CN103275342B

CN103275342B - 一种脉冲偏压辅助等离子体高速处理有机薄膜的方法

Info

Publication number: CN103275342B
Application number: CN201310123344.7A
Authority: CN
Inventors: 郭颖; 解艳凤; 黄晓江; 张迪; 石建军; 张菁
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2033-04-10
Also published as: CN103275342A

Abstract

本发明公开了一种脉冲偏压辅助等离子体高速处理有机薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：将PET膜置于去离子水中超声清洗15-30分钟；取出PET膜，再置于浓度大于等于99.7％的酒精中超声清洗10-20分钟；取出PET膜，静置于培养皿内4-24小时，使PET膜自然晾干；将晾干的PET膜放入反应腔的载物台，并将其固定；打开仪器电源，通过抽气系统，抽至1×10^-4-3.6×10^-4Pa，打开进气系统，冲入氧氩混合气体；直至气压回升至0.1-20Pa时，同一时刻开启电脉冲与偏压脉冲，开始放电；不断调整脉冲偏压值，并观察PET膜接触角的变化。本发明具有设计合理、结构清晰、操作简便的特点。

Description

一种脉冲偏压辅助等离子体高速处理有机薄膜的方法

技术领域

本发明涉及一种脉冲偏压辅助等离子体高速处理有机薄膜的方法，属于等离子体材料表面处理领域。

背景技术

高分子薄膜在柔性电子基板、光学组件、包装材料、微型传感器基板、生物应用等其他方面有着广泛的应用。虽然高分子薄膜具有多种优良性能，但是对于应用于柔性基底材料而言，由于高分子材料的表面能低、化学惰性及存在弱边界等引起的表面惰性和憎水性，使得高分子材料在使用过程中，其表面难以与其他物质很好的黏附。

发明内容

本发明的目的是解决由于高分子材料的表面能低、化学惰性及存在弱边界等引起的表面惰性和憎水性，难以与其他物质很好的黏附问题，提供一种设计合理、结构清晰、操作简便的脉冲偏压辅助等离子体高速处理有机薄膜的方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种脉冲偏压辅助等离子体高速处理有机薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将PET膜置于去离子水中超声清洗15-30分钟；

步骤2，取出PET膜，再置于浓度大于等于99.7％的酒精中超声清洗10-20分钟；

步骤3，取出PET膜，静置于培养皿内4-24小时，使PET膜自然晾干；

步骤4，将晾干的PET膜放入反应腔的载物台，并将其固定；

步骤5，打开仪器电源，通过抽气系统，抽至1×10^-4-3.6×10^-4Pa；

步骤6，打开进气系统，冲入氧氩混合气体；

步骤7，直至气压回升至0.1-20Pa时，同一时刻开启电脉冲与偏压脉冲，开始放电；

步骤8，不断调整脉冲偏压值，并观察PET膜接触角的变化。

优选地，所述超声清洗的超声功率均为100-300W。

优选地，步骤6中所述的氧氩混合气体中氧气与氩气的比例为1∶6-1∶20。

优选地，步骤7中所述放电所需的射频电源为2-100MHz，放电功率为50-450W，脉冲调制频率为100HZ-100KHZ，占空比为10-100％，偏压脉冲电源电压400-12000V，调制频率范围为100HZ-10KHZ，占空比为10-90％。

本发明的设备简单易控，通过此方法处理的有机薄膜接触角明显下降，可显著提高薄膜与其它材料的黏结性。脉冲偏压辅助等离子体放电处理高分子材料是通过信号控制脉冲偏压的开启位置、大小和时间，从而控制对高分子材料的处理效果。本发明通过对放电方法的优化设计，提高了等离子体处理材料表面的效果，能够在短时间内实现对有机薄膜材料表面亲水性、生物相容性等的改善，具有设计合理、结构清晰、操作简便、快速、高效的特点。

附图说明

图1为脉冲偏压辅助等离子体高速处理有机薄膜的实验装置图；

图2为不同条件下PET膜接触角和剥离力的变化关系(处理时间：10s；调制频率：1KHZ；电源13.56MHZ)；

图3(a)为在未处理PET膜的条件下薄膜的表面形貌；

图3(b)为在偏压为3000V的条件下薄膜的表面形貌(处理时间：10s；调制频率：1KHZ；电源13.56MHZ)；

图4为在偏压为12000V的条件下薄膜的表面形貌(处理时间：5s；调制频率：100KHZ；电源2MHZ)；

图5为在偏压为1000V的条件下薄膜的表面形貌(处理时间：5s；调制频率：100HZ；电源100MHZ)；

图6为在偏压为400V的条件下薄膜的表面形貌(处理时间：15s；电源13.56MHZ)；

如图7所示，为在偏压为2000V的条件下薄膜的表面形貌(处理时间：5s；调制频率：100KHZ；电源13.56MHZ)。

附图标记说明

1为抽气系统，2为进气系统，3为偏压电极，4为射频线圈，5为射频电源，6为脉冲偏压系统，7为反应腔，8为载物台，9为信号发生及控制系统，10为石英玻璃侧壁。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

低温等离子体对材料表面改性是通过断开或激活材料表面的旧化学键并形成新的化学键来实现，所以要实现高效、快速的表面处理。首先需要低温等离子体中的各类粒子具有足够的能量以及较高的密度。处理中，等离子体中的自由基、电子等高能态粒子与材料表面发生物理化学作用：通过刻蚀作用提高表面粗糙度的物理效果，通过激发作用发生降解和交联等反应，在材料表面产生极性基团、自由基等活性基团引发化学效果，最终实现材料的亲水化等处理。因此，本发明利用脉冲偏压的辅助作用，提高等离子体反应区域的某些粒子的能量和密度，从而有效地提高处理的高分子材料表面性能，例如产生刻蚀、形成致密的交联层以及引入极性基团，从而使材料的亲水性、粘结性、生物相容性等得到改善。

本发明通过信号控制技术，获得脉冲偏压与等离子体放电的有效配合，提高本技术在有机薄膜处理中的效果。实验所用设备包括：信号发生及控制系统9、反应腔7及放电系统、偏压电极3等。如图1所示，为脉冲偏压辅助等离子体高速处理有机薄膜的实验装置图。抽气系统1的一端和进气系统2的一端均伸入反应腔7内，反应腔7内悬吊着载物台8，反应腔7内的底部放有一个偏压电极3，偏压电极3通过脉冲偏压系统6控制，反应腔7的外壁为石英玻璃侧壁10，反应腔7的外侧安装有射频线圈4，射频线圈4通过射频电源5提供电源，射频电源5与信号发生及控制系统9连接，信号发生及控制系统9与脉冲偏压系统6连接。本发明为一种快速、高效的利用脉冲直流(DC)偏压辅助等离子体高速处理有机薄膜(PET、PI、PEN等)的方法，包括以下步骤：

步骤1，将PET膜置于去离子水中超声清洗15-30分钟；

步骤4，将晾干的PET膜放入反应腔7的载物台8，并将其固定；

步骤5，打开仪器电源，通过抽气系统1，抽至1×10^-4-3.6×10^-4Pa；

步骤6，打开进气系统2，冲入氧氩混合气体，氧氩混合气体中氧气与氩气的比例为1∶6-1∶20；

步骤7，直至气压回升至0.1-20Pa时，同一时刻开启电脉冲与脉冲偏压系统6的偏压脉冲，开始放电，反应腔7的外侧放置有射频线圈4，放电所需的射频电源5为2-100MHz，放电功率为50-450W，射频脉冲放电频率为100HZ-100KHZ，占空比为10-100％，偏压脉冲电源电压400-12000V，频率设置为100HZ-10KHZ，占空比为10-90％；

步骤8，不断调整脉冲偏压值，处理时间一般在5-20S可测量到PET膜接触角的显著变化。

其中，超声清洗的超声功率均为100-300W。

实施例1

本发明为一种脉冲偏压辅助等离子体高速处理有机薄膜的方法，其所用PET膜厚为100μm，样品规格为4×4cm，先置于250ml去离子水中超声清洗20分钟，再置于250ml浓度为99.8％的酒精中超声清洗20分钟，超声功率均为100W。超声清洗完成后，静置于培养皿内24小时，使PET膜自然晾干。将清洗干净的PET膜放入反应腔7的载物台8固定。打开仪器电源，通过抽气系统1，抽至3.6×10^-4Pa，打开进气系统2，气压回升至1.9Pa时开始放电。氧氩比例为1∶12，射频电源5为13.56MHz，放电功率为100W，脉冲调制频为1KHz，50％占空比。偏压脉冲系统6的偏压脉冲电源电压为3000V，偏压源脉冲频率也设置为1KHz，50％占空比。调整二者触发信号，使放电脉冲与偏压脉冲开启在同一时刻，可观察到等离子体亮度明显增强。当脉冲偏压值不同时，可在靶电极表面形成厚度不等的等离子体鞘层。由于偏压的辅助作用，可加速Ar等正离子飞向靶电极，能量足够大时即可打出二次电子，且打出的二次电子由于鞘层的加速作用飞向腔体中部，又可与中性气体碰撞电离，增大电子密度，进而使处理效果增强。

如图2所示，为不同条件下PET膜接触角和剥离力的变化关系(处理时间：10s；调制频率：1KHZ；电源13.56MHZ)。通过图2可以看出加脉冲偏压接触角改变明显，亲水性增加。

如图3(a)、图3(b)所示，为对应条件下的原子力显微镜图，从中可以看出刻蚀效果明显，脉冲偏压辅助刻蚀后，样品表面处理均匀，粗糙度上升，含氧官能团等极性基团的增加使PET膜的亲水性增加。

实施例2

本发明为一种脉冲偏压辅助等离子体高速处理有机薄膜的方法，其所用PET膜厚为100μm，样品规格为4×4cm，先置于300ml去离子水中超声清洗15分钟，再置于300ml浓度为99.7％的酒精中超声清洗10分钟，超声功率均为300W。超声清洗完成后，静置于培养皿内4小时，使PET膜自然晾干。将清洗干净的PET膜放入反应腔7的载物台8固定。打开仪器电源，通过抽气系统1，抽至1×10^-4Pa，打开进气系统2，气压回升至20Pa时开始放电。氧氩比例为1∶6，射频电源5为2MHz，放电功率为450W，脉冲调制频为100KHz，50％占空比。偏压脉冲系统6的偏压脉冲电源电压12000V，偏压源脉冲频率设置为10KHz，10％占空比。调整二者触发信号，使放电脉冲与偏压脉冲开启在同一时刻，可观察到等离子体亮度明显增强。当脉冲偏压值不同时，可在靶电极表面形成厚度不等的等离子体鞘层。由于偏压的辅助作用，可加速Ar等正离子飞向靶电极，能量足够大时即可打出二次电子，且打出的二次电子由于鞘层的加速作用飞向腔体中部，又可与中性气体碰撞电离，增大电子密度，进而使处理效果增强。其他与实施例1相同。

如图4所示，为在偏压为12000V的条件下薄膜的表面形貌(处理时间：5s；调制频率：100KHZ；电源2MHZ)，从中可以看出刻蚀效果明显。

实施例3

本发明为一种脉冲偏压辅助等离子体高速处理有机薄膜的方法，其所用PET膜厚为100μm，样品规格为4×4cm，先置于250ml去离子水中超声清洗30分钟，再置于250ml浓度为99.9％的酒精中超声清洗20分钟，超声功率均为300W。超声清洗完成后，静置于培养皿内24小时，使PET膜自然晾干。将清洗干净的PET膜放入反应腔7的载物台8固定。打开仪器电源，通过抽气系统1，抽至3.6×10^-4Pa，打开进气系统2，气压回升至0.1Pa时开始放电。氧氩比例为1∶20，射频电源5为100MHz，放电功率为50W，脉冲调制频为100Hz，10％占空比。偏压脉冲系统6的偏压脉冲电源电压1000V，偏压源脉冲频率也设置为100Hz，10％占空比。调整二者触发信号，使放电脉冲与偏压脉冲开启在同一时刻，可观察到等离子体亮度明显增强。当脉冲偏压值不同时，可在靶电极表面形成厚度不等的等离子体鞘层。其他与实施例1相同。

如图5所示，为在偏压为1000V的条件下薄膜的表面形貌(处理时间：5s；调制频率：100HZ；电源100MHZ)，从中可以看出刻蚀效果明显。

实施例4

打开进气系统2，气压回升至1.9Pa时开始放电。氧氩比例为1∶12，射频电源13.56MHz，放电功率100W，脉冲调制频为200Hz，100％占空比(即为连续放电状态)。偏压脉冲系统6的偏压脉冲电源电压400V，偏压源脉冲频率设置为100Hz，90％占空比。调整二者触发信号同时触发。其他与实施例1相同。

如图6所示，为在偏压为400V的条件下薄膜的表面形貌(处理时间：15s；电源13.56MHZ)，从中可以看出刻蚀效果明显，脉冲偏压辅助刻蚀后，样品表面处理均匀，粗糙度上升。

实施例5

打开进气系统2，气压回升至0.1Pa时开始放电。氧氩比例为1∶6，射频电源13.56MHz，放电功率75W，脉冲调制频为100KHz，10％占空比。偏压脉冲系统6的偏压脉冲电源电压2000V，偏压源脉冲频率设置为10KHz，10％占空比。调整二者触发信号同时触发。其他与实施例1相同。

如图7所示，为在偏压为2000V的条件下薄膜的表面形貌(处理时间：5s；调制频率：100KHZ；电源13.56MHZ)，从中可以看出刻蚀效果明显，脉冲偏压辅助刻蚀后，样品表面处理均匀，粗糙度上升。

Claims

1.一种脉冲偏压辅助等离子体高速处理有机薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将PET膜置于去离子水中超声清洗15-30分钟；

步骤4，将晾干的PET膜放入反应腔(7)的载物台(8)，并将其固定；

步骤5，打开仪器电源，通过抽气系统(1)，抽至1×10^-4-3.6×10^-4Pa；

步骤6，打开进气系统(2)，冲入氧氩混合气体；

步骤8，不断调整脉冲偏压值，并观察PET膜接触角的变化。

2.如权利要求1所述的一种脉冲偏压辅助等离子体高速处理有机薄膜的方法，其特征在于，所述超声清洗的超声功率均为100-300W。

3.如权利要求1所述的一种脉冲偏压辅助等离子体高速处理有机薄膜的方法，其特征在于，步骤6中所述的氧氩混合气体中氧气与氩气的比例为1∶6-1∶20。

4.如权利要求1所述的一种脉冲偏压辅助等离子体高速处理有机薄膜的方法，其特征在于，步骤7中所述放电所需的射频电源为2-100MHz，放电功率为50-450W，脉冲调制频率为100HZ-100KHZ，占空比为10-100％，偏压脉冲电源电压400-12000V，调制频率范围为100HZ-10KHZ，占空比为10-90％。