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薄膜沉积前等离子清洗提高薄膜附着力

Jun. 13, 2024

薄膜沉积指的是于基底之上沉积特定材料,进而形成薄膜,让其具备光学、电学、力学等相关性能。依据沉积原理,可将薄膜沉积的方式划分成物理气相沉积、化学气相沉积以及原子层沉积等方法。

影响薄膜附着力的因素众多。薄膜的沉积温度会通过对界面形态的作用来影响其附着力。在较低的沉积温度情况下,缺少界面原子的扩散与化学键合,薄膜的附着力主要源于机械啮合和范德瓦尔斯引力,附着力较小,剥离薄膜的功大概在 0.1eV/原子量级左右,而且附着力会随着界面原子间距的增大而迅速下降;而在较高的沉积温度时,界面会出现明显的扩散从而构成化学键合,界面附着力会显著增大,能够达到 1 至 10eV/原子量级。利用表面活化剂或清洁剂来活化衬底表面,以及采用一定能量的离子轰击衬底,能够降低表面污染,推动表面原子的扩散,有益于形成有效的界面机械啮合与化学键合,进而提升界面附着力。薄膜与衬底材料的性质对附着力也有着重要影响。键合类型差别较大、润湿性较差的物质之间难以形成较强的键合,附着力很差,比如 Au 在 SiO2 衬底上的附着力就比较差;当具有相同或相近化学键合类型,或者键合类型虽有差异但相互间的化学亲和力较高时,都能有效地降低薄膜与衬底间的界面能,提高薄膜的附着力,例如 Au 和 Cu 之间、Cu 和 Zn 之间可形成良好的附着,但较厚且较脆的界面化合物也会致使界面附着性能恶化。

膜层与基体紧密结合存在两个基本条件。其一,膜层与基体间的间隙要尽可能地小。其二,膜层与基体间要有尽可能多的接触面,而增大接触面积,提高表面粗糙度是一种极为有效的手段。而要让基材达成以上目的,就必须对基材实施必要的表面预处理,表面预处理的方法有很多种,但这些方法都必须达成以下两个目标:首先,尽可能完全地清除基材表面的杂质,尽可能彻底地将基体的新鲜表面暴露出来;其次,使表面形成一定程度的粗糙度,扩大基材表面的实际表面积,增强基材表面单位面积上膜层的结合力。

以下是一些可以提高薄膜附着力的方法:

控制沉积温度:适当提高沉积温度,促进界面的扩散和化学键合形成,从而增强附着力。

表面预处理:对基材进行必要的清洗、活化等预处理,去除杂质,增加粗糙度,暴露新鲜表面。

利用离子轰击:如采用等离子清洗,激活基材表面原子,提供能量条件,减少表面污染,形成粗糙表面以利于结合。

选择合适的材料组合:确保薄膜与衬底材料在键合类型、化学亲和力等方面相匹配,以提高附着力。

优化工艺参数:仔细调整沉积过程中的各项参数,使其达到有利于附着力提升的状态。

添加中间层或涂层:某些情况下,在薄膜和基材之间添加合适的中间层或涂层可以改善附着力。

薄膜沉积前等离子清洗的目的:

等离子清洗指的是通过高能粒子对基材进行轰击,去除基材表面的油脂、氧化物以及气体等污染物的过程。其目的是为膜层和基体之间良好的结合提供环境条件,离子轰击对基材表面原子具有激活作用,从而为膜层原子与基材的键合提供一定的能量条件。

薄膜沉积前进行等离子清洗能够清除或减少基材表面污染以及氧化物等不利于膜层结合强度的因素,还能够形成微观粗糙表面,使膜层和基体的结合面积增大,有助于结合强度的提高。

薄膜沉积等离子清洗的优势:

等离子清洗具有如下优点:其一,工件在经过等离子清洗后会很干燥,可直接送入沉积设备进行下一次沉积;其二,该方法是一种环保的绿色清洗方式,清洗后不会产生有害污染物;其三,等离子体可深入物体的微细孔眼和凹陷内部进行深度清洗,有利于下一次沉积;其四,清洗效率高,整个清洗工艺流程可在几分钟内完成;其五,可处理各种不同的基材,无论是金属、半导体、氧化物还是高分子材料,都能用等离子体进行处理,该方法非常适合在柔性沉积制造中运用;其六,在完成清洗的同时,能够改变材料的表面性能,如增强表面的润湿能力、改善膜的附着力等,有益于下一次沉积时层与层之间的结合。

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