介质滤波器全磁控溅射多层复合金属化方法与流程

1.本发明属于通讯技术领域，涉及一种介质滤波器全磁控溅射多层复合金属化方法。


背景技术：

2.在5g技术飞速发展的今天，要做到信号畅通就必须建立一定数量的5g基站，滤波器作为射频单元的核心器件之一，其作用是消除干扰杂波，让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能的衰减。介质滤波器的基体材料是低损耗的陶瓷或塑料，基体上加工有隔离槽、耦合槽、频率调节盲孔、耦合调节盲孔、输入和输出电极盲孔等，其中盲孔的直径约2
‑
3mm，深度约2
‑
4mm。对滤波器来说，无论基体是陶瓷还是塑料，电磁信号的传输和导电还是要靠表面的金属层实现，金属镀层的好坏直接影响介质滤波器的q值、可靠性和焊接性等关键性能指标。银具有导电性能优异、热稳定性好、可焊接性强等优点，是目前主要采用的介质滤波器表面金属化材料。滤波器表面金属化的方法很多，主要包括电镀法、化学镀、丝网印刷烧结法、金属喷涂和物理气相沉积法等。
3.采用电镀工艺生成膜层速度快，纯度高，但是该工艺耗费大量的水、电、金属等资源，同时产生大量的固体废物、酸性气体、重金属离子废水等对环境构成污染。化学镀目前在工业生产中主要用于制备镍、铜等金属电极，获得电极性能与银相当，具有成本低、适应基体广、均镀和深镀能力好等优点。但是化学镀前期的粗化、敏化和活化处理工艺中易产生大量锡、钯等重金属溶液，污染环境。丝网印刷属于烧渗银工艺，即于基体表面覆上银浆，经过烧结，银浆中的氧化银还原成银，并渗入基体表面。该工艺生产效率高，银层结合力好，表面质量高，插损稳定，但是存在浆料浪费严重、成本高、滤波器孔内易残留烧结助剂等问题。金属喷涂法是采用等离子喷涂技术利用熔化金属的雾化喷射或真空沉积形成金属镀层。等离子喷涂由于设备投资小，近年来也被应用到陶瓷金属化中，但是采用该方法会使电极材料浪费较多，通常只用于贱金属喷涂。另外，金属粉尘浓度高时易发生爆炸，危险性大。物理气相沉积(pvd)技术是在真空条件下，将材料源气化成气态原子、分子或部分电离成离子，通过低压气体或等离子体过程，在基片表面沉积薄膜的技术，主要包括真空蒸镀和溅射镀膜两大类。其中真空蒸镀法从蒸发源中逸出的粒子动能较低(约零点几到几个ev)，使得金属膜层与陶瓷的结合力差，容易造成电极脱落；同时也会造成沉积的薄膜台阶覆盖能力差等问题。磁控溅射是靶材原子因撞击而获得动能逸出，沉积到基底表面形成薄膜。该工艺制备的膜层质量高、致密度好、附着力高、厚度可控性强，对环境无污染、能耗小，在各类电子器件的制备中广泛应用。相对于蒸发工艺，磁控溅射中靶材上被轰击下来的原子/原子团获得的能量高，迁移率增加，台阶覆盖能力增强。但是在传统的、平衡磁控溅射技术中，靶材原子的离化率普遍低于10％，到达基体的多数是中性原子，其绕射性很差不能满足在介质滤波器高深宽比的孔内均匀镀膜的要求。这是由于阴影效应，孔底和侧壁的膜厚远低于平面上生长薄膜的厚度；同时，侧壁和底部膜厚也相差很大，侧壁的薄膜倾斜生长，其附着力和致密度均较差，严重影响器件的性能和可靠性。为了提高孔内镀膜的覆盖率和均匀性，首先
需要采用特殊的磁控溅射技术以大幅度提高ar气以及金属原子的离化率；进而通过在样品台施加磁场或偏压等方式，提高离子的绕射性、产生二次溅射沉积效果，使孔内的薄膜生长重新分布，提高台阶覆盖率；进一步通过提高薄膜的沉积温度增加金属原子/离子的扩散迁移能力，最终提升孔底和侧壁薄膜的厚度和分布均匀性。
4.在介质滤波器金属化中，ag的理论电阻率低(1.47
‑
1.62μω.cm)，是目前主要采用的金属材料，但是其制造成本高。cu、al的理论电阻率分别为1.678和2.65μω.cm，与银的导电性能相差不大，亦可满足介质滤波器对金属层高导电性能的要求。在陶瓷与金属接触的界面性质方面，采用d壳层电子占满的金属时(如cu，au，ag，pd等)，界面表现出整流特性；而采用d壳电子存在空缺的金属时(如ti，ta，cr等)，界面倾向于形成欧姆接触。为了降低陶瓷与金属的接触电阻，需优先选用ta、cr、ti等金属，使陶瓷与金属界面形成欧姆接触。另外，为了提高电极薄膜的附着力，可采用清洁、活化的基片表面或提高溅射温度等手段；也可引入中间过渡层，即选择cr、ti、cu、a1、ni等高活性的金属作为粘附层首先镀覆在基体上，通过粘附层与基体之间形成化学键合增加金属镀层的附着力。金属化的介质滤波器需要嵌入到工作电路中，所以还必须考虑电极层的可焊性，即金属镀层与焊接钎料间应具有良好的浸润性。焊接是一个伴随着加热、熔化、结晶、相变、化学反应等的复杂过程。如果金属膜层的耐焊性不好，即在焊接时出现严重的氧化、漏瓷和开裂等问题，也将导致元器件的电磁性能和可靠性变差。因此，所需沉积的金属镀层还必须要考虑到其在焊接时否有效地阻挡高温钎料熔蚀作用。ag焊接性能好，但是抗熔蚀性不强，较薄的ag层不能经受长时间的高温钎焊，容易发生漏瓷和开裂，而cu、ni、ti、cr均可作为抗熔蚀的备选金属。
5.综上所述，5g基站介质滤波器金属化提出了在高深宽比的孔内高覆盖率和高均匀性镀膜的需求，同时对金属镀层的导电性能、介质陶瓷与金属的界面特性、以及金属镀层的可焊接性和抗熔蚀性能等方面也有严格的要求，这些是采用传统的平衡磁控溅射技术制备单层电极薄膜难以满足的。因此本发明提出了“粘附层/信号传输导体层/抗氧化保护及焊接层”多层复合金属化以及溅射技术实现方案。采用高离化率、高表面原子扩散速率的磁控溅射工艺，在等离子体轰击处理后的介质表面沉积厚度＜200nm的cr、ti、cu、a1、ni、ta、mo等高活性的金属及wn、tin、tan、tiw等过渡金属化合物作为粘附层；随后继续生长制备2
‑
4μm的cu、al等金属薄膜作为信号传输导体层；继续生长厚度＜1μm的ag、β
‑
sn、ag
‑
cu、pb
‑
sn、sn
‑
ag合金等薄膜作为抗氧化保护和焊接层。该方法采用廉价的cu、al取代ag作为信号传输导体层，极大的降低了介质滤波器的制造成本，所有膜层均采用磁控溅射完成、工艺连贯且简便易行，同时特殊的磁控溅射工艺获得薄膜致密度高、附着力强、台阶覆盖率高，能够保障器件的可靠性以及在高深宽比的孔内镀膜的覆盖率和均匀性。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种介质滤波器全磁控溅射多层复合金属化方法。
7.本发明采用的技术方案为：
8.一种介质滤波器全磁控溅射多层复合金属化方法，该方法首先对基体进行湿法清洗，干燥后置入真空腔内，采用等离子体对基体进行轰击处理；其次，在不脱离真空条件下磁控溅射沉积cr、ti、cu、a1、ni、ta、mo等高活性的金属或wn、tin、tan、tiw等过渡金属化合
物作为粘附层；再次，在不脱离真空条件下，采用磁控溅射方法在粘附层表面沉积cu、al等金属薄膜作为信号传输导体层；最后，在信号传输层表面继续磁控溅射生长ag、β
‑
sn、ag
‑
cu、pb
‑
sn、sn
‑
ag合金等薄膜作为抗氧化保护和焊接层。具体步骤如下：
9.步骤一：使用湿法工艺清洗介质滤波器5，除去表面的有机物、金属颗粒和其他杂质。
10.步骤二：介质滤波器5基底的表面处理
11.将步骤一处理后的介质滤波器置于真空腔内，在本底真空度≤5*10
‑4pa、工作气压0.3
‑
2pa、ar流量40
‑
200sccm、采用射频电源在射频功率密度5
‑
10w/cm2条件下，等离子体轰击处理基底5
‑
30min，去除表面污染物，产生断键、悬挂键，使后续沉积的粘附层金属能与基体表面产生化学键合，提高金属与基体的附着力。
12.步骤三：沉积粘附层
13.在本底真空度≤5*10
‑4pa、工作气压0.3
‑
0.5pa、ar流量40
‑
200sccm、功率密度0.01
‑
10kw/cm2、衬底温度在室温(rt)
‑
300℃的条件下，采用特殊的磁控溅射技术，在步骤二处理后的介质滤波器基底表面沉积50
‑
200nm的cr、ta、mo、ti、cu、a1、ni高活性金属或50
‑
200nm的wn、tin、tan过渡金属氮化物薄膜，作为粘附层6。
14.步骤四：沉积信号传输导体层
15.在本底真空度≤5*10
‑4pa、工作气压0.3
‑
1.5pa、ar流量40
‑
200sccm、功率密度0.01
‑
10kw/cm2、衬底温度在室温(rt)
‑
300℃的条件下，采用步骤三的磁控溅射技术，在步骤三处理后的介质滤波器基底表面沉积厚度为2
‑
4μm的cu、al等金属薄膜，作为信号传输导体层7。
16.步骤五：沉积抗氧化保护和焊接层
17.在本底真空度≤5*10
‑4pa、工作气压0.3
‑
1.5pa、ar流量40
‑
200sccm、功率密度0.01
‑
5kw/cm2、衬底温度在室温(rt)
‑
300℃的条件下，采用步骤三的磁控溅射方法，继续磁控溅射沉积厚度为500
‑
1000nm的ag、β
‑
sn、ag
‑
cu、pb
‑
sn、sn
‑
ag合金等薄膜作为抗氧化保护和焊接层8。
18.进一步的，所述步骤三中的特殊磁控溅射技术为：在靶材上安装永磁体、电磁线圈或用电磁线圈和永磁体混合的装置，产生非平衡磁场分布1，其中外环磁场强度高于芯部磁场强度，磁力线没有完全形成闭合回路，部分外环的磁力线延伸到基体表面；在靶材上施加高功率脉冲溅射电源2；在样品台上施加0～
‑
300v衬底负偏压3和0
‑
0.7t的辅助磁场4；磁控溅射过程中采用的溅射电源2包括高功率脉冲电源、调制脉冲功率电源、深度震荡电源等的一种或多种。采用该非平衡的溅射方法使得部分二次电子能够沿着磁力线逃逸出靶材表面区域，到达基体表面，增加镀膜区域的离子浓度，使得沉积速率提高，同时基体离子束流密度的提高对沉积膜层表面起到一定的轰击作用，不仅可以起到清洗工件的氧化层和其他杂质，活化工件表面的作用，同时在镀膜过程中，载能的带电粒子轰击作用可达到膜层的改性目的，从而生成更致密，结合力更强，更均匀的膜层。采用高功率电源在较短的时间内能够产生将气体放电状态由正常辉光放电区间引入介于异常辉光放电与弧光放电之间微弧放电状态，通过瞬间高功率放电在阴极靶面产生的热效应实现镀料粒子的产出机制由级联碰撞向热振蒸发转变，使镀料粒子的离化率提高，达到在真空腔内不同空间位置处制备厚度均一化镀层的效果。由于气体微弧放电的非稳态特征，因此高频脉冲电场的主要起将此非
稳态过程稳定维持的作用，且通过调节脉冲幅值、宽度和频率等因素达到控制弧斑强度和尺寸的目的，在保证镀料粒子高离化率的同时也防止产生影响镀层质量的大液滴。通过施加负偏压有助于吸引离化的金属原子到达基片表面并对衬底进行轰击，不仅对衬底表面杂质产生一个清洁作用；同时，衬底表面结合不牢固的原子会被打掉，这样子会留下一些结合紧密、缺陷少的薄膜原子，提高成膜质量。通过施加辅助磁场延长并改变了到达基体的电子与离子的运动轨迹。综合采用上述改进优化的磁控溅射方法能够大幅度提高靶材金属原子和氩气的离化率及绕射性，并产生二次溅射沉积效果，增强孔内沉积粘附层的覆盖率和均匀性。
19.进一步的，步骤一所述的介质滤波器5包括陶瓷滤波器、塑料滤波器。
20.与现有技术相比，本发明的创新点为：提出了一种介质滤波器多层复合金属化的方法，在衬底表面首先沉积纳米级厚度的粘附层，随后沉积廉价的cu、al作为信号传输导体层，最后沉积ag、sn
‑
ag等作为抗氧化保护及焊接层，其中cu、al信号传输导体层是多层复合金属薄膜的主体部分。所有膜层均采用改进优化的磁控溅射技术完成，包括：在靶材上采用非平衡磁场分布设置、靶材上施加高功率溅射电源、在样品台上施加负偏压和辅助磁场等。
21.本发明的有益效果为：
22.本发明由于采用纳米级厚度的粘附层能够极大提高衬底与金属薄膜的附着力；微米级厚度的cu、al作为信号传输导体层，极大的降低了介质滤波器的制造成本；最后沉积的纳米级厚度ag、sn
‑
ag等合金层不仅能够为cu层提供抗氧化保护，同时保障了复合金属层的可焊性。所有膜层均采用磁控溅射完成，能够克服电镀、喷银等传统制备技术环境污染、成本高、金属膜层与基底结合力差等缺点。采用在非平衡磁场分布下的高功率脉冲磁控溅射可以大幅度提高ar气以及金属原子的离化率，使基底浸没在等离子体中；进而通过在样品台施加磁场或偏压等方式，提高离子的绕射性、产生二次溅射等效果，使孔内的薄膜生长重新分布，能够解决普通平衡磁控溅射技术孔内镀膜的覆盖率低和均匀性差等问题，进一步降低了生产成本、节约了溅射时间。
附图说明
23.图1为本发明采用的磁控溅射技术结构示意图。其中，m

代表金属正离子。
24.图2为多层复合金属薄膜的截面示意图。
25.图中：1非平衡磁场；2溅射电源；3衬底负偏压；4辅助磁场；5介质滤波器；6粘附层；7信号传输导体层；8抗氧化保护层及焊接层。
具体实施方式
26.以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。
27.对比例1
28.采用丙酮、酒精、去离子水清洗陶瓷基体。采用传统的平衡磁控溅射，在本底真空度5*10
‑4pa，工作气压0.6pa，ar流量40sccm，射频功率密度7w/cm2条件下，沉积厚度4μm的cu信号传输导体层。继续不脱离真空，采用传统的平衡磁控溅射，在工作气压0.5pa，射频功率密度7w/cm2，温度为室温条件下，沉积厚度450nm的ag焊接层。采用传统的平衡磁控溅射工艺靶材离化率约7％，连续制备的多层金属孔侧壁和底部薄膜覆盖率(孔侧壁和底部薄膜厚
度与平面薄膜厚度的比值)分别为9％和16％，导电率为3.2*107s/m，拉拔力为12n/mm2(表1)。
29.实施例1
30.采用丙酮、酒精、去离子水清洗基体。在本底真空度5*10
‑4pa，工作气压0.3pa，ar流量40sccm，射频功率密度5w/cm2条件下，等离子体轰击处理基体30min，去除污染物，产生断键、悬挂键，提高粘附层金属与基体的附着力。随后不脱离真空，采用闭合场非平衡磁控溅射，在工作气压0.3pa，ar流量40sccm，功率密度10w/cm2，衬底温度300℃条件下，沉积50nm的cr粘附层。继续不脱离真空，采用闭合场非平衡磁控溅射，在工作气压0.3pa，ar流量40sccm，功率密度10w/cm2，衬底温度300℃条件下，沉积厚度4μm的cu信号传输导体层。继续不脱离真空，采用闭合场非平衡磁控溅射，在工作气压0.3pa，功率密度10w/cm2，衬底温度300℃条件下，沉积厚度500nm的ag焊接层。采用闭合场非平衡磁控连续溅射工艺靶材离化率约16％，制备多层金属复合薄膜的孔侧壁和底部薄膜覆盖率分别为20％和36％，导电率为3.5*107s/m，拉拔力为43n/mm2(表1)。与对比例1中采用普通磁控溅射制备薄膜相比，其孔内覆盖率提高了约2倍；拉拔力提高了约3倍。
31.实施例2
32.采用丙酮、酒精、去离子水清洗陶瓷基体。在本底真空度5*10
‑4pa，工作气压0.7pa，ar流量100sccm，射频功率密度7w/cm2条件下，采用等离子体对基体轰击处理10min，去除污染物，产生断键、悬挂键，提高金属与基体的附着力。随后不脱离真空，采用闭合场非平衡高功率脉冲磁控溅射，工作气压0.5pa，ar流量100sccm，功率密度1kw/cm2，衬底温度100℃条件下，沉积100nm的ti粘附层。继续不脱离真空，采用闭合场非平衡高功率脉冲磁控溅射，在工作气压0.5pa，ar流量100sccm，功率密度3kw/cm2，衬底温度100℃条件下，沉积厚度3μm的cu信号传输导体层。继续不脱离真空，采用闭合场非平衡高功率脉冲磁控溅射，在工作气压0.5pa，功率密度1kw/cm2，衬底温度100℃条件下，沉积厚度800nm的ag焊接层。采用闭合场非平衡高功率脉冲磁控溅射靶材离化率约70％，连续溅射工艺制备的ti
‑
cu
‑
ag复合薄膜孔侧壁和底部薄膜覆盖率分别为28％和40％，导电率为5.6*107s/m，拉拔力为86n/mm2(表1)。
33.实施例3
34.采用丙酮、酒精、去离子水清洗陶瓷基体。在本底真空度5*10
‑4pa，工作气压1.0pa，ar流量150sccm，射频功率密度9w/cm2条件下，采用等离子体对基体轰击处理15min，去除污染物，产生断键、悬挂键，提高金属与基体的附着力。随后不脱离真空，采用闭合场非平衡高功率脉冲磁控溅射，工作气压1.0pa，ar流量150sccm，功率密度5kw/cm2，衬底温度200℃，衬底偏压
‑
100v条件下，沉积200nm的ti粘附层。采用闭合场非平衡高功率脉冲磁控溅射，在工作气压1.0pa，ar流量150sccm，功率密度5kw/cm2，衬底温度200℃，衬底偏压
‑
100v条件下，沉积厚度2μm的cu信号传输导体层。继续不脱离真空，采用闭合场非平衡高功率脉冲磁控溅射，在工作气压1.0pa，功率密度5kw/cm2，衬底温度200℃，衬底偏压
‑
100v条件下，沉积厚度1μm的sn
‑
ag焊接层。采用该工艺靶材离化率约73％，制备的复合薄膜孔侧壁和底部薄膜覆盖率分别为32％和46.8％，导电率为6.2*107s/m，拉拔力为90n/mm2(表1)。
35.实施例4
36.采用丙酮、酒精、去离子水清洗基体，在本底真空度5*10
‑4pa，工作气压2.0pa，ar流量200sccm，射频功率密度10w/cm2条件下，采用等离子体对基体轰击处理5min，去除污染
物，产生断键、悬挂键，提高金属与基体的附着力。随后不脱离真空，在样品台上施加磁感应强度0.7t，采用闭合场非平衡高功率脉冲磁控溅射，工作气压2.0pa，ar流量200sccm，功率密度10kw/cm2，衬底温度rt，衬底偏压
‑
300v条件下，沉积200nm的tin粘附层。继续不脱离真空，采用闭合场非平衡高功率脉冲磁控溅射，在工作气压2.0pa，ar流量200sccm，功率密度10kw/cm2，衬底偏压
‑
300v，室温条件下，沉积厚度3μm的al信号传输导体层。继续不脱离真空，采用闭合场非平衡高功率脉冲磁控溅射，在工作气压2.0pa，ar流量200sccm，功率密度10kw/cm2，衬底偏压
‑
300v，室温条件下，沉积厚度500nm的ag
‑
cu合金薄膜作为保护层和焊接层。该工艺靶材离化率约86％，获得复合薄膜的孔侧壁和底部薄膜覆盖率分别为37％和51％，电导率和拉拔力分别为5.8*107s/m和82n/mm2(表1)。
37.表1多层复合薄膜的性能
[0038][0039]
通过表1的分析可知：当采用传统的平衡磁控溅射制备多层金属薄膜时(对比例1)，由于靶材原子的离化率较低(＜10％)，到达基体的多数是中性原子，其绕射性很差，因此采用该方法沉积得到的孔侧壁和底部覆盖率较低，仅为9％和16％，同时其电导率和拉拔力也较低。采用闭合场非平衡磁控(实施例1)能够增加镀膜区域的离子浓度，其靶材离化率能达到16％，这样溅射源同时又是轰击基体表面的离子源，可以起到清洗工件的氧化层和其他杂质的作用；在镀膜过程中，载能的带电粒子轰击作用可达到膜层的改性目的，从而生成膜层的致密高，结合力更强，均匀性好。同时，也会产生二次溅射沉积效果，使孔内的薄膜生长重新分布。因此，相比于对比例1，实施例1获得薄膜的孔侧壁和底部覆盖率各提高了2倍，拉拔力提高了3倍。实施例2在实施例1的基础上增加了高功率脉冲电源，采用高功率电源在较短的时间内能够产生将气体放电状态由正常辉光放电区间引入介于异常辉光放电与弧光放电之间微弧放电状态，使镀料粒子的离化率提高到70％，达到在真空腔内不同空间位置处制备厚度均一化镀层的效果。因此，相比于实施例1，实施例2采用高功率脉冲电源进一步提高了薄膜的台阶覆盖率、导电性和拉拔力。实施例3在实施例2的基础上在样品台上施加了负偏压，有助于吸引离化的金属原子到达基片表面并对衬底进行轰击，此时，衬底表面结合不牢固的原子会被打掉，这样子会留下一些结合紧密，缺陷少的薄膜原子，提高成膜质量。此外，也会产生二次溅射沉积效果，使孔内的薄膜生长重新分布，从而提高台阶覆盖率。实施例4在实施例3的基础上在样品台上施加了辅助磁场，延长并改变了到达基体的电子与离子的运动轨迹，其靶材离化率提高到86％，进一步提高了薄膜台阶覆盖率。
[0040]
图1为本发明采用的磁控溅射技术结构示意图，如图1所示在靶上采用非平衡磁场
设置，施加高功率脉冲电源/深度震荡电源/调制脉冲功率电源，样品台上施加负偏压和辅助磁场。如图2所示，采用图1磁控溅射技术有助于提高ar和金属离化率及绕射性，并产生二次溅射沉积效果，使孔内的薄膜生长重新分布，提升高深宽比的孔内镀膜的覆盖率和均匀性，孔内薄膜厚度与平面膜厚的比值可≥30％。
[0041]
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。