DE10045072A1

DE10045072A1 - Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Struktur auf einer nichtplanen Oberfläche und Verwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10045072A1
Application number: DE10045072A
Authority: DE
Inventors: Florian Wiest; Ignaz Eisele
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2002-04-04
Also published as: JP2004509455A; US6998222B2; US20040096781A1; AU2001285710A1; WO2002023961A1; CN1283133C; CN1456032A; EP1317875A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Struktur auf einer nichtplanen Oberfläche (1) mit folgenden Schritten: DOLLAR A a) elektrochemisches Abscheiden einer Photolackschicht (2) auf der Oberfläche (1) DOLLAR A b) Belichten von Teilen der Photolackschicht (2) DOLLAR A c) Entfernen eines Teils der Photolackschicht (2) durch Entwickeln DOLLAR A d) Abscheiden eines elektrisch leitfähigen Materials (3) auf von der Photolackschicht (2) freien Teilen der Oberfläche (1). DOLLAR A Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von miniaturisierten Spulen. Durch das elektrochemische Abscheiden des Photolacks auf der nichtplanen Oberfläche kann eine sehr homogene Schichtdicke erreicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Struktur auf einer nichtplanen Ober fläche, wobei in einem ersten Schritt eine Photolackschicht auf der Oberfläche aufgebracht wird, wobei in einem zweiten Schritt die Photolackschicht belichtet und durch Entwickeln strukturiert wird und wobei in einem dritten Schritt ein elektrisch leitfähiges Material auf den von Photolack freien Teilen der Oberfläche aufgebracht wird. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des Verfahrens.

Aus der Druckschrift DE 198 17 852 A1 ist ein Verfahren der Eingangs erwähnten Art bekannt, das zur Herstellung von Spu len aus Spulenkörpern mit zueinander verkippten Oberflächen verwendet wird. Dabei wird die Photolackschicht durch Auf sprühen auf dem Spulenkörper aufgebracht. Nach dem Struktu rieren der Photolackschicht wird galvanisch Kupfer auf dem Spulenkörper abgeschieden, wodurch die Windungen der Spule gebildet werden. Die Strukturierung der Photolackschicht er folgt dabei durch Lithographie mit geneigten Flächen.

Das bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß durch Aufsprühen eines Photolacks die Herstellung einer gleichmäßigen Schicht dicke über den ganzen Spulenkörper nicht möglich ist. Insbe sondere an den Stoßkanten zwischen den ebenen Oberflächen des Spulenkörpers variiert die Schichtdicke sehr stark, wodurch bei der Belichtung des Photolacks Probleme auftreten, da ver schiedene Lackdicken auch eine unterschiedliche Belichtungs dauer erfordern. Eine variierende Belichtungsdauer ist aber nur mit sehr großem Aufwand realisierbar.

Desweiteren hat das bekannte Verfahren den Nachteil, daß eine durch Sprühen aufgebrachte Photolackschicht insbesondere an den Stoßkanten zwischen den ebenen Flächen des Spulenkörpers nach dem Aushärten dazu neigt aufzureißen, wodurch beim nach folgenden galvanischen Abscheiden der Leiterbahnen Kurz schlüsse entstehen können.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Struktur auf ei ner nichtplanen Oberfläche bereitzustellen, das die Verarbei tung einer Photolackschicht gestattet, deren Homogenität ver bessert ist.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß erreicht durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er findungen und die Verwendung des Verfahrens sind den weiteren Ansprüche zu entnehmen.

Die Erfindung gibt ein Verfahren zur Herstellung einer elek trisch leitfähigen Struktur auf einer nichtplanen Oberfläche an, mit folgenden Schritten:

a) Elektrochemisches Abscheiden einer Photolackschicht auf der Oberfläche
b) Belichten von Teilen der Photolackschicht
c) Entfernen eines Teils der Photolackschicht durch Entwic keln
d) Abscheiden eines elektrisch leitfähigen Materials auf von der Photolackschicht freien Teilen der Oberfläche.

Unter Photolack ist dabei ein in der Halbleitertechnologie übliches Material zu verstehen, das mittels Licht, Synchrotronstrahlung oder Elektronenstrahlung belichtet werden kann und das auch unter der Bezeichnung "Resist" bekannt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß durch das elektrochemische Abscheiden von einem geeigneten Photolack auf der nichtplanen Oberfläche die Herstellung einer Photo lackschicht einer Schichtdicke mit einer guten Homogenität ermöglicht wird.

Darüber hinaus hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vor teil, daß eine durch elektrochemisches Abscheiden abgeschie dene Photolackschicht an Stoßkanten zwischen ebenen Flächen nur eine geringe Neigung zur Bildung von Rissen aufweist.

Für die elektrochemische Abscheidung der Photolackschicht ist es erforderlich, daß die Oberfläche elektrisch leitend oder mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist. Eine solche Schicht kann vorteilhaft chemisch mit hoher Gleichmä ßigkeit bezüglich der Schichtdicke abgeschieden werden.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Photolack besonders vorteilhaft mit einer Schichtdicke abgeschieden werden, die um weniger als 25% über die Oberfläche variiert.

Darüber hinaus ist ein erfindungsgemäßes Verfahren besonders vorteilhaft, wobei die Photolackschicht mit einer Schichtdic ke zwischen 10 und 50 µm abgeschieden wird. Somit kann die Photolackschicht ausreichend dick hergestellt werden, wie es für die Herstellung von elektrisch leitfähigen Strukturen, die die Windungen einer miniaturisierten Spule darstellen sollen, erforderlich ist. Bei einer geringeren Schichtdicke des Photolacks könnten auch entsprechend nur dünnere elektrisch leitfähige Strukturen mit einem für Spulen zu hohen ohmschen Widerstand abgeschieden werden.

Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann be sonders vorteilhaft ein Strahlenbündel mit einer Divergenz < 10 mrad beim Belichten der Photolackschicht verwendet wer den. Solche Strahlenbündel mit geringer Divergenz sind bei spielsweise in Form von Synchrotronstrahlung oder auch in Form von Laserstrahlung verfügbar. Sie bieten den Vorteil, daß eine Korrektur des variierenden Abstandes der nichtplanen Oberfläche von einer üblicherweise verwendeten ebenen Photo lithographiemaske nicht erforderlich ist. Eine größere Strahldivergenz führt nämlich je nach Abstand der Photolack schicht von der Photolithographiemaske zu einer unterschied lichen Vergrößerung der abzubildenden Struktur.

Desweiteren ist ein Verfahren besonders vorteilhaft, bei dem die Belichtung der Photolackschicht durch Abbildung einer Photolithographiemaske mit einer transparenten Maskenfläche mittels eines divergierenden Strahlenbündels erfolgt, und wo bei die Maskenfläche gegenüber der entsprechenden zu belich tenden Fläche auf der Photolackschicht in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Photolack und Photolithographiemaske so ver kleinert ist, daß der aus der Divergenz des Strahlenbündels resultierenden vergrößerten Abbildung der Maskenfläche entge gengewirkt wird.

Die Belichtung des Photolacks durch Abbildung einer Photoli thographiemaske mittels eines divergierenden Strahlenbündels erlaubt die Verwendung der aus der Halbleitertechnologie be kannten und leicht verfügbaren Belichtungsmaschinen. Dies hat zu einem den Vorteil, daß diese Belichtungsmaschinen eine große Fläche von bis zu 20 cm × 20 cm belichten können, was die gleichzeitige Belichtung mehrerer kleiner nichtplaner Oberflächen ermöglicht. Zum anderen haben die Belichtungsma schinen den Vorteil, daß sie, verglichen mit Synchrotron strahlung oder Laserstrahlung, relativ preiswert sind.

Dieses Verfahren hat ferner den Vorteil, daß die aus der Ver wendung eines divergierenden Strahlenbündels resultierende vergrößerte Abbildung der Maskenfläche wenigstens teilweise korrigiert werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann darüber hinaus besonders vorteilhaft zur Herstellung von leitfähigen Strukturen ver wendet werden, wobei ein Strahlenbündel mit einem Divergen zwinkel δ verwendet wird, wobei zur Belichtung einer Fläche auf der Photolackschicht, die am Ort des Abstands d eine Soll-Breite b₁ aufweisen soll, eine Maskenfläche verwendet wird, deren Breite b₂ am Ort des Abstands d um weniger als 10 % von der durch folgende Formel:

b₃ = b₁ - 2 × d × tan δ

berechneten Breite b₃ abweicht.

Desweiteren läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren vorteil haft zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Struktur auf einer zu seiner Mantelfläche gehörenden Oberfläche eines Körpers anwenden, wobei ein Körper mit einer Längsachse, ei ner Mantelfläche und einer Stirnfläche verwendet wird und wo bei der Körper während des Belichtens so orientiert wird, daß wenigstens die Hälfte der Mantelfläche belichtet werden kann.

Ein solches Verfahren hat den Vorteil, daß als Körper bei spielsweise ein Spulenkörper verwendet werden kann. Durch die Orientierung des Körpers während des Belichtens wird es er möglicht, die gesamte Mantelfläche des Körpers durch zwei Belichtungsschritte von entgegengesetzten Seiten her zu erfas sen.

Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn der Körper während des Belichtens so orientiert wird, daß die zur Mantelfläche gehö renden zu belichtenden ebenen Flächen mit der Strahlrichtung des verwendeten Strahlenbündels einen Winkel von wenigstens 40° einschließen.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß dadurch ein extrem fla cher Einstrahlwinkel des Strahlenbündels auf den Photolack vermieden wird, was andernfalls eine stark variierende effek tiv zu belichtende Lackdicke zur Folge hätte.

Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn bei dem Verfahren ein Körper in Form eines Quaders verwendet wird, dessen Stoßkan ten zwischen zur Mantelfläche gehörenden Seitenflächen abge rundet sind.

Die Verwendung eines Körpers mit einer ebene Seitenflächen enthaltenden Mantelfläche hat den Vorteil, daß zumindest auf den ebenen Seitenflächen eine lineare Korrektur des variie renden Abstandes zwischen Photolackschicht und Photolithogra phiemaske ausreicht. Eine solche lineare Korrektur des Mas kendesigns ist leicht durchführbar, da beispielsweise ein auf der Photolackschicht zu belichtendes Rechteck in der Photoli thographiemaske eine Maskenfläche in Form eines Trapezes er fordert.

Die abgerundeten Stoßkanten haben überdies den Vorteil, daß dadurch Risse in der Photolackschicht, wie sie bevorzugt an scharfen Kanten auftreten, weitgehend vermieden werden kön nen.

Desweiteren kann das Verfahren vorteilhaft so durchgeführt werden, daß der Körper so von zwei Seiten her belichtet wird, daß als elektrisch leitfähige Struktur eine Leiterbahn ent steht, die wenigstens einmal um die Längsachse des Körpers läuft. Dadurch lassen sich in einfacher Weise Spulen mit Hil fe des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellen.

Es ist darüber hinaus von Vorteil, wenn bei dem Verfahren ein Körper verwendet wird, der an seiner Stirnfläche mittels ei nes Befestigungsstegs an einem flächigen Substrat aufgehängt ist. Das Aufhängen des Körpers an einem Substrat ermöglicht die Verwendung von miniaturisierten Körpern zur Herstellung von entsprechend kleinen Spulen, wobei die Aufhängung am Sub strat die Handhabung eines so kleinen Körpers erleichtert.

Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung eines flächigen Sub strats, über dessen Ober- und Unterseite der Körper nicht hinausragt, die Verwendung aller Standardprozesse der Photo lithographie bzw. der Halbleitertechnologie für die Belich tung und alle anderen benötigten Verfahrensschritte.

Es ist darüber hinaus von Vorteil, wenn ein Substrat verwen det wird, das mehrere gleiche daran aufgehängte Körper umfaßt und wenn die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte gleichzei tig mit mehreren Körpern durchgeführt werden. Eine solche Vorgehensweise ermöglicht die Realisierung eines "Batch- Prozesses", bei dem mehrere Spulen gleichzeitig gefertigt werden können.

Als Substrat kann dabei vorteilhaft Polyimid verwendet wer den, das mittels eines Lasers strukturiert ist. Dabei be trifft die Strukturierung mittels des Lasers insbesondere die Formung der Körper aus einem plattenförmigen Grundsubstrat. Polyimid hat den Vorteil, daß es aufgrund seiner Permeabili tät gut als Spulenkörper geeignet ist und daß es zudem leicht verfügbar und preiswert in der Beschaffung ist.

Darüber hinaus kann vorteilhaft als Substrat ein spritzgegos sener Kunststoff mit hoher Temperaturbeständigkeit, z. B. Flüssigkristalline Polymere oder auch Polyetheretherketon, verwendet werden, die jeweils beide durch ein leicht durchzu führendes und preiswertes Spritzgußverfahren in Form eines Substrats mit daran befestigten Körpern hergestellt werden können.

Bei all den genannten Substratmaterialien handelt es sich um Kunststoffe, die den Vorteil haben, daß sie eine hohe Ge brauchstemperatur aufweisen, wie sie für Lötprozesse, die bei Temperaturen < 300°C stattfinden, benötigt wird.

Darüber hinaus gibt die Erfindung die Verwendung des be schriebenen Verfahrens zur Herstellung von miniaturisierten Spulen an.

Im folgendem wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt beispielhaft die Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens auf der nichtplanen Oberfläche eines Körpers im schematischen Querschnitt.

Fig. 2 zeigt eine Maskenfläche 5, die gegenüber einer zu be lichtenden Fläche 7 verkleinert ist.

Die Fig. 3A und 3B zeigen einen bei der beispielhaften Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Körper mit Befestigungsstegen in Draufsicht und in Seitenan sicht.

Fig. 4 zeigt mehrere Körper gemäß Fig. 3A, die in einem Rahmen angeordnet sind in Draufsicht.

Fig. 5 zeigt mehrere in einem Substrat angeordnete Rahmen gemäß Fig. 4 in Draufsicht.

Fig. 6A bis Fig. 6F zeigt den planen Teil einer nicht ebe nen Oberfläche eines Körper gemäß Fig. 1 während der Her stellung einer elektrisch leitfähigen Struktur nach dem er findungsgemäßen Verfahren jeweils nach Beendigung einzelner Verfahrensschritte im schematischen Längsschnitt.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen elektrische Meßdaten von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Spulen.

Fig. 1 zeigt einen Körper 8 mit einer nichtplanen Oberfläche 1, auf der eine Photolackschicht 2 elektrochemisch abgeschie den ist. Eine Photolithographiemaske 4 mit transparenten Mas kenflächen wird mittels eines Strahlenbündels 6, das einen Divergenzwinkel δ aufweist, auf der Photolackschicht 2 abge bildet. Der Divergenzwinkel δ gilt dabei nicht nur in der ge zeichneten, sondern auch in der dazu senkrechten Ebene. Auf grund des variierenden Abstands d zwischen der Photolack schicht 2 und der Photolithographiemaske 4 ist es erforder lich, die Maskenflächen auf der Photolithographiemaske 4 ge genüber den zu belichtenden Flächen auf der Photolackschicht 2 zu verkleinern.

Diese Vorgehensweise ist in Fig. 2 als Draufsicht von Fig. 1 gezeigt. Eine auf der Oberseite des Körpers 8 zu belichten de Fläche 7 in Form eines Rechtecks erfordert eine entspre chende Verkleinerung der Maskenfläche 5, deren Breite nach außen hin, also mit zunehmendem Abstand d kleiner wird. Da durch kann die durch die Divergenz des verwendeten Strahlen bündels 6 resultierende vergrößerte Abbildung der Maskenflä che 5 kompensiert werden, so daß schließlich die gewünschte zu belichtende Fläche 7 erzielt wird.

Im folgenden wird beispielhaft die Herstellung von Spulen un ter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Fig. 3 zeigt die als Spulenkörper verwendeten Körper 8, die die Form von Quadern haben und eine Längsachse 9 aufweisen. Die Mantelfläche 10 der Quader enthält vier Rechtecke, die im Winkel von 90° aneinander stoßen. Die Stoßkanten sind mit einem Krümmungsradius von 70 µm abgerundet. An den beiden Stirnflächen 11 der Körper 8 sind diese mittels Befestigungs stegen 13 an dem in Fig. 4 gezeigten Rahmen 14 befestigt. Die verwendeten Körper 8 weisen dabei eine Länge von 1 mm und eine Breite von 650 µm, gemessen in Diagonalrichtung auf.

Die Rahmen 14 sind wiederum zu dem in Fig. 5 gezeigten Sub strat 12 zusammengefaßt, wobei die Rahmen 14 zur Erhöhung der mechanischen Stabilität des Substrats 12 in einer Wabenstruk tur angeordnet sind.

Als Substratmaterial wird ein mit allen Prozeßschritten ver trägliches Polyimid ausgewählt, beispielsweise Cyrlex CL 3000 HN von der Firma DU PONT. Da die im folgenden beschriebene Startmetallisierung die einzige Schnittstelle zwischen Sub strat und Herstellungsprozeß ist, kann der Prozeß auch auf allen ähnlichen Materialien angewandt werden, auf denen sich die Startmetallisierung mit ausreichender Haftung abscheiden läßt.

Die Substrate werden mittels Laserablation aus 730 µm dicken Folien gefertigt und haben eine Größe von 3" × 3" × 730 µm. Fig. 5 ist dazu lediglich eine schematische Darstellung, insbesondere soweit die Anzahl der Rahmen 14 betroffen ist. Das in diesem Beispiel verwendete Substrat 12 beinhaltet 176 Elementarzellen der Größe 5 mm × 5 mm. Vier dieser Elemen tarzellen werden als Justiermarken 17 verwendet, wie sie für den doppelseitigen Photolithographieprozeß benötigt werden.

Die Fig. 6A bis 6F zeigen die Oberfläche eines Körpers 8 im schematischen Längsschnitt jeweils nach der Durchführung von einzelnen Prozeßschritten, die zur Herstellung einer Spu le mit dem Körper 8 als Spulenkörper durchgeführt werden. Fig. 6A zeigt eine Startmetallisierung auf der Oberfläche des Körpers 8. Fig. 6B zeigt eine bereits strukturierte Photo lackschicht 2 auf der Startmetallisierung 15. Fig. 6C zeigt die mit einem leitfähigen Material 3 gefüllten Strukturen der Photolackschicht 2. Das leitfähige Material 3 kann dabei gal vanisch abgeschiedenes Kupfer sein. Fig. 6D zeigt den Körper 8 nach Entfernen der Photolackschicht 2. Fig. 6E zeigt den Körper 8 nach Rückätzen der Startmetallisierung 15. Fig. 6F zeigt den Körper 8 nach Aufbringen einer Schutzpassivierung 16.

Im folgenden wird die Herstellung der Startmetallisierung ge mäß Fig. 6A beschrieben.

Es ist ein Standardprozeß zur chemischen Metallisierung von Kunststoffen bekannt, wobei eine etwa 50 nm dicke Metallschicht chemisch mittels Palladiumbekeimung und anschließen dem Kupferlink abgeschieden wird. Für die elektrochemische Lackabscheidung muß die 50 nm dicke Metallschicht auf eine Dicke von 200 bis 300 nm verstärkt werden, da sich sonst der Lack nicht genügend homogen abscheidet.

Im folgenden wird eine weitere Möglichkeit der Herstellung einer Startmetallisierung beschrieben.

Auf das Substrat wird eine 200 nm dicke Titanschicht mittels DC-Sputtern abgeschieden. Diese Schicht dient als Haftver mittler. Darauf wird die eigentliche sog. Seed Layer für den Photolack und die Galvanik, eine 200 nm dicke Kupferschicht, mittels thermischen Verdampfens abgeschieden. Dieses Metall system hat sich als ebenso geeignet erwiesen wie die chemisch abgeschiedene Kupferschicht.

Die Schichtdicke der Startmetallisierung sollte mehr als 200 nm betragen, damit man zum einen bei den elektrochemischen Prozessen mit höheren Stromdichten arbeiten kann und damit sich zum anderen der Photolack mit ausreichender Homogenität abscheidet. Außerdem erreicht man mit dickeren Schichten auch eine verbesserte Bedeckung der Seitenkanten.

Im folgenden wird die Abscheidung der Photolackschicht gemäß Fig. 6B beschrieben.

In dem beispielhaften Verfahren wird der elektrochemisch ab scheidbare Photolack des Typs EAGLE 2100 ED der Fa. Shipley verwendet. Es ist jedoch möglich auch einen anderen geeigne ten Photolack, der elektrochemisch abscheidbar ist zu verwen den.

Mit herkömmlichen Belackungstechniken wie Aufschleudern, Tau chen oder Sprühen werden nur unzureichende Ergebnisse bezüg lich der Homogenität erreicht.

Der Photolack wird bei einer Temperatur von bis zu 35°C elektrochemisch abgeschieden. Als Anodenmaterial wird Edel stahl verwendet, wobei das Flächenverhältnis von Kathode zu Anode in etwa 1 beträgt. Um eine möglichst homogene Beschich tung zu erreichen, wird mit zwei symmetrischen Anoden im Ab stand von 10 cm zu Substratvorder- bzw. Rückseite gearbeitet und der Elektrolyt kontinuierlich gerührt. Der Abscheidestrom beträgt 300 mA, wobei dieser über einen weiten Bereich vari iert werden kann und letztendlich durch die Stromtragfähig keit der Startmetallisierung begrenzt wird. Der Abscheidevor gang selbst benötigt nur etwa 30 sec.

Da der Photolack isolierend ist, wächst die Spannung zwischen Kathode und Anode mit zunehmender Lackdicke während des Ab scheideprozesses exponentiell an. Um eine elektrolytische Zersetzung des Photolacks zu verhindern, wird die Spannung auf 180 V begrenzt und der Elektrolyt nach Erreichen eines Stromminimums von etwa 1-5 mA von der Stromquelle getrennt. Aus diesem Grund können im Gegensatz zur galvanischen Metall abscheidung nicht beliebige Schichtdicken erreicht werden. In diesem isolierenden Verhalten liegt aber auch die Stärke des Lacks bzw. des Abscheideverfahrens, da es auf natürliche Wei se zu einer homogenen Schichtdicke führt. Der Lack lagert sich immer bevorzugt an den Stellen mit geringster Photolack dicke an, da dort der Feldliniengradient am größten ist.

Die Lackdicke kann über die Temperatur aber auch über die Verdünnung des Photolacks mit deionisiertem Wasser beeinflußt werden, wobei hier Lackdicken von 4 µm bis 25 µm erreicht wurden. Bei einer Temperatur von 22°C und einer Verdünnung von Photolack - deionisiertes Wasser = 2 ÷ 1 beträgt die Lackdicke 18 ± 2 µm, was für dieses Verfahren geeignet ist.

Für planare Substrate ist ein Softbake von 10-20 min bei 105°C im Umluftofen geeignet. Durch den Softbake wird zum einen Wasser aus dem Lack ausgetrieben und zum anderen die Haftung zum Substrat verbessert. Durch den Wasserverlust kon trahiert allerdings der Lack, was an scharfen Kanten dazu führt, daß sich der Lack in Gebiete mit minimaler Flächen krümmung zurückzieht, um die eigene Oberflächenspannung zu minimieren. Dies erweist sich besonders bei der Bedeckung der Spulenseitenkanten als problematisch.

Um eine Bedeckung der Spulenkanten mit Photolack zu errei chen, darf zwischen der Lackabscheidung und der Galvanik kein Temperaturschritt erfolgen. Dazu wird der bei 105°C statt findende Standard - Softbake durch ein Aushärten bei Raumtem peratur im Vakuum bei 10^-5 mbar für 100 min ersetzt.

Da die Optik der verwendeten Belichtungsmaschine keine ebene Wellenfront am Ort der Maske liefert, divergiert ein Licht strahl, der durch einen Spalt auf der Maske fällt. Die Diver genz führt dazu, daß ein rechteckiger Maskenspalt der Breite b im Abstand d auf einen Spalt der Breite b' = b + 2 × d × tan δ gebildet wird. Bei herkömmlichen Be lichtungsmaschinen für die Planartechnologie beträgt die Lichtstrahldivergenz δ etwa 1° bis 3°. Die Lichtstrahldiver genz läßt sich dadurch kompensieren, daß ein Rechteck der Breite b in der Photolithographiemaske durch ein Trapez mit den Seitenlängen b und b - γ (γ = 2 × d × tan δ) ersetzt wird. Der Wert κ = (b - γ)/b ist der Kompensationsfaktor. Dabei ließ sich mit der zur Verfügung stehenden Belichtungsma schine MA 4 von der Fa. Karl SUSS die Lichtstrahldivergenz mit einem κ von 75% gut kompensieren.

Die Entwicklung des Photolacks erfolgt in dem vom Hersteller angebotenen Entwicklerbad bei einer Temperatur von 40 ± 2°C. Da die freistehenden Lackstrukturen sehr empfindlich gegen mechanische Belastung sind, müssen Substratbewegungen sowohl im Entwicklerbad als auch beim anschließenden Entwicklungs stop im deionisiertem Wasser sehr sanft und vorsichtig er folgen.

Um eine Kontraktion des Photolacks und damit ein Aufreißen der Photolackstege an der Seitenkante zu vermeiden, werden die Substrate nach dem Entwicklungsstop nicht getrocknet son dern sofort aufgalvanisiert. Ein zusätzlicher Reinigungs schritt vor der galvanischen Kupferabscheidung ist nicht not wendig.

Im folgenden wird die Abscheidung des leitfähigen Materials 3 gemäß Fig. 6C beschrieben.

Für die Galvanoabformung wird der für industrielle Anwendun gen konzipierte Standardbadansatz Kupfer 837 der Fa. Degussa Galvanotechnik verwendet. Um eine möglichst homogene Abschei dung zu erreichen, wird mit zwei symmetrischen Anoden (effek tive Fläche: 5 cm × 10 cm) im Abstand von 10 cm zum Substrat gearbeitet. Zusätzlich wird kontinuierlich Stickstoff einge blasen, um einen ausreichenden Ionentransport und Ionenkon zentrationsausgleich zu gewährleisten.

Das Kupfer wird bei einer Elektrolyttemperatur von 22°C und einer Stromdichte von 20 mA/cm² abgeschieden. Die Abscheiderate beträgt über den Wafer gemittelt etwa 0,4 µm/min. ist aber im Bereich der kleinen Windungsstrukturen um den Faktor 3 niedriger. Da die Strukturgrößen auf einem Spulenkörper na hezu gleich sind, erreicht man auf den Spulenkörpern eine re lativ homogene Abscheiderate von 0,1-0,2 µm/min.

Im folgenden wird das Entfernen der Photolackschicht 2 zur Herstellung der in Fig. 6D gezeigten Prozeßstufe beschrie ben.

Die Photolackstrukturen lassen sich weitgehend mit dem Remo ver MP 1165 der Fa. Micro Resist Technology entfernen. Das Ablösen läßt sich beschleunigen, wenn man den Remover auf 50 °C erhitzt. Es gibt noch eine Reihe weiterer organischer Re mover, die hier eingesetzt werden können. Die organischen Re mover bieten sich deshalb an, da sie das Kupfer der Leiter bahnen nicht angreifen.

Ein gründliches Entfernen der Photolackstrukturen ist deshalb besonders wichtig, da etwaige Photolackrückstände, die resi stent gegenüber der Elektropolitur und der Flußsäure sind, ein Rückätzen der Startmetallisierung verhindern. Aus diesem Grund werden die Wafer nach dem Removerbad einem kurzem Sau erstoffplasma ausgesetzt und anschließend für 15 min in Aze ton gekocht.

Im folgenden wird das Rückätzen der Startmetallisierung 15 zur Herstellung der in Fig. 6E dargestellten Verfahrensstufe beschrieben.

Der Seed Layer der Startmetallisierung, die 200 nm dicke Kup ferschicht, wird in einem Elektropoliturschritt entfernt. Das hat den Vorteil, das hierbei gleichzeitig die Oberfläche der Kupferwindungen poliert wird. Eingesetzt wurde ein industri elles Elektropoliturbad der Fa. Degussa Galvanotechnik, Typ 6100.

Das Substrat wird dazu 30 sec lang bei einem Strom von 9,0 A poliert.

Die 200 nm dicke Titanschicht läßt sich in einer 1%-igen Flußsäurelösung ätzen. Diese greift weder die Kupferwindungen noch das Polyimid an, weshalb dieser Prozeß unkritisch ist. Die Reaktion setzt nach etwa 1 min unter starker Gasentwick lung ein, wenn das natürliche Titanoxid (1 nm) geätzt wurde. Nach etwa 3 min ist die Titanschicht vollständig entfernt.

Die chemisch abgeschiedene Startmetallisierung läßt sich nach einem Elektropoliturschritt in einer Lösung aus Schwefelsäure (10% Vol.) und Wasserstoffperoxid (1% Vol.) in etwa 10 sec restlos entfernen.

Im folgenden wird das Aufbringen der in Fig. 6F gezeigten Schutzpassivierung 16 beschrieben.

Um auch die Abscheidung der Schutzpassivierung 16 mit in den Batchprozeß zu integrieren, sollen die Spulen entweder mit einem photosensitiven Polyimid oder mit dem in der Mikrosy stemtechnik bekannten Negativlack SU8 geschützt werden. Somit kann die Schutzpassivierung ganzflächig auf dem Substrat ab geschieden und anschließend über einen weiteren Photolitho graphieschritt an den Kontaktstellen bzw. Stirnseiten geöff net werden.

Mit dem oben beschriebenen Verfahren wurden vier verschiedene Spulen hergestellt. Die Spule 06 und die Spule 07 weisen eine Windungszahl N = 6,8 und eine Induktivität L von 11,4 nH auf. Die Spule 08 weist eine Windungszahl N = 7,6 und eine Induk tivität L = 14,5 nH auf. Die Spule 08 weist eine Windungszahl N = 9,2 und eine Induktivität L = 21,2 nH auf. Die Induktivi täten gelten jeweils bei 100 MHz.

Fig. 7 zeigt den elektrischen Widerstand der vier Spulen. Der Gleichstromwiderstand ist bei allen Spulen in etwa 0,5 Ω. Ab einer Frequenz von einem GHz beginnt der Widerstand drastisch zu steigen.

Dabei zeigt Meßkurve 72 den Widerstand für Spule 11, Meßkurve 73 den Widerstand für Spule 08, Meßkurve 74 den Widerstand für Spule 07 und schließlich Meßkurve 75 den Widerstand für Spule 06.

Fig. 8 zeigt die gemessene Induktivität der Spulen mit den Induktivitätswerten bei der typischen Meßfrequenz von 100 MHz. Dabei zeigt Meßkurve 82 die Induktivität für Spule 11, Meßkurve 83 die Induktivität für Spule 08, Meßkurve 84 die Induktivität für Spule 07 und Meßkurve 85 die Induktivität für Spule 06.

Eine weitere wichtige Kenngröße einer Induktivität ist ihre Güte, welche sich aus dem Quotienten von Imaginärteil zu Realteil der komplexen Impedanz berechnet.

Fig. 9 zeigt die Güten der mit dem oben beschriebenen Ver fahren hergestellten Spulen. Dabei zeigt Kurve 91 die Güte für Spule 11, Kurve 93 die Güte für die Spulen 07 und 06, die auf der gewählten Skala nicht voneinander unterscheidbar sind sowie Kurve 92 die Güte der Spule 08.

Für die Erfindung ist es wesentlich, daß für die Abscheidung der Photolackschicht und vorteilhafterweise auch für die Startmetallisierung elektrochemische bzw. chemische Prozesse verwendet werden. Dadurch werden auf dreidimensionalen Ober flächen, insbesondere auf Oberflächen mit Kanten, gegenüber gerichteten Verfahren, wie Sputtern oder Aufdampfen Vorteile bezüglich der Schichthomogenität erzielt.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele sondern wird in ihrer allgemeinsten Form durch Patentanspruch 1 definiert.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Struktur auf einer nichtplanen Oberfläche (1) mit folgen den Schritten:

a) Elektrochemisches Abscheiden einer Photolackschicht (2) auf der Oberfläche (1)
b) Belichten von Teilen der Photolackschicht (2)
c) Entfernen eines Teils der Photolackschicht (2) durch Entwickeln
d) Abscheiden eines elektrisch leitfähigen Materials (3) auf von der Photolackschicht (2) freien Teilen der Ober fläche (1).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Photolackschicht (2) mit einer Schichtdicke ab geschieden wird, die um weniger als 25% über die Oberflä che (1) variiert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Photolackschicht (2) mit einer Schichtdicke zwischen 10 und 50 µm abgeschieden wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, wobei beim Belichten der Photolackschicht (2) ein Strah lenbündel (6) mit einer Divergenz < 10 mrad verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Belichtung der Photolackschicht (2) durch Ab bildung einer Photolithographiemaske (4) mit einer trans parenten Maskenfläche (5) mittels eines divergierenden Strahlenbündels (6) erfolgt, und wobei die Maskenfläche (5) gegenüber der entsprechenden zu belichtenden Fläche (7) auf der Photolackschicht (2) in Abhängigkeit vom Ab stand zwischen Photolackschicht (2) und Photolithogra phiemaske (4) so verkleinert ist, daß der aus der Diver genz des Strahlenbündels (6) resultierenden vergrößerten Abbildung der Maskenfläche (5) entgegengewirkt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Strahlenbündel (6) mit einem Divergenzwinkel δ verwendet wird, und wobei zur Belichtung einer Fläche (7) auf dem Photolack (2), die am Ort des Abstands d eine Soll-Breite b₁ aufweisen soll, eine Maskenfläche (5) ver wendet wird, deren Breite b₂ am Ort des Abstands d um we niger als 10% von der durch folgende Formel:
b₃ = b₁ - 2 × d × tan δ
berechneten Breite b₃ abweicht.

7. Verfahren nach Anspruch 2 bis 6, wobei die elektrisch leitfähige Struktur auf der nicht planen Oberfläche (1) eines Körpers (8) mit einer Längs achse (9), einer Mantelfläche (10) und einer Stirnfläche (11) hergestellt wird, und wobei der Körper (8) während des Belichtens so orientiert wird, daß wenigstens die Hälfte der Mantelfläche (10) belichtet werden kann.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Körper (8) während des Belichtens so orientiert wird, daß die zur Mantelfläche (10) gehörenden zu belich tenden ebenen Flächen (7) mit der Strahlrichtung des ver wendeten Strahlenbündels (6) einen Winkel von wenigstens 40 Grad einschließen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Körper (8) in Form eines Quaders verwendet wird, dessen Stoßkanten zwischen den zur Mantelfläche (10) gehörenden Seitenflächen abgerundet sind.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, wobei der Körper (8) so von zwei Seiten her belichtet wird, daß als elektrisch leitfähige Struktur eine Leiter bahn entsteht, die wenigstens einmal um die Längsachse (9) des Körpers (8) läuft.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Körper (8) verwendet wird, der an seiner Stirn fläche (11) mittels eines Befestigungsstegs (13) an einem flächigen Substrat (12) aufgehängt ist.

12. Verfahren nach Anspruch 3 bis 9, wobei ein Substrat (12) verwendet wird, das mehrere glei che daran aufgehängte Körper (8) umfaßt und wobei die Verfahrensschritte gleichzeitig mit mehreren Körpern (8) durchgeführt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei als Substrat (12) Polyimid verwendet wird, das mit tels eines Lasers strukturiert ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei als Substrat (12) ein spritzgegossener Kunststoff mit hoher Temperaturbeständigkeit verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 bis 14, wobei auf dem Substrat (12) vor dem Abscheiden der Photo lackschicht (2) eine Startmetallisierung (15) abgeschie den wird.

16. Verwendung eines Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, zur Herstellung von miniaturisierten Spulen.