专利名称：Pvdf有机聚合物薄膜电容器的光刻制备方法
技术领域：
本发明涉及电子元器件制造技术，具体指一种PVDF有机聚合物薄膜电容器的光 刻制备方法。
背景技术：
近年来，有机聚合物薄膜由于电学特性好、工艺简单、成本低、与各种有机及无机 衬底兼容等优异特性受到广泛关注，已经从材料研究走向各种有机器件的制备阶段，其光 电响应已可与无机材料相媲美，同时，在显示、射频鉴别系统、智能卡存储等领域有巨大的 潜在应用，促进了有机衬底上有源电路的产生。 有机聚合物薄膜的制备方法完全不同于无机薄膜。目前，有机聚合物薄膜的制备
主要采用两种工艺一，溶胶凝胶法或LB膜等工艺，然后对有机薄膜进行化学或热处理，代
表材料为目前新兴的PVDF薄膜；二，真空分子束沉积法，在真空腔中热沉积有机薄膜，代表
材料为目前性能优异的并五苯有机半导体薄膜。无论是那种方法制备的有机薄膜，光刻都
是目前有机器件制备中的难题。由于常规光刻工艺使用的化学试剂均为有机溶剂，有机聚 合物薄膜与其发生化学反应，因此有机薄膜无法采用常规光刻工艺。 以传统的PVDF有机聚合物电容器结构为例，器件制备中只有底电极可以采用常 规工艺进行光刻制备，采用溶胶凝胶法或LB膜法制备有机薄膜后，由于无法光刻，上电极 只能采用金属掩膜板生长或喷涂印刷技术。这种电容器结构的突出问题在于一，由于无 法光刻，功能区不能精确确定，功能区侧面暴露在外，影响了器件的稳定性和可靠性；二，有 机聚合物薄膜自身作为介电层隔离上下电极，在边缘处存在尖端效应，易击穿；三，非功能 区无法通过刻蚀等方法选择性去除，影响了相邻器件的测量，使器件容易级联击穿，同时严 重制约了下电极的引出及与其他元器件的互连；四，由于金属掩膜板或者印刷喷涂技术的 精度限制，上电极的面积最小只能到200 mX 200 m，这极大限制了工艺的精度和尺度，无 法进行精确的小面元器件及线列、面阵器件的制备，限制了有机器件的应用范围；五，由于 PVDF有机薄膜与光刻溶剂发生反应，这使得电容器器件只能做为器件工艺的终结步骤，无 法继续进行传统工艺，限制了与其他器件的集成。
发明内容
本发明的目的在于克服现有PVDF电容器器件工艺中PVDF聚合物薄膜无法光刻的 难题，提出一种PVDF有机聚合物薄膜电容器的光刻制备技术，这种PVDF有机聚合物电容器 结构可以解决电容器的边缘击穿效应，并与后续光刻工艺互融，方便与其他器件的集成。
本发明一种PVDF有机聚合物薄膜光刻方法制备的电容器器件，其特征在于，器件 结构包括 —衬底； —金属底电极，该金属底电极生长在衬底上； —介电绝缘层，该介电绝缘层生长在金属底电极上，边缘落于衬底上，并且有开孔； —有机聚合物薄膜，该有机聚合物薄膜生长在介电绝缘层开孔上，并且该有机聚 合物薄膜的面积大于介电绝缘层的开孔面积，边缘落在介电绝缘层上； —金属上电极，该金属上电极生长在有机聚合物薄膜层上，其面积与有机聚合物 薄膜功能区面积相同； —包裹电极，该包裹电极将有机聚合物薄膜侧面与金属上电极包裹起来，边缘落 在介电绝缘层上。 其中衬底为蓝宝石、硅、氮化镓或ITO玻璃。 其中金属底电极为热蒸发低温沉积的铝电极，厚度不小于100nm，电极为长方形结 构。 其中介电绝缘层为二氧化硅或氮化硅绝缘层，介电绝缘层边缘位于衬底上，为孔 型，介电绝缘层将部分金属底电极包裹起来，开孔略小于器件的功能区面积，厚度不小于 300nm。 其中有机聚合物薄膜为溶胶凝胶法或LB膜法制备的PVDF薄膜，厚度为 30nm-300nm。 其中金属上电极为热蒸发低温沉积的铝电极，厚度不小于100nm，该金属上电极面 积与PVDF有机聚合物薄膜功能区面积相同。 其中包裹电极为热蒸发沉积的厚度不小于150nm的金电极，电极为长方形结构， 与下电极交叉成十字，边缘落在介电绝缘层上，其面积大于PVDF有机聚合物薄膜功能区面 积，将PVDF有机聚合物薄膜功能区侧面及金属上电极包裹起来。 本发明一种PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的光刻制备方法，其特征在于，工艺 步骤如下 1在衬底上利用热蒸发设备低温沉积金属底电极；
2在底电极上溅射生长二氧化硅或氮化硅介电绝缘层； 3光刻腐蚀二氧化硅或氮化硅介电绝缘层，形成PVDF有机聚合物薄膜的电极开 孔； 4溶胶凝胶法或LB膜法制备PVDF有机聚合物薄膜； 5在PVDF有机聚合物薄膜上利用热蒸发设备低温沉积金属上电极； 6光刻腐蚀金属上电极； 7氧等离子体刻蚀去除非功能区PVDF有机聚合物薄膜及残余光刻胶；
8在金属上电极上热蒸发低温沉积包裹电极； 9光刻腐蚀去除多余包裹电极，完成PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的制备。
其中所述的衬底为蓝宝石、硅、氮化镓或ITO玻璃。 其中金属底电极为热蒸发低温沉积的铝电极，厚度不小于100nm，电极为长方形结 构。 其中介电绝缘层腐蚀液选用HF缓冲液。 其中有机聚合物薄膜为溶胶凝胶法或LB膜法制备的PVDF薄膜，厚度为 30nm-300nm。 其中有机聚合物薄膜上热蒸发低温沉积的金属上电极为厚度不小于100nm的Al薄膜，腐蚀液选用磷酸。 其中包裹电极为热蒸发低温沉积的厚度不小于150nm的金电极，电极为长方形结 构，与下电极交叉成十字，边缘落在介电绝缘层上，其面积大于金属上电极面积，将PVDF有 机聚合物薄膜侧面及金属上电极包裹起来。 其中多余包裹电极采用腐蚀工艺去除，腐蚀液为质量比l : 4 : 10的碘、碘化氨、
水溶液。 本发明的PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的光刻制备工艺，其特征在于在金 属底电极上先生长介电绝缘层，隔离了上下电极，并通过腐蚀开孔确定PVDF器件功能区面 积，避免了传统器件边缘存在尖端效应易击穿的问题；利用电容器上电极作为PVDF薄膜光 刻掩膜，对上电极采用腐蚀工艺，同时确定了上电极及PVDF功能区图形，克服了 PVDF有机 聚合物薄膜易溶于传统光刻溶液的技术难题，精确控制了电容器面积；氧等离子刻蚀去胶 在去除残余光刻胶的同时去除了多余的非功能区PVDF薄膜，避免了不同单元之间的串扰，
方便了下电极的引出及与其他器件的互连，从而可实现线列及面阵器件的制备和应用；包 裹电极将PVDF有机聚合物薄膜功能区侧面及上电极包裹起来，避免了有机薄膜功能区侧
面的暴露，不仅保证了器件的可靠性和稳定性，而且可以在其上安全地进行后续传统工艺， 如光刻、腐蚀、镀膜等，为有机聚合物器件与其他各类器件的集成打好了工艺基础，结束了 PVDF器件只能做为传统光刻工艺终结步骤的历史。
图1为本发明的PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的结构示意图，其中图1(a)为 PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的截面图，图1 (b)为PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的 俯视图。 图2为本发明的PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的工艺流程图。
其中1——衬底； 2——金属底电极； 3——介电绝缘层； 4——PVDF有机聚合物薄膜； 5——金属上电极； 6——残余光刻胶； 7——包裹电极。
具体实施例方式
请参阅附图l，本发明的PVDF有机聚合物薄膜电容器器件，其器件结构包括
—衬底l，此衬底1是蓝宝石、硅、氮化镓或ITO玻璃； —电容器底电极2，该底电极2为方形电极，制作在衬底1上，为热蒸发制备的厚度 不小于lOOnm的Al薄膜； —介电绝缘层3，该介电绝缘层3为开孔型，生长在底电极2和部分衬底1上， 将部分底电极完全覆盖起来，该介电绝缘层3为二氧化硅或氮化硅介电薄膜，厚度不小于 300nm ;
—有机聚合物薄膜4，该有机聚合物薄膜生长在介电绝缘层开孔上，面积大于介电 绝缘层的开孔面积，并且边缘落在介电绝缘层上，该有机聚合物薄膜为溶胶凝胶法或LB膜 法制备的PVDF薄膜，厚度为30nm-300nm ; —电容器上电极5，该上电极5制备在PVDF有机聚合物薄膜层4上，其面积与PVDF 有机聚合物薄膜功能区面积相同，为不小于100nm厚的Al金属薄膜。 —包裹电极6，该包裹电极将有机聚合物薄膜侧面与金属上电极包裹起来，边缘落 在介电绝缘层上，该包裹电极为热蒸发沉积的厚度不小于150nm的金电极，电极为长方形 结构，与下电极交叉成十字。 请再参阅图2，并结合图1 ，本发明的PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的光刻制备 工艺，器件制备包括以下步骤 1在衬底1上利用热蒸发设备低温沉积金属底电极2，该衬底1是蓝宝石、硅、氮化 镓或IT0玻璃，该电容器底电极2为热蒸发低温沉积的铝电极，厚度不小于100nm，电极为长 方形结构； 2在电容器底电极2上溅射生长介电绝缘层3，并通过光刻腐蚀工艺对介电绝缘 层3进行开孔，该介电绝缘层3生长在金属底电极2上，边缘落于衬底1上，为厚度不小于 300nm的二氧化硅或氮化硅薄膜，其中介电绝缘层腐蚀液选用HF缓冲液；
3在介电绝缘层3上制备有机聚合物薄膜4，该有机聚合物薄膜4为利用溶胶凝胶 法或LB膜法制备的PVDF薄膜，厚度为30nm-300nm ; 4在有机聚合物薄膜4上利用热蒸发设备低温沉积金属上电极5，该金属上电极5 为厚度不小于lOOnm的Al金属薄膜； 5在金属上电极5上进行传统光刻，并对金属上电极5进行湿法腐蚀，腐蚀液选用 磷酸； 6将非功能区PVDF有机聚合物薄膜及残余光刻胶6利用氧等离子体刻蚀同时去 除； 7在金属上电极5上热蒸发低温沉积包裹电极7，并通过传统光刻腐蚀去除多余包 裹电极，该包裹电极为热蒸发低温沉积的厚度不小于150nm的金薄膜，电极为长方形结构， 与下电极交叉成十字，边缘落在介电绝缘层上，其面积大于金属上电极面积，将PVDF有机 聚合物薄膜侧面及金属上电极包裹起来，其中多余包裹电极采用腐蚀工艺去除，腐蚀液为 质量比1 : 4 : 10的碘、碘化氨和水溶液。 请参阅图l，本发明的PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的光刻制备方法，具体 制备步骤如下选用蓝宝石为衬底1利用光刻镀膜等方法制备出电容器底电极2(A1电 极，厚度为120nm，面积为500iimX800iim);利用溅射方法生长介电绝缘层3 (Si02，厚 度为300nm，面积为500 y mX800 y m)，与底电极交叉成十字，并光刻、氢氟酸腐蚀开孔 (200 ii mX 200 ii m);利用溶胶凝胶法制备PVDF有机聚合物薄膜4 (两层，厚度约为120nm， 13(TC退火3hour热处理)；在PVDF有机聚合物薄膜4上热蒸发低温沉积电容器上电极 5(Al电极，厚度为100nm)，并通过光刻、湿法腐蚀(磷酸，45s)去除非功能区Al金属电极， 随后利用氧等离子体刻蚀非功能区PVDF，同时去除残余光刻胶6，确定器件PVDF功能区面 积(300iimX300iim);最后利用热蒸发低温沉积包裹电极7，并利用传统光刻、腐蚀确定包 裹电极7图形(Au金属薄膜，厚度为300nm，面积为400iimX800iim)。
本发明提出的PVDF有机聚合物薄膜电容器结构不同于传统的有机聚合物电容器 器件结构，它首先在衬底上利用传统光刻工艺生长电容器底电极，并在底电极上和部分衬 底上制备方形带孔型介电绝缘层，开孔位于金属底电极上，并决定了器件面积，同时隔离了 上下电极，避免了传统电容器器件边缘易击穿的问题；随后生长有机聚合物薄膜，利用有机 聚合物薄膜电容器上电极作为金属掩膜对PVDF聚合物薄膜进行光刻、刻蚀，PVDF聚合物薄 膜图形和上电极面积相同，边缘落于介电绝缘层上，这样既避免了上下电极容易短路的问 题，又使上电极对PVDF聚合物薄膜起到掩膜作用，避免了功能薄膜的暴露，减小了器件的 寄生电容和噪声；同时包裹电极的使用既方便了器件的焊接，又将PVDF有机聚合物薄膜侧 面和电容器上电极包裹起来，使后续传统工艺如光刻、腐蚀、镀膜等可以在PVDF有机聚合 物薄膜电容器器件上安全地进行，为有机聚合物器件与其他各类器件的集成打好了工艺基 础。
权利要求
一种PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的光刻制备方法，其特征在于，器件制备包括以下步骤(1)在衬底上利用热蒸发设备低温沉积金属底电极；(2)在底电极上溅射生长二氧化硅或氮化硅介电绝缘层；(3)光刻腐蚀二氧化硅或氮化硅介电绝缘层，形成PVDF有机聚合物薄膜的功能区开孔；(4)溶胶凝胶法或LB膜法制备PVDF有机聚合物薄膜；(5)在PVDF有机聚合物薄膜上利用热蒸发设备低温沉积金属上电极；(6)光刻腐蚀金属上电极；(7)氧等离子体刻蚀去除非功能区PVDF有机聚合物薄膜及残余光刻胶；(8)在金属上电极上热蒸发低温沉积包裹电极；(9)光刻腐蚀去除多余包裹电极，完成PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的制备。
2. 根据权利要求l所述的一种PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的光刻制备方法，其特 征在于，其中所述的衬底为蓝宝石、硅、氮化镓或ITO玻璃。
3. 根据权利要求1所述的一种PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的光刻制备方法，其特 征在于，其中所述的金属底电极为热蒸发低温沉积的铝电极，电极为长方形结构，厚度不小 于lOOnm。
4. 根据权利要求l所述的一种PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的光刻制备方法，其特 征在于，其中所述的介电绝缘层为磁控溅射生长二氧化硅或氮化硅绝缘层，介电绝缘层边 缘位于衬底上，为孔型，介电绝缘层将部分金属底电极包裹起来，开孔略小于器件的功能区 面积，厚度不小于300nm。
5. 根据权利要求1所述的一种PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的光刻制备方法，其特 征在于，其中所述的介电绝缘层采用氢氟酸腐蚀开孔。
6. 根据权利要求1所述的一种PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的光刻制备方法，其 特征在于，其中所述的有机聚合物薄膜为溶胶凝胶法或LB膜法制备的PVDF薄膜，厚度为 30歷一300歷。
7. 根据权利要求1所述的一种PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的光刻制备方法，其特 征在于，其中所述的金属上电极为热蒸发低温沉积的铝电极，该金属上电极面积与PVDF有 机聚合物薄膜功能区面积相同。
8. 根据权利要求l所述的一种PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的光刻制备方法，其特 征在于，其中所述的金属上电极多余区域采用磷酸腐蚀液腐蚀。
9. 根据权利要求l所述的一种PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的光刻制备方法，其特 征在于，其中所述的非功能区PVDF有机聚合物薄膜及残余光刻胶采用氧等离子体刻蚀同 时去除。
10. 根据权利要求1所述的一种PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的光刻制备方法，其 特征在于，其中所述的包裹电极为热蒸发低温沉积的厚度不小于150nm的金电极，电极为 长方形结构，与下电极交叉成十字，边缘落在介电绝缘层上，其面积大于金属上电极面积， 将PVDF有机聚合物薄膜侧面及电容器上电极包裹起来。
11. 根据权利要求1所述的一种PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的光刻制备方法，其特征在于，其中所述的多余包裹电极采用腐蚀工艺去除，腐蚀液为质量比i : 4 : io的碘、 碘化氨和水溶液。
全文摘要
本发明一种PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的光刻制备方法，其特征在于步骤如下在衬底上利用热蒸发设备低温沉积金属底电极后在底电极上溅射生长二氧化硅或氮化硅介电绝缘层；光刻腐蚀二氧化硅或氮化硅介电绝缘层，形成PVDF有机聚合物薄膜功能区开孔；制备PVDF有机聚合物薄膜；在PVDF有机聚合物薄膜上低温沉积金属上电极；光刻腐蚀金属上电极；氧等离子体刻蚀去除非功能区PVDF有机聚合物薄膜及残余光刻胶；在金属上电极上热蒸发低温沉积包裹电极；光刻腐蚀去除多余包裹电极，完成PVDF有机聚合物薄膜电容器器件的制备。本发明光刻制备方法提高了器件的稳定性和可靠性，使小面元、线列、面阵器件的制备及集成工艺成为可能。
文档编号H01G4/33GK101777424SQ201010101878
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者乔辉, 孙璟兰, 孟祥建, 张燕, 李向阳, 李超, 王建禄, 田莉 申请人:中国科学院上海技术物理研究所