一种在柔性基底薄膜上制备功能性图形薄膜的方法与流程

本发明涉及镀膜工艺，更具体地说，涉及一种在柔性基底薄膜上制备功能性图形薄膜的方法。

背景技术：

柔性材料主要是指有机聚合物材料，一般具有良好柔韧性、可弯曲、可折叠等特性。而柔性基底薄膜是指能够卷绕的、作为镀膜基底材料使用的薄膜，通常使用的柔性基底薄膜为塑料薄膜。在柔性基底材料表面镀金属薄膜，既可以保留基底柔软、易弯曲等特性，还可以明显改变其表面特性，赋予其各种新的功能，例如可用于抗静电、屏蔽电磁波、纤维传感器，以及隔热膜、导电膜和增透膜等各种高技术与高性能的功能性薄膜，还广泛应用于高性能汽车贴膜、触摸屏、等离子电视和防辐射布料等各个方面。

在柔性基底上镀金属膜的常用方法包括几种：①化学电镀：不受织物形状及大小限制，镀层均匀，设备投入量小，生产效率高，控制较简便；但属湿法镀膜，产生含重金属离子加工污染不利于工业化连续生产，镀液稳定性、织物的耐用性和耐水洗性等还需作较大改善，并且化学镀层和表面接枝聚合难以实现复杂成分材料的沉积。②真空蒸镀：应用领域广泛，设备比较简单，操作容易，制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制，成膜速率快、效率高，薄膜的生长机理比较单纯；但不易获得结晶结构的薄膜，并且膜与基底附着性差，工艺重复性不够好，不适宜加工高熔点和复杂成分的材料，不适于许多不耐高温的柔性衬底如聚合物纤维。③磁控溅射：应用广泛，可实现高速大面积沉积和大规模连续性生产，微米级厚度、附着性好、致密度高、节约水电，而且工艺流程简便，无三废处理，能满足组合层产品的性能要求；但成本相对较高，成膜温度大于等于300℃。

离子束溅射沉积(Ion Bean Sputtering Deposition，IBSD)镀膜，是由惰性气体电离成等离子体，经引出、成束、加速、中和，形成高能高速的离子束，由离子束轰击置于常温、高真空中的靶材，将溅射出的靶材原子沉积到基底上形成薄膜。这种方法的特点是：①稳定性好：沉积过程是动量转换，无相变，可以消除内应力和张力；②可控性、重现性好：可以纳米级控制薄膜生长、薄膜微结构、薄膜织构和薄膜晶格取向；③成膜温度低：常温甚至是低温成膜，基底不会变形；④清洗彻底：备有辅助离子源时，镀膜前对基底进行预清洗，能提高薄膜和基底的附着力；⑤靶材粒子能量高：沉积的薄膜膜层密度高(有些膜层可以接近靶材密度)，杂质少，与基底的结合力高；⑥适用性广：适用除有机材料和易分解材料以外的众多材料；为干法镀膜，无环境问题；在制备合金薄膜时可以保证膜层材料比例与靶材相同；可以制备高熔点薄膜和绝缘薄膜；通过辅助通入氧气还可以镀氧化物膜。

但是目前的离子束溅射沉积镀膜还无法实现纳米级甚至亚纳米级的柔性材料镀膜。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的实施例公开了一种在柔性基底薄膜上制备功能性图形薄膜的方法，以实现低温环境下在柔性基底薄膜上制备密度高、附着力强的纳米级甚至亚纳米级的功能性图形薄膜，并且可大幅提高功能性图形薄膜的精细度、结合力、稳定性和可控性等综合性能。

本发明公开了一种在柔性基底薄膜上制备功能性图形薄膜的方法，包括：把柔性基底薄膜固定在真空仓中的旋转工件台上，所述柔性基底薄膜的厚度为0.1～0.5mm；在所述柔性基底薄膜上制备包含功能性图形薄膜形状的光刻胶，从而光刻胶上暴露出来的柔性基底薄膜的部分与要形成的功能性图形薄膜的形状一致；将金属靶材固定在真空仓中的靶台上；抽取真空；将由离子源产生的等离子体经引出、成束、加速、中和形成中性离子束；采用中性离子束轰击金属靶材，从金属靶材溅射出来的金属原子向所述柔性基底薄膜沉积从而在所述柔性基底薄膜暴露的部分上形成功能性图形薄膜，所述离子束的能量为200～1000eV，轰击时间为60～480s；功能性图形薄膜的厚度为0.1～5nm；打开真空仓，取出柔性基底薄膜。本发明的方法能够实现低温环境下在柔性基底薄膜上制备纳米级甚至亚纳米级的功能性图形薄膜。

对于本发明的一个实施例，所述金属靶材的材料包括铜、钨、钽、镍、铝和银。

对于本发明的一个实施例，抽取真空的方法包括：先用机械泵粗抽，再用分子泵细抽，直到真空度达到并且在全过程中保持至少为6×10-3Pa。

对于本发明的一个实施例，产生等离子体的方法包括：电磁线圈产生高频高压；阴极钨丝产生辉光放电；通入惰性气体，这些惰性气体在高频高压下电离分解产生等离子体。具体地，惰性气体可以包括氦、氖、氩、氪或氙。形成离子束的方法可以包括：将等离子体引出、成束、加速、中和从而形成离子束。例如，可以使用多孔屏栅将等离子体引出并成束从而形成为中性离子束，可以使用加速栅对离子束加速，可以使用浸没式中和阴极发射电子对离子束进行中和形成中性离子束。

对于本发明的一个实施例，所述柔性基底薄膜为塑料袋，可以为聚乙烯形成。

本发明提供了一种在柔性基底薄膜上制备功能性图形薄膜的方法，在柔性基底薄膜上制备光刻胶，该光刻胶上带有要形成的制备功能性图形薄膜的形状，这时候通过离子束轰击金属靶材将金属原子溅射并沉积到带有功能性图形薄膜形状光刻胶的柔性基底薄膜上。本发明可以通过光刻胶的形状、尺寸和精度直接决定所要形成的功能性图形薄膜的形状、尺寸和精度。本发明提供的方法使得低温环境下在柔性基底薄膜上制备密度高、附着力强的纳米级甚至亚纳米级的功能性图形薄膜成为可能，并且功能性图形薄膜的精细度、结合力、稳定性和可控性等性能都得到较大的改善。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为根据本发明的一个实施例离子束溅射在塑料袋上制备金属商标的流程图；

图2为根据本发明的一个实施例离子束溅射在塑料袋上制备金属商标的各装置示意图；

各标号表示如下：

100-离子源；200-铜靶；300-旋转靶台；400-旋转工件台；500-塑料袋镀膜区域；600-铜靶溅射原子；700-离子束。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

根据本发明公开的实施例，公开了一种在柔性基底薄膜上制备金属商标的方法，首先在柔性基底薄膜上制备光刻胶，该光刻胶上带有将要制备的金属商标的形状，即光刻胶上带有的镂空形状正好与商标的形状一致，从而正好把要镀膜的区域露出，这时候通过高能高速离子束轰击金属靶材将金属原子溅射并沉积到柔性基底薄膜上。在本发明中，光刻胶的形状、尺寸和精度直接决定了所要制备的金属薄膜的形状、尺寸和精度。例如光刻胶的精度如果可以达到纳米级甚至亚纳米级，显然最后制备的金属薄膜也可以达到纳米级甚至亚纳米级。本发明提供的方法使得低温环境下在柔性基底薄膜上制备纳米级甚至亚纳米级的金属薄膜成为可能，而且采用本发明的方法制备的金属薄膜的精细度、结合力、稳定性和可控性等性能都能得到较大改善。此外，本发明使用的工艺简单，能够实现量产，大大提高生产效率和减少生产成本。

以下结合图1和图2对本发明的具体实施例进行详细说明。

本实施例需要在厚度大约为0.254mm聚乙烯(PE)软性塑料袋上制备厚度大约为1nm的商标铜膜。当然对于本发明的其他实施例来说，也可以不在塑料袋上沉积金属商标薄膜，还可以在其他柔性材料薄膜上形成金属功能性图形薄膜，例如但不限于布料、硬质塑料、有机金属薄膜、无机金属薄膜等。柔性基底薄膜的厚度也可以是其他数值，优选为0.1～0.5mm。要形成的金属功能性图形薄膜也可以是其他厚度，例如厚度优选为0.1～5nm。

如图1所示，首先执行步骤S01，固定塑料袋镀膜区域500，并在柔性基底薄膜上制备包含商标形状的光刻胶。具体地，如图2所示，将塑料袋镀膜区域500固定在旋转工件台400上面，并在塑料袋镀膜区域500上制备光刻胶(图2中未示出)。由于光刻胶上带有将要形成的金属商标的形状，则塑料袋镀膜区域500上通过光刻胶镂空区域露出的部分则正好与将要形成的金属商标的形状相同。当然对于塑料袋上不需要处理的部分，也可以采用一些设施进行遮盖。

如图1、图2所示，接着执行步骤S02，将铜(Cu)靶200固定在旋转靶台300上。对于本发明的其他实施例，也可以采用其他金属靶材，例如钨(W)、镍(Ni)、铝(Al)、钽(Ta)或银(Ag)，本发明对此不作限制。本领域普通技术人员熟知此步骤，这里不再赘述。

如图1所示，接着执行步骤S03，将工件台装入真空仓，抽取真空。如图2所示，所有的装置包括上面的塑料袋、工件台400、金属靶材200、靶台300以及产生离子束的离子源100全部都应置于真空仓中，制备金属薄膜的全过程中真空仓保持真空度高于6×10^-3Pa。形成真空的办法可以包括如下步骤：先用机械泵粗抽，再用分子泵精抽，使真空仓真空度达到6.0×10^-3Pa以上，而且在整个镀膜过程中都要保持在这一真空度，才能保证镀膜效果。

如图1所示，接着执行步骤S04，产生等离子体。具体地，可以包括如下步骤：向真空仓内的离子源100充入气体，例如本发明的实施例中气体可以是惰性气体，接着打开高压电源，使得离子源100内的惰性气体例如氩气辉光放电产生Ar+等离子体。然在本发明的其他实施例中也可以采用其他方法产生等离子体，并且也可以采用其他惰性气体元素产生等离子体，例如可以是氪气(Kr)、氙气(Xe)、氖气(Ne)或氦气(He)，本发明对此不做限制。以下为产生离子束的一个具体的示例方法，首先将惰性气体例如氩气、氪气、氙气、氦气或氖气等通入真空环境中，让阴极钨丝在高频高压下发射电子进行辉光放电，则这些惰性气体能够电离分解产生等离子体，其中高频高压可以由电磁线圈产生。

如图1所示，接着执行步骤S05，将等离子体形成为中性离子束700。具体地，可以将步骤S04中产生的Ar⁺等离子体经过引出、成束、加速、中和形成高能高速离子束700。可以使用多孔屏栅将等离子体引出并成束从而形成离子束，使用加速栅对离子束加速，最后使用浸没式中和阴极发射电子对离子束进行中和形成中性离子束700。对于本发明实施例的铜靶，加速栅的加速电压例如可以是1～1000V，高能高速离子束700的能量可以为200～1000eV，在本发明的其他实施例中，如果采用是钨靶，加速栅的加速电压例如可以是1～800V，高能高速离子束700的能量可以为200～800eV。

如图1所示，接着执行步骤S06，采用中性离子束700轰击金属靶材200，从金属靶材200溅射出来的金属原子600向塑料袋镀膜区域500沉积从而在镀膜区域500暴露的部分上形成商标铜膜。如图2所示，利用高能高速离子束700轰击铜靶200，由铜靶200溅射出来的铜原子600向固定在工件台400上的、带光刻胶的塑料袋镀膜区域500沉积，离子束轰击时间大约为60～480s，形成厚度大约为0.1～5nm的商标铜膜。如果需要形成较厚的商标铜膜，则可以增加离子束轰击以及镀膜的时间；如果需要形成较薄的商标铜膜，则可以减少离子束轰击以及镀膜的时间。由于塑料袋镀膜区域500上露出的部分(即不被光刻胶遮盖的部分)正好与将要形成的商标铜膜图形相同，则通过本发明的方法能够通过离子束轰击金属靶材的方法在塑料袋上制备金属商标薄膜。

最后执行步骤步骤S07，打开真空仓，取出塑料袋并清洗光刻胶。清洗的方法例如可以是直接采用去胶机去除，灰化去除，湿法清洗(例如采用硫酸、双氧水等进行清洗)、或利用氧气进行等离子刻蚀。本领域的技术人员可以根据实际情况进行清洗。光刻胶清洗完毕后，本发明的实施例完成，在塑料袋上实现了金属商标镀膜。

根据本发明的实施例，应用离子束溅射沉积技术在塑料袋上制备纳米级甚至亚纳米级的商标铜膜，塑料袋不变形，铜膜图案精细，附着力强，即使用力搓塑料袋铜膜也不会起皱、变色、变形，因此本发明的技术具有广泛的应用价值。

在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。