DE3132452A1

DE3132452A1 - Verfahren zum herstellen einer nach dem galvanischen aufbau von metallischen strukturen planaren strukturebene

Info

Publication number: DE3132452A1
Application number: DE19813132452
Authority: DE
Inventors: Udo Dr. Dipl.-Chem. 8000 München 40 Wagner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-08-17
Filing date: 1981-08-17
Publication date: 1983-02-24
Also published as: DE3132452C2

Description

Verfahren zum Herstellen einer nach dem galvanischen Auf-
bau von metallischen Strukturen planaren Strukturebene.
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer nach dem galvanischen Aufbau von metallischen Strukturen planaren Strukturebene auf einem metallisierten Substrat, bei dem die Strukturen auf fotolithografischem Wege erzeugt und durch galvanische Abscheidung aufgebaut werden.
Bei der galvanischen Herstellung von Mikro strukturen wird ein mit Fotolack beschichtetes metallisiertes Substrat mit einer die zu erzeugenden Mikrostruktur enthaltenden Maske bedeckt, belichtet und entwickelt, so daß sich nunmehr in der Fotolackschicht entsprechend der herzustellenden Struktur freigelegte Fensterbereiche befinden. Innerhalb dieser Fensterbereiche erfolgt nun die kathodische Abscheidung der Metallstrukturteile aus einem Elektrolyten. Abschließend werden die Fotolackreste entfernt. Diese Technik wird als Galvanoplastik bezeichnet und für die Herstellung von Metallmasken und Mikro strukturen in der Halbleitertechnologie und in anderen elektronischen Fertigungszweigen, z. B. als Schattenmasken für Farbbildröhren, als Elektroden-Steuergitter, insbesondere aber auch für die Herstellung mikromagnetischer Bauelemente in Magnetköpfenverwendet.
Der Schichtaufbau integrierter Vielspur-Magnetköpfe besteht aus zwei strukturierten Nickel-Eisen-Ebenen mit Strukturhöhen im /um-Bereich, zwischen denen sich isoliert durch Isolatorschichten die Sensor- und Leiterbahnebene oder die Spule befinden, deren Höhe im /um-Bereich ist. Um die Funktionssicherheit dieser Ebenen zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, daß die Oberfläche vor deren Aufbau möglichst eben ist. Daher sollte die durch die unterlegten Nickel-Eisen-Strukturen hervorgerufene Welligkeit der folgenden Isolierschicht möglichst gering sein. Entsprechendes gilt für die Isolierschicht, die auf die Leiterbahn- bzw. Spulenebene folgt und auf die die zweite Nickel-Eisen-Struktur aufgebaut ist.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrundeliegt, besteht deshalb darin, ein Verfahren für die Herstellung der metallischen Mikro strukturen anzugeben, mit dem es möglich ist, einen stabilen Schichtaufbau zu erzielen, durch den weder noch folgende Prozeßschritte beeinträchtigt werden, noch nachteilige Auswirkungen auf die Eigenschaften und Funktionssicherheit des Bauelements in Kauf genommen werden müssen.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere Planar-Verfahren im Zusammenhang mit der Herstellung mikromagnetischer Bauelemente bekannt geworden.
So ist z. B. aus einem Aufsatz von K. C. Vanner et al, Thin Solid Films, 80, No. 1-3, auf den Seiten 161-168 (1981), ein Verfahren zur Herstellung von integrierten Gallium-Arsenid-Bauelementen zu entnehmen, bei dem zur Oberflächenglättung eine Polymerschicht durch Schleudern auf die Strukturen aufgebracht wird.
Aus einem Aufsatz von Y. Miura et al, aus IEEE Trans. on Magn., MAG 16 (1980) auf den Seiten 779-781 ist bekannt, daß man planare Oberflächen bei der Herstellung von Dünnschicht-Magnetköpfen erhält, wenn man bei der Herstellung und Isolierung der Leiterbahnebene eine spezielle Atztechnik anwendet (Einstellung eines bestimmten Böschungswinkels).
Schließlich ist aus einem Aufsatz von Gokan et al in IEEE Trans. on Magn., Vol. MAG 16, No. 5, September 1980, auf den Seiten 1044-1046 ein Planar-Verfahren für 2 /um Bubble-Speicher in Dünnschichttechnologie zu entnehmen, bei dem die Strukturen zuerst mit einem Kunststoff durch Aufschleudern bedeckt werden und dann anschließend Oberflächenerhebungen durch schräg auftreffende Ionenstrahlen weggeätzt werden.
Die Einebnung mittels aufgeschleuderter Polymerschichten, wie in Thin Solid Films beschrieben, hat jedoch folgende Nachteile: 1. Das Material hat keine hohe Abriebfestigkeit.
2. Der Einebnungseffekt ist unter anderem abhängig von dem Höhe- zu Breite-Verhältnis der Strukturen und von der Dicke der aufgebrachten Schicht.
3. Das Höhe- zu Breite-Verhältnis der Strukturen bestimmen die Dicke der Isolationsschicht.
Die Verfahren aus IEEE Transactions on Magn. erfordern eine nur schwer zu steuernden Naß-Ätz-Prozeß bzw. den Einsatz des Ionenstrahlätzverfahrens.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe auf eine andere, technisch besser durchzuführende Weise und vermeidet damit gleichzeitig die eben geschilderten Nachteile. Sie betrifft ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches gegenüber den bekannten Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Erzielung einer planaren Oberfläche der Fotolithografieprozeß zugleich für die Erzeugung der Maskierung für die Erzeugung der metallischen Strukturen als auch für die Auffüllung der Zwischenräume zwischen den einzelnen Mikrostrukturteilen einer Ebene mit organischem oder anorganischem dielektrischen Material verwendet wird.
Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, daß die Fotolackschicht selbst nach Belichtung und Entwicklung sowohl als Maskierung bei der galvanischen Abscheidung als auch als Füllstoff für die Einebnung verwendet wird. Dabei wird gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung als Fotolack fotovernetzbare Polyimidvorstufen verwendet, wobei nach Belichtung und Entwicklung die vernetzte Negativstruktur des Fotolackes, die zunächst als Maskierung bei der galvanischen Abscheidung gedient hat, später als Füllstoff zur Stabilisierung und Einebnung verwendet wird. Durch Tempern wird sie in Polyimid überführt. Näheres siehe DE-PS 23 08 830 und 24 37 348.
In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist auch vorgesehen, daß a) zunächst auf das metallisierte Substrat eine den Füllstoff bildende Schicht aus organischem oder anorganischem dielektrischem Material ganzflächig abgeschieden wird, b) darauf eine Fotolackschicht aufgebracht, entsprechend der zu erzeugenden Struktur belichtet und entwickelt wird, c) die von der Fotolackschicht freigelegten Teile der organischen oder anorganischen Schicht entfernt werden, d) die Fotolackstrukturen abgelöst werden, e) die galvanische Abscheidung unter Verwendung der Füllstoffstrukturen als Maskierung durchgeführt wird. Gegebenenfalls kann ganzflächig eine weitere Isolationsschicht abgeschieden werden.
Dabei können als organische dielektrische Materialien neben Polyimiden und anderen foto sensitiven Kunststoffen auch Epoxidharze und Duroplaste verwendet werden. Eine höhere Abriebfestigkeit und Stabilität wird jedoch erreicht, wenn anorganische dielektrische Materialien wie SiO2, Al2O3, keramische Massen, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid usw. verwendet werden.
Eine weitere Einebnung läßt sich erreichen, wenn gemäß der Lehre der Erfindung auf der organischen oder anorganischen Schicht zusätzlich ganzflächig eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht und entsprechend mitstrukturiert wird, die kontaktiert ist und beim Erreichen der Sollhöhe des galvanischen Aufbaus einen Kurzschluß anzeigt. Vor Abscheiden der nächsten Schicht wird diese elektrisch leitende Schicht wieder entfernt.
Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung eignet sich insbesondere zur Herstellung von strukturierten Nickel-Eisen-Ebenen und Leiterbahnebenen in Vielspur-Magnetköpfen mit in Dünnschicht-Technologie aufgebauten Schreib-Lese-Elementen.
Anhand der Figuren 1 bis 9 sollen weitere Einzelheiten der Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden. Dabei zeigen die Figuren 1 bis 4 das Prinzip und die Prozeßfolge bei Verwendung der Fotolackstruktur als Maskierungs- und Füllstoffschicht gemäß Patentanspruch 2 und 3 und die Figuren 5 bis 9 das Prinzip und die Prozeßfolge bei Verwendung von SiO2 als Maskierung und als Füllstoff.
Ausführun#sbeispiel 1: Für den galvanischen Aufbau einer z. B. aus Nickel-Eisen bestehenden Struktur für die Pol- oder Abschirmschenkel eines Vielspur-Magnetkopfes wird als Kontaktschicht eine Nickel-Eisen-Schicht oder, falls erforderlich, eine nicht-magnetische Metallschicht verwendet.
Die Figur 1 zeigt eine solche Kontaktmetallschicht 2, die auf ein oberflächlich oxidiertes Siliziumsubstrat 3 aufgebracht ist. Auf diese Anordnung (2, 3) wird, wie in Figur 2 dargestellt ist, ganzflächig eine aus einer fotovernetzbaren Polyimidvorstufe bestehende Fotolackschicht 4 (Negativlack) aufgebracht und entsprechend der gewünschten Struktur mit einer Maske (nicht abgebildet) belichtet und entwickelt, wobei die durch die Belichtung vernetzten Teile 24 der Fotolackschicht 4 als Maskierung bei der nun folgenden galvanischen Abscheidung der Nickel-Eisen-Schicht 5 stehenbleiben, während die nicht vernetzten Teile 14 herausgelöst werden.
Nach Beendigung der galvanischen Abscheidung 5 in den Fensterbereichen (14) der Polyimidschicht (24) (siehe Figur 3) wird abschließend ganzflächig eine aus einem anorganischen Dielektrikum bestehende Schicht 6, beispielsweise eine SiO2-Schicht oder ein organisches Dielektrikum abgeschieden, ohne daß vorher die als Maskierung dienende Fotolackschicht 24, welche jetzt als Füllstoff dient, entfernt worden ist. Es entsteht die Anordnung nach Figur 4.
Bei dieser Prozeßfolge wird gegenüber der nun zu beschreibenden Prozeßfolge ein Verfahrensschritt bei der Fotolithografie, nämlich das Ablösen der Fotolackschicht eingespart.
Ausführungsbeispiel 2: Die andere Möglichkeit der Durchführung der erfindungsgemäßen Galvano-Planar-Technik besteht darin, daß mit Hilfe der Fotolackschicht 4.(siehe Figur 1 bis 4) eine Struktur in einer zusätzlich aufgebrachten Isolationsschicht (7) aus organischem oder anorganischem dielektrischem Material erzeugt wird.
Dabei wird wieder von der in Figur 1 dargestellten Anordnung ausgegangen und, wie in Figur 5 gezeigt ist, ganzflächig auf das metallisierte Substrat 2, 3 eine z. B. aus SiO2 bestehende«Schicht 7 in der Dicke der gewünschten Strukturhöhe durch einen Sputterprozeß abgeschieden. Dann erfolgt wie beim Ausführungsbeispiel 1 die Durchführung einer Fotolacktechnik (4, 14, 24), wobei die Teile 24 der Fotolackschicht 4 nunmehr als Maskierung bei der Entfernung der freigelegten Teile 17 der SiO2-Schicht 7 durch ein Trockenätzverfahren verwendet werden (siehe Figur 6).
Nach dem Öffnen der Fensterbereiche 17 und nach Entfernen der Fotolackstrukturen 24 (siehe Figur 7) wird in die Fensterbereiche die aus Nickel-Eisen bestehende Metallstruktur 15 galvanisch abgeschieden, wobei die Schichtteile 27 der SiO2-Schicht als Maskierung dienen. Die verbleibende Welligkeit hängt von der Höhe des galvanischen Aufbaus 15 ab, deren Schwankung kleiner + 10 %, bezogen auf die Höhe der abgeschiedenen Schicht, ist.
Eine weitere Einebnung läßt sich erreichen, wenn sich auf der SiO2-Schicht 27 eine leitende Teststruktur 8 be, findet, die - entsprechend kontaktiert - beim Erreichen der Sollhöhe des galvanischen Aufbaus 15 einen Kurzschluß anzeigt, der zur Unterbrechung des galvanischen Prozesses ausgenützt werden kann. Das Ergebnis ist eine gering profilierte oder nahezu planare Oberfläche, wobei die eben verwendete Maskierung 27 auf dem Substrat als Füllstoffschicht verbleibt (siehe Figur 8).
Abschließend kann nach Entfernung der Teststruktur 8 (wie auch in Figur 4 des Ausführungsbeispiels 1 gezeigt) die gesamte Anordnung ganzflächig mit einer z. B. aus Si02 bestehenden dielektrischen Schicht 16 überzogen werden. Es entsteht die Anordnung gemäß Figur 9, in welcher die gleichen Bezugszeichen gelten wie in den Figuren 5 bis 8.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind: 1. Niveauunterschiede nach dem galvanischen Aufbau der Strukturen kleiner 10 % der Strukturhöhe, unabhängig von den Abmessungen der Strukturen, 2. eine geringe Welligkeit der die Strukturen isolierenden Schicht und damit gute Eigenschaften der anschließenden Funktionsebene, 3. freie Wahl bei der Dicke der Isolierschicht, besonders im Hinblick auf eine geringe Schichtdicke.
Dies ist von Bedeutung, wenn die Schicht spaltbestimmend ist (Vielspur-Magnetköpfe).
4. Der Einsatz von anorganischen Dielektrika wie SiO2 oder Al203 als Maskierung gewährleistet: a) Langzeit-Stabilität, b) Abriebfestigkeit (im Spaltbereich) und c) sehr gute elektrische und mechanische Eigenschaften der nachfolgenden Funktionsebene.
Die der Erfindung zugrundeliegende Galvano-Planar-Technik kann neben den aufgeführten Beispielen überall da eingesetzt werden, wo a) die Strukturen selektiv galvanisch abgeschieden werden können, b) eine Verbindung der Strukturen durch die Kontaktschicht unkritisch ist oder c) durch eine entsprechende Strukturierung der Kontaktschicht die Strukturen nach dem Prozeß voneinander isoliert werden können.
10 Patentansprüche 9 Figuren

Claims

Patentansprüche.

0. . Verfahren zum Herstellen einer nach dem galvanischen Aufbau von metallischen Strukturen planaren Strukturebene (5, 15) auf einem metallisierten Substrat (2, 3), bei dem die Strukturen (5, 15) auf fotolithografischem Wege erzeugt und durch galvanische Abscheidung aufgebaut werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß zur Erzielung einer planaren Oberfläche der Fotolithografieprozeß (4, 14, 24) zugleich für die Erzeugung der Maskierung für die Erzeugung der metallischen Strukturen (5, 15) als auch für die Auffüllung der Zwischenräume (24, 27) zwischen den einzelnen Mikrostrukturteilen (5, 15) einer Ebene mit organischem oder anorganischem dielektrischem Material verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Fotolackschicht (4) selbst nach Belichtung und Entwicklung sowohl als Maskierung (24) bei der galvanischen Abscheidung als auch als Füllstoff (24) für die Einebnung verwendet wird (Figur 1-4).
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k k e n n z e i c h n e t , daß fotovernetzbare Polyimide als Füllstoff (24) verwendet werden (Figur 4).
4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß a) zunächst auf das metallisierte Substrat (2, 3) eine den Füllstoff bildende Schicht aus organischem oder anorganischem dielektrischem Material (7) ganzflächig abgeschieden wird, b) darauf eine Fotolackschicht (4) aufgebracht, entsprechend der zu erzeugenden Struktur (15) belichtet und entwickelt wird, c) die von der Fotolackschicht (4) freigelegten Teile (17) der organischen oder anorganischen Schicht entfernt werden, d) die Fotolackstrukturen (24) abgelöst werden, e) die galvanische Abscheidung (15) unter Verwendung der Füllstoffstrukturen (27) als Maskierung durchgeführt wird (Figur 4 und 9).
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß ganzflächig eine weitere Isolationsschicht (6, 16) abgeschieden wird (Figur 4 und 9).
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Stopp für die galvanische Abscheidung (15) auf der organischen oder anorganischen Schicht (27) zusätzlich ganzflächig eine elektrisch leitende Schicht (8) aufgebracht und entsprechend mitstrukturiert wird, die kontaktiert ist und beim Erreichen der Sollhöhe des galvanischen Aufbaus (15) einen Kurzschluß anzeigt und daß vor Abscheiden der nächsten Schicht die elektrisch leitende Schicht (8) wieder entfernt wird (Figur 8).
7. Verfahren nach Anspruch 1, 4, 5 und 6, d a -d d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als organisches dielektrisches Material Duroplaste verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, 4, 5 und 6, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als anorganisches dielektrisches Material Siliziumdioxid (sir2), Aluminiumoxid (Al203), keramische Massen, Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumnitrid (AlN) verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als weitere ganzflächige Isolationsschicht (6, 16) eine SiO2 oder Al203-Schicht abgeschieden wird (Figur 4 und 9).
10. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9, zur Herstellung von strukturierten Nickel-Eisen-Ebenen und Leiterbahnebenen in insbesondere Vielspur-Magnetköpfen mit in Dünnschicht-Technologie aufgebauten Schreib-Lese-Elementen.