《超短脈衝雷射微納尺度連線技術及其冶金結合機理研究》是依託清華大學，由鄒貴生擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：超短脈衝雷射微納尺度連線技術及其冶金結合機理研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：鄒貴生
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
材料微納尺度連線是決定微納器件及其系統性能的關鍵環節之一。鑒於目前微納連線特別是納連線技術如電子束焊、釺焊、電阻加熱焊等的局限性，基於超短脈衝（皮秒和飛秒）雷射與物質作用時具有能量非線性吸收、多材料適應、斑點小、極低熱效應等顯著特性，提出超短脈衝雷射微納米尺度連線研究項目。採用形貌觀測、顯微分析、泵浦-探測超快成像技術與分子動力學模擬、數值計算相結合，探明納、微、宏尺度材料超短脈衝雷射超快加熱熔化與凝固過程的規律，及材料特別是異種材料之間的冶金行為和非平衡凝固組織特徵。用超短脈衝雷射作熱源進行材料微納尺度連線，研究脈衝能量、焊接速度、材料特性等因素對接頭的成形、顯微組織、界面結構及其性能的影響並最佳化，提出獲得高性能接頭的工藝設計原則和界面冶金結合機理；將該微納尺度連線新技術用於典型納元器件製備和微系統封裝，實現高精度、低熱損傷、高性能接頭的微納連線。促進微納元器件製造及其系統封裝技術水平。
結題摘要
本項目系統地研究了超快雷射微納尺度的材料連線技術及其冶金結合機理。（1）揭示了超快雷射與納-微-宏尺度材料的作用機理及其對納米連線的影響：（1）超快雷射輻照下金屬-介電界面處產生的等離子激元效應會影響能量在納米結構中的輸入，呈現空間限制性輸入特徵。（2）超快雷射輻照下納米結構中“熱點”處強場會對近距離內材料產生力的作用，Ag納米顆粒受到Ag納米線周圍間隔分布“熱點”作用而被吸引至納米線表面並規則排布。（3）結構中的強場促進材料吸收高能量，使金屬材料軟化並促使材料發生變形，接頭部位金屬材料的延展會彌補間隙進而形成互連結構；而在介電材料中能破壞其穩定的晶體結構並產生缺陷，金屬原子在其表面獲得改善的潤濕特性，增強接頭界面強度，從而有助於實現同質及異質納米線結構的連線。（2）揭示了超快雷射納米連線成形特點、結合機理，提出了控制措施並用於微納器件製造：（1）利用偏振雷射輻照納米結構時能量在其中的可控輸入，並輔以飛秒雷射的極高脈衝能量，研究了不同金屬-金屬及金屬-介電材料體系的雷射快速低損傷連線過程，闡明了納米材料間等離子激元互連機理。（2）在金屬-金屬材料體系中實現了Ag納米顆粒與Ag納米線之間的自組裝互連，以及Ag納米線交叉結構的低損傷互連及初始分離結構的原位間隙自填充互連。（3）在金屬-介電材料體系中實現了熱平衡條件下冶金不兼容的Ag與TiO2、Ag與SiC納米線互連，以及跨尺度的TiO2/SiC納米線與Au電極之間互連。（4）間隔分布的納米顆粒-納米線結構可獲得在特定波段激勵下顆粒處選擇性近場增強效果；而互連的Ag分枝結構由於接頭間隙的彌補減小了耦合能量損失，在納米線末端獲能得更高的光發射解析度。（5）異質接頭處連線層可最佳化電傳導，通過構造不同的Ag與TiO2納米線接頭可獲得對稱與非對稱的整流特性，同時在TiO2納米線-電極結構中得到可控的多級電阻記憶性能，且最大級數能達到8級；而在SiC納米線-電極結構中可獲得快速開關與狀態短時維持特性。（3）實現了飛秒雷射對玻璃與玻璃、玻璃與矽的直接連線，獲得了最佳化工藝，剪下強度最高分別達到40.4MPa、54.0MPa。本項目的成果豐富了納米連線理論，為功能微納器件的高性能製造提供了重要技術支撐。
