CN102400115A - 一种微米级线宽的柔性铜电极图形的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微电子材料领域,涉及一种微米级线宽的柔性铜电极图形的制备方法。本发明提出的制备方法是一种“全加成”法,即金属铜只沉积在塑料基板上预定的位置。具体工艺包括塑料基板洗净、烘干、表面改性、光掩膜下紫外照射、选择性催化活化以及化学镀铜等。本发明制备的柔性铜电极图形具有以下优点:(1)电极图形的精度由光掩摸决定,可达线宽微米级;(2)工艺过程大多在溶液中进行,无需大型仪器设备及超净间的苛刻环境,适合低成本、规模化生产;(3)电极图形与塑料基板的结合力牢,可容忍多次反复折叠,使用寿命长,可靠性高;(4)铜电极图形的导电性好,有利于降低使用过程中的能耗。本发明制备的柔性铜电极图形可广泛用于柔性晶体管、柔性太阳能电池、柔性发光器件等工业领域。
Description
技术领域
本发明属于微电子材料技术领域,具体涉及一种微米级线宽的柔性铜电极图形的制备方法。
背景技术
金属电极图形的制作是柔性器件走向实用的关键,其工艺包括减成法、半加成法和全加成法三种(沼仓研史著,马明诚译,高密度柔性印制电路板.中国印刷电路行业协会CPCA印制电路信息杂志社,2007.Yousef H,Hjort K,Lindeberg M.Journal of Micromechanics andMicroengineering,2008,18(1),017001.)。
减成法也称为铜箔蚀刻法,制造过程复杂、工序多,耗用大量的水、电、铜与化学品材料,环境污染严重。制作的柔性电极精度低、误差大、线宽和线距受到严重限制,难以应用于高密度电路板(HDI)。与减成法相比,半加成法避免了大量蚀刻铜,减少了废水的处理,有利于环保。此工艺的缺点在于:Cu电极与塑料基板的结合力较弱,需要预先在基板上溅射一层籽晶层,以及布线速度较慢,不适合于规模化生产。
如果金属层只分布在塑料基板上特定的区域,即按事先设计的图形排布,则可以“一步到位”的生产柔性电极图形,无需对整片的“金属/塑料”复合板(如柔性覆铜板)进行再加工,这就是“全加成法”工艺。
目前,全加成法主要有喷墨打印(Inkjet Print,IJP)技术及微接触印刷(Microcontact Printing,μ-CP)技术(Bessueille F,Gout S,Cotte S,et al.Journal of Adhesion,2009,85(10),690-710.Aldakov D,Bonnassieux Y,Geffroy B,et al.ACS Applied Materials & Interfaces,2009,1(3),584-589.)。喷墨打印技术的优点在于:可以通过电脑软件任意设计电极图形;可以在不同的柔性基板上直接制备电路图、快捷方便;通过改进喷头尺寸、喷射速度及缩小油墨体积,可以有效提高电极图形的分辨率。其缺点在于:导电油墨材料不易制备、墨滴溅射到基板时会扩散、无法消除卫星滴的影响以及喷头不能无限制缩小,使得电极线宽处于5μm的水平。微接触印刷不但具有快速、廉价的优点,而且不需要超净间的苛刻条件,甚至不需要绝对平整的表面。该方法缺点是:印刷时油墨材料的扩散将影响对比度,并使印出的图形变宽。
柔性电极图形的发展方向在于全加成法,线宽目前为5μm水平,与集成电路铜互连线技术相比,有很大差距。如果能将电极图形的线宽控制在微米级,并且使用常规仪器设备能实现大规模工业化生产,必定能极大提升我国柔性器件的开发和应用水平。
发明内容
本发明提出一种微米级线宽的柔性铜电极图形的制备方法。本发明提出的制备方法是一种“全加成”法,即金属铜只沉积在塑料基板上预定的位置。具体工艺包括塑料基板洗净、烘干、表面改性、光掩膜下紫外照射、选择性催化活化以及化学镀铜等。本发明制备的柔性铜电极图形具有以下优点:(1)电极图形的精度由光掩摸决定,可达线宽微米级;(2)工艺过程大多在溶液中进行,无需大型仪器设备及超净间的苛刻环境,适合低成本、规模化生产;(3)电极图形与塑料基板的结合力牢,可容忍多次反复折叠,使用寿命长,可靠性高;(4)铜电极图形的导电性好,有利于降低使用过程中的能耗。
本发明提出的微米级线宽的柔性铜电极图形的制备方法,其具体步骤为:
1)清洁基板:将柔性塑料基板洗净、烘干;
2)基板表面改性:将清洁后的塑料基板浸泡在改性溶液中2~4小时,取出洗净,烘干;
3)紫外光照射:将改性后的塑料基板覆盖在光掩膜下,用紫外光照射10~30分钟;
4)催化活化:将照射后的塑料基板至于催化活化溶液中8~12小时,取出洗净,烘干;
5)化学镀铜:将活化后的塑料基板浸泡在铜化学镀液中,于15~25℃化学镀20~30分钟,取出洗净,烘干,制得微米级线宽的柔性铜电极图形。
本发明中,塑料基板为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种。
本发明中,改性溶液的溶质为3-巯基丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-巯基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷中的任意一种;溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇或丙酮中的任意一种;改性溶液的质量浓度为0.01%~5%。
本发明中,紫外光波长为254nm或365nm中的任意一种。
本发明中,催化活化溶液的配方是溶剂为去离子水,溶液中各种溶质为:氯化钯(浓度0.1~1g/L),盐酸(浓度1~5g/L),柠檬酸三钠(浓度1~5g/L),硼氢化钾(浓度0.5~1g/L)。
本发明中,铜化学镀液的配方是溶剂为去离子水,溶液中各种溶质为:硫酸铜(浓度7~10g/L),酒石酸钠钾(30~40g/L),氢氧化钠(浓度4~6g/L),碳酸钠(浓度2~3g/L),氯化镍(浓度1~2g/L),甲醛(浓度5~8g/L)。
本发明制备的柔性铜电极图形可广泛用于柔性晶体管、柔性太阳能电池、柔性发光器件等工业领域。
附图说明
图1为微米级线宽的柔性铜电极图形的扫描电镜照片(黑色区域为铜电极,空白区域为裸露的塑料基板,铜电极的线宽为1~1.5微米,空白区域的线宽为0.75~1.5微米)。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明
实施例1
将聚对苯二甲酸乙二醇酯基板用去离子水、乙醇、丙酮淋洗干净,烘干,置于浓度为0.01%的3-巯基丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中,浸泡4小时,取出,用乙醇淋洗,烘干,得表面改性的塑料基板。
将改性后的基板置于光掩膜下,用波长为254nm的紫外光照射10分钟。
将1g氯化钯,5g盐酸,5g柠檬酸三钠,1g硼氢化钾溶于500mL去离子水中,溶解完毕,添加去离子水,至溶液体积为1L,得催化活化溶液。
将照射后的基板置于上述溶液中,放置12小时,取出洗净,烘干。
将7g硫酸铜,30g酒石酸钠钾,4g氢氧化钠,2g碳酸钠,1g氯化镍,5g甲醛溶于500mL去离子水中,溶解完毕,添加去离子水,至溶液体积为1L,得化学镀铜溶液。
将表面催化活化后的基板置于上述镀液中,与25℃化学镀20分钟,取出,用水洗净,烘干,得微米级线宽的柔性铜电极图形,电极图形层的导电率为8.9×104S/cm,剥离强度能通过3M公司思胶带的测试。
实施例2
将聚酰亚胺基板用去离子水、乙醇、丙酮淋洗干净,烘干,置于浓度为0.01%的3-氨基丙基三甲氧基硅烷的甲醇溶液中,浸泡2小时,取出,用甲醇淋洗,烘干,得表面改性的塑料基板。
将改性后的基板置于光掩膜下,用波长为365nm的紫外光照射30分钟。
将0.1g氯化钯,1g盐酸,1g柠檬酸三钠,0.5g硼氢化钾溶于500mL去离子水中,溶解完毕,添加去离子水,至溶液体积为1L,得催化活化溶液。
将照射后的基板置于上述溶液中,放置8小时,取出洗净,烘干。
将10g硫酸铜,40g酒石酸钠钾,6g氢氧化钠,3g碳酸钠,2g氯化镍,8g甲醛溶于500mL去离子水中,溶解完毕,添加去离子水,至溶液体积为1L,得化学镀铜溶液。
实施例3
将聚甲基丙烯酸甲酯基板用去离子水、乙醇淋洗干净,烘干,置于浓度为5%的3-氨基丙基三乙氧基硅烷的异丙醇溶液中,浸泡2小时,取出,用异丙醇淋洗,烘干,得表面改性的塑料基板。
将改性后的基板置于光掩膜下,用波长为365nm的紫外光照射20分钟。
将0.5g氯化钯,2g盐酸,3g柠檬酸三钠,0.8g硼氢化钾溶于500mL去离子水中,溶解完毕,添加去离子水,至溶液体积为1L,得催化活化溶液。
将照射后的基板置于上述溶液中,放置10小时,取出洗净,烘干。
将8g硫酸铜,37g酒石酸钠钾,5g氢氧化钠,2g碳酸钠,1g氯化镍,7g甲醛溶于500mL去离子水中,溶解完毕,添加去离子水,至溶液体积为1L,得化学镀铜溶液。
实施例4
将聚对苯二甲酸乙二醇酯基板用去离子水、乙醇、丙酮淋洗干净,烘干,置于浓度为1%的3-巯基丙基三乙氧基硅烷的丙酮溶液中,浸泡4小时,取出,用丙酮淋洗,烘干,得表面改性的塑料基板。
将改性后的基板置于光掩膜下,用波长为365nm的紫外光照射15分钟。
将0.8g氯化钯,4g盐酸,4g柠檬酸三钠,0.8g硼氢化钾溶于500mL去离子水中,溶解完毕,添加去离子水,至溶液体积为1L,得催化活化溶液。
将照射后的基板置于上述溶液中,放置9小时,取出洗净,烘干。
将9g硫酸铜,36g酒石酸钠钾,5g氢氧化钠,2g碳酸钠,1g氯化镍,7g甲醛溶于500mL去离子水中,溶解完毕,添加去离子水,至溶液体积为1L,得化学镀铜溶液。
实施例5
将聚酰亚胺基板用去离子水、乙醇、丙酮淋洗干净,烘干,置于浓度为0.5%的3-氨基丙基三乙氧基硅烷的丙酮溶液中,浸泡3小时,取出,用丙酮淋洗,烘干,得表面改性的塑料基板。
将改性后的基板置于光掩膜下,用波长为254nm的紫外光照射20分钟。
将0.4g氯化钯,3g盐酸,3g柠檬酸三钠,0.7g硼氢化钾溶于500mL去离子水中,溶解完毕,添加去离子水,至溶液体积为1L,得催化活化溶液。
将照射后的基板置于上述溶液中,放置12小时,取出洗净,烘干。
将10g硫酸铜,35g酒石酸钠钾,5g氢氧化钠,3g碳酸钠,1g氯化镍,8g甲醛溶于500mL去离子水中,溶解完毕,添加去离子水,至溶液体积为1L,得化学镀铜溶液。
实施例6
将聚对苯二甲酸乙二醇酯基板用去离子水、乙醇、丙酮淋洗干净,烘干,置于浓度为2%的3-氨基丙基三甲氧基硅烷的丙酮溶液中,浸泡4小时,取出,用丙酮淋洗,烘干,得表面改性的塑料基板。
将改性后的基板置于光掩膜下,用波长为254nm的紫外光照射10分钟。
将0.3g氯化钯,3g盐酸,5g柠檬酸三钠,1g硼氢化钾溶于500mL去离子水中,溶解完毕,添加去离子水,至溶液体积为1L,得催化活化溶液。
将照射后的基板置于上述溶液中,放置12小时,取出洗净,烘干。
将7g硫酸铜,40g酒石酸钠钾,4g氢氧化钠,2g碳酸钠,1g氯化镍,7g甲醛溶于500mL去离子水中,溶解完毕,添加去离子水,至溶液体积为1L,得化学镀铜溶液。
Claims (3)
1.一种微米级线宽的柔性铜电极图形的制备方法,其特征在于:
1)清洁基板:将柔性塑料基板洗净、烘干;
2)基板表面改性:将清洁后的塑料基板浸泡在改性溶液中2~4小时,取出洗净,烘干;
3)紫外光照射:将改性后的塑料基板覆盖在光掩膜下,用紫外光照射10~30分钟;
4)催化活化:将照射后的塑料基板至于催化活化溶液中8~12小时,取出洗净,烘干;
5)化学镀铜:将活化后的塑料基板浸泡在铜化学镀液中,于15~25℃化学镀20~30分钟,取出洗净,烘干,制得微米级线宽的柔性铜电极图形;
其中,改性溶液的溶质为3-巯基丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-巯基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷中的任意一种;溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇或丙酮中的任意一种;改性溶液的质量浓度为0.01%~5%;
催化活化溶液的配方是溶剂为去离子水,溶液中各种溶质浓度分别为:
氯化钯浓度0.1~1g/L;
盐酸浓度1~5g/L;
柠檬酸三钠浓度1~5g/L;
硼氢化钾浓度0.5~1g/L;
铜化学镀液的配方是溶剂为去离子水,溶液中各种溶质浓度分别为:
硫酸铜浓度7~10g/L;
酒石酸钠钾30~40g/L;
氢氧化钠浓度4~6g/L;
碳酸钠浓度2~3g/L;
氯化镍浓度1~2g/L;
甲醛浓度5~8g/L。
2.如权利要求1所述的柔性铜电极图形的制备方法,其特征在于所述的塑料基板为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种。
3.如权利要求1所述的柔性铜电极图形的制备方法,其特征在于所使用的紫外光波长为254nm或365nm中的任意一种。
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