CH675323A5

CH675323A5 -

Info

Publication number: CH675323A5
Application number: CH506287A
Authority: CH
Inventors: Gianni Dr Berner; Gerold Dr Braendli; Urs Brunner
Original assignee: Contraves Ag
Priority date: 1987-12-24
Filing date: 1987-12-24
Publication date: 1990-09-14
Also published as: DE3837009A1

Description

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CH 675 323 A5

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Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Dünnschichtschaltungen. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer Dünnschichtschaltung, welches Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

- ein Substrat wird ganzflächig mit einer haftvermittelnden Schicht und einer elektrisch gut leitenden, in ihrer Leifähigkeit Metallen gleichen Schicht versehen;

- auf das beschichtete Substrat wird in vorgegebenen Bereichen eine Abdeckung aufgebracht;

- auf dem abgedeckten Substrat wird in den nicht abgedeckten Bereichen selektiv wenigstens eine Verstärkungsschicht galvanisch abgeschieden;

- die Abdeckung wird entfernt; und

- in den vormals abgedeckten Bereichen wird das Substrat freigeätzt.

Ein solches Verfahren ist z.B. aus dem Artikel von J.P. Cummings und LS. Weinman, int. J. Hybrid Microelectronics (GB), Vol. 4, Nr. 1, S. 18-23 (1981) bekannt.

STAND DER TECHNIK

Die konventionelle (gedruckte) Leiterplatte genügt den heutigen gesteigerten Anforderungen häufig nicht mehr. Insbesondere stösst man bei diesen Leiterplatten in folgenden Punkten an technische Grenzen:

- bei hohen Frequenzen;

- bei hohen Packungsdichten mit entsprechend feinen Leiterbahnen;

- bei Verwendung von Komponenten mit grosser Abwärme;

- bei der Realisierung eines grossen Betriebstemperaturbereichs; und

- bei Schaltungen mit hohen Strömen.

Um diese Grenzen zu überwinden, ist man bisher vermehrt dazu übergegangen, Leitermuster z.B. auf einer Keramik herzustellen.

Bekannte Beispiele für entsprechende Technologien sind;

(a) das sog. «direct bonding» von Kupferfolie auf Al203-Keramik (siehe z.B. EP-A 20 115 158),

(b) die Dickschichttechnik (Verwendung von Leitpasten auf Kupferbasis);

(c) die direkte Verkupferung der Keramik durch Anätzen in NaOH, Bekeimen mit Pd, chemische Kup-ferabscheidung und anschliessendes selektives galvanisches Verstärken (ein solches Verfahren ist z.B. als «Ceraclad»-Verfahren der Firma PCK (USA) bekannt); und

(d) die Dünnschichttechnik bei der zunächst nacheinander auf das Keramik-Substrat eine Haftschicht und eine Leitschicht aufgebracht werden und dann eine selektive galvanische Verstärkung stattfindet (siehe z.B. den eingangs genannten Artikel, insbesondere (Fig. 3)).

Speziell die unter (c) und (d) genannten Verfahren gestatten die Herstellung von doppelseitigen Schaltungen mit metallisierten Durchkontaktie-rungslöchern und sind daher bei zunehmender Komplexität der Schaltungen von besonderem Interesse.

Beim Verfahren (c) der Direkt-Verkupferung ist es jedoch schwierig, eine ausreichende Haftfestigkeit der Leiterbahnen auf dem Substrat zu erhalten. Darüber hinaus kann ein Überschuss an Pd-Keimen zu Nebenschlüssen führen. Wegen dieser Probleme und der damit verbundenen hohen Anforderungen an die Prozessführung ist dieses Verfahren für allgemeine Anwendungen nur wenig geeignet.

Einfacher zu beherrschen ist demgegenüber das Verfahren (d) der Dünnschichttechnik. Gleichwohl ist dieses Verfahren vor allem von der Ätztechnik her anspruchsvoll: Wie aus dem eingangs genannten Artikel bezüglich des (plate + etch)-Verfahrens (Fig. 3) hervorgeht, muss beim Freilegen des Substrats in den vorher durch Photoresist abgedeckten Bereichen die Cr-Haftschicht in Anwesenheit der galvanisch verstärkten Cu-Leiterbahnen geätzt werden. Da beide Metalle ein sehr unterschiedliches Ätzverhalten aufweisen, müssen bei diesem Ätzschritt besondere Vorkehrungen getroffen werden, die das Verfahren verkomplizieren.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die oben dargestellten Schwierigkeiten bei der Dünnschichttechnik zu beseitigen.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass

- als haftvermittelnde Schicht und elektrisch gut leitende Schicht eine einzige kombinierte Haft/Leitschicht verwendet wird; und

- die kombinierte Haft/Leitschicht in einem einzigen Schritt auf das Substrat aufgebracht wird.

Der Kern der Erfindung besteht also darin, die bisherige Schichtfolge aus einer schwer ätzbaren Haftschicht und einer Leitschicht durch eine einzige kombinierte, homogene Haft/Leitschicht zu ersetzen. Diese kombinierte Haft/Leitschicht kann dann in ihrer Zusammensetzung so gewählt werden, dass sie in gleicher Weise ätzbar ist wie die galvanisch aufgebrachte Verstärkungsschicht der Leiterbahnen.

Gemäss einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die kombinierte Haft/Leitschicht zum überwiegenden Teil aus einem elektrisch gut leitenden Metall, wie es üblicherweise in der Verbindungstechnik Venwendung findet, beispielsweise Ag, AI, Au, Cu, Fe, Ni, Zn, und zu einem geringen Teil aus einem oxidationsfreudigen Metall.

Insbesondere kann als das elektrisch gut leitende Metall Cu gewählt werden. Das oxidationsfreudi-ge Metall ist dann eines aus der Reihe Cr, Ta, Ti, W, Zr, Nb, Mo und Ce, speziell Cr, und liegt mit einem Anteil von 5-15 Atom-% in der Schicht vor.

Für Mikrowellenschaltungen enthält die kombinierte Haft/Leitschicht gemäss einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel zum überwiegen5

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den Teil Ni und einen Anteil von etwa 7 Gew.-% V. Hierdurch können Korrosionseffekte sicher vermieden werden.

Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1A-E verschiedene Schritte beim Herstellen einer doppelseitigen Dünnschichtschaltung nach dem Stand der Technik; und

Fig. 2A-D entsprechende Schritte bei der Herstellung einer solchen Schaltung nach der Erfindung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die folgenden Erläuterungen der Erfindung beziehen sich auf eine doppelseitige Dünnschichtschaltung mit metallisierten Durchkontaktierungslö-chern. Selbstverständlich kann die Erfindung auch bei jeder anderen Art von Dünnschichtschaltung angewandt werden.

In Fig. 1A-E sind verschiedene Schritte dargestellt, die bei der Herstellung einer galvanisch verstärkten doppelseitigen Dünnschichtschaltung nach dem bekannten Verfahren durchlaufen werden.

Ausgangspunkt ist hierbei ein dünnes, flächiges Substrat 1, welches ein oder mehrere Durchkontak-tierungslöcher 2 aufweist (Fig. 1A).

Nach der üblichen Oberflächen-Vorbehandlung (z.B. Reinigen) wird dieses Substrat 1 ganzflächig mit einer dünnen Haftschicht 3 (z.B. 20-50 nm Cr) versehen (Fig. 1B).

Die Innenwände der Durchkontaktierungslöcher 2 werden in diese Beschichtung mit einbezogen.

Über dieser Haftschicht 3 wird dann eine Leitschicht 4 ganzflächig aufgebracht (Fig. 1C), die z.B. aus 200 nm Cu besteht und den Stromtransport bei der späteren galvanischen Abscheidung einer Verstärkungsschicht übernimmt.

Haftschicht 3 und Leitschicht 4 können beispielsweise durch die bekannte Technik des Sputterns auf dem Substrat 1 abgeschieden werden.

Es folgt dann der Prozess der selektiven galvanischen Verstärkung, bei dem zunächst vorgegebene Bereiche auf dem Substrat 1 mittels einer Abdeckung 6 (z.B. aus Photoresist) abgedeckt werden, und dann mittels galvanischer Abscheidung selektiv in den nichtabgedeckten Bereichen wenigstens eine Verstärkungsschicht 5 erzeugt wird (Fig. 1D).

Die Verstärkungsschicht 5 kann beispielsweise eine 5-10 Mikrometer dicke Cu-Schicht sein. Denkbar sind aber auch Schichtenfolgen aus mehreren Verstärkungsschichten mit unterschiedlichen Metallen (z.B. Cu, Ni und Au).

Nachdem in den nichtabgedeckten Bereichen des Substrats 1 durch die Verstärkungsschicht 5 die gewünschte Leiterbahndicke erreicht worden ist, wird die Abdeckung 6 entfernt, und an den vorher abgedeckten Stellen das Substrat 1 freigelegt, indem Leitschicht 4 und Haftschicht 3 dort abgeätzt werden (Fig. 1E). Es entsteht so die fertige Dünnschichtschaltung, die beidseitig in den nicht abgedeckten Bereichen Leiterbahnen oder -flächen aufweist, die teilweise über die metallisierten Durchkontaktierungslöcher 2 miteinander in Verbindung stehen.

Wie bereits eingangs erwähnt, treten bei diesem bekannten Verfahren während der Freiätzung des Substrats (Schritt von Fig.1D zu Fig. 1E) Probleme auf, weil hier in Gegenwart der leicht ätzbaren (Cu)-Verstärkungsschicht 5 die vergleichsweise schwer ätzbare (Cr)-Haftschicht 3 abgetragen werden muss.

Andere oxidationsfreudige und damit haftvermittelnde Metalle werfen ähnliche Probleme auf.

2 Nach der Erfindung, wie sie beispielhaft in Fig.2A-D dargestellt ist, werden speziell diese Ätzprobleme dadurch umgangen, dass auf eine eigenständige Haftschicht vollkommen verzichtet wird, und statt dessen eine einzige kombinierte Haft/Leitschicht verwendet wird, die sowohl die Funktion der herkömmlichen Haftschicht 3 als auch der herkömmlichen Leitschicht 4 wahrnimmt.

Diese kombinierte Haft/Leitschicht besteht vorzugsweise zu einem überwiegenden Teil aus einem elektrisch gut leitenden Metall wie z.B Ni (Leitschichtfunktion) und zu einem geringen Teil aus einem oxidationsfreudigen Metall (Haftschichtfunk-tion).

Mit dieser Art der Zusammensetzung kann eine gute Ätzbarkeit der ganzen Schicht erzielt werden, ohne dass die Haftschichtfunktion beeinträchtigt wird.

Zugleich entfällt innerhalb des Herstellungsverfahrens ein Beschichtungsvorgang.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel geht (Fig. 2A) ebenfalls von einem Substrat 1 mit Durch-kontaktierungslöchern 2 aus.

Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht dieses Substrat aus einer Keramik, insbesondere aus AI2O3 (Dickschichtsubstrat: 96% AI2O3; Dünnschichtsubstrat: 99,6% AI2O3) oder AIN.

Gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel kann es sich bei dem Substrat 1 aber auch um ein Siliziumwafer handeln (z.B. im Zusammenhang mit VLSI-Schaltungen).

Das Substrat 1 wird, wiederum nach entsprechender Vorbehandlung, mit der kombinierten Haft/Leitschicht 7 ganzflächig beschichtet (Fig. 2B), wobei die Dicke dieser Schicht naturgemäss grösser ist, als die der Haftschicht 3 in Fig. 1B, weil sie zugleich auch die Leitschichtfunktion übernehmen muss.

Nach dem Aufbringen der kombinierten Haft/Leitschicht 7 schliessen sich (Fig. 2C, D) dieselben Schritte an, wie beim bekannten Verfahren (Fig. 1D, E): selektive galvanische Verstärkung mit der Verstärkungsschicht 5 und Freiätzen des Substrats 1 an den vorher abgedeckten Stellen.

Wenn die Verstärkungsschicht 5 beispielsweise aus Cu besteht, ist es vorteilhaft, die Zusammensetzung der kombinierten Haft/Leitschicht so zu

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wählen, dass sie sich bei diesem Freiätzen wie Cu verhält.

Die kombinierte Haft/Leitschicht 7 besteht dann vorzugsweise zum überwiegenden Teil aus Cu, und enthält einen Anteil von 5-15 Atom-% eines Metalls aus der Reihe Cr, Ta, Ti, W, Zr, Nb, Mo und Ce, insbesondere Cr.

Im speziellen Fall von Mikrowellenschaltungen, wo Cu wegen seiner leichten Korrodierbarkeit weniger gut einzusetzen ist, und Verstärkungsschichten aus Ni und Au verwendet werden, wird vorzugsweise eine kombinierte Haft/Leitschicht gewählt, die zum überwiegenden Teil aus Ni besteht, und einen Anteil von etwa 7 Gew.-% V enthält.

In allen Fällen kann die kombinierte Haft/Leitschicht 7 als Legierung oder aber als Gemisch der einzelnen Komponenten vorliegen.

Besonders günstig ist es, die kombinierte Haft/Leitschicht durch Sputtern, speziell aus einem einzigen Target, aufzubringen. Dieses einzige Target enthält dann die Komponenten der Schicht als Legierung oder Gemisch in entsprechender Zusammensetzung.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass solche kombinierten Targets (z.B. Au 5% Cr) aus der EP-A 20 237 206 bekannt sind, und dort zum Aufsputtern von haftvermittelnden AuCr-Schich-ten auf Quarz verwendet worden sind.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Dünnschichtschaltung, das die beim herkömmlichen Verfahren mit dem Ätzen verbundenen Schwierigkeiten vermeidet, einen Beschichtungsprozess einspart, und damit besonders einfach und zuverlässig durchzuführen ist.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen einer Dünnschichtschaltung, welches Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

(a) ein Substrat (1) wird ganzflächig mit einer haftvermittelnden Schicht und einer elektrisch gut leitenden, in ihrer Leitfähigkeit Metallen entsprechenden Schicht versehen;

(b) auf das beschichtete Substrat wird in vorgegebenen Bereichen eine Abdeckung (6) aufgebracht;

(c) auf dem abgedeckten Substrat wird in den nicht abgedeckten Bereichen selektiv wenigstens eine Verstärkungsschicht (5) galvanisch abgeschieden;

(d) die Abdeckung wird entfernt; und

(e) in den vormals abgedeckten Bereichen wird das Substrat (1) freigeätzt;

dadurch gekennzeichnet, dass

(f) als haftvermittelnde Schicht und elektrisch gut leitende Schicht eine einzige kombinierte Haft/Leitschicht (7) verwendet wird; und g) die kombinierte Haft/Leitschicht (7) in einem einzigen Schritt auf das Substrat (1) aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierte Haft/Leitschicht (7) zum überwiegenden Teil aus einem elektrisch gut leitenden Metall mit mindestens der Leitfähigkeit von

Fe und zu einem geringen Teil aus einem oxidations-freudigen Metall besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierte Haft/Leitschicht (7) zum überwiegenden Teil aus Cu besteht, und einen Anteil von 5-15 Atom-% eines Metalls aus der Reihe Cr, Ta, Ti, W, Zr, Nb, Mo und Ce, insbesondere Cr, enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierte Haft/Leitschicht (7) zum überwiegenden Teil aus Ni besteht, und einen Anteil von etwa 7 Gew.-% V enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierte Haft/Leitschicht (7) durch Sputtern auf das Substrat (1) aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Sputtern ein einziges Target verwendet wird, welches die verschiedenen Komponenten der kombinierten Haft/Leitschicht (7) in entsprechender Zusammensetzung enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat (1) eine Keramik, insbesondere aus AI2O3 oder AIN, verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat (1) ein Siliziumwafer verwendet wird.

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