CN102400115A

CN102400115A - 一种微米级线宽的柔性铜电极图形的制备方法

Info

Publication number: CN102400115A
Application number: CN2011103239631A
Authority: CN
Inventors: 吕银祥; 薛龙龙; 粱倩
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: CN102400115B

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

一种微米级线宽的柔性铜电极图形的制备方法

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。

将表面催化活化后的基板置于上述镀液中，与15℃化学镀30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7.6×10⁴S/cm，剥离强度能通过3M公司思

胶带的测试。

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。

将表面催化活化后的基板置于上述镀液中，与20℃化学镀25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9.1×10⁴S/cm，剥离强度能通过3M公司思

胶带的测试。

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。

将表面催化活化后的基板置于上述镀液中，与25℃化学镀30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1.1×10⁵S/cm，剥离强度能通过3M公司思

胶带的测试。

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。

将表面催化活化后的基板置于上述镀液中，与30℃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1.3×10⁵S/cm，剥离强度能通过3M公司思

胶带的测试。

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。

将表面催化活化后的基板置于上述镀液中，与25℃化学镀30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2.1×10⁵S/cm，剥离强度能通过3M公司思

胶带的测试。

Claims

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；

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。