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基于无掩模光刻的高精度ITO电极湿法刻蚀工艺研究(结果与讨论)

更新时间:2023-04-12  |  点击率:1109

 结果与讨论

. 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为经过不同显影时间后,在Ti-E显微镜下观察到的光刻胶形貌图,图中深色条纹边界内部区域为光刻胶覆盖区,外部区域为光刻胶去除后ITO膜层裸露区,显微镜放大倍数为600倍,电极宽度为50μm,两电极间隙的宽度为5μm。

      图2(a)中电极显影时间为25s,呈显影不充分的状态。观察发现该显影时间过短,此时光刻胶以不均匀膜层和大块颗粒聚集的状态覆盖在ITO玻璃上,在自然光状态下用肉眼观察表现为不均匀的彩色膜层。用万用表测量ITO玻璃,测得表面不导电,表明光刻胶并未彻di除去。图2(b)中电极显影时间为30s,同图2(a)对比,曝光线条清晰明了。周围区域洁净无薄膜、颗粒物。用万用表测量,ITO膜层裸露区导电,证明未曝光区域光刻胶充分去除,表征该显影良好。图2(c)中电极显影时间为35s,表现为显影过度。过长的显影时间导致曝光区域部分光刻胶溶解于显影液,轻则目标线条出现参差不齐的痕迹,使得显影精度降低,重则使大块光刻胶起浮,并对目标图案造成一定的破坏。通过实验对比,在保证不破坏目标图案、WANQUAN去除未曝光区域的光刻胶前提下,需尽可能降低显影对曝光区域光刻胶的影响,最后得到最佳显影时间为30s,得到的Ti-E显微镜下观察图如图2(b)所示。

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图2 经不同显影时间后光刻胶的形貌图。

(a)25s;(b)30s;(c)35s

.  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WANQUAN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5050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所示,图中深色线条为光刻胶边界,内部浅色边缘为电极边缘,图案尺寸及观察条件同3.1节。

      图3(a)中电极刻蚀时间180s,刻蚀后的电极形貌呈现为刻蚀不WANQUAN的状态。Ti-E显微镜下观察发现电极周围有点状颗粒分布。用万用表测量,显示ITO玻璃部分刻蚀区域导电,即ITO玻璃上残留部分ITO薄膜,表明刻蚀时间不足。图3(b)中电极刻蚀时间为210s,同图3(a)对比,可以明显观测到电极周围无点状脏污,且无侧蚀现象。用万用表测量,显示刻蚀区域WANQUAN不导电,证明ITO刻蚀干净,表征该电极刻蚀良好。图3(c)中电极刻蚀时间为240s,表现为刻蚀过度。观察光刻胶保护区域内部浅色电极边界,可以明显判断出侧蚀现象严重,严重影响到微尺寸电极的精度。若刻蚀时间继续加长,将导致电极断裂。通过实验对比,在保证不发生严重侧蚀、WANQUAN除去未保护区域的ITO前提下,需尽可能使刻蚀电极边缘线性度升高、无钻蚀,最后得到的最佳刻蚀时间为210s,得到的显微镜下观察图如图3(b)所示。

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图3经不同刻蚀时间后电极的形貌图。

(a)180s;(b)210s;(c)240s

.  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。如图4(a)~(f),电极尺寸依次为200μm、100μm、50μm、20μm、10μm、2μm,通过Ti-E显微镜,将放大倍数调至200倍,得到显影后的效果对比图如图4所示。图中颜色较深部分为光刻胶边缘,内部为光刻胶覆盖区,观察发现2~200μm电极边缘线性度高,无钻蚀。

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图4显影后不同尺寸光刻胶形貌对比图。

(a)200μm;(b)100μm;(c)50μm;(d)20μm;(e)10μm;(f)2μ

      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-83005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所示,图中凸起部分为电极,选用上述对比电极进行观察。为方便观察,将图5(a)电极放大至200倍,图5(b)和图5(c)放大到300倍,图5(d)~(f)放大至400倍。从图中可以看出在微电极加工中,本文方法具有线条线性度高、无钻蚀的优点,对比现有的光刻电极,不但实现了尺寸的微缩化,且大幅度提高了刻蚀电极尺寸的精确性,最终可以实现2μm电极的制备。

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图5除胶后不同尺寸电极效果对比图。

(a)200μm;(b)100μm;(c)50μm;(d)20μm;(e)10μm;(f)2μ

.  原子力显微镜下2μm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6、图7所示。从图6中可以看出本文方法得到的2μm刻蚀电极形貌良好,无断裂、钻蚀等缺陷。

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图6原子力显微镜下2μm电极形貌图

图7中截面形状曲线以玻璃板基线作对比:在玻璃板基线高度基本为0的前提下,两个电ji高度基本相同为120nm,证明通过本文方法,目标区域以外的ITO膜层已被WANQUAN刻蚀;且两条曲线形貌基本吻合,表明通过本文方法得到的电极形状均匀。两电极宽度分别为2.51μm、2.34μm,同2μm设计尺寸偏差为25.5%、17%,证明本文方法得到的微电极基本满足设计要求,WANQUAN可应用于微尺寸电极的制备。

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图7原子力显微镜下2μm电极及玻璃基板截面形状曲线图

4          

      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-83005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ZUI YOU工艺参数。即在本实验条件下,将曝光剂量设定为1200mJ/cm2、显影时间控制为30s、刻蚀时间控制为210s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WAN QUAN刻蚀,且得到的电JI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2μm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。