基于激光诱导向前转移技术直写布线工艺研究

华中科技大学硕士学位论文基于激光诱导向前转移技术直写布线工艺研究姓名：陈继文申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：曾晓雁2011-01-17I摘要近年来激光直写布线技术广泛应用于各种微电子器件制作及其电路板的制作与修复。它具有快速灵活，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。本课题研究的激光诱导向前转移技术就是一种基于膜层转移的激光直写技术。实验中我们对预置银膜进行了激光诱导直写布线研究，其主要内容工作和结果包括以下几个部分：第一，采用不同的制膜工艺自制了不同厚度的银膜。其中利用银镜反应制备了厚度为纳米级的膜层，利用旋涂烧结银浆料制备了厚度为微米级的膜层。第二，在纳米级银膜的激光转移布线实验中，我们研究了不同激光工艺参数对转移沉积导线形貌和导电性的影响。结果表明：一次转移沉积得到的导线的导电性能都很差，当接收距离为40μm，相邻脉冲之间保持约25%的搭界量时，直写导线的性能有所改善。通过增加加工转移次数可以使激光直写制备的导线的导电性能大幅提高，并详细分析了产生这种现象的原因，得出通过增大金属原膜厚度和增加加工次数都可以显著提高导线的导电性能。第三，在微米级银膜的激光转移布线实验中，我们利用355nm紫外激光加工平台直写制备了性能良好的导线。该导线不仅电阻率小于10-6Ω·m，而且与接收基板有着很好的结合力。通过该工艺方法制备的导线具有一定的实用价值。昀后我们利用355nm紫外激光微加工平台对旋涂烧结法制备的银膜进行了图案的沉积转移，成功制备了空芯平面矩形微电感。关键词：激光诱导向前转移激光直写导线工艺参数银膜IIAbstractThelaserdirectwritingtechniqueiswidelyusedinthefabricationofvariousmicroelectronicdevicesandtherepairofthecircuitboardinrecentyears.Ithasmanyadvantages,suchasfast,flexible,adaptable,green,highprecision,lowcostandsoon.Thelaser-inducedforwardtransferthatwearestudyingisalaserdirectwritingtechniquewhichbasedonthetransferofthefilms.Inthisthesis,theexperimentalstudiesontheconductivelinesusingsilverfilmsvialaser-inducedforwardtransferwerereported,themaincontentsareclassifiedasfollows:1.Thesilverfilmswithdifferentthicknesswerepreparedbythedifferentfilmmanufactureprocess.Thesilverfilmwithnanometer-scalethicknesswasfabricatedbyusingthesilvermirrorreactionandwithmicrometer-scalethicknesswasfabricatedbyusingspin-coatingandsinteringofthesilverpaste.2.Inthesilverfilmofnanometer-scalethicknesstransferexperiments,thelaserprocessingparametersandotherfactorsonthemorphologyandconductivityofconductivelineswerestudiedsystmatically.Theresultsshowthattheconductivityofthemetallineisverypoor.Whenkeepingthereceptiondistanceof40μm,25%adjacentbetweenapulseandthenextone,themorphologyofthelinesandtheconductivitywasimprovedinacertainextent.Byincreasingthenumbersoftransferandsediment,metallinesweremadewithagoodconductiveperformance.Weanalyzedofthereasonsforthisphenomenonindetail.Byincreasingthicknessoftheoriginalfilmsorthenumberoftransferring,theconductivityofthesedimentcanbesignificantlyincreased.3.Inthesilverfilmofmicrometer-scalethicknesstransferexperiments,somemetallineswithgoodperformancewerefabricatedbyusingthe355nmUVlaserdirectwritingprocessingplatform.Theconductivelinehasnotonlyaresistivitywhichlower10-6Ω·mbutalsoagoodbindingwiththereceivingsubstrate.Theconductivelinesmadebythisprocesshavesomepracticalvalue.Finally,wetransferthefilmsofmicrometer-scalethicknessusing355nmUVlasermicro-processingplatform,successfullymanufacturetherectangle-typemicroinductorwithaircore.Keywords：laser-inducedforwardtransferlaserdirectwritingconductivelineparameterssliverfilm独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于11绪论1.1前言微电子技术的迅猛发展离不开微细加工工艺技术，尤其是以激光加工为代表的微细加工工艺。由于激光具有光束发散小，能量密度高，单色性和相干性好等许多优点，自上世纪60年代世界上第一台红宝石激光器诞生以来，激光在科学研究，工业生产中发挥着举足轻重的作用，被誉为解决一切疑难问题的金钥匙[1-3]。激光和激光技术的迅猛发展也推动了诸多领域的蓬勃发展，例如消费电子，汽车制造，国防军事等。在昀近几十年，激光微加工直写布线技术已经广泛应用于各种微电子器件的制作[4]，它克服了传统制作工艺工序复杂，灵活机动性差，精度不高等缺点，十分适合于产品研发阶段对柔性小批量加工的需求[5-7]。本研究课题结合激光微加工技术，探究了一种利用激光诱导向前转移（LaserInducedForwardTransfer，简称LIFT）工艺进行直写布线的新方案。该技术方案就是将高能量的激光透过玻璃基片，作用于玻璃片上附着的待转移物质，使其在激光作用下转移沉积到邻近的另外一个接收基片上。由于该工艺与激光微加工密切相关，所以实现起来比较简便，制作的金属导线质量形貌可以方便地通过操作激光微加工平台来进行控制。该工艺与CAD/CAM激光加工技术结合，具有很好的柔性，可以实现导线的柔性加工。1.2LIFT工艺的基本原理与特点近年来激光直写布线技术越来越受到广大学者的高度关注，它具有快速灵活，适应性强，加工精度高，成本低廉，绿色环保等诸多优点，广泛应用于各种微电子器件及其电路板的制作[5-7]。激光直写布线技术特别适合于微电子产品的多样化，小批量，短周期制作[8]，被誉为是21世纪昀有工业应用前景的柔性直写布线工艺。激光直写布线技术有汽相、液相、固相三大类，其中固相法使用昀为广泛，主要有激光薄膜转移法（其中包括LIFT技术和MAPLEDW技术）、激光微熔覆技术[4]2等。本课题研究的LIFT技术就是利用激光溅射或蒸发预置膜层使其转化为原子，分子或等离子体，而后使其沉积到接收基体上[9]。它是一种添加式不接触的激光直写工艺，对接收基片损伤小，凭借其特殊的性能实现了灵活而快速的成型加工，克服了许多传统工艺无法解决的问题，在加上LIFT工艺允许在空气中，室温下，进行多种原料的转移，不需要非常苛刻的外部实验条件[10]。LIFT工艺广泛应用在微电子器件，微传感器[11]的制造中。1.2.1LIFT工艺的原理激光诱导向前转移技术原理如图1-1所示：图1-1激光诱导向前转移技术原理图首先将我们所需要转移的基质物质均匀涂抹在玻璃基片的一个面上，接收基片与基质薄膜之间保持一个非常小的间距。使激光从玻璃基片的另一面垂直入射，激光透过基片，作用在涂有基质物质的一面，激光瞬时的高能量使基质物质转移沉积到与基质表面平行的接收基片上。LIFT工艺主要由基质薄膜的脱离，转移，沉积三个环节组成。许多材料都可以作为基质物质转移到各种类型的接收基体上。一般而言，对于金属材料可以采用化学镀的方法或金属沉积将其均匀涂在基片表面上。而有机物可以先用合适的有机溶剂溶解后形成溶液，旋涂在玻璃片上，再通过减压升3温除去溶剂从而在玻璃表面形成有机膜层。1.2.2LIFT工艺的特征优势LIFT工艺是一种相对简单而又通用的添加修补式表面微成型工艺。LIFT工艺的本质是一个热力学过程，在实验转移过程中要尽量减小热影响区。激光诱导向前转移技术的优势在于：1）该工艺比较节省原材料，一个待转移膜层可供多个接收片使用，可以使转移玻璃片上的基质物质得到充分利用。2）该工艺中激光不是直接作用于目标基片，而是作用于玻璃基片上的基质材料，基质材料在激光能量的驱动下沉积到接收基片，激光能量是间接作用于接收基片。因此，它对接收基片的激光损伤要小得多。3）该工艺转移的材料选择范围比较大。基质物质实验中没有特别严格的限制，可以是金属[12]，氧化物[13-14]，聚合物[15-16]，复合物[17]，生物材料[18-19]等。4）该工艺能够在空气中进行，不需要保护气，可以在室温下进行操作，实验过程中也不产生有毒，有害性气体。1.2.3LIFT工艺的应用前景激光诱导向前转移技术作为一种新兴的激光微加工直写工艺，有望在以下两个方面得到广泛的应用。（1）电路板的生产与修复[7]传统的PCB电路板制作工艺一般都是将打印出的电路板有机膜层贴在PCB板的铜膜上，将暴露在外的金属铜用化学试剂腐蚀，昀后受到有机膜层保护的铜膜就形成PCB板中的布线，这种方法不仅大量浪费宝贵的金属资源，还对环境造成很大破环。再加上电子元器件越来越向微型化，高集成化方向发展，使得电路板制作越来越趋向于小尺寸，窄线宽，密集布线。激光诱导转移技术充分利用了激光的优点：高方向性和高精度。再结合相应的CAD/CAM控制软件可以进行复杂的柔