DE2522944C3 - Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Dünnfilmschaltung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Dünnfilmschaltung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 24 40 481 bekannt. Hierbei dient eine Chromschicht als Haftschicht. Beim Herausätzen der Leiterbahnen werden die Seitenkanten der Kupferschicht freigelegt. Diese freiliegenden Kupferoberflächen sind nicht korrosionsbeständig, so daß die Kupferschicht von den Seiten der Leiterzüge her angegriffen werden kann. Um dies zu verhindern, wird bei dem bekannten Verfahren durch die Temperung bei ca. 350⁰C ein durch Oberflächendiffusion verursachtes Fließen von Material aus der Goldschicht über die Seiten der Kupferschicht bewirkt, so daß die Goldschicht auch die Seiten der Kupferschicht abdeckt und dadurch eine Schutzschicht, die die Korrosion der Kupferschicht verhindert, bildet. Bei der Temperung diffundiert jedoch auch das Kupfer in die Goldschicht, so daß diese schließlich ca. 30% Kupfer enthält. Die Goldschicht wurde dabei auf die Kupferschicht aufgedampft, bis eine Schichtdicke von etwa 0,14 μ erreicht wurde. Eine solche Kupfer enthaltende Goldschicht neigt dazu, sich an ihrer Oberfläche mit Kupferoxid zu überziehen. Dadurch wird aber das Haften von mit der Goldschicht zu verbindenden, z. B. aus Gold bestehenden Anschlußbändsrn erschwert Zwar läßt sich die oberflächliche Kupferoxidschicht vor dem Anbringen der Anschlußbänder durch Ätzen entfernen. Wenn jedoch zwischen dem Abätzen der Kupferoxidschicht und dem Anbringen der Anschlußbänder im Zuge weiterer Fertigungsschritte nochmals eine Erwärmung der Dünnschichtschaltung erfolgen muß, so bildet sich sofort wieder eine neue störende Kupferoxidschicht auf der Goldschicht.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, das eingangs genannte Verfahren so weiterzubilden, daß nach dem Abätzen von auf der Goldschicht sich bildender Oxidschichten bei weiteren mit Wärmebehandlung einhergehenden Verfahrensschritten nicht mehr mit der erneuten Bildung solcher störender Oxidinseln oder Oxidfilme auf der Goldschicht gerechnet werden muß.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß durch die den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 entnehmbaren Verfahrensschritte.

Auf diese Weise wird eine relativ sehr stabile Gold-Kupferschicht geschaffen, die sich gegenüber Verfahrensschritten als sehr stabil erwiesen hat, bei der sich die Arbeitstemperaturen unterhalb der Temperatur halten (35O⁰C), bei der die Schichtenfolge Kupfer/Gold getempert worden ist.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der obenbeschriebene Stabilisierungseffekt der Schichtfolge Kupfer/Gold läßt sich durch folgende experimentell erzielte Ergebnisse belegen.

F i g. 1 beschreibt das Oxidationsverhalten von galvanischen Kupfer/Gold-Schichten, Kurve a gibt die Massenzunahme MZ in μg/cm² von Goldschichten auf Kupfer durch Oxidation bei einer Wärmebehandlung in Luft bei 350° C als Funktion der Erwärmungszeit ir an. Weiter wird die Massenzunahme bei 300⁰C anhand der Kurve b angegeben. Der durch die erfindungsgemäße Temperatur und nachfolgende Salzsäurebehandlung erzielte Stabilisierungseffekt wird aus der Kurve c ersichtlich. Man erkennt, daß im Vergleich zur Kurve b bei einer nochmaliger Erwärmung der Kupfer/Goldschicht bei 300⁰C und bis zu etwa 30 min keine Massezunahme zu beobachten ist, wenn die Kupfer/ Goldschicht vorher einer Temperung von 350" C und einer Temperzeit von 30 min unterworfen wurde.

In F i g. 2 werden Meßwerte der absoluten Thermokraft S von Kupfer/Goldschichten als Funktion der Erwärmungszeit fr angegeben. Man erkannt, daß die Thermokraft derartiger Schichten vom ursprünglichen Wert, nämlich 1,9μν/Κ (K = Grad Kelvin) mit zunehmender Erwärmungszeit kleineren Werten zustrebt.

So beträgt die Thermokraft nach 30 min bei 35O⁰C etwa 1,4μν/Κ (Kurve d). Vergleichsweise dazu ist die Abnahme der Thermokraft bei einer Temperatur von 300⁰C geringer (Kurve e). Kurve /gibt den Einfluß des Stabilisierungseffektes auf die Thermokraft wieder, wenn die Kupfer/Goldschichten vor einer Erwärmung bei 300⁰C einer Temperung bei 35O⁰C während einer Temperzeit von 30 min unterworfen wurden. Die Kurve / zeigt deutlich, daß die Thermokraft solcher Kupfer/ Goldschichten von der Erwärmungszeit unabhängig ist.

Schließlich wird in Fi g. 3 der Einfluß einer Temperaturbehandlung auf die Abreißfestigkeit Af bzw.

Schweißbarkeit von Goldbändern mittels Thermokompression der Kupfer/Goldschichten als Funktion der Temperatur 7> beschrieben.

Dabei beträgt die Erwärmungszeit jeweils 1 Stunde. Kurve g zeigt, daß bis zu einer Tern^^oir von 200⁰C die Abreißfestigkeit eines 50 μ dicken und 0,6 mm breiten Goldbandes identisch ist mit der Zerreißfestigkeit des Goldbandes selbst Es wurden Abreißwerte um etwa 3,5 N (Newton) gemessen. Erhöht man jedoch die Temperatur, so beobachtet man eine spontan** Abnahme der Abreißkräfte. Bei einer Temperatur von etwa 300⁰C sind die Abreißwerte = 0 N, d. h. Kupfer/Goldschichten sind nach einer derartigen Temperaturbehandlung nicht mehr schweißbar.

Kurve h zeigt den Einfluß der Salzsäurebehandlung. Schichten, die ursprünglich nicht mehr schweißbar waren, erreichen die volle Schweißbarkeit, wenn die an der Goldoberfläche angehäuften Kupferoxidreste entfernt wurden. Man beobachtet wieder Abreißwerte, die mit der Zerreißfestigkeit des Goldbanrles identisch sind.

Der Stabilisierungseffekt der Schichtfolge Kupfer/ Gold läßt sich physikalisch durch eine Festkörperlösung von Kupfer in Gold erklären. Die Festkörperlösung entsteht durch Korngrenzendiffusion des Kupfers. Eine Temperaturbehandlung bei 350⁰C bewirkt nach einer Temperzeit von 30 min eine Lösung von 8 Atomprozent Kupfer in der Goldschicht, wenn diese 2—3 μ dick ist und galvanisch mit einer Stromdichte von etwa 50 A/m² aufgebracht wurde. Hierbei handelt es sich nicht um die Ausbildung stöchiometrischer Legierungsmischphasen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens anhand der F i g. 4 bis 6 für eine Leiterbahnschichtfolge näher erläutert

Fig.4 zeigt eine Leiterbahn-Dünnfilmschichtfolge mit einem Keramiksubstrat 1, einer Nickel-Chromschicht 2 einer Dicke von 30—50 nm, einer aufgedampften Kupferschicht 3 einer Dicke von 300—500 nm, die anschließend galvanisch auf eine Dicke von 5 bis 10 μ verstärkt wird (Kupferschicht 4) und einer Goldschicht 5 einer Dicke von 2—3 μ.

Bei der praktischen Ausbildung einer elektrischen Schaltung werden die Metallschichten selektiv geätzt bzw. mit Photomasken strukturgerecht aufgalvanisiert, so daß Leiterbahnen in der gewünschten Form entstehen. Diese Prozesse sind vorteilhaft vor der erfindungsgemäßen Temperaturbehandlung bzw. chemischen Nachbehandlung durchzuführen.

Soll eine Dünnfilmschaltung mit Leiterbahnen und integrierten Widerständen hergestellt werden, so ist zwischen dem Substrat 1 und der Haftschicht 2 z. B. eine Tantalnitrid- oder Tantal-Aluminiumschicht geeigneter Dicke einzufügen. Soll der integrierte Widerstand aus aufgedampftem Nickel-Chrom-Material bestehen, so erweist sich Titan als Haftschicht anstatt Nickelchrom als vorteilhaft Auch in diesem Falle ist der erfindungsgemäße Verfahrensschritt vorzugsweise zuletzt durchzuführen.

Des weiteren eignet sich die beschriebene Leiterbahnkonfiguration als Gegenelektrode von integrierten Dünnfilmkondensatoren mit Betatantal-Oxid bzw. Tantai-Aluminium-Oxid als Dielektrikum oder nach entsprechender Strukturierung als Induktivität in Dünnfilmschaltkreisen.

F i g. 5 zeigt einen Ofen 6, in dem die Dünnfilmschaltung t bis 5 während eines Zeitraumes von 30 min bei 350⁰C getempert wird.

F i g. 6 zeigt ein Gefäß 7, das mit einer einmolaren Salzsäurelösung mit einer Temperatur von 20⁰C gefüllt ist. In das Gefäß 7 wird die Dünnfilmschaltung 1 bis 5 für einen Zeitraum von 5 min eingetaucht Dabei werden auf der Oberfläche der Goldschicht 5 befindliche Kupfer-Oxidinseln weggeätzt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Dünnfilmschaltung, bei dem der elektrischen Verbindung dienende mehrschichtige Leiterbahnen auf ein gegebenenfalls mit weiteren Schichten versehenes Substrat aus Isoliermaterial wie Keramik oder Glas aufgebracht werden und die Leiterbahnen in der Weise hergestellt werden, daß nach Aufbringen einer Haftschicht zunächst eine Kupferschicht und dann unter Fortlassung einer Diffusionssperrschicht eine Goldschicht unmittelbar auf die Kupferschicht aufgebracht und danach die Dünnfilmschaltung einer Temperung bei ca. 350⁰C unterworfen wird, um eine Diffusion des Materials der Kupfer- und der Goldschicht zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Goldschicht auf die Kupferschicht galvanisch mit einer Stromdichte von ca. 50 A/m² aufgebracht wird und daß die Temperzeit derart gewählt ist, daß das Kupfer der Kupferschicht durch die Goldschicht bis zu deren Oberfläche hindurch diffundiert und der Kupfergehalt der Goldschicht 5 bis 10 Atomprozent beträgt und daß die bei der Temperung in normaler Atmosphäre oder nach der Temperatur in einer SchuUgasatmo-Sphäre sich auf der Goldschicht bildende Oxidschicht mittels Ätzung entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Goldschicht eine Dicke von etwa 2-3 μ aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperzeit ca. 30 min beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ätzung mit einer einmc'aren wäßrigen Salzsäurelösung bei Raumtemperatur innerhalb von etwa 5 min durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ätzung in einer etwa lOgewichtsprozentigen wäßrigen Schwefelsäu- "*o relösung bei Raumtemperatur innerhalb von etwa 5 min durchgeführt wird.