DE2331586B2 - Aluminium-tantal-schichten fuer duennschichtschaltungen sowie diskrete widerstaende und kondensatoren - Google Patents

Aluminium-tantal-schichten fuer duennschichtschaltungen sowie diskrete widerstaende und kondensatoren

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DE2331586B2 DE19732331586 DE2331586A DE2331586B2 DE 2331586 B2 DE2331586 B2 DE 2331586B2 DE 19732331586 DE19732331586 DE 19732331586 DE 2331586 A DE2331586 A DE 2331586A DE 2331586 B2 DE2331586 B2 DE 2331586B2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf Aluminium-Tantal-Schichten für Dünnschichtschaltungen sowie diskrete Widerstände und Kondensatoren, die im Vakuum auf ein nichtleitendes Substrat aufgebracht werden und zwei bis zwanzig Atomprozent Tantal im Aluminium enthalten nach Patent 22 53 490. Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Schaltung.
Eine elektrische Dünnschichtschaltung enthält zumindestens uinen Kondensator, eine Leiterbahn und/oder einen Widerstand. Als Substrat ist Glas, Saphir, polierte feinkörnige Keramik oder Quarz geeignet.
In dem Hauptpatent 22 53 490 ist gezeigt, daß sich die bekannten Tantal-Aluminium-Legierungen gut für elektrische Dünnschichtschaltungen auf einem Substrat aus Isoliermaterial eignen und daß besonders günstige elektrische Werte hinsichtlich des Temperaturkoeffizienten und der zeitlichen Konstanz dann erhalten werden, wenn entgegen den bis dahin bekannten Zusammensetzungen der Tantalanteil relativ gering im Vergleich zum Aluminiumanteil gewählt wird, insbesondere im Bereich zwischen zwei und zwanzig Atomprozent.
Auch aus der DT-AS 15 89 079 ist es bekannt, einen Dünnfilmkondensator in der Weise aufzubauen, daß auf eine Unterlage zuerst eine Schicht von einer Tantal-Aluminium-Legierung aufgebracht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der Technik nach dem Hauptpatent einen Weg aufzuzeigen, der es ermöglicht, bei einer in Tantal-Aluminium-Technik aufgebauten, zumindest einen Kondensator und zumindest eine Leiterbahn und/oder einen Widerstand enthaltenden Dünnschichtschaltung, die das Kondensator-Dielektrikum bildende Tantal-Aluminium-Oxydschicht weitgehend unabhängig von der Leiterbahn bzw. Widerstandsbahn einstellen zu können, um eine exakte Reproduzierbarkeit sicherzustellen.
Diese Aufgabe wird bei Tantal-Aluminium-Schichten für Dünnschichtschaltungen der einleitend geschilder-
ten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest im Bereich eines Kondensators die Grunc'«lektrode aus zwei nennenswert unterschiedlichen Tantalgehalt aufweisenden Schichten einer Tantal-Aluminium-Legierung besteht in der Weise, daß die untere Schicht mit s höherem Tantalgehalt unmittelbar auf dem Substrat aufliegt, daß die obere Schicht mit zwei bis zwanzig Atomprozent Aluminium auf der unteren Schicht aufliegt, daß die obere Schicht zumindestens auf ihrer dem Substrat abgewandten Fläche und freiliegende Bereiche der unteren Schicht zur Bildung des Kondensator-Dielektrikums oxydiert sind und daß die Oxydationsschicht der Aufnahme der Kondensatorgegenelektrode dient
Vorteilhaft besteht die Kondensatorgegenelektrode aus einer Nickel-Chrom-Gold-Schicht wobei es weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Widerstände aus einer Schicht mit dem höheren Tantalgehalt bestehen. Leiterbahnen haben zweckmäßig als Grundmaterial eine Schicht mit dem höheren Tantalgehalt und sind mit einer gutleitenden Schicht, wie einer Nickel-Chrom-Gold-Schicht überzogen.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung derartiger Dünnfilmschaltungen besteht im folgendem. Auf das Substrat wird zunächst die Schicht aus einer Tantal-Aluminium-Legierung mit dem höheren Tantalanteil z. B. zwischen 30 und 70 Atomprozent, insbesondere etwa 50 Atomprozent, und darauf die weitere Schicht einer Tantal-Aluminium-Legierung mit dem niedrigeren Tantalanteil, beispielsweise in der Größenordnung zwischen 2 und 20 Atomprozent aufgebracht, vorzugsweise mittels Kathodenzerstäubung. Dann wird durch eine an sich bekannte Maskentechnik und Ätztechnik zunächst eine Unterbrechung an der Stelle eines zu bildenden Kondensators hergestellt. Nach Ablösung der Maske wird eine anodische Oxydation der oberen Tantal-Aluminium-Schicht durchgeführt. Anschließend wird durch eine weitere Maske der für die Kondensatorbildung auszunutzende Tantal-Aluminium-Oxyd-Bereich abgedeckt. Die übrigen Bereiche werden dann zunächst vom Tantal-Aluminium-Oxyd und anschließend von der Schicht mit dem niedrigen Tantalgehalt freigeätzt. Danach wird nach Entfernung der restlichen Maskenteile zumindest \m Bereich des Kondensators eine gutleitende Oberflächenschicht, vorzugsweise in Form einer Nickel-Chrom-Gold-Schicht als Kondensatorgegenelektrode aufgebracht, während gegebenenfalls vorhandene Widerstände aus der Tantal-Aluminium-Schicht höheren Tantalgehalts hergestellt werden.
Zur anodischen Oxydation der Tantal-Aluminium-Schicht empfiehlt sich eine schwache wässrige Säure, wie wässrige Citronensäurelösung. Die anodische Oxydation wird vorzugsweise bei einer Stromdichte in der Größenordnung zwischen 0,1 und 1,0 mA/cm2 mit Vorteil so lange fortgesetzt, bis sich eine Formierspannung in der Größenordnung von einigen hundert Volt, insbesondere im Bereich um 500VoIt einstellt. Zum Ätzen der Tantal-Aluminium-Oxyd-Schicht empfiehlt sich ein flußsäurehaltiger Elektrolyt, wie eine wässrige Lösung aus Flußsäure und Salpetersäure. Zum Ätzen der Tantal-Aluminium-Schicht mit niedrigem Tantalgehalt empfiehlt sich eine wässrige Cer-Sulfat-Lösung oder wässrige Salzsäurelösung oder wässrige Natronlauge. Zum Ätzen der Tantal-Aluminium-Schicht mit höherem Tantalgehalt empfiehlt sich eine wässrige Flußsäure-Salpetersäure-Lösung. Mit diesen Ätzmitteln kann bei Zimmertemperatur gearbeitet werden.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der Zeichnung in wesentlichen Teilen näher dargestellt ist
Als Beispiel ist angenommen, daß, wie in F i g. 1 gezeigt, ein Vierpol mit einem im Querzweig liegenden Widerstand Ri und einem im Längszweig liegenden Kondensator C realisiert werden soll. Gegebenenfalls sei noch die zusätzliche Forderung nach einem im Längszweig in Reihe mit dem Kondensator C angeordneten Widerstand RZ gegeben.
Wie in der F i g. 2 gezeigt, wird zu diesem Zweck ein Substrat 1 aus Isoliermaterial, beispielsweise aus Glas. Quarz, Saphir oder polierter feinkörniger Keramik zunächst mit einer Tantal-Aluminium-Legierungsschicht 2 versehen, die einen Tantalgehalt zwischen 30 und 70 Atomprozent vorzugsweise in üi_r Größenordnung von 50 Atomprozent hat Diese Schicht wird in an sich bekannter Weise, beispielsweise mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht, so wie es u. a. in »Siemens-Bauteile-Information 9 (1971) 9« dargestellt und beschrieben ist. Auf die Schicht 2 wird eine weitere Schicht 3 ebenfalls aus einer Tantal-Aluminium-Legierung aufgebracht, die jedoch einen relativ niedrigen Tantalanteil hat, und zwar so, wie er im Hauptpatent angegeben ist nämlich in der Größenordnung zwischen 2 und 20 Atomprozent.
Das so vorbereitete Substrat wird nun beispielsweise mittels einer Photolackmaske 4 überzogen und nach entsprechender Belichtung wird durch Entwicklung des Photolacks an der für die spätere Kondensatorbildung vorgesehenen Stelle, beispielsweise an der Stelle 5 der Photolack entfernt. Die Tantal-Aluminium-Schicht 3 liegt damit, wie in der F i g. 3 gezeigt, an dieser Stelle 5 frei. Mittels einer entsprechenden Ätzung wird nun im Bereich dieser Durchbrechung 5 der Photolackschicht 4 eine Durchätzung durch die beiden Tantal-Aluminium-Schichten 2, 3 bis zur Oberfläche des Substrates 1 hin durchgeführt. Dies führt zu einer öffnung (6 in F i g. 4) in den Tantal-Aluminium-Schichten 2, 3. Handelt es sich z. B. um eine Realisierung der Schaltung nach Fig. 1, so kann nach Entfernung des Photolackes 4 das Substrat beispielsweise den in der F i g. 5 schematisch dargestellten Zustand haben. Ein Schnitt durch das Substrat in diesem Zustand und zwar im Bereich der öffnung 6 ist in der Fi g. 4 gezeigt
Nach Entfernung der Photolackmaske 4, was bei den F i g. 4 und 5 vorausgesetzt ist, wird eine anodische Oxydation der Oberfläche der Tantal-Aluminiurr-Schicht 3 und zwangsläufig auch der Stirnfläche beider Tantal-Aluminium-Schichten 2, 3 vorgenommen. Um ein Maß für die Dicke der Schichten zu geben, sei erwähnt, daß beispielsweise die Tantal-Aluminium-Schicht 2 eine Dicke in der Größenordnung von einigen Zehntel eines Mikrometers und die Tantal-Aluminium-Schicht 3 eine Dicke in der Größenordnung von einem Mikrometer hat bei einer Dicke des Substrats 1 von etwa 0,6 mm. Die durch die anodische Oxydation gebildete Tantal-Aluminium-Oxyd-Schicht 7 wird — -.vie aus der F i g. 6 ersichtlich — so dick gemacht, daß sich bei einer Strombelastung — es wird mit einer Konstantstromquelle die anodische Oxydation durchgeführt — zwischen 0,1 und 1 mA/cm2 zwischen der freien Seite der oberen Schicht 7 und den Tantal-Aluminium-Schichten 2,3 auf dem Substrat 1 eine Spannungsdifferenz in der Größenordnung von einigen 100 Volt, wenn möglich bis zu 500 Volt aufbaut. Im Regelfall wird bei einer weiteren Oxydation und entsprechender Erhöhung der anliegenden Spannung ein Durchschlag durch die Tantal-Aluminium-Oxyd-Schicht z. Z. noch schwer
vermeidbar, weshalb es sich empfiehlt, nur bis zu diesem Wert zu gehen, der jedoch bereits eine relativ hohe Spannungsfestigkeit im Vergleich mit den üblichen Tantal-Aluminium-Oxyd-Schichten bei Verwendung als Kondensator-Dielektrikum ergibt.
Die Oxydationsschicht 7 entsteht räumlich teils auf Kosten der darunterliegenden Tantal-Aluminium-Schicht 3 bzw. 2 teils wächst sie über diese hinaus.
Nach entsprechender Reinigung des auf seiner einen Oberfläche über den Tantal-Aluminium-Schichten 2, 3 mit einer Tantal-Aluminium-Oxyd-Schicht 7 überzogenen Substrats 1 wird mittels einer weiteren Photolackmaske 8 — vergl. F i g. 7 — der Bereich festgelegt, in dem für das später benötigte Kondensatordielektrikum das Tantal-Aluminium-Oxyd verbleiben soll. Die Photolackmaske 8 wird in an sich für Dünnfilmschaltungen bekannter Weise aufgebracht. Nach ihrer Fertigstellung wird zunächst mit einem ersten Ätzvorgang das nicht benötigte Tantal-Aluminium-Oxyd im Bereich außerhalb der Maske 8 entfernt, so daß lediglich, wie in der Fig.8 dargestellt, unterhalb der Maske 8 ein Tantal-Aluminium-Oxvd-Bereich T verbleibt. Durch eine weitere Ätzung wird dann auch der von der Maske 8 freie Bereich der Schicht 3, d. h. die Tantal-Aluminium-Schicht mit dem Relativ niedrigen Tantalgehalt entfernt. Das ist beim erfindungsgemäßen Aufbau deshalb ohne Beeinträchtigung der Schicht 2 möglich, weil wegen des unterschiedlichen Tantalgehalts die Schicht 3 wesentlich — z. B. um den Faktor 5 bis 20 - schneller abgeätzt wird als die Schicht 2. Es ist auf diese Weise möglich, gezielt und mit hoher Herstellungsgenauigkeit die in F i g. 9 ersichtliche Endform zu erhalten. Es verbleibt ein Bereich 2, 2' aus einer Tantal-Aluminium-Legierung hohen Aluminiumgehalts, beispielsweise in der Größenordnung von 50 Atomprozent.
Auf der Tantal-Aluminium-Schicht 2,2' ist im Bereich des Kondensators ein kleiner Restanteil 3' der Tantai-Aluminium-Legierung mit dem niedrigeren Tantalanteil vorhanden und auf diesem Schichtrest 3', seiner einen Stirnseite und der Stirnseite der Tantal-Aluminium-Schicht 2' ist ein Tantal-Aluminium-Oxyd-Film T vorhanden, der in der Regel bei den angegebenen Formierungswerten eine Dicke in der Größenordnung von einigen Zehntel Mikrometern hat und als Kondensator-Dielektrikum dient.
Die weitere Herstellung des Kondensators ist nun der üblichen Technik entsprechend d. h. es wird zunächst das gereinigte Substrat, das die Schichten 2,2', 3'. und T enthält, aof seiner gesamten die Schichten tragenden Oberfläche mit einer Nkkd^CJirom^M-SdHcht überzogen, beispielsweise durch nacheinander erfolgendes Aufdampfen einer Nickel-Chrom-Schicht 9 und einer Goldschicht 10. Die Schichtstärke dieser Nickel-Chrom-Gold-Schicht 9,10 liegt im Regelfall in der Größenordnung von einigen Zehntel eines Mikrometers. Die sich hierbei ergebende Ausbildung ist in der Fig. 10gezeigt. Mittels einer weiteren Photomaske wird der für die Leiterbahnbildung und die Gegenelektrodenbildung des Kondensators benötigte Teil 11 der Nickel-Chrom-Gold-Schicht 9, 10 abgedeckt und der übrige Teil der Nickel-Chrom-Gold-Schicht 9, 10 in an sich bekannter Weise z. B. mittels einer wässrigen Kaliumjodid- Jod-Lösung für Gold und wässrigen Cer-Sulfatlösung für den Nickel-Chromanteil abgeätzt. Anschließend wird mittels an sich bekannter Masken und Ätztechnik der Widerstand R\ aus der Schicht 2 herausgearbeitet.
Soll noch, so wie in der F i g. 1 angedeutet, ein Längswiderstand R2 in Reihe zum Kondensator eingeführt werden, so kann dies — vergl. F i g. 11 — durch eine weitere Wegätzung der Nickel-Chrom-Gold-Schicht oberhalb der Tantal-Aluminium-Schicht 2' geschehen. Es verbleibt dann nur am anderen Ende der so gebildeten Widerstandsbahn aus einer Tantal-Aluminium-Schicht 2', die gegebenenfalls auch mäanderförmig geführt werden kann, der die hochohmige Tantal-Aluminium-Legierung überbrückende gutleitende Kontaktierungsbelag 9, 10. Es ergibt sich damit ein Gesamtbild, wie es in der Fig. 12 gezeigt ist, wo die Abschnitte 10, 10' den entsprechenden Abschnitten in F i g. 11 entsprechen. Zusätzlich sind noch die durchgehende Leiterbahn 12 und die Widerstandsbahn R\ eingezeichnet, wobei die Widerstandsbahn Al mäanderförmig geführt ist und unmittelbar in die Schichten 2 der Abschnitte 9, 10 und 12 übergeht. Die Widerstandsschicht von Al und R2 besteht aus der Tantal-Aluminium-Legierung mit dem relativ hohen Tantalanteil. Im Bereich der Leiterbahnen ist die Tantal-Aluminium-Schicht mit dem höheren Tantalanteü mittels der aufgebrachten Nickel-Chrom-Gold-Schichten zu Leitungsabschnitten 9, 10 und 12 hoher Leitfähigkeit ergänzt.
Anstelle der dargestellten schrittweisen Ausbildung des endgültigen Leiterbildes und der Widerstände und Kondensatoren ist es auch denkbar, die Leitungsstruktur und die Widerstandsstruktur unmittelbar aus dem zweifach belegten Substrat 1, 2, 3 nach Fig. 5 unter Anwendung entsprechender Masken und entsprechender Ätzung gleichzeitig herauszuarbeiten und anschließend lediglich im Bereich um den Ort 6 des späteren Kondensators mittels weiterer Masken and unter Anwendung der anodischen Oxydation den Kondensator, wie anhand der Fig.6bis 11 erläutert, auszubilden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Aluminium-Tantal-Schichten für Dünnschichtschaltungen sowie diskrete Widerstände und Kon- S densatoren, die im Vakuum auf ein nichtleitendes Substrat aufgebracht werden und zwei bis zwanzig Atomprozent Tantal im Aluminium enthalten nach Patentanmeldung P 22534903-34, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest im Bereich eines Kondensators die Grundelektrode aus zwei nennenswert unterschiedlichen Tantalgehalt aufweisenden Schichten einer Tantal-Aluminium-Legierung besteht in der Weise, daß die untere Schicht mit höherem Tar.talgehalt unmittelbar auf dem Substrat aufliegt, daß die obere Schicht mit zwei bis zwanzig Atomprozent Aluminium auf der unteren Schicht aufliegt, daß die obere Schicht zumindestens auf ihrer dem Substrat abgewandten Räche und freiliegende Bereiche der unteren Schicht zur Bildung des Kondensator-Dielektrikums oxydiert sind und daß diese Oxydationsschicht der Aufnahme der Kondensatorgegenelektrode dient.
2. Elektrische Dünnschichtschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kondensatorgegenelektrode eine Nickel-Chrom-Gold-Schicht vorgesehen ist
3. Elektrische Dünnschichtschaltung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß Widerstände aus der Schicht mit dem höheren Tantalgehalt bestehen.
4. Dünnschichtschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Leiterbahnen als Grundmaterial die Schicht mit dem höheren Tantalgehalt haben und mit einer gutleitenden Schicht, wie einer Nickel-Chrom-Gold-Schicht überzogen sind.
5. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Dünnschichtschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Substrat (1) zunächst eine Schicht (2) einer Tantal-Aluminium-Legierung mit einem Tantalanteil zwischen 30 und 70 Atomprozent und darauf eine weitere Schicht (3) einer Tantal-Aluminium-Legierung mit einem Tantalanteil in der Größenordnung zwischen 2 und 20 Atomprozent aufgebracht wird, vorzugsweise mittels Kathodenzerstäubung, daß dann durch eine an sich bekannte Maskentechnik und Ätztechnik zunächst eine Unterbrechung (6) an der Stelle eines zu bildenden Kondensators hergestellt wird und nach Ablösung der Maske (4) eine anodische Oxydation der Tantal-Aluminium-Schicht (3) durchgeführt wird, daß anschließend durch eine weitere Maske (8) der für die Kondensatorbildung auszunutzende Tantal-Aluminium-Oxyd-Bereich (7') abgedeckt wird und die übrigen Bereiche zunächst vom Tantal-Aluminium-Oxyd und dann anschließend von der Tantal-Aluminium-Schicht (3) mit dem niedrigen Tantalgehalt freigeätzt werden, und daß dann nach Entfernung der restlichen Maskenteile (8) zumindest durch an sich bekannte Masken- und Ätztechnik im Bereich des Kondensators eine gutleitende Oberflächenschicht (9, 10) vorzugsweise in Form einer Nickel-Chrom-Gold-Schicht als Kondensator-Gegenelektrode aufgebracht wird, während gegebenenfalls vorhandene Widerstände aus der Tantal-Aluminium-Schicht höheren Tantalgehaltes hergestellt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur anodiscüen Oxydation der Tantal-Aluminium-Schichten eine schwache wässrige Säure, wie Citronensäurelösung verwendet wird, vorzugsweise bei einer Stromdichte in der Größenordnung zwischen 0,1 und 1,0 mA/cm2.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die anodische Oxydation so lange fortgesetzt wird, bis sich eine Formierspannung in der Größenordnung von einigen hundert Volt, insbesondere im Bereich um 500 Volt einstellt.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ätzen der Oxydschicht auf der Tantal-Aluminium-Schicht mit dem niedrigeren Tantalgehalt ein ßußsäurehaltiger Elektrolyt, wie eine wässrige Lösung aus Flußsäure und Salpetersäure verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ätzen der Tantal-Aluminium-Schicht mit niedrigem Tantalgehalt eine wässrige Cersihfat-Lösung, oder wässrige Salzsäurelösung, oder wässrige Natronlauge verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ätzen der Taptal-Aluminium-Schich: mit höherem Tantalgehalt eine wässrige Flußsäure-Salpetersäure-Lösung verwendet wird.
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