超短脉冲激光：微电/光互连领域加工的有效策略

孙小燕^1,2,梁昶^1,2,张伟^1,2,孔德键^1,2

2高性能复杂制造国家重点实验室

随着科技的进步，电子和信息器件不断向便携化、微型化和智能化方向发展，器件功能单元高密度分布，这对功能单元间的电互连和光互连技术提出了新需求，甚至是严峻挑战。

光互连根据其传输信道不同，可分为光纤互连、波导互连和自由空间光互连。由于芯片间或者芯片内的光互连尺寸相对较小，因此波导互连的应用最为广泛。虽然电互连与光互连可以分别实现不同的功能，但随着器件集成度的提高，光/电和电/光转换模块已广泛使用，从而必将促进光/电互连技术的发展。目前，连接已由宏观尺度发展到微纳空间尺度，如何实现高质量、低损伤和高可靠性的电/光互连已成为研究热点之一。

以亚微米量级电/光互连为例，为避免对周围材料的影响，加工能量需要精确聚集。高能束因其能量可被精确控制而最早被用于波导与碳纳米管的互连。飞秒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，近年来在超精密加工领域得到了广泛应用，尤其是在电/光互连领域，它可以实现金属、透明介质等材料在零维到三维的加工，涉及的加工机制包括光还原、等离子体共振和双光子聚合等。

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，飞秒激光制备零维导电材料和实现材料互连的方法有多种，如多光子还原法、光动力组装法和烧结法。

（1）多光子还原法制备导电材料

飞秒激光多光子还原法主要是利用超短脉冲宽度和高峰值功率的飞秒激光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，原子团聚形成纳米颗粒。这种加工方法可以突破光学衍射极限，加工分辨率可达亚微米量级。此外，飞秒激光诱导多光子还原法针对的是金属前驱体溶液，因此具有较高的加工灵活性，可以实现二维和三维导电结构的加工。

可实现三维导电结构的高精度加工，是多光子还原法的最大优势，但目前制备的导电材料主要是贵金属。因此，需要在前驱体溶液中添加表面活性剂来提高多光子还原法的加工分辨率，如图1所示。例如，通过控制表面活性剂的浓度、分子结构等参数，可以抑制纳米颗粒的团聚，从而提高加工分辨率。

图1 表面活性剂辅助飞秒激光实现电连接。(a)金纳米线还原示意图;(b)多光子还原金纳米颗粒的机制;(c)HAuCl4、 C5及其混合液的吸收光谱;(d)金纳米线的SEM图;(e)金纳米线的 AFM 图;(f)微电路

在飞秒激光直写过程中，前驱体溶液中的金属离子易扩散，从而导致加工不均匀。为了解决这一问题，研究人员尝试在聚合物基质内进行了电连接，这种方法可以防止金属离子扩散，如图2。

图2 在聚合物内实现电连接。(a)在PVP内部实现金电极互连;(b)在掺杂 Au³⁺的SU8中还原金纳米导线; (c)在复合光刻胶中还原金纳米颗粒;(d)在复合光刻胶中实现3D电连

（2）光动力法组装电极

尽管多光子还原法具有较高的加工精度和灵活性，但其存在焦点处金属离子迁移速度低的问题。当焦点处的金属离子耗尽时，焦点处的金属离子便难以得到补充，从而影响了加工质量。

为了解决这一问题，研究人员提出了光动力组装法，即：在高浓度的金属胶体中，利用光驱动力对金属种子进行捕获，实现纳米结构的加工。与多光子还原法相比，该方法的优势是利用高浓度金属胶体可以实现损耗的快速补充，并且该方法无需表面活性剂即可实现高精度和高导电结构的加工。但是，目前飞秒激光动力组装法多局限于加工二维纳米导线。

如通过紧聚焦飞秒激光实现了银纳米颗粒的自组装，其加工分辨率可突破光学衍射极限。通过改变飞秒激光直写的路径，可以在基底上实现叉指电极、双电极和电极阵列的图案化加工，如图3所示。该方法加工的电极尺度达到了细胞级别，可用于细胞探测分析。

（3）烧结法加工电极

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。与多光子还原法和光动力组装法相比，飞秒激光烧结法不需要在液相环境下进行，有利于避免金属离子在组装过程中的扩散现象。由于尺度效应，金属纳米颗粒的熔点通常比其块体材料要低。通过控制飞秒激光的工艺参数，可对纳米颗粒的热场进行控制，实现纳米颗粒的精准烧结。

银、铜是常用导电材料，利用飞秒激光可烧结银纳米颗粒和铜纳米颗粒，易在空气中氧化，若在烧结过程中采用氮气或氩气保护，可防止铜的氧化。

针对金属纳米线的连接，机械应力法较为复杂，并且因为压力不均容易破坏金属纳米线的强度；热处理法易损坏不耐高温的柔性衬底或银纳米线晶体结构；卤化物焊接法在提高薄膜导电性的同时会降低薄膜的光透过率；激光辐照法工艺简单，焊接效率高，在特定工艺参数下可在热敏衬底上实现金属纳米线间的焊接。激光辐照焊接金属纳米线网络就是利用纳米材料与光波的相互作用来实现纳米材料之间的快速自限焊接。

相比连续激光和纳秒脉冲激光，飞秒激光焊接的热效应小，焊接过程不会将纳米线和衬底材料整体加热，只是在银纳米线节点处产生局部场增强效应，软化节点处纳米线表面的晶格，实现纳米线的焊接。

通过飞秒激光可以实现纳米线焊接的局域场增强、金属纳米线互连、在半导体一维纳米材料方面的互连。飞秒激光辐照实现半导体材料纳米线焊接的可行性，以及其在大面积纳米线组装和功能性纳米电子器件开发、在金属-半导体纳米级异质结器件电连接中都具有广阔的应用前景。

此外，飞秒激光焊接加工还能为不同金属和半导体纳米材料焊接制备肖特基势垒提供了一种有效策略。全还原石墨烯器件的飞秒激光直写在石墨烯基微器件的简易制造和柔性集成方面显示出了独特的优势和巨大的发展潜力。

超快激光制备的Ⅰ型波导，传输损耗低。利用超快激光可以在玻璃中制备多层波导结构、L形波导，在由硼磷掺杂玻璃制成的平面光波导芯片(PLC)中制备二维波导和三维波导，在硒化锌(ZnSe)晶体、聚合物材料中均可制备/刻写波导，从而实现Gbit/s量级的数据传输速率，完成PCB板上光源和光电探测器的连接。

Ⅱ型波导主要是应力诱导型波导，目前以双线型结构居多。比如利用超短脉冲激光在钽酸锂晶体中制备双线型波导，此器件与偏振相关。而利用锗酸铋和铜掺杂钾钠铌酸锶钡晶体制备的双线型波导则呈现出与偏振无关的特性。Ⅱ型波导一般情况下只能引导一种偏振模式的光传输，在互连上具有一定的局限性。

（3）超快激光制备Ⅲ型波导

图4 ZBLAN晶体中Ⅲ型波导的端面形貌及模场分布

1）超快激光制备耦合器。耦合比和插入损耗是耦合器的两个重要性能参数，目前超快激光加工法可以实现耦合比的精确控制，但如何降低插入损耗还需进一步研究。

2）超快激光加工制造分束器。利用飞秒激光制备的分束器均在介质内加工获得的，飞秒激光3D打印技术也可以用于体外导光器件的制备。Y形分束器是构成复杂分束器的基本结构单元。研究人员通过利用飞秒激光制造的不同结构的波导分束器，可以使能量在每个分支上均匀分配，

3）其他分立元器件。超快激光制备的微透镜和菲涅耳波带片可以在光互连中用于光束聚焦。光纤作为最典型的光波导，在光通信领域有着广泛的应用，但是随着通信量的增加，单模光纤的传输能力即将达到上限，使用多芯光纤或多模光纤是提高通信容量的一个有效方法。

这些加工方法均涉及光子吸收、能量传递或转化、材料相变等，光、热、材料三者之间的作用机制与被加工材料、激光工艺参数等相关，通常为多种机制共同作用的结果，因此还需进一步研究。

另外，虽然飞秒激光加工的最小结构可以达到亚微米级别，突破了衍射极限，但进一步减小特征尺寸、降低电阻率或传输损耗、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作用。

此文改写自期刊《中国激光》综述文“超短脉冲激光加工在微电/光互连领域的应用研究进展”一文，原文可点击文末的“阅读原文”查看。

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