DE3708235A1 - Verfahren zur herstellung von leiterbahnen an aus aluminium-nitrid a1 n bestehendem substratmaterial - Google Patents

Verfahren zur herstellung von leiterbahnen an aus aluminium-nitrid a1 n bestehendem substratmaterial

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Leiterbahnen an aus Aluminium-Nitrid Al N bestehenden Substratmaterial für IC-Träger, gemäß Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.
Es ist bekannt, daß Aluminium-Nitrid, insbesondere nach dem Heißpreß-Sinterverfahren hergestellt, eine sehr gute Wärmeleit­ fähigkeit aufweist, die bis zu acht mal so groß sein kann wie diejenige von Al2O3. Dagegen ist sein Wärmedehnungskoeffizient kleiner als derjenige von Al2O3. Aluminium-Nitrid ist deshalb als Substratmaterial für IC-Träger (IC = Integrated Circuit) be­ sonders geeignet, vergleiche "IEEE Trans. Components, Hybrids & Manuf. Technol." (USA, Juni 1985) Band CHMT-8, Nr. 2, Seiten 247 bis 252. In dieser Literaturstelle ist auch beschrieben, daß das Al N-Substrat metallisiert werden kann bei guten Adhäsions­ eigenschaften durch die konventionellen Verdampfungs- und "Sputtering"-Methoden.
Es stellte sich die Aufgabe, Leiterbahnen in das Al N-Substrat auf genauere und elegantere Weise, d. h. insbesondere mit weni­ ger Arbeitsschritten einzubringen, was im Hinblick auf den hohen Miniaturisierungsgrad (Abstände im Zehntelmillimeterbe­ reich) von besonderer Bedeutung ist. Es wurde eine überraschend einfache Lösung dieser Aufgabe gefunden, die darin besteht, daß das in Form von Streifen, Platten oder dergleichen vorliegende Substratmaterial entsprechend den vorgegebenen Leiterbahnen- Muster mit einer elektromagnetischen Strahlung einer solchen Energiedichte und Einwirkungsdauer pro Flächeneinheit bestrahlt wird, daß in den bestrahlten Zonen das Al N in metallisches Alu­ minium unter Abgabe von Stickstoff zerfällt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die partielle Um­ wandlung des Al N in metallisches Al mittels Laserbestrahlung herbeigeführt. Diese Laserbestrahlung läßt sich besonders vor­ teilhaft auch und gerade bei gesintertem Al N aus Substratmate­ rial anwenden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird zur Bestrahlung ein Excimer-Laser insbesondere ein XeCl-Laser, mit einer Energie­ dichte von ca. 3 J/cm2 und der Wellenlänge λ = 308 nm verwen­ det.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem in folgendem zu sehen: Gerade in Verbindung mit dem Merkmal, das die IC-Träger für direkte Druckkontaktierung ("surface mounting") verwendet werden, ist eine gute Wärmeableitung durch das Al N-Substrat notwendig, und es werden auch bei der dabei erreichbaren hohen Dichte der Kontakte unerwünschte Verschie­ bungen durch Wärmeausdehnungen vermieden.
Unter elektromagnetischer Bestrahlung wird im Rahmen der Erfin­ dung insbesondere eine Bestrahlung mit Lasern verstanden. Das Substratmaterial wird dazu - gegebenenfalls wiederholt - mit Laserpulsen bestrahlt. Durch die kurzzeitige Einkoppelung einer hohen optischen Leistung wird dabei oberflächlich die Zerfalls­ temperatur des Al N überschritten und/oder Al N photolytisch zersetzt. Unter Abgabe des (gasförmigen) Stickstoffes bildet sich eine leitfähige Al-Schicht. Eine derartige Umsetzung wurde z. B. bei Bestrahlung von gesintertem Al N mit einem XeCl-Laser bei ca. 3 J/cm2 beobachtet.
Das Verfahren nach der Erfindung kann zum strukturierten Umsatz, d. h. zur direkten Bildung der Leiterbahnen, verwendet werden. Zum Beispiel entstehen bei Projektion einer Maske mit Laserbe­ strahlung sauber begrenzte, mechanisch beständige, leitfähige Strukturen. Optisch ist keine Begrenzung hinsichtlich der gefor­ derten Abstandstoleranzen erkennbar, d. h. die geforderten Ab­ standstoleranzen lassen sich mit dem Laserbestrahlungsverfahren leicht einhalten, und es wären sogar geringere Abstände mög­ lich, wenn diese nicht nach unten durch die vorgeschriebenen Kriechwege begrenzt wären.
Falls erforderlich, können die mit dem Laser erzeugten Struktu­ ren auch als Grundlage für die weitere Metallisierung mit kon­ ventionellen Methoden genutzt werden, d. h., die metallisch blanken Al-Kontaktierungsflächen oder Leiterbahnen könnten als Basis für das Aufbringen weiterer metallischer Schichten die­ nen.
Im folgenden wird das Verfahren nach der Erfindung anhand eines Beispiels und einer einzigen, in der Zeichnung dargestellten Figur noch näher erläutert:
Die einzige Figur zeigt schematisch eine Einrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens nach der Erfindung mit einem Laser, des­ sen Strahlenbündel mit relativ großflächigem Querschnitt zu­ nächst eine Maske und dann eine Abbildungslinse durchsetzt, welch letztere die von der Maske durchgelassenen Strahlen auf das Al N-Substrat in Form einer aufrechtstehenden Platte fokus­ siert.
Im einzelnen ist der Laser mit 1 bezeichnet, sein Strahlenbün­ del generell mit 2, der Strahlenabschnitt zwischen Laser und Maske 3 mit 2.0, derjenige zwischen Maske 3 und Abbildungslinse 4 mit 2.1 und derjenige zwischen Abbildungslinse 4 und Al N- Substrat 5 mit 2.3.
Laser 1, Maske 3, Abbildungslinse 4 und Substrat 5 können auf einer optischen Bank angeordnet sein, deren Tischfläche bei 6 schematisch angedeutet ist und die es ermöglicht, in Strahl­ hauptrichtung x die axialen Abstände x 0 zwischen Laser 1 und Maske 3, x 1 zwischen Maske 3 und Abbildungslinse 4 sowie x 2 zwischen Abbildungslinse 4 und Substrat 5 zu verändern und zu optimieren und auch die genannten Elemente 1, 3, 4, 5 in Quer­ richtung, d. h. in Richtung y und z zu justieren.
Die Maske 3 besteht aus einem Rahmen 3.1 und einem kreisförmi­ gen Einsatzteil 3.2, welches in einem etwa L-förmigen Bereich eine Aussparung 7 aufweist, und somit in diesem ausgesparten Bereich die Laserstrahlen durchläßt, wogegen sie im übrigen Be­ reich abgeschirmt werden. Die Aussparung 7 kann man auch als ein vergrößertes Leiterbahnen-Muster bezeichnen, welches somit einen Anteil 2.1 des originären Laserstrahls 2.0 von ent­ sprechendem Querschnitt durchläßt und auf die Abbildungslinse 4 projiziert, welche ihrerseits das auf sie projizierte Leiter­ bahnen-Muster verkleinert und höhen- sowie seiten-vertauscht auf das Al N-Substrat 5 fokussiert, so daß nach einer bestimmten Einwirkungsdauer des Laserstrahlabschnitts 2.3 auf dem Al N-Substrat ein gewünschtes Leiterbahnen-Muster 70 aus metal­ lisch-blankem Al entsteht.
Die Abbildungslinse 4 ist in einem Linsenrahmen 4.1 gefaßt, die Linse 4 selbst ist eine konvexe, eine konkav-konvexe oder eine plan-konvexe Linse, die gleichsam als Brennglas funktioniert.
Beim durchgeführten Versuch war der Laser 1 ein XeCl-Excimerla­ ser mit den Daten:
  • optische Pulsenergie: 1 bis 2 J
    Wellenlänge: 308 nm
    Pulsdauer: 50 ns
    Strahlquerschnitt: 40 × 50 mm2
    Strahlhomogenität: ± 5% über einen verwendeten Strahlquer­ schnitt von 30 × 40 mm2.
Der Laserstrahl 2 wurde mit einer zylindrischen Suprasilquarz- Linse 4 von 208 mm Brennweite so auf das Al N-Substrat 5 fokus­ siert, daß eine belichtete Rechteckfläche 70 von 15 × 0,7 mm2 und eine Energiedichte von 8 J/cm2 je Puls entstand.
Als Substrat 5 wurde heißisostatisch nachverdichtetes Al N der Firma Elektroschmelze Kempten in Plattenform 25 × 14 × 0,67 mm3 verwendet. Der spezifische Widerstand des Materials betrug nach Herstellerangaben 2 × 1011 Ω · cm.
Nach Bestrahlung mit 100 Pulsen wurde zwischen den Enden der der belichteten Fläche entsprechenden Leiterbahn 70 ein Wider­ stand pro Längeneinheit von 50 Ω/cm bemessen.
Das beschriebene Verfahren kann in mehreren Schritten durchge­ führt werden, indem nacheinander die Bestrahlung durch Masken 3 mit den verschiedenen Leiterbahnenabschnitten entsprechenden Aussparungen 7 verwendet werden und das Substrat 5 nach jedem Teilstück der erzeugten Leiterbahn entsprechend verschoben wird. Es ist weiterhin vorteilhaft, die durch das Bestrahlen erzeugten metallisch-blanken Oberflächen der Leiterbahnen, also im Beispiel die Leiterbahn 70, als Basis für die weitere Metal­ lisierung mit konventionellen Methoden zu verwenden. Hierfür kommen z. B. in Betracht: Aufdampfen von Al im Vakuum oder Gal­ vanisieren.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Leiterbahnen an aus Aluminium- Nitrid Al N bestehendem Substratmaterial für IC-Träger, dadurch gekennzeichnet, daß das in Form von Streifen, Platten oder dergleichen vorliegende Substratma­ terial entsprechend den vorgegebenen Leiterbahnen-Muster mit einer elektromagnetischen Strahlung einer solchen Energiedich­ te und Einwirkungsdauer pro Flächeneinheit bestrahlt wird, daß in den bestrahlten Zonen das Al N in metallisches Aluminium unter Abgabe von Stickstoff zerfällt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß gesintertes Al N verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die partielle Umwandlung mittels Laserbestrahlung herbeigeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Bestrahlung ein Excimer-Laser, ins­ besondere ein XeCl-Laser mit einer Energiedichte von mindestens 3 J/m2 und der Wellenlänge λ = 308 nm verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Bestrahlen er­ zeugten metallisch-blanken Oberflächen der Leiterbahnen als Basis für die weitere Metallisierung mit konventionellen Metho­ den, z. B. Aufdampfen von Al im Vakuum, Galvanisieren oder der­ gleichen, dienen.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4401612A1 (de) * 1994-01-20 1995-07-27 Resma Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung elektrisch leitender Bereiche auf Metallverbindungen enthaltenden isolierenden Keramikwerkstücken
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WO2007115546A2 (de) * 2006-04-12 2007-10-18 Lpkf Laser & Electronics Ag Verfahren zur herstellung einer leiterbahnstruktur sowie eine derart hergestellte leiterbahnstruktur

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