一种基于非牛顿流体特性的激光诱导转移微细电子元件打印方法与流程

1.本发明涉及一种微细电子元件打印方法，尤其是指一种基于非牛顿流体特性的激光诱导转移微细电子元件打印方法。


背景技术：

2.直写技术是一种在基体上通过微区反应或物质传递来构筑结构和功能单元的微加工技术。墨水直写、喷墨打印和激光直写作为最常见的直写技术，具有强大的二维和三维成型能力，广泛应用于电子连接线、微电池、微电极、光子晶体和组织工程支架中。
3.墨水直写技术是将金属纳米油墨材料存储于料筒和喷头相连并安装于三轴控制平台，通过螺旋挤压或气动压力控制系统使材料从喷头挤出并在基体上成型，如图1所示。为了沉积更加微细的物质，该技术采用的是喷嘴结构被制造成特别微细的形式，但是这种微细结构使得在高浓度的纳米金属墨水中，纳米颗粒的团聚效应可能导致喷嘴堵塞，这也使得喷嘴结构的最小尺寸得到了限制，进而没法实现纳米级别的物质沉积。
4.喷墨打印技术的设备和墨水直写相似，也是将金属纳米油墨材料加入料筒并使墨水从喷头流出滴落至基体表面成型，不同于墨水直写技术的持续施压挤出，喷墨打印技术中墨水通过压电作用喷出，并在重力和空气阻力作用下滴落，如图2所示。这也使得打印的液滴直径相对较大，为50—300μm之间。目前墨水直写和喷墨打印技术均无法实现纳米级别尺寸上的结构打印，现有的激光直写技术能实现的最小的打印结构尺寸为100nm。
5.现有的激光诱导转移技术也叫激光直写技术，是将圆形激光光斑直径聚焦在转移材料上，通过激光的热作用将材料加热熔融并形成圆形空化泡，通过空化泡的膨胀溃灭将金属靶材垂直推出实现物质传送。目前该技术存在的特点是：被转移的金属油墨材料中附带大部分被激光烧蚀的反应物质，并且被一并传送；传送物质的多少主要由脉冲激光能量和光斑大小所决定，激光能量的不稳定性和悬浮液中复杂的流体力学特性，使得在相同参数之下多次被传送的材料结构尺寸分布范围较大。
6.电化学沉积法在表面微细结构的制备中得到了广泛的应用。该方法利用金属离子的阴极沉积效应，并使用导电芯模或绝缘掩膜等，达到选择性沉积的效果，可在基体表面制备出微凸阵列等微细结构。该方法存在的缺点是：如何改善沉积均匀性和铸层形貌等一直是电铸技术的难点；大面积微结构的电铸，首先要制备高精度的掩膜，也影响了这种方法的响应速度。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对现有墨水直写和喷墨打印技术存在的喷嘴堵塞、沉积物质结构尺寸较大，和传统激光直写技术存在沉积物质大部分被激光烧蚀和传送精度不高的问题，提供一种基于非牛顿流体特性的激光诱导转移微细电子元件打印方法。该方法将环形光斑诱导产生的环形空化泡与激光诱导技术相结合，利用环形光斑的特有结构避免了激光
直接对打印物质的烧蚀，同时环形空化泡的特有结构也可以起到阻隔非目标转移物被传送的作用，并且该技术无需喷嘴无需掩膜，使得喷嘴不会堵塞，提高了沉积的效率和简化了工艺。
8.本发明的目的可采用以下技术方案来达到：
9.一种基于非牛顿流体特性的激光诱导转移微细电子元件打印方法，包括以下步骤：
10.步骤1、将脉冲激光光束入射到组合透镜，经组合透镜整形后形成环形光束；环形光束通过透明盖板在非牛顿流体的掺杂金属纳米颗粒溶液上聚焦出环形光斑；
11.步骤2、纳米金属颗粒物在激光的光、热作用下产生烧蚀并形成等离子体环形空化泡；
12.步骤3、环形空化泡迅速膨胀并推开环外部溶液，同时环中心目标转移物在空泡膨胀之下被向下推动；
13.步骤4、空化泡膨胀产生的高压和激光的高速冲击同时作用在非牛顿流体的掺杂纳米金属颗粒溶液上；非牛顿流体的掺杂纳米金属颗粒溶液遭受到外力的剧烈碰撞或者冲击,其中的分子相互锁定，迅速收缩并变紧变硬，对外力进行吸收和消化，使目标转移物从溶液内部剥离；
14.步骤5、目标转移物在自身重力和动能的作用下在接收板上实现沉积。
15.进一步地，步骤1中的具体内容包括：通过调整组合透镜的透镜与透明盖板之间的相对位置，改变环形光斑的内外径大小；改变环形光斑的内外径大小、激光能量值、透明盖板和接收板间的距离，对不同需求量的目标转移物进行精确沉积。
16.进一步地，所述步骤2中的目标转移物为可被激光热解的纳米金属溶液。
17.进一步地，所述目标转移物为纳米银溶液。
18.实施本发明，具有如下有益效果：
19.本发明将环形光斑诱导产生的环形空化泡与激光诱导前向转移技术相结合，利用非牛顿流体“剪切增稠”的特性：非牛顿流体在常态下为松弛的状态，一旦遭受到外力的剧烈碰撞或者冲击，材料中的分子便会即刻相互锁定，迅速收缩并变紧变硬，对外力进行吸收和消化。结合环形光斑诱导产生的环形空化泡在膨胀阶段向环中心挤压，产生的动能在环中心汇聚形成了垂直向下的推力；在这个过程中，激光的高速冲击和空化泡膨胀产生的高压同时作用在非牛顿流体的掺杂金属纳米颗粒溶液上，由于非牛顿流体的掺杂纳米金属颗粒溶液的层厚相对单薄，在激光和高压的冲击下，非牛顿体局部产生“剪切增稠”作用，而其他区域仍然是常态下的非牛顿流体，这就迫使目标转移物从溶液内部被剥离，实现目标物质的前向转移沉积，使目标转移物的量精确可控。本发明无需喷嘴和掩膜，使得喷嘴不会堵塞，提高了沉积的效率和简化了工艺。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明基于非牛顿流体特性的激光诱导转移微细电子元件打印方法的流程示意图；
22.图2为本发明基于非牛顿流体特性的激光诱导转移微细电子元件打印方法环形光斑作用在金属纳米溶液上的速度云图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.实施例：
25.参见图1和图2，本实施例涉及基于非牛顿流体特性的激光诱导转移微细电子元件打印方法，包括以下步骤：
26.包括以下步骤：
27.步骤1、将脉冲激光光束1入射到组合透镜，经组合透镜2整形后形成环形光束；环形光束通过透明盖板3在非牛顿流体的掺杂金属纳米颗粒溶液4上聚焦出环形光斑；在加工过程中，可以通过调整组合透镜2的透镜与透明盖板3 之间的相对位置，改变环形光斑的内外径大小；
28.步骤2、纳米金属颗粒物在激光的光、热作用下产生烧蚀并形成等离子体环形空化泡5；
29.步骤3、环形空化泡5迅速膨胀并推开环外部溶液，同时环中心目标转移物在空泡膨胀之下被向下推动；
30.步骤4、环形空化泡5膨胀产生的高压和激光的高速冲击同时作用在非牛顿流体的掺杂纳米金属颗粒溶液4上；非牛顿流体的掺杂纳米金属颗粒溶液4遭受到外力的剧烈碰撞或者冲击,其中的分子相互锁定，迅速收缩并变紧变硬，对外力进行吸收和消化，使目标转移物6从溶液内部剥离；目标转移物6为可被激光热解的纳米金属溶液。例如，目标转移物6为纳米银溶液。
31.步骤5、目标转移物6在自身重力和动能的作用下在接收板7上实现沉积。通过改变环形光斑的内外径大小、激光能量值、透明盖板3和接收板7间的距离，可以对不同需求量的目标转移物6进行精确沉积。
32.本方法将环形光斑诱导产生的环形空化泡与激光诱导前向转移技术相结合，利用非牛顿流体“剪切增稠”的特性：非牛顿流体在常态下为松弛的状态，一旦遭受到外力的剧烈碰撞或者冲击，材料中的分子便会即刻相互锁定，迅速收缩并变紧变硬，对外力进行吸收和消化。结合环形光斑诱导产生的环形空化泡在膨胀阶段向环中心挤压，产生的动能在环中心汇聚形成了垂直向下的推力 (如图2箭头a和b所示)；在这个过程中，激光光束1的高速冲击和环形空化泡5膨胀产生的高压同时作用在非牛顿流体的掺杂金属纳米颗粒溶液4上，由于非牛顿流体的掺杂纳米金属颗粒溶液4的层厚相对单薄，在激光和高压的冲击下，非牛顿体局部产生“剪切增稠”作用，而其他区域仍然是常态下的非牛顿流体，这就迫使目标转移物6从溶液内部被剥离，实现目标物质6的前向转移沉积，使目标转移物6的量精确可控。
该方法无需喷嘴和掩膜，使得喷嘴不会堵塞，提高了沉积的效率和简化了工艺。
33.以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。