“激光微納制造”超快激光—微電/光互連之利器

　　一、背景介紹

　　超短脈沖激光一般是指時(shí)間寬度小于10-12秒的激光脈沖，其具有脈寬窄、峰值功率高的特點(diǎn)。隨著電子和信息器件集成度的提高，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低損傷和高可靠性的電/光互連已成為研究熱點(diǎn)之一，與傳統(tǒng)的電子束加工和連續(xù)激光加工相比，超短脈沖激光加工由于具有無(wú)需真空環(huán)境、非接觸、加工靈活、加工材料類型廣及冷加工等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)金屬、透明介質(zhì)等材料在零維到三維之間的加工。超短脈沖激光實(shí)現(xiàn)互連可利用了多光子還原、光動(dòng)力組裝、激光誘導(dǎo)表面等離子共振、雙光子聚合和材料相變等原理。

　　將超短脈沖激光應(yīng)用在微電/光互連領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)高精度材料生長(zhǎng)、改性和去除等不同形式的加工，具有良好的材料適應(yīng)性和工藝兼容性，已成為近年來(lái)先進(jìn)制造的新興關(guān)鍵技術(shù)。

　　二、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

　　1、電互連

　　導(dǎo)電材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為零維、一維和二維材料。常用的零維材料有納米顆粒，一維材料有納米棒和納米線，二維材料主要有石墨烯等。目前，超短脈沖激光實(shí)現(xiàn)零維材料的電互聯(lián)主要有三種方法：多光子還原法、光動(dòng)力組裝法和燒結(jié)法，如圖1所示。

　　飛秒激光多光子還原法主要是利用聚焦光斑與前驅(qū)體溶液發(fā)生非線性作用，將金屬離子還原成金屬原子，原子的團(tuán)聚形成納米顆粒，如圖1(a)所示。光動(dòng)力組裝法是利用光鑷原理對(duì)金屬納米顆粒進(jìn)行捕獲，實(shí)現(xiàn)納米導(dǎo)線的連接方法，如圖1(b)所示。飛秒激光燒結(jié)主要是通過(guò)強(qiáng)激光激發(fā)金屬納米顆粒的等離子體共振效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬納米顆粒的燒結(jié)，如圖1(c)所示。

　　圖1 零維材料的電互連方法。(a)多光子還原法;(b)光動(dòng)力組裝法;(c)燒結(jié)法

　　這三種方法各有優(yōu)勢(shì)和不足，多光子還原法的是可實(shí)現(xiàn)三維導(dǎo)電材料的高精度加工，但目前制備的導(dǎo)電材料主要是貴金屬。光動(dòng)力組裝法主要解決了金屬離子的遷移問(wèn)題，利用金屬納米膠體實(shí)現(xiàn)二維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的加工。燒結(jié)法主要是在二維平面上實(shí)現(xiàn)電連接，可對(duì)銅和鎳等金屬進(jìn)行加工，而不僅僅局限于貴金屬。但燒結(jié)法目前需要解決的是在加工過(guò)程中導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的氧化問(wèn)題。

　　在一維納米線電互連中，飛秒激光可實(shí)現(xiàn)納米線之間或納米線與襯底之間的連接。在特定激光能量輻照下，納米線末端或搭接的間隙處會(huì)出現(xiàn)局部等離子體共振，產(chǎn)生局部高溫，可實(shí)現(xiàn)納米線的連接、切割或去除。如圖2所示，利用飛秒激光輻照引起的局部等離子體共振可實(shí)現(xiàn)銀納米線節(jié)點(diǎn)處的焊接，降低納米線間的接觸電阻，提高銀納米線透明導(dǎo)電膜的導(dǎo)電性。此外，飛秒激光還可實(shí)現(xiàn)銀納米線與TiO2納米線等異種一維材料的焊接。

　　圖2 一維納米線材料的焊接。(a)焊接示意圖;(b)焊接前納米線節(jié)點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)分布;(c)焊接后納米線節(jié)點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)分布;(d)焊接前納米線形貌;(e)焊接后納米線形貌

　　在二維材料電互連中，飛秒激光直寫(xiě)可誘導(dǎo)還原氧化石墨烯用于電極的修復(fù)或調(diào)整。飛秒激光在實(shí)現(xiàn)一維或二維材料的電互連中，具有熱沖擊小、對(duì)基片幾乎無(wú)熱損傷、加工分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，該方法在柔性電子器件和功能微納器件的制造中具有重要的應(yīng)用前景。

　　2、光互連

　　在光互連中，飛秒激光改性處理常常會(huì)引起玻璃和晶體材料的折射率變化，如圖3(a)所示。利用超快激光改性法加工的波導(dǎo)通常可分為三類：在飛秒激光作用下折射率增大的被稱為Ⅰ型波導(dǎo)，折射率減小的被稱為Ⅱ型波導(dǎo)或Ⅲ型波導(dǎo)，其中Ⅱ型波導(dǎo)以雙線型波導(dǎo)為主，Ⅲ型波導(dǎo)以凹陷包層波導(dǎo)為主。一般情況下，Ⅱ型波導(dǎo)只能引導(dǎo)一種偏振模式的光傳輸，在互連上有一定的局限性。與Ⅱ型波導(dǎo)相似，Ⅲ型波導(dǎo)的導(dǎo)光區(qū)也不會(huì)受到激光輻射，這使得Ⅲ型波導(dǎo)不僅保持了晶體材料的原本屬性，而且表現(xiàn)出了偏振不相關(guān)性，在光互連領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

　　與飛秒激光改性相比，雙光子聚合可以制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，如圖3(b)。并且通過(guò)退火處理能有效降低波導(dǎo)損耗，同時(shí)可通過(guò)光束整形技術(shù)提高波導(dǎo)的加工效率。

　　在光互連中，飛秒激光已經(jīng)可以制備耦合器、分束器和微透鏡等分立元器件，但復(fù)雜光器件的制造仍需要進(jìn)一步研究，如片上光源、調(diào)制器和探測(cè)器組件。

　　圖3 超快激光光互連方法。(a)改性法;(b)雙光子聚合法

　　3、總結(jié)

　　隨著超短脈沖激光加工在微電/光互連領(lǐng)域的發(fā)展，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)金屬、透明介質(zhì)等材料從零維到三維的加工。雖然其加工的結(jié)構(gòu)尺寸最小可達(dá)到亞微米級(jí)別，突破衍射極限，但進(jìn)一步減小特征尺寸、降低其電阻率或傳輸損耗、提高抗氧化性和加工效率仍然是電/光互連面臨的挑戰(zhàn)。隨著對(duì)超短脈沖激光加工的深入理解，相關(guān)技術(shù)必將在微電/光互連領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

　　參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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