DE3135720C2

DE3135720C2 - Verfahren zur Herstellung eines Aufbaus von Metallschichten für Dünnschichtleiterbahnen

Info

Publication number: DE3135720C2
Application number: DE19813135720
Authority: DE
Inventors: Jan Ing.(grad.) 8000 München Smola
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-09-09
Filing date: 1981-09-09
Publication date: 1983-10-27
Also published as: DE3135720A1

Abstract

Aufbau von Metallschichten für Dünnschichtleiterbahnen, enthaltend eine Pd-Schicht (Pd) über einem isolierenden Substrat (S), wobei eine die Pd-Schicht (Pd) bedeckende Au-Schicht, auch unmittelbar vor dem Verlöten, ganz fehlt, indem nämlich die Pd-Schicht (Pd) die oberste Metallschicht ist.

Description

- Thin Solid Films 41 (1977) 87-103 und

— in beachtlichen Anzahlen hergestellte, im EMS-Vermittlungssystem bisher benutzte Siemens-Bausteine, Typ S42026B012,

bereits dadurch, daß in diesem sonstigen Stande der Technik noch viel dickere Au-Schichten mit entsprechend hohem Au-Verbrauch für nötig gehalten wurden, nämlich häufig z. B. die Schichtenfolge: Au mit z. B. 600 nm Dicke, Pd mit z. B. 400 nm Dicke, Ti mit z. B. 50 nm Dicke, CrNi mit z.B. 100Ω/Ο Widerstand auf z. B. A^Oß-Substrat oder Glassubstrat, oder z. B. die Schichtenfolge von Au mit z. B. 6000 nm Dicke, Pd mit z. B. 200 nm Dicke, Ti mit z. B. 75 bis 200 nm Dicke.

Beim zuerst genannten, durch DE-AS 23 07 194 bekannten, beim in der DE-OS 30 29 277 angegebenen älteren und beim erfindungsgemäßen Verfahren kann einerseits die Ti-Schicht insbesondere als gute Haftschicht zwischen Pd und CrNi dienen, sowie zum Schutz gegen zu starke Unterätzung der CrNi-Schicht beim Wegätzen der außerhalb der Leiterbahnen liegenden Teile dieser CrNi-Schicht. Andererseits kann die CrNi-Schicht bevorzugt unmittelbar auf dem Substrat angebracht sein und bei Bedarf insbesondere zur Bildung von elektrischen Widerständen dienen, indem unter den Pd-Ti-Schichten der Leiterbahnen verbleibende CrNi-Reste, wegen der guten Isolatoreigenschaften des Substrats, elektrisch weitgehend vernachlässigbar sind und indem zwischen zwei Leiterbahnen verbleibende, nicht mit weggeätzte CrNi-Schichten bei Bedarf den Widerstand zwischen diesen beiden Leiterbahnen bilden.

Die Erfindung hat demnach ebenso wie das durch die DE-AS 23 02 194 bekannte Verfahren und das ältere, in der DE-OS 30 29 277 angegebene Verfahren den Vorteil,

²⁰

— eine gute Haftung der Lötmassen beim späteren Verlöten der, insbesondere durch Ätzen aus den Metallschichten gebildeten, Leiterbahnen,

— eine Vermeidung von, durch Diffusion von Au-Atomen in noch tiefere Schichten ausgelösten, Störungen,

— eine lange Lagerfähigkeit der nicht verlöteten, sogar der noch nicht durch Ätzung bereits zu Leiterbahnen geformten, Metallschichten auf dem Substrat, in normaler Luft ohne wesentliche '⁵ Beeinträchtigung der guten Löteigenschaften, trotz der extremen Reduktion des Au-Aufwandes,

— eine gute Haftung zwischen der zum Löten benötigten Pd-Schicht auf der CrNi-Schicht mittels Ti-Schicht,

— die bei hohen Stückzahlen, z.B. ^ei 100 000 Substraten pro Jahr, sehr beachtliche Einsparung des Au-Materialaufwandes,

— bei Bedarf sogar trotz mehrmalig wiederholtem Löten, selbst bei zweifachem oder noch öfteren An- und Ablöten, eine gute Benetzung der Pd-Schicht mit der Lötmasse ohne erhebliches Ablegieren der Pd-Schicht, und damit eine gute Haftung der späteren Lötverbindung zwischen dem Pd und der darüberliegenden Lötmasse, die z. B. aus 60% Sn 36,5% Pb und 3,5% Ag, besteht, und

— eine gute Zugfestigkeit bzw. Abreißfestigkeit der Lötverbindung selbst nach monatelanger Lagerung der Lötverbindung unter 150° C in normaler Luft, trotz der extremen Reduktion des Au-Aufwandes, ¹^

zu ermöglichen.

Au-Einsparungen sind überdies in Zukunft umso bedeutsamer, je mehr generell auf dem Weltmarkt der Au-Bedarf bzw. die Au-Nachfrage steigt, und je mehr die leicht abbaubaren Au-Vorräte der Welt zurückgehen, je mehr also die schon bisher hohen Kosten für Au weiter steigen. Bei der Entwicklung des älteren Verfahrens hatten Versuche gezeigt, daß oft auch die Pd-Schicht dann dünner als bisher üblich ohne Störung der Langzeiteigenschaften der noch tieferen Ti-CrNi-Schichten gemacht werden konnte, wenn die Au-Schicht besonders dünn ist, z. B. 280 nm Pd bei 100 nm Au, statt 400 nm Pd bei 600 nm Au. Dadurch wurde zusätzlich der Pd-Materialverbrauch erheblich verringert, was eben- ⁾⁰ falls hohen Kostenverminderungen entspricht. Überdies bildeten sich im Fotolack über der Au-Schicht umso weniger Versprödungen bzw. Risse beim späteren Ätzen der Pd-Schicht — also beim späteren Herstellen der Leiterbahnen aus den Metallschichten — je dünner die Pd-Schicht war, also je kürzer die Einwirkdauer des das Pd lösenden Ätzmittels auf den Fotolack war. Risse im Fotolack bewirken beim Ätzen Löcher und Unterbrechungen in Pd und Ti bzw. in den Leiterbahnen

— also Ausschuß, wobei insbesondere beim Tauchlöten Benetzungsschwierigkeiten bzw. Sn entstehen. Die Au-Schicht, wenn auch nur noch dünn, wurde aber, im Hinblick auf die damit erreichte Haftung von Lötmasse bzw. Sn auf Pd, und besonders zur Vermeidung von starken Oxidationen des Pd beim anschließenden ^bD Tempern, dort weiterhin für nötig gehalten.

Die Aufgabe der Erfindung ist, zusätzlich zu den aufgezählten Vorteilen,

- trotz längerer, z. B. 30 Minuten dauernder, Temperung an Luft, z. B. be: 35O⁰C, keine dicke schädliche Palladiumoxid-Schicht auf der Pd-Schicht zu erzeugen, sowie

— jeglichen Zeit- und Zubehöraufwand zur Anbringung irgendeiner Ersatzschicht, statt Au-Schicht, auf der Pd-Schicht einzusparen, um deren starke Oxidation bei der Temperung der CrNi-Schicht zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Die Erfindung beruht also auf der Erkenntnis, daß die, im Allgemeinen für sich betrachtet vorteilhafte. Temperung der unten angebrachten CrNi-Schicht bereits vor Anbringung der Pd-Schicht und vor Anbringung der Τι-Schicht gestattet, dicke Oxidschichten auf der Pd-Schicht zu vermeiden, ohne die Haftung der Ti-Schicht auf der CrNi-Schicht wesentlich zu beeinträchtigen. Tempert man also vor der Anbringung der Ti-Schicht und der Pd-Schicht, dann ist die sich bei der Lagerung auf der Pd-Schicht bildende dünne Palladiumoxid-Schicht jedenfalls kein Hindernis für eine noch spätere Lötung. Versuche zeigten außerdem, daß auf die Anbringung einer Au-Schicht oder sonstigen Schutzschicht auf der Pd-Schicht, ohne wesentliche Einbuße der Löteigenschaften des Pd, völlig verzichtet werden kann, selbst wenn man die ungeschützte Pd-Schicht vor dem Verlöten an normaler Luft lagert. Die sich bei dieser Lagerung bildende dünne Palladiumoxid-Schicht auf der Pd-Schicht ist oft eher sogar nützlich als schädlich für die Löteigenschaften, weil beim Löten die Ablegierung der Pd-Schicht wegen der dünnen Palladiumoxid-Schicht verzögert wird, wodurch trotz besonders dünner Pd-Schicht von z. B. 280 nm Dicke sogar ein mehrmaliges An- und Ablöten zulässig ist. Diese dünne, durch Lagerung entstehende Palladiumoxid-Schicht verhindert jedenfalls nicht das spätere Löten. Nur eine sehr dicke Palladiumoxid-Schicht, wie sie z. B. beim halbstündigen Tempern in 350⁰C heißer Luft bei Fehlen der Au-Schicht entzünde, würde ein späteres Löten verunmöglichen. Die Annahme, man müsse eine Au-Schicht, und sei sie nur hauchdünn, sogar aus mehreren Gründen, auf der Pd-Schicht anbringen, ist also falsch.

Die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen gestatten zusätzliche Vorteile, nämlich die Maßnahmen gemäß Anspruch 2, trotz des besonders geringen Aufwandes an Pd, selbst bei langdauernder Erwärmung auf 150⁰C an Luft, noch immer eine hohe Abreißfestigkeit der Lötverbindung zwischen Pd und der Lötmasse zu erreichen, sowie trotz des dann geringen Aufwandes an Pd noch immer die weitgehend problemfreie Möglichkeit des mehrfachen An- und Ablötens zu erhalten, und 3, eine bequeme Lagerfähigkeit an Luft vor der Verlötung zu erreichen.

Die Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert. Diese Figur zeigt schematisch ein Beispiel für den erfindungsgemäßen Aufbau der Metallschichten für Dünnschichtleiterbahnen in jenem Herstellungsstadium, in welchem die Pd-Schicht Pd bereits angebracht und mit dem zur Formung der Leiterbahnen dienenden Fotolack, hier von 1500 nm Dicke, bedeckt ist — also in einem Herstellungsstadium, in welchem dieser Fotolack noch nicht wieder abgewaschen ist und die Lötverbindung erst noch viel später hergestellt wird.

Die Figur zeigt dementsprechend die Pd-Schichi Pd über dem isolierenden Substrat S, das hier aus AI2O3 besteht. Eine Au-Schicht über der Pd-Schicht Pd fehlt

ganz, indem die Pd-Schicht Pd, also unbedeckt von einer Au-Schicht, unmittelbar vor dem Verlöten der Dünnfilmleiterbahn und beim Verlöten derselben die oberste feste (nicht flüssige) Metallschicht ist. Im gezeigten Beispiel sind auf dem Substrat S nacheinander angebracht:

— eine CrNi-Schicht, von 30 nm Dicke bei 100 Ω pro (dimensionslosem) Quadrat (z. B. pro μηι²),

— eine Ti-Schicht von 50 nm Dicke,

— die Pd-Schicht, z. B. von 280 nm Dicke, und

— zur Ätzung bzw. Formung der Leiterbahnen eine schützende Fotolackschicht Lack von 1,5 μ Dicke,

die in für sich bekannter Weise — bei den Metallen insbesondere durch Aufdampfen oder durch Galvanisieren, beim Fotolack insbesondere durch Besprühen, Schleudern und Belichten — angebracht werden können.

Die Pd-Schicht dient hier nicht vor allem zur Verhinderung, daß (hier nicht vorhandene) Au-Atome in noch tiefere Schichten, z. B. Ti und CrNi, eindiffundieren und damit u. a. die Langzeiteigenschaften dieser noch tieferen Schichten ungünstig beeinflussen; — obwohl geringe evtl. vorhandene Au-Spuren auf der Pd-Oberfläche Pd auch bei der Erfindung daran gehindert werden, in die unter der Pd-Schicht liegenden Schichten vorzudringen. Die Pd-Schicht Pd dient bei der Erfindung vor allem als jene Schicht, an der später die Lötmassen haften werden. Die Ti-Schicht Ti dient insbesondere als gute Haftschicht zwischen der Pd-Schicht Pd und der CrNi-Schicht CrNi, so wie zum Schutz gegen Unterätzung der CrNi-Schicht beim Wegätzen der außerhalb der Leiterbahnen liegenden Teile dieser CrNi-Schicht Die CrNi-Schicht kann unmittelbar auf dem Substrat angebracht sein und bei Bedarf insbesondere zur Bildung von elektrischen Widerständen dienen, wobei die unter unmittelbar den Leiterbahnen verbleibenden CrNi-Reste, wegen der guten Leitfähigkeit der Pd- und Ti-Schicht sowie wegen der isolatoreigenschaften des Substrats, elektrisch weitgehend vernachlässigbar sind und wobei die zwischen zwei Leiterbahnen verbleibenden, nicht weggeätzten CrNi-Schichten bei Bedarf die Widerstände zwischen diesen beiden Leiterbahnen bilden.

Die Erfindung bietet eine gute Haftgrundlage für das spätere Verlöten der, insbesondere durch Ätzen, aus den Metallschichten gebildeten Leiterbahnen und sie weist eine lange Lagerfähigkeit der noch nicht verlöteten, fertigen Metallschichten an Luft auf, obwohl die Au-Schicht fehlt sogar ein mehrmalig wiederholtes An- und Ablöten ohne Abicgieren der Pd-Schicht bei hoher Abreißfestigkeit der Lötverbindungen möglich ist

Die Dicke der Pd-Schicht Pd der Erfindung sollte bevorzugt eine Obergrenze nicht überschreiten und eine Untergrenze nicht unterschreiten.

Die Obergrenze für die Dicke der Pd-Schicht Pd Hegt normalerweise bei 600 bis 700 nm Dicke. Wird diese Obergrenze überschritten, wird, im allgemeinen völlig unnötig, zuviel Pd verbraucht dessen Preis sehr hoch ist Bei 600 nm Dicke kann mit relativ wenig Ausschuß sogar ein dreimaliges und noch öfteres An- und Ablöten zugelassen werden.

Die Untergrenze für die Dicke der Pd-Schicht Pd liegt normalerweise bei 200 bis 250 nm. Bei dieser Dünne ist sogar mit immer noch relativ wenig Ausschuß ein zweimaliges An- und Ablöten zulaßbar, bei kaum verringerter Abreißfestigkeit der Lötverbindungen. Der Pd-Verbrauch ist zudem besonders gering. Die durch Lagerung an Luft entstehende Palladiumoxid-Schtcht ist vergleichsweise so gering, daß die Dicke der Pd-Schicht Pd durch diese schwache Oxidation nur unwesentlich verringert wird. Außerdem reicht in vielen Fällen der ohmsche Leitwert der später geformten Leiterbahnen oft aus, selbst wenn die Pd-Schicht so dünn gemacht

ίο wird — andernfalls könnte man dann bei Bedarf auch eine größere Dicke der Pd-Schicht, z. B. 700 nm, wählen. Besonders vorteilhaft sind Pd-Schichten von nur z. B. 250 nm Dicke, aber an sich auch noch von 600 bis 700 nm Dicke, auch deshalb, weil dann mit besonders wenig Ausschuß die Leiterbahnen geätzt bzw. geformt werden können. Bei einer so dünnen Pd-Schicht Pd ist der Ätzprozeßschritt, auch wegen des Fehlens der' zusätzlichen Au-Schicht relativ rasch beendet, und es wird dabei der Fotolack und auch die Ti-Schicht Ti von den Ätzmitteln noch nicht stark angegriffen — eine der verschiedenen Hauptursachen für Ausschuß bei der Herstellung von solchen Leiterbahnen beim Stand der Technik. Es bilden sich nämlich im Fotolack Lack über der Pd-Schicht umso weniger Versprödungen bzw. Risse beim späteren Ätzen der Pd-Schicht, also beim späteren Herstellen der Leiterbahnen aus den Metallschichten, je dünner die Pd-Schicht ist, also je kürzer die Einwirkdauer des das Pd lösenden Ätzmittels auf den Fotolack ist. Risse im Fotolack verursachen nämlich beim Ätzen Löcher und Unterbrechungen im Pd und Ti, damit in den Leiterbahnen — also Ausschuß, wobei wegen solcher Löcher und Unterbrechungen, insbesondere beim Tauchlöten, Benetzungsschwierigkeiten bzw. der Sn-Legierungen bzw. ähnlicher Lötmassen entstehen.

Bei der Erfindung wird also das in der Figur gezeigte Beispiel bevorzugt dadurch hergestellt daß zuerst auf das Substrat die CrNi-Schicht aufgedampft wird, wonach diese Schicht dann, z. B. im Umluftofen bei 350⁰C eine halbe Stunde, getempert wird. Dann werden im Vakuum die Schichten Ti und Pd aufgedampft wonach die Leiterbahnen sofort oder nach einer Lagerung mit Lack, Licht und Ätzmitteln geformt werden. Endlich werden die Leiterbahnen, z. B. im Tauchbad, belötet Auf diese Weise wird eine starke Oxidation der Pd-Schicht durch Tempern sowie das Anbringen der Au-Schicht vermieden. Für das Tempern empfiehlt es sich, ggf. den Umluftofen zur Aufnahme der Aufdampfkalotte auszurüsten, damit die Kalotte nicht entladen werden muß. Denkbar ist auch eine Temperung in der Aufdampfanlage.

Eine optische Beurteilung im Mikroskop zeigte, daß die Pd-Schichten der Leiterbahnen auch beim Tauchlöten gleich gut benetzt wurden wie Leiterbahnen mit zusätzlichen Au-Schichten.

Auch Reflow-Löten ist bei der Erfindung möglich. Muster wurden gleich mehrmals an den gleichen Anschlußfiecken ein- und ausgelötet Nach dem zweiten Auflöten wurde an den Kanten der betreffenden Lötstellen eine unbedeutende Ablegierung der Pd-Schichten festgestellt

In einem Abreißtest wurden Cu-Stifte aufgelötet und nach einer Lagerung von 500 h bei sogar 15O⁰C die Zugfestigkeit gemessen. Dabei ergaben sich ähnlich gute Werte wie bei Pd-Schichten mit Au-Bedeckung, nämlich etwa 70 N/mn.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Aufbaus von Metallschichten für Dünnschichtleiterbahnen, wobei auf einem isolierenden Substrat (S) eine CrNi-Schicht (CrNi), eine Ti-Schicht (Ti), und darüber eine Pd-Schicht (Pd) angebracht wird, ohne daß vor dem Verlöten der daraus gebildeten Leiterbahnen die Pd-Schicht (Pd) noch zusätzlich mit einer eigenen Au-Schicht abgedeckt wird, insbesondere zur Herstellung dieses Aufbaus für eine Dünnfilmleiterbahn auf einem Al^-Substrat oder auf einem Glas-Substrat bei einem Kodierer-Dekodierer-Halbleiterbaustein eines digitalen Femsprech-Vermittlungssystems, dadurch gekennzeichnet, daß in aufeinanderfolgenden Schritten

— nach dem Anbringen, z. B. durch Bedampfung im Vakuum, der CrNi-Schicht (CrNi) auf dem Substrat (S), zuerst die CrNi-Schicht (CrNi), z. B. in einem Umluftofen, getempert wird,

— bevor später die Ti-Sicht (Ti) über den dann schon getemperten CrNi-Schicht (CrNi), z. B. durch Bedampfen im Vakuum, und anschließend die Pd-Schicht (Pd) über der Ti-Schicht (Ti), z. B. durch Bedampfen im Vakuum,

angebracht wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

— die Pd-Schicht (Pd) 200 bis 310 nm dick gemacht wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

— durch Lagerung an offener Luft die Pd-Schicht (Pd) durch eine Palladiumoxid-Schicht bedeckt wird, die nicht mehr vor dem Verlöten entfernt wird.

45

Die Erfindung betrifft spezielle Details bei der Au-einsparenden Herstellung der Metallschichten von elektrischen Leiterbahnen, welche auf, insbesondere Halbleiterschaltungen tragenden, Substraten angebracht sind. Die Erfindung wurde vor allem für Leiterbahnen entwickelt, die insbesondere als Verdrahtung von großintegrierten Kodierer-Dekodierbausteinen von Fernsprech-Vermittlungssystemen unter Verwendung von Al₂O₃-Substraten oder Glassubstraten dienen sollen. Diese Leiterbahnen werden erst später, nämlich erst nach dem Herstellen der Metallschichten, bevorzugt durch Ätzen mittels Fotolackverfahren, aus den aufgebauten Metallschichten hergestellt und bilden dann Leiterbahnen von mehrschichtigen Metallen.

Die Erfindung geht nämlich von dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Verfahren zur Herstellung eines Aufbaus von Metallschichten aus, das in der DE-AS 23 02 194, insbesondere Spalte 4, Zeilen 46 bis 59 angegeben ist. In jener DE-AS wird jedoch im wesentlichen nur auf das Ätzen nach dem Herstellen der Metallschichten eingegangen. Über die Dicke der einzelnen Schichten wird dort nichts Konkretes angegeben.

In einer alteren DE-OS 30 29 277 wird ein ähnliches Verfahren zur Herstellung des Aufbaus von Metailschichten, dort für tauchlötbare und refiowlötbare Leiterbahnen, angegeben, wobei dort beispielhaft Schichtdicken von Pd 280 nm. Ti 50 nm und CrNi 30 nm bei ΙΟΟΩ/D vorgeschlagen werden. Anders als bei der Erfindung und anders als bei dem durch jene DE-AS bekannten Verfahren wird jedoch im älteren Verfahren die Pd-Schicht zusätzlich, vor dem Tempern der CrNi-Schicht, von einer dünnen, im Vakuum, sofort nach dem Aufdampfen der Pd-Schicht aufgedampften oder erst später galvanisch auf der Pd-Schicht angebrachten, Au-Schicht, wenn auch nur von z. B. 100 nm Dicke, bedeckt, vor allem um die Pd-Schicht beim Tempern der CrNi-Schicht nicht zu stark in für Lötungen sehr schädlicher Weise zu oxidieren sowie um mittels der hauchdünnen Au-Schicht eine gute Haftgrundierung auf der Pd-Schicht für Lötmassen wie Sn zu bieten, wobei die Au-Schicht während des Lötens zumindest zu einem beachtlichen Teil weglegiert wird und die Lötmasse dann unmittelbar auf der Pd-Schicht haftet Die Pd-Schicht darf nicht zu dünn sein, weil sie selbst während des Lötens langsam ablegiert wird — besonders wenn ein mehrmaliges An- und Ablöten zulässig sein soll. Die unter der Au-Schicht liegende Pd-Schicht dient in diesem älteren Verfahren, außer als Kontaktmasse für die Lötmassen beim Löten, zusätzlich zur Verhinderung, daß die sehr beweglichen Au-Atome in noch tiefere Schichten, z. B. Ti und CrNi, eindiffundieren und damit u.a. die Langzeiteigenschaften dieser noch tieferen Schichten ungünstig beeinflussen.

Das ältere Verfahren unterscheidet sich, trotz der Verwendung von Au, vom sonstigen, vergleichbaren Stand der Technik, vgl. z. B.