一种基于蓝光激光直写的金属微结构加工方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术可在曝光中即可直接一步生成银线，大大减少了加工环节。本发明专利技术方法具有工艺简单，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，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，本专利技术所采取的技术方案为: 本专利技术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，本专利技术所述银盐感光薄膜为硝酸银感光薄膜。进一步地，本专利技术所述蓝光激光器所输出的激光的波长为400nnT450nm。进一步地，本专利技术所述蓝光激光器为半导体激光器。进一步地，本专利技术所述激光光束为基模光束。进一步地，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术的有益效果是: (I)本专利技术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，本专利技术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)本专利技术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，所以本专利技术相对光刻等方法比较灵活。(3)本专利技术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)本专利技术能够用于加工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。附图说明图1是本专利技术的一个实施例中所用的曝光系统的结构示意 图2是在本专利技术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。具体实施例方式本专利技术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。使用本专利技术方法时，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，最适宜用于本专利技术方法中的感光薄膜的制作。硝酸银光解需要催化剂催化，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建军，洪治，王文涛，李向军，武东伟，
申请(专利权)人：中国计量学院，
类型：发明
国别省市：