CN113099620A - 一种利用激光等离子体溅射在玻璃上制备金属电路的方法 - Google Patents

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林国志
谭欢恒
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Abstract

本发明提供一种利用激光等离子体溅射在玻璃上制备金属电路的方法，包括：步骤1：将透明玻璃片覆在金属靶材的表面，利用激光进行区域性面积扫描，在透明玻璃片与金属靶材的接触面上溅射一层金属附着层；步骤2：把步骤1得到的透明玻璃片有金属附着层的一面正对激光束入射方向，采用激光束对透明玻璃片有金属附着层的一面进行图案化扫描处理，以得到设计的金属电路部分；步骤3：把步骤2得到的透明玻璃片置于氢气环境中并进行加热处理，得到带有电路图案的透明玻璃片；步骤4：把步骤3得到的带有电路图案的透明玻璃片放在乙醇中清洗，并干燥处理，完成金属电路的制备。本发明方法具有耗时短、成本低、尺寸精度高、参数可控的特点。

Description

一种利用激光等离子体溅射在玻璃上制备金属电路的方法
技术领域
本发明涉及金属电路制备技术领域，更具体地说，涉及一种利用激光等离子体溅射在玻璃上制备金属电路的方法。
背景技术
玻璃是非晶无机材料，具有高透光性、耐高温、化学活性低等特点，在玻璃背板上进行金属化处理具有巨大的应用和研究价值。在现代电子制造的发展下，除了对于产品性能的要求之外，对于产品的材料、集成度、能耗比的要求也越来越高，透明材料的金属化可以很好的迎合现在工业上对于这方面的要求，其应用涉及到航空航天、化学、生物、医疗、检测分析等各个领域。例如：透明材料的金属化可以应用到燃料电池的电极方面；在玻璃表面的制备金属电路可以应用到汽车的玻璃天线以及显示屏中的驱动电路等地方，提高元器件的集成度，并使其能耗降低、体积减小；在微细制造领域的微流体芯片中的电路也可以通过在透明材料表面制作金属电路来实现，如微反应器、微传感器、微电泳装置等。
传统上，对玻璃材料的金属化处理技术有：结合丝网印刷技术的平面光刻、电镀、溅射镀膜、物理或化学气相沉积等。这些技术要求的设备精密且价格昂贵，制造的时间成本和经济成本都偏高。其中光刻技术的步骤繁多，且光刻技术中使用的显影液和光刻胶对环境具有影响，而使用电镀制作金属电路需要对透明材料事先做一定金属化预处理方可进行。并且光刻技术、溅射镀膜以及气相沉积镀膜等方法制备金属电路均需要制作掩膜，设计迭代成本高，灵活度差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种利用激光等离子体溅射在玻璃上制备金属电路的方法，该方法具有耗时短、成本低、尺寸精度高、参数可控的特点，且设计迭代更改无需制模，可以节省大量的设计成本，符合现代的低生产周期、低生产成本和大批量生产的要求。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种利用激光等离子体溅射在玻璃上制备金属电路的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将透明玻璃片覆在金属靶材的表面，利用激光进行区域性面积扫描，在透明玻璃片与金属靶材的接触面上溅射一层金属附着层；
步骤2：把步骤1得到的透明玻璃片有金属附着层的一面正对激光束入射方向，采用激光束对透明玻璃片有金属附着层的一面进行图案化扫描处理，去除额外的金属区域，以得到设计的金属电路部分；
步骤3：把步骤2得到的透明玻璃片置于氢气环境中并进行加热处理，对金属附着层中的氧化物进行还原反应，使金属附着层的成分一致为导电金属单质，得到带有电路图案的透明玻璃片；
步骤4：把步骤3得到的带有电路图案的透明玻璃片放在乙醇中清洗,并干燥处理，完成金属电路的制备。
步骤1中，所述透明玻璃片是成分为硅酸盐复盐的玻璃片或石英玻璃片。本发明的透明玻璃片可以选用主要成分为硅酸盐复盐的普通玻璃，优选为热膨胀系数低，耐高温，化学稳定性好，透光性好的石英玻璃片。
步骤1中，透明玻璃片与金属靶材的间隔为50～100μm。
步骤1中，采用的激光器是波长为1064nm、脉宽为7ns的光纤激光器；所述激光器的激光扫描速度为300～500mm/s，平均功率为18～20w，频率为 20～50kHz；所述激光器的激光扫描路径的间距为3～10μm；所述激光器的激光焦点位置控制在金属靶材的上表面。
步骤2中，采用激光器的扫描速度为300～500mm/s，平均功率为5～10w，频率为20～50kHz；所述激光器的激光扫描路径的间距为5～10μm；所述激光器的激光焦点控制在玻璃片的上表面。
步骤2中的透明玻璃片溅射有金属附着层的一面正对激光束入射方向，由于加工对象为表面附有金属附着层的玻璃材料，使用激光辐射时，激光对辐射区域的金属附着层具有去除效果而不会对玻璃篇基体产生影响。
步骤3中，所述把步骤2得到的透明玻璃片置于氢气环境中并进行加热处理是指：把步骤2得到的透明玻璃片放入高温烧结炉中，通入氢气，并加热到 500℃，并进行保温一个小时。
步骤(3)中透明玻璃片上金属电路的组成成分由于激光烧蚀的氧化，导致成分中含有大量的氧化物，难以达到导电的要求，故需要对金属电路进行氢气还原反应。
所述金属靶材为铜靶材。
本发明利用激光等离子体溅射在玻璃上制备金属电路的方法原理为：激光诱导等离子体刻蚀是在加工透明材料的表面的微结构的情况下采用的激光加工方法。加工时激光透过待加工的透明材料，聚焦于透明材料后方的金属靶材诱导产生等离子体，通过形成的等离子体接触透明材料后表面，实现材料去除。利用激光诱导等离子体的刻蚀和溅射效果在透明材料表面可以制备金属附着层，等离子体在透明材料的刻蚀效果可以同时形成其后表面的磨砂化处理，有利于溅射的金属薄层的附着，使材料表面的金属化薄层牢固可靠，不易剥落。根据设计的需要，可以选择不同的金属靶材对玻璃材料进行溅射金属化处理，同时激光的参数可调，可以实现对各种不用电路图案以及导电线路的属性的控制。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：本发明利用激光等离子体溅射在玻璃材料上制备金属电路的方法，该方法具有耗时短、成本低、尺寸精度高、参数可控的特点，且设计迭代更改无需制模，可以节省大量的设计成本，符合现代的低生产周期、低生产成本和大批量生产的要求。
附图说明
图1是本发明制备金属电路方法的步骤1示意图；
图2是本发明制备金属电路方法的步骤2示意图；
图3是本发明制备金属电路方法的步骤3示意图；
图4是本发明制备金属电路方法的步骤4示意图；
其中，1为玻璃片、2为金属靶材、3为激光、4为激光扫描路径、5为激光图案化扫描路径、6为激光束、7为氧化物、8为高温烧结炉、9为金属电路。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例
如图1至图4所示，本发明利用激光等离子体溅射在玻璃上制备金属电路的方法包括以下步骤：
步骤1：将透明玻璃片1覆在金属靶材2的表面，金属靶材2上表面与透明玻璃片1的下表面紧密接触，透明玻璃片1与金属靶材2的间隔为50～100μm。利用激光3按照激光扫描路径4进行区域性面积扫描，在透明玻璃片1与金属靶材2的接触面上溅射一层金属附着层。其中，透明玻璃片1是厚度为2mm、尺寸为50mm×50mm的石英玻璃片，金属靶材2是采用纯铜靶材。
本实施例需要对石英玻璃片1和金属靶材2进行预处理：首先使用去离子水冲洗石英玻璃片1，然后把石英玻璃片1放入装有无水酒精的烧杯中，置于超声波仪器中清洗20分钟，然后自然晾干。对金属靶材2的表面进行砂纸打磨和抛光处理，保证金属靶材2表面的平面度，并去除金属表面形成的氧化层；使用去离子水对抛光处理后的金属靶材2表面进行清洗，并放入装有无水酒精的烧杯中，置于超声波仪器中清洗20分钟，然后自然晾干。
步骤1中，采用的激光器是波长为1064nm、脉宽为7ns的光纤激光器，该激光器的激光扫描速度为300～500mm/s，平均功率为18～20w，频率为20～50kHz；该激光器的激光扫描路径4的间距为3～10μm，激光器的激光焦点位置控制在金属靶材2的上表面。
步骤2：把步骤1得到的透明玻璃片1翻转过来，透明玻璃片1有金属附着层的一面正对激光束6入射方向，采用激光束6对透明玻璃片1有金属附着层的一面根据激光图案化扫描路径5进行激光图案化扫描处理，去除额外的金属区域，以得到设计的金属电路部分。
步骤2中采用激光器的扫描速度为300～500mm/s，平均功率为5～10w，频率为20～50kHz，该激光器的激光图案化扫描路径5的间距为5～10μm，激光器的激光焦点控制在玻璃片的上表面。
步骤3：把步骤2得到的透明玻璃片1置于氢气环境中并进行加热处理，对金属附着层中的氧化物7进行还原反应，使金属附着层的成分一致为导电金属单质，得到带有电路图案的透明玻璃片1。
在透明玻璃片1上已经完成的金属电路因为在步骤2中激光等离子烧蚀的过程中会被强烈氧化，其电路的成分中含有大量的氧化物成分，并不符合导电的要求，因此需要对金属中的氧化物7进行还原反应。步骤3把步骤2得到的透明玻璃片1置于通入纯度为99.99％的氢气的高温烧结炉8中，升温到500℃，并进行保温一个小时。
步骤4：把步骤3得到的带有电路图案的透明玻璃片1放在乙醇中清洗，并干燥处理，完成金属电路9的制备。
步骤4是对步骤3制成的带有纯铜导电电路的玻璃片进行放入装有无水酒精的烧杯中，置于超声波仪器中清洗20分钟，然后自然晾干，这样就完成激光等离子体刻蚀在玻璃上溅射金属电路的制作过程。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用激光等离子体溅射在玻璃上制备金属电路的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将透明玻璃片覆在金属靶材的表面，利用激光进行区域性面积扫描，在透明玻璃片与金属靶材的接触面上溅射一层金属附着层；
步骤2：把步骤1得到的透明玻璃片有金属附着层的一面正对激光束入射方向，采用激光束对透明玻璃片有金属附着层的一面进行图案化扫描处理，去除额外的金属区域，以得到设计的金属电路部分；
步骤3：把步骤2得到的透明玻璃片置于氢气环境中并进行加热处理，对金属附着层中的氧化物进行还原反应，使金属附着层的成分一致为导电金属单质，得到带有电路图案的透明玻璃片；
步骤4：把步骤3得到的带有电路图案的透明玻璃片放在乙醇中清洗，并干燥处理，完成金属电路的制备。
2.根据权利要求1所述的利用激光等离子体溅射在玻璃上制备金属电路的方法，其特征在于：步骤1中，所述透明玻璃片是成分为硅酸盐复盐的玻璃片或石英玻璃片。
3.根据权利要求1所述的利用激光等离子体溅射在玻璃上制备金属电路的方法，其特征在于：步骤1中，透明玻璃片与金属靶材的间隔为50～100μm。
4.根据权利要求1所述的利用激光等离子体溅射在玻璃上制备金属电路的方法，其特征在于：步骤1中，采用的激光器是波长为1064nm、脉宽为7ns的光纤激光器；所述激光器的激光扫描速度为300～500mm/s，平均功率为18～20w，频率为20～50kHz；所述激光器的激光扫描路径的间距为3～10μm；所述激光器的激光焦点位置控制在金属靶材的上表面。
5.根据权利要求1所述的利用激光等离子体溅射在玻璃上制备金属电路的方法，其特征在于：步骤2中，采用激光器的扫描速度为300～500mm/s，平均功率为5～10w，频率为20～50kHz；所述激光器的激光扫描路径的间距为5～10μm；所述激光器的激光焦点控制在玻璃片的上表面。
6.根据权利要求1所述的利用激光等离子体溅射在玻璃上制备金属电路的方法，其特征在于：步骤3中，所述把步骤2得到的透明玻璃片置于氢气环境中并进行加热处理是指：把步骤2得到的透明玻璃片放入高温烧结炉中，通入氢气，并加热到500℃，并进行保温一个小时。
7.根据权利要求1所述的利用激光等离子体溅射在玻璃上制备金属电路的方法，其特征在于：所述金属靶材为铜靶材。
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