專(zhuān)利名稱(chēng)：一種在玻璃基質(zhì)上進(jìn)行金屬定位沉積的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在玻璃基質(zhì)上進(jìn)行金屬定位沉積形成所需圖案的方法。
背景技術(shù)：
玻璃基體是印制電路生產(chǎn)中所使用的剛性基板的一種，特種玻璃在未來(lái)的多層線(xiàn)路封裝中也有著很大的發(fā)展前景。另外，隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，液晶顯示器(LCD)、等離子顯示器(PDP)等高科技電子顯示產(chǎn)品相繼產(chǎn)生。這種平板顯示器具有體積小、重量輕、能耗低、圖像清晰、無(wú)輻射、不閃爍等特點(diǎn)，有望成為未來(lái)通用的電子顯示基板，而這類(lèi)平板顯示器所需的基礎(chǔ)材料就是玻璃基板。隨著玻璃基體在微電子加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，玻璃基體表面上的功能修飾與組裝工藝在近期得到了快速的發(fā)展，這類(lèi)加工工藝多采用多層復(fù)合的封裝技術(shù)，因而每個(gè)功能層內(nèi)部器件的線(xiàn)路連接以及各層之間導(dǎo)通的連線(xiàn)技術(shù)就成了整個(gè)工藝中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
傳統(tǒng)的布線(xiàn)技術(shù)基本上都是建立在光刻技術(shù)的基礎(chǔ)上的，光刻過(guò)程的實(shí)現(xiàn)需要配置一系列精密的儀器并滿(mǎn)足嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)條件，因而難于降低成本。另外，這類(lèi)金屬成型方法大多是掩模法結(jié)合選擇性腐蝕的減成法，這樣就會(huì)存在被腐蝕金屬的回收，及伴隨的污染及浪費(fèi)等問(wèn)題。所以一種非光刻的加成法的直接金屬成型方式在未來(lái)工藝中占有十分重要的地位。
另外一種基于噴墨打印技術(shù)的金屬布線(xiàn)工藝最近也得到了發(fā)展，其主要的方法是合成可以噴墨打印的金屬溶膠，這種溶膠的特點(diǎn)是金屬的納米顆粒由表面活性劑包覆分散在有機(jī)溶劑中，被打印的溶膠在表面擴(kuò)散連接為連續(xù)的圖形，在一定溫度下燒結(jié)，則可以形成導(dǎo)電的金屬圖形(目前僅限于金和銀)。這種方法的主要缺點(diǎn)是燒結(jié)溫度隨著溶膠種類(lèi)的不同而有差別，如果燒結(jié)溫度較高的情況下會(huì)對(duì)基底產(chǎn)生影響，另外該方法對(duì)于噴墨打印的要求較高，如果打印圖形不均勻，那么燒結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部電阻過(guò)大或是導(dǎo)線(xiàn)不平整的現(xiàn)象，還有這種單次打印的干法成型方式無(wú)法很好的調(diào)控金屬線(xiàn)路的厚度。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)玻璃基底上非光刻金屬成型技術(shù)發(fā)展不完善，以及干法燒結(jié)溶膠對(duì)于金屬圖形物理特性的控制上困難等問(wèn)題，本發(fā)明提出一種工藝簡(jiǎn)單、調(diào)控方便，沒(méi)有浪費(fèi)和污染的在玻璃基質(zhì)上進(jìn)行金屬定位沉積的方法。
本發(fā)明提出的在玻璃基質(zhì)上進(jìn)行金屬定位沉積的方法，是以硅片上金屬定位沉積技術(shù)為基礎(chǔ)，將整個(gè)自組裝與噴墨打印技術(shù)結(jié)合的工藝擴(kuò)展到玻璃基體上的金屬定位沉積，首先對(duì)玻璃基體進(jìn)行自組裝修飾，然后應(yīng)用噴墨打印技術(shù)建立一種適應(yīng)于多種金屬沉積的直接成型方法，所獲得的定位沉積層具有與基體結(jié)合牢固、尺寸分辨率高(線(xiàn)寬約100微米)、本體特性均勻穩(wěn)定的特點(diǎn)。
本發(fā)明的具體步驟是先在經(jīng)表面清洗與羥基化的玻璃基底浸入自組裝液，在基底表面上結(jié)合一層自組裝層，這層分子與硅表面分子存在鍵合作用，從而可以較牢固地附著在表面；將化學(xué)沉積過(guò)程所需的用于噴墨打印的催化劑溶液裝入改造的辦公打印機(jī)的貯墨裝置內(nèi)，在計(jì)算機(jī)上利用繪圖軟件設(shè)置所需的圖形(包括大小，形狀)，由打印機(jī)接收計(jì)算機(jī)的信號(hào)對(duì)所噴射墨水量和位置進(jìn)行控制，在結(jié)合有自組裝層的玻璃基底表面進(jìn)行噴墨打印，實(shí)現(xiàn)催化劑在基底表面上的圖案化分布，從而建立所需的催化劑模版。催化劑與玻璃基底表面之間經(jīng)由自組裝層就可以形成較強(qiáng)的結(jié)合。然后將模板浸入化學(xué)沉積鍍液中進(jìn)行化學(xué)鍍金屬，由于化學(xué)沉積過(guò)程中的金屬離子只在催化劑周周還原并按一定速度生長(zhǎng)，從而形成與催化劑層形狀一致的圖案化的沉積層。這樣就得到了預(yù)想的結(jié)合牢固且可控形狀和厚度的金屬布局。
本發(fā)明形成的自組裝液中的自組裝劑可采用各類(lèi)以氨基或巰基為終端的硅烷類(lèi)物質(zhì)，例如3-氨基丙基三甲氧基硅烷，3-巰基丙基三甲氧基硅烷等，自組裝液的溶劑包括水、甲醇、甲苯或苯等物質(zhì)。所使用的噴墨打印用的催化劑溶液包括金、銀或鈀金屬的溶膠或離子鹽溶液?？梢赃M(jìn)行化學(xué)鍍的金屬包括金、銀、銅、鎳或合金(如鎳磷合金、鎳硼合金等)。
本發(fā)明中，自組裝液中自組裝劑的質(zhì)量濃度為0.1-20％，自組裝時(shí)間一般為2分鐘-10小時(shí)，噴墨打印用的催化劑溶液的濃度為0.5Mm-50mM?；瘜W(xué)鍍時(shí)間為2-20分鐘。
化學(xué)鍍是鎳、銅等合金在非導(dǎo)體表面沉積的主要方式，實(shí)現(xiàn)條件溫和，操作簡(jiǎn)單，工藝成熟，在工業(yè)上得到了很廣泛的應(yīng)用?；瘜W(xué)鍍的一個(gè)先決條件是金屬沉積的基底表面要具有對(duì)化學(xué)鍍沉積反應(yīng)的催化活性，而對(duì)玻璃這一類(lèi)非金屬材料，它們的表面都不具有催化活性，因此施鍍過(guò)程要預(yù)先經(jīng)過(guò)表面活化處理。活化方法主要有貴金屬活化法、非貴金屬活化法、半導(dǎo)體氧化物法、激光誘導(dǎo)沉積法和光敏劑法等。而對(duì)于加成法的布線(xiàn)技術(shù)更需尺寸分辨高的定位活化。
噴墨打印技術(shù)是新興的對(duì)液態(tài)物質(zhì)進(jìn)行定位定量配分的技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是速度快、耗樣量小、靈活性高、適宜于多種基體表面的加工，將化學(xué)鍍所需的催化劑作為替代墨水注入到噴墨打印機(jī)墨盒內(nèi)部，按照?qǐng)D形設(shè)計(jì)，將催化劑噴射到基體表面的預(yù)定位置，就可以實(shí)現(xiàn)定位活化的目的。由于化學(xué)沉積過(guò)程受催化劑引發(fā)發(fā)生，而且只發(fā)生在有催化劑存在的區(qū)域，這樣便可以得到定位沉積的金屬層。這樣的方法屬于金屬的直接成型方法，是無(wú)需掩模的加成法，在未來(lái)有著較大的應(yīng)用前景。
然而，玻璃基體表面直接與活化劑的作用較弱，如果直接將催化劑噴射到基質(zhì)表面進(jìn)而進(jìn)行化學(xué)沉積的話(huà)，所得的沉積層與表面的結(jié)合也很弱，往往在鍍液中就會(huì)發(fā)生脫落。因此表面改性就成為這類(lèi)化學(xué)沉積實(shí)現(xiàn)的前提條件。使用自組裝劑在表面形成自組裝層，這種自組裝層與基質(zhì)表面以及催化劑之間有較強(qiáng)的化學(xué)或物理作用，這樣再進(jìn)行化學(xué)沉積所得的沉積層的結(jié)合力就會(huì)得到大幅度的提高。
本發(fā)明是一種非接觸的直接金屬成形法，對(duì)玻璃基體只進(jìn)行一次單層修飾，工藝簡(jiǎn)潔，設(shè)備要求簡(jiǎn)單，另外作為加成法，不會(huì)造成不必要的浪費(fèi)與污染，是玻璃基體上濕法布線(xiàn)技術(shù)快速、低成本的實(shí)現(xiàn)方式。


圖1.在玻璃基底上定位沉積銅的圖像。
圖2.在玻璃基底上定位沉積鎳硼合金的圖像。
具體實(shí)施例方式
1.玻璃表面定位沉積銅對(duì)玻璃基底表面進(jìn)行修飾將玻璃表面在H2SO4∶H2O2的體積比為7∶3的混合液中氧化清洗，清洗后浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1～10％的APTMS(3-氨丙基三甲氧基硅烷)甲苯溶液中1～8小時(shí)，取出后清洗。
對(duì)辦公打印機(jī)的改裝使用Canon噴墨打印機(jī)，使用前將無(wú)墨盒的打印頭取下，用去離子水浸沒(méi)打印機(jī)的噴嘴部位，同時(shí)用超聲儀反復(fù)清洗多次。自行設(shè)計(jì)改造進(jìn)墨管，注入催化劑溶液，并保證打印頭無(wú)漏墨現(xiàn)象。該方法所用的催化劑為氯鈀酸鈉(Na2PdCl4)水溶液，濃度為0.5mM～50mM。
在計(jì)算機(jī)上使用繪圖軟件繪制線(xiàn)路圖形，顏色設(shè)置為CMYK的通量為10％～100％。調(diào)整玻璃片在打印紙上的固定位置，在打印后取下玻璃片密封靜置0.5～6小時(shí)。
取出玻璃片在甲苯溶劑里超聲清洗，然后浸入鍍液中。其中，化學(xué)沉積鍍液使用儲(chǔ)備液和還原液體積比為100∶1-2的混合液，儲(chǔ)備液的組成含體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1～10g/L的硫酸銅，1～50g/L的酒石酸鉀鈉，1～10g/L的氫氧化鈉。還原液為甲醛水溶液，甲醛與水的體積比為1-2∶100，浸沒(méi)2～20分鐘取出，所得即是所需的表面金屬化的玻璃片。具體結(jié)果見(jiàn)圖1。
2.玻璃表面定位沉積鎳硼合金對(duì)玻璃表面進(jìn)行修飾將玻璃表面在H2SO4∶H2O2的體積比為7∶3的混合液中氧化清洗，清洗后60攝氏度下浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1～15％的APTMS(3-氨丙基三甲氧基硅烷)甲苯溶液中2～20分鐘，取出后清洗。
使用改裝的打印機(jī)打印催化劑，催化劑為氯鈀酸鈉(Na2PdClO4)水溶液，濃度為0.5mM～50mM。在計(jì)算機(jī)上使用繪圖軟件繪制預(yù)設(shè)圖形，顏色設(shè)置為CMYK的通量為10％～100％。調(diào)整玻璃片在打印紙上的固定位置，在打印后取下玻璃片密封靜置0.5～6小時(shí)。
取出玻璃片在甲苯溶劑里超聲清洗，然后浸入鍍液中。化學(xué)沉積鍍液使用儲(chǔ)備液和還原液體積比為4∶1-2的混合液，儲(chǔ)備液的組成含體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1-50g/L的硫酸鎳，1-20g/L的檸檬酸鈉，1-20mL/L的乳酸。還原液為二甲基氨硼烷的水溶液，二甲基氨硼烷的含量為1-10g/L，浸沒(méi)2到20分鐘取出，所得即是所需的表面金屬化的玻璃片。具體結(jié)果見(jiàn)圖2。
本發(fā)明得到國(guó)家自然科學(xué)基金(NSFC20473025)，教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”(NCET-04-0349)和上海市納米專(zhuān)項(xiàng)(0452nm064-2)資助。
權(quán)利要求
1.一種在玻璃基質(zhì)上進(jìn)行金屬定位沉積的方法，其特征在于具體步驟如下先在經(jīng)表面清洗與羥基化的玻璃基底浸入自組裝液，在基底表面上結(jié)合一層自組裝層，將化學(xué)沉積過(guò)程所需的用于噴墨打印的催化劑溶液裝入改造的辦公打印機(jī)的貯墨裝置內(nèi)，在計(jì)算機(jī)上利用繪圖軟件設(shè)置所需的圖形，由打印機(jī)接收計(jì)算機(jī)的信號(hào)對(duì)所噴射墨水量和位置進(jìn)行控制，在結(jié)合有自組裝層的玻璃基底表面進(jìn)行噴墨打印，實(shí)現(xiàn)催化劑在基底表面上的圖案化分布，從而建立所需的催化劑模版；然后將該模板浸入化學(xué)沉積鍍液中進(jìn)行化學(xué)鍍金屬，形成與催化劑層形狀一致的圖案化的金屬沉積層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于自組裝溶液中自組裝劑采用以氨基或巰基為終端的硅烷類(lèi)物質(zhì)，溶劑采用甲醇、甲苯或苯，溶液的質(zhì)量濃度為0.1-20％，自組裝時(shí)間為2分鐘-10小時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于用于噴墨打印的催化劑采用溶液金、銀或鈀金屬的溶膠，或它們的離子鹽溶液，其濃度為0.5Mm-50mM。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的化學(xué)鍍的金屬為銀、銅、鎳或其合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述化學(xué)沉積鍍液采用儲(chǔ)備液和還原液體積比為100∶1-2的混合液，該儲(chǔ)備液的組分中含體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1～10g/L的硫酸銅，1～50g/L的酒石酸鉀鈉，1～10g/L的氫氧化鈉；該還原液為甲醛水溶液，甲醛與水的體積比為1-2∶100。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述化學(xué)沉積鍍液采用儲(chǔ)備液和還原液體積比為4∶1-2的混合液，該儲(chǔ)備液的組分中含體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1～50g/L的硫酸鎳，1～20g/L的檸檬酸鈉和1～20g/L的乳酸；該還原液為二甲基氨硼烷的水溶液，二甲基氨硼烷的含量為1-10g/L。
全文摘要
本發(fā)明為一種在玻璃基質(zhì)上進(jìn)行金屬定位沉積形成所需圖形的方法。該方法包括在玻璃基質(zhì)表面進(jìn)行自組裝修飾，形成自組裝層，利用噴墨打印技術(shù)在經(jīng)修飾的玻璃基質(zhì)上形成所需圖形的催化劑層。該圖形由計(jì)算機(jī)繪圖軟件設(shè)置，噴墨打印圖形過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制；然后利用化學(xué)鍍方法在玻璃基質(zhì)表面沉積金屬層，形成與催化劑層圖形一致的金屬層圖形。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，調(diào)控方便，沒(méi)有浪費(fèi)和污染。金屬層圖案與玻璃基底結(jié)合牢固，穩(wěn)定性好。
文檔編號(hào)C03C17/10GK1850687SQ20061002669
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月18日
發(fā)明者王金意, 蔡文斌 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)