影响ITO薄膜附着力的因素及对策

影响ITO薄膜附着力

的因素及对策

霍锦辉

2011/4/16

附着机理

•薄膜附着力的产生来源于膜/基片界面之间的相互作用，可分为物理吸附和化学吸附两种。

•物理吸附的有力学锁合作用和由单分子层间接触所引起的附着力。这两种力主要是：

（1）范德华力；（2）偶极子效应、诱起效应和劳伦兹力三种力的总和。

•化学吸附可分为以下几种类型：

（1）由两相邻材料之间发生了化学反应所引起的附着力；

（2）由于扩散所引起的附着力；

（3）“类扩散”所引起的附着力。

影响附着力因素-本底真空度

•高的本底真空意味着真空腔体内杂质少，本底真空的提高可以减少在基片上形成薄膜的过程中，空气分子作为杂质混入膜内或在薄膜中形成的化合物。•本底真空度越高，镀膜时引入的杂质就越少。

影响附着力因素-基体表面状态

•基体的表面状态对附着力有很大影响，.薄膜之所以能附着在基体上,是范德瓦尔力,扩散附着,机械锁合,静电引力,化学键力等的综合作用.基体表面的不清洁将使薄膜不能和基体直接接触,范德瓦尔力大大减弱,扩散附着也不可能,会使附着性能极差.由于表面的吸附（在10-3Pa压力1min即可吸附一个单分子层）作用会使其表面的化学键达到饱和。使沉积物不能与基片形成适当的化学键，这也会降低膜的附着力。

影响附着力因素-基体表面温度

•在沉积薄膜时，提高基片温度，不但可以去掉基片表面残留的气体及各种水汽、溶剂，还利于薄膜和基片原子的相互扩散，并且会加速化学反应，从而有利于形成扩散附着和通过中间层的附着，这样，包含在微结晶中的晶格缺陷就会减少，而且粒子形状易于长成为纤维状的结构，有利于形成致密的膜层，降低膜/基片界面处的孔隙度，附着力就会增大。低温沉积时,原子活性低,形核密度低,界面存在孔隙；高温沉积时,原子活性增大,形核密度高,界面孔隙少,界面结合较强,附着力高。但基体温度过高会使薄膜晶粒粗大,增加膜中热应力,从而影响薄膜的其他性能。

影响附着力因素-溅射气体纯度及压力

•以常用的AR气为例,溅射过程中,AR离子在撞击靶面的同时,也有一部分混入溅出的靶原子中,沉积在基板表面。因此,如果AR气纯度不够,或溅射时混入了太多杂质,会在膜层中形成很多缺陷,溅射一定厚度膜层后,膜层明显疏松,硬度增加,这对金属层质量的影响很大,而且AR气气压的高低也影响着膜层的质量.溅射气压较低时,入射到衬底表面的原子没有经过很多次碰撞,因而能量较高,这有利于提高沉积时原子的扩散能力,提高沉积组织的致密程度和附着力.如果气压太低,则不能启辉或启辉不足,轰击靶材的氩气离子数目太少；如气压过高,氩离子与靶材原子的碰撞中,靶材原子损失的动能太多,造成沉积到基板上的原子能量低,也影响膜层的附着力和致密性。

影响附着力因素-溅射功率

•在气压一定的条件下,溅射功率的增加,会使放电载体如AR气的电离度提高,从而提高溅射速率,这样基体表面的膜层与基板的粘附能力及膜层致密性都有所提高,并缩短了溅射时间,提高了膜层质量，相反,溅射功率太低,原子沉积速度慢,则结构疏松,膜层附着力差。

影响附着力因素-靶材纯度

•靶材的纯度越高,溅射出来的杂质粒子越少,镀膜均匀性越高.而且细小尺寸晶粒靶的溅射速率比粗晶粒者快,晶粒尺寸相差较小的靶,沉积薄膜的厚度分布较均匀，这也将有利于提高薄膜的附着性.

薄膜材料基体材料的匹配性

•不同的薄膜,衬底材料的组合对附着力有重要的影响。膜与基体之间的匹配性不好，例如弹性模量或热膨胀系数差别过大，会使膜层内应力过高而引起脱落。为提高薄膜的附着性能可以在薄膜与基体之间加入一种另外的材料，组成中间过渡层。

影响附着力因素-热处理工艺

•由于膜与基体的膨胀系数不同，热处理的温度过高可能会导致膜产生一定的内应力，造成膜层脱落。此外，在溅射镀膜前，基体表面的部分区域不清洁会使得薄膜与基体之间的附着力不均匀，这样在高温热处理时，由于薄膜的内应力和附着力的共同作用引起样品中力量不均匀导致薄膜的开裂，同时产生大量的针孔。为得到致密，结合力强的膜，可采用热处理过程中，缓慢均匀升温的办法，减小开裂的可能性。

-本底真空的提高•本底真空度越高，镀膜时引入的杂质就越少。

•目前我们的本地真空度一般是：2.0*10-5，我们可以尝试把本底真空抽到10-6级别。

-基体表面温度提高•PET膜上的加硬层热变形温度≥78℃，热软化温度≥105℃。

•目前我们镀膜时基体温度只有37℃，还有上调的空间。我们可以把IR heating 开起来，把基片温度调到60镀左右。

-基体的预处理•利用Ar等离子体对PET表面进行清洗，其目的一是对表面进行清洗，以除去其表面附着的杂质污染物，促进吸附的气体解吸；其次等离子体轰击使表面变得更粗糙，有利于提高其对金属膜的附着力。

- SIO2过渡层的设置•由于膜与基片之间的匹配性不好，薄膜本身应力过大造成的，例如弹性模量或热膨胀系数差别过大，使膜层内应力过高而引起的脱落。•克服膜/基片间不匹配问题通常可通过设置过渡层来实现。在基片和薄膜之间附着很弱的情况下，需要附加适当的成分过渡层。一方面增加它们之间的附着力，另一方面减少它们之间的应力。

-热处理工艺•我们在工作中发现，制作好的薄膜经过一段时间后，膜层会产生裂纹、脱落。这是因为在薄膜制作时，由于温度急剧变化，使膜层的内部结构包含了各种各样的晶格缺陷、变形和应力。为了消除这些影响，把制作好了的薄膜放置在高温下退火一段时间，使膜层和基片之间，膜层与膜层之间的各种应力得到调整，晶格发生改变，排列规则。

处理后的膜层，变化就会减小，进而提高了膜层的牢固性。热处理工艺的作用大致可分为三个方面：一是可使膜层晶化，二是消除内应力，三是可减少表面缺陷。原则上，热处理温度应比淀积温度高才有效，不同材料的最佳热处理温度和时间不一样，热处理的方法也不一定相同，这需要根据材料的形变程度和金属的性质来确定。