一种相对介电系数可调氮化铝涂层的制备方法技术

一种相对介电系数可调氮化铝涂层的制备方法，涉及铜‑碳合金表面处理。包括以下步骤：(1)在铜‑碳合金表面用脉冲直流溅射沉积Cr过渡层；(2)用中频电源共溅射双生阴极Al及BN靶，制备AlN‑BN纳米复合结构涂层；(3)交替反应溅射沉积AlN及BN单层膜，完成铜‑碳合金基体表面制备相对介电系数可调AlN涂层。制备的相对介电系数可调氮化铝涂层具有相对介电系数可调、低介电损耗、高绝缘、高导热且膜‑基结合良好等性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及铜-碳合金表面处理，尤其是涉及一种在铜-碳合金基体表面制备相对介电系数可调AlN涂层的方法。
技术介绍
在集成电路领域，由于集成度迅猛增加，导致芯片发热量急剧上升，使得芯片寿命迅速下降，其原因是因为在微电子集成电路以及大功率整流器件中，材料之间散热性能不佳而导致的热疲劳，以及热膨胀系数不匹配而引起的热应力造成的，因此要求封装材料必须满足散热优异、与硅材料热膨胀系数匹配等要求[1]。解决该问题的关键是进行合理的封装。从目前电子封装技术发展趋势来看，单一基体的各种封装材料无法满足各方面性能的综合要求，而金属基复合材料可以满足如上的要求。金属基复合封装材料具有较高的机械强度、散热性能优良等优点。其中Cu基复合材料被广泛地应用于热沉材料及电触头材料。此外，金属基复合封装材料尤其适于现代化高速发展的功率HIC、微波毫米波MMIC、MCM和大电流功率模块的功率封装及作为散热片应用[2]。由于电子封装对基座的绝缘要求，因此在使用铜-碳合金材料的同时，需要开发相应的绝缘材料，在保持基材良好的散热基础上，还需要起到绝缘作用。在高频电路中,信号传输速度可以表示为： V = k c ϵ r ]]>其中，V为信号阐述速度，c为真空中光速，εr为基板介电系数。可以看出，基板介电常数越低，信号传播得越快，因此要得到高的信号传输速率，就必须研究开发低介电常数的基板材料。介电常数除了直接影响信号的传输速度以外，还在很大程度上决定特性阻抗，它可以表示为： Z 0 = 87 ϵ r + 1.41 l n ( 5.89 h 0.8 w + t ) ]]>其中，Z0为印制导线的特性阻抗，εr为基板介电系数，h为印制导线与基准面之间的介质厚度，w为印制导线的宽度，t为印制导线的厚度。可以看出，影响特性阻抗的主要因素是：基板的介电常数εr、介质厚度h、导线宽度w以及导线厚度t。基板介电常数越小，特性阻抗就越大。因此，在高速电路中需要高的特性阻抗值，必须研究开发低介电常数的材料以实现信号的高速传输并降低信号损耗。同时为了实现高速数字电路PCB中的阻抗连续稳定，要求基板材料有稳定的介电常数。AlN材料由于其优异的电绝缘及导热性能，被认为是替代现有SiO2的理想栅极绝缘材料，并广泛应用于高温高功率半导体器件绝缘层[3]。对于AlN绝缘层而言，其AlN绝缘层的制备方法很多，如磁控溅射、反应蒸发、分子束外延、脉冲激光沉积等物理气相沉积方法及化学气相沉积方法。相比较而言，反应蒸发、分子束外延、脉冲激光沉积，这些方法膜层沉积速度较慢，膜基结合欠佳，化学气相沉积也存在速率较慢问题，且设备复杂，反应气体一般有毒性及污染性。而磁控溅射具有使用灵活，使用范围广，膜层纯度高，沉积速率快，基体涂覆性好，以及膜层致密度高、均匀性好、膜基结合力强、膜层平整性好等特点。在电子封装材料领域，反应磁控溅射制备AlN薄膜成为近年来的研究热点。Randolph在1996年使用磁控溅射方法，在1:1的N2：Ar环境中溅射Al靶，产生Al原子或原子团与N原子化合形成AlN涂层，涂层介电强度可达到几兆伏/厘米。Wolborski使用PVD方法制备出AlN薄膜的相对介电系数为8.8[4]。Marauska等使用PVD方法制备出较低介电损耗角正切的AlN薄膜[5]。需要指出的是以上研究报道制备出的AlN介电涂层其相对介电系数约为10，对于频段不同的电子器件而言其适用能力有限。如何在保持AlN优良绝缘性能的基础上，根据电子器件工作频率调节AlN涂层的介电系数，最大化实现信号的传输以及将信号损失减小到最低程度，成为研究的重点与难点。参考文献：[1]G.R.Blackwell.Theelectronicpackaginghandbook,CRCPress,2002.[2]T.Schubert,B.Trindade,T.B.Kieback.MaterialsScienceandEngineering:A,475(2008)39.[3]A.Fathimulla,A.A.Lakhani.J.Appl.Phys.,54(1983)4586.[4]M.Wolborski,D.Rosén,A.Hallén,M.Bakowski.ThinSolidFilms,515(2006)456.[5]S.Marauska,V.Hrkac,T.Dankwort.Microsystemtechnologies,18(2012)787.
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在铜-碳合金基体表面制备相对介电系数可调AlN涂层的方法。本专利技术包括以下步骤：(1)在铜-碳合金表面用脉冲直流溅射沉积Cr过渡层；(2)用中频电源共溅射双生阴极Al及BN靶，制备AlN-BN纳米复合结构涂层；(3)交替反应溅射沉积AlN及BN单层膜，完成铜-碳合金基体表面制备相对介电系数可调AlN涂层。在步骤(1)中，所述在铜-碳合金表面脉冲直流溅射沉积Cr过渡层，目的是解决AlN薄膜的热膨胀系数(～4.5×10-6K-1)与铜-碳合金基体的热膨胀系数(～7.2×10-6K-1)的失配问题，具体方法可为：将沉积腔室工作温度加热至250℃，基体加热至350℃，并抽取沉积腔室内气体，除去腔体内壁吸附的水汽及氧等污染物，当沉积腔室真空达到本底真空度8.0×10-5Pa后，通入Ar气，气体流量设定为50sccm，调节沉积腔室内环境压力至1.25Pa，将金属Cr靶材脉冲直流溅射功率调节至300W，占空比为35％～50％，工作15min。金属Cr靶预溅射之后，将双生阴极Al及BN靶分别接入脉冲直流及中频电源。金属Al靶脉冲直流溅射功率调节至300W，占空比为35％～50％，工作10min；BN靶中频电源溅射功率调节至300W，工作10min。该预溅射处理过程，可以除去靶材表面氧化物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相对介电系数可调氮化铝涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)在铜‑碳合金表面用脉冲直流溅射沉积Cr过渡层；(2)用中频电源共溅射双生阴极Al及BN靶，制备AlN‑BN纳米复合结构涂层；(3)交替反应溅射沉积AlN及BN单层膜，完成铜‑碳合金基体表面制备相对介电系数可调AlN涂层。

【技术特征摘要】
1.一种相对介电系数可调氮化铝涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在铜-碳合金表面用脉冲直流溅射沉积Cr过渡层；
(2)用中频电源共溅射双生阴极Al及BN靶，制备AlN-BN纳米复合结构涂层；
(3)交替反应溅射沉积AlN及BN单层膜，完成铜-碳合金基体表面制备相对介电系数可
调AlN涂层。
2.如权利要求1所述一种相对介电系数可调氮化铝涂层的制备方法，其特征在于在步骤
(1)中，所述在铜-碳合金表面脉冲直流溅射沉积Cr过渡层的具体方法为：将沉积腔室工作
温度加热至250℃，基体加热至350℃，并抽取沉积腔室内气体，除去腔体内壁吸附的水汽
及氧等污染物，当沉积腔室真空达到本底真空度8.0×10-5Pa后，通入Ar气，气体流量设
定为50sccm，调节沉积腔室内环境压力至1.25Pa，将金属Cr靶材脉冲直流溅射功率调节
至300W，占空比为35％～50％，工作15min；金属Cr靶预溅射之后，将双生阴极Al及BN
靶分别接入脉冲直流及中频电源；金属Al靶脉冲直流溅射功率调节至300W，占空比为35％～
50％，工作10min；BN靶中频电源溅射功率调节至300W，工作10min；Cr、Al、BN靶预溅
射完成之后，设定沉积腔体温度为200℃，基体为250℃，转动样品台，使铜-碳合金基体
正对金属Cr靶，且与靶材的距离为150mm，调节沉积腔室压力至0.45Pa，采用脉冲直流电
源溅射沉积金属Cr过渡层，Cr金属靶溅射功率为400W，占空比为35％～50％，沉积时间为2
min，沉积过程中基体加载负偏压为-115V。
3.如权利要求1所述一种相对介电系数可调氮化铝涂层的制备方法，其特征在于在步骤
(2)中，所述中频电源共溅射双生阴极Al及BN靶，制备AlN-B...

【专利技术属性】
技术研发人员：王周成，吴正涛，张东方，魏斌斌，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35