CN112063985A - 玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于真空溅射方法技术领域，具体的涉及一种玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法。玻璃经振荡清洗后高温烘干，然后将玻璃挂在真空磁控溅射反应炉的转架上；玻璃随真空磁控溅射反应炉的转架进行圆周旋转，通入氩气，调节真空度至1.2‑1.8×10^‑1pa，对玻璃进行离子源清洗；通入氮气，维持真空度在1.2‑1.9×10^‑1pa，打开偏压电源，进行反应溅射镀；关闭SiAl靶材直流控制电源，调节真空度至1.2‑1.8×10^‑1pa，然后打开铜靶材直流控制电源，进行磁控溅射镀铜，最后经后处理即得到镀铜玻璃。本发明所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，参数设计合理，易于操作，易于实现工业化生产，且制备的薄膜附着性好。

Description

玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法

技术领域

本发明属于真空溅射方法技术领域，具体的涉及一种玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法。

背景技术

金属化后的玻璃与金属进行直接钎焊，已经被广泛使用。这种方法通常是先通过各种镀膜技术，如气相沉积、磁控溅射、溶液旋涂、真空蒸镀等，在玻璃表面镀一层金属薄膜，以此实现玻璃表面的金属化，然后与金属板直接钎焊。这层金属薄膜不仅改善了钎料在玻璃表面的润湿性，同时也促进了界面反应，有利于形成可靠稳定的连接接头。

真空溅射镀膜技术由于它所采用的靶源温度很高，所以特别适合于制备高熔点，高纯度的金属膜和介质膜。目前，已经广泛地应用在微电子器件、光学薄膜，超硬度涂层，耐腐蚀涂层以及太阳能的利用等领域。

玻璃镀铜在线路板刻蚀线路的应用越来越广泛，但是铜层结合力低是制约其应用的一大影响因素，现有玻璃镀铜方法主要是真空溅射钛或镍等，作为过渡层，然后进行磁控溅射镀铜，主要的缺陷是钛与玻璃表面形成的键合力比较弱，容易造成铜层结合力较小。

发明内容

本发明的目的是：提供一种玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法。该方法工艺参数设计合理，易于操作，极大的提高了铜层与玻璃的结合力。

本发明所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，由以下步骤组成：

(1)玻璃经振荡清洗后高温烘干，然后将烘干后的玻璃挂在真空磁控溅射反应炉的转架上，真空磁控溅射反应炉内放置2个SiAl靶材，3个铜靶材，反应溅射的气体为氮气，保护气体为氩气；

(2)玻璃随真空磁控溅射反应炉的转架进行圆周旋转，抽真空到3.0×10^-4pa-7.0×10^-4pa，然后通入氩气，调节真空度至1.2-1.8×10^-1pa，打开离子源，对玻璃进行离子源清洗；

(3)通入氮气，调整氩气流量，维持真空度在1.2-1.9×10^-1pa，打开偏压电源，打开SiAl靶材直流控制电源，进行反应溅射镀；

(4)关闭SiAl靶材直流控制电源，关闭氮气，调节氩气流量，调节真空度至1.2-1.8×10^-1pa，然后打开铜靶材直流控制电源，进行磁控溅射镀铜，最后经后处理即得到镀铜玻璃。

其中：

步骤(1)中所述的玻璃是硅酸盐玻璃，主要成分为Na₂SiO₃、CaSiO₃和SiO₂的混合物或者是Na₂O·CaO·6SiO₂。

步骤(1)中所述的采用超声波振荡清洗，在金属清洗剂中清洗30-35min，温度设定为60-65℃，然后在两个去离子水池中分别振荡清洗15-20min，温度设定为60-65℃，最后于140-160℃的高温烘烤箱中烘烤30-35min。

步骤(2)所述的离子源清洗时间为10-15min，真空度为1.4-1.8×10^-1pa，离子源电压为1800-2000V，占空比设置为60％-80％。

离子源清洗能有效降低玻璃基片的缺陷密度、表面粗糙度及表面碳污染，有利于提高后续镀膜的质量。

步骤(3)中所述的氮气与氩气的流量比为1:1.2。

步骤(3)中所述的反应溅射镀是通过气体放电电离出的氮离子与磁控溅射出的硅离子结合，生成氮化硅化合物，偏压电压为250-350V，电流为3-7A。

步骤(3)中所述的反应溅射镀镀膜时间为3-5min，镀膜温度为150-200℃，镀膜功率为0.75-2.45千瓦，加辅助设备，总体镀膜功率在10-12千瓦之间，镀膜厚度为20-30纳米。

步骤(4)中所述的磁控溅射镀铜是打开偏压电源的情况下，通过气体放电产生氩离子，利用带正电荷的氩离子轰击带负电位的铜靶材，使靶材发生溅射，溅射出来的铜原子和铜离子沉积到玻璃表面形成铜薄膜。

步骤(4)中所述的镀铜时间为2-4min，镀铜厚度为100-150纳米。

步骤(4)中所述的后处理为关闭氩气，然后关闭电源，等待真空磁控溅射反应炉内温度降到≤40℃，开炉取样即得到镀铜玻璃。

本发明所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，通过反应溅射镀，生成一个过渡膜层，然后再进行镀铜，可以极大提高铜层与玻璃的结合力。

本发明所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，主要是采用反应磁控溅射的方法，首先在硅材质的玻璃表面形成一层硅基产物，利于结合力的提升，进而提高铜层的结合力。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，与玻璃基材的结合力好，耐高低温冲击好，玻璃的热膨胀系数与铜的热膨胀系数差别很大，通过生成的新的氮化硅类化合物作为过渡层，可以有效的减缓因高低温冲击引起的材料膨胀不同而造成的应力过大问题。

(2)本发明所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，参数设计合理，设备简单，易于操作，易于实现工业化生产，且制备的薄膜附着性好。

附图说明

图1是对比例1玻璃镀铜方法断面扫描电镜图；

图2是实施例1玻璃基材镀铜后断面扫描电镜图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

本实施例1所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，由以下步骤组成：

(1)玻璃经振荡清洗后高温烘干，然后将烘干后的玻璃挂在真空磁控溅射反应炉的转架上，真空磁控溅射反应炉内放置2个SiAl靶材，3个铜靶材，反应溅射的气体为氮气，保护气体为氩气；

(2)玻璃随真空磁控溅射反应炉的转架进行圆周旋转，抽真空到3.0×10^-4pa，然后通入氩气，调节真空度至1.2×10^-1pa，打开离子源，对玻璃进行离子源清洗；

(3)通入氮气，调整氩气流量，维持真空度在1.3×10^-1pa，打开偏压电源，打开SiAl靶材直流控制电源，进行反应溅射镀；

(4)关闭SiAl靶材直流控制电源，关闭氮气，调节氩气流量，调节真空度至1.2×10^-1pa，然后打开铜靶材直流控制电源，进行磁控溅射镀铜，最后经后处理即得到镀铜玻璃。

其中：

步骤(1)中所述的玻璃是硅酸盐玻璃，主要成分为Na₂SiO₃、CaSiO₃和SiO₂的混合物。

步骤(1)中所述的采用超声波振荡清洗，在金属清洗剂中清洗30min，温度设定为65℃，然后在两个去离子水池中分别振荡清洗20min，温度设定为60℃，最后于140℃的高温烘烤箱中烘烤35min。

步骤(2)所述的离子源清洗时间为10min，真空度为1.4×10^-1pa，离子源电压为1800V，占空比设置为60％。

步骤(3)中所述的氮气与氩气的流量比为1:1.2。

步骤(3)中所述的反应溅射镀是通过气体放电电离出的氮离子与磁控溅射出的硅离子结合，生成氮化硅化合物，偏压电压为250V，电流为3A。

步骤(3)中所述的反应溅射镀镀膜时间为3min，镀膜温度为200℃，镀膜功率为0.75千瓦，加辅助设备，总体镀膜功率在10千瓦之间，镀膜厚度为20纳米。

步骤(4)中所述的磁控溅射镀铜是打开偏压电源的情况下，通过气体放电产生氩离子，利用带正电荷的氩离子轰击带负电位的铜靶材，使靶材发生溅射，溅射出来的铜原子和铜离子沉积到玻璃表面形成铜薄膜。

步骤(4)中所述的镀铜时间为2min，镀铜厚度为100纳米。

步骤(4)中所述的后处理为关闭氩气，然后关闭电源，等待真空磁控溅射反应炉内温度降到40℃，开炉取样即得到镀铜玻璃。

本实施例1所述的铜层结合强度为1037N/cm²，镀层结合好，无分层现象；经500次高低温冲击(低温为-40℃，高温为150℃)，铜层无脱落。

实施例2

本实施例2所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，由以下步骤组成：

(1)玻璃经振荡清洗后高温烘干，然后将烘干后的玻璃挂在真空磁控溅射反应炉的转架上，真空磁控溅射反应炉内放置2个SiAl靶材，3个铜靶材，反应溅射的气体为氮气，保护气体为氩气；

(2)玻璃随真空磁控溅射反应炉的转架进行圆周旋转，抽真空到7.0×10^-4pa，然后通入氩气，调节真空度至1.8×10^-1pa，打开离子源，对玻璃进行离子源清洗；

(3)通入氮气，调整氩气流量，维持真空度在1.9×10^-1pa，打开偏压电源，打开SiAl靶材直流控制电源，进行反应溅射镀；

(4)关闭SiAl靶材直流控制电源，关闭氮气，调节氩气流量，调节真空度至1.8×10^-1pa，然后打开铜靶材直流控制电源，进行磁控溅射镀铜，最后经后处理即得到镀铜玻璃。

其中：

步骤(1)中所述的玻璃是硅酸盐玻璃，主要成分为Na₂SiO₃、CaSiO₃和SiO₂的混合物。

步骤(1)中所述的采用超声波振荡清洗，在金属清洗剂中清洗35min，温度设定为60℃，然后在两个去离子水池中分别振荡清洗15min，温度设定为65℃，最后于160℃的高温烘烤箱中烘烤30min。

步骤(2)所述的离子源清洗时间为15min，真空度为1.8×10^-1pa，离子源电压为2000V，占空比设置为80％。

步骤(3)中所述的氮气与氩气的流量比为1:1.2。

步骤(3)中所述的反应溅射镀是通过气体放电电离出的氮离子与磁控溅射出的硅离子结合，生成氮化硅化合物，偏压电压为350V，电流为7A。

步骤(3)中所述的反应溅射镀镀膜时间为5min，镀膜温度为150℃，镀膜功率为2.45千瓦，加辅助设备，总体镀膜功率在12千瓦之间，镀膜厚度为30纳米。

步骤(4)中所述的磁控溅射镀铜是打开偏压电源的情况下，通过气体放电产生氩离子，利用带正电荷的氩离子轰击带负电位的铜靶材，使靶材发生溅射，溅射出来的铜原子和铜离子沉积到玻璃表面形成铜薄膜。

步骤(4)中所述的镀铜时间为4min，镀铜厚度为150纳米。

步骤(4)中所述的后处理为关闭氩气，然后关闭电源，等待真空磁控溅射反应炉内温度降到35℃，开炉取样即得到镀铜玻璃。

本实施例2所述的铜层结合强度为1128N/cm²，镀层结合好，无分层现象；经500次高低温冲击(低温为-40℃，高温为150℃)，铜层无脱落。

实施例3

本实施例3所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，由以下步骤组成：

(1)玻璃经振荡清洗后高温烘干，然后将烘干后的玻璃挂在真空磁控溅射反应炉的转架上，真空磁控溅射反应炉内放置2个SiAl靶材，3个铜靶材，反应溅射的气体为氮气，保护气体为氩气；

(2)玻璃随真空磁控溅射反应炉的转架进行圆周旋转，抽真空到5.0×10^-4pa，然后通入氩气，调节真空度至1.5×10^-1pa，打开离子源，对玻璃进行离子源清洗；

(3)通入氮气，调整氩气流量，维持真空度在1.6×10^-1pa，打开偏压电源，打开SiAl靶材直流控制电源，进行反应溅射镀；

(4)关闭SiAl靶材直流控制电源，关闭氮气，调节氩气流量，调节真空度至1.5×10^-1pa，然后打开铜靶材直流控制电源，进行磁控溅射镀铜，最后经后处理即得到镀铜玻璃。

其中：

步骤(1)中所述的玻璃是硅酸盐玻璃，主要成分为Na₂O·CaO·6SiO₂。

步骤(1)中所述的采用超声波振荡清洗，在金属清洗剂中清洗33min，温度设定为63℃，然后在两个去离子水池中分别振荡清洗18min，温度设定为63℃，最后于150℃的高温烘烤箱中烘烤32min。

步骤(2)所述的离子源清洗时间为12min，真空度为1.6×10^-1pa，离子源电压为1900V，占空比设置为70％。

步骤(3)中所述的氮气与氩气的流量比为1:1.2。

步骤(3)中所述的反应溅射镀是通过气体放电电离出的氮离子与磁控溅射出的硅离子结合，生成氮化硅化合物，偏压电压为300V，电流为5A。

步骤(3)中所述的反应溅射镀镀膜时间为4min，镀膜温度为175℃，镀膜功率为1.50千瓦，加辅助设备，总体镀膜功率在11千瓦之间，镀膜厚度为25纳米。

步骤(4)中所述的磁控溅射镀铜是打开偏压电源的情况下，通过气体放电产生氩离子，利用带正电荷的氩离子轰击带负电位的铜靶材，使靶材发生溅射，溅射出来的铜原子和铜离子沉积到玻璃表面形成铜薄膜。

步骤(4)中所述的镀铜时间为3min，镀铜厚度为125纳米。

步骤(4)中所述的后处理为关闭氩气，然后关闭电源，等待真空磁控溅射反应炉内温度降到40℃，开炉取样即得到镀铜玻璃。

本实施例3所述的铜层结合强度为1080N/cm²，镀层结合好，无分层现象；经500次高低温冲击(低温为-40℃，高温为150℃)，铜层无脱落。

对比例1

本对比例1所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，由以下步骤组成：

(1)玻璃经振荡清洗后高温烘干，然后将烘干后的玻璃挂在真空磁控溅射反应炉的转架上，真空磁控溅射反应炉内放置2个TiAl靶材，3个铜靶材，反应溅射的气体为氮气，保护气体为氩气；

(2)玻璃随真空磁控溅射反应炉的转架进行圆周旋转，抽真空到7.0×10^-4pa，然后通入氩气，调节真空度至1.8×10^-1pa，打开离子源，对玻璃进行离子源清洗；

(3)通入氮气，调整氩气流量，维持真空度在1.9×10^-1pa，打开偏压电源，打开TiAl靶材直流控制电源，进行反应溅射镀；

(4)关闭TiAl靶材直流控制电源，关闭氮气，调节氩气流量，调节真空度至1.8×10^-1pa，然后打开铜靶材直流控制电源，进行磁控溅射镀铜，最后经后处理即得到镀铜玻璃。

其中：

步骤(1)中所述的玻璃是硅酸盐玻璃，主要成分为Na₂SiO₃、CaSiO₃和SiO₂的混合物。

步骤(1)中所述的采用超声波振荡清洗，在金属清洗剂中清洗35min，温度设定为60℃，然后在两个去离子水池中分别振荡清洗15min，温度设定为65℃，最后于160℃的高温烘烤箱中烘烤30min。

步骤(2)所述的离子源清洗时间为15min，真空度为1.8×10^-1pa，离子源电压为2000V，占空比设置为80％。

步骤(3)中所述的氮气与氩气的流量比为1:1.2。

步骤(3)中所述的反应溅射镀是通过气体放电电离出的氮离子与磁控溅射出的硅离子结合，生成氮化硅化合物，偏压电压为350V，电流为7A。

步骤(3)中所述的反应溅射镀镀膜时间为5min，镀膜温度为150℃，镀膜功率为2.45千瓦，加辅助设备，总体镀膜功率在12千瓦之间，镀膜厚度为30纳米。

步骤(4)中所述的磁控溅射镀铜是打开偏压电源的情况下，通过气体放电产生氩离子，利用带正电荷的氩离子轰击带负电位的铜靶材，使靶材发生溅射，溅射出来的铜原子和铜离子沉积到玻璃表面形成铜薄膜。

步骤(4)中所述的镀铜时间为4min，镀铜厚度为150纳米。

步骤(4)中所述的后处理为关闭氩气，然后关闭电源，等待真空磁控溅射反应炉内温度降到35℃，开炉取样即得到镀铜玻璃。

本对比例1所述的铜层结合强度为200N/cm²，经200次高低温冲击(低温为-40℃，高温为150℃)，铜层脱落。

对比例2

本对比例2所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法与实施例2相同，唯一的不同点在于，氮气与氩气的流量比不同，对比例2中所述的氮气与氩气的流量比为1:2。

本对比例2所述的铜层结合强度为350N/cm²，经320次高低温冲击(低温为-40℃，高温为150℃)，铜层脱落。

对比例3

本对比例3所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法与实施例2相同，唯一的不同点在于，氮气与氩气的流量比不同，对比例3中所述的氮气与氩气的流量比为2:1。

本对比例3所述的铜层结合强度为380N/cm²，经350次高低温冲击(低温为-40℃，高温为150℃)，铜层脱落。

对比例4

本对比例4所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法与实施例2相同，唯一的不同点在于，步骤(3)中所述的反应溅射镀是通过气体放电电离出的氮离子与磁控溅射出的硅离子结合，生成氮化硅化合物，偏压电压为500V，电流为12A；步骤(3)中所述的反应溅射镀镀膜时间为5min，镀膜温度为150℃，镀膜功率为6千瓦，加辅助设备，总体镀膜功率在15.55千瓦，镀膜厚度为30纳米。

本对比例4所述的铜层结合强度为450N/cm²，经402次高低温冲击(低温为-40℃，高温为150℃)，铜层脱落。

Claims (9)

1.一种玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，其特征在于：由以下步骤组成：

(1)玻璃经振荡清洗后高温烘干，然后将烘干后的玻璃挂在真空磁控溅射反应炉的转架上，真空磁控溅射反应炉内放置2个SiAl靶材，3个铜靶材，反应溅射的气体为氮气，保护气体为氩气；

(2)玻璃随真空磁控溅射反应炉的转架进行圆周旋转，抽真空到3.0×10^-4pa-7.0×10^{- 4}pa，然后通入氩气，调节真空度至1.2-1.8×10^-1pa，打开离子源，对玻璃进行离子源清洗；

(3)通入氮气，调整氩气流量，维持真空度在1.2-1.9×10^-1pa，打开偏压电源，打开SiAl靶材直流控制电源，进行反应溅射镀；

(4)关闭SiAl靶材直流控制电源，关闭氮气，调节氩气流量，调节真空度至1.2-1.8×10^-1pa，然后打开铜靶材直流控制电源，进行磁控溅射镀铜，最后经后处理即得到镀铜玻璃。

2.根据权利要求1所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，其特征在于：步骤(1)中所述的玻璃是硅酸盐玻璃。

3.根据权利要求1所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，其特征在于：步骤(1)中所述的采用超声波振荡清洗，在金属清洗剂中清洗30-35min，温度设定为60-65℃，然后在两个去离子水池中分别振荡清洗15-20min，温度设定为60-65℃，最后于140-160℃的高温烘烤箱中烘烤30-35min。

4.根据权利要求1所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，其特征在于：步骤(2)所述的离子源清洗时间为10-15min，真空度为1.4-1.8×10^-1pa，离子源电压为1800-2000V，占空比设置为60％-80％。

5.根据权利要求1所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，其特征在于：步骤(3)中所述的氮气与氩气的流量比为1:1.2。

6.根据权利要求1所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，其特征在于：步骤(3)中所述的反应溅射镀偏压电压为250-350V，电流为3-7A。

7.根据权利要求1所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，其特征在于：步骤(3)中所述的反应溅射镀镀膜时间为3-5min，镀膜温度为150-200℃，镀膜厚度为20-30纳米。

8.根据权利要求1所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，其特征在于：步骤(4)中所述的镀铜时间为2-4min，镀铜厚度为100-150纳米。

9.根据权利要求1所述的玻璃基材真空磁控溅射镀铜方法，其特征在于：步骤(4)中所述的后处理为关闭氩气，然后关闭电源，等待真空磁控溅射反应炉内温度降到≤40℃，开炉取样即得到镀铜玻璃。

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