專利名稱：一種基于掩膜打印的金屬布線方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬布線及金屬成型技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于掩膜打印的金屬布線方法。
背景技術(shù)：
金屬布線技術(shù)是指通過化學沉積或刻蝕的方法將預先設定好的線路或圖形加工出來的工藝技術(shù)。其主要應用在電子加工(尤其是微電子)中，是基板上各部件相互連接、傳遞信號以構(gòu)造完整體系的基礎，同時也是各類電子器件(如RFID的感抗線圈和氣體傳感器中的梳狀電極)的制備過程不可或缺的工藝步驟；而作為金屬圖案化成型的技術(shù)來講，它也是表面裝飾、表面改性的重要措施。因此，金屬布線技術(shù)在實際應用中扮演者十分重要的角色。
在金屬布線技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展最迅速的是以芯片及印刷線路板制造為代表的集成電路的線路成型工藝。而這些工藝都可以歸結(jié)為感光復制技術(shù)與金屬選擇性刻蝕連用的工藝。這樣的線路生產(chǎn)往往需要經(jīng)過幾十上百道工序。一般而言，都需要經(jīng)過制模-保護劑涂覆-曝光-顯影-定影等一系列光學過程，即所謂感光復制技術(shù)，以便在金屬層上構(gòu)造設定好的圖形化的表面掩模，而后進行金屬選擇性腐蝕，從而保留預想的金屬圖形即所需電路布局。這種工藝的主要問題在于(1)成套設備的固定投入要求極高，一套生產(chǎn)線投入往往要上百萬，甚至上千萬，普通研發(fā)性部門和個人無力承擔；(2)用于圖形轉(zhuǎn)移的模具加工要求高且靈活性差，在制模的過程中需要反復嘗試，一旦出現(xiàn)問題需要從頭開始。
(3)工藝流程復雜、單位成本較高，尤其是面向原型線路研發(fā)和小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)時，這種問題尤其明顯。
歸結(jié)起來，模具以及光刻設備的引入，都增加了感光復制技術(shù)的應用壁壘，這對于教學等嘗試性加工和小批量的線路制造，以及新型、概念性產(chǎn)品的研發(fā)都是很不利的。因此，非光刻的金屬圖案化加工一直是該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點問題。
最近，一些非光刻的方法已經(jīng)被應用到金屬布線技術(shù)領(lǐng)域，研究較多的是微接觸法(microcontact printing，μCP)，這種方法是用有彈性的成型模具蘸取一定量的催化劑，這種模具象圖章一樣與表面發(fā)生接觸，從而使接觸部位附著的催化劑定位轉(zhuǎn)移到基質(zhì)表面上，這樣定位轉(zhuǎn)移后表面上就形成了可以充當圖形模版的催化劑層，這樣在催化劑層的基礎上就可以達到金屬定位沉積的目的。該方法成功的關(guān)鍵是必須具備成熟的模具的成型工藝并對基質(zhì)與模具之間的接觸參數(shù)進行嚴格的控制。但是，易被附著并能成功轉(zhuǎn)移的催化劑種類十分有限，而且接觸中受力的作用會使彈性模具發(fā)生變形，這都是該方法應用中存在的嚴重問題。
另外，使用自組裝與噴墨打印聯(lián)合的加工工藝也可以實現(xiàn)多種基體上多種金屬的定位沉積，即以一種全加成的方法來實現(xiàn)金屬布線，首先對基板表面進行自組裝分子修飾，其后，將可以引發(fā)及加速化學鍍的催化劑分散在液態(tài)溶劑中作為“墨水”注入改造的打印機，借助噴墨打印技術(shù)，按照設計好的線路圖型把催化劑“墨水”噴射在上述的自組裝分子層上，這層自組裝分子作用相當于“有機漿糊”，可以使圖形化的催化劑層與基底牢牢地結(jié)合在一起。由于化學沉積只發(fā)生在有催化劑的區(qū)域，因而可以獲得圖形化的金屬沉積層。該技術(shù)已由我們開發(fā)并申請專利，然而利用自組裝的方法進行表面改性的技術(shù)剛剛興起，在某些特定基板上的自組裝材料和自組裝條件尚需進一步優(yōu)化，從而在一定程度上限制了其的具體應用。
另外，一種基于噴墨打印技術(shù)的金屬布線工藝最近也得到了發(fā)展，其主要的方法是合成可以直接打印的高濃度的金屬溶膠，這種溶膠的特點是金屬的納米顆粒由表面活性劑包覆分散在有機溶劑中，被打印的溶膠在表面擴散連接為連續(xù)的圖形，在一定溫度下燒結(jié)，則可以形成導電的金屬圖形(目前僅限于金和銀)。這種方法的主要缺點是燒結(jié)溫度隨著溶膠種類的不同而有差別，如果燒結(jié)溫度較高的情況下會對基底產(chǎn)生影響，另外該方法對于噴墨打印的要求較高，打印圖形不均勻會產(chǎn)生局部電阻過大或是導線不平整的現(xiàn)象，還有這種單次打印的直接成型方式無法很好的調(diào)控金屬線路的厚度。
可見，在非光刻的金屬布線技術(shù)的開發(fā)中，人們主要把精力投放在“全加成法”的技術(shù)上，而現(xiàn)在可供加工的基材大多是以鍍覆或壓覆一定厚度的金屬層的形式提供的，而且金屬表面的處理與加工技術(shù)已比較成熟，而且進行進一步刻蝕后的線路的牢固程度也比較有保障；而且全加成法中，金屬的定位生長并不都一定滿足嚴格的選擇性沉積，這會造成一些電遷移導致器件失效；最后，對于特定的加工對象，除掉前導部分的投入，最終采用刻蝕的方法成型往往會節(jié)約成本。因此，一種新型的“減成”技術(shù)亟待開發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
針對金屬布線技術(shù)依賴制模與光刻成型，固定投入高、周期長、單位成本高等問題，以及非光刻的全加成法發(fā)展不夠成熟、部分基體加工困難、部分金屬沉積定位選擇性差等問題，本發(fā)明提出一種基于掩膜打印的金屬線分布方法。
本發(fā)明提出的基于掩膜打印的金屬線分布方法，以鍍覆或壓覆一定厚度金屬層的板材作為基體，以抗刻蝕的保護劑作為替代性的打印材料，以打印設備作這打印材料定位分配裝置，由計算控制在金屬覆蓋層上構(gòu)造圖形化的保護層，最后通過化學刻鉵，在基體表面加工出金屬線路和圖形。
本發(fā)明方法具有靈活廉價、便捷快速的特點，所獲得的金屬線路與圖形與基體結(jié)合牢固，尺寸分辨率高(線寬約100微米)，本體特性均勻穩(wěn)定。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是表面處理。使用鍍覆或壓覆一定厚度金屬層的板材作為基體，首先對上層金屬進行清洗，可根據(jù)具體情況進行拋光或適當粗糙化處理，在保證表面平整度的同時提高表面對保護劑的吸附性。
打印或轉(zhuǎn)印圖形化保護劑層?？晒┻x擇的打印設備包括辦公噴墨打印機、激光打印機、針式打印機等，將保護劑等作為替代墨水或替代墨粉加入到打印機的各顏色的墨盒內(nèi)，再加入一些改性劑調(diào)整保護劑的物理性能，對于液體物質(zhì)而言包括黏度和表面張力等性能，對于固體物質(zhì)而言包括導熱性、分散性等性能，目標在于提高其打印性能。這樣借助打印設備定位定量的配分功能，其對墨水在量上的控制精度可達pL(1pL＝10-12L)級，其定位上的精度也可達100微米左右。線路以及圖形的設計可以在電腦上用Photoshop、AutoCAD、Protel等繪圖軟件完成，其中就包括了圖形的形狀及大小、各位置的配分量、打印基材的性質(zhì)、打印次數(shù)等參數(shù)，然后按照一般打印的程序就可以完成該步驟。
而對于一些大塊硬質(zhì)的基板或表面打印存在困難的基板來講，可以采用轉(zhuǎn)印的方式在表面構(gòu)造圖形化的保護劑層，具體方法是，先將設定圖形的鏡像圖形打印在轉(zhuǎn)印紙張上，再通過熱壓或接觸的方式，將保護劑層從轉(zhuǎn)印紙張上轉(zhuǎn)移到金屬層表面，從而構(gòu)造正向的圖案化的保護劑層。
化學刻蝕，保護劑層經(jīng)過靜置、冷卻或晾干等后續(xù)處理后，即該圖形層的性質(zhì)穩(wěn)定后，按照常規(guī)的化學刻蝕的方式將保護圖形外暴露出來的金屬層刻蝕完全，然后，使用溶劑清洗、物理摩擦等方式將保護劑層剝離下來，就可以得到圖形化的金屬層，進一步清洗，并封裝即可完成金屬布線的加工流程。
所使用的基板可以是壓覆金屬箔的PI樹脂、BT樹脂、FR-4樹脂、聚酰亞胺薄膜等常規(guī)印制線路板板材，也可以是濺射、鍍覆了金屬覆蓋層的硅片、玻璃、陶瓷等半導體、絕緣體材料。
可供加工的金屬包括金、銀、銅、鐵、鎳、鋁等各類導電用或裝飾用金屬。
所使用的保護劑包括各類以氨基、巰基為終端的硅烷或鏈烴類自組裝溶液，例如3-氨基丙基三甲氧基硅烷，3-巰基丙基三甲氧基硅烷，十二烷基硫醇等，自組裝液的溶劑包括水、甲醇、甲苯、苯等物質(zhì)，其濃度為0.5mM～5M。也可以采用高分子樹脂、交聯(lián)材料、熱固材料或疏水材料的溶液，溶劑包括水、醇類及芳烴衍生物等物質(zhì)，濃度為體積百分含量0.1％-30％。作為改性的添加劑為乙醇、乙二醇、聚乙二醇、丙三醇等保濕劑和表面活性劑等，加入量為保護劑在整體體積的20％以下。
所使用的保護劑也可以是固體，如可采用熱固樹脂等，這類保護劑應滿足一下特點，顆粒小，易于在激光打印機內(nèi)分散，并由靜電吸附定位；玻璃化溫度低，便于打印或轉(zhuǎn)印的過程中的面對面轉(zhuǎn)移；剝離、清洗方便，易溶于常規(guī)的有機溶劑內(nèi)，如乙醇、丙酮等，保護劑層可由超聲或擦拭的方法除去?？杉尤牖钚蕴嫉忍岣叻稚⑿院蛯嵝?，活性碳的加入量為保護劑整體質(zhì)量的10％～90％。
所使用的化學刻蝕的刻蝕液為常規(guī)標準刻蝕液即可，如利用酸性氯化銅刻蝕液加工銅的圖形，利用三氯化鐵與硫脲的混合溶液加工金的圖形?？筛鶕?jù)需要對刻蝕液進行加熱提高刻蝕速度提高加工質(zhì)量，但溫度一般不超過50攝氏度。
該技術(shù)的有益效果為(1)這是一種非光刻的金屬成形法，真正使金屬布線走出大廠房，實現(xiàn)了真正意義上的桌面加工，無需制模、無需光刻機參與，固定投入少，生產(chǎn)周期短。
(2)由計算機設定線路，靈活性好，特別適用于原型設計與小批量生產(chǎn)，對于可拋棄式電子器件生產(chǎn)、概念性產(chǎn)品的研發(fā)來講尤其有利。
(3)可以直接利用多種基材的金屬鍍覆板，可以實現(xiàn)半導體、絕緣體在內(nèi)的各類撓性板與剛性板表面的金屬加工，且金屬層與基體結(jié)合緊密，可作為工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的有力補充。
(4)工藝簡潔，設備要求簡單，無有毒有害氣體等產(chǎn)生，因此便于推廣，尤其是適用于教學演示以及實驗性加工。
總之，使用包括噴墨打印、激光打印、針式打印在內(nèi)的打印設備完成圖形轉(zhuǎn)移進而刻蝕成型的金屬加工技術(shù)，可以作為各種基體上各類金屬布線的通用策略，有著便捷快速、靈活廉價的特點。


圖1.圖形轉(zhuǎn)移法實現(xiàn)金屬布線的流程示意圖。
圖2.在PI樹脂上利用本發(fā)明方法加工的銅的圖形及線路，最小線寬約150微米。其中，a為圖形，b為線路。
圖3.在硅片表面加工的金的梳狀電極的圖形，最小線寬約150微米。
具體實施例方式
1.PI樹脂表面加工銅的線路表面處理采用壓覆50微米銅箔的PI樹脂基板作為基體，首先使用丙酮去除銅表面油脂，然后浸入稀酸中去處表面氧化層，清水沖洗后，用干布擦拭表面后備用。
對辦公打印機的改裝使用惠普激光打印機，使用前將墨粉盒取下，清空。使用熱固樹脂與活性碳的混合粉體為替代墨粉，熱固樹脂粉體的質(zhì)量比為10％～90％。安裝墨粉盒，調(diào)試，運行自清潔程序，去除多余墨粉。
在計算機上使用Protel軟件繪制線路圖形，墨粉通量設置為10％～100％。紙面類型為“重磅紙”，取消省墨模式，調(diào)整PI樹脂片在打印紙上的固定位置，按照正常程序打印，在打印后取下靜置1-10min。
取下PI樹脂片，浸入雙氧水、濃鹽酸、10g/L氯化亞銅水溶液體積比為2∶1∶40的刻蝕液中進行刻蝕，溫度為20～60攝氏度，刻蝕時間為2～10min，至表觀無暴露銅為止停止刻蝕，取出后清水沖洗表面，晾干。使用丙酮棉球擦洗表面保護層，直至保護層完全脫離，清水沖洗丙酮及保護劑殘留。封裝備用，防止銅在空氣中腐蝕。
結(jié)果參見圖2所示。
2.硅片表面加工金的圖形表面處理采用濺射300納米厚金的硅片作為基體，首先在丙酮中超聲清洗去處表面油脂，清水沖洗后，用純Ar氣流吹干表面后備用。
對辦公打印機的改裝使用惠普激光打印機，使用前將墨粉盒取下，清空。使用熱固樹脂與活性碳的混合粉體為替代墨粉，熱固樹脂粉體的質(zhì)量比為10％～90％。安裝，調(diào)試，運行自清潔程序，去除多余墨粉。
轉(zhuǎn)印圖形，在計算機上使用AutoCAD軟件繪制線路圖形，墨粉通量設置為10％～100％。紙面類型為“薄紙”，取消省墨模式，使用高分辨率油性紙作為轉(zhuǎn)印紙張，調(diào)整轉(zhuǎn)印紙在打印紙上的固定位置，打印前設置“水平鏡像”打印，按照正常程序打印，在打印后取下靜置1到10分鐘。將轉(zhuǎn)印紙取下，將其與金面面相對放置，20～200攝氏度熱壓，時間0.5～10分鐘，壓力2～20千克。取出后靜置冷卻，冷卻至室溫，輕輕玻璃轉(zhuǎn)印紙，紙上的圖形已鏡像復制到金的表面。
將硅片浸入0.2～20g/L三氯化鐵與0.2～20g/L的硫脲的混合水溶液中進行刻蝕，溫度為20～60攝氏度，刻蝕時間為2～10min，至表觀無暴露的金為止停止刻蝕，取出后清水沖洗表面，晾干。使用丙酮超聲清洗表面保護層，直至保護層完全脫離，清水沖洗丙酮及保護劑殘留。封裝備用。
結(jié)果參見圖3所示。
權(quán)利要求
1.一種基于掩膜打印的金屬布線方法，其特征在于具體步驟如下以鍍覆或壓覆一定厚度金屬層的板材作為基體，以抗刻蝕的保護劑作為替代性的打印材料，以打印設備作這打印材料定位分配裝置，由計算控制在金屬覆蓋層上構(gòu)造圖形化的保護層，最后通過化學刻蝕，在基體表面加工出金屬線路和圖形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于掩膜打印的金屬布線方法，其特征在于所述保護劑采用以氨基、巰基為終端的硅烷或鏈烴類自組裝溶液，自組裝液的溶劑為水、甲醇、甲苯或苯，其濃度為0.5mM～5M；或者采用高分子樹脂、交聯(lián)材料、熱固材料或疏水材料的溶液，溶劑為水、醇類或芳烴衍生物，濃度按體積百分含量計為0.1％-30％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于掩膜打印的金屬布線方法，其特征在于所述保護劑中加有改性添加劑，改性添加劑為保濕劑和表面活性劑，加入量為保護劑整體體積的20％以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于掩膜打印的金屬布線方法，其特征在于所述保護劑為熱固樹脂，其中加入有活性碳，活性碳的加入量為保護劑整體質(zhì)量的10％-90％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于掩膜打印的金屬布線方法，其特征在于所述的基體為壓覆金屬箔的PI樹脂、BT樹脂、FR-4樹脂或聚酰亞胺薄膜，或者為濺射、鍍覆了金屬覆蓋層的硅片、玻璃或陶瓷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于掩膜打印的金屬布線方法，其特征在于所述的的金屬為金、銀、銅、鐵、鎳或鋁。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬布線和金屬成型技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于掩膜打印的金屬布線方法。該方法以鍍覆或壓覆一定厚度金屬層的板材作為基體，以抗刻蝕的保護劑作為替代性的打印材料，以打印設備作這打印材料定位分配裝置，由計算控制在金屬覆蓋層上構(gòu)造圖形化的保護層，最后通過化學刻蝕，在基體表面加工出金屬線路和圖形。本發(fā)明方法具有靈活廉價、便捷快速的特點，所獲得的金屬線路與圖形與基體結(jié)合牢固，尺寸分辨率高(線寬約100微米)，本體特性均勻穩(wěn)定。
文檔編號H05K1/09GK101052278SQ200710039650
公開日2007年10月10日 申請日期2007年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月19日
發(fā)明者王金意, 黃貝貝, 蔡文斌 申請人:復旦大學