CN103132039A

CN103132039A - 金属薄膜制备方法

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Publication number: CN103132039A
Application number: CN2013100649031A
Authority: CN
Inventors: 张欣宇
Original assignee: GUANGDONG INSTITUTE OF METROLOGY
Current assignee: GUANGDONG INSTITUTE OF METROLOGY
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: CN103132039B

Abstract

本发明公开了一种金属薄膜的制备方法，包括下述步骤：（1）在金属基体表面选定区域涂覆胶粘剂；（2）待胶粘剂变干形成胶粘层后，在金属基体表面和胶粘层上镀金属薄膜；（3）镀膜完成后，将金属基体放入有机溶剂中浸润以软化胶粘层，再将金属基体置于有机溶剂中超声处理以除去胶粘层，得到具有台阶结构的金属薄膜。本发明利用涂覆粘胶剂保护基体的部分表面，并通过清除粘胶剂的方式在薄膜表面形成台阶，保证了金属薄膜台阶结构的完整、边缘清晰。本发明制得的金属薄膜适用于轮廓仪、扫描探针显微镜测量金属薄膜台阶高度并标定薄膜厚度，可用于非接触式、间接的测厚仪器（如：X射线衍射仪、X射线荧光测厚仪）的计量校准。

Description

金属薄膜制备方法

技术领域

本发明涉及金属薄膜领域。

背景技术

微纳米尺度薄膜厚度的测定是薄膜性能分析中的一项重要内容。厚度的精确测定是薄膜性能控制的需要，也是后期器件加工应用（如：光刻等）的需要。通过膜厚的测量可以控制和优化薄膜的生长，为比较先进的薄膜生长设备（如：分子束外延等）提供实时监控装置。微纳米薄膜的膜层厚度直接决定薄膜的性能，薄膜厚度指标在微电子、超精密加工领域中极为重要，膜厚测量的准确性也是迫切需要解决的问题。

金属薄膜厚度的测量方法主要有无损的磁性或电涡流法、超声波法、表面轮廓法、小角度X射线衍射法和X射线光谱法；有损（破坏）的截面金相法、库仑法等。其中，基于X射线荧光光谱和X射线衍射原理的非接触式测量方法，由于具有测量速度快、精度高、对样品无破坏性等突出优点，在电子、半导体、首饰、表面处理等行业得到非常广泛的应用。这两种方法均属于间接、比较的测量方法，测量前需要对仪器原有工作曲线进行精确校准，目前仪器校准用全部采用进口商品化的标准厚度片进行，其量值一直存在无法溯源的问题，即：该类仪器的测量结果目前还不能有效地与我国国家基准相联系。

采用适当的方式在金属薄膜表面形成薄膜-基体台阶，然后用轮廓仪或扫描探针显微镜对金属薄膜台阶进行测量，用膜-基台阶高度代替薄膜厚度，是实现薄膜厚度标样量值能够溯源的一个有效途径。现有的金属薄膜表面制作台阶的方法主要有机械剥离法、化学和电化学腐蚀法。1、机械剥离法：首先在平整基底上完整镀膜，然后在样品选定区域机械清除表面薄膜，在薄膜和基底间形成台阶，机械清除的方式主要有刀片刮除、表面磨除等；2、化学腐蚀法：首先在平整基底上完整镀膜，然后在样品选定区域利用特殊的化学腐蚀液选择性腐蚀掉表面薄膜，保留基底，从而在镀层和基底间形成台阶；3、电化学腐蚀法：首先在平整基底上完整镀膜，然后在样品选定区域利用电化学腐蚀的方法电解除掉表面薄膜，保留基底，从而在薄膜和基底间形成台阶。利用机械剥离法会对基底造成损伤且台阶边缘由于外力作用易产生变形失真；化学腐蚀法可供选择的化学腐蚀液极少，镀层腐蚀边缘较难控制，台阶的完整性较差；而电化学腐蚀法较难精确控制电解过程的截止时间，使得表面镀层极易出现腐蚀不全或过腐蚀的情况，基体表面极易造成腐蚀破坏和薄膜材料的残留。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属薄膜制备方法，可以解决上述技术问题中的至少一个。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种金属薄膜制备方法，包括下述步骤：

（1）在金属基体表面选定区域涂覆胶粘剂；

（2）待胶粘剂变干（一般是室温干燥后在烘箱中烘干，烘干时间一般大于30min；）形成胶粘层后，在金属基体表面和胶粘层上镀金属薄膜（金属薄膜材料一般有：铝、镉、铜、铬、金、银、铅、镍、钯、铂、铑、锡或锌）；

（3）镀膜完成后，将金属基体放入有机溶剂中浸润以软化胶粘层，再将金属基体置于有机溶剂中超声处理以除去胶粘层，得到具有台阶结构的金属薄膜。

上述技术方案中的金属基体可以为下述纯金属材料中的一种或两种以上：铜、铁、铝、镍、钛、铬、钼、钒和银。

上述技术方案中的胶粘剂一般选用热固型、适用于金属基体且对金属表面无腐蚀作用、易于在丙酮等有机溶剂中溶解的胶类，亦可以是添加了其它金属填料的导电胶，如：环氧树脂胶粘剂、改性环氧树脂体系胶粘剂、有机硅类胶粘剂、聚氨酯类胶粘剂、导电银胶类胶粘剂或导电铜胶类胶粘剂。

上述技术方案中的金属薄膜的厚度可以为0.1μm～1.5μm。

上述技术方案中的有机溶剂可以为丙酮、甲基丁酮、乙醇、苯、甲苯或二甲苯。

本发明的金属薄膜制备方法与现有金属薄膜制备方法相比，具有以下优点：

1、本发明制得的具有台阶结构的金属薄膜表面较光滑、平整，金属基体和金属薄膜的表面粗糙度Ra值均优于0.02μm；

2、本发明利用胶粘剂作为中间层的镀膜的方式既有利于保护基体避免损失和防止杂质残留，也有利于局部表面薄膜随胶的彻底清除，粘胶剂部分阻挡基体并随膜清除的方式可保证金属薄膜中的台阶结构完整和清晰，避免了由于机械遮挡存在的微小缝隙对台阶边缘的影响以及清除表面薄膜时的杂质残留和对基体的损伤；

3、本发明制得的金属薄膜中的台阶处边缘清晰、结构明显，适用于其它接触式测量方法如轮廓仪、扫描探针显微镜分析和标定台阶高度；

4、本发明制得的具有台阶结构的金属薄膜可用于各种非接触式膜厚测量设备的厚度标准样品，用于计量检测领域，用于保证仪器测量结果的准确可靠和薄膜厚度值的直接溯源。

在一些实施方式中，步骤（1）中可以是利用一定的辅助工具（棉签、毛刷、玻璃片、硅片、薄塑料片等）采用涂刷或印刷的方式在基体表面涂覆胶粘剂。使用这种涂覆方式，可以避免损伤基体并能保证金属薄膜台阶的完整、清晰。

在一些实施方式中，步骤（2）中可以是通过将金属基体置于磁控溅射镀膜装置中利用金属靶材真空镀膜，镀膜过程中基体温度保持为常温，磁控溅射镀膜设备预先抽真空到1×10^-5Pa～1×10^-2Pa，采用纯度为99.99%以上的高纯氩气清洗炉腔，并用氩气作为溅射气体，溅射气压为0.3Pa～1.0Pa，溅射电流为0.15A～0.45A，溅射电压为250V～400V，溅射时间为300s～3600s。上述的金属靶材可以为下述纯金属材料中的一种或两种以上：铝、镉、铜、铬、金、银、铅、镍、钯、铂、铑、锡和锌。磁控溅射镀膜方式可保证薄膜厚度均匀性。

在一些实施方式中，步骤（3）中金属基体在有机溶剂中的浸润时间可以30min～60min；在有机溶剂中超声处理可以为3次～5次，每次处理时间可以为5min～20min，每次处理后需更换清洁的有机溶剂；超声处理后可以用水和酒精分别清洗1次～2次。由此，可以彻底将胶粘剂清除，保证金属薄膜中的台阶结构完整和清晰，提高准确度。

在一些实施方式中，步骤（1）中金属基体可以通过下述方法制备得到：将金属基体材料线切割成边长为5mm～10mm的立方体，利用环氧树脂或电木粉在镶嵌机上镶样，镶样后基体的直径大小为Φ22～Φ45mm；再经过手工或机械研磨、抛光使金属基体表面粗糙度小于0.02μm；最后，用锤砸或挤压等方式去除环氧树脂或电木粉包覆物，将取出的金属基体放置于无水乙醇溶液中超声波清洗10min～30min。利用镶嵌的方法进行表面磨抛，可使得基体表面平直，减少了基体表面的弧度，弱化了基体的边缘效应，使得制备的薄膜厚度各部位具有较好的均匀性，厚度不均匀度小于3%。

附图说明

图1是溅射时间为600s制得的金属薄膜台阶处轮廓曲线图。

图2是溅射时间为2800s制得的金属薄膜台阶处轮廓曲线图。

图3是溅射时间为600s制得的金属薄膜参比样品断面SEM照片。

图4是溅射时间为2800s制得的金属薄膜参比样品断面SEM照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1～2

（1）镍基体材料的加工和表面处理

将纯镍块材（镍的纯度99.9%以上）线切割成5mm×5mm×5mm立方体基体。利用环氧树脂在镶嵌机上镶样。分别用400#、600#、800#、1000#和1200#金相砂纸进行机械研磨，再经绒布抛光。利用无水乙醇清洗表面后利用粗糙度测试仪检查镍基体表面粗糙度为0.017μm。利用锤砸或挤压的方式去除环氧树脂包覆物，将取出的镍基体放置于无水乙醇中超声波清洗20min后吹干备用。

（2）镍基体表面局部涂胶保护

在厚度为1mm规格的印刷板一侧端部均匀涂抹适量厚度的导电银胶，利用印刷板在镍基体表面中心位置印刷线状银胶，室温干燥后置于40℃的烘箱中烘30min。

（3）表面磁控溅射镀铬

待胶粘剂变干形成胶粘层后，将表面局部涂覆银胶的镍基体置于磁控溅射镀膜装置中真空镀铬（铬的纯度为99.9%以上），即在金属基体表面和胶粘层上镀铬薄膜，基体温度保持为常温。磁控溅射镀膜设备预先抽真空到6.5×10^-5pa，采用高纯氩气清洗炉腔，并用氩气作为溅射气体，溅射气压为0.7Pa，溅射电流为0.32A，溅射电压为300V，溅射时间分别为600s和2800s，在基体镀膜的同时放置硅片，制作硅片上镀铬的参比样品，用于薄膜在扫描电镜下的观察；

（4）去除粘胶

基体在真空室中取出后，首先在丙酮溶液中浸润30min，用于软化导电银胶层；再在丙酮溶液中超声处理10min，更换新的丙酮溶液后再次超声处理，重复上述步骤三次，并注意观察基体表面银胶是否脱落干净，确保彻底清除杂质；最后基体表面用水和酒精分别清洗一次，吹干后存放于密闭无尘的样品盒中待用。

用粗糙度轮廓仪分析和扫描电镜对处理的基体进行观察，台阶处轮廓曲线图和SEM照片如图1～图4所示，铬薄膜和镍基底表面均较光滑、平整，表面粗糙度Ra值为0.017μm。铬薄膜台阶明显、处缘清晰，铬薄膜厚度分别为0.28μm（溅射时间600s）和1.17μm（溅射时间2800s）。

实施例3～10

将表1中的块材线切割成相应规格的基体。利用电木粉在镶嵌机上镶样。分别用400#、600#、800#、1000#和1200#金相砂纸进行手工研磨，再经绒布抛光，使金属基体表面粗糙度小于0.02μm。利用锤砸或挤压的方式去除电木粉包覆物，将金属基体放置于无水乙醇中按表1中的时间进行超声波清洗，然后吹干备用。

采用涂刷的方式在基体表面均匀涂覆如表1所示的胶粘剂。

待胶粘剂变干形成胶粘层后，在金属基体表面和胶粘层上镀金属薄膜。将金属基体置于磁控溅射镀膜装置中利用如表1中所示的金属靶材真空镀膜，镀膜过程中基体温度保持为常温，采用纯度为99.99%以上的高纯氩气清洗炉腔，并用氩气作为溅射气体，磁控溅射镀膜的参数如表1所示。

镀膜完成后，将金属基体放入如表1中所示的有机溶剂中浸润以软化胶粘层，浸润时间如表1所示。再将金属基体置于有机溶剂中超声处理以除去胶粘层，得到具有台阶结构的金属薄膜。在有机溶剂中超声处理5次，每次处理时间如表1所示。每次处理后需更换清洁的有机溶剂；超声处理后用水和酒精分别清洗2次。

表1

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出至少一个变形和改进，都属于本发明的保护范围。

Claims

1.金属薄膜制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）在金属基体表面选定区域涂覆胶粘剂；

（2）待胶粘剂变干形成胶粘层后，在金属基体表面和胶粘层上镀金属薄膜；

2.根据权利要求1所述的金属薄膜制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中是采用涂刷或印刷的方式在基体表面涂覆胶粘剂。

3.根据权利要求2所述的金属薄膜制备方法，其特征在于，所述步骤（2）是通过将金属基体置于磁控溅射镀膜装置中利用金属靶材真空镀膜，镀膜过程中基体温度保持为常温，磁控溅射镀膜设备预先抽真空到1×10^-5Pa～1×10^-2Pa，采用纯度为99.99%以上的高纯氩气清洗炉腔，并用氩气作为溅射气体，溅射气压为0.3Pa～1.0Pa，溅射电流为0.15A～0.45A，溅射电压为250V～400V，溅射时间为300s～3600s。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的金属薄膜制备方法，其特征在于，步骤（3）中金属基体在有机溶剂中的浸润时间为30min～60min；在有机溶剂中超声处理3次～5次，每次处理时间为5min～20min，每次处理后需更换清洁的有机溶剂；超声处理后用水和酒精分别清洗1次～2次。

5.根据权利要求4所述的金属薄膜制备方法，其特征在于，步骤（1）中金属基体通过下述方法制备得到：将金属基体材料线切割成边长为5mm～10mm的立方体，利用环氧树脂或电木粉在镶嵌机上镶样；再经过手工或机械研磨、抛光使金属基体表面粗糙度小于0.02μm；最后，去除环氧树脂或电木粉包覆物，将取出的金属基体放置于无水乙醇溶液中超声波清洗10min～30min。

6.根据权利要求5所述的金属薄膜制备方法，其特征在于，所述的金属基体是下述纯金属材料中的一种或两种以上：铜、铁、铝、镍、钛、铬、钼、钒和银。

7.根据权利要求6所述的金属薄膜制备方法，其特征在于，所述的胶粘剂是环氧树脂胶粘剂、改性环氧树脂体系胶粘剂、有机硅类胶粘剂、聚氨酯类胶粘剂、导电银胶类胶粘剂或导电铜胶类胶粘剂。

8.根据权利要求7所述的金属薄膜制备方法，其特征在于，所述的金属薄膜的厚度为0.1μm～1.5μm。

9.根据权利要求8所述的金属薄膜制备方法，其特征在于，所述的有机溶剂是丙酮、甲基丁酮、乙醇、苯、甲苯或二甲苯。

10.根据权利要求9所述的金属薄膜制备方法，其特征在于，所述的金属靶材是下述纯金属材料中的一种或两种以上：铝、镉、铜、铬、金、银、铅、镍、钯、铂、铑、锡和锌。