CN104392904A - 基于柔性基底的可延展导电薄膜及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

基于柔性基底的可延展导电薄膜，包括柔性基底、金属底膜、金属薄膜和导电高分子材料薄膜，金属底膜设置在柔性基底表面，金属薄膜和导电高分子材料薄膜呈栅格结构交替设置在金属底膜上，导电高分子材料薄膜的厚度与金属薄膜相同。本发明采用微加工技术和电化学聚合技术制备的可延展导电薄膜兼具良好的导电性与延展性；电化学聚合技术制备的导电高分子材料薄膜，由于其韧性，可随柔性基底一起变形，不会出现裂纹而导致器件失效，且与基底的兼容性好；本发明工艺简单，易于制造，可用来制备柔性电子器件大面积金属结构，也可作为柔性电子器件的互联线。

Description

基于柔性基底的可延展导电薄膜及其制备工艺

技术领域

本发明属于微制造技术领域，具体涉及一种基于柔性基底的可延展导电薄膜及其制备工艺。

背景技术

柔性电子器件正受到人们越来越多的关注，比如大面积的柔性显示器、透明电极、柔性电子皮肤、可装配在服装表面的薄膜太阳能电池等，这些产品都使用到了金属薄膜-柔性基底结构。当柔性电子器件的整个结构拉伸或弯曲时，柔性基底发生很大变形，而分布在柔性基底上的金属薄膜将随着基底一起变形，由于金属薄膜和柔性基底的延展性不同，因此当柔性基底变形较大时，金属薄膜由于变形能力较差而容易出现裂纹或者发生断裂破坏。因此对柔性电子产品而言，提高金属薄膜的延展性对保持或提高柔性电子产品的使用寿命和可靠性起着至关重要的作用。

国内外许多学者研究了多种不同的可延展导电薄膜的制作方法。如Lacour等人在Journal of vacuum science & technology A. 2004, 22(4): 1723-1725中通过转压印技术在预变形的柔性基底上附着一层金属薄膜，当释放基底初应变后，基底表面形成金属薄膜波形结构。Gollzalez等人在Microelectronies Reliability. 2008, 48(6): 825-832中指出马蹄形金属薄膜延展性优越，此类金属薄膜内导线制作方便、结构简单，但变形过程中存在较大的应力集中。Chan Woo Park等人在Microelectronic Engineering 113 (2014) 55-60中先制作表层呈波浪状的PDMS基底，然后加工金属薄膜，最后封装上一层PDMS薄膜，但封装材料的不均匀性将影响整体结构的延展性。国内的许巍、卢天健等指出通过对基底进行喷砂以粗糙化处理可以显著降低金属薄膜在拉伸条件下的裂纹密度，提高延展性，但砂粒易残留在基体表面，而且喷砂会改变基体表面的应力，进而影响其力学性能。

上述提高金属薄膜延展性的方法，都是利用薄膜附着在波浪形的柔性基底上，容易在薄膜拐弯处产生应力集中，从而影响其使用寿命。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种基于柔性基底的可延展导电薄膜及其制备工艺，该导电薄膜兼具良好的导电性和延展性，通过导电薄膜的可延展性实现电子器件的柔性形变，避免其在受到拉伸、弯曲等反复变形时失效。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于柔性基底的可延展导电薄膜，包括柔性基底、金属底膜、金属薄膜和导电高分子材料薄膜，金属底膜设置在柔性基底表面，金属薄膜和导电高分子材料薄膜呈栅格结构交替设置在金属底膜上，导电高分子材料薄膜的厚度与金属薄膜相同。

所述柔性基底由柔性高分子材料制成。

所述金属薄膜由导电性好的金属制成，金属薄膜的厚度为纳米或微米级。

所述导电高分子材料薄膜由导电性良好的柔性高分子材料制成，所述高分子材料薄膜厚度与金属薄膜平齐。

所述金属底膜的厚度为十几或几十纳米。

包括以下步骤：

1）、清洗硅片，通过热氧化工艺在硅片表面形成一层二氧化硅层； 

2）、在二氧化硅表面均匀涂覆一层柔性高分子材料，热固化形成柔性基底；

3）、制备金属底膜：在柔性基底上采用溅射或蒸发工艺制备一层金属作为金属底膜；

4）、制备具有栅格结构的金属薄膜：若制备的金属薄膜为难腐蚀材料，采用光刻、溅射、剥离工艺制备；若金属薄膜为易腐蚀材料，则选用溅射、光刻、刻蚀工艺制备；

5）、采用喷胶、光刻工艺，将光刻胶曝光显影，在金属薄膜上得到光刻胶掩膜层图案；

6）、采用电化学聚合工艺在相邻两块金属薄膜之间的栅格结构间制备导电高分子材料薄膜；

7）、采用光刻胶清洗剂去除光刻胶掩膜层，得到金属薄膜和导电高分子材料薄膜交替排列的栅格结构；

8）、用氢氟酸的缓冲液腐蚀掉二氧化硅层，释放出基于柔性基底的可延展导电薄膜整体结构，制备完成。

采用上述技术方案，本发明根据实际需要，提出的可延展导电薄膜可为单层金属薄膜和导电高分子材料薄膜交替排列的栅格结构，也可为多层金属薄膜和导电高分子材料薄膜交替排列的栅格结构。本发明仅阐述一层金属薄膜和导电高分子材料薄膜交替排列的栅格结构的制备工艺。

本发明中的二氧化硅层作为牺牲层，用于从硅片上释放可延展导电薄膜的柔性基底。 

柔性基底的材料可为聚乙烯对苯二甲酯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。

金属底膜作用是增强后继工艺中金属薄膜和柔性基底的结合力，也可为后继的电化学聚合工艺作种子层，其材料可选钛或铬。

本发明中若制备的金属薄膜为难腐蚀材料，如金、铂，采用光刻、溅射、剥离工艺制备，采用甩胶或喷胶工艺在金属底膜上制备一层均匀的光刻胶层，前烘后对光刻胶层曝光，曝光后金属底膜上正胶中被光照的区域（或者负胶中未被光照的区域）在显影液中溶解后，得到光刻胶掩膜层图案；采用溅射工艺制备一层金属薄膜；然后用光刻胶溶剂洗去光刻胶层，光刻胶掩膜层上的金属薄膜也被去除（剥离工艺），得到具有栅格结构的金属薄膜；

若金属薄膜为易腐蚀材料，如铜、铝，则采用溅射、光刻、刻蚀工艺制备，采用溅射工艺先在金属底膜上制备一层金属薄膜；然后采用甩胶或喷胶工艺在金属底膜上制备一层均匀的光刻胶层，前烘后对光刻胶层曝光，曝光后金属底膜上正胶中被光照的区域（或者负胶中未被光照的区域）在显影液中溶解后，得到光刻胶掩膜图案；然后采用刻蚀工艺去除光刻胶掩膜图案之间暴露的金属薄膜；之后用光刻胶溶剂洗去光刻胶掩膜层，得到具有栅格结构的金属薄膜；

导电高分子材料薄膜的材料可选聚吡咯、聚噻吩或聚乙撑二氧噻吩。

综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明采用微加工技术和电化学聚合技术制备的可延展导电薄膜兼具良好的导电性与延展性；电化学聚合技术制备的导电高分子材料薄膜，由于其韧性，可随柔性基底一起变形，不会出现裂纹而导致器件失效，且与基底的兼容性好；本发明工艺简单，易于制造，可用来制备柔性电子器件大面积金属结构，也可作为柔性电子器件的互联线。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2a是硅片采用热氧化工艺形成二氧化硅层的示意图；

图2b是在二氧化硅层表面形成柔性基底的示意图；

图2c是在柔性基底表面制备出金属底膜的示意图；

图2d是在金属底膜上制备光刻胶掩膜层的示意图；

图2e是在光刻胶掩膜层上制备金属薄膜的示意图；

图2f是在金属薄膜上制备光刻胶掩膜层的示意图；

图2g是在相邻金属薄膜之间的栅格中制备导电高分子材料薄膜的示意图；

图2h是采用光刻胶清洗剂去除光刻胶掩膜层后的示意图；

图2i是腐蚀掉二氧化硅层得到本发明的结构示意图；

图3是本发明的平面示意图。

具体实施方式

如图1和图3所示，本发明的基于柔性基底的可延展导电薄膜，包括柔性基底1、金属底膜2、金属薄膜3和导电高分子材料薄膜4，金属底膜2设置在柔性基底1表面，金属薄膜3和导电高分子材料薄膜4呈栅格结构交替设置在金属底膜2上，导电高分子材料薄膜4的厚度与金属薄膜3相同。

柔性基底1由柔性高分子材料制成。

金属薄膜3由导电性好的金属制成，金属薄膜3的厚度为纳米或微米级。

导电高分子材料薄膜4由导电性良好的柔性高分子材料制成，所述高分子材料薄膜厚度与金属薄膜3平齐。

金属底膜2的厚度为十几或几十纳米。

基于柔性基底1的可延展导电薄膜的制备工艺，包括以下步骤：

1）、如图2a所示，清洗硅片5，通过热氧化工艺在硅片5表面形成一层二氧化硅层6，二氧化硅层6作为牺牲层，用于从硅片5上释放可延展导电薄膜的柔性基底1； 

2）、如图2b所示，在二氧化硅表面均匀涂覆一层柔性高分子材料，热固化形成柔性基底1；柔性基底1的材料可为聚乙烯对苯二甲酯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。

3）、如图2c所示，制备金属底膜2：在柔性基底1上采用溅射或蒸发工艺制备一层金属作为金属底膜2；金属底膜2的厚度约为十几或几十纳米，其作用是增强后继工艺中金属薄膜3和柔性基底1的结合力，也可为后继的电化学聚合工艺作种子层，其材料可选钛或铬。

4）、制备具有栅格结构的金属薄膜3：

若制备的金属薄膜3为难腐蚀材料，如金、铂，采用光刻、溅射、剥离工艺制备（如图2d和2e所示），采用甩胶或喷胶工艺在金属底膜2上制备一层均匀的光刻胶层7，前烘后对光刻胶层7曝光，曝光后金属底膜2上正胶中被光照的区域（或者负胶中未被光照的区域）在显影液中溶解后，得到光刻胶掩膜层图案；采用溅射工艺制备一层金属薄膜3；然后用光刻胶溶剂洗去光刻胶层，光刻胶掩膜层上的金属薄膜3也被去除（剥离工艺），得到具有栅格结构的金属薄膜3；

若金属薄膜3为易腐蚀材料，如铜、铝，则采用溅射、光刻、刻蚀工艺制备（如图2e所示），采用溅射工艺先在金属底膜2上制备一层金属薄膜3；然后采用甩胶或喷胶工艺在金属底膜2上制备一层均匀的光刻胶层7，前烘后对光刻胶层曝光，曝光后金属底膜2上正胶中被光照的区域（或者负胶中未被光照的区域）在显影液中溶解后，得到光刻胶掩膜图案；然后采用刻蚀工艺去除光刻胶掩膜图案之间暴露的金属薄膜3；之后用光刻胶溶剂洗去光刻胶掩膜层，得到具有栅格结构的金属薄膜3；

5）、制作光刻胶掩膜层结构：如图2f所示，采用喷胶、光刻工艺，将光刻胶层7曝光显影，在金属薄膜3上得到光刻胶掩膜层图案；

6）、如图2g所示，采用电化学聚合工艺在相邻两块金属薄膜3之间的栅格结构间制备导电高分子材料薄膜4；导电高分子材料薄膜4的材料可选聚吡咯、聚噻吩或聚乙撑二氧噻吩。

7）、如图2h所示，采用光刻胶清洗剂去除光刻胶掩膜层，得到金属薄膜3和导电高分子材料薄膜4交替排列的栅格结构；

8）、如图2i所示，用氢氟酸的缓冲液（BOE）腐蚀掉二氧化硅层6，释放出基于柔性基底1的可延展导电薄膜整体结构，制备完成。

本发明根据实际需要，提出的可延展导电薄膜可为单层金属薄膜3和导电高分子材料薄膜4交替排列的栅格结构，也可为多层金属薄膜3和导电高分子材料薄膜4交替排列的栅格结构。本发明仅阐述一层金属薄膜3和导电高分子材料薄膜4交替排列的栅格结构的制备工艺。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (6)

1.基于柔性基底的可延展导电薄膜，其特征在于：包括柔性基底、金属底膜、金属薄膜和导电高分子材料薄膜，金属底膜设置在柔性基底表面，金属薄膜和导电高分子材料薄膜呈栅格结构交替设置在金属底膜上，导电高分子材料薄膜的厚度与金属薄膜相同。

2.根据权利要求1所述的基于柔性基底的可延展导电薄膜，其特征在于：所述柔性基底由柔性高分子材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的基于柔性基底的可延展导电薄膜，其特征在于：所述金属薄膜由导电性好的金属制成，金属薄膜的厚度为纳米或微米级。

4.根据权利要求3所述的基于柔性基底的可延展导电薄膜，其特征在于：所述导电高分子材料薄膜由导电性良好的柔性高分子材料制成，所述高分子材料薄膜厚度与金属薄膜平齐。

5.根据权利要求4所述的基于柔性基底的可延展导电薄膜，其特征在于：所述金属底膜的厚度为十几或几十纳米。

6.根据权利要求5所述的基于柔性基底的可延展导电薄膜的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤，

1）、清洗硅片，通过热氧化工艺在硅片表面形成一层二氧化硅层； 

2）、在二氧化硅表面均匀涂覆一层柔性高分子材料，热固化形成柔性基底；

3）、制备金属底膜：在柔性基底上采用溅射或蒸发工艺制备一层金属作为金属底膜；

4）、制备具有栅格结构的金属薄膜：若制备的金属薄膜为难腐蚀材料，采用光刻、溅射、剥离工艺制备；若金属薄膜为易腐蚀材料，则选用溅射、光刻、刻蚀工艺制备；

5）、采用喷胶、光刻工艺，将光刻胶曝光显影在金属薄膜上得到光刻胶掩膜层图案；

6）、采用电化学聚合工艺在相邻两块金属薄膜之间的栅格结构间制备导电高分子材料薄膜；

7）、采用光刻胶清洗剂去除光刻胶掩膜层，得到金属薄膜和导电高分子材料薄膜交替排列的栅格结构；

8）、用氢氟酸的缓冲液腐蚀掉二氧化硅层，释放出基于柔性基底的可延展导电薄膜整体结构，制备完成。