微孔氣流加壓對ITO 玻璃激光刻蝕平面度的影響

陳 絨，陳釗杰，謝 晉*

（1. 廣東科技學(xué)院，廣東 東莞 523083；2. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

1 引 言

氧化銦錫（Indium Tin Oxide，ITO）是一種銦錫金屬氧化物，具有光學(xué)透明性［1］、高導(dǎo)電性［2］、易加工性［3］及柔性潛力［4］等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于光電檢測、生物芯片及微納器件等領(lǐng)域。ITO導(dǎo)電玻璃是在鈉鈣基或硅硼基基片玻璃的基礎(chǔ)上，利用磁控濺射的方法鍍上一層ITO 膜加工制作成的［5］。近年來，在平板顯示領(lǐng)域，ITO 作為觸控功能片得到了廣泛應(yīng)用。在觸控功能片的表面均勻整齊分布著線路，在刻蝕表面線路時，容易因加工設(shè)備的不穩(wěn)定而出現(xiàn)短路狀態(tài)，造成良品率下降。另外，ITO 玻璃屬于硬脆材料，加工難度比較大。

目前，對電子芯片的刻蝕工藝主要為黃光蝕刻、等離子體刻蝕和激光刻蝕。其中，黃光蝕刻主要是利用高腐蝕性的化學(xué)劑對玻璃表面進(jìn)行多次腐蝕，此方法存在污染嚴(yán)重，樣品制作流程較長的問題［6］。等離子體刻蝕存在工藝復(fù)雜、制備周期長以及成本高等問題［7］。這不僅涉及刻蝕原理，而且還涉及到加工工藝及裝置精度等問題。激光刻蝕的原理為當(dāng)激光光束聚焦于工件時，玻璃吸收了光熱能導(dǎo)致材料受壓、熔化，或者表面材料蒸發(fā)［8］。激光刻蝕工藝具有環(huán)保、穩(wěn)定性高、樣品制作效率高等應(yīng)用特點［9］，具有非常好的市場發(fā)展前景。然而，在激光刻蝕中，激光熱使得工件出現(xiàn)微細(xì)的熱膨脹［10］，從而引起熱裂紋。有學(xué)者用高頻率的飛秒激光改善刻蝕質(zhì)量［11］，也有通過改變激光波長來優(yōu)化刻蝕工藝的研究［12］。但是，工件平臺裝夾的定位誤差很難保證微米尺度的平面度，從而導(dǎo)致刻蝕線路短路等不良品的出現(xiàn)。

微孔陶瓷材料由于其高硬度、耐磨性和低密度被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)制造中。陶瓷體內(nèi)的微孔結(jié)構(gòu)適用于滲透技術(shù)［13］、壓電材料［14］和生物醫(yī)學(xué)中［15］，并且微孔陶瓷通過吸附已經(jīng)用于薄板工件定位，但尚未用于ITO 玻璃激光刻蝕定位。本文在ITO 玻璃表面線路的激光刻蝕中應(yīng)用微孔氣流加壓技術(shù)，采用微孔陶瓷表面的微流體陣列均布在工件表面，確保平面度。研究了氣流壓力和刻蝕間隙對工件表面壓力分布的影響，通過實驗分析不同工藝參數(shù)對表面平面度的影響，驗證了微孔氣流加壓的刻蝕線路質(zhì)量。

2 精密刻蝕壓力場分析

2.1 基于微孔加壓的刻蝕模型

圖1 為將微孔陶瓷體應(yīng)用在ITO 玻璃激光刻蝕的模型。傳統(tǒng)刻蝕工藝是用激光直接刻蝕ITO 玻璃。在本文提出的改進(jìn)工藝中，微孔陶瓷體的中軸與作用于ITO 玻璃表面的聚焦光束共線。通過在微孔陶瓷體表面加載加壓氣體（氣流壓力為p）以及調(diào)整陶瓷體與ITO 玻璃間的刻蝕間隙h，氣體經(jīng)過陣列微孔可流動到工件表面，對表面加載一定的氣壓，可以在刻蝕過程中提高玻璃的平面度，更有利于刻蝕表面定位。為探索微孔陶瓷體裝置的氣流壓力p與刻蝕間隙h對刻蝕工藝的影響，使用ANSYS 仿真軟件分別對微孔陶瓷體氣體流動方向與作用于ITO玻璃表面的氣壓進(jìn)行仿真分析，表1 為仿真參數(shù)。其中，微孔陶瓷對氣體流動的影響用不同方向的風(fēng)阻系數(shù)描述，其余條件與實際刻蝕條件一致。

圖1 微氣流陣列加壓的激光刻蝕模型Fig. 1 Laser etching model with micro airflow array pressurization

表1 微氣流陣列加壓條件Tab.1 Conditions of micro airflow array pressurization

2.2 氣流與氣壓分布

圖2 為刻蝕過程中微孔陶瓷體的氣體流動與ITO 玻璃表面壓力的分布云圖。由圖2（a）可知，氣體大部分垂直作用于工件表面，只有小部分會擴(kuò)散到其他區(qū)域。在氣流壓力p=0.18 kPa，刻蝕間隙h=1.9 mm 時，氣流的最大速度高達(dá)3.13 m/s。在同等條件下，根據(jù)有限元分析可以發(fā)現(xiàn)，ITO 表面壓力的分布與微孔陶瓷的位置與形狀有關(guān)，如圖2（b）所示。在中心處，表面正壓力達(dá)到最大，隨著與微孔陶瓷中心距離的增大，正應(yīng)力逐漸減小。在氣體流動的區(qū)域上會對工件產(chǎn)生一定的壓力，使得玻璃總體區(qū)域的壓力分布較為均勻。這有利于對ITO 玻璃在刻蝕時實現(xiàn)精確定位，在刻蝕中不會因為激光熱膨脹導(dǎo)致工件表面翹曲。

圖2 激光刻蝕過程中氣流與氣壓的分析Fig.2 Analysis of gas flow and pressure in laser etching process

2.3 氣流壓力與刻蝕間隙對最大氣流速度的影響

圖3 為氣流壓力p與刻蝕間隙h對最大氣流速度vm的影響?？梢钥闯?，隨著氣流壓力p的增加，最大氣流速度vm呈線性增加，速度從2.78 m/s增加到3.35 m/s。隨著刻蝕間隙h的增加，最大氣流速度變化無明顯規(guī)律，差異較小。氣流的速度會影響作用于ITO 玻璃表面的氣壓力，從而影響最終刻蝕的平面度。

圖3 氣流壓力與刻蝕間隙對最大氣流速度的影響Fig.3 Effects of airflow pressure and etching gap on maximum gas velocity

2.4 氣流壓力與刻蝕間隙對工件表面壓力的影響

圖4 為氣流壓力p與刻蝕間隙h對工件表面最大壓力pm的影響。可以看出，pm隨著氣流壓力p的增加呈線性增加，隨刻蝕間隙h的增加減小。當(dāng)h從1.9 mm 降 低 到1.6 mm 時，pm從14.6 Pa增加到19.2 Pa，提升了31.5%；當(dāng)p從0.15 kPa增 加 到0.20 kPa，pm從14.4 Pa 增 加 到19.2 Pa，提升了33.3%。過小的壓力不足以壓緊工件，而過大的壓力可能會壓彎工件，所以在實驗中要根據(jù)仿真結(jié)果合理選擇實驗參數(shù)進(jìn)行ITO 玻璃的激光刻蝕。

圖4 氣流壓力與刻蝕間隙對表面最大壓力的影響Fig.4 Effects of airflow pressure and etching gap on maximum surface pressure

3 實驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 激光刻蝕實驗以及測試條件

圖5 為微孔陶瓷體表面的SEM 形貌圖?？梢钥闯?，其表面分布著微米級孔徑的微孔，微孔的平均直徑約為20 μm，且陶瓷材料表面具有隔熱、防靜電、表面精度高等特性，適合安裝在激光刻蝕的環(huán)境中。

圖5 微孔陶瓷表面及孔徑形貌Fig.5 Morphology of microporous ceramic surface and its diameter

圖6 為激光刻蝕裝備上的微孔陶瓷氣流加壓裝置。壓縮空氣通過氣管向微孔陶瓷體裝置產(chǎn)生供給壓力，調(diào)節(jié)間隙通過千分尺與調(diào)節(jié)螺栓組合調(diào)節(jié)，可進(jìn)行雙面激光刻蝕。圖6（b）為刻蝕ITO 玻璃所用的激光光路示意圖，刻蝕激光從激光發(fā)生器生成，經(jīng)過傳導(dǎo)鏡片、分束鏡等部件，最后通過掃描器裝置形成刻蝕光斑作用于工件表面。左上角為加載微孔陶瓷體后的光束直徑測量圖，光束直徑最終會影響經(jīng)過掃描器的場鏡聚焦后的刻蝕光斑尺寸。6 mm 光束的聚焦性能更好，得到最優(yōu)的刻蝕光斑。被刻蝕的ITO 玻璃工件放置在下方裝備平臺橫梁處，加工尺寸在400 mm×500 mm 內(nèi)。

圖6 實驗裝置及激光光路示意圖Fig.6 Schematic diagram of experimental devices and laser path

表2 為刻蝕ITO 玻璃參數(shù)。為了獲得高質(zhì)量的刻蝕線路，分析應(yīng)用微孔陶瓷后所用實驗參數(shù)中的氣流壓力p（0.15～0.20 kPa）與刻蝕間隙h（1.6～1.9 mm）的離焦量都在-0.1～0.1 mm內(nèi)，說明激光刻蝕工藝窗口符合要求。

表2 ITO 玻璃刻蝕參數(shù)Tab.2 Parameters of etched ITO glass

圖7 為ITO 玻璃表面平面度測量方法示意圖。平面度定義為表面凸凹高度相對理想平面的偏差。測量儀器為Keyence LK-HD500，橫向和縱向單邊分別選5 個和15 個測量點。通常，無應(yīng)用微氣流加壓的ITO 玻璃平面度輪廓檢測如圖8 所示，表面平面度為70 μm。

圖7 ITO 玻璃表面平面度測量Fig.7 Surface flatness measurement of ITO glass

圖8 ITO 玻璃表面微觀形變Fig.8 Surface micro deformation of ITO glass

3.2 ITO 玻璃表面刻蝕線路形貌

圖9 為有無微孔氣流加壓對ITO 玻璃進(jìn)行激光刻蝕的表面線路SEM 形貌對比。在不應(yīng)用微孔陶瓷時，表面出現(xiàn)多余的刻蝕線路，刻蝕時易發(fā)生斷點或變形，這使最終產(chǎn)品出現(xiàn)局部短路現(xiàn)象從而產(chǎn)生不良品。由于平面度的降低，導(dǎo)致單條刻蝕線路會出現(xiàn)彎曲、分段的現(xiàn)象。應(yīng)用微孔氣流加壓后的線路表面均勻，沒有因刻蝕不完整而出現(xiàn)多余線路，同時單條刻蝕線路較為筆直，可以保證每一塊玻璃間的絕緣，說明應(yīng)用微孔陶瓷后的激光刻蝕效果較好。

圖9 ITO 玻璃表面線路的SEM 微觀形貌Fig.9 SEM morphology of lines on ITO glass

3.3 氣流壓力對表面平面度的影響

實際生產(chǎn)中，在氣流壓力為0.18 kPa 以及刻蝕間隙為1.9 mm 左右時，ITO 玻璃刻蝕表面的平整度較好。以此條件為基準(zhǔn)研究氣流壓力以及刻蝕間隙對平面度的影響。圖10 為應(yīng)用微孔氣流加壓進(jìn)行激光刻蝕前后ITO 玻璃工件表面平面度的分布情況?？梢钥闯?，在應(yīng)用微孔陶瓷前，工件表面平面度的最大值與最小值集中在邊緣角落，而應(yīng)用微孔陶瓷后平面度分布較為均勻。

圖10 微孔氣流加壓的玻璃平面度Fig.10 ITO glass flatness pressurized by microporous airflow

對比應(yīng)用前后的平面度數(shù)值可知，當(dāng)供給壓力p為0.18 kPa 時，未應(yīng)用微孔陶瓷體的局部最大平面度為30 μm，最小為-40 μm，總平面度為70 μm；應(yīng)用微孔陶瓷體后，最大平面度為8 μm，最小平面度為3 μm，總平面度為5 μm。微孔陶瓷體裝置可以大幅提高ITO 玻璃表面的平面度。

圖11 為微孔氣流加壓中不同氣流壓力p對ITO 玻璃刻蝕后平面度的影響?？梢钥闯?，在氣流壓力為0.05～0.25 kPa 時，應(yīng)用微孔陶瓷后的ITO 表面平面度值均低于初始的表面平面度，且平面度隨著壓力的升高呈先下降后上升的趨勢。從圖中可知，最理想的加載壓力在0.16～0.2 kPa，平面度可以保持在10 μm 以內(nèi)，在0.18 kPa時表面最為平整，相比初始工件表面低90%，說明通過微孔氣流加載壓力優(yōu)化ITO 電子玻璃平面度的效果比較理想。

圖11 氣流壓力與ITO 玻璃平面度PV 的關(guān)系Fig.11 Relationship between airflow pressure and flatness PV

微孔陶瓷體最理想的加載壓力在0.16～0.2 kPa，對應(yīng)仿真結(jié)果可知，工件表面的壓力在11.7～14.6 Pa，刻蝕后平面度較好。

3.4 刻蝕間隙對ITO 表面平面度的影響

圖12 為微孔陶瓷體不同調(diào)節(jié)間隙h對ITO玻璃刻蝕后平面度的影響，刻蝕間隙從0.5 mm每次遞增0.1 mm 至2.5 mm?？梢钥闯?，隨著刻蝕間隙的增加，平面度呈先減小后上升的趨勢，當(dāng)刻蝕間隙為1.6 ～1.9 mm 時，平面度值低于10 μm；刻蝕間隙最優(yōu)為1.8～1.9 mm，此時平面度數(shù)值最低，為8 μm。結(jié)果表明，微孔氣流加壓中刻蝕間隙優(yōu)化ITO 電子玻璃平面度較理想。對應(yīng)圖4 的仿真結(jié)果可知，工件表面的壓力在13.2～14.4 Pa，刻蝕后平面度較好。

圖12 刻蝕間隙與ITO 玻璃平面度PV 的關(guān)系Fig.12 Relationship between etching gap and flatness PV

綜上可知，當(dāng)工件表面所受到的氣壓壓力在13.2～14.4 Pa 時，刻蝕后的表面平面度數(shù)值最低。在非合適的壓力范圍內(nèi)，激光刻蝕與ITO 玻璃的形變無法匹配。在低于最優(yōu)壓力范圍時，工件表面由于不能壓緊表面會產(chǎn)生較大的變形；而大于此壓力范圍時，中心產(chǎn)生過大的下壓力而造成彎曲，這都不利于激光在刻蝕表面的定位。

3.5 ITO 玻璃刻蝕線路

基于以上實驗，選取最優(yōu)參數(shù)在ITO 玻璃表面進(jìn)行激光刻蝕線路，使用20 倍鏡頭的光學(xué)顯微鏡對刻蝕ITO 表面線路及銀漿線路形貌進(jìn)行觀察，如圖13 所示，線徑分別為8，25 μm。可以看出，線路寬度均勻清晰，品質(zhì)優(yōu)異，表明應(yīng)用微孔陶瓷裝置進(jìn)行刻蝕產(chǎn)生的線路較為均勻，不會出現(xiàn)線路破碎或者短路的現(xiàn)象，提高了產(chǎn)品的良品率。

圖13 ITO 玻璃表面刻蝕線路形貌Fig.13 Morphology of etching circuit on ITO glass surface

4 結(jié) 論

本文在ITO 玻璃的激光刻蝕中應(yīng)用微孔氣流加壓，加壓氣體通過微孔使ITO 玻璃表面存在氣體流動，使得大面積玻璃表面的壓力均勻分布，有利于刻蝕表面的定位。在微孔陶瓷體下方，表面正壓力達(dá)到最大，且最大正壓力與氣體氣流壓力以及刻蝕間隙呈線性關(guān)系。壓力過小不足以壓緊表面，而壓力過大則中心產(chǎn)生過大的下壓力而造成彎曲，都會導(dǎo)致最終刻蝕線路的不完整。氣流壓力以及刻蝕間隙與工件平面度呈先減小后增加的趨勢。在合適的范圍內(nèi)，工件表面所受到的壓力足以壓緊工件而不產(chǎn)生過大的微形變。當(dāng)供給壓力p在0.16～0.2 kPa，調(diào)節(jié)間隙h在1.8～1.9 mm 時，工件表面的最優(yōu)壓力為13.2～14.4 Pa ，刻蝕后平面度為8 μm，相比降低90%，工件平面度的提升幅度較大。

應(yīng)用微孔陶瓷裝置進(jìn)行刻蝕可以解決刻蝕表面平面度及加工效率等問題，產(chǎn)生的線路分布較為均勻，消除了通常無微孔氣流加壓的刻蝕導(dǎo)致的局部微觀電路短路或者開路現(xiàn)象，提高了產(chǎn)品的良品率。