СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТОКОПРОВОДЯЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКЕ МЕТОДОМ ОДНОСТАДИЙНОГО ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОГО ПРЯМОГО ПЕРЕНОСА СЕРЕБРЯНОЙ ПЛЕНКИ Российский патент 2024 года по МПК C23C14/28 H01L21/283 

Изобретение относится к физике и микроэлектронике и может быть использовано для формирования токопроводящих микро- и макроэлементов электрических цепей на диэлектрических подложках, что является актуальным при изготовлении солнечных батарей, сенсоров, формирования электрических контактов в электронных и оптоэлектронных устройствах.

Известен способ формирования токопроводящего элемента электрической цепи (серебряного контакта) на диэлектрической (стеклянной) подложке, включающий перенос частиц серебра, образующих токопроводящий элемент цепи, с донорной подложки, прозрачной для инфракрасного излучения, на поверхность которой нанесен слой серебра, на диэлектрическую (акцепторную) подложку, в результате сканирования слоя серебра пучком лазерного излучения с длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 150 нс, частотой следования импульсов 1 кГц, при энергии в импульсе от 0,10 до 0,45 мДж, скорости сканирования 200-800 мм/с (см. Teppei Araki, Rajesh Mandamparambil, Dirk Martinus Peterus van Bragt, Jinting Jiu et al. Stretchable and transparent electrodes based on patterned silver nanowires by laser-induced forward transfer for non-contacted printing techniques. Nanotechnology, 2006, 27(45) [1]). После переноса частиц осуществляют отжиг образованного токопроводящего элемента в печи для улучшения его электрической проводимости (достигаемая величина удельной проводимости составляет 1,56 кСм/см).

Основной недостаток известного из [1] способа состоит в том, что удельная проводимость токопроводящих элементов, полученных им, невысока, что ограничивает их применение. Еще один недостаток состоит в большой продолжительности и достаточной сложности технологического процесса формирования токопроводящего элемента в результате его двухстадийности (перенос частиц и последующий отжиг) и необходимости использования дополнительного оборудования.

Известен способ формирования токопроводящего элемента электрической цепи на диэлектрической подложке, включающий перенос частиц металла (в частности, серебра или меди), образующих токопроводящий элемент цепи, с донорной подложки, прозрачной для лазерного излучения, на поверхность которой нанесен слой металлической пастытолщиной 150 мкм и менее (предпочтительно, от 40 до 60 мкм) на диэлектрическую (акцепторную) подложку, в результате сканирования слоя металлической пасты пучком лазерного излучения с длиной волны 532 нм, длительностью импульса 15 нс, частотой следования импульсов 20-150 кГц, и последующее лазерное спекание перенесенных частиц для улучшения электрической проводимости (см. US 2015/294872 А1, МПК H01L 21/283, опубл. 15.10.2015 [2]). Расстояние между донорной и акцепторной подложками находится в диапазоне от 0,1 до 1000 мкм (предпочтительно, от 50 до 100 мкм).

Недостаток известного способа состоит в том, что спекание перенесенных частиц также представляет собой отдельную стадию технологического процесса формирования токопроводящего элемента цепи, что также усложняет и удорожает технологический процесс и увеличивает его продолжительность.

Известный из [2] способ принят в качестве ближайшего аналога заявленного способа.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании эффективного способа формирования токопроводящих элементов электрических цепей на диэлектрических подложках в одну стадию.

При этом достигается технический результат, заключающийся в возможности формирования токопроводящих элементов электрических цепей с высокой удельной проводимостью при одновременном упрощении технологического процесса их формирования и сокращения его продолжительности.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания способа формирования токопроводящего элемента электрической цепи на диэлектрической подложке, включающего перенос частиц серебра, образующих упомянутый элемент цепи, с донорной подложки, прозрачной для лазерного излучения, на поверхность которой нанесен слой серебра, на упомянутую диэлектрическую акцепторную подложку, в результате сканирования упомянутого слоя серебра пучком лазерного излучения и последующее спекание упомянутых частиц серебра, в котором перенос упомянутых частиц серебра и их последующее спекание осуществляют в одну стадию, по меньшей мере, двумя последовательными лазерными импульсами в результате сканирования серебряной пленки пучком лазерного излучения с длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 120 нс, частотой следования импульсов 20 кГц, при фокусировке пучка лазерного излучения объективом с фокусным расстоянием 160 мм, энергии в импульсе 0,4 мДж, скорости сканирования 1000 мм/с и расстоянии между упомянутыми донорной и акцепторной подложками 25 мкм.

На фиг. 1 представлено схематичное изображение технологического процесса реализации заявленного способа.

На фиг. 2а представлено ПЭМ-изображение слоя металла, полученного в результате последовательного действия нескольких импульсов.

На фиг. 2б представлена карта распределения химических элементов.

На фиг. 3 представлена зависимость удельной проводимости от количества импульсов в точку.

Заявленный способ реализуют посредством выполнения следующей последовательности действий.

1. Донорную подложку 1, прозрачную для инфракрасного излучения, с нанесенным на ее внутреннюю (обращенную в зону переноса) поверхность слоем серебра, подлежащего переносу (пленкой 2), размещают на держателе (условно не показан) пленкой 2 вниз. Пучок излучения 3 от лазера с длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 120 нс и частотой следования импульсов 20 кГц фокусируют на пленке 2 (через внешнюю поверхность донорной подложки 1) объективом с фокусным расстоянием 160 мм.

2. На расстоянии 25 мкм от донорной подложки 1 на моторизованной подвижке (условно не показана) размещают диэлектрическую акцепторную подложку 4.

3. Производят сканирование пленки 2 пучком лазерного излучения при энергии в импульсе 0,4 мДж и скорости сканирования 1000 мм/с, что обеспечивает поступление, по меньшей мере, двух (например, четырех) лазерных импульсов в каждую точку серебряной пленки 2, в результате чего происходит перенос частиц 5 материала пленки на диэлектрическую акцепторную подложку 4 и их последующее спекание.

Далее производят измерение электрического сопротивления образованного токопроводящего элемента и рассчитывают его удельную проводимость.

Пример 1

Донорную подложку из стекла с нанесенной на ее поверхность серебряной пленкой толщиной 500 нм размещают на держателе. Акцепторную подложку после ультразвуковой очистки в химически чистом изопропаноле и последующего высушивания размещают на держателе, закрепленном на подвижке, моторизованной по оси Z. Устанавливают нулевое расстояние между донорной и акцепторной подложками. Пучок излучения от наносекундного лазера с длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 120 нс и частотой излучения 20 кГц фокусируют на пленке. Производят сканирование серебряной пленки пучком лазерного излучения при энергии в импульсе в диапазоне 0,3-0,5 мДж и скорости сканирования 600-2000 мм/с (см. фиг. 1). Энергии ниже 0,3 мДж будет недостаточно для отрыва частиц пленки, а использование энергии выше 0,5 мДж приводит к повреждениюакцепторной подложки. При увеличении скорости сканирования (выше 2000 мм/с) происходит ухудшение сплошности образующегося токопроводящего элемента. При уменьшении скорости сканирования (ниже 600 мм/с) происходит абляционное удаление материала частиц, приводящее к уменьшению удельной проводимости.

Удельная проводимость образованного токопроводящего элемента находится в диапазоне (2-20)±1 кСм/см (см. табл. 1). Наибольшее значение удельной проводимости (20±3 кСм/см) соответствует скорости сканирования 1000 мм/с и энергии в импульсе 0,4 мДж.

Пример 2

Донорную подложку из стекла с нанесенной на ее поверхность серебряной пленкой толщиной 500 нм размещают на держателе. Акцепторную подложку после ультразвуковой очистки в химически чистом изопропаноле и последующего высушивания размещают на держателе, закрепленном на подвижке, моторизованной по оси Z. Устанавливают расстояние 25 мкм между донорной и акцепторной подложками. Пучок излучения от наносекундного лазера с длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 120 нс и частотой излучения 20 кГц фокусируют на пленке. Производят сканирование серебряной пленки пучком лазерного излучения при энергии в импульсе в диапазоне 0,3-0,5 мДж и скорости сканирования 600-2000 мм/с (см. фиг. 1). Удельная проводимость образованного токопроводящего элемента находится в диапазоне (7-100)±3 кСм/см (см. табл. 1). Наибольшее значение удельной проводимости (100±5 кСм/см) соответствует скорости сканирования 1000 мм/с и энергии в импульсе 0,4 мДж.

Пример 3

Донорную подложку из стекла с нанесенной на ее поверхность серебряной пленкой толщиной 500 нм размещают на держателе. Акцепторную подложку после ультразвуковой очистки в химически чистом изопропаноле и последующего высушивания размещают на держателе, закрепленном на подвижке, моторизованной по оси Z. Устанавливают расстояние 60 мкм между донорной и акцепторной подложками. Пучок излучения от наносекундного лазера с длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 120 нс и частотой излучения 20 кГц фокусируют на пленке. Производят сканирование поверхности серебряной пленки пучком лазерного излучения при энергии в импульсе в диапазоне 0,3-0,5 мДж и скорости сканирования 600-2000 мм/с (см. фиг.1). Удельная проводимость образованного токопроводящего элемента находится в диапазоне (2-33)±1 кСм/см. Наименьшее значение удельной проводимости (33±5 кСм/см) соответствует скорости сканирования 1000 мм/с и энергии в импульсе 0,5 мДж.

Исходя из экспериментальных данных, максимально значение удельной проводимости (100±5 кСм/см) достигается при расстоянии между донорной и акцепторной подложками 25 мкм, скорости сканирования 1000 мм/с и энергии в импульсе 0,4 мДж.

В таблице 1 представлены величины удельной проводимости, полученные в результате проведенных экспериментов.

Заявленный способ обеспечивает возможность формирования на диэлектрических подложках токопроводящих элементов электрических цепей с высокой (100±5 кСм/см) удельной проводимостью (для сравнения, удельная проводимость токопроводящих контактов из [1] составляет 1,56 кСм/см) при одновременном упрощении технологического процесса их формирования и сокращения его продолжительности (вследствиеодностадийности технологического процесса и отсутствия необходимости в использовании дополнительного технологического оборудования).

Изобретение относится к физике и микроэлектронике и может быть использовано для формирования токопроводящих микро- и макроэлементов электрических цепей на диэлектрических подложках, что является актуальным при изготовлении солнечных батарей, сенсоров, формирования электрических контактов в электронных и оптоэлектронных устройствах. Для формирования токопроводящего элемента электрической цепи на диэлектрической подложке осуществляют перенос частиц серебра, образующих упомянутый элемент цепи, с донорной подложки, прозрачной для лазерного излучения, на поверхность которой нанесен слой серебра, на упомянутую диэлектрическую акцепторную подложку в результате сканирования упомянутого слоя серебра пучком лазерного излучения и последующее спекание упомянутых частиц серебра. Перенос упомянутых частиц серебра и их последующее спекание осуществляют в одну стадию, по меньшей мере двумя последовательными лазерными импульсами в результате сканирования серебряной пленки пучком лазерного излучения с длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 120 нс, частотой следования импульсов 20 кГц, при фокусировке пучка лазерного излучения объективом с фокусным расстоянием 160 мм, энергии в импульсе 0,4 мДж, скорости сканирования 1000 мм/с и расстоянии между упомянутыми донорной и акцепторной подложками 25 мкм. Изобретение обеспечивает возможность формирования на диэлектрических подложках токопроводящих элементов электрических цепей с высокой удельной проводимостью при одновременном упрощении технологического процесса их формирования и сокращения его продолжительности. 4 ил., 1 табл., 3 пр.

Способ формирования токопроводящего элемента цепи на диэлектрической подложке, включающий перенос частиц серебра, образующих упомянутый элемент электрической цепи, с донорной подложки, прозрачной для лазерного излучения, на поверхность которой нанесен слой серебра, на упомянутую диэлектрическую акцепторную подложку в результате сканирования упомянутого слоя серебра пучком лазерного излучения и последующее спекание упомянутых частиц серебра, отличающийся тем, что перенос упомянутых частиц серебра и их последующее спекание осуществляют в одну стадию по меньшей мере двумя последовательными лазерными импульсами в результате сканирования серебряной пленки пучком лазерного излучения с длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 120 нс, частотой следования импульсов 20 кГц, при фокусировке пучка лазерного излучения объективом с фокусным расстоянием 160 мм, энергии в импульсе 0,4 мДж, скорости сканирования 1000 мм/с и расстоянии между упомянутыми донорной и акцепторной подложками 25 мкм.