一种纳米电镀超快激光强化及原位在线监测装置的制作方法

1.本发明属于微纳器件制造技术领域，更具体地，涉及一种纳米电镀超快激光强化及原位在线监测装置。


背景技术：

2.随着电脑、微电子仪表工业的高速发展，微电子元件及大规模集成电路板需求激增。镀金以其高耐热、高电导和易焊接等优良性能在上述工业中得到了广泛的应用。在该领域中,传统的镀金生产工艺是采用屏蔽再镀覆或全部镀覆后再刻蚀的方法。这些工艺不仅费工时,而且浪费大量昂贵的金。人们一直寻求一种更经济的镀金技术,激光增强电镀金因而应运而生。
3.与传统的电镀工艺相比，激光电镀技术具有以下特点：
①
高度选择性。可以微区局部镀覆金属，金属线条宽度可以达到2um。
②
广泛适应性。激光电镀不但可以在金属(al、fe)上进行，还可以在多种半导体(si、gaas)，绝缘体(陶瓷、微晶玻璃、聚酰亚胺、聚四氟乙烯)基材上直接镀覆au、ag、pd、ni、cu等。
③
高速沉积性。激光诱导沉积速度大大提高，比常规电镀要高上千倍，如电镀金时结合喷镀可使au沉积速度达30um/s。
④
可以实现微机控制。利用计算机控激光束的扫描轨迹可以得到预期的各种线路图形。
⑤
镀层与基体有一定相互扩散，结合力较一般方法为好。
⑥
可在常温下工作，简化工艺，节约大量贵金属。激光电镀应用于实际主要基于在激光照射区域的速度比在本体的电镀速度高得多(约103倍)，此外，激光的控制能力强,可使材料的必要部分析出所需的金属量。普通电镀发生在整个电极基体上,电镀速度慢,难以形成复杂和精细的图案。采用激光电镀可把激光束调节到微米大小,在微米尺寸上进行无屏蔽描图。对于电路设计、电路修复和在微电子连接器部件上的局部沉积,这类型的高速描图都具有重要实际意义。激光电镀除了可提高电镀速度外,还可改善沉积层的质量。激光照射能提高成核的速度,使结晶颗粒细小致密。激光产生的热效应也起局部清洁基体表面的作用,因此在难电镀的基体上能得到结合紧密的镀层。在微电路板上连接线路,用激光增强电镀来桥联是很有效的。激光电镀除了可提高电镀速度外,还可改善沉积层的质量。激光照射能提高成核的速度,使结晶颗粒细小致密。激光产生的热效应也起局部清洁基体表面的作用,因此在难电镀的基体上能得到结合紧密的镀层。但是，现有技术对激光电镀进行原位在线监测的研究较少，如何对激光电镀进行原位在线监测是本领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明通过提供一种纳米电镀超快激光强化及原位在线监测装置，解决现有技术中不能有效地对激光电镀进行原位在线监测的问题。
5.本发明提供一种纳米电镀超快激光强化及原位在线监测装置，包括：工控台、超快激光器、光谱仪、激光探头、全息照相机、脉冲发生器、质谱仪和光路系统；
6.脉冲电镀电源分别与放置在电镀池内的阳极、微纳器件阴极靶连接，所述微纳器
件阴极靶作为纳米电镀加工的对象；所述激光探头、所述全息照相机和所述脉冲发生器均设置在所述微纳器件阴极靶的附近区域内；
7.所述工控机分别与所述超快激光器、所述光谱仪、所述脉冲发生器、所述质谱仪和所述脉冲电镀电源连接；所述全息照相机与所述光谱仪连接；
8.所述超快激光器用于发射超快激光，所述超快激光通过所述光路系统后经由所述激光探头照射至所述电镀池和所述微纳器件阴极靶上；
9.所述脉冲发生器用于在监测时发射应力波脉冲至所述微纳器件阴极靶，所述全息照相机用于拍摄获得所述微纳器件阴极靶对应的条纹花样图像信息，所述光谱仪用于对所述条纹花样图像信息进行处理得到光学探测信息；
10.所述质谱仪用于对所述微纳器件阴极靶的表面进行扫描得到质谱信息；
11.所述工控机用于根据所述光学探测信息、所述质谱信息进行实时检测和分析得到结果信息，所述工控机用于根据所述结果信息发送参数调整信息至所述超快激光器，所述超快激光器用于根据所述参数调整信息对发射功率进行调整。
12.优选的，所述光路系统包括依光路依次设置的第一激光反射镜、波片、偏振分光镜、空间光调制器、第一透镜、第二激光反射镜、空间滤波器、第三激光反射镜、第二透镜和翻转镜，以及设置在所述翻转镜反射光路上的第三透镜、设置在所述翻转镜的透射光路上的第四激光反射镜；
13.所述超快激光器发射的超快激光入射至所述第一激光反射镜；经所述翻转镜反射后得到第一光束，经所述翻转镜透射后得到第二光束；所述第一光束经所述第三透镜后入射至所述光谱仪，所述第二光束经所述第四激光反射镜后入射至所述激光探头；
14.所述波片用于使入射的超快激光产生光强差；所述偏振分光镜用于过滤干扰光线；所述空间光调制器用于对入射的光信息进行相位调制；所述空间滤波器用于去除光信息中的零阶光。
15.优选的，所述工控机用于发送位置控制信息至所述激光探头，所述激光探头根据所述位置控制信息调整定位。
16.优选的，所述工控机中预存有微纳器件阴极靶对应的优化工艺参数信息，所述工控机根据所述结果信息、所述优化工艺参数信息得到所述参数调整信息。
17.优选的，所述质谱仪用于实时检测获得电镀过程中微纳器件阴极靶、阳极和电镀池中电解质的质子变化信息。
18.优选的，所述结果信息包括微纳器件阴极靶的条纹花样对应的缺陷信息。
19.优选的，所述超快激光器的波长为800nm，脉宽为120fs，最高重复频率为250khz，最大脉冲能量为6μj。
20.优选的，所述波片采用二分之一波片，所述翻转镜采用电动翻转镜。
21.优选的，所述工控机安装在三维移动台上。
22.优选的，所述质谱仪包括离子源、加速盘、真空泵、离子捕集器、放大器和记录器。
23.本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
24.在发明中，将微纳器件阴极靶作为纳米电镀加工的对象，通过超快激光器发射超快激光，并通过光路系统后经由激光探头照射至电镀池和微纳器件阴极靶上；在监测时，通过脉冲发生器发射应力波脉冲至微纳器件阴极靶，通过全息照相机拍摄获得微纳器件阴极
靶对应的条纹花样图像信息，通过光谱仪对条纹花样图像信息进行处理得到光学探测信息；通过质谱仪对微纳器件阴极靶的表面进行扫描得到质谱信息；工控机根据光学探测信息、质谱信息进行实时检测和分析得到结果信息，并根据结果信息发送参数调整信息至超快激光器，超快激光器根据参数调整信息对发射功率进行调整。本发明能够实现对激光电镀的原位在线监测，并能够根据监测结果对加工参数进行实时调整。
附图说明
25.图1为本发明实施例提供的一种纳米电镀超快激光强化及原位在线监测装置的结构示意图；
26.图2为本发明实施例提供的一种纳米电镀超快激光强化及原位在线监测装置的工作原理图。
27.其中，1
‑
工控机，2
‑
超快激光器,3
‑
第一激光反射镜，4
‑
波片，5
‑
偏振分光镜，6
‑
空间光调制器，7
‑
第一透镜，8—第二激光反射镜，9—空间滤波器，10
‑
第三激光反射镜，11
‑
第二透镜，12
‑
翻转镜，13
‑
第三透镜，14
‑
光谱仪，15
‑
第四激光反射镜，16
‑
激光探头，17
‑
全息照相机，18
‑
脉冲发生器，19
‑
电镀池，20
‑
微纳器件阴极靶，21
‑
离子源，22
‑
加速盘和第一狭缝，23
‑
磁场，24
‑
真空泵，25
‑
第二狭缝，26
‑
离子捕集器，27
‑
放大器，28
‑
记录器，29
‑
阳极。
具体实施方式
28.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
29.本实施例提供了一种纳米电镀超快激光强化及原位在线监测装置，参见图1、图2，主要包括：工控台1、超快激光器2、光谱仪14、激光探头16、全息照相机17、脉冲发生器18、质谱仪和光路系统。
30.脉冲电镀电源分别与放置在电镀池19内的阳极29、微纳器件阴极靶20连接，所述微纳器件阴极靶20作为纳米电镀加工的对象；所述激光探头16、所述全息照相机17和所述脉冲发生器18均设置在所述微纳器件阴极靶20的附近区域内。所述工控机1分别与所述超快激光器2、所述光谱仪14、所述脉冲发生器18、所述质谱仪和所述脉冲电镀电源连接；所述全息照相机17与所述光谱仪14连接。
31.所述超快激光器2用于发射超快激光，所述超快激光通过所述光路系统后经由所述激光探头16照射至所述电镀池19和所述微纳器件阴极靶20上。所述脉冲发生器18用于在监测时发射应力波脉冲至所述微纳器件阴极靶20，所述全息照相机17用于拍摄获得所述微纳器件阴极靶20对应的条纹花样图像信息，所述光谱仪14用于对所述条纹花样图像信息进行处理得到光学探测信息。所述质谱仪用于对所述微纳器件阴极靶20的表面进行扫描得到质谱信息。所述工控机1用于根据所述光学探测信息、所述质谱信息进行实时检测和分析得到结果信息，所述工控机1用于根据所述结果信息发送参数调整信息至所述超快激光器2，所述超快激光器2用于根据所述参数调整信息对发射功率进行调整。
32.其中，所述光路系统包括依光路依次设置的第一激光反射镜3、波片4、偏振分光镜5、空间光调制器6、第一透镜7、第二激光反射镜8、空间滤波器9、第三激光反射镜10、第二透镜11和翻转镜12，以及设置在所述翻转镜12反射光路上的第三透镜13、设置在所述翻转镜
12的透射光路上的第四激光反射镜15。
33.所述超快激光器2发射的超快激光入射至所述第一激光反射镜3；经所述翻转镜12反射后得到第一光束，经所述翻转镜12透射后得到第二光束；所述第一光束经所述第三透镜13后入射至所述光谱仪14，所述第二光束经所述第四激光反射镜15后入射至所述激光探头16。所述第一激光反射镜3用于增强激光的发射强度；所述波片4用于使入射的超快激光产生光强差；所述偏振分光镜5用于过滤干扰光线(即过滤和排除一些不必要的干扰光线)；所述空间光调制器6用于对入射的光信息进行相位调制；所述空间滤波器9用于去除光信息中的零阶光。透镜用于光学聚焦，所述翻转镜12用于激光聚焦。
34.具体的，所述波片4采用二分之一波片，所述翻转镜12采用电动翻转镜。所述质谱仪包括离子源21、加速盘和第一狭缝22、磁场23、真空泵24、第二狭缝25、离子捕集器26、放大器27和记录器28。所述质谱仪采用现有技术中的质谱仪即可，因此本发明不对质谱仪本身的结构进行详细说明。所述工控机1还可安装在三维移动台上。
35.下面对本发明做进一步的说明。
36.所述超快激光器2发出的激光经所述第一激光反射镜3反射后通过所述波片4(具体可为二分之一波片)和所述偏振分光镜5后(可转动二分之一波片的角度来调节激光能量)，入射至所述空间光调制器6，所述空间光调制器6用于加载全息图，对光的相位进行调制，然后激光通过一个4f光学信息处理系统(由第一透镜7、第二激光反射镜8、空间滤波器9、第三激光反射镜10、第二透镜11构成)；为了排除零阶光对加工的影响，在所述第一透镜7的焦点处放置所述空间滤波器9以挡掉零阶光(其中第一透镜7、第二透镜11、第三透镜13分别采用f500、f500、f300的平凸透镜)将所述空间光调制器6(傅里叶变换后的)的像呈现在所述微纳器件阴极靶20的表面；激光光束通过所述翻转镜12和所述第三透镜13所得到的光学信号通过所述光谱仪14进行处理,将加工电极表面的条纹花样传送到所述工控机1，并通过质谱仪将原位在线实时检测的所述微纳器件阴极靶20的质谱图谱及离子图像的情况传送到所述工况台1，通过所述工况台1的处理从而实时改变所述微纳器件阴极靶20的电镀加工的相关参数。
37.一种具体的应用中，所述超快激光器2的波长为800nm，脉宽为120fs，最高重复频率为250khz，最大脉冲能量为6μj，光强分布为高斯型，线偏振。
38.所述激光探头16将超快激光能束照射到需要电镀的所述微纳器件阴极靶20上，能够将所述微纳器件阴极靶20的表层进行不同程度的熔化；通过将所述微纳器件阴极靶20作为被测对象，能够得到所述微纳器件阴极靶20表层不同几何形状和精度的熔化层，同时也能强化所述微纳器件阴极靶20电镀材料基体组织结构及性能。
39.所述工控台1发送控制指令控制所述激光探头16的定位，并将激光能束辐射到电解液和微纳器件阴极靶的界面，从而达到局部温升和微区搅拌，从而诱发或增强辐照区的化学反应，引起液体物质的分解，并在固体表面沉积出反应生成物。
40.所述工控机1基于反馈的数据进行比对和判断重新调整加工数据，并将指令信号传递给所述脉冲发生器18，所述脉冲发生器18控制输出脉冲功率。所述全息照相机17拍摄获取所述微纳器件阴极靶20电镀材料表面的光学信息并传输至所述光谱仪14，所述光谱仪14对光学信息进行处理后得到所述微纳器件阴极靶20电镀材料表面的全息图，并将全息图传输至所述工控机1，所述工控机1根据全息图发送指令给所述超快激光器2，使所述超快激
光器2停止使用当前工艺参数对所述微纳器件阴极靶20进行作用，改为采用调整后的工艺参数继续对所述微纳器件阴极靶20电镀材料表面进行电镀加工，即通过所述工控机1控制所述超快激光器2对所述微纳器件阴极靶20的材质进行辐射，直至电镀至理想几何形状及理想精度的电镀层。
41.所述质谱仪用于实时检测阴极、阳极和电解质中质子的变化情况；在电镀的整个过程中，通过所述质谱仪对所述微纳器件阴极靶20的表面进行全扫描，并得到质谱图。通过对质谱图进行分析得到在电镀过程中的电镀层表面的电镀离子情况，与此同时，通过对不同离子浓度的检测和对质谱图的分析能够得到电镀层是否存在电镀杂质离子的情况，从而得到电镀层电镀情况的好坏。所述质谱仪能够实时检测电镀过程中阴极、阳极和电解质中质子的变化情况来检测反应原理以及反应过程，并通过化学计算达到定量化检测的目的。
42.其中，所述质谱仪的离子探针用聚焦的一次离子束作为微探针轰击所述微纳器件阴极靶20，测射出所述微纳器件阴极靶20表面的原子及分子的二次离子，并在所述磁场23中按质荷比(m/e)分开，由此可获得所述微纳器件阴极靶20微区质谱图谱及离子图像，再通过将该信息实时传送到所述工控台1，经过所述工控台1的计算与处理求得所述微纳器件阴极靶20表面相关元素的定性信息，从而达到原位在线监测的目的。
43.本发明采用基于纳秒/飞秒/皮秒激光打到微纳器件阴极靶上，通过高能超快激光照射，在电解前既能强化电极微观材料组织，达到退火的作用并减少镀层裂纹的发生几率，又能在电镀中激发电解质，通过在电镀过程中加快电解质中电子移动速率，从而达到加快电解速率和电解效率。除此之外，通过超快激光高能束照射微纳器件已经镀层好的基体上，强化镀层与微纳器件阴极靶，减少镀层裂纹的发生几率；最后通过质谱仪实时检测电镀过程中阴极、阳极和电解质中质子的变化情况来检测反应原理以及反应过程以及电镀层的物象成分分析。
44.最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。