CN110739267A - 基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法，包括以下步骤：旋涂光刻胶，光刻，对准印刷，去除光刻胶，后处理。本发明中由于采用基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性电极加工技术，使用印刷技术在衬底上印刷导电膜，使加工工艺简化、成本大幅降低，使印刷工艺的分辨率提高到光刻水平，使得可用于加工柔性电极的材料种类大幅增加。印刷工艺可在室温下进行，对于许多对温度敏感的柔性基底也可满足加工条件要求。同时，印刷工艺在常温常压下就可以进行，对工作环境要求低，工业上可以建立“旋涂光刻胶‑前烘‑光刻‑显影‑后烘‑印刷镀膜‑去胶‑后处理”这一流水线作业模式来加工高精度柔性电极，可大幅提高加工效率。

Description

基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法
技术领域
本发明微电子领域，尤其涉及基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法。
背景技术
传统的微电子工艺要用到光刻机和镀膜仪，现有的镀膜技术有热蒸镀、电子束蒸镀等，使用镀膜仪高温热蒸镀金属的方法将金属材料蒸镀到衬底上。该方法只能蒸镀一些热膨胀系数高、熔沸点较低的材料，所以使用现有的镀膜技术可选择的镀膜的材料有限；而且成本高、耗时长、浪费原料、且金属膜全部覆盖在衬底上，增加了后续去胶过程的难度。文献“Organic materials for printed electronics，nature materials | VOL 6 |JANUARY 2007”中使用印刷的方式加工电路图案，加工电路的分辨率较低，达几十微米，无法加工高精度的电路图案，这些都限制了电路的发展；微电子打印机可以使用多种功能材料并能够准确定位电路位置进行印刷，弥补了镀膜仪蒸镀材料受局限以及大面积蒸镀的不足，但其印刷精度较传统光刻工艺又有较大差距。
发明内容
本发明的目的是提供基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法。
本发明的创新点在于使用旋涂光刻胶的方法柔性衬底上光刻得到高精度的电路图案，经显影后作为印刷衬底，将掩膜板上的高精度柔性微电路图案的线条变粗并印刷在印刷衬底中对应电路图案的位置上，使导电墨水和/或介电墨水能够完全覆盖印刷衬底上的电路图案，将该样品高温固化后在超声环境下使用丙酮溶液进行去胶，最后进行后处理即可得到高精度的电路图案。
使用印刷工艺可大幅减少镀膜工艺所需要的时间，减少传统蒸镀工艺过程材料浪费，降低了传统镀膜工艺后去胶的难度，镀膜的材料种类大幅增加，同时也解决了单独使用印刷工艺制作的电路精度低、边缘不齐的问题，大幅提高印刷精度，大大促进了柔性电路的发展。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）旋涂光刻胶：在一号柔性衬底上旋涂光刻胶，旋涂后在加热板上进行前烘，前烘温度为90~105℃，时间为85~95S，然后自然冷却至室温得到光刻胶板；
（2）光刻：对光刻胶板进行光刻，在光刻机上放置设有一号电路图案的掩膜板，将光刻胶板放置在掩膜板下方进行光刻，光刻结束后将光刻后的光刻胶板在22~24℃的温度下浸渍在显影液中55~65s，浸渍完成后对其表面吹干，得到光刻图案板；
（3）对准印刷：用导电墨水和/或介电墨水将与光刻图案板上的一号电路图案图形相同、大小相同、线条比光刻图案板上的一号电路图案略粗的二号电路图案印刷在光刻图案板上使得二号电路图案完全覆盖一号电路图案，得到印刷光刻图案板，再将印刷光刻图案板在85~95℃下加热25~35min，然后冷却至室温得到印刷板；
（4）去除光刻胶：将印刷板放置丙酮溶液中，超声清洗3~8min，超声洗涤后，再清洗掉印刷板上残留的丙酮并吹干印刷板上残留水分得到去除光刻胶图案板；
（5）后处理：将去除去除光刻胶图案板在加热板上加热8~12min，加热板的加热温度为120~150℃，冷却至室温得到成品。
进一步地，所述光刻胶为正性光刻胶，掩膜板上一号电路图案处透光，非一号电路图案处不透光。
进一步地，所述光刻胶为负性光刻胶，掩膜板上非一号电路图案处透光，一号电路图案处不透光。
进一步地，所述步骤（2）中光刻胶板在23.0±0.1℃的温度下浸渍在显影液中60s。
进一步地，所述导电墨水为碳纳米管墨水、石墨烯墨水、碳纤维墨水、导电银墨水、导电铜墨水；所述介电墨水为二维材料墨水、生物墨水。
进一步地，所述一号电路图案包括电路元器件的一种或多种；所述电路元器件为电极、导线、电阻、电容或晶体管。
进一步地，所述柔性衬底材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯 、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯。
进一步地，清洗掉印刷板上残留的丙酮时用乙醇清洗，再使用去离子水清洗。
进一步地，所述印刷为喷墨打印，喷墨打印时，在打印机控制软件上绘制和光刻图案板上的一号电路图案图形相同、大小相同、线条比光刻图案板上的一号电路图案略粗的二号电路图案，用一张和步骤（1）中一号柔性衬底相同的二号柔性衬底将打印机控制软件上绘制的二号电路图案打印出来，得到印刷图案板，不断调整二号电路图案打印在二号柔性衬底上的位置至光刻图案板和印刷图案板重合时印刷图案板上的二号电路图案完全覆盖光刻图案板上的一号电路图案，然后用导电墨水和/或介电墨水将二号电路图案打印在光刻图案板上使得光刻图案板上二号电路图案完全覆盖的一号电路图案，得到印刷光刻图案板。
进一步地，所述印刷为丝网打印，所述一号柔性衬底为透明衬底，在丝网印版上制作和光刻图案板上的一号电路图案图形相同、大小相同、线条比光刻图案板上的一号电路图案略粗的二号电路图案，选择一张三号基底，先将二号电路图案印刷在三号基底上，再将光刻图案板上的一号电路图案对准三号基底上的二号电路图案，用导电墨水和/或介电墨水将二号电路图案印刷在光刻图案板上使得光刻图案板上二号电路图案完全覆盖的一号电路图案，得到印刷光刻图案板。
本发明的有益效果是 ：本发明中由于采用基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性电极加工技术，使用印刷技术在衬底上印刷导电膜，使加工工艺简化、成本大幅降低，使印刷工艺的分辨率提高到光刻水平，使得可用于加工柔性电极的材料种类大幅增加。印刷工艺可在室温下进行，对于许多对温度敏感的柔性基底也可满足加工条件要求。同时，印刷工艺在常温常压下就可以进行，对工作环境要求低，工业上可以建立“旋涂光刻胶-前烘-光刻-显影-后烘-印刷镀膜-去胶-后处理”这一流水线卷对卷作业模式来加工高精度柔性电极，可大幅提高加工效率。
附图说明
图1为实施例2中掩膜板上的一号电路图案为电极时的图像；
图2为实施例2中光刻图案板的图像；
图3为实施例2中光刻图案板在局部放大20倍后的光学图像；
图4为实施例2中光刻图案板在局部放大100倍后的光学图像；
图5为实施例2中印刷板的宏观图像；
图6为实施例2中印刷板的局部放大20倍后的光学图像；
图7为实施例2中印刷板的局部放大100倍后的光学图像；
图8为实施例2中成品的宏观图像；
图9为实施例2中成品局部放大20倍后的光学图像；
图10为实施例2中成品的局部放大100倍后的光学图像。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法，包括以下步骤，旋涂光刻胶：在一号柔性衬底上旋涂负性光刻胶，柔性衬底材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯 。旋涂后在加热板上进行前烘，前烘温度为90℃，时间为85S，然后自然冷却至室温得到光刻胶板；光刻：对光刻胶板进行光刻，在光刻机上放置设有一号电路图案的掩膜板，一号电路图案包括电路元器件的一种或多种，电路元器件为电极、导线、电阻、电容或晶体管；掩膜板上非一号电路图案处透光，一号电路图案处不透光，将光刻胶板放置在掩膜板下方进行光刻， 光刻时间根据光刻强度和旋涂负性光刻胶厚度调整，光刻结束后将光刻后的光刻胶板在22℃的温度下浸渍在显影液中55s， 浸渍完成后对其表面吹干，由于负性光刻胶光照后形成不可溶物质，显影液将光刻胶板上不透光部分的光刻胶溶解掉得到光刻图案板；对准印刷：用导电墨水和/或介电墨水将与光刻图案板上的一号电路图案图形相同、大小相同、线条比光刻图案板上的一号电路图案略粗的二号电路图案印刷在光刻图案板上使得二号电路图案完全覆盖一号电路图案，得到印刷光刻图案板，再将印刷光刻图案板在85℃下加热25min，然后冷却至室温得到印刷板；去除光刻胶：将印刷板放置丙酮溶液中，超声清洗3min，用于清洗掉印刷光刻图案板上的光刻胶，清洗时覆盖在光刻胶表面的导电墨水和/或介电墨水也随着光刻胶的去除跟着一块去除，导电墨水和/或介电墨水只存留在原光刻胶板上不透光部分即导电墨水和/或介电墨水留在一号柔性衬底上的图案和掩膜板上不透光部分相同，清洗掉印刷板上残留的丙酮并吹干印刷板上残留水分得到去除光刻胶图案板，清洗掉印刷板上残留的丙酮时用乙醇清洗，再使用去离子水清洗。后处理：将去除去除光刻胶图案板在加热板上加热8min，加热板的加热温度为120℃，冷却至室温得到成品。
实施例2：基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法，包括以下步骤，旋涂光刻胶：在一号柔性衬底上旋涂正性光刻胶，柔性衬底材料为聚酰亚胺。旋涂后在加热板上进行前烘，前烘温度为100℃，时间为90S，然后自然冷却至室温得到光刻胶板；光刻：对光刻胶板进行光刻，在光刻机上放置设有一号电路图案的掩膜板，一号电路图案包括电路元器件的一种或多种，电路元器件为电极、导线、电阻、电容或晶体管；掩膜板上一号电路图案处透光，非一号电路图案处不透光。将光刻胶板放置在掩膜板下方进行光刻，光刻时间根据光刻强度和旋涂正性光刻胶厚度调整，光刻结束后将光刻后的光刻胶板在24℃的温度下浸渍在显影液中65s，浸渍完成后对其表面吹干，由于正性光刻胶光照后形成可溶物质，显影液将光刻胶板上透光部分的光刻胶溶解掉得到光刻图案板；得到光刻图案板；对准印刷：印刷为喷墨打印，喷墨打印时，在打印机控制软件上绘制和光刻图案板上的一号电路图案图形相同、大小相同、线条比光刻图案板上的一号电路图案略粗的二号电路图案，用一张和步骤（1）中一号柔性衬底相同的二号柔性衬底将打印机控制软件上绘制的二号电路图案打印出来，得到印刷图案板，不断调整二号电路图案打印在二号柔性衬底上的位置至光刻图案板和印刷图案板重合时印刷图案板上的二号电路图案完全覆盖光刻图案板上的一号电路图案，然后用导电墨水和/或介电墨水将二号电路图案打印在光刻图案板上使得光刻图案板上二号电路图案完全覆盖的一号电路图案，得到印刷光刻图案板，导电墨水为碳纳米管墨水、石墨烯墨水、碳纤维墨水、导电银墨水、导电铜墨水；所述介电墨水为二维材料墨水、生物墨水。再将印刷光刻图案板在90℃下加热30min，然后冷却至室温得到印刷板；去除光刻胶：将印刷板放置丙酮溶液中，超声清洗5min，用于清洗掉印刷光刻图案板上的光刻胶，清洗时覆盖在光刻胶表面的导电墨水和/或介电墨水也随着光刻胶的去除跟着一块去除，导电墨水和/或介电墨水只存留在原光刻胶板上透光部分即导电墨水和/或介电墨水留在一号柔性衬底上的图案和掩膜板上透光部分相同，超声洗涤后，再清洗掉印刷板上残留的丙酮并吹干印刷板上残留水分得到去除光刻胶图案板，清洗掉印刷板上残留的丙酮时用乙醇清洗，再使用去离子水清洗。后处理：将去除去除光刻胶图案板在加热板上加热10min，加热板的加热温度为135℃，冷却至室温得到成品。
实施例3：基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法，包括以下步骤，旋涂光刻胶：在一号柔性衬底上旋涂负性光刻胶，柔性衬底材料为聚二甲基硅氧烷。旋涂后在加热板上进行前烘，前烘温度为105℃，时间为95S，然后自然冷却至室温得到光刻胶板；光刻：对光刻胶板进行光刻，在光刻机上放置设有一号电路图案的掩膜板，一号电路图案包括电路元器件的一种或多种，电路元器件为电极、导线、电阻、电容或晶体管；掩膜板上非一号电路图案处透光，一号电路图案处不透光。将光刻胶板放置在掩膜板下方进行光刻，光刻时间根据光刻强度和旋涂负性光刻胶厚度调整，光刻结束后将光刻后的光刻胶板在23.0±0.1℃的温度下浸渍在显影液中60s。浸渍完成后对其表面吹干，由于负性光刻胶光照后形成不可溶物质，显影液将光刻胶板上不透光部分的光刻胶溶解掉得到光刻图案板；得到光刻图案板；对准印刷：印刷为丝网打印，所述一号柔性衬底为透明衬底，在丝网印版上制作和光刻图案板上的一号电路图案图形相同、大小相同、线条比光刻图案板上的一号电路图案略粗的二号电路图案，选择一张三号基底，先将二号电路图案印刷在三号基底上，再将光刻图案板上的一号电路图案对准三号基底上的二号电路图案，用导电墨水和/或介电墨水将二号电路图案印刷在光刻图案板上使得光刻图案板上二号电路图案完全覆盖的一号电路图案，得到印刷光刻图案板。再将印刷光刻图案板在95℃下加热35min，然后冷却至室温得到印刷板；去除光刻胶：将印刷板放置丙酮溶液中，超声清洗8min，用于清洗掉印刷光刻图案板上的光刻胶，清洗时覆盖在光刻胶表面的导电墨水和/或介电墨水也随着光刻胶的去除跟着一块去除，导电墨水和/或介电墨水只存留在原光刻胶板上不透光部分即导电墨水和/或介电墨水留在一号柔性衬底上的图案和掩膜板上不透光部分相同，超声洗涤后，再清洗掉印刷板上残留的丙酮并吹干印刷板上残留水分得到去除光刻胶图案板，清洗掉印刷板上残留的丙酮时用乙醇清洗，再使用去离子水清洗。后处理：将去除去除光刻胶图案板在加热板上加热12min，加热板的加热温度为150℃，冷却至室温得到成品。
实施例4：参考实施例1，柔性衬底材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
实施例5：参考实施例2，柔性衬底材料为聚萘二甲酸乙二醇酯。
实施例5：参考实施例3，柔性衬底材料为聚氯乙烯。
所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）旋涂光刻胶：在一号柔性衬底上旋涂光刻胶，旋涂后在加热板上进行前烘，前烘温度为90~105℃，时间为85~95S，然后自然冷却至室温得到光刻胶板；
（2）光刻：对光刻胶板进行光刻，在光刻机上放置设有一号电路图案的掩膜板，将光刻胶板放置在掩膜板下方进行光刻，光刻结束后将光刻后的光刻胶板在22~24℃的温度下浸渍在显影液中55~65s，浸渍完成后对其表面吹干，得到光刻图案板；
（3）对准印刷：用导电墨水和/或介电墨水将与光刻图案板上的一号电路图案图形相同、大小相同、线条比光刻图案板上的一号电路图案略粗的二号电路图案印刷在光刻图案板上使得二号电路图案完全覆盖一号电路图案，得到印刷光刻图案板，再将印刷光刻图案板在85~95℃下加热25~35min，然后冷却至室温得到印刷板；
（4）去除光刻胶：将印刷板放置丙酮溶液中，超声清洗3~8min，超声洗涤后，再清洗掉印刷板上残留的丙酮并吹干印刷板上残留水分得到去除光刻胶图案板；
（5）后处理：将去除去除光刻胶图案板在加热板上加热8~12min，加热板的加热温度为120~150℃，冷却至室温得到成品。
2.根据权利要求1所述的基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法，其特征在于，所述光刻胶为正性光刻胶，掩膜板上一号电路图案处透光，非一号电路图案处不透光。
3.根据权利要求1所述的基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法，其特征在于，所述光刻胶为负性光刻胶，掩膜板上非一号电路图案处透光，一号电路图案处不透光。
4.根据权利要求1所述的基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法，其特征在于，所述步骤（2）中光刻胶板在23.0±0.1℃的温度下浸渍在显影液中60s。
5.根据权利要求1所述的基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法，其特征在于，所述导电墨水为碳纳米管墨水、石墨烯墨水、碳纤维墨水、导电银墨水、导电铜墨水；所述介电墨水为二维材料墨水、生物墨水。
6.根据权利要求1所述的基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法，其特征在于，所述一号电路图案包括电路元器件的一种或多种；所述电路元器件为电极、导线、电阻、电容或晶体管。
7.根据权利要求1所述的基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法，其特征在于，所述柔性衬底材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯 、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯。
8.根据权利要求1所述的基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法，其特征在于，清洗掉印刷板上残留的丙酮时用乙醇清洗，再使用去离子水清洗。
9.根据权利要求1所述的基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法，其特征在于，所述印刷为喷墨打印，喷墨打印时，在打印机控制软件上绘制和光刻图案板上的一号电路图案图形相同、大小相同、线条比光刻图案板上的一号电路图案略粗的二号电路图案，用一张和步骤（1）中一号柔性衬底相同的二号柔性衬底将打印机控制软件上绘制的二号电路图案打印出来，得到印刷图案板，不断调整二号电路图案打印在二号柔性衬底上的位置至光刻图案板和印刷图案板重合时印刷图案板上的二号电路图案完全覆盖光刻图案板上的一号电路图案，然后用导电墨水和/或介电墨水将二号电路图案打印在光刻图案板上使得光刻图案板上二号电路图案完全覆盖的一号电路图案，得到印刷光刻图案板。
10.根据权利要求1所述的基于印刷与光刻结合方式的高精度柔性微电路加工方法，其特征在于，所述印刷为丝网打印，所述一号柔性衬底为透明衬底，在丝网印版上制作和光刻图案板上的一号电路图案图形相同、大小相同、线条比光刻图案板上的一号电路图案略粗的二号电路图案，选择一张三号基底，先将二号电路图案印刷在三号基底上，再将光刻图案板上的一号电路图案对准三号基底上的二号电路图案，用导电墨水和/或介电墨水将二号电路图案印刷在光刻图案板上使得光刻图案板上二号电路图案完全覆盖的一号电路图案，得到印刷光刻图案板。
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