在聚酰亚胺薄膜上实现微纳图形化处理的方法与流程

本发明涉及一种在聚酰亚胺薄膜上实现微纳图形化处理的方法，属于柔性基板技术领域。

背景技术：

柔性基板的主要优点是能够根据设计的需求和规格以几种几何结构折叠或卷动电路板，从而以较低的成本提供更高性能的解决方案。而聚酰亚胺作为一种柔性基板材料，具有出色的化学、机械和热性能以及出色的高温稳定性（最高400℃）。它的高孔隙率表明它的介电常数很低，这使其适用于微电子的多种应用。在聚酰亚胺上实现微纳图形化处理，可以制备柔性射频天线，该天线将能够根据应用需求滚动，拉伸和弯曲。可以降低可穿戴无线设备的成本和扩大应用范围。

对于在柔性基板上进行图形化处理的研究，目前也有很多。如，基于聚酰亚胺的柔性倒f天线（fifa），用于uhf操作的基于聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）的柔性天线，以及用纸作为rfid天线的替代基板选项。在以上的研究中，天线被设计为在低频（2.4ghz）下工作，具有较大尺寸的结构。要想天线工作在较高频率下，其射频系统（包括天线）就需要缩小尺寸。当天线设计成工作在60ghz时，传统的丝网印刷图形化处理方式无法实现这么小的尺寸，因此需要利用微纳图形化处理工艺来得到小尺寸的天线。

技术实现要素：

本发明提出了一套完整的可以在柔性基板聚酰亚胺薄膜上制造微纳图形的工艺方法。利用该工艺可以制造出能够工作在60ghz频率下的柔性天线。

本发明的技术方案具体介绍如下。

一种在聚酰亚胺薄膜上实现微纳图形化处理的方法，具体步骤如下：

（1）先将聚碳酸亚丙酯ppc材料旋涂在硅片上，然后将聚酰亚胺薄膜贴合在硅片上面，再将ppc在150~180℃的温度下固化1.5~2.5h，以去除溶剂并使聚合物稳定，最后经过短时间的晶片键合技术使薄膜变得平坦；

（2）使用蒸发工艺在步骤（1）的样品上沉积铝层；

（3）在步骤（2）的样品上旋涂正性光刻胶层；

（4）在紫外线照射的作用下，用掩膜版对光刻胶涂层进行选择性曝光，再进行软烘干；

（5）用刻蚀剂对光刻胶进行化学刻蚀，刻蚀掉被曝光的正性光刻胶，而未经曝光的部分则保留下来形成特定图形；

（6）先使用al0.6glass配方进行干法蚀刻对铝层进行刻蚀，再通过湿法刻蚀去掉暴露在外面的铝层，保留被光刻胶覆盖的铝层；

（7）将经过湿法蚀刻的样品暴露在紫外线下，然后用丙酮去除剩余的光刻胶；

（8）在200~250℃的温度下加热被剥离光刻胶的样品，聚碳酸亚丙酯ppc材料分解为水和二氧化碳，获得实现微纳图形化处理的聚酰亚胺薄膜。

本发明中，步骤（1）中，聚酰亚胺薄膜的厚度为10-150μm，晶片键合技术的工艺条件为：35℃的温度下，施加500n的力3min。

本发明中，步骤（2）中，铝层的厚度为0.1-2μm，正性光刻胶层的厚度为1-3μm。

本发明中，步骤（4）中，掩模版导电间隙宽度为2μm-130mm，软烘干温度为95℃，软烘干时间为1min。优选的，掩模版导电间隙宽度为12μm-125mm。

本发明中，步骤（5）中，刻蚀剂是碱性tmah显影液。

本发明中，步骤（6）中，干法蚀刻的具体工艺参数如下：溅射0.5~1s，在25℃下冷却3~5分钟，再溅射0.5~1s，再度冷却3~5分钟，如此循环直到厚度满足0.6μm的需求。

本发明中，步骤（6）中，湿法蚀刻采用氢氟酸。

和现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）本发明提供了在柔性基板上进行微纳图形化处理的工艺，而天线的工作频率与其图形尺寸有关，尺寸越小工作频率越高；

2）本发明工艺采用先干法蚀刻和后湿法蚀刻的步骤，得到的共面微带传输线（cpw）的导电间隙宽度可以仅有12微米，甚至最小可以仅为2微米；

3）本发明对制得的天线进行测量，通过使用suss半自动探针台和anritsu网络分析仪在50-65ghz频带内测试，以确定天线的反射系数，从而得到该天线的谐振频率。经测量，在共面微带传输线（cpw）的导电间隙宽度为125微米时，天线可以在略低于60ghz（53ghz）的频率下工作。从而将柔性天线的工作频率从2.4ghz提升到了60ghz左右，为柔性毫米波传感器的制造提供了可能；

4）柔性基板的厚度也影响天线的工作频率，厚度越厚，频率越高。图2和图3为25微米的柔性基板与125微米的柔性基板的频率与介电常数关系，可看出厚度增加100微米，可使基板上天线对应的工作频率上升3-8个数量级。介电常数与频率的关系同时可证明天线内部寄生的电容与柔性基板的厚度有关，进而可以影响天线的带宽。随着基板厚度的增加，其寄生电容减小，带宽则随之增加。因此，本发明可以通过调节聚酰亚胺薄膜的厚度使得天线适应不同工作频率。

附图说明

图1为用ppc粘合kapton®薄膜进行图像化处理的流程图。

图2为25微米的柔性基板的频率与介电常数关系。

图3为125微米的柔性基板的频率与介电常数关系。

图4为实施例1中干法蚀刻和湿法蚀刻后所获得天线与共面微带传输线图形；（a）是天线的导体间隙和导体宽度的示意图，（b）是具体参数。

图5为实施例1中干法蚀刻和湿法蚀刻后所获得小尺寸天线图形；（a）是天线的导体间隙和导体宽度的示意图，（b）是具体参数。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。

实施例1

如图1所示，在聚酰亚胺薄膜上实现天线与共面微带传输线（cpw）的微纳图形化处理的流程如下：

（a）先将一层ppc（聚碳酸亚丙酯）材料旋涂在硅片上，然后将厚度为125±5μm的聚酰亚胺薄膜（kapton®薄膜）贴合在上面，再将ppc在160℃下固化2h，以去除溶剂并使聚合物稳定，从而简化蚀刻过程。最后薄膜经过短时间（3分钟）的晶片键合技术（500n，35℃）以达到尽可能的平坦；

（b）使用蒸发工艺沉积一层2μm厚度的铝层；

（c）旋涂3μm厚的正性光刻胶层；

（d）在紫外线照射的作用下，用导电间隙宽度为12μm的cpw掩模版对光刻胶涂层进行选择性曝光，得到小尺寸的cpw图形，并在95℃下软烘烤1分钟；

（e）用刻蚀剂对光刻胶进行化学刻蚀，可刻蚀掉被曝光的正性光刻胶，而未经曝光的部分则保留下来形成特定图形；

（f）用蚀刻工艺对铝层进行刻蚀，可以刻蚀掉暴露在外面的铝层，保留被光刻胶覆盖的铝层。首先使用al0.6glass配方进行干法刻蚀。具体工艺参数为溅射1s，在25℃下冷却5分钟，再溅射1s，再度冷却5分钟，如此循环直到厚度满足0.6μm的需求。然后通过湿法刻蚀（0.55％的hf）将金属图案定型1分钟。此过程可以达到最佳效果，在显微镜观察下线条流畅清晰；

（g）光刻胶剥离。为了避免铝层的任何损坏，在湿法蚀刻之后将样品暴露在紫外线下，然后用丙酮去除剩余的光刻胶；

（h）薄膜分离。ppc是一种聚合物材料，在晶片键合之前用作硅晶片和kapton®薄膜之间的临时粘合介质，在180℃以内显示出高稳定性。当加热到200℃以上时，它会分离为水和二氧化碳，同时不会残留任何聚合物。因此只要在200℃加热，就可以很容易地将其去除。

图4为实施例1中的干法蚀刻和湿法蚀刻后所获得天线与共面微带传输线图形。(a)是天线的导体间隙和导体宽度的示意图，(b)是具体参数。

图5为实施例1中的干法蚀刻和湿法蚀刻后所获得小尺寸天线图形。(a)是天线的导体间隙和导体宽度的示意图，(b)是具体参数。

实施例2

如图1所示，在聚酰亚胺薄膜上实现小尺寸天线和信号传输微带线的微纳图形化处理的流程如下：

（a）先将一层ppc（聚碳酸亚丙酯）材料旋涂在硅片上，然后将厚度为127μm的聚酰亚胺薄膜（kapton®薄膜）贴合在上面，再将ppc在180℃下固化2h，以去除溶剂并使聚合物稳定，从而简化蚀刻过程。最后薄膜经过短时间（3分钟）的晶片键合技术（500n，35℃）以达到尽可能的平坦；

（b）使用蒸发工艺沉积一层2μm厚度的铝层；

（c）旋涂3μm厚的正性光刻胶层；

（d）在紫外线照射的作用下，用经过设计的导电间隙宽度为125μm的微带线掩模版对光刻胶涂层进行选择性曝光，得到小尺寸的微带线图形，并在95℃下软烘烤1分钟；

（e）用刻蚀剂对光刻胶进行化学刻蚀，可刻蚀掉被曝光的正性光刻胶，而未经曝光的部分则保留下来形成特定图形；

（f）用蚀刻工艺对铝层进行刻蚀，可以刻蚀掉暴露在外面的铝层，保留被光刻胶覆盖的铝层。首先使用al0.6glass配方进行干法刻蚀。具体工艺参数为溅射1s，在25℃下冷却5分钟，再溅射1s，再度冷却5分钟，如此循环直到厚度满足0.6μm的需求。然后通过湿法刻蚀（0.55％的hf）将金属图案定型1分钟。此过程可以达到最佳效果，在显微镜观察下线条流畅清晰；

（g）光刻胶剥离。为了避免铝层的任何损坏，在湿法蚀刻之后将样品暴露在紫外线下，然后用丙酮去除剩余的光刻胶；

（h）薄膜分离。ppc是一种聚合物材料，在晶片键合之前用作硅晶片和kapton®薄膜之间的临时粘合介质，在180℃以内显示出高稳定性。当加热到200℃以上时，它会分离为水和二氧化碳，同时不会残留任何聚合物。因此只要在200℃加热，就可以很容易地将其去除。

该工艺实现了在柔性基板上进行天线和传输线的微纳图形化处理。刻蚀时，得益于本工艺采用的先干法蚀刻和后湿法蚀刻的步骤，实施例1得到的共面微带传输线（cpw）的导电间隙宽度仅有12微米，可以更好地将高频信号进行电磁耦合过渡。而实施例2得到的微带线的导电间隙宽度仅有125微米，从而将柔性天线的工作频率从2.4ghz提升到了60ghz，为柔性毫米波传感器的制造提供了可能。测试时，我们使用suss半自动探针台和anritsu网络分析仪，在50-65ghz频带内通过晶片测量完成最终结构，以确定天线的反射系数，从而得到该天线的谐振频率。实验结果表明该设计可以在略低于60ghz（53ghz）的频率上准确运行。

本发明可以用于可穿戴设备中柔性天线以及毫米波传感器（如，车载射频雷达、毫米波人体感应传感器）的制备。

采用本发明工艺还可以在聚酰亚胺薄膜上实现2μm-10mm缝宽的金属铝微纳图形化处理。