DE2006988C3 - Verfahren zum Verbessern der Oberfläche von Oxydkeramiksubstraten für Dünn- und Dickschichtschaltungen - Google Patents

Description

größerer O'berflächenrauhigkeit nicht zu vermeiden-

den dünnen Stellen der aufgedampften Widerstands-

60 schicht, beispielsweise Tantal, stärker altern als dicke Schichten.

Eine günstige Wirkung hat die Rauhigkeit dagegen

Die Erfindung befaßt sich mit der Vorbehandlung auf das Haftvermögen der aufgedampften Schichten von Basismaterial, sogenannten Substraten, aus Oxyd- und auf zusätzliche Schaltungsdetails, die mittels keramik für die Herstellung von Dünn- und Dick- 65 Siebdruck aufgebracht und eingebrannt werden.
Schichtschaltungen, beispielsweise Tantal-Dünn- Es sind für die Herstellung von Dünnschichtschal-

schichtwiderständen. tungen bereits keramische Substrate bekanntgeworden,

Bisher wurden für diese Zwecke hauptsächlich die mit einer Glasur aus einem der Keramik im Aus-

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dehnungskoeffizienten angepaßten Glas überzogen Es können aber auch bereits bei der Herstellung

sind. Die Herstellung von Dünnschichtschaltungen der Oxydkeramiken vor dem Sintern eine oder meh-

auf diesen glasierten Keramiksubstraten kann in der rere hochschmelzende Metalle durch Imprägnieren

gleichen Weise wie auf Glassubstrate:> durchgeführt oder Sprühen aufgebracht werden,

werden; die glasierten Keramiksubstrate lassen sich 5 Die Oxydschicht kann aber auch durch Eintauchen

aber nicht in gleich günstiger Weise wie Glassubstrate des Oxydkeramiksubstrates in eine Lösung eines

in kleinere Einheiten aufteilen. Beim Sägen der gid- Alkylats und anschließende Oxydation an Luft er-

sierten Keramiksubstrate mit einer Diamantsäge muß zeugt werden.

wegen des Aussplitterns der Glasur ein größerer Es ist weiterhin möglich, durch andere zersetzbare Sicherheitsabstand der Schaltung zum Substratrand io Verbindungen, z. B. Tantalhalogenide, eine Oxydeingehalten werden. Glasierte Keramiksubstrate eig- schicht auf den Oxydkeramiksubstraten zu erzeugen, nen sich daher nur in beschränktem Maße für kleine welche bei der hohen Temperatur eingebrannt wird. Substratabmessungen. Außerdem besteht auch bei Wie nachstehend näher erläutert wird, lassen sich glasierter Keramik, wenn auch in geringerem Maße als auf erfindungsgemäß behandelten Oxydkeramiksubbei GJassubstraten, noch die Gefahr der Bildung von 15 straten Dünnschichtschaltungen, insbesondere Dünn-Rissen beim Anschweißen von Anschlüssen an die schichtwiderstände, von vergleichsweise gleicher Dünnschichtschaltungen. Ferner wird durch die GIa- Qualität wie auf Glassubstraten herstellen,
sur der Wärmewiderstand von der Widerstandsschicht Ein Maß für die Oberflächenqualität ist der Widerzum Substrat erhöht. Insgesamt gehen durch die GIa- Standsfaktor, welcher durch die Oberflächenvergrößesur einige wesentliche Vorteile der unglasierten Kera- 20 rung infolge der Rauhigkeit der Substratoberfläche mik verloren. _uncj durch Mikrorisse, scharfe Kristallkanten und

Für die Herstellung von normalen, im Apparate- sonstige Unstetigkeiten beeinflußt wird. Der Widerbau verwendeten Schichtwiderständen, also nicht für Standsfaktor wird als das Verhältnis zweier Flächenminiaturisierte Dünnschichtwiderstände, ist bereits widerstände, und zwar eines Widerstandsfilmes auf ein Verfahren bekanntgeworden (deutsche Auslege- 25 e^;nem Keramiksubstrat zu einem gleichzeitig beschrift 14 90 044), bei dem die Formteile nach dem schichteten Glassubstrat, definiert,
mechanischen Schleifen, das zur Erzielung einer b> Die nachfolgende Tabelle zeigt die in einem Verstimmten Maßhaltigkeit angewandt wird, zur Glät- such für zwei verschiedene handelsübliche Aluminiumlung der so mikroskopisch aufgerauhten Keramik- oxydkeramik-Substrate ermittelten Werte des Wideroberfläche einer Wärmebehandlung im Temperatur- 30 Standsfaktors. Dabei wurden für unterschiedlich bereich von 800 bis 1400° C unterzogen werden. starke Tantaloxydzwischenschichten (Vorbestäubungs-Durch das Schleifen entstehen auf der aus kristallinen zeit der Tantalzwischenschicht) die Glühtemperaturen und nicht kristallinen Substanzen bestehenden Kera- variiert.

mikoberfläche feine Risse und Löcher, welche zu Wie aus der Tabelle hervorgeht, verringert sich der

einem Abfall der Stabilität der später aufgebrachten 35 Widerstandsfaktor des mit Tantaloxyd beschichteten

Widerstandsschichten führen würde. Durch die vor- Oxydkeramiksubstrates durch das nachfolgende Glü-

gcschlagene Wärmebehandlung werden die nicht kri- hen um so mehr, je höher die Glühtemperatur gewählt

stallinen Betandteile aufgeschmolzen und glätten auf wird,

diese Weise die Keramikoberfläche. In dem Diagramm ist die relative Widerstandsände-

Durch diese Maßnahme wird der ursprüngliche 40 rung von bei 250⁰C gealterten Tantal-Dünnschicht-

Zustand der unbearbeiteten Keramikoberfläche nur widerständen auf Keramiksubstraten mit Tantaloxyd-

bestenfalls wiederhergestellt, aber nicht verbessert, Zwischenschichten über der Alterungsdauer aufgetra-

so daß durch die Anwendung dieser bekannten Lehre gen. Parameter ist die Glühtemperatur der Oxyd-

die der Herstellung von Dünnschichtschaltungen hin- keramiksubstrate. Dabei grenzt der Bereich α die Werte

derliche Rauhigkeit der Keramiksubstrate nicht be- 45 für die relative Widerstandsänderung durch die AHe-

seitigt werden kann. rung ein, die mit bei 450° C wärmebehandelten Sub-

Bekannt ist auch die Anwendung von Tantaloxyd- straten gemessen wurden, und der Bereich ft die Werte,

schichten, insbesondere auf Glas, zum chemischen bei denen die Substrate bei 116O⁰C geglüht waren.

Schutz der Oberfläche des Substrates und gegen eine Sowohl die aus der Tabelle ersichtliche Entwick-

Reaktion des Widerstandsfilmes mit dem Substrat. 50 lungstendenz des Widerstandsfaktors durch Wärme-

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be- behandlung als auch die Wirkung der Wärmebehandsteht somit darin, ein Verfahren zum Verbessern der lung auf die relative Widerstandsänderung bei künst-Oberfläche von Substraten aus Oxydkeramik, wie licher Alterung zeigen die vorteilhafte Wirkung des Aluminiumoxyd- bzw. Berylliumoxydkeramik für die erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Oxydkeramik-Herstellung von Dünn- und Dickschichtschaltungen 55 substrate. Hieraus ist deutlich zu erkennen, daß die anzugeben. Wärmebehandlung bei 450° C nicht ausreicht, um den

Erfindungsgemäß wird auf der Oxydkeramik eine gewünschten glättenden Effekt zu erzielen.

Oxydschicht aus einem hochschmelzenden Metall er- Die mit der Oberflächenrauhigkeit verbundenen

zeugt und diese anschließend einer Glühbehandlung Nachteile, die auf den sich auf die elektrischen Eigen-

bei 1000° C und mehr unterzogen. 60 schäften von Dünnschichtwiderständen ungünstig aus-

AIs hochschmelzendes Metall können Tantal, Niob, wirkenden feinsten Spalten, Mikrorisse und andere

Titan oder Zirkon verwendet werden. Unstetigkeiten beruhen, werden durch das erfindungs-

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der gemäße Verfahren überwunden, wodurch die Her-Erfindung wird die Oxydschicht in der Weise erzeugt, stellung von Dünnschichtschaltungen auf relativ preisdaß auf die gereinigte und getrocknete Oxydkeramik- 65 werten Keramiksubstraten ermöglicht wird. Die Rauoberfläche eine Schicht des hochschmelzenden Metalls higkeit ist dabei noch groß genug, um andere Schalvon etwa 500 bis 800 A Stärke aufgestäubt und diese tungsdetails, z. B. Verbindungsleiter oder Kontaktvollständic oxvdiert wird. flächen, im Siebdruckverfahren herstellen zu können.

Vorbestäu- Oxydation des Behandlung der oxydierten Schicht:

bungszeit der Tantals bei 450° C Glühen 1 Stunde bei

Tantal-

zwischen-

schicht

(Minuten) (16 bis 24 Stunden) 900⁰C 1000⁰C 1100 C

116O⁰C

Keramik A	3	1,91	1,95	1,81	1,60
Keramik B	3	2,02			1,70
Keramik A	4,5	1,80	1,66	1,63	1,61
Keramik B	4,5	1,90			1,70
Keramik A	6	1,85	1,71	1,56	1,53
Keramik B	6	1,96			1,60
			Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1,54

Claims (12)

Glassubstrate verwendet, denen jedoch eine Reihe, Patentansprüche- die Herstellung der Dünn- bzw. Dickschichtschaltun- gen beeinträchtigende Nachteile anhaften. So sind

1. Verfahren zum Verbessern der Oberfläche beispielsweise die in der amorphen Struktur des GIavon Substraten aus Oxydkeramik, wie Aluminium- S ses begründeten schlechten mechanischen Eigenschafoxyd- bzw. Berylliumoxyd-Keramik, für die Her- ten des Glases bekannt. Weiterhin ist für die erwähnte stellung von Dünn- und Dickschichtschaltungen, * Anwendung die geringe Wärmeleitfähigkeit des GIadadurch gekennzeichnet, daß auf der ses nachteiüg, welche eine gute Ableitung der in den Oxydkeramik eine Oxydschicht aus einem hoch- Schaltungen entstehenden Verlustwarme beeinträchschmelzenden Metall erzeugt wird und diese an- io tigt. Weiterhin gestatten diese für den vorgesehenen schließend einer Glühbehandlung bei 1000° C und Zweck schlechten Eigensch?^f α nur das Anbringen mehr unterzogen wird. von Außenanschlüssen an den Schaltungen durch

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- Weichlöten und nicht durch Schweißen, Ultraschallkennzeichnet, daß als Metall Tantal verwendet schweißen oder Hartlöten, wie es aus mechanischen wird. 15 und elektrischen Gründen zweckmäßig wäre.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- Für Dickschichtwiderstände werden wegen der kennzeichnet, daß als Metall Niob verwendet wird. höheren Wärmeleitfähigkeit und größeren Wider-

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- Standsfähigkeit gegen mechanische Beanspruchungen kennzeichnet, daß als Metall Titan verwendet oxydkeramische Substrate verwendet. Die höhere wird. ao Wärmeleitfähigkeit, die bei Aluminiumoxydkeramik

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- zwischen 0 und 100° C etwa 30- bis 40mal größer als kennzeichnet, daß als Metall Zirkon verwendet bei Glas ist, bewirkt gegenüber Glassubstraten eine wird. gleichmäßigere Verteilung der Verlustwärme über die

6. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Substratfläche. Sie verhindert einerseits die beschleu-Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß 25 nigte Alterung der Widerstände und ermöglicht auf die gereinigte und getrocknete Oxydkeramik- andererseits, in Widerstandsnetzwerken eine höhere oberfläche eine Schicht des hochschmelzenden Verlustleistung einzelner Widerstände zuzulassen. Metalls von etwa 500 bis 800 A Stärke aufgestäubt Kurzzeitige Überlastung der Widerstände führt bei und diese vollständig oxydiert wird. Verwendung von Keramiksubstraten auch nicht zu

7. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der 30 deren Zerspringen. Gute Wärmeleistung und mecha-Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nische Widerstandsfähigkeit ermöglichen bei Keraeine Schicht des hochschmelzenden Metalls vor miksubstraten auch die Herstellung von Schweißverdetn Sintern der Oxydkeramik aufgebracht wird. bindungen zwischen Leitern und Kontaktflächen, und

8. Verfahren nach Anspruch i und einem der zwar sowohl elektrisch als auch mit Ultraschall. Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß 35 Auch lassen sich Halbleiterchips auf diese Weise bedem Rohmaterial der Oxydkeramik ein hoch- festigen.

schmelzendes Metall oder eine Verbindung des- Es ist deshalb überlegt worden, wegen der sehr

selben beigemischt wird. guten Eigenschaften der Keramik diese auch für die

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, Herstellung von Dünnschichtschaltungen zu venvendadurch gekennzeichnet, daß die Tantaloxyd- 40 den. Bevor jedoch Keramiksubstrate an Stelle von schicht durch Eintauchen des Oxydkeramiksub- Glassubstraten für die Herstellung von Dünnschichtstrats in eine Lösung eines Tantalalkylats und an- schaltungen verwendet werden können, muß ein die schließende Oxydation an Luft erzeugt wird. elektrischen Eigenschaften beeinträchtigender Nach-

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1,2 und 6, teil der Keramiksubstrate, nämlich deren Oberflächendadurch gekennzeichnet, daß die Schicht des 45 rauhigkeit, insbesondere die damit verbundenen scharhochschmelzenden Metalls aus mit Stickstoff do- fen Kanten, Mikrorisse und anderen Unstetigkeiten, tiertem Tantal besteht. beseitigt werden. Während Glassubstrate eine Rauhig-

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, keit von etwa 250 A aufweisen, liegt diese bei brenndadurch gekennzeichnet, daß die Tanta!oxyd- frischen Aluminiumoxydsubstraten zwischen 2000 schicht durch Hydrolyse eines Tantalhalogenids 50 und 10 000 A.

und anschließende Wärmebehandlung erzeugt Mit zunehmender Oberflächenrauhigkeit wird es je-

wird. doch schwieriger, Dünnschichtschaltungen durch Auf-

12. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 9 dampfen zu erzeugen. Bei der Herstellung von Dünn- und 11, dadurch gekennreichnet, daß zur Erzen- schichtwiderständen muß beispielsweise im Vergleich gung der Tantaloxydschicht Mischungen verschie- 55 zu den weniger rauhen Glassubstraten bei der Verdener zersetzbarer Tantalverbindungen verwendet wendung von Keramiksubstraten die mittlere Schichtwerden, dicke der Widerstände erhöht werden, weil die bei