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案例 | 如何搭建一个智能的激光转移系统

光电汇OESHOW

2019-10-18

导读：有步骤，有技巧，值得一看

光电子集成芯片具有低功耗、高速率、高可靠、小体积等突出的优点，是突破信息网络所面临的速率和能耗两大技术瓶颈的必由之路。但光电子集成中基于基底材料的MEMS器件、微传感器、微光学器件，以及集成回路的微纳电极加工与修复等关键科学问题，仍存在许多亟待解决的问题。

激光诱导前向转移技术可以快速地在基底材料表面直接沉积由软件设计生成的特定微图形或微结构，很好地解决了光电子集成中的部分问题。

激光诱导前向转移技术

基本原理

激光诱导前向转移技术是近年来发展起来的一种激光微纳加工技术。其过程是在镀有薄膜的透明基片上，利用高能量脉冲激光透过基片聚焦到薄膜上，将薄膜加热到熔融状态，以液态形式转移到与之平行相对的接受基片上面。

图1（a）激光诱导前向转移技术的示意图，（b），（c）与（d）为当前各种激光诱导前向转移技术的原理示意图

激光诱导前向转移的基本过程（如图1（a）所示）为：高能量脉冲激光光束透过镀有薄膜材料（源膜）的透明基片，聚焦到衬底与薄膜的交界面上，使薄膜被加热至熔融状态，转移沉积到下面与之平行放置的接受基片上。可以在基底表面快速沉积小尺寸薄膜、直接沉积特定微图形、微结构、微光栅、微传感器、微电子器件等。

图1（b），（c）与（d）是各种激光诱导前向转移技术原理示意图：（b）中橙黄色物质为易挥发聚合物材料，即牺牲层；（c）为转移有机光电二极管（OLED）示意图，黄色层为牺牲层，灰色为阴极材料，绿色为电致发光材料，接受基片上镀有阳极材料。易光电搭建的实验系统提供了当前一种优化的激光诱导前向转移技术，利用它转移的材料可以完整保存被烧蚀图形的形貌特征，还可用于转移生物分子（如蛋白质）、光热敏感材料。

技术优势

激光诱导前向转移技术制作微米量级甚至纳米量级结构有许多优点：

1）加工过程无需掩膜，激光透过衬底作用在薄膜材料上，在基底上可以直接沉积薄膜、制备微器件二维/三维微结构，是一次成型的技术，降低了制作成本，而且精度较高；

2）被加工薄膜材料范围很广，且接受基片可以为任意材料，如硅片、石英晶体、陶瓷等；

3）加工过程及结果不受基片材料的光学和温度特性的影响；

4）不需要复杂且昂贵的气体处理系统或者真空环境，室温、大气环境下即可进行；

5）加工过程不会产生气体或化学试剂的污染，是环境友好型技术。

另外，还可以将激光诱导前向转移技术与计算机技术、智能机械控制技术、CAD/CAM技术相结合，形成自动化、智能化、远程控制的加工系统，可以方便地制备各种高质量的复杂微图形、微结构或微光机电器件。其在微电子器件的制作和修复上也有十分诱人的应用前景。

从研究走向应用的难点

但是，若想激光诱导前向转移技术走向广泛的实际应用，目前还需要攻克一些非常重要的科学问题和技术难点。

比如重要的科学问题：

1）激光与膜源相互作用过程的动力学和热力学；

2）激光诱导前向转移过程中的沉积物形态的调整及其控制；

3）源膜从基板上剥离的物理机理。

主要的技术问题：

1）转移物与接受基板的粘附力较弱；

2）针对阵列器件，制备大面积、性能均匀的电极与器件；

3）激光诱导前向转移技术与现有COMS技术的有机结合等。

案例分析

需求提出

机械专业的科研用户希望用超快脉冲激光来转移用对光照、温度非常敏感的电致发光/场致发光材料制备的光电二极管，并在基底材料上形成不同图案，同时还用同样技术在该基底材料上制备微纳电极，将基底材料上的不同光电联合起来，形成光子集成回路。他们希望能搭建一个智能光学实验系统，只需要操作一些软件就可以进行光敏材料制备的光电二极管实验和各种电极，减少工作过程中光路系统调节等工作。

系统搭建

为了解决上述问题，易光电为用户搭建了智能化的激光诱导前向转移技术实验系统。

在实验光路系统中加入可以设计任意图案的空间形变空间光调制器或液晶空间光调制器，使该系统在基底材料上可以加工各种集成芯片；在实验光路系统中还加入了实时成像系统，因此可以实时观测激光与薄膜相互作用过程以及加工图案效果，以便及时调整沉积图案的形态和研究激光与膜源相互作用过程的动力学和热力学过程；此外，本实验系统将所有的机械硬件全部用软件联合，整合在一个软件系统里，只需使用一个软件界面，就可以调整实验系统中的激光器参数、精密三维平移台、空间光调制器、CCD相机、光电开关等设备与器件。

在搭建过程中，易光电与相关专家进行了实验系统可行性分析，获取最优解决方案，随后在光电汇网站上采购所需的配套产品，最终搭建的智能激光诱导前向转移技术实验系统为用户探索功能性电子器件转移封装，生物大分子的无损转移与观测等提供了研究平台。

总体设计

图2 激光诱导前向转移技术光路示意图

激光诱导前向转移实验系统主要包括三个部分：激光传输系统、运动控制系统和实时成像系统，且全部由计算机控制，如图2所示。激光传输系统主要包括了激光器、各种光学元件、液晶空间光调制器、精密三维位移平台、光功率计等设备与器件。

在光路系统中利用空间滤波片、小孔与准直透镜相互配合滤掉光路中的杂散光，均匀光束能量；格兰泰勒棱镜与半波片结合起来调整激光能量及激光偏振方向；空间光调制器用于整形入射光束，电光开关来调整入射激光脉冲数。

实时成像系统主要包括光学组合镜、照明系统与CCD成像元件等，可以通过实时成像系统进行样品定位及定焦，且可以对加工过程及实验结果进行实时观测，这样就避免了观测加工过程与实验结果时激光对眼睛造成的伤害。激光诱导前向转移实验系统中光电设备与器件全部用软件联合，使用一个软件界面就可以实现操作，简洁方便，减轻了实验过程中的工作量。

在搭建激光诱导前向转移实验系统时，还有些小技巧值得你掌握：

1）确保激光器的出射光通过各种光学元件中心，将两个反射镜与两个光澜放在光路中，通过“近调近，远调远”的原则，调整两个反射镜，使激光通过两个光澜中心；

2）确保激光入射与出射都通过扩束镜的中心，在扩束镜的前盖上用笔画出其中心，然后使激光入射至该中心；将灯关闭，用擦镜纸蒙住扩束镜出射口，再微调扩束镜镜架使激光从扩束镜中心出射；

3）确保入射光通过透镜的中心，放透镜之前，将坐标纸放置在反射镜后，用笔在坐标纸上标出光斑位置，将透镜放置在反射镜与坐标纸之间，调节透镜的位置使光斑照射在原来坐标纸上光斑处，再反射镜之前找出透镜的反射光斑，微调透镜使反射光斑与入射光斑重合在一起，此时入射光通过透镜中心。

完成效果

用户在搭建完成的实验系统上，展开了如下方向的探索：

1）探索微流体器件中微小电极的制作以及电子集成回路的大规模布线实验；

2）探索功能性电子器件转移封装，如MEMS中的批量组装与LED封装等研究；

3）探索激光诱导前向转移技术在生物大分子的无损转移与观测等方面的应用；

4）探索激光诱导前向转移技术在电路互连、器件修补和电子器件制作等领域的大规模应用。

易光电是什么

易光电是面向光电技术服务需求的对接平台，可高效快捷地提供专业的光电技术服务，如技术开发、系统搭建、技术攻关等。技术服务需求方可通过该平台与平台上的专家、实验室对接，解决光电技术服务方面的技术难题。包括超快激光微纳加工、非线性光学系统、显微成像系统、空间光通信系统和教学实验系统等。