CN109254423A - 一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，包括以下步骤：S1：在带有质子交换波导的铌酸锂基片上镀金属种子层，获得金属化基片，所述金属种子层分为两层，下层为粘附力增强层，上层为纯度不低于99.99％的金层；S2：在金属化基片上旋涂光刻胶，经烘烤、曝光、显影，获得形如电极的光刻胶图案；S3：将带有光刻胶的金属化基片浸没于金电镀液中电镀；S4：使用去胶液去除光刻胶，形成隆起的电极图案；S5：先去除金属种子层的金层，再去除粘附层，完成厚膜导线电极的制备。本发明既克服了厚膜电极应力过大的问题，又解决了贵金属的大量浪费问题。
Description
技术领域
本发明属于光通信领域或光纤传感领域，涉及一种光无源器件的制造方法，具体涉及一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法。
背景技术
集成电路分为薄膜电路、厚膜电路和半导体电路三类，其中电路意指导线、电阻、介质等电子元件。相比于薄膜导线，厚膜导线对大电流、高功率的耐受性更强，工作频率更高，因而更适合于制作高速电子器件的导线电极。由于光通信网络和光纤传感器对铌酸锂器件调制速率的迫切需求，目前业内正在尝试使用厚度更大的金导线，作为铌酸锂光开关和相位调制器的行波电极。
薄膜导线的膜厚通常小于1微米，传统“光刻—镀膜”法简单易行，既能获取高分辨率的图案，又能得到纯度不低于99.99％的高电导率金材料。而厚膜电路的导线厚度超过10微米，由浆料印刷烧结而成，因而图案分辨率低、纯度低。
光通信网络和光纤传感器对铌酸锂器件的调制速率和信号完整性均提出了较高的要求，这要求电极既具有薄膜导线的纯度和分辨率，又具有厚膜电极的厚度。传统的印刷烧结法则完全不满足要求，以传统“光刻—镀膜—剥离”法为例，工艺流程如图1所示。以二氧化硅作为阻挡层，使用退火质子交换的方式，在铌酸锂基片表面制作光波导，然后套刻电极图形，形成电极图案的光刻胶阻挡层，腐蚀电极金属下层的二氧化硅，再利用蒸镀或溅射技术，沉积金属薄膜，最后使用剥离液去除基片表面的光刻胶，形成金属电极图案，此法也存在着难以克服的问题：1、蒸发所得的厚膜的应力大，可靠性差。采用蒸发、溅射等方法，膜层内应力随厚度的增加而急剧增大，应力在高低温下的释放易导致电极失效甚至脱落；2、贵金属严重浪费。蒸镀或溅射过程中，仅一小部分金属落在基片上，而铌酸锂上电极线路面积与基片总面积的占比通常低于5％。因此，贵金属材料的利用率为仅为约1％，造成经济上的极大浪费；3、若采用腐蚀法，则图案精度低。当需要制作线宽小于10微米的传输导线，导线的宽高比小于1，因而化学腐蚀无法获得理想的电极图案。
发明内容
本发明提供了一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，以克服现有技术的缺陷，本发明既克服了厚膜电极应力过大的问题，又解决了贵金属的大量浪费问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，包括以下步骤：
S1：在带有质子交换波导的铌酸锂基片上镀金属种子层，获得金属化基片，所述金属种子层分为两层，下层为粘附力增强层，上层为纯度不低于99.99％的金层；
S2：在金属化基片上旋涂光刻胶，经烘烤、曝光、显影，获得形如电极的光刻胶图案；
S3：将带有光刻胶的金属化基片浸没于金电镀液中电镀；
S4：使用去胶液去除光刻胶，形成隆起的电极图案；
S5：先去除金属种子层的金层，再去除粘附层，完成厚膜导线电极的制备。
进一步地，步骤一中带有质子交换波导的铌酸锂基片制备过程如下：
S01：以二氧化硅作为阻挡层，使用退火质子交换的方式，在铌酸锂基片表面制作光波导；
S02：使用耐酸碱腐蚀保护胶套刻标记，再化学腐蚀去除二氧化硅掩模，获得带有质子交换波导的铌酸锂基片。
进一步地，所述耐腐蚀保护胶为紫外固化胶、热固化胶和光刻胶中的任意一种，且耐腐蚀保护胶要求能够耐受质量分数为1％的稀氢氟酸3分钟以上。
进一步地，金属种子层上层的厚度为20～50nm，金属种子层下层的厚度为10～20nm。
进一步地，粘附力增强层采用铬单质、钛单质、镍单质、钛钨合金和镍铬合金中的任意一种。
进一步地，金属种子层采用镀膜法制作，镀膜法为物理气相沉积法、磁控溅射法或等离子体沉积法。
进一步地，步骤二中光刻电极图案时，所采用光刻胶的厚度不小于金属种子层的1.5倍。
进一步地，步骤三中电镀时的电镀波形为直流脉冲、单项脉冲或换向脉冲。
进一步地，当采用换向脉冲时，换向脉冲电镀参数如下：脉冲周期0.5～2毫秒，正脉冲占空比10～30％，负脉冲占空比5～10％，正脉冲持续时间1～3秒，负脉冲持续时间0.1～0.3秒，正脉冲和负脉冲电流强度之比为1:1.5～1:3。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明使用先镀制种子层、后光刻、再电镀加厚的方法，利用种子层覆盖表面，实现了整个基片的电连接，从而得以使用电镀法制备厚膜电极，使用此“镀膜—光刻—电镀—减薄”替代传统的“光刻—镀膜—剥离”法，利用电镀技术，既克服了厚膜电极应力过大的问题，又解决了贵金属的大量浪费问题。
进一步地，本发明采用先彻底去除二氧化硅阻挡层、再光刻方法，避免了在二氧化硅图案上匀胶，导致光刻胶表面起伏不平，避免了因光刻胶和掩模版不能紧密贴合导致的光刻缺陷。
附图说明
图1为传统“光刻—镀膜—剥离”法制备电极的流程；
图2为本发明“镀膜—光刻—电镀—减薄”法制备电极的流程；
图3为换向脉冲波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明采用“镀膜—光刻—电镀—减薄”法，流程如图2所示。S01：以二氧化硅作为阻挡层，使用退火质子交换的方式，在铌酸锂基片表面制作光波导；S02：使用耐酸碱腐蚀胶保护套刻标记，再化学腐蚀去除二氧化硅掩模，获得平整的带有质子交换波导的铌酸锂基片。电极制作流程如下：
S1、在带有质子交换波导的铌酸锂基片上镀金属种子层，获得金属化的基片。种子层分两层，下层为粘附力增强层，上层为纯度不低于99.99％的高纯金。
S2、在金属化基片上旋涂光刻胶，经烘烤、曝光、显影，获得形如电极的光刻胶图案。
S3、将带有光刻胶的金属化基片浸没于金电镀液中电镀。未被光刻胶覆盖、暴露在电镀液中的种子层被电镀加厚，压在光刻胶之下的部分未被加厚。
S4、使用去胶液去除光刻胶，形成隆起的电极图案。
S5、先去除种子层的金层，再去除粘附层，完成厚膜电极的制备。
上述步骤中可选用如下参数：
a)耐腐蚀保护胶为紫外固化胶、热固化胶、光刻胶等的任意一种，要求能够耐受1％的稀氢氟酸3分钟以上。
b)氢氟酸腐蚀参数为：用去离子水按1:30的比例稀释质量分数为30％的氢氟酸，将铌酸锂基片在氢氟酸中浸泡30至120秒，具体所需浸泡时间视二氧化硅膜的厚度而定。
c)种子层上层(金层)厚度为20～50nm，种子层下层(粘附层)的厚度为10～20nm，粘附层可采用任意一种能够增强金与铌酸锂基片间粘附力的材料，如铬、钛、镍单质，或钛钨、镍铬合金等。
d)种子层采用镀膜法制作，包括物理气相沉积、磁控溅射、等离子体沉积等。
e)光刻电极图案时，所采用光刻胶的厚度不小于电极的1.5倍，以避免镀层粘连而导致的无法去胶。
f)电镀波形为直流、单项脉冲或换向脉冲，优选地采用换向脉冲，波形如图3所示。换向脉冲电镀参数如下：脉冲周期0.5～2毫秒，正脉冲占空比10～30％，负脉冲占空比5～10％，正脉冲持续时间1～3秒，负脉冲持续时间0.1～0.3秒，正脉冲和负脉冲电流强度之比为1:1.5～1:3。正负脉冲强度根据所需沉积速率进行调整。
g)优选使用离子减薄技术分别去除种子层的金和钛，腐蚀液作为备选方案。若使用腐蚀液，则要求腐蚀速率可控，侧向腐蚀可控。
下面结合具体实施例对本发明做详细描述：
实施例1
一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，包括以下步骤：
S1：采用镀膜法在带有质子交换波导的铌酸锂基片上镀金属种子层，获得金属化基片，镀膜法为等离子体沉积法，所述金属种子层分为两层，下层为粘附力增强层，粘附力增强层采用镍单质，上层为纯度不低于99.99％的金层，金属种子层上层的厚度为35nm，金属种子层下层的厚度为15nm；
其中带有质子交换波导的铌酸锂基片制备过程如下：
S01：以二氧化硅作为阻挡层，使用退火质子交换的方式，在铌酸锂基片表面制作光波导；
S02：使用耐酸碱腐蚀保护胶套刻标记，再化学腐蚀去除二氧化硅掩模，获得带有质子交换波导的铌酸锂基片；所述耐腐蚀保护胶为光刻胶，且耐腐蚀保护胶要求能够耐受质量分数为1％的稀氢氟酸3分钟以上；
S2：在金属化基片上旋涂光刻胶，经烘烤、曝光、显影，获得形如电极的光刻胶图案，光刻胶的厚度不小于金属种子层的1.5倍；
S3：将带有光刻胶的金属化基片浸没于金电镀液中电镀，电镀时的电镀波形为直流脉冲；
S4：使用去胶液去除光刻胶，形成隆起的电极图案；
S5：先去除金属种子层的金层，再去除粘附层，完成厚膜导线电极的制备。
实施例2
一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，包括以下步骤：
S1：采用镀膜法在带有质子交换波导的铌酸锂基片上镀金属种子层，获得金属化基片，镀膜法为物理气相沉积法，所述金属种子层分为两层，下层为粘附力增强层，粘附力增强层采用铬单质，上层为纯度不低于99.99％的金层，金属种子层上层的厚度为20nm，金属种子层下层的厚度为10nm；
其中带有质子交换波导的铌酸锂基片制备过程如下：
S01：以二氧化硅作为阻挡层，使用退火质子交换的方式，在铌酸锂基片表面制作光波导；
S02：使用耐酸碱腐蚀保护胶套刻标记，再化学腐蚀去除二氧化硅掩模，获得带有质子交换波导的铌酸锂基片；所述耐腐蚀保护胶为紫外固化胶，且耐腐蚀保护胶要求能够耐受质量分数为1％的稀氢氟酸3分钟以上；
S2：在金属化基片上旋涂光刻胶，经烘烤、曝光、显影，获得形如电极的光刻胶图案，光刻胶的厚度不小于金属种子层的1.5倍；
S3：将带有光刻胶的金属化基片浸没于金电镀液中电镀，电镀时的电镀波形为直流脉冲；
S4：使用去胶液去除光刻胶，形成隆起的电极图案；
S5：先去除金属种子层的金层，再去除粘附层，完成厚膜导线电极的制备。
实施例3
一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，包括以下步骤：
S1：采用镀膜法在带有质子交换波导的铌酸锂基片上镀金属种子层，获得金属化基片，镀膜法为磁控溅射法，所述金属种子层分为两层，下层为粘附力增强层，粘附力增强层采用钛单质，上层为纯度不低于99.99％的金层，金属种子层上层的厚度为50nm，金属种子层下层的厚度为20nm；
其中带有质子交换波导的铌酸锂基片制备过程如下：
S01：以二氧化硅作为阻挡层，使用退火质子交换的方式，在铌酸锂基片表面制作光波导；
S02：使用耐酸碱腐蚀保护胶套刻标记，再化学腐蚀去除二氧化硅掩模，获得带有质子交换波导的铌酸锂基片；所述耐腐蚀保护胶为热固化胶，且耐腐蚀保护胶要求能够耐受质量分数为1％的稀氢氟酸3分钟以上；
S2：在金属化基片上旋涂光刻胶，经烘烤、曝光、显影，获得形如电极的光刻胶图案，光刻胶的厚度不小于金属种子层的1.5倍；
S3：将带有光刻胶的金属化基片浸没于金电镀液中电镀，电镀时的电镀波形为单项脉冲；
S4：使用去胶液去除光刻胶，形成隆起的电极图案；
S5：先去除金属种子层的金层，再去除粘附层，完成厚膜导线电极的制备。
实施例4
一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，包括以下步骤：
S1：采用镀膜法在带有质子交换波导的铌酸锂基片上镀金属种子层，获得金属化基片，镀膜法为物理气相沉积法，所述金属种子层分为两层，下层为粘附力增强层，粘附力增强层采用钛钨合金，上层为纯度不低于99.99％的金层，金属种子层上层的厚度为25nm，金属种子层下层的厚度为10nm；
其中带有质子交换波导的铌酸锂基片制备过程如下：
S01：以二氧化硅作为阻挡层，使用退火质子交换的方式，在铌酸锂基片表面制作光波导；
S02：使用耐酸碱腐蚀保护胶套刻标记，再化学腐蚀去除二氧化硅掩模，获得带有质子交换波导的铌酸锂基片；所述耐腐蚀保护胶为紫外固化胶，且耐腐蚀保护胶要求能够耐受质量分数为1％的稀氢氟酸3分钟以上；
S2：在金属化基片上旋涂光刻胶，经烘烤、曝光、显影，获得形如电极的光刻胶图案，光刻胶的厚度不小于金属种子层的1.5倍；
S3：将带有光刻胶的金属化基片浸没于金电镀液中电镀，电镀时的电镀波形为换向脉冲，换向脉冲电镀参数如下：脉冲周期0.5毫秒，正脉冲占空比10％，负脉冲占空比5％，正脉冲持续时间1秒，负脉冲持续时间0.1秒，正脉冲和负脉冲电流强度之比为1:1.5；
S4：使用去胶液去除光刻胶，形成隆起的电极图案；
S5：先去除金属种子层的金层，再去除粘附层，完成厚膜导线电极的制备。
实施例5
一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，包括以下步骤：
S1：采用镀膜法在带有质子交换波导的铌酸锂基片上镀金属种子层，获得金属化基片，镀膜法为等离子体沉积法，所述金属种子层分为两层，下层为粘附力增强层，粘附力增强层采用镍铬合金，上层为纯度不低于99.99％的金层，金属种子层上层的厚度为40nm，金属种子层下层的厚度为20nm；
其中带有质子交换波导的铌酸锂基片制备过程如下：
S01：以二氧化硅作为阻挡层，使用退火质子交换的方式，在铌酸锂基片表面制作光波导；
S02：使用耐酸碱腐蚀保护胶套刻标记，再化学腐蚀去除二氧化硅掩模，获得带有质子交换波导的铌酸锂基片；所述耐腐蚀保护胶为热固化胶，且耐腐蚀保护胶要求能够耐受质量分数为1％的稀氢氟酸3分钟以上；
S2：在金属化基片上旋涂光刻胶，经烘烤、曝光、显影，获得形如电极的光刻胶图案，光刻胶的厚度不小于金属种子层的1.5倍；
S3：将带有光刻胶的金属化基片浸没于金电镀液中电镀，电镀时的电镀波形为换向脉冲，换向脉冲电镀参数如下：脉冲周期2毫秒，正脉冲占空比30％，负脉冲占空比10％，正脉冲持续时间3秒，负脉冲持续时间0.3秒，正脉冲和负脉冲电流强度之比为1:3；
S4：使用去胶液去除光刻胶，形成隆起的电极图案；
S5：先去除金属种子层的金层，再去除粘附层，完成厚膜导线电极的制备。
实施例6
一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，包括以下步骤：
S1：采用镀膜法在带有质子交换波导的铌酸锂基片上镀金属种子层，获得金属化基片，镀膜法为磁控溅射法，所述金属种子层分为两层，下层为粘附力增强层，粘附力增强层采用钛单质，上层为纯度不低于99.99％的金层，金属种子层上层的厚度为45nm，金属种子层下层的厚度为15nm；
其中带有质子交换波导的铌酸锂基片制备过程如下：
S01：以二氧化硅作为阻挡层，使用退火质子交换的方式，在铌酸锂基片表面制作光波导；
S02：使用耐酸碱腐蚀保护胶套刻标记，再化学腐蚀去除二氧化硅掩模，获得带有质子交换波导的铌酸锂基片；所述耐腐蚀保护胶为光刻胶，且耐腐蚀保护胶要求能够耐受质量分数为1％的稀氢氟酸3分钟以上；
S2：在金属化基片上旋涂光刻胶，经烘烤、曝光、显影，获得形如电极的光刻胶图案，光刻胶的厚度不小于金属种子层的1.5倍；
S3：将带有光刻胶的金属化基片浸没于金电镀液中电镀，电镀时的电镀波形为换向脉冲，换向脉冲电镀参数如下：脉冲周期1毫秒，正脉冲占空比20％，负脉冲占空比8％，正脉冲持续时间2秒，负脉冲持续时间0.2秒，正脉冲和负脉冲电流强度之比为1:2；
S4：使用去胶液去除光刻胶，形成隆起的电极图案；
S5：先去除金属种子层的金层，再去除粘附层，完成厚膜导线电极的制备。
Claims (9)
1.一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在带有质子交换波导的铌酸锂基片上镀金属种子层，获得金属化基片，所述金属种子层分为两层，下层为粘附力增强层，上层为纯度不低于99.99％的金层；
S2：在金属化基片上旋涂光刻胶，经烘烤、曝光、显影，获得形如电极的光刻胶图案；
S3：将带有光刻胶的金属化基片浸没于金电镀液中电镀；
S4：使用去胶液去除光刻胶，形成隆起的电极图案；
S5：先去除金属种子层的金层，再去除粘附层，完成厚膜导线电极的制备。
2.根据权利要求1所述的一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，其特征在于，步骤一中带有质子交换波导的铌酸锂基片制备过程如下：
S01：以二氧化硅作为阻挡层，使用退火质子交换的方式，在铌酸锂基片表面制作光波导；
S02：使用耐酸碱腐蚀保护胶套刻标记，再化学腐蚀去除二氧化硅掩模，获得带有质子交换波导的铌酸锂基片。
3.根据权利要求2所述的一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，其特征在于，所述耐腐蚀保护胶为紫外固化胶、热固化胶和光刻胶中的任意一种，且耐腐蚀保护胶要求能够耐受质量分数为1％的稀氢氟酸3分钟以上。
4.根据权利要求1所述的一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，其特征在于，金属种子层上层的厚度为20～50nm，金属种子层下层的厚度为10～20nm。
5.根据权利要求1所述的一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，其特征在于，粘附力增强层采用铬单质、钛单质、镍单质、钛钨合金和镍铬合金中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，其特征在于，金属种子层采用镀膜法制作，镀膜法为物理气相沉积法、磁控溅射法或等离子体沉积法。
7.根据权利要求1所述的一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，其特征在于，步骤二中光刻电极图案时，所采用光刻胶的厚度不小于金属种子层的1.5倍。
8.根据权利要求1所述的一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，其特征在于，步骤三中电镀时的电镀波形为直流脉冲、单项脉冲或换向脉冲。
9.根据权利要求8所述的一种铌酸锂电光器件厚膜导线电极的制作方法，其特征在于，当采用换向脉冲时，换向脉冲电镀参数如下：脉冲周期0.5～2毫秒，正脉冲占空比10～30％，负脉冲占空比5～10％，正脉冲持续时间1～3秒，负脉冲持续时间0.1～0.3秒，正脉冲和负脉冲电流强度之比为1:1.5～1:3。
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