激光诱导正向转移技术研究进展

金宇龙 詹珂

江苏大学 机械工程学院光电信息科学与工程系 江苏镇江 212000

【摘 要】：激光诱导正向转移技术是一种新型制造技术，在集成电路加工与修复、微型光电子期间制备、微生物制作等领域具有良好的发展前景。本文首先概述了激光诱导正向转移技术的研究背景及意义，之后对其发展历史进行梳理，同时指出近年来的研究热点及其成果。然后，对激光诱导正向转移技术的发展进行总结，并在最后对其未来应用领域进行展望，本文认为激光诱导正向转移技术未来应用将集中在微型加工、构造纳米结构和微生物制造领域。

【关键词】：激光诱导正向转移技术；激光微型加工技术

激光自发现以来由于其高亮度、高方向性、高相干性等特点而得到广泛应用。激光诱导正向转移技术（Laser induced forward transfer，LIFT），具有加工精度高，非接触式加工，工作环境限制低，适应性强，可操作性高等诸多优点。本文对激光诱导正向转移技术的研究背景与进展进行总结介绍并对其发展趋势进行展望。

LIFT的研究背景及意义

激光诱导正向转移技术是近几十年来兴起的一种新型激光微加工技术，也是一种新型增材制造技术，用来直写微米纳米尺寸薄膜和图形。如图1所示，上面镀有牺牲层和薄膜材料的基片叫作基底，被转写的材料薄膜叫源膜，下面与薄膜平行放置的接收基片为受体。对于金属等，直接镀膜到透明基质上不是太大问题。但是对于一些敏感材料，例如细胞等，直接用激光照射会导致材料的损坏。这时候往往在材料薄膜和透明基质之间加上另外一层薄膜材料，用于保护需要转移的材料。这层以聚合物为主保护材料即为牺牲层。

图1 激光诱导正向转移技术(LIFT)示意图

激光诱导正向转移技术（LIFT）的基本过程为：高能量脉冲激光透过镀有材料薄膜的基底，聚焦到基底与材料薄膜的交界面上使薄膜材料被加热至熔融状态，转移沉积到与之平行放置的受体上。LIFT技术是一种新型微加工技术，能够快速地在固体表面直接沉积特定的微图形、微结构、微电子器件等。

激光器具有方向性好、脉冲宽度窄、峰值能量密度高、激光光斑尺寸小、稳定性高等特点，因此可以直接利用激光诱导薄膜转移技术制作亚微米量级微型结构，加工过程不需要掩膜、加工成本低，工序简单。LIFT技术技术的优点可归结为：

（1）加工过程中不需要掩膜，激光透过基底作用在材料薄膜上，在受体上可以直接沉积材料薄膜或特定的微图形，是一次成型技术，精度高，程序简单，开发成本低；

（2）被加工的材料薄膜范围很广，包括大部分金属，一部分金属氧化物，半导体，超导体等，受体可以为任意材料，如TCO薄膜，硅，细胞等；

（3）加工过程不受实验室的环境限制，不需要特殊的气体环境，在大气环境下即可进行实验；

（4）加工过程及结果与受体的光电特性及温度无关；

（5）加工过程中不产生污染环境的有害气体，绿色环保；

另外，LIFT技术与计算机技术、数控机床技术、人工智能技术相结合，形成自动化、智能化的加工系统，可方便高效的制备各种复杂的微结构、微图形、微光机电器件。

LIFT技术的研究进展

LIFT技术诞生于1986年。约翰·霍普金斯大学应用物理实验室J.Bohandy等使用波长为193nm、脉冲宽度为15ns的准分子激光器，以厚度为0.41um-1.2um的铜为基底薄膜进行试验，沉积结果达到预期效果，证实了LIFT技术的可行性。之后，许多学者使用不同激光器在不同的材料上对LIFT技术进行实验研究。

1991年开始，Z.Kbtor等利用一维热传导方程计算了激光照射后金属薄膜表面温度变化情况，并用Cr与Ti薄膜分别进行试验，分析总结出不同粘性薄膜对沉积效果的影响。之后数年经过反复研究，使用二极管泵浦Nd：YAG激光器完整地转移沉积了W薄膜，并进一步优化了W薄膜的烧蚀转移过程，使沉积膜在具有良好沉积性的同时保持被烧蚀膜的尺寸和形状。

2002年日本大阪大学的H.Yamada等采用波长为248nm、脉冲宽度为30ns的准分子激光器分别在有受体和无受体两种条件下转移厚度为180nm-500nm的Ni薄膜并用图像增强CCD进行观察。实验结果表明：材料薄膜在与受体接触的条件下，沉积材料的形状完整，边缘效果最好；沉积材料的分辨率随激光光斑尺寸变小而增高。

2005年David A.Willis和Vicentiu Grosu使用脉冲宽度为7ns的调Q开关技术Nd：YAG激光器对Al和Ni材料进行转移。实验结果表明：在能量低于阈值时，材料薄膜无法滴落而形成一个圆形突起，在能量高于阈值时，材料薄膜滴落，在受体上形成一个微滴。

2006年开始，天津大学光电信息技术教育部重点实验室的杨丽老师以铜膜、铝膜为主要研究对象对金属薄膜飞秒激光诱导正向转移(fs-LIFT)规律进行了系统的实验研究。采用双温模型数值模拟了飞秒激光烧蚀金属材料的三维温度场。计算了Cu、Al两种材料的单脉冲飞秒激光烧蚀能量阈值，电子-晶格能量耦合时间，以及材料开始烧蚀时间随单脉冲飞秒激光能量变化的规律等。实验得到了不同厚度的铜膜、铝膜的fs-LIFT能量阈值，沉积点的尺寸、形貌随激光能量的变化关系等。实验分析的转移规律为：当激光能量高于阈值时，材料薄膜吸收激光能量发生熔融并以液滴的形式转移沉积到受体上。

2012年，天津大学刘明艳老师对金属薄膜紫外纳秒激光正向转移作用机理进行了系统的实验研究。分别以三种不同厚度的铜膜为材料薄膜以硅片受体进行实验，分析了激光能量、脉冲个数、转移间距、铜膜厚度等参数对转移效果的影响。实验结果表明：①随脉冲数目的增加转移阈值呈负指数趋势减小，当脉冲数目增加到一定值时阈值变化趋于稳定。②不同厚度的Cu膜的沉积点尺寸与材料薄膜的烧蚀尺寸均随脉冲能量的增加而增大，但是增长速率逐渐变小，最终沉积点尺寸与烧蚀点尺寸大致相等且变化趋于稳定。但是膜厚度较小时沉积的图形成圆形散射颗粒状，并且尺寸相对较大。③随着转移间距的增加，沉积效果明显变差。转移间距小于100um时，沉积点尺寸随脉冲能量的增加而增加且比间距为零时大，但是沉积形状不是规则图案。转移间距增大至大约525um时，沉积尺寸明显减小且周围有溅射的颗粒。转移间距继续增加，材料薄膜无法成功转移到受体上。

随着LIFT研究的不断开展，许多基于LIFT技术的新型材料转移技术应运而生。1999年，美国海军实验室研究了阵列材料基质辅助脉冲激光溅射直写技术（matrix-assisted plused-laser evaporation-direct write,MAPLE-DW）。它是一种新型薄膜只写技术，通过在材料薄膜中掺杂经过冷冻处理的易挥发溶剂材料，结合LIFT技术，已经成功在玻璃、硅片RO4003印刷电路板上转移多种材料，如Ag、Cu、Au等。

还有一种优化LIFT技术，利用它的转移材料比用MAPLE DW方法能更完整的保存烧蚀图形的形貌特征，且可用于转移一些敏感材料。其基本原理是在透明基底与材料薄膜之间添加一层起保护作用的聚合物材料，称之为牺牲层。激光作用在透明基底与牺牲层的束缚面上，牺牲层吸收激光能量发生气化，生成气体可将材料薄膜推离基底，促进薄膜向下转移。对于一些对温度、光照敏感的电至发光材料，如果使用传统的LIFT技术进行加工制备的话，即使能够使材料薄膜在受体上完整沉积，材料薄膜的特征参数也会因激光的照射而发生改变，导致其功能失效。而牺牲层辅助LIFT技术则有效避免此类问题的发生。目前已用这种方法成功转移活细胞，发光二极管等。

2009年，Romain Fardel等系统的研究了上述方法。他以三氮烯聚合物为牺牲层材料，厚度为50nm的铝膜为材料薄膜，用XeCl准分子激光器为激光光源在真空和大气环境下分别进行实验，并用横向时间分辨率投影照相机观察材料转移过程。实验结果表明：转移结果表面在真空下因没有传导介质，无空气阻力，转移过程无震荡波，转移速度比在大气中快，被转移材料在沉积过程中对受体的冲击力大等原因导致得到的图形表面不平整。

LIFT技术研究总结与展望

激光诱导正向转移技术(LIFT)的研究发展迅速，目前国内外的一些科学家已将该技术成功应用于电路互联、微器件的粘接、表面光栅制备、激光印刷、微传感器制备和生物打印等诸多领域。

LIFT技术属于直接和非接触方法的一种，用于在各种基材上沉积材料，这些基材包括常规的硅表面以及聚合物箔和纸质基材。由于它是非接触技术，因此它既可以用于固相材料也可以用于液相材料，并且不需要使用昂贵的掩模图案或真空条件。可以看出，LIFT印刷技术对于不同材料都具有广阔的应用前景。该技术的主要局限与施主基质的制备及其在印刷过程中的补充有关。

LIFT技术的优势在于能够在沉积后转移保留其功能的材料，因为不需要掩模，而可用材料的范围是可印刷的，并且具有宽的粘度窗口，使得LFIT技术成为有机电子和传感器应用的有希望的候选者。相对于传统的打印技术，激光诱导正向转移具有许多优势，包括高空间分辨率转移的材料及其对基材的选择性，这意味着它可用于温度敏感的基材以及该技术的非接触式和非破坏性方法。因此，该技术非常适用于在微传感器的制备中设备的传感元件的转移。

由于LIFT技术可以以微观精度和分辨率控制各种生物对象的转移，LIFT生物打印在生物医学中很有应用前景。它被证明LIFT对于干细胞是安全的，并且对它们的行为没有影响，即在打印之前和之后，细胞活力，行为，表型，基因型和分化潜能保持相同。因此，LIFT生物打印的应用将完全取决于如何将其与分析方法和其他制造技术相结合。可使用的主要领域集中于复杂组织和器官的生物打印、单细胞分析、芯片实验室系统、药物筛选以及细胞与细胞和细胞-病原体的相互作用。由于现代激光源具有用于打印多种生物墨水的方案，掌握LIFT技术的最大局限在于每种水凝胶-细胞组合都需要对适当的印刷参数进行特定选择。

综上，基于LIFT具有简便，加工精度高，适应性强、对薄膜材料没有限制（可以是复杂的组成成分）等特点，适应于目前工业发展的需求与方向，在电子制造、材料表面改性、化学反应催化、生物成像、微生物制作等领域均有广阔的应用前景具体体现在：

1）激光诱导正向转移技术具有加工精度高的特点，可作为微细加工的一种手段，具备制备微小结构的能力，能实现多种材料的转移和图形的制作，在电子制造领域有着广阔的应用前景。

2）激光诱导正向转移技术具有工序简单的特点，利用LIFT技术产生纳米结构时，无须引入试剂，就能够保证产物的纯度。因此可通过调节激光器功率来产生纳米簇和纳米线，在材料表面改性、化学反应催化、生物成像等领域有着十分诱人的应用前景。

3）牺牲层辅助激光诱导正向转移技术避免了激光直接照射导致材料损坏的情况，为转移蛋白质等生物分子奠定了基础，在微生物制作领域的应用潜力巨大。介于生物应用的复杂性，打印过程中受各种物理条件影响的的机理将会是参与生物打印研究的人员应该积极探索的。

【参考文献】

[1]王昆林.激光诱导沉积技术及应用[J].表面技术,1993,22(6):237-281.

[2]Z.Kantor, Z.Toth, et al.,Deposition of micrometer-sized tungsten patterns by laser transfer technique, Appl. Phys. Lett.,1994,64(25):3506-3058.

[3]Z.Kantor, Z.Toth, Metal pattern deposition by laser-induced forward transfer,Applied surface science,1995,86:196-201.

[4]刘明艳. 紫外纳秒激光诱导前向转移技术与应用研究[D]. 天津：天津大学精密仪器与光电子工程学院，2012.

[5]杨丽.飞秒激光微精细加工——微量物质转移研究[D].天津：天津大学精密仪器与光电子工程学院，2007.

[6]刘威,王春青,田艳红,等.激光诱发向前转移技术在电子制造领域的应用[J].电子工艺技术,2013,34(2):70-78.

[7]余佳,何书通,宋寰宇,等.飞秒激光向前转移诱导产生金属纳米结构薄膜[J].中国激光,2017,44(1):1-6.

作者简介：金宇龙（1999.03-），男，汉族，河南洛阳人，共青团员，本科。