CN108821231A - 一种基于力学原理的表面具有微结构的高弹性基体及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于力学原理的表面具有微结构的高弹性基体及方法。本发明通过在高弹性基底表面制备微结构，对薄膜内部的应变进行隔离，大大降低薄膜内部由于热失配、残余应力等原因产生的应变，有效减缓了在弹性基底表面镀膜产生褶皱的现象；本发明的方法用于制备柔性电子器件，能够有效避免传统柔性电子器件制备工艺中的转印工艺，大大提高柔性电子器件制备的良品率；本发明工艺简单，效果明显，有效提高了薄膜的比表面质量；由于弹性基底表面微结构的作用，经过有限元仿真计算，该种微结构的设计可以极大的减小薄膜与基底脱层时的能量释放率，有效减小薄膜的脱层现象；本发明具有高度的可重复性，适用于多种镀膜方法和高弹性基底。

Description

一种基于力学原理的表面具有微结构的高弹性基体及方法
技术领域
本发明涉及工程材料技术领域，具体涉及一种基于力学原理的表面具有微结构的高弹性基体及其方法。
背景技术
薄膜材料在新材料技术领域占据着极其重要的地位，并且推动了多个领域的发展。在高温环境下利用表面涂层的薄膜材料可以对构件进行有效保护；在零件表面通过表面喷涂一层薄膜材料可以有效增强零件的使用耐受性；在微电子机械系统，用薄膜材料制作的作动器是其不可或缺的部分；特别是在微型制造和高密集成电路领域，薄膜的材料的发展大大推动了该领域的发展。常用的镀膜方法按照薄膜的生长机理分为物理镀膜方法和化学镀膜方法。特别是在高密度集成电路领域，所生长的薄膜材料的性能直接决定着电路的性能。经过多年的发展在硬质基片上生长薄膜的方法已经非常成熟。
近年来，随着柔性电子技术领域的崛起，对薄膜质量的要求也越来越高。针对于传统的柔性电子器件制备而言，首先在硬质进行薄膜沉积，对薄膜进行图案化之后，形成完整器件之后通过转印的步骤将器件转印至柔性基底上，从而形成完整的柔性电子器件。目前而言，柔性电子器件在制备的过程中，转印导致器件失效的概率非常高，往往在转印过程中由于薄膜材料的受力问题导致薄膜断裂，从而导致整个器件失效。而直接在柔性基底上生长硬质金属或者其他材料的薄膜，无论是弹性模量还是热膨胀特性，柔性基底和薄膜之间的物理特性相差较大，因此导致在薄膜沉积过程中由于各种原因(如热失配、残余应力)导致生长的薄膜质量往往难以达到制备器件的要求，并且与柔性基底之间容易脱层，这也是现有的柔性电子器件制备工艺中转印技术不可或缺的主要原因。
发明内容
针对以上现有技术问题中存在的柔性基底上生长硬质薄膜质量差、易脱层等问题，本发明提出一种基于力学原理的高弹性基体及其镀膜方法，通过在表面上制备微结构，利用微结构的应变隔离效果来实现应变消除的目的，提高镀膜质量。
本发明的一个目的在于提出一种基于力学原理的表面具有微结构的高弹性基体。
本发明的基于力学原理的表面具有微结构的高弹性基体，在高弹性基底的表面具有微结构；其中，微结构为在高弹性基底的表面的凸台；凸台的上表面和下表面互相平行，并平行与高弹性基底的表面；凸台的水平形状为规则的图形；根据在弹性基底上镀膜产生褶皱的基本理论，结合薄膜的厚度和材料性质，确定凸台的高度hs，使得形成在微结构表面的薄膜的褶皱的离面位移为0，即满足：
其中，hf表示薄膜的厚度，分别代表弹性基底在x,y方向上应变；μf表示薄膜材料的泊松比，表示薄膜材料的平面应变模量，表示弹性基底材料的平面应变模量，Gs表示弹性基底材料的剪切模量。
高弹性基底采用聚三甲基硅氧烷PDMS或橡胶。
凸台的水平形状为圆形、方形、环形和条形中的一种。
本发明的另一个目的在于提供一种基于力学原理的利用表面具有微结构的高弹性基体进行应变隔离的镀膜方法。
本发明的基于力学原理的利用表面具有微结构的高弹性基体进行应变隔离的镀膜方法，包括以下步骤：
1)设计在高弹性基底的表面的微结构：
根据在弹性基底上镀膜产生褶皱的基本理论，并结合薄膜的厚度和材料性质，确定凸台的高度，使得形成在微结构表面的薄膜的褶皱的离面位移为0，即满足：
其中，hf表示薄膜的厚度，分别代表弹性基底在x,y方向上应变；μf表示薄膜材料的泊松比，表示薄膜材料的平面应变模量，表示弹性基底材料的平面应变模量，Gs表示弹性基底材料的剪切模量；
2)制备模具：
制备与高弹性基底表面的微结构互补的模具，模具具有凹陷，凹陷的形状与凸台的微结构为形状互补，其中凹陷的深度与步骤1)中计算得出的凸台的高度一致；
3)制备表面具有微结构的高弹性基底：
利用步骤2)中制备好的模具，将液态的高弹性基体的材料浇注在模具中，然后固化，从而形成表面具有微结构的高弹性基底，微结构为在高弹性基底的表面的凸台，凸台的上表面和下表面互相平行，并平行与高弹性基底的表面，凸台的水平形状为规则的图形；
4)在表面具有微结构的高弹性基底上进行镀膜，生长薄膜，由于微结构的应变隔离作用，将薄膜生长过程中产生的应变控制在产生褶皱的临界应变以下，从而有效避免薄膜表面产生褶皱。
其中，在步骤1)中，凸台的水平形状为圆形、方形、环形和条形中的一种。
在步骤3)中，高弹性基底的材料采用聚三甲基硅氧烷PDMS或橡胶。
本发明的又一目的在于提出一种基于力学原理的利用表面具有微结构的高弹性基体进行应变隔离的镀膜方法用于制备柔性电子器件的用途。
本发明的优点：
(1)本发明通过在高弹性基底表面制备微结构，对薄膜内部的应变进行隔离，大大降低薄膜内部由于热失配、残余应力等原因产生的应变，有效减缓了在弹性基底表面镀膜产生褶皱的现象；
(2)采用本发明的方法在高弹性基体上镀膜得到的薄膜，制备柔性电子器件，能够有效避免传统柔性电子器件制备工艺中的转印工艺，大大提高柔性电子器件制备的良品率；
(3)本发明在高弹性基体上镀膜工艺简单，效果明显，有效提高了薄膜的比表面质量；
(4)由于弹性基底表面微结构的作用，经过有限元仿真计算，该种微结构的设计可以极大的减小薄膜与基底脱层时的能量释放率，有效减小薄膜的脱层现象；
(5)本发明具有高度的可重复性，适用于多种镀膜方法和高弹性基底。
附图说明
图1为本发明的基于力学原理的表面具有微结构的高弹性基体的示意图；
图2为本发明的基于力学原理的表面具有微结构的高弹性基体的制备方法的流程图；
图3为根据本发明的基于力学原理的利用表面具有微结构的高弹性基体进行应变隔离的镀膜方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
本实施例的基于力学原理的表面具有微结构的高弹性基体如图1所示，高弹性基底2的下表面为玻璃板3，高弹性基底2的上表面具有微结构1；其中，微结构1为在高弹性基底的表面的凸台；凸台的上表面和下表面互相平行，并平行与高弹性基底的表面；凸台的水平形状为圆形。
直接在表面不具有微结构的高弹性基体上镀膜，根据力学理论，金属薄膜由于热失配或残余应力的作用会产生特定形状的褶皱。褶皱的幅值由下式决定：
其中：A代表褶皱的幅值，即离面位移；hf表示薄膜的厚度；表示在x方向薄膜在生长过程中产生的应变；表示在y方向薄膜在生长过程中产生的应变；μf表示薄膜材料的泊松比；表示薄膜材料的平面应变模量；表示弹性基底材料的平面应变模量。
由于弹性基底材料表面预制了规则形状的凸台，根据力学分析，凸台的上表面和下表面之间的应变关系满足：
其中：分别代表薄膜材料在x,y方向上应变；分别代表弹性基底在x,y方向上应变；x,y分别表示微结构上x,y方向上位置；l,w分别表示微结构凸台在x,y方向上的特征尺寸；Gs表示弹性基底材料的剪切模量；hs表示微结构的高度。
所以最终在微结构的表面上的薄膜褶皱的离面位移满足如下关系：
上式中褶皱的幅值A＝0时，薄膜褶皱的离面位移为0，通过在高弹性基体上制备微结构，可以大幅度的降低薄膜上的应变，从而能够有效避免薄膜表面产生褶皱，提高薄膜的质量，同时由于表面微结构的存在，薄膜脱层的能量释放率大大降低，有效减轻了硬质薄膜材料与高弹性基体的脱层问题。
本实施例的基于力学原理的利用表面具有微结构的高弹性基体进行应变隔离的镀膜方法，包括以下步骤：
1)设计在高弹性基底的表面的微结构：
根据力学理论，并根据要镀膜的薄膜的厚度和材料性质，确定凸台的高度，使得形成在微结构表面的薄膜的褶皱的离面位移为0，即满足：
其中，hf表示薄膜的厚度，分别代表弹性基底在x,y方向上应变；μf表示薄膜材料的泊松比，表示薄膜材料的平面应变模量，表示弹性基底材料的平面应变模量，Gs表示弹性基底材料的剪切模量；
2)制备模具：
模具采用硅模具，在硅片5上旋涂一层光刻胶4，并将光刻胶进行图案化，并采用等离子体刻蚀对硅片进行刻蚀，形成具有特圆形的凹陷的硅模具8；将制备好的硅模具8置于盛有脱模剂6的样品盒7中进行浸泡约30～60分钟，取出硅模具吹干，去除表面的脱模剂；
3)制备表面具有微结构的高弹性基底，如图2所示：
利用步骤1)中制备好的模具，将浸泡后的硅模具8放入样品盒7中，倒入液态PDMS9使其固化，将固化后的PDMS进行脱模处理，并将其贴在玻璃板3上，便形成了具有微结构1的高弹性基底；
4)在微结构上镀膜，如图3所示：
具有微结构的弹性基底置于玻璃板3上，并置于电子束真空镀膜机中进行镀铜膜，铜蒸汽10沉积在带有微结构的弹性基底上，由于存在热源使铜蒸发，形成铜蒸汽，此时整个弹性基底处于膨胀状态，因此待镀膜之后恢复室温后，在没有微结构的表面由于热胀冷缩形成带有褶皱薄膜11，而存在凸台的部分由于应变隔离的效果，形成高质量薄膜12；在表面具有微结构的高弹性基底上进行镀膜，生长薄膜，从而有效避免薄膜表面产生褶皱。
本发明提出的基于力学原理的利用表面具有微结构的高弹性基体进行镀膜的方法，可应用于制备柔性电子器件，特别是针对于薄膜质量要求较高的功能单元。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种基于力学原理的利用表面具有微结构的高弹性基体进行应变隔离的镀膜方法，其特征在于，所述镀膜方法包括以下步骤：
1)设计在高弹性基底的表面的微结构：
根据在弹性基底上镀膜产生褶皱的基本理论，并结合薄膜的厚度和材料性质，确定凸台的高度，使得形成在微结构表面的薄膜的褶皱的离面位移为0，即满足：
其中，hf表示薄膜的厚度，分别代表弹性基底在x,y方向上应变；μf表示薄膜材料的泊松比，表示薄膜材料的平面应变模量，表示弹性基底材料的平面应变模量，Gs表示弹性基底材料的剪切模量；
2)制备模具：
制备与高弹性基底表面的微结构互补的模具，模具具有凹陷，凹陷的形状与凸台的微结构为形状互补，其中凹陷的深度与步骤1)中计算得出的凸台的高度一致；
3)制备表面具有微结构的高弹性基底：
利用步骤2)中制备好的模具，将液态的高弹性基体的材料浇注在模具中，然后固化，从而形成表面具有微结构的高弹性基底，微结构为在高弹性基底的表面的凸台，凸台的上表面和下表面互相平行，并平行与高弹性基底的表面，凸台的水平形状为规则的图形；
4)在表面具有微结构的高弹性基底上进行镀膜，生长薄膜，由于微结构的应变隔离作用，将薄膜生长过程中产生的应变控制在产生褶皱的临界应变以下，从而有效避免薄膜表面产生褶皱。
2.如权利要求1所述的镀膜方法，其特征在于，在步骤1)中，凸台的水平形状为圆形、方形、环形和条形中的一种。
3.如权利要求1所述的镀膜方法，其特征在于，在步骤3)中，高弹性基底的材料采用聚三甲基硅氧烷PDMS或橡胶。
4.一种基于力学原理的表面具有微结构的高弹性基体，其特征在于，在所述高弹性基底的表面具有微结构；其中，微结构为在高弹性基底的表面的凸台；凸台的上表面和下表面互相平行，并平行与高弹性基底的表面；凸台的水平形状为规则的图形；根据在弹性基底上镀膜产生褶皱的基本理论，结合薄膜的厚度和材料性质，确定凸台的高度hs，使得形成在微结构表面的薄膜的褶皱的离面位移为0，即满足：
其中，hf表示薄膜的厚度，分别代表弹性基底在x,y方向上应变；μf表示薄膜材料的泊松比，表示薄膜材料的平面应变模量，表示弹性基底材料的平面应变模量，Gs表示弹性基底材料的剪切模量。
5.如权利要求4所述的高弹性基体，其特征在于，所述高弹性基底采用聚三甲基硅氧烷PDMS或橡胶。
6.如权利要求4所述的高弹性基体，其特征在于，所述凸台的水平形状为圆形、方形、环形和条形中的一种。
7.一种基于力学原理的利用表面具有微结构的高弹性基体进行应变隔离的镀膜方法用于制备柔性电子器件的用途。
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