CN111874861A - 一种增强聚对二甲苯薄膜与硅粘附性的方法 - Google Patents

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张美璇
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Abstract

本发明涉及一种增强聚对二甲苯薄膜与硅粘附性的方法，包括以下步骤：1)在待增强粘附性的硅衬底表面进行光刻定义铆钉阵列图形；2)在硅衬底正面进行深硅刻蚀至一定深度，形成铆钉阵列结构；3)去除硅衬底表面残余的光刻胶；4)在硅衬底表面淀积一定厚度的聚对二甲苯，形成平整的聚对二甲苯覆盖层，完成制备。通过深硅刻蚀工艺形成用于增加硅衬底比表面积的铆钉阵列结构，使聚对二甲苯薄膜与硅的粘附力得到显著增强。该方法采用了与现有规模制造工艺兼容的聚对二甲苯微机电系统工艺，适用于制备高性能柔性硅基电子器件，使硅基电子器件与聚对二甲苯柔性裹覆材料在反复弯折变形的过程中不易分层或脱离，保证了柔性硅基电子器件的可靠稳定工作。

Description

一种增强聚对二甲苯薄膜与硅粘附性的方法
技术领域
本发明涉及微纳加工领域，具体涉及一种增强聚对二甲苯 (Parylene)薄膜与硅粘附性的方法。
背景技术
柔性电子技术已掀起世界范围的电子技术革命，被认为是电子行业的未来。其中，柔性衬底材料是实现柔性电子器件互连和封装的重要组成部分。目前被广泛应用于柔性电子领域的柔性/弹性衬底材料包括聚对二甲苯(Parylene)、聚酰亚胺(Polyimide)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和金属薄膜等。其中，聚对二甲苯凭借其室温化学气相沉积(CVD)的淀积方式、极薄而无针孔的淀积效果、无色透明、优异的力学性能、电绝缘性、生物兼容性和微加工工艺的兼容性等特点，成为柔性电子，特别是与集成电路工艺兼容的高性能硅基柔性电子制备方案的绝佳材料。因此，在柔性硅基电子器件中，硅衬底与聚对二甲苯薄膜之间的粘附性将直接影响器件的机械可靠性和循环稳定性。然而，聚对二甲苯的化学惰性强、表面能低，通常不存在用于形成分子内键的活性位点，导致其与硅表面的粘附性差，易从硅衬底上脱落。
目前，在淀积前使用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(A-174) 对硅进行表面预处理是增强聚对二甲苯薄膜与硅粘附性通常采用的方法。A-174硅烷偶联剂通过化学方式粘附在硅表面上，精确提供一种不均匀，有缺陷的表面，刺激聚对二甲苯的附着，有助于聚对二甲苯在CVD过程中更加保形地与所产生的表面空腔和缝隙结合。这种方法形成的过渡层的面积依赖于硅衬底的比表面积，其带来的聚对二甲苯薄膜粘附性仍然有进一步提高的空间。
为此，需要发明一种改进的工艺方法，利用聚对二甲苯的保形淀积性和微纳加工手段进一步增强聚对二甲苯薄膜与硅的粘附性，从而提高由聚对二甲苯裹覆的柔性硅基电子器件在动态变形过程中的力学可靠性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于微机电系统工艺(MEMS工艺)增强聚对二甲苯薄膜与硅粘附性的方法。通过硅深刻蚀工艺在硅衬底上制备铆钉阵列结构，增加硅衬底与聚对二甲苯粘合的比表面积，利用聚对二甲苯的保形淀积性提高聚对二甲苯与硅衬底的粘附力。该方法与MEMS工艺兼容，所制备的铆钉阵列结构的图形可以在版图中进行多样化设计，以合理利用硅基电子器件的有效器件面积，是一种可操作性强、适用性广的聚对二甲苯与硅粘附性增强方法。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种增强聚对二甲苯薄膜与硅粘附性的方法，包括以下步骤：
1)在待增强粘附性的硅衬底表面进行光刻定义铆钉阵列图形；
2)在硅衬底正面进行深硅刻蚀至一定深度，形成铆钉阵列结构；
3)去除硅衬底表面残余的光刻胶；
4)在硅衬底表面淀积一定厚度的聚对二甲苯，形成平整的聚对二甲苯覆盖层，完成制备。
进一步地，步骤1)中所述硅衬底为4寸P型<100>单抛硅片。
进一步地，步骤1)中所述铆钉阵列图形为正方形、“口”字形、“十”字形、圆形或圆环形。
进一步地，所述正方形的边长为2μm。
进一步地，步骤2)中所述铆钉阵列结构分布在硅衬底的任意非器件区域。
进一步地，步骤2)具体为：以光刻胶为掩模，在铆钉阵列位置处的硅衬底上通过HRM刻蚀硅10μm。
进一步地，步骤3)具体为：通过氧等离子体刻蚀将硅衬底表面的光刻胶去除干净。
进一步地，步骤4)具体为：在硅衬底表面采用化学气相沉积法淀积聚对二甲苯2μm。
本发明的有益效果是：基于标准MEMS工艺，采用深刻蚀工艺在硅衬底上制备了用于增加比表面积的铆钉阵列结构，使得聚对二甲苯薄膜与硅之间的粘附性显著增强。本发明提出的增强方法可以使硅基电子器件与聚对二甲苯柔性裹覆材料在反复弯折变形的过程中不易分层或脱离，保证了柔性硅基电子器件的可靠稳定工作。
附图说明
本发明有以下附图：
图1为硅衬底示意图；
图2为光刻铆钉阵列图形的示意图；
图3为刻蚀铆钉阵列结构的示意图；
图4为去除光刻胶的示意图；
图5为淀积聚对二甲苯的示意图；
图6为五种铆钉阵列图形的示意图。
图中：1—硅衬底；2—光刻胶；3—铆钉阵列结构；4—聚对二甲苯覆盖层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例采用的真空气相沉积设备为美国SCS(Special Coating System)公司的PDS2010型沉积设备；所用的聚对二甲苯聚合物预聚体为C型Parylene，所使用的深硅刻蚀设备为STS HRM高密度刻蚀机。
本实施例的增强聚对二甲苯薄膜与硅粘附性的方法，具体实施步骤如下：
1)备片：将4寸P型<100>单抛硅片作为硅衬底1，如图1所示；
2)光刻：在硅片正面旋涂一层光刻胶2，在光刻胶2上进行光刻形成铆钉阵列图形(边长为2μm的正方形)，如图2所示；铆钉阵列图形形成铆钉阵列；
3)深硅刻蚀：以光刻胶为掩模，在铆钉阵列位置处的硅衬底1 上通过HRM刻蚀硅10μm，形成铆钉阵列结构3，如图3所示；
4)去胶：通过氧等离子体刻蚀将硅衬底1表面的光刻胶2去除干净，如图4所示；
5)淀积：在硅衬底1表面采用CVD(化学气相沉积)法淀积聚对二甲苯2μm，形成平整的聚对二甲苯覆盖层4，完成制备，如图5 所示；
进一步地，步骤2)中所述铆钉阵列图形除了本实施例中的边长为2μm的正方形外，还可以进行多种形状设计，如图6所示，还可以为“口”字形、“十”字形、圆形或圆环形。不同设计对硅衬底比表面积的增加效果不同，从而改变聚对二甲苯与硅的粘附性。
进一步地，步骤3)中所述铆钉阵列结构3可以分布在硅衬底的任意非器件区域，优化的布局可以使聚对二甲苯与硅的粘附力分布均匀。
以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种增强聚对二甲苯薄膜与硅粘附性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在待增强粘附性的硅衬底表面进行光刻定义铆钉阵列图形；
2)在硅衬底正面进行深硅刻蚀至一定深度，形成铆钉阵列结构；
3)去除硅衬底表面残余的光刻胶；
4)在硅衬底表面淀积一定厚度的聚对二甲苯，形成平整的聚对二甲苯覆盖层，完成制备。
2.如权利要求1所述的增强聚对二甲苯薄膜与硅粘附性的方法，其特征在于：步骤1)中所述硅衬底为4寸P型<100>单抛硅片。
3.如权利要求1所述的增强聚对二甲苯薄膜与硅粘附性的方法，其特征在于：步骤1)中所述铆钉阵列图形为正方形、“口”字形、“十”字形、圆形或圆环形。
4.如权利要求3所述的增强聚对二甲苯薄膜与硅粘附性的方法，其特征在于：所述正方形的边长为2μm。
5.如权利要求1所述的增强聚对二甲苯薄膜与硅粘附性的方法，其特征在于：步骤2)中所述铆钉阵列结构分布在硅衬底的任意非器件区域。
6.如权利要求1所述的增强聚对二甲苯薄膜与硅粘附性的方法，其特征在于，步骤2)具体为：以光刻胶为掩模，在铆钉阵列位置处的硅衬底上通过HRM刻蚀硅10μm。
7.如权利要求1所述的增强聚对二甲苯薄膜与硅粘附性的方法，其特征在于，步骤3)具体为：通过氧等离子体刻蚀将硅衬底表面的光刻胶去除干净。
8.如权利要求1所述的增强聚对二甲苯薄膜与硅粘附性的方法，其特征在于，步骤4)具体为：在硅衬底表面采用化学气相沉积法淀积聚对二甲苯2μm。
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