CC BY
37
Поволоцкий А.В.1, Поволоцкая А.В.2, Маньшина А.А.3, Грунский О.С.4
'К.ф.-м.н., ассистент, 2студент, 3к.ф.-м.н., доцент, 4к.г.-м.н., доцент;
Санкт-Петербургский государственный университет
УСТАНОВКА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ
МЕТАЛЛА ИЗ РАСТВОРА*
Аннотация
В статье представлено описание разработанной установки осаждения металлических структур методом лазерного осаждения металла из раствора. Приведены примеры сформированных структур и продемонстрировано, что установка может успешно применяться для формирования элементов микроэлектроники на поверхности диэлектрических подложек.
Ключевые слова: осаждение металла, лазерная активация;
Key words: metal deposition, laser activation.
Введение. Лазерные технологии осаждения металлических структур позволяют разрабатывать общую платформу и идеологию создания элементов и компонентов для сложных устройств микроэлектроники, больших интегральных схем. Использование таких элементов позволяет в значительной степени упростить технологический процесс изготовления и повысить конкурентоспособность разработок и изготовления малых партий устройств микроэлектроники, а также уникальных приборов. Получение металлических структур методом лазерного осаждения металла из раствора (ЛОМР) может использоваться при создании интегральных микросхем, контактных соединений и электродов. Осаждение металлических дорожек на полимеры позволяет создавать гибкие экраны, клавиатуры и т.д.
В основе метода лазерного осаждения металла из раствора (ЛОМР) лежит так называемый процесс безэлектродного автокаталитического осаждения, который не требует использования внешних источников электрического поля [1]. В результате фотолитически или термически инициированной химической реакции происходит восстановление металла из металлических комплексов на определенных каталитических центрах на поверхности подложки. Лазерное излучение имеет ряд несомненных преимуществ (пространственная и временная когерентность, направленность, локализация) по сравнению, например, с электрическими полями в электролитических ваннах; использование лазерного излучения позволяет управлять реакцией и контролировать процесс осаждения металла с микронным, а в некоторых случаях и субмикронным пространственным разрешением. В результате могут быть получены проводящие структуры из Cu, Pd, Ni, Ag, Al и т.д. осаждённые на различные типы подложек, например, на полупроводники (Si, Ge, GaAs) или диэлектрики (SixNy, оксидные стекла, различные полимеры) [2]. Получение металлических структур методом ЛОМР может использоваться при создании интегральных микросхем, контактных соединений и электродов. В настоящее время полимеры - в особенности тефлон и полиимид нашли широкое применение в промышленности за счет своих уникальных физических и химических свойств. Осаждение металлических дорожек на полимеры позволяет создавать гибкие экраны, клавиатуры и т.д.
В настоящее время ведется активное развитие существующих методов и разработка новых способов создания металлических структур на поверхности диэлектриков [3-6]. В
данной работе представлена установка для лазерного осаждения металлических структур на поверхности диэлектриков из растворов электролитов.
Описание установки. Установка реализует метод ЛОМР. В процессе лазерно-индуцированного осаждения металла выделяют следующие основные стадии: 1)
активация диэлектрика под воздействием лазерного излучения, 2) восстановление металла на локально-активированных участках подложки. Эффективность развития стадий определяется условиями лазерного воздействия. Для реализации указанного процесса применяются специальные растворы, содержащие одновременно ионы осаждаемого металла и восстановитель - источник электронов. Передача электронов от восстановителя к иону металла происходит на каталитически-активных участках поверхности, создаваемых под воздействием лазерного излучения. Лазерная активация поверхности и раствора может быть реализована двумя способами. Облучение через подложку (рисунок 1а) применяется для случая тонких оптически прозрачных материалов, а облучение через раствор (рисунок 1б) для непрозрачных сред.
Рисунок 1 - Схематическое изображение способов воздействия лазерным излучением на границу раздела подложка - раствор: а) при облучении через подложку; б) при облучении через раствор. 1 - лазерное излучение, 2 - переднее оптическое окно кюветы, 3 -подложка, 4 - раствор, 5 - заднее оптическое окно кюветы.
Установка состоит из следующих функциональных частей: источника лазерного
излучения, оптического модуля для фокусировки лазерного излучения на границе раздела подложка - раствор электролита, модуля видеонаблюдения для обеспечения возможности непрерывного контроля над процессом формирования металлических структур на диэлектрической подложке.
На рисунке 2 представлена блок-схема установки для лазерного осаждения металлических структур на поверхности диэлектриков.
Рисунок 2 - Блок-схема установки для лазерного осаждения металлических структур на
поверхности диэлектриков.
1 - Ge-Cd газовый лазер (длина волны 325 нм); 2, 5, 11 - поворотные зеркала; 3 - фазовая пластина Х/2; 4 - широкополосный поляризационный светоделительный куб; 6 -микрообъектив; 7 - кювета с подложкой и раствором электролита; 8 - лампа подсветки; 9 - 2-0 управляемый моторизованный транслятор; 10 - оптический фильтр; 12 -видеоокуляр; 13 - персональный компьютер.
Поляризованное излучение лазера (1) с помощью поворотных зеркал (2) совмещается с оптической осью, на которой расположены фазовая пластина Х/2 (3) и светоделительный куб (4). Фазовая пластина Х/2 позволяет повернуть поляризацию лазерного излучения таким образом, чтобы достичь максимального коэффициента пропускания через широкополосный поляризационный светоделительный куб вдоль оптической оси. Прошедшее через куб излучение при помощи поворотного зеркала (5) направляется в микрообъектив (6) и фокусируется при помощи микрообъектива на границе раздела подложка - раствор электролита, расположенных в кювете (7). Для фокусировки лазерного излучения используются микрообъективы кратности 5х0.10, 10х0.25, 20х0.40 (ОК-5, ОК-10, ОК-120). Перемещение кюветы осуществляется с помощью двухкоординатного управляемого моторизованного транслятора (9) Standa 8МТ173-20, управляемого посредством компьютера (13) через контроллер.
Система видеонаблюдения обеспечивает возможность непрерывного оптического контроля над процессом формирования металлических структур на диэлектрической подложке методом лазерного осаждения. Широкополосное излучение лампы освещения (8) освещает зону фокуса микрообъектива (6). Излучение лампы после микрообъектива направляется на широкополосный поляризационный светоделительный куб. Чтобы защитить видеоокуляр от отраженного лазерного излучения, используется оптический фильтр (10). Далее оптический сигнал направляется поворотным зеркалом (11) в видеоокуляр (12) и записывается компьютером (13).
Установка позволяет создавать металлические структуры на поверхности диэлектриков со следующими параметрами формируемых структур:
- ширина в диапазоне 5 - 100 мкм;
- толщина не более 20 мкм;
- разрешающая способность не более 10 мкм;
- отклонение от заданного химического состава структур по металлическим
компонентам не более 5 %;
- линейная протяженность металлической структуры не менее 20 мм.
Примеры использования установки.
На рисунке 3а представлена микрофотография металлической структуры из золота и меди в отношении 1/2, осажденной на стекло марки М5. Ширина полученной структуры равна 10 мкм, толщина 2 мкм. Возможности установки формировать двумерные металлические структуры сложной архитектуры на поверхности диэлектрика показаны на рисунке 36.
Рисунок 3 - Микрофотографии а) золото-медного проводника, осажденного на стекло марки М5, б) медной структуры сложной архитектуры, осажденной на стекло марки М5.
Заключение.
Разработанная установка для осаждения металлических структур методом ЛОМР из растворов электролитов может успешно применяться для формирования элементов микроэлектроники на поверхности диэлектрических подложек. Автоматическое управление (при помощи компьютера и контроллера двумерного моторизованного транслятора) перемещением лазерного луча по границе раздела подложка - раствор позволяет формировать как линейные проводники, так и двумерные металлические структуры сложной архитектуры.
*Финансирование работы осуществлялось за счет средств Государственного контракта № 02.513.12.3088.
Литература
1. Kordas K., Bali K., Leppaevuori S., Uusimaeki A., Nanai L. Laser direct writing of copper on polyimide surfaces from solution // Appl. Surf. Sci. 2000. V. 154-155. Pp. 399-404.
2. Вансовская К.М. Металлические покрытия нанесенные химическим способом // 1985. 103 c.
3. R.E.I. Schropp, B. Stannowski, A.M. Brockhoff, P.A.T.T. van Veenendaal and J.K. Rath Hot wire CVD of heterogeneous and polycrystalline silicon semiconducting thin films for application in thin film transistors and solar cells // Materials Physics and Mechanics. 2000. V. 1, Pp. 73-82.
4. C. Germain and Y.Y. Tsui Femtosecond laser induced forward transfer of materials // Proc. Int. Conf. MEMS, NANO and Smart Systems, Banff, July 20-23 2003. Pp. 44-47.
5. Shlichta P.J. Laser Micromachining in a Reactive Atmosphere// NASA Tech. Briefs. 1988. N. 12. P. 84.
6. Bloomstein T.M. and Ehrlich D.J. Laser-Chemical Three-Dimensional Writing for Microelectromechanics and Application to Standart-Cell Microfluidics// J.Vac. Sci. Technol. B. 1992. No. 10. Pp. 2671-2674.
