本发明属于微电子技术领域，涉及一种可用于电子线路设计制备并使用激光直写技术快速获得微型电极电路的方法，具体是指一种大面积激光直写制备柔性微型电极电路的方法。
背景技术：
在微电子和半导体领域，微型电子元件之间进行连接并导通是实现电路各种复杂功能的前提。电子器件向微型化、集成化、柔性化发展，新型平板显示、柔性电子器件、能源器件对印刷电子材料与器件提出了更高要求，希望更大尺寸、柔性化、低成本制造。用于电子元器件互联的印刷电路板工艺已不能满足电路互联向高密度、高精度、轻量、薄型发展的要求。为了减少布线和装配的差错，提高自动化水平和生产效率，采用更精细的导线完成电路互联才可以满足集成电路高密度和集成度的要求。
然而，目前现有的印刷电路板工艺大部分采用蚀刻的方法来获得导电电路。将导电线路宽度减小到一定程度后容易导致其形貌发生变形或不连续，从而无法完成互联。且工艺相对比较复杂，如何获得小的线路宽度且有良好的导电性，又较为容易完成整个电路板的灵活制作与修改一直是微电路互联领域的一大难题。
此外，各种电极材料，如柔性透明电极，在各种电子器件制作和电磁屏蔽等领域被大量使用，传统的ito(氧化铟锡)由于其脆性不适用于柔性电子产品，且元素铟是昂贵的稀土金属，具有较高的材料成本。制备ito的溅射工艺速度缓慢，效率较低，且易导致大量的材料浪费，从而进一步增加制造成本。鉴于以上ito存在的缺点，研究人员进行了大量的研究来寻求替代材料，比如铝掺杂氧化锌、氟掺杂氧化锡、碳纳米管、石墨烯等，然而这些替代物在柔性器件的应用上存在易脆裂、透光性差或者性能不可控的缺点。铜具有与银相似的导电性能却比银便宜了90倍，是一种理想的用于制备透明电极的材料。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有电极电路制备工艺存在的技术缺点，提供一种大面积激光直写快速制备柔性微型电极电路的方法，基于激光直写技术，本发明提供的制备方法简单易操作、无污染，制备得到的薄膜厚度均匀、表面光滑平整、可靠性好。
本发明提供的一种大面积激光直写制备柔性微型电极电路的方法，包括以下步骤：
步骤一：选取基底并对所述基底进行预处理；
所述的基底为：硅片、pet(聚乙烯对苯二甲酸乙二酯)、pen(聚萘二甲酸)、pi(聚酰亚胺)或pdms(聚二甲基硅氧烷)等。
步骤二：在预处理后的基底上制备铜膜；
所述的铜膜是在预处理后的基底上采用磁控溅射、射频溅射、直流溅射、离子束溅射和激光脉冲沉积等物理气相沉积方法以及无电化学沉积和电化学沉积等电沉积方法中的任意一种。所述铜膜厚度范围为5nm～5μm。
步骤三：使用作图软件设计好需要的微型电极电路图；
所述的作图软件包括coreldraw、altiumdesigner、protel99、powerpcb等软件，设计好的微型电极电路为灰度或彩色图像。
所述的微型电极电路图的最小特征尺寸为6μm，直写面积高达100平方厘米(10cm×10cm)。
步骤四：使用激光直接在步骤二制备好的铜膜上制备出步骤三所设计的微型电极电路图，具体为：
使用激光照射铜膜，激光所照射之处的铜膜被移除，保留基底上需要导通路径的铜膜，最终获得高精度的电极电路图。
所述激光采用脉冲激光器发射的激光，频率范围为3～300khz，脉冲宽度为1ns～100μs，最小输出功率为1.5w。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)、采用工业化生产中常用的物理气相沉积或电沉积的方法来制备各种基底铜膜，具有制备简单方便、无污染、薄膜厚度均匀、表面光滑等优点。
2)、整个制备方法不需要进行旋涂甩胶、蚀刻、显影等复杂步骤，通过简单调整参数即可制备大面积、厚度、尺寸可控的微米尺度的互联导通线路；可用于电路刻写和器件互联。
3)、本发明方法生产流程周期短，成本低，生产效率高，性能可靠，操作简单可控，易于实现工业化生产。
4)、该方法可在常温常压下，也可以在真空中进行，具有广泛的适用范围。
5)、该方法可以应用于镀覆金属的各种柔性或刚性基底，对于透明柔性基底，其所制备出的微型电极电路具有良好的透光性，可应用作为柔性透明电极，制备的微型电极电路在电子元器件的功能集成、能源的转化存储、柔性传感及其他柔性半导体器件的制备加工等领域有着广阔的应用前景。
附图说明
图1a是实施例1使用作图软件设计好的微型电路图；
图1b是实施例1激光照射后的微型电路图像；
图1c是实施例1激光照射后的图像在背底图上的对比示意图；
图1d是一个背底图；
图2a是实施例2使用作图软件设计好的电路示意图；
图2b是实施例2激光照射后2μm厚度的铜膜的微型电路示意图；
图3a是实施例3使用作图软件设计好的电极示意图；
图3b是实施例3激光照射后4个透明电极图，右上角的插入图是左上角的透明电极图的局部放大图；
图4a是实施例4使用作图软件设计好的电极示意图；
图4b是实施例4激光照射后网格电极图像(局部放大图)，右上角为激光照射后1μm厚度铜膜的电极图像示意图；
图5a是实施例5使用作图软件设计好的图像示意图；
图5b是实施例5激光照射后的图像示意图；
图5c是200nm厚铜膜特征寸为10μm的光学显微镜示意图；
图5d是200nm厚铜膜特征尺寸为6μm的光学显微镜示意图。
图6是200nm厚铜膜特征尺寸为10μm的sem显微镜示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种大面积激光直写制备柔性微型电极电路的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：选取基底并对其进行清洗与预处理；
步骤二：在预处理后的基底上制备铜膜；
步骤三：使用作图软件设计好需要的微型电极电路图；
步骤四:使用激光直接在步骤二制备的铜膜上制备出步骤三所设计的微型电极电路图。
为了进一步详细说明，本发明提供如下具体实施例。
实施例1
本实施例展示了一种大面积激光直写制备柔性微型电路的方法，包括如下步骤：
第一步，选取pet基底，采用常规方法对其进行清洗与干燥预处理。
首先用去离子水冲洗干净基底后，将基底浸泡在装有丙酮的玻璃烧杯中，置入超声波仪器中超声15分钟；再将基底浸泡在装有无水乙醇的玻璃烧杯中，置入超声波仪器中超声15分钟；最后再将基底浸泡在装有去离子水的玻璃烧杯中，置入超声波仪器中超声5分钟，并用高纯氮气(纯度为99.99％)吹干并放入烘箱中干燥,然后等离子表面处理3分钟。。
第二步，采用物理气相沉积工艺，通过磁控溅射方式在预处理后的pet基底上沉积一层铜膜，铜膜厚度为200nm。
所述的磁控溅射方式为：将预处理后的pet基底置于磁控溅射仪真空内，通入纯度为99.99％的氩气溅射清洗靶材15分钟及反溅射清洗pet基底15分钟。靶和基底的距离为6cm，基台旋转速度为20r/min，氩气流量为20sccm，溅射气压为0.5pa，溅射功率为100w，溅射时间大约5min。
第三步，使用coreldraw作图软件设计好需要的微型电路图。格式为dxf彩色图像。如图1a所示为设计好的微型电路图。
第四步，使用激光直接在铜膜上打出与图1a设计好的微型电路图，激光打掉不需要导通的铜膜区域，仅保留需要导通的铜膜区域，得到图1b所示的激光照射后的微型电路图。所述微型电路图中最小特征尺寸为6μm。且从图1c和图1d图可以看出，由于pet本身具有透光性，铜层不透光，铜层去的越多，透光性越好，因此激光打出来的微型电路图具有良好的透光性。
本实施例中，所述激光光源为355nm波长的光源；刻写样品激光参数为功率1.5w，脉冲宽度3μs，扫描频率30khz；样品为pet基底上的200nm厚度铜膜，样品面积8.20cm×6.25cm，pet是柔软的基底，因此样品具有柔软性。所花的时间大约20分钟，能快速获得微型电路图案。
实施例2
本实施例展示了一种大面积激光直写制备柔性微型电路的方法，包括如下步骤：
第一步，选取pet基底，采用与实施例1所用的常规方法对其进行清洗与干燥处理。
第二步，采用物理气相沉积工艺，通过射频磁控溅射和蒸镀相结合的方式在pet基底上沉积一层铜膜,得到铜膜厚度为2μm的pet铜膜。由于pet镀铜工艺比较成熟，本发明所用的较厚的2μm的pet铜膜通过商业购买获得。
第三步，使用coreldraw作图软件设计好需要的微型电路图。格式为dxf的彩色图像。如图2a所示为设计好的电路图。
第四步，使用激光直接在铜膜上打出与图2a对应的微型电路图，激光打掉不需要导通的铜膜区域，仅保留需要导通的铜膜区域。所述微型电路最小特征尺寸为6μm。得到铜薄膜厚度为2μm的图2b所示的激光照射后的微型电路图案。
本实施例中，在上述步骤中，所述激光直写系统的激光光源为355nm波长的光源；刻写样品参数为峰值功率1.5w，脉冲宽度3μs，扫描频率30khz；直写样品为pet基底上的2μm厚度铜薄膜。样品面积6.20cm×4.48cm，所花的时间大约15分钟，能快速获得微型电路图案。
实施例3
本实施例展示了一种大面积激光直写柔性微型电极的方法，具体步骤如下：
第一步，选取pet基底，采用实施例1常规方法对其进行清洗与干燥处理。
第二步，采用实施例1物理气相沉积工艺，通过射频磁控溅射方式在预处理后的pet基底上沉积一层铜膜，铜膜厚度为200nm。
第三步，使用coreldraw作图软件设计好需要的微型电极。格式为dxf灰度图像。如图3a所示为设计好的电极放大图。
第四步，使用激光直接在铜膜上打出对应的微型电极，激光打掉不需要导通的铜膜区域，仅保留需要导通的铜膜区域。得到激光照射后图3b所示的4个相同的网格透明电极图案，所得的电极图是100μm×100μm的电极图像，选取其中一个小方框区域局部放大，图3b右上角为局部放大图。从图3b中可看出电极图具有良好的透光性。
本实施例中，在上述步骤中，所述激光直写系统的激光光源为355nm波长的光源；刻写样品参数为峰值功率1.5w，脉冲宽度3μs，扫描频率30khz；刻写样品为pet基底上的200nm厚度铜薄膜。样品面积3.15cm×3.15cm,所花的时间大约5分钟，能快速获得微型电极图案。
实施例4
本实施例展示了一种激光直写柔性微型电极的方法，具体步骤如下：
第一步，选取pi做基底，采用实施例1常规方法对其进行清洗与干燥处理。
第二步，采用实施例1物理气相沉积工艺，通过射频磁控溅射和蒸镀相结合的方式在预处理后的pi基底上沉积一层铜膜，铜膜厚度为1μm。由于pi镀铜工艺比较成熟，本发明所用的较厚的1μm的pi铜膜通过商业购买获得。
第三步，使用coreldraw作图软件设计好需要的微型电极图。格式为dxf灰度图像。如图4a所示为设计好的电极放大图。
第四步，使用激光直接在铜膜上打出对应的微型电极，激光打掉不需要导通的铜膜区域，仅保留需要导通的铜膜区域。得到激光照射后图4b所示的不透光pi基底1μm铜膜厚度的100μmx100μm网格透明电极局部放大图，右上角为激光照射后1μm厚度铜膜的电极图像。
本实施例中，在上述步骤中，所述激光直写系统的激光光源为355nm波长的光源；刻写样品参数为峰值功率1.5w，脉冲宽度3μs，扫描频率30khz；刻写样品为pet基底上的1μm厚度铜薄膜。样品面积1cm×1cm，所花的时间大约2分钟，能快速获得微型电极图案。
实施例5
本实施例展示了本发明获得的最小特征尺寸的工艺，具体步骤如下：
第一步，选取pet基底，采用实施例1常规方法对其进行清洗与干燥处理。
第二步，采用实施例1物理气相沉积工艺，通过射频磁控溅射方式在预处理后的pet基底上沉积一层铜膜，铜膜厚度为200nm。
第三步，使用coreldraw作图软件设计好需要的微型图案。格式为dxf灰度图像。如图5a所示为设计好的图案。
第四步，使用激光直接在铜膜上打出对应的微型图案，激光打掉不需要导通的铜膜区域，仅保留需要导通的铜膜区域。得到激光照射后图5b的微型图案。图5c是200nm厚铜膜特征尺寸为10μm的光学显微镜图；图5d是该方法最小特征尺寸光学显微镜图，可达6μm左右。图6是本发明获得的特征尺寸为10μm的sem显微镜图像。
本实施例中，在上述步骤中，所述激光直写系统的激光光源为355nm波长的光源；刻写样品参数为峰值功率1.5w，脉冲宽度3μs，扫描频率30khz；刻写样品为pet基底上的200nm厚度铜薄膜。样品面积2.9cm×2.6cm,所花的时间大约10分钟，能快速获得微型图案。
另外，进一步说明，铜层厚度2μm的pet铜膜宽度100μm，长度2cm长的电阻大小为1.0～1.2ω，说明所用的铜膜的导电性能良好。
综上所述，本发明提出一种大面积激光直写制备柔性微型电极电路的方法，所选用的基底为pet、pen、pi、pdms等基底，利用常规方法对其进行预处理，再采用物理气相沉积工艺在所选基底上制备铜膜，铜膜厚度为5nm～5μm，利用作图软件设计需要的微型电路图或微型电极图，再利用激光直接在各种基底的铜膜上选择合适的能量密度激光照射快速打出所需要的微型电极图或微型电路图，所采用的激光光源为355nm波长的光源；刻写样品激光参数最小输出功率为1.5w，脉冲宽度1ns～100μs，扫描频率3～300khz，样品面积高达10cm×10cm。通过本发明，使得利用激光直写系统进行微电极电路快速制备与低成本得到显著提升。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。