DE3118957C2

DE3118957C2 -

Info

Publication number: DE3118957C2
Application number: DE19813118957
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 8755 Alzenau De Koehler
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1981-05-13
Filing date: 1981-05-13
Publication date: 1988-11-10
Also published as: DE3118957A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hitzebeständigen haftfesten Goldauflage auf oxidischem Trägermaterial mit Hilfe einer Haftschicht. Die Haftfestigkeit von durch physikalische Verfahren auf Trägermaterialien aufgebrachten Goldschichten reicht für die pratkischen Anwendungen oft nicht aus. Aufge dampfte Goldschichten lassen sich trotz Vorbehandlung (Glimmen, Heizen) der Unterlage verhältnismäßig leicht wieder abwischen oder abkratzen. Durch Kathodenzerstäu bung abgeschiedene Goldschichten zeigen zwar eine etwas bessere aber für die Praxis ebenfalls nicht ausreichende Haftfestigkeit.The invention relates to a method for manufacturing a heat-resistant adhesive gold plating oxidic carrier material with the help of an adhesive layer. The adhesive strength of by physical processes gold layers applied to carrier materials are sufficient often not enough for practical applications. Attention steamed gold layers can be used despite pretreatment (Glow, heating) of the pad relatively light wipe or scrape again. By cathode sputtering Exercise deposited gold layers show something better but not sufficient for practical use either Adhesive strength.

Es wurde deshalb schon die Verwendung der verschiedensten Haft-Zwischenschichten empfohlen. Bewährt haben sich z. B. Chrom, Mangan, Vanadin, Eisen, Kobalt, Nickel oder Legierungen dieser Metalle. Des weiteren wurden Wismut oder Wismutoxid und Titan als Zwischenschichten be schrieben.Therefore, the most varied of uses Intermediate adhesive layers recommended. Have proven themselves e.g. B. chromium, manganese, vanadium, iron, cobalt, nickel or Alloys of these metals. Furthermore, bismuth or bismuth oxide and titanium as interlayers wrote.

In der Praxis wird heute bevorzugt eine Chrom-Zwischen schicht verwendet. Diese ergibt eine ausreichend gute Haftung der Goldauflage und läßt sich sowohl durch Thermische Verdampfung als auch durch einen Zerstäubungs prozeß gleichmäßig abscheiden. In practice, a chrome intermediate is preferred today layer used. This results in a sufficiently good one Liability of the gold plating and can be both Thermal evaporation as well as through an atomization separate process evenly.

Beim Einsatz derartiger Teile hat es sich jedoch als nachteilig erwiesen, daß die praktische Verwen dung nur bis zu einer Temperatur von maximal 400°C (und auch dann nur kurzfristig) möglich ist. Bei höheren Temperaturen diffundiert das Chrom in die Goldauflage und durch diese hindurch auf die Oberfläche. Bei der Temperaturbehandlung solcher Schichten oberhalb 400°C an Luft oder in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bildet sich anstelle der Goldschicht eine schlechter leitende und nicht mehr lötfähige Chromdioxid-Oberfläche. Nach kurzer Zeit ist die gesamte Chrommenge, die als Haft vermittler diente, wegdiffundiert. Die Goldschicht ver liert dadurch ihr Haftvermögen und kann abgehoben oder abgekratzt werden.When using such parts, however, it has proved disadvantageous that the practical use only up to a maximum temperature of 400 ° C (and even then only for a short time). At higher The chrome diffuses temperatures into the gold plating and through it to the surface. In the Temperature treatment of such layers above 400 ° C in air or in an oxygen-containing atmosphere a less conductive layer instead of the gold layer and no longer solderable chromium dioxide surface. To short time is the total amount of chrome used as detention intermediary served, diffused away. The gold layer ver thereby looses their adherence and can lift off or be scraped off.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer hitzebeständigen haft festen Goldauflage auf oxidischen Trägermaterialien mit Hilfe einer Haftschicht zu finden, bei dem die Haft festigkeit der Goldschicht auch bei Temperaturen ober halb 400°C erhalten bleibt.It was therefore an object of the present invention Process for making a heat-resistant adhesive solid gold plating on oxidic substrates with the help of an adhesive layer where the detention strength of the gold layer even at temperatures above half 400 ° C is maintained.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Goldauflage und dem Trägermaterial eine Haftschicht aus Ruthenium, Rutheniumoxid oder einem Gemisch derselben aufgebracht wird.This object was achieved in that between the gold plating and the base material Adhesive layer made of ruthenium, ruthenium oxide or one Mixture of the same is applied.

Ruthenium bzw. Rutheniumoxid erweist sich überraschender weise als Haftvermittler, der auch bei Temperaturen bis 1000°C und bei längerem Heizen nicht in das Gold ein diffundiert und eine ausreichende Haftfestigkeit der Goldschicht erbringt. Andere Platinmetalle sind in die ser Hinsicht deutlich schlechter. Vorzugsweise werden die Haftschicht und Goldschicht durch Hochfrequenz- Kathodenzerstäubung aufgebracht, jedoch kön nen auch andere Verfahren, wie beispielsweise Vakuumver dampfung, Anwendung finden. Ruthenium or ruthenium oxide proves to be more surprising wise as an adhesion promoter, even at temperatures up to 1000 ° C and with prolonged heating do not enter the gold diffuses and sufficient adhesive strength of the Gold layer provides. Other platinum metals are in the much worse. Preferably be the adhesive layer and gold layer by high frequency Sputtering applied, but can NEN other methods, such as vacuum damping, find application.

Als Trägermaterialien können Silicat-Glas, Quarz, Alu miniumoxid oder andere oxidkeramische Materialien ver wendet werden. Vorraussetzung für deren Einsatz ist nur, daß diese Materialien so beständig sind, daß sie einen Elektronen- oder Ionenbeschuß im Rezipienten aushalten, ohne sich hierbei in Form oder Zusammensetzung zu ändern.Silicate glass, quartz and aluminum can be used as carrier materials minium oxide or other oxide ceramic materials ver be applied. The only prerequisite for their use is that these materials are so durable that they unite Withstand electron or ion bombardment in the recipient, without changing its shape or composition.

Das Trägermaterial (Substrat) wird vorteilhafterweise zunächst zur Reinigung im Rezipienten einem Ionenbe schuß (Glimmentladung) ausgesetzt.The carrier material (substrate) is advantageously first of all for cleaning in the recipient of an ion shot (glow discharge) exposed.

Anschließend wird beispielsweise eine dünne Schicht Ruthenium-Metall durch Kathodenzerstäubung aufgebracht. Dieser Prozeß kann in reiner Edelgasatmosphäre oder vorzugsweise in einem sauerstoff-haltigen Edelgasge misch mit 10 bis 20% Sauerstoff ausgeführt werden. An schließend wird die erforderliche Goldschicht ebenfalls durch einen Zerstäubungsprozeß abgeschieden. Es ist auch möglich, die Metalle zu verdampfen. Bei Gold ist dies ohne Schwierigkeit möglich; wegen der erforderlichen hohen Verdampfungstemperatur von Ruthenium ist hier für jedoch ein Elektronenstrahlverdampfer erforderlich. Billiger und einfacher ist deshalb das Zerstäubungsver fahren.Then, for example, a thin layer Ruthenium metal applied by sputtering. This process can take place in a pure noble gas atmosphere or preferably in an oxygen-containing noble gas container be mixed with 10 to 20% oxygen. On the required gold layer also closes deposited by an atomization process. It is also possible to evaporate the metals. With gold this is possible without difficulty; because of the required high vaporization temperature of ruthenium is here for an electron beam evaporator, however. Atomization is therefore cheaper and simpler drive.

Die Dicke der Ru-Schicht kann 5 bis 100 nm be tragen. Die Haftung der Goldauflage ist aber besser bei dünneren Ruthenium-Schichten von ca. 10-20 nm Dicke.The thickness of the Ru layer can be 5 to 100 nm wear. The liability of the gold plating is better with thinner ruthenium layers of approx. 10-20 nm thickness.

Durch eine thermische Nachbehandlung der Substrate kann die Haftfestigkeit der Schichten erheblich verbessert werden. Man wählt die Temperatur dabei so hoch, wie es das Trägermaterial bzw. die Goldschicht zuläßt. Vor zugsweise arbeitet man in oxidierender Atmosphäre bei 600 bis 1000°C. A thermal post-treatment of the substrates can significantly improves the adhesive strength of the layers will. You choose the temperature as high as it is the carrier material or the gold layer permits. Before preferably one works in an oxidizing atmosphere 600 to 1000 ° C.

Die besten Ergebnisse wurden so z. B. bei Aluminium oxidsubstraten mit einer Glühbehandlung bei 900- 950°C in 2 Stunden erzielt.The best results have been B. with aluminum oxide substrates with an annealing treatment at 900- 950 ° C achieved in 2 hours.

Die nach diesem Verfahren aufgebrachte Goldschicht haftet so gut am Aluminiumoxid, daß sie poliert wer den kann. Sie läßt außerdem einwandfrei löten und ist verhältnismäßig kratzfest. Vor allem aber hält diese Goldauflage Temperaturen bis 1000°C an Luft aus, ohne Veränderungen des Flächenwiderstandes. Die Haftfestigkeit dieser Goldauflage ist besser als 70 N/mm².The gold layer applied by this process adheres so well to the aluminum oxide that it can be polished by anyone. It can also be soldered properly and is relatively scratch-resistant. Above all, however, this gold plating can withstand temperatures up to 1000 ° C in air without changing the surface resistance. The adhesive strength of this gold plating is better than 70 N / mm ² .

Das folgende Beispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern:The following example is intended to illustrate the process according to the invention explain in more detail:

In einer handelsüblichen Anlage zur Kathodenzerstäubung werden Substrate auch Al₂O₃ (Größe z. B. 100 mm × 100 mm × 0,6 mm) auf wassergekühlte Aufnahmevor richtungen aufgelegt. Die Anlage ist mit zwei Target stationen für Targets von je 200 mm ≒ ausgerüstet (Ruthe nium und Gold). Die Anlage wird auf einen Druck von 6 · 10^-6 mbar evakuiert. Dann wird ein Edelgas/Sauerstoff- Gemisch (z. B. Argon, Krypton oder Xenon) mit 10% Sauer stoff eingeleitet bis auf einen Arbeitsdruck von 1,3 · 10^-2 mbar. Die Substrate werden zunächst einem Ionen beschuß (Glimmentladung) ausgesetzt zur Vorreinigung, hierbei ist die Substrat-Trägerplatte als Kathode ge schaltet.In a commercially available plant for cathode sputtering, substrates Al ₂ O ₃ (size, for example, 100 mm × 100 mm × 0.6 mm) are placed on water-cooled receiving devices. The system is equipped with two target stations for targets of 200 mm ≒ each (ruthenium and gold). The system is evacuated to a pressure of 6 · 10 ^-6 mbar. Then a noble gas / oxygen mixture (e.g. argon, krypton or xenon) with 10% oxygen is introduced up to a working pressure of 1.3 · 10 ^-2 mbar. The substrates are first exposed to an ion bombardment (glow discharge) for pre-cleaning, in this case the substrate carrier plate is switched as the cathode.

Anschließend wird, nach Öffnen einer Blende, das Sub strat unter dem Ru-Target mit einer Ruthenium-Schicht von ca. 0,01 µm Dicke belegt. Die Spannung am Target beträgt 3300 Volt. Die Gegenspannung (Bias) am Träger beträgt 100 Volt. Anschließend wird das Substrat unter das Gold-Target gebracht und hier mit der erforder lichen Au-Auflage (z. B. 1 µm) versehen. Die Spannung am Target beträgt 3600 Volt. Die Gegenspannung (Bias) am Träger ist 40 Volt.Then, after opening a panel, the Sub strat under the Ru target with a ruthenium layer 0.01 µm thick. The tension on the target is 3300 volts. The counter voltage (bias) on the carrier is 100 volts. Then the substrate is under brought the gold target and here with the required the Au coating (e.g. 1 µm). The voltage at the target is 3600 volts. The counter voltage (bias) on the carrier is 40 volts.

Die mit der Goldauflage versehenen Al₂O₃-Substrate werden anschließend dem Rezipienten entnommen und an Luft zwei Stunden bei 900°C getempert.The gold-coated Al ₂ O ₃ substrates are then removed from the recipient and heated in air at 900 ° C. for two hours.

Zur Prüfung der Haftfestigkeit wurden Stahlstifte mit Kopfdruchmessern von 2,8 mm mit Epoxidharzkleber auf die Goldschicht senkrecht aufgeklebt. Nach dem Aus härten wurden die Stifte mit einer üblichen Zerreiß maschine abgerissen. Bei einer Zugkraft von 350 bis 400 N rissen die Stifte ab, die Goldschicht haftete unverändert. Die Haftfestigkeit der Goldauflage ist somit besser als 70 N/mm².To test the adhesive strength, steel pins with a head diameter of 2.8 mm were glued vertically onto the gold layer using epoxy resin adhesive. After curing, the pins were torn off with a conventional tearing machine. With a tensile force of 350 to 400 N, the pins tore off, the gold layer adhered unchanged. The adhesive strength of the gold plating is therefore better than 70 N / mm ² .

Claims

1. A method for producing a heat-resistant adhesive gold plating on oxidischer Trägerma material, with the aid of an adhesive layer, characterized in that an adhesive layer of ruthenium, ruthenium oxide or a mixture thereof is brought up between the gold plating and the carrier material.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the ruthenium or ruthenium oxide adhesive layer by sputtering in atmospheres containing noble gas sphere is applied.

3. The method according to claim 2, characterized records that a Ge mix of noble gas with 10% -20% oxygen is applied.

4. The method according to claims 1 to 3, characterized records that the adhesive layer with a thickness of 5 to 100 nm, preferably 10 to 20 nm, is applied.

5. The method according to claims 1 to 4, characterized records that with adhesive layer and gold plating provided carrier materials in oxidizing atmosphere be annealed at 600 to 1000 ° C.