DE3800040A1 - Verfahren zur bildung von stromleitern unterschiedlicher dicke mit hoher genauigkeit auf elektronischen bauelementen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung elektronischer Bauteile und bezieht sich insbesondere auf ein neues Verfahren zur Herstellung von Stromleitern und vorstehenden Bereichen unterschiedlicher Dicke auf miniaturisierten elektronischen Bauelementen.

Bei der Herstellung von elektronischen Bauelementen, wie z. B. IC-Bausteinen, Kondensatoren u. ä. und insbesondere miniaturisierten Bausteinen der beschriebenen Art, ist es höchst wünschenswert, den Oberflächenbereich des Substrats in höchst effizienter Weise zu benutzen, damit ein Maximum an Schaltungen auf einem Minimum an Fläche konzentiert werden kann. Bausteine der beschriebenen Art schließen notwendigerweise eine Vielzahl von Stromleitern ein, die sich zwischen einzelnen Elementen der Schaltung befinden und ebenfalls zu Abschlußbereichen zur Verbindung mit Zusatzkomponenten führen. Bestimmte Innenleiter können sehr begrenzte Strommengen führen und daher einen sehr kleinen Querschnittsbereich aufweisen. Andere Innenleiter auf demselben Substrat können beträchtliche Strommengen führen und müssen einen wesentlich größeren Querschnittsbereich aufweisen. Wo Verbindungen zwischen den Stromleitern und Abschlüssen, die zur Bausteinaußenseite führen, hergestellt werden müssen, ist es höchst wünschenswert, daß die Grenzschicht zwischen den Abschlüssen und Stromleitern von größerer Konduktivität ist als der Stromleiter selbst.

Stromleiter werden typischerweise aus teuren Materialien, wie Silber und Gold, gebildet, und es ist dementsprechend höchst wünschenswert, daß die Leiter an die erforderlichen Kondukivitätskapazitäten so angepaßt werden, so daß die Menge des verwendeten leitenden Materials weder zu groß noch zu klein ist.

Bei der Herstellung miniaturisierter elektronischer Bausteine wurden Stromleiter unterschiedlicher Stromführungskapazitäten in Übereinstimmung mit dem einen oder anderen von zwei bekannten Verfahren hergestellt. Nach einem ersten Verfahren wurde das leitende Material auf die Oberfläche des Substrates durch eine Maske aufgerastert, die enge Querschnitte da einschloß, wo die Stromführungskapazität des Leiters nicht groß war, und breitere Querschnitte, wo größere Ströme anzutreffen waren, wie bei den Netzanschlußklemmen an einem IC-Baustein. In allen Fällen wird in Übereinstimmung mit dem beschriebenen Verfahren die Dicke des Stromleiters durch die Dicke der Maske geregelt und daher konnte eine größere Konduktivität nur durch die Bildung eines breiteren Leiters erzielt werden mit dem Ergebnis, daß wesentliche Oberflächenbereiche des Substrates da, wo hochkonduktive Leiter erforderlich waren, bedeckt waren.

Um den Oberflächenbereich des Substrats wirtschaftlicher auszunutzen, ist vorgeschlagen worden, die Stromleiter in unterschiedlicher Dicke und nicht in unterschiedlicher Breite zu bilden. Die bisher zur Bildung von Leitern unterschiedlicher Dicke eingesetzten Verfahren haben Nachteile aufgewiesen, die ihre erfolgreiche praktische Anwendung ausgeschlossen haben.

Gemäß einem ersten Verfahren werden eine oder mehrere Serien von Sromleitern auf dem Substrat gebildet, indem eine Maske einer ersten Dicke verwendet wird, was zur Bildung von Stromleitern entsprechend der Dicke der Maske führte. Wo es gewünscht ist, Stromleiter oder -bereiche größerer Dicke zu bilden, wird die erste Maske entfernt und eine zweite Maske größerer Dicke dafür eingesetzt, woraufhin Schichten von leiterbildendem Material entsprechend der größeren Dicke der zweiten Maske auf dem Substrat aufgebracht werden konnten. In Anbetracht der Tatsache, daß bestimmte Substratbereiche nur ca. 13 µ in jeder Richtung groß sein dürfen stellt die Koordinierung der Positionierung einer ersten Maske und einer zweiten Maske fast unüberwindbare Schwierigkeiten dar, insbesondere wenn man bedenkt, daß typischerweise gleichzeitig Hunderte oder Tausende miniaturisierte Teile hergestellt werden müssen.

Es ist ein Versuch unternommen worden, Teile unterschiedlicher Dicke in einem einzigen Maskenschritt herzustellen. Ein solches Verfahren wird durch die Presco Screen Division der AMI Corporation, North Branch, New Jersey, vorgeschlagen. Kurz gesagt, umfaßt das Presco-Verfahren die Verwendung eines Rasters mit einer flachen Oberfläche, die gegen das die leitenden Komponenten aufzunehmende Substrat plaziert wird. Die obere Fläche des Rasters wird in bestimmten Bereichen weggeätzt, wo dünne Beschichtungen aufgebracht werden sollen. Durchgehende Öffnungen werden durch das Raster sowohl in den weggeätzten Bereichen als auch in den Bereichen voller Dicke des Rasters gebildet. Beim Einsatz werden Elektrodentinten oder -pasten durch die verschiedenen Öffnungen im Raster gedrückt, nämlich in den weggeätzten Bereichen reduzierter Dicke und in den Bereichen voller Dicke. Ein welcher, hochnachgiebiger Schaber wird über die Oberfläche des Rasters geführt und dringt in die weggeätzten Bereiche reduzierter Dicke ein, um die Säule oder die Materialdicke, die sich in den Bereichen reduzierter Dicke durch die Öffnungen erstreckt, auf ein Niveau zu reduzieren, das im wesentlichen der Höhe des weggeätzten Bereichs entspricht. Der Schaber entfernt auch Überschußmaterial, so daß die Öffnungen im Bereich voller Dicke im wesentlichen gefüllt werden. Nach Durchführung des Schabe-Schritts wird die Maske vom Substrat entfernt und hinterläßt Inkremente einer ersten Dicke in Übereinstimmung mit den sich im Vollhöhenbereich der Maske befindlichen Öffnungen und dünnere Inkremente des Elektrodenmaterials in den Bereichen in Übereinstimmung mit den weggeätzten Teilen der Maske.

Wie aus der Beschreibung des Presco-Rasters ersichtlich, kann das Presco-Verfahren nur beschränkt eingesetzt werden, insbesondere wo miniaturisierte Komponenten bearbeitet werden müssen. Zum ersten, da die Bildung von Elektrodeninkrementen halber Höhe im geätzten Bereich davon abhängt, daß der Schaber in der Lage ist, sich in den geätzten Bereich zu erstrecken, während benachbarte Teile des Schabers auf den Vollhöhenbereichen aufliegen, ist es offensichtlich, daß die Presco-Vorrichtung nur in Verbindung mit großen und gut getrennten Mustern benutzt werden kann, da ein Verdünnen des Elektrodenmaterials vom Material des Schabers abhängt, der in die weggeätzte obere Außenfläche des Presco-Rasters eindringt.

Praktisch kann das Presco-Verfahren nur für Ausführungsarten in der Größenordnung von 2,54 mm oder mehr eingesetzt werden, was die Presco-Raster-Vorrichtung für die Behandlung von miniaturisierten elektronischen Bauelementen ungeeignet macht. Schließlich liegt ein weiterer Nachteil des Presco-Systems in der Tatsache, daß wegen der extremen Weichheit, die der Schaber aufweisen muß, um in die geätzten Bereiche einzudringen, der Schaber ebenfalls teilweise in die Öffnungen in den Volldickenteilen des Presco-Rasters eindringt und notwendigerweise Inkremente des Materials aus den Vollhöhenleiterräumen entfernt, das heißt, da der Druck, der notwendigerweise auf den Presco-Schaber auszuüben ist, ausreichen muß, um Inkremente des Schabers in die weggeätzten Bereiche eindringen zu lassen, wird der Druck ebenfalls ausreichen, um Teile des Schabers in die Vollhöhenöffnungen eindringen zu lassen und so Teile des leitenden Füllmaterials daraus zu entfernen.

Die vorliegende Erfindung kann als ein neues Verfahren angesehen werden, um Inkremente aus leitendem Material in einem einzigen Rastervorgang in Positionen von genauem Abstand voneinander und in genauen Dicken auf ein zu beschichtendes Substrat aufzubringen, wie die dielektrische Schicht eines Kondensators, der mit einer Elektrode gebildet werden soll, ein auf einem Silizium-Chip gebildeten Strom- oder Widerstandsleiter, benachbarte Stromleiter und Abschlußbereiche eines IC-Bausteins und dergleichen. Das erfindungsemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft bei der Bildung von Ausführungsarten einer Größenordnung von nur ca. 50 oder 75 µ.

Die hauptsächliche Nutzbarkeit des Verfahrens liegt in der Bildung von Stromleitern verschiedener Höhen und/oder Stromleitern und Abschlußbereichen größerer Höhe als die Leiter, aber alternative Nutzungen des Verfahrens schließen die Aufbringung von dickeren und dünneren Deckbereichen ein, wie die Glasdeckbereiche, die über Widerständen angebracht werden, wobei dickere Bereiche über den Widerstandsteilen angebracht werden, die konstant bleiben, und dünnere Glasbereiche über Widerstandsinkrementen angebracht werden, die ein nachfolgendes Lasertrimmen erforderlich machen können.

Zusammengefaßt kann die Erfindung spezieller als auf ein Verfahren gerichtet angesehen werden, eine Maske vorzusehen, die eine im wesentlichen planare Oberseite aufweist und von endlicher Dicke ist und weggeätzte Leiterräume oder Bereiche auf der Unterseite der Maske einschließt. Die Maske schließt durchgehende Öffnungen in Übereinstimmung mit den weggeätzten Leiterräumen auf der Unterseite der Maske ein und kann wahlweise Öffnungen einschließen, die sich durch die Maskenbereiche voller Dicke erstrecken. Bei der Benutzung wird die Maske mit ihrer Unterseite auf ein zu beschichtendes Substrat aufgelegt, und leitfähiges Pastenmaterial oder Tinten werden durch die Maske gedrückt und in Berührung mit dem Substrat gebracht. Das Durchdrücken der Elektroden oder Stromleiter bildenden Materialien durch die Maske kann durch eine Rakel oder einen harten Schaber bewerkstelligt werden, da - im Gegensatz zum Presco-Verfahren, das fordert, daß der Schaber in Öffnungen des Rasters eindringt - es beim erfindungsgemäßen Verfahren wünschenswert ist, daß die Rakel oder der Schaber nur als Nivellierinstrument dient. Nachdem das Elektrodenmaterial durch das Raster gedrückt worden ist, wird das Raster weggenommen und hinterläßt Bereiche einer ersten Dicke, die mit der vollen Dicke der Maske in den Teilen übereinstimmen, die vorher durch sich über die volle Höhe der Maske erstreckende Öffnungen eingenommen wurden. In den sich vorher mit den Teilen der Maske, bei denen die untere Außenfläche weggeätzt worden ist, in Übereinstimmung befindlichen Bereichen entspricht die Höhe des aufgebrachten Materials, das durch die Löcher in Übereinstimmung mit dem weggeätzten Bereich geht, im wesentlichen der Tiefe der Ätzung. Mit anderen Worten: die Löcher im weggeätzten Bereich fungieren nur als Durchgang, der den Fluß des viskosen Materials erlaubt, das danach die Gesamtheit des weggeätzten Bereiches bis zur Höhe der nach unten gerichteten Oberfläche des geätzten Bereichs einnimmt.

Es ist dementsprechend ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Rasterverfahren für die gleichzeitige Bildung verschiedener Dicken aufgerasterten Materials auf einem Trägersubstrat in einem einzigen Rastervorgang zu schaffen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens der beschriebenen Art, bei dem es möglich ist, zwei oder mehr verschiedene Dickenbereiche in einem einzelnen Rasterschritt zu bilden.

Ebenfalls ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren der beschriebenen Art vorzuschlagen, bei dem Merkmale in der Größenordnung von nur 50 oder 75 µ wirksam gebildet werden können. Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, das es erlaubt, Muster unterschiedlicher Dicke gleichzeitig auf einem Substrat aufzurastern, wobei es möglich ist, Bereiche verschiedenen Widerstands in Übereinstimmung mit der aufgebrachten Dicke zu bilden.

Um diese Ziele und solch andere und weitere Ziele zu erreichen, wie sie hier dargestellt oder nachstehend aufgezeigt sind, wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigt

Fig. 1 eine Teildraufsicht auf einen Teil eines erfindungsgemäßen Rasters;

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 2A eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2 nach Anbringung von Elektrodenmaterial;

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1;

Fig. 3A eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3 nach Anbringung von Elektrodenmaterial;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Substrats, die das Muster des aufgebrachten Materials zeigt, das nach der Entfernung der Maske gemäß Fig. 1 zurückbleibt.

In den Zeichnungen wird schematisch ein Verfahren zur Bildung von Mustern aufgebrachten Materials verschiedener Tiefen in einem einzigen Rastervorgang dargestellt. Zu Verdeutlichungs­ zwecken sind die Abmessungen der Maske und der aufgebrachten Materialien stark vergrößert und vereinfacht worden.

Fig. 1 zeigt ein Inkrement 10 einer Maske, wobei das Inkrement beispielsweise drei separate Muster 11, 12 und 13 einschließt. Obwohl nur ein einziges musterbildendes Inkrement dargestellt ist, wird das Muster typischerweise Hunderte oder sogar Tausende Male auf den unteren Außenflächen einer größeren Maske wiederholt, die ihrerseits auf ein Substrat 14 vergleichbarer Größe aufgelegt wird. In der Praxis kann die Gesamtdicke T der Maske in der Größenordnung von nur 25,4 µ oder weniger betragen.

Wie am besten aus Fig. 2 und 3 ersichtlich, umfassen die Muster 11, 12 und 13, die einen einzelnen Rapport oder ein Inkrement 10 bilden, aus durchgehenden Öffnungsteilen, z. B. 11′, 12′ und 13′. Im Falle des Musters 13 entspricht das Vollhöhenteil der Höhe des Gesamtmusters 13. Zusätzlich werden Muster 11 und 12 auf ihren Unterseiten geätzt oder eingraviert und definieren beim Muster 11 einen Rücksprungbereich 15 einer Dicke T′. In gleicher Weise schließt das Muster 12 auf der unteren Außenfläche der Maske einen Rücksprungbereich 16 der Dicke T′′ ein. Der Rücksprungbereich 15 steht in Verbindung mit dem durchgehenden Teil 11′ des Musters 11, und in gleicher Art steht der Rücksprungbereich 16 des Musters 12 in Verbindung mit dem durchgehenden Teil 12′ des Musters 12.

Eine Vielzahl von durchgehenden Öffnungen 17 wird durch die Maske 10 in Übereinstimmung mit den Rücksprungbereichen 15 und 16 gebildet.

In Fig. 2A und 3A sind die Muster 11, 12 und 13 als mit Elektrodenmaterial 18 gefüllt dargestellt. Das Elektrodenmaterial wird in die verschiedenen Höhlungen eingebracht, indem ein Überschuß auf die Oberseite 19 der Maske aufgebracht wird, während die Unterseite 19′ der Maske dicht gegen das Substrat 14 gepreßt wird. Überschußmaterial wird danach nach unten gepreßt, um die Höhlungen zu füllen, wobei die Muster 11, 12 und 13 gebildet werden, indem eine Rakel oder ein Hartgummi- oder Metallschaber wiederholt über den Elektrodenmaterialübeschuß geführt wird, der vorher auf der Oberseite 19 aufgebracht worden ist.

Wie in Fig. 4 schematisch dargestellt, sind nach Entfernung der Maske 10 auf dem Substrat 14 drei Inkremente 20, 21 und 22 jeweils entsprechend den Mustern 11, 12 und 13 aufgebracht. Das Element 20 schließt einen dünnen Pfadteil 20′ ein, der in der Dicke der Dicke T′ des Pfades oder Rücksprungs in der unteren Stirnfläche der Maske entspricht. Das Inkrement 20 schließt einen Vollhöhenteil 23 ein, der der Volldickenöffnung 11′ in der Maske entspricht. In ähnlicher Weise schließt das Inkrement 21 einen Teil 24 teilweiser Höhe ein, der in der Dicke dem Teil T′′ des Musters 12 entspricht, und einen Vollhöhenteil 25. Das Inkrement 22 ist von konstanter Höhe T entsprechend der Höhe der Maske.

Das verwendete Elektrodenmaterial weist vorzugsweise eine hohe Viskosität auf. Eine Tinte, die die geeigneten rheologischen Eigenschaften besitzt, wird von Dupont Corporation unter dem Warenzeichen "Sprint" als Trägersubstanzsystem verkauft. Solche Tinten haben eine typische Viskosität in der Größenordnung von ca. 100 bis 300 kcp. Die genaue Viskosität ist für die erfolgreiche Wirkung des Verfahrens nicht von ausschlaggebender Bedeutung. Die Viskosität ist jedoch wünschenswerterweise ausreichend hoch, so daß das Material nach Entfernung der Maske nicht fließt.

Wie aus der vorhergehenden Offenbarung ersichtlich, ist das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung einer Vielzahl elektronischer Bauelemente o. ä. geeignet. Als Beispiel und ohne Einschränkung würde eine typische Anwendung bei der Herstellung von Keramikkondensatoren gegeben sein. Dabei ist es möglich, auf einer dielektrischen Schicht ein dünnes Muster aufzudrucken, das den Elektrodenbereich des Kondensators definiert, und ein dickes Muster am Rand der Elektrode, das den Abschluß definiert. Auf diese Weise ist es möglich, einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Abschlußmaterial und den verdickten Kantenteilen der Elektroden zu gewährleisten. Eine andere typische Anwendung des Verfahrens ergibt sich in Verbindung mit der Herstellung eines IC-Bausteins, wobei verdickte Pfade in bezug auf die Netzanschlußklemmen erforderlich sind und dünnere Pfade in bezug auf andere Klemmen ausreichen.

Während der Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung auf ein Verfahren zur Bildung von Leitern verschiedener Dicke und folglich verschiedener Stromführungskapazitäten gerichtet ist, ist das Verfahren gleicherweise geeignet zur Anwendung bei widerstandbildenden Zusammensetzungen verschiedener Dicke, wobei der Gleichstromwiderstand eine Funktion der Dicke des Stromleiters ist. Zahlreiche andere Anwendungen für dieses Verfahren bieten sich dem mit der vorliegenden Offenbarung vertrauten Fachmann sofort an. Folglich ist die Erfindung im Rahmen der Ansprüche weit auszulegen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bildung von Stromleitern unterschiedlicher Dicke auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine planare Maske mit einer flachen Ober- und Unterseite vorgesehen wird, wobei die Unterseite der Maske zumindest einen zurückspringenden Leiterraum aufweist, der sich in Richtung zur Oberseite erstreckt, jedoch kurz davor endet, und zumindest eine Öffnung in der Maske in Übereinstimmung mit dem Leiterraum gebildet und die Maske mit zusätzlichen Öffnungen versehen wird, die sich durch die gesamte Dicke der Maske erstrecken, wobei
• - die Maske mit ihrer Unterseite auf das Substrat aufgelegt wird,
• - danach eine viskose leiterbildende Masse von der Oberseite zur Unterseite nach unten durch die Öffnungen gezwungen wird, um die Leiterräume und Öffnungen im wesentlichen zu füllen und
• - danach die Maske entfernt wird und die auf dem Substrat verbleibenden Inkremente der Maske in leitendes Material umgewandelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Öffnungen der Maske bestimmte Leiterräume durchdringen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse aus einer viskösen Paste gebildet wird, die in einem Bindemittel dispergierte Metallkomponenten einschließt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse durch die Öffnngen gedrückt wird, indem ein Überschuß der Masse auf die Oberseite aufgebracht und danach ein nach unten gerichteter Druck gegen die Masse auf der Oberseite ausgeübt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der nach unten gerichtete Druck dadurch ausgeübt wird, daß die Maske und das Substrat unter einer Rakel entlanggeführt werden.

6. Verfahren zur gleichzeitigen Bildung leitender Bereiche unterschiedlicher Dicke auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine planare Maske von endlicher Stärke vorgesehen wird, die eine planare Ober- und Unterseite aufweist, wobei ein fortlaufender zurückspringender Leiterraumteil sich zur Unterseite öffnet und sich halbwegs in Richtung auf die Oberseite erstreckt, und die Öffnungen einschließt, die sich von der Oberseite erstrecken und mit dem Leiterraumteil in Verbindung stehen, wobei
• - die Unterseite auf das Substrat aufgelegt wird,
• - danach eine viskose leiterbildende Masse durch die Öffnungen gedrückt wird, um den Leiterraum im wesentlichen zu füllen, und
• - danach die Maske entfernt wird und die auf dem Substrat verbleibenden Inkremente der Masse in leitendes Material umgewandelt werden.