一种孪生对靶磁控溅射制备覆铜陶瓷基板的装置及方法

摘要

本发明提供一种孪生对靶磁控溅射制备覆铜陶瓷基板的装置及方法，所述装置包括：溅镀真空室，一侧形成容置腔；孪生对靶，包括金属圆柱靶和铜合金圆柱靶；两灭弧罩，分别可旋转地绕设于金属圆柱靶和铜合金圆柱靶外周；两气管，分别位于金属圆柱靶和铜合金圆柱靶外侧；一阳极线性离子源，与金属圆柱靶和铜合金圆柱靶形成三角形排布，金属等离子体、铜合金等离子体及氩气等离子体或氩气与氧气混合等离子体交汇形成一等离子体交汇区；一氧化铝陶瓷基片，架设于等离子体交汇区内；一补偿气体气管。所述方法过渡层及金属层与陶瓷基板附着力强，原料成本及生产成本低，且制备方法保护环境，可有效减少环境污染。

说明书

技术领域

本发明属于微电子封装技术领域，具体地，涉及一种孪生对靶磁控溅射制备覆铜陶瓷基板的装置及方法。

背景技术

在功率电子领域，典型功率电路应用主要包括功率半导体模块、DC/DC变换器、光镇流器、电机驱动控制器、汽车控制系统等。各种功率电路的额定电流值不等，变化幅度可以从数安培到数百安培乃至数千安培，这就造成了各类功率电路功能要求的千差万别。现代微电子封装几乎都在基板上进行或与基板相关。随着新型高密度封装形式的出现，电子封装的许多功能，如电气连接、物理保护、应力缓和、散热防潮、尺寸过渡、规格化和标准化等正逐步部分或全部由基板来承担。基板在散热过程中起到了最重要的作用，如果基板的散热性能不好，就会导致电路板上的元器件过热，从而使整机可靠性下降，甚至失效。除了承担热耗散外，基板还必须具有与Si、GaAs相匹配的热膨胀系数（CTE）以减小芯片与基板之间的热应力，较好的电绝缘性和较低的介电常数以便适用于高频电路，减小时间延迟。在此背景下，一直处于主导地位的PCB基板显然不能满足上述要求，特别在散热要求上，必须选用热导率高的基板材料，于是陶瓷基板就进入首选行列。

在实用的陶瓷基板材料中，氧化铝价格较低，从机械强度、绝缘性、导热性、耐热性、耐热冲击性、化学稳定性等方面考虑，其作为基板材料综合性能好，加工技术亦优于其他材料，美国LaminaCeramics、德国Curmilk等公司已将陶瓷基板应用于大功率LED芯片封装。源于陶瓷基板高热导率的高散热性能，为大功率电子器件，例如LED阵列，的封装提供了解决方案。

目前在工业上实现金属和陶瓷键合的方法主要有厚膜法及钼锰法。厚膜法是将贵重金属的细粒通过压接在一起而组成，再由熔融的玻璃粘附到陶瓷上，因此厚膜的导电性能比金属铜差。钼锰法工艺较成熟，钼锰浆料中的一些金属颗粒被湿氢中的水分氧化，作为活化剂的锰被氧化成氧化锰，一部分扩散到陶瓷的内表面与陶瓷中的某些氧化物形成玻璃相，一部分形成中间层，在陶瓷和金属化层相互扩散实现陶瓷和金属化层良好的附着力。但是这种方法所形成的中间层较厚，热阻较大，在大功率电路、功率模块等领域中不利于迅速散热，而且通过钼锰法形成的金属层厚度往往很薄，小于25μm，这就限制了大功率模块组件的耐浪涌能力。近年来出现的氧化铝直接敷铜（DBC）基板综合了铜与氧化铝陶瓷的优异性能，而应用于大功率器件中。DBC基板的敷接原理是在敷接过程前或过程中在铜与陶瓷之间引入适量的氧元素，在1065°C~1083°C范围内，铜与氧形成Cu-O共晶液。DBC技术利用该共晶液，一方面与陶瓷化学反应生成中间相（CuAlO₂或CuAl₂O₄），另一方面浸润铜箔实现氧化铝陶瓷基板与铜板的结合。为了改善厚膜制程张网问题、多层叠压烧结后收缩比例问题以及制程高温问题等，近来发展出薄膜陶瓷基板作为LED晶粒的散热基板。薄膜陶瓷基板是采用PVD(PhysicalVaporDeposition)方法在经碱性溶液活化处理的空白陶瓷基板上(例如氧化铝或氮化铝)溅镀多层贵金属钛(Ti)/钼(Mo)或镍(Ni)/银(Ag)/铜(Cu)之后，采用黄光显影技术成形线路和使用电镀或化学镀方法增厚线路，最后经过去膜、蚀刻成形线路。但存在如下问题：

1）因采用了贵金属而导致原材料成本增加；2）CVD通常还需要高温，如800°C~1000°C；3）从烧结的空白陶瓷基片表面微观结构来看，其存在明显的尖锐突起和盆地状的凹孔，而在10^-3~10^-6torr的真空PVD过程中，原子或分子的名义自由程有相当长，因此，难以在空白陶瓷片表面形成连续的均匀的薄膜种子层，即使随后采用电镀等方式增厚金属层，亦导致金属薄膜与空白陶瓷基片附着力差；4）因金属与陶瓷材料本征性质差异大，例如热膨胀系数相差很大，引起金属层与空白陶瓷片间的附着力难以满足高功率散热基板的要求，如金属层与空白陶瓷基片键合力大于500kg/cm²，热循环次数高于5万次。

发明内容

为解决上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种孪生对靶磁控溅射制备覆铜陶瓷基板的装置及方法，所述方法过渡层及金属层与陶瓷基板附着力强，原料成本及生产成本低，且制备方法保护环境，可有效减少环境污染。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种孪生对靶磁控溅射制备覆铜陶瓷基板的装置，包括：至少一个溅镀真空室，竖直放置，形状为圆柱形桶体或方形盒体，内设真空泵和加热件，其高度方向一侧内壁向外凸出形成一容置腔；至少一对孪生对靶，每对孪生对靶对应一个溅镀真空室，其包括金属圆柱靶和铜合金圆柱靶，位于所述溅镀真空室内并对称设置于容置腔两侧，所述金属圆柱靶和铜合金圆柱靶互为阴阳极；至少两灭弧罩，形状为圆弧形，弧度与所述金属圆柱靶和铜合金圆柱靶外周向配合，分别可旋转地绕设于所述金属圆柱靶和铜合金圆柱靶外周；两气管，设置于所述溅镀真空室内，并分别位于所述金属圆柱靶和铜合金圆柱靶外侧，形状为管体，表面开设有若干气孔；至少一个阳极线性离子源，形状为方形，设置于所述溅镀真空室容置腔内壁中部，与所述金属圆柱靶和铜合金圆柱靶形成三角形排布，所述金属圆柱靶产生的金属等离子体、铜合金圆柱靶产生的铜合金等离子体及阳极线性离子源产生的氩气等离子体或氩气与氧气混合等离子体在所述溅镀真空室内侧中部交汇形成一等离子体交汇区；一氧化铝陶瓷基片，架设于所述等离子体交汇区内，其相对所述阳极线性离子源一侧可拆卸地设有一挡板；一补偿气体气管，设置于所述溅镀真空室内侧，并位于所述氧化铝陶瓷基片与阳极线性离子源之间，形状为管体，表面开设有若干通气孔。

进一步，所述溅镀真空室的数量为2个或3个，并列排布，相邻的两溅镀真空室之间设有可开关的挡板。

另，所述金属圆柱靶和铜合金圆柱靶之间间距为1000~3000mm。

另有，所述灭弧罩弧顶处与阳极线性离子源之间间距为90~120mm。

再，所述金属圆柱靶产生的金属等离子体、铜合金圆柱靶产生的铜合金等离子体及阳极线性离子源产生的氩气等离子体或氩气与氧气混合等离子体在金属圆柱靶正前方110~250mm处交汇形成所述等离子体交汇区。

再有，所述金属圆柱靶靶材为铝硅靶，靶材纯度为99.9%；所述铜合金圆柱靶靶材为铜硅靶，靶材纯度为99.9%。

且，所述阳极线性离子源功率为0~10kw。

同时，本发明还提供一种利用所述孪生对靶磁控溅射制备覆铜陶瓷基板的装置制备覆铜陶瓷基板的方法，包括如下步骤：

1)将经酸性溶液、碱性溶液和去离子水清洗并烘干的氧化铝陶瓷基片架设于所述溅镀真空室内侧中部的等离子体交汇区，关闭溅镀真空室，加热所述氧化铝陶瓷片至200~400℃，同时，利用真空泵抽真空至0.05~5×10^-5Torr；

2)金属圆柱靶和铜合金圆柱靶靶的氩气等离子体清洗

将挡板置于所述氧化铝陶瓷基片前，打开灭弧罩，将灭弧罩旋转至金属圆柱靶、铜合金圆柱靶与阳极线性离子源相对的位置，金属圆柱靶和铜合金圆柱靶靶功率分别为1~3kw，从气管通入氩气，形成氩气等离子体清洗所述金属圆柱靶和铜合金圆柱靶，氩气流量为30~70sccm，2~5分钟后，如靶材辉光颜色呈纯金属的辉光颜色则完成靶材的等离子体清洗，关闭靶电源，移开挡板；

3)氧化铝陶瓷基片的氩气等离子体清洗

阳极线性离子源功率为3~10kw，氩气流量为30~70sccm，10~15分钟后，完成所述氧化铝陶瓷基片的氩气等离子体清洗；

4)在氧化铝陶瓷基片表面沉积过渡层

过渡层沉积过程中，溅镀真空室工作压力保持在0.7~1Torr，阳极线性离子源工作功率为1~6kw，通向阳极线性离子源的氩气流量为10~50sccm，氧气流量在25~40分钟内按0.2~1sccm/秒的速度从10~30sccm逐渐减小为0sccm；

所述过渡层沉积过程分为早期、中期、后期三个阶段：在过渡层沉积的早期，沉积时间为5~10分钟，金属圆柱靶工作功率为3~6kw，氩气流量为60~90sccm，氧气流量为30~50sccm；铜合金圆柱靶工作功率为1~3kw，氩气流量为30~50sccm，氧气流量为10~30sccm；在所述氧化铝陶瓷基片表面形成接近氧化铝化学组成比的氧化物(AlSiCu_1-x)₂O₃，其中x=0~1；

在过渡层沉积的中期，沉积时间为20~30分钟，金属圆柱靶工作功率为3~6kw，氩气流量为60~90sccm，氧气流量在20~30分钟内按0.2~1sccm/秒的速度从30~50sccm减小至0sccm；铜合金圆柱靶工作功率为1~3kw，氩气流量为30~50sccm，氧气流量在20~30分钟内按0.2~1sccm/秒的速度从10~30sccm减小至0sccm；沉积在所述氧化铝陶瓷基片表面过渡层的物质即从氧化物(AlSiCu_1-x)₂O₃渐变到铝铜硅合金AlSiCu_1-x；

在过渡层沉积的后期，沉积时间为10~20分钟，金属圆柱靶工作功率为3~6kw，氩气流量在10~20分钟内按0.2~1sccm/秒的速度从60~90sccm减至0sccm；铜合金圆柱靶工作功率为3~6kw，氩气流量在10~20分钟内按0.2~1sccm/秒的速度从30~50sccm逐渐增加到60~100sccm；沉积在所述氧化铝陶瓷基片表面过渡层的物质即从铝铜硅合金AlSiCu_1-x渐变到铜硅合金CuSi，完成过渡层的沉积；

5)在过渡层表面沉积铜层

溅镀真空室工作压力为0.7~1Torr，阳极线性离子源功率为1~6kw，氩气流量为10~50sccm；金属圆柱靶和铜合金圆柱靶工作功率分别为3~6kw，氩气流量为60~100sccm，沉积时间为20~30分钟，从而在所述过渡层表面获得厚度为80~100μm的铜层，完成所述覆铜陶瓷基板的制备。

进一步，步骤4)中在所述氧化铝陶瓷基片表面沉积所得过渡层厚度为1~10μm。

另，所得覆铜陶瓷基板键合力大于500kg/cm²，热循环次数高于5万次，导热率高于24W/m·k。

本发明的有益效果在于：

采用大功率等粒子束预溅射空白陶瓷基片以增强附着力；2）利用低温孪生对靶磁控反应溅射技术在空白陶瓷基片表面形成由化合物层连续渐变到金属层的过渡层以增强附着力；3）在过渡层上溅射沉积铜层，4）所用金属为与空白陶瓷基片金属相类似的金属或合金(如铝或铝合金)以及铜或铜合金，其相对于贵金属钛(Ti)、钼(Mo)、镍(Ni)、银(Ag)等贵金属要便宜很多，从而降低产品原材料成本；5）在整个溅射沉积过程中（包含过渡层和铜层的形成）使用等离子体共沉积；6）在整个溅射沉积过程中采用低温辅助，空白陶瓷基片仅需加热至200~400℃，节能降耗；7）本发明提出的技术方案中，过渡层是利用低温孪生对靶磁控反应溅射技术在空白陶瓷基片表面形成由化合物层(如氧化物、碳化物、氮化物)连续渐变到金属层的过渡层，从而增强了金属薄膜与空白陶瓷基片间的附着力。

从烧结的空白陶瓷基片表面微观结构来看，其存在明显的尖锐突起和盆地状的凹孔，而在10^-3~10^-6torr的真空PVD过程中，原子或分子的名义自由程有相当长，因此，难以在空白陶瓷片表面形成连续的均匀的薄膜种子层，即使随后采用电镀等方式增厚金属层，亦导致金属薄膜与空白陶瓷基片附着力差；

然而，本发明中的离子束在辅助沉积过程中，膜层粒子受荷能粒子的轰击而获得高于离位阀能的能量，引起级联碰撞，增加了膜料离子的能量和迁移率，促使膜层粒子间紧密结合，形成致密结构；同时，镀中粒子轰击溅射突出岛，消除阴影效应，破坏柱状结构，孔隙被填充，提高薄膜的聚集密度，从而形成均匀填充生长。所得覆铜陶瓷基板键合力大于500kg/cm²，热循环次数高于5万次，导热率高于24W/m·k。

本发明提出的方案不需要使用电镀或化学镀方法增厚线路，这很有利于保护环境，减少环境污染。

附图说明

图1为本发明实施例所制备的覆铜陶瓷基板的结构示意图。

图2为本发明实施例所提供的2个并列排布的孪生对靶磁控溅射制备覆铜陶瓷基板的装置的俯视结构示意图。

图3为本发明实施例所提供的利用所述孪生对靶磁控溅射制备覆铜陶瓷基板的装置制备覆铜陶瓷基板过程中阳极线性离子源气体及能量变化示意图。

图4为本发明实施例所提供的利用所述孪生对靶磁控溅射制备覆铜陶瓷基板的装置制备覆铜陶瓷基板过程中金属圆柱靶气体及能量变化示意图。

图5为本发明实施例所提供的利用所述孪生对靶磁控溅射制备覆铜陶瓷基板的装置制备覆铜陶瓷基板过程中铜合金圆柱靶气体及能量变化示意图。

图3~图5中，T_-1-T₀阶段表示利用阳极线性离子源所产生的氩气等离子体清洗氧化铝陶瓷基片，T₀-T₁阶段表示过渡层沉积的早期阶段，T₁-T₂阶段表示过渡层沉积的中期阶段，T₂-T₃表示过渡层沉积的后期阶段，T₃-T₄表示在过渡层表面沉积铜层的阶段，F_Ar⁰表示T_-1-T₀阶段中通向阳极线性离子源的氩气流量，E⁰表示T_-1-T₀阶段阳极线性离子源的工作功率，F_Ar¹表示T₀-T₄阶段（即过渡层沉积阶段及在过渡层表面沉积铜层阶段）通向阳极线性离子源的氩气流量，E¹表示T₀-T₃阶段阳极线性离子源的工作功率，F_O2¹表示T₀-T₂阶段通向阳极线性离子源的氧气流量，L₀表示T₀-T₁阶段通向金属圆柱靶的氧气流量，L₁表示T₀-T₁阶段通向金属圆柱靶的氩气流量，C₀表示T₀-T₁阶段通向铜合金圆柱靶的氧气流量，C₁示T₀-T₂阶段通向铜合金圆柱靶的氩气流量，C₂表示T₃-T₄阶段通向铜合金圆柱靶的氩气流量。

具体实施方式

参照图1~图5，本发明所述的一种孪生对靶磁控溅射制备覆铜陶瓷基板的装置，包括：至少一个溅镀真空室1，竖直放置，形状为圆柱形桶体或方形盒体，内设真空泵（未图示）和加热件（未图示），其高度方向一侧内壁向外凸出形成一容置腔11；至少一对孪生对靶，每对孪生对靶对应一个溅镀真空室1，其包括金属圆柱靶21和铜合金圆柱靶22，位于所述溅镀真空室1内并对称设置于容置腔11两侧，所述金属圆柱靶21和铜合金圆柱靶22互为阴阳极；至少两灭弧罩3，形状为圆弧形，弧度与所述金属圆柱靶21和铜合金圆柱靶22外周向配合，分别可旋转地绕设于所述金属圆柱靶21和铜合金圆柱靶22外周；两气管4，设置于所述溅镀真空室1内，并分别位于所述金属圆柱靶21和铜合金圆柱靶22外侧，形状为管体，表面开设有若干气孔（未图示）；至少一个阳极线性离子源5，形状为方形，设置于所述溅镀真空室1容置腔11内壁中部，与所述金属圆柱靶21和铜合金圆柱靶22形成三角形排布，所述金属圆柱靶21产生的金属等离子体211、铜合金圆柱靶22产生的铜合金等离子体221及阳极线性离子源5产生的氩气等离子体51或氩气与氧气混合等离子体51’在所述溅镀真空室1内侧中部交汇形成一等离子体交汇区6；一氧化铝陶瓷基片7，架设于所述等离子体交汇区6内，其相对所述阳极线性离子源5一侧可拆卸地设有一挡板（未图示）；一补偿气体气管8，设置于所述溅镀真空室1内侧，并位于所述氧化铝陶瓷基片7与阳极线性离子源5之间，形状为管体，表面开设有若干通气孔（未图示）。

进一步，所述溅镀真空室1的数量为2个或3个，并列排布，相邻的两溅镀真空室之间设有可开关的挡板12。

另，所述金属圆柱靶21和铜合金圆柱靶22之间间距为1000~3000mm。

另有，所述灭弧罩3弧顶处与阳极线性离子源5之间间距为90~120mm。

再，所述金属圆柱靶21产生的金属等离子体211、铜合金圆柱靶22产生的铜合金等离子体221及阳极线性离子源5产生的氩气等离子体51或氩气与氧气混合等离子体51’在金属圆柱靶21正前方110~250mm处交汇形成所述等离子体交汇区6。

再有，所述金属圆柱靶21靶材为铝硅靶，靶材纯度为99.9%；所述铜合金圆柱靶22靶材为铜硅靶，靶材纯度为99.9%。

且，所述阳极线性离子源5功率为0~10kw。

同时，本发明还提供一种利用所述孪生对靶磁控溅射制备覆铜陶瓷基板的装置制备覆铜陶瓷基板的方法，包括如下步骤：

1)将经酸性溶液、碱性溶液和去离子水清洗并烘干的氧化铝陶瓷基片7架设于所述溅镀真空室1内侧中部的等离子体交汇区6，关闭溅镀真空室1，加热所述氧化铝陶瓷片7至200~400℃，同时，利用真空泵抽真空至0.05~5×10^-5Torr；

其中，所述酸性溶液选自硫酸、硝酸或磺酸中的一种。碱性溶液选自碳酸氢钠或氢氧化钙。

2)金属圆柱靶和铜合金圆柱靶靶的氩气等离子体清洗

将挡板置于所述氧化铝陶瓷基片7前，打开灭弧罩3，将灭弧罩3旋转至金属圆柱靶21、铜合金圆柱靶22与阳极线性离子源5相对的位置，金属圆柱靶21和铜合金圆柱靶22靶功率分别为1~3kw，从气管4通入氩气，形成氩气等离子体清洗所述金属圆柱靶21和铜合金圆柱靶22，氩气流量为30~70sccm，2~5分钟后，如靶材辉光颜色呈纯金属的辉光颜色则完成靶材的等离子体清洗，关闭靶电源，移开挡板；

3)氧化铝陶瓷基片的氩气等离子体清洗(T_-1-T₀阶段)

阳极线性离子源功率为3~10kw，氩气流量为30~70sccm，10~15分钟后，完成所述氧化铝陶瓷基片的氩气等离子体清洗；

4)在氧化铝陶瓷基片表面沉积过渡层(T₀-T₃阶段)

过渡层100沉积过程中，溅镀真空室1工作压力保持在0.7~1Torr，阳极线性离子源5工作功率为1~6kw(参见图3.E¹)，通向阳极线性离子源5的氩气流量为10~50sccm(参见图3.F_Ar¹)，氧气流量在25~40分钟内按0.2~1sccm/秒的速度从10~30sccm逐渐减小为0sccm(参见图3.F_O2¹)；

所述过渡层100沉积过程分为早期、中期、后期三个阶段：

在过渡层沉积的早期(T₀-T₁阶段)，沉积时间为5~10分钟，金属圆柱靶21工作功率为3~6kw，氩气流量为60~90sccm(参见图4.L₁)，氧气流量为30~50sccm(参见图4.L₀)；铜合金圆柱靶22工作功率为1~3kw，氩气流量为30~50sccm(参见图5.C₁)，氧气流量为10~30sccm(参见图5.C₀)；在所述氧化铝陶瓷基片7表面形成接近氧化铝化学组成比的氧化物(AlSiCu_1-x)₂O₃，其中x=0~1；

在过渡层沉积的中期(T₁-T₂阶段)，沉积时间为20~30分钟，金属圆柱靶21工作功率为3~6kw，氩气流量为60~90sccm，氧气流量在20~30分钟内按0.2~1sccm/秒的速度从30~50sccm减小至0sccm；铜合金圆柱靶22工作功率为1~3kw，氩气流量为30~50sccm，氧气流量在20~30分钟内按0.2~1sccm/秒的速度从10~30sccm减小至0sccm；沉积在所述氧化铝陶瓷基片7表面过渡层的物质即从氧化物(AlSiCu_1-x)₂O₃渐变到铝铜硅合金AlSiCu_1-x；

在过渡层沉积的后期(T₂-T₃阶段)，沉积时间为10~20分钟，金属圆柱靶21工作功率为3~6kw，氩气流量在10~20分钟内按0.2~1sccm/秒的速度从60~90sccm减至0sccm；铜合金圆柱靶22工作功率为3~6kw，氩气流量在10~20分钟内按0.2~1sccm/秒的速度从30~50sccm逐渐增加到60~100sccm；沉积在所述氧化铝陶瓷基片7表面过渡层的物质即从铝铜硅合金AlSiCu_1-x渐变到铜硅合金CuSi，完成过渡层100的沉积；这样，整个过渡层的物质就从氧化物(AlSiCu_1-x)₂O₃(x=0-1)渐变到铜硅合金CuSi，从而获得厚度为1~10μm且与基片键合力很强的过渡层。

5)在过渡层表面沉积铜层(T₃-T₄阶段)

溅镀真空室1工作压力为0.7~1Torr，阳极线性离子源5功率为1~6kw，氩气流量为10~50sccm；金属圆柱靶21和铜合金圆柱靶22工作功率分别为3~6kw，氩气流量为60~100sccm(参见图5.C₂)，沉积时间为20~30分钟，从而在所述过渡层表面获得厚度为80~100μm的铜层，完成所述覆铜陶瓷基板的制备。

进一步，步骤4)中在所述氧化铝陶瓷基片7表面沉积所得过渡层100厚度为1~10μm。

另，所得覆铜陶瓷基板键合力大于500kg/cm²，热循环次数高于5万次，导热率高于24W/m·k，可用于共晶焊。

必须说明的是，以上案例中所有参数是为了便于理解本发明但本发明并不仅限于氧化铝陶瓷基板制备方面的应用。所有这些参数需依据于真空设备状况、靶材材质、离子源性能和基片性能等进行相应的调整与优化。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。