1 引 言
ITO(indiumtinoxide)又稱氧化銦錫,是一種銦錫金屬氧化物,因其具有光學(xué)透明性[1]、高導(dǎo)電性[2]、易加工性[3]及柔性潛力[4]等優(yōu)點(diǎn),目前在光電檢測、生物芯片及微納器件等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用, 例如加工成熱光伏系統(tǒng)濾波器[5]、紅外輻射反射鏡涂層[6]、表面等離子體共振材料[7]等。在實(shí)際應(yīng)用中,ITO 通常需先加工成各種形狀的電極,但由于曝光精度低、刻蝕工藝參數(shù)難以控制等原因,ITO電極特征尺寸無法進(jìn)一步降低。
目前將ITO 加工成電極的方法多種多樣,主要分干法刻蝕與濕法刻蝕。干法刻蝕指利用激光、等離子體等將部分ITO 材料刻蝕掉,使保留下來的ITO 構(gòu)成電極。Heo 等[8] 采用激光刻蝕法刻蝕ITO-Ag-ITO,得到寬度為 50~100 μm 的電極。Shen等[9]采用準(zhǔn)分子激光刻蝕,探討了不同激光能量對ITO 的影響,最終得到的電極寬度為60μm。盡管干法刻蝕能得到尺寸較小的電極,但其具有刻蝕成本高、速率低、對下層材料選擇性較差等缺點(diǎn), 從而限制了干法刻蝕的發(fā)展及量產(chǎn)[10]。
濕法刻蝕指先將部分ITO 用光刻膠、膠布等材料保護(hù)起來,再將其浸沒于化學(xué)試劑中,通過化學(xué)反應(yīng)除去被刻蝕材料。畢洪梅等[11]采用電化學(xué)刻蝕法,最終制作出200μm 的透明電極。Grisotto等[12]借助探針式掃描電鏡刻蝕ITO,將電化學(xué)與濕法工藝結(jié)合,最終得到有效尺寸為10μm 的透明電極。近年來很多學(xué)者對濕法刻蝕原理進(jìn)行了深入研究,并對濕法刻蝕工藝中不同的步驟參數(shù)進(jìn)行改善,為提高加工精度奠定了基礎(chǔ)。翟蓮娜等[13]研究了ITO 酸性刻蝕原理并通過原子力顯微鏡對刻蝕形貌加以觀察。Huang等[14]研究了 HCl溶液與王水[濃鹽酸(HCl)和濃硝酸(HNO3)按體積比為3∶1 組成的混合物]對ITO 的刻蝕原理。Grisotto等[12]研究了酸性物質(zhì)對ITO 的影響。Shen等[9]發(fā)現(xiàn)39%的 HCL 溶液可以減少刻蝕邊緣的重鑄脊。姚亮等[15]研究了 HCl的含量對ITO 薄膜刻蝕速率的影響。馮泉等[16]改進(jìn)了涂膠、顯影工藝,并給出了更科學(xué)、規(guī)范的光刻操作流程。傳統(tǒng)的濕法刻蝕成本低、操 作簡便、易 于量產(chǎn)[17],但由于刻蝕過程中的各向同性,常導(dǎo)致得到的電極變形,因此其精度不夠一直是被詬病的問題[18]。本文結(jié)合上述工藝對刻蝕工藝進(jìn)行改進(jìn),兼顧制作成本及制作速率、精度的問題,提出一種新的高精度ITO 電極濕法刻蝕技術(shù)。優(yōu)化光刻之前的準(zhǔn)備工藝來提高光刻膠涂覆質(zhì)量;將傳統(tǒng)的掩模紫外光曝光替換為無掩模曝光來提高曝光精度;優(yōu)化操作過程中一系列的參數(shù),如曝光量、顯影時(shí)間和刻蝕時(shí)間。最終得到2μm 的電極。
2 實(shí) 驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)中ITO 電極加工過程如圖1 所示,主要包括ITO 玻璃預(yù)處理、無掩模光刻、濕法刻蝕、后處理及鏡檢等環(huán)節(jié)。該方法原理為對目標(biāo)區(qū)域加以保護(hù)后進(jìn)行選擇性去除,最終得到目標(biāo)電極。
圖1 制作工藝流程示意圖。(a)滴膠;(b)旋涂;(c)曝光;(d)顯影;(e)刻蝕;(f)除膠
Fig.1 Diagramof production process.(a)Pouring;(b)spincoating;(c)exposure;(d)development;(e)etching;(f)removingglue
2.1 ITO 玻璃預(yù)處理
先用酒精布擦洗實(shí)驗(yàn)待用的ITO玻璃片,去除大顆粒雜質(zhì);經(jīng)純水沖洗、高純氮?dú)獯祪艉蠓湃氡芤航荩玻矗?;?/span> 其 放 入 Scientz 公 司 的 SB- 4200DTN 型超聲波清洗機(jī)振洗5 min,取出后用無水乙醇沖洗,接著用純水沖洗,利用丙酮溶于乙醇、乙醇溶于水的特性達(dá)到清洗che di的目的;最后利用高純氮?dú)獯祪?,得到表面潔凈的ITO玻璃片,為光刻膠均勻、緊密涂覆奠定基礎(chǔ)。
2.2 無掩模光刻
2.2.1 涂覆光刻膠
?。保担恚蹋樱眨福常埃埃倒饪棠z放入Isotemp 公司的280A型真空箱中抽真空12h,以消除光刻膠中的氣泡;處理后的光刻膠倒至ITO玻璃上,根據(jù) SU-83005 光刻膠特性,設(shè)定 Laurell公司的 WS- 650 Mz-23NPPB 型勻膠機(jī)第一步轉(zhuǎn)速為500r/min,旋涂10s,第二步轉(zhuǎn)速為5000r/min,旋涂50s,得到厚度小于5μm 的光刻膠層;待勻膠機(jī)將光刻膠均勻涂滿ITO 玻璃后取出,放至加熱板上依次進(jìn)行65 ℃ (1 min)、95 ℃ (2 min)、65℃(1min)烘烤,待自然冷卻后利用 Heidelberg公司的 MLA150型無掩模光刻機(jī)進(jìn)行曝光。
2.2.2 曝光
曝光圖樣利用 AutoCAD 進(jìn)行設(shè)計(jì),并將其拷貝至無掩模光刻機(jī)中,計(jì)算并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)后以1200mJ/cm2曝光劑量將設(shè)計(jì)圖案轉(zhuǎn)移至ITO 玻璃上。將曝光后的ITO 玻璃板放至加熱板上,依次進(jìn)行同上一步順序相同的加熱。
2.2.3 顯影
將自然冷卻后的ITO 玻璃放至SU-8專用顯影液中進(jìn)行顯影,顯影30s后取出,并用純水沖洗,有未顯影均勻、光刻膠殘留的部位,用微量注射器吸取顯影液后向光刻膠殘留處輕輕噴洗,之后用純水沖洗干凈。將沖洗干凈的ITO 玻璃放至加熱板上,以125℃的高溫烘烤1min。
2.3 濕法刻蝕
本實(shí)驗(yàn)以50∶3∶50質(zhì)量比混合濃鹽酸、濃硝酸、純水,得到性能良好的刻蝕液[19]。該刻蝕液通過鹽酸與硝酸的強(qiáng)氧化作用與ITO 反應(yīng),可以加快刻蝕速率。該刻蝕液與ITO 反應(yīng)方程式為
In2O3 +6HCl=2InCl3 +3H2O, (1)
2SnO2 +8HCl=2SnCl4 +4H2O, (2)
In2O3 +6HNO3 =2In(NO3)3 +3H2O, (3)
2SnO2 +8HNO3 =2Sn(NO3)4 +4H2O。 (4)
2.4 后處理及鏡檢
將刻蝕完成的 ITO 玻璃放至丙酮中,浸泡30 min,直至剩余的光刻膠WAN QUAN去除,得到目標(biāo)電極。最后利用 Nikon公司的 EclipseTi-E 型顯微鏡觀察電極形貌,利用Bruker公司的 DimensionIcon型原子力顯微鏡測量電極尺寸,并截?。?/span>μm 電極截面曲線觀察刻蝕情況。(未完待續(xù))