DE2834221C3

DE2834221C3 - Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtleiterbahnen

Info

Publication number: DE2834221C3
Application number: DE19782834221
Authority: DE
Inventors: Viktor 8740 Brendlorenzen Fronz
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 1978-08-04
Filing date: 1978-08-04
Publication date: 1981-04-30
Also published as: DE2834221B2; DE2834221A1

Description

Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtleiterbahnen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 aus.

Für die Verkleinerung elektronischer Systeme bestand schon immer großes Interesse bei den Geräteentwicklern. Maßgebende Gründe waren neben der Gewichts- und Volumenvef'igerung besonders die Senkung der Herstellungskosten durch eine automatische Fertigung, wobei durch die verminderte Anzahl der Kontaktstellen die Zuverlässigkeit gesteigert werden kann. In der Mikroelektronik unterscheidet man mehrere Herstellungstechniken. Zunächst gibt es die integrierte Hybridschaltung, bei der diskrete miniaturisierte Bauelemente sowie aktive Elemente oder komplette integrierte Halbleiterschaltung^ durch Löten oder Mikroschweißen eingesetzt werden. Bei der integrierten Schichtschaltung werden die Bauelemente und Verbindungsleitungen in mehreren Schritten in Schichtform auf ein selbsttragendes, isolierendes Substrat aufgebracht Es wird hier zwischen Dickschicht- und Dünnschichttechnik unterschieden. Bei der Dickschichttechnik werden die Schichten pastenförmig über Schablonen auf das Substrat aufgebracht und eingebrannt. Die Dünnfilmtechnik verwendet aufgedampfte oder aufgestäubte Schichten. Die größte Packungsdichte wird bei der integrierten Halbleitertechnik erzielt. Hier wird ein selbsttragender Halbleitereinkristall verwendet, in dem die Bauelemente durch mehrere Diffusionsechritte mit Fremdatomen hergestellt werden. Die Verbindung dieser Bauelemente untereinander wird durch Beschichten mit dünnen Metallfilmen durchgeführt Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Herstellung von integrierten Hybrid- bzw. Schichtschaltungen in Dünnfilmtechnik einsetzbar.

Für alle Dünnfilmschaltungen ist zunächst ein Substrat erforderlich, das eine geringe Oberflächenrauhigkeit besitzt. Auf diesem Substrat werden topologisch und topographisch richtig und platzsparend in Schichten Widerstände, Kapazitäten, Spulen und Leiterbahnen nach den verschiedensten Herstellungsverfahren aufgebracht. Eine wichtige Eigenschaft der Schichten auf dem Substrat ist die Haftfestigkeit. Es zeigt sich, daß alle Edelmetallschichten auf oxidierten Unterlagen sehr schlecht haften. Haftfestigkeil ist nur über eine wenn auch noch so dünne Oxidschicht zu erreichen. Da die Edelmetalle keine Oxide bilden, ist immer eine Zwischenschicht aus einem oxidbildenden Material erforderlich. Auf Metallen haften Metalle im allgemeinen durch Diffusion, Legierungsbildung oder Bildung intermetallischer Verbindungen.

Für Leiterbahnen werden entweder Aluminium oder Gold verwendet aus Gründen der elektrischen Leilfähigkeit, wobei Aluminium wegen seiner guten Haftfestigkeit bei Aluminiumoxid-Substraten bevorzugt wird. An Aluminium können Drähte mit Ultraschsilgeräten angeschweißt werden, während Gold durch Weichlöten oder Thermokompression kontaktiert wird. Voraussetzung ist allerdings eine Verankerung der Gold- bzw. Aluminium-Schicht auf dem Substrat, was durch Zwischenschichten aus Chrom, Titan, Wolfram, Tantal oder Molybdän erfolgen kann. Mitunter bringt man noch dünne Sperrschichten aus Platin an, um eine

« Diffusion zwischen den genannten Metallen und dem Leiterbahnenmetall zu verhindern. Die Leiterbahnen enden zum Teil an Kontaktstellen, die für eine Verbindung mit der Umgebung vorgesehen sind. An diesen Kontaktstellen müssen Drähte oder Bänder angeschweißt oder angelötet werden. Bei einer Goldschicht macht das Löten keine Schwierigkeiten.

Beim Aluminium hingegen ist nur eine Schweißung nicht jedoch eine Lötung möglich.

Aus Kupfer bestehende Leiterbahnen bzw Kontaktstellen sind zwar lötbar und sie haben einen besseren Leitwert als solche aus Aluminium, aber die Haftfestigkeit auf einem Substrat aus Aluminiumoxid ist sehr schlecht. Diesen Nachteil sucht man dadurch zu beheben, daß man zuerst eine dünne Chromschicht auf das Aluminiumoxid aufträgt, welche eine gute Haftfestigkeit auf Aluminiumoxid besitzt. Chrom bildet hierbei in Verbindung mit Aluminiumoxid eine teilweise Chi omoxidschicht. Auf diese Chromschicht wird nun Kupfer als Leiterbahnenmetall aufgetragen, das auf Chrom gut haftet. Diese Kupferschicht ist lötbar. Wird das so beschichtete Substrat über eine längere Zeit hinweg mit einer höheren Temperatur beaufschlagt, wie sie z. B. für die Herstellung von Widerstandsschichten

zum Tempern benötigt wird, so diffundiert Chrom durch die Kupferschicht. Es bildet sich dann an der Oberfläche eine nicht lötbare Schicht aus, die auch bei mechanischer Behandlung unlötbar bleibt. Um die Kupferoberfläche und damit Lötbarkeit zu erhalten, bringt man zwischen Chrom und Kupfer eine weitere Zwischenschicht, die bislang aus einem Edelmetall (z_ B. Platin) besteht. Verständlicherweise erhöhen sich dadurch die Herstellungskosten.

Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtleiterbahnen bekannt, DE-OS 24 40 481, bei dem auf einem Substrat aus Polyimid oder Quarz eine erste Schicht aus Chrom in einer Dicke von 650 bis 750 Ä bei einer Temperatur von 130⁰C bis 165°Cfürdas Quarz-Substrat und 200⁰C bis 250⁰C für das Polyimid-Substrat aufgebracht ist. Diese erste Schicht wirkt als Diffusionsschranke und fördert die Haftung der nachfolgenden Schichten. Darauf aufgebaut wird eine Chrom-Kupfer-Schicht mit einer zweiphasigen Struk tür. Man geht hierbei so vor, daß man Chrom unter Zufügung von Kupfer aus einer separaten Dampfquelle bei einer Temperatur von 150⁰C bringt. Ist eine Schichtdicke von etwa 500 Ä erreicht, so wird die Chromquelle geschlossen und es erfolgt nur eine Kupferaufdampfung bis die Kupferschicht etwa 9000 Ä stark ist. Danach wird die Kupferquelle geschlossen und eine obere Schicht aus Gold wird bis zur Stärke von 1400 A aufgedampft. Mit Hilfe von photolitographischen Verfahren wird eine bestimmte Struktur maskiert und substraktiv herausgeätzt. Die geätzte Struktur wird einem kurzzeitigen Erhitzungsprozeß bei 350°C unterworfen. Bei dieser Behandlung diffundiert das Kupfer in das Gold, so daß eine Kupfer-Gold-Lösung über die Kanten der Leiterzüge fließt. Dieses Fließen wird durch eine Oberflächendiffusion über die Seitenkanten der Leiterbahnen gebildet, die herab bis zu der Chromschicht reicht und damit die Kanten versiegelt. Die Beschichtung mit Gold erfolgt, um einen Schutz gegen Korrosion zu erzielen.

Aus der DE-AS 12 58 941 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von mehrschichtige,1 Dünnfilmsohaltungsplatten bekannt, bei denen auf einem Substrat Leiterund Isolierschichten aufgebracht sind. Um die Haftung der aus Kupfer hergestellten Leiterschichten zu verbessern, wird eine im Vakuum aufgebrachte Zwischenschicht aus Chrom als Unterlage für die Leiterschichten verwendet. Der Einsatz einer Chromschicht als Haftvermittler ist auch aus der DD-PS 40 661 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine unter Vermeidung der Anwendung von Edelmetallen in der als Diffusionsschranke wirkenden Sperrzwischenschicht und somit kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtleiterbahnen zu finden, bei dem die Dünnschichtleiterbahnen lötbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

An das Substrat, auf das die Schichten aufgebracht werden, werden einige teils schaltungstechnisch, teils technologisch bedingte Anforderungen gestellt, die z. B. mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder mit der Temperaturbelastbarkeit zusammenhängen. Im Gegensatz zur Dickfilmtechnik benötigt man für die Dünnfilmtechnik Substrate, deren Oberflächenrauhigkeit möglichst klein ist. Bei Glasoberflächen ist dies der Fall. Allerdings ist die thermische Belastbarkeit der meisten Gläser begrenzt. Die Erweichungspunkte liegen bei z. B. 550⁰C, was man bei der Formierung der Widerstandsschichten beachten muß. Sinterkeramik läßt wesentlich höhere Temperaturen zu und ist bruchfester, aber weniger glatt. Stört die größere Oberflächenrauhigkeit, so kann man als Konpromißlösung hochreine Aluminiumoxidkeramik mit hochwertigem Glas überziehen.

Die Aufbringung der Schichten auf das aus Aluminiumoxid oder aus Glas bestehende Substrat kann nach zwei Verfahren durchgeführt werden. Als erstes Verfahren findet das bekannte Katodenzerstäubungsverfahren Anwendung. Im Vakuum werden mittels beschleunigter Edelgas-Ionen Metallatome von einer Katode, dem sogenannten Target, herausgelöst, die dann auf dem Substrat kondensieren. Auf diese Weise wird eine Grundschicht aus Chrom in der Stärke von 1000 A bis 3000 A, vorzugsweise 2000 A, auf das Substrat aufgebracht. Anschließend erfolgt die reaktive Aufbringung einer Kupferoxidschicht als Sperrschicht. Es hat sich nun überraschenderweise ergeben, daß diese Kupferoxidscbicht bei einer weiteren Wärmebehandlung, wie sie für die Temperung der Widerstandsschichten erforderlich ist, verhindert, daß Chrom an die Oberfläche gelangen kann. Das reine Kupfer, das im anschließenden Schritt aufgetragen wird, bleibt weiterhin an der Oberfläche erhalten und ist genauso lötbar wie vor der Wärmebehandlung. Um die Funktion als Sperrschicht zu erfüllen, ist eine Mindestschichtstärke von 500 Ä erforderlich. Die reaktive Autbringung des Kupferoxids erfolgt in einer Sauerstoff-Edelgasatmosphäre, wobei das Druckverhältnis Sauerstoff zu Edelgas 1 : 50 bis 1 : 200 beträgt. Als Partialdruck wurde für Sauerstoff 1 · 10 ⁴ Torr und für das Edelgas, z. B. Argon, 80 · 10 -⁴ Torr gewählt. Der Sauerstoff kann sowohl in reiner Form oder kostengünstiger als gereinigte Luft verwendet werden. Wenn die gewünschte Stärke der Kupferoxidschicht erreicht ist, so wird der Sauerstoffzufluß gesperrt und eine ca. 8000 A starke Kupferschicht unter Inertatmosphäre aufgebracht. Die Benetzung mit Lötzinn sowohl vor als auch nach der Wärmebehandlung ist ausgezeichnet.

Nimmt man für die Schichtstärke der Grundschicht 2000 A, für die Sperrschicht ebenfalls 2000 A und für die Kupferschicht 8000 A an, so beträgt der Widerstand der Leiterbahnen bei einer Gesamtschichtstärke von 12 000 A ca. 0,1 Ω/G. Dieser Wert liegt nach der Wärmebehandlung sogar noch niedriger als zuvor. Die Haftfestigkeit ist sowohl vor der Wärmebehandlung als auch nach der Wärmebehandlung besser als 5 kp/mnv. Die Wärmebehandlung ist erforderlich, um die anschließend aufgebrachten Widerstandsschichten zu tempern. Dieser Herstellungsschntt erfolgt je nach Widerstandsschicht im Vakuum oder in Edelgasatmosphäre bei einer Temperatur ab 35O⁰C. Ein anderer neben der Temperatur noch wichtiger Parameter bei der Temperung ist die Zeit. Man hat danach gewisse Möglichkeiten auf den Temperaturkoeffizienten der Wide . ndsschicht Einfluß auszuüben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere in Verbindung rn.it der Herstellung von Widerstandsschichten, die eine Temperung erfordern, von Bedeutung.

Bei dem zweiten Verfahren kommt die reaktive Auftragung der Sperrschicht durch Vakuumbedampfung in Sauerstoffatmosphäre zur Anwendung. Zunächst wird Chrom auf das Substrat im Vakuum bei einem Druck von etwa 10~⁶Torr aufgedampft. Die entsprechenden Strukturen der Leiterbahnen erzielt man, wie auch bei dem anderen Verfahren, durch eine

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& Maske. Anschließend wird von einer Quelle Kupfer zur

Verdampfung gebracht, wobei Sauerstoff zugegeben wird. Auf die Grundschicht baut sich so eine Kupferoxidschicht auf. 1st die gewünschte Schichtstärke

I erreicht, so wird die Sauerstoffzufuhr abgedreht und die

I nachfolgende Leiterbahnenschicht enthält nur reines

1 Kupfer.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtleiterbahnen, die zusammen mit Bauelementen, insbesondere Schichfviderständen, auf einem als Träger dienenden, elektrisch nichtleitendem Substrat in der Form einer integrierten Schicht- bzw. Hybridschaltung aufgebracht sind, wobei sich zwischen der aus Kupfer bestehenden Leiterbahnschicht und dem Substrat Zwischenschichten befinden, von denen die unterste auf dem Substrat vorhandene Schicht eine Chromschicht ist, d a durch gekennzeichnet, daß auf die Chromschicht im Vakuum eine Sperrschicht aus Kupferoxid reaktiv in einer Sauerstoffatmosphäre aufgebracht wird.

2. Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtleiterbahnen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Keramik, wie z. B. Aluminiumoxid, oder aus Glas besteht.

3. Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtleiterbahnen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktive Auftragung nach dem Verfahren der Katodenzerstäubung in einer Sauerstoff-Edelgasatmosphäre und die anschließende Bekupferung in einer Edelgasatmosphäre erfolgt.

4. Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtleiterbahnen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktive Auftragung nach dem Verfahren der Vakuumbedampfung in Sauerstoffatmosphäre erfolgt.

5. Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtleitcrbahnen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff in reiner Form oder als gereinigte Luft verwendet wird.

6. Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtleiterbahnen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckverhältnis Sauerstoff zu Edelgas 1 : 50 bis 1 : 200 beträgt.

7. Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtleiterbahnen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht eine Stärke von 1000 Ä bis 3000 A, vorzugsweise 2000 Ä, und die Sperrschicht eine Stärke von mindestens 500 Ä aufweist.