DE2217573A1 - Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilmstromkreises - Google Patents
Verfahren zum Herstellen eines DünnfilmstromkreisesInfo
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Description
Sundahl 1
Western Electric Company, Incorporated, New York (USA)
Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilmstromkreises
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines- Dünnfilmstromkreises auf einem gebrannten Aluminiumoxid-Substrat,
wobei die Oberfläche des Substrates metallisiert wird.
Es ist bekannt zum Herstellen von Dünnfilmstromkreisen
Substrate aus gebrannter Tonerde (Al0Oo) zu verwenden. Dieses Material ist wegen seiner mechanischen Festigkeit,
chemischen Widerstandsfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, elektrischen Isolationsfähigkeit, relativ guten Oberflächenbeschaffenheit
und des günstigen Preises für diesen Zweck besonders gut geeignet.
Für die Betriebssicherheit solcher Dünnfilmstromkreisen
ist es sehr wesentlich, dass die einzelnen Elemente, wie elektrischer Leiter, Widerstandsbeläge und Kondensatorelektroden
gut auf dem Substrat haften. Diese Haftung ist insbesondere dann kristisch, wenn an diesen Elementen Anschlussleiter
befestigt sind. An diesen Stellen besteht die Gefahr, dass die Beläge vom Substrat abgerissen werden.
In der Praxis kommen Ausfälle, die auf eine nicht genügende Haftung der einzelnen Elemente auf dem Substrat
zurückzuführen sind, recht häufig vor. Dies führt zu einer
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niedrigen Produktivität und zu hohen Herstellungskosten.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, das gestattet Biinnfilinstroinkreise herzustellen, deren
metallische Beläge besser auf dem Substrat haften, als dies bei den bisher hergestellten Dünnfilmstromkreisen der Fall ist.
Das erfindungsgeniässe Verfaliren ist dadurch gekennzeichnet,
dass vor dem Metallisieren die Oberfläche des Substrates mit Kationen enthaltenden Verunreinigungen versehen
wird, und dass das Substrat wenigstens 99 Gew.% AlpO3 enthält.
Die meisten auf dem Markt erhältlichen Tonerde-Substrate hoher Reinheit weisen in geringen Mengen Kationen
enthaltende Verunreinigungen an den Korngrenzen auf. Für solche Substrate mit wenigen oder keinen Kationen enthaltenden
Verunreinigungen an. dpn Korngrenzen, beispielsweise ein Kristall-Substrat, kann das Einbringen von Kationen enthaltenden
Verunreinigungen ah der Oberfläche der Substrate auf verschiedene Arten, z.B. durch Aufdampfen, Zerstäuben oder
Erhitzen des Substrates in einer die Kationen enthaltenden Verunreinigungen aufweisenden Atmosphäre, erfolgen. Eine
solche Atmosphäre kann erreicht werden, indem man das Substrat in einem Ofen erhitzt, dessnn Wände aus einem keramischen
Isoliermaterial bestehen, das die Verunreinigungen enthält.
Zum besseren Verständnis der Erfindung ist diese nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise
näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 die graphische Darstellung einer Zugkraft in Kilogramm und Ca- bzw. Si-Verunreinigungen in willkürlichen
Einheiten in Funktion der Zeit der Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 15000C, welcher Behandlung ein gemäss einem
der nachstehenden beschriebenen Verfahren hergestellten Dünnfilmstromkreis ausgesetzt wird,
Fig. 2 eine ähnliche graphische Darstellung wie die Fig. 1 für einen zweiten geraäss einem anderen nachstehend
beschriebenen Verfahren hergestellten Dünnfilmstromkreis, und
Fig. 3 eine schaubildliche Darstellung eines Teiles eines metallisierten Substrates, wobei am metallischen Belag
des Substrates ein Anschlussleiter befestigt ist.
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Versuche haben gezeigt, dass Haftting eines metallischen
Belags auf einem Substrat, das aus Tonerde hoher Reinheit besteht, durch die Anwesenheit von Kationen enthaltende Verunreinigungen
an der Oberfläche des Substrates gesteigert wird, und dass allfällige durch das Brennen des Substrates an der
Oberfläche desselben angereicherte Verunreinigungen erstens durch Verdampfung bei anschliessenden Wärmebehandlungen,
zweitens durch Abschleifen der Oberfläche des Substrates und drittens durch Aetzvorgänge beseitigt werden.
Die mechanische Bearbeitung des Substrates, z.B. Schleifen oder das chemische Aetzen, sind wesentliche Verfahrensschritte
bei der Herstellung von Dünnfilmstromkreisen.
Deshalb ist es notwendig, die durch diese Bearbeitungen verloren gegangenen Verunreinigungen wieder hinzuzufügen, bevor
die metallischen Beläge auf das Substrat aufgebracht werden.
Die aus Tonerde hoher Reinheit bestehenden Substrate, deren Oberflächenverunreinigung für die Haftung der metallischen
Beläge sehr wesentlich ist, enthalten wenigstens 99 Gew.% A^O3.
Wenn die Reinheit diesen Wert unterschreitet, so wird der Effekt, welcher durch die Kationen enthaltenden Verunreinigungen erreicht
wird, durch die übrigen Zusätze überdeckt, bzw. herabgesetzt. Zum Erhalten von Dünnfilmstromkreisen mit optimalen Betriebsverhalten
werden vorzugsweise Substrate mit einer Reinheit von wenigstens 99,5 Gew.$ &lo®3 verwenäet.
Durch mechanisches Bearbeiten, z.B. Schleifen, der Oberfläche des Substrates vor dem Aufbringen der metallischen
Beläge werden Unebenheiten oder Grate entfernt. Diese Unebenheiten können beim Brennen des^Substrates oder beim Bohren
von Löchern in das Substrat mittels eines Läser-Strahles
entstanden sein. Wenn für spezielle Fälle eine sehr glatte Oberfläche des Substrates geschaffen werden soll, wodurch
ein optimales Betriebsverhalten der Dünnfilmstromkreise erzielt
wird, kann das Substrat beispielsweise mit einer Diamantscheibe geschliffen werden.
Während der Herstellung der Dünnfilmstromkreise
werden die Substrate öfters einer chemischen Aetzung unterworfen, um unerwünschte Teile der metallischen Beläge zu entfernen.
Hie zu v/erden als Aetzmittel Phosphorsäure oder Lösungen '
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von Fluorwasserstoff und Salpetersäuren in Wasser verwendet.
Um eine wesentliche Verbesserung der Haftfähigkeit der metallischen Beläge auf dem Substrat zu erreichen, ist es
notwendig, dass die Menge an Kationen enthaltende Verunreinigungen ungefähr K4 einer Monolage entspricht. In denjenigen Fällen,
in denen die Wiederherstellung der Oberflächenverunreinigun^en Jener Stellen des Substrates, die durch mechanische Bearbeitung
oder durch Aetzen verletzt worden sind', durch eine Wärmebehandlung erfolgen soll, können die Substrate mit den oben ange~
führten Reinheitsgrad, da sie an den Kornheitsgrenzen genügend Kationen enthaltende Verunreinigungen aufweisen, einer Wärmebehandlung
bei einer Temperatur von 12000C während wenigstens 10 h bis 16000C während wenigstens 15 min unterworfen werden.
Ein bevorzugter Temperaturbereich umfasst 14000C während
mindestens 1 h bis 15000C während mindestens 30 min. Wärmebehandlungen,
die mehr als 10 h dauern, sind nicht notwendig und auch nicht wirtschaftlich. Üeberdies wird bei einer Wärmebehandlung
bei 15000C und die länger dauert als 10 h, die Verunreinigungen der Oberfläche des Substrates verdampft,
sodass das gesetzte Ziel nicht erreicht wird.
Nach dem Aufbringen oder Wiederherstellen des gewünschten Verunreinigungsgrades der Oberfläche des Substrates
werden zur Bildung der elektrischen leitenden Teile der Dünnfilmstromkreise nacheinander einzelne Schichten aus
verschiedenen Metallen gemäss einem gewünschten Muster auf das Substrat aufgetragen. Normalerweise wird als erstes eine
Schicht aus Tantal, Tantalnitrid (Ta2N) oder Titan aufgetragen.
Es sind verschiedene Arten von Metallisierungen üblich und die gewählte Art ist von dem anvisierten Verwendungszweck
abhängig. Es sei hervorgehoben, dass hier unter den Begriffen wie "Metallisierung" und "Metallisation" auch das Aufbringen
von Material wie Tantalnitrid zu verstehen ist.
Die nachstehend angeführten Beispiele geben Aufschluss über einige Bedingungen, die bei der Herstellung von
Dünnfilmstroinkreisen zu beachten sind, und Angaben über'die
Wirkung der Wärmebehandlung der Substrate auf die Haftfähigkeit der metallischen Beläge auf diesen Substraten.
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Beispiel 1 .
500 Tonerde.-Substrate wurden durch Pressen von
Tonerdepulver hoher Reinheit, siehe Tabelle I, unter Brennen der gepressten Körper während 1 h bei 17000C hergestellt.
(Chemische Analyse des Tonerdepulvers) '
Komponenten . Gew./S
MgO . 0,100
SiO2 0,140
-CaO 0,054
Na2O " 0,047
Fe2O3 . . ' 0,024
Die gebrannten Körper wiesen eine hohe Dichte von 99,8$ der theoretisch möglichen Dichte und die in der
Tabelle I dargestellte Zusammensetzung auf. Diese gebrannten Körper wurden dann mittels einer Diamantscheibe mit einer
Korngrösse von 400 zu Substraten mit den Abmessungen 2,5 cm χ 2,5 cm χ 0,08 cm geschliffen. Diese geschliffenen Substrate
wurden dann anschliessend in einem Bad, das Trichlorathylen,
Aceton und'Methanol enthielt, mittels Ultraschall und weiter in einer siedenden Wasserstoffperoxid-Lösung gereinigt, danach
in deionisiertem Wasser gespült und anschliessend in einem Stickstoff enthaltenden Ofen getrocknet. Danach wurden diese
Substrate einer Wärmebehandlung bei 15000C in normaler Atmosphäre
unterworfen. Je 100 Substrate wurden während 0, 30, 60, 120 und 1000 min dieser Wärmebehandlung unterzogen. An diesen
Mustern wurde dann eine Oberflächenanalyse gemäss der "Auger Electron Spectroscopy" (AES) durchgeführt. Hierauf wurden diese
Substrate durch Aufdampfen von Schichten aus Tantal, Tantalnitrid, Titan, Palladium und Gold mit einem Ueberzug mit
insgesamt einer Dicke von 15.000 jü versehen. Schliesslich
wurde an jedem Ueberzug ein 0,13 bis 0,38 mm dicker goldplatierter
Anschlussdraht aus Kupfer mittels einer Wärmedruckverbindung befestigt. An diesen Versuchsmustern wurden
die Zugproben durchgeführt.
Ein solches Versuchsmuster ist in der Fig. 3 dargestellt. Der metallische Ueberzug oder Belag ist mit
10 bezeichnet und auf dem Substrat 11 angeordnet. Der
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Anschlussleiter 12 ist mit dem Belag 10 verbunden. Die Zugkraft ist durch einen Pfeil dargestellt und wirkt über das abgebogene
Ende des Anschlussleiters 12 senkrecht zur Ebene des Substrats auf dem Belag 10 ein. Mit Zugfestigkeit wird jene Zugkraft
bezeichnet, bei der sich der Belag 10 von dem Substrat oder der Anschlussleiter 12 sich vom Belag 10 löst. Für die anvi-,
sierten Verwendungen der Dünnfilmstrorakreise sollte eine Zugfestigkeit
von ca. 0,6 kg erreicht werden. Dieser Wert entspricht
im allgemeinen der Zugbeanspruchung, der die Anschlussleiter noch zu widerstehen vermögen. Die Ergebnisse dieser Zugversuche
und der chemischen Analyse, die mit dem Verfahren gemass der "Auger-Klektro-Spektroskopie" durchgeführt wurden, sind in
der Fig. 1 dargestellt, in welcher die Zugkraft in kg und die Ca- bzw. Si-Verunreinigungen in willkürlichen Einheiten in
Funktion der Zeit aufgetragen sind, welche der Dauer der Wärmebehandlung bei der Temperatur von 15000C entspricht. Aus
dieser Darstellung ist eine wesentliche Verbesserung der Haftfähigkeit des Belages auf dem Substrat erkennbar, die auf die
Art der Wärmebehandlung zurückzuführen ist. Diese Ergebnisse sind an einer grossen Anzahl von in der oben beschriebenen
Weise hergestellten und behandelten Versuchsmuster festgestellt worden.
Aus einer Vielzahl von auf dem Markt erhältlichen Substraten wurden 400 Substrate ausgewählt. Diese wurden im
sogenannten Bandguss-Verfahren hergestellt und bei einer
Temperatur von 17000C gebrannt. Die Zusammensetzung flieses
Materials ist in der Tabelle II dargestellt.
Nominelle Angaben der Verunreinigungen in Tonerde-Substraten, die im Bandguss-Verfahren hergestellt wurden
Komponente Gew. %
Fe2O3 0.040
Ga2O3 0,015
BaO 0,010
CaO 0,040
MgO · 0,330
Ti02 209846/1084 M°7
Na2O 0,010
SiO2 " ti, 000
Von diesen Versuchsmustern wurden je 100 auf
verschiedene Weise behandelt, bevor die metallischen Beläge aufgebracht wurden. Eine Anzahl davon wurde wie jene des
ersteil Beispieles geschliffen und gereinigt, und anschliessend in einer feuchten Wasserstoffatmosphäre während 40 min bei
1525 C einer.Wärmebehandlung unterworfen. Vor dem Aufbringen
der metallischen Beläge wurden einige der gereinigten und wärmebehandelten Versuchsmuster einer Oberflächenanalyse
unterzogen. Anschliessend wurden die metallischen Schichten wie mit Bezug auf das erste Beispiel aufgebracht und je mit
einem Anschlussleiter versehen. Die Ergebnisse der Zugkraft-Versuche
und der chemischen Analyse sind in der Tabelle III
eingetragen.
Oberflächenbehandlung
AES-Werte
SCa/S0
SSi/S0
Anzahl Versuche pro hundert Versuche über den minimalen
Anforderungen
unbehandelt geschliffen
geschliffen und vergütet
0,007+0,003 0,003+0,003
0,060+0,010
0,010+0,001 0,001+0,001
0,008+0,002
100 0
100
Diese Versuche zeigen, dass die Haftfähigkeit durch Schleifen wesentlich vermindert und durch eine entsprechende
Wärmebehandlung (Vergütung) wieder wesentlich verbessert werden kann.
Aus der Vielzahl von au dem Markt erhältlichen Substraten wurden weitere 400 Substrate ausgewählt. Von diesen
Versuchsmustern wurden wiederum je 100 auf verschiedene Weise behandelt, bevor die Beläge aufgetragen wurden. Eine Anzahl
der Versuchsmuster wurde zuerst einer Wärmebehandlung unter Vakuum während 1 h und bei einer Temperatur von 15000C unterworfen,
dann in konzentrierter H3PO4 während 30 min und bei
einer Temperatur von 1500C geätzt und anschliessend wieder
einer Wärmebehandlung im Vakuum, bei 15000C während 1 h ausgesetzt.
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An je einer Anzahl Versuchsmuster wurde die oben erwähnte chemische Analyse durchgeführt und ewar an den unbehandelten,
an den einer ersten Wärmebehandlung unterworfenen," an den -geätzten und an den einer zweiten Wärmebehandlung unterworfenen
Versuchsraustern. Auf diese auf verschiedene Weise vorbereiteten Versuchsmuster wurden dann die metallischen Beläge
aufgetragen und die Zugversuche ausgeführt. Die Ergebnisse dieser Zugversuche und der chemischen Analyse sind in der
Tabelle IV angeführt.
Überflächen behandlung |
AES-Werte | SSi/S0 | Anzahl Versuche pro hundert Versuche über den minimalen Anfor derungen |
unbehandelt vergütet geätzt geätzt und vergütet |
SCa/S0 | 0,006+0,001 0,006+0,001 0,004+0,001 0,008+0,001 |
92 100 50 100 |
0 0,008+0,004 0,004+0,004 0,008+0,001 |
Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass das Aetzen die Haftfähigkeit wesentlich herabsetzt und dass eine
weitere Wärmebehandlung (Vergütung) die Haftfähigkeit erhöht. Damit 1st der Beweis erbracht, dass durch die Wärmebehandlung
von Tonerde-Substraten die Haftfähigkeit der darauf angebrachten
metallischen Beläge entscheidend verbessert werden kann*
209845/1084
Claims (12)
- Patentansprüche· Verfahren zum Herstellen einer Dünnfilmschaltung *·»—^auf einem gebrannten Aluminiumoxid-Substrat, bei dem die Oberfläche des Substrates metallisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor· dem Metallisieren die Oberfläche des Substrates mit kationischen Verunreinigungen versehen wird und daß ein Substrat mit wenigstens' 99 Gewichtsprozent AIgO, verwendet wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat mit wenigstens 99»5 Gewichtsprozent AIgO, verwendet wird.
- 3·* Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die kationischen Verunreinigungen durch eine Wärmebehandlung des Substrates erzeugt werden.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungen durch Diffusion aus dem Substrat erzeugt werden.
- 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung zwischen 1200° C während mindestens 10 h und 1600° C während wenigstens 15 min durchgeführt wird.209845/1084
- 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung zwischen 1400° C während wenigstens 1 h und 1500° C während wenigstens 30 min durchgeführt wird,
- 7. Verfahren nach Anspruch T, 2 oder 3, dadurch gekennr zeichnet, daß die kationischen Verunreinigungen durch ■Niederschlag erzeugt werden·
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß^ bevor die Oberfläche des Substrates mit kationischen Verunreinigungen versehen wird, Teile der Oberfläche des Substrates entfernt werden.
- 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Oberflächenteile durch mechanisches Abschleifen erfolgt.
- 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Oberflächenteile durch chemisches Ätzen erfolgt. ■
- 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Substrates mit Ta, Ta9N, oder Ti metallisiert wird.
- 12. Dünnfilmschaltung, erhältlich durch das Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche.209845/1084
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