或氮化及氧原子挥发问题，同时可以在透明基底材料上制备出高精度导电图案，属于激光应用及电子印刷技术领域。
背景技术
激光诱导反向转移技术的起步较晚，最早是由日本物理化学研究所K.Sugiok等人使用波长226nm，脉宽6ns的脉冲激光器，成功实现了不锈钢的转移。由于激光能量高、方向性好、易于控制、精度高，使其无需掩膜即可实现微纳制造。然而在室温、大气压环境中，靶材与激光作用产生的等离子体羽辉，易于在空气中发生一系列物理化学反应，如铝靶材的氧化或氮化，严重影响沉积层的导电性；特别地，对于导电金属氧化物靶材，在激光诱导反向转移过程中存在氧原子挥发，不能保证严格化学剂量比，影响所制备的微纳图案的精度和使用性能。随着电子产品小型化发展，对精密电子电路提出了更高的要求，提出一种可制备高精度导电图案的激光加工方法具有重要意义。
目前，已经报道的导电图案构造方法主要采用脉冲激光沉积法。该方法的沉积过程于真空环境下进行：使激光束穿过真空腔室窗口作用在靶材上，产生的高温等离子体迅速膨胀，最终沉积在距靶材不远的基材上形成薄膜；虽然运用此方法可以沉积出均匀致密的图案，但该方法需采用真空设备，导致基材材料受真空腔尺寸的限制，且真空设备维护困难，成本高，不适于大规模生产。
目前还有学者运用激光诱导前置转移技术沉积图案，该工艺首先将需要沉积的材料均匀的涂覆在在一个透明的衬底上，用垫片等控制衬底与基材之间的距离，然后控制激光束透过衬底材料，直接照射在涂覆的材料上，高能量激光将涂覆的材料转移到基材上。激光诱导前置转移技术虽然不需要真空设备，但是由于其影响因素较多，均匀性较差，同时附着力不理想，一定程度上限制了其发展。
单一气体保护下的激光诱导反向转移技术，由于其可有效的隔绝空气，能确保转移材料的一致性；同时激光可控性好，激光能量较集中，有望实现高精度导电图案的制备。
发明内容
本发明的目的是提供一种气体保护下激光诱导反向转移制备导电图案的方法，这种方法设备简单、操作容易、使用安全、成本低廉、制作沉积层导电性良好，精度高。利用氦、氩等惰性气体不参与化学反应的特性以及氧气可以有效抑制金属氧化物转移过程中氧原子挥发问题，可有效的解决沉积过程中沉积层成分变化的问题，严格保证化学剂量比。
本发明的技术方案：
一种气体保护下激光诱导反向转移制备导电图案的方法，步骤如下：
该方法所用设备为纳秒光纤激光器4和保护气体气源1；
保护气体气源1选自氩气、氦气、氧气和氮气；
纳秒光纤激光器4的设定参数：波长为1064nm、聚焦光斑直径为10μm，功率为0～30W可调、重复频率为20kHz～80kHz，脉冲宽度50ns，最大扫描速度为2000mms-1，激光参数根据要求任意调节，通过计算机控制系统实现激光束的操控；
导电靶材7为金属材料或导电氧化物靶材；
(1)材料的预处理：将导电靶材7和玻璃基片5分别经丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗以除去表面油污、灰尘，烘干后备用；
(2)将导电靶材7和玻璃基片5布置于激光工作台上，置于激光光束的正下方，将垫片6置于导电靶材7和玻璃基片5间，将导电靶材7和玻璃基片5架起，使导电靶材7和玻璃基片5中间形成介于50～300μm的微小间距；
(3)根据待处理的图案确定纳秒光纤激光器4的设定参数，同时将气体喷嘴3固定于玻璃基片5一端，保证其向导电靶材7与玻璃基片5之间持续输送保护气体；
(4)打开保护气体气源1充分排空导气管内多余空气，通过计算机控制系统控制激光进行扫描，使导电靶材7均匀精细的转移到玻璃基片5上而不会由于空气影响其成分变化；
(5)待加工完毕，关闭保护气体气源1，取下加工后的玻璃基片5，用去离子水超声清洗以除去玻璃基片5上未转移的颗粒或碎片，用压缩氮气的干燥，通过激光沉积在玻璃基片5上的图案导电性能良好，可点亮发光二极管。
所述的金属材料为银、铜、铝、钨、铁或不锈钢；所述的导电氧化物靶材为掺铝氧化锌或氧化铟锡。
当导电靶材7为金属材料时，保护气体气源1选自氩气、氦气和氮气。
当导电靶材7为导电氧化物靶材，保护气体气源1为氧气。
所述的纳秒光纤激光器4为纳秒光纤激光器、固体激光器、准分子激光器或飞秒激光器，整个过程在大气压条件下进行。
整个激光诱导反向转移过程均发生在正常的室温、大气压条件下，无需昂贵的真空设备，在玻璃基片上构造的导电图案性能良好，有效保证沉积层与靶材成分的高度一致，使用这种激光诱导反向转移方法，可高效率、高质量、低成本在透明基底材料上构造出导电图案。
本发明的有益效果：
(1)本发明所采用的单一气体氛围，可以有效的隔绝空气，可避免空气对沉积层材料的影响，确保沉积材料的一致性。
(2)气体保护下激光诱导反向转移方法在室温、大气压条件下即可完成，无需额外的真空设备装置；同时由于激光能量高、方向性好、易控制、光斑小，可以沉积出高精度的导电图案，以适应于微小器件。
(3)适用于大部分靶材，只要可吸收激光的导电固体材料均可，包括大部分金属，一部分金属氧化物靶材。
(4)可根据导电层膜厚要求，调整激光加工参数及保护气气体流量，以适用于不同应用场合。
(5)无需制备掩膜，激光透过玻璃直接作用在靶材上，在基片上沉积出图案，是一种一次成型技术，效率较高，成本较低。
附图说明
图1为气体保护下激光诱导反向转移制备导电图案的方法的装置示意图。
图中：1保护气体气源；2流量控制器；3气体喷嘴；4纳秒光纤激光器；5玻璃基片；6垫片；7导电靶材。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明提供一种气体保护下激光诱导反向转移制备导电图案的方法，使用此方法的设备包括保护气体气源1、气体喷嘴3和纳秒光纤激光器4；
(1)材料的预处理：将导电靶材7和玻璃基片5分别经丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗以除去表面油污、灰尘，烘干后备用；
(2)将导电靶材7和玻璃基片5布置于激光工作台上，置于激光光束的正下方，将垫片6置于导电靶材7和玻璃基片5间，将导电靶材7和玻璃基片5架起，使导电靶材7和玻璃基片5中间形成介于50～300μm的微小间距；
(3)根据待处理的图案确定纳秒光纤激光器4的设定参数，同时将气体喷嘴3固定于玻璃基片5一端，保证其向导电靶材7与玻璃基片5之间持续输送保护气体；
(4)打开保护气体气源1充分排空导气管内多余空气，通过计算机控制系统控制激光进行扫描，使导电靶材7均匀精细的转移到玻璃基片5上而不会由于空气影响其成分变化；
(5)待加工完毕，关闭保护气体气源1，取下加工后的玻璃基片5，用去离子水超声清洗以除去玻璃基片5上未转移的颗粒或碎片，用压缩氮气的干燥，通过激光沉积在玻璃基片5上的图案导电性能良好，可点亮发光二极管。
实施例1
以激光诱导反向转移铝为例，选择氩气作为铝材转移过程中的保护气体气源1，可以有效的隔绝空气防止铝在这一过程中的氧化和氮化，保证与导电靶材7成分一致性，并可制备高精细、导电性能良好的导电图案。
导电靶材7为厚度2mm的1060铝片，垫片6选择3M 1500绝缘胶带，玻璃基片5为普通硅酸盐载玻片。
纳秒光纤激光器4使用的是纳秒光纤激光器，此类激光器维护方便，成本较低，激光波长为1064nm，设定激光扫描速度为200mms-1，功率为9W，重复频率为20kHz，图案填充间距为20μm，有效的作用于导电靶材7，实现材料的转移，且不会损伤玻璃基片5。
将铝靶材、3M 1500绝缘胶带、玻璃基片5依次安置在激光镜头正下方，调整激光焦距，使其光斑最小，保证导电图案的高精度。
保护气喷嘴3采用鸭嘴型，气体喷嘴3紧靠玻璃基片5与铝靶材，保护气体气源1采用纯度99.999％的高纯氩气。气体压强调节为0.5MPa，气体流量选择6Lmin-1，可以保证喷气均匀覆盖激光扫描区域。
使用激光进行扫描，扫描过程中始终保持氩气稳定通入；待结束后，关闭保护气体气源1，关闭激光器4电源，取下玻璃基片5，用去离子水超声清洗以除去未发生转移的颗粒或碎片，并用压缩氮气吹干。
比较使用氩气保护的实验组，与未使用氩气保护的对照组，发现使用氩气作为保护气的激光诱导反向转移法制备的导电层的均匀性及导电性均优无氩气保护的对照组。

Claims (7)

1.一种气体保护下激光诱导反向转移制备导电图案的方法，其特征在于，步骤如下：
该方法所用设备为纳秒光纤激光器(4)和保护气体气源(1)；
保护气体气源(1)选自氩气、氦气、氧气和氮气；
纳秒光纤激光器(4)的设定参数：波长为1064nm、聚焦光斑直径为10μm，功率为0～30W可调、重复频率为20kHz～80kHz，脉冲宽度50ns，最大扫描速度为2000mms-1，激光参数根据要求任意调节，通过计算机控制系统实现激光束的操控；
导电靶材(7)为金属材料或导电氧化物靶材；
(1)材料的预处理：将导电靶材(7)和玻璃基片(5)分别经丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗以除去表面油污、灰尘，烘干后备用；
(2)将导电靶材(7)和玻璃基片(5)布置于激光工作台上，置于激光光束的正下方，将垫片(6)置于导电靶材(7)和玻璃基片(5)间，将导电靶材(7)和玻璃基片(5)架起，使导电靶材(7)和玻璃基片(5)中间形成介于50～300μm的微小间距；
(3)根据待处理的图案确定纳秒光纤激光器(4)的设定参数，同时将气体喷嘴(3)固定于玻璃基片(5)一端，保证其向导电靶材(7)与玻璃基片(5)之间持续输送保护气体；
(4)打开保护气体气源(1)充分排空导气管内多余空气，通过计算机控制系统控制激光进行扫描，使导电靶材(7)均匀精细的转移到玻璃基片(5)上而不会由于空气影响其成分变化；
(5)待加工完毕，关闭保护气体气源(1)，取下加工后的玻璃基片(5)，用去离子水超声清洗以除去玻璃基片(5)上未转移的颗粒或碎片，用压缩氮气的干燥，通过激光沉积在玻璃基片(5)上的图案导电性能良好，可点亮发光二极管。
2.根据权利要求1所述的气体保护下激光诱导反向转移制备导电图案的方法，其特征在于，所述的金属材料为银、铜、铝、钨、铁或不锈钢；所述的导电氧化物靶材为掺铝氧化锌或氧化铟锡。
3.根据权利要求1或2所述的气体保护下激光诱导反向转移制备导电图案的方法，其特征在于，当导电靶材(7)为金属材料时，保护气体气源(1)选自氩气、氦气和氮气。
4.根据权利要求1或2所述的气体保护下激光诱导反向转移制备导电图案的方法，其特征在于，当导电靶材(7)为导电氧化物靶材，保护气体气源(1)为氧气。
5.根据权利要求1或2所述的气体保护下激光诱导反向转移制备导电图案的方法，其特征在于，所述的纳秒光纤激光器(4)为纳秒光纤激光器、固体激光器、准分子激光器或飞秒激光器，整个过程在大气压条件下进行。
6.根据权利要求3所述的气体保护下激光诱导反向转移制备导电图案的方法，其特征在于，所述的纳秒光纤激光器(4)为纳秒光纤激光器、固体激光器、准分子激光器或飞秒激光器，整个过程在大气压条件下进行。
7.根据权利要求4所述的气体保护下激光诱导反向转移制备导电图案的方法，其特征在于，所述的纳秒光纤激光器(4)为纳秒光纤激光器、固体激光器、准分子激光器或飞秒激光器，整个过程在大气压条件下进行。
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