本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法，它是將藍光激光器輸出的激光光束聚焦到銀鹽感光薄膜上，并對銀鹽感光薄膜進行二維掃描直寫曝光得到由銀線構(gòu)成的金屬微結(jié)構(gòu)圖形，然后對銀鹽感光薄膜進行清洗。本發(fā)明專利技術(shù)可在曝光中即可直接一步生成銀線，大大減少了加工環(huán)節(jié)。本發(fā)明專利技術(shù)方法具有工藝簡單，設(shè)備成本低和加工成本低的特點，可方便地更改所加工金屬微結(jié)構(gòu)的參數(shù)，適用于微波波段和太赫茲波段超材料的加工。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于激光微加工領(lǐng)域，涉及一種在非金屬基底上加工金屬微米線或由金屬微米線構(gòu)成的一維或二維金屬微結(jié)構(gòu)的方法，可用于諸如微波波段和太赫茲波段超材料等的制備。
技術(shù)介紹
金屬微米線一般附著在非金屬基底上，厚度為幾百納米到幾十微米，寬度為一微米到數(shù)百微米，通常用于構(gòu)成一維或二維金屬微結(jié)構(gòu)。金屬線寬的大小決定了金屬微結(jié)構(gòu)的精細程度和應(yīng)用領(lǐng)域。線寬50 μ m以上的金屬線通常用于制作傳感器件或顯示器件的電極，如電阻應(yīng)變片金屬柵，觸摸屏和液晶顯示屏的電極陣列等。線寬50 μ m以下的金屬線一般用于微波波段和太赫茲波段超材料的加工。超材料是一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。其超常性質(zhì)主要是指負介電常數(shù)和負磁導率所帶來的負折射率、梯度折射率、隱身、帶通特性等。決定這些超常性質(zhì)的關(guān)鍵不是具體的組成材料，而是這些材料所排列的特殊的有序結(jié)構(gòu)。一般需要尺寸在電磁波波長范圍內(nèi)的特定結(jié)構(gòu)進行周期性排列來構(gòu)成所需的有序結(jié)構(gòu)。對于太赫茲波段和微波波段，對應(yīng)的超材料中金屬微結(jié)構(gòu)單元的大小都在幾十到幾百微米量級，其內(nèi)部線寬則在微米量級，加工難度較大。目前比較成熟的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法有凸版印刷，靜電轉(zhuǎn)印、化學蝕刻和光刻等。其中凸版印刷、靜電轉(zhuǎn)印和化學蝕刻方法工藝相對簡單，成本較低且適應(yīng)于大規(guī)模生產(chǎn)，被廣泛用于金屬微型導線和電極的生產(chǎn)。但是受限于工藝本身，它們所生產(chǎn)的金屬線寬較粗，一般都大于50 μ m,無法進行精細結(jié)構(gòu)的加工。光刻是一種成熟的微結(jié)構(gòu)加工方法,金屬和非金屬都可以加工，加工線寬為微到納米級。光刻實際是通過對光刻膠的處理來間接處理金屬。一般做法是在金屬膜層上涂敷光刻膠后進行曝光、顯影和刻蝕，有光刻膠覆蓋的金屬得到保護，沒有光刻膠覆蓋的金屬被刻蝕掉，最后去掉殘留的光刻膠得到金屬微結(jié)構(gòu)。中間還要進行相應(yīng)的清洗和烘干。這些步驟大多需要精密的控制、較長的時間和較高的質(zhì)量要求，相關(guān)設(shè)備成本較高。因此光刻技術(shù)具有步驟繁冗、工藝復(fù)雜、耗時長、設(shè)備昂貴的特點。由于是間接處理金屬，刻蝕后才可對加工質(zhì)量進行評價，加工過程中無法對缺陷進行修補，更無法在加工過程中隨時更改所加工金屬微結(jié)構(gòu)的參數(shù)。同時由于工藝的限制，所加工金屬微結(jié)構(gòu)的厚度較薄，更適用于光學波段金屬微結(jié)構(gòu)的加工。光刻中通常使用紫外激光器作為曝光光源。325nm氦鎘(HeCd)激光器和248nm氟化氪(KrF)準分子激光器是最常用的光源,其他如266nm或355nm半導體泵浦YAG調(diào)Q激光器、351nm氬離子激光器也見使用。紫外激光器不僅系統(tǒng)復(fù)雜、價格高昂，而且由于轉(zhuǎn)換效率低，激光器運行時需要較高的能耗，導致加工時間較長時，加工成本變高。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供，從而在曝光中即可直接一步生成銀線，大大減少了加工環(huán)節(jié)。為實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)所采取的技術(shù)方案為: 本專利技術(shù)基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法為:將藍光激光器輸出的激光光束聚焦到銀鹽感光薄膜上，并對所述銀鹽感光薄膜進行二維掃描直寫曝光得到由銀線構(gòu)成的金屬微結(jié)構(gòu)圖形，然后對銀鹽感光薄膜進行清洗。進一步地，本專利技術(shù)所述銀鹽感光薄膜為硝酸銀感光薄膜。進一步地，本專利技術(shù)所述藍光激光器所輸出的激光的波長為400nnT450nm。進一步地，本專利技術(shù)所述藍光激光器為半導體激光器。進一步地，本專利技術(shù)所述激光光束為基模光束。進一步地，本專利技術(shù)若所述銀線的寬度小于預(yù)定值，則將激光光束的聚焦焦距調(diào)大直至銀線的寬度等于預(yù)定值；若所述銀線的寬度大于預(yù)定值，則將激光光束的聚焦焦距調(diào)小直至銀線的寬度等于預(yù)定值。進一步地，本專利技術(shù)若所述銀線的寬度小于預(yù)定值，則將所述藍光激光器的輸出功率調(diào)大直至銀線的寬度等于預(yù)定值；若所述銀線的寬度大于預(yù)定值，則將所述藍光激光器的輸出功率調(diào)小直至銀線的寬度等于預(yù)定值。進一步地，本專利技術(shù)若所述銀線的寬度小于預(yù)定值，則將所述二維掃描的掃描速度降低直至銀線的寬度等于預(yù)定值；若所述銀線的寬度大于預(yù)定值，則將所述二維掃描的掃描速度提高直至銀線的寬度等于預(yù)定值。進一步地，本專利技術(shù)所述硝酸銀感光薄膜是由硝酸銀和催化成膜劑的混合溶液均勻涂布在非金屬基片上進行干燥而成。進一步地，本專利技術(shù)所述催化成膜劑為聚乙烯醇、聚維酮、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇縮丁醛。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果是: (I)本專利技術(shù)選用銀鹽作為感光材料。曝光中硝酸銀見光分解，產(chǎn)生的銀粒子直接組成銀線，銀的寬度等于或略小于激光焦斑。不同于光刻中需要經(jīng)過曝光、顯影、刻蝕等諸多工藝流程才能完成金屬結(jié)構(gòu)的加工，本專利技術(shù)在曝光中即可直接一步生成銀線，大大減少了加工環(huán)節(jié)，工藝流程簡單，可大幅降低設(shè)備成本和加工成本。(2)本專利技術(shù)曝光時直接生成銀線，可以在加工過程中通過顯微鏡(使用紅光照明)直接觀察到所加工的金屬圖形，從而對加工過程中的質(zhì)量進行控制，可以方便地對加工中的圖形進行修補，也可隨時改變所加工金屬微結(jié)構(gòu)的參數(shù)并觀察修改效果，所以本專利技術(shù)相對光刻等方法比較靈活。(3)本專利技術(shù)選用藍光半導體激光器作為曝光光源，不同于光刻中使用的紫外激光器，藍光半導體激光器價格便宜，能量轉(zhuǎn)換效率較高，能耗低，可大幅降低設(shè)備成本和加工成本。同時激光器維護簡單，體積小，易于系統(tǒng)集成。(4)本專利技術(shù)能夠用于加工f 100 μ m寬度，0.5飛μ m厚度的銀線，并可通過化學鍍等方法增加厚度至20 μ m。采用直寫曝光銀鹽直接生成銀線，可方便地更改所加工金屬微結(jié)構(gòu)的參數(shù)，采用藍光半導體激光器作為光源，設(shè)備成本和加工成本低，在微波波段和太赫茲波段超材料等的加工領(lǐng)域有應(yīng)用前景。附圖說明圖1是本專利技術(shù)的一個實施例中所用的曝光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖2是在本專利技術(shù)的一個實施例中加工得到的金屬微結(jié)構(gòu)的局部的顯微照片。具體實施例方式本專利技術(shù)加工方法在具體實施過程中的關(guān)鍵是實現(xiàn)感光薄膜的直寫曝光。曝光過程可使用具有二維掃描功能的平移臺在垂直于激光照射方向的平面上移動銀鹽感光薄膜，移動軌跡上的銀鹽(如硝酸銀)得到曝光發(fā)生分解，即可在薄膜上加工成一條銀線；使用計算機控制平移臺在此平面進行二維掃描的同時，通過在預(yù)定的位置控制激光器的開關(guān)，即可得到由銀線構(gòu)成的所需金屬微結(jié)構(gòu)圖形。曝光中使用的光源為藍光半導體激光器。按照所輸出激光的波長進行區(qū)分，藍光半導體激光器可分為400nm、405nm、430nm、450nm等多種型號。其中輸出激光波長為405nm和450nm的半導體激光器最為常見。一般半導體激光器的輸出模式為連續(xù)輸出，并可方便地被計算機通過調(diào)制器控制其是否輸出激光。選用半導體激光器輸出激光中的基模光束進行曝光，可以獲得更小的銀線寬，進一步提高金屬微結(jié)構(gòu)精細度。在加工過程中，可通過改變聚焦系統(tǒng)的焦距、激光器的輸出功率或者二維掃描的掃描速度來實現(xiàn)對所加工銀線寬度的調(diào)整，直至銀線的寬度與預(yù)定值相等。銀線寬度的預(yù)定值由所加工的金屬微結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求決定。使用本專利技術(shù)方法時，如果將銀線寬度的預(yù)定值設(shè)置在f 100 μ m內(nèi)，則能夠使最終得到的金屬微結(jié)構(gòu)的銀線寬度控制在f 100 μ m內(nèi)。曝光所用的銀鹽感光薄膜可由銀鹽和催化成膜劑的混合溶液均勻涂布在非金屬基片上進行干燥而成。銀鹽優(yōu)選使用硝酸銀。由于硝酸銀的光解速度較慢，曝光選擇性較好，不會出現(xiàn)異常曝光導致的灰霧現(xiàn)象，最適宜用于本專利技術(shù)方法中的感光薄膜的制作。硝酸銀光解需要催化劑催化，本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于：將藍光激光器輸出的激光光束聚焦到銀鹽感光薄膜上，并對所述銀鹽感光薄膜進行二維掃描直寫曝光得到由銀線構(gòu)成的金屬微結(jié)構(gòu)圖形，然后對銀鹽感光薄膜進行清洗。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于:將藍光激光器輸出的激光光束聚焦到銀鹽感光薄膜上，并對所述銀鹽感光薄膜進行二維掃描直寫曝光得到由銀線構(gòu)成的金屬微結(jié)構(gòu)圖形，然后對銀鹽感光薄膜進行清洗。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于:所述銀鹽感光薄膜為硝酸銀感光薄膜。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法,其特征在于:所述藍光激光器所輸出的激光的波長為400nnT450nm。4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法,其特征在于:所述藍光激光器為半導體激光器。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法,其特征在于:所述激光光束為基模光束。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于藍光激光直寫的金屬微結(jié)構(gòu)加工方法,其特征在于:若所述銀線的寬度小于預(yù)定值，則將激光光束的聚焦焦距調(diào)大直至銀線的寬度等于預(yù)定值；若所述銀線的寬度大于預(yù)定值，...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉建軍，洪治，王文濤，李向軍，武東偉，
申請(專利權(quán))人：中國計量學院，
類型：發(fā)明
國別省市：
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