CN101570854A

CN101570854A - 图案化金属氧化物层的制作方法

Info

Publication number: CN101570854A
Application number: CNA2008100948244A
Authority: CN
Inventors: 杨明桓; 宋兆峰; 陈文隽; 李裕正; 郑兆凯
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2008-04-28
Publication date: 2009-11-04

Abstract

本发明公开了一种图案化金属氧化物层的制作方法，其是先提供基板。然后，对此基板进行表面改性步骤。接着，对基板进行数字打印步骤，于预形成图案化金属氧化物层的区域涂布催化剂。之后，进行低温化学镀膜步骤，以于基板上的预形成图案化金属氧化物层的区域，沉积图案化金属氧化物层。

Description

图案化金属氧化物层的制作方法

技术领域

本发明涉及一种金属氧化物层的制作方法，且特别涉及一种以低温方式制作图案化金属氧化物层的方法。

背景技术

一般来说，金属氧化物层通常是被用为抗摩擦、抗氧化及高阻抗的材料。但是，近年来已有许多文献披露出可将金属氧化物层应用在半导体及磁性材料中。传统金属氧化物层的制作方法主要是利用化学气相沉积法(chemicalvapor deposition，CVD)或溅射法(sputtering)等。然而，这些制作金属氧化物层的方法通常需要使用到高真空设备及需要经过高温处理程序，因此会造成制作成本增加，提高工艺复杂度。

图案化金属氧化物层的工艺通常是利用光刻(photolithography)方式来进行，而这种工艺需经镀膜、曝光、显影及高危险药剂的蚀刻等多道程序，如此一来会增加工艺的成本及危险性。此外，金属氧化物图案层亦可利用网版打印金属氧化物膏体及高温烧结方式加以制作，虽然工艺较为简便但仍有需经高温处理的程序。虽然上述这两种方式已普遍使用于工业上，但是需要掩模及网版的制作仍是工艺成本无法降低的因素之一，且上述工艺无法具有制作图档的弹性。

另一方面，随着绿色环保的需求被提出，程序简化、材料利用率高及低污染工艺俨然成为未来的主流。因此，如何以环保、工艺简单以及节省成本的方式来制作图案化的金属氧化物层，已成为业界努力的重要课题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种图案化金属氧化物层的制作方法，相较传统的制法更为简易、节省成本以及符合环保，且可提高图案化金属氧化物层的膜层特性。

本发明提出一种图案化金属氧化物层的制作方法。首先，提供基板，然后对此基板进行表面改性步骤。接着，对基板进行数字打印步骤，于预形成图案化金属氧化物层的区域涂布催化剂。之后，进行低温化学镀膜步骤，以于基板上的预形成图案化金属氧化物层的区域，沉积图案化金属氧化物层。

依照本发明的实施例所述的图案化金属氧化物层的制作方法，上述的数字打印步骤为喷墨法，而所使用的催化剂例如是金属离子化合物、纳米金属粒子、纳米合金金属粒子或金属氧化物粒子。

依照本发明的实施例所述的图案化金属氧化物层的制作方法，上述的低温化学镀膜步骤的反应温度为小于100℃。另外，低温化学镀膜步骤所使用的还原剂例如是醇类、二甲基胺硼烷、抗坏血酸、甲醛或联氨水合物。

依照本发明的实施例所述的图案化金属氧化物层的制作方法，上述的图案化金属氧化物层的材料例如是氧化锌、氧化铟、氧化铬、氧化锡、氧化锰、四氧化三铁、氧化银、氧化铅、氧化铜、氧化铊或氧化钛。

依照本发明的实施例所述的图案化金属氧化物层的制作方法，上述的表面改性步骤为选自由紫外光臭氧处理步骤、等离子体处理步骤、自组装单层膜处理步骤与聚电解质高分子膜处理步骤所组成的群组。其中，等离子体处理步骤例如是常压等离子体处理步骤、蚀刻等离子体处理步骤或电感耦合等离子体处理步骤。等离子体处理步骤所使用的等离子体源例如是包括臭氧(O₃)、四氟化碳(CF₄)、六氟化硫(SF₆)、六氟乙烷(C₂F₆)、八氟丁烷(C₄F₈)、二氟甲烷(CH₂F₂)或氩气(Ar)。另外，自组装单层膜处理步骤会在基板上形成单层膜，此单层膜的成分为一端含长炼碳烷类，而另一端含-SH、-OH或-NH的官能基。自组装单层膜处理步骤例如是利用浸泡法、旋转涂布法、喷墨法、胶版打印法、凸版打印法、凹版打印法或微接触打印法。此外，聚电解质高分子膜处理步骤会在基板上形成多层膜。聚电解质高分子膜处理步骤例如是利用浸泡法、旋转涂布法、喷墨法、胶版打印法、凸版打印法、凹版打印法或微接触打印法。

依照本发明的实施例所述的图案化金属氧化物层的制作方法，上述的基板例如是玻璃基板、聚酯基板、有机玻璃纤维基板、可挠性有机玻璃纤维基板、聚亚酰胺基板、硅芯片、聚碳酸酯树脂基板或环氧树脂基板。

依照本发明的实施例所述的图案化金属氧化物层的制作方法，在进行表面处理步骤之前，还可对基板进行清洁步骤。

依照本发明的实施例所述的图案化金属氧化物层的制作方法，在形成图案化金属氧化物层之后，可进一步进行除水步骤，其利用减低压力的方式或烘烤的方式。

依照本发明的实施例所述的图案化金属氧化物层的制作方法，此方法可应用于氧化物半导体元件工艺、磁性材料图案化工艺、无源元件的制作或高介电常数材料制作。

本发明的方法是通过依序进行表面改性处理、数字打印处理以及化学镀膜处理的步骤来形成图案化金属氧化物层，其主要是在低温下制造且工艺简易。与传统的制法相比，本发明不需要使用曝光、显影、蚀刻等高单价设备及高温操作，并可减少掩模工艺步骤，因此可节省制作的成本、减少废液产生且符合环保需求。另一方面，本发明的方法可增加金属氧化物层的均匀性及附着力，且有助于提升金属氧化物层的膜层特性。而且，本发明的方法还可应用于许多不同的电子元件工艺中。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为依照本发明实施例所绘示的图案化金属氧化物层的制造流程图。

图2A至图2D为依照本发明实施例所绘示的图案化金属氧化物层的工艺剖面示意图。

图3A与图3B分别为应用本发明的图案化金属氧化物层的制作方法所制作出的半导体元件的剖面示意图。

附图标记说明

200：基板 210：表面改性步骤

212：改性部分 220：数字打印步骤

230：区域 240：图案化金属氧化物层

300：基板 302：改性部分

304：图案化氧化锌层 306：银电极

S110、S120、S130：步骤

具体实施方式

图1为依照本发明实施例所绘示的图案化金属氧化物层的制造流程图。图2A至图2D为依照本发明实施例所绘示的图案化金属氧化物层的工艺剖面示意图。

请同时参照图1与图2A，图案化的金属氧化物层的制作方法为先提供基板200。此基板200例如是玻璃基板、聚酯(polyethylene terephthalate，PET)基板、有机玻璃纤维(FR-4)基板、可挠性有机玻璃纤维(flexible FR-4)基板、聚亚酰胺(polyimide，PI)基板、硅芯片、聚碳酸酯树脂(polycarbonate，PC)基板或环氧树脂(epoxy)基板。

然后，请同时参照图1与图2B，对基板200进行表面改性步骤210(S 110)，以于基板200表面形成改性部分212。此表面改性步骤210可调整基板200的表面性质，以使后续预形成的催化剂可吸附于基板200表面，且有助于后续镀膜时的均匀性及附着力。表面改性步骤210为选自由紫外光臭氧(UV-ozone)处理步骤、等离子体处理步骤、自组装单层膜(self-assembledmonolayer)处理步骤与聚电解质高分子膜(polyelectrolyte membranes)处理步骤所组成的群组。若表面改性步骤210有使用到紫外光臭氧(UV-ozone)处理步骤或等离子体处理步骤，则改性部分212是表面特性佳的基板表面若表面改性步骤210使用了自组装单层膜处理步骤或聚电解质高分子膜处理步骤，则基板200表面的改性部分212为单层膜或多层膜。当然，表面改性步骤210可视实际需要由这些处理步骤中做任意的搭配。另外，为了便于说明本实施例，在后续的图式中省略绘示出改性部分212。

承上述，紫外光臭氧(UV-ozone)处理步骤的主要是利用紫外光及臭氧分解基板表面的污染物质来达到清洁的目的，以改善基板表面性质。等离子体处理步骤例如是常压等离子体处理步骤、蚀刻等离子体处理步骤或电感耦合等离子体(inductively coupled plasma，ICP)处理步骤，而其所使用的等离子体源例如是臭氧(O₃)、四氟化碳(CF₄)、六氟化硫(SF₆)、六氟乙烷(C₂F₆)、八氟丁烷(C₄F₈)、二氟甲烷(CH₂F₂)或氩气(Ar)。等离子体处理步骤可改善基板200表面电荷及型态，以及提高后续镀膜时的均匀性及附着力。

自组装单层膜处理步骤所形成的单层膜的成分中，其一端含长炼碳烷类，而另一端含-SH、-OH或-NH的官能基。含有-SH、-OH或-NH的官能基的一端具有可增加基板与后续预形成的镀膜间的附着力。自组装单层膜处理步骤可例如是利用浸泡法(dipping)、旋转涂布法(spin coating)、喷墨法(ink-jet printing)、胶版打印法(flexographic printing)、凸版打印法(letterpressprinting)、凹版打印法(gravure printing)或微接触打印法(microcontact printing)等方式来进行。

另外，聚电解质高分子膜处理步骤例如是利用浸泡法、旋转涂布法、喷墨法、胶版打印法、凸版打印法、凹版打印法或微接触打印法等方式来进行。而且，聚电解质高分子膜处理步骤是利用依序形成不同电性的材料而构成多层膜，而多层膜可提供孔洞结构可增加基板与后续预形成的镀膜间的附着力。举例来说，以浸泡法来进行聚电解质高分子膜处理步骤，其方法为：先将基板200浸泡于阳离子型聚合电解质溶液中，然后再将基板200浸泡于阴离子型聚合电解质溶液中，并重复进行上述的二步骤，以形成多层膜。其中，阳离子型聚合电解质溶液是选自由聚丙烯氨氯化氢溶液(PAH)、聚乙基吡唑(PVI⁺)、聚乙基吡咯酮(PVP⁺)及聚苯胺(PAN)所成组合之一；阴离子型聚合电解质溶液是选自由聚丙烯酸(PAA)、聚甲基丙烯酸(PMA)、聚苯乙烯磺酸钠(PSS)及聚噻吩-3-醋酸(PTAA)所成组合之一。此外，配合不同材料的基板，其浸泡阳离子型、阴离子型聚合电解质溶液的顺序亦可能不同。

在一实施例中，在进行表面处理步骤210之前，可进一步对基板200进行清洁步骤。此清洁步骤例如是利用丙酮及去离子水进行清洗，然后进行烘干处理。

接着，请同时参照图1与图2C，对基板200进行数字打印步骤220(S120)。数字打印步骤220例如是喷墨法，其可于预形成图案化金属氧化物层的区域230涂布催化剂。催化剂例如是金属离子化合物、纳米金属粒子、纳米合金金属粒子或金属氧化物粒子，而金属离子化合物、纳米金属粒子与纳米合金金属粒子中所用的金属例如是钯、铂或银等金属，金属氧化物粒子例如是氧化锌。亦即是，数字打印步骤220例如是将含有上述的催化剂的墨水，以数字喷墨打印方式，喷涂在基板200上，且仅在预形成图案化金属氧化物层的区域230才会涂布有催化剂。特别要说明的是，在本实施例中，图2C的图案仅为举例说明，于进行S120的步骤时并不对涂布有催化剂的区域230的形状做限定，其可视工艺需要或设计而定。

之后，请同时参照图1与图2D，进行低温化学镀膜步骤(S130)，以于基板200上的区域230沉积图案化金属氧化物层240。此处所谓的“低温”化学镀膜步骤是指反应温度为小于100℃下进行的化学镀膜步骤，而较佳是在60℃左右进行。详言之，低温化学镀膜步骤是将S120步骤的涂布有催化剂的基板200浸泡于镀膜溶液(有时简称“镀液”)中，而镀液温度小于100℃的条件下进行反应，将金属氧化物沉积在基板200上。另外，在低温化学镀膜步骤中所使用的还原剂可例如是醇类、二甲基胺硼烷(dimethylamineborane，DMAB)、抗坏血酸、甲醛或联氨水合物。所形成的图案化金属氧化物层240的材料例如是氧化锌、氧化铟、氧化铬、氧化锡、四氧化三铁、氧化锰、氧化银、氧化铅、氧化铜、氧化铊或氧化钛。此外，本领域的技术人员可知，在进行低温化学镀膜步骤时，镀液的温度、pH值、搅拌速度等参数的不同会与镀膜的膜厚、均匀性、表面型态等有关联，而其可视镀膜的种类或工艺实际情况来设定参数。

在其他实施例中，于形成图案化金属氧化物层240之后，还可进一步进行除水步骤，以除去图案化金属氧化物层240的多余水分。上述的除水步骤可以是利用减低压力的方式，或者是烘烤的方式来进行。

值得一提的是，本实施例的方法可增加金属氧化物层的均匀性及附着力，且有助于提升金属氧化物层的膜层特性。特别是，本实施例的图案化金属氧化物层主要是在低温下制造且工艺简易，不需要使用曝光、显影、蚀刻等高单价设备及高温操作，并可减少掩模工艺步骤，与传统制法相比能够降低制作的成本、减少废液产生及符合环保需求。

而且，本实施例的图案化金属氧化物层的制作方法，可应用于许多不同的电子元件工艺中，例如可应用在氧化物半导体元件工艺、磁性材料图案化工艺、无源元件的制作或高介电常数材料制作。

以下，特举实验例以更佳详细说明本发明的制作方法以及本发明的方法的应用。实验例中是以图案化金属氧化物层为氧化锌当作例子。

实验例一

图3A为应用本发明的图案化金属氧化物层的制作方法所制作出的一种半导体元件的剖面示意图。

请参照图3A，其应用本发明的方法制作上部接触(top contact)结构的半导体元件。首先，对硅基板300进行表面改性步骤，在基板300上形成改性部分302。然后进行数字喷墨打印步骤，将催化剂(氧化锌)喷涂在后续预形成的图案化镀膜的区域。接着，进行低温化学镀膜步骤，在基板300上沉积出图案化氧化锌层304。其中，低温化学镀膜步骤的配方为：0.03mol/L的硝酸锌及0.01mol/L的DMAB，pH值为6.5，于60℃下进行反应30分钟。之后，利用喷墨纳米银墨水制作银电极306形成漏极及源极，以完成上部接触结构的半导体元件的制作。

实验例二

图3B为应用本发明的图案化金属氧化物层的制作方法所制作出的另一种半导体元件的剖面示意图。

请参照图3B，其应用本发明的方法制作下部接触(bottom contact)结构的半导体元件。首先，对硅基板300进行表面改性步骤，在基板300上形成改性部分302。然后进行数字喷墨打印步骤，将催化剂(氧化锌)喷涂在后续预形成的图案化镀膜的区域。之后，利用喷墨纳米银墨水制作银电极306形成漏极及源极。接着，进行低温化学镀膜步骤，在基板300上沉积出图案化氧化锌层304，以完成下部接触结构的半导体元件的制作。其中，低温化学镀膜步骤的配方为：0.03mol/L的硝酸锌及0.01mol/L的DMAB，pH值为6.5，于60℃下进行反应30分钟。

虽然本发明已以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种图案化金属氧化物层的制作方法，包括：

提供基板；

对该基板进行表面改性步骤；

对该基板进行数字打印步骤，于预形成图案化金属氧化物层的区域涂布催化剂；以及

进行低温化学镀膜步骤，以于该基板上的该区域沉积图案化金属氧化物层。

2.如权利要求1所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中该数字打印步骤为喷墨法。

3.如权利要求1所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中该催化剂包括金属离子化合物、纳米金属粒子、纳米合金金属粒子或金属氧化物粒子。

4.如权利要求1所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中该低温化学镀膜步骤的反应温度为小于100℃。

5.如权利要求1所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中该低温化学镀膜步骤所使用的还原剂包括醇类、二甲基胺硼烷、抗坏血酸、甲醛或联氨水合物。

6.如权利要求1所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中该图案化金属氧化物层的材料包括氧化锌、氧化铟、氧化铬、氧化锡、四氧化三铁、氧化锰、氧化银、氧化铅、氧化铜、氧化铊或氧化钛。

7.如权利要求1所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中该表面改性步骤为选自由紫外光臭氧处理步骤、等离子体处理步骤、自组装单层膜处理步骤与聚电解质高分子膜处理步骤所组成的群组。

8.如权利要求7所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中该等离子体处理步骤包括常压等离子体处理步骤、蚀刻等离子体处理步骤或电感耦合等离子体处理步骤。

9.如权利要求7所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中该等离子体处理步骤所使用的等离子体源包括臭氧、四氟化碳、六氟化硫、六氟乙烷、八氟丁烷、二氟甲烷或氩气。

10.如权利要求7所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中该自组装单层膜处理步骤会在该基板上形成单层膜，该单层膜的成分为一端含长炼碳烷类，而另一端含-SH、-OH或-NH的官能基。

11.如权利要求7所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中该自组装单层膜处理步骤包括利用浸泡法、旋转涂布法、喷墨法、胶版打印法、凸版打印法、凹版打印法或微接触打印法。

12.如权利要求7所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中该聚电解质高分子膜处理步骤会在该基板上形成多层膜。

13.如权利要求7所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中该聚电解质高分子膜处理步骤包括利用浸泡法、旋转涂布法、喷墨法、胶版打印法、凸版打印法、凹版打印法或微接触打印法。

14.如权利要求1所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中该基板包括玻璃基板、聚酯基板、有机玻璃纤维基板、可挠性有机玻璃纤维基板、聚亚酰胺基板、硅芯片、聚碳酸酯树脂基板或环氧树脂基板。

15.如权利要求1所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中在进行该表面处理步骤之前，还包括对该基板进行清洁步骤。

16.如权利要求1所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中在形成该图案化金属氧化物层之后，还包括进行除水步骤。

17.如权利要求16所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中该除水步骤包括利用减低压力的方式或烘烤的方式。

18.如权利要求1所述的图案化金属氧化物层的制作方法，其中该方法应用于氧化物半导体元件工艺、磁性材料图案化工艺、无源元件的制作或高介电常数材料制作。