專利名稱：采用氣體散射方式在柔性物質(zhì)表面蒸鍍金屬薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬薄膜生長(zhǎng)方法，尤其涉及一種采用氣體散射方式在柔性物質(zhì) 表面蒸鍍金屬薄膜的方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，有機(jī)物材料由于其柔軟、低成本、生產(chǎn)污染小等優(yōu) 點(diǎn)，越來越多的被應(yīng)用于科研或生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，如有機(jī)發(fā)光二極管(簡(jiǎn)稱0LED)顯示技術(shù) 等。有機(jī)材料的這些優(yōu)良特性使其在今后的應(yīng)用中潛力巨大，但是由于其不同于無機(jī)物的 物理化學(xué)特性，如熔點(diǎn)低、硬度低、可塑性好等特性，使很多應(yīng)用于無機(jī)物的生產(chǎn)工藝無法 繼續(xù)應(yīng)用在有機(jī)物上，比如在有機(jī)軟物質(zhì)表面生長(zhǎng)高熔點(diǎn)金屬的方法，若通過傳統(tǒng)工藝則 難以生產(chǎn)。目前，無論是工業(yè)生產(chǎn)還是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用的金屬薄膜生長(zhǎng)方法都是以物理氣相沉 積(Physical Vapor D印osition，簡(jiǎn)寫PVD)為主，物理氣相沉積是在真空條件下，利用各種 物理方法，將沉積材料氣化成原子、分子、離子，并直接沉積到襯底表面的方法。按氣化機(jī)理 不同，PVD法可分為真空蒸鍍、濺射和離子鍍等方法。真空蒸鍍是在高真空(低于IXlO-4Pa)的條件下，將蒸鍍金屬加熱蒸發(fā)成氣相原 子，然后沉積在襯底材料表面，而形成薄膜鍍層。根據(jù)蒸鍍材料的熔點(diǎn)不同，其加熱方式有 電阻加熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、激光蒸發(fā)等多種。其工藝特點(diǎn)是設(shè)備、工藝、操作均較簡(jiǎn)單，其 氣化粒子的動(dòng)能較低。濺射鍍膜是在一定的真空條件下，用荷能離子(如氬離子Ar+，可通過輝光放電獲 得)轟擊金屬靶材(即鍍膜材料，常為陰極)，從而在其表面濺射出原子/分子進(jìn)入氣相，然 后這些濺射粒子在襯底表面(與陽極相連)沉積而形成鍍層。其工藝特點(diǎn)是由于氣化粒 子的動(dòng)能大(為真空蒸鍍的100倍)，故鍍膜致密且與基體材料的結(jié)合力高。離子鍍是在含有稀有其氣體(如氬氣)的真空中，利用氣體放電對(duì)已被蒸發(fā)的氣 化金屬原子離化和激化，在氣體離子和沉積材料離子轟擊作用的同時(shí)，于基體材料表面沉 積形成鍍膜。離子鍍將輝光放電、等離子體技術(shù)與真空蒸鍍技術(shù)結(jié)合在一起，兼具蒸發(fā)鍍的 沉積速度快和濺射鍍的離子轟擊清潔表面及高動(dòng)能氣化粒子的特點(diǎn)。其主要特點(diǎn)是鍍層 質(zhì)量高、附著力強(qiáng)、繞鍍與均鍍能力好、沉積速度快等，同樣其氣化粒子的動(dòng)能也很大。由上述分析可知，如若采用PVD方法在有機(jī)材料表面生長(zhǎng)金屬薄膜，由于金屬熔 點(diǎn)普遍很高(約1000K-3500K)，氣相金屬原子的動(dòng)能則更高，對(duì)于單原子約3KbT/2 (其中Kb 為玻爾茲曼常量，T為絕對(duì)溫度)，其平均動(dòng)能超過leV，原子速度的麥克斯韋分布導(dǎo)致部分 原子動(dòng)能遠(yuǎn)高于leV，高能量金屬原子沉積在有機(jī)物等柔性物質(zhì)表面會(huì)造成穿透效應(yīng)，從而 導(dǎo)致有機(jī)薄膜和金屬薄膜界面不清晰，形成互混層(厚度約10-40nm)。同時(shí)，高能金屬原子 還可能造成有機(jī)物分子中個(gè)別化學(xué)鍵瞬間受熱斷裂，破壞有機(jī)分子的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，從 而導(dǎo)致器件性能的下降和失效。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種采用氣體散射方式 在柔性物質(zhì)表面蒸鍍金屬薄膜的方法，能夠有效避免在金屬薄膜生長(zhǎng)過程中柔性物質(zhì)被熱 金屬原子破壞，并形成穩(wěn)定清晰的金屬/柔性物質(zhì)界面。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為采用氣體散射方式在柔性物質(zhì)表面蒸鍍金屬薄膜的方法，包括如下步驟(1)處理金屬，使金屬原子進(jìn)入氣相，形成氣相金屬原子源；(2)降低進(jìn)入氣相的金屬原子的動(dòng)能；(3)將步驟(2)中獲得的金屬原子沉積在柔性物質(zhì)表面，即襯底上，形成金屬薄膜。所述步驟(1)中可以使用加熱液化蒸發(fā)或加熱升華方法將使金屬原子進(jìn)入氣相。所述步驟(2)中可以通過將進(jìn)入氣相的金屬原子置于惰性氣體中，通過散射作 用，降低金屬原子的平均動(dòng)能至所述惰性氣體原子的平均動(dòng)能。在散射作用發(fā)生過程中，要確保散射得足夠充分，即要求被散射的氣相金屬原子， 從氣相金屬原子源出發(fā)到沉積在襯底的過程中，至少與用于散射金屬原子的惰性氣體原 子，即散射氣體原子，碰撞若干次，使其平均動(dòng)能降低到與用于散射的惰性氣體平均動(dòng)能相 當(dāng)，這要求氣相金屬原子源與襯底之間的距離應(yīng)遠(yuǎn)大于金屬原子在散射氣體中的平均自由 程；同時(shí)，為了減少金屬原子未經(jīng)散射直接沉積在襯底表面的小概率事件發(fā)生，襯底不應(yīng) 正面朝向氣相金屬原子源，或者遮蔽襯底與氣相金屬原子源之間的直線路徑。為保證散射 足夠充分，散射區(qū)域的真空腔體應(yīng)足夠大，腔體內(nèi)盡量減少不必要的零件，腔內(nèi)容積應(yīng)大于 (1θΧ)3，其中I為金屬原子的平均自由程。所述平均自由程λ的算法如下
γ π T ksTA = —1=~
Λ/2σρ其中kB是玻爾茲曼常量，T是溫度，ρ是壓強(qiáng)。σ = π d2，其中d為分子有效直徑。在散射充分的情況下，散射氣體原子平均動(dòng)能決定了被散射的金屬原子最終動(dòng) 能。在散射過程中，隨著時(shí)間的推移，散射氣體受到熱金屬原子的作用，平均動(dòng)能將逐漸升 高，因此需要采用冷卻或者補(bǔ)充新的冷氣體的辦法使系統(tǒng)保持動(dòng)態(tài)平衡。其中冷卻的辦法 以降低真空腔體溫度為主，散射氣體原子不斷將熱能傳遞給真空腔體，其自身動(dòng)能逐漸下 降。依沉積金屬的原子量不同散射氣體應(yīng)適當(dāng)選擇氬氣(Ar原子量39. 95)或者氪氣(Kr 原子量83. 80)，提高散射效率，確保散射充分。所述步驟(3)中，需要控制襯底表面溫度，使襯底表面溫度恒定，通常情況下使其 溫度保持在室溫或室溫以下，這主要是因?yàn)閍)因?yàn)檩^低的襯底溫度可以降低界面金屬原子和有機(jī)物分子的熱運(yùn)動(dòng)，減小其擴(kuò) 散效果，使沉積下來的金屬原子盡快穩(wěn)定下來。襯底表面溫度升高的主要原因有二 一個(gè)是 沉積下來的金屬原子帶來的初動(dòng)能，另一個(gè)是金屬原子蒸發(fā)源的熱輻射。由于襯底表面的 柔性物質(zhì)熱導(dǎo)率偏低，采用主動(dòng)冷卻降溫的辦法使得襯底和制冷部件之間存在一定的溫度 梯度，此梯度正比于金屬的沉積速率，因此沉積速率不應(yīng)太快，同時(shí)也應(yīng)通過屏蔽等辦法盡可能減少金屬蒸發(fā)源對(duì)襯底的熱輻射。b)金屬與柔性物質(zhì)兩者熱膨脹系數(shù)差別很大，薄膜生長(zhǎng)過程溫度與室溫接近，則 不容易使器件在恢復(fù)室溫后薄膜間存在很大的內(nèi)應(yīng)力。所述柔性物質(zhì)優(yōu)選為柔性有機(jī)物。沉積在界面上的金屬原子成膜質(zhì)量并不高，主要原因是金屬原子的初動(dòng)能很低， 使其不足以充分?jǐn)U散到穩(wěn)定位置，因此金屬薄膜呈現(xiàn)出非晶態(tài)。但是這部分原子可以形成 對(duì)有機(jī)物層的有效保護(hù)，使其后沉積在其上的金屬原子再無法對(duì)有機(jī)物造成破壞。因此在 形成最初幾層保護(hù)層之后可以采用常規(guī)的物理氣相沉積方法生長(zhǎng)金屬薄膜以提高成膜質(zhì)量。有益效果本發(fā)明提供的采用氣體散射方式在柔性物質(zhì)表面蒸鍍金屬薄膜的方 法，操作簡(jiǎn)單，并能夠在柔性物質(zhì)表面形成清晰的柔性物質(zhì)/金屬界面，且金屬原子基本不 會(huì)擴(kuò)散到柔性物質(zhì)的薄膜內(nèi)，保證有機(jī)物分子不受破壞，能夠使柔性物質(zhì)保持完好的物理 化學(xué)性質(zhì)，成膜質(zhì)量高，薄膜間內(nèi)應(yīng)力小。


圖1為采用本發(fā)明提供方法在柔性物質(zhì)表面蒸鍍金屬薄膜的裝置；圖2為電阻率測(cè)試電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。本實(shí)例以在有機(jī)半導(dǎo)體Alq3表面生長(zhǎng)金屬Co為例進(jìn)行說明，其中Alq3膜厚為 10nm，采用的惰性氣體為純度大于99. 999%的高純Ar。其中，金屬Co熔點(diǎn)為1495. 0°C，原 子量為58. 93。采用本發(fā)明提供的方法在半導(dǎo)體Alq3薄膜(厚度lOnm)表面生長(zhǎng)金屬Co，其采 用的裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中“身”表示從氣相金屬原子源直產(chǎn)生的金屬原子Co， “·”表示散射后的氣相金屬原子Co，“〇”表示散射氣體原子Ar。整個(gè)圖1所示裝置設(shè)置在一個(gè)容積為20L的真空容腔內(nèi)，其背景真空壓強(qiáng)優(yōu)于 5xl0_8torr。散射區(qū)域9設(shè)置在所述真空容腔內(nèi)，所述散射區(qū)域9為圓柱形腔體，圓柱形腔 體的直徑為0. 35m,高度為0. 2m。散射氣體壓強(qiáng)為3X10_3torr，對(duì)溫度2000K的Co原子蒸 氣平均自由程約為5xl0_3m。在圖1所示裝置中，采用電子束蒸發(fā)方式加熱坩堝內(nèi)的金屬2使之液化，產(chǎn)生氣相 金屬原子源，其中，所述電子束通過電子加速電壓激發(fā)電子源產(chǎn)生，經(jīng)電子源直接產(chǎn)生的電 子束通過偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，注入坩堝內(nèi)的金屬2使之液化。采用此種結(jié)構(gòu)能夠使金屬2的被加熱 點(diǎn)比較集中，其總輻射能量小于單純的坩堝加熱方式。同時(shí)，圖1所述裝置中還設(shè)置了冷卻 水槽8，冷卻水從冷卻水槽8上端的進(jìn)水口進(jìn)入，下端的出水口流出，對(duì)坩堝內(nèi)的金屬2進(jìn)行 冷卻，以減少其總輻射能量。經(jīng)氣相金屬原子源直接產(chǎn)生的金屬原子，經(jīng)擋板4之間的缺口進(jìn)入到散射區(qū)域 內(nèi)，觸碰到散射氣體原子源1注入的散射氣體原子后發(fā)生散射，成為散射后的氣相金屬原 子，被散射后的氣相金屬原子沉積在襯底3上，形成金屬薄膜10。
由于襯底3的金屬薄膜10形成面背離氣相金屬原子源和散射氣體原子源1，避免 了經(jīng)氣相金屬原子源直接產(chǎn)生的金屬原子不經(jīng)過散射直接沉積在襯底3上。擋板4的存在 能夠有效控制氣相金屬原子源的輻射能量過多地進(jìn)入散射區(qū)域。散射區(qū)域內(nèi)的散射氣體壓強(qiáng)由散射氣體原子源1和真空泵組6共同控制，確保散 射區(qū)域內(nèi)的壓強(qiáng)在設(shè)定范圍內(nèi)。膜厚監(jiān)測(cè)儀5負(fù)載監(jiān)測(cè)金屬薄膜10的生長(zhǎng)速率，其放置位 置優(yōu)選與襯底3放置位置相對(duì)于坩堝位置對(duì)稱，這樣更容易確保對(duì)膜厚的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確。經(jīng)監(jiān) 測(cè)本實(shí)例中金屬薄膜10的沉積速率為0. 1-0.2A/S，金屬薄膜10總厚度為50nm。為檢查采用本發(fā)明方法形成的鍍膜效果，進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)，采用相同的氣相金屬 原子源，而不采用散射氣體原子源1，同時(shí)，將襯底3的金屬薄膜10的形成面朝向氣相金屬 原子源。真空容腔的真空壓強(qiáng)設(shè)定為5X10_8torr，沉積速率保持在0. 1-0.2A/S,金屬薄膜10 總厚度為50nm。對(duì)采用兩種不同方法形成的器件進(jìn)行如圖2所示的電阻率測(cè)試，測(cè)試金屬薄膜10 與ITO導(dǎo)電玻璃11之間的電阻率，測(cè)得兩器件電阻率差值在50倍以上，充分證明本發(fā)明有 效杜絕了熱Co原子對(duì)有機(jī)薄膜的穿透效應(yīng)，且穿透深度小于lOnm。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
采用氣體散射方式在柔性物質(zhì)表面蒸鍍金屬薄膜的方法，其特征在于所述方法包括如下步驟(1)處理金屬，使金屬原子進(jìn)入氣相；(2)降低進(jìn)入氣相的金屬原子的動(dòng)能；(3)將步驟(2)中獲得的金屬原子沉積在柔性物質(zhì)表面，形成金屬薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用氣體散射方式在柔性物質(zhì)表面蒸鍍金屬薄膜的方法，其 特征在于所述步驟(1)中使用加熱液化蒸發(fā)或加熱升華方法將使金屬原子進(jìn)入氣相。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用氣體散射方式在柔性物質(zhì)表面蒸鍍金屬薄膜的方法，其 特征在于所述步驟(2)中通過將進(jìn)入氣相的金屬原子置于惰性氣體中，通過散射作用，降 低金屬原子的平均動(dòng)能至所述惰性氣體原子的平均動(dòng)能。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用氣體散射方式在柔性物質(zhì)表面蒸鍍金屬薄膜的方法，其 特征在于所述惰性氣體為氬氣或者氪氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的采用氣體散射方式在柔性物質(zhì)表面蒸鍍金屬薄膜的方法，其 特征在于所述步驟(3)中有機(jī)物表面溫度在室溫以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用氣體散射方式在柔性物質(zhì)表面蒸鍍金屬薄膜的方法，其 特征在于所述柔性物質(zhì)為柔性有機(jī)物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用氣體散射方式在柔性物質(zhì)表面蒸鍍金屬薄膜的方法，包括如下三個(gè)步驟(1)處理金屬，使金屬原子進(jìn)入氣相；(2)降低進(jìn)入氣相的金屬原子的動(dòng)能；(3)將步驟(2)中獲得的金屬原子沉積在柔性物質(zhì)表面，形成金屬薄膜。本發(fā)明提供的采用氣體散射方式在柔性物質(zhì)表面蒸鍍金屬薄膜的方法，操作簡(jiǎn)單，并能夠在柔性物質(zhì)表面形成清晰的柔性物質(zhì)/金屬界面，且金屬原子基本不會(huì)擴(kuò)散到柔性物質(zhì)薄膜內(nèi)，保證柔性物質(zhì)分子不受破壞，能夠使柔性物質(zhì)保持完好的物理化學(xué)性質(zhì)，成膜質(zhì)量高，薄膜間內(nèi)應(yīng)力小。
文檔編號(hào)C23C14/24GK101956160SQ20101050541
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月11日
發(fā)明者吳鏑, 岳風(fēng)娟, 師玉軍, 林立, 王申, 都有為 申請(qǐng)人:南京大學(xué)