CN110838390B

CN110838390B - 一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法

Info

Publication number: CN110838390B
Application number: CN201911149767.XA
Authority: CN
Inventors: 周圣军; 赵强; 桂成群; 万辉; 于圣韬
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-08-24
Anticipated expiration: 2039-11-21
Also published as: CN110838390A

Abstract

本发明涉及一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法，包括以下步骤：1)清洗基底；2)在基底上面旋涂光刻胶，烤干；3)使用激光直写设备设计图案并在覆盖有光刻胶的基底上曝光图案化的区域，然后用显影液去除对应图案化区域的光刻胶；4)将银纳米浆料涂至图案化区域，占据去除光刻胶后的区域，再使用研磨的方法，保证银纳米浆料与剩余光刻胶厚度均匀一致；5)把透光片压在步骤4)得到的图案化区域上，然后激光穿过透光片扫描基底的图案化区域，烧结固化银纳米浆料；6)去除剩余光刻胶，即得图案化透明导电薄膜。本方法可以任意设计图案，方便快捷地实现透明导电薄膜的图案化，灵活性强，可重复性好。

Description

一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法

技术领域

本发明属于光电材料与技术领域，具体涉及一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法。

背景技术

因为铟的稀缺性和铟锡氧化物(ITO)易碎的陶瓷特性，ITO作为透明导电薄膜已经影响了电子器件，比如可穿戴设备、光伏器件、AR领域等的快速发展。近年来，新的透明导电薄膜来代替ITO的研究受到了广泛的关注。

研究者也尝试了一些的替代品，如石墨烯、碳纳米管和银纳米材料。石墨烯和碳纳米管都属于碳基纳米材料，因为本征载流子浓度较低，或者是层与层之间的高电阻性的原因，两种材料制备的薄膜都具有较高的方阻。而银纳米材料属于金属，因为高载流子浓度、低电阻特性，所以制备出的薄膜电阻导电性良好；并且银纳米材料制备的薄膜还具有良好的柔韧性和透光性，因此银纳米材料薄膜成为代替ITO的首选。

研究人员在以前的研究中，制备出了导电性良好的纳米银薄膜，但是因为银纳米材料在薄膜中是均匀分布，所以限制了薄膜的透光性；发明专利CN 104795130 A虽然公布了一种可制备图形化透明导电薄膜的方法，但是形成图形化的凹槽是经压印工艺制备的，缺乏灵活可变的特性。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法，该方法可以任意设计图案，方便快捷地实现透明导电薄膜的图案化，灵活性强，可重复性好。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法，包括以下步骤：

1)清洗基底；

2)在基底上面旋涂光刻胶，烤干；

3)使用激光直写设备设计图案，并在覆盖有光刻胶的基底上曝光设计图案处的区域(图案化区域)，然后用显影液去除对应图案化区域的光刻胶；

4)将银纳米浆料涂至步骤3)中的图案化区域，使得银纳米浆料占据去除光刻胶后的区域，然后采用研磨的方法，保证银纳米浆料与剩余光刻胶厚度均匀一致；

5)把透光片压在步骤4)得到的图案化区域上，然后激光穿过透光片扫描基底的图案化区域，烧结固化银纳米浆料；

6)去除剩余光刻胶，即得图案化透明导电薄膜。

按上述方案，步骤1)中，基底材质为Si、sapphire、GaN、SiO₂、SiC中任意一种。

按上述方案，步骤1)中，依次通过丙酮和无水乙醇清洗基底。

按上述方案，步骤2)中，旋涂速度为3000～8000rpm，旋涂时间为20～60s。

按上述方案，步骤2)中，烤干温度为60～90℃，烤干时间为30～120s。

按上述方案，步骤3)中，激光直写设备的功率密度为60～100mJ/cm²。

按上述方案，步骤3)中，显影液清洗曝光区域的时间为5～30s。

按上述方案，步骤4)中，银纳米浆料浓度为1～10mg/ml；银纳米颗粒粒径为20～300nm。

按上述方案，步骤4)中，研磨设备转速为60～200rpm，时间设定为3～15min。

按上述方案，步骤5)中，透光片为表面平整的刚性或柔性透光片，其中，刚性透光片为普通玻璃、PVC(聚氯乙烯)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)；柔性透光片为PC(聚碳酸酯)、PS(聚苯乙烯)、PO(聚烯烃)、LSR(液体硅橡胶)或COC(环烯烃共聚物)。

按上述方案，步骤5)中，激光的扫描速度为1000～2000mm/s，光斑直径为10～100um，脉冲宽度为50fs～200ns，激光的脉冲频率为50～300k，激光的功率为50～250mW，激光的波长为248～1064nm。

本发明的有益效果为：

1.本发明通过激光直写技术制备图案化透明导电薄膜，可以根据实际需要任意设计图案，灵活性强，可重复性好，制备得到的图案化透明导电电极具有精度高，厚度均匀等优点。

2.可以根据实际需求调节图案的线条宽度，改变透明导电薄膜的电阻；也可调节图案的线条疏密程度，来控制透明导电薄膜的透光性，从而调控透明导电薄膜的导电性和透光性。

3.通过使用了激光烧结方法，对银纳米浆料进行烧结固化，速度快，精度高。

附图说明

图1为本发明实施例中一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法的操作流程图；

图2为本发明实施例一中光刻胶显影后的光学显微镜图；

图3为本发明实施例一种制备的透明导电薄膜示意图；

图4为本发明实施例二中光刻胶显影后的光学显微镜图；

图5为本发明实施例二中制备的透明导电薄膜示意图；

以上各图中标号含义为：

101-烧杯，102-丙酮溶液，103-基底，104-无水乙醇溶液，105-第一个滴管，106-光刻胶涂层，107-旋涂机，108-烤胶机，109-激光直写设备的激光头，110-激光直写设备载物台，111-显影液，112-第二个滴管，113-银纳米浆料，114-研磨装置，115-扫描激光器的激光头，116-透光片，117-图案化透明导电薄膜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例一>

如图1所示，本实施例一提供的一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法具体包括以下步骤：

S1-1.在500ml的烧杯101中加入100ml的丙酮溶液102，然后用镊子把2英寸的Sapphire基底103夹入烧杯101中，清洗Sapphire基底103表面的有机杂质；

S1-2.倒掉丙酮溶液102，加入无水乙醇(99.7wt.％)104，同样用镊子把Sapphire基底103夹入烧杯中，清洗基底表面残余的丙酮溶液102；

S2-1.清洗吹干基底103后，将其放置到旋涂机107上，用第一个滴管105在基底103上滴数滴光刻胶，然后打开旋涂机107开始旋转，设定旋转转速为4000rpm，旋转时间为30s，得到光刻胶涂层106；(本次使用的光刻胶为正胶)

S2-2.旋涂结束后，将覆盖有光刻胶106的基底103放到烤胶机108上烤干，设定烤干温度为90℃，烤干时间为60s；

S3-1.烤干结束后，将覆盖有光刻胶106的基底103放到激光直写设备载物台110上，激光直写设备设计图案，所述图案为圆柱形阵列的间隙所组成的图案，圆柱直径为1.5um，任意相邻圆柱中心到中心之间的距离为2.25um，然后按照设定的程序，激光直写设备激光头109曝光图案化的区域，设定激光直写设备的能量密度为60mJ/cm²；

S3-2.将曝光图案后的基底103转移到盛有显影液111的烧杯中10s，保留圆柱形光刻胶阵列的同时，溶解圆柱形阵列的间隙所对应的光刻胶(具体形貌如图2所示)；

S4-1.用第二个滴管112将高纯度的银纳米浆料113，填至去除光刻胶后的区域，并用刮刀将光刻胶表面的银纳米浆料113涂抹均匀，其中银纳米浆料浓度为5mg/ml；银纳米颗粒粒径为100±80nm；

S4-2.用研磨设备114对光刻胶106进行研磨，保证银纳米浆料与剩余光刻胶厚度均匀一致，设定研磨设备的转速为80rpm，时间设定为5min；

S5.在基板103涂覆光刻胶106的表面上放置透光片116，扫描激光器的激光头115发射激光穿过透光片116，扫描图案化区域填充的银纳米浆料113；本实施例中，采用透明的普通玻璃片作为透光片116；采用的激光为纳秒激光，激光的波长为1030nm，激光的功率为50mW，扫描速度为1000mm/s，光斑直径为10um，激光的脉冲频率为200k，脉冲宽度为800fs；

S6.激光扫描结束后，用丙酮去除光刻胶，获得图案化透明导电薄膜117，且该薄膜为圆柱通孔的平片结构(具体形貌如图3所示)。

<实施例二>

S2-1.清洗吹干基底103后，将其放置到旋涂机107上，用第一个滴管105在基底103上滴数滴光刻胶，然后打开旋涂机107开始旋转，设定旋转转速为6000rpm，旋转时间为20s，得到光刻胶涂层106；(本次使用的光刻胶为正胶)

S2-2.旋涂结束后，将覆盖有光刻胶106的基底103放到烤胶机108上烤干，设定烤干温度为80℃，烤干时间为60s；

S3-1.烤干结束后，将覆盖有光刻胶106的基底103放到激光直写设备载物台110上，功率密度激光直写设备设计图案，所述图案为圆柱阵列，其中圆柱之间相互连接，圆柱直径为4um，然后按照设定的程序，激光直写设备激光头109曝光圆柱阵列所在的区域，设定激光直写设备的能量密度为100mJ/cm²；

S3-2.将曝光图案后的基底103转移到盛有显影液111的烧杯中8s，溶解圆柱形阵列对应的光刻胶区域(具体形貌如图4所示)；

S4-1.用第二个滴管112将高纯度的银纳米浆料113，填至对应的圆柱形互联图案区域，并用刮刀将光刻胶表面的银纳米浆料113涂抹均匀，其中银纳米浆料浓度为3mg/ml；银纳米颗粒粒径为250±50nm。

S4-2.用研磨设备114对光刻胶106进行研磨，保证银纳米浆料与剩余光刻胶厚度均匀一致，设定研磨设备的转速为90rpm，时间设定为4.5min；

S5.在基板103涂覆光刻胶106的表面上放置透光片116，扫描激光器的激光头115发射激光穿过透光片116，扫描图案化区域填充的银纳米浆料113；本实施例一中，采用透明的普通玻璃片作为透光片116；采用的激光为纳秒激光，激光的波长为1064nm，激光的功率为200mW，扫描速度为2000mm/s，光斑直径为100um，激光的脉冲频率为200k，脉冲宽度为115ns；

S6.激光扫描结束后，用丙酮去除光刻胶，获得图案化透明导电薄膜117，且该薄膜为圆柱互连的平片结构(具体形貌如图5所示)。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims

1.一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)清洗基底；

2)在基底上面旋涂光刻胶，烤干；

3)使用激光直写设备设计图案，并在覆盖有光刻胶的基底上曝光图案化区域，然后用显影液去除对应图案化区域的光刻胶；

4)将银纳米浆料涂至步骤3)中的图案化区域，使得银纳米浆料占据去除光刻胶后的区域，然后采用研磨的方法，保证银纳米浆料与剩余光刻胶厚度均匀一致，其中银纳米浆料浓度为1～10mg/ml；

6)去除剩余光刻胶，即得图案化透明导电薄膜。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，基底材质为Si、sapphire、GaN、SiO₂、SiC中任意一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，依次通过丙酮和无水乙醇清洗基底。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中，旋涂速度为3000～8000rpm，旋涂时间为20～60s；烤干温度为60～90℃，烤干时间为30～120s。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，激光直写设备的功率密度为60～100mJ/cm²。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，显影液清洗曝光区域的时间为5～30s。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中，银纳米颗粒粒径为20～300nm。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中，研磨设备转速为60～200rpm，时间设定为3～15min。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中，透光片为表面平整的刚性或柔性透光片，其中，刚性透光片材质为普通玻璃、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲酯；柔性透光片材质为聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚烯烃、液体硅橡胶或环烯烃共聚物。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中，激光的扫描速度为1000～2000mm/s，光斑直径为10～100um，脉冲宽度为50fs～200ns，激光的脉冲频率为50～300k，激光的功率为50～250mW，激光的波长为248～1064nm。