DE102011088052A1

DE102011088052A1 - Verwendung einer Mischung umfassend ein Peroxodisulfat und eine Säure, Mischung umfassend ein Peroxodisulfat und eine Säure sowie Verfahren zum Herstellen eines Dünnschichtbauelementes

Info

Publication number: DE102011088052A1
Application number: DE102011088052A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bilger; Dr. Nurnus Joachim
Original assignee: Micropelt GmbH
Current assignee: MICROPATENT B.V., NL
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2013-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mischung umfassend mindestens ein Peroxodisulfat und mindestens eine Säure und eine Verwendung einer derartigen Mischung zum Ätzen mindestens eines Elementes der Eisen-Platin-Gruppe und/oder der Kupfergruppe des Periodensystems. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Herstellen eines Dünnschichtbauelementes.

Description

Die Erfindung betrifft eine neue Mischung sowie eine Verwendung der neuen Mischung zum Ätzen von Elementen der Eisen-Platin-Gruppe und/oder der Kupfergruppe des Periodensystems. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Dünnschichtbauelementes.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Platin oder Gold in heißem Königswasser zu ätzen. Die Verwendung von Königswasser ist jedoch problematisch, da die Gefahr besteht, dass nicht nur das zu ätzende Metall, sondern auch andere Materialien angegriffen werden. Beispielsweise ist die Verwendung von Königswasser in einem Dünnschichtprozess schwierig, da das Königswasser den Fotolack einer Fotomaske angreift. Zur Ätzung von Gold werden darüber hinaus Kaliumjodid-Jod-Lösungen verwendet.
Aus dem Stand der Technik ist des Weiteren bekannt, Peroxodisulfate zum Ätzen von Kupfer einzusetzen; vgl. US 3,236,708.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, eine neue, möglichst vielseitig verwendbare Zusammensetzung zum Ätzen von Elementen der Eisen-Platin-Gruppe und/oder der Kupfergruppe des Periodensystems anzugeben.
Dieses Problem wird durch die Verwendung gemäß Anspruch 1, durch das Verfahren gemäß Anspruch 10 sowie durch die Mischung gemäß Anspruch 14 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird eine Mischung umfassend mindestens ein Peroxodisulfat und mindestens eine Säure zum Ätzen mindestens eines Elementes der Eisen-Platin-Gruppe und/oder der Kupfergruppe des Periodensystems verwendet.
Als Eisen-Platin-Gruppe des Periodensystems werden die Elemente der achten, neunten und zehnten Gruppe des Periodensystems bezeichnet, wobei die Eisen-Platin-Gruppe die Eisen-, Kobalt- und Nickelgruppe (Platingruppe) umfasst. Als Kupfergruppe wird die elfte Gruppe des Periodensystems bezeichnet, wobei diese Gruppe insbesondere die Metalle Kupfer, Silber und Gold umfasst.
Bei der Säure der Mischung handelt es sich insbesondere um Salzsäure, wobei die Volumenkonzentration der Salzsäure in der Mischung z.B. im Bereich von 4 % bis 30 % liegt. Insbesondere wird die Volumenkonzentration der Salzsäure ggf. in Abhängigkeit von der Menge an zugegebenen Chloridsalzen (s.u.) gewählt. Anstelle oder zusätzlich zur Salzsäure kann die Mischung auch eine oder mehrere andere Säuren aufweisen, z. B. Schwefelsäure.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird die Mischung umfassend ein Peroxodisulfat und eine Säure zum Ätzen mindestens eines Elementes ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gold, Platin, Palladium, Rhenium, Iridium, Osmium und Ruthenium eingesetzt. Insbesondere wird die Mischung zum Ätzen eines Edelmetalls verwendet.
Bei dem Peroxodisulfat der Mischung handelt es sich beispielsweise um Ammoniumpersulfat (Ammoniumperoxodisulfat), Kaliumpersulfat (Kaliumperoxodisulfat) und/oder Natriumpersulfat (Natriumperoxodisulfat).
Die Ätzung wird beispielsweise bei einer Temperatur der Mischung zwischen 20°C und 45°C, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 35°C und 45°C oder zwischen 40°C und 45°C, durchgeführt.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Mischung zusätzlich ein Chlorid (Chloridsalz) auf, wobei es sich bei dem Chlorid beispielsweise um Ammoniumchlorid und/oder ein Alkalichlorid, insbesondere Natriumchlorid oder Kaliumchlorid, handelt. Je nach Menge des zugegebenen Chloridsalzes kann der Säureanteil der Mischung reduziert werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Dünnschichtbauelementes, mit den Schritten:

– Bereitstellen einer Mischung umfassend mindestens ein Peroxodisulfat und eine Säure; und
– Ätzen mindestens eines Elementes der Eisen-Platin-Gruppe und/oder der Kupfergruppe des Periodensystems mit der Mischung.

Das Ätzen erfolgt beispielsweise während der Herstellung eines elektrischen Dünnschichtkontaktes (z. B. in Form eines punkt- oder flächenförmigen Kontaktes oder einer Leiterbahn). Der Dünnschichtkontakt weist insbesondere eine Gold- und/oder eine Platinschicht auf, z. B. ist der Dünnschichtkontakt als Titan-Platin-Gold-Kontakt ausgeführt.
Denkbar ist auch, dass der Dünnschichtkontakt an ein thermoelektrisches Material angrenzt. Beispielsweise sind auf dem Dünnschichtkontakt thermoelektrische Strukturen angeordnet oder der Dünnschichtkontakt ist auf einem thermoelektrischen Material (in Form z.B. einer thermoelektrischen Schicht oder eines Substrats aus einem thermoelektrischen Material) ausgebildet. Bei dem thermoelektrischen Material handelt es sich beispielsweise um ein tellur- und/oder selenhaltiges Material. Entsprechend kann es sich bei dem herzustellenden Dünnschichtbauelement um ein thermoelektrisches Bauelement (z. B. um ein Peltier-Element oder einen Thermogenerator) handeln. Die Herstellung eines thermoelektrischen Dünnschichtbauelements, bei der das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann, ist z.B. in der europäischen Patentanmeldung EP 1 118 127 beschrieben, auf die insofern ausdrücklich Bezug genommen wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Mischung aus mindestens einem Peroxodisulfat und mindestens einer Säure, wobei die Massenkonzentration des Peroxodisulfats in der Mischung beispielsweise 20 bis 150 g/l, insbesondere 25 bis 100 g/l oder insbesondere 25 g/l, beträgt. Selbstverständlich können auch andere Konzentrationen gewählt werden (insbesondere in Abhängigkeit von der gewünschten Ätzgeschwindigkeit).
Die Verwendung der Mischung aus Peroxodisulfat und einer Säure wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein in der Herstellung befindliches Bauelement mit konventionell geätzten Kontaktstrukturen;
2 schematisch eine vergrößerte Ansicht Seitenansicht einer der Kontaktstrukturen aus 1;
3 zu 1 analoge Kontaktstrukturen geätzt mit einer erfindungsgemäßen Mischung aus Peroxodisulfat und einer Säure; und
4 schematisch eine vergrößerte Seitenansicht der Kontaktstrukturen aus 3.
1 zeigt eine Ansicht von oben auf ein thermoelektrisches Dünnschicht-Bauelement während seiner Herstellung. Auf einem Substrat 3 sind mehrere elektrische Dünnschichtkontakte in Form von Gold-Kontaktflächen 1 des thermoelektrischen Bauelementes angeordnet, die konventionell mit Hilfe einer Ätzung einer auf dem Substrat 3 abgeschiedenen Goldschicht unter Verwendung einer KJ-J₂-H₂O-Lösung (wässrige Kaliumjodid-Jod-Lösung) strukturiert wurden.
Wie insbesondere der stark vergrößerten Seitenansicht einer der Kontaktflächen 1 in 2 zu entnehmen ist, ergeben sich bei einer derartigen Ätzung näherungsweise senkrechte (oder sogar unterschnittene) Ätzflanken 11 (Seitenkanten der Kontaktflächen 1). Dies kann zu Problemen führen, da sich an den senkrechten Ätzkanten bei einem nach der Ätzung durchzuführenden Temperaturschritt (Tempern) Verbindungen des Golds der Kontaktflächen 1 mit anderen Materialien des Bauelementes bilden können.
Beispielsweise sind auf den Kontaktflächen 1 säulenartige thermoelektrische Strukturen 2 angeordnet, die jeweils ein thermoelektrisches Material (das z.B. Tellurid umfasst) aufweisen. Bei einem nach dem Herstellen der Kontaktflächen 1 erfolgenden Temperschritt mit dem in 1 gezeigten Bauelement kommt es vor, dass an den Ätzflanken 11 Gold der Kontaktflächen 1 mit dem thermoelektrischen Material der thermoelektrischen Strukturen 2 eine Verbindung eingeht. Diese Verbindung (die z. B. Gold-Tellurid aufweist) verteilt sich auf den Kontaktflächen 1 und auf dem Substrat 3 zwischen den Kontaktflächen 1 (punktförmige Strukturen 4).
3 zeigt analog zur 1 hergestellte Gold-Kontaktflächen 1 mit thermoelektrischen Strukturen 2, wobei die Strukturierung der Kontaktflächen 1 aus einer Goldschicht jedoch gemäß der Erfindung mit Hilfe einer Mischung aus einem Peroxodisulfat in Form von Ammoniumpersulfat und einer Säure in Form von Salzsäure erfolgte. In diesem Fall ergeben sich flach abfallende oder gerundete Ätzflanken 11 (4).
Dieser Verlauf der Ätzflanken erschwert oder verhindert, dass Material der Gold-Kontaktflächen 1 mit dem thermoelektrischen Material der thermoelektrischen Strukturen 2 eine Verbindung eingeht, so dass sich keine punktförmigen Verunreinigungen auf den Kontaktflächen 1 oder auf dem Substrat 3 ablagern. Selbstverständlich können die Kontaktflächen 1 neben Gold weitere Materialien aufweisen, die mit der erfindungsgemäßen Mischung geätzt werden. Beispielsweise weisen die Kontaktflächen 1 eine Diffusionsbarriere (insbesondere in Form einer Platinschicht) auf. Die Diffusionsbarriere deckt die mit der erfindungsgemäßen Ätzung erzeugten, flach abfallenden oder gerundeten Ätzflanken gut (insbesondere zumindest näherungsweise vollständig) ab. Eine derart gute Abdeckung der Ätzflanken ist mit dem in 1, 2 dargestellten senkrechten oder unterschnittenen Verlauf der Ätzflanken schwierig, da z.B. unterschnittene Ätzflanken etwa bei einem Sputtern der Kontaktflächen 1 kaum oder gar nicht bedeckt werden. Die Kontaktflächen 1 können neben Gold und Platin einen Haftvermittler (z.B. in Form einer Titanschicht) aufweisen, so dass die Kontaktflächen 1 durch Ätzen eines Ti-Pt-Au-Schichtsystems erzeugt werden.
Flach abfallende Ätzkanten ließen sich prinzipiell zwar auch mit einem Lift-Off-Prozess erzeugen. Allerdings ist ein Lift-Off-Prozess zur Herstellung von Goldstrukturen aufwendig und prozesskritisch; insbesondere, da eine Goldschicht per Sputtern oder Aufdampfen und somit bei hohen Temperaturen auf einer Lackschicht hergestellt werden muss.
Die erfindungsgemäße Mischung hat z.B. gegenüber einer KJ-J₂-H₂O-Lösung den Vorteil, dass sie transparenter ist, so dass auch „auf Sicht“ (und nicht unbedingt nach Zeit) geätzt werden kann.
Das Ätzen z.B. einer Goldschicht mit Hilfe der erfindungsgemäßen Mischung wird beispielsweise mit folgendem Rezept durchgeführt:
Ätzmischung: 20 g Ammoniumpersulfat, 400 ml Salzsäure (32%), 400 ml Wasser;
Temperatur der Mischung: 25°C bis 35°C (je nach gewünschter Ätzrate).
Eine identische Mischung kann zum Ätzen von Platin verwendet werden, wobei jedoch eine höhere Ätztemperatur (Temperatur der Mischung) gewählt werden kann, z.B. zwischen 35° und 45° C.
Das obige Rezept liefert bei einer Ätzung von Gold z.B. eine Ätzrate von etwa 7,5 min/µm Schichtdicke.
Eine höhere Ätzrate könnte mit dem folgenden Rezept erzielt werden, wobei dieses Rezept sowohl zum Ätzen von Gold als auch zum Ätzen von Platin eingesetzt werden kann:
Ätzmischung: 20 g Ammoniumpersulfat, 15 g Ammoniumchlorid (NH₄Cl), 40 ml Salzsäure (37%), 130 ml Wasser;
Temperatur der Mischung: 40°–45°C
Dieses Rezept liefert bei einer Ätzung von Gold z.B. eine Ätzrate von ca. 5 min/µm Schichtdicke. Höhere Ätztemperaturen sind zwar prinzipell denkbar, allerdings kann bei hohen Temperaturen in Abhängigkeit von seiner Beschaffenheit eine Beschädigung des Fotolacks auftreten, da es zu einer Zersetzung der Ätzmischung (Ätzlösung) unter Sauerstoffabspaltung (und somit einem „Verbrennen“ des Fotolacks) kommen kann.
Bezugszeichenliste

1: Kontaktschicht
2: thermoelektrische Struktur
3: Substrat
4: Verunreinigung
11: Ätzflanke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 3236708 [0003]
EP 1118127 [0015]

Claims

Verwendung einer Mischung umfassend mindestens ein Peroxodisulfat und mindestens eine Säure zum Ätzen mindestens eines Elementes der Eisen-Platin-Gruppe und/oder der Kupfergruppe des Periodensystems.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Säure um Salzsäure handelt.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Mischung umfassend ein Peroxodisulfat und eine Säure mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gold, Platin, Palladium, Rhenium, Iridium, Osmium und Ruthenium geätzt wird.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Peroxodisulfat um Ammoniumpersulfat und/oder Kaliumpersulfat handelt.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung bei der Ätzung eine Temperatur zwischen 20°C und 45°C, insbesondere zwischen 35°C und 45°C oder zwischen 40°C und 45°C, aufweist.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung zusätzlich ein Chlorid aufweist.
Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Chlorid um Ammoniumchlorid und/oder einem Alkalichlorid, insbesondere Natriumchlorid oder Kaliumchlorid, handelt.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenkonzentration der Salzsäure in der Mischung im Bereich von 4 % bis 30 % liegt.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenkonzentration des Peroxodisulfats in der Mischung 20 bis 150 g/l, insbesondere 25 bis 100 g/l oder insbesondere 25 g/l, beträgt.
Mischung aus mindestens einem Peroxodisulfat und mindestens einer Säure.
Mischung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenkonzentration des Peroxodisulfats in der Mischung 20 bis 150 g/l, insbesondere 25 bis 100 g/l oder insbesondere 25 g/l, beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines Dünnschichtbauelementes, mit den Schritten: – Bereitstellen einer Mischung umfassend mindestens ein Peroxodisulfat und mindestens eine Säure; und – Ätzen mindestens eines Elementes der Eisen-Platin-Gruppe und/oder der Kupfergruppe des Periodensystems mit der Mischung.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen während der Herstellung eines elektrischen Dünnschichtkontaktes (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Dünnschichtkontakt (1) eine Gold- und/oder eine Platinschicht aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Dünnschichtkontakt (1) an ein thermoelektrisches Material angrenzt.