利用飞秒激光实现玻璃表面选择性金属化的方法技术

一种利用飞秒激光实现玻璃表面选择性金属化的方法，包括下列步骤：（１）在玻璃基底上制备硝酸银薄膜；（２）利用飞秒激光聚焦在硝酸银薄膜上直写图案；（３）去除未辐照的硝酸银薄膜；（４）置入化学镀铜液中进行化学镀铜。本发明专利技术与传统金属化方法相比具有方法更简便、制备更快速、工艺更可控的特点，在多功能芯片实验室和微器件的集成特别是电学功能和热学功能的有效集成中有着很大应用潜力和实用价值。

Method for realizing selective metallization of glass surface by femtosecond laser

A method of using femtosecond laser to achieve selective metalization, which comprises the following steps: (1) preparation of silver nitrate film on glass substrate; (2) using femtosecond laser direct writing pattern focusing in silver nitrate film; (3) the removal of silver nitrate film without irradiation; (4) for electroless copper plating in the electroless copper plating solution. Compared with the traditional method of the invention has the characteristics of metal and more simple and more rapid process preparation, more controllable, in the integrated chip laboratory and micro devices especially the electrical function and thermal function of effective integration and has great application potential and practical value.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及玻璃金属化和飞秒激光微加工，特别是一种采用飞秒激光实现玻璃 表面无掩模选择性金属化的方法。 技术背景近年来，利用飞秒激光的超强超快特性对玻璃等透明材料进行微结构改性，已 引起了物理、材料、生物等多学科领域的极大兴趣。特别是在所选材料的破坏阈值 附近，飞秒激光可实现高效的纳米加工。自Himo研究组首次发现飞秒激光诱导的 折射率变化并制作出光波导以来，飞秒激光应用于集成微器件中的微加工越来越广 泛。当前芯片实验室特别是微光学和微流体集成的迫切需求，为飞秒激光微加工带 来了新的思路。Cheng利用飞秒激光在光敏玻璃内部实现了三维光子学和微流体器 件的集成，并制作出微流体激光器。因此，利用飞秒激光在单一芯片上实现更多功 能的高度集成无疑将极具新意和挑战。其中，电学功能和热学功能的集成将对于多 功能微器件的制作具有重要意义和实用价值。上述集成的基础，关键在于需要解决 在玻璃上进行选择性金属化的问题。目前微电子工业普通采用的选择性金属化方法 多是依赖于掩模而沉积金属图案，增加了制备工序的复杂性和实施成本。因此寻找 一种方法简便、制备快速、工艺可控的新型玻璃选择性金属化的手段引起了研究者 广泛的兴趣。由于激光直写技术具有较好的选择性，以其为基础的各种金属化方法 应运而生，如激光诱导正向传递沉积、激光辅助化学气相沉积、激光诱导等离子体 辅助烧蚀、激光辅助化学液相沉积、激光直写玻璃表面金属粉末等，但利用上述这 些技术进行选择性金属化将电学功能和热学功能集成至飞秒激光微加工制作的微光 学-微流体集成器件中，集成精度和相容性有待于改善。
技术实现思路
本专利技术旨在为面向多功能芯片实验室技术的飞秒激光微加工微器件集成需求， 提供一种飞秒激光实现玻璃表面选择性金属化的方法，以克服现有技术需要掩模而 带来工艺的繁杂性，简化制造步骤，降低制造成本，同时提高整个工艺的可控性和 稳定性。 -本专利技术的具体技术解决方案如下 一种，包括下列步骤(1) 在玻璃基底上制备硝酸银薄膜首先将清洗洁净的玻璃基底避光浸没在硝 酸银溶液中，硝酸银溶液的浓度为0.2 2mol/l，浸没时间为1 60min，浸没完毕室 温自然干燥；(2) 利用飞秒激光聚焦在硝酸银薄膜上直写图案，飞秒激光的波长为800nm， 脉冲宽度为40fs，峰值功率密度为0.8xl015 16xl015W/cm2，扫描速度l~100pm/s;(3) 去除未辐照的硝酸银薄膜依次采用丙酮~>酒精4蒸熘水清洗，每个溶剂 清洗时间为1 10min，超声波作为清洗的辅助手段；(4) 置入化学镀铜液中进行化学镀铜化学镀铜液的成分为成分 含量硫酸铜(CuS04'5H20) 2~10g/l， 乙二胺四乙酸钠(EDTA'2Na) 10 20g/l，甲醛(HCHO) 2 10g/l，2-2，联吡啶 0.01 0.1g/l,聚乙二醇(PEG4000) 0.01~0.1g/l溶液的PH值为12 13，采用1^NaOH溶液进行调节；施镀时间为1 120min， 施镀温度为20 8(TC。本专利技术通过改变飞秒激光直写技术的各种加工参数来调控图案化的尺寸及形 状。在激光辐照位置，高强度的激光能量使得硝酸银分解为银，而未辐照位置的硝 酸银在激光直写后可用溶剂轻易去除。飞秒激光直写位置原位产生大量银颗粒，将 作为化学镀的催化中心，引导着后续化学镀铜的择优沉积，从而成功实现玻璃的选 择性金属化。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点1、 实现了无掩模的玻璃表面选择性金属化，避免了现有技术中因掩模带来的繁 杂工序，使整个制备过程更简便、有效。2、 由于飞秒激光较高的加工精确性和较小的热影响区域，使得产生的Ag颗粒 聚集在激光辐照的位置，而且具有很好的结合强度，玻璃表面的金属化具有很好的 选择性和粘附力。 3、 所选的玻璃类型广泛，无论是否具有光敏性质，均可实现选择性金属化，对 于其他非导电材料表面的选择性金属化同样具有启示意义。4、 飞秒激光改性实现的玻璃表面选择性金属化和飞秒激光制备其他的微光学和 微流体器件具有很好的相容性，降低了飞秒激光微加工制备多功能微器件的有效集 成技术的难度。5、 飞秒激光的多光子吸收效应和阈值效应使得这一专利技术可延伸实现玻璃的三维 选择性金属化结构及纳米量级金属化。附图说明图1为本专利技术飞秒激光改性实现玻璃表面选择性金属化步骤示意图具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。 图1为本专利技术利用飞秒激光实现玻璃表面选择性金属化步骤示意图，由图可见， 飞秒激光实现玻璃表面选择性金属化的方法包括下列步骤(1) 在玻璃基底上制备硝酸银薄膜将清洗洁净玻璃基底避光浸没在硝酸银溶液中，硝酸银溶液浓度为0.2 2mol/l，浸没时间为1 60min，浸没完毕室温自然干燥；(2) 利用飞秒激光聚焦在玻璃基底上的硝酸银薄膜上直写图案飞秒激光的波长为800nm，脉冲宽度为40fs，峰值功率密度为0.8xl015 16xl015W/cm2，扫描速度1 100—S;(3) 去除未辐照的硝酸银薄膜依次采用丙酮—酒精—蒸馏水清洗，每个溶剂清洗时间为1 10min，超声波作为清洗的辅助手段；(4) 置入化学镀铜液中进行化学镀铜 化学镀铜液的成分为成分 含量硫酸铜 2~10g/l，乙二胺四乙酸钠 10 20g/l，甲醛 2~10g/l，2-2，联吡啶 0.01~0.1g/l，聚乙二醇 0.01-0. lg/1溶液的PH值为12 13，采用1%NaOH溶液进行调节；施镀时间为1 120min， 施镀温度为20 80°C。实施例1浸没所用的硝酸银溶液的浓度为0.5mo1/1，浸没时间为10min;飞秒激光在硝酸 银薄膜上直写图案时，其波长为800nm，脉冲宽度为40fs，峰值功率密度为 2.4xl015W/cm2，扫描速度60iam/s;去除未辐照硝酸银薄膜采用的溶剂依次为丙酮— 酒精4蒸馏水，每个溶剂清洗时间为3min，超声波作为辅助手段；化学镀铜液的成 分为硫酸铜(CuS04.5H20) 5g/l，乙二胺四乙酸钠(EDTA'2Na) 14g/l，甲醛(HCHO) 5g/l， 2-2'联吡啶0.02g/l，聚乙二醇(PEG4000)0.05g/1。 PH值为12.5 (采用l%NaOH 溶液调节)；施镀时间为45min，施镀温度为40'C。实验测得Cu薄膜导电(实现玻 璃表面选择性金属化)，电阻率约为0.05 r>mm2/m (体积铜电阻率的3倍左右)。实施例2浸没所用新鲜硝酸银溶液浓度为lmo1/1，浸没时间为10min;飞秒激光在硝酸银 薄膜上直写图案时，其波长为800nm，脉冲宽度为40fs ，峰值功率密度为 4.0x1015W/cm2，扫描速度60i^m/s;去除未辐照硝酸银薄膜采用的溶剂依次为丙酮— 酒精—蒸馏水，每个溶剂清洗时间为3min，超声波作为辅助手段；化学镀铜液的成 分为硫酸铜(CuS04'5H20) 7.5g/l，乙二胺四乙酸钠(EDTA'2Na) 14g/l，甲醛(HCHO) 7.5g/l， 2-2'联吡啶0.03g/l，聚乙二醇(PEG4000) 0.05g/l。 PH值为12.5 (采用1% NaOH溶液调节)；施镀时间为30min，施镀温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用飞秒激光实现玻璃表面选择性金属化的方法，其特征在于包括下列步骤：（１）在玻璃基底上制备硝酸银薄膜：将清洗洁净的玻璃基底避光浸没在硝酸银溶液中，硝酸银溶液的浓度为：０．２～２ｍｏｌ／ｌ，浸没时间为１～６０ｍｉｎ，浸没完毕室温自然干燥；（２）利用飞秒激光聚焦在硝酸银薄膜上直写图案，飞秒激光的波长为８００ｎｍ，脉冲宽度为４０ｆｓ，峰值功率密度为０．８×１０↑［１５］～１６×１０↑［１５］Ｗ／ｃｍ↑［２］，扫描速度１～１００μｍ／ｓ；（３）去除未辐照的硝酸银薄膜：依次采用丙酮→酒精→蒸馏水清洗，每个溶剂清洗时间为１～１０ｍｉｎ，超声波作为清洗的辅助手段；（４）置入化学镀铜液中进行化学镀铜：化学镀铜液的成分为：成分含量硫酸铜２～１０ｇ／ｌ，乙二胺四乙酸钠１０～２０ｇ／ｌ，甲醛２～１０ｇ／ｌ，２－２’联吡啶０．０１～０．１ｇ／ｌ，聚乙二醇０．０１～０．１ｇ／ｌ溶液的ＰＨ值为１２～１３，采用１％ＮａＯＨ溶液进行调节；施镀时间为１～１２０ｍｉｎ，施镀温度为２０～８０℃。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐剑，程亚，廖洋，徐至展，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]