玻璃電路板表面微蝕刻工藝

玻璃表面蝕刻紋路由于5G時(shí)代玻璃手機(jī)后蓋流行成為趨勢(shì)，預(yù)測(cè)大部分中高端機(jī)型將采用玻璃作為手機(jī)的后蓋板。因此，基于玻璃材質(zhì)的微加工工藝也就成為CMF研究中不可回避的一個(gè)技術(shù)問題。而且，由玻璃材質(zhì)的特殊性，利用蝕刻方式對(duì)玻璃表面進(jìn)行各種紋路的加工越來越被人們所重視。研究這種玻璃表面微蝕刻加工就成為比較重要的一項(xiàng)課題。
在玻璃表面通過蝕刻的方式加工出線寬線距甚至深度的方法就成為非常重要的一個(gè)工藝環(huán)節(jié)。當(dāng)前，普通玻璃微蝕刻普遍采用濕法刻蝕，采用46%的氫氟酸作為刻蝕劑在30℃的溫度下進(jìn)行玻璃材質(zhì)的電泳芯片刻蝕，刻蝕速度較高，表面質(zhì)量不佳;還有采用1%的氫氟酸和5%的氟化銨作為刻蝕劑對(duì)玻璃微管道進(jìn)行刻蝕,刻蝕溫度為65℃,刻蝕速度比較低,線寬擴(kuò)寬較大.
微刻蝕時(shí)，由于希望采用較高的刻蝕速率,所以對(duì)保護(hù)膜在刻蝕溶液中長(zhǎng)時(shí)間浸泡下的耐腐蝕性提出了較高的要求,但是由于工藝的最開始要鍍一層保護(hù)膜,接著要腐蝕出窗口，所以要求鍍膜的致密性比較好,而且要有特效腐蝕液。所以選擇了光刻膠，鉻,光刻膠加鉻,氮化硅,ITO、抗酸油墨等多種材料作為基底材料玻璃的抗腐蝕保護(hù)掩膜,并利用多種不同成分的刻蝕劑進(jìn)行了對(duì)比刻蝕試驗(yàn),確定了不同材料保護(hù)膜的適用范圍。
玻璃濕法刻蝕工藝流程
玻璃濕法刻蝕流程圖如圖1所示。將玻璃基底表面拋光,在拋光面鍍一層保護(hù)掩膜,然后甩光刻膠 AZ4620,膠厚5，經(jīng)過100 °前烘,光刻,顯影,利用腐蝕液除去圖形內(nèi)暴露部分的膜層,完畢后清洗表面并做堅(jiān)膜處理,堅(jiān)膜溫度為120 °,恒溫4 h,堅(jiān)膜后將進(jìn)行刻蝕,根據(jù)不同需要調(diào)配刻蝕劑進(jìn)行刻蝕，刻蝕溫度、攪拌速度等參數(shù)也隨不同的管道尺寸及刻蝕深度要求而具體設(shè)置,刻蝕完成后清洗玻璃并去除光 刻膠及鉻層。
將氫氟酸、氟化銨或硝酸和水按一定的濃度比調(diào)配刻蝕劑100ml,放入塑料容器內(nèi)，利用水浴恒溫, 采用葉片式攪拌器加以攪拌,每刻蝕20 min清洗并檢測(cè)。利用電鏡觀察通道表面的刻蝕效果，同時(shí)觀察兩種刻蝕劑對(duì)基底的刻蝕效率和對(duì)基底表面保護(hù)膜的破壞作用，同時(shí)觀察不同尺寸的毛細(xì)管的深度方向的 刻蝕速率和側(cè)向鉆蝕速率。

圖1 K9玻璃濕法刻蝕工藝流程圖

圖2刻蝕劑（lmol/L HF+ lmol/L NH4F)中， 用100nm厚的鉻膜作為保護(hù)膜對(duì)通道 進(jìn)行腐蝕產(chǎn)生的毛刺現(xiàn)象
保護(hù)膜的抗腐蝕特性
要對(duì)玻璃進(jìn)行濕法刻蝕 , 主要采用兩種腐蝕液 , 一種為氫氟酸加硝酸(HF+ HNO3+ H2O),所以采用的保護(hù)膜材料必須能對(duì)酸有抗腐蝕性能?？紤]到鍍膜工藝的成熟性以及最后去膜的方便,選用了四種材料(光刻膠，鉻,氮化硅，ITO)作為玻璃表面的抗腐蝕保護(hù)膜。
1掩膜對(duì)刻蝕劑1(HF+NH4F+H2O)的抗腐蝕特性
直接利用光刻膠作為保護(hù)膜的器件,在不加溫條件和在腐蝕液HF+NH4F (0.5mol/l : 0.5mol/l) 的環(huán)境下，在60min以內(nèi)，光刻膠對(duì)未刻蝕區(qū)域的保護(hù)非常良好,腐蝕的速率為200nm/min,器件的側(cè)向 腐蝕導(dǎo)致的展寬在15微米左右。在70min以后,光刻膠出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，同時(shí)由于光刻膠的黏附力不是很大, 在器件表面有漂浮的跡象,這時(shí),管道刻蝕寬度展寬非常大,而刻蝕深度又非常淺,已經(jīng)對(duì)器件產(chǎn)生了破壞作用。利用水浴加熱刻蝕環(huán)境的溫度至50 "C,光刻膠在20min就產(chǎn)生剝落現(xiàn)象,所以光刻膠作為抗腐蝕液的保護(hù)作用只能在常溫25 ℃左右,超過50 ℃以后,對(duì)圖形的保護(hù)就不是很有效。
濕法刻蝕時(shí)僅用Cr作為保護(hù)掩模層,在放入腐蝕液后的10min之內(nèi)，刻蝕效果比較良好，但10min 后,在刻蝕通道上會(huì)有楔型毛刺產(chǎn)生,影響了通道的質(zhì)量,如圖2所示。這是由于在Cr層內(nèi)部應(yīng)力較高，刻蝕時(shí)通道處Cr層在應(yīng)力作用下發(fā)生局部剝落，經(jīng)HF腐蝕形成毛刺。
如果同時(shí)利用光刻膠和Cr層做為保護(hù)膜,光膠層由于粘合作用，使通道處Cr層不再剝落,保證了刻蝕的質(zhì)量。利用Cr膜作為保護(hù)膜的器件,刻蝕后的管道圖形保持良好,未刻蝕區(qū)域內(nèi)的光刻膠在80 min以后開始部分脫落,但鉻層保持良好,直到900 m in后才出現(xiàn)脫落并產(chǎn)生少量微孔。管道底部表面較好, HF刻蝕玻璃時(shí)是各向同性的,在向下腐蝕的同時(shí),通道寬度也會(huì)不斷擴(kuò)大。因此,刻蝕高密度通道時(shí)，必須嚴(yán)格控制光刻掩模圖形上通道寬度和刻蝕深度。如果想刻蝕比較精確寬度的微通道,在設(shè)計(jì)掩膜的同 時(shí),就必須考慮到側(cè)向腐蝕的寬度,設(shè)計(jì)的掩膜寬度必須比實(shí)際需要的通道寬度小,通過側(cè)向腐蝕后,就可 以達(dá)到實(shí)際的要求。
利用氮化硅作為保護(hù)薄膜材料，由于保護(hù)掩膜有致密性的要求,所以采用反應(yīng)磁控濺射的方法,在玻璃器件表面鍍上一層氮化硅作為保護(hù)薄膜材料.光刻顯影后.利用憐酸將不需要保護(hù)圖形上的氮化硅腐蝕掉,暴露出需要腐蝕的窗口，經(jīng)過600min的腐蝕,刻蝕后的管道圖形保持良好,沒有出現(xiàn)局部脫落,升高環(huán)境溫度至50C,腐蝕速率提高很大,腐蝕的表面粗糙度較好,對(duì)保護(hù)膜層的破壞并沒有增加,利用氮化硅作為保護(hù)膜可以起到良好的保護(hù)作用，適用于深度的濕法腐蝕。
利用ITO作為保護(hù)膜,腐蝕效果良好,沒有出現(xiàn)局部脫落,升高環(huán)境溫度至50 ~C,腐蝕速率提高較多， 腐蝕的表面粗糙度較差,而且對(duì)保護(hù)膜層的破壞也相當(dāng)嚴(yán)重，ITO作為保護(hù)膜可以起到良好的保護(hù)作用， 適用于深度的濕法腐蝕。但是由于ITO膜的制備有一定難度,而且能夠腐蝕ITO的腐蝕液對(duì)光刻膠有一 定的破壞作用,所以用ITO作為濕法腐蝕的保護(hù)膜應(yīng)用的不太廣泛。
對(duì)刻蝕劑2 (HF+ HNO3)的抗腐蝕特性
將氫氟酸和硝酸按一定的的濃度比調(diào)配刻蝕劑100 ml,放入塑料容器內(nèi)，水浴保持刻蝕的環(huán)境溫度, 采用葉片式攪拌器加以攪拌,每刻蝕20 m in清洗并檢測(cè)。直接利用光刻膠做保護(hù)，由于HNO3對(duì)光刻膠的破壞作用非常明顯,起不到保護(hù)作用。利用光刻膠和 鉻做保護(hù)膜,不提高環(huán)境溫度,刻蝕后的管道圖形保持良好,未刻蝕區(qū)域內(nèi)的光刻膠在40 min以后開始部 分脫落,但鉻層保持良好,直到200m in后才出現(xiàn)脫落并產(chǎn)生少量微孔。但是如果提高環(huán)境溫度，由于光刻 膠很快就被破壞掉,Cr層很快就暴露在腐蝕液中,起不到完全的保護(hù)作用，所以用這種方案進(jìn)行濕法腐蝕 的保護(hù),不能提高環(huán)境溫度來達(dá)到提高腐蝕的速率。
當(dāng)采用氮化硅材料作為保護(hù)的薄膜材料的時(shí)候,材料對(duì)刻蝕劑的抗腐蝕性能不是很好,雖然酸對(duì)氮化 硅材料有一定的破壞作用，但是由于這種破壞作用發(fā)生在比較高的溫度,一般都要在100~C以上,所以只 要刻蝕的環(huán)境溫度在70~C以下,氮化硅材料的抗腐蝕特性還是表現(xiàn)的非常好,并且由于這種材料與基底 的黏附性非常好,所以刻蝕的邊界比較平整,沒有毛刺產(chǎn)生。
相對(duì)于前面幾種材料,ITO對(duì)刻蝕劑的抗腐蝕能力就相當(dāng)弱了,基本上很難達(dá)到抗腐蝕的能力,放入 刻蝕劑中，10m in后表面就出現(xiàn)了被腐蝕破壞的痕跡。
濕法刻蝕對(duì)保護(hù)膜的要求比較高,尤其是深度刻蝕時(shí)，由于希望采用較高的刻蝕速率,所以對(duì)保護(hù)膜 在刻蝕溶液中長(zhǎng)時(shí)間浸泡下的耐腐蝕性提出了較高的要求，利用光刻膠加上鉻層可以對(duì)需要保護(hù)的圖形產(chǎn)生比較良好的保護(hù).由于玻璃的各項(xiàng)同性的特性.所以濕法刻蝕的展寬是不可避免的.設(shè)計(jì)掩膜的同時(shí). 就必須考慮到側(cè)向腐蝕的寬度,設(shè)計(jì)的掩膜寬度必須比實(shí)際需要的通道寬度小,通過側(cè)向腐蝕后,就可以 達(dá)到實(shí)際的要求。通過對(duì)上述不同成分的刻蝕劑對(duì)玻璃的刻蝕效率的研究,對(duì)于玻璃濕法刻蝕工藝得 出以下結(jié)論：
利用NH4F作為添加劑有利于提高刻蝕速率,而且可以幫助去除通道中的HF腐蝕留下的殘 渣,對(duì)提高刻蝕的表面質(zhì)量有很大的幫助。HNO3作為添加劑能獲得較高的刻蝕速率,但由于硝酸的氧化性較強(qiáng),對(duì)保護(hù)層具有較強(qiáng)的破 壞作用,所以得到的表面質(zhì)量不是很好。

審核編輯 黃宇