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Verfahren zur Herstellung gedruckter Schaltungen Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zur Herstellung gedruckter Schaltungen, bei dem ein filmbildendes
Metall, wie Zirkon, Aluminium, Tantal, Titan oder Niob, auf eine isolierende Unterlage
aufgebracht wird und die für die Leitungswege nicht benötigten Teile mit Hilfe des
Photo-Ätzverfahrens selektiv entfernt werden.
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Für zahlreiche Zwecke ist es erforderlich, daß metallische Muster
in genau bestimmter Form auf verschiedenen, als Träger dienenden Unterlagen erzeugt
werden. Hierzu wird im einfachsten Fall das Metall inm Vakuum durch eine entsprechend
durchbrochene Maske hindurch aufgedampft oder aufgestäubt (vgl. »Vacuum Deposition
of Thin Films«, L. Holland, J. Wiley & Sons, 1956). Masken sind aber dann nachteilig
oder überhaupt nicht zu gebrauchen, wenn die zu erzeugenden metallischen Muster
extrem klein und/oder sehr kompliziert sind, wie dies bei gedruckten Schaltungen
häufig der Fall ist. Die Masken sind dann sehr zerbrechlich und außerordentlich
schwierig zu handhaben. Für die Herstellung komplizierter oder bis in sehr feine
Einzelheiten ausgeführter metallischer Muster werden deshalb allgemein Photo-Ätzverfahren
bevorzugt.
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Nach dem üblichen Photo-Ätzverfahren wird das zu gravierende oder
ätzende Metall zunächst mit einer lichtempfindlichen, ätzbeständigen Schutzschicht
überzogen, die dann entsprechend dem gewünschten Muster belichtet wird. Durch Entwickeln
werden die belichteten Schutzschichtteile stabilisiert, während die unbelichteten
Schutzschichtteile aufgelöst werden. Sodann wird mit einem Ätzmittel das freigelegte
Metall geätzt und anschließend die Schutzschicht entfernt. Das Ergebnis ist ein
Muster in der Metalloberfläche, das dem zur Belichtung der Schutzschicht benutztem
entspricht. Hierfür geeignete lichtempfindliche Schutzschichten sind z. B. in den
USA.-Patentschriften 2 670 285, 2 670 286, 2 670 287 beschrieben.
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Die Verwendung von Photo-Ätzverfahren zur Erzeugung sehr genauer Muster
aus bestimmten, gegen die meisten Ätzmittel beständigen, filmbildenden Metalle,
wie Tantal und Niob, ist auf einige Schwierigkeiten gestoßen. Die Schwierigkeiten
liegen im Ätzmittel selbst. Letztere sind in verschiedenster Weise zusammengesetzt,
enthalten aber zur Ätzung solcher Metalle regelmäßig Flußsäure oder Fluoride als
aktive Ätzbestandteile. Diese Ätzmittel führen zu einer unerwünschten Unterschneidung
des filmbildenden Metalls, da Flußsäure und Fluoride nach dem Durchätzen des Metalls
auch die Unterlage angreift. So wird die normalerweise verwendete Glas- oder Keramikunterlage
stärker angeätzt als die Metallschicht, so daß die Bildung tiefer Rinnen zwischen
den stehenbleibenden Metallschichtteilen begünstigt wird. Da überdies das Metall
nicht einheitlich aufgelöst wird, entstehen am Umriß der stehenbleibenden Metallteile
Rinnen und zahlreiche Vertiefungen, die zu einer Auszackung .des Umrisses führen.
Eine solche Begrenzung begünstigt die Bildung elektrisch schwacher Stellen sowohl
in den stehenbleibenden Metallschichtteilen wie auch in den, gegebenenfalls nachfolgend
noch aufgedampften weiteren Filmen.
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Die gegenwärtigen Herstellungsverfahren für gedruckte Widerstände
haben den grundsätzlichen Nachteil einer mangelnden Reproduzierbarkeit der Widerstandswerte.
Dies ist dem Umstand zuzuschreiben, daß die filmbildenden Metalle auf der ganzen
Unterlage nicht gleichmäßig geätzt werden, so daß eine bestimmte Zeitspanne zwischen
dem Zeitpunkt, in dem die Unterlageoberfläche zunächst an einer oder mehreren Stellen
erscheint, und dem Zeitpunkt, in dem das ganze wegzuätzende, filmbildende Metall
entfernt ist, verstreicht. In dieser Zeitspanne kann das Fluorid .die unter der
Schaltungsführung liegenden Teile der Unterlage angreifen und so auch die geschützte
Metallschicht von der Unterseite her wegätzen (Hinterschneidungen), wodurch die
gewollten Widerstandswerte unkontrollierbar beeinflußt werden.
Die
Erfindung ist deshalb auf ein Verfahren zur Herstellung insbesondere komplizierter
Elemente und Muster aus filmbildenden Metallen gerichtet, die von den bei üblichen
Photo-Ätzverfahren verwendeten Ätzflüssigkeiten nicht genügend angegriffen werden,
mit Vorteil aber mit Fluorid-Ätzlösungen geätzt werden können, so daß ein Schaltungselement
und/ oder eine Schaltung in gedruckter Technik mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
hergestellt werden kann, und nicht unter dem bisherigen Nachteil der Unterschneidung
leidet.
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Erfindungsgemäß ist dies für das einleitend beschriebene Verfahren
dadurch erreicht, daß, bevor das filmbildende Metall aufgebracht wird, auf der Unterlage
eine aus einem filmbildenden Metall, wie Zirkon, Aluminium, Tantal, Titan oder Niob,
hergestellte Oxydschicht als ätzbeständige Schutzabdekkung für die Unterlage aufgebracht
wird.
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Das vorherige Aufbringen des Oxydfilms ergibt die notwendige Widerstandsfähigkeit
gegen den Angriff der Fluorid-Atzlösungen, schützt also .die bloßgelegte Unterlage
und verhindert deshalb Unterschneidungen.
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Es ist ein Kondensatorherstellungsverfahren bekannt, bei dem Titan,
ein filmbildendes Metall, auf einen metallischen Träger, insbesondere eine Aluminiumfolie,
aufgedampft und anschließend zur Bildung des Kondensator-Dielektrikums in Oxyd übergeführt
wird. Zweckmäßig wird dann noch eine Behandlung in der Richtung vorgenommen, daß
an Fehlerstellen der Titan-Diöxydschicht ein dielektrisch hochwertiges Umsetzungsprodukt
der metallischen Unterlage, beispielsweise Aluminiumoxyd, entsteht, wonach nach
Aufbringen der Gegenelektrode das Ganze in bekannter Weise zu Wickel- oder Stapelkondensatoren
verarbeitet wird. Dieses Verfahren unterscheidet sich daher vom vorliegenden Verfahren
hinsichtlich Aufgabe und Lösung vollständig.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben;
es zeigen F i g. 1 bis 4 den Ablauf der Herstellung einer gedruckten Schaltung auf
einem Keramikblock in verschiedenen Verfahrensstufen, teils in Schrägansicht und
teils in Schnittansicht, F i g. 5 A bis 5 D Oberlächenrauhtiefe-Meßdiagramme für
eine Tantalschicht auf Glasunterlage, einmal ohne (F i g. 5 A, 5 B) und einmal mit
(F i g. 5 C, 5D) einer Tantaloxyd-Schutzabdeckung auf der Glasunterlage nach verschieden
langen Ätzbehandlungen; F i g. 1 zeigt einen Keramikblock 11, auf dem ein metallisches
Muster erzeugt werden soll.
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Als erstes wird zu Reinigungszwecken der Block 11 mit Trichloräthylen
nach üblichen Dampf-Entfettungsmethoden behandelt. Danach wird er unter Verwendung
von Ultraschall in mit Netzmittel versetztem Wasser gereinigt. Hieran schließt sich
ein mehrminutiges Kochen in 3prozentiger wäßriger H,02-Lösung an, gefolgt von dreimaligem
Kochen in destilliertem oder deionisiertem Wasser, wonach der Block 11 im warmen
Stickstoffstrom getrocknet wird.
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Sodann wird eine Schicht 12 eines filmbildenden Metalls auf dem Block
11 durch kathodisches Aufstäuben oder durch Vakuum-Aufdampfen nach üblichen Methoden
niedergeschlagen (F i g. 1). Tantal, Titan, Zirkon, Aluminium und Niob sind beispielsweise
für diese Zwecke .geeignet. Die Dicke der Schicht 12 ist nicht kritisch, sie liegt
vorzugsweise in der Größenordnung von 500 A, kann aber auch kleiner sein, solange
die Herstellung einer zusammenhängenden Oxydschicht von wenigstens 100 A nach Umsetzung
des Schichtmetalls in das Oxyd sichergestellt ist. Dieser Wert ist für die vorliegenden
Zwecke annehmbar. Eine obere Grenze für die anfängliche Schichtdicke besteht grundsätzlich
nicht. Jedoch haben dickere Schichten keine Vorteile. Aber überlegungen hinsichtlich
unterschiedlicher Temperaturkoeffizienten der Unterlage und Schicht legen ein Maximum
von etwa 2000 A fest. Als nächstes wird die Schicht 12 zur Erzeugung des entsprechenden
Oxydfilms 13 oxydiert (F i g. 2). Dies läßt sich durch thermische Oxydierung der
Schicht 12 erreichen, also durch eine Warmbehandlung in einem Ofen für 1 bis 5 Stunden.
Die hierfür notwendige Temperatur hängt vom filmbildenden Metall ab, sie ist beispielsweise
500° C für Tantal und liegt für andere filmbildende Metalle im Bereich von 500 bis
700° C. Die Erhitzung wird abgebrochen, wenn die Schicht 12 wenigstens teilweise
oxydiert ist. Das ist daran zu erkennen, daß der Film 12 transparent wird. Andere
Verfahren zur Herstellung der Oxydschicht 13 sind reaktives Aufstäuben und elektrochemische
Anodisierung. Nach Bildung des Oxydfilms 13 wird der Block 11 wiederum mit einer
kochenden 3prozentigen wäßrigen H20 Lösung gereinigt, dreimal in destilliertem oder
deionisiertem Wasser gewaschen und zum Schluß im warmen Stickstoffstrom getrocknet.
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Es kann nun die zweite Schicht 14 auf die Oxyd-. Schicht 13 aufgebracht
werden (F i g. 3), was wiederum nach üblichen Methoden geschieht. Die Dicke dieser
Schicht hängt von der gewünschten, speziellen Schaltung ab. Tantal, Titan, Aluminium,
Zirkon und Niob sind beispielsweise für diese Zwecke geeignet.
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Der nächste Schritt besteht in .der Photogravierung der Schicht 14,
um bestimmte Teile aus derselben entsprechend dem jeweils gewünschten Muster zu
entfernen. Hierzu kann nach jedem bekannten Verfahren gearbeitet werden, selbstverständlich
unter Auswahl einer für das Metall geeigneten Ätzlösung. Für die genannten Metalle
enthält die Ätzlösung allgemein Flußsäure oder andere Fluoride (vgl. »The Ferric
Cloride Etching of Copper Photoengraving«, Schaffert, Winkler, Vaaler und Deubn
er, 1949, veröffentlicht von Photo-engravers Research, Ine., Columbus, Ohio, und
»Photoengraving«, Groesbuck, Doubleday, Page und Company, 1924).
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In F i g. 4 ist der Block 11 mit dem gewünschten in der Schicht 14
erzeugten Muster dargestellt. Die Bezugsziffer 15 bezeichnet den Bereich, in dem
beispielsweise Tantal durch das Photogravierverfahren entfernt worden ist. Die erzeugten
Einzelteile der Schicht 14 sind für Widerstände und Verbindungsleitungen geeignet.
Wenn gewünscht, können sich dann noch weitere Verfahrensschritte anschließen, um
andere Bauteile, beispielsweise Kondensatoren, zu erzeugen.
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Die F i g. 5 A bis 5 D sind Oberflächenrauhtiefe-Meßdiagramme zur
Demonstration des vorteilhaften Einflusses der Oxydschutzschicht 13. Die Meßergebnisse
wurden auf folgende Weise erhalten.
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Zwei Glasscheiben, eine mit einer Tantalpentoxyd-Schutzschicht 13
und eine ohne, wurden gereinigt und auf die oben beschriebene Weise 3400 A dick
mit Tantal bestäubt. Sodann wurde die Tantalschicht 14 mit einem Photoschutzschichtmuster
von 0,25 mm
breiten Linien mit 0,25 mm breiten Zwischenräumen erzeugt.
Dann wurde durch Eintauchen jeder Glasscheibe in die Ätzlösung (Fluorwasserstoffsäure)
mit konstanter Ätzgeschwindigkeit ein stufenförmiges Muster während 70 bis
80 Sekunden Ätzdauer in der Tantalschicht erzeugt. Die Photoschutzschicht
wurde entfernt, und die verbliebenen Tantalstreifen dienten als Bezugsniveau für
die nachfolgende Oberflächenrauhtiefe-Messung. Bei fehlender Oxydschutzschicht 13
ist die Glasunterlage schon nach 23 Sekunden beträchtlich geätzt worden (F i g.
5 A). Nach 34 Sekunden (F i g. 5 B) zeigte die gleiche Glasscheibe eine etwa dreimal
größere Ätztiefe. Die Ergebnisse für die Glasunterlage mit aufgebrachter Oxydschutzschicht
13 sind in den F i g. 5 C und 5 D für eine Ätzdauer von 34 bzw. 60 Sekunden dargestellt.
Eine merkbare Zunahme der Ätztiefe zwischen den stehengebliebenen Tantalschichtteilen
ist nicht zu erkennen.
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Das Material für die Unterlage wird entsprechend dem beabsichtigten
Verwendungszweck des schließlichen Metallmusters ausgewählt. Für die Herstellung
gedruckter Schaltungen ist die Unterlage allgemein aus einem elektrisch nicht leitenden
Material. Hitzebeständige Materialien, wie Keramik, Glas, werden für den Zweck vorgezogen,
insbesondere im Hinblick darauf, daß beim Aufdampfen oder Aufstäuben der Metallschichten
vergleichsweise hohe Temperaturen entstehen, die die Unterlage aushalten muß. Zur
Vermeidung elektrisch schwacher Stellen in den Metallschichten empfiehlt es sich,
oberflächlich glatte Unterlagen zu verwenden, beispielsweise glasierte Keramik und
alle Glassorten. Das vorliegende Verfahren eignet sich immer dann, wenn das gewünschte
Endergebnis ein Muster aus einem filmbildenden Metall auf einer Unterlage ist und
wenn das zu verwendende Ätzmittel Flußsäure oder ein anderes Fluorid enthält.