一种图案化金属薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种图案化金属薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)使用真空蒸镀技术在硅基片表面镀一层金属薄膜；(2)在金属薄膜表面旋涂一层紫外光胶；(3)使用光刻技术使紫外光胶固化，然后使用显影液去除未固化的紫外光胶；(4)将预聚物倒在样品表面，在负压的条件下使其固化并与裸露的金属薄膜紧密的结合在一起；(5)将聚合物薄膜从硅基片上垂直剥离，使图案化的金属银薄膜从硅基片表面转移到PDMS薄膜表面。本发明专利技术可提高制备过程的可控性，提高图案化的精度，使制备过程简单易行；减少化学试剂的使用，减少化学废料的产生，使制备过程更加环保，实验人员操作环境更加健康；减少制备所需的试剂，使成本降低。

【技术实现步骤摘要】
一种图案化金属薄膜的制备方法
本专利技术涉及应变传感材料领域，具体地说是涉及一种图案化金属薄膜的制备方法。
技术介绍
应变传感器已应用到许多工业系统中，如触摸屏、真空仪器的气压监视器和飞机的大气压监视器等，所有这些都需要能够感知压力产生应变并将其转换成电信号。并且，应变传感器已扩展应用到可穿戴电子设备和生物医学设备，推进了可穿戴、生物相容和可植入设备的发展。而在这些应用中，大都采用无弹性的应变传感材料，这种传感材料即使在其表面施加很高的压力，材料的应变也很小进而使传感系统敏感度不足。此外，使用层间堆叠粘合材料使应变材料厚度较大，进一步降低了传感的灵敏度。为了提高传感系统敏感度，目前，应变传感材料逐渐采用图案化金属薄膜。现有的图案化金属薄膜的制备方法为湿法刻蚀法，而这种方法需要进行两次湿法刻蚀完成金属薄膜的图案化，制备过程不仅繁琐可控性低，容易出现图案缺陷，而且产生较多化学废料不利于环保。下面对现有湿法刻蚀法的工艺步骤以及其存在的问题进行较为系统的说明。现有湿法刻蚀法制备图案化金属薄膜的步骤如下：(1)在聚酰亚胺薄膜(PI)旋涂银纳米线，然后加热处理使溶液蒸发，在PI表面留下一层金属银薄膜；(2)在金属银薄膜表面旋涂一层紫外光胶(AZGX-601)；(3)使用光刻系统，导入要制备的图案作为掩模板，然后在紫外光的照射下使紫外光胶固化，之后使用显影液(化学试剂，弱碱溶液)洗掉未固化的紫外胶，得到与掩模板相同的图案(即固化紫外胶的图案)；(4)使用铬刻蚀剂(化学试剂，酸性溶液)刻蚀掉裸露的金属银薄膜和固化的紫外光胶，得到图案化的金属银薄膜；(5)在表面旋涂一层聚合物薄膜(这里选择性很多，如PDMS、PVA)，并使之固化；(6)通过转移，得到图案化的金属银薄膜。显然，这是一个纯化学法制备图案化金属薄膜的方法，需要进行两次湿法刻蚀，得到图案化的金属银薄膜。该方法所存在的缺点系统阐述如下：(1)在湿法刻蚀过程中，“使用铬刻蚀剂(化学试剂，酸性溶液)刻蚀掉裸露的金属银薄膜和固化的紫外光胶”，是对固化的紫外光胶和金属银薄膜进行同步刻蚀，但是同种刻蚀剂对不同材料的刻蚀速率是不同的，两层薄膜的厚度对是否能够成功刻蚀也有很大影响，在刻蚀过程需要严格控制刻蚀剂的溶度和反应时间。因此使金属薄膜的图案化过程可控性低，图案精度难以控制，容易产生图案缺陷，而且随着特征尺寸的减小，误差会越来越大，因此极容易产生图案缺陷。如图1所示，图案缺陷可以分成以下四种情况：情况一(图1a)：紫外光胶被完全刻蚀，金属薄膜未完全刻蚀，转移金属薄膜后，表面薄膜相连无法形成图案；情况二(图1b)：紫外光胶未被完全刻蚀，金属薄膜被完全刻蚀，转移金属薄膜后，基底和金属薄膜之间会有光胶残留，影响其性能；情况三(图1c)：过度刻蚀，如果金属薄膜和紫外光胶被刻蚀完全后，继续进行刻蚀，刻蚀剂会像两边扩散，使图案破坏；情况四(图1d)：如果紫外光胶被刻蚀完全后，直接停止刻蚀，可能金属薄膜会出现未完全刻蚀现象，同样会影响图案质量。(2)现有技术制备过程需使用两次湿法刻蚀法，即使用碱性和酸性溶液分别进行刻蚀，不仅会产生较多的实验废液，造成环境污染，而且会提高材料的制备成本。(3)湿法刻蚀法过程时长较久，并且需要严格控制刻蚀时间，因此制备过程复杂。(4)实验人员长时间使用化学试剂，不利于实验者身体健康。
技术实现思路
基于上述技术问题，本专利技术提供一种图案化金属薄膜的制备方法。本专利技术所采用的技术解决方案是：一种图案化金属薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)真空蒸镀金属薄膜打开真空蒸镀装置的冷水循环系统，将硅基片正面向下固定于样品台，将金属靶材置于蒸发舟内，闭合真空罩，形成密闭腔室；对密闭腔室进行抽气，直至真空度小于5×10-4Pa；待真空罩内压强达到所需的数值后，便对蒸发舟加热进行蒸镀，蒸镀电流120A-180A，金属薄膜厚度1nm-100μm；蒸镀完毕后，关闭抽真空阀门，通过放气阀向真空罩内放气，然后打开真空罩，取出蒸镀好金属薄膜的样品；该步骤以真空蒸镀技术代替现有的化学试剂旋涂法，使金属镀膜过程在密闭环境内完成，无需使用化学试剂，因此制备过程更加绿色环保，使实验者的操作环境更加健康。而且将真空蒸镀引入到制备图案化金属薄膜的过程中，还有利于提升镀膜质量，且使得镀膜过程可控性强。(2)旋涂紫外光胶在金属薄膜的表面旋涂紫外光胶；(3)光刻图案将旋涂上紫外光胶的样品放入光刻机中，选择合适的图案在曝光强度为200-220mJ/cm2下进行光刻，光刻完成后使用显影液显影，以去掉未固化的紫外光胶，然后用去离子水对硅基片表面进行冲洗，最后用氮气将样品表面吹干，使未固化的紫外光胶下面的金属图案暴露出来；(4)采用物理粘结法直接转移暴露出来的金属图案将聚二甲基硅氧烷(PDMS基料)与固化剂按质量比为10:1混合，然后放入真空箱中，在压力为-0.04MPa至-0.08MPa的条件下放置30分钟去除气泡，将去气泡后的PDMS预聚物倒在光刻出图案的硅基片上，之后放入真空干燥箱中，在90℃条件下加热3h使PDMS预聚物固化，同时施加压力为-0.04MPa至-0.08MPa的负压，使PDMS预聚物与暴露出的金属薄膜紧密的粘结在一起；然后，依靠PDMS预聚物与裸露的金属薄膜的界面粘结力，将金属薄膜从硅基片上垂直剥离，使图案化的金属薄膜从硅基片表面直接转移到PDMS薄膜表面，进而得到图案化金属薄膜。该方法的主要创新点就在于光刻后采用物理粘结法直接转移暴露出来的金属图案，相比于现有湿法刻蚀工艺，制备过程更加简单，同时提高制备过程的可控性，提高图案的精度；而且无需使用刻蚀剂，再加上真空蒸镀金属薄膜技术的引入，可使得整体制备过程更加绿色环保，使实验者的操作环境更加健康。上述金属靶材选用金、银、铝、铜、铁、镍、铬或镁均可，靶材纯度需达到99.99％。上述紫外光胶优选SU-8或AZ-5214，一般某种型号的紫外光胶对应一种显影液，其中与SU-8所配合使用的显影液为PGMEA，与AZ-5214所配合使用的显影液为AZ300MIF。上述步骤(2)中：优选控制转速为4000rpm，在金属薄膜表面上对AZ-5214型紫外光胶旋涂40s。该转速及旋涂时间可确保AZ-5214型紫外光胶实现最佳光刻厚度。上述步骤中：当金属薄膜表面旋涂AZ-5214型紫外光胶时，控制曝光强度为210mJ/cm2。该曝光强度值对于AZ-5214型紫外光胶为最佳条件。上述步骤(4)中：PDMS基料和固化剂为组成PDMS预聚物的两个组分，也常称为预聚物A和交联剂B，二者可从市场上直接购买得到，然后按比例配制。预聚物A的成分主要是poly(dimethyl-methylvinylsiloxane)预聚物，还有微量铂催化剂，交联剂B的成分是带乙烯基侧链的预聚物及交联剂poly(dimethyl-methylhydrogenosiloxane)。通过混合两者，乙烯基可与硅氢键发生氢化硅烷化反应，从而形成三维网络结构。通过控制预聚物A和交联剂B的组分比例(预聚物A和交联剂B的质量比例10:1是经验值，也是最佳配比)，可以控制PDMS的力学性能。另外，其他能够在特定条件下固化，黏度较大的聚合物，也可以作为转移衬底，如PVA。在步骤(4)中，还进行了两次施加负本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种图案化金属薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)真空蒸镀金属薄膜打开真空蒸镀装置的冷水循环系统，将硅基片正面向下固定于样品台，将金属靶材置于蒸发舟内，闭合真空罩，形成密闭腔室；对密闭腔室进行抽气，直至真空度小于5×10‑4Pa；待真空罩内压强达到所需的数值后，便对蒸发舟加热进行蒸镀，蒸镀电流120A‑180A，金属薄膜厚度1nm‑100μm；蒸镀完毕后，关闭抽真空阀门，通过放气阀向真空罩内放气，然后打开真空罩，取出蒸镀好金属薄膜的样品；(2)旋涂紫外光胶在金属薄膜的表面旋涂紫外光胶；(3)光刻图案将旋涂上紫外光胶的样品放入光刻机中，选择合适的图案在曝光强度为200‑220mJ/cm2下进行光刻，光刻完成后使用显影液显影，以去掉未固化的紫外光胶，然后用去离子水对硅基片表面进行冲洗，最后用氮气将样品表面吹干，使未固化的紫外光胶下面的金属图案暴露出来；(4)采用物理粘结法直接转移暴露出来的金属图案将聚二甲基硅氧烷与固化剂按质量比为10:1混合，然后放入真空箱中，在压力为‑0.04MPa至‑0.08MPa的条件下放置30分钟去除气泡，将去气泡后的PDMS预聚物倒在光刻出图案的硅基片上，之后放入真空干燥箱中，在90℃条件下加热3h使PDMS预聚物固化，同时施加压力为‑0.04MPa至‑0.08MPa的负压，使PDMS预聚物与暴露出的金属薄膜紧密的粘结在一起；然后，依靠PDMS预聚物与裸露的金属薄膜的界面粘结力，将金属薄膜从硅基片上垂直剥离，使图案化的金属薄膜从硅基片表面直接转移到PDMS薄膜表面，进而得到图案化金属薄膜。...

【技术特征摘要】
1.一种图案化金属薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)真空蒸镀金属薄膜打开真空蒸镀装置的冷水循环系统，将硅基片正面向下固定于样品台，将金属靶材置于蒸发舟内，闭合真空罩，形成密闭腔室；对密闭腔室进行抽气，直至真空度小于5×10-4Pa；待真空罩内压强达到所需的数值后，便对蒸发舟加热进行蒸镀，蒸镀电流120A-180A，金属薄膜厚度1nm-100μm；蒸镀完毕后，关闭抽真空阀门，通过放气阀向真空罩内放气，然后打开真空罩，取出蒸镀好金属薄膜的样品；(2)旋涂紫外光胶在金属薄膜的表面旋涂紫外光胶；(3)光刻图案将旋涂上紫外光胶的样品放入光刻机中，选择合适的图案在曝光强度为200-220mJ/cm2下进行光刻，光刻完成后使用显影液显影，以去掉未固化的紫外光胶，然后用去离子水对硅基片表面进行冲洗，最后用氮气将样品表面吹干，使未固化的紫外光胶下面的金属图案暴露出来；(4)采用物理粘结法直接转移暴露出来的金属图案将聚二甲基硅氧烷与固化剂按质量比为10:1混合，然后放入真空箱中，在压力为-0.04MPa至-0.08MPa的条件下放置30分钟去除气泡，将去气泡后的PDMS预聚物倒在光刻出图案的硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：王清，郑旭，栾金津，王宁，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37