基于无掩模光刻的高精度ITO电极湿法刻蚀工艺研究 
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1 引言
ITO(indium tin oxide)又称氧化铟锡,是一种铟锡金属氧化物,因其具有光学透明性[1]、高导电性[2]、易加工性[3]及柔性潜力[4]等优点,目前在光电检测、生物芯片及微纳器件等领域得到了广泛应用,例如加工成热光伏系统滤波器[5]、红外辐射反射镜涂层[6]、表面等离子体共振材料[7]等。在实际应用中,ITO通常需先加工成各种形状的电极,但由于曝光精度低、刻蚀工艺参数难以控制等原因,ITO电极特征尺寸无法进一步降低。
目前将ITO加工成电极的方法多种多样,主要分干法刻蚀与湿法刻蚀。干法刻蚀指利用激光、等离子体等将部分ITO材料刻蚀掉,使保留下来的ITO构成电极。Heo等[8]采用激光刻蚀法刻蚀ITO-Ag-ITO,得到宽度为50~100 μm的电极。Shen等[9]采用准分子激光刻蚀,探讨了不同激光能量对ITO的影响,最终得到的电极宽度为60 μm。尽管干法刻蚀能得到尺寸较小的电极,但其具有刻蚀成本高、速率低、对下层材料选择性较差等缺点,从而限制了干法刻蚀的发展及量产[10]。
湿法刻蚀指先将部分ITO用光刻胶、胶布等材料保护起来,再将其浸没于化学试剂中,通过化学反应除去被刻蚀材料。毕洪梅等[11]采用电化学刻蚀法,最终制作出200 μm的透明电极。Grisotto等[12]借助探针式扫描电镜刻蚀ITO,将电化学与湿法工艺结合,最终得到有效尺寸为10 μm的透明电极。近年来很多学者对湿法刻蚀原理进行了深入研究,并对湿法刻蚀工艺中不同的步骤参数进行改善,为提高加工精度奠定了基础。翟莲娜等[13]研究了ITO酸性刻蚀原理并通过原子力显微镜对刻蚀形貌加以观察。Huang等[14]研究了HCl溶液与王水[浓盐酸(HCl)和浓硝酸(HNO3)按体积比为3∶1组成的混合物]对ITO的刻蚀原理。Grisotto等[12]研究了酸性物质对ITO的影响。Shen等[9]发现39%的HCL溶液可以减少刻蚀边缘的重铸脊。姚亮等[15]研究了HCl的含量对ITO薄膜刻蚀速率的影响。冯泉等[16]改进了涂胶、显影工艺,并给出了更科学、规范的光刻操作流程。传统的湿法刻蚀成本低、操作简便、易于量产[17],但由于刻蚀过程中的各向同性,常导致得到的电极变形,因此其精度不够一直是被诟病的问题[18]。
本文结合上述工艺对刻蚀工艺进行改进,兼顾制作成本及制作速率、精度的问题,提出一种新的高精度ITO电极湿法刻蚀技术。优化光刻之前的准备工艺来提高光刻胶涂覆质量;将传统的掩模紫外光曝光替换为无掩模曝光来提高曝光精度;优化操作过程中一系列的参数,如曝光量、显影时间和刻蚀时间。最终得到2 μm的电极。
2 实验
本实验中ITO电极加工过程如
图 1. 制作工艺流程示意图。(a)滴胶;(b)旋涂;(c)曝光;(d)显影;(e)刻蚀;(f)除胶
Fig. 1. Diagram of production process. (a) Pouring; (b) spin coating; (c) exposure; (d) development; (e) etching; (f) removing glue
2.1 ITO玻璃预处理
先用酒精布擦洗实验待用的ITO玻璃片,去除大颗粒杂质;经纯水冲洗、高纯氮气吹净后放入丙酮溶液浸泡24 h;将其放入Scientz公司的SB-4200DTN型超声波清洗机振洗5 min,取出后用无水乙醇冲洗,接着用纯水冲洗,利用丙酮溶于乙醇、乙醇溶于水的特性达到清洗彻底的目的;最后利用高纯氮气吹净,得到表面洁净的ITO玻璃片,为光刻胶均匀、紧密涂覆奠定基础。
2.2 无掩模光刻
2.2.1 涂覆光刻胶
取15mL SU-8 3005光刻胶放入Isotemp公司的280 A型真空箱中抽真空12 h,以消除光刻胶中的气泡;处理后的光刻胶倒至ITO玻璃上,根据SU-8 3005光刻胶特性,设定Laurell公司的WS-650 Mz-23NPPB型匀胶机第一步转速为500 r/min,旋涂10 s,第二步转速为5000 r/min,旋涂50 s,得到厚度小于5 μm的光刻胶层;待匀胶机将光刻胶均匀涂满ITO玻璃后取出,放至加热板上依次进行65 ℃(1 min)、95 ℃(2 min)、65 ℃(1 min)烘烤,待自然冷却后利用Heidelberg公司的MLA150型无掩模光刻机进行曝光。
2.2.2 曝光
曝光图样利用AutoCAD进行设计,并将其拷贝至无掩模光刻机中,计算并进行多次实验后以1200 mJ/cm2曝光剂量将设计图案转移至ITO玻璃上。将曝光后的ITO玻璃板放至加热板上,依次进行同上一步顺序相同的加热。
2.2.3 显影
将自然冷却后的ITO玻璃放至SU-8专用显影液中进行显影,显影30 s后取出,并用纯水冲洗,有未显影均匀、光刻胶残留的部位,用微量注射器吸取显影液后向光刻胶残留处轻轻喷洗,之后用纯水冲洗干净。将冲洗干净的ITO玻璃放至加热板上,以125 ℃的高温烘烤1 min。
2.3 湿法刻蚀
本实验以50∶3∶50质量比混合浓盐酸、浓硝酸、纯水,得到性能良好的刻蚀液[19]。该刻蚀液通过盐酸与硝酸的强氧化作用与ITO反应,可以加快刻蚀速率。该刻蚀液与ITO反应方程式为
将显影后的ITO玻璃片放入刻蚀液中,为提高刻蚀速率,以温水浴保持刻蚀液温度为85 ℃,刻蚀210 s后取出ITO玻璃,并立即用纯水冲洗干净。
2.4 后处理及镜检
将刻蚀完成的ITO玻璃放至丙酮中,浸泡30 min,直至剩余的光刻胶完全去除,得到目标电极。最后利用Nikon公司的Eclipse Ti-E型显微镜观察电极形貌,利用Bruker公司的Dimension Icon型原子力显微镜测量电极尺寸,并截取2 μm电极截面曲线观察刻蚀情况。
3 结果与讨论
3.1 显影时间影响
经过无掩模光刻机曝光后,目标图案已转移至ITO玻璃上。将ITO玻璃放置于加热板上进行加热,烘除光刻胶中的残留溶剂、水分,使光刻胶与ITO玻璃结合更加紧密,此时,经过曝光的光刻胶与未曝光的光刻胶在显影液中会存在明显的溶解速度差。将自然冷却后的ITO玻璃浸没于SU-8光刻胶专用显影液中,由于本实验中采用的光刻胶为负胶,因此显影目的是为了除去曝光区域以外的光刻胶。该方法的核心问题是控制显影时间。
图 2. 经不同显影时间后光刻胶的形貌图。(a) 25 s;(b) 30 s;(c) 35 s
Fig. 2. Morphologies of photoresist after different development time. (a) 25 s; (b) 30 s; (c) 35 s
3.2 刻蚀时间影响
经过曝光与显影操作,目标图案已经清晰转移至ITO基片上,接着进行ITO刻蚀操作,目的是把裸露的ITO通过化学反应完全除掉,留下被光刻胶保护部分的ITO,从而形成目标电极。本实验以50∶3∶50质量比混合浓盐酸、浓硝酸、纯水,得到刻蚀性能良好的刻蚀液。该刻蚀液通过强氧化作用与ITO反应,达到刻蚀ITO薄膜的目的。该步骤的核心问题是控制刻蚀时间,否则会出现刻蚀不充分、过度刻蚀等问题。实验中以温水浴保证刻蚀液的温度为85 ℃,并控制刻蚀时间,经过不同时间的刻蚀后,电极(电极上覆盖有光刻胶)效果图如
图 3. 经不同刻蚀时间后电极的形貌图。( a) 180 s;(b) 210 s;(c) 240 s
Fig. 3. Electrode morphologies after different etching time. (a) 180 s; (b) 210 s; (c) 240 s
图 4. 显影后不同尺寸光刻胶形貌对比图。(a) 200 μm;(b) 100 μm;(c) 50 μm;(d) 20 μm;(e) 10 μm;(f) 2 μm
Fig. 4. Comparison of photoresist morphologies with different sizes after development. (a) 200 μm; (b) 100 μm; (c) 50 μm; (d) 20 μm; (e) 10 μm; (f) 2 μm
3.3 微尺寸电极形貌观察与对比
为对比不同尺寸下该方法得到电极的效果,设计6组尺寸递减的平行电极进行观察。如
将经过上述操作的ITO玻璃放入丙酮中浸泡,以除去变性的光刻胶。由于选用的SU-8 3005光刻胶交联反应较强,在经过丙酮浸泡后还需要用酒精布轻轻擦拭,以便除去部分剩余的光刻胶。
经过除胶操作的电极显微观察图如
图 5. 除胶后不同尺寸电极效果对比图。(a) 200 μm;(b) 100 μm;(c) 50 μm;(d) 20 μm;(e) 10 μm;(f) 2 μm
Fig. 5. Comparison of electrode effects with different size after glue removal. (a) 200 μm; (b) 100 μm; (c) 50 μm; (d) 20 μm; (e) 10 μm; (f) 2 μm
3.4 原子力显微镜下2 μm电极测量结果与讨论
将制备完成的ITO电极放至原子力显微镜下观察,得到形貌观察图及截面形状曲线图,分别如
图 7. 原子力显微镜下2 μm电极及玻璃基板截面形状曲线图
Fig. 7. Cross-sectional shape curves of 2 μm electrode and glass substrate under atomic force microscope
4 结论
将无掩模光刻技术与湿法刻蚀技术结合,以ITO玻璃为基片,以SU-8 3005光刻胶为光刻材料,以浓盐酸、浓硝酸、纯水的混合液为刻蚀液,通过不断的实验优化,得到最优工艺参数。即在本实验条件下,将曝光剂量设定为1200 mJ/cm2、显影时间控制为30 s、刻蚀时间控制为210 s时,将制作的微电极放置于Ti-E显微镜下可以观察到良好的形貌。通过原子力显微镜测得目标区域以外的导电ITO膜层被完全刻蚀,且得到的电极具有形貌均匀、误差小、线性度高、无钻蚀、极限尺寸小的优点,本文方法最终可以制备2 μm尺寸的电极,为后续ITO在微纳领域的应用提供了有现实意义的参考。
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殷艺, 刘志坚, 王赛杰, 武森, 严志军, 潘新祥. 基于无掩模光刻的高精度ITO电极湿法刻蚀工艺研究[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(3): 032202. Yi Yin, Zhijian Liu, Saijie Wang, Sen Wu, Zhijun Yan, Xinxiang Pan. High-Precision ITO Electrode Wet Etching Technology Based on Maskless Lithography[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(3): 032202.
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