基于不同襯底的TCO 薄膜的激光刻蝕工藝研究

張耿,陳镕佳,黃曉園,張紹強(qiáng),鄭華,葉海,王紅成

（東莞理工學(xué)院電子工程與智能化學(xué)院，廣東 東莞 523808）

TCO（Transparent Conducting Oxide）薄膜是一種采用透明導(dǎo)電氧化物材料制作的導(dǎo)電薄膜，常見(jiàn)的 有ITO（Indium Tin Oxide）、FTO（Fluorine-Doped Tin Oxide）、TZO（Tin Zinc Oxide）、IZO（Indium Zinc Oxide）等薄膜材料［1］。TCO 薄膜不僅具有良好的導(dǎo)電性，同時(shí)還具有透光性，被廣泛用于顯示器件［2］、光伏太陽(yáng)能電池［3］、電致變色玻璃［4］、平面?zhèn)鞲衅鳎?］等領(lǐng)域，也常被用于基于柔性襯底上的光電器件當(dāng)中［6］。而在這些器件應(yīng)用中，TCO 薄膜往往需要被刻蝕成具有獨(dú)立的、陣列分布的圖形化形狀，以配合實(shí)現(xiàn)器件結(jié)構(gòu)和性能。

常見(jiàn)的TCO 薄膜刻蝕方法主要有化學(xué)刻蝕法和激光刻蝕法。化學(xué)蝕刻法較激光法的成本更加低廉、在大批量生產(chǎn)加工過(guò)程中效率更高、前期投入成本更低，但是其缺點(diǎn)也很明顯，存在保真性差、有耗材、對(duì)環(huán)境會(huì)造成一定的污染、可控性差等問(wèn)題［7］。相較而言，激光刻蝕法的工藝適應(yīng)性強(qiáng)，不受加工圖形限制，同等級(jí)別條件下可以做到更加精密、線寬更窄、線間距更小、操作簡(jiǎn)便，隨時(shí)都可以加工導(dǎo)入圖形或繪制圖形而不受限制，特別適合于實(shí)驗(yàn)室研究或小批量生產(chǎn)［8］。

激光刻蝕是將激光束作用于物體表面而引起物體形狀或性能改變的加工過(guò)程［9］。影響刻蝕效果的主要因素包括工作功率、掃描速率、薄膜類型以及襯底材料等［10］，刻蝕目標(biāo)要求能夠?qū)⒈∧じ咝是袛嘈纬瑟?dú)立線條，線條邊緣光滑，并且盡量不損傷襯底表面。

本文重點(diǎn)研究采用激光技術(shù)刻蝕基于不同襯底類型的TCO 薄膜的工藝控制條件，考察不同的工作功率和掃描速率下的刻蝕工藝效果，并通過(guò)測(cè)試分析刻蝕前后樣品的外觀、光學(xué)、電學(xué)特性變化，獲得最佳的刻蝕條件，同時(shí)探討激光刻蝕技術(shù)在TCO 薄膜刻蝕中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 不同類型的TCO 薄膜樣品

選用了基于玻璃襯底的ITO 薄膜、FTO 薄膜及制作在PET 柔性基材上的ITO 薄膜進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，他們均為工業(yè)商用化產(chǎn)品中較具代表性的TCO 材料類型，購(gòu)買于佛山市源晶美玻璃有限公司。

1.2 激光打標(biāo)設(shè)備及其參數(shù)設(shè)置

刻蝕工藝采用一臺(tái)商用的激光打標(biāo)機(jī)，其規(guī)格為UV 系YVO4 半導(dǎo)體端面泵浦紫外型，由東莞盛雄激光設(shè)備有限公司制造。激光系統(tǒng)選用固定式導(dǎo)光系統(tǒng)，激光波長(zhǎng)355 nm、激光設(shè)備功率3—8 W，最大刻蝕速率8000 mm·s?1。該設(shè)備可通過(guò)調(diào)節(jié)電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光輸出功率的控制，調(diào)節(jié)電流與輸出功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 調(diào)節(jié)電流與輸出功率對(duì)照參考表Table 1 Reference of control current and output power

1.3 測(cè)試與表征方法

刻蝕前后需對(duì)樣品的表面形貌、光電特性進(jìn)行分析表征，以評(píng)價(jià)激光刻蝕的工藝效果。采用光學(xué)顯微鏡（CX31 型，Olympus 公司）對(duì)樣品的表面微觀形貌進(jìn)行觀察，采用臺(tái)階儀（Dektak XT 型，Bruker公司）對(duì)膜層厚度進(jìn)行檢測(cè)，采用數(shù)字萬(wàn)用表（Fluke）對(duì)相鄰電極間的阻值（是否刻蝕斷開(kāi)的判斷依據(jù)）變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 TCO 薄膜的厚度

TCO 薄膜的厚度是薄膜直觀形貌的基本參數(shù)，它既影響了薄膜的光電性能，同時(shí)也為后續(xù)工藝提供刻蝕深度的參考值。首先采用酸腐蝕法在不同的TCO 薄膜表面上刻蝕形成單邊臺(tái)階，然后使用臺(tái)階儀測(cè)量其薄膜厚度。監(jiān)測(cè)得到3 種TCO 薄膜厚度（H）分別為HITO=180±20 nm、HFTO=550±20 nm和HPET-ITO=110±20 nm。所選導(dǎo)電玻璃為顯示和傳感領(lǐng)域中常見(jiàn)的產(chǎn)品規(guī)格，方塊電阻約為5—10 Ω/□。

2.2 不同電流（功率）對(duì)TCO 薄膜刻蝕效果的影響

功率是激光刻蝕能量的重要衡量參數(shù)，可以通過(guò)選擇不同的電流值來(lái)調(diào)制不同的功率水平。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定掃描速率為500 mm·s?1、重復(fù)頻率30 kHz時(shí)，分別以4.5、5.0、5.5、6.0、6.5 和7.0 A 的控制電流進(jìn)行刻蝕試驗(yàn)。

采用臺(tái)階儀對(duì)刻蝕形貌進(jìn)行觀測(cè)，刻蝕深度和線寬分別如圖1 和圖2 所示。圖1 為不同功率下激光刻蝕TCO 薄膜形成的刻蝕深度。從圖1 可見(jiàn)，對(duì)于玻璃襯底上ITO 和FTO 薄膜而言，隨著激光功率（電流）的增大，刻蝕線的深度越深。當(dāng)電流值控制在5.0—6.0 A 之間時(shí)，所得到刻蝕深度與前面檢測(cè)的薄膜厚度值較接近，且用萬(wàn)用表監(jiān)控電極與電極之間的電阻值超過(guò)200 MΩ，表明薄膜已被徹底刻蝕且襯底未有明顯損傷；當(dāng)電流值為4.5 A 時(shí)，電極間的電阻值小于100 MΩ，表明薄膜尚未被刻蝕透，仍有殘留；當(dāng)電流值高于6.0 A 時(shí)，刻蝕深度大于薄膜厚度的參考值，且電極間的電阻值高于200 MΩ，表明薄膜已被徹底刻蝕，薄膜底部的襯底也受到了一定程度的損傷。從圖1 還可見(jiàn)：對(duì)于柔性PET 襯底上的ITO 而言，電流值在5.0—5.5 A 之間時(shí)，刻蝕深度與薄膜厚度值接近，且電極間的電阻值超過(guò)200 MΩ；電流值為4.5 A 時(shí)，同樣存在薄膜未被徹底刻蝕的情形；而電流高于5.5 A，特別是高于6.0 A 以上時(shí)，刻蝕深度出現(xiàn)了較大幅度的增加。推測(cè)認(rèn)為，大電流產(chǎn)生的激光可能熔化了柔性PET 襯底，造成襯底較大的損傷。

圖1 不同功率下激光刻蝕TCO 薄膜形成的刻蝕深度Figure 1 Etching depth of TCO film formed by laser etching at different power

圖2 為不同功率下激光刻蝕TCO 薄膜形成的單線溝槽線寬。從圖2 可見(jiàn)：對(duì)于玻璃襯底上ITO和FTO 薄膜而言，當(dāng)電流值控制在5.5—6.0 A 時(shí)，線寬相對(duì)較均勻且穩(wěn)定；對(duì)于柔性PET 襯底上的ITO 而言，當(dāng)電流值控制在5.0—5.5 A 時(shí)，線寬相對(duì)較均勻且穩(wěn)定；當(dāng)電流值高于6.0 A 時(shí)，3 種樣品的線寬明顯增加且不穩(wěn)定。用顯微鏡輔助觀察刻蝕線條的邊緣外觀也可以看出，當(dāng)電流值為5.0—5.5 A 時(shí)，線條邊緣均相對(duì)較光滑。

圖2 不同功率下激光刻蝕TCO 薄膜形成的線寬度Figure 2 Line width of TCO film formed by laser etching at different power

2.3 不同掃描速率對(duì)TCO 薄膜刻蝕效果的影響

激光的掃描速率對(duì)于刻蝕工藝而言，代表著單位時(shí)間、單位長(zhǎng)度內(nèi)的刻蝕能量的高低。為考察不同掃描速率對(duì)TCO 薄膜刻蝕效果的影響，統(tǒng)一設(shè)定激光器的電流為5.5 A，重復(fù)頻率為30 kHz，掃描速率分別為900、800、700、500、300 mm·s?1。同樣，通過(guò)監(jiān)測(cè)刻蝕線條的深度及寬度來(lái)反映刻蝕效果，結(jié)果如圖3 所示。對(duì)于玻璃襯底上ITO 和FTO 薄膜而言，當(dāng)掃描速率大于550 mm·s?1時(shí)，由于激光在每個(gè)打標(biāo)點(diǎn)停留的時(shí)間不足，TCO 薄膜沒(méi)有被完全刻蝕；當(dāng)掃描速率小于500 mm·s?1時(shí)，由于激光在每個(gè)打標(biāo)點(diǎn)上停留的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致薄膜被完全刻蝕，并且極可能已經(jīng)傷及襯底；當(dāng)掃描速率為500 mm·s?1時(shí)，薄膜刻蝕均勻，并且未刻蝕到玻璃襯底。對(duì)于基于柔性PET 襯底的ITO 薄膜而言，測(cè)得經(jīng)掃描速率為600—900 mm·s?1刻蝕后的相鄰電極間電阻小于200 MΩ，說(shuō)明在此速率范圍內(nèi)激光未能將薄膜徹底刻蝕穿透；當(dāng)掃描速率為100—500 mm·s?1時(shí)，刻蝕線兩側(cè)的電阻均為無(wú)窮大，說(shuō)明以上速率的激光均已將薄膜刻蝕穿透。綜合上述結(jié)果可知，將激光器掃描速率控制在500 mm·s?1時(shí)的刻蝕效果最佳。

圖3 不同掃描速率下激光刻蝕TCO 薄膜形成的刻蝕深度及線寬度Figure 3 Etching depth and line width of TCO film formed by laser etching at different scanning rates

2.4 不同的功率和掃描速率對(duì)柔性PET 襯底的影響

為了解不同功率及掃描速率對(duì)基于柔性PET襯底的ITO 樣品的刻蝕效果，采用臺(tái)階儀檢測(cè)了不同條件下的2D 截面相對(duì)高度的形貌。圖4 為激光刻蝕基于柔性PET 襯底的ITO 薄膜的效果。從圖4 可見(jiàn)，當(dāng)激光器輸出電流為6.0 A 以上時(shí)，激光刻蝕柔性襯底薄膜后，在所刻蝕的位置表面沒(méi)有出現(xiàn)凹陷的情況，反而出現(xiàn)了凸起現(xiàn)象。針對(duì)柔性PET的熱學(xué)特征，由于柔性ITO 薄膜的襯底為有機(jī)塑料，高功率的激光使其吸收能量受熱膨脹而產(chǎn)生形變，因而發(fā)生了表面凸起現(xiàn)象，即由于激光輸出功率過(guò)高，在激光將薄膜完全刻蝕后，剩余的能量對(duì)柔性ITO 薄膜的襯底造成了破壞。相較于使用玻璃作為襯底，柔性PET 材料對(duì)高功率的激光敏感度較高，因此對(duì)基于該襯底的TCO 薄膜進(jìn)行刻蝕時(shí)，應(yīng)對(duì)激光器的輸出功率和穩(wěn)定性提出更加嚴(yán)格的要求。從圖5 還可見(jiàn)，在輸出電流控制為5.0 A 條件下，對(duì)于基于柔性襯底和玻璃襯底的薄膜刻蝕時(shí)掃描速率的影響大致接近。當(dāng)掃描速率為300 mm·s?1或500 mm·s?1時(shí)，線條邊緣相對(duì)較光滑；而當(dāng)掃描速率較高（≥700 mm·s?1）時(shí)，線條表面出現(xiàn)鋸齒狀。因此，綜合刻蝕效率和刻蝕效果兩方面的表現(xiàn)，認(rèn)為采用激光刻蝕TCO 薄膜時(shí)，最佳的掃描速率為500 mm·s?1。

圖4 激光刻蝕基于柔性PET 襯底的ITO 薄膜的效果圖Figure 4 Laser etching of ITO film on flexible pet substrate

綜合上述結(jié)果，對(duì)于3 種不同的TCO 薄膜樣品，掃描速率控制在500 mm·s?1時(shí)的刻蝕效果最佳。其中對(duì)于玻璃襯底上ITO 和FTO 薄膜，激光器電流控制在5.5 A 時(shí)的刻蝕效果最佳；對(duì)于柔性PET 襯底上的ITO 薄膜，激光器電流控制在5.0 A時(shí)的刻蝕效果最佳。

3 結(jié)論

通過(guò)系統(tǒng)的考察與研究，得到基于不同襯底的TCO 薄膜的最佳激光刻蝕功率及掃描速率條件?？傮w而言，激光功率越高、掃描速率越慢，對(duì)薄膜的刻蝕速率就越快。對(duì)基于玻璃襯底的ITO 薄膜、FTO 薄膜而言，最佳的刻蝕功率為2.3 W（對(duì)應(yīng)電流值為5.5A），掃描速率為500 mm·s?1；對(duì)基于柔性PET 襯底的ITO 膜而言，最佳的刻蝕功率為1.2 W（對(duì)應(yīng)電流值為5.0A），掃描速率為500 mm·s?1。在最優(yōu)條件下，膜層可被完全刻蝕掉，而襯底未出現(xiàn)明顯損傷。此外，研究中還發(fā)現(xiàn)，激光功率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致柔性PET 襯底發(fā)生高溫?zé)崛刍蛊鹦巫?，影響薄膜刻蝕效果，因此采用激光刻蝕基于柔性PET 襯底的TCO 薄膜時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低刻蝕功率。