2015-2020 Интернет магазин eVacuum.ru предлагает все необходимые комплектующие для создания, проектирования и модернизации вакуумных систем.
Купить вакуумное оборудование в
интернет магазине eVacuum.ru

Очистка/активация полимерных поверхностей
Сотрудники компании Kaufman & Robinson, Inc.

ВВЕДЕНИЕ

МЕТАЛЛЫ И ТУГОПЛАВКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Полезно рассмотреть ионную очистку металлов или тугоплавких соединений (таких как SiО₂ или Al₂О₃), из-за схожести этого процесса с таким же процессом для полимеров. Такая очистка лучше происходит в диапазоне низких энергий (25-100 эВ), когда ионы имеют достаточную энергию для удаления физически адсорбированных загрязнений, но незначительно проникают в пространственную решетку [1, 2]. Общепринятая доза очистки в 1015 ионов/см² (l.6 x 104 C/см²) соответствует одному падающему иону на каждый атом поверхности. Чем более активный «выход выбивания» физически адсорбированных загрязнений при этой дозе, тем обеспечивается более адекватная очистка. Если ионы находятся в диапазоне низких энергий, нежелательных эффектов воздействия доз очистки, больших чем 1015 ионов/см², немного.

ОЧИСТКА/АКТИВАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ

Ковалентные связи в полимерах более разнообразны, чем в любом металле или широко применяемых тугоплавких соединениях. Как это показывают ограниченные температурные характеристики большинства полимеров, многие из этих связей довольно слабые. Множество элементов и относительно слабые связи приводят к тому, что процесс становится намного более сложным, чем для металлов и тугоплавких соединений. Воздействие на различные элементы с различными возможностями связей вызывает функционализацию, активацию или появление свободных радикалов или свободных связей. В этом кратком обзоре будет использоваться единый термин «активация». Ниже описано влияние различных рабочих газов. Запомните, что удаление физически адсорбированных загрязнений происходит в дополнение к активации. Кроме того, активация может вызывать старение [4].

АРГОН

Воздействие ионов аргона на полимерные подложки изучено в широком диапазоне энергий ионов [3, 5-8]. Обычно, это воздействие при различных энергиях похоже, но и толщина слоя воздействия, и скорость повреждения увеличиваются вместе с энергией [3, 8]. Работа [8] показывает схожесть поведения подвергаемых напылению материалов во всем диапазоне энергий, причем многие из них выделяют небольшие группы атомов (например, C₂H₂). Более того, формирование аморфного графитового слоя предпочтительно при высоких энергиях. Для получения хорошей адгезии, основная цель – активировать тонкий поверхностный слой с минимальными разрушениями в объеме вещества ниже этого слоя, причем подразумевается, что энергия ионов <100 эВ. Тем не менее, общая схожесть воздействий при больших энергиях предполагает, что исследования при этих энергиях могут расширить существующий диапазон интересов за 100 эВ.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) обеспечивает максимальную глубину определения около 50 Å и может быть ограниченной на глубине от 20 Å [3, 9]. Наиболее общие наблюдения с помощью XPS при увеличенной дозе Ar+ – уменьшение числа связей C=O и увеличение аморфного графитированного углерода около поверхности [3, 7, 8]. Также наблюдалось увеличение электрической проводимости поверхности [3]. Выходы выбивания имеют тенденцию к увеличению – в 30 раз для нитроцеллюлозы при 100 эВ [10]. Важность активированного положения углерода при адгезии показывает обнаружение TiC около границы раздела титановых пленок, напыленных на активированную поверхность полимера [6].

Оптимальная доза активации поверхности – это доза, достаточная для получения большей части или всех желаемых свойств или структур. (Это соответствует определению оптимальной дозы очистки, за исключением того, что желаемые свойства могут быть другими, чем при очистке). Не существует экспериментальных данных по оптимизации при энергиях <100 эВ, но исследования при 500 и 2000 эВ показывают несколько оптимумов, которые находятся внутри удвоенного диапазона стандартных доз очистки в 1015 ионов/см² [3, 6, 9]. Эти оптимумы определялись по появлению углеродных связей на поверхности или опытном путем по прилипанию пленки, напылённой на эту поверхность.

Очистка полимеров может быть неудачной без каких-либо знаний о необходимых дозах ионов. В таких случаях при последующих вычислениях иногда получались дозы очистки, которые в 100 или более раз больше, чем 1015 ионов/см². Такие большие дозы очистки могут привести к накоплению углерода c низким выходом выбивания и выбиванию обычно находящихся в газообразном состоянии веществ, таких как H, О и N. Часто желательна активация углеродных связей, но покрытие поверхности слоем углерода редко приносит пользу.

КИСЛОРОД

Воздействие ионов кислорода на полимерную подложку также изучены в широком диапазоне энергий ионов [7, 8]. Подвергаемые напылению материалы обычно аналогичны материалам, напыляемым с аргоном, и выход ацетилена (C₂H₂) снова существенен [8]. Выход выбивания при энергиях ниже 100 эВ здесь невозможен, и величины энергий для кислорода примерно в 10 раз больше чем для аргона – 500 и 1000 эВ [7, 10]. Такое большое увеличение энергий для выхода выбивания для этого газа указывает на наличие в процессе напыления какого-то значимого активного фактора, который, вероятно, также присутствует при энергиях <100 эВ. В свою очередь, высокий выход выбивания для кислорода при энергии <100 эВ указывал бы на то, что доза в 1015 ионов/см² должна была быть более, чем достаточной.

Согласно [8], по сравнению с аргоном, при работе с кислородом высокие энергии ионов необходимы для формирования углеродистого слоя. Однако, другое исследование [7] показало обычное отсутствие углеродного слоя на поверхности так же, как и скорости травления кислородом, которая зависит от общей интенсивности потока ионов кислорода и из ионного источника, и из окружения. Тем не менее, помимо ионно-лучевых характеристик, образование углеродистого слоя может зависеть от фонового давления кислорода. Моделирование процесса кислородного травления [7] предсказало, что при достаточном количестве кислорода, около поверхности травления образуется некая единая оболочка. Эта оболочка не видна в XPS, но усреднение XPS по нескольким верхним слоям, возможно, маскирует этот эффект.

АЗОТ

Исследования, в которых для обработки поверхности полипропилена были использованы ионы азота с энергией 60-100 эВ, показали оптимальную дозу около 1015 ионов/см² [4]. При этом отношение N/C на поверхности было примерно равно 0,11. Также присутствовало влияние изменения энергий в диапазоне 60-100 эВ, но некоторое варьирование характеристик могло быть обусловлено недостаточной однородностью полимера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Имеющаяся в наличии информация указывает на необходимость при очистке/активации придерживаться доз около 1015 ионов/см² (1.6 x 10^-4 C/см²), очевидно, не превышая эту величину вдвое. Ограниченные данные и разумное желание минимизировать повреждения под поверхностью полимера вместе взятые показывают, что энергия ионов должна быть менее 100 эВ. Вероятно, из-за широкого спектра эффектов активации, лучший газ для новых приложений придется выбирать экспериментально.

ЛИТЕРАТУРА

1. H.R. Kaufinan and J .M.E. Harper, "Ion-Assist Applications of Broad-Beam Ion Sources," Proceedings of SPIE, 5527, 50-68, 2004.

2. H.R. Kaufinan and J.M.E. Harper, "Development and Applications of Ion Sources," 50th Annual Technical Conference Proceedings of the Society of Vacuum Coaters, 2007.

3. H.-S. Jeong and R.C. White, "Low Energy Ion Beam Interactions with Electronic Polymer Surfaces," J. of Vacuum Science and Technology, All, 2308-2311, 1993.

4. L. Kohler, S. Scaglione, D. Flori, J. Riga, and R. Caudano, "Ability of a Gridless Ion Source to Functionalize Polypropylene Surfaces by Low-Energy (60-100 eV) nitrogen Ion Bombardment. Effects of Ageing in Air and Water," Nuclear Instr. and Meth. in Physics Research, B185, 267-275, 2001.

5.  M.W. Geis, J.N. Randall, T.F.Deutsch, P.O. DeGraff,
K.E. Krohn, and L.A. Stem, "Self-Developing Resist with Submicrometer Resolution," and Processing Stability," Appl.Phys. Lett.,43, 74-76  1983.

6. P. Bodo and J.-E. Sundgren, "Adhesion of Evaporated Titanium to Polyethylene: Effects of Ion Bombardment Pretreatment," J. of Vacuum Science and Technology, Al, 1498-1502, 1984.

7. W.E. Vanderlinde and A.L. Ruoff, "Reactive Ion BeamEtching of Polyimide Films," J. of Vacuum Science and Technology, B6, 1621-1625, 1988.

8. I.Tepermeister and H. Sawin, "Polyimide Etching in Ar, 02, and O/F2 gas Mixtures:Effect oflon Energy," J. of Vacuum Science and Technology, A9, 790-795, 1991.

9. R.C. White and P.S. Ho, "Ion Beam Interactions with Polymer Surfaces," pp. 315-337 in Handbook of Ion Beam Processing Technology, (J. J. Cuomo, S. M. Rossnagel, and H.R.Kaufinan,eds.) Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, 1989.

10. Ohnishi, Poly(vinylnaphthalene) and Its Derivatives as E-beam Negative Resists,'' J. of Vacuum Science and Technology, 19, 1136-1140, 1981.