“激光微納制造”超快激光—微電/光互連之利器

更新時間：2025-07-31

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　　一、背景介紹

　　超短脈沖激光一般是指時間寬度小于10-12秒的激光脈沖，其具有脈寬窄、峰值功率高的特點。隨著電子和信息器件集成度的提高，實現(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，可以實現(xiàn)金屬、透明介質(zhì)等材料在零維到三維之間的加工。超短脈沖激光實現(xiàn)互連可利用了多光子還原、光動力組裝、激光誘導表面等離子共振、雙光子聚合和材料相變等原理。

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

　　二、關(guān)鍵技術(shù)進展

　　1、電互連

　　導電材料根據(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，原子的團聚形成納米顆粒，如圖1(a)所示。光動力組裝法是利用光鑷原理對金屬納米顆粒進行捕獲，實現(xiàn)納米導線的連接方法，如圖1(b)所示。飛秒激光燒結(jié)主要是通過強激光激發(fā)金屬納米顆粒的等離子體共振效應來實現(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)光動力組裝法;(c)燒結(jié)法

　　這三種方法各有優(yōu)勢和不足，多光子還原法的是可實現(xiàn)三維導電材料的高精度加工，但目前制備的導電材料主要是貴金屬。光動力組裝法主要解決了金屬離子的遷移問題，利用金屬納米膠體實現(xiàn)二維導電結(jié)構(gòu)的加工。燒結(jié)法主要是在二維平面上實現(xiàn)電連接，可對銅和鎳等金屬進行加工，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程中導電結(jié)構(gòu)的氧化問題。

　　在一維納米線電互連中，飛秒激光可實現(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出現(xiàn)局部等離子體共振，產(chǎn)生局部高溫，可實現(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現(xiàn)銀納米線節(jié)點處的焊接，降低納米線間的接觸電阻，提高銀納米線透明導電膜的導電性。此外，飛秒激光還可實現(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)點處的場強分布;(c)焊接后納米線節(jié)點處的場強分布;(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，飛秒激光直寫可誘導還原氧化石墨烯用于電極的修復或調(diào)整。飛秒激光在實現(xiàn)一維或二維材料的電互連中，具有熱沖擊小、對基片幾乎無熱損傷、加工分辨率高等優(yōu)點。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用前景。

　　2、光互連

　　在光互連中，飛秒激光改性處理常常會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，折射率減小的被稱為Ⅱ型波導或Ⅲ型波導，其中Ⅱ型波導以雙線型波導為主，Ⅲ型波導以凹陷包層波導為主。一般情況下，Ⅱ型波導只能引導一種偏振模式的光傳輸，在互連上有一定的局限性。與Ⅱ型波導相似，Ⅲ型波導的導光區(qū)也不會受到激光輻射，這使得Ⅲ型波導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，在光互連領域展現(xiàn)出良好的應用前景。

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

　　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，但復雜光器件的制造仍需要進一步研究，如片上光源、調(diào)制器和探測器組件。

　　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/光互連領域的發(fā)展，目前已經(jīng)可以實現(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)尺寸最小可達到亞微米級別，突破衍射極限，但進一步減小特征尺寸、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/光互連領域發(fā)揮更大的作用。

　　參考文獻：中國光學期刊網(wǎng)

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