Лазерный метод осаждения меди из раствора электролита на поверхность диэлектрика Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ЛАЗЕРНЫЙ МЕТОД ОСАЖДЕНИЯ МЕДИ ИЗ РАСТВОРА ЭЛЕКТРОЛИТА НА ПОВЕРХНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКА А.В. Аверина, А.В. Поволоцкий (Санкт-Петербургский государственный университет) Научный руководитель - к.ф.-м.н., доцент А.А. Маньшина (Санкт-Петербургский государственный университет)

Метод лазерного осаждения металла из растворов электролитов (ЛОМР) использовался для осаждения медных структур на поверхность оксидных стекол. Определены оптимальные параметры осаждения в стационарном режиме (без сканирования лазерного излучения по поверхности подложки), исследованы зависимости диаметра полученных металлических структур от времени воздействия и мощности лазерного излучения.

1. Введение

Метод лазерного осаждения металла из растворов электролитов (ЛОМР) позволяет решать задачи локального нанесения металла и создавать качественные малоразмерные металлические структуры на поверхности диэлектриков, кроме того, он считается наиболее эффективным и дешевым в своем классе [1-5]. Метод ЛОМР состоит в том, что лазерное излучение фокусируется на границу раздела «подложка-электролит». Вследствие термически либо фотолитически инициированной химической реакции восстановления происходит осаждение металла из раствора электролита на поверхность подложки. В результате могут быть получены проводящие структуры из Си, Рё, N1, А§, N1, А1, осажденные на различные типы подложек, например, на полупроводники (Б1, Ое, ОаЛв) или диэлектрики оксидные стекла, полимеры) [1]. Получение металлических структур методом ЛОМР может использоваться при создании интегральных микросхем, контактных соединений и электродов. Осаждение металлических дорожек на полимерные материалы позволяет создавать гибкие экраны, клавиатуры и т.д.

Для осаждения сложных структурных элементов и проводящих дорожек методом ЛОМР используется динамический режим осаждения (обеспечивается сканирование лазерного излучения по поверхности подложки, покрытой слоем жидкого электролита). При осаждении металла методом ЛОМР побочным результатом химической реакции восстановления является выделение газа (водорода). Образование пузырьков газа в области протекания химической реакции приводит к расфокусированию лазерного излучения, что негативно сказывается на процессе осаждения металла. Для минимизации этого явления авторы работ [1-5] уменьшают мощность лазерного излучения, что приводит к уменьшению скорости протекания химической реакции и, как результат, к уменьшению количества выделяемых продуктов реакции. При таких условиях для достижения равномерного распределения металла необходимо увеличивать число сканирований лазерного излучения по подложке. Однако режим многократного сканирования является малоэффективным с технологической точки зрения, кроме того, использование низких мощностей лазерного излучения и многократных сканирований приводит к осаждению неоднородных металлических структур, имеющих высокие значения сопротивления (до тысячи Ом) [1].

В данной работе метод ЛОМР использовался для осаждения меди в стационарном режиме (без сканирования лазерного излучения по поверхности подложки). Для борьбы с негативным влиянием образования пузырей предложена новая геометрия осаждения, позволяющая создавать качественные однородные металлические структуры. Определены пороговые мощности лазерного излучения, при которых происходит процесс осаждения меди, а также исследованы зависимости диаметра осажденных структур от времени воздействия и мощности лазерного излучения.

2. Экспериментальная часть

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для осаждения металла методом ЛОМР

В качестве источника лазерного излучения для осаждения меди методом ЛОМР использовался аргоновый (Лг+) лазер ЛГН-502, работающий в многомодовом режиме генерации, что позволяло варьировать мощность лазерного излучения в широком диапазоне - от 5 до 600 мВт (мощность лазерного излучения контролировалась при помощи ваттметра ЬРМ-905). Лазерное излучение через светоделительный куб направлялось в микроскоп (МШ-8) и фокусировалось на поверхность подложки, погруженной в раствор электролита, толщина которого составляла 1 мм. В качестве подложек использовались химически очищенные оксидные стекла БЮ2 размером 24*24*0,17 мм. Для осаждения меди использовался водный раствор электролита на основе сульфата меди: 0,260 г СиБ04, 1,320 г ККаС4^0б (тартрат), 0,386 г ШОН, 2,2 г НСОН (формальдегид), 2,5 г СН30Н (метанол) (на 100 мл Н20). Температура раствора составляла 298 К. Раствор электролита и подложка помещались в чашку Петри, которая устанавливалась на трехмерную подвижку. Процесс осаждения металла на поверхность подложки контролировался при помощи ССБ-камеры.

3. Результаты и их обсуждение

В качестве осаждаемого металла в данной работе была использована медь. Медь обладает наибольшей удельной проводимостью, медные проводники способны выдерживать большую плотность тока, чем, например, алюминиевые, и к тому же обладают более высокой устойчивостью к разрушению под воздействием тока, что позволяет продлить время жизни микросхемы.

Реакция восстановления меди из раствора электролита может быть описана следующим образом:

[Си(С4Н40б)2]-2 + 2НС0Н + 40Н- ^ Си0 + 2(С4Щ0б)-2 + Н2 + 2Н20 + 2НС00-.

Процесс осаждения меди является автокаталитическим, после осаждения некоторого количества металла на каталитических центрах поверхности процесс продолжается уже до полного израсходования содержащихся в растворе компонентов, т.е. до окисления восстановителя или восстановления ионов металла. Осаждение протекает без приложения внешнего электрического поля. В общем случае диэлектрическая поверхность не содержит каталитических центров и должна быть активирована. Применение для этой цели лазерного излучения обеспечивает высокую скорость и высокое пространственное разрешение процесса [6].

В первых проведенных нами экспериментах по осаждению меди из раствора электролита использовалась стандартная геометрия (подложка погружалась в электролит, толщина которого составляла 1 мм). Излучение фокусировалось на границу раздела «подложка-электролит» со стороны электролита, мощность лазерного излучения составляла 300 мВт. В процессе осаждения меди в результате химической реакции образовывались пузыри (за счет выделения газа Н2), что приводило к расфокусированию лазерного луча и препятствовало равномерному осаждению металла (рис. 2).

Рис. 2. Негативное влияние образования пузырей. Слева направо: пузырь, две образовавшиеся металлические структуры

Для минимизации негативного влияния образования пузырей на процесс осаждения меди была изменена геометрия осаждения (рис. 3). Подложка была помещена на поверхность раствора (толщина раствора составляла 5 мм), лазерный луч фокусировался на границу раздела «подложка-электролит» со стороны подложки. В предложенной геометрии осаждения пузыри газа вытесняются из области протекания химической реакции и не препятствуют воздействию лазерного излучения на границу раздела «подложка-электролит».

Таким образом, использование новой геометрии осаждения позволило создавать качественные медные структуры и исследовать влияние условий осаждения (время лазерного воздействия, мощность лазерного излучения) на размер осажденных структур. В результате работы был определен оптимальный диапазон мощности лазерного излучения для осаждения меди методом ЛОМР в стационарном режиме. Так, было обнаружено, что при мощностях лазерного излучения меньше 240 мВт не удается инициировать химическую реакцию восстановления меди. При мощностях, превышающих 500 мВт, происходит разрушение осажденной структуры. На фотографии (рис. 4) пред-

ставлены металлические структуры, осажденных при различных временах воздействия лазерного излучения.

Рис. 3. Новая геометрия осаждения металла из раствора электролита

Рис. 4. Микрофотография полученных металлических структур. Крайняя левая точка соответствует времени лазерного воздействия 4 с далее 5 с, 10 с, 15 с, 25 с и крайняя

правая - 35 с

Были получены следующие зависимости размера структур от условий осаждения:

1. При увеличении мощности от 240 до 500 мВт и фиксированном времени воздействия (1 мин) диаметр полученных структур увеличивался от 40 до 110 мкм (рис. 5).

2. При увеличении времени воздействия от 5 до 55 секунд и фиксированной мощности излучения (300 мВт) диаметр полученных структур увеличивался от 50 до 160 мкм (рис. 6).

Рис. 5. Зависимость диаметра полученных металлических структур от мощности

лазерного излучения

--

Ьй

40 .......— т —| —т".........

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 56

t. С

Рис. 6. Зависимость диаметра полученных металлических структур

от времени воздействия

4. Заключение

В работе метод лазерного осаждения металла из растворов электролитов (ЛОМР) был использован для создания медных структур на поверхности оксидных стекол. Определены оптимальные параметры осаждения в стационарном режиме (без сканирования лазерного излучения по поверхности подложки), исследованы зависимости диаметра полученных металлических структур от мощности лазерного излучения и времени воздействия.

В дальнейшем мы намерены осаждать металлы методом ЛОМР в динамическом режиме для создания сложных структурных элементов и проводящих дорожек. При осаждении в динамическом режиме будет использована новая разработанная геометрия и полученные зависимости размера осажденных структур от мощности и длительности лазерного воздействия.

Литература

1. K. Kordas, K. Bali, S. Leppavuori, A. Uusimaki, L. Nanai Laser direct writing of copper on polyimide surface from solution. // Applied Surface Science. 2000. № 154-155. P.399-404.

2. A. Manshina, A. Povolotskiy, T. Ivanova, A. Kurochkin, Yu. Tver'yanovich, D. Kim, M. Kim and S.C. Kwon Laser-assisted metal deposition from CuSO4-based electrolyte solution. // Laser Physics Letters. 2007. № 2. P. 163-167.

3. L.M. Wee, L. Li. Multiple-layer laser direct writing metal deposition in electrolyte solu-toin // Applied Surface Science. 2005. №247. P. 285-293.

4. K. Kordas, L. Nanai, G. Galbacs, A. Uusimaki, S. Leppavuori, K. Bali. Reaction dynamics of CW Ar+ laser induced copper direct writing from electrolyte on polyimide substrates. // Applied Surface Science. 2000. №158. P. 127-133.

5. A. Manshina, A. Povolotskiy, T. Ivanova, A. Kurochkin, Yu. Tver'yanovich, D. Kim, M. Kim and S.C. Kwon. CuCl2-based liquid electrolyte precursor for laser-induced metal deposition. // Laser Physics Letters. 2007. №3. P. 242-246.

6. Г.А. Шафеев Лазерная активация и металлизация диэлектриков. // Квантовая электроника. 1997. № 12. С. 24.