СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ МЕДИ НА ПОВЕРХНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКА
METHOD FOR LASER DEPOSITION OF COPPER ONTO DIELECTRIC SURFACE

Изобретение относится к технологии локализованного нанесения металлических слоев либо структур на поверхности диэлектриков различных типов для создания элементов и устройств микроэлектроники.
Метод лазерно-индуцированного осаждения металла из раствора (LCLD) основан на осаждении металла на поверхности подложки в фокусе луча лазера. Метод LCLD позволяет создавать без фотошаблона качественные малоразмерные металлические структуры на поверхности различных диэлектриков и полупроводников [В.А.Кочемировский, Л.Г.Менчиков, С.В.Сафонов, М.Д.Бальмаков, И.И.Тумкин, Ю.С.Тверьянович. Химические реакции в растворе и активация диэлектрических поверхностей при лазерно-индуцированном осаждении меди. Успехи химии, 2011, 80(9), в печати].
Сканирование сфокусированным лазерным лучом поверхности диэлектрика, помещенного в специальный раствор меднения, позволяет локализовано инициировать химическую реакцию восстановления металлической меди в соответствии с уравнением (1) [Y.S.Tver'yanovich, A.G.Kuzmin, L.G.Menchikov, V.A.Kochemirovsky, S.V.Safonov, I.I.Tumkin, A.V.Povolotsky, A.A.Manshina. Composition of the gas phase formed upon laser-induced copper deposition from solutions. Mendeleev Communications 2011, 21, 34-35; В.А.Кочемировский, С.В.Сафонов, И.И.Тумкин, Ю.С.Тверьянович, И.А.Балова, Л.Г.Менчиков. Оптимизация состава раствора для лазерно-индуцированного осаждения меди. Изв. АН., Сер. хим, 2011, (8), в печати]
где L - один или несколько лигандов комплексообразователя.
Традиционное использование формальдегида в качестве восстановителя в методе LCLD осложняется тем, что процесс сопровождается интенсивным газообразованием вследствие деструкции самого формальдегида и продуктов его реакции [Y.S.Tver'yanovich, A.G.Kuzmin, L.G.Menchikov, V.A.Kochemirovsky, S.V.Safonov, I.I.Tumkin, A.V.Povolotsky, A.A.Manshina. Composition of the gas phase formed upon laser-induced copper deposition from solutions. Mendeleev Communications 2011, 21, 34-35]. Это вызывает расфокусировку лазерного луча и, как следствие, приводит к получению пористых и прерывистых медных осадков [Y.S.Tver'yanovich, A.G.Kuzmin, L.G.Menchikov, V.A.Kochemirovsky, S.V.Safonov, I.I.Tumkin, A.V.Povolotsky, A.A.Manshina. Composition of the gas phase formed upon laser-induced copper deposition from solutions. Mendeleev Communications 2011, 21, 34-35; В.А.Кочемировский, С.В.Сафонов, И.И.Тумкин, Ю.С.Тверьянович, И.А.Балова, Л.Г.Менчиков. Оптимизация состава раствора для лазерно-индуцированного осаждения меди. Изв. АН., Сер. хим, 2011, (8), в печати]. На основании работ [K.Kordas, K.Bali, S.Leppavuori, A.Uusimaki, L.Nanai. Laser direct writing of cooper on polyimide surfaces from solution. Applied Surface Sciences, 154-155, 399-404 (2000); A.A.Manshina, A.V.Povolotsky, T.U.Ivanova, Y.S.Tver'yanovich, S.P.Tunik, D.Kim, M.Kim, S.C.Kwon. Effect of salt precursor on laser-assisted deposition. Appl. Phys. A, 89, 755-759 (2007)] можно оценить, что удельное электрическое сопротивление таких осадков оказывается на 2.5-4 порядка выше, чем у чистой меди [CRC Handbook of Chemistry and Physics, 84th Edition, (ed. D.R. Lide) CRC Press. Boca Raton, Florida, 2003].
4
4
6
2
2
Известен способ лазерного осаждения меди из раствора электролита на поверхность диэлектрика, включающий подготовку раствора электролита, содержащего 0,2 М KNa-тартрат (KNaCHO·4HO), 0,125 М NaOH и 6 М НСОН (формальдегид), и промывку подложки, фокусирование лазера на границу подложка-электролит, в котором в раствор электролита дополнительно включают CuCl, раствор нагревают до температуры от 30 до 60°С, подложку размещают на поверхности электролита, при этом излучение лазера, мощность которого выбирают в диапазоне от пороговой мощности, составляющей 10-50 мВт, до 400 мВт, фокусируют на границу раздела подложка-электролит со стороны подложки и однократно сканируют излучение по вышеуказанной поверхности со скоростью сканирования от 0,01 до 0,04 мм/с, или при скорости сканирования от 0,06 до 0,1 мм/с сканируют излучение от 3 до 5 раз по одной и той же осажденной структуре (патент РФ 2323553, Н05K 3/00, опубл. 27.04.2008).
Недостатком указанного способа является высокая пористость медных осадков вследствие доминирования нуклеационного механизма образования осадка.
В основу изобретения положена задача создания способа лазерного осаждения меди на поверхность диэлектрика, в котором обеспечивается образование медных осадков без использования раствора электролита, что приводит к улучшению свойств осажденных структур за счет отсутствия недостатков, связанных с наличием раствора (поглощения, газообразования и т.п.).
2
2
Решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что в способе лазерного осаждения меди на поверхность диэлектрика, включающем подготовку раствора электролита, содержащего комплексообразователь, NAOH и CuCl, промывку подложки, фокусирование лазера на границу подложка-электролит и сканирование излучения по вышеуказанной поверхности, в раствор электролита, содержащий 0.02 М CuCl, 0.2 М NaOH, дополнительно включают 0.15 М сорбит и в качестве комплексообразователя 0,022 М Трилон Б, образующийся раствор упаривают при температуре 60-80 градусов, гель наносят на поверхность диэлектрика, выбирают мощность лазерного излучения 500-600 мВт и скорость его перемещения относительно точки фокуса 1-2,5 мкм/с.
Замена раствора на гель приводит к тому, что отпадает необходимость в применении высокотоксичных растворов для лазерно-индуцированного меднения, наличие специально оборудованных лабораторий для их приготовления, конструктивно сложных элементов установки в виде ячейки для лазерного осаждения, а также решается проблема газообразования и поглощения лазерного излучения раствором для меднения.
Изобретение поясняется фиг.1-2, на которых показана упрощенная конструкция установки для прямого облучения лазерным лучом диэлектрической подложки, без использования ячейки для раствора меднения (4,5). На фиг.3 приведены микрофотографии дорожки (10к, 20к, 20к, 40к увеличение соответственно).
2
5
2
Осуществление способа обеспечивается в соответствии со схемой (фиг.1), луч аргонового лазера (1) попадает в светоделительный куб (2), часть излучения попадает на образец, часть через объектив (8) на CCD камеру (9), используемую для фокусировки оптической схемы и наблюдения процесса осаждения металла in situ, на экране монитора. Луч, направленный на образец, фокусируется (пятно 5 мкм в диаметре на интенсивности 1/е) через 4-кратный объектив микроскопа (3) на поверхности раздела диэлектрик-раствор в специальной ячейке (4) с герметичной прокладкой (5). В зоне фокуса лазерного излучения плотность энергетического потока составляет величину порядка 10 Вт/см. На схеме изображена геометрия облучения диэлектрика (6) «со стороны раствора», используемая для прозрачных и слабо поглощающих излучение лазера материалов. Диэлектрик и раствор электролита помещены на моторизованную подвижку (7), управляемую контроллером (11). Для подачи управляющих команд с ПК (10) используется оригинальное программное обеспечение. Туда же, на ПК, поступает информация от CCD-камеры (9), с помощью которой процесс осаждения и газовыделения фиксируется в режиме реального времени.
При использовании геля необходимость в специализированной ячейке и растворе отпадает, что отражено на фиг.2
Для целей эксперимента по оптимизации лазерно-инуцированного осаждения меди на поверхности ситалл ст -50-1, поликор вк-96 были приготовлены растворы А и В
6
14
6
I. А) CHO (сорбит) 0,15 М
II. B) NaOH 0,2M
2
CuCl 0,02 М
Трилон Б 0,022 М
Указанные растворы смешивались в объемном соотношении 1:1.
В эксперименте было впервые проведено лазерное осаждение меди из геля, полученного путем упаривания указанного раствора. Гель был нанесен на поверхность вк-96. Осаждение проводилось при мощности лазерного излучения 500 мВт на скорости 2,5 мкм/с. После этого образец был изучен под оптическим микроскопом. Изучение показало, что в результате лазерного сканирования осадилась медная дорожка шириной 90 мкм. Она представляет собой объемную структуру с углублением до 40 мкм в толщину геля, заполненную вкраплениями с характерным медным блеском. Микрофотографии дорожки приведены на фиг.3. Оценка глубины дорожки проведена на основании изменения фокусировки объектива микроскопа при различной глубине осадка.
Следует отметить, что в данных лабораторных условиях ниже 500 мВт реакция осаждения из геля не инициируется, а выше 600 мВт осадки разрушаются лазерным излучением. При этом диапазон скорости перемещения диэлектрической подложки относительно точки фокуса 1-2,5 мкм/с обусловлен тем, что меньше 1 мкм/с не позволяет моторизованная подвижка, больше 2,5 мкм/с осадки не успевают образовываться.
Впервые показана принципиальная возможность осаждения непрерывных медных структур путем сканирования лазерным лучом нанесенных на поверхность диэлектриков гелей, т.е без использования водных растворов.