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doc塑料基材上磁控溅射铝膜附着力研究

[doc]塑料基材上磁控溅射铝膜附着力研究

塑料基材上磁控溅射铝膜附着力研究

2Q?

NO.04

虽而dTecMnologyInnovationHerald

塑料基材上磁控溅射铝膜附着力研究

王策

（合肥工业大学

干蜀毅

合肥230009）

高新技术

摘要:

在光学塑料表面上运用磁控溅射镀制的单质金属铝膜,常出现膜层与基片的附着力差的问题.本文结合光学塑料的性质,通过

薄膜附着力理论分析,提_出在工艺上改进铝膜附着力的方法.通过实验证明其方法的可行性.

关键词:

金属薄腱铝膜附着力光学塑料

中图分类号:

F239.62文献标识号:

A文章编号:

1673-0534（2008）02（a）

一0004一o2

光学塑料以其性能优异,质量轻,容易

加工成型,不腐蚀及价格低廉等特点,越来越

广泛地应用于日常生活,工业及科研等领域.

而为了提高光学光学塑料的性能,光学塑料的

的镀膜倍受人们的重视.在镀膜技术中,以真

空镀膜技术在塑料制品的应用上最为广泛.

通过真空镀膜技术,使得在塑料表面沉积

一

层单质金属层,使其具有表面亮丽,金属

感强,提高光学塑料的使用性能.在光学塑

料表面镀制的单质金属膜,常发生膜层与基片

的附着力差,特别是在磁控溅射中,镀制铝膜,

最常见的质量的问题是:

脱膜,膜层附着力

差等,这直接影响到镀膜塑料的应用.本文

从光学塑料的特性出发,通过薄膜附着力理论

分析,提出在工艺上改进铝膜附着力的方法.

1光学塑料的特性

光学塑料的种类很多,最常用的有:

聚甲

基丙烯酸甲酯（PMMA）,聚碳酸酯（PC）和聚

苯乙烯（PS）等.一般,光学塑料作为镀膜基体

材料有如下的一些特性.

光学塑料的耐热性相对于金属或玻璃差,

吸水率高,使得沉积温度受到限制.其次,光

学塑料具有低的表面能,介电性能高,摩擦后

易产生静电,这样使得表面容易吸附灰尘.

塑料表面的清浩程度直接影响到膜层与基片

的附着力.此外,光学塑料的热膨胀系数大,

如塑料的热膨胀系数要比金属大一个数量级,

在成膜过程中或成膜后,由温度变化产生热应

力,如果应力过大会导致膜层开裂甚至脱落现

象-

2薄膜的附着机理【3_51

薄膜附着力是膜层与基板或膜层与膜层

之间的键合力或键合强度,其单位是单位面积

上的力或能.根据附着力产生的原可以分

为物理吸附与化学吸附两类.物理吸附能的

作用范围通常在0.05,0.5eV,它主要是由范

德华力和静电力所引起的,而化学吸附能则在

0,5,l0eV之间,其作用力在l06N/cm以

上.主要是当基板与薄膜原子之间发生位移

或交换时,产生很强的化学吸附键合力.其中

化学吸附可分为3种类型:

（1）由两相邻材料之

间发生了化学反应所引起的附着力;

（2）由扩散

所引起的附着力.这是两种材料接触而存在

浓度梯度时,引起向对方扩散各自的原子,这

样必然引起原子之间的作用力;（3）”类扩散”

所引起的附着力.这是由于原子具有较大的

动能,当冲击基片的时候打入基片而引起的

“类扩散”.可见,由化学吸附引起的附着力比

物理吸附要大得多.

从能量角度来讲,将单位面积的薄膜从其

基片上剥离下来所需要做的功即是薄膜附着

力的量度.其表达式:

玎=-,+一

式中,,’r,,,B分别是薄膜,基片的表面

能以及薄膜与基片之间的界面能.因此,薄

膜,基片的表面能越高,薄膜基片的界面

能越低,m1】薄膜的附着力也就越高.

3影响附着力的因素

（1）基片表面粗糙度和结构缺陷对薄膜附

着力的影响很大,一般,塑料板材的粗糙度较

大,虽然其表面与薄膜易形成机械咬合界面,

但是由于塑料本身结构比较疏松,常含有易挥

发的低分子物,而在真空状态下这些低分子物

更容易挥发,这样不仅增加真空系统的负担,

同时这些低分子物与镀膜材料发生反应,其生

成物会降低膜层的附着力.所以,存镀膜前,

光学塑料板材一般要经过硬化处理的.否则,

如果直接镀上一层单质金属薄膜,这样常导敏

金属薄膜不连续,不光滑,表面金属感莘.光

学塑料在真空室的放气量,尤其是在受到辐射

热时的放气量要比玻璃材料的大很多倍.为_r

提高光学塑料表面硬度,改善膜层与光学塑料基

片的粘结性能,应在光学塑料上镀1,1Ou1TI厚

度的过渡层.用于磁控溅射镀膜的光学塑料

的过渡层一般是有机材料,与板材形成结合牢

固的硬膜层,从而光学塑料板材能够应用r实

际1=业生产.经过硬化处理的光学塑料,虽然

表面光洁,放气量减少,但是相对丁玻璃,金

属等放气量还是很大的,而在沉积区域温度较

高,达使得低分子物挥发量更大,因此,在溅射

镀膜中,在合理的范围内,应该提高基片的走

速,使得光学塑料板材少沉积区域较高温度的

影响,减少放气量,这样有利于膜层与基片的

附着力.

（2）光学塑料表面的清洁度是影响薄膜附

着力的重要因素.如果表面的清洁度0好的

话,其表面会有一个污染层,它灰使得基片表

面的化学键达到饱和,沉积薄膜后,其影响到

薄膜的附着力.同时光学塑料易产生静电和

吸水率高,减低其表面的界面能.所以,镀膜

前对基片的表面清洁处理是非常重要的.

（3）镀膜室的本底真空度和工作真空度也

是影响薄膜附着力的重要因素.在薄膜附着

力中,由化学吸附引起的附着力比物理吸附要

大得多,而真空镀制的薄膜与光学薄膜的表面

键合主要是扩散型和类扩散型.为此,应使得

的溅射粒子具有大的动能和能量去轰击塑料

板材,提高粒子与光学塑料表面的结合能.同

时由于真空室里的残余气体大多数为水蒸汽,

油蒸汽,氢气,一氧化碳等,残余气体的种类

不同,会对塑料表面造成不同的污染,其中水

4科技创新导报ScienceandTechnoIogyInnovationHerald

表1不同工艺参数下镀Al膜

样品本底真空度工作真空度基片速度

序号（Paj（Pa）（m/min）

l90xE-37.0xE-IO.7

9.0~E一050×8一lO9

9.0~E一330xE-IO.7

49O~E-33.O一lO.9

59.OxE-33.0xE-114

S60-E—33OxE-1O.9

SOxS_33.0xE-1O9

85.OxE-,33OxE—l14

940×E-33O×E_I14

蒸汽千?

油蒸汽对薄膜的附着力危害很大.所

以在镀膜时,在合理范围内,应取高的本底真

空度和工作真空度,尽量减少残余气体对薄膜

附着力的影响.

4实验及附着力测试

本文主要是针对已经经过表面硬化处理

的光学塑料（PMMA）进行真空镀单质金属铝

膜.本文采用的是磁控溅射镀膜方式,具有

“低温”,”高速”的特点.设备中的泵

组为机械泵+罗茨泵+扩散泵.镀膜前,先

存净化对经过硬化处理的PMMA板材表面

先进行超声波清洗,主要目的是去除基片表面

的灰尘1可能残留的油渍等异物,并且不含有

活性离子,然后用离子风枪吹净基片表面,即

用强离子风清除物体表面的静电及异物,尘

埃等,之后将处理好的板材放进真空室中.

抽真空度到预定的本底真空度,充入Ar气使

得真空度达到需要的工作真空度.根据调剂

不同的工艺条件对PMMA板材镀制单质金属

铝膜（约l2nm）.其主要工艺参数如表l所

为了容易识别各种不同参数下镀制的样

品,我们给于每次实验的样品标于相应的序

号,并且.对每次实验镀制的样品进行附着力测

试.目前,薄膜附着力的测试方法主要有压痕

法,拉张法以及剥离法等,本文采用的是剥离

法的一种,先对用百格刀对薄膜划出百格,再

用3M胶带用力粘附,胶带垂直拉起,这样反复

五次,看薄膜的脱落情况,如果脱落的薄膜小

于5%部分,则该薄膜的附着力达到很好的效

果.从测试的结果来看,从对样品l,9的测试

中,薄膜的附着力总地来说是越来越好,但是

成品l,5的测试中,薄膜的附着力较差,远达

不到脱落的薄膜小于5%部分,而在6,9中,

薄膜的附着力好,达到脱落的薄膜小于5%部

分的要求.

从测试的结果来看,本底真空度是铝薄膜

附着力的主要影响因素,在一定范围内,本底

（下转6页）

业

ScienceandTechnologyInnovationHerald

增长的各种嵌入式设备.可以预计,随着视

觉技术的飞速发展,视觉技术与嵌入式设备结

合将形成一个全新而具有美好前景的发展方

向..

参考文献

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