溅射在PMMA基片上的金薄膜缺陷产生机理

摘要

聚合物表面的金属图形化被广泛用于在聚合物微纳米器件上集成各种金属功能单元。在聚合物表面沉积金属薄膜是聚合物表面金属图形化的必要步骤之一。磁控溅射是最常用的一种沉积金属薄膜的方法，然而由于聚合物在机械性能和热性能等方面与硅、玻璃等无机材料相差较大，导致在聚合物基片上溅射金属薄膜时可能会产生一些缺陷。为此，本文对溅射在聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，PMMA）基片上的金薄膜微观形貌进行了观测，并对金薄膜缺陷的产生机理进行了研究。 首先，利用光学显微镜、共聚焦显微镜与扫描电子显微镜（SEM）对金薄膜缺陷的基本形貌进行了观测。实验结果表明，金薄膜缺陷呈雪花状，缺陷中心处的金薄膜破裂，形成微米尺度的孔，且周边为放射状裂纹。 其次，采用差热分析仪（DSC）、纳米压痕仪和四极质谱仪对PMMA基片的热性能和机械特性进行了表征。利用光学显微镜、共聚焦显微镜对去除金薄膜后PMMA表面的微观形貌进行了观测。采用激光共聚焦显微拉曼光谱仪（DXR）对PMMA基片的化学结构进行了测试。 最后，基于上述的各种观测和分析，得出金薄膜缺陷的产生机理：在溅射初期，由于PMMA基片的表面硬度较低，金原子的轰击作用在PMMA表面造成微小损伤；随着溅射时间的增加，PMMA基片的表面温度升高，基片的表面硬度进一步降低，损伤逐渐增大，最终形成雪花状结构的缺陷；金原子在PMMA缺陷处逐渐成核、生长，并最终形成部分悬浮的金薄膜；当在金薄膜表面悬滴光刻胶的时候，悬浮部分的金薄膜被紧密贴合到PMMA表面上，从而使得PMMA基片上的雪花状结构复制到金薄膜上，即在金薄膜上形成雪花状缺陷。 此外，本文还研究了溅射工艺参数对金薄膜缺陷的影响。实验结果表明，金薄膜缺陷的数量随着溅射功率与溅射气压的降低而减少。

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