激光直写.docx

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激光直写

慨要

到目前为止，激光直写（LDW）技术，例如激光诱导正向传输（LIFT），选择性的激光烧蚀和金属纳米颗粒（NP）油墨层的选择性激光烧结正在接受生长注意打印均匀和定义明确的导电图案，分辨率低10微米。

 特别是对于柔性基板，广泛地选择性激光烧结这种NP图案应用，作为与大面积电子器件兼容的低温和高分辨率工艺。

 在这里工作中，银NP油墨的LDW已经在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），聚乙烯-（PEN）和聚酰亚胺（PI）基板以实现低电阻率电极。

 更多详细，高速短脉冲（皮秒和纳秒）激光器，重复率高达1MHz用于印刷（LIFT）金属NP油墨。

 我们因此实现了均匀和连续的模式为1μm最小特征尺寸和总足迹大于1平方厘米。

 接下来，印刷图案激光烧结，在532nm的ns脉冲在宽激光积分通量窗口上，产生电阻率为10厘米。

 我们进行空间光束成形实验以实现顶帽激光器强度分布，并采用薄膜（厚度约为100nm）的选择性激光烧蚀

产生具有大约10μm的分辨率和低线边缘粗糙度的银微电极。

激光烧结与激光烧蚀结合以构成完全自主的微图案技术的金属微特征，具有10米分辨率和几何特性调谐交叉电极用于传感器应用。

1.介绍

大面积电子是指有机，印刷和柔性电子产品。

 这个领域在过去十年迅速发展，由于对许多应用的增加的需求作为柔性显示器和传感器，可穿戴卫生显示器ING系统一个第二低成本太阳能电池。

这种趋势更进一步增强了众多竞争优势的灵活性电子元件; 它们通常更坚固，更轻，便携，并且与它们相比制造成本更低刚性基片的对应。

演示的柔性电子-tronics承诺提供坚固，轻便和低成本的可用性电子在不久的将来。

 这些组件都是使用低温制造工艺，如印刷将功能材料直接沉积到柔性基板上

从成本和环境的角度来看。

在这方面，对可印刷导电材料的需求不断增加，

在上述应用中。

 金属纳米颗粒（NP）油墨和糊剂目前是最广泛使用的材料，

其涉及可印刷导电图案的制造塑料基板，由于它们的低成本，易于加工和其具有低玻璃化转变温度（Tg）的兼容性的子strates 。

 银仍然是非常选择的材料

其极高的导电性，稳定性和高容量，facturability。

虽然纳米银产品仍然昂贵

今天，预计批量生产将推动duction成本下降。

铜似乎是另一个有前途的

用于生产印刷电子的低成本油墨的材料应用，但对于在环境CON-快速氧化的倾向ditions是阻止其广泛使用。

大量的处理的技术，如喷墨，气溶胶喷射一个第二丝网印刷，大街在这一景观出现了。

但是，激光直写（LDW）技术，例如选择性激光烧结和图案化和激光诱导转发转移脱颖而出由于他们多功能性及其高分辨率，仅受衍射限制极限光。

 这些技术使印刷几乎任何材料在液相或固相，甚至在具有低的基材上的Tg，这是清理房间溶剂敏感。

 激光诱导正向转移（LIFT）技术是在早期引入的70年代一个第二是进一步Bohandy等研究。

或在硅衬底上的铜图案的激光印刷。

 LIFT有自从并且最近已经被用于制造柔性电路，有机器件和传感器。

 打印后来自非导电材料（例如来自金属NP油墨）的图案，

需要后处理（烧结）以将它们转变为导通-电路。

 最常见的烧结技术是热处理

用烤箱或炉子加热。

 但是，在过去的几个月年，激光烧结工艺得到了极大的关注因为它是一个快速和选择性的程序，热影响区因此对基板的热损伤较小

最小化。

激光烧结在于照射均匀印刷的图案，在这种情况下是金属NP油墨，以诱导高度局部化和高效的NP熔融，形成网络和最后是实心金属轨道。

 LIFT和激光烧结技术已经结合印刷导电银NP油墨和糊剂上设置硅和聚酰亚胺基板线。

最低电阻率在作者以前进行的研究中达到5次体银和导线呈现更光滑表面形态而不是烘箱的印刷线烧结。

在这项工作中，我们报告了激光直写写的导电-在各种柔性基板上的金属图案，一些最常见的候选塑料基板材料为柔性背板和显示器制造。

 本研究报告的结果已在EC资助的项目LaserMi-croFab，其主要目标是激光数字微细加工的导电互连。

 这两个主要成就项目是选择性激光图案化50纳米厚的金属聚合物基材上的薄膜和激光正弦-Tering分辨率低至1m。

 这两个成就都有最近完成并且相关的结果被暴露

在本文中。

根据Chengetal。

，他所谓“灵活性”可以参考取决于制造商和许多不同的性能用户。

 作为机械特性，它方便地分类在三个类别：

（1）可弯曲或可卷曲，

（2）永久形，和（3）可弹性拉伸。

 在这项研究中我们将重点在第一类基底上。

 这项研究的目标是证明了协同LDW处理的能力制造具有可变足迹范围的金属微图案从几十m2至毫米2为在柔性电子应用基板。

 这些导电特性将构成基础开发更复杂的结构和设备。

 在这里上下文，高分辨率和高重现性是必不可少的重要性。

高斯波束是众所周知的和最方便的空间激光束分布，但由光束直径限制的光斑面积，ETER（1/e2的电平）仅含有86.5％的激光束功率和的边界处的强度仅为峰值强度的13.5％。

最激光材料加工应用需要均匀的强度轮廓具有尖锐和清洁的边缘，例如顶帽轮廓。

这个特别是对于薄膜结构化在电子和光电-

其中加工的高选择性是最大的重要性。

在这方面，空间光束成形瞄准顶部帽子轮廓。

为了将高斯已被使用。

的该设备的基本设计中描述一个甚至第二后来改进，他主要概念仍然是相同的：

一个一对非球面透镜被用作变形望远镜放大率，即透镜的曲率半径改变相对于光轴径向地。

 基本上是第一个镜头引起受控的球面像差从中心到入射光束的边缘，同时第二透镜补偿像差以重新获得准直光束。

2。

材料和方法

总结了在衬底的属性materi-参与本研究。

 这些基材包括聚乙烯对苯二甲酸乙二酯（PET-例如Melenix®从杜邦帝人薄膜）聚萘二甲酸（PEN，例如TEONEX®从DuPontQ65帝人薄膜）和聚酰亚胺（PI，例如，卡普顿 ®杜邦公司）。

 这些特定材料已被选择为其小的热膨胀-sion系数（ 表1 ） ，高弹性模量，和可接受的相对于其他常见的聚合物，eric底物。

 特别地，PET和PEN广泛用于柔性显示工业由于其光学透明度，流畅表面和优异的阻隔性能。

 PI另一方面非常高的Tg，因此具有大num-兼容微电子工艺的温度低于400◦C.已经进行了选择性激光烧蚀实验用532纳米，10毫微秒脉冲Nd：

YVO 4激光器（河马H10-16QW，SpectraPhysics）。

 输出光束的直径为1.3mm。

的为实验选择的是型号66532由AldOptica开发。

 提供了系统的概述在图1。

为了获得最佳性能，-shaper需要a准直输入光束，直径为6.4mm。

这是实现的通过使用由3个连续的焦点透镜组成的变焦透镜长度160，-25和250mm。

第一和第二透镜间隔11cm，第二和第三透镜22厘米。

 立即放置3.8mm边的正方形掩模后的。

 然后由掩模产生的图像通过聚焦透镜注射在样品上。

 使用聚焦透镜在牛津激光是一个平凸透镜的焦距50mm和组合的100mm焦距的f-theta透镜与牛津激光电流扫描仪。

X-Y翻译阶段是Aerotech直线轴承ASL20000。

几张图片的强度分布是沿着束线所取的一个CCD摄像机WinCamDUCD23由DataRay软件控制，器皿。

 图。

 2示出的动作-强度的强度配置文件。

实验设置用于LIFT和激光烧结

银纳米颗粒（AgNP）油墨已经在前面描述工作 [25]。

 简言之，在这种情况下使用的激光系统是脉冲的Nd：

YAG激光器，工作在266nm，脉冲持续时间为10ns。

 它的重复率可以从1至30Hz变化并且已经被设置为2Hz。

 一个高功率掩模投影系统由可变圆组成掩模和15×物镜用于实现几乎顶帽在成像平面处的光束轮廓。

 50μm的激光束光斑尺寸用于印刷AgNP线。

 接收器-施主距离为几微米（<300μm），并且已经进行了转印在室温下在环境空气中。

 调整激光能量密度通过衰减器板。

 供体和受体底物通过计算机控制的X-Y运动来翻译系统和CCD相机使得目标能够精确对准和基底材料。

用于研究的纳米油墨是银纳米颗粒油墨购自SunChemical，在溶胶-凝胶中具有20重量％的银含量，

乙二醇，甘油和乙醇的通气混合物。

 它有一个粘度为12cP，NP尺寸为约40nm，由SEM测量图片。

 供体基底如下制备：

油墨在1mm厚的圆形石英子板上旋涂（1500rpm/30s）（直径25mm），购自UQGOptics预涂布具有40nm厚的钛牺牲层，从而确保LIFT

加工稳定性 [18]， 从而导致5和之间的厚7μm。

 对于选择性激光烧结工艺，使用相同的AgN对于LIFT工艺，将油墨在2500rpm下旋涂在PEN子-条件。

 旋涂之后在室温下干燥48小用于蒸发溶剂（甘油）的温度。

表格1

Material

Tg（◦C）

Young’smodulus（GPa）

Thermalexpansioncoefficient（K−1）

Polyethylenenaphthalate（PEN）

121

5–5.5

21

×10−6

Polyethyleneterephthalate（PET）

110

2–4

30–65×10−6

PolyImide（Kapton）

400

2–3

30–60×10−6

参与本研究的柔性基材的热机械性能。

图 1.在牛津激光使用的实验装置的草图所提出的说明。

 平面“强度分布”表示强度的位置个人资料的图片已被捕获。

图 2. 2D和3D激光束的强度分布：

（1）强度分布不整形 （b）强度分布-shaper。

 在（b）中，轮廓的均匀性是清楚的改进

3结果与讨论

3.1选择性激光烧蚀

llustrates500nm厚alu-的选择性构图

薄膜沉积在聚酰亚胺基底上，有和没有

图3.一个薄（500纳米）铝对聚酰亚胺膜的选择性消融，而不

（a）和（b） 脉冲能量为30J（a）和50J（b），平均值

注量是在两种情况下0.6焦耳/厘米

 使用单脉冲选择性地去除薄膜。

此图有助于了解波束成形的优点：

当掩模成像用于未经-shaper，如图 所示。

2 （一 ），使用比高斯的较平顶部宽的掩模

束导致不均匀的能量分布。

 在我们的实验中，精神状态下，积分通量下降80％面具和角落。

 这可能不是一个问题，其底层具有高得多的阈值注量比顶层。

 只需确保在角落的流量高于阈值注量将产生均匀的方形消融。

 但是当使用具有更敏感的材料的材料时，脉冲能量必须保持足够低使得中心处的峰值注量将保持低于阈值第二层的注量。

 在这种情况下，如在示出 图 3 （一 ），角落中的注量将不够高，不足以蚀刻正方形完全。

 这个问题解决时引入-shaper，

允许以相同的平均能量密度蚀刻干净的正方形图。

 2 b ），因为一个更均匀的能量分布。

通过仔细调整激光脉冲的重叠可以实现平滑和均匀的线性图案

图4。

 即使对于10％重叠，得到的线也是平滑的同时保持整体处理时间短。

 的第一组实验表明，该特定激光abla-可以选择性地去除厚度上的层而不会对基底产生明显的损伤。

通过更精确地控制光束尺寸和注量，我们能够烧蚀50nm厚的铂和钛层通过PECVD沉积在Kapton上，阳离子项目。

 依靠这些实验结果

图 薄的（500纳米）铝膜上用聚酰亚胺4.选择性消融-

整形器（积分通量=2焦耳/厘米 2）线的制造。

 从顶部到底部：

第一行，无重叠; 第二行，10％重叠; 第三行30％; 第四行

50％。

已经开发了用于微加工银微结构的方法，电极通过快速选择性微烧蚀在柔性基板上。

银是更有趣的电子应用程序，由于它非常高的导电性及其长期稳定性非常缓慢氧化。

 在这种情况下，银层为约200nm。

 图5

（一）显示了火山口直径的00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000’

‘实验结果的图形通过高斯激光照射在不同能量下产生银衬底。

 高能量的激光照射可以诱导两种类型的表面修饰的。

在第一种类型，一个深的火山口（几十纳米或更大）材料的表面，称为“强消融”（classicalabla-）。

 另一方面，有不同的机制诱导微妙的表面凹陷，通常小于几十个纳米，被称为“温和”消融。

 这两种类型的abla-观察到在我们的材料的表面。

 进一步来说，对于“强消融术”中的注量阈值为56兆焦耳/厘米 2，而一个更“温柔消融术”中的注量阈值为34兆焦耳/ 平方厘米 。

然而，在第一次辐照研究中，我们观察到，实现完全银层消融的能量比高

强消融阈值。

在图5（B），我们表明与500kHz的激光频率的结果扫描速度为10m/s，该方法的高速度制造烧蚀电极的能力。

这些烧蚀结构的尺寸是水平线

100米的宽度和60米的线之间的距离左电极，宽度为225μm和90μm的水平线

右电极线之间的距离。

 缩放该第二电极与右边显示良好的边界质量和甚至用高斯分布激光器的尖锐轮廓。

另外，烧蚀电极的vity值为40厘米。

但是，我们有

实现在1MHz的激光频率下制造烧蚀电极扫描器速度为17m/s。

 这意味着我们可以制造即使具有重叠-平均20-30％的连续辐照，这是较低的比先前观察到的（60-85％）

3.2。

 激光诱导正向转移的Ag的制造电极

除了激光消融，我们演示了激光诱导正向转印AgNP油墨用于制造电极

其性质与前述的相似，ous部分。

 依靠我们以往的经验上LIFT [17]，我们

已经得出结论，控制印刷的形态Ag线和垫对于测定起重要作用的电阻和提取所得

图 5.

（一）在由对PET的200nm的银层的高斯激光照射具有不同能量产生的坑直径的表。

 （b）两个烧蚀电极的实施例具有不同尺寸的，在500千赫，10米/秒和390毫焦/厘米 2 制成

图 6.

（一）70米宽和2mm长度上的PI印刷的Ag的NP电极的光学显微图像。

 （b）由21对电极组成的样品的图像

电极对之间的间距为50μm，100μm和200μm。

 电极对之间的每个间隔用于至少4对。

电阻率高精度。

 在这方面，本节中描述的方法专用于精确控制的印刷电极的形状和粘附性柔性基板（PI）。

 例如，较高的表面粗糙度可能导致较低的导电性。

 此外，凸起（墨的局部累积增加线的宽度）短路互连结构。

 打印线

在聚酰亚胺（PI）基底上由液相AgNP墨水形成。

 在以形成连续的油墨线，两者之间有重叠需要连续的液滴。

 图6（a）示出2毫米continu-形成的连续的30-40％重叠之间的线液滴，其中线的边界被良好地限定。

每垫在线的中间以20％重叠印刷。

我们测量了印刷电极的厚度，光度计：

印刷线具有500nm的平均高度和每个垫的平均高度为2.4m。

 我们观察到，激光通量接近喷射阈值（在之间150和180毫焦/厘米 2）最小化凸起和卫星的数量液滴。

接着，将样品在150◦℃下烘箱加热 1小时以烧结纳米颗粒并产生导电特征。

在多晶硅上的银线的最低测量电阻率，酰亚胺衬底为3.2×10 -4厘米，这是利用非常低的烧结温度。

虽然这个值是相当的相对于下一节中报告的结果高对于图案来说具有足够低的电导率。

这个结果被认为是令人满意的，特别是如果考虑事实上，尽管由LIFT产生的图案是良好的，形成和可控的，它们仍然在均匀性方面较差厚度和宽度与旋涂层上的图案相比。

此外，PI的表面粗糙度相对较高到PEN的

图7.激光的扫描电子显微镜照片烧结导电图形宽10米和几通过在PEN衬底上的激光烧蚀制造。

 线边缘和表面粗糙度非常低，并且壁非常光滑。

 无明显损坏在衬底上由于激光烧蚀可以被检测到

3.3。

 激光烧蚀和选择性激光烧结

选择性激光烧结与其组合进行激光烧蚀产生宽度小的导电图案

为1米和低线边缘粗糙度（平滑壁）。

图67和8显示了以下过程产生的结构：

大面积烧结是通过2.5×2.5 平方毫米贺- 的扫描模进行izontally和垂直方向具有100×100米 2平方点尺寸和顶帽空间光束轮廓，实现均匀烧结金属模具。

 通过扫描进行选择性激光烧结的100×100米 2与点尺寸的大礼帽轮廓束的区域

图8 1米宽的银导线PEN基板上8金相显微镜照片

激光烧结并通过激光烧蚀图案化

10×10米 2。

 通过精确调节烧结条件40毫焦/厘米 2能量密度和80％的重叠，根据本最佳过程中开发 [25] 一个 9.2电阻率cm。

在激光加工之前，测量层的厚度通过轮廓测定法发现为1m，具有小于5％的变化跨越样品表面用的2×2平方厘米和RMS的区域表面粗糙度在10nm量级。

 接下来，进行激光烧蚀执行用于导电图案微制造的步骤。

 通过采用上一节中提到的条件，碎片和分层最小化。

虽然选择性激光烧结ING分辨率是目前为10μm的量级（ 图7 ），特征通过增加激光烧蚀步骤实现了1μm宽度烧结后 图。

 8 ） 。

 然而，由于已经证实，最近，AgNPs烧结也是可行的在266nm，这较小的波长将允许进一​​步向下到烧结解析度。

我们已经展示了所有三个激光直写

本文提出的技术有潜力进行处理

低的Tg柔性基板的导电轨迹的微图案。

然而，它们中的每一个都具有某些优点和属性这对于特定应用是特别有趣的，在这项工作的框架中调查了：

激光烧蚀是其它蚀刻技术的有希望的替代（例如，湿或干蚀刻洁净室工艺，离子束铣削）

它可以产生复杂的2D图案在大量的配合-在单步，无掩模工艺与分辨率低至

1m（如上一部分所述。

它可以与选择性激光烧结用于制造金属电极，类似节提出的那些3.1，有显著减少总体处理时间。

作者最近申请基于激光烧蚀和激光烧结的协同过程在PEN上制造射频传输线，具有出色的性能和低功率损耗 [31]。

激光烧蚀后也可以应用LIFT，为了改善印刷电路板的形态质量，通过去除不希望的卫星飞溅或通过重新塑形不良结构。

 LIFT兼容广泛的配合甚至高粘度的纳米孔隙，以及几乎任何基底，刚性或柔性。

导电互连，有机薄膜，晶体管和全功能化学传感器是一些例子通过LIFT来实现的应用。

那三个激光工艺是高度互补和兼容的感觉它们可以在相同的实验中一个接一个地应用，牙科设置。

这些技术的协同使用突出了激光直写的真实电位作为自主微机械，有机和无机电子，器件的制造平台和传感器

4结论

激光直写技术的协同作用，有效地应用于导电的制造图案和在各种柔性子像素上的交叉电极，特别地，已经形成了重新成形的高斯激光束转换成顶帽型材梁，并用于选择-金属膜的激光烧蚀具有大约的厚度100nm。

在消融步骤之前，LIFT或

选择性激光烧结用纳秒脉冲进行激光实验装置，在PEN，PET和PI基板上制造Ag和Al图案分辨率低至1m，特征尺寸范围从10m至1mm，取决于激光光斑尺寸。

 所结果的PEN和PET上的结构具有高的制造质量微细，低线边缘粗糙度，并可重现

小偏差。

这是由于使用的-shaper其中产生均匀的大礼帽激光束轮廓。

 对于比较ison，用高斯光束的类似实验产生较差结构特点。

此外，银电极的形态由LIFT在PI上制作的可以精确控制，具有高再现性。

 PI的LIFT过程是灵活的，因为

可以使用激光烧结和烘箱加热高的Tg温度于此基板。

 总体而言，一个系统的研究的LDW在柔性基板上的适用性突出了使用平顶光学器件的重要性LDW微加工系统为大面积电子实现高制造精度和质量