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柔性有機(jī)膜作為重要的功能材料,在電子器件、封裝等許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。然而,一些有機(jī)膜存在親水性不足、生物相容性差、化學(xué)反應(yīng)活性低等缺點(diǎn),通過等離子表面處理等方法引入羥基官能團(tuán)可以增加有機(jī)膜的親水性,改善有機(jī)膜的性質(zhì)和功能,使其更適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。

原子層沉積(ALD)是一種基于有序、表面自限性的化學(xué)氣相沉積技術(shù)。在柔性有機(jī)襯底表面上,使用ALD技術(shù)制備Al₂O₃薄膜在微電子、光學(xué)、電子器件和材料科學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。該薄膜可作為絕緣層、電介質(zhì)層,具有保護(hù)和界面調(diào)控等功能。大多數(shù)的柔性有機(jī)襯底表面為疏水性的,缺少特定的官能團(tuán)作為吸附位點(diǎn)與三甲基鋁(TMA)發(fā)生化學(xué)吸附,絕大多數(shù)TMA與有機(jī)襯底表面之間發(fā)生弱而非化學(xué)性質(zhì)的物理吸附,導(dǎo)致先形成分散的團(tuán)簇,需要經(jīng)過多個(gè)ALD循環(huán)之后才能連接成膜,影響Al₂O₃薄膜的表面形態(tài)?；瘜W(xué)吸附是指吸附劑與表面之間產(chǎn)生化學(xué)鍵形成的吸附作用,通常具有更強(qiáng)的結(jié)合力和較高的吸附容量。TMA中的甲基(-CH3)基團(tuán)可以與羥基(-OH)基團(tuán)形成甲基氧化鋁化學(xué)鍵產(chǎn)生化學(xué)吸附。羥基化是指將材料表面上的基團(tuán)轉(zhuǎn)化為-OH基團(tuán)的化學(xué)反應(yīng)或處理過程,通過羥基化預(yù)處理改變有機(jī)襯底表面化學(xué)性質(zhì),使TMA與有機(jī)襯底發(fā)生化學(xué)吸附,這有利于有機(jī)襯底表面Al₂O₃薄膜的沉積,提高了界面結(jié)合強(qiáng)度和薄膜質(zhì)量,優(yōu)化了界面能級,減少了界面反應(yīng)和雜質(zhì)擴(kuò)散,促進(jìn)了ALD-Al₂O₃薄膜在微電子器件、光電器件、化學(xué)傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用。

等離子體羥基化

羥基化技術(shù)是非常重要的化學(xué)修飾技術(shù),通過向分子結(jié)構(gòu)中引入-OH基團(tuán),改變材料的表面活性,改善材料的加工性能。由于大多數(shù)有機(jī)膜表面呈現(xiàn)疏水特性,缺少羥基基團(tuán)等特定的官能團(tuán)作為吸附位點(diǎn)。

在ALD-Al2O3過程中,有機(jī)膜襯底由于缺少化學(xué)吸附位點(diǎn),前驅(qū)體TMA與襯底表面發(fā)生物理吸附。這一過程容易受到溫度和壓力等腔室內(nèi)部環(huán)境因素的影響而發(fā)生脫附。因此對有機(jī)膜襯底進(jìn)行羥基化處理,提高襯底表面的羥基基團(tuán)數(shù)量,能為前驅(qū)體進(jìn)行化學(xué)吸附時(shí)提供更多的羥基位點(diǎn)。

干法羥基化又叫等離子體羥基化,它是利用O2、H2O、O2/O3、Ar、空氣等產(chǎn)生的等離子體對柔性有機(jī)襯底表面進(jìn)行處理,在有機(jī)襯底表面生成羥基等親水性的含氧官能團(tuán)的過程。

Ar等離子體羥基化示意圖

O2等離子體通過直接向有機(jī)膜表面添加含氧官能團(tuán)來起作用，而氬等離子體首先通過離子轟擊分離表面原子，留下聚合物表面的自由基。其原理為氣體電離之后會(huì)在等離子清洗機(jī)中生成能量參數(shù)范圍為0-20eV的正,負(fù)離子,電子以及亞穩(wěn)態(tài)粒子,而C-C鍵強(qiáng)度僅為2.6-5.2eV,因此在等離子體的轟擊下會(huì)破壞C-H和C-C鍵,碳鏈斷開形成末端自由基,當(dāng)經(jīng)氬等離子體處理的有機(jī)膜暴露于環(huán)境空氣中時(shí)，空氣中的氧氣和水分與這些自由基反應(yīng)，形成羥基。