DE10214973C1 - Contact layer system used as an electrical contact comprises three individual metal or alloy layers arranged on a substrate - Google Patents
Contact layer system used as an electrical contact comprises three individual metal or alloy layers arranged on a substrateInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Kontaktschichtsystem aus mindestens drei Einzelschichten auf einem Substrat, wobei eine erste Einzelschicht auf dem Substrat angeordnet ist, eine zweite Einzel schicht auf der ersten Einzelschicht und eine dritte Einzelschicht auf der zweiten Einzelschicht angeordnet ist, und wobei die erste Einzelschicht aus einem ersten Metall oder einer ersten Metall-Legierung gebildet ist, die zweite Einzelschicht aus einem zweiten Metall oder einer zweiten Metall-Legierung gebildet ist und die dritte Einzelschicht aus einem dritten Metall oder einer dritten Metall-Legierung gebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin zwei Verfahren zur Herstellung eines solchen Kontaktschichtsystems, wobei die drei Einzelschichten entweder durch Magnetronsputtern und/oder Aufdampfen oder durch CVD (chemische Damfpphasenab scheidung) auf dem Substrat gebildet werden, wobei zur Bildung der drei Einzelschichten min destens zwei unterschiedliche Materialquellen vorgesehen sind, wobei eine erste Materialquelle das erste Metall oder die erste Metall-Legierung aufweist und zur Bildung der ersten Einzel schicht eingesetzt wird und eine zweite Materialquelle das zweite Metall oder die zweite Metall- Legierung aufweist und zur Bildung der zweiten Einzelschicht eingesetzt wird.The invention relates to a contact layer system composed of at least three individual layers on one Substrate, wherein a first single layer is arranged on the substrate, a second single layer on the first individual layer and a third individual layer on the second individual layer is arranged, and wherein the first single layer of a first metal or a first Metal alloy is formed, the second single layer of a second metal or second metal alloy is formed and the third single layer of a third metal or a third metal alloy is formed. The invention further relates to two methods for Production of such a contact layer system, the three individual layers either by magnetron sputtering and / or vapor deposition or by CVD (chemical vapor phases from separation) are formed on the substrate, with the formation of the three individual layers min at least two different material sources are provided, a first material source comprises the first metal or the first metal alloy and to form the first single layer is used and a second material source the second metal or the second metal Has alloy and is used to form the second single layer.
Derartige Kontaktschichtsysteme sind für Niedrigstrom-Schaltkontakte aus der US 4,105,828 bekannt. Dabei wird ein Substrat, das vorzugsweise aus einer Nickel-Eisen-Legierung gebildet ist, mit einer feuerfesten, metallischen Schicht versehen. Als feuerfeste Materialien sind bei spielsweise Rhenium, Wolfram, Molybdän oder deren Legierungen genannt. Die feuerfeste Schicht wird entweder mit einer Schicht aus Platin oder Palladium beschichtet, welche ihrerseits mit einer weiteren Schicht aus Gold oder Silber beschichtet wird.Such contact layer systems are for low-current switch contacts from US 4,105,828 known. A substrate is formed, which is preferably formed from a nickel-iron alloy is provided with a refractory, metallic layer. As fireproof materials are at for example called rhenium, tungsten, molybdenum or their alloys. The fireproof Layer is coated with either a layer of platinum or palladium, which in turn is coated with another layer of gold or silver.
Oder aber die feuerfeste Schicht wird mit einer einzelnen Schicht aus einer Metall-Legierung beschichtet, wobei als bevorzugte Metall-Legierungen Silber-Palladium oder Silber-Palladium- Kupfer genannt sind. Bei beiden Varianten wird das Schichtsystem diffusionsgeglüht, um die Haftung der Schichten aneinander zu verbessern. Dabei wirkt vor allem Palladium als Haftver mittler.Or the refractory layer is made with a single layer of a metal alloy coated, the preferred metal alloys being silver-palladium or silver-palladium Are called copper. In both variants, the layer system is diffusion annealed in order to To improve the adhesion of the layers to one another. Palladium in particular acts as an adhesive mid.
Die US 4,088,803 beschreibt einen elektrischen Schaltkontakt für beispielsweise ein Relais. Dabei wird auf ein metallisches Substrat eine erste Metallschicht aus einem niedrigschmelzen den Metall mit einem Schmelzpunkt kleiner 500°C aufgebracht und diese anschließend mit ei ner zweiten Metallschicht aus einem hochschmelzenden Metall mit einem Schmelzpunkt größer 1500°C überzogen. Als niedrigschmelzende Metalle sind dabei Zinn, Blei, Indium, Kadmium oder Zink genannt. Als hochschmelzende Metalle sind Rhodium, Rhenium, Ruthenium, Iridium, Wolfram oder Molybdän aufgeführt. Die Herstellung eines solchen Kontaktes erfolgt vorzugs weise auf zwei unterschiedliche Arten. So wird in einem ersten Verfahren die erste Metall schicht galvanisch abgeschieden und die zweite Metallschicht bei erhöhter Temperatur aufge dampft oder aufgesputtert, so dass sich zum Zwecke der Haftverbesserung zwischen der ersten und der zweiten Metallschicht eine Legierung oder intermetallische Phase ausbildet. In einem zweiten Verfahren werden sowohl die erste als auch die zweite Metallschicht galvanisch abge schieden und anschließend zum Zwecke der Haftverbesserung auf eine Temperatur erhitzt, die oberhalb der Schmelztemperatur des niedrigschmelzenden Metalls, aber unterhalb dessen Sie depunkt liegt. Zwischen dem Substrat und der ersten Metallschicht sowie zwischen der ersten und der zweiten Metallschicht kann dabei eine Goldschicht vorgesehen sein, um die Haftung zusätzlich zu verbessern.US 4,088,803 describes an electrical switching contact for a relay, for example. In this case, a first metal layer consisting of a low melting point is applied to a metallic substrate applied the metal with a melting point below 500 ° C and then with egg ner second metal layer made of a high-melting metal with a melting point larger 1500 ° C coated. Tin, lead, indium, cadmium are the low-melting metals or called zinc. Rhodium, rhenium, ruthenium, iridium, Tungsten or molybdenum listed. The establishment of such a contact is preferred in two different ways. So in a first process, the first metal layer galvanically deposited and the second metal layer opened at elevated temperature vaping or sputtering, so that for the purpose of improving adhesion between the first and the second metal layer forms an alloy or intermetallic phase. In one In the second method, both the first and the second metal layer are galvanically removed separated and then heated for the purpose of improving the adhesion to a temperature that above the melting temperature of the low-melting metal, but below which you depot lies. Between the substrate and the first metal layer and between the first and the second metal layer can be provided with a gold layer to ensure adhesion to improve in addition.
Die US 4,128,823 offenbart einen Schalter mit einer beweglichen Elektrode aus einem Dauer magneten. Der Dauermagnet ist dabei auf seiner Oberfläche mit einer Haftschicht aus Silber, Nickel, Kupfer oder Legierungen aus diesen Metallen beschichtet, die ihrerseits mit einer Kon taktschicht aus Rhodium, Wolfram, Rhenium, Ruthenium oder Legierungen aus diesem Metal len oder mit einer Silber-Wolfram-Legierung oder einer Gold-Chrom-Legierung beschichtet ist. Zumindest der Dauermagnet und die Haftschicht sind diffusionsgeglüht, um die Haftung zwi schen diesen zu verbessern.US 4,128,823 discloses a switch with a movable electrode of one duration magnet. The permanent magnet is on its surface with an adhesive layer made of silver, Nickel, copper or alloys of these metals coated, which in turn with a Kon Clock layer made of rhodium, tungsten, rhenium, ruthenium or alloys from this metal len or is coated with a silver-tungsten alloy or a gold-chrome alloy. At least the permanent magnet and the adhesive layer are diffusion annealed to ensure the adhesion between to improve this.
Die US 4,307,360 beschreibt ein elektrisches Kontaktschichtsystem für gekapselte Kontakte wie beispielsweise ein Reed Relais. Dabei ist auf einem Substrat eine erste Schicht aus im wesent lichen Kupfer und darüber eine zweite Schicht aus im wesentlichen Ruthenium vorgesehen. Als bevorzugtes Herstellungsverfahren für das Schichtsystem ist das Sputtern genannt.US 4,307,360 describes an electrical contact layer system for encapsulated contacts such as for example a reed relay. A first layer of is essentially on a substrate Lichen copper and a second layer of essentially ruthenium provided. As the preferred production method for the layer system is called sputtering.
Die deutsche Auslegeschrift 1764233 beschreibt einen elektrischen Schwachstromkontakt für einen Betrieb unter Vakuum oder Schutzgas mit einem weichmagnetischen Träger, wie bei beispielsweise einer Fe-Ni-Legierung. Auf dem Träger befindet sich eine Zwischenschicht aus ei nem schwerschmelzbaren Material der Gruppe Mo, W, Re, einem Karbid oder Borid dieser Metal le, Ta-Karbid oder Ta-Borid. Die Zwischenschicht ist ihrerseits mit einem Überzug aus einer bis zu 0,02 mm dicken Au-Pd-Legierung, die 5 bis 35 Gew.-% Pd und Rest Au enthält, versehen.The German layout specification 1764233 describes an electrical low-current contact for operation under vacuum or protective gas with a soft magnetic carrier, as with for example an Fe-Ni alloy. There is an intermediate layer of egg on the carrier a fusible material from the group Mo, W, Re, a carbide or boride of this metal le, Ta carbide or Ta boride. The intermediate layer is in turn covered with one to one 0.02 mm thick Au-Pd alloy containing 5 to 35 wt .-% Pd and balance Au.
Die US 6,133,537 offenbart eine Struktur für einen elektrischen Kontakt mit einer ersten und einer zweiten Kontaktoberfläche. Mindestens eine der Kontaktoberflächen enthält dabei eine Au-Ag-Pd- Legierung mit 7-16 Gew.-% Ag und 1-10 Gew.-% Pd.US 6,133,537 discloses a structure for electrical contact with a first and one second contact surface. At least one of the contact surfaces contains an Au-Ag-Pd Alloy with 7-16 wt% Ag and 1-10 wt% Pd.
Die DE 44 14 729 A1 beschreibt einen Werkstoff für einen Leiterrahmen, der einen Basisstreifen aus Cu oder einer Cu-Legierung mit einer Schutzschicht aus mindestens einem Metall der Gruppe Au, Hartgold, Ag, Ag-Legierung, Pd und Pd-Legierung aufweist. Zwischen dem Basisstreifen und der Schutzschicht kann eine Zwischenschicht aus Ni oder einer Ni-Legierung angeordnet sein.DE 44 14 729 A1 describes a material for a lead frame that has a base strip made of Cu or a Cu alloy with a protective layer of at least one metal from the group Au, hard gold, Ag, Ag alloy, Pd and Pd alloy. Between the base strip and an intermediate layer made of Ni or a Ni alloy can be arranged on the protective layer.
Die deutsche Auslegeschrift 24 19 102 offenbart eine Schaltvorrichtung mit bewegbaren Kontak ten, die einen aus mindestens zwei Schichten zusammengesetzten Kontaktüberzug aufweisen. Dabei besteht die erste Schicht aus einem Metall beziehungsweise Metallen mit einem Schmelz punkt oberhalb 1800°C und die zweite Schicht aus einem Metall oder einer Metall-Legierung mit einem Schmelzpunkt unterhalb 500°C. Die zweite Schicht kann weiterhin mit einer dritten Schicht aus Edelmetall mit einem Schmelzpunkt oberhalb 1800°C beschichtet sein.German Auslegeschrift 24 19 102 discloses a switching device with movable contact ten, which have a contact coating composed of at least two layers. The first layer consists of a metal or metals with a melt point above 1800 ° C and the second layer made of a metal or a metal alloy a melting point below 500 ° C. The second layer can continue with a third layer be coated from precious metal with a melting point above 1800 ° C.
Die JP 04-0349314 offenbart einen Reed Schalter mit einem magnetischen Substrat, welches mit einer Schicht, gebildet aus diffusionsgeglühten Nickel- und Kupfer-Einzelschichten, bedeckt ist. Diese ist widerum mit einer Schicht aus Ruthenium belegt.JP 04-0349314 discloses a reed switch with a magnetic substrate, which with a layer formed from diffusion annealed nickel and copper individual layers. This is covered with a layer of ruthenium.
Die deutsche Offenlegungsschrift 19 23 010 beschreibt einen Schwachstromkontakt mit einem Träger aus magnetischem Werkstoff, der eine 1 bis 30 µm dicke, homogene Kontaktschicht aus Ruthenium, welches aus der Gasphase kondensiert ist, aufweist.German Offenlegungsschrift 19 23 010 describes a low-current contact with a Carrier made of magnetic material, which consists of a 1 to 30 µm thick, homogeneous contact layer Ruthenium, which is condensed from the gas phase.
Inbesondere die oben genannten Kontaktschichtsysteme, bei denen die oberste Schicht aus Rhe nium oder Ruthenium gebildet ist, sind nur unter Schutzgas einsetzbar.In particular, the above-mentioned contact layer systems, in which the top layer of Rhe nium or ruthenium is formed, can only be used under protective gas.
Es ergibt sich das Problem, ein Kontaktschichtsystem zu Verfügung zu stellen, das auch bei hohen Schaltlasten keine Rissbildung aufweist und geeignete Verfahren zu dessen Herstellung an zugeben.The problem arises of making a contact layer system available, even at high Switching loads has no cracking and suitable processes for its manufacture to admit.
Das Problem wird für das Kontaktschichtsystem dadurch gelöst, dass das erste Metall Gold oder Silber ist und dass die erste Metall-Legierung eine Gold-Legierung oder eine Silber-Legierung ist, dass das zweite Metall Molybdän oder Wolfram oder Tantal oder Ruthenium oder Rhodium oder Rhenium oder Iridium oder Platin oder Palladium ist und dass die zweite Metall- Legierung eine Wolfram-Ruthenium- oder eine Tantal-Molybdän- oder eine Palladium- Ruthenium- oder eine Molybdän-Ruthenium-Legierung ist, dass das dritte Metall Gold oder Sil ber ist und dass die dritte Metall-Legierung eine Gold-Legierung oder eine Silber-Legierung ist, wobei ein erster Übergangsbereich zwischen der ersten Einzelschicht und der zweiten Einzel schicht und ein zweiter Übergangsbereich zwischen der zweiten Einzelschicht und der dritten Einzelschicht vorhanden ist, und wobei im ersten Übergangsbereich die Konzentration an ers tem Metall oder erster Metall-Legierung in Richtung der zweiten Einzelschicht kontinuierlich oder stufenweise abnimmt während die Konzentration an zweitem Metall oder zweiter Metall- Legierung gegenläufig zunimmt, und wobei im zweiten Übergangsbereich die Konzentration an zweitem Metall oder zweiter Metall-Legierung in Richtung der dritten Einzelschicht kontinuierlich oder stufenweise abnimmt während die Konzentration an drittem Metall oder dritter Metall- Legierung gegenläufig zunimmt.The problem is solved for the contact layer system in that the first metal is gold or Is silver and that the first metal alloy is a gold alloy or a silver alloy, that the second metal is molybdenum or tungsten or tantalum or ruthenium or Is rhodium or rhenium or iridium or platinum or palladium and that the second metal Alloy a tungsten-ruthenium or a tantalum-molybdenum or a palladium Ruthenium or a molybdenum-ruthenium alloy is that the third metal is gold or sil and that the third metal alloy is a gold alloy or a silver alloy, a first transition region between the first individual layer and the second individual layer and a second transition region between the second single layer and the third Single layer is present, and the concentration of ers metal or first metal alloy continuously in the direction of the second single layer or gradually decreases as the concentration of second metal or second metal Alloy increases in opposite directions, and the concentration increases in the second transition area second metal or second metal alloy in the direction of the third single layer continuously or gradually decreases as the concentration of third metal or metal Alloy increases in opposite directions.
Ein solches Kontaktschichtsystem ist sowohl für Niedrigstrom-Kontakte als auch für Kontakte mit Schaltlasten von bis zu 30 W ohne Kapselung einsetzbar. Hier ersetzt es wesentlich dickere, walzplattierte Schichten im Bereich von ca. 50 µm. Das Kontaktschichtsystem weist auch bei hohen Schaltlasten keine Rissbildung (Alterung) auf.Such a contact layer system is for low current contacts as well as for contacts Can be used with switching loads of up to 30 W without encapsulation. Here it replaces much thicker roll-clad layers in the range of approx. 50 µm. The contact layer system also demonstrates high switching loads no cracking (aging).
Vorzugsweise ist die erste Metall-Legierung aus Gold und Nickel oder aus Gold und Silber oder aus Gold und Palladium oder aus Gold und Kobalt gebildet.The first metal alloy is preferably made of gold and nickel or of gold and silver or formed from gold and palladium or from gold and cobalt.
Vorzugsweise ist auch die dritte Metall-Legierung aus Gold und Nickel oder aus Gold und Silber oder aus Gold und Palladium oder aus Gold und Kobalt gebildet.The third metal alloy is preferably also made of gold and nickel or of gold and silver or formed from gold and palladium or from gold and cobalt.
Das Substrat kann dabei aus Kupfer oder Kupfer-Legierungen oder Palladium oder Palladium- Legierungen oder Silber oder Silber-Legierungen gebildet sein.The substrate can be made of copper or copper alloys or palladium or palladium Alloys or silver or silver alloys can be formed.
Besonders bewährt haben sich hier die Kupfer-Legierung CuNi30Fe, die Palladium-Legierung PdAg40 und die Silber-Legierung AgNi20.The copper alloy CuNi30Fe, the palladium alloy, has proven particularly successful here PdAg40 and the silver alloy AgNi20.
Es hat sich bewährt, dass das Kontaktschichtsystem eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 10 µm, insbesondere im Bereich von 6 bis 8 µm, aufweist.It has been proven that the contact layer system has a thickness in the range from 0.01 to 10 μm, in particular in the range from 6 to 8 μm.
Die drei Einzelschichten weisen dabei bevorzugt eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 9,9 µm auf. Die erste Einzelschicht weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 1 µm auf, die zweite Einzelschicht weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 2 bis 7,4 µm auf und die dritte Einzelschicht weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 3 µm auf.The three individual layers preferably have a thickness in the range from 0.01 to 9.9 μm on. The first individual layer preferably has a thickness in the range from 0.1 to 1 μm, which second single layer preferably has a thickness in the range of 2 to 7.4 microns and the third individual layer preferably has a thickness in the range from 0.5 to 3 μm.
Generell erfolgt ein Übergang von einer Einzelschicht zu einer angrenzenden Einzelschicht dann, wenn im Übergangsbereich die Konzentration an Metall oder Metall-Legierung der einen Einzelschicht unter 50% gegenüber der Konzentration an Metall oder Metall-Legierung der an grenzenden Einzelschicht sinkt.Generally there is a transition from a single layer to an adjacent single layer when the concentration of metal or metal alloy of the one in the transition region Single layer below 50% compared to the concentration of metal or metal alloy bordering single layer decreases.
So ist beispielsweise bei der Dickenmessung einer Einzelschicht der beziehungsweise die an die Einzelschicht angrenzende(n) Übergangsbereich(e) mit 50% seiner/ihrer Dicke zu berück sichtigen, sofern das Kontaktschichtsystem Übergangsbereiche mit einer kontinuierlichen Kon zentrationsabnahme bzw. -zunahme aufweist. So erstreckt sich beispielsweise die Dicke der ersten Einzelschicht von der Substratoberfläche bis zur Hälfte des ersten Übergangsbereichs, während sich die Dicke der zweiten Einzelschicht ab der Hälfte des ersten Übergangsbereiches bis zur Hälfte des zweiten Übergangsbereiches erstreckt.For example, when measuring the thickness of a single layer, the on or off is on the transition layer (s) bordering the single layer with 50% of its thickness if the contact layer system has transition areas with a continuous con decrease or increase in concentration. For example, the thickness of the first single layer from the substrate surface to half of the first transition region, while the thickness of the second single layer starts from half of the first transition area extends up to half of the second transition area.
Das Problem wird für ein erstes Verfahren dadurch gelöst, dass die drei Einzelschichten durch Magnetronsputtern und/oder Aufdampfen auf dem Substrat gebildet werden, wobei der erste Übergangsbereich gebildet wird, indem in einem ersten Zeitraum die erste Materialquelle das erste Metall oder die erste Metall-Legierung abgibt, während die zweite Materialquelle gleich zeitig das zweite Metall oder die zweite Metall-Legierung abgibt, wobei eine Abgabemenge der ersten Materialquelle über den ersten Zeitraum abnimmt und eine Abgabemenge der zweiten Materialquelle über den ersten Zeitraum zunimmt.For a first method, the problem is solved in that the three individual layers by Magnetron sputtering and / or vapor deposition are formed on the substrate, the first Transition area is formed by the first material source in a first period first metal or the first metal alloy releases, while the second material source is the same releases the second metal or the second metal alloy at a time, with a delivery quantity of first material source decreases over the first period and a delivery quantity of the second Material source increases over the first period.
Das Problem wird weiterhin gelöst durch ein zweites Verfahren, bei dem die drei Einzelschich ten durch CVD auf dem Substrat gebildet werden, wobei zur Bildung der drei Einzelschichten mindestens zwei unterschiedliche Materialquellen vorgesehen sind, wobei eine erste Material quelle das erste Metall oder die erste Metall-Legierung aufweist und eine zweite Materialquelle das zweite Metall oder die zweite Metall-Legierung aufweist, und wobei der erste Übergangsbe reich gebildet wird, indem in einem ersten Zeitraum die erste Materialquelle das erste Metall oder die erste Metall-Legierung abgibt, während die zweite Materialquelle gleichzeitig das zweite Metall oder die zweite Metall-Legierung abgibt, wobei eine Abgabemenge der ersten Materialquelle über den ersten Zeitraum abnimmt und eine Abgabemenge der zweiten Materi alquelle über den ersten Zeitraum zunimmt.The problem is further solved by a second method, in which the three individual layers ten by CVD on the substrate, whereby to form the three individual layers at least two different material sources are provided, a first material source comprises the first metal or the first metal alloy and a second material source comprises the second metal or the second metal alloy, and wherein the first transition be is richly formed by the first material source the first metal in a first period or releases the first metal alloy while the second source of material simultaneously releases second metal or the second metal alloy, wherein a discharge amount of the first Material source decreases over the first period and a delivery quantity of the second material alquelle increases over the first period.
Damit wird eine innige Verbindung der ersten mit der zweiten Einzelschicht erreicht und ein Ablösen der zweiten Einzelschicht von der ersten Einzelschicht aufgrund unzureichender Haf tung wirkungsvoll vermieden. Ein Diffusionsglühen, wie häufig im Stand der Technik beschrie ben, kann unterbleiben. Dies wirkt sich positiv auf die Herstellungskosten und die Eigenschaften der unbeschichteten Substratoberflächen aus, die bei Glühvorgängen oxidieren können. An intimate connection of the first with the second individual layer is thus achieved and one Detachment of the second individual layer from the first individual layer due to insufficient oat effectively avoided. Diffusion annealing, as often described in the prior art ben, can be omitted. This has a positive effect on the manufacturing costs and the properties the uncoated substrate surfaces, which can oxidize during annealing.
Besonders kostengünstig können die Verfahren durchgeführt werden, wenn die erste Einzel schicht aus dem gleichen Material gebildet wird, wie die dritte Einzelschicht. Der zweite Über gangsbereich wird dann gebildet, indem in einem zweiten Zeitraum die zweite Materialquelle das zweite Metall oder die zweite Metall-Legierung abgibt, während die erste Materialquelle gleichzeitig das dritte Metall oder die dritte Metall-Legierung abgibt, wobei eine Abgabemenge der zweiten Materialquelle über den zweiten Zeitraum abnimmt und eine Abgabemenge der ersten Materialquelle über den zweiten Zeitraum zunimmt. Es sind demnach nur zwei unter schiedliche Materialquellen notwendig, wodurch der apparative Aufwand bei der Herstellung des Kontaktschichtsystems gering bleibt.The methods can be carried out particularly cost-effectively if the first individual layer is formed from the same material as the third individual layer. The second about Corridor area is then formed by the second material source in a second period releases the second metal or metal alloy while the first material source releases the third metal or the third metal alloy at the same time, with a delivery amount the second material source decreases over the second period and a delivery quantity of first material source increases over the second period. So there are only two under Different sources of material necessary, which means the expenditure on equipment in the manufacture of the contact layer system remains low.
Die erste Einzelschicht und die dritte Einzelschicht können aber auch aus unterschiedlichem Material gebildet werden, wobei eine dritte Materialquelle vorzusehen ist, die das dritte Metall oder die dritte Metall-Legierung aufweist und zur Bildung der dritten Einzelschicht eingesetzt wird. Der zweite Übergangsbereich wird dann gebildet, indem in einem zweiten Zeitraum die zweite Materialquelle das zweite Metall oder die zweite Metall-Legierung abgibt, während die dritte Materialquelle gleichzeitig das dritte Metall oder die dritte Metall-Legierung abgibt, wobei eine Abgabemenge der zweiten Materialquelle über den zweiten Zeitraum abnimmt und eine Abgabemenge der dritten Materialquelle über den zweiten Zeitraum zunimmt.However, the first individual layer and the third individual layer can also be made of different things Material are formed, wherein a third material source is to be provided, which is the third metal or has the third metal alloy and used to form the third single layer becomes. The second transition area is then formed by the in a second period second material source releases the second metal or the second metal alloy while the third material source simultaneously releases the third metal or the third metal alloy, wherein a release amount of the second material source decreases over the second period and one Delivery quantity of the third material source increases over the second period.
Dabei kann im ersten Zeitraum die Abgabemenge der ersten Materialquelle stufenlos erniedrigt und die Abgabemenge der zweiten Materialquelle stufenlos erhöht werden oder aber im ersten Zeitraum die Abgabemenge der ersten Materialquelle in Stufen erniedrigt und die Abgabemen ge der zweiten Materialquelle in Stufen erhöht werden.In the first period, the quantity of the first material source can be continuously reduced and the delivery quantity of the second material source can be increased continuously or in the first Period the supply quantity of the first material source is reduced in stages and the supply quantities ge of the second material source can be increased in stages.
Ist die erste Einzelschicht aus dem gleichen Material wie die dritte Einzelschicht, so kann im zweiten Zeitraum die Abgabemenge der zweiten Materialquelle stufenlos erniedrigt und die Ab gabemenge der ersten Materialquelle stufenlos erhöht werden oder im zweiten Zeitraum die Abgabemenge der zweiten Materialquelle in Stufen erniedrigt und die Abgabemenge der ersten Materialquelle in Stufen erhöht werden.If the first individual layer is made of the same material as the third individual layer, the second period the supply amount of the second material source is continuously reduced and the Ab amount of the first material source can be increased continuously or in the second period Dispensing quantity of the second material source decreased in stages and the dispensing quantity of the first Material source can be increased in stages.
Ist die erste Einzelschicht nicht aus dem gleichen Material wie die dritte Einzelschicht, so kann im zweiten Zeitraum die Abgabemenge der zweiten Materialquelle stufenlos erniedrigt und die Abgabemenge der dritten Materialquelle stufenlos erhöht werden oder im zweiten Zeitraum die Abgabemenge der zweiten Materialquelle in Stufen erniedrigt und die Abgabemenge der dritten Materialquelle in Stufen erhöht werden.If the first individual layer is not made of the same material as the third individual layer, it can in the second period the supply quantity of the second material source is continuously reduced and the Delivery quantity of the third material source can be increased continuously or in the second period Dispensing quantity of the second material source decreased in stages and the dispensing quantity of the third Material source can be increased in stages.
Nachfolgende Beispiele 1 bis 3 sollen das erfindungsgemäße Kontaktschichtsystem und die geeigneten Herstellungsverfahren beispielhaft erläutern.The following examples 1 to 3 are intended to illustrate the contact layer system according to the invention and the explain suitable manufacturing processes by way of example.
Es wird ein Kontaktschichtsystem mit einer ersten und einer dritten Einzelschicht aus der Gold- Legierung AuNi2 und einer zweiten Einzelschicht aus Ruthenium auf einem Substrat aus Kupfer oder Kupfer-Legierung CuNi30Fe durch Magnetronsputtern hergestellt.A contact layer system with a first and a third individual layer made of the gold AuNi2 alloy and a second single layer of ruthenium on a copper substrate or copper alloy CuNi30Fe produced by magnetron sputtering.
Dazu wird die erste Einzelschicht mit Hilfe einer ersten Materialquelle aus AuNi2 auf dem Sub strat abgeschieden und der erste Übergangsbereich erzeugt, indem die Abscheiderate des AuNi2 kontinuierlich vermindert wird, während die Abscheiderate von Ruthenium aus einer zweiten Materialquelle kontinuierlich erhöht wird, bis nur noch Ruthenium abgeschieden wird. Dabei wird eine erste Einzelschicht in einer Dicke von 0,3 µm erzeugt. Zum Erreichen einer Schichtdicke der zweiten Einzelschicht von 2,5 µm wird die Abscheiderate des Rutheniums kontinuierlich vermindert wird, während die Abscheiderate von AuNi2 aus der ersten Material quelle kontinuierlich erhöht wird, bis nur noch AuNi2 abgeschieden wird. Nach Erreichen einer Schichtdicke der dritten Einzelschicht von 0,7 µm ist das Kontaktschichtsystem fertiggestellt.For this purpose, the first individual layer is made of AuNi2 on the sub using a first material source strat deposited and the first transition region generated by the deposition rate of AuNi2 is continuously reduced, while the deposition rate of ruthenium from a second material source is continuously increased until only ruthenium is deposited. A first single layer with a thickness of 0.3 µm is created. To achieve one The layer thickness of the second single layer of 2.5 µm becomes the deposition rate of the ruthenium is continuously reduced while the deposition rate of AuNi2 from the first material source is continuously increased until only AuNi2 is deposited. After reaching one The layer thickness of the third individual layer of 0.7 µm has been completed.
Es wird ein Kontaktschichtsystem mit einer ersten Einzelschicht aus Gold, einer zweiten Einzel schicht aus Ruthenium und einer dritten Einzelschicht aus der Gold-Legierung AuNi2 auf einem Substrat aus Kupfer hergestellt. Dabei werden die erste und die dritte Einzelschicht durch Magnetronsputtern hergestellt, während die zweite Einzelschicht durch Verdampfen des Ruthe niums aus einem Tiegel hergestellt wird.It becomes a contact layer system with a first single layer of gold, a second single layer of ruthenium and a third single layer of gold alloy AuNi2 on one Substrate made from copper. The first and third individual layers are carried out Magnetron sputtering is produced during the second single layer by evaporating the ruthe niums is made from a crucible.
Dazu wird die erste Einzelschicht mit Hilfe einer ersten Materialquelle aus Gold auf dem Sub strat abgeschieden und der erste Übergangsbereich erzeugt, indem die Abscheiderate des Goldes kontinuierlich vermindert wird, während die Aufdampfrate von Ruthenium aus einer zweiten Materialquelle durch Erhöhung der Heizleistung am Tiegel kontinuierlich erhöht wird, bis nur noch Ruthenium aufgedampft wird. Dabei wird eine erste Einzelschicht in einer Dicke von 0,3 µm erzeugt. Zum Erreichen einer Schichtdicke der zweiten Einzelschicht von 2,5 µm wird die Abscheiderate des Rutheniums kontinuierlich vermindert, während die Abscheiderate von AuNi2 aus einer dritten Materialquelle kontinuierlich erhöht wird, bis nur noch AuNi2 abge schieden wird. Nach Erreichen einer Schichtdicke der dritten Einzelschicht von 0,7 µm ist das Kontaktschichtsystem fertiggestellt For this purpose, the first individual layer is made of gold on the sub using a first material source strat deposited and the first transition region generated by the deposition rate of Gold is continuously reduced while the evaporation rate of ruthenium from one second material source is continuously increased by increasing the heating power on the crucible, until only ruthenium is evaporated. In doing so, a first single layer has a thickness of 0.3 µm. To achieve a layer thickness of the second single layer of 2.5 µm the deposition rate of the ruthenium is continuously reduced, while the deposition rate of AuNi2 from a third material source is continuously increased until only AuNi2 is released will be divorced. After reaching a layer thickness of 0.7 µm in the third individual layer, this is Contact layer system completed
Es wird ein Kontaktschichtsystem mit einer ersten und einer dritten Einzelschicht aus Gold und einer zweiten Einzelschicht aus Molybdän auf einem Substrat aus der Kupfer-Legierung CuNi30Fe durch CVD hergestellt.It will be a contact layer system with a first and a third individual layer made of gold and a second single layer of molybdenum on a substrate made of the copper alloy CuNi30Fe manufactured by CVD.
Dazu wird die erste Einzelschicht mit Hilfe einer ersten Materialquelle aus dem chemischer Alkyl-Gold-Komplex CF3-Au-C∼N-CH auf dem Substrat abgeschieden und der erste Über gangsbereich erzeugt, indem die Abscheiderate des Au kontinuierlich vermindert wird, während die Abscheiderate von Molybdän aus einer zweiten Materialquelle aus Molybdän-Hexa-Fluorid MoF6 kontinuierlich erhöht wird, bis nur noch Molybdän abgeschieden wird. Dabei wird eine erste Einzelschicht in einer Dicke von 0,2 µm erzeugt. Zum Erreichen einer Schichtdicke der zweiten Einzelschicht von 3 µm wird die Abscheiderate des Molybdäns kontinuierlich vermin dert, während die Abscheiderate von Gold aus der ersten Materialquelle kontinuierlich erhöht wird, bis nur noch Gold abgeschieden wird. Nach Erreichen einer Schichtdicke der dritten Ein zelschicht von 0,5 µm ist das Kontaktschichtsystem fertiggestellt.For this purpose, the first individual layer is deposited on the substrate with the aid of a first material source from the chemical alkyl-gold complex CF 3 -Au-C∼N-CH and the first transition region is produced by continuously reducing the deposition rate of the Au while the The deposition rate of molybdenum from a second material source made of molybdenum hexafluoride MoF 6 is continuously increased until only molybdenum is deposited. A first single layer with a thickness of 0.2 µm is created. To achieve a layer thickness of the second single layer of 3 μm, the deposition rate of the molybdenum is continuously reduced, while the deposition rate of gold from the first material source is continuously increased until only gold is deposited. After reaching a layer thickness of the third single layer of 0.5 µm, the contact layer system is completed.
Die Fig. 1 bis 3 sollen die Erfindung weiterhin beispielhaft verdeutlichen. So zeigtThe Figs. 1 to 3 are intended to further illustrate the invention by way of example. So shows
Fig. 1 eine Elementverteilung im Kontaktschichtsystem nach Beispiel 1 mit einem Substrat aus CuNi30Fe Fig. 1 shows an element distribution in the contact layer system according to Example 1 with a substrate made of CuNi30Fe
Fig. 2 einen Langzeitschaltversuch an einem Kontaktschichtsystem gemäß Beispiel 1 mit einem Substrat aus Kupfer Fig. 2 shows a long-term switching test on a contact layer system according to Example 1 with a substrate made of copper
Fig. 3 einen Vergleichsversuch zu Fig. 2 mit einem bekannten, walzplattierten Kontakt schichtsystem auf einem Substrat aus CuNi30Fe Fig. 3 shows a comparative experiment to Fig. 2 with a known, roll-plated contact layer system on a substrate made of CuNi30Fe
Fig. 1 zeigt ein Diagramm zu einer Analyse der Elementverteilung in einem Kontaktschichtsys tem gemäß Beispiel 1 mit einer ersten Einzelschicht aus AuNi2, einer zweiten Einzelschicht aus Ruthenium und einer dritten Einzelschicht aus AuNi2 auf einem Substrat aus CuNi30Fe. Dabei ist die Konzentration der Elemente auf der Achse A2 über der Dicke D des Kontaktschichtsys tems aufgetragen. Die Analyse wurde an einem Anschliff des Kontaktschichtsystems durchge führt, wobei dessen Oberfläche aus Präparationsgründen mit einer zusätzlichen Schicht aus Nickel beschichtet wurde. Bei einer Dicke D von 0 µm (entspricht der Substratoberfläche) zei gen sich die Elemente Nickel (Kurve D) und Kupfer (Kurve A), die im Substrat vorkommen. Mit zunehmendem Abstand von der Substratoberfläche sinkt die Nickel- und Kupferkonzentrati on und geht bei ca. 1 µm gegen Null, während die Konzentration von Gold (Kurve B) ansteigt. Bei ca. 1 µm erreicht die Goldkonzentration ein lokales Maximum (erste Einzelschicht), um bis zu einer Dicke von 2 µm wieder gegen Null abzusinken. Die Konzentration an Ruthenium (Kur ve C) steigt ab einer Dicke von ca. 1 µm an und erreicht bei einer Dicke von ca. 2,5 µm ein lo kales Maximum (zweite Einzelschicht). Der erste Übergangsbereich zwischen erster und zweiter Einzelschicht ist dabei relativ kurz. Während die Konzentation an Gold ab einer Dicke von ca. 3 µm wieder ansteigt, sinkt die Rutheniumkonzentration ab, wobei ein langer zweiter Übergangsbereich ausgebildet ist. Bei einer Dicke von 10 µm geht die Rutheniumkonzentration gegen Null, während die Goldkonzentration ein lokales Maximum (dritte Einzelschicht) erreicht und bei einer Dicke von ca. 11 µm ebenfalls gegen Null geht. Der Anstieg der Nickelkonzentrati on in diesem Bereich ist auf die oben erwähnte zusätzliche Schicht zurückzuführen, die hier nur zur Verbesserung der Anschliffqualität auf das Kontaktschichtsystem aufgebracht wurde. Fig. 1 shows a diagram of an analysis of the distribution of elements in a Kontaktschichtsys system according to Example 1 with a first single layer of AuNi2, a second single layer of ruthenium and a third single layer of AuNi2 on a substrate of CuNi30Fe. The concentration of the elements on the axis A2 is plotted against the thickness D of the contact layer system. The analysis was carried out on a ground section of the contact layer system, the surface of which was coated with an additional layer of nickel for preparation reasons. With a thickness D of 0 µm (corresponds to the substrate surface), the elements nickel (curve D) and copper (curve A) appear which occur in the substrate. With increasing distance from the substrate surface, the nickel and copper concentration decreases and approaches zero at approx. 1 µm, while the concentration of gold (curve B) increases. At approx. 1 µm the gold concentration reaches a local maximum (first single layer) in order to sink back to zero up to a thickness of 2 µm. The concentration of ruthenium (Kur ve C) increases from a thickness of approx. 1 µm and reaches a local maximum at a thickness of approx. 2.5 µm (second single layer). The first transition area between the first and second individual layers is relatively short. While the concentration of gold increases again from a thickness of approx. 3 µm, the ruthenium concentration decreases, with a long second transition region being formed. With a thickness of 10 µm, the ruthenium concentration goes to zero, while the gold concentration reaches a local maximum (third single layer) and also goes to zero with a thickness of approx. 11 µm. The increase in the nickel concentration in this area can be attributed to the above-mentioned additional layer, which was only applied to the contact layer system in order to improve the grinding quality.
Fig. 2 zeigt einen Schaltversuch an einem Kontaktschichtsystem gemäß Beispiel 1 mit einem Substrat aus Kupfer. Fig. 2 shows a circuit test on a contact layer system according to Example 1 with a substrate made of copper.
Fig. 3 zeigt im Vergleich zu Fig. 2 ein bekanntes, walzplattiertes Kontaktschichtsystem auf einem Substrat aus CuNi30Fe. Auf das Substrat ist hier eine 70 µm dicke Schicht aus AgPd60 walzplattiert, auf welche wiederum eine 5 µm dicke Schicht aus AuAg8 walzplattiert ist. Bei den Fig. 2 und 3 ist der Kontaktwiderstand R in mΩ über der Anzahl an Schaltzyklen S aufgetragen. Die elektrische Schaltlast an den Kontaktschichtsystemen betrug für Fig. 2 und 3 jeweils 30 Volt/1 Ampere, ohmsch. Im Vergleich zeigt sich, dass das erfindungsgemäße Kontaktschichtsystem aus Fig. 2 eine zu dem bekannten Kontaktschichtsystem aus Fig. 3 vergleichbare Lebensdauer aufweist. Allerdings ist das erfindungsgemäße Kontaktschichtsys tem aufgrund des geringeren Edelmetallbedarfs weitaus kostengünstiger. FIG. 3 shows, in comparison to FIG. 2, a known, roll-clad contact layer system on a substrate made of CuNi30Fe. A 70 µm thick layer of AgPd60 is roll-plated on the substrate, on which in turn a 5 µm-thick layer of AuAg8 is roll-plated. In FIGS. 2 and 3, the contact resistance R in milliohms is plotted against the number of switching cycles S. The electrical switching load on the contact layer was systems for Figs. 2 and 3 are each 30 volts / 1 amp, resistive. A comparison shows that the contact layer system according to the invention from FIG. 2 has a service life that is comparable to the known contact layer system from FIG. 3. However, the contact layer system according to the invention is far more cost-effective due to the lower need for precious metals.
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