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(wèn)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(lái)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)600min的腐蝕,刻蝕后的管道圖形保持良好,沒(méi)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(méi)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(méi)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(kāi)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(lái)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(méi)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(guò)側(cè)向腐蝕后,就可以 達(dá)到實(shí)際的要求。通過(guò)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