真空镀膜的方法与流程

本发明涉及一种MEMS(微电子机械系统)制造技术，尤其涉及一种在衬底圆片上真空镀膜，制备类金刚石薄膜或者金属薄膜的方法。

背景技术：

由于类金刚石薄膜具有硬度高，红外区透明，高耐磨性、低摩擦系数、高热导率、高电阻率、高化学稳定性等一系列优异性能，使得类金刚石镀膜在光学领域、机械耐磨涂层、微电机系统以及半导体领域有巨大的应用前景。目前常用的类金刚石薄膜制备工艺有：离子束增强沉积法、脉冲激光沉积方法、阴极电弧沉积法、射频等离子体化学气相沉积法、射频溅射沉积法等。上述方法中，为实现玻璃上制备金刚石薄膜的目的，通常只能采用等离子体化学气相沉积法制备，且工程师需要设计较为繁琐的工艺步骤(譬如要考虑气体比例流量问题、模具气密性的问题)。申请者通过在阳极键合机内，通过抽真空，升温，施加电压，在微型腔室内产生真空电弧，快速制备类金刚石薄膜，最终可得到在衬底圆片上镀上类金刚石薄膜。此外，此种方法也可以在玻璃上快速制备金属薄膜。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供真空镀膜方法。通过采用本发明方案，在导电圆片和衬底圆片上加电，可在微型腔室内产生真空电弧，为衬底圆片快速镀上类金刚石薄膜或者金属薄膜，可以达到节约成本和节省时间的效果。

技术方案：本发明的真空镀膜方法，包括以下步骤：

第一步，通过激光切割或者刻蚀导电圆片(1)，在导电圆片(1)上得到通孔(2)；

第二步，将靶材圆片(3)、导电圆片(1)、衬底圆片(4)依次叠放，并置于真空中加热至温度稳定；

第三步，在靶材圆片(3)和衬底圆片(4)上施加电压，其中靶材圆片(3)接正电极，衬底圆片(4)接负电极，在电压作用下衬底圆片(4)上镀有靶材薄膜(8)。

其中：

所述的镀膜装置镀膜装置可以为阳极键合机，也可以为其他带有真空泵、加热器以及电压产生单元的装置。

所述的抽真空的真空度要求为10^‐5Pa—10^‐1Pa。

所述的升温温度在250℃—450℃之间。

所述的阳极与阴极之间的电压差为200V—2000V之间。

所述的通电，时间为为1分钟—20小时。

所述的衬底圆片为硼硅衬底圆片，厚度为100微米‐3毫米。

所述的靶材圆片为高碳鳞片石墨圆片，含碳量为99.5％以上。

所述的靶材圆片为金属圆片，金属为铜、铝、金、银、镍，纯度为99.5％以上。

所述靶材厚度为100微米‐5毫米。

所述的导电圆片为硅圆片，厚度为500微米‐2毫米。

所述的导电圆片为金属圆片，金属为铜、铝、金、银、镍，厚度为500微米‐5毫米。

所述的微型通孔阵列之间有微通道相连。

所述的导电圆片通过靶材圆片与镀膜装置底盘间接连接，连接镀膜装置的正极。

所述的衬底圆片与镀膜装置的负极相连接。

有益效果：

1.本发明装置简单、成本低，可以在衬底圆片上快速，低成本的实现类金刚石薄膜以及金属薄膜的生长；

2.本发明选用石墨纸与底盘相连接，通过真空电弧在玻璃上制备类金刚石薄膜，可实现两个效果：一、为生成类金刚石薄膜提供优质低成本碳源；二、反应过程不需要通入任何反应气体；

3.本发明通过激光切割或者刻蚀形成的带有微型通孔阵列的导电圆片，在镀膜过程中直接充当了镀膜工艺中所需要的微型反应腔；可重复利用，成本低，有利于圆片级低成本制造；

4.本发明通过激光切割或者刻蚀导电圆片形成的微腔室，为镀膜工艺提供了密封的微型反应空间，具有以下优势：一、一般的类金刚石镀膜工艺很难在微小腔室(譬如300微米宽的微型通道)上生成类金刚石，而本发明生成类金刚石的反应直接在微腔室内进行，可解决小区域上镀膜困难的问题；二、因反应空间小，利于生成物快速附着到衬底上，提高沉积速率；三、密封的反应空间可防止生成物外泄而污染镀膜部件；四、密封腔室提供一个真空反应空间，无需充入其他保护气体；

5.现有技术中为实现微型区域上图案化类金刚石薄膜的制备，譬如在尺寸在亚毫米级别的区域上，一般需要采用等离子体化学气相沉积法，且要求高气密性的模具保护不需要镀膜的区域。通过采用本发明方案，通过抽真空，升温，加电产生真空电弧，即可在衬底圆片镀上类金刚石薄膜，可以达到节约成本和节省时间的效果。

6.在加热情况下，硅圆片的导电性会有较大的增加，更容易发射电子形成电弧，从而轰击碳靶，并在电压作用下覆盖在衬底圆片表面，从而用于金刚石的生成。

附图说明

图1为导电圆片通孔不通过微型通道连接的掩膜模具表面示意图，

图2为导电圆片通孔通过微型通道连接的掩膜模具表面示意图，

图3为加电过程中衬底圆片、导电圆片、靶材圆片的横向截面示意图，

图4为加电镀膜后微腔室内镀有类金刚石薄膜或者金属薄膜的横向截面示意图，

图5为镀有图案化类金刚石薄膜或金属薄膜的的衬底圆片示意图。

以上的图中有：导电圆片1，硅通孔2，靶材圆片3，衬底圆片4，微通道5，镀膜装置底盘即正电极6，镀膜装置负电极7，类金刚石薄膜或者金属薄膜8，微型腔室9。

具体实施方式

本发明的真空镀膜方法，包括以下步骤：

第一步，通过激光切割或者刻蚀导电圆片(1)，在导电圆片(1)上得到通孔(2)；

第二步，将靶材圆片(3)、导电圆片(1)、衬底圆片(4)依次叠放，并置于真空中加热至温度稳定；

第三步，在靶材圆片(3)和衬底圆片(4)上施加电压，其中靶材圆片(3)接正电极，衬底圆片(4)接负电极，在电压作用下衬底圆片(4)上镀有靶材薄膜(8)。

在上述方案中，镀膜装置可以为阳极键合机，也可以为其他带有真空泵、加热器以及电压产生单元的装置。抽真空的真空度要求为10^‐5Pa—10^‐1Pa。升温温度在250℃—450℃之间。阳极与阴极之间的电压差为200V—2000V之间。通电时间为为1分钟—20小时。衬底圆片为硼硅衬底圆片，譬如Pyrex7740玻璃、TemPax玻璃。靶材圆片为高碳鳞片石墨圆片，含碳量为99.5％以上。靶材圆片为金属圆片，金属为铜、铝、金、银、镍，纯度为99.5％以上。靶材圆片厚度为100微米‐5毫米。导电圆片为硅圆片，厚度为500微米‐2毫米。导电圆片为金属圆片，金属为铜、铝、金、银、镍，厚度为500微米‐5毫米。微型通孔阵列之间有微通道相连。导电圆片通过靶材圆片与镀膜装置底盘间接连接，连接镀膜装置的正极。衬底圆片与镀膜装置的负极相连接。

实施例1

本发明真空镀膜方法，包括以下步骤：

第一步，在硅圆片(1)(譬如4英寸导电圆片)上刻蚀微型硅通孔(2)阵列，通孔互相独立不连通。所用硅圆片可以是标准厚度的硅圆片，譬如500微米厚的硅圆片。所述微型硅通孔直径为1‐5毫米，譬如1毫米，1.5毫米，1.8毫米，2毫米，4毫米，5毫米。所述硅圆片上图案结构的微加工工艺为激光钻孔工艺、湿法刻蚀工艺、干法感应耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺或者反应离子刻蚀中的一种，该图案可以是方形或者圆形通孔阵列；

第二步，将清洁的石墨圆片(3)放在阳极键合机底盘上，石墨圆片厚度为100微米—5毫米，譬如100微米，500微米，1毫米，1.5毫米，1.8毫米，2毫米，4毫米，5毫米，然后将刻蚀后的硅圆片(1)放置在石墨圆片(3)上，最后放置衬底圆片(4)。保证上述的石墨圆片与阳极键合机底盘(6)相接触，硅圆片(1)与石墨圆片(3)相接触，连接阳极键合机正极，键合机负极(7)与衬底圆片(4)相连接；

第三步，阳极键合机中升温，温度在250℃—450℃，譬如250℃，300℃，350℃，400℃，450℃。抽真空至10^‐5Pa‐10^‐1Pa，譬如0.05Pa，0.02Pa，0.01Pa，0.005Pa，0.001Pa，0.0001Pa。在衬底圆片(4)与上述硅圆片(1)上加一定电压，电压为200V—2000V，譬如200V，400V，600V，1000V，1500V，2000V。通电1分钟—20小时，譬如1分钟，30分钟，2小时，10小时，20小时。

第四步，去除硅圆片(1)，得到镀有类金刚石薄膜(8)的衬底圆片(4)。

上述技术方案中，将石墨圆片与键合底盘相连接，利用石墨圆片与上述硅圆片、玻璃形成的微型反应空间，具有以下优势：一般的类金刚石制备工艺很难在微小腔室(譬如300微米宽的微型通道)上生成类金刚石，而本发明生成类金刚石的反应直接在微腔室内进行，可解决小区域上镀膜困难的问题；因反应空间小，利于生成物快速附着到衬底上，提高沉积速率；密封的反应空间可防止生成物外泄而污染键合机部件。

实施例2

本发明真空镀膜方法，包括以下步骤：

第一步，在硅圆片(1)(譬如4英寸导电圆片)上刻蚀微型硅通孔(2)阵列，通孔通过沟道相互连通。所用硅圆片可以是标准厚度的硅圆片，譬如500微米厚的硅圆片。所述微型硅通孔直径为1‐5毫米，譬如1毫米，1.5毫米，1.8毫米，2毫米，4毫米，5毫米。所述硅圆片上图案结构的微加工工艺为激光钻孔工艺、湿法刻蚀工艺、干法感应耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺或者反应离子刻蚀中的一种，该图案可以是方形或者圆形通孔阵列；

第二步，将清洁的石墨圆片(3)放在改造的镀膜设备底盘上，石墨圆片厚度为100微米—5毫米，譬如100微米，500微米，1毫米，1.5毫米，1.8毫米，2毫米，4毫米，5毫米，然后将刻蚀后的硅圆片(1)放置在石墨圆片(3)上，最后放置衬底圆片(4)。保证上述的石墨圆片与改造的镀膜设备底盘(6)相接触，硅圆片(1)与石墨圆片(3)相接触，连接改造的镀膜设备正极，改造的镀膜设备负极(7)与衬底圆片(4)相连接；

第三步，改造的镀膜设备中升温，温度在250℃—450℃，譬如250℃，300℃，350℃，400℃，450℃。抽真空至10^‐5Pa‐10^‐1Pa，譬如0.05Pa，0.02Pa，0.01Pa，0.005Pa，0.001Pa，0.0001Pa。在衬底圆片(4)与上述硅圆片(1)上加一定电压，电压为200V—2000V，譬如200V，400V，600V，1000V，1500V，2000V。通电1分钟—20小时，譬如1分钟，30分钟，2小时，10小时，20小时。

第四步，去除硅圆片(1)，得到镀有类金刚石薄膜的衬底圆片(4)。

实施例3

本发明真空镀膜方法，包括以下步骤：

第一步，在铝圆片(1)(譬如4英寸导电圆片)上刻蚀微型通孔(2)阵列，通孔互相独立不连通。所用铝圆片可以是标准厚度的铝圆片，譬如1毫米厚的铝圆片。所述微型通孔直径为1‐5毫米，譬如1毫米，1.5毫米，1.8毫米，2毫米，4毫米，5毫米。所述硅圆片上图案结构的微加工工艺为激光钻孔工艺、湿法刻蚀工艺一种，该图案可以是方形或者圆形通孔阵列；

第二步，将清洁的铜圆片(3)放在阳极键合机底盘上，铜圆片厚度为100微米—5毫米，譬如100微米，500微米，1毫米，1.5毫米，1.8毫米，2毫米，4毫米，5毫米，然后将刻蚀后的铝圆片(1)放置在铜圆片(3)上，最后放置衬底圆片(4)。保证上述的铜圆片与阳极键合机底盘(6)相接触，铝圆片(1)与铜圆片(3)相接触，连接阳极键合机正极，键合机负极(7)与衬底圆片(4)相连接；

第三步，阳极键合机中升温，温度在250℃—450℃，譬如250℃，300℃，350℃，400℃，450℃。抽真空至10^‐5Pa‐10^‐1Pa，譬如0.05Pa，0.02Pa，0.01Pa，0.005Pa，0.001Pa，0.0001Pa。在衬底圆片(4)与上述硅圆片(1)上加一定电压，电压为200V—2000V，譬如200V，400V，600V，1000V，1500V，2000V。通电1分钟—20小时，譬如1分钟，30分钟，2小时，10小时，20小时。

第四步，移除铝圆片(1)，得到镀有铜金属薄膜(8)的衬底圆片(4)。

实施例4

本发明真空镀膜方法，包括以下步骤：

第一步，在硅圆片(1)(譬如4英寸导电圆片)上刻蚀微型硅通孔(2)阵列，通孔通过沟道相互连通。所用硅圆片可以是标准厚度的硅圆片，譬如500 微米厚的硅圆片。所述微型硅通孔直径为1‐5毫米，譬如1毫米，1.5毫米，1.8毫米，2毫米，4毫米，5毫米。所述硅圆片上图案结构的微加工工艺为激光钻孔工艺、湿法刻蚀工艺、干法感应耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺或者反应离子刻蚀中的一种，该图案可以是方形或者圆形通孔阵列；

第二步，将清洁的铝圆片(3)放在改造的镀膜设备底盘上，石墨圆片厚度为100微米—5毫米，譬如100微米，500微米，1毫米，1.5毫米，1.8毫米，2毫米，4毫米，5毫米，然后将刻蚀后的硅圆片(1)放置在铝圆片(3)上，最后放置衬底圆片(4)。保证上述的铝圆片与改造的镀膜设备底盘(6)相接触，硅圆片(1)与铝圆片(3)相接触，连接改造的镀膜设备正极，改造的镀膜设备负极(7)与衬底圆片(4)相连接；

第三步，改造的镀膜设备中升温，温度在250℃—450℃，譬如250℃，300℃，350℃，400℃，450℃。抽真空至10^‐5Pa‐10^‐1Pa，譬如0.05Pa，0.02Pa，0.01Pa，0.005Pa，0.001Pa，0.0001Pa。在衬底圆片(4)与上述硅圆片(1)上加一定电压，电压为200V—2000V，譬如200V，400V，600V，1000V，1500V，2000V。通电1分钟—20小时，譬如1分钟，30分钟，2小时，10小时，20小时。

第四步，去除硅圆片(1)，得到镀有铝膜的衬底圆片(4)。

实施例5

本发明真空镀膜方法，包括以下步骤：

第一步，在硅圆片(1)(譬如4英寸导电圆片)上刻蚀微型硅通孔(2)阵列，通孔互相独立不连通。所用硅圆片可以是标准厚度的硅圆片，譬如500微米厚的硅圆片。所述微型硅通孔直径为1‐5毫米，譬如1毫米，1.5毫米，1.8毫米，2毫米，4毫米，5毫米。所述硅圆片上图案结构的微加工工艺为激光钻孔工艺、湿法刻蚀工艺、干法感应耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺或者反应离子刻蚀中的一种，该图案可以是方形或者圆形通孔阵列；

第二步，将清洁的金圆片(3)放在阳极键合机底盘上，石墨圆片厚度为100微米—5毫米，譬如100微米，500微米，1毫米，1.5毫米，1.8毫米，2毫米，4毫米，5毫米，然后将刻蚀后的硅圆片(1)放置在金圆片(3)上，最后放置衬底圆片(4)。保证上述的金圆片与阳极键合机底盘(6)相接触，硅圆片(1) 与金圆片(3)相接触，连接阳极键合机正极，键合机负极(7)与衬底圆片(4)相连接；

第三步，阳极键合机中升温，温度在250℃—450℃，譬如250℃，300℃，350℃，400℃，450℃。抽真空至10^‐5Pa‐10^‐1Pa，譬如0.05Pa，0.02Pa，0.01Pa，0.005Pa，0.001Pa，0.0001Pa。在衬底圆片(4)与上述硅圆片(1)上加一定电压，电压为200V—2000V，譬如200V，400V，600V，1000V，1500V，2000V。通电1分钟—20小时，譬如1分钟，30分钟，2小时，10小时，20小时。

第四步，去除硅圆片(1)，得到镀有金膜(8)的衬底圆片(4)。

实施例6

本发明真空镀膜方法，包括以下步骤：

第一步，在铜圆片(1)(譬如4英寸导电圆片)上刻蚀微型通孔(2)阵列，通孔通过沟道相互连通。所用铜圆片可以是标准厚度的硅圆片，譬如2毫米厚的铜圆片。所述微型通孔直径为1‐5毫米，譬如1毫米，1.5毫米，1.8毫米，2毫米，4毫米，5毫米。所述铜圆片上图案结构的微加工工艺为激光钻孔工艺、湿法刻蚀工艺中的一种，该图案可以是方形或者圆形通孔阵列；

第二步，将清洁的银圆片(3)放在改造的镀膜设备底盘上，银圆片厚度为100微米—5毫米，譬如100微米，500微米，1毫米，1.5毫米，1.8毫米，2毫米，4毫米，5毫米，然后将刻蚀后的铜圆片(1)放置在银圆片(3)上，最后放置衬底圆片(4)。保证上述的银圆片与改造的镀膜设备底盘(6)相接触，铜圆片(1)与银圆片(3)相接触，连接改造的镀膜设备正极，改造的镀膜设备负极(7)与衬底圆片(4)相连接；

第三步，改造的镀膜设备中升温，温度在250℃—450℃，譬如250℃，300℃，350℃，400℃，450℃。抽真空至10^‐5Pa‐10^‐1Pa，譬如0.05Pa，0.02Pa，0.01Pa，0.005Pa，0.001Pa，0.0001Pa。在衬底圆片(4)与上述铜圆片(1)上加一定电压，电压为200V—2000V，譬如200V，400V，600V，1000V，1500V，2000V。通电1分钟—20小时，譬如1分钟，30分钟，2小时，10小时，20小时。

第四步，移除铜圆片(1)，得到镀有银膜的衬底圆片(4)。