CN110526204B - 采用多步腐蚀减小压电喷墨打印头铜微电极侧蚀量的方法 - Google Patents

采用多步腐蚀减小压电喷墨打印头铜微电极侧蚀量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于MEMS领域金属微电极制备技术领域，涉及一种采用多步腐蚀减小压电喷墨打印头铜微电极侧蚀量的方法。采用多步腐蚀的方法制备压电喷墨打印头铜微电极的方法，利用MEMS技术中的光刻工艺制备铜电极掩蔽层，将裸露的铜电极表面腐蚀生成中间产物CuCl，利用能去除CuCl而不腐蚀铜的溶液腐蚀CuCl即得到侧蚀小的铜微电极结构。采用本发明的方法可以大大减少铜电极在FeCl3溶液中的停留时间，从而有效减小铜电极边壁的侧蚀量以及提高腐蚀均匀性。本方法制备的压电喷墨打印头铜微电极结构，其制作工艺简单、成本低、工艺重复性好。

Description

采用多步腐蚀减小压电喷墨打印头铜微电极侧蚀量的方法
技术领域
本发明属于MEMS领域金属微电极制备技术领域，特别涉及一种采用多步腐蚀减小压电喷墨打印头铜微电极侧蚀量的方法。
背景技术
压电喷墨打印技术由于其微型化、批量化以及寿命长等诸多优点，已经从传统的印刷行业扩展到电子、生物以及快速成型技术等领域；作为压电喷墨打印头的驱动元件，电极材料选择、制备质量以及图形化工艺对整体器件的振动幅值和振动形态有很大的影响。金属Cu由于具有优良的导电性、导热性和弹性，目前已经广泛应用于微电子器件领域，而且多以薄膜形式使用。由磁控溅射法制备的Cu薄膜材料作为常用电极广泛应用于压电喷墨打印头制作。在溅射得到Cu薄膜后，采用具有良好抗刻蚀性能的正性光刻胶为掩膜，通过刻蚀工艺对其进行图形化来得到电极结构。电极的有效面积尺寸大大影响振动性能；但是在刻蚀工艺中刻蚀反应物会透过掩膜对Cu电极的边缘造成很大的侧蚀，发生侧蚀的电极实际图形向内收缩，会造成形状尺寸相对减小，PZT的有效极化面积减小，从而削弱了PZT的压电性能。因此在图形化工艺中Cu刻蚀的侧蚀量控制是电极制作过程中的关键。
减少侧蚀量的关键在于选择合适的刻蚀方法，既能保证图形的完整性又不会对基底造成损伤。传统的金属刻蚀方法有干法刻蚀和湿法化学腐蚀两种，干法刻蚀是利用等离子体强力轰击来制备所需要的图形结构，通过活性气体原子与金属发生反应，实现对金属表面刻蚀的目的；吴小鹏、Kima H W等人以SF6/O2作为刻蚀气体，通过磁增强反应离子刻蚀(MERIE)对磁控溅射法制备的Pt进行刻蚀,刻蚀后的图形边缘齐整，结构致密。但是利用溅射法轰击金属表面时，不可避免的会对基底造成损伤，而且此种方法成本较高，不易操作。湿法刻蚀又包括化学反应刻蚀、电化学刻蚀和光电化学刻蚀。Cu薄膜湿法刻蚀液的种类较多，李佳等人以硝酸为基础的蚀刻液腐蚀Cu，研究了不同硝酸浓度对腐蚀速度以及侧蚀的影响，但是该溶液对基底有一定的限制，而且强酸操作安全性较差，不易处理；蔡坚等人利用FeCl3溶液腐蚀Cu，研究了Cu在FeCl3溶液中的腐蚀速度，中间产物CuCl的生成机理等；另外还有氨水、氯化铵以及氯化铜组成的碱性腐蚀液也可以腐蚀Cu，但是碱性刻蚀液会使正性光刻胶掩蔽层的性质发生改变，导致正胶在结构上有残留且不易去除。而且在一步腐蚀工艺下腐蚀Cu，由于环境、配制浓度以及操作手法的误差，无法准确的控制腐蚀Cu的时间，导致在腐蚀液中停留的时间过长而发生较大侧蚀。
基于这样的原因，在结合铜在三氯化铁溶液中的腐蚀机理的研究，本发明提出一种采用多步腐蚀减小压电喷墨打印头铜微电极侧蚀量的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用多步腐蚀减小压电喷墨打印头铜微电极侧蚀量的方法，以简单且低成本地改善铜电极在三氯化铁溶液中腐蚀所产生的侧蚀以及不均匀现象。
为实现上述目的，本发明提供如下方案：
采用多步腐蚀的方法制备压电喷墨打印头铜微电极的方法，利用MEMS技术中的光刻工艺制备铜电极掩蔽层，将裸露的铜电极表面腐蚀生成中间产物CuCl，利用能去除CuCl而不腐蚀铜的溶液腐蚀CuCl即得到侧蚀小的铜微电极结构。
一种采用多步腐蚀减小压电喷墨打印头铜微电极侧蚀量的方法，包括以下步骤：
(1)用磁控溅射法在锆钛酸铅(PZT)/Cr/Au基底上溅射铜微电极薄膜，制备压电喷墨打印头的铜薄膜电极片；
(2)在步骤(1)中制备得到的铜薄膜电极片的上表面旋涂一层正性光刻胶BP212，通过MEMS技术中的光刻工艺曝光显影后，得到铜薄膜电极图形的掩蔽层，从而制备得到带有掩蔽层的铜薄膜电极片；
(3)将步骤(2)中制备得到的带有掩蔽层的铜薄膜电极片置于FeCl3溶液中对铜薄膜电极进行腐蚀，通过调整FeCl3溶液的浓度确定腐蚀速率，控制腐蚀时间，在铜薄膜电极片表面生成中间产物CuCl；
(4)将步骤(3)得到的表面生成CuCl的铜薄膜电极片置于HCl溶液或KCl溶液中腐蚀中间产物CuCl，然后进行去离子水喷淋清洗；
(5)将步骤(4)中经过腐蚀和清洗后的铜薄膜电极片依次置于丙酮和乙醇溶液中处理，去除正性光刻胶BP212，得到完整的、侧蚀量小的压电喷墨打印头铜微电极结构。
其中，所述步骤(1)中，磁控溅射法制备的铜薄膜厚度为500-900nm。
所述步骤(2)中，正性光刻胶BP212的旋涂速度为600rpm-2200rpm，热板前烘温度为80-90℃，时间为20-30min，曝光强度为3-4mW/cm2，曝光时间为90-100s，显影用质量分数为0.2％～0.5％的NaOH溶液显影30-40s，坚膜用热板80-90℃烘20-30min。
所述步骤(3)和(4)中，FeCl3溶液的浓度为0.02-0.04g/ml，腐蚀时间为90-120s；HCl溶液的浓度为15-20％，腐蚀时间为10-15s；KCl溶液的浓度为0.02-0.04g/ml，腐蚀时间为90-100s。
所述步骤(5)中，在丙酮和乙醇溶液中的处理时间均为3-5min。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.用本方法制备的压电喷墨打印头铜微电极，侧蚀/宽度比能减小至1.3％；
2.用本方法制备的压电喷墨打印头铜微电极，腐蚀均匀性好；
3.本方法制备的压电喷墨打印头铜微电极，工艺简单，成本低，重复性好，适用于批量生产。
附图说明
图1至图3为本发明实施方式的压电喷墨打印头铜微电极薄膜的制备工艺流程图；
图4为本发明实例所得到的压电喷墨打印头铜微电极表面中间产物CuCl的X射线衍射(XRD)图谱，2θ衍射广角测量范围20°～80°；
图中：1BP212光刻胶掩蔽层；2铜微电极薄膜；3Au薄膜；4Cr薄膜；
5PZT基底；6打印头基底。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
(1)采用磁控溅射仪制备压电喷墨打印头铜微电极薄膜2。先将已有的PZT基底5的打印头基底6置于热板上150℃前烘去水分，放入溅射仪中抽真空至3.0×10-5Pa后通入惰性气体Ar；真空度达到1.5Pa后，在PZT基底5上依次溅射80nm的Cr薄膜4和200nm的Au薄膜3，用于增加铜微电极薄膜2和PZT基底5的结合力；然后溅射600nm的铜微电极薄膜2。
(2)在所述压电喷墨打印头铜微电极薄膜基底2上表面旋涂一层BP212光刻胶掩蔽层1，BP212光刻胶掩蔽层1的旋涂速度为低速600rpm，热板前烘温度为85度，时间为30min，曝光强度为3mW/cm2，曝光时间为100s，显影用质量分数为0.5％的NaOH溶液显影30s，坚膜用热板85度烘30min，得到掩蔽层图案，如图1所示。
(3)将步骤(2)得到的带有BP212光刻胶掩蔽层1和铜微电极薄膜2的铜薄膜电极片置于FeCl3溶液中对铜微电极薄膜2进行腐蚀，通过调整FeCl3溶液的浓度来确定腐蚀速率，控制腐蚀时间，在表面生成中间产物CuCl，XRD图谱如图4所示。将腐蚀后的铜薄膜电极片置于HCl溶液中腐蚀中间产物CuCl，如图2所示。多步腐蚀液为FeCl3溶液和HCl溶液，两者的浓度范围分别为：0.02g/ml、20％；两者的腐蚀时间分别为120s和10s。
(4)将所述铜薄膜电极片分别置于丙酮和乙醇溶液中3min来去除BP212光刻胶掩蔽层1，然后进行去离子水喷淋清洗，得到完整的压电喷墨打印头铜微电极结构，如图3所示。
实施例2
(1)采用磁控溅射仪制备压电喷墨打印头铜微电极薄膜2。先将已有PZT基底5的打印头基底6置于热板上150℃前烘去水分，放入溅射仪中抽真空至3.0×10-5Pa后通入惰性气体Ar；真空度达到1.5Pa后，在PZT基底5上依次溅射80nm的Cr薄膜4和200nm的Au薄膜3，用于增加铜微电极薄膜2和PZT基底5的结合力；然后溅射600nm的铜微电极薄膜2。
(2)在所述压电喷墨打印头铜微电极薄膜基底2上表面旋涂一层BP212光刻胶掩蔽层1，BP212光刻胶掩蔽层1的旋涂速度为高速2200rpm，热板前烘温度为90度，时间为20min，曝光强度为4mW/cm2，曝光时间为90s，显影用质量分数为0.2％的NaOH溶液显影40s，坚膜用热板90度烘20min，得到掩蔽层图案。
(3)将所述带有BP212光刻胶掩蔽层1和铜微电极薄膜2的铜薄膜电极片置于FeCl3溶液中对铜微电极薄膜2进行腐蚀，通过调整腐蚀液的浓度来确定腐蚀速率，控制腐蚀时间，在表面生成中间产物CuCl。将所述腐蚀后的铜薄膜电极片置于KCl溶液中腐蚀中间产物CuCl。多步腐蚀液为FeCl3和KCl，两者的浓度范围均为：0.03g/ml；两者的腐蚀时间分别为110s和100s。
(4)将所述铜薄膜电极片依次置于丙酮和乙醇溶液中5min来去除BP212光刻胶掩蔽层1，然后进行去离子水喷淋清洗，得到完整的压电喷墨打印头铜微电极结构。
根据实施例1和2，使用多步腐蚀方法后的压电喷墨打印头铜微电极侧蚀量，结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002153973790000051
实施例3
(1)采用磁控溅射仪制备压电喷墨打印头铜微电极薄膜2，与实施例2中的方法一致，最终溅射得到500nm的铜微电极薄膜2。
(2)在所述压电喷墨打印头铜微电极薄膜基底2上表面旋涂一层BP212光刻胶掩蔽层1，BP212光刻胶掩蔽层1的旋涂速度为1400rpm，热板前烘温度为80度，时间为25min，曝光强度为3.2mW/cm2，曝光时间为95s，显影用质量分数为0.3％的NaOH溶液显影35s，坚膜用热板80度烘25min，得到掩蔽层图案。
(3)将步骤(2)得到的带有BP212光刻胶掩蔽层1和铜微电极薄膜2的铜薄膜电极片置于FeCl3溶液中对铜微电极薄膜2进行腐蚀，通过调整FeCl3溶液的浓度来确定腐蚀速率，控制腐蚀时间，在表面生成中间产物CuCl。将腐蚀后的铜薄膜电极片置于HCl溶液中腐蚀中间产物CuCl。多步腐蚀液为FeCl3溶液和HCl溶液，两者的浓度范围分别为：0.04g/ml、15％；两者的腐蚀时间分别为90s和15s。
(4)将所述铜薄膜电极片分别置于丙酮和乙醇溶液中3.5min来去除BP212光刻胶掩蔽层1，然后进行去离子水喷淋清洗，得到完整的压电喷墨打印头铜微电极结构。
实施例4
(1)采用磁控溅射仪制备压电喷墨打印头铜微电极薄膜2，与实施例2中的方法一致，最终溅射得到900nm的铜微电极薄膜2。
(2)在所述压电喷墨打印头铜微电极薄膜基底2上表面旋涂一层BP212光刻胶掩蔽层1，BP212光刻胶掩蔽层1的旋涂速度为1800rpm，热板前烘温度为90度，时间为20min，曝光强度为4mW/cm2，曝光时间为90s，显影用质量分数为0.2％的NaOH溶液显影40s，坚膜用热板90度烘20min，得到掩蔽层图案。
(3)将所述带有BP212光刻胶掩蔽层1和铜微电极薄膜2的铜薄膜电极片置于FeCl3溶液中对铜微电极薄膜2进行腐蚀，通过调整腐蚀液的浓度来确定腐蚀速率，控制腐蚀时间，在表面生成中间产物CuCl。将所述腐蚀后的铜薄膜电极片置于KCl溶液中腐蚀中间产物CuCl。多步腐蚀液为FeCl3和KCl，两者的浓度范围均为：0.03g/ml、0.04g/ml；两者的腐蚀时间分别为110s和90s。
(4)将所述铜薄膜电极片依次置于丙酮和乙醇溶液中5min来去除BP212光刻胶掩蔽层1，然后进行去离子水喷淋清洗，得到完整的压电喷墨打印头铜微电极结构。
实施例5
(1)采用磁控溅射仪制备压电喷墨打印头铜微电极薄膜2，与实施例2中的方法一致，最终溅射得到700nm的铜微电极薄膜2。
(2)在所述压电喷墨打印头铜微电极薄膜基底2上表面旋涂一层BP212光刻胶掩蔽层1，BP212光刻胶掩蔽层1的旋涂速度为1800rpm，热板前烘温度为90度，时间为20min，曝光强度为4mW/cm2，曝光时间为90s，显影用质量分数为0.2％的NaOH溶液显影40s，坚膜用热板90度烘20min，得到掩蔽层图案。
(3)将所述带有BP212光刻胶掩蔽层1和铜微电极薄膜2的铜薄膜电极片置于FeCl3溶液中对铜微电极薄膜2进行腐蚀，通过调整腐蚀液的浓度来确定腐蚀速率，控制腐蚀时间，在表面生成中间产物CuCl。将所述腐蚀后的铜薄膜电极片置于KCl溶液中腐蚀中间产物CuCl。多步腐蚀液为FeCl3和KCl，两者的浓度范围均为：0.02g/ml、0.02g/ml；两者的腐蚀时间分别为120s和100s。
(4)将所述铜薄膜电极片依次置于丙酮和乙醇溶液中5min来去除BP212光刻胶掩蔽层1，然后进行去离子水喷淋清洗，得到完整的压电喷墨打印头铜微电极结构。
实施例1-5制备得到的压电喷墨打印头铜微电极，其制作工艺简单、成本低、工艺重复性好并且容易实现。

Claims (5)

1.一种采用多步腐蚀减小压电喷墨打印头铜微电极侧蚀量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用磁控溅射法在锆钛酸铅/Cr/Au基底上溅射铜微电极薄膜，制备压电喷墨打印头的铜薄膜电极片；
(2)在步骤(1)中制备得到的铜薄膜电极片的上表面旋涂一层正性光刻胶BP212，通过MEMS技术中的光刻工艺曝光显影后，得到铜薄膜电极图形的掩蔽层，从而制备得到带有掩蔽层的铜薄膜电极片；
(3)将步骤(2)中制备得到的带有掩蔽层的铜薄膜电极片置于FeCl3溶液中对铜薄膜电极进行腐蚀，通过调整FeCl3溶液的浓度确定腐蚀速率，控制腐蚀时间，在铜薄膜电极片表面生成中间产物CuCl；将步骤(3)得到的表面生成CuCl的铜薄膜电极片置于KCl溶液中腐蚀中间产物CuCl，然后进行去离子水喷淋清洗；所述FeCl3溶液的浓度为0.02-0.04g/ml，腐蚀时间为90-120s；KCl溶液的浓度为0.02-0.04g/ml，腐蚀时间为90-100s；
(4)将步骤(3)中经过腐蚀和清洗后的铜薄膜电极片依次置于丙酮和乙醇溶液中处理，去除正性光刻胶BP212，得到完整的、侧蚀量小的压电喷墨打印头铜微电极结构。
2.根据权利要求1所述的一种采用多步腐蚀减小压电喷墨打印头铜微电极侧蚀量的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，正性光刻胶BP212的旋涂速度为600rpm-2200rpm，热板前烘温度为80-90℃，时间为20-30min，曝光强度为3-4mW/cm2，曝光时间为90-100s，显影用质量分数为0.2%~0.5%的NaOH溶液显影30-40s，坚膜用热板80 -90℃烘20-30min。
3.根据权利要求1或2所述的一种采用多步腐蚀减小压电喷墨打印头铜微电极侧蚀量的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，磁控溅射法制备的铜薄膜厚度为500-900nm。
4.根据权利要求1或2所述的一种采用多步腐蚀减小压电喷墨打印头铜微电极侧蚀量的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，在丙酮和乙醇溶液中的处理时间均为3-5min。
5.根据权利要求3所述的一种采用多步腐蚀减小压电喷墨打印头铜微电极侧蚀量的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，在丙酮和乙醇溶液中的处理时间均为3-5min。
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