專(zhuān)利名稱(chēng)：制備薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備薄膜的方法，尤其涉及一種調(diào)整控制薄膜厚度的制 備薄膜的方法。
背景技術(shù)：
溶膠凝膠法(Sol-Gel法)是制備Si02、 Ti02、 Zr02等薄膜的常用方法， 通過(guò)該方法制備的薄膜的化學(xué)均勻性好、制程簡(jiǎn)單、操作方便、成本低、適 合于各種基材并且可以涂布于大型復(fù)雜的基體上，因此得到廣泛的應(yīng)用。利 用溶膠凝膠法制備薄膜一般將金屬烷氧化物(前驅(qū)物)、溶劑、催化劑和水 等成份調(diào)配成溶膠溶液，在催化劑的作用下進(jìn)行水解、縮合、聚合等反應(yīng)后， 再慢慢的形成凝膠溶液，然后將該溶液涂布在基體上而形成薄膜。然而，利用上述方法形成的薄膜由于其厚度受金屬烷氧化物、溶劑、催 化劑和水等成份的比例關(guān)系、制備條件及環(huán)境因素的影響而難以做到人為精 確地控制薄膜形成的厚度。當(dāng)然，用上述方法制備薄膜時(shí)，通過(guò)調(diào)整金屬烷 氧化物、溶劑、催化劑和水四者之間的比例亦可達(dá)到控制膜厚的效果，但是， 上述金屬垸氧化物、溶劑、催化劑和水是相互關(guān)聯(lián)的并且每一成份均會(huì)影響 到薄膜的生成。若只調(diào)整上述四者之一所占的量，則整個(gè)比例關(guān)系均會(huì)發(fā)生 改變，這使得薄膜的厚度難以控制。只有同時(shí)調(diào)整金屬烷氧化物、溶劑、催 化劑和水四者相互之間的比例關(guān)系才能達(dá)到對(duì)薄膜厚度的控制，但是這種操 作過(guò)于復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題提供一種能簡(jiǎn)便及精確 地控制薄膜生成厚度的制備薄膜方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種制備薄膜的方法包括以下步驟采 用溶膠凝膠法將一定比例的前驅(qū)物、溶劑、去離子水及催化劑混合制取溶膠
溶液；然后將溶膠溶液靜置一段時(shí)間形成穩(wěn)定的膠體溶液；再將膠體溶液與 稀釋劑按照比例混合形成涂布溶液；最后將涂布溶液涂布于基體上并干燥而 形成薄膜。綜上所述，本發(fā)明通過(guò)在傳統(tǒng)的溶膠凝膠法制備薄膜的工序中增加一個(gè) 與稀釋劑混合的步驟，通過(guò)調(diào)整該稀釋劑與上述膠體溶液之間的比例關(guān)系， 使得薄膜的厚度根據(jù)上述比例關(guān)系的變化而按一定的規(guī)律變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì) 薄膜厚度的控制，因而本方法操作簡(jiǎn)便、可在常溫下進(jìn)行、能精確調(diào)控薄膜 的厚度而形成需要的膜厚，從而便于工業(yè)應(yīng)用。


在說(shuō)明書(shū)附圖中圖1為本發(fā)明制備薄膜的方法的薄膜厚度與涂布溶液濃度(Si02膠體溶 液/涂布溶液)關(guān)系圖。
具體實(shí)施方式
為詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所達(dá)成目的及功效，下面將 結(jié)合實(shí)施例并配合附圖予以詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明制備薄膜的方法以溶膠凝膠法為基礎(chǔ)，首先將一定比例的前驅(qū) 物、溶劑、去離子水及催化劑混合制備溶膠溶液，該前驅(qū)物、溶劑、催化劑 的種類(lèi)及各自所占的比例可根據(jù)需要制備的薄膜進(jìn)行選擇。在制備不同的薄 膜時(shí)，所使用的前驅(qū)物是不相同的，現(xiàn)僅以制備二氧化硅薄膜為例，其前驅(qū) 物一般選擇式(1)所表示的至少一種硅烷化合物。RnSiX4-n (1)其中，R表示一種有機(jī)官能基團(tuán)，X表示水解性官能基團(tuán)，n為0 2的 整數(shù)，當(dāng)n二2時(shí)，兩R表示的有機(jī)官能基團(tuán)既可以相同也可以不同。對(duì)于式(1)表示的化合物，優(yōu)先選擇四乙氧基硅烷、四甲氧基硅垸、 三乙氧甲基硅烷和三乙氧乙基硅烷。由于上述前驅(qū)物是醇溶性的，相應(yīng)的溶劑可選擇甲醇、乙醇或異丙醇等 醇類(lèi)中的一種或者混合使用，并優(yōu)先選擇乙醇。上述催化劑既可以是酸性的也可以是堿性的，酸性催化劑可以選擇 HC1、 HN03、草酸等，堿性催化劑可以選擇NH4OH、 NaOH等。采用酸性
催化劑會(huì)使得反應(yīng)水解速度較快，而縮合速度較慢，所生成的粒子較小，表 面平整且結(jié)構(gòu)較為致密；而采用堿性催化劑造成水解的速度較慢，而縮合速 度較快，所形成的粒子以顆粒大者居多，表面不易平整。至于選擇何種催化 劑則應(yīng)根據(jù)具體的產(chǎn)品要求及前驅(qū)物的種類(lèi)決定，不同的催化劑會(huì)帶來(lái)不同 的效果， 一般優(yōu)選HC1溶液。本實(shí)施例制備的二氧化硅薄膜選擇的前驅(qū)物、溶劑、水及催化劑分別為 四乙氧基硅垸、乙醇、去離子水及HC1，首先將乙醇、去離子水及HC1—同 加入同一容器中，之后再加入四乙氧基硅烷，上述四乙氧基硅烷、乙醇、去 離子水及HC1重量比大致為20 : 25 : 3 : 2，因?yàn)椴捎么吮壤龝r(shí)，所形成的 二氧化硅薄膜穩(wěn)定性及附著性好，方便調(diào)控薄膜厚度。將它們?cè)诔叵禄旌希?該混合液的pH值大約為3.9 4.0，使混合液反應(yīng)2 4小時(shí)，反應(yīng)過(guò)程中利 用磁石攪拌器輔以磁石進(jìn)行攪拌，并用pH值量測(cè)計(jì)量測(cè)反應(yīng)液的pH值， 使反應(yīng)液的pH值大約保持在3.9 4.0，然后將得到的溶膠溶液靜置12 24 小時(shí)使其老化(Aging)，便可得到已充分水解并聚合完成的膠體溶液。以上過(guò)程主要是應(yīng)用了溶膠凝膠法，在本發(fā)明中為了精確調(diào)控薄膜的厚 度，形成需要的膜厚，增加了一個(gè)將上述膠體溶液與一種稀釋劑按一定比例 混合的步驟。由于上述膠體溶液主要呈醇溶性，為了達(dá)到互溶的效果，稀釋 劑可以選擇醇類(lèi)或者某些脂類(lèi)溶劑，其中醇類(lèi)溶劑可采用甲醇、乙醇或異丙 醇等醇類(lèi)中的一種或者混合使用，并優(yōu)先選擇乙醇。將膠體溶液與稀釋劑混 合后得到的涂布溶液涂布在基體上，同時(shí)采用加熱的方式使涂布溶液完成凝 膠并逐漸干燥形成薄膜。涂布時(shí)可以采用浸涂法或旋涂法等方法，加熱溫度 盡量維持在100 300°C。由此得到的薄膜，其厚度主要受膠體溶液在涂布溶液中所占比例(即涂 布溶液的濃度)的影響，涂布溶液的濃度越大，薄膜的厚度越大，薄膜的厚 度與涂布溶液的濃度之間大致呈二次函數(shù)的關(guān)系。當(dāng)不加入稀釋劑時(shí)，涂布 溶液中只存在膠體溶液成份，此時(shí)薄膜的厚度最大。當(dāng)膠體溶液在涂布溶液 中所占的比例很小時(shí)，薄膜的厚度會(huì)很薄，然而這并不表示薄膜的厚度可以 無(wú)限小，到達(dá)一定限度時(shí)，薄膜的厚度將會(huì)變得不均勻，甚至不連續(xù)，達(dá)不 到應(yīng)有的效果。因此，在制備薄膜時(shí)，無(wú)論前驅(qū)物、溶劑、去離子水及催化劑采用何種 比例混合，只要在合理范圍內(nèi)，都可以將得到的膠體溶液與相應(yīng)的稀釋劑按 比例混合，只要制備條件不改變，薄膜的厚度將隨膠體溶液在涂布溶液中所 占的比例按一類(lèi)似二次函數(shù)拋物線(xiàn)的形狀變化。只要預(yù)先確定幾組分散的數(shù) 據(jù)便可以制作一類(lèi)似于圖1所示的薄膜厚度與涂布溶液濃度的關(guān)系圖，在前 驅(qū)物、溶劑、去離子水及催化劑的比例關(guān)系不變的情況下，根據(jù)該圖就可以 通過(guò)加入不同比例的稀釋劑，合理調(diào)配涂布溶液的濃度，以制備相應(yīng)厚度的 薄膜。下面的非限定性實(shí)施例用來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。室溫下，將1000g乙醇、120g去離子水、80g濃度為25。/。的鹽酸溶液 混合在一起，并用pH值量測(cè)計(jì)量測(cè)反應(yīng)液的pH值，此時(shí)溶液的pH值大 約處在3.9 4.0，然后加入800 g四乙氧基硅烷，使上述反應(yīng)物混合反應(yīng)3 小時(shí)，反應(yīng)過(guò)程中利用磁石攪拌器輔以磁石均勻攪拌反應(yīng)液。將得到的溶膠 溶液靜置15小時(shí)，使其得到充分的水解并聚合形成一 Si02膠體溶液。將該Si02膠體溶液?jiǎn)为?dú)作為涂布溶液，以及將Si02膠體溶液與乙醇分別按重量比為l : 0.5、 l:l、 1:2、 l:3、 1 : 4及l(fā) : 5的比例混合稀釋制 備的涂布溶液來(lái)制備不同厚度的薄膜。當(dāng)用Si02膠體溶液作為涂布溶液時(shí)，取適量的Si02膠體溶液，采用浸涂法將該涂布溶液均勻地涂布在基體上，同時(shí)利用一固定熱源進(jìn)行加熱，使 涂布溶液蒸發(fā)干燥形成薄膜，經(jīng)掃描式電子顯微鏡進(jìn)行厚度測(cè)量，該薄膜的 厚度為57微米。當(dāng)用Si02膠體溶液與乙醇按重量比為1 : 0.5的比例混合稀釋制備的涂 布溶液來(lái)制備薄膜時(shí)，取200gSiO2膠體溶液與100g乙醇(稀釋劑)充分 混合得到濃度為66.7 %的涂布溶液，采用浸涂法將該涂布溶液均勻地涂布在 基體上，同時(shí)利用一固定熱源進(jìn)行加熱，使涂布溶液蒸發(fā)干燥形成薄膜，經(jīng) 掃描式電子顯微鏡進(jìn)行厚度測(cè)量，該薄膜的厚度為22微米。當(dāng)用Si02膠體溶液與乙醇按重量比為l : l的比例混合稀釋制備的涂布 溶液來(lái)制備薄膜時(shí)，取200 g Si02膠體溶液與200 g乙醇充分混合得到濃度 為50%的涂布溶液，采用與前述一樣的條件和方法，得到一厚度為17微米 的薄膜。當(dāng)用SK)2膠體溶液與乙醇按重量比為1 : 2的比例混合稀釋制備的涂布 溶液來(lái)制備薄膜時(shí)，取200 g Si02膠體溶液與400 g乙醇充分混合得到濃度 為33.3%的涂布溶液，采用與前述一樣的條件和方法，得到一厚度為7微米
的薄膜。當(dāng)用Si02膠體溶液與乙醇按重量比為1 : 3的比例混合稀釋制備的涂布 溶液來(lái)制備薄膜時(shí)，取200 g SiCb膠體溶液與600 g乙醇充分混合得到濃度 為25%的涂布溶液，采用與前述一樣的條件和方法，得到一厚度為4微米 的薄膜。用Si02膠體溶液與乙醇按重量比為1 : 4的比例混合稀釋制備的涂布溶 液來(lái)制備薄膜時(shí)，取200 g Si02膠體溶液與800 g乙醇充分混合得到濃度為 20%的涂布溶液，采用與前述一樣的條件和方法，得到一厚度為2微米的薄 膜。當(dāng)用Si02膠體溶液與乙醇按重量比為1 : 5的比例混合稀釋制備的涂布 溶液來(lái)制備薄膜時(shí)，取200 g Si02膠體溶液與1000 g乙醇充分混合得到濃度 為16.7%的涂布溶液，采用與前述一樣的條件和方法，得到一厚度為1.5微 米的薄膜。將上述結(jié)果匯總后，根據(jù)匯總的數(shù)據(jù)，制作一薄膜厚度與涂布溶液濃度 (Si02膠體溶液/涂布溶液)的關(guān)系圖，如圖1所示，膜厚與涂布溶液濃度 大致呈二次函數(shù)的關(guān)系。確定需要制備的薄膜的厚度后，可依據(jù)圖1確定相 應(yīng)的涂布溶液的濃度，通過(guò)調(diào)整稀釋劑對(duì)于Si02膠體溶液的相對(duì)比例，使Si02膠體溶液在涂布溶液中所占的比例符合上述涂布溶液的濃度，在其它成膜條件不變的情況下，得到薄膜的厚度即為預(yù)先確定的厚度。綜上所述，本發(fā)明制備薄膜的方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所制備的薄膜厚度進(jìn)行控 制，從而在基體表面形成一層預(yù)定厚度的薄膜。本發(fā)明在傳統(tǒng)的溶膠凝膠法 制備薄膜的工序中增加一個(gè)與稀釋劑混合的步驟，通過(guò)調(diào)整該稀釋劑與上述 膠體溶液之間的比例關(guān)系，使得薄膜的厚度根據(jù)上述比例關(guān)系的變化而按一 定的規(guī)律變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜厚度的控制。本方法適用于采用溶膠凝膠法 制備的薄膜，例如可以制備Si02、 Ti02、 Zr02等薄膜，同時(shí)本方法設(shè)備簡(jiǎn) 單，操作簡(jiǎn)便，可在常溫下進(jìn)行，能精確調(diào)控薄膜的厚度，形成需要的膜厚， 便于工業(yè)應(yīng)用。
權(quán)利要求
1. 一種制備薄膜的方法，所述方法包括以下步驟用溶膠凝膠法將一定比例的前驅(qū)物、溶劑、去離子水及催化劑混合制取溶膠溶液；將所述溶膠溶液靜置一段時(shí)間形成穩(wěn)定的膠體溶液；將所述膠體溶液與稀釋劑按照比例混合形成涂布溶液；將所述涂布溶液涂布于基體上并干燥而形成薄膜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備薄膜的方法，其特征是所述前驅(qū)物選自 由下式(1)表示的至少一種硅垸化合物，RnSiX4-n (1)其中，R表示一種有機(jī)官能基，X表示水解性官能基，n為0 2的整數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備薄膜的方法，其特征是所述前驅(qū)物選自 四乙氧基硅烷、四甲氧基硅垸、三乙氧甲基硅烷和三乙氧乙基硅垸中的至少 一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備薄膜的方法，其特征是所述稀釋劑選自 甲醇、乙醇和異丙醇中的至少一種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備薄膜的方法，其特征是所述溶劑選自甲醇、乙醇和異丙醇中的至少一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備薄膜的方法，其特征是將所述溶膠溶液靜置12 24小時(shí)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備薄膜的方法，其特征是所述催化劑為鹽 酸溶液。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的制備薄膜的方法，其特征是所述前驅(qū)物、溶劑、去離子水及催化劑按照重量比為20 : 25 : 3 : 2的比例混 合制取溶膠溶液。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備薄膜的方法，其特征是所述前驅(qū)物、溶 劑、去離子水及催化劑混合后在15 3(TC的酸性環(huán)境下反應(yīng)2 4小時(shí)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備薄膜的方法，其特征是所述酸性環(huán)境 的pH值為3.9 4.0。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制備薄膜的方法，包括以下步驟采用溶膠凝膠法將一定比例的前驅(qū)物、溶劑、去離子水及催化劑混合制取溶膠溶液；然后，將溶膠溶液靜置一段時(shí)間形成穩(wěn)定的膠體溶液；再將膠體溶液與稀釋劑按照比例混合形成涂布溶液；最后將涂布溶液涂布于基體上并干燥而形成薄膜。本發(fā)明通過(guò)調(diào)控膠體溶液與稀釋劑之間的比例實(shí)現(xiàn)了對(duì)所制備的薄膜的厚度進(jìn)行控制，因而本發(fā)明的操作簡(jiǎn)便、可在常溫下進(jìn)行、能精確調(diào)控薄膜的厚度而形成需要的膜厚，從而便于工業(yè)應(yīng)用。
文檔編號(hào)C04B41/00GK101397191SQ200710030719
公開(kāi)日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2007年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月28日
發(fā)明者黃志豪 申請(qǐng)人:富港電子(東莞)有限公司;正崴精密工業(yè)股份有限公司