專利名稱：利用飛秒激光實(shí)現(xiàn)玻璃表面選擇性金屬化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及玻璃金屬化和飛秒激光微加工，特別是一種采用飛秒激光實(shí)現(xiàn)玻璃 表面無(wú)掩模選擇性金屬化的方法。 技術(shù)背景近年來(lái)，利用飛秒激光的超強(qiáng)超快特性對(duì)玻璃等透明材料進(jìn)行微結(jié)構(gòu)改性，已 引起了物理、材料、生物等多學(xué)科領(lǐng)域的極大興趣。特別是在所選材料的破壞閾值 附近，飛秒激光可實(shí)現(xiàn)高效的納米加工。自Himo研究組首次發(fā)現(xiàn)飛秒激光誘導(dǎo)的 折射率變化并制作出光波導(dǎo)以來(lái)，飛秒激光應(yīng)用于集成微器件中的微加工越來(lái)越廣 泛。當(dāng)前芯片實(shí)驗(yàn)室特別是微光學(xué)和微流體集成的迫切需求，為飛秒激光微加工帶 來(lái)了新的思路。Cheng利用飛秒激光在光敏玻璃內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了三維光子學(xué)和微流體器 件的集成，并制作出微流體激光器。因此，利用飛秒激光在單一芯片上實(shí)現(xiàn)更多功 能的高度集成無(wú)疑將極具新意和挑戰(zhàn)。其中，電學(xué)功能和熱學(xué)功能的集成將對(duì)于多 功能微器件的制作具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。上述集成的基礎(chǔ)，關(guān)鍵在于需要解決 在玻璃上進(jìn)行選擇性金屬化的問(wèn)題。目前微電子工業(yè)普通采用的選擇性金屬化方法 多是依賴于掩模而沉積金屬圖案，增加了制備工序的復(fù)雜性和實(shí)施成本。因此尋找 一種方法簡(jiǎn)便、制備快速、工藝可控的新型玻璃選擇性金屬化的手段引起了研究者 廣泛的興趣。由于激光直寫(xiě)技術(shù)具有較好的選擇性，以其為基礎(chǔ)的各種金屬化方法 應(yīng)運(yùn)而生，如激光誘導(dǎo)正向傳遞沉積、激光輔助化學(xué)氣相沉積、激光誘導(dǎo)等離子體 輔助燒蝕、激光輔助化學(xué)液相沉積、激光直寫(xiě)玻璃表面金屬粉末等，但利用上述這 些技術(shù)進(jìn)行選擇性金屬化將電學(xué)功能和熱學(xué)功能集成至飛秒激光微加工制作的微光 學(xué)-微流體集成器件中，集成精度和相容性有待于改善。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明旨在為面向多功能芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的飛秒激光微加工微器件集成需求， 提供一種飛秒激光實(shí)現(xiàn)玻璃表面選擇性金屬化的方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)需要掩模而 帶來(lái)工藝的繁雜性，簡(jiǎn)化制造步驟，降低制造成本，同時(shí)提高整個(gè)工藝的可控性和 穩(wěn)定性。 -本發(fā)明的具體技術(shù)解決方案如下 一種利用飛秒激光實(shí)現(xiàn)玻璃表面選擇性金屬化的方法，包括下列步驟(1) 在玻璃基底上制備硝酸銀薄膜首先將清洗潔凈的玻璃基底避光浸沒(méi)在硝 酸銀溶液中，硝酸銀溶液的濃度為0.2 2mol/l，浸沒(méi)時(shí)間為1 60min，浸沒(méi)完畢室 溫自然干燥；(2) 利用飛秒激光聚焦在硝酸銀薄膜上直寫(xiě)圖案，飛秒激光的波長(zhǎng)為800nm， 脈沖寬度為40fs，峰值功率密度為0.8xl015 16xl015W/cm2，掃描速度l~100pm/s;(3) 去除未輻照的硝酸銀薄膜依次采用丙酮~>酒精4蒸熘水清洗，每個(gè)溶劑 清洗時(shí)間為1 10min，超聲波作為清洗的輔助手段；(4) 置入化學(xué)鍍銅液中進(jìn)行化學(xué)鍍銅化學(xué)鍍銅液的成分為成分 含量硫酸銅(CuS04'5H20) 2~10g/l， 乙二胺四乙酸鈉(EDTA'2Na) 10 20g/l，甲醛(HCHO) 2 10g/l，2-2，聯(lián)吡啶 0.01 0.1g/l,聚乙二醇(PEG4000) 0.01~0.1g/l溶液的PH值為12 13，采用1^NaOH溶液進(jìn)行調(diào)節(jié)；施鍍時(shí)間為1 120min， 施鍍溫度為20 8(TC。本發(fā)明通過(guò)改變飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)的各種加工參數(shù)來(lái)調(diào)控圖案化的尺寸及形 狀。在激光輻照位置，高強(qiáng)度的激光能量使得硝酸銀分解為銀，而未輻照位置的硝 酸銀在激光直寫(xiě)后可用溶劑輕易去除。飛秒激光直寫(xiě)位置原位產(chǎn)生大量銀顆粒，將 作為化學(xué)鍍的催化中心，引導(dǎo)著后續(xù)化學(xué)鍍銅的擇優(yōu)沉積，從而成功實(shí)現(xiàn)玻璃的選 擇性金屬化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 實(shí)現(xiàn)了無(wú)掩模的玻璃表面選擇性金屬化，避免了現(xiàn)有技術(shù)中因掩模帶來(lái)的繁 雜工序，使整個(gè)制備過(guò)程更簡(jiǎn)便、有效。
2、 由于飛秒激光較高的加工精確性和較小的熱影響區(qū)域，使得產(chǎn)生的Ag顆粒 聚集在激光輻照的位置，而且具有很好的結(jié)合強(qiáng)度，玻璃表面的金屬化具有很好的 選擇性和粘附力。 3、 所選的玻璃類型廣泛，無(wú)論是否具有光敏性質(zhì)，均可實(shí)現(xiàn)選擇性金屬化，對(duì) 于其他非導(dǎo)電材料表面的選擇性金屬化同樣具有啟示意義。4、 飛秒激光改性實(shí)現(xiàn)的玻璃表面選擇性金屬化和飛秒激光制備其他的微光學(xué)和 微流體器件具有很好的相容性，降低了飛秒激光微加工制備多功能微器件的有效集 成技術(shù)的難度。5、 飛秒激光的多光子吸收效應(yīng)和閾值效應(yīng)使得這一發(fā)明可延伸實(shí)現(xiàn)玻璃的三維 選擇性金屬化結(jié)構(gòu)及納米量級(jí)金屬化。


圖1為本發(fā)明飛秒激光改性實(shí)現(xiàn)玻璃表面選擇性金屬化步驟示意圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。 圖1為本發(fā)明利用飛秒激光實(shí)現(xiàn)玻璃表面選擇性金屬化步驟示意圖，由圖可見(jiàn)， 飛秒激光實(shí)現(xiàn)玻璃表面選擇性金屬化的方法包括下列步驟(1) 在玻璃基底上制備硝酸銀薄膜將清洗潔凈玻璃基底避光浸沒(méi)在硝酸銀溶液中，硝酸銀溶液濃度為0.2 2mol/l，浸沒(méi)時(shí)間為1 60min，浸沒(méi)完畢室溫自然干燥；(2) 利用飛秒激光聚焦在玻璃基底上的硝酸銀薄膜上直寫(xiě)圖案飛秒激光的波長(zhǎng)為800nm，脈沖寬度為40fs，峰值功率密度為0.8xl015 16xl015W/cm2，掃描速度1 100—S;(3) 去除未輻照的硝酸銀薄膜依次采用丙酮—酒精—蒸餾水清洗，每個(gè)溶劑清洗時(shí)間為1 10min，超聲波作為清洗的輔助手段；(4) 置入化學(xué)鍍銅液中進(jìn)行化學(xué)鍍銅 化學(xué)鍍銅液的成分為成分 含量硫酸銅 2~10g/l，乙二胺四乙酸鈉 10 20g/l，甲醛 2~10g/l，2-2，聯(lián)吡啶 0.01~0.1g/l，聚乙二醇 0.01-0. lg/1
溶液的PH值為12 13，采用1%NaOH溶液進(jìn)行調(diào)節(jié)；施鍍時(shí)間為1 120min， 施鍍溫度為20 80°C。實(shí)施例1浸沒(méi)所用的硝酸銀溶液的濃度為0.5mo1/1，浸沒(méi)時(shí)間為10min;飛秒激光在硝酸 銀薄膜上直寫(xiě)圖案時(shí)，其波長(zhǎng)為800nm，脈沖寬度為40fs，峰值功率密度為 2.4xl015W/cm2，掃描速度60iam/s;去除未輻照硝酸銀薄膜采用的溶劑依次為丙酮— 酒精4蒸餾水，每個(gè)溶劑清洗時(shí)間為3min，超聲波作為輔助手段；化學(xué)鍍銅液的成 分為硫酸銅(CuS04.5H20) 5g/l，乙二胺四乙酸鈉(EDTA'2Na) 14g/l，甲醛(HCHO) 5g/l， 2-2'聯(lián)吡啶0.02g/l，聚乙二醇(PEG4000)0.05g/1。 PH值為12.5 (采用l%NaOH 溶液調(diào)節(jié))；施鍍時(shí)間為45min，施鍍溫度為40'C。實(shí)驗(yàn)測(cè)得Cu薄膜導(dǎo)電(實(shí)現(xiàn)玻 璃表面選擇性金屬化)，電阻率約為0.05 r>mm2/m (體積銅電阻率的3倍左右)。實(shí)施例2浸沒(méi)所用新鮮硝酸銀溶液濃度為lmo1/1，浸沒(méi)時(shí)間為10min;飛秒激光在硝酸銀 薄膜上直寫(xiě)圖案時(shí)，其波長(zhǎng)為800nm，脈沖寬度為40fs ，峰值功率密度為 4.0x1015W/cm2，掃描速度60i^m/s;去除未輻照硝酸銀薄膜采用的溶劑依次為丙酮— 酒精—蒸餾水，每個(gè)溶劑清洗時(shí)間為3min，超聲波作為輔助手段；化學(xué)鍍銅液的成 分為硫酸銅(CuS04'5H20) 7.5g/l，乙二胺四乙酸鈉(EDTA'2Na) 14g/l，甲醛(HCHO) 7.5g/l， 2-2'聯(lián)吡啶0.03g/l，聚乙二醇(PEG4000) 0.05g/l。 PH值為12.5 (采用1% NaOH溶液調(diào)節(jié))；施鍍時(shí)間為30min，施鍍溫度為40°C。實(shí)驗(yàn)測(cè)得Cu薄膜導(dǎo)電(實(shí) 現(xiàn)玻璃表面選擇性金屬化)，電阻率約為0.09 flmm2/m (體積銅電阻率的5倍左右)。實(shí)施例3浸沒(méi)所用的硝酸銀溶液濃度為lmol/1,浸沒(méi)時(shí)間為20min;飛秒激光在硝酸銀薄 膜上直寫(xiě)圖案時(shí)，其波長(zhǎng)為800nm，脈沖寬度為40fs，峰值功率密度為6.4><1015W/cm2， 掃描速度60|am/s;去除未輻照硝酸銀薄膜采用的溶劑依次為丙酮—酒精—蒸餾水， 每個(gè)溶劑清洗時(shí)間為5min，超聲波作為輔助手段；化學(xué)鍍銅液的成分為硫酸銅(CuS04.5H20) 5g/l，乙二胺四乙酸鈉(EDTA-2Na) 14g/l，甲醛(HCHO) 5g/l， 2陽(yáng)2，聯(lián)吡啶0.03g/l，聚乙二醇(PEG4000) 0.05g/l。 PH值為12.5 (采用1^NaOH溶 液調(diào)節(jié))；施鍍時(shí)間為15min，施鍍溫度為5(TC。實(shí)驗(yàn)測(cè)得Cu薄膜導(dǎo)電(實(shí)現(xiàn)玻璃 表面選擇性金屬化)，電阻率約為0.09 Q'mm2/m (體積銅電阻率的5倍左右)。
權(quán)利要求
1、 一種利用飛秒激光實(shí)現(xiàn)玻璃表面選擇性金屬化的方法，其特征在于包括下列步驟(1) 在玻璃基底上制備硝酸銀薄膜將清洗潔凈的玻璃基底避光浸沒(méi)在硝酸銀溶液中，硝酸銀溶液的濃度為0.2~2mol/l，浸沒(méi)時(shí)間為1 60min，浸沒(méi)完畢室溫自 然干燥；(2) 利用飛秒激光聚焦在硝酸銀薄膜上直寫(xiě)圖案，飛秒激光的波長(zhǎng)為800nm， 脈沖寬度為40fs，峰值功率密度為0.8xl015~16xl015W/cm2，掃描速度l 100|nm/s;(3) 去除未輻照的硝酸銀薄膜依次采用丙酮—酒精—蒸餾水清洗，每個(gè)溶劑 清洗時(shí)間為1 10min，超聲波作為清洗的輔助手段；(4) 置入化學(xué)鍍銅液中進(jìn)行化學(xué)鍍銅化學(xué)鍍銅液的成分為2~10g/l， 10 20g/l， 2 10g/l， 0,01 0.1g/l， 0,01 0.1g/l采用T/。NaOH溶液進(jìn)行調(diào)節(jié)；施鍍時(shí)間為1 120min，成分 硫酸銅乙二胺四乙酸鈉 甲醛2-2'聯(lián)吡啶聚乙二醇溶液的PH值為12 13 施鍍溫度為20~80°C。
全文摘要
一種利用飛秒激光實(shí)現(xiàn)玻璃表面選擇性金屬化的方法，包括下列步驟(1)在玻璃基底上制備硝酸銀薄膜；(2)利用飛秒激光聚焦在硝酸銀薄膜上直寫(xiě)圖案；(3)去除未輻照的硝酸銀薄膜；(4)置入化學(xué)鍍銅液中進(jìn)行化學(xué)鍍銅。本發(fā)明與傳統(tǒng)金屬化方法相比具有方法更簡(jiǎn)便、制備更快速、工藝更可控的特點(diǎn)，在多功能芯片實(shí)驗(yàn)室和微器件的集成特別是電學(xué)功能和熱學(xué)功能的有效集成中有著很大應(yīng)用潛力和實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C03C17/06GK101121575SQ200710043530
公開(kāi)日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2007年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月6日
發(fā)明者洋 廖, 劍 徐, 徐至展, 亞 程 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所