DE3132452C2

DE3132452C2 -

Info

Publication number: DE3132452C2
Application number: DE19813132452
Authority: DE
Inventors: Udo Dipl.-Chem. Dr. 8000 Muenchen De Wagner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-08-17
Filing date: 1981-08-17
Publication date: 1987-11-12
Also published as: DE3132452A1

Description

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 foto lithografischem Wege erzeugt und durch galvanische Ab scheidung aufgebaut werden.

Bei der galvanischen Herstellung von Mikrostrukturen wird ein mit Fotolack beschichtetes metallisiertes Substrat mit einer die zu erzeugenden Mikrostruktur ent haltenden Maske bedeckt, belichtet und entwickelt, so daß sich nunmehr in der Fotolackschicht entsprechend der herzustellenden Struktur freigelegte Fensterbereiche be finden. Innerhalb dieser Fensterbereiche erfolgt nun die kathodische Abscheidung der Metallstrukturteile aus einem Elektrolyten. Abschließend werden die Fotolack reste entfernt. Diese Technik wird als Galvanoplastik bezeichnet und für die Herstellung von Metallmasken und Mikrostrukturen in der Halbleitertechnologie und in anderen elektronischen Fertigungszweigen, z. B. als Schattenmasken für Farbbildröhren, als Elektroden-Steuer gitter, insbesondere aber auch für die Herstellung mikro magnetischer Bauelemente in Magnetköpfen verwendet.

Der Schichtaufbau integrierter Vielspur-Magnetköpfe be steht aus zwei strukturierten Nickel-Eisen-Ebenen mit Strukturhöhen im µm-Bereich, zwischen denen sich isoliert durch Isolatorschichten die Sensor- und Leiter bahnebene oder die Spule befinden, deren Höhe im µm-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 hervorge rufene 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 zugrunde liegt, besteht deshalb darin, ein Verfahren für die Herstellung der metallischen Mikrostrukturen anzugeben, mit dem es mög lich ist, einen stabilen Schichtaufbau zu erzielen, durch den weder noch folgende Prozeßschritte beeinträchtigt werden, noch nachteilige Auswirkungen auf die Eigen schaften 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 bekanntgeworden.

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 Her stellung und Isolierung der Leiterbahnebene eine spezielle Ätztechnik anwendet (Einstellung eines be stimmten 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 µm Bubble-Speicher in Dünnschichttechnologie zu entnehmen, bei dem die Strukturen zuerst mit einem Kunststoff durch Aufschleudern bedeckt werden und dann anschließend Ober flächenerhebungen 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 da mit gleichzeitig die eben geschilderten Nachteile. Sie betrifft ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches gegenüber den bekannten Verfahren dadurch ge kennzeichnet, ist, daß zur Erzielung einer planaren Ober fläche der Fotolithografieprozeß zugleich für die Er zeugung der Maskierung für die Erzeugung der metalli schen 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 Fotolack schicht 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 Polymidvorstufen verwendet, wobei nach Belichtung und Entwicklung die vernetzte Negativstruktur des Fotolackes, die zunächst als Maskierung bei der galvanischen Ab scheidung gedient hat, später als Füllstoff zur Stabili sierung 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 Füll stoff bildende Schicht aus organischem oder anorgani schem 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 Füll stoffstrukturen als Maskierung durchgeführt wird. Ge gebenenfalls kann ganzflächig eine weitere Isolations schicht abgeschieden werden.

Dabei können als organische dielektrische Materialien neben Polyimiden und anderen fotosensitiven Kunststoffen auch Epoxidharze und Duroplaste verwendet werden. Eine höhere Abriebfestigkeit und Stabilität wird jedoch er reicht, wenn anorganische dielektrische Materialien wie SiO₂, Al₂O₃, keramische Massen, Siliziumnitrid, Aluminium nitrid usw. verwendet werden.

Eine weitere Einebnung läßt sich erreichen, wenn gemäß der Lehre der Erfindung auf der organischen oder anorgani schen Schicht zusätzlich ganzflächig eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht und entsprechend mit strukturiert 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-Magnet köpfen mit in Dünnschicht-Technologie aufgebauten Schreib-Lese-Elementen.

Anhand der Fig. 1 bis 9 sollen weitere Einzelheiten der Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden. Dabei zeigen die

Fig. 1 bis 4 das Prinzip und die Prozeßfolge bei Verwendung der Fotolackstruktur als Maskierungs- und Füllstoffschicht gemäß Patentanspruch 2 und 3 und die

Fig. 5 bis 9 das Prinzip und die Prozeßfolge bei Verwendung von SiO₂ als Maskierung und als Füllstoff.

Ausführungsbeispiel 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 Fig. 1 zeigt eine solche Kontaktmetallschicht 2, die auf ein oberflächlich oxidiertes Siliziumsubstrat 3 auf gebracht ist. Auf diese Anordnung (2, 3) wird, wie in Fig. 2 dargestellt ist, ganzflächig eine aus einer foto vernetzbaren Polyimidvorstufen bestehende Fotolackschicht 4 (Negativlack) aufgebracht und entsprechend der gewünsch ten Struktur mit einer Maske (nicht abgebildet) be lichtet 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 Fig. 3) wird abschließend ganzflächig eine aus einem anorganischen Dielektrikum bestehende Schicht 6, bei spielsweise 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 Fig. 4.

Bei dieser Prozeßfolge wird gegenüber der nun zu be schreibenden Prozeßfolge ein Verfahrensschritt bei der Fotolithografie, nämlich das Ablösen der Fotolackschicht eingespart.

Ausführungsbeispiel 2

Die andere Möglichkeit der Durchführung der erfindungsge mäßen Galvane-Planar-Technik besteht darin, daß mit Hilfe der Fotolackschicht 4 (siehe Fig. 1 bis 4) eine Struktur in einer zusätzlich aufgebrachten Isolationsschicht (7) aus organischem oder anorganischem dielektrischem Material erzeugt wird.

Dabei wird dieser von der in Fig. 1 dargestellten An ordnung ausgegangen und, wie in Fig. 5 gezeigt ist, ganzflächig auf das metallisierte Substrat 2, 3 eine z. B. aus SiO₂ bestehende Schicht 7 in der Dicke der ge wünschten Strukturhöhe durch einen Sputterprozeß abge schieden. Dann erfolgt wie beim Ausführungsbeispiel 1 die Durchführung einer Fotolackschicht (4, 14, 24), wo bei die Teile 24 der Fotolackschicht 4 nunmehr als Maskierung bei der Entfernung der freigelegten Teile 17 der SiO₂-Schicht 7 durch ein Trockenätzverfahren ver wendet werden (siehe Fig. 6).

Nach dem Öffnen der Fensterbereiche 17 und nach Entfernen der Fotolackschicht 24 (siehe Fig. 7) wird in die Fensterbereiche die aus Nickel-Eisen bestehende Metall struktur 15 galvanisch abgeschieden, wobei die Schicht teile 27 der SiO₂-Schicht als Maskierung dienen. Die verbleibende Welligkeit hängt von der Höhe des gal vanischen 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 Kurz schluß anzeigt, der zur Unterbrechung des galvanischen Prozesses ausgenützt werden kann. Das Ergebnis ist eine gering profilierte oder nahezu planare Oberfläche, wo bei die eben verwendete Maskierung 27 auf dem Substrat als Füllstoffschicht verbleibt (siehe Fig. 8).

Abschließend kann nach Entfernung der Teststruktur 8 (wie auch in Fig. 4 des Ausführungsbeispiels 1 gezeigt) die gesamte Anordnung ganzflächig mit einer z. B. aus SiO₂ bestehenden dielektrischen Schicht 16 überzogen wer den. Es entsteht die Anordnung gemäß Fig. 9, in welcher die gleichen Bezugszeichen gelten wie in den Fig. 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 isolieren den Schicht und damit gute Eigenschaften der an schließenden Funktionsebene,
3. freie Wahl bei der Dicke der Isolierschicht, besonders im Hinblick auf eine geringe Schichtdicke. Dies ist von Bedeutung, wenn die Schicht spaltbe stimmtend ist (Vielspur-Magnetköpfe).
4. Der Einsatz von anorganischen Dielektrika wie SiO₂ oder Al₂O₃ als Maskierung gewährleistet:
- a) Langzeit-Stabilität,
- b) Abriebfestigkeit (im Spaltbereich) und
- c) sehr gute elektrische und mechanische Eigenschaften der nachfolgenden Funktionsebene.

Die der Erfindung zugrunde liegende Galvano-Planar-Technik kann neben den aufgeführten Beispielen überall da einge setzt 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 Kontakt schicht die Strukturen nach dem Prozeß voneinander isoliert werden können.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer nach dem galvanischen Aufbau von metallischen Strukturen planaren Struktur ebene (5, 15) auf einem metallisierten Substrat (2, 3), bei dem die Strukturen (5, 15) auf fotolithografischem Wege erzeugt und durch galvanische Abscheidung aufgebaut werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer planaren Oberfläche der Foto lithografieprozeß (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 Mikro strukturteilen (5, 15) einer Ebene mit organischen oder anorganischem dielektrischem Material verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, 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 (Fig. 1-4).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß fotovernetzbare Polyimide als Füllstoff (24) verwendet werden (Fig. 4).

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, 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, ent sprechend der zu erzeugenden Struktur (15) belichtet und entwickelt wird,
c) die von der Fotolackschicht (4) freigelegten Teile (17) der organischen oder anorganischen Schicht ent fernt werden,
d) die Fotolackstrukturen (24) abgelöst werden,
e) die galvanische Abscheidung (15) unter Verwendung der Füllstoffstrukturen (27) als Maskierung durchge führt wird (Fig. 4 und 9).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß ganzflächig eine weitere Isolationsschicht (6, 16) abgeschieden wird (Fig. 4 und 9).

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Stopp für die galvanische Abscheidung (15) auf der organischen oder anorganischen Schicht (27) zusätzlich ganzflächig eine elektrisch leitende Schicht (8) aufgebracht und ent sprechend 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 (Fig. 8).

7. Verfahren nach Anspruch 1, 4, 5 und 6, da durch gekennzeichnet, daß als organisches dielektrisches Material Duroplaste ver wendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, 4, 5 und 6, da durch gekennzeichnet, daß als anorganisches dielektrisches Material Siliziumdioxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), keramische Massen, Siliziumnitrid (Si₃N₄), Aluminiumnitrid (AlN) verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere ganz flächige Isolationsschicht (6, 16) eine SiO₂ oder Al₂O₃-Schicht abgeschieden wird (Fig. 4 und 9).

10. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9, zur Herstellung von strukturierten Nickel-Eisen-Ebenen und Leiterbahnebenen in insbesondere Vielspur-Magnet köpfen mit in Dünnschicht-Technologie aufgebauten Schreib-Lese-Elementen.