CN108400239A - 一种柔性薄膜材料的平整化处理方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柔性薄膜材料的平整化处理方法，所述平整化处理方法包括以下步骤：S1：清洗硬质基底和柔性薄膜材料；S2：在硬质基底上放置液态石蜡；S3：将柔性薄膜材料的一侧与硬质基底上的液态石蜡接触，再将其从与液态石蜡接触的一侧到另一侧赶平；S4：用一个平整面挤压柔性薄膜材料，赶出多余的液态石蜡；S5：降温冷却，使柔性薄膜材料与硬质基底之间的液态石蜡凝固，将柔性薄膜材料平整固定于硬质基底上。本发明还涉及所述平整化处理方法在柔性电子器件制作中的应用。本发明的柔性薄膜材料的平整化处理方法能有效确保柔性薄膜材料表面平整，具有操作简单、成本低、能够适用于无机/有机的微纳加工技术的优点。
Description
技术领域
本发明涉及柔性电子微纳加工技术领域，特别是涉及一种柔性薄膜材料的平整化处理方法及其应用。
背景技术
柔性电子在过去的20年间受到了学术界和社会工业的广泛关注，其可概括为是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术，以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景，在应用生产中具有制作工艺简单、可弯曲、多样和成本低等特性。
集成器件的衬底柔性化是柔性电子中最基础、最重要的技术实现。目前柔性衬底主要分为五类：塑料、金属箔片、超薄玻璃、纸质衬底、生物复合薄膜衬底。塑料作为柔性衬底具备透明、柔性、质量轻、强度高和价格便宜等优点，例如PEN、PET、PI等。金属箔片类衬底一般应用于透过率不是很高的柔性电子器件，价格昂贵，但耐高温性能(在1000℃以上)要远远高于塑料与玻璃。玻璃是硬质材料，用来作为柔性衬底，需要实现将其薄化，才可能具有一定的可挠曲性。至于其他新型柔性衬底，也有着各式各样的优点。现有的柔性衬底中，除了金属箔片，其他柔性薄膜材料的耐受温度较低，在器件制作的高温工艺过程中容易扭曲变形，并且在低温工艺下其形状也不稳定。
目前，柔性电子器件面临的最大挑战是装置的寿命和稳定性，无论是对于有机还是无机的材料电子器件来说，在制备过程中所产生的热应力，加上电气应力，都会导致柔性衬底产生不确定性的弯曲变形，从而破坏了表面平整度，导致后续的IC制程很难完成。
将现有的无机材料上的半导体工艺转移到PI、PET等柔性薄膜材料上是实现器件轻量化、柔性化的一条捷径。但是，无机的微纳加工技术对衬底表面的平整度有很高的要求，柔性薄膜材料由于质地较软，表面平整度差，若作为衬底难以直接在其上制作器件，不能满足无机的微纳加工技术要求。
有机电子学的研究活动在最近二十年来不断升温，基于有机电子学的各种功能元器件纷纷获得极快的发展。例如，有机场效应晶体管(OTFT阵列)，有机发光二极管，有机太阳能电池和各类有机传感器等，已经在一些展示性和商业性产品中得到应用。总的来说，有机电子器件有利于实现大面积，柔性和廉价的功能电路，基于有机材料的电子学被认为有广泛的市场前景和巨大的商业价值。所述有机的微纳电子器件，是指微纳电子器件中的功能材料为有机物(小分子、大分子(蛋白质)、聚合物等)，电子器件的功能材料大致分为三类：导体(比如PEDOT)、半导体(比如并五苯)、绝缘体(比如PVDF等)。
柔性有机薄膜晶体管(OTFTs)是未来柔性电子器件的一个重要发展方向，特别是在最近5-10年间，有机电子学在多个应用领域取得了长足的进展，如有机场效应晶体管、有机太阳能电池、生物传感器、TFT阵列、有机发光二极管等。与现有的非晶硅或多晶硅TFT相比，OTFT因其有源层为有机物，故具有以下特点：加工温度不可过高，一般在180℃以下，不仅是为了适用于柔性基板，而且能显著降低制备功耗；同时由于有机半导体化学稳定性较差，对有机溶剂和某些化学物质十分敏感。
由于有机物材料本身的特性，其与传统的微纳加工工艺(硅系统)并不兼容，比如光刻工艺，使用的光刻胶为有机物、显影液为有机碱、除胶剂为有机溶液。这些物质都不是有机电子器件的功能材料，但是却对有用的有机物的功能材料有很大的影响，比如丙酮、水、无水乙醇等溶剂会使并五苯从薄膜相转变为体相，导致其迁移率有严重下降，影响器件的最终性能。
现已有研究者提出，采用光刻胶将柔性薄膜材料粘附在硬质基底上，以解决在柔性薄膜材料表面进行微电子工艺加工的过程中，操作衬底的平整度问题。
然而，光刻胶作为粘结剂与传统的微纳加工工艺(硅系统)并不兼容，比如做标准光刻工艺时，当利用除胶剂除光刻胶，在器件上的光刻胶被除掉的同时，柔性薄膜材料与硬质基底之间的光刻胶也会被除掉，这样就无法起到对薄膜材料的固定和平整化作用。另外，当微纳电子器件完成需要从硬质基底上取下时，是通过除胶剂(如丙酮等有机溶剂)除去光刻胶使之完成释放过程，如果是制作有机微纳电子器件，这种释放过程会对电子器件上的有机功能材料造成破坏，从而导致整个电子器件失效。可见，采用光刻胶粘附的方法虽然可以在一定程度上解决柔性薄膜材料的平整度问题，但并不完全适用于无机/有机的微纳加工技术。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种柔性薄膜材料的平整化处理方法，能有效确保柔性薄膜材料表面平整，具有操作简单、成本低、能够适用于无机/有机的微纳加工技术的优点。
本发明采取的技术方案如下：
一种柔性薄膜材料的平整化处理方法，包括以下步骤：
S1：清洗硬质基底和柔性薄膜材料；
S2：在硬质基底上放置液态石蜡；
S3：将柔性薄膜材料的一侧与硬质基底上的液态石蜡接触，再将其从与液态石蜡接触的一侧到另一侧赶平；
S4：用一个平整面挤压柔性薄膜材料，赶出多余的液态石蜡；
S5：降温冷却，使柔性薄膜材料与硬质基底之间的液态石蜡凝固，将柔性薄膜材料平整固定于硬质基底上。
石蜡又称晶形蜡，是碳原子数约为18～30的烃类混合物，主要组分为直链烷烃(含量约为80％～95％)，还有少量带个别支链的烷烃和带长侧链的单环环烷烃(两者总含量在20％以下)。每类石蜡又按熔点分成不同的品种(一般每隔2℃)，如52，54，56，58等牌号，其熔点在50-60℃，沸点一般在300℃以上。石蜡的化学活性较低，化学性质稳定，在通常的条件下不与除硝酸外的酸和碱性溶液发生作用，可以完全兼容光刻、刻蚀等微加工工艺。而且石蜡的相变潜热高、几乎没有过冷现象、熔化时的蒸气压力低、在多次吸放热后相变温度和相变潜热变化很小、自成核、没有相分离和腐蚀性。
本发明利用石蜡的液/固转换使柔性薄膜材料可以随时平整地粘附到表面平滑的硬质基底上。当石蜡为液态时，液体表面张力和大气压的共同作用使柔性薄膜材料牢固的粘附于硬质基底表面，当石蜡转为固态时，会进一步增强柔性薄膜材料和硬质基底之间的粘附性。因此，所述的平整化处理方法有效解决了柔性薄膜材料作为柔性衬底进行微电子工艺加工的过程中，操作衬底的平整度问题。
进一步地，所述柔性薄膜材料是有机绝缘膜材料或无机薄膜材料。
进一步地，所述柔性薄膜材料为聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、云母、不锈钢中的任意一种。
进一步地，所述硬质基底为玻璃、石英片、抛光硅片、红宝石、陶瓷中的任意一种。
进一步地，步骤S1具体包括如下步骤：
S11：将硬质基底依次放入丙酮、异丙醇、无水乙醇中进行超声清洗，再用去离子水浸泡清洗，然后放入烘箱中烘干，再经过紫外臭氧(UV/O3)活化处理后保存备用；
S12：将柔性薄膜材料依次放入丙酮、异丙醇、无水乙醇中进行超声清洗，再用去离子水浸泡清洗，然后放入烘箱中烘干，再经过紫外臭氧(UV/O3)活化处理后保存备用。
进一步地，步骤S2具体为：将硬质基底加热至70℃，取固态石蜡放置在硬质基底上，使其熔化为液态石蜡；或者，取液态石蜡滴加在硬质基底上。
进一步地，步骤S4具体为：用一个平整面挤压柔性薄膜材料的表面，赶出多余的液态石蜡，直至柔性薄膜材料与硬质基底之间的气泡排尽，使柔性薄膜材料均匀贴附在硬质基底上。
进一步地，包括步骤S6：利用台阶仪检测柔性薄膜材料的表面平整度，若表面平整度不符合要应用项目的后续工艺容限，则将硬质基底加热至70℃，再重复步骤S3至步骤S5。
本发明的另一目的在于，提供上述任一项所述的柔性薄膜材料的平整化处理方法在柔性电子器件制作中的应用。
进一步地，所述应用包括以下步骤：
(1)对柔性薄膜材料实施上述任一项所述的平整化处理方法；
(2)将步骤(1)所得柔性薄膜材料作为柔性衬底，在其表面制作微纳电子器件；
(3)器件制作完毕后，将硬质基底加热至70℃，使固态石蜡熔化成液态石蜡，再将柔性薄膜材料与硬质基底机械剥离。
相对于现有技术，本发明的柔性薄膜材料的平整化处理方法具有以下有益效果：
1)有效确保柔性薄膜材料表面平整，避免柔性薄膜材料用作柔性衬底时发生弯曲变形，维持其表面平整度，有利于后续的IC制程顺利完成。
2)操作简单、成本低、平整化效果显著，且石蜡的熔点在50-60℃，沸点较高，在300℃以上，因此易于通过加热/冷却控制柔性薄膜材料的粘附和释放过程。
3)利用光刻胶做粘附剂、紫外光固化的方法要求硬质基底必须是透明的，而本发明利用石蜡的液/固转换完成粘附和释放的过程，因此对硬质基底无特殊要求。
4)粘附剂石蜡的化学性质稳定，不与丙酮、乙醇、DMF、四甲基氢氧化铵等有机溶剂互溶，可以有效兼容硅系统标准光刻工艺及部分CMOS工艺(如：光刻、刻蚀、薄膜沉积、金属蒸镀等)。
5)采取加热熔化石蜡和机械剥离的方式分离柔性薄膜材料与硬质基底，无需溶剂参与，且石蜡具备低K值(介电常数)高绝缘性，所以利用该方法在柔性薄膜材料上可以获得较高的良品率，不会对器件造成腐蚀和破坏，同时也不会使器件中的有机功能材料失效，兼容有机微纳电子器件的制备工艺，大大扩展了该方法的应用范围。
6)适用于无机/有机的微纳加工技术，应用范围广泛，且兼顾上下游各项工艺过程，有利于制造出高性能的电子器件，能创造出良好的经济效益。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明的柔性薄膜材料的平整化处理方法的步骤流程图；
图2为本发明的柔性薄膜材料的平整化处理方法的工艺流程示意图；
图3为平整化处理方法应用于柔性电子器件制作的工艺流程示意图。
具体实施方式
请参阅图1和图2，本发明的柔性薄膜材料的平整化处理方法包括以下步骤：
S1：清洗硬质基底1和柔性薄膜材料2，除去表面的颗粒杂质、有机物等，具体包括以下步骤：
S11：选取玻璃、石英片、抛光硅片、红宝石、陶瓷等中的任意一种，切割成2cm×2cm的正方形基片作为硬质基底1。然后，将切割好的硬质基底1放入丙酮中超声清洗10分钟，去除表面的有机杂质，再放入异丙醇中超声清洗5分钟，去除表面残留的丙酮，再放入无水乙醇中超声清洗5分钟，去除表面残留的异丙醇，再用去离子水浸泡清洗10次，去除表面残留的无水乙醇，接着放入60℃烘箱中烘干，去除表面残留的水分，然后经过UV/O3活化处理后保存备用。
S12：选取有机绝缘膜材料或无机薄膜材料，如聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、云母、不锈钢等中的任意一种，裁剪成1.5cm×1.5cm的正方形薄膜作为柔性薄膜材料2。然后，将裁剪好的柔性薄膜材料2放入丙酮中超声清洗10分钟，去除表面的有机杂质，再放入异丙醇中超声清洗5分钟，去除表面残留的丙酮，再放入无水乙醇中超声清洗5分钟，去除表面残留的异丙醇，再用去离子水浸泡清洗10次，去除表面残留的无水乙醇，接着放入60℃烘箱中烘干，去除表面残留的水分，然后经过UV/O3活化处理后保存备用。
S2：在硬质基底1上放置液态石蜡3作为粘附剂。具体地，将硬质基底1加热至70℃，取固态石蜡3放置在硬质基底1上，使其熔化为液态石蜡3；或者，直接取液态石蜡3滴加在硬质基底1上。
S3：将柔性薄膜材料2的一侧与硬质基底1上的液态石蜡3接触，再将其从与液态石蜡3接触的一侧到另一侧赶平，并用无尘纸擦除多余的液态石蜡3。
S4：用一个平整面挤压柔性薄膜材料2，赶出多余的液态石蜡3。具体地，用一个平整面挤压柔性薄膜材料2的表面，赶出多余的液态石蜡3，直至柔性薄膜材料2与硬质基底1之间的气泡排尽，使柔性薄膜材料2均匀贴附在硬质基底1上。
S5：降温冷却，使柔性薄膜材料2与硬质基底1之间的液态石蜡3凝固，将柔性薄膜材料2平整固定于硬质基底1上。
S6：利用台阶仪检测柔性薄膜材料2的表面平整度，若表面平整度不符合要应用项目的后续工艺容限，则将硬质基底1加热至70℃，再重复步骤S3至步骤S5；待平整度检测合格后，便可进行后续下游工艺。平整度的要求因项目而异，后续工艺的关键尺度越小，对平整度的要求就越高。
如图3所示，将上述的柔性薄膜材料的平整化处理方法应用于柔性电子器件制作中，包括以下步骤：
(1)对柔性薄膜材料2实施上述的平整化处理方法，使其表面平整度符合电子器件制作的工艺要求。
(2)将步骤(1)所得的柔性薄膜材料2作为柔性衬底，在其表面制作微纳电子器件4。
(3)微纳电子器件4制作完毕后，将硬质基底1加热至70℃，使固态石蜡3熔化成液态石蜡3，再将柔性薄膜材料2与硬质基底1机械剥离，具体先将柔性薄膜材料2的一个边角揭开，再将整片柔性薄膜材料2撕下来，确保微纳电子器件4完整不被破坏。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种柔性薄膜材料的平整化处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：清洗硬质基底和柔性薄膜材料；
S2：在硬质基底上放置液态石蜡；
S3：将柔性薄膜材料的一侧与硬质基底上的液态石蜡接触，再将其从与液态石蜡接触的一侧到另一侧赶平；
S4：用一个平整面挤压柔性薄膜材料，赶出多余的液态石蜡；
S5：降温冷却，使柔性薄膜材料与硬质基底之间的液态石蜡凝固，将柔性薄膜材料平整固定于硬质基底上。
2.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜材料的平整化处理方法，其特征在于：所述柔性薄膜材料是有机绝缘膜材料或无机薄膜材料。
3.根据权利要求2所述的一种柔性薄膜材料的平整化处理方法，其特征在于：所述柔性薄膜材料为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、云母、不锈钢中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜材料的平整化处理方法，其特征在于：所述硬质基底为玻璃、石英片、抛光硅片、红宝石、陶瓷中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜材料的平整化处理方法，其特征在于：步骤S1具体包括如下步骤：
S11：将硬质基底依次放入丙酮、异丙醇、无水乙醇中进行超声清洗，再用去离子水浸泡清洗，然后放入烘箱中烘干，再经过紫外臭氧活化处理后保存备用；
S12：将柔性薄膜材料依次放入丙酮、异丙醇、无水乙醇中进行超声清洗，再用去离子水浸泡清洗，然后放入烘箱中烘干，再经过紫外臭氧活化处理后保存备用。
6.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜材料的平整化处理方法，其特征在于：步骤S2具体为：将硬质基底加热至70℃，取固态石蜡放置在硬质基底上，使其熔化为液态石蜡；或者，取液态石蜡滴加在硬质基底上。
7.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜材料的平整化处理方法，其特征在于：步骤S4具体为：用一个平整面挤压柔性薄膜材料的表面，赶出多余的液态石蜡，直至柔性薄膜材料与硬质基底之间的气泡排尽，使柔性薄膜材料均匀贴附在硬质基底上。
8.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜材料的平整化处理方法，其特征在于：还包括步骤S6：利用台阶仪检测柔性薄膜材料的表面平整度，若表面平整度不符合要应用项目的后续工艺容限，则将硬质基底加热至70℃，再重复步骤S3至步骤S5。
9.权利要求1-8任一项所述的柔性薄膜材料的平整化处理方法在柔性电子器件制作中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：包括以下步骤：
(1)对柔性薄膜材料实施权利要求1-8任一项所述的平整化处理方法；
(2)将步骤(1)所得柔性薄膜材料作为柔性衬底，在其表面制作微纳电子器件；
(3)器件制作完毕后，将硬质基底加热至70℃，使固态石蜡熔化成液态石蜡，再将柔性薄膜材料与硬质基底机械剥离。
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