DE3837009A1 - Verfahren zum herstellen einer duennschichtschaltung - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer duennschichtschaltung

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Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Dünnschichtschaltungen. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtschaltungen, welches Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
  • - ein Substrat wird ganzflächig mit einer haftvermittelnden Schicht und einer elektrisch gut leitenden Schicht versehen;
  • - auf das beschichtete Substrat wird in vorgegebenen Bereichen eine Abdeckung aufgebracht;
  • - auf dem abgedeckten Substrat wird in den nicht abgedeckten Bereichen selektiv wenigstens eine Verstärkungsschicht galva­ nisch abgeschieden;
  • - die Abdeckung wird entfernt; und
  • - in den vormals abgedeckten Bereichen wird das Substrat frei­ geätzt.
Ein solches Verfahren ist z.B. aus dem Artikel von J.P. Cummings und L.S. Weinman, Int. J. Hybrid Microelectronics (GB), Vol. 4, Nr. 1, S. 18-23 (1981) bekannt.
STAND DER TECHNIK
Die konventionelle (gedruckte) Leiterplatte genügt den heutigen gesteigerten Anforderungen häufig nicht mehr. Insbesondere stößt man bei diesen Leiterplatten in folgenden Punkten an technische Grenzen:
  • - bei hohen Frequenzen;
  • - bei hohen Packungsdichten mit entsprechend feinen Leiter­ bahnen;
  • - bei Verwendung von Komponenten mit großer Abwärme;
  • - bei der Realisierung eines großen Betriebstemperaturbereichs; und
  • - bei Schaltungen mit hohen Strömen.
Um diese Grenzen zu überwinden, ist man bisher vermehrt dazu übergegangen, Leitermuster z.B. auf einer Keramik herzustellen.
Bekannte Beispiele für entsprechende Technologien sind:
  • (a) das sog. "direct bonding" von Kupferfolie auf Al₂O₃-Keramik (siehe z.B. EP-A2 01 15 158),
  • (b) die Dickschichttechnik (Verwendung von Leitpasten auf Kupferbasis);
  • (c) die direkte Verkupferung der Keramik durch Anätzen in NaOH, Bekeimen mit Pd, chemische Kupferabscheidung und anschließendes selektives galvanisches Verstärken (ein solches Verfahren ist z.B. als "Ceraclad"-Verfahren der Firma PCK (USA) bekannt); und
  • (d) die Dünnschichttechnik bei der zunächst nacheinander auf das Keramik-Substrat eine Haftschicht und eine Leitschicht aufgebracht werden und dann eine selektive galvanische Verstärkung stattfindet (siehe z.B. den eingangs genannten Artikel, insbesondere (Fig. 3)).
Speziell die unter (c) und (d) genannten Verfahren gestatten die Herstellung von doppelseitigen Schaltungen mit metallisier­ ten Durchkontaktierungslöchern und sind daher bei zunehmender Komplexität der Schaltungen von besonderem Interesse.
Beim Verfahren (c) der Direkt-Verkupferung ist es jedoch schwie­ rig, eine ausreichende Haftfestigkeit der Leiterbahnen auf dem Substrat zu erhalten. Darüber hinaus kann ein Überschuß an Pd-Keimen zu Nebenschlüsen führen. Wegen dieser Probleme und der damit verbundenen hohen Anforderungen an die Prozeß­ führung ist dieses Verfahren für allgemeine Anwendungen nur wenig geeignet.
Einfacher zu beherrschen ist demgegenüber das Verfahren (d) der Dünnschichttechnik. Gleichwohl ist dieses Verfahren vor allem von der Ätztechnik her anspruchsvoll: Wie aus dem ein­ gangs genannten Artikel bezüglich des (plate + etch) -Verfahrens (Fig. 3) hervorgeht, muß beim Freilegen des Substrats in den vorher durch Photoresist abgedeckten Bereichen die Cr-Haft­ schicht in Anwesenheit der galvanisch verstärkten Cu-leiter­ bahnen geätzt werden. Da beide Metalle ein sehr unterschiedli­ ches Ätzverhalten aufweisen, müssen bei diesem Ätzschritt besondere Vorkehrungen getroffen werden, die das Verfahren verkomplizieren.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die oben darge­ stellten Schwierigkeiten bei der Dünnschichttechnik zu beseiti­ gen.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß
  • - als haftvermittelnde Schicht und elektrisch gut leitende Schicht eine einzige kombinierte Haft/Leitschicht verwendet wird; und
  • - die kombinierte Haft/Leitschicht in einem einzigen Schritt auf das Substrat aufgebracht wird.
Der Kern der Erfindung besteht also darin, die bisherige Schicht­ folge aus einer schwer ätzbaren Haftschicht und einer Leit­ schicht durch eine einzige kombinierte, homogene Haft/Leit­ schicht zu ersetzen. Diese kombinierte Haft/Leitschicht kann dann in ihrer Zusammensetzung so gewählt werden, daß sie in gleicher Weise ätzbar ist wie die galvanisch aufgebrachte Verstärkungsschicht der Leiterbahnen.
Gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung besteht die kombinierte Haft/Leitschicht zum überwiegen­ den Teil aus einem elektrisch gut leitenden Metall und zu einem geringen Teil aus einem oxidationsfreudigen Metall.
Insbesondere kann als das elektrisch gut leitende Metall Cu gewählt werden. Das oxidationsfreudige Metall ist dann eines aus der Reihe Cr, Ta, Ti, W, Zr, Nb, Mo und Ce, speziell Cr, und liegt mit einem Anteil von 5-15 Atom-% in der Schicht vor.
Für Mikrowellenschaltungen enthält die kombinierte Haft/Leit­ schicht gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel zum überwiegenden Teil Ni und einen Anteil von etwa 7 Gew.-% V. Hierdurch können Korrosionseffekte sicher vermieden werden.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert wrden. Es zeigen:
Fig. 1A-E verschiedene Schritte beim Herstellen einer doppel­ seitigen Dünnschichtschaltung nach dem Stand der Technik; und
Fig. 2A-D entsprechende Schritte bei der Herstellung einer solchen Schaltung nach der Erfindung.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die folgenden Erläuterungen der Erfindung beziehen sich auf eine doppelseitige Dünnschichtschaltung mit metallisierten Durchkontaktierungslöchern. Selbstverständlich kann die Erfin­ dung auch bei jeder anderen Art von Dünnschichtschaltung ange­ wandt werden.
In Fig. 1A-E sind verschiedene Schritte dargestellt, die bei der Herstellung einer galvanisch verstärkten doppelseitigen Dünnschichtschaltung nach dem bekannten Verfahren durchlaufen werden.
Ausgangspunkt ist hierbei ein dünnes, flächiges Substrat 1, welches ein oder mehrere Durchkontaktierungslöcher 2 aufweist (Fig. 1A).
Nach der üblichen Oberlächen-Vorbehandlung (z.B. Reinigen) wird dieses Substrat 1 ganzflächig mit einer dünnen Haftschicht 3 (z.B. 20-50 nm Cr) versehen (Fig. 1B).
Die Innenwände der Durchkontaktierungslöcher 2 werden in diese Beschichtung mit einbezogen.
Über dieser Haftschicht 3 wird dann eine Leitschicht 4 ganz­ flächig aufgebracht (Fig. 1C), die z.B. aus 200 nm Cu besteht und den Stromtransport bei der späteren galvanischen Abscheidung einer Verstärkungsschicht übernimmt.
Haftschicht 3 und Leitschicht 4 können beispielsweise durch die bekannte Technik des Sputterns auf dem Substrat 1 abge­ schieden werden.
Es folgt dann der Prozeß der selektiven galvanischen Ver­ stärkung, bei dem zunächst vorgegebene Bereiche auf dem Sub­ strat 1 mittels einer Abdeckung 6 (z.B. aus Photoresist) abge­ deckt werden, und dann mittels galvanischer Abscheidung selektiv in den nichtabgedeckten Bereichen wenigstens eine Verstärkungs­ schicht 5 erzeugt wird (Fig. 1D).
Die Verstärkungsschicht 5 kann beispielsweise eine 5-10 Mikro­ meter dicke Cu-Schicht sein. Denkbar sind aber auch Schichten­ folgen aus mehreren Verstärkungsschichten mit unterschiedlichen Metallen (z.B. Cu, Ni und Au).
Nachdem in den nichtabgedeckten Bereichen des Substrats 1 durch die Verstärkungsschicht 5 die gewünschte Leiterbahndicke erreicht worden ist, wird die Abdeckung 6 entfernt, und an den vorher abgedeckten Stellen das Substrat 1 freigelegt, indem Leitschicht 4 und Haftschicht 3 dort abgeätzt werden (Fig. 1E). Es entsteht so die fertige Dünnschichtschaltung, die beidseitig in den nicht abgedeckten Bereichen Leiterbahnen oder -flächen aufweist, die teilweise über die metallisierten Durchkontaktierungslöcher 2 miteinander in Verbindung stehen.
Wie bereits eingangs erwähnt, treten bei diesem bekannten Verfahren während der Freiätzung des Substrats (Schritt von Fig. 1D zu Fig. 1E) Probleme auf, weil hier in Gegenwart der leicht ätzbaren (Cu)-Verstärkungsschicht 5 die vergleichsweise schwer ätzbare (Cr)-Haftschicht 3 abgetragen werden muß.
Andere oxidationsfreundliche und damit haftvermittelnde Metalle werfen ähnliche Probleme auf.
Nach der Erfindung, wie sie beispielhaft in Fig. 1A-D dargestellt ist, werden speziell diese Ätzprobleme dadurch umgangen, daß auf eine eigenständige Haftschicht vollkommen verzichtet wird, und statt dessen eine einzige kombinierte Haft/Leitschicht ver­ wendet wird, die sowohl die Funktion der herkömmlichen Haft­ schicht 3 als auch der herkömmlichen Leitschicht 4 wahrnimmt.
Diese kombinierte Haft/Leitschicht besteht vorzugsweise zu einem überwiegenden Teil aus einem elektrisch gut leitenden Metall (Leitschichtfunktion) und zu einem geringen Teil aus einem oxidationsfreudigen Metall (Haftschichtfunktion).
Mit dieser Art der Zusammensetzung kann eine gute Ätzbarkeit der ganzen Schicht erzielt werden, ohne daß die Haftschicht­ funktion beeinträchtigt wird.
Zugleich entfällt innerhalb des Herstellungsverfahrens ein Beschichtungsvorgang.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel geht (Fig. 2A) ebenfalls von einem Substrat 1 mit Durchkontaktierungslöchern 2 aus.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht dieses Substrat aus einer Keramik, insbesondere aus Al₂O₃ (Dickschicht­ substrat: 96% Al₂O₃; Dünnschichtsubstrat: 99,6% Al₂O₃) oder AlN.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann es sich bei dem Substrat aus einer Keramik, insbesondere aus Al₂O₃ (Dickschicht­ substrat: 96% Al₂O₃; Dünnschichtsubstrat: 99,6% Al₂O₃) oder AlN.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann es sich bei dem Substrat 1 aber auch um ein Siliziumwafer handeln (z.B. im Zusammenhang mit VLSI-Schaltungen).
Das Substrat 1 wird, wiederum nach entsprechender Vorbehandlung, mit der kombinierten Haft/Leitschicht 7 ganzflächig beschichtet (Fig. 2B), wobei die Dicke dieser Schicht naturgemäß größer ist, als die der Haftschicht f 3 in Fig. 1B, weil sie zugleich auch die Leitschichtfunktion übernehmen muß.
Nach dem Aufbringen der kombinierten Haft/Leitschicht 7 schlies­ sen sich (Fig. 2C, D) dieselben Schritte an, wie beim bekannten Verfahren (Fig. 1D, E): selektive galvanische Verstärkung mit der Verstärkungsschicht 5 und Freiätzen des Substrats 1 an den vorher abgedeckten Stellen.
Wenn die Verstärkungsschicht 5 beispielsweise aus Cu besteht, ist es vorteilhaft, die Zusammensetzung der kombinierten Haft/ Leitschicht so zu wählen, daß sie sich bei diesem Freiätzen wie Cu verhält.
Die kombinierte Haft/Leitschicht 7 besteht dann vorzugsweise zum überwiegenden Teil aus Cu, und enthält einen Anteil von 5-15 Atom-% eines Metalls aus der Reihe Cr, T, Ti, W, Zr, Nb, Mo und Ce, insbesondere Cr.
Im speziellen Fall von Mikrowellenschaltungen, wo Cu wegen seiner leichten Korrodierbarkeit weniger gut einzusetzen ist, und Verstärkungsschichten aus Ni und Au verwendet werden, wird vorzugsweise eine kombinierte Haft/Leitschicht gewählt, die zum überwiegenden Teil aus Ni besteht, und einen Anteil von etwa 7 Gew.-% V enthält.
In allen Fällen kann die kombinierte Haft/Leitschicht 7 als Legierung oder aber als Gemisch der einzelnen Komponenten vorliegen.
Besonders günstig ist es, die kombinierte Haft/Leitschicht durch Sputtern, speziell aus einem einzigen Target, aufzubringen. Dieses einzige Target enthält dann die Komponenten der Schicht als Legierung oder Gemisch in entsprechender Zusammensetzung.
An dieser Stelle sei darauf hingewisen, daß solche kombinierten Targets (z.B. Au 5% Cr) aus der EP-A2-02 37 206 bekannt sind, und dort zum Aufsputtern von haftvermittelnden AuCr-Schichten auf Quarz verwendet worden sind.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtschaltungen, das die beim herkömmli­ chen Verfahren mit dem Ätzen verbundenen Schwierigkeiten vermeidet, einen Beschichtungsprozeß einspart, und damit besonders einfach und zuverlässig durchzuführen ist.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen einer Dünnschichtschaltung, welches Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
  • (a) ein Substrat (1) wird ganzflächig mit einer haftver­ mittelnden Schicht und einer elektrisch gut leitenden Schicht versehen;
  • (b) auf das beschichtete Substrat wird in vorgegebenen Bereichen eine Abdeckung (6) aufgebracht;
  • (c) auf dem abgedeckten Substrat wird in den nicht abgedeck­ ten Bereichen selektiv wenigstens eine Verstärkungs­ schicht (5) galvanisch abgeschieden;
  • (d) die Abdeckung wird entfernt; und
  • (e) in den vormals abgedeckten Bereichen wird das Substrat (i) freigeätzt;
dadurch gekennzeichnet, daß
  • (f) als haftvermittelnde Schicht und elektrisch gut leitende Schicht eine einzige kombinierte Haft/Leitschicht (7) verwendet wird; und
  • (g) die kombinierte Haft/Leitschicht (7) in einem einzigen Schritt auf das Substrat (1) aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierte Haft/Leitschicht (7) zum überwiegenden Teil aus einem elektrisch gut leitenden Metall und zu einem geringen Teil aus einem oxidationsfreudigen Metall besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierte Haft/Leitschicht (7) zum überwiegenden Teil aus Cu besteht, und einen Anteil von 5-15 Atom-% eines Metalls aus der Reihe Cr, Ta, Ti, W, Zr, Nb, Mo und Ce, insbesondere Cr, enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierte Haft/Leitschicht (7) zum überwiegenden Teil aus Ni besteht, und einen Anteil von etwa 7 Gew.-% V enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierte Haft/Leitschicht (7) durch Sputtern auf das Substrat (1) aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Sputtern ein einziges Target verwendet wird, welches die verschiedenen Komponenten der kombinierten Haft/Leit­ schicht (7) in entsprechender Zusammensetzung enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (1) eine Keramik, insbesondere aus Al₂O₃ oder AlN, verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (1) ein Siliziumwafer verwendet wird.
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