CN113755798A - 一种无掩膜版的图案化薄膜制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无掩膜版的图案化薄膜制备方法。本发明采用激光直写将镀膜材料镀于预处理后的待镀基底上，得到图案化薄膜。当待镀基底位于镀膜材料的上方时，镀膜材料上放上待镀基底，按照设定的图形激光照射，激光透过待镀基底，打在片状/块状镀膜材料上，被打到的镀膜材料形成材料的团簇，溅射到待镀基底上。当待镀基底位于镀膜材料的下方时，在待镀基底上放上镀膜材料，按照设定的图形激光照射，激光打到镀膜材料上，并穿透镀膜材料，该镀膜材料作为镀膜源形成材料的团簇，溅射到待镀基底上。本发明的方法不使用掩膜版，简单实用，成本低廉，并且可以简单的做到各种尺寸和材质基底的图案化镀膜。

Description

一种无掩膜版的图案化薄膜制备方法

技术领域

本发明涉及薄膜材料图案化制备技术领域，具体涉及一种无掩膜版图案化薄膜的制备方法。

背景技术

图案化薄膜的应用非常广泛，传统的半导体光电器件/电子器件工艺制程、薄膜电池制备过程、传感器件制备过程，新兴的微流控芯片等生物医用材料制备过程，甚至于生活中的工艺品图案制备过程中都会用到图案化的薄膜制备工艺。

现有工艺中，在基底上制备图案化薄膜的方法一般有两种：一种是先在基底上制备薄膜，再制备掩膜，通过腐蚀、刻蚀等方法制作出薄膜图案；另外一种是先在基底上制备图案，再沉积薄膜，通过剥离等方法将图案转移到基底上。两种方法基本上都会用到2-3个工艺步骤，流程繁琐。上述两种制备方法中都会用到镀膜和光刻两种工艺。其中镀膜的方法有电子束蒸发、磁控溅射、热蒸发、电镀等。这些镀膜设备都比较昂贵，并且镀膜源和待镀膜基底的距离大多比较大，蒸发源的利用率比较低；而电镀的方法会产生大量污染环境的废液，需要做进一步环保处理。因此传统镀膜方法成本都比较高。另外，传统的镀膜以及光刻工艺都会受到尺寸的限制，特别是光刻设备，一般最大能容纳的基底尺寸为6-8英寸，同时对于小于1cm的基底在操作上也存在很大的难度，因此采用传统方案制作图案化薄膜的基底会有尺寸上的限制。另外传统方法制备图案化薄膜对基底的平整度要求比较高。所以需要一种制备方法简单便捷，成本低廉，并且能够制备各种尺寸基底的图案化镀膜方法。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种无掩膜版的图案化薄膜制备方法。该方法简单实用，成本低廉，并且可以简单的做到任意尺寸和材质基底的图案化镀膜。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种图案化薄膜的制备方法，所述制备方法为：采用激光直写将镀膜材料镀于预处理后的待镀基底上，不使用掩膜版在任意待镀基底上得到各种材质的图案化薄膜。

优选的，所述预处理的方法为：用清洗剂对基底进行超声清洗，然后将基底干燥。

优选的，所述清洗剂为丙酮、乙醇或去离子水；所述干燥为吹干或者烘干。

预处理的清洗方法和清洗剂也可以根据待镀基底的尺寸以及待镀基底的需求进行设计。

优选的，激光直写时，待镀基底位于镀膜材料的上方，激光聚焦在镀膜材料上。

优选的，所述待镀基底为可以透过激光的材料；

更为优选的，所述待镀基底为石英、玻璃、PDMS、聚酰亚胺或蓝宝石。

镀膜材料上放上待镀基底，按照设定的图形激光照射，激光透过待镀基底，打在片状/块状镀膜材料上，被打到的镀膜材料(镀膜源)形成材料的团簇，溅射到待镀基底上。

优选的，激光直写时，待镀基底位于镀膜材料的下方，激光聚焦在镀膜材料上。

优选的，所述待镀基底为可以透过激光的材料或不能透过激光的材料；

更为优选的，所述待镀基底为石英、玻璃、PDMS、聚酰亚胺、蓝宝石、镍、铜、铁、不锈钢或木材。

在待镀基底上放上镀膜材料，按照设定的图形激光照射，激光打到镀膜材料上，并穿透镀膜材料，该镀膜材料作为镀膜源形成材料的团簇，溅射到待镀基底上。

优选的，所述镀膜材料为片状镀膜材料或块状镀膜材料。

优选的，所述的镀膜材料为金属材料或半导体材料；

更为优选的，所述的镀膜材料为铜、铁、镍、锡、金锡合金、ITO、ZnO或Ga₂O₃。

待镀基底和片状/块状镀膜材料的尺寸可以相同，也可以不同。因此待镀基底和片状/块状镀膜材料的固定方式是多样的，可以是采用夹具夹紧的方式固定，也可以是用边缘贴合的方式固定。

激光直写的过程可以一次完成，也可以多次完成。如果待镀基底比较大、镀膜材料比较小的话，可以通过移镀膜材料多次激光直写的方法完成整个待镀基底的镀膜。

优选的，所述激光直写的过程中，可以通入氢气、氧气、氩气、氮气或上述气体的混合气。

调整激光的波长、激光的功率、激光的脉宽可以实现不同效果的激光直写镀膜。

本发明的第二方面，提供上述制备方法制备得到的图案化薄膜。

本发明的有益效果：

1)与传统的制备图案化薄膜的方法相比，本发明提出了激光直写镀膜的方法，不使用掩膜版，可以一步实现图案化薄膜的制备，简化了图案化薄膜制备的步骤，方法简单，可以大批量制作。

2)在设备方面，与传统的制备图案化薄膜的方法相比，本发明的高价设备只需要激光器，并且激光器的价格远远低于传统的镀膜设备如电子束蒸发等以及光刻机的价格，所用设备成本大大降低。另外本发明中镀膜时待镀基底和片状/块状镀膜材料是贴合的状态，距离小，材料的利用率高，所以原材料的成本也大大降低。综上，此方法大大降低了图案化薄膜制备的成本。

3)传统的镀膜工艺中，因为都是在镀膜腔体中进行镀膜过程，因此熔点相差很大的金属薄膜、金属薄膜和非金属薄膜等需要采用不同的设备进行镀膜，避免交叉污染。而本发明提出的用激光直写进行图案化镀膜的方法，镀膜过程发生在待镀基底和片状/块状镀膜材料之间，镀膜距离短。不同薄膜制备只需更换片状/块状镀膜材料即可。一台激光器，可以实现各种不同材料镀膜的需求，所以增加了镀膜的灵活性，降低了镀膜的成本。

4)与传统的制备图案化薄膜的相比，本发明采用激光直写的方法制备图案化薄膜，制备过程中不需要用到电镀液、光刻胶等对环境有污染的化学物质，不需要二次处理，所以此方法对环境友好。

5)与传统的镀膜以及光刻相比，本发明提出的激光直写制备图案化薄膜的方法中，激光器和待镀基底、片状/块状镀膜材料是分立的系统，待镀基底和片状/块状镀膜材料不需要固定的腔体或者容器装载，因此可以适用于不同尺寸不同状态的待镀基底图案化镀膜。同时待镀基底和片状/块状镀膜材料的尺寸也可以不一样，通过移动片状/块状镀膜方法完成整个镀膜。因此本发明提出的方法解决了传统图案化薄膜制备对待镀基底尺寸的限制。

6)采用激光溅射制备图案化薄膜的方法对基底的平整度要求不高，甚至可以在立体图形上制备，拓宽了图案化薄膜的应用范围。

7)本发明采用片状镀膜材料在上待镀基底在下，激光穿透镀膜材料溅射到待镀基底上完成镀膜过程，因此本发明可以在任意基底上进行镀膜，对基底无透光要求。

8)本发明成功地克服了传统图案化薄膜制备的工艺复杂、成本高昂、待镀基底尺寸受限、环境污染等问题；提出了一种方法简单、成本低廉、镀膜种类灵活可变、环境友好、可大尺寸制作、可在任何衬底上制备的图案化镀膜的方法，大大扩展了图案化镀膜的应用空间。

附图说明

图1为本发明实施例1中激光直写制备图案化铜薄膜的示意图；

图2为本发明实施例1制备的图案化铜薄膜的照片；

图3为本发明实施例2制备的图案化铜薄膜的照片(a)、细节扫描电镜图(b)以及铜元素分布照片(c)；

图4实施例3中在石英基底上制备的各种图案的铜薄膜；

图5实施例4中在聚酰亚胺基底上制备的各种图案的铜薄膜；

图6为本发明实施例5中激光直写制备图案化氧化镍薄膜的示意图；

图7为本发明实施例6中激光直写制备图案化金锡薄膜的示意图；

图8为本发明实施例7中激光直写制备图案化镍薄膜的示意图；

图9为本发明实施例7制备的图案化镍薄膜的照片(a)以及细节扫描电镜图(b)。

其中，1.待镀基底，2.镀膜材料，3.夹具，4.激光光源。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术部分介绍的，现有技术的镀膜有电子束蒸发、磁控溅射、热蒸发、电镀等方法。这些镀膜方法所使用的镀膜设备都比较昂贵，并且镀膜源和待镀膜基底之间的距离大多比较大，蒸发源的利用率比较低；而电镀的方法会产生大量污染环境的废液，需要做进一步环保处理。另外传统的镀膜以及光刻工艺都会受到尺寸的限制。

基于此，本发明的目的是提供一种图案化薄膜的制备方法。本发明采用激光直写进行镀膜。当待镀基底位于镀膜材料的上方时，镀膜材料上放上待镀基底，按照设定的图形激光照射，激光透过待镀基底，聚焦在片状/块状镀膜材料上，被激光聚焦的镀膜材料(镀膜源)形成材料的团簇，溅射到待镀基底上。当待镀基底位于镀膜材料的下方时，在待镀基底上放上镀膜材料，按照设定的图形激光照射，激光聚焦在镀膜材料上，并穿透镀膜材料，该镀膜材料作为镀膜源形成材料的团簇，溅射到待镀基底上。根据镀膜的效果及需要，待镀基底和镀膜材料之间可以贴合在一起也可以有一定距离；待镀基底和片状/块状镀膜材料的尺寸可以相同的，也可以是不同的。因此待镀基底和片状/块状镀膜材料的固定方式是多样的，可以是采用夹具夹紧的方式固定，也可以是用边缘贴合的方式固定。激光直写的过程可以一次完成，也可以多次完成。如果待镀基底比较大、镀膜材料比较小的话，可以通过移镀膜材料多次激光直写的方法完成整个待镀基底的镀膜。调整激光的波长、激光的功率、激光的脉宽可以实现不同效果的激光直写镀膜。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。

实施例1

如图1和图2所示，一种适合小尺寸基底上采用激光直写的方法制备图案化薄膜的方法，包括以下步骤：

1)待镀基底1清洗，待镀基底1为石英片，将待镀基底1顺序浸于丙酮、乙醇、DI水中超声清洗5分钟，DI水冲洗。清洗完后将衬底进行烘干处理。

2)将待镀基底1和镀膜材料2固定。镀膜材料2为铜片；将待镀基底1放在下面，镀膜材料2放在上面用夹具3固定。

3)图案设计与参数设定。通过安装在计算机上的软件设定的激光扫描来处理铜片。在软件上设定大小为2×2cm的正方形图案，用扫描速度为10mm/s，功率为1.8W的激光进行处理。

4)激光直写。在夹具3中通入氮气保护，采用激光光源4对固定好的镀膜材料2进行扫描照射。激光穿透镀膜材料2，轰击出的铜团簇溅射到待镀基底1上形成图案化的铜薄膜，如图2所示。

实施例2

如图3所示，一种适合大尺寸基底上采用激光直写的方法制备图案化薄膜的方法，与实施例1不同之处在于：

步骤1)待镀基底1清洗，待镀基底1为玻璃，将待镀基底1直接用DI水枪冲洗，清洗完后将待镀基底1用氮气枪吹干。

步骤2)待镀基底1和镀膜材料2固定。镀膜材料2为铜箔；将待镀基底1放在下面，镀膜材料2四周粘合到待镀基底1上。

步骤4)采用激光光源4对固定好的待镀基底1和镀膜材料2进行扫描照射。设置激光光斑直径为10微米，激光扫描间距为1毫米，激光对镀膜材料2进行轰击，轰击出的铜团簇溅射待镀基底1到形成等间距铜线条图案。如图3为铜线条照片、扫描电镜图和铜元素分布图。

实施例3

如图4所示，本实施例与实施例1不同之处在于：

步骤4)激光直写。将激光程序设置为三角形、五角形和英文字母“UJN”，将镀膜材料2铜箔直写到待镀基底1石英上，如图4不同图案扫描电镜图案。

实施例4

该实施例与实施例1不同之处在于：

步骤2)待镀基底1和镀膜材料2固定。待镀基底1为聚酰亚胺，镀膜材料2为铜箔；将待镀基底1放在下面，镀膜材料2放在上面。激光直写铜箔到聚酰亚胺薄膜上，三角形、五角形和英文字母“UJN”图案如图5。

实施例5

如图6所示，本实施例与实施例1不同之处在于：

步骤2)待镀基底1和镀膜材料2固定。镀膜材料2为镍片；待镀基底1尺寸非常小，远小于镀膜材料2，将待镀基底1用夹具3或者是贴合的方式固定。

步骤4)激光直写。在夹具3中通入氧气，采用激光光源4对固定好的待镀基底1和镀膜材料2进行扫描照射。激光透过待镀基底1，对镀膜材料2进行轰击，轰击出的镍团簇与氧气反应形成氧化镍，溅射待镀基底1上形成图案化的氧化镍薄膜。

实施例6

如图7所示，一种适合大尺寸基底上采用激光直写的方法制备图案化薄膜的方法，与实施例1不同之处在于：

步骤1)待镀基底1清洗，待镀基底1为不锈钢片，将待镀基底直接用DI水枪冲洗，清洗完后将衬底用氮气枪吹干。

步骤2)待镀基底1和镀膜材料2固定。镀膜材料2为金锡薄片；将待镀基底1放在下面，镀膜材料2四周粘合到待镀基底1上。

步骤4)采用激光光源4对固定好的镀膜材料2进行扫描照射。激光透过镀膜材料2进行轰击，轰击出的金锡团簇溅射到待镀基底1上形成部分图案。

步骤5)随后将镀膜材料2移动到下一个需要制备图案的区域重复步骤4)的操作，形成最终需要的完整的图案化的金锡薄膜。

此实施例制备图案化金锡薄膜的方法，是采用同一片金锡镀膜材料通过移动的方法完成的，镀膜材料与基底距离小消耗的金锡镀膜材料少，同时金锡镀膜材料可以重复多次利用，与传统的方法比较可以大大节省金锡镀膜材料的用量。因为金锡镀膜材料价格昂贵，采用此方法制备图案化的金锡薄膜可以非常有效地节约成本。

实施例7

如图8，图9所示，一种适合小尺寸基底上采用激光直写的方法制备图案化薄膜的方法，包括以下步骤：

1)待镀基底1清洗，待镀基底1为石英片，将待镀基底1顺序浸于丙酮、乙醇、DI水中超声清洗5分钟，DI水冲洗。清洗完后将镀基底1进行烘干处理。

2)待镀基底1和镀膜材料2固定。镀膜材料2为镍片，将待镀基底1放在上面，镀膜材料2放在下面用夹具3固定。

3)图案设计与参数设定。通过安装在计算机上的软件设定的一定功率的激光扫描来处理镍片。在软件上设定大小为1×2cm的长方形图案，用扫描速度为10mm/s，功率为1.6W的激光进行处理。

4)激光直写。在夹具3中通入氮气保护，采用激光光源4对固定好的待镀基底1和镀膜材料2进行扫描照射。激光透过待镀基底1，对镀膜材料2进行轰击，轰击出的镍团簇溅射待镀基底1上形成如图9所示的图案化的薄膜。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无掩膜版的图案化薄膜制备方法，其特征在于，所述制备方法为：采用激光直写将镀膜材料镀于预处理后的待镀基底上，不使用掩膜版在待镀基底上制备得到图案化薄膜。

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述预处理的方法为：用清洗剂对待镀基底进行超声清洗，然后将待镀基底干燥；所述清洗剂为丙酮、乙醇或去离子水。

3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，激光直写时，待镀基底位于镀膜材料的上方，激光聚焦在镀膜材料上。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述待镀基底为可以透过激光的材料；优选的，所述待镀基底为石英、玻璃、PDMS、聚酰亚胺或蓝宝石。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，激光直写时，待镀基底位于镀膜材料的下方，激光聚焦在镀膜材料上。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述待镀基底为可以透过激光的材料或不能透过激光的材料；优选的，所述待镀基底为石英、玻璃、PDMS、聚酰亚胺、蓝宝石、镍、铜、铁、不锈钢或木材。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述镀膜材料为片状镀膜材料或块状镀膜材料。

8.根据权利要求1、3、5或7所述的制备方法，其特征在于，所述的镀膜材料为金属材料或半导体材料；优选的，所述的镀膜材料为铜、铁、镍、锡、金锡合金、ITO、ZnO或Ga₂O₃。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述激光直写的过程中，可以通入氢气、氧气、氩气、氮气或上述气体的混合气。

10.权利要求1～9中任一项所述的制备方法制备得到的图案化薄膜。

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