專利名稱：一種激光脈沖電鍍系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光電鍍技術領域，尤其是一種激光脈沖電鍍系統，通過利用與激光脈沖和脈沖電鍍電源的共同作用，結合待加工的材料和電解液的晶核生長特性，實現金屬離子對激光熱效應的充分吸收，在陰極上實現高精度可控沉積，以利于取得理想的電鍍處
理結果。
背景技術：
脈沖電鍍是通過槽外控制方法改善鍍層質量的ー種強有力的手段，相比于普通的直流電鍍鍍層，其具有更優異的性能，如耐蝕、耐磨、純度高、導電、焊接及抗變色性能好等，且可大幅節約稀貴金屬，因此，在功能性電鍍中得到較好的應用。
脈沖電鍍將電鍍槽與脈沖電鍍電源連接構成電鍍體系，在含有某種金屬離子的電解質溶液中，將被鍍エ件作為陰極，陽極是該種金屬離子的金屬或不溶性陽極，通以一定波形的脈沖電流，使金屬離子在陰極上脈沖式的沉積，形成金屬層的加工過程。脈沖電鍍所依據的電化學原理，主要是利用脈沖電壓或脈沖電流的張弛、間隙工作，增強陰極的活性極化和降低陰極的濃差極化，從而有效地改善鍍層的物理化學特性，得到致密、均勻和導電率高的鍍層。脈沖電鍍實質上是ー種通斷直流電鍍。一般的直流電鍍只有ー個參數電流或電壓。與直流電鍍不同，脈沖電鍍所依據的電化學原理主要是利用電流或電壓脈沖的張馳增加陰極的活化極化和降低陰極的濃差極化，從而改善鍍層的物理化學性能。在直流電鍍吋，由于電流是連續的，金屬離子在陰極不斷的被沉積，這樣就容易造成析氫和濃差極化。在脈沖電鍍過程中，當電流導通時，峰值電流密度相當于普通直流電流密度或平均電流密度的幾倍甚至十幾倍，高的電流密度所導致的高過電位使陰極表面吸附的原子的總數高于直流電沉積的總數，電化學極化増大，陰極區附近金屬離子被充分沉積。其結果使晶核的形成速率遠遠大于原有晶體的生長速率，從而形成具有較細晶粒結構的沉積層，改善鍍層的物理化學特性。當電流關斷時，高的過電位使陰極附近的金屬離子以極快的速度被消耗，當陰極界面金屬離子的質量濃度為零或很低時，電沉積過程進入關斷期，此時金屬離子向陰極附近傳遞從而使擴散層中金屬離子的質量濃度得以回升，陰極區附近放電離子又恢復到初始的質量濃度，濃差極化消除，有利于在下一個脈沖周期使用較高的峰值電流密度，并伴有對沉積層有利的重結晶、吸脫附等現象。在電源接通和斷開的時候，陰極周圍的離子不斷的得到補充，有效的避免了析氫和濃差極化。因此，脈沖電鍍可以采用較高的陰極平均電流密度，不但電流效率不會下降，而且改進了鍍層質量。這樣的過程周期性的貫穿于整個電鍍過程的始末。脈沖電鍍電源是脈沖電鍍技術的重要組成部分，通常采用恒流或恒壓兩種不同的供電模式，當然也有采用非恒流方式的。脈沖電流或電壓的波形通常有方波、正弦波、鋸齒波和間隔齒波等以及這些波形與直流的疊加。從電鍍實際結果來看，方波脈沖以及與其他波形適當組合對貴金屬電鍍可獲得較好的效果。就方波脈沖而言，前沿和后沿的陡度越大可獲得越好的實鍍效果。但脈沖電鍍電源在用于電鍍時并不能得到理想的正方波，而是ー種近似于梯形的波形，這會影響脈沖電鍍瞬時高電位有利作用的充分發揮。脈沖頻率對鍍層結晶也會產生較大影響，頻率過低，效果不明顯；頻率過高，波形畸變程度大，甚至脈沖電流會變成直流電流。主要原因為當使用頻率較高的脈沖電鍍電源時，脈沖前、后沿極易對導通、關斷時間造成嚴重影響，從而影響脈沖電鍍瞬時高電位有利作用的充分發揮。當使用頻率更高的脈沖電鍍電源，大于IOKHz時，其輸出的電流實質是ー種直流電流，與能夠改善鍍層結晶的方波脈沖電流有本質的區另O。目前，前后沿的上升時間和下降時間限制在數微秒到數十微秒之內。激光電鍍是目前涌現出來的另ー種新型電鍍手段。激光是能量密度很高的熱源，而且具有很好的方向性、単色性和相干性。激光電鍍是以高密度激光束照射待處理樣品表面，造成局部溫升和微區攪拌，從而誘發或增強輻照區的化學反應，引起液體物質的分解，并在固體表面沉積出反應生成物。激光電鍍使電化學反應大大增強，電鍍速率提高ニ至三個數量級，空間分辨率可以達到微米量級，實現激光直寫精密電鍍。激光電鍍的優良性能已愈來愈引起人們的重視。

發明內容
(一 )要解決的技術問題有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種激光脈沖電鍍系統，以實現對電鍍鍍層精確的控制。(ニ)技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種激光脈沖電鍍系統，包括脈沖激光器1，用于提供激光電鍍用的激光脈沖；脈沖發生控制器2，用于控制脈沖激光器I發出的激光脈沖與脈沖電鍍電源13發出的電脈沖的發生時間，實現激光脈沖與電脈沖之間互相匹配或有一定的時間延遲；衰減器3，用于控制脈沖激光器I的功率，防止損傷電鍍材料；電子快門4，用于控制激光脈沖的關斷；擴束器5，用于擴展激光束的直徑，減小激光束的發散角；反射鏡6，用于改變激光束的傳播方向，將激光束傳播至待處理樣品基底10 ；CCD實時觀察系統7，用于實時觀測處理樣品基底10的電鍍過程；光學振鏡8，用于控制激光束的掃描速度；聚焦物鏡9，用于將激光束聚焦在待處理樣品基底10表面；電解池11，用于放置電解液；三維移動臺12，用于移動在電解池11中待處理樣品基底10的位置；脈沖電鍍電源13，用于提供電解池11正負極電壓的電壓。上述方案中，所述脈沖激光器I的波長范圍從100nm-2 μ m，重復頻率從ΙΗζ-ΙΟΟΜΗζ，脈沖的寬度從毫秒到飛秒。上述方案中，所述脈沖發生控制器2采用電調制方式分別給脈沖激光器I和脈沖電鍍電源13觸發信號，控制脈沖的重復頻率在ΙΗζ-ΙΟΟΜΗζ，時間延遲為皮秒到秒。上述方案中，通過衰減器3或調整激光輸出功率將焦點處的峰值功率控制在IO5W/cm2到109W/cm2，使激光能量小于材料的損傷閾值和電解液的汽化閾值。上述方案中，所述電子快門4控制激光脈沖通斷及照射時間Ius到100s，進行激光脈沖的直寫電鍍。上述方案中，所述光學振鏡8控制激光掃描速度從100nm/s到10cm/s,使激光光束在IOnm-IOcm的范圍內移動。上述方案中，所述三維移動臺12的移動范圍在10nm-10cm。上述方案中，所述脈沖電鍍電源13的工作頻率為ΙΚΗζ-ΙΜΗζ，工作電壓從O. IV-IkV,電流密度 IuA/Cm2-IOOA/cm2 上述方案中，所述電解池11中放置的電解液包含電鍍處理的金屬離子溶液。上述方案中，在交換所述電解池的正負極后，該系統亦適用于脈沖激光刻蝕。(三)有益效果本發明提供的激光脈沖電鍍系統，結合脈沖電鍍和激光電鍍，打破了高頻脈沖電鍍電源的限制，可實現對電鍍鍍層精確的控制。在激光脈沖器和脈沖電鍍電源的共同作用下，結合待加工的材料和電解液的晶核生長特性，實現金屬離子對激光熱效應的充分吸收， 在電解池的陰極上實現高精度可控沉積，以利于取得理想的電鍍處理結果。


圖I是根據本發明的一個實施例的激光脈沖電鍍系統的結構示意圖；圖中，I.脈沖激光器，2.脈沖發生控制器，3.衰減器，4.電子快門，5.擴束器，6.反射鏡，7. C⑶實時觀察系統，8.光學振鏡，9.聚焦物鏡，10.待處理樣品基底，11.電解池，12.三維移動臺，13.脈沖電鍍電源圖2(a)是理想電源脈沖與實際電源脈沖比較的示意圖；其中，理想電源脈沖(橫向或豎向直線)為方波信號，占空比50%，工作頻率1MHz，實際電源脈沖(斜向直線)為鋸齒波；圖2(b)是實際電源脈沖與激光脈沖匹配的示意圖；其中，實際電源脈沖(斜向直線)為鋸齒波，激光脈沖(曲線)為脈沖波形，重復頻率1MHz，脈寬100ns。
具體實施例方式下面將參照附圖結合本發明優選實施例對本發明進行說明。應當理解，在下面的說明書中，提供許多具體的細節例如對光學元件的說明以便于對本發明實施例的全面了解。然而，本領域普通技術人員應當理解，本發明不僅適用于ー個或多個具體的描述，且適用于其它結構元件，波長和材料等。說明書下文中所列舉的實施例是示意性的而非限制性的。脈沖電鍍電源是其輸出直流波形、頻率、占空比和平均電流密度等參數均可根據電鍍需要而設定的直流電源，其主要參數為工作頻率、占空比、特殊波形(如方波等)，對應于激光脈沖的參數重復頻率、脈寬、波形。脈沖電鍍電源的這些特點在生產中的實際意義就是，在電鍍過程中，脈沖電鍍電源可通過改變其輸出波形的頻率、占空比和平均電流密度，來改變電鍍槽中金屬離子電沉積過程，使電沉積過程在較寬范圍內變化，從而可獲得均勻致密較為理想的鍍層。例如在印刷線路板行業中，使用脈沖電鍍電源進行電鍍，可提高其深鍍能力，使鍍層均勻、致密、不脫落。但受限于目前高頻電源的性能限制，輸出的高頻往往會發生畸變，大大影響脈沖電鍍的工作效率和質量。本發明的工作方式為采用脈沖電鍍電源和脈沖激光，結合脈沖電鍍電源電鍍和脈沖激光電鍍的優點，超越高頻脈沖電鍍電源的限制，控制激光脈沖與電鍍電源的脈沖相匹配，使電鍍過程在低過電位區瞬時通過極高的峰值電流密度和激光脈沖峰值功率，兩者脈沖進行固定的重復頻率、脈寬以及時間延遲相互匹配，這樣得到的就是ー個經過修正的激光鍍層加工過程，該過程比単一的激光電鍍和脈沖電鍍電源電鍍處理效率更高，能夠克服目前脈沖電鍍電源的性能對目前脈沖電鍍研究的制約，可以獲得精細的鍍層質量，在控制鍍層的厚度和鍍線的寬窄尺度，有著高自由度的調控。在激光脈沖和電鍍電源脈沖的共同作用下，晶核的形成速率遠遠大于原有晶體的生長速率，從而形成具有較細晶粒結構的沉積層，并可控制鍍層寬度，避免或盡量減少在本體上的不需要的電鍍，提高鍍層的加工效率和分辨率。此外，激光脈沖和電鍍電源脈沖的選擇、匹配和優化，如激光脈沖和電鍍電源脈沖的重復頻率、脈寬以及時間延遲的確定，必須針對鍍層材料的特性，這決定了激光脈沖和電鍍電流對鍍層材料作用的最終效率。下面結合實施例對本發明的系統進行進ー步的說明。圖I給出了根據本發明一個實施例的激光脈沖電鍍系統的結構示意圖。該激光脈沖電鍍系統包括脈沖激光器I，脈沖發生控制器2，衰減器3，電子快門4，擴束器5，反射鏡6，CXD實時觀察系統7，光學振鏡8，聚焦物鏡9，待處理樣品基底10，電解池11，三維移動臺12，脈沖電鍍電源13。脈沖激光器I提供激光電鍍的激光脈沖，脈沖激光器I的波長范圍從100nm-2 μ m,重復頻率從ΙΗζ-ΙΟΟΜΗζ，脈沖的寬度從毫秒到飛秒。脈沖發生控制器2控制脈沖激光器I發出的激光脈沖與脈沖電鍍電源13發出的電脈沖的發生時間，實現激光脈沖與電脈沖之間互相匹配或有一定的時間延遲。衰減器3控制脈沖激光器I的功率，防止損傷電鍍材料。電子快門4控制激光脈沖的關斷。擴束器5擴展激光束的直徑，減小激光束的發散角。反射鏡6用于改變激光束的傳播方向，將激光束傳播至待處理樣品基底10。CCD實時監測系統7用于實時觀測處理樣品基底10的電鍍過程。光學振鏡8用于控制激光束的掃描速度。聚焦物鏡9聚焦激光束在待處理樣品基底10表面。電解池11用于放置電解液。三維移動臺12移動在電解池11中待處理樣品基底10的位置。脈沖電鍍電源13用于提供電解池11正負極電壓的電壓。脈沖發生控制器2利用電調制分別給脈沖激光器I和脈沖電鍍電源13觸發信號，脈沖控制重復頻率在ΙΗζ-ΙΟΟΜΗζ，時間延遲皮秒到秒。通過衰減器3或調整激光輸出功率將焦點處的峰值功率控制在105W/cm2到109W/cm2，使激光能量小于材料的損傷閾值和電解液的汽化閾值。脈沖電鍍電源13，工作頻率為ΙΚΗζ-ΙΜΗζ，工作電壓從O. IV-IkV,電流密度luA/Cm2-100A/Cm2。光學振鏡8控制激光掃描速度從100nm/S到lOcm/s，使激光光束在IOnm-IOcm的范圍內移動。電子快門4控制激光脈沖通斷及照射時間Ius到100s,進行激光脈沖的直寫電鍍。三維移動臺12的移動范圍在lOnm-lOcm。基于本發明提供的激光脈沖電鍍系統，以下對該激光脈沖電鍍系統的工作過程進行詳細說明。步驟I :打開脈沖激光器I的電源，脈沖激光器I發出的激光脈沖須選擇在待處理樣品基底10能吸收而溶液不吸收的波段。輸出平均功率在lmW-50W范圍內，波長在IOOnm到2 μ m范圍內，脈寬從毫秒到飛秒，重復頻率從IHz到IOOMHz。步驟2 :打開脈沖電鍍電源13和脈沖發生控制器2，調節脈沖電鍍電源13發出的電源脈沖和脈沖激光器I發出的激光脈沖互相匹配或有固定的時間延遲。電源脈沖和激光脈沖的重復頻率需保持一致，或者成固定的比例關系。步驟3 :調節衰減器3、電子快門4、擴束器5、反射鏡6、(XD實時觀察系統7和聚焦物鏡9，操縱光學振鏡8和三維移動臺12，使激光脈沖聚焦在待處理樣品基底10表面。激光脈沖與電源脈沖疊加，選擇性地在待處理樣品基底10表面直接進行無掩膜的鍍層處理，熱傳導性稍差的材料比熱傳導性好的材料有優勢，吸收不同時間到達的脈沖局部上升溫度差更高，反應速度更快，效果更明顯，但要注意材料的損傷閾值。步驟4 :通過衰減器3將焦點處的峰值功率控制在105W/cm2到109W/cm2，使激光能量小于材料的損傷閾值和電解液的汽化閾值。步驟5 :通過光學振鏡8控制激光掃描速度從O到lOcm/s，激光光束在IOnm-IOcm的范圍內移動；電子快門4控制激光脈沖通斷及照射時間I μ s到100s，進行與脈沖電鍍電源13匹配的激光脈沖直寫電鍍。
實施例以下結合圖I對本發明的激光脈沖電鍍系統的具體實施進行詳細說明脈沖激光器I為調Q的YAG倍頻激光器輸出的激光束波長為532nm，平均功率為350mW，脈寬為100ns，聚焦后光斑直徑為500um，工作頻率IMHz ;脈沖激光器I和脈沖電鍍電源13連接于脈沖發生控制器2，通過電信號調制的方法控制脈沖激光器I發出的脈沖激光和脈沖電鍍電源13發出的電源脈沖相疊加，即時延差為O。脈沖激光器和脈沖電鍍電源的重復頻率需保持一致。圖2(a)中顯示了理想電源脈沖與實際電源脈沖的比較示意圖。其中，理想電源脈沖(橫向或豎向直線)為方波信號，占空比50%，工作頻率IMHz。實際電源脈沖(斜向直線)為鋸齒波，可以從圖2(a)看出高頻電源脈沖實際發生的方波信號是ー種類似鋸齒波的脈動直流電流。圖2(b)顯示了修正的激光脈沖與實際電源脈沖與的匹配結果。實際電源脈沖(斜向直線)類似鋸齒波，激光脈沖(曲線)為脈沖波形，重復頻率1MHz，脈寬100ns。經過脈沖發生控制器2進行匹配修正好，可以改善高頻電源性能對脈沖電鍍的制約，提升高頻電鍍質量。衰減器3可進ー步調整脈沖激光器I的輸出功率，防止損傷電鍍材料。電子快門4可控制脈沖激光器I發出的激光束的通斷和照射時間；擴束鏡5擴展脈沖激光器I發出的激光束的直徑，減小激光束的發散角。反射鏡6將激光束反射入光學振鏡8，經過光學振鏡8和聚焦物鏡9，激光束被聚焦在待處理樣品基底10上。光學振鏡8可在電腦控制下移動激光束的位置，控制激光束的掃描速度，使激光束在IOnm-IOcm的范圍內移動。待處理樣品基底10放置在電解池11中并與三維移動臺12連接。電解池11的兩電極間施加的電流是由脈沖電鍍電源13提供的。激光束經過聚焦后照射在電解池11的陰極上，電解池11的陰極為預鍍有鎳薄膜的玻璃基片，電解池11的陽極為金屬鉬片。電解液為硫酸銅水溶液，對532nm激光有良好透明性。三維移動臺12用來放置或者移動待處理樣品基底10的位置，在IOnm-IOOcm范圍內移動。CXD實時監測系統7實時觀測待處理樣品基底10上的電鍍過程。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進ー步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種激光脈沖電鍍系統，其特征在于，包括 脈沖激光器(I)，用于提供激光電鍍用的激光脈沖； 脈沖發生控制器(2)，用于控制脈沖激光器(I)發出的激光脈沖與脈沖電鍍電源(13)發出的電脈沖的發生時間，實現激光脈沖與電脈沖之間互相匹配或有一定的時間延遲；衰減器(3)，用于控制脈沖激光器(I)的功率，防止損傷電鍍材料； 電子快門(4)，用于控制激光脈沖的關斷； 擴束器(5)，用于擴展激光束的直徑，減小激光束的發散角； 反射鏡出)，用于改變激光束的傳播方向，將激光束傳播至待處理樣品基底(10)； CCD實時觀察系統(7)，用于實時觀測處理樣品基底(10)的電鍍過程； 光學振鏡(8)，用于控制激光束的掃描速度； 聚焦物鏡(9)，用于將激光束聚焦在待處理樣品基底(10)表面； 電解池(11)，用于放置電解液； 三維移動臺(12)，用于移動在電解池(11)中待處理樣品基底(10)的位置； 脈沖電鍍電源(13)，用于提供電解池(11)正負極電壓的電壓。
2.根據權利要求I所述的激光脈沖電鍍系統，其特征在于，所述脈沖激光器(I)的波長范圍從IOOnmjym,重復頻率從ΙΗζ-ΙΟΟΜΗζ，脈沖的寬度從毫秒到飛秒。
3.根據權利要求I所述的激光脈沖電鍍系統，其特征在于，所述脈沖發生控制器(2)采用電調制方式分別給脈沖激光器(I)和脈沖電鍍電源(13)觸發信號，控制脈沖的重復頻率在ΙΗζ-ΙΟΟΜΗζ，時間延遲為皮秒到秒。
4.根據權利要求I所述的激光脈沖電鍍系統，其特征在于，通過衰減器(3)或調整激光輸出功率將焦點處的峰值功率控制在105W/cm2到109W/cm2，使激光能量小于材料的損傷閾值和電解液的汽化閾值。
5.根據權利要求I所述的激光脈沖電鍍系統，其特征在于，所述電子快門(4)控制激光脈沖通斷及照射時間Ius到100s，進行激光脈沖的直寫電鍍。
6.根據權利要求I所述的激光脈沖電鍍系統，其特征在于，所述光學振鏡(8)控制激光掃描速度從100nm/S到lOcm/s，使激光光束在IOnm-IOcm的范圍內移動。
7.根據權利要求I所述的激光脈沖電鍍系統，其特征在于，所述三維移動臺(12)的移動范圍在10nm-10cm。
8.根據權利要求I所述的激光脈沖電鍍系統，其特征在于，所述脈沖電鍍電源(13)的工作頻率為IKHz-IMHz，工作電壓從0. IV-IkV,電流密度luA/cm2_100A/cm2。
9.根據權利要求I所述的激光脈沖電鍍系統，其特征在于，所述電解池(11)中放置的電解液包含電鍍處理的金屬離子溶液。
10.根據權利要求I所述的激光脈沖電鍍系統，其特征在于，在交換所述電解池的正負極后，該系統亦適用于脈沖激光刻蝕。
全文摘要
本發明公開了一種激光脈沖電鍍系統，包括脈沖激光器、脈沖發生控制器、衰減器、電子快門、擴束器、反射鏡、CCD實時監測系統、光學振鏡、聚焦物鏡、電解池、三維移動臺和脈沖電鍍電源。本發明采用脈沖電鍍電源和脈沖激光器，結合脈沖電鍍電源電鍍和脈沖激光電鍍的工作方式，超越高頻脈沖電鍍電源的性能限制，控制脈沖激光器發出的激光脈沖與脈沖電鍍電源發出的電脈沖相匹配，提高鍍層的加工效率和分辨率。應用領域包括激光電鍍、激光刻蝕。
文檔編號C25D5/00GK102817051SQ20121034225
公開日2012年12月12日 申請日期2012年9月14日 優先權日2012年9月14日
發明者楊盈瑩, 林學春, 于海娟 申請人:中國科學院半導體研究所