Способ локальной лазерно-индуцированной металлизации поверхности диэлектрика

Изобретение относится к области электротехники, в частности к технологии локального лазерно-индуцированного осаждения металлических структур на поверхность стекла и может быть использовано для создания токопроводящих контактов, микронагревателей и катализаторов в лабораториях на чипе, биомолекулярных сенсоров и миниатюрных датчиков поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии. Технический результат - формирование золотых проводящих структур на стеклянной подложке непосредственно из раствора соли металла. Технический результат достигается тем, что способ локальной лазерно-индуцированной металлизации поверхности диэлектрика включает фокусировку лазерного излучения на границу раздела подложка-электролит стеклянной подложки, погруженной в кювету с раствором электролита. При этом используют излучение фемтосекундного лазера на длине волны 1030 нм, с длительностью импульсов 180÷600 фс, энергией импульсов 200÷800 нДж, частотой следования импульсов 200÷500 кГц, пучок которого пропускают через пространственный фильтр с двумя отверстиями ϕ=130° и θ=23° и фокусируют с помощью объектива с числовой апертурой 0,45÷0,65 снизу вверх на верхнюю поверхность диэлектрика и перемещают в плоскости поверхности подложки со скоростью 0,01÷1 мм/с однократно или с количеством проходов 2-100 с заглублением фокуса под поверхность подложки с шагом в 1÷5 мкм для каждого последующего прохода. В качестве раствора электролита применяют 4 М водный раствор HAuCl₄, а в качестве диэлектрика - предметное стекло состава (масс. %) 72,2 SiO₂, 14,3 Na₂O, 1,2 K₂O, 6,4 СаО, 4,3 MgO, 1,2 Al₂O₃, 0,03 Fe₂O₃, 0,3 SO₃. 3 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к технологии локального лазерно-индуцированного осаждения металлических структур на поверхность стекла. Изобретение позволяет с высоким пространственным разрешением осаждать с помощью фемтосекундного лазерного пучка золотые микроструктуры на поверхности стекла. Полученный результат может быть использован для создания токопроводящих контактов, микронагревателей и катализаторов в лабораториях на чипе, биомолекулярных сенсоров и миниатюрных датчиков поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии.

Известен способ формирования золотых микроэлектродов на стеклянной подложке методом химического осаждения с помощью фемтосекундного лазерного излучения [Song J. et al. Fabrication of gold microelectrodes on a glass substrate by femtosecond-laser-assisted electroless plating //Journal of Laser Micro Nanoengineering. - 2012. - T. 7. - №. 3. - C. 334], заключающийся в том, что поверхность стекла аблируют фемтосекундными лазерными импульсами, обрабатывают раствором AgNO₃, с помощью сфокусированного лазерного пучка локально высаживают на аблированной поверхности стекла зародыши серебра, на которых впоследствии реализуют химическое осаждение золота. Для улучшения адгезии образец стекла с золотыми микроэлектродами дополнительно подвергают термической обработке при 300°С в течение часа.

Главным недостатком способа является многостадийность и длительность процесса металлизации.

Известен способ лазерно-индуцированного осаждения благородных металлов из раствора на поверхность диэлектриков [Патент ЕР0357124А2 Method of selectively providing a metal from the liquid phase on a substrate by means of a laser], заключающийся в локальном сканировании поверхности материала, покрытой раствором соли металла, пучком аргонового лазера, сфокусированного в эллиптическое пятно 20×100 мкм.

Недостатком способа является низкая локализация процесса металлизации, так способ позволяет формировать протяженные металлические треки шириной от 20 мкм.

Известен способ лазерного нанесения металлических покрытий и проводников на диэлектрики путем лазерно-индуцированного осаждения металла из раствора, заключающийся в помещении поверхности диэлектрика на поверхность раствора, включающего фотоактивные гетерометаллические металлорганические комплексы Au-Cu или Au-Ag, и сканирование по поверхности диэлектрика пучком гелий-кадмиевого лазера.

Недостатком способа является сложность и трудоемкость синтеза и дороговизна используемых фотоактивных гетерометаллических металлорганических комплексов.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ одностадийного лазерного осаждения меди из раствора электролита на поверхность диэлектрика [Патент RU 2323553С1 Способ лазерного осаждения меди из раствора электролита на поверхность диэлектрика], выбранный в качестве прототипа и включающий подготовку раствора электролита, содержащего 0,1 М CuCl₂, 0,2 М KNa-тартрат (KNaC₄H₄O₆⋅4H₂O), 0,125 М NaOH и 6 М НСОН (формальдегид), промывку подложки, подогрев раствора электролита до температуры от 30 до 60°С, фокусирование со стороны подложки и сканирование пучком лазера по границе подложка-электролит. В качестве источника лазерного излучения использован аргоновый лазер мощностью 10÷50 мВт, до 400 мВт. Способ предусматривает однократное сканирование со скоростью 0,01÷0,04 мм/с, или трех-пятикратное сканирование по одной и той же осажденной структуре при скорости 0,06÷0,1 мм/с.

Недостатками способа являются многокомпонентность (необходимость наличия в составе компонента-восстановителя) раствора электролита и необходимость его подогрева, которая усложняет конструкцию системы металлизации стекла. Кроме этого, вследствие того, что фокусировка проводится на нижнюю поверхность подложки, образующиеся в процессе реакции пузырьки газов могут накапливаться в зоне воздействия лазерного излучения, агломерироваться и снижать эффективность процесса осаждения металла.

Техническим результатом изобретения является формирование золотых проводящих структур на стеклянной подложке непосредственно из раствора соли металла.

Указанный технический результат достигается способом локальной лазерно-индуцированной металлизации поверхности диэлектрика, включающим фокусировку лазерного излучения на границу раздела подложка-электролит стеклянной подложки, погруженной в кювету с раствором электролита, при этом используют излучение фемтосекундного лазера на длине волны 1030 нм, с длительность импульсов 180÷600 фс, энергией импульсов 200÷800 нДж, частотой следования импульсов 200÷500 кГц, пучок которого пропускают через пространственный фильтр с двумя отверстиями ϕ=130° и θ=23° и фокусируют с помощью объектива с числовой апертурой 0,45÷0,65 снизу вверх на верхнюю поверхность диэлектрика и перемещают в плоскости поверхности подложки со скоростью 0,01÷1 мм/с однократно или с количеством проходов 2-100 с заглублением фокуса под поверхность подложки с шагом в 1÷5 мкм для каждого последующего прохода, в качестве раствора электролита применяют 4 М водный раствор HAuCl₄, а в качестве диэлектрика - предметное стекло состава (масс. %) 72,2 SiO₂, 14,3 Na₂O, 1,2 K₂O, 6,4 СаО, 4,3 MgO, 1,2 Al₂O₃, 0,03 Fe₂O₃, 0,3 SO₃.

В отличие от прототипа, где ведущую роль в механизме лазерного осаждения металла играет термически-индуцированная химическая реакция, в заявляемом способе восстановление золота происходит за счет свободных электронов, образующихся в результате многофотонного поглощения энергии фемтосекундных импульсов. При этом аблирование поверхности стекла в зоне контакта с раствором, на которую воздействует лазерное излучение, благоприятствует адгезии осаждаемого металла к стеклу. Фокусировка лазерного излучения снизу-вверх через стеклянную пластину на ее верхнюю поверхность не только предотвращает влияние образующихся газовых пузырьков на перетяжку лазерного пучка, но и облегчает их унос из зоны осаждения металла за счет гравитационных сил.

На Фиг. 1 приведена схема установки лазерно-индуцированной металлизации стекла. В качестве источника фемтосекундных лазерных импульсов (1) использовался лазер с длиной волны 1030 нм. Лазерный луч через ослабитель мощности (2), состоящий из полуволновой пластины и призмы Глана-Тейлора и позволяющий прецизионно задавать энергию импульсов, заводился с помощью системы зеркал (3) через пространственный фильтр с двумя отверстиями (ϕ=130° и θ=23°) (4) в фокусирующий объектив (5). Энергия импульсов контролируется с помощью измерителя (6) после объектива. Далее лазерный пучок фокусируется, проходя снизу через дно кварцевой кюветы (7) с раствором хлорного золота (8), на верхней поверхности стеклянной пластины (9) из предметного стекла состава (масс. %) 72,2 SiO₂, 14,3 Na₂O, 1,2 K₂O, 6,4 СаО, 4,3 MgO, 1,2 Al₂O₃, 0,03 Fe₂O_3; 0,3 SO₃. Кварцевая кювета установлена на моторизованную трехкоординатную платформу (10), движение которой синхронизировано с генерацией лазерных импульсов. Источник света (11) и фотокамера (12) позволяют визуализировать на персональном компьютере (13) процесс осаждения металла в реальном времени.

Достижение заявляемого технического результата подтверждается следующими примерами.

Пример 1: Сформирована серия золотых треков длиной 7 мм на поверхности пластины предметного стекла с использованием сфокусированного лазерного излучения на длине волны 1030 нм, с длительностью импульсов 180 фс, частотой следования 500 кГц, энергией импульсов 500 нДж. Лазерный пучок фокусировали на верхнюю поверхность стеклянной пластины, соприкасающуюся с раствором 4М HAuCl₄ с помощью объектива с числовой апертурой 0,45 и перемещали со скоростью 1 мм/с с количеством проходов 100 с заглублением фокуса под поверхность подложки с шагом в 1 мкм для каждого последующего прохода. В результате сформированы треки с надповерхностной частью шириной около 35 мкм (Фиг. 2а) и подповерхностной частью шириной и глубиной около 5 мкм (Фиг. 2b).

Пример 2: Сформирована площадка 1×1 мм, содержащая 100 прямолинейных золотых треков длиной 1 мм с шагом 10 мкм на поверхности пластины предметного стекла с использованием сфокусированного лазерного излучения на длине волны 1030 нм, с длительностью импульсов 600 фс, частотой следования 200 кГц, энергией импульсов 800 нДж. Лазерный пучок фокусировали на верхнюю поверхность стеклянной пластины, соприкасающуюся с раствором 4М HAuCl₄ с помощью объектива с числовой апертурой 0,45 и однократно перемещали со скоростью 0,1 мм/с. Для сформированной площадки зарегистрирована рентгенограмма (Фиг. 3), подтверждающая успешное осаждение металлического золота на стеклянной пластине. По оси абсцисс рентгенограммы лежат углы отражения 2÷0, по оси ординат - относительная интенсивность Брегговских отражений.

Пример 3: Сформирована серия золотых треков длиной 0,5 мм на поверхности пластины предметного стекла с использованием сфокусированного лазерного излучения на длине волны 1030 нм, с длительностью импульсов 180 фс, частотой следования 500 кГц, энергией импульсов 200 нДж. Лазерный пучок фокусировали на верхнюю поверхность стеклянной пластины, соприкасающуюся с раствором 4М HAuCl₄ с помощью объектива с числовой апертурой 0,65 и перемещали со скоростью 0,01 мм/с с количеством проходов 10 с заглублением фокуса под поверхность подложки с шагом в 5 мкм для каждого последующего прохода. В результате сформированы треки с надповерхностной частью шириной около 10 мкм и подповерхностной частью шириной около 5 мкм и глубиной около 3 мкм. Удельное сопротивление сформированных треков составило ~60±20 мкОм*см, разброс обусловлен точностью вычисления площади торцов полученных проводящих треков и существенным разбросом значений площади на разных участках трека.

Таким образом, заявляемые концентрации раствора HAuCl₄, конфигурация оптической схемы и параметры лазерного облучения обеспечивают формирование золотых структур на стеклянной подложке, которые могут быть использованы для разработки устройств микроэлектроники, лабораторий на чипе и датчиков поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии. Выход за пределы заявляемых значений по скорости сканирования, длительности, энергии и частоте следования импульсов не позволяет сформировать сплошные металлические структуры с вышеописанными характеристиками.

Способ локальной лазерно-индуцированной металлизации поверхности диэлектрика, включающий фокусировку лазерного излучения на границе раздела диэлектрик-электролит стеклянной подложки, погруженной в кювету с раствором электролита, отличающийся тем, что используют излучение фемтосекундного лазера на длине волны 1030 нм, с длительностью импульсов 180÷600 фс, энергией импульсов 200÷800 нДж, частотой следования импульсов 200÷500 кГц, пучок которого пропускают через пространственный фильтр с двумя отверстиями ϕ=130° и θ=23° и фокусируют с помощью объектива с числовой апертурой 0,45÷0,65 снизу вверх на верхнюю поверхность диэлектрика и перемещают в плоскости поверхности подложки со скоростью 0,01÷1 мм/с однократно или с количеством проходов 2-100 с заглублением фокуса под поверхность подложки с шагом в 1÷5 мкм для каждого последующего прохода, в качестве раствора электролита применяют 4 М водный раствор HAuCl₄, а в качестве диэлектрика - предметное стекло состава (масс. %) 72,2 SiO₂, 14,3 Na₂O, 1,2 K₂O, 6,4 СаО, 4,3 MgO, 1,2 Al₂O₃, 0,03 Fe₂O₃, 0,3 SO₃.