亮点 | 超快激光——微电/光互连之利器

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编者按

为推动我国激光微纳制造技术的深入发展，《中国激光》2022年第10期推出“激光微纳制造”专题（点击查看专题网页）。旨在报道我国该领域内最新研究进展，为国内同行带来新的学术参考。

本文来源于中南大学孙小燕教授课题组，详细综述了超短脉冲激光加工在微光/电互连领域的应用研究进展，点击查看下载原文。

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背景介绍

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超短脉冲激光一般是指时间宽度小于10^-12秒的激光脉冲，其具有脉宽窄、峰值功率高的特点。随着电子和信息器件集成度的提高，实现高质量、低损伤和高可靠性的电/光互连已成为研究热点之一，与传统的电子束加工和连续激光加工相比，超短脉冲激光加工由于具有无需真空环境、非接触、加工灵活、加工材料类型广及冷加工等优点，可以实现金属、透明介质等材料在零维到三维之间的加工。超短脉冲激光实现互连可利用了多光子还原、光动力组装、激光诱导表面等离子共振、双光子聚合和材料相变等原理。

将超短脉冲激光应用在微电/光互连领域可实现高精度材料生长、改性和去除等不同形式的加工，具有良好的材料适应性和工艺兼容性，已成为近年来先进制造的新兴关键技术。

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关键技术进展

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电互连

导电材料根据其结构可分为零维、一维和二维材料。常用的零维材料有纳米颗粒，一维材料有纳米棒和纳米线，二维材料主要有石墨烯等。目前，超短脉冲激光实现零维材料的电互联主要有三种方法:多光子还原法、光动力组装法和烧结法，如图1所示。

飞秒激光多光子还原法主要是利用聚焦光斑与前驱体溶液发生非线性作用，将金属离子还原成金属原子，原子的团聚形成纳米颗粒，如图1（a）所示。光动力组装法是利用光镊原理对金属纳米颗粒进行捕获，实现纳米导线的连接方法，如图1（b）所示。飞秒激光烧结主要是通过强激光激发金属纳米颗粒的等离子体共振效应来实现金属纳米颗粒的烧结，如图1（c）所示。

图1 零维材料的电互连方法。（a）多光子还原法；（b）光动力组装法；（c）烧结法

这三种方法各有优势和不足，多光子还原法的最大优势是可实现三维导电材料的高精度加工，但目前制备的导电材料主要是贵金属。光动力组装法主要解决了金属离子的迁移问题，利用金属纳米胶体实现二维导电结构的加工。烧结法主要是在二维平面上实现电连接，可对铜和镍等金属进行加工，而不仅仅局限于贵金属。但烧结法目前需要解决的是在加工过程中导电结构的氧化问题。

在一维纳米线电互连中，飞秒激光可实现纳米线之间或纳米线与衬底之间的连接。在特定激光能量辐照下，纳米线末端或搭接的间隙处会出现局部等离子体共振，产生局部高温，可实现纳米线的连接、切割或去除。如图2所示，利用飞秒激光辐照引起的局部等离子体共振可实现银纳米线节点处的焊接，降低纳米线间的接触电阻，提高银纳米线透明导电膜的导电性。此外，飞秒激光还可实现银纳米线与TiO₂纳米线等异种一维材料的焊接。

图2 一维纳米线材料的焊接。（a）焊接示意图；（b）焊接前纳米线节点处的场强分布；（c）焊接后纳米线节点处的场强分布；（d）焊接前纳米线形貌；（e）焊接后纳米线形貌

在二维材料电互连中，飞秒激光直写可诱导还原氧化石墨烯用于电极的修复或调整。飞秒激光在实现一维或二维材料的电互连中，具有热冲击小、对基片几乎无热损伤、加工分辨率高等优点。因此，该方法在柔性电子器件和功能微纳器件的制造中具有重要的应用前景。

光互连

在光互连中，飞秒激光改性处理常常会引起玻璃和晶体材料的折射率变化，如图3（a）所示。利用超快激光改性法加工的波导通常可分为三类：在飞秒激光作用下折射率增大的被称为Ⅰ型波导，折射率减小的被称为Ⅱ型波导或Ⅲ型波导，其中Ⅱ型波导以双线型波导为主，Ⅲ型波导以凹陷包层波导为主。一般情况下，Ⅱ型波导只能引导一种偏振模式的光传输，在互连上有一定的局限性。与Ⅱ型波导相似，Ⅲ型波导的导光区也不会受到激光辐射，这使得Ⅲ型波导不仅保持了晶体材料的原本属性，而且表现出了偏振不相关性，在光互连领域展现出良好的应用前景。

与飞秒激光改性相比，双光子聚合可以制造复杂的三维结构，如图3（b）。并且通过退火处理能有效降低波导损耗，同时可通过光束整形技术提高波导的加工效率。

在光互连中，飞秒激光已经可以制备耦合器、分束器和微透镜等分立元器件，但复杂光器件的制造仍需要进一步研究，如片上光源、调制器和探测器组件。

 图3 超快激光光互连方法。（a）改性法；（b）双光子聚合法

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总结

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随着超短脉冲激光加工在微电/光互连领域的发展，目前已经可以实现金属、透明介质等材料从零维到三维的加工。虽然其加工的结构尺寸最小可达到亚微米级别，突破衍射极限，但进一步减小特征尺寸、降低其电阻率或传输损耗、提高抗氧化性和加工效率仍然是电/光互连面临的挑战。随着对超短脉冲激光加工的深入理解，相关技术必将在微电/光互连领域发挥更大的作用。

课题组简介

中南大学高性能复杂制造国家重点实验室孙小燕教授课题组科研团队主要致力于超短脉冲激光微纳制造技术领域研究，通过光学、机械、材料、物理等多学科交叉，以提高加工效率和加工精度为目标，利用超快激光时/空整形技术加工材料表面和内部，调控材料的电学、光学和浸润特性，在光/电功能结构先进制造技术领域开展了一系列开拓性工作。近十年承担了国家重点研发计划及国家自然科学基金等多个项目。

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编辑 | 沈雅捷

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