热诱导金属 聚合物膜系图案化控制的研究

近年来, 在简单体系上形成复杂规则的图案已引起诸多学者的注意，其中以聚合物为母体的体系发展了模板、局部紫外照射和激光诱导等一系列技术, 从而得到可控的表面图案。 本文用激光刻蚀法对溅射在聚合物膜上的金属薄膜进行处理，在热诱导情况下使金属聚合物膜系表面产生了规则的图案。薄膜热应力的可控释放作用和激光刻蚀造成的区域局限作用被认为是诱导这种可控图案产生的两种基本要素。通过控制激光刻蚀区域，可控制薄膜表面形貌变化，从而实现可控的图案化设计。

一、实验部分

1. 1 原料及仪器 聚苯乙烯( PS) :

数均分子量M n 为 8×10 6，中科科仪小型离子溅射仪( SBC-12) ; 精工 SⅡ SPA 400 型原子力显微镜； New Wave 激光刻蚀机。

1. 2 制样

 将PS溶于甲苯， 配成 0. 3 g / mL 浓溶液, 取几滴溶液浇铸在玻璃基底上, 于室温溶剂环境下放置12 h, 自然成膜后, 在真空烘箱中干燥1 h, 除去剩余溶剂, 制得的PS膜厚约为100微米。

使用离子溅射仪向PS薄膜及空白样品( 即没有浇铸PS膜的玻璃基底) 上同时溅射一层金属薄膜。所用溅射靶材为金属铂( Pt) , 溅射真空度3 Pa, 电流 0. 3 mA , 溅射时间 180 s, 用尖锐的刀具刮去空 白样品上溅射的金属薄膜, 通过原子力显微镜测量台阶高度, 可得到溅射的Pt薄膜膜厚约30 nm。

使用激光刻蚀机在Pt膜表面上刻蚀图案,，将样品放置在加热台上，快速升温至PS玻璃化温度 ( 120 ℃) 以上, 维持 10 s 左右, 自然降温, Pt 膜表面形貌发生变化。

二、结果与讨论

从无激光刻蚀的样品热诱导后的光学显微镜照片[ 图 1( A ) ] 可看到大量无序扭曲的条纹状物起伏地布满样品表面,这些条纹通常以一点为中心向3个方向扭曲发散, 多数条纹融合在一起, 呈连续状. 用原子力显微镜观察其表面形貌, 可发现这些条纹的平均宽度约 8 m, 起伏的高度则在1 m 左右。

Fig. 1 Optical micrographs showing thermally induced patt ern f ormation in bilayer metal/ polymer films

产生这种表面形变的原因是内应力释放的结果, 通常这种内应力是由于溅射金属薄膜和聚合物膜的热膨胀系数不匹配造成的.。当聚合物膜处于玻璃化温度以上时, 这些内应力会以条纹状的塑性形变表现出来。采用凹凸模板、紫外照射或者压印等技术, 能使表面形变图案化.。采用简单的激光刻蚀方法, 也实现了这种可控的表面图案化.。刻蚀使用的激光( 532 nm, 0. 03 mJ/ pulse, 20 Hz) 能 烧蚀掉表面的金属膜( 激光能量不足以烧蚀PS层) 。

通过激光刻蚀平行线, 能在样品表面划分若干个Pt/ PS复合膜的不连续矩形区域; 激光刻蚀宽度为10 m, 而刻蚀长度远大于这个宽度, 因而不会影响图中矩形区域的内应力, 而垂直方向的应力则由于刻蚀划分区域而不再连续产生.。于是在应力释放过程中, 刻蚀线附近区域的应力会选择性释放: 容易形成垂直或近似垂直于刻蚀线的条状起伏 [ 图 1( B) ] , 这样平行刻蚀方向上的应力能得到较好的释放; 在远离刻蚀线的中间部分, 垂直刻蚀方向 上的应力释放将会体现出来, 在两个方向的应力同时作用下, 会产生类似图 1( A ) 的无序扭曲条纹。

改变刻蚀线划分区域宽度可控制释放应力的方式, 宽度越窄, Pt/ PS 复合膜越会选择平行刻蚀方向为释放应力的主要方向, 形成的起伏条纹也越垂直于刻蚀线方向.。Pt/ PS 复合膜区域宽度约80 m [ 图 1( C) ] , 形成条状起伏比较规则。当宽度约 25 m 时[ 图 1( D) ] , 可看到在 Pt/ PS复合膜区域形成规则排列的直条纹起伏, 原子力表面形貌测试表明, 这些条纹长度也为 25 m, 宽度约 11 m, 条纹等 间距约 10 m, 起伏高度约 600 nm. 可认为规则条纹的形成是平行刻蚀方向的应力释放结果。

综上所述, 本文简要报道了在复合的Pt/ PS 膜上通过激光刻蚀的方法, 对热诱导作用下产生的表面形貌进行控制。同时, 在聚碳酸酯基底上也得到类似实验结果。这种简单地产生且能有效控制形貌变化的方法在微电子、光学微器件、模板合成及新材料表面浸润性等学科领域具有重要的应用前景。

文章来源高等学校化学学报 文章编号:0251-0790( 2004) 01-0157-02 作者：庄 可, 肖 珂, 王国杰, 江 雷（转载仅供参考学习及传递有用信息，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除）

关键词： PS / Pt 聚合物膜; 图案化; 应力释放; 激光刻蚀