DE1590786C - Verfahren zur Herstellung von Mikro Miniatur Schaltungen bzw Schaltungsbauele menten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mikro-Miniatur-Schaltungen bzw. Schaltungsbauelementen durch Aufsprühen bzw. Niederschlagen einer dünnen Metallschicht im Vakuum oder einer Gasatmosphäre auf eine Unterlage, wobei die Metallschicht aus zwei Metallen gleichzeitig gebildet wird.

Um die Anforderungen zu erfüllen, die eine Metallschicht bei der Verwendung in Mikro-Miniatur-Schaltungen bzw. in Bauteilen wie Widerständen und Kondensatoren aufweisen muß, sollte sie die nachfolgenden Eigenschaften besitzen: '■ ,

1. sie muß eine gute Haftung auf der glatten Oberfläche einer Unterlage, z. B. Glas, besitzen;

2. sie muß genügend korrosionsfest sein, so daß keine Kavitation od. dgl. auftritt, wenn sie beispielsweise einer Ätzung unterworfen wird, um bestimmte Muster herzustellen; das Metall muß vielmehr gleichmäßig geätzt werden; .

3. sie muß eine ausreichende Konstanz der elektrischen Eigenschaften sowohl im Betriebe als auch bei der Lagerung aufweisen, und zwar auch bei Schichten, deren Widerstand größer als 8 Ohm/cm² besitzt; und

4. sie muß oxydierbar sein, wobei sich ein widerstandsfähiges schichtförmiges Dielektrikum bildet, sofern eine Kapazität hergestellt werden soll; handelt es sich jedoch um Widerstände, so dient das Dielektrikum zur Erleichterung des Widerstandsabgleich auf einen bestimmten, eng tolerierten Wert.

Es ist bekannt, daß zum Erfüllen dieser Forderungen das betreffende Metall unter jenen ausgesucht werden soll, welche ein amphoterisches Oxyd bilden. Es ist auch bekannt, daß Tantal die obenerwähnten Eigenschaften in bemerkenswertem Ausmaß besitzt, und daher ist es das meistens für solche Zwecke verwendete Metall. Tantal ist ungewöhnlich Widerstandsfähig gegen praktisch alle chemischen Einflüsse unterhalb 15O⁰C, und es ist unwahrscheinlich, daß irgendein anderes reines Metall, welches ein amphoterisches Oxyd bildet, verwendet werden kann, um stabilere dünne Schichten herzustellen. Freilich ist auch Tantal nicht als idealer Werkstoff anzusehen; insbesondere erfüllt er nicht völlig die unter 3 aufgeführte Forderung der elektrischen Stabilität. So ist es bekannt, daß der Widerstandswert eines aus reinem Tantal durch Aufsprühen (»Sputtering«) hergestellten Widerstands sich langsam ändert — und zwar ständig zunimmt —, wenn der Widerstand dauernd bei einer erhöhten Temperatur von beispielsweise 15O⁰C betrieben wird. :

Diese Änderung der Widerstandszunahme kann man feststellen, wenn eine Probe einem mehrfach wiederholten Temperaturzyklus ausgesetzt wird, oder wenn man die Probe während einer beträchtlichen Zeitspanne auf erhöhter Temperatur hält. In jedem Falle zeigt sich, daß der Widerstand der Probe sowohl bei höherer Temperatur als auch bei normaler Temperatur etwas zugenommen hat.

Dementsprechend wurden bereits verschiedene Versuche zur Verbesserung unternommen. Bei einem Verfahren, das von einer Sprühtechnik Gebrauch macht, wird ein Gas, ζ. Β. Sauerstoff oder Stickstoff, in die Sprühkammer eingeleitet (Gerstenberg and Calbick, the American Journal of Applied Physics, Vo. 35, number 2, February 1964). Bei einem anderen Verfahren wird ein Metall'der Gruppe Ib des Periodischen Systems der Elemente, z. B. Gold, in das Tantal eingebracht, und zwar indem man erstens eine Tantalschicht durch Spritzen aufbringt, zweitens eine Goldschicht und drittens «eine weitere Tantalschicht. Die drei Schichten läßt man dann ineinander diffundieren, indem man sie für eine ausreichende Zeitspanne auf einer Temperatur von 35O⁰C hält. (Schaible and Mais se 11, of the Components division of International Business/Machines Corp., New York, the 1962 Transactions of the Ninth Vacuum Symposium of the American Vacuum Society.)

Es sei auch bemerkt, daß von diesen Vorschlägen sich nur der zuerst genannte eignet, wenn die Schaltung oder das Schaltungsbauelement eine Kapazität enthält.

Es ist ferner bekannt, Bauelemente in Dünnfilmtechnik durch direktes Aufdampfen oder Kathodenzerstäuben derart herzustellen, daß die Metallschicht aus zwei Metallen gleichzeitig gebildet wird, z. B. aus Nickelchrom zur Herstellung von Widerständen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, dünne Metallschichten herzustellen, welche die eingangs gestellten Forderungen erfüllen, und die insbesondere eine hohe Konstanz der elektrischen Eigenschaften aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei dem Verfahren der eingangs erwähnten Gattung als Metalle Tantal und Aluminium verwendet werden, von denen mindestens eines in reiner Form oder als Legierung oder als aus den beiden Metallen bestehende chemische Verbindung vorliegt. Die hierbei gegebenenfalls verwendete chemische Verbindung kann Aluminium-Tantalid sein.

Zweckmäßig wird aus den Metallen eine zweiteilige Kathode geformt, welche aus einer Tantalscheibe und einem diese umgebenden Ring aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

Die Oberfläche des Aluminiums in der Kathode sollte etwa 8 bis 14°/o, vorzugsweise etwa 11,6% der Gesamtoberfläche betragen.

Der Vorteil der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Metallschichten besteht insbesondere in ihrer hohen elektrischen Konstanz, die sie z. B. zur Herstellung von Widerständen geeignet machen.

Bei der Durchführung der Erfindung werden Schichten aus den genannten Metallen durch kathodisches Aufsprühen von einer zusammengesetzten Kathode gebildet, welche aus einer Scheibe aus einem der Metalle besteht, die vor einer Hinterplatte mittels eines Ringes aus dem anderen Metall gehalten wird.

Tantal und Aluminium wurden als übliche Metallpaarung gewählt, weil sie leicht in Blechform von hoher Reinheit erhältlich sind. Die Existenz der stabilen Verbindung Aluminium—Tantalid, die unmittelbar aus den beiden Elementen hergestellt werden kann, war ein weiterer Anreiz zur Verwendung dieser Kombination.

Es wird eine Anzahl von Versuchen durchgeführt, um die günstigsten Anteile des Aluminiums in einer Aluminium-Tantal-Schicht festzustellen. Diese Anteile wurden nicht als Bruchteile der Schicht selbst ausgedrückt, da dies eine nicht leicht bestimmbare Größe wäre, jedenfalls bei den zur Zeit verfügbaren Meßeinrichtungen; die Angaben beziehen sich vielmehr auf den Bruchteil des Aluminiums in der

Kathodenfläche, die beim Niederschlagen im Vakuum verwendet wird.

Also wurde in einer Reihe von Versuchen eine Scheibe aus reinem Tantal benutzt, deren Außendurchmesser etwa 20 cm betrug, und aus einem
miniumblech mit einer Reinheit von 99,999 °/o wurde eine große Ringscheibe ausgeschnitten, deren Außendurchmesser 21,6 mm und deren Innendurchmesser 15,2 mm betrug. Diese bildeten zusammen die Kathode, welche nach einem Sprühen von einer Stunde sauber war und ein Sprühen von 10 Minuten erlaubte, um eine Schicht herzustellen, aus der Widerstände ausgeätzt wurden. Aus zwei dickeren Schichten wurden Kapazitäten hergestellt. Der Versuch wurde dann wiederholt, wobei man den Innendurchmesser des Ringes vergrößerte. So wurde, ausgehend von einer Kathode, bei der die Fläche des Aluminiums 20% der Gesamtfläche ausmachte, bis herab zu einer Fläche von ungefähr 3 °/o gearbeitet.

In der nachstehenden Aufstellung sind einige der erzielten Resultate angegeben:

Widerstandes. Um diesen Einfluß innerhalb vernünftiger Grenzen zu halten, ergab sich, daß ein Bereich von ungefähr 8 bis 14% Aluminium tragbar erschien.

- 5 Es sei darauf hingewiesen, daß der Temperaturkoeffizient des Widerstandes einer Tantal-Aluminium-Schicht, die aus einer nicht gekühlten Kathode hergestellt ist, zum Teil von der Länge des vorangehenden Betriebes abhängt. Wenn dieser vorangehende

ίο Betrieb sehr lang ist, dann besitzt die Schicht einen niedrigen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes, und zwar weil die Kathodenoberfläche überheizt worden ist. Bei einem Betrieb von weniger als etwa Minuten wird der Temperaturkoeffizient des Widerstandes groß, weil die Kathodenoberfläche von Oxyd saubergesprüht worden ist, ohne daß sie dabei überheizt wurde.

	ι empcriiLur- koeffizient des	Prozentuale Wider
Prozentuale	Widerstandes	standszunahme nach
Fläche der Kathode des		1000 Stunden bei 104° C bei einer
Aluminiums	-138	Schichtbelastung von
	-122	4 W/cm2
16,25	-120	0,28
11,60	-48	0,11
7,25	N -61	0,39
5,15	2,72
3,14	0,84

Der optimale Anteil von Aluminium ergab sich also bei einem Aufsprühen, bei dem die Fläche des Aluminiums zur Fläche des Tantals im Verhältnis 11,6 : 88,4 stand, d. h. bei 11,60% der Gesamtfläche. In diesem Falle war die Konstanz der elektrischen Eigenschaften, insbesondere des Widerstandes, größenordnungsmäßig etwa zehnmal so groß wie bei reinem Tantal. Außerdem wurde beim Abweichen von diesem Optimalwert von 11,60% nach oben und nach unten festgestellt, daß sich die elektrischen Eigenschaften sehr schnell verschlechterten, insbesondere hinsichtlich des Temperaturkoeffizienten des

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von MikroMiniatur-Schaltungen bzw. Schaltungsbauelementen durch Aufsprühen bzw. Niederschlagen einer dünnen Metallschicht im Vakuum oder einer Gasatmosphäre auf eine Unterlage, wobei die Metallschicht aus zwei Metallen gleichzeitig gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Metalle Tantal und Aluminium verwendet werden, von denen mindestens eines in reiner Form oder als Legierung oder als aus den bei den Metallen bestehende chemische Verbindung vorliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung Aluminium-—Tantalid ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Metallen eine zweiteilige Kathode geformt wird,' welche aus einer Tantalscheibe und einem diese umgebenden Ring aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Aluminiums in der Kathode etwa 8 bis 14% der Gesamtoberfläche ausmacht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Aluminiums etwa 11,6% der Gesamtoberfläche beträgt.