Способ нанесения вакуумного металлизированного покрытия на диэлектрические подложки

 

Сущность: способ включает бомбардировку подложки ионами газового разряда с одновременным напылением покрытия путем осаждения металла, испаренного в рабочей камере вакуумным методом. Бомбардировка подложки положительными ионами газового разряда чередуется с процессом облучения ультрафиолетовым излучением и потоком электронов. Способ обеспечивает увеличение адгезионной прочности контакта металлизированного покрытия и диэлектрической подложки, а также предотвращает возможность появления брака покрытия, являющегося следствием формирования объемного положительного заряда на поверхности подложки, за счет компенсации объемного положительного заряда, усиления процессов очистки поверхности от гидроксильных групп, органических загрязнений, а также за счет химической активации поверхности.

Изобретение относится к области напыления металлизированных покрытий на диэлектрические подложки, в частности в микроэлектронике, радиотехнике, оптике, изготовлении товаров народного потребления.

Перспективным методом повышения адгезионной прочности контакта металлизированных пленок с диэлектрическими подложками является бомбардировка подложки ионами рабочего газа одновременно с процессом напыления покрытия.

Известен способ напыления металлических пленок на стеклянные подложки с одновременной бомбардировкой подложки ионами газа. Напыление осуществляется в режиме частичной ионизации осаждаемого металлического пара при облучении подложки ионами и атомами инертного газа. Энергия ионов лежит в пределах 1,5-3,5 кэВ. При таком способе напыления наблюдается увеличение адгезионной прочности контакта для различных оксидосодержащих подложек по сравнению с адгезионной прочностью ювенильного контакта. Анализ полученных результатов показал, что увеличение адгезионной прочности в данном случае происходит за счет резкого снижения уровня углеродных загрязнений обрабатываемой поверхности подложки и действия фактора физического перемешивания атомов пленки и подложки с образованием переходной зоны твердого раствора. Однако при таком способе напыления отсутствует проявление химического взаимодействия металлической пленки с оксидами подложки, в результате чего не обеспечивается тот уровень адгезионной прочности, который имеет место после активации поверхности подложки в плазме тлеющего разряда.

Известен способ напыления металлических пленок на металлы и неметаллы, при котором подложка подвергается воздействию потока низкоэнергетических положительных ионов газового разряда с энергией, достаточной для создания заметного распыления поверхности подложки перед и во время формирования пленки покрытия. В результате такой бомбардировки поверхности диэлектрика положительными ионами газового разряда обеспечивается частичное удаление с поверхности гидроксильных групп, органических загрязнений и химическая активация поверхности подложки за счет разрыва валентных связей.

Однако при обработке поверхности диэлектрика положительными ионами может происходить накопление заряда и формирование областей объемного заряда положительных ионов, в которых полностью экранируется поверхность диэлектрика, в результате чего прекращается процесс очистки и активации. При определенных условиях, в случае накопления заряда на поверхности возможны даже электрический пробой через диэлектрик и его разрушение. Результатом действия этих процессов является отслоение покрытия в местах формирования объемного положительного заряда.

Цель изобретения увеличение адгезионной прочности контакта металлизированного покрытия и диэлектрической подложки, а также предотвращение возможности появления брака покрытия, являющегося следствием формирования объемного положительного заряда на поверхности подложки, за счет компенсации объемного положительного заряда, усиления процессов очистки поверхности от гидроксильных групп, органических загрязнений, а также за счет химической активации поверхности.

Компенсация объемного заряда положительных ионов на поверхности диэлектрика обеспечивается двумя путями. Во-первых, за счет облучения поверхности диэлектрика интенсивным ультрафиолетовым излучением в области частот более 1,5х10¹⁵ Гц, сформированным специальным газоразрядным устройством. В этом случае энергии фотонов, превышающей 5 эВ, достаточно для создания эффекта фотопроводимости у диэлектриков, структура которых в большинстве случаев представляет собой ионные или ковалентные кристаллы, а зона основного поглощения лежит в области частот больших 1,0х10¹⁵ Гц. При этом часть электронов поверхностного слоя диэлектриков возбуждается и переходит на более высокие свободные уровни незаполненной зоны, попадая в результате в зону проводимости. В зоне проводимости электроны приобретают способность ускоряться внешним электрическим полем, в результате чего они перемещаются в область объемного заряда положительных ионов, за счет чего обеспечивается его компенсация. Во-вторых, за счет потока электронов с плотностью тока 2-5 мА/см², сформированного специальным газоразрядным устройством.

Очистка и химическая активация поверхности диэлектрика производятся за счет бомбардировки ее положительными ионами, атомами и нейтральными частицами газового разряда. При этом дополнительное воздействие на поверхность диэлектрика ультрафиолетового излучения в области частот от 1х10¹⁵ до 5х10¹⁵ Гц усиливает эти процессы, т.к. энергия фотонов, соответствующая этому диапазону частот, равна 4-20 эВ и совпадает с энергией связи углеродных соединений и окислов металлов, составляющих основу большинства диэлектриков.

Проводилось напыление металлизированных покрытий на образцы из кварцевого стекла по предлагаемому способу. Образцы размещались на держателе, являющемся одновременно электродом газового разряда. В качестве материала покрытия использовались тугоплавкие металлы титан и цирконий, испаряемые при помощи электродугового испарителя с холодным катодом. В качестве рабочих газов использовались гелий, аргон, азот и воздух. После предварительной откачки до давления 1,5х10^-2 Па в камеру подавался рабочий газ до достижения давления 4-6 Па. На электроды подавалось знакопеременное напряжение с амплитудой 800-1200 В и частотой 50 Гц. В период, когда отрицательный потенциал находился на держателе образцов, зажигался обычный тлеющий разряд и происходила бомбардировка поверхности диэлектрика положительными ионами, атомами и нейтральными частицами из плазмы разряда. В период, когда отрицательный потенциал находился на известном устройстве, в 8-15 раз увеличивался разрядный ток и интенсивность ультрафиолетового излучения. В этот период образцы подвергались облучению ультрафиолетовым и потоком электронов из плазмы разряда. После выдержки в таком режиме в течение 5 мин включался электродуговой испаритель металла. Далее процесс бомбардировки поверхности образцов положительными ионами и атомами, обработки поверхности облучением ультрафио- летом и потоком электронов проводился одновременно с напылением металлизированного покрытия. После формирования области раздела покрытия и подложки напряжение с электродов газового разряда снималось. Для увеличения скорости напыления рабочий газ из камеры откачивался до давлений от 1,5х10^-2 до 0,5 Па в зависимости от необходимого состава покрытия.

Для сравнения проводилось напыление тех же покрытий на образцы из кварцевого стекла в рамках той же установки методом ионного осаждения. Адгезионную проч-ность контакта измеряли методом нормального отрыва штифта на эпоксидном клее. Сравнительный анализ образцов показал, что использование предложенного способа напыления покрытий обеспечивает увеличение адгезионной прочности контакта металлизированного покрытия и диэлектрической подложки на 15-30% по сравнению с базовым.

Формула изобретения

СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ВАКУУМНОГО МЕТАЛЛИЗИРОВАННОГО ПОКРЫТИЯ НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОДЛОЖКИ, включающий бомбардировку подложки положительными ионами газового разряда с одновременным нанесением покрытия путем осаждения металла, испаренного в рабочей камере вакуумным методом, отличающийся тем, что бомбардировка подложки положительными ионами газового разряда чередуется с процессом облучения подложки ультрафиолетовым излучением и потоком электронов.