崔佳琪，謝小柱，黃亞軍，李兆艷，羅宇航，龍江游

（1 廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，廣州 510006）

（2 廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，激光微納加工研究中心，廣州 510006）

（3 廣東工業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，廣州 510006）

0 引言

近年來，激光加工技術(shù)在集成電路、光電子器件、半導(dǎo)體器件以及醫(yī)療航天等領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色［1-4］。利用激光選擇性誘導(dǎo)金屬薄膜制備微結(jié)構(gòu)在工業(yè)、國(guó)防、通信、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如電路板和光電設(shè)備的制造、微電子系統(tǒng)和太陽能電池的制備［5-7］。如何獲得更高的加工質(zhì)量和加工效率，并滿足各種材料或結(jié)構(gòu)的加工需求成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，在透明基板上制備微電路的方法主要包括：激光誘導(dǎo)選擇性去除金屬薄膜、激光刻蝕工藝、紫外光刻、電子束光刻、激光誘導(dǎo)還原燒結(jié)以及直接墨水書寫等方法。然而刻蝕工藝、光刻技術(shù)以及墨水直寫等方法存在工藝復(fù)雜、缺乏工藝靈活性、制備的微電路電阻率高、粘附性較差、會(huì)造成環(huán)境污染等問題［8-12］。近年來制備微電路的主流方法是激光正向選擇性燒蝕金屬薄膜，例如：PAENG D 等［13，14］通過納秒激光正向選擇性去除銅薄膜制備出柔性透明導(dǎo)電電極；LEMKE A 等［15］使用皮秒激光正向選擇性去除銅銦鎵硒（CIGS）薄膜制備太陽能電池功能層；ULMEANU M 等［16］利用飛秒激光對(duì)鈷（Co，20 nm）/銅（Cu，6 nm）/鈷（Co，3 nm）三層復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了選擇性去除和圖案化。然而一些研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)在激光正向誘導(dǎo)金屬薄膜的過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)、死區(qū)或者是納米波紋，并且形成的重熔物常隆起在凹槽的邊緣處，這種情況會(huì)嚴(yán)重降低凹槽的質(zhì)量并且影響到光電特性［7，14，17-22］。所以，激光背面選擇性燒蝕的方法受到了越來越多學(xué)者的關(guān)注，即激光束首先穿過透明基板，然后照射到薄膜上進(jìn)行選擇性誘導(dǎo)燒蝕。背面燒蝕金屬薄膜和正面燒蝕的作用機(jī)理雖然相同，但是材料的噴射機(jī)制存在明顯的差異，背面去除是通過部分金屬薄膜氣化，在密閉空間產(chǎn)生的壓強(qiáng)推動(dòng)剩余金屬薄膜從透明基板上噴射出去［23，24］。因此這種去除方式能夠減小熱影響區(qū)的影響，避免重熔物的堆積，有效提高金屬微結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和光電性能。除了用于激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移工藝之外，這種獨(dú)特的燒蝕工藝已成為一種新型的金屬薄膜微結(jié)構(gòu)的制備方法。一些學(xué)者已經(jīng)證明了背面燒蝕的去除效率比正面燒蝕過程高一個(gè)甚至兩個(gè)數(shù)量級(jí)［5］。由此證明了背面燒蝕是一種高效、高質(zhì)量的薄膜結(jié)構(gòu)化燒蝕方法，在金屬薄膜選擇性結(jié)構(gòu)的制備中發(fā)揮著越來越大的作用。

本文以窄脈寬激光去除金屬薄膜制備微槽為基礎(chǔ)，研究了激光脈沖能量以及掃描速度等工藝參數(shù)對(duì)正向和背向選擇性去除金屬薄膜的影響，詳細(xì)分析了微槽的表面形貌，結(jié)合窄脈寬激光選擇性去除金屬薄膜的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果，從實(shí)驗(yàn)和理論的角度揭示正、背面去除的燒蝕機(jī)理和材料的去除機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，制備出具有高表面質(zhì)量的Cu 陣列圖案以及良好導(dǎo)電性的復(fù)雜微電路。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

圖1（a）顯示了實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。使用波長(zhǎng)為532 nm，脈沖重復(fù)頻率為1 kHz，脈沖持續(xù)時(shí)間為1.8 ns，最大輸出能量為1 μJ 的MAC 系列微片激光器（MCA-1-8-50，Real Light）作為激光源。激光功率和偏振狀態(tài)由λ/2 波片和偏振立方分束器（Polarization Beam Splitter，PBS）控制。4×擴(kuò)束鏡用于將激光束從2 mm擴(kuò)展到8 mm（1/e2）。激光束經(jīng)過偏振和擴(kuò)束，并通過兩個(gè)平面鏡引導(dǎo)到二向色鏡。最后，窄脈寬激光通過一個(gè)20 倍顯微鏡物鏡（M Plan APO 20，NA=0.42）聚焦在樣品上，根據(jù)公式ω0=0.61λ/NA 計(jì)算出高斯光束聚焦點(diǎn)的半徑約為0.773 μm，其中λ代表激光的波長(zhǎng)，NA 代表數(shù)值孔徑。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)以及正背面燒蝕銅薄膜示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus and the rear and front side ablation of Cu film

樣品由1 mm 厚的紫外級(jí)石英玻璃（型號(hào)為JGS1）和通過磁控濺射制備的銅薄膜（厚度為150 nm）組成，并且使用手動(dòng)三軸臺(tái)的定制夾具將樣品固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上面。通過調(diào)整Z軸平臺(tái)和同軸CCD 相機(jī)，焦點(diǎn)被精確地設(shè)置在玻璃基板—銅薄膜的界面上。實(shí)驗(yàn)過程通過CCD 同軸攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 激光能量和掃描速度對(duì)正、背面燒蝕金屬薄膜的影響

圖2 顯示了激光脈沖能量分別為0.072 μJ、0.155 μJ、0.27 μJ、0.403 μJ 和0.542 μJ 時(shí)，正面和背面燒蝕微溝槽的寬度隨著掃描速度的變化。通過對(duì)比同一掃描速度下凹槽寬度與激光脈沖能量的關(guān)系，可以得出正面和背面去除時(shí)凹槽寬度隨著激光脈沖能量的增大而增大。當(dāng)激光能量增大到一定值時(shí)，凹槽寬度逐漸達(dá)到一定水平，之后保持穩(wěn)定。對(duì)于正面燒蝕，凹槽的寬度隨著掃描速度的增加而減??；而背面燒蝕時(shí)，凹槽寬度對(duì)掃描速度不敏感，隨著掃描速度的增大，凹槽寬度無明顯變化。這種現(xiàn)象是由不同的材料去除機(jī)制引起的。在正面燒蝕過程中，材料去除是由蒸發(fā)氣化引起的，而背面燒蝕中，Cu 薄膜的蒸發(fā)氣化首先發(fā)生在Cu 薄膜和玻璃基板之間的封閉空間，隨著壓力的增大，Cu 薄膜膨脹進(jìn)而被剝離，導(dǎo)致Cu 薄膜的去除，因此凹槽寬度對(duì)背面燒蝕中激光的掃描速度不敏感［5，25］。由于背面去除中凹槽寬度與激光掃描速度無關(guān)，可以通過改變激光掃描速度改善凹槽的邊緣形態(tài)，進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)。

圖2 納秒激光高斯光束在0.5～2.5 mm/s 掃描速度和0.072～0.542 μJ 脈沖能量下燒蝕的微凹槽寬度Fig.2 The widths of micro-grooves ablated by ns laser Gaussian beam at the scan speed from 0.5 to 2.5 mm/s and pulse energy from 0.072 to 0.542 μJ

從圖3 可以看到激光從玻璃基板照射金屬薄膜去除的凹槽比從正面照射去除的凹槽窄，這與激光功率的變化無關(guān)，兩種激光燒蝕方法之間的凹槽寬度差異可歸因于不同的光束傳播和材料去除過程。在正面燒蝕中，激光束照射在Cu 薄膜的表面，沿著激光的掃描軌跡，Cu 薄膜蒸發(fā)形成微槽。在背面燒蝕中，Cu 薄膜發(fā)生非線性吸收過程。開始時(shí)，只有靠近玻璃的薄層Cu 被燒蝕，并且由于Cu 的氣化，在Cu 薄膜層和玻璃基板之間的密閉空間形成高壓。然后，隨著脈沖數(shù)量的增加，壓力增加，Cu 薄膜的外層最終將完全剝離［1，5，26］。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，背面燒蝕應(yīng)該是在Cu 薄膜圖案化過程中獲得更窄凹槽的去除方法。

圖3 相同條件下2 mm/s 掃描速度、不同脈沖能量下的正背面去除對(duì)比Fig.3 Comparison diagram of front and rear ablation under the same conditions at the scan speed 2 mm/s and different pulse energy

除了可以得到更窄的凹槽，背面去除制備的凹槽邊緣線與正面去除相比更平整、濺射物較少，并且邊緣沒有熔融物的堆積，如圖4 所示。這是由于背面燒蝕時(shí)，激光輻射通過透明基板傳輸，并在金屬薄膜和基板之間的界面處被吸收。銅在綠光波段的激光輻射光學(xué)穿透深度小于銅薄膜的厚度，由于空間封閉所以蒸發(fā)的材料不能直接噴射，引起壓力增加，從而導(dǎo)致剩余金屬薄膜膨脹。如果蒸發(fā)材料的壓力超過銅薄膜的拉伸應(yīng)力，則剩余金屬薄膜被剪切掉并沖出完整的金屬盤［26］。在這種燒蝕機(jī)制中，不會(huì)發(fā)生諸如熔體殘留物之類的熱效應(yīng)。

圖4 正、背面去除的SEM 圖像Fig.4 SEM image of the front and rear side ablation

此外，激光脈沖能量為0.403 μJ 時(shí)，燒蝕區(qū)域的深度約為150 nm，正好等于Cu 薄膜的厚度。這表明玻璃基板上的Cu 薄膜被完全去除且玻璃基板沒有損傷。這對(duì)于實(shí)際電子器件的電子隔離和光電性能至關(guān)重要。因此，在本課題組現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，背面燒蝕制備的金屬薄膜微結(jié)構(gòu)具有更好的質(zhì)量。

2.2 窄脈寬激光正背面燒蝕金屬薄膜的溫度場(chǎng)仿真

為研究納秒激光正背面選擇性去除金屬薄膜的燒蝕機(jī)制以及材料的噴射過程，采用有限元法對(duì)激光正向和背向輻照金屬薄膜的局部溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。考慮到激光能量分布以及幾何模型的軸對(duì)稱特點(diǎn)，選用二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行仿真計(jì)算。構(gòu)建仿真模型時(shí)采用面熱源模擬激光脈沖的熱效應(yīng)，根據(jù)激光器參數(shù)選擇高斯分布的熱源模型，即采用高斯函數(shù)來描述光斑上熱流密度。

式中，q（r）為距離光斑中心r處的熱流密度，η為激光的吸收系數(shù)，由于銅薄膜在室溫條件下被532 nm 激光輻照，所以η=0.38，E為激光脈沖能量，τ為激光脈寬，取1.8 ns，d為激光光斑半徑，取0.773 μm。

溫度場(chǎng)模型的控制方程為

式中，C為材料比熱容，T為材料溫度，t為時(shí)間，k為熱導(dǎo)率，H為熱源項(xiàng)，設(shè)置初始條件為T=293.15 K。由于激光脈沖的作用時(shí)間極短，忽略銅薄膜與約束層的熱傳導(dǎo)，所有邊界均采用熱對(duì)流邊界條件為

式中，h為對(duì)流換熱系數(shù)，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，ε為工件輻射率，T0為環(huán)境溫度，取為室溫300 K。由于銅薄膜會(huì)產(chǎn)生相變，計(jì)算過程中需要考慮相變所需要的熔化和汽化潛熱，具體參數(shù)見表1。

表1 銅的熱物理特性參數(shù)Table 1 Thermo-physical properties of copper

通過參數(shù)和計(jì)算公式，利用COMSOL 軟件仿真出激光正面和背面燒蝕的溫度場(chǎng)。圖5 為激光脈沖能量為0.083 μJ 時(shí)，窄脈寬納秒激光正向和背向選擇性燒蝕Cu 薄膜的情況下，Cu 薄膜表面溫度隨激光輻照時(shí)間的變化。從圖中可以看出激光脈沖能量為0.083 μJ 時(shí)，已經(jīng)達(dá)到正面燒蝕的氣化溫度，正面燒蝕的Cu 薄膜開始?xì)饣欢趁鏌g的Cu 薄膜還未達(dá)到氣化溫度。這是因?yàn)楸趁嫒コ倪^程中，激光束首先穿過基板，然后在基板-薄膜界面處照射位于透明基板上的金屬薄膜，在此過程中玻璃基板會(huì)吸收部分能量造成能量的損失。

圖5 脈沖能量為0.083 μJ 時(shí)，正背面燒蝕Cu 薄膜的仿真溫度場(chǎng)Fig.5 Simulated temperature field of ablation Cu film on the front and rear side at a pulse energy of 0.083 μJ

為了驗(yàn)證仿真模型的可靠性，設(shè)定脈沖能量分別為0.072 μJ（小于0.083 μJ）和0.155 μJ（大于0.083 μJ），使用單脈沖能量正背面燒蝕Cu 薄膜，利用光學(xué)顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡觀察燒蝕坑的表面形貌。圖6 為脈沖能量為0.072 μJ 和0.155 μJ 時(shí)，使用單脈沖能量正背面燒蝕Cu 薄膜的表面形貌。從圖6（a）（c）和（e）（g）中可以看出當(dāng)脈沖能量小于0.083 μJ 時(shí)，正面燒蝕（圖6（a））的Cu 薄膜處于熔融狀態(tài)，有重熔物的堆積；而背面燒蝕（圖6（e））的Cu 薄膜未達(dá)到沸點(diǎn)，無重熔物的堆積。上述結(jié)果與圖5 中溫度場(chǎng)的仿真結(jié)果相對(duì)應(yīng)，這是由于激光的入射方向不同，從而導(dǎo)致背面入射的激光束能量在穿過玻璃基板過程中產(chǎn)生衰減。隨著脈沖能量增大至0.155 μJ，此時(shí)的激光束能量遠(yuǎn)大于Cu 薄膜的氣化溫度。從圖6（b）（d）和（f）（h）可以看到正背面燒蝕均發(fā)生氣化蒸發(fā)，從圖6（b）看出正面去除的凹坑邊緣有重熔物的堆積，邊緣有部分凸起，而圖6（f）背面去除的凹坑邊緣平整，無重熔物的堆積，這是由于正背面去除的材料噴射機(jī)制不同造成的。

圖6 脈沖能量為0.072 μJ 和0.155 μJ 時(shí)，正背面單脈沖燒蝕Cu 薄膜的表面形貌Fig.6 The surface morphology of Cu film by the single pulse on the front and rear side ablation at the pulse energy of 0.072 μJ and 0.155 μJ

當(dāng)激光輻照時(shí)間為3.9 ns 時(shí)，激光透過玻璃基板照射至玻璃基板-銅薄膜處，靠近玻璃基板處的Cu 薄膜達(dá)到沸點(diǎn)，該溫度足以使Cu 薄膜被燒蝕氣化，但是處于封閉空間不能直接噴射，隨著激光輻照時(shí)間的增加，氣化區(qū)域壓力增加，導(dǎo)致剩余熔化的金屬薄膜膨脹。當(dāng)金屬薄膜膨脹的壓力大于銅薄膜的拉伸應(yīng)力時(shí)，剩余金屬薄膜會(huì)被剪切掉噴射出去，從而在背面燒蝕中，不會(huì)發(fā)生邊緣殘留物等熱效應(yīng)，制備的金屬薄膜微結(jié)構(gòu)具有更好的質(zhì)量，如圖7（a）所示。而正面燒蝕的過程中，激光直接燒蝕銅薄膜表面，當(dāng)輻照時(shí)間為3.9 ns時(shí)，Cu 薄膜表面被激光輻照的區(qū)域發(fā)生蒸發(fā)，而激光光斑邊緣處的區(qū)域還未達(dá)到沸點(diǎn)，處于熔融狀態(tài)呈液態(tài)，剩余區(qū)域還未達(dá)到熔點(diǎn)處于固態(tài)銅，如圖7（b）所示。沿著激光掃描方向，Cu 薄膜蒸發(fā)形成微凹槽，但是在激光掃描的過程中會(huì)導(dǎo)致激光輻照邊緣熔化的Cu 在凹槽兩側(cè)形成重熔物，堆積在凹槽邊緣處。不僅會(huì)導(dǎo)致較多的濺射物，而且影響凹槽兩側(cè)陡峭邊緣的形成，嚴(yán)重影響微結(jié)構(gòu)的表面形貌和質(zhì)量。

圖7 燒蝕時(shí)間為3.9 ns 時(shí)，納秒激光燒蝕Cu 薄膜的仿真溫度場(chǎng)Fig.7 Simulated temperature field of ablation Cu film on the front and rear side at 3.9 ns

2.3 激光背向選擇性去除Cu 薄膜制備微電路

由于具有出色的光學(xué)和電學(xué)性能，在透明基板上制備金屬微電路廣泛應(yīng)用于光電子、太陽能電池等領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用前景。經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算，證明了背面燒蝕優(yōu)于正面燒蝕，并且利用窄脈寬激光背面選擇性去除銅薄膜制備出邊緣筆直陡峭、幾乎無濺射以及去除干凈的微凹槽。為了驗(yàn)證上述金屬化方法的可行性，使用優(yōu)化后的參數(shù)在玻璃基板上背向選擇性去除Cu 薄膜制備出均勻分布的陣列圖案（如圖8所示）以及復(fù)雜的微電路圖案（如圖9 所示）。

圖8 激光背面去除制備Cu 陣列Fig.8 Cu array are prepared by laser induced rear side ablation

圖9 激光背向選擇性去除制備復(fù)雜微電路Fig.9 Complex microcircuits are prepared by laser induced rear side selective ablation

由背面去除制備微凹槽的實(shí)驗(yàn)可以得知，背面去除過程中激光掃描速度對(duì)凹槽寬度無明顯影響，通過調(diào)節(jié)掃描速度進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，可以有效提高微結(jié)構(gòu)的3D 形貌和質(zhì)量。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光脈沖能量為0.403 μJ，掃描速度為2 mm/s，掃描線間距為3 μm 時(shí)，窄脈寬激光背面選擇性燒蝕制備的銅陣列表面形貌良好，如圖8 所示。從圖8（a）光學(xué)顯微鏡圖像和（b）共聚焦圖像中，可以看出制備的銅線線寬均勻、邊緣陡峭筆直、濺射物較少，具有良好的形貌。利用激光橫向和縱向交叉掃描制備出Cu 體素陣列，從圖8（c）、（d）可以看出Cu 網(wǎng)格邊緣平整，幾乎無濺射物殘留。

透明基板上制備銅薄膜微電路既滿足了石英基板的高透光率和低成本的要求，又保留了銅薄膜的高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性和良好的延展性，具備良好的光電特性。當(dāng)激光脈沖能量為0.403 μJ，掃描速度為2 mm/s時(shí)，使用窄脈寬激光背向選擇性去除銅薄膜制備出復(fù)雜的微電路圖案，如圖9（a）～（h）所示。從導(dǎo)電性的角度來看，使用雙探針測(cè)量?jī)x測(cè)量微電路計(jì)算電阻率。電阻率根據(jù)等式ρ=（R·S）/L計(jì)算，其中ρ是電阻材料的電阻率（μΩ·cm）；I是電阻的長(zhǎng)度（cm）；S是電阻的橫截面積（cm2），它是從微電路的橫截面輪廓計(jì)算出來的；R是電阻（μΩ），由雙探針測(cè)量?jī)x直接測(cè)得。計(jì)算得出銅微電路的電阻率為1.81 μΩ·cm，微電路電阻率約為銅體的電阻率（約1.76 μΩ·cm），微電路具有良好的導(dǎo)電性能。然后將微電路樣品放入去離子水中超聲處理10 min 后，微電路的表面形態(tài)沒有變化，如圖9（f）～（h）。

3 結(jié)論

本文采用532 nm、1.8 ns 的激光選擇性去除透明基板上的金屬薄膜，通過光學(xué)顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡以及掃描電子顯微鏡對(duì)金屬薄膜微結(jié)構(gòu)去除深度和表面形貌進(jìn)行了表征。研究了激光正向和背向選擇性去除中脈沖能量、掃描速度等工藝參數(shù)對(duì)去除效果的影響規(guī)律，并且采用有限元法對(duì)Cu 薄膜表面的溫度場(chǎng)和相變過程進(jìn)行了仿真計(jì)算，揭示了正背面去除的燒蝕機(jī)制以及材料的噴射機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在窄脈寬激光的誘導(dǎo)下背面選擇性燒蝕金屬薄膜制備的微結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于正面燒蝕，幾乎沒有濺射物，邊緣平整度更好并且制備的微結(jié)構(gòu)尺寸更小。最終設(shè)置納秒激光單脈沖能量為0.403 μJ，掃描速度為2 mm/s，掃描線間距為3 μm，制備出均勻分布的銅陣列圖案，進(jìn)一步對(duì)玻璃基板上的銅薄膜選擇性去除從而得到導(dǎo)電性能、粘附性良好的微電路。