Выбор режимов одностадийной высокопроизводительной печати серебряных проводящих дорожек на поверхности кремния методом лазерного переноса

Настулявичус А.А., Кудряшов С.И., Смирнов Н.А., Пахольчук П.П., Шелыгина С.Н., Ултургашева Е.В., Сараева И.Н., Заярный Д.А., Пряхина В.И., Хмеленин Д.Н., Емельянова О.В., Мин Фам Хонг, Донг Фам Ван

Ссылка для цитирования:

Настулявичус А.А., Кудряшов С.И., Смирнов Н.А., Пахольчук П.П., Шелыгина С.Н., Ултургашева Е.В., Сараева И.Н., Заярный Д.А., Пряхина В.И., Хмеленин Д.Н., Емельянова О.В., Фам Хонг Мин, Фам Ван Донг. Выбор режимов одностадийной высокопроизводительной печати серебряных проводящих дорожек на поверхности кремния методом лазерного переноса // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 2. С. 99–111. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-02-99-111

Nastulyavichus A.А., Kudryashov S.I., Smirnov N.А., Paholchuk P.P., Shelygina S.N., Ulturgasheva E.V., Saraeva I.N., Zayarnyi D.A., Pryakhina V.I., Khmelenin D.N, Emelyanova O.V., Pham Hong Minh, Pham Van Duong. Selection of regimes for one-step high-throughput laser printing of silver conducting lines on silicon by forward laser transfer [In Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 2. P. 99–111. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-02-99-111

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Проводящие дорожки на поверхности монокристаллического кремния. Цель работы. Создание эффективного одностадийного способа формирования токопроводящих элементов электрических цепей на кремнии. Метод. Нанесение проводящего слоя серебра производится посредством метода лазерно-индуцированного прямого переноса с донорной подложки. Подбор параметров лазерного излучения позволил определить оптимальный режим переноса с достижением максимального значения удельной проводимости проводящего слоя. Топография поверхности и химический состав исследовались методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской и фотоэлектронной спектроскопии. Основные результаты. Максимальная удельная проводимость (около 54 кСм/см (килосименс/сантиметр) была получена при переносе серебряной плёнки лазерным излучением с длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 120 нс и плотностью мощности 0,21 ГВт/см². Скорость сканирования при этом составляла 2000 мм/с, что обеспечивало поступление примерно 2 лазерных импульсов в каждую точку плёнки, в результате чего происходил перенос частиц материала плёнки на кремниевую подложку и их последующее спекание. Практическая значимость. Метод, представленный в работе, может быть использован для формирования токопроводящих элементов электрических цепей с высокой удельной проводимостью в одну стадию при одновременном упрощении технологического процесса их формирования и сокращения его продолжительности.

Ключевые слова:

высокопроизводительная лазерная печать, лазерно-индуцированный прямой перенос, серебряные плёнки, наночастицы

Благодарность:

работа поддержана министерством науки и высшего образования Российской федерации (соглашение № 075-15-2023-603). Работа выполнена с использованием оборудования Уральского центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии» Уральского федерального университета (рег. номер 2968), поддержанного Министерством науки и высшего образования РФ и центра коллективного пользования «Структурная диагностика материалов» ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН

Коды OCIS: 140.0140, 240.0310

Список источников:

1. Третьяков С.Д. Современные технологии производства радиоэлектронной аппаратуры. СПб.: Университет ИТМО, 2016. 102 с.

2. Yoon I.S., Oh Y., Kim S.H., Choi J., Hwang Y., Park C.H., Ju B.K. 3D printing of self-wiring conductive ink with high stretchability and stackability for customized wearable devices // Advanced Materials Technologies. 2019. V. 4. № 9. P. 1900363. https://doi.org/10.1002/admt.201900363

3. Naghdi S., Rhee K.Y., Hui D., Park S.J. A review of conductive metal nanomaterials as conductive, transparent, and flexible coatings, thin films, and conductive fillers: Different deposition methods and applications // Coatings. 2018. V. 8. № 8. P. 1–27. https:// doi.org/10.3390/coatings8080278

4. Kamyshny A., Magdassi S. Conductive nanomaterials for printed electronics // Small. 2014. V. 10. № 17. P. 3515–3535. https://doi.org/10.1002/smll.201303000

5. Albrecht A., Rivadeneyra A., Abdellah A., Lugli P., Salmerón, J.F. Inkjet printing and photonic sintering of silver and copper oxide nanoparticles for ultra-low-cost conductive patterns // Journal of Materials Chemistry C. 2016. V. 4. № 16. P. 3546–3554. https://doi.org/10.1039/c6tc00628k

6. Navratil J., Hamacek A., Reboun J., Soukup R. Perspective methods of creating conductive paths by Aerosol Jet Printing technology // 2015 38th International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE). Eger, Hungary. May 06–10. 2015. P. 36–39. https://doi.org/10.1109/ISSE.2015.7247957

7. Deore B., Sampson K.L., Lacelle T. et al. Direct printing of functional 3D objects using polymerization-induced phase separation // Nat. Commun. 2021. V. 12. № 55. P. 1–12. https://doi.org/10.1038/s41467-020-20256-3

8. Edri E., Armon N., Greenberg E. et al. Laser printing of multilayered alternately conducting and insulating microstructures // ACS Applied Materials & Interfaces. 2021. V. 13. № 30. P. 36416–36425. https://doi.org/10.1021/acsami.1c06204

9. Jung S.G., Han Y., Kim J.H. et al. High critical current density and high-tolerance superconductivity in high-entropy alloy thin films // Nat. Commun. 2022. V. 13. P. 3373. https://doi.org/10.1038/s41467-022-30912-5

10. Serra P., Piqué A. Laser-induced forward transfer: fundamentals and applications // Adv. Mater. Technol. 2019. V. 4. № 1. P. 1800099. https://doi.org/10.1002/admt.201800099

11. Winter S., Zenou M., Kotler Z. Conductivity of laser printed copper structures limited by nano-crystal grain size and amorphous metal droplet shell // Journal of Physics D: Applied Physics. 2016. V. 49. № 16. P. 165310. https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/16/165310

12. Morales M., Munoz-Martin D., Marquez A., Lauzurica S., Molpeceres C. Laser-induced forward transfer techniques and applications // Advances in Laser Materials Processing. 2018. Р. 339–379. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-101252-9.00013-3

13. Shugaev M.V., Bulgakova N.M. Thermodynamic and stress analysis of laser-induced forward transfer of metals // Appl. Phys. A. 2010. V. 101. P. 103–109. https://doi.org/10.1007/ s00339-010-5767-0

14. Lee C.K.W., Pan Y., Yang R., Kim M., Li M.G. Laser-induced transfer of functional materials // Top Curr Chem (Z). 2023. V. 381. № 4. P. 18. https://doi.org/10.1007/s41061-023-00429-6

15. Chichkov B. Laser printing: trends and perspectives // Appl. Phys. A. 2022. V. 128. № 11. P. 1015. https://doi.org/10.1007/s00339-022-06158-9

16. Bohandy J., Kim B.F., Adrian F.J. Metal deposition from a supported metal film using an excimer laser // J. Appl. Phys. 1986. V. 60. № 4. P. 1538–1539. https://doi.org/10.1063/1.337287

17. Avilova E.A., Khairullina E.M., Shishov A.Y., Eltysheva E.A., Mikhailovskii V., Sinev D.A., Tumkin I.I. Direct laser writing of copper micropatterns from deep eutectic solvents using pulsed near-IR radiation // Nanomaterials. 2022. V. 12. № 7. P. 1127. https://doi.org/10.3390/nano12071127

18. Avilova E., Khairullina E., Eltysheva E., Zaikina M., Shishov A., Sinev D., Tumkin I. Fabrication of copper patterns on industrial-used dielectric substrates by direct laser metallization from deep eutectic solvents // ChemRxiv. Cambridge: Cambridge Open Engage. 2023. P. 1–12. https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2023-b8pln

19. Araki T., Mandamparambil R., Martinus Peterus van Bragt D. Stretchable and transparent electrodes based on patterned silver nanowires by laser-induced forward transfer for non-contacted printing techniques // Nanotechnology. 2006. V. 27. № 45. P. 1–8. https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/45/45LT02

20. DeVaul R.W., Aminzade D. Agent interfaces for interactive electronics that support social cues // US Patent 0 138 333 A1. 2013. Publ. May 21, 2015.

21. Makrygianni M., Kalpyris I., Boutopoulos C., Zergioti I. Laser induced forward transfer of Ag nanoparticles ink deposition and characterization // Applied surface science. 2014. V. 297. P. 40–44. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.01.069

22. Chen Y., Munoz-Martin D., Morales M., Molpeceres C., Sánchez-Cortezon E., Murillo-Gutierrez J. Laser induced forward transfer of high viscosity silver paste for new metallization methods in photovoltaic and flexible electronics industry // Physics Procedia. 2016. V. 83. P. 204–210. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2016.08.010

23. Lim J., Kim Y., Shin J., Lee Y., Shin W., Qu W., Hwang E., Park S., Hong S. Continuous-wave laser-induced transfer of metal nanoparticles to arbitrary polymer substrates // Nanomaterials. 2020. V. 10. № 4. P. 701. https://doi.org/10.3390/nano10040701

24. Ferraria A.M., Carapeto A.P., Botelho do Rego A.M. X-ray photoelectron spectroscopy: Silver salts revisited // Vacuum. 2012. V. 86. № 12. P. 1988–1991. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2012.05.031

25. Kaspar T.C., Droubay T., Chambers S.A., Bagus P.S. Spectroscopic evidence for Ag(III) in highly oxidized silver films by X-ray photoelectron spectroscopy // J. Phys. Chem. C. 2010. V. 114. № 49. P. 21562–21571. https://doi.org/10.1021/jp107914e