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"Verfahren zur Herstellung festhaftender, elektrisch gut leitender
Überzüge auf Nichtleitern und Halbleitern" Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung fest. haftender, elektrisch gut leitender, metallischer Überzüge
auf aus nichtleitenden oder halbleitenden Materialien bestehenden Substraten.
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Für viele Zwecke in der Mikroelektronik benötigt man auf
Nicht- bzw. Halbleitern. wie Quarz, Glas, Keramik, Saphir, %rund, Silicium,
Germanium und anderen temperaturbeständigen Materialien und Kuwetoffen stromleitende,
metallische Schichten, die einer mechanischen Beanspruchung standhalten und nicht
abblättern. Typisehe Anwendungsfälle solcher Anadnungen sind die Herstellung von
1eiterzügen, Kontakzungen, Schaltungen und Substraten für Bauelemente
der verschiedensten Art. Auch zur galvanischen
Abscheidung
von magnetisierbaren Schichten (Dünnschiebtspeicher) für die Datenspeicherung werden
elektrisch leitende Schichten auf. sehr glatten Unterlagen benötigt; beispielsweise
bietct Glas eine Oberfläche von so geringer Rauhigkeit, wie sie für die ferromagnetischen
IAüuxsahichtspeicher benötigt wird, um die geforderten magnetischen Eigenschaften
einzuhalten.
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Die auf den Nichtleitern oder Halbleitern abgeschiedenen Leiterschichten
oder Kontakte sollen einerseits einen geringen elektrischen Widerstand aufweisen,
andererseits auf der glatten Unterlage so fest haften, daß sie bei mechanischen
Beanspruchungen nicht abplatzen oder aufreißen. Außerdem soll das aufgebrachte Material
möglichst unempfindlich gegen Oxydation durch Luftsauerstoff oder Konrosion durch
Säuren, Laugen und andere aggressive Medien sein. Unter den genannten Bedingungen
kommen als elektrisch gut leitende Metalle in erster Linie Gold, Silber, Kupfer
und Aluminium in Betracht. Im Hochvakuum unmittelbar auf die glatten nichtleitenden
oder halbleitenden Substrate aufgedampfte Schichten dieser Metalle weisen nicht
die gewünschte Haftfestigkeit auf. Deshalb ist es bekannt, als Haftvermittler zwischen
dem Substrat und der elektrisch gut ldtenden Schicht eine dünne Chromschicht aufzudampfen.
Das
Aufdampfen von Chromast deshalb erforderlich, weil infolge des Fehlens eines guten
elektrischen Leiters eine galvanische Abscheidung des Chroms nicht möglich ist und
weil eine stromlose Abscheidung von Chrom bisher nicht bekannt geworden ist.
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Die Chromschichten weisen einen relativ hohen elektrischen Widerstand
auf. Die Leitfähigkeit der Metallschicht wird deshalb vorwiegend durch die Dicke
der über der Chromschicht aufgebrachten Metallschicht bestimmt.
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Um ein Beispiel anzuführen: Eine Leiterschicht, die aus einer etwa
340 AE dicken Chromschicht und einer etwa 1000 AE dicken Goldschicht auf Glas besteht,
besitzt einen elektrischen Widerstand von etwa 5 12/Quadrat. Dickere Goldschichten
weisen geringere Flächenwiderstände auf, die bis zu etwa 1.Q/Quadrat betragen können.
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Die Haftfestigkeit der Goldfilme auf der Chromschicht ist jedoch gering,
insbesondere wenn die Goldfilme, wie angegeben, eine erhöhte Dicke aufweisen, um
den Flächenwiderstand herabzusecn. Einer mechanischen Beanspruchung oder
der
galvanischen Abscheidung einer weiteren Schicht, die beispielsweise eine Permalloyschicht
sein kann, sind solche Schichten nicht gewachsen.
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Die Haftung der Goldschicht auf der Chromschicht ist dann besonders
unbefriedigend, wenn die Goldschicht bei Substrattemperaturen unter 200o C aufgedampft
wird. In solchen Fällen läßt sich die Goldschicht schon durch einfaches Reiben wieder
entfernen. Außerdem dürften auch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
von Chrom und Gold die Verringerung der Hk.,&»tfestigkeit mitverursachen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
mittels dessen haftfeste, elektrisch gut leitende metallische Überzüge auf Nichtleitern
oder Halbleitern hergestellt werden können.
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Die Erfindung besteht darin, daß in an sich bekannter We i3e zunächst
eine dünne Schicht aus Chrom als Haftvermittler auf das Substrat aufgedampft vd.rd
und daß anschließend das elektrisch gutleitende Metall gleichzeitig oder alternierend
mit weiteren Mengen von Chrom in der Weise abgeschieden wird, daB'der Gehalt an
Chrom in dem aufgedampften Überzug sich mit der Dicke des Üherzugs vermindert.
Die
erfindungsgemäße Lösung der genannten P-xfgabe geht zum einen so vor, daß
nach dem Abscheiden einer genügend starken Chromschicht unmittelbar auf dem geheizten
Substrat mit dem Verdampfen des elektrisch get leitenden Metalls in zunehmender
Menge zu beginnen. Die Chromverdampfung wird nicht sofort abgebrochen, sondern allmählich
verringert, so daß in steigendem Maße Chrom durch das zweite Metall in der Schicht
ersetztvtrd, bis schließlich nur noch das elektrisch gut leitende Metall zum weiteren
Schichtaufbau beiträgt.
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Figur 1 zeigt die Zeitabhängigkeit der aufgedampften Anteile
üer beiden Metalle, wemn Chrom und Gold aufgebracht Werden.
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Wenn Chrom auch einen verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstand
aufweist, so ist grundsätzlich doch die zunächst auf den Nichtleiter oder Halbleiter
aufgedampfte dünne Chromschicht geeignet, als Elektrode für eine galvanische Abscheidung
des anderen Metalles zu dienen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, daß
beispielsweise Gold und Chrom nicht aus einem gemeinsamen Bad abgeschieden werden
können, so daß ein ständiger Badwechsel erforderlich würde.
Die
Steuerung des Aufdampfprozesses läßt sich sowohl von Hand alb auch über geeichte
Aufdampf-Steuergeräte vornehmen. In Fällen,.wo die Aufdampfvorrichtung ea nicht
zuläßt, gleichzeitig zwei Aufdampfquellen nebeneinander zu betreiben, ist es gemäß
der zweiten Möglichkeit, die die erfindungsgemäße Lösung der genannten Aufgabe bietet,
zweckmäßig, in rascher Folge sehr dünne Chromschichten und Schichten aus dem elektrisch
gut leitenden Metall bei der Abscheidung abwechseln zu lassen, wobei die aufgedampften
Chrommengen schrittweise verringert werden und zuletzt eine dünne Schicht des elektrisch
gut leitenden Metalls aufgedampft wird.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man also alle Übergänge -beispielsweise
bei Chrom-Gold-Legierungen Schichten mit zunehmendem Soldgehalt bei wachsender Schichtdicke
oder lamllarem Aufbau mit ständig abnehmender Schichtdicke der Chromzwischenschichten
- zwischen der urmittel-, bar auf das Substrat aufgedampften Chromschicht und der
Golddeckschicht realisieren. Die Haftfestigkeit der Leiterschicht, die nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren auf der Chromschicht bzw. auf der Unterlage niedergeschlagen
wird, übertrifft bei weitem die Haftfestigkeit von Leiterschichten, die nach dem
bisherigen Verfahren hergest;;llt wurden.
Es könnte mit Hilfe eines
in der Dünnschichttüchnik üblichen Abziehtestes, der auf dem Aufkleben einer Klebefolie
auf der zu prüfenden Schicht beru#t, festgestellt werden, daß sich auch dickere
Chrom-Gold-Schichten mit Flächenwiderständen unter 5 n/Quadrat rieht abziehen ließen,
wenn sie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgedampft waren. Goldschichten im
vergleichbaren Dickenbereich, die ohne den Chrom-Gold-Übergang irrmittelbar auf
die Chrom-Schicht aufgedampft waren, ließen sich durch das Klebeband leicht von
der Chromschicht abtrennen. Ähnliche Ergebnisse sind bei Chrom/Aluminium-, Chrom/Silber-,
Chrom/Kupfer- und anderen Chromlegierungsschichten beobachtet wurden.
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Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Beispiels
näher erläutert.
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Zur galvanischen Beschichtung von Glas- oder Saphirplättchen mit einer
bis zu 30 ,am dicken ferromagnetischen Schicht aus einer Nickel-Eisen-Legierung
müssen diese Substrate zunächst geschliffen und poliert werden und anschließend
haftfest metallisiert werden.
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Nach der Reinigung in einem Chromsäure-Schviefelsäure-Gemisch wurde
das Substrat gespült, getrocknet und in eine geeignete
Aufdampfhalterung
eingespannt. Mit Hilfe eines Kohlewiderstandes wurde das Substrat nunmehr im Hochvakuum
auf 300°C aufgeheizt. Aus einem Wolframschiffchen wurde sodann pulverisiertes Chrom
bei 10-5 bis 10-6Torr verdampft. Nachdem das Substrat mit einer 50 bis 100 AE dicken
Chromschicht bedeckt war, wurde mit der. Verdampfung reinen Goldes aus einem zweiten
Wolframschiffchen begonnen, wobei die Heizströme für die Wolframschiffchen so gesteuert
wuxlen, daß die Verdampfungsrate bei Chrom allmählich auf null abfiel, während die
Verdampfungsrate bei Gold stetig anstieg, so daß am Schluß.nur noch Gold verdampfte.
Die Dicke der goldreichen Schicht und der darüberliegenden reinen Goldschicht wurde
auf den gewünschten Flächenwiderstand abgestimmt. Die verdampfte Menge an Gold war
doppelt so groß wie die verdampfte Chrommenge. Bei einer Gesamtschichtdicke Chrom-Chrom/Gold-Gold
von 1500 AE betrug der Flächenwiderstand der Gesamtschicht lediglich 3 bis 5 j quadrat.
Neben der Haftfestigkeit der elektrisch gut leitenden Schicht sind auch die Härte
und die Abriebfestigkeit dieser Schicht gegenüber mit herkömmlichen Verfahren hergestellten
Schichten stark verbessert. Die chemische Beständigkeit der , erfindungsgemäß
hergestellten Schicht ge-enüber aggressiven Medien. entspricht der von Gold bgw.
der des reinen als elektrisch gut leitendes Material verwandten Metalls.