CN113862770A - 一种采用退镀工艺制备图案化电极的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用退镀工艺制备图案化电极的方法及其图案化电极，其方法过程为：在表面绝缘基底上溅射导电种子层；在溅射完导电种子层电镀上金属膜；在金属膜表面旋涂光刻胶，采用光刻法在金属膜表面光刻出电极图案；采用退镀法进行处理，使得没有被光刻胶保护的金属膜和导电种子层被反应溶解，有光刻胶的部分被保留下来；退镀后进行超声清洗，去除光刻胶和金属碎屑残留物，得到图案化电极。本发明省去了湿法刻蚀环节，从而避免了湿法刻蚀所带来的种种问题。
Description
技术领域
本发明涉及电极加工制造领域，具体涉及一种采用退镀工艺制备图案化电极的方法及图案化电极。
背景技术
目前，大面积生产厚膜图案化电极（电极厚度 > 10μm）大多采用电镀-光刻-湿法刻蚀的工艺流程。虽然该工艺能确保电极的图案精度，但流程步骤繁多，所需化学药品品类众多，湿法刻蚀金属膜的过程中会产生大量化学废液。废液直接排放会严重污染环境，废液处理又费时费力，增加生产成本。除此之外，湿法刻蚀所用刻蚀液大多含有腐蚀性较强的酸性和碱性溶液，在刻蚀金属的同时，也会对基底产生刻蚀，破坏基底表面晶体结构，粗糙度变大，进而可能会对器件性能造成严重影响。
发明内容
针对现有技术存在的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种采用退镀工艺制备图案化电极的方法及其图案化电极，该方法省去了湿法刻蚀环节，从而避免了湿法刻蚀所带来的种种问题。
本发明公开的采用退镀工艺制备图案化电极的方法，其技术方案包括以下步骤：
在表面绝缘基底上溅射导电种子层；
在溅射完的导电种子层电镀上金属膜；
在金属膜表面旋涂光刻胶，采用光刻法在金属膜表面光刻出电极图案；
采用退镀法进行处理，使得没有被光刻胶保护的金属膜和导电种子层被反应溶解，有光刻胶的部分被保留下来；
退镀后进行超声清洗，去除光刻胶和金属碎屑残留物，得到图案化电极。
进一步而言，所述表面绝缘基底为AlN基底、SiC基底或者表面有SiO2绝缘层的硅片基底。
进一步而言，所述导电种子层为三层结构，分别为下方与表面绝缘基底直接接触的粘附金属层、上方的导热导电金属层以及粘附金属层和导热导电金属层之间的过渡金属层。
进一步而言，所述粘附金属层为Cr，所述导热导电金属层为Cu，所述过渡金属层为Ti。
进一步而言，所述在溅射完导电种子层电镀上金属膜的过程为，将溅射完导电种子层的表面绝缘基底作为对电极，金属片作为工作电极，放入金属电解液中进行电镀，镀上金属膜。
进一步而言，所述金属包括铜、铬或钛。
进一步而言，所述在金属膜表面旋涂光刻胶的方式是两段式匀胶，先用低转速匀胶，再用高转速匀胶。
进一步而言，所述采用退镀法进行处理的方式为，将光刻出电极图案的表面绝缘基底作为工作电极，金属片作为对电极，放入金属电解液中，施加与电镀时相反的电池，进行退镀。
进一步而言，在退镀后采用丙酮进行超声清洗。
本发明还公开了一种图案化电极，采用上述的方法制备得到。
本发明的有益效果如下：本发明利用电镀-光刻-退镀的方法制备图案化电极，和传统的电镀-光刻-湿法刻蚀的制备方法相比，省去了湿法刻蚀环节。电镀-光刻-退镀工艺在保持图案精度的基础上，避免使用对环境污染的刻蚀液，大大简化了制备流程，操作方便，节省时间，降低成本。除此之外，由于没有刻蚀液的化学腐蚀，基底表面结构完整，仍保持光滑亮泽的状态。
附图说明
图1为实施例工艺流程原理图；
图2为实施例中整版图案化铜电极的数码相机照片；
图3为实施例中单个图案化铜电极的光学显微镜照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
本发明的核心是采用退镀工艺对光刻出的电极图案进行处理，具体包括以下步骤：
在表面绝缘基底上溅射导电种子层；
在溅射完的导电种子层电镀上金属膜；
在金属膜表面旋涂光刻胶，采用光刻法在金属膜表面光刻出电极图案；
采用退镀法进行处理，使得没有被光刻胶保护的金属膜和导电种子层被反应溶解，有光刻胶的部分被保留下来；
退镀后进行超声清洗，去除光刻胶和金属碎屑残留物，得到图案化电极。
本发明的原理是：退镀是电镀的逆过程，当光刻出图案的电镀有金属膜的基片作为工作电极（阳极）时，无光刻胶保护的金属部分会失去电子变成金属离子溶解到电镀液中。当表面金属溶解之后，导电种子层金属也会失去电子被溶解，而被光刻胶保护部分的金属被保留下来，即可实现电极图案化的目的。为了减小横向刻蚀的影响，可通过增加工作电极和对电极之间的电流密度，来降低反应时间，提升电极图案精度。
本方法可用于铜、铬、钛等常见金属的电极制备，表面绝缘基底可采用AlN基底、SiC基底、表面有SiO2绝缘层的硅片基底或者其他表面绝缘基底。由于省去了湿法刻蚀环节，本方法在保持图案精度的基础上，避免使用对环境污染的刻蚀液，大大简化了制备流程，操作方便，节省时间，降低成本。除此之外，由于没有刻蚀液的化学腐蚀，基底表面结构完整，仍保持光滑亮泽的状态。
以下以具体的实施例来说明：
实施例1
本实施例的工艺流程如图1所示，是在以AlN基底上磁控溅射种子层Cr/Ti/Cu，并以电镀铜为金属膜，以制备图案化电极。
步骤一、在基底上溅射导电种子层
将AlN基底裁成合适尺寸，放入酒精中超声30 min，洗去表面的粉尘等粘附物，取出后用氮气枪吹干。将AlN基底放入高真空磁控溅射系统中溅射导电种子层。
本实施例中导电种子层为三层结构，分别为下方与表面绝缘基底直接接触的粘附金属层、上方的导热导电金属层以及粘附金属层和导热导电金属层之间的过渡金属层，具体为Cr/Ti/Cu，其中Cr作为粘附性金属与AlN直接接触，Cu的热导率和电导率较高，作为导热和导电金属层。由于Cr和Cu之间的热膨胀率相差较大（分别为6.2 * 10^-6 K-1，17.5 *10^-6 K-1），Ti作为过渡层金属（其热膨胀率为12.2 * 10^-6 K-1），减小因热膨胀系数差异过大导致的应力问题。每两种金属薄膜间有共溅射过程，以增加膜之间连接强度。
溅射Cr/Ti/Cu的具体参数如下：溅射真空度为2.36E-4 Torr，预溅射Ar气流流量为15 sccm，靶功率为50 W，预溅射时长30 s，开始溅射时Ar气流流量为20 sccm，靶功率为120 W。溅射时长分别为4 min、9 min和10 min，最终得到50 nm Cr、50 nm Ti和150 nm Cu的导电种子层。对于膜之间的共溅射过程，两种金属靶的溅射功率由100 W/100 W，80 W/120 W缓慢过渡至只有一种金属。
步骤二、电镀金属厚膜
将溅射完导电种子层的AlN作为对电极，纯铜片作为工作电极，放入铜电解液中，铜电解液配方为：硫酸铜五水合物220 g/L，浓硫酸60 g/L，浓盐酸60 mg/L。电流密度为0.75 ~ 1.5 A/dm2，沉积时间为20 ~ 50 min，可得到厚度为2 ~ 20 μm的铜厚膜电极。
步骤三、光刻电极图案
在电化学沉积金属薄膜表面旋涂光刻胶。所用光刻胶型号为AZ4620，匀胶速率为两段式匀胶，先用500 rpm低转速匀胶5 s，转速加速度500 rpm/s，再用2000 rpm高转速匀胶60 s，转速加速度2000 rpm/s，匀胶厚度约为12 μm。110 ℃烘烤180 s，烘烤完冷却3min。
将旋涂好的样品放入高精度无掩模光刻系统，其型号为MicroWriter ML3，在显微镜下找到需要曝光的位置，并自动聚焦。将画好的电极图案导入光刻系统中，所用激光波长为405 nm，曝光分辨率为1 μm，曝光剂量为~ 650 mJ/cm2，设置好参数后，执行曝光。曝光结束后，用MF-319显影液进行显影12 min，去离子水定影30 s，然后用氮气枪吹干。即可得到曝光好的电极图案。
步骤四、退镀
将图案化完成表面镀铜的AlN基底作为工作电极，纯铜片作为对电极，放入铜电镀液中，加与电镀铜时相反的电场，施加电流密度为6 ~ 15 A/dm2，经过时间约为60 s ~ 180s后，没有光刻胶保护部分的铜厚膜以及种子层被反应溶解掉，有光刻胶的部分被保留下来。
步骤五、丙酮超声清洗
将退镀后的样品放入丙酮中，光刻胶被丙酮溶解洗掉。残留的金属碎屑在超声作用下脱落，去离子水喷洗后，氮气吹干。即可得到图案化的电极图案。图案化铜电极的数码相机照片和光学显微镜照片分别如图2、3所示。
以上所述仅为本发明的优选例实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种采用退镀工艺制备图案化电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在表面绝缘基底上溅射导电种子层；
在溅射完的导电种子层电镀上金属膜；
在金属膜表面旋涂光刻胶，采用光刻法在金属膜表面光刻出电极图案；
采用退镀法进行处理，使得没有被光刻胶保护的金属膜和导电种子层被反应溶解，有光刻胶的部分被保留下来；
退镀后进行超声清洗，去除光刻胶和金属碎屑残留物，得到图案化电极。
2.如权利要求1所述的采用退镀工艺制备图案化电极的方法，其特征在于， 所述表面绝缘基底为AlN基底、SiC基底或者表面有SiO2绝缘层的硅片基底。
3.如权利要求1所述的采用退镀工艺制备图案化电极的方法，其特征在于，所述导电种子层为三层结构，分别为下方与表面绝缘基底直接接触的粘附金属层、上方的导热导电金属层以及粘附金属层和导热导电金属层之间的过渡金属层。
4.如权利要求3所述的采用退镀工艺制备图案化电极的方法，其特征在于，所述粘附金属层为Cr，所述导热导电金属层为Cu，所述过渡金属层为Ti。
5.如权利要求1所述的采用退镀工艺制备图案化电极的方法，其特征在于，所述在溅射完导电种子层电镀上金属膜的过程为，将溅射完导电种子层的表面绝缘基底作为对电极，金属片作为工作电极，放入金属电解液中进行电镀，镀上金属膜。
6.如权利要求5所述的采用退镀工艺制备图案化电极的方法，其特征在于，所述金属包括铜、铬或钛。
7.如权利要求1所述的采用退镀工艺制备图案化电极的方法，其特征在于，所述在金属膜表面旋涂光刻胶的方式是两段式匀胶，先用低转速匀胶，再用高转速匀胶。
8.如权利要求1所述的采用退镀工艺制备图案化电极的方法，其特征在于，所述采用退镀法进行处理的方式为，将光刻出电极图案的表面绝缘基底作为工作电极，金属片作为对电极，放入金属电解液中，施加与电镀时相反的电流，进行退镀。
9.如权利要求1所述的采用退镀工艺制备图案化电极的方法，其特征在于，在退镀后采用丙酮进行超声清洗。
10.一种图案化电极，其特征在于，采用如权利要求1~9任一所述的方法制备得到。
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