专利名称：一种基于掩膜打印的金属布线方法
技术领域：
本发明属于金属布线及金属成型技术领域，具体涉及一种基于掩膜打印的金属布线方法。
背景技术：
金属布线技术是指通过化学沉积或刻蚀的方法将预先设定好的线路或图形加工出来的工艺技术。其主要应用在电子加工(尤其是微电子)中，是基板上各部件相互连接、传递信号以构造完整体系的基础，同时也是各类电子器件(如RFID的感抗线圈和气体传感器中的梳状电极)的制备过程不可或缺的工艺步骤；而作为金属图案化成型的技术来讲，它也是表面装饰、表面改性的重要措施。因此，金属布线技术在实际应用中扮演者十分重要的角色。
在金属布线技术领域中发展最迅速的是以芯片及印刷线路板制造为代表的集成电路的线路成型工艺。而这些工艺都可以归结为感光复制技术与金属选择性刻蚀连用的工艺。这样的线路生产往往需要经过几十上百道工序。一般而言，都需要经过制模-保护剂涂覆-曝光-显影-定影等一系列光学过程，即所谓感光复制技术，以便在金属层上构造设定好的图形化的表面掩模，而后进行金属选择性腐蚀，从而保留预想的金属图形即所需电路布局。这种工艺的主要问题在于(1)成套设备的固定投入要求极高，一套生产线投入往往要上百万，甚至上千万，普通研发性部门和个人无力承担；(2)用于图形转移的模具加工要求高且灵活性差，在制模的过程中需要反复尝试，一旦出现问题需要从头开始。
(3)工艺流程复杂、单位成本较高，尤其是面向原型线路研发和小批量产品的生产时，这种问题尤其明显。
归结起来，模具以及光刻设备的引入，都增加了感光复制技术的应用壁垒，这对于教学等尝试性加工和小批量的线路制造，以及新型、概念性产品的研发都是很不利的。因此，非光刻的金属图案化加工一直是该领域技术发展的热点问题。
最近，一些非光刻的方法已经被应用到金属布线技术领域，研究较多的是微接触法(microcontact printing，μCP)，这种方法是用有弹性的成型模具蘸取一定量的催化剂，这种模具象图章一样与表面发生接触，从而使接触部位附着的催化剂定位转移到基质表面上，这样定位转移后表面上就形成了可以充当图形模版的催化剂层，这样在催化剂层的基础上就可以达到金属定位沉积的目的。该方法成功的关键是必须具备成熟的模具的成型工艺并对基质与模具之间的接触参数进行严格的控制。但是，易被附着并能成功转移的催化剂种类十分有限，而且接触中受力的作用会使弹性模具发生变形，这都是该方法应用中存在的严重问题。
另外，使用自组装与喷墨打印联合的加工工艺也可以实现多种基体上多种金属的定位沉积，即以一种全加成的方法来实现金属布线，首先对基板表面进行自组装分子修饰，其后，将可以引发及加速化学镀的催化剂分散在液态溶剂中作为“墨水”注入改造的打印机，借助喷墨打印技术，按照设计好的线路图型把催化剂“墨水”喷射在上述的自组装分子层上，这层自组装分子作用相当于“有机浆糊”，可以使图形化的催化剂层与基底牢牢地结合在一起。由于化学沉积只发生在有催化剂的区域，因而可以获得图形化的金属沉积层。该技术已由我们开发并申请专利，然而利用自组装的方法进行表面改性的技术刚刚兴起，在某些特定基板上的自组装材料和自组装条件尚需进一步优化，从而在一定程度上限制了其的具体应用。
另外，一种基于喷墨打印技术的金属布线工艺最近也得到了发展，其主要的方法是合成可以直接打印的高浓度的金属溶胶，这种溶胶的特点是金属的纳米颗粒由表面活性剂包覆分散在有机溶剂中，被打印的溶胶在表面扩散连接为连续的图形，在一定温度下烧结，则可以形成导电的金属图形(目前仅限于金和银)。这种方法的主要缺点是烧结温度随着溶胶种类的不同而有差别，如果烧结温度较高的情况下会对基底产生影响，另外该方法对于喷墨打印的要求较高，打印图形不均匀会产生局部电阻过大或是导线不平整的现象，还有这种单次打印的直接成型方式无法很好的调控金属线路的厚度。
可见，在非光刻的金属布线技术的开发中，人们主要把精力投放在“全加成法”的技术上，而现在可供加工的基材大多是以镀覆或压覆一定厚度的金属层的形式提供的，而且金属表面的处理与加工技术已比较成熟，而且进行进一步刻蚀后的线路的牢固程度也比较有保障；而且全加成法中，金属的定位生长并不都一定满足严格的选择性沉积，这会造成一些电迁移导致器件失效；最后，对于特定的加工对象，除掉前导部分的投入，最终采用刻蚀的方法成型往往会节约成本。因此，一种新型的“减成”技术亟待开发。
发明内容
针对金属布线技术依赖制模与光刻成型，固定投入高、周期长、单位成本高等问题，以及非光刻的全加成法发展不够成熟、部分基体加工困难、部分金属沉积定位选择性差等问题，本发明提出一种基于掩膜打印的金属线分布方法。
本发明提出的基于掩膜打印的金属线分布方法，以镀覆或压覆一定厚度金属层的板材作为基体，以抗刻蚀的保护剂作为替代性的打印材料，以打印设备作这打印材料定位分配装置，由计算控制在金属覆盖层上构造图形化的保护层，最后通过化学刻鉵，在基体表面加工出金属线路和图形。
本发明方法具有灵活廉价、便捷快速的特点，所获得的金属线路与图形与基体结合牢固，尺寸分辨率高(线宽约100微米)，本体特性均匀稳定。
本发明所采用的技术方案是表面处理。使用镀覆或压覆一定厚度金属层的板材作为基体，首先对上层金属进行清洗，可根据具体情况进行抛光或适当粗糙化处理，在保证表面平整度的同时提高表面对保护剂的吸附性。
打印或转印图形化保护剂层。可供选择的打印设备包括办公喷墨打印机、激光打印机、针式打印机等，将保护剂等作为替代墨水或替代墨粉加入到打印机的各颜色的墨盒内，再加入一些改性剂调整保护剂的物理性能，对于液体物质而言包括黏度和表面张力等性能，对于固体物质而言包括导热性、分散性等性能，目标在于提高其打印性能。这样借助打印设备定位定量的配分功能，其对墨水在量上的控制精度可达pL(1pL＝10-12L)级，其定位上的精度也可达100微米左右。线路以及图形的设计可以在电脑上用Photoshop、AutoCAD、Protel等绘图软件完成，其中就包括了图形的形状及大小、各位置的配分量、打印基材的性质、打印次数等参数，然后按照一般打印的程序就可以完成该步骤。
而对于一些大块硬质的基板或表面打印存在困难的基板来讲，可以采用转印的方式在表面构造图形化的保护剂层，具体方法是，先将设定图形的镜像图形打印在转印纸张上，再通过热压或接触的方式，将保护剂层从转印纸张上转移到金属层表面，从而构造正向的图案化的保护剂层。
化学刻蚀，保护剂层经过静置、冷却或晾干等后续处理后，即该图形层的性质稳定后，按照常规的化学刻蚀的方式将保护图形外暴露出来的金属层刻蚀完全，然后，使用溶剂清洗、物理摩擦等方式将保护剂层剥离下来，就可以得到图形化的金属层，进一步清洗，并封装即可完成金属布线的加工流程。
所使用的基板可以是压覆金属箔的PI树脂、BT树脂、FR-4树脂、聚酰亚胺薄膜等常规印制线路板板材，也可以是溅射、镀覆了金属覆盖层的硅片、玻璃、陶瓷等半导体、绝缘体材料。
可供加工的金属包括金、银、铜、铁、镍、铝等各类导电用或装饰用金属。
所使用的保护剂包括各类以氨基、巯基为终端的硅烷或链烃类自组装溶液，例如3-氨基丙基三甲氧基硅烷，3-巯基丙基三甲氧基硅烷，十二烷基硫醇等，自组装液的溶剂包括水、甲醇、甲苯、苯等物质，其浓度为0.5mM～5M。也可以采用高分子树脂、交联材料、热固材料或疏水材料的溶液，溶剂包括水、醇类及芳烃衍生物等物质，浓度为体积百分含量0.1％-30％。作为改性的添加剂为乙醇、乙二醇、聚乙二醇、丙三醇等保湿剂和表面活性剂等，加入量为保护剂在整体体积的20％以下。
所使用的保护剂也可以是固体，如可采用热固树脂等，这类保护剂应满足一下特点，颗粒小，易于在激光打印机内分散，并由静电吸附定位；玻璃化温度低，便于打印或转印的过程中的面对面转移；剥离、清洗方便，易溶于常规的有机溶剂内，如乙醇、丙酮等，保护剂层可由超声或擦拭的方法除去。可加入活性碳等提高分散性和导热性，活性碳的加入量为保护剂整体质量的10％～90％。
所使用的化学刻蚀的刻蚀液为常规标准刻蚀液即可，如利用酸性氯化铜刻蚀液加工铜的图形，利用三氯化铁与硫脲的混合溶液加工金的图形。可根据需要对刻蚀液进行加热提高刻蚀速度提高加工质量，但温度一般不超过50摄氏度。
该技术的有益效果为(1)这是一种非光刻的金属成形法，真正使金属布线走出大厂房，实现了真正意义上的桌面加工，无需制模、无需光刻机参与，固定投入少，生产周期短。
(2)由计算机设定线路，灵活性好，特别适用于原型设计与小批量生产，对于可抛弃式电子器件生产、概念性产品的研发来讲尤其有利。
(3)可以直接利用多种基材的金属镀覆板，可以实现半导体、绝缘体在内的各类挠性板与刚性板表面的金属加工，且金属层与基体结合紧密，可作为工业生产技术的有力补充。
(4)工艺简洁，设备要求简单，无有毒有害气体等产生，因此便于推广，尤其是适用于教学演示以及实验性加工。
总之，使用包括喷墨打印、激光打印、针式打印在内的打印设备完成图形转移进而刻蚀成型的金属加工技术，可以作为各种基体上各类金属布线的通用策略，有着便捷快速、灵活廉价的特点。
图1.图形转移法实现金属布线的流程示意图。
图2.在PI树脂上利用本发明方法加工的铜的图形及线路，最小线宽约150微米。其中，a为图形，b为线路。
图3.在硅片表面加工的金的梳状电极的图形，最小线宽约150微米。
具体实施例方式
1.PI树脂表面加工铜的线路表面处理采用压覆50微米铜箔的PI树脂基板作为基体，首先使用丙酮去除铜表面油脂，然后浸入稀酸中去处表面氧化层，清水冲洗后，用干布擦拭表面后备用。
对办公打印机的改装使用惠普激光打印机，使用前将墨粉盒取下，清空。使用热固树脂与活性碳的混合粉体为替代墨粉，热固树脂粉体的质量比为10％～90％。安装墨粉盒，调试，运行自清洁程序，去除多余墨粉。
在计算机上使用Protel软件绘制线路图形，墨粉通量设置为10％～100％。纸面类型为“重磅纸”，取消省墨模式，调整PI树脂片在打印纸上的固定位置，按照正常程序打印，在打印后取下静置1-10min。
取下PI树脂片，浸入双氧水、浓盐酸、10g/L氯化亚铜水溶液体积比为2∶1∶40的刻蚀液中进行刻蚀，温度为20～60摄氏度，刻蚀时间为2～10min，至表观无暴露铜为止停止刻蚀，取出后清水冲洗表面，晾干。使用丙酮棉球擦洗表面保护层，直至保护层完全脱离，清水冲洗丙酮及保护剂残留。封装备用，防止铜在空气中腐蚀。
结果参见图2所示。
2.硅片表面加工金的图形表面处理采用溅射300纳米厚金的硅片作为基体，首先在丙酮中超声清洗去处表面油脂，清水冲洗后，用纯Ar气流吹干表面后备用。
对办公打印机的改装使用惠普激光打印机，使用前将墨粉盒取下，清空。使用热固树脂与活性碳的混合粉体为替代墨粉，热固树脂粉体的质量比为10％～90％。安装，调试，运行自清洁程序，去除多余墨粉。
转印图形，在计算机上使用AutoCAD软件绘制线路图形，墨粉通量设置为10％～100％。纸面类型为“薄纸”，取消省墨模式，使用高分辨率油性纸作为转印纸张，调整转印纸在打印纸上的固定位置，打印前设置“水平镜像”打印，按照正常程序打印，在打印后取下静置1到10分钟。将转印纸取下，将其与金面面相对放置，20～200摄氏度热压，时间0.5～10分钟，压力2～20千克。取出后静置冷却，冷却至室温，轻轻玻璃转印纸，纸上的图形已镜像复制到金的表面。
将硅片浸入0.2～20g/L三氯化铁与0.2～20g/L的硫脲的混合水溶液中进行刻蚀，温度为20～60摄氏度，刻蚀时间为2～10min，至表观无暴露的金为止停止刻蚀，取出后清水冲洗表面，晾干。使用丙酮超声清洗表面保护层，直至保护层完全脱离，清水冲洗丙酮及保护剂残留。封装备用。
结果参见图3所示。
权利要求
1.一种基于掩膜打印的金属布线方法，其特征在于具体步骤如下以镀覆或压覆一定厚度金属层的板材作为基体，以抗刻蚀的保护剂作为替代性的打印材料，以打印设备作这打印材料定位分配装置，由计算控制在金属覆盖层上构造图形化的保护层，最后通过化学刻蚀，在基体表面加工出金属线路和图形。
2.根据权利要求1所述的基于掩膜打印的金属布线方法，其特征在于所述保护剂采用以氨基、巯基为终端的硅烷或链烃类自组装溶液，自组装液的溶剂为水、甲醇、甲苯或苯，其浓度为0.5mM～5M；或者采用高分子树脂、交联材料、热固材料或疏水材料的溶液，溶剂为水、醇类或芳烃衍生物，浓度按体积百分含量计为0.1％-30％。
3.根据权利要求2所述的基于掩膜打印的金属布线方法，其特征在于所述保护剂中加有改性添加剂，改性添加剂为保湿剂和表面活性剂，加入量为保护剂整体体积的20％以下。
4.根据权利要求1所述的基于掩膜打印的金属布线方法，其特征在于所述保护剂为热固树脂，其中加入有活性碳，活性碳的加入量为保护剂整体质量的10％-90％。
5.根据权利要求1所述的基于掩膜打印的金属布线方法，其特征在于所述的基体为压覆金属箔的PI树脂、BT树脂、FR-4树脂或聚酰亚胺薄膜，或者为溅射、镀覆了金属覆盖层的硅片、玻璃或陶瓷。
6.根据权利要求1所述的基于掩膜打印的金属布线方法，其特征在于所述的的金属为金、银、铜、铁、镍或铝。
全文摘要
本发明属于金属布线和金属成型技术领域，具体为一种基于掩膜打印的金属布线方法。该方法以镀覆或压覆一定厚度金属层的板材作为基体，以抗刻蚀的保护剂作为替代性的打印材料，以打印设备作这打印材料定位分配装置，由计算控制在金属覆盖层上构造图形化的保护层，最后通过化学刻蚀，在基体表面加工出金属线路和图形。本发明方法具有灵活廉价、便捷快速的特点，所获得的金属线路与图形与基体结合牢固，尺寸分辨率高(线宽约100微米)，本体特性均匀稳定。
文档编号H05K1/09GK101052278SQ200710039650
公开日2007年10月10日 申请日期2007年4月19日 优先权日2007年4月19日
发明者王金意, 黄贝贝, 蔡文斌 申请人:复旦大学