CN110422822A - 一种用于制造三层结构干电极的转印方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造三层结构干电极的转印方法，属于微纳器件制造与生物医学领域。首先，在硅等基片表面依次沉积一层牺牲层、一层保护层和一层金属电极层；接着，在金属电极层表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，并利用光刻工艺对聚酰亚胺薄膜进行图形化；然后，以图形化的聚酰亚胺薄膜作为腐蚀掩蔽层，利用腐蚀工艺对金属电极层进行图形化；最后，腐蚀掉保护层和牺牲层，将图形化的聚酰亚胺薄膜和金属电极层转印到可延展薄膜基底表面。本发明避免使用耗时的反应离子刻蚀工艺，采用简单的光刻工艺便可完成聚酰亚胺薄膜的图形化；另外，通过采用牺牲层工艺，只需进行一次图形转移，可将聚酰亚胺薄膜和金属电极层转印到薄膜基底表面，简化三层结构干电极的制造流程。

Description

一种用于制造三层结构干电极的转印方法
技术领域
本发明属于微纳器件制造与生物医学领域，涉及一种用于制造三层结构干电极的转印方法。
背景技术
电生理信号检测，如心电图、肌电图、脑电图等，对于健康监控和疾病诊断具有重大意义。检测电生理信号最常用的是带有导电凝胶的Ag/AgCl电极，也称为湿电极。导电凝胶可以使湿电极与皮肤紧密接触，降低接触阻抗。但是，导电凝胶会随着使用时间的增长而逐渐变干，从而使得信号检测质量变差。另外，导电凝胶长时间使用会使皮肤产生瘙痒、过敏等。
因此，近年来研究人员开发了多种干电极。干电极不需要使用导电凝胶，所以可以避免由于长时间使用导电凝胶而产生的上述问题。大多数的干电极具有良好的柔性，能够使得电极与皮肤之间形成共形接触，从而增大接触面积，降低接触阻抗。另外，为了适应使用过程中皮肤的变形以及降低移动伪差，干电极还需要具有一定的延展性。美国西北大学的Rogers教授课题组等提出了一种三层结构干电极，即在金属电极层和可延展薄膜基底之间增加了一层柔性的聚酰亚胺薄膜，使得干电极具有优良的柔性和延展性，得到了广泛应用。由于难以直接在可延展薄膜基底上进行聚酰亚胺薄膜和金属电极层的图形化，目前这种三层结构干电极的制造采用的是一种转印方法。首先，在硅等基片表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，利用光刻和腐蚀工艺，在聚酰亚胺薄膜表面制作出金属电极图形；接着，利用反应离子刻蚀工艺，对聚酰亚胺薄膜进行图形化；然后，借助一种柔性图章(stamp)，经过两次图形转移，将图形化的金属电极层和聚酰亚胺薄膜转印到可延展薄膜基底表面，完成三层结构干电极的制造。整个制造过程不仅涉及到一个耗时的反应离子刻蚀工艺，而且需要进行两次图形转移。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于制造三层结构干电极的转印方法。该方法一方面不需要耗时的反应离子刻蚀工艺，另一方面只需要进行一次图形转移，便可以将图形化的金属电极层和聚酰亚胺薄膜转印到可延展薄膜基底表面，从而完成三层结构干电极的制造。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于制造三层结构干电极的转印方法。首先，在硅等基片表面依次沉积一层牺牲层、一层保护层和一层金属电极层；接着，在金属电极层表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，并利用光刻工艺，对聚酰亚胺薄膜进行图形化；然后，以图形化的聚酰亚胺薄膜作为腐蚀掩蔽层，利用腐蚀工艺，对金属电极层进行图形化；最后，腐蚀掉保护层和牺牲层，将图形化的聚酰亚胺薄膜和金属电极层转印到可延展薄膜基底表面。具体包括以下步骤：
1)采用磁控溅射的方法，在基片表面依次沉积一层牺牲层、一层保护层和一层金属电极层，保护层的作用是为了在进行金属电极层图形化时保护牺牲层，使其不受金属电极腐蚀液的腐蚀。
进一步的，所述的牺牲层为铜牺牲层，厚度为20～500nm。所述的保护层为铬保护层，厚度为20～100nm。所述的金属电极层为金电极层，厚度为100～300nm。
2)在金属电极层表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，并利用光刻工艺，对聚酰亚胺薄膜进行图形化。所述的聚酰亚胺薄膜的厚度为2～15μm。
进一步的，所述的光刻工艺过程为：在热板上对聚酰亚胺薄膜进行前烘处理，前烘工艺参数为：50℃保持30min、80℃保持10min、120℃保持3min，阶梯烘的作用是为了避免聚酰亚胺薄膜在图形化的过程中产生裂纹；使用紫外光刻机对聚酰亚胺薄膜进行曝光，曝光剂量为200～1500mJ/cm2；最后，在显影液中显影,显影时间为60～350s，得到图形化的聚酰亚胺薄膜。
3)以图形化的聚酰亚胺薄膜作为腐蚀掩蔽层，利用化学腐蚀工艺，对金属电极层进行图形化，并采用氮气烘箱对聚酰亚胺薄膜进行固化。
进一步的，所述的化学腐蚀工艺过程为：利用腐蚀液对金电极层进行腐蚀，此时腐蚀液并不能腐蚀聚酰亚胺薄膜和保护层。所述的腐蚀液为I2与KI的混合水溶液，每50ml水中对应加入1g I2、5gKI。
进一步的，所述的固化工艺参数为：固化温度为220～400℃，固化时间为30～90min。
4)利用化学腐蚀工艺，腐蚀掉保护层和牺牲层，使得图形化的聚酰亚胺薄膜和金属电极层从基片表面脱离。
进一步的，所述的腐蚀液为Ce(NH4)2(NO3)6与HClO4的混合水溶液，每100ml水中对应加入10g Ce(NH4)2(NO3)6、9mL HClO4。
5)将聚酰亚胺薄膜和金属电极层与基片一起从步骤4)的腐蚀液中取出，其中聚酰亚胺薄膜和金属电极层虽然与基片脱离但仍依附在基片表面；将一层可延展薄膜贴合在聚酰亚胺薄膜背面并剥离，此时图形化的聚酰亚胺薄膜和金属电极层便被转印到了可延展薄膜基底表面，完成三层结构干电极的制造。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：一方面，避免了使用耗时的反应离子刻蚀工艺，采用简单的光刻工艺便可以完成聚酰亚胺薄膜的图形化；另一方面，通过采用牺牲层工艺，只需要进行一次图形转移，便可以将图形化的聚酰亚胺薄膜和金属电极层转印到可延展薄膜基底表面，简化了三层结构干电极的制造工艺流程。
附图说明
图1是在基片表面依次沉积一层牺牲层、一层保护层和一层金属电极层；
图2是在金属电极层表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜并将聚酰亚胺薄膜图形化；
图3是金属电极层的图形化；
图4是腐蚀掉保护层和牺牲层；
图5是将图形化的聚酰亚胺薄膜和金属电极层转印到可延展薄膜基底表面；
图中：1基片，2牺牲层，3保护层，4金属电极，5聚酰亚胺，6腐蚀液，7可延展薄膜基底。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施方式。
该实施例提供的一种用于制造三层结构干电极的转印方法如下：
1)采用磁控溅射的方法，在2英寸的硅基片1表面依次溅射一层厚度为25nm的铜牺牲层2、一层厚度为25nm的铬保护层3和一层厚度为200nm的金电极层4。
2)在金电极层4表面使用匀胶机旋涂一层厚度为4μm的聚酰亚胺薄膜(PW-1500S，TORAY公司，日本)，在热板上对聚酰亚胺薄膜进行前烘处理，前烘工艺参数为：50℃保持30min、80℃保持10min、120℃保持3min，使用紫外光刻机对聚酰亚胺薄膜进行曝光，曝光时间为120s、光强为5.2mW/cm2，然后在AZ 300MIF显影液中显影160s。
3)以图形化的聚酰亚胺5作为腐蚀掩蔽层，利用腐蚀液(I2：KI：H2O＝1g：5g：50ml)进行金电极层的腐蚀，腐蚀时间为1min，由于铬保护层3的存在,腐蚀液不会腐蚀铜牺牲层2，然后使用氮气烘箱对聚酰亚胺薄膜进行固化，固化工艺参数为：220℃保持60min。
4)利用腐蚀液(Ce(NH4)2(NO3)6：HClO4：H2O＝10g：9mL：100mL)6同时腐蚀掉铬保护层3和铜牺牲层2,腐蚀时间为10min，聚酰亚胺薄膜5和金电极4与硅片1分离。
5)利用镊子，将聚酰亚胺薄膜5和金电极4与硅片1一起从腐蚀液6中取出，此时聚酰亚胺薄膜5和金电极4仍然依附在硅片1表面，然后将一种可延展薄膜胶带(Tegaderm9534HP,3M Healthcare公司，美国)基底7贴合在聚酰亚胺薄膜背面并剥离，图形化的聚酰亚胺薄膜和金电极便被转印到了可延展薄膜胶带基底表面，完成了三层结构干电极的制造。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，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，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于制造三层结构干电极的转印方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用磁控溅射的方法，在基片表面依次沉积一层牺牲层、一层保护层和一层金属电极层，保护层的作用是为了在进行金属电极层图形化时保护牺牲层，使其不受金属电极腐蚀液的腐蚀；
2)在金属电极层表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，并利用光刻工艺，对聚酰亚胺薄膜进行图形化；所述的聚酰亚胺薄膜的厚度为2～15μm；
3)以图形化的聚酰亚胺薄膜作为腐蚀掩蔽层，利用化学腐蚀工艺，对金属电极层进行图形化，并采用氮气烘箱对聚酰亚胺薄膜进行固化，固化温度为220～400℃，固化时间为30～90min；
4)利用化学腐蚀工艺，腐蚀掉保护层和牺牲层，使得图形化的聚酰亚胺薄膜和金属电极层从基片表面脱离；
5)将聚酰亚胺薄膜和金属电极层与基片一起从步骤4)的腐蚀液中取出，其中聚酰亚胺薄膜和金属电极层虽然与基片脱离但仍依附在基片表面；将一层可延展薄膜贴合在聚酰亚胺薄膜背面并剥离，此时图形化的聚酰亚胺薄膜和金属电极层便被转印到了可延展薄膜基底表面，完成三层结构干电极的制造。
2.根据权利要求1所述的一种用于制造三层结构干电极的转印方法，其特征在于，步骤1)中所述的牺牲层为铜牺牲层，厚度为20～500nm；所述的保护层为铬保护层，厚度为20～100nm；所述的金属电极层为金电极层，厚度为100～300nm。
3.根据权利要求1所述的一种用于制造三层结构干电极的转印方法，其特征在于，步骤2)中所述的光刻工艺过程为：在热板上对聚酰亚胺薄膜进行前烘处理，前烘工艺参数为：50℃保持30min、80℃保持10min、120℃保持3min，阶梯烘的作用是为了避免聚酰亚胺薄膜在图形化的过程中产生裂纹；使用紫外光刻机对聚酰亚胺薄膜进行曝光，曝光剂量为200～1500mJ/cm2；最后，在显影液中显影,显影时间为60～350s，得到图形化的聚酰亚胺薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种用于制造三层结构干电极的转印方法，其特征在于，步骤3)中所述的化学腐蚀工艺过程为：利用腐蚀液对金电极层进行腐蚀，此时腐蚀液并不能腐蚀聚酰亚胺薄膜和保护层；所述的腐蚀液为I2与KI的混合水溶液，每50ml水中对应加入1gI2、5gKI。
5.根据权利要求1所述的一种用于制造三层结构干电极的转印方法，其特征在于，步骤4)中所述的腐蚀液为Ce(NH4)2(NO3)6与HClO4的混合水溶液，每100ml水中对应加入10g Ce(NH4)2(NO3)6、9mL HClO4。
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