DE1925760B2 - Verfahren zum herstellen gemusterter duenner schichten aus metall oder metallverbindungen durch vakuumaufdampfen oder kathodenzerstaeuben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen gemusterter dinner Schichten aus Metall oder Metallverbindungen durch selektives Aufbringen eines pastenartigen Glasfrittematerials auf eno Oberfläche zum Erhalt des Negativs e'ncs gewünschten Musters, Erwärmen des Glasfrittematerials auf zur Aushärtung ausreichende Temperatur. Niederschlagen cner dünnen Schicht aus Metall oder Metallverbindungen auf die Oberfläche und die gehärtete Glasfritte und tntfernen der letzteren zusammen mit den darübcrliegenden Teilen der Schicht.

Die zunehmende Kompliziertheit moderner elektrischer Systeme führte zu einem äußerst starken Bedürfnis nach einer Miniaturisierung von Erzeugnissen und Systemen. Dieses ist das Resultat der Forderung nach erhöhter Zuverlässigkeit und Wartungsfreiheit, gekoppelt mit verringerten Kosten, verringerter Größe und verringertem Gewicht. Es gibt eine Reihe Wege zur Miniaturisierimg. Ein erster Weg ist die fortschreitende MiniaturisLrung üblicher, diskreter Komponenten. Ein zweiter Weg ist die Verwendung von Halbleitermaterial, zusammen

ίο mit Epitaxie- und Diffusionsverfahren, um sowohl aktive als auch passive Bauelemente zu erzeugen. Ein dritter Weg ist die Herstellung von Dünnschicht-Bauelementen, wobei auf eine isolierende Unterlage niedergeschlagene dünne Materialschichten zur Erzeugung vcn Schaltungskomponenten und zugeordneten Zwischenverbindunjen verwendet werden.

Dünnschichtschaltungen, die einen höheren volumetxischen Wirkungsgrad oder eine höhere Packungsdichte als übliche Schaltvnsen oder gedruckte Schal-

ao tungen mit üblichen Schalu η ^komponenten haben, weisen im allgemeinen en filmartiges Leitemetzwerk und eine Vielzahl passiver elektrischer Komponenten in Schichtform, wie Widerstände und Kondensatoren, auf, die in situ auf einer gemeinsamen Unterlage

as erzeugt werden. Diese dünnen Schichten, die in der Größenordnung 300 bis 30 000 Angstrom dick sind, werden nach Vakuumniederschlagsmethoden hergestellt. Der Ausdruck »Vakuumniederschlag« soll hier Aufdampfen, Zerstäuben sowie andere äquivalente »Konden sation >«-Methoden umfassen.

Bei einer Tantal Dünnschichtschaltung werden beispielsweise Kondensatoren und Widerstände in einem einzigen Tantalmuster erzeugt. Dieses vereinfacht die Materialien und Verfahrensschritte und begünstigt die Miniaturisierung und Zuverlässigkeit. Normalerweise werden mit dem ursprünglichen Muster ebenfalls rudimentäre Zwischenverbindungen erzeugt, auf welche Gold oder andere bessere Leiter später niedergeschlagen werden kennen. Die Widerstandswerte der Widerstände sind durch Dicke und Geometrie der niedergeschlagenen Schicht bestimmt. Obgleich genaue Werte nach zahlreichen Methoden erreicht werden kennen, ist eine der praktikabelsten Methoden die elektrochemische Anodisierung Eine Anodisierung reduziert den Querschnitt des Metalls und erhöht dadurch den Widerstand. Durch geeignete ÜberwachungsmaPnihmen erhält man die genauen Widersundswerte. Bei der Herstellung von Kondensatoren wird die anfänglich niedergeschlagene Schicht als der em Kondensatorbelag benutzt. Das Dielektrikum kann dann durch gesteuerte Oberflächenoxydation des Metalls oder durch gesondertes Niederschlagen eines Oxidfilms erzeugt werden. Da der Kapazitätswert umgekehrt proportional zur Dicke des Dielektrikums ist, wird die Oxiddicke sorgfältig kontrolliert, um die erforderliche Kapazitätstoleranz zu erhalten. Das dritte Element, der Gegenbelag, wird durch Niederschlagen eines Metalls auf die Oberseite des Oxids erhalten. Der Kondensator ist dann, außer dem Anbringen von Zuleitungen, fertig.

Tantal ist ein besonders brauchbares Metall für

Diinnschichtschaltungcn. Es ist stabil und hat einen mittclhohcn spezifischen Widerstand, der sich sowohl zur Herstellung von Widerständen als auch von Kondensatoren eignet. Zusätzlich hat das während der Anodisierung erzeugte Tantaloxid eine hohe Dielektrizitätskonstante und eine hohe dielektrische Durchschlagsfestigkeit. Tantal kann daher leicht bei

der Herstellung von Kondensatoren benutzt werden, wo das Metall als der eine Belag und das Oxid als das Dielektrikum verwendet werden. Andere geeignete Materialien sind vor allem Aluminium, Chrom, Nickel, Zinn, Titan, Gold, Cadmium und Palladium sowie Mischungen hiervon. In einigen Fällen sind Metallverbindungen bevorzugt, beispielsweise das bei der Herstellung vcn Dünnschichtwiderständen benutzte Tantalnitrid, wie dieses in der USA.-Patentichrift 3 242 006 (D. G ersten be rg) beschrieten ist.

Die Auswahl einer geeigneten Unterlage, die im Vakuum bei 400°C dimensional stabil sein muß, ist für die Herstellung von Dünnschichtbauelementen wichtig. Die bedeutsamsten Eigenschaften von Unterlagen sind erstens Oberflächenglätte, zweitens richtige chemische Zusammensetzung und drittens thermische Leitfähigkeit. Obgleich es nicht zum gleichen Grad für Widerstände wie für Kondensatoren wesentlich ist, begünstigen glatte Oberflächen die Peproduzierbarkeit des spezifischen Flächenwiderstandes und die Definition feiner Linien. Die besten Oberflächen für Kondensatoren sind gezogene oder verschmolzene Oberflächen, wie beispielsweise die Oberflächen von gezogenem Glas, erschmolzenem Quarz oder glasierter Keramik, obgleich gut polierte Oberflächen von Materialien wie Pyrex, Quarz und Saphir verwendet werden kennen. Es ist für gezogenes Glas möglich, daß ene Seite desselben befriedigend und die andere Seite unbefriedigend ist. Darüber hinaus kennen gezogene Platten in Ziehrichtung eine gewisse Welligkeit haben, die das satte Aufbringen mechanischer oder photographischer Masken ernsthaft beeinträchtigen kann.

Es ist gleichfalls wichtig, daß die Unterlage mit der Schic.it nicht in Wechselwirkung tritt. Soda-Kalk-Glas ist beispielsweise zur Verwendung bei hohen Gleichstrombelastungen nicht geeignet, weil die Natriumionen zum negativen Anschluß wandern und eine Verschlechterung der Schicht verursachen. Andere Zusammensetzungsfaktoren, wie Unbeständigkeit gegenüber bestimmten Ätzmitteln und Elektrolyten, müssen gleichfalls beachtet werden, wenn das Muster nach photolithographischen Methoden erzeugt wird.

Die thermische Leitfähigkeit der Unterlage muß gleichfalls beachtet werden. Beispielsweise wird angenommen, daß der Unterschied beim Altern von Widerständen auf glasiertem Aluminiumoxid und auf Glas hauptsächlich von einem Temperaturunterschied infolge der hohen thermischen Leitfähigkeit von Aluminiumoxid herrührt. Trotz der Wichtigkeit der thermischen Leitfähigkeit ist Glas mit niedrigem Alkaligehalt ein wichtiges Unterlagematerial. Glas wird wegen seiner geringen Kosten und wegen der Leichtigkeit bevorzugt, mit der große Platten in kleine, einzelne Schaltungsplättchen zerteilt werden kennen. Aluminiumoxid und Berylliumoxid herrschen dort vor, wo die höchsten Belastungen und stärksten Stabilitätsanforderungen auftreten.

Die bevorzugten Methoden zum Niederschlagen von Schichten sind Vakuumaufdampfung und kathodische Zerstäubung. Der Hauptunterschied zwischen diesen Methoden ist der, daß, während thermische Fncrgie bei Aufdampfmethoden zur Verdampfung des Beschichtungsmaterials verwendet wird, für das Zerstäuben ein Hochspannungsionenbombardement des Beschichtungsmaterials, das ein Herausschlagen von Atomen verursacht, beim Zerstäuben verwendet wird. Daher können dünne Schichten aus hitzobeständigeren Materialion durch Zerstäuben niedergeschlagen werden.

Beim Vakuumaufdampfen wird eina Vakuumkammer benutzt, die auf annähernd 1 · 10~⁵ mm Hg evakuiert worden ist. Die zu verdampfende Charge wird dann erhitzt, bis ihr Dampfdruck den Druck des Vakuumsystems überschreitet, an welchem Punkt

ίο das Material rasch verdampft. Es wird von der Quelle geradlinig abtransportiert und auf den kühleren, umgebenden Oberflächen kondensiert.

Beim kathodischen Zerstäuben wird eine zwischen zwei Elektroden aufrechterhaltene Niederdruck-

Glimmentladung verwendet. Die Kathode, die aus dem niederzuschlagen Jen Material aufgebaut ist, wird durch positiv geladen? Visionen, üblicherweise Argen, bombardiert. Hierdurch werden die Atome des Kathoden naterials herausgeschlagen, die sich

ao dann auf geeignet angeordnete Unterlagen niederschlagen.

Das Niederschlagen guter Schichten im gewünschten Muster ist der Schlüssel zur Herstellung zuverlässiger Bauelemente. Demgemäß erfordern die aus

»5 dünnen Schichten hergestellten Schaltungsmuster einen

hohen Genauigkeits- tnd Präzisionsgrad, um die

engen Toleranzen einhalten zu kennen, die für die

elektrischen Eigenschaften benStigt werden.

Innerhalb gewisser Begrenzungen sind mechanische

Masken zur Zeichnung der Muster benutzt worden. Die Masken sind aus Metallen, wie rostfreiem Stahl, Molybdän oder Nickel, hergestellt und müssen extrem dinn sen, um e'ns Abschattung zu minimalisieren. Dos Abschatten, d. h. en unregelmäßiger Metallniederschlag, tritt auf, wenn eine Maske zu

dick ist oder sich das Metall auf der Maske aufbaut.

Das Abschatten kann verursachen, daß erstens

das niedergeschlagen? Metall unregelmäßige Breite

hat und nicht haftet, daß zweitens das niedergsschlagene Metall un*egelmäßige Dicke und sich ändernden Widerstandswert hat und daß dritten} elektrisches Rauschen auftritt. Zusätzlich tritt noch das Problem auf, die Masken während des Niederschlages so zu halten, daß en guter Kontakt über der ganzen Ober-

fläche der Unterlage aufrechterhalten wird. Die Förden nj e'ms satten Sitzes der Maske auf der Unterlage ist für aufgestäubte Schichten kritischer. Die zerstäubten Atome haben e'ne größere Tendenz ais verdampfte Atome, diffuse Kanten zu erzeugen,

mi zwar wegen der breiten Quelle und der Streuung e nes gewissen Bruchteils der zerstäubten Atome. Unterlagen sind auch schon bei dem Versuch gebrochen, e'nen satten Sitz der Maske auf der Unterlage zu erhal.en.

Verschiedene Methoden sind zur Erzeugung von Mustern auf photolithographischem Wege verwendet worden, ein Prozeß, der sowohl umständlich als auch kostspielig ist. Wird beispielsweise »direktes Photoätzen:« verwendet, wie dieses in der USA,-Patentschrift 2 953 484 (B. F. Te 11 k a. m p) besehrieben ist, so wird die Unterlage zunächst vollständig mit Metall oder einor Metallverbindung beschichtet und sodann mit e'nsr dünnen Schicht aus einer lichtempfindlichen Emulsion (üblicherweise

als »Photolack« bezeichnet) bedeckt. Die Unterlage wird unter Verwendung eines Drehtisches geschleudert oder gewirbelt, um eine gleichförmige Beschichttn», zu erzeugen. Sodann wird sie erhitzt, um den

Photolack richtig einzustellen. Da die Emulsion lieh temp f.ndlich ist, muß Vorsorge gegen vorausgehende, i;nbeabsichtigte Eelichtung getroffen werden. Diese Emulsicn wird denn durch en Negativ des gewinschten Musters hindurch mit Ultraviolettlicht belichtet, wobei durch die Eelichtung die Emulsion im jeweils dem Licht ausgesetzten Teil polymerisiert. Nach dem Wegwaschen der restlichen Emulsion wird die Unterlage etneut erhitzt, um alle Lösungsmittelspuren zu entfeinen und um den Photolack zu härten, to Der Metallniederschlag kann dann selektiv geätzt werden. Die bevorzugten Ätzlösungen enthalten Huorwasserstoff säure; wenn daher direktes Ätzen benutzt wird, wird die Unterlage im das Muster des Metalls oder der Metallverbindi ng umgebenden Gebiet etwas engegriffen, wenn sie aus Glas, glasierter Keramik oder cnderen, gegenüber HF empfindlichen Materialien besteht. Eine elektrochemische Entfernung des Metalls oder der Metallverbindung in einer methanolischen Aluminiumchloridlösung verhindert ™ den Angriff der Unterlage, aber das Hinterscrneiden kinn sehr stark werden. Nach vervollständigter Mustererzeugi ng muß der restliche Photolack entfeint werden. Wegen sener EestSndigkeit gegenüber einem Lcsingsmittelangriff, die im vorausgegangenen as Verfahren vorteilhaft war, wird die Entfernung des restlichen Photolacks zu emm Problem. Häufig ist knges Eintauchen η en geeignetes Lösungsmittel, unterstützt durch mechanisches Abreiben, notwendig.

Die Verwendung ener Metalloxidschicht, die auf der Unterlage-Oberfläche vor allen übrigen Vorgfngen erzeugt wird, diente zur Minimalisierung enes /ngriffes der Unterlage durch das Ätzmittel. E ntsprech nd dieser »Oxid-Unterschicht«-Methode wird die L nterlage mit 100 bis 500 Angström Metall beschichtet, das denn in Luft bei 500 bis 600⁰C 1 Stunde kng bis zur vollständigen Oxydation oxydiert wird. Alternativ sind reaktiv aufgestäubte oder vollständig enodisierte Schichten benjtzt worden. Dieses oxidbeschichtete Material wird dann als die Unterlage für direktes Photoätzen benutzt.

E ne weitere Methode zum Erzeugen von Mustern ist das »Abweist ngsmaskieren«. Nach dieser Methode wird eine Schicht eines leicht ätzbaren Metalls, z. B. Kupfer oder Aluminium, zuerst auf die Unterlage aufgebracht, und in dieses wird eine Öffnung erzeugt durch Inifeinen des dem gewin,chten Muster entsprechenden Materials durch Photoätzen. Ein Metall, wie Tantal, wird auf die ganze Oberfläche aufgestäubt. Die beschichtete Unterlage wird dann in ein Ätzmittel für das erste Metall eingetaucht. Dieses Metall löst sich auf vnd setzt das darüberliegende Tantal frei, es bleibt also Tantal nur dort zurück, wo es erforderlich ist.

Es werden milde Ätzmittel benötigt, um einen Angriff auf die Unterlage zu vermeiden.

Wenn das Metall, wie Tantal, dfnn genug ist, so daß es vollständig durchanodisiert werden kann, dann kann statt der Verwendung einer Ätzlösung nach dem Entwickeln des Photolacks ein Elektrolyt und ein Gleichstrompotential zur Durchanodisierung des gesamten, im offenen Gebiet vorhandenen Metalls verwendet werden. Wenn jedoch die Tantaldicke nicht sehr gleichförmig ist, tritt das Problem auf, daß nicht umgewindelte Tantalinseln zurückbleiben.

Es wurde auch angeregt, daß Aluminium zur Unterstützung beim Erhalt eines Tantalmusters verwendet werden kann. In einem Fall wird Aluminium auf die ganze Oberfläche der tantalbeschichteten Unterlage η edergeschlagen. Sodann wird un'.er Verwending e nor selektiven Ätzv.ng nach photolithographischen Methoden das Aluminium dort entfernt, wo sich unerwünschtes Tantal befindet. Sodann wird ein Elektrolyt, der sich sowohl für Tantal als auch für Aluminium eignet, verwendet, und das Ganze wird enodisiert, bis das im offenen Gebiet gelegene Tantal vollständig umgewindelt ist. Vorausgesetzt, daß das Aluminium in ausreichender Dicke niedcrgeschlagen worden ist, so daß es nicht durchanodisiert wird, kann es mn mit enem milden Ätzmittel entfeint werden, und das bloße Tantal bleibt im gewünschten Muster zurück.

Bei e nem alternativen Prozeß wird von dem Umstand Gebrauch gemacht, daß Tantaloxid durch die normalen Ätzmittel für Tantal kaum angegriffen wird. Nach Aufbringen von etwas mehr Tantal als benötigt und nach Überschichten desselben mit AIuminium wird durch selektives Ätzen das Aluminium aus denjenigen Gebieten entfeint, welche das gewinschte Tentalmuster enthalten; dieses wird dann auf ein mäßiges Potential, z. B. 25 Volt, unter Verweft jung eines verträglichen Elektrolyten anodisiert, und das Aluminium wird mit einem milden Ätzmittel entfernt. Sodann wird ein Fluorid-Ätzmittel benutzt, und das Oxid auf demjengen Gebiet, das das gewimchte Tentalmuster enthält, wirkt als eine Maske, die e nen Angriff auf diesem Gebiet verhindert.

Weiter ist en Verfahren zum Erzeugen gedruckter Schaltingen auf einer Oberfläche bekannt, bei dem ein Frittematerial auf einer Oberfläche, beispielsweise einer emaillierten Oberfläche, aufgebracht wird, worauf das Ganze erhitzt, sodann en Metall auf die Oberfläche und die Maske, beispielsweise durch Aufsprühen, niedergeschlagen und schließlich die Maske nebst darüberliegenden Schichtteilcn, beispielsweise durch Bürsten, entfeint wird. Hierbei enthält das Frittematerial anorganische Substanz, eine sehr kleine Menge organischer Materialien und eine große Menge Wasser.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, en neues, verbessertes, relativ einfach durchzuführendes Verfahren zum Herstellen von gemusterten dinnⁿn Schichten aus Metall oder Metallverbindungen auf einer Unterlage durch Vakuumaufdampf· η oder Kathodemerstäubη anzugeben. Hierbei soll insbesondere eini aufbnngbare. leicht entfernbare Maske verfügbar gemacht werden, die während des Aufdampf- oder Zerstäubungsvorgangs in festem Kontakt mit der Unterlage aufgebracht werden kann und die η ich ihrer Entfernung zu e'nem haftenden Metallmuster führt.

Ausgehend vcn einim Verfahren der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß en pastenartiges Glasfrittematerial mit 80 Gewichtsprozent anorgcn^:scher Substanz und 20 Gewichtsprozent organischer Trägersubstanz in einer Zusammensetzung aus 2 Gewichtsprozent Äthylzellulose. 10 Gewichtsprozent Alpha-Terpineol. 5 Gewichtsprozent Beta-Terpineol. 1 Gewichtsprozent Terpen-Kohlenwasserstoffe und 2 Gewichtsprozent andere tertiäre Alkohole, deren Siedepunkt im Bereich des Alpha-Terpineols liegt, verwendet wird und daß die dfnne Schicht durch Vakuumaufdampfen oder Kathodenzerstäubung niedergeschlagen wird.

Das erf.ndungigemäß vorgeschlagene Frittematerial

f „,_n;«.hf»n Trieer zu erzeugen. Vorteilhaft wird das (ilasfrittematcrial.

enthält also ewn _wa_iSerfre.en oryn.sch«« T«ger. zu e g _{arti Mischung aus glas}.

wodurch Verunreinigungen d,iah den Wasg haU ^.^ ^ ^ _{geejgneten isch}

Α¹ ^^Ä^ ^

verwendet «ürde. Eme Aufbringung von Tan a , nach« ^ ^ _{üb|jchen SiebdmWahren}

dutch Kathodenzerstäubung wurde' he«p.e s«e se g ^ _{Sjebdruckvorgang wird tlie}

nicht zur angestrebten Tantal-, sondern /u ülasfrittemaske 14 auf eine relativ niedrige Tempc-

Tantaldioxidschicht fuhren. „_1ισ<.,_νΡ;_ςβ durch ratur erhitzt, die ausreicht, das Frittematenal em·

Das GW^^jS'^uS t. bellen oder zu härten (im hier gegebenen speziellen

Erwärmen auf eine Temperatur zw. eher, iuu η _annahernd auf 100 C).

C ausgehartet. Dieser "¹^ "'^ ^. _s;_{dann wird} eine 1000 Angstrom dicke Tan.al-

raturbereich ermöglicht d.e Aufbringung5 der er η η _{t id}._{Schicht 12} und 15 auf die Unterlage 11 und

dungsgemäßen Schichten auch auf temperaturemp- "!»"^^„,„^ _{14 durch} Zerstäuben nieder-

fidlih Utlagen F i 2 B dll

dungsgem ^^„,„^ _{14 durch} Zerstäuben niede

findlichen Unterlagen. ^_n,,;.,!, kann dabei 15 geschlagen, wodurch man die in F i g. 2 B dargestellte

Das Aufbringen des C.lasfr.ttematenals kann dabe! ₁₅ g^seng ^ _abfa,_lenden

im Siebdruckverfahren erfolgen, ^™« *%£*; πΓ^ηΤΙ der GlasfritTemaske 14 ist die Beauf-

fernung der gehärteten Glasfritte vorzugswe.se durch ™ηκ*η .^ _Djeses ^

Xylol oder I richloräthylen erfoh£ wefchdie G.a_ «hlagung niedergeschlagenen Schicht

fritte selektiv losen d.e abgeschiedenen Metal. ^ ^ _Unterbrechungsstellen 17 an den Übergangsstellen

schichten jedoch nicht angreiien. zwischen der Glasfrittemaske 14 und dem nieder-%S?5R? SSS 1= ÄS ^Ud I₂ i dü Flk

zwischen der Glasfrittemaske 14 und dem nieder 1= ÄS Qdü,.e^nUnd I₂ sowie zu dünnen Flecken

IiTi "n? Ml ernes TeJs emer W- Dj^££^^4 ΐ^ηΪΉ οϊ

spielhaften Dünnschichtschaltung^™t auf emer Unter ,5 geh. Tantalnitridschicht 15-15. die auf

lage niedergeschlagenen Y'^.¹^⁶^¹'^^ ™; _das Frittematerial während des Zerstäubevorgangs

Fig. 2 A bis 2C je Teilansichten, im, Schnm, zur _{worden ist Dieses wird bewerk}.

Erläuterung der einzelnen ^Verf .^^Γ™""⁶ _η^1^ "teiligt durch Behandeln der niedergeschlagenen

Herstellung einer gemusterten dünnen Schicht durch steingt^ ou^ ^^ _selektlvcn Lösungsmittel für die

Vakuumniederschlag. im Schnitt zur gehärtete Fritte. das aber das niedergeschlagene Metall

säsä _js jj^ rtr= iss

form des erfindungsgemaß «Verfahr en ^ 35 mi ^ _Trich,_oräthylen vorzugsweise wird Es se, bemerkt, daß der besseren KlarheJ.halber s > _{UUraschaI1 gerührt um die Entfernung} die Figuren kerne maßstabgerechten ^rgroWrungen _{Fntternateria}lien zu unterstützen. Die Unterdarstellen und insbesondere in der Vert.kalen stark ^_ch ^r _ungsstel,_{en 17 und die dünnen} Flecken längs vergrößert sind. tvnUrhen Dünnschicht- 40 den Flanken 16 ermöglichen einen Zugang für das In F i g. 1 ist em Teil einer ^¹^™ ^D"™*™^ ⁴ Lösungsmittel zum Glasfrittematerial. Die Entfernung schaltung 10 dargestellt, die nach dem erfindungs- Losungsm^"emaske 14 bedingt gleichfalls die Entgemäßen Verfahren hergesteilt ^«JjJ^! ^ung d "aJübediegenden Metal.fi.ms 15, wo-

Schaltung «««,«"« ^^"^"'^^^,"Sr durch im gewünschten Muster erzeugte Widerstände lagell. z.B. Glas oder Keramik auf, auf welcher duren g _{urückbleiben {F} j _g. ₂Q. eine Mehrzahl Dünnschichtwiderstande 12-12 und 4o 12 airt de ^ B _stere Dünnschichtleiter 13-13 in ™™*g^%^ JSSI ™ werden die Tantahviderstände anodisiert; erzeugt worden sind. In speziellen Be«P«^lJⁿ ™*™ _{{ Metalle werden zur} Vervollständigung der die Widerstände aus Tan^nUrrf h-erg et IH werden, e _{Zwischenverbjndungen und} zur Beschichwie dieses _ in * ^L^™;i_{m drei}. ₅o tune derjenigen Gebiete niedergeschlagen, die schließschrieben ist. und d.e Leuerwege ™>™ⁿ™™ _hch\_ls kontakte benutzt werden. Außerdem werden schichtigen Aufbau emer Nicke ^»m-Lepe un _{AnschluBleiter zur} Komplett.erung der Dünnschicht-(Nichrom). Kupfer und Palladmmin der an egeoenen angebracht. Allgemeine Methoden zum Reihenfolge. Weitere Emalhj't« ^ ¹Jer,tdKmg s^na Veifahrensschritte sind in dem und Verarbeitung dieses Schaltungstyps sinJ in einem _Thin p.^ Artike. beschrieben .TantaunvFih-a Tecn ^og>, 00 ^^f_{The Western Electnc Engine}er. Bd.VII Proceedings of the IEEt. Bd. ^. ^r. i_. 1^ _{Nr ? Aprj]} ^_{53 beschrieben}

1964. S. 1450 bis 1462. _Prfindun<*s- Im allgemeinen lieet die Dicke des Glasfritte

Bei einer ersten Ausfuhrungsfom *» ««J?J^ materials" zwischen oToOlS und 0,0076 cm. Dies<

gemäßen Vertahrens (F.g.^A bis ^) viroι ^ ^ _Ό^ ^ _Unter,_{age verglichei}

Verfahren zur Herstellung einer gem^teiten ^ama _{dje normalenvejse wischen 0}._{064 un(}

nitridschicht vorzugsweise entspre^ der Forrne^ _m ^^^ _{d;e Dicke der Schkht dil}

Ta₂N. auf der Unterlage 11 angewandt, um η ^ _akuumi_{iedergeschlage}n wird. 300 bis 30000Äng

Widerstandsmuster 12 zu ^^'™*^_e£_ _ström. typischerweise 500 bis 20 000 Angstrom, be

F ig.2C dargestellt ,st. Dieses._Wrd zugehst.bewert^ ^ _{Fritternischung kann} bestehen aus ver

steine durch selektives Aufbnngen emesauflo^ ^ Kombinationen glasurbildender, snorga

Glasfrittematenals auf ^ei« ^J^ter (Fi « 2A), nischer Oxidpartikeln, zusammen mit einem orga

iTlLZSVr^Ji^SZ^U nischen Bindemittel, wie Äthylzellulose, und einer

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ausgewählten Träger oder Lösungsmittel, um eine dem Entferner« der Frittemaske es möglich ist. auf-

pastenartige Mischung zu erhalten, die dünn genug einanderfolgende Schichten weiterer Metalle, z. B.

ist. um im gewünschten Muster aufgetragen werden Kupfer und Palladium, nach Vakuumniederschlags-

zu können, abd dick genug, um formhaltig zu sein. methoden niederzuschlagen. Somit kann das erf'in-

Es wird angenommen, daß die bei vergleichsweise 5 dungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung \on

niedriger Temperatur stattfindende Aushärtung (z. B. Kontaktkissen, wie die obenerwähnten, verwendet

100 C) den Hauptteil des Trägers austreibt und eine werden

gehärtete Masse zurückläßt, die die Maske bildet Nachstehend ist das erfindungsgemäße Verfahren

und aus den Oxidpartikeln besteht, die in einer Matrix an Hand von Beispielen beschrieben, die jedoch nur

des Bindemittels plus möglicher restlicher Zersetzungs- io im erläuternden, nicht aber im beschränkenden Sinne

produkte des Trägers suspendiert sind. Normaler- aufzufassen sind,

weise wird das Glasfrittematerial nach seinem Auftrag Beispiel I
gehärtet oder eingestellt durch Erwärmen des Fritte-

materials auf eine Temperatur zwischen 100 und Die Glasfritte wurde durch ein 200-Ma?ohen-200 C. Niedrigere Temperaturen können verwendet 15 Seidensieb hindurch auf eine Keramikunterlage gewerden, vorausgesetzt, daß das Frittematerial während druckt, um ein gewünschtes Widerstandsmuster zu des Vakuumniederschlags ausreichend eingestellt wird. erhalten, und dann durch Erhitzen des Frittematerial-. Höhere Temperaturen können gleichfalls verwendet auf 100 C gehärtet. Die Glasfritte war eine Mischung werden, sind aber im allgemeinen nicht notwendig. aus 32 Gewichtsprozent Siliciumdioxid. 14 Gewichts-Das Lösungsmittel, z.B. Xylol oder Trichlorethylen, ao prozent Bariumoxid. 20 Gewichtsprozent Bleioxid, löst das Bindemittel auf. und ein Umrühren unter- 2 Gewichtsprozent Aluminiumoxid, 5 Gewichtsprozent stützt durch Einwirkung auf die schwache Bindung Kalziumoxid, 5 Gewichtsprozent Boroxid, 1 Gewichtszwischen der Unterlage und der gehärteten Fritte. prozent Kaliumoxid, 1 Gewichtsprozent Natriumdaß diese weggeschwemmt wird. oxid, 2 Gewichtsprozent Äthylzellulose, 10 Gewichts-

Bei einer zweiten Ausführungsform des erfindungs- »5 prozent Alpha-Terpineol. 5 Gewichtsprozent Betagemäßen Verfahrens (Fig. 3A bis 3D) wird das Terpineol, 1 Gewichtsprozent Terpen-Kohlenwasser-Verfahren zur Herstellung eines Leiterschichtmusters stoffe und 2 Gewichtsprozent andere tertiäre Alko-13, wie dieses in Fig. 3D dargestellt ist. benutzt. hole, deren Siedepunkt im Bereich des Alpha-Ter-Nach dieser Ausführungsform wird anfänglich ein pineols liegt.

Tantalnitridniederschlag auf die Unterlage 11 durch 30 Ein Veeco-(Glocken-)Zerstäubesystem diente zum Zerstäuben niedergeschlagen, um die in Fig. 3 A Niederschlagen von etwa 1000 Angström Tantaldargestellte Schicht 12 zu erhalten. Diese kann ent- nitrid auf die mit der Glasfritte beschichtete Unterweder eine gemusterte Schicht sein, die mit einer lage unter den folgenden Bedingungen:
Glasfrittemaske entsprechend der ersten Ausführung- Unterlage-Vorheiztemperatur 500 C
form des Verfahrens niedergeschlagen worden ist, 35 Spannung 6200 V
oder eine Flächenschicht sein, die entsprechend den Strom 30^ mA
üblichen Methoden aufgestäubt worden ist und später Glockendruck 25 Mikrometer
formgebend geätzt werden soll, um das gewünschte Vorleitungsdruck .......... 100 Mikrometer

Widerstandsmuster zu erzeugen. Der letzte Fall ist Zerstäubezeit 4 Minuten

der einfacheren Erläuterung halber dargestellt. 40 Kathoden-Unterlage-Abstand 8.9 cm

Ist einmal die anfängliche Tantalnitridschicht nieder- Kathoden-Durchmesser 35.6 cm

geschlagen worden, so läuft das Verfahren zum

Erzeugen des Schichtmusters 13 (F i g. 3D) weit- Die Glasfritte, die bei 1000" C sintert, brach nichl gehend identisch mit dem Verfahren, wie dieses in durch oder gaste nicht aus, während sie sich innerVerbindung mit den Fig. 2 A bis 2 C beschrieben 45 halb des Hochvakuumsystems befand. Nach Beendi worden ist. Im einzelnen wird ein auflösbares Glas- gung des Zerstäubern wurden das Glasfrittematerial frittematerial auf den Tantalnitridfilm 12 selektiv und das dieses bedeckende unerwünschte Tantalnitrk! aufgebracht, um die in F i g. 3 B dargestellte Glas- innerhalb 10 Sekunden entfernt durch Verbringe* friUemaske 14 zu erhalten. Auf die Warmhärtung der beschichteten Unterlage in ein mit Ultraschal des Frittematerials folgend, werden 500 Angström 50 gerührtes Xylolbad.

einer 80-20-Nickel-Chrom-Legien.ing auf die mit Die gleiche Zerstäubungsmethode wurde dann zu

Tantalnitrid beschichtete Unterlage im Vakuum Beschichtung einer identischen Unterlage verwenden

niedergeschlagen. Die resultierende Oberfläche ist die als Kontrollprobe diente. Diese Kontrollprob

in F i^. 3 C dargestellt. Der letzte Schritt besteht in wurde unter Verwendung der direkten Photoät;

der Entfernung der Glasfrittemaske 14 mit einem 55 methode zum Erhalt eines Widerstandsmusters ve;

Lösungsmittel, um eine Nickel-Chrom-Schicht 13 zu arbeitet, das dem nach der Glasfrittemethode erhai

erhalten, die das in F i g. 3D dargestellte Muster hat. tenen Widerstandsmuster entsprach.

Es versteht sich, daß nach dem Niederschlagen Die unter Verwendung der Glasfritte- und Phot< der Nickel-Chrom-Legierung (Fig. 3C) und «ur ätzmethode erhaltenen Ergebnisse sind die folgendei

Methode	Flächenwiderstand (Ohm/Quadrat)	Temperaturkoeffizient des Widerstands (ppm/3 Q	Spezifischer Widerstand des massiven Materials (Mikroohmzentimeter)
Glasfritte Photoätzen	48 52	-38 -45	420 442

Beispiel II

Die Glasfritte mit der Zusammensetzung wie nach Beispiel I wurde auf eine keramische Unterlage unter Verwendung eines 200-Maschen-Seidensiebs zum Erhalt einer Maske des gewünschten Negativmusters aufgebracht und dann durch Erhitzen des Frittematerials auf 100⁰C gehärtet.

Unter Verwendung der Vakuumaufdampfmethode wurden 500 Angstrom »Nichrom«(eine Nickel-Chrom-Legierung) auf die mit der Glasfritte beschichtete Unterlage aufgedampft, gefolgt von einem Aufdampfen von 10 000 Ängström Kupfer und 4000 Angström Palladium. Das Glasfrittematerial, zusammen mit dem dieses bedeckenden, unerwünschten Metall, wurde dann von der Unterlage in einem mit Ultraschall umgerührten Xyiolbad entfernt.

Das uiuer Verwendung der Glasfrittemethode erhaltene Muster zeigte gutes Haftungsvermögen, wenn es einem Klebebandtest unterworfen wurde.

Beim Aufdampfen von Metallen auf Glas- oder glasierte Keramikunterlagen mit hierauf aufgebrachter Glasfrittemaske ist es wünschenswert, die Unterlage in der Vakuumkammer auf eine Temperatur von 200 bis 250° C vorzuheizen, um gutes Haftungsver- as mögen und Liniendefinition sicherzustellen. Dieses ist nicht wesentlich bei unglasiertcn Keramikunterlagen.

Beispiel III

Cine Glasfritte mit der Zusammensetzung wie nach Beispiel I wurde auf eine Glasunterlage selektiv aufgebracht und dann 5 Minuten lang bei 100° C getrocknet.

Es wurde dann eine Tantalschicht erzeugt durch Aufstäuben der Schicht über die ganze Glasfrittemaske auf der Unterlage in einer Argon-Stickstoff-Atmosphäre unter den nachstehenden Bedingungen:

Unterlage-Vorheiztemperatur 400° C

Stromdichte 0,287 mA/cm²

Spannung 3800 V

Glockendruck 20 Mikrometer

Vorleitungsdruck 120 Mikrometer

Zerstäubungszeit 9 Minuten

Kathode-Unterlage-Abstand 6,4 cm

Die beschichtete Unterlage wurde dann mit Xylol behandelt, um die Glasfritte sowie das unerwünschte, darüberliegende Metall zu entfernen.

Die nachstehende Tabelle vergleicht die unter Verwendung der Glasfrittemethode erhaltenen Ergebnisse mit denen, wie sie unter identischen Bedingungen zur Herstellung einer Kontrollprobe nach der direkten Photoätzmethode erhalten wurden.

Methode	Flächenwiderstand (Ohm/Quadrat)	Temperaturkoeffizient des Widerstands (ppm/0 C)	Spezifischer Widerstand des massiven Materials (M ikroohmzentimeter)	Haftung (Klebebandtest)
Photoätzen Glasfritte	24 25.5	-68 -89	560 568	Gut Gut

Beispiel IV

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Eine Glasfritte mit der Zusammensetzung wie nach Beispiel I und einer Viskosität von 180 000 cP wurde durch ein 325-Maschen-Seidensieb (44-Mikrometer-Sieb) hindurch auf neun getrennte Keramikunterlagen selektiv aufgebracht. Nach dem Siebdruckvorgang wurden diese Unterlagen 2 Minuten lang bei 100⁰C getrocknet.

Diese neun Unterlagen wurden in eine Aufdampfapparatur zusammen mit sechs identischen Unterlagen verbracht, auf denen eine mechanische Maske montiert war. Aufeinanderfolgende Nichrom-, Kupfer- und Palladiumschichten wurden auf die fünfzehn Unterlagen aufgedampft. Die neun mit Glasfritte beschichteten Unterlagen wurden dann in einem Ultraschallbad aus Trichloräthylen gereinigt, das die Glasfritte und das unerwünschte, darüberliegende Metall entfernte. Die mechanischen Masken wurden von den restlichen sechs Unterlagen entfernt. Es wurden keinerlei Fehler bei allen Unterlagen auf den Klebebandtest hin festgestellt.

Ähnliche Resultate wurden beim Aufstäuben von Palladiumkontaktgebieten auf die Tantalnitrid· Widerstandsschichten oder direkt auf die "'eramikunterlagen erhalten.

Bei der visuellen Inspektion ergab sich jedoch, daß die Liniendefinition bei den mit der Glasfritte beschichteten Unterlagen gegenüber der Liniendefinition bei den Unterlagen weit überlegen war, die mit mechanischen Masken abgedeckt waren. B' es rührt von dem Umstand her, daß mechanische Masken nicht über der ganzen Unterlage in innigem Kontakt gehalten werden können. Zusätzlich war die Ausrichtung für die Unterlagen, bei welchen Glasfrittemasken verwendet wurden, besser, weil diese Masken durch Fixieren kontrolliert wurden und nicht von menschlichen Fehlern abhingen, wie diese beim Anordnen mechanischer Masken auftreten.

Entsprechend der Erfindung wird daher das Nieder schlagen gemusterter Metalldünnscbichten auf ein< Unterlage bewerkstelligt unter Verwendung eine anordbaren Glasfrittemaske. Eine oder mehren Metallschichten können auf diese Weise zum Erhal wohldefinierter, haftender Muster aufgebracht werden Die Verwendung anordbarer Glasfrittemasken is nicht nur schneller als Photoätzmethoden für di Erzeugung von Dünnschichtmustern, sondern is auch viel billiger.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen gemusterter dünner Schichten aus Metall oder Metallverbindungen durch selektives Aufbringen eines pastenartigen Glasfrittematerials auf eine Oberfläche zum Erhalt des Negativs eines gewünschten Musters, Erwärmen des Glasfrittematerials auf zur Aushärtung ausreichende Temperatur, Niederschlagen einer dünnen Schicht aus Metall oder Metallverbindungen auf die Oberfläche und die gehärtete Glasfritte und Entfernen der letzteren zusammen mit den dariiberliegenden Teilen der Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß en pastenartiges Clasfrittematerisl mit 80 Gewichtsprozent unorganischer Substanz und 20 Gewichtsprozent organischer Trägersubstanz in einer Zusammensetzung aus 2 Gewichtsprozent Äthylzellulose, 10 Gewichtsprozent Alpha-Terpineol, 5 Gewichtsprozent Beta-Terpineol, 1 Gewichtsprozent Terpen-Kohlenwasserstoffe und 2 Gewichtsprozent andere tertiäre Alkohole, deren Siedepunkt im Bereich des Alpha-Terpineols liegt, verwendet wird und daß die dünne Schicht durch Vakuumaufdampfen oder Kathodenzerstäubung niedergeschlagen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das GlasfriUemate.<al durch Erwärmen auf eine Temperatur zwischen 100 und 200⁰C gehärtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel zur Entfernung der gehärteten Glasfritte Xylol oder Trichlorethylen verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Glasfrittematerial auf die Oberfläche in einer Dicke zwischen 0,013 und 0,076 mm aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des Glasfrittematerials auf die Oberfläche im Siebdruckverfahren vorgemmmen wird.

6. Verfahren nach e nem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß e'ns elektrisch nichtleitende und thermisch leitende Oberfläche verwendet wird.