DE2331586C3 - Aluminium-Tantal-Schichten für Dünnschichtschaltungen sowie diskrete Widerstände und Kondensatoren - Google Patents
Aluminium-Tantal-Schichten für Dünnschichtschaltungen sowie diskrete Widerstände und KondensatorenInfo
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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 einen 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 Grundelektrode aus
zwei nennenswert unterschiedlichen Tantalgenalt aufweisenden Schichten einer Tantal-AlumJ'iium-Legierung
besteht in der Weise, daß die untere Schicht mit 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 Oxydationsschtcht
der Aufnahme der Kondensatorgegenelektrode dient.
Vorteilhaft besteht die Kondensatorgegenelektrode aus einer Nickel-Chrom-Gold-Schicht, wobei es weiterhin
vorteilhaft ist, wenn die Widerstände rus 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
AtomprozeiH, 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 Maskenlechnik 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 im Bereich des Kondensaiors 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 500 Volt 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-Schiern 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 Al und einem im Längszweig liegenden Kondensator C realisiert werden soll. Gegebenenfalls
sei noch die zusätzliche Forderung narh einem im Längszweig in Reihe mit dem Kondensator C
angeordneten Widerstand R2 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 der 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 Atzung 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 L. 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 F i 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-Aluminium-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 — wie aus der F i g. 6 ersichtlich — so dick gemacht, daß
sici. bei einer Strombelastung — es wird mit einer Konstantstromquelle die anodische Oxydation durchgeführt
— zwischen 0,1 und 1 mA/cmJ zwischen der freien Seite der oberen Schicht 7 und den Tanial-Aluir.in'um-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. 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-Oxyd-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 Tantal-Aluminium-Legicrung mit dem niedrigeren Tantalanieil
vorhanden und auf diesem Schichtrest 3', seiner einen Stirnseite und der Stirnseite der Tantal-Aluminium-Schichl
2' ist ein Tantal-Aluminium-Oxyd-Film T vorhanden, der in der Regel bei den angegebenen
Formierungswcrten 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 enthüll, auf seiner gesamten die Schichten tragenden
Oberfläche mit einer Nickel-Chrom-Gold-Schicht 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 F i g. 10 gezeigt.
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 Ri 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 Ri mäanderförmig
geführt ist und unmittelbar in die Schichten 2 der Abschnitte 9, 10 und 12 übergeht. Die Widerstandsschicht
von Rl 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 Tantalanteil mittels der
aufgebrachten Nickel-Chrom-Gold-Schichtcn zu Leitungsabschnitten
9, 10 und 12 hoher Leitfähigkeit ergänzt.
Anstelle der dargestellten schrittweisen Ausbildung des endgültigen Lcitcrbildes und der Widerstände und
Kondensatoren ist es auch denkbar, die Lcitungsslruktur und die Widerstandsstruktur unmittelbar aus dem
zweifach belegten Substrat I1 2, 3 nach Fig. 5 unter
Anwendung entsprechender Masken und entsprechender Ätzung gleichzeitig herauszuarbeiten und anschließend
lediglich im Bereich um den Ort 6 des splltcrcn Kondensators mittels weiterer Masken und tinici
Anwendung der anodischen Oxydation den Kondcnsa tor, wie anhand der F i g. 6 bis 11 crlUutcrt, auszubilden.
Claims (10)
1. Aluminium-Tantal-Schichten Tür 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, 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 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 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-Alurninium-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 geg;ebenenfalls
vorhandene Widerstände aus der Tantal-Aluminium-Schicht höheren Tantalgehaltes hergestellt
werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur anodischen 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 m A/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 flußsäurehaltiger 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 Cersulfat-Lösung, oder wässrige Salzsäurelösung,
oder wässrige Natronlauge verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ätzen der Tantal-Aluminium-Schicht
mit höherem Tantalgehalt eine wässrige Flußsäure-Salpetersäure-Lösung verwendet wird.
Priority Applications (21)
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