DE102007055018B4 - Verfahren zum Verbinden einer Edelmetalloberfläche mit einem Polymer - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Verbinden einer Edelmetalloberfläche eines Halbleitermaterials oder eines Schaltungsträgers mit einem Polymer mit den Schritten:Abscheiden einer Schicht (3) aus 20% bis 40% Gold und 80% bis 60% Silber auf einen Träger,selektives Entfernen des Silbers zur Erzielung einer nanoporösen schwammartigen Goldschicht (4),Auftragen eines flüssigen Polymers, wobei das flüssige Polymer in die nanoporöse schwammartige Goldschicht (4) eindringt und eine dreidimensionale Grenzfläche mit mechanischer Verzahnung zwischen der nanoporösen schwammartigen Goldschicht (4) und dem flüssigen Polymer gebildet wird,Aushärten des flüssigen Polymers zur Erzeugung einer Polymerschicht (5).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Edelmetalloberfläche mit einem Polymer sowie ein damit hergestellter Schichtverbund bestehend aus einer porösen Edelmetallschicht und einer zumindest teilweise darin eingedrungenen Polymerschicht, insbesondere für Anwendungen auf mikroelektronischen und mikromechanischen Halbleiterwafern und in mikrooptischen Applikationen sowie für Schaltungsträger mit organischen Schichten.
  • In der Halbleitertechnologie ergibt sich eine Vielzahl von Fällen, bei denen ein Polymer auf eine Edelmetallschicht, beispielsweise eine Goldschicht, aufgebracht werden soll. Ein Beispiel sind Umverdrahtungslagen zur Änderung der Anschlussanordnung auf einem Elektronikhalbleiter bestehend aus mindestens einer organischen Dielektrikumsschicht und mindestens einer metallischen Verdrahtungslage. Ein weiteres Beispiel sind hochfrequenzgeeignete Schaltungsträger, die aus einem Schichtverbund aus z.B. Gold und einem organischen Dielektrikum, wie beispielsweise Polyimid, PBO, BCB oder einem Epoxid aufgebaut sind. In einem anderen Fall verwendet man beispielsweise Lötstopplacke, die auf goldbeschichtete Leiterbahnen aufgebracht werden, um die Benetzung der Leiterbahn durch ein aufgeschmolzenes Lot zu begrenzen.
  • In einem weiteren Fall werden Metall-Polymer-Schichten zur Herstellung von Stapeln aus Halbleiterbauelementen und deren elektrischen Kontaktierung verwendet. Die Haftung von Polymerschichten auf Edelmetallen, wie Gold, ist aber kritisch. Bei mechanischer oder thermomechanischer Beanspruchung des Schichtverbunds kommt es wegen der geringen Haftung zur Trennung zwischen dem Polymer und der Edelmetallschicht.
  • US 2007/0048514 A1 bezieht sich auf elektronische Vorrichtungen und beschreibt eine Mehrschichtanordnung, bei der eine poröse Polymerschicht auf einer leitenden Schicht unter Freilassung von Bereichen der leitenden Schicht gebildet wird. Darauf wird eine poröse leitende Schicht abgeschieden, auf die eine kontinuierliche Polymerschicht aufgebracht wird. Die Polymerschicht kann ein ferroelektrisches Polymer einschließen, und die leitende Schicht umfasst z.B. Gold. Auch die poröse leitende Schicht kann Gold enthalten.
  • Im Stand der Technik wurde weiterhin versucht, durch Aufrauen der Oberfläche diese zu vergrößern und damit die Haftung zu verbessern ( US 2007/0003737 A1 ) oder es wurden Haftvermittler, z.B. Titan, eingesetzt, um die spezifische Haftung zu verbessern. Die Ergebnisse sind jedoch entweder nicht zufrieden stellend oder sehr aufwendig.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Oberflächenstruktur zu schaffen, mit denen die Haftfestigkeit von Polymerschichten auf Goldoberflächen für Halbleitermaterialien und Schaltungsträger in mikroelektronischen mikromechanischen oder mikrooptischen Anwendungen verbessert wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
  • Dadurch, dass die mit Polymer zu versehende Fläche durch eine schwammartige nanoporöse Goldschicht gebildet wird, die durch Abscheiden einer Schicht aus 20% bis 40% Gold und 80% bis 60% Silber auf einen Träger und anschließendes selektives Entfernen des Silbers zur Herstellung der nanoporösen schwammartigen Goldschicht erzielt wird, dass auf diese Schwammstruktur das flüssige Polymer aufgetragen wird und ausgehärtet wird, wird eine sehr hohe Haftfestigkeit der Polymerschicht auf der Goldschicht erzielt, da das applizierte Flüssigpolymer in die schwammartigen Strukturen eindringt und eine dreidimensionale Grenzfläche mit mechanischer Verzahnung zwischen den Materialien bildet.
  • Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die im Zwischenschritt verwendete Ag/Au-Schicht in einem bekannten Abscheideverfahren in einfacher Weise hergestellt werden, wobei die elektrochemische Abscheidung, eine Abscheidung mittels Elektronenstrahlverdampfung oder Sputtern gewählt werden können. Auch das Silber kann in üblichen Verfahren entfernt werden, beispielsweise durch elektrolytische Umkehrung des galvanischen Abscheideprozesses oder durch freies Ätzen.
  • Die nanoporöse schwammartige Goldschicht mit hohem zusammenhängenden Porenanteil und hoher frei zugänglicher Oberfläche ist auf beliebigen Substraten herstellbar. Durch Variieren der Zusammensetzung des Goldes und des Silbers ist die Dichte der nanoporösen Goldschicht variierbar.
  • In vorteilhafter Weise kann zur Verbesserung der Benetzung die schwammartige Goldschicht in ihrer Oberfläche beispielsweise durch reaktives lonenätzen oder Hydrophilierung vorbehandelt werden.
  • Entsprechend den Verwendungszwecken kann die nanoporöse schwammartige Goldschicht strukturiert werden.
  • Durch Vorsehen eines Tempervorgangs nach der Herstellung der nanoporösen schwammartigen Goldschicht kann die Größe ihrer Poren eingestellt werden.
  • Vorteilhafterweise kann der Abscheideprozess der Ag/Au-Schicht durch vorheriges Aufbringen einer Plattierbasis oder einer Haftvermittlerschicht verbessert werden.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass vor, während oder nach dem Auftragen des Polymers Vakuum aufgebracht wird, um die Luft aus den Poren herauszubringen und ein tiefes Eindringen des Polymers in die schwammartige Struktur zu erreichen.
  • Je nach Konfiguration kann die Polymerschicht strukturiert werden. So kann es zweckmäßig sein, wenn das Polymer nur dort stehen bleibt, wo eine poröse Oberfläche vorhanden ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise in der Mikrosystemtechnologie für die Herstellung von dielektrischen Schichten oder als Lötstopplack auf goldbeschichteten Leiterbahnen oder dergleichen verwendet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Heranziehung der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
  • Die einzige Figur zeigt schematisch den Schichtaufbau bei unterschiedlichen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der nanoporösen schwammartigen Goldschicht und anschließendem Aufbringen des Polymers.
  • Die Herstellung einer nanoporösen Goldschicht wird anhand der 1 beschrieben. Es wird als Erstes entsprechend 1a auf dem Substrat 1 eine Plattierbasis in Form einer Schicht zur Haftungsverstärkung beispielsweise aus Titan, Titan/Wolfram oder Chrom aufgebracht und darauf eine Startschicht 2 aus Gold, Nickel, Kupfer oder Platin, wobei dies durch Sputtern geschehen kann.
  • Als weiterer wesentlicher Schritt entsprechend 1b wird eine galvanische Abscheidung einer Gold/Silber-Legierung vorgenommen, wobei die legierungsbildenden metallischen Elemente zunächst in einem Elektrolyten vorhanden sind, und durch Anlegen einer Spannung findet die elektrochemische Abscheidung aus dem Elektrolyten statt. Dabei liegt die Zusammensetzung der Gold/Silber-Deposition in einem Bereich von 20% bis 40% Gold und 80% bis 60% Silber. Als Zwischenschritt entsprechend 1b befindet sich somit eine Gold/Silberschicht 3 auf der Startschicht 2.
  • Zwischen der 1b und der Darstellung nach 1c, in der eine in die Startschicht 2 aus Gold übergehende nanoporige Goldschicht 4 dargestellt ist, findet das Auslösen des Silbers aus der Schicht 3, statt, wobei dieses selektive Auslösen oder Ablegieren auf unterschiedlichem Wege durchgeführt werden kann. Eine Möglichkeit, insbesondere wenn die elektrochemische Abscheidung verwendet wird, ist die elektrolytische Umkehrung des Prinzips der galvanischen Abscheidung in einem geeigneten Elektrolyten, bei der eine Spannung an die Elektroden angelegt wird, durch die das Silber herausgelöst, das Gold aber nicht beeinflusst wird. Eine andere Möglichkeit ist das selektive Ablegieren durch außenstromloses Ätzen des Silbers, z.B. in salpetersäurehaltigen Lösungen.
  • Bei dem Vorgang des Auslösens des Silbers findet in der Ag/Au-Schicht 3 eine Oberflächenreaktion statt, bei der Silber als Ion aus der obersten Metalllage in Lösung geht. Die verbleibenden Au-Atome lagern sich auf der Oberfläche zu Inseln an und schützen dort die Oberfläche selektiv vor weiterer Auflösung. Anschließend wird Silber aus der nächsten Metalllage herausgelöst, die nicht von einer Goldinsel bedeckt ist. Durch erneute Anlagerung der beweglichen Au-Atome aus der Lage wächst langsam eine 3D-Schwammschicht mit nanoskaligen Poren. Die schwammartige nanoporöse Schicht ist in 1c mit 4 bezeichnet.
  • Die Abscheidung der Ag/Au-Schicht 3 wurde weiter oben als elektrochemischer Vorgang beschrieben, sie kann jedoch auch durch Aufdampfen, z.B. Elektronenstrahlverdampfung oder Sputtern hergestellt werden. In ähnlicher Weise wie nach 1a wird vorher eine Haftvermittlerschicht mit in der Dünnschichttechnik allgemein verwendeten Materialien aufgebracht. Bei dem Sputtern bzw. der Kathodenzerstäubung können das Silber und das Gold im Wechsel oder parallel gesputtert werden, wobei durch Tempern die Multischichten ineinander diffundieren.
  • In der Beschreibung der 1 wurden nur die Hauptschritte zur Herstellung der nanoporösen Goldschicht 4 erläutert. Selbstverständlich können weitere Verfahrensschritte zwischengeschaltet werden. So wird zwischen den Darstellungen der 1a und 1b ein fotoempfindlicher Lack aufgebracht und entsprechend den Vorgaben der Schichtkonfiguration lithografisch strukturiert. Die so hergestellte Lackmaske kann je nach Verfahrensvorgang vor und nach dem selektiven Ablegieren des Silbers wieder entfernt werden. Falls die Plattierbasis weggeätzt werden soll, wird eine zweite Lackmaske zum Schutz der nanoporösen Schicht 4 strukturiert und anschließend die Plattierbasis geätzt. Nach Entfernen dieser zweiten Lackmaske können gegebenenfalls weitere Strukturierungen der nanoporösen schwammartigen Goldschicht 4 vorgenommen werden.
  • Zwischen dem Schichtaufbau nach 1c und nach der 1d, die eine Polymerschicht 5 auf und in der schwammartigen nanoporigen Goldschicht 4 zeigt, wird zur besseren Benetzung die Oberfläche der schwammartigen Goldschicht 4, z.B. durch reaktives lonenätzen oder durch Hydrophilierung, vorbehandelt und es wird ein flüssiges Polymer aufgetragen, das z.B. ein Benzocyclobuten-Prepolymer oder ein Polyimid ist. Damit das Flüssigpolymer besser in die schwammartige Struktur eindringt, wird die Anordnung unter Vakuum gesetzt, wodurch das Eindringen des Flüssigpolymers in die Poren unterstützt wird.
  • Wenn eine photoempfindliche Polymerschicht 5 strukturiert werden soll, wird sie mit einer Maske belichtet und entwickelt. Schließlich wird die Polymerschicht polymerisiert, vernetzt und ausgehärtet.

Claims (25)

  1. Verfahren zum Verbinden einer Edelmetalloberfläche eines Halbleitermaterials oder eines Schaltungsträgers mit einem Polymer mit den Schritten: Abscheiden einer Schicht (3) aus 20% bis 40% Gold und 80% bis 60% Silber auf einen Träger, selektives Entfernen des Silbers zur Erzielung einer nanoporösen schwammartigen Goldschicht (4), Auftragen eines flüssigen Polymers, wobei das flüssige Polymer in die nanoporöse schwammartige Goldschicht (4) eindringt und eine dreidimensionale Grenzfläche mit mechanischer Verzahnung zwischen der nanoporösen schwammartigen Goldschicht (4) und dem flüssigen Polymer gebildet wird, Aushärten des flüssigen Polymers zur Erzeugung einer Polymerschicht (5).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) aus Gold und Silber auf einer bereits vorhandenen metallischen Startschicht (2) aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bereits vorhandene metallische Startschicht (2) als aus Gold gebildete Schicht ausgebildet ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) aus Gold und Silber auf Wafern mit mikroelektronischen Schaltungen oder mikromechanischen Elementen abgeschieden wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten  (2, 3) auf Halbleitermaterialien zur Herstellung einer Umverdrahtungsstruktur abgeschieden werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten zur Herstellung einer Stapelanordnung aus mehreren mikroelektronischen Schaltungen oder mikromechanischen oder mikrooptischen Elementen auf Halbleiterbasis dienen.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Polymer aus BCB, Polyimid, PBO oder einem Epoxid gebildet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der Schicht (3) aus Gold und Silber auf galvanischem oder elektrochemischem Wege durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der Schicht (3) aus Gold und Silber durch Aufdampfen oder Sputtern durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abscheiden der Schicht (3) aus Gold und Silber auf den Träger eine Plattierbasis mit Haftverstärkung aufgebracht wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haftvermittlerschicht aufgebracht wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattierbasis oder Haftvermittlerschicht lithografisch strukturiert wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das selektive Entfernen des Silbers durch elektrolytische Umkehrung einer galvanischen Abscheidung durchgeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das selektive Entfernen des Silbers durch Ätzen des Silbers durchgeführt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Strukturieren der abgeschiedenen Schicht (3) aus Gold und Silber eine Lackmaske verwendet wird, wobei vor oder nach dem Entfernen des Silbers die zum Strukturieren der abgeschiedenen Schicht (3) aus Gold und Silber verwendete Lackmaske entfernt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zum Strukturieren der abgeschiedenen Schicht (3) aus Gold und Silber eine Lackmaske verwendet wird, wobei nach Aufbringen der Schicht (3) aus Gold und Silber und Entfernen der Lackmaske zunächst eine Galvanikstartschicht entfernt wird, das Silber ablegiert wird und eine Haftschicht ohne Maskierung der nanoporösen schwammartigen Goldschicht (4) mittels einer zweiten Lackmaske in einer geeigneten wässrigen Lösung entfernt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoporöse schwammartige Goldschicht (4) zum Einstellen der Porengröße getempert wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoporöse schwammartige Goldschicht (4) strukturiert wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoporöse schwammartige Goldschicht (4) zur besseren Benetzung vorbehandelt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorbehandeln durch reaktives Ionenätzen oder Hydrophilieren erfolgt.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Polymer zum besseren Eindringen in die nanoporöse schwammartige Goldschicht (4) unter Vakuum gesetzt wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschicht (5) strukturiert wird.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Polymer nach dem Aufbringen und Eindringen in die nanoporöse schwammartige Goldschicht polymerisiert und vernetzt wird.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis  23, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Polymer als organisches Dielektrikum ausgebildet ist.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Polymer als Lötstoplack ausgebildet ist.
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