DE4444681C2

DE4444681C2 - Keramik-Substrat sowie Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE4444681C2
Application number: DE4444681A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Ing Schulz-Harder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-11-26
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2014-12-16
Also published as: DE4444681A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Keramik-Substrat gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 10

Keramik-Substrate für elektrische Schaltkreise oder Baugruppen, insbesondere für Leistungs-Schaltkreise oder Baugruppen sind in den unterschiedlichsten Ausführungen bekannt. Bekannt ist hierbei insbesondere auch, die zum Herstellen von Leiterbahnen, Anschlüssen usw. benötigte Metallisierung auf einer Aluminiumoxid-Keramik mit Hilfe des sogenannten "DCB-Verfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technology) herzustellen, und zwar unter Verwendung von die Metallisierung bildenden, an ihren Oberflächen oxidierten Kupferfolien. Die Kupferoxidschicht dieser Folien bildet ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Kupfers, so daß durch Auflegen der Folien auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Oxidschicht.

Vielfach wird insbesondere auch bei Leistungsschaltkreisen die Verwendung einer Aluminiumnitrid-Keramik anstelle ein Aluminiumoxid-Keramik angestrebt, und zwar wegen der im Vergleich zur Aluminiumoxid-Keramik höheren Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumnitrid-Keramik. Grundsätzlich nachteilig ist hier aber, daß der übliche und bewährte DCB-Prozeß bei Aluminiumnitrid-Keramiken nicht ohne weiteres anwendbar ist.

Es wurde daher bereits vorgeschlagen, auf die Schicht aus der Aluminiumnitird-Keramik zunächst eine Schicht aus Aluminiumoxid aufzubringen, und zwar derart, daß diese Zwischen- oder Hilfsschicht, die ein Aufbringen der Metallisierung bzw. der Kupferschicht mit Hilfe des DCB-Prozesses ermöglichen soll, an ihrer freiliegenden Oberfläche noch eine die Haftung verbessernde Rauhigkeit aufweist (DE-OS 35 34 886 und WO 92 011 113).

Weiterhin wurde vorgeschlagen, auf ein Ausgangsubstrat oder einen Trägerkörper aus Aluminiumnitrid eine Aluminiumoxydschicht aufzubringen, und zwar insbesondere durch Flammspritzen eines Aluminiumoxydpulvers oder aber im Siebdruckverfahren (DE-OS 38 44 264).

Bekannt ist die Verwendung von Siliziumoxid und von Ca in einer Beschichtung aus Aluminiumoxid, die auf den Oberflächenseiten einer Schicht aus Aluminiumnitrid aufgebracht ist (JP 02-124 773 A), sowie auch die Verwendung von Titan, Vanadium, Molybdän, Nubium, Wolfram, Kobalt, Nickel oder deren Verbindungen in einer Aluminiumoxid-Schicht (JP 03-228 885 A).

Bekannt ist weiterhin ein Verfahren zum Aufbringen einer Metallschicht auf eine Schicht, die auf Aluminiumnitrid-Basis hergestellt ist (JP 06-64991 A). Hierbei wird eine erste Schicht, die aus Aluminium-, Silizium- und Titan-Alkoxiden besteht und auf dieser eine zweite Schicht aufgebracht, die aus einer Mischung aus einem Glaspulver und einem Metallpulver besteht. Anschließend wird das Produkt gebrannt.

Nachteilig ist beim Stand der Technik, daß trotz des Aufbringens der Zwischenschicht aus Aluminium-oxid eine einwandfreie, homogene und keine Fehlstellen aufweisende flächige Verbindung zwischen der Schicht aus der Aluminiumnitrid-Keramik und der Metallisierung im DCB-Prozeß nicht erreicht wird, es vielmehr zu zahlreichen Fehlstellen kommt, d. h. zu Bereichen, an denen eine Verbindung nicht zustandegekommen ist oder aber sich die Metallisierung durch Blasenbildung von der Keramik abgehoben hat.

Bekannt ist weiterhin die Herstellung eines Aluminium-Nitrid-Substrates mit Metallschichten (JP 01-77 385 A). Auf das Aluminium-Nitrid-Substrat wird eine Schicht aus einem Silikonharz aufgebracht, und zwar unter Verwendung einer Lösung, die ein Silikonharz Polygomär enthält. Die Schicht zu der Silikonharzschicht ausgehärtet, auf die dann durch Dickfilmtechnik usw. die Metallschicht aufgebracht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Keramiksubstrat sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung aufzuzeigen, welches die vorgenannten Nachteile vermeidet und es ermöglicht, eine Metallisierung auf eine Aluminiumnitrid-Keramik großflächig ohne Fehlstellen aufzubringen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Substrat entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 und ein Verfahren entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 10 ausgebildet.

Die Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß die auf die Aluminiumnitrid-Keramik aufgebrachte Hilfsschicht zumindest in einer Teilschicht einen Anteil an einem Zusatz enthält, der von einem Oxid wenigstens eines Stoffes der Gruppe Silizium, Mangan, Titan, Zirkon, Hafnium oder Yttrium gebildet ist. Vorzugsweise wird als Zusatz ein Siliziumoxid verwendet.

Durch diesen Anteil an dem Zusatz, beispielsweise Siliziumoxid, ergibt sich in überraschender Weise eine erhebliche Verdichtung der Hilfsschicht, so daß eine für die Fehlstellen und die Blasenbildung beim Stand der Technik verantwortliche Diffusion von Sauerstoff durch die Hilfsschicht wirksam vermieden ist. Nach einer der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnis ist die erhöhte Dichtigkeit darauf zurückzuführen, daß sich die Temperaturänderungen, die ein Substrat bei den üblichen Verfahren unvermeidbar erfährt, durch den Anteil an dem Zusatz nicht zu Rissen oder dergl. Undichtigkeiten in der Zwischen- oder Hilfsschicht führen können. Hierdurch ist ein Sauerstoffdurchtritt durch diese Hilfsschicht und damit insbesondere beim DCB-Prozeß auch die die Fehlstellen und Blasen verursachende Reaktion des Aluminiumnitrids mit dem Sauerstoff des Kupferoxids der verwendeten Kupferfolien wirksam vermieden.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird in Folgenden anhand der Fig. 1-5, die jeweils in vereinfachter Darstellung und im Schnitt verschiedene mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Substrates wiedergeben, näher erläutert.

In den Figuren ist 1 ein Ausgangssubstrat oder eine Schicht aus einer Aluminium-Nitrid- Keramik (AlN).

Bei der für die Fig. 1 angenommenen Ausführungsformen soll dieses Ausgangssubstrat 1 beidseitig mit Hilfe des dem Fachmann bekannten DCB-Verfahrens jeweils mit einer Metallisierung, d. h. mit einer dünnen Kupferschicht oder -folie 2 versehen werden, wobei jede Kupferfolie 2 an beiden Oberflächenseiten jeweils oxidiert ist, d. h. aus einen Kern 3 aus Kupfer (Cu) und aus einer dünnen Oxidschicht 4 (Cu₂O/CuO) an beiden Oberflächenseiten besteht. Der Kern 3 besitzt dabei eine wesentlich größere Dicke als jede der beiden Oxidschichten 4.

Um die Kupferschichten 2 mit Hilfe des DCB-Prozesses einwandfrei mit dem Ausgangssubstrat 1 verbinden zu können, weist dieses bei der in der Fig. 1 wiedergegebenen Ausführungsfrom zusätzlich zu dem Kern 5 aus der Aluminiumnitrit-Keramik (AlN) an beiden Oberflächenseiten eine Schicht 6 auf, die aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) besteht und die einen geringen Anteil an Siliziumoxid (SiO₂) enthält, und zwar in der Größenordnung zwischen 0,1-40 Mol%. Die Dicke der Schichten 6 ist wesentlich kleiner als die Dicke des Kernes 5 und liegt jeweils in der Größenordnung zwischen 0,5 und 4 Micrometer.

Es hat sich gezeigt, daß erst durch den Anteil an Siliziumoxid in der Zwischenschicht 6 eine homogene Verbindung des Ausgangssubstrates 1 mit den Kupferschichten 2 mit Hilfe des DCB-Prozesses möglich ist, d. h. insbesondere eine ganzflächige Verbindung ohne Fehlstellen, d. h. ohne Bereiche, an denen die Verbindung zwischen der jeweiligen Kupferschicht 2 und dem Ausgangssubstrates 1 nicht zustandegekommen oder durch Blasenbildung gestört ist.

Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, ist dies nach der der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnis nur dann erreichbar, wenn die für die Durchführung des DCB-Prozesses grundsätzlich notwendigen Zwischenschichten 6 aus Aluminiumoxid-Keramik (Al₂O₃) den vorstehend genannten Anteil an Siliziumoxid aufweisen, da sich in den üblichen Verfahrensschritten erhebliche Temperaturänderungen des Ausgangssubstrates insbesondere auch nach dem Aufbringen der Zwischenschichten 6 und während des DCB-Prozesses nicht vermeiden lassen. Diese Temperaturschwankungen führen nach der der Erfindung zugrundliegenden Erkenntnis beim Fehlen von Siliziumoxid in den Zwischenschichten 6 dort zu Rissen oder Undichtigkeiten mit der Folge, daß im Bereich solcher Undichtigkeiten das Aluminium-Nitrid des Kernes 5 direkt mit dem Kupferoxid der Oxidschichten 4 reagiert, ohne daß es zu der gewünschten Verbindung zwischen dem Ausgangssubstrat 1 und den Kupferschichten kommt, vielmehr Stickstoff freigesetzt wird mit der Folge einer Blasenbildung zwischen der jeweiligen Kupferschicht 2 und dem Ausgangssubstrat, und zwar entsprechend der nachfolgenden Reaktionsgleichung:

2AlN + 3Cu₂O - Al₂O₃ + Cu + N₂.

Durch den in die Zwischenschichten 6 eingelagerten Anteil an Siliziumoxid wird in überraschender Weise eine Verdichtung der Zwischenschichten 6 in der Form erreicht, daß derartige Undichtigkeiten oder Risse bei den im Verfahren unvermeidlichen Temperaturunterschieden in den Zwischenschichten 6 und die hiermit verbundenen Nachteile nicht auftreten.

Mit Zwischenschichten 6, die ausschließlich aus Siliziumoxid bestehen läßt sich der mit der Erfindung angestrebte Effekt (großflächige, homogene Verbindung des Ausgangssubstrates 1 mit den Kupferschichten 2 ohne Fehlstellen und Blasen) selbstverständlich ebenfalls nicht erreichen, d. h. es kommt wesentlich auf die vorstehend angegebene Konzentration des Siliziumoxides in der aus Al₂O₃ bestehenden Zwischenschicht 6 an.

Da die Dicke der Zwischenschichten 6 in der Größenordnung zwischen 0,5 und 4 Micrometer liegt, sind diese Zwischenschichten zwar für eine zuverlässige Verbindung des Ausgangssubstrates mit den Kupferschichten 2 ausreichend, der besondere Vorteil des Aluminiumnitrits, nämlich die im Vergleich zur Aluminiumoxid-Keramik wesentlich verbesserte Wärmeleitfähigkeit, wird insgesamt aber nicht beeinträchtigt.

Das Ausgangssubstrat kann beispielsweise so hergestellt werden, daß auf dem Kern 5 aus AlN beidseitig jeweils eine sehr dünne Schicht aus einem siliziumhaltigen Material aufgebracht wird und danach dieser Kern 5 bei einer Temperatur im Bereich zwischen etwa 800-1300°C, vorzugsweise bei einer Temperatur von 1200°C, in oxidierender Atmosphäre behandelt wird.

Im einzelnen erfolgt die Herstellung des Ausgangssubstrates beispielsweise nach folgenden Verfahren:

- Schleifen einer den Kern 5 bildenden Platte oder Scheibe aus AlN auf die gewünschte Dicke, und zwar unter Verwendung herkömmlicher, dem Fachmann bekannter mechanischer Verfahren;
- Reinigen des Kernes 5 in 10%iger Schwefelsäure (H₂SO₄) im Ultraschall-Bad;
- Mehrfaches Spülen des Kernes 5 in deionisiertem Wasser;
- Trockenen des Kernes 5 bei 100°C;
- Aufdampfen von Si im Hochvakuum bis zu einer Schichtdicke von etwa 0,03 Micrometer auf beide Oberflächenseiten;
- Behandeln des beschichteten Kernes 6 über eine Zeitdauer von etwa 65 Minuten in einer Atmosphäre, die 0₂ und N₂ in einem Volumenanteil von 80 Volumenprozent O₂ und 20 Volumeprozent N₂ enthält bei 1200°C und
- anschließendes Abkühlen.

Mit diesen vorgenannten Verfahren erhält man das Ausgangssubstrat 1 mit dem Kern 5 aus AlN und den dichten Zwischenschichten 6 aus Al₂O₃ und SiO₂. Das Verhältnis von Al₂O₃ zu SiO₂ läßt sich durch die Schichtdicke des zuvor aufgebrachten Si in Kombination mit der Brenntemperatur und Brenndauer variieren. Das Verhältnis läßt sich darüber hinaus auch durch gemeinsames Aufdampfen von Al und Si im Hochvakuum in Verbindung mit der Nachbrennzeit und/oder -Temperatur einstellen.

Eine zusätzliche Variente besteht im wechselweisen Aufbringen dünner Schichten aus Al und Si im Hochvakuum, so daß zunächst eine laminatähnliche Struktur entsteht. Durch geringfügige Sauerstoffanteile lassen sich durch den Nachbrennschritt Aluminiumoxid-Schichten mit SiO₂ erzeugen (CVD-Verfahren).

Die Fig. 2 zeigt ein Ausgangssubstrat 1a, welches sich von dem Ausgangssubstrat der Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß die dortigen Zwischenschichten 6a zusätzlich zu den unmittelbar an den Kern 5 anschließenden Schichten 7 aus Al₂O₃ mit dem Anteil an SiO₂ noch eine weitere auf jede dieser Schichten 7 aufgebrachte Schicht 7' aufweisen, die ausschließlich aus Aluminiumoxid-Keramik (Al₂O₃) besteht. Dieses in der Fig. 2 wiedergegebene Ausgangssubstrat 1a läßt sich mit den einem Fachmann geläufigen Techniken erreichen, beispielsweise durch zusätzliches Aufbringen oder Aufspritzen der Schichten 7' im Plasma.

Fig. 3 zeigt ein Ausgangssubstrat 1b, welches sich von dem Ausgangssubstrat der Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß beim Ausgangssubstrat 1b in den dortigen Zwischenschichten 6b das Siliziumoxid in kleinen Clustern, die einen Durchmesser kleiner als 0,01 Micrometer aufweisen, im Aluminiumoxid gleichmäßig verteilt vorgesehen sind.

Fig. 4 zeigt im Schnitt ein Substrat, welches beispielsweise aus dem Ausgangssubstrat 1 unter Verwendung der beiden Kupferschichten 2 hergestellt ist. Dementsprechend besitzt dieses Substrat den Kern 5 aus AlN, der beidseitig mit jeweils einer Zwischenschicht 6 versehen ist, auf der dann an beiden Oberflächenseiten des Substrates 1c eine Metallisierung 8 mit Hilfe des DCB-Prozesses großflächig aufgebracht ist.

Die Fig. 5 zeigt schließlich ein Substrat 1d, welches sich von dem Substrat 1c im wesentlichen nur dadurch unterscheidet, daß die für die Herstellung der Metallisierung 8 verwendeten Kupferfolien an ihren Oberflächenseiten eine besonders sauerstoffreiche Kupferphase, d. h. eine Oxyidschicht mit besonders großer Dicke, beispielsweise mit einer Dicke von mindestens 3 Micrometer aufwiesen, so daß zwischen der Zwischenschicht 6 und jeder Kupferschicht 8 noch eine Schicht 9 vorhanden ist, die Kupfer und Kupferoxid (Cu + Cu₂O) enthält.

Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird. So ist es unter Verwendung der vorbeschriebenen Technik insbesondere möglich, Substrate herzustellen, die nur an einer Seite der Aluminiunmitrid-Keramik eine Metallisierung aufweisen und/oder solche Substrate herzustellen, die eine Vielzahl von Metallschichten mit dazwischenliegenden Keramikschichten besitzten, von denen zumindest ein Teil dann von der mit den Zwischenschichten 6 oder 6b versehenen Aluminiumnitrid-Keramik gebildet ist Weiterhin können auch andere Oxide, beispielsweise ein Oxid eines Metalls der vierten Nebengruppe (Ti, Zr, Hf) des periodischen Systems und/oder Yttriumoxid oder Kombinationen dieser Oxide als Zusatz verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1

Ausgangssubstrat

2

Kupferfolie oder Kupferschicht

3

Kern

4

Oxidschicht

5

Kern

6

Zwischenschicht

7

Zwischenschicht

8

Metallisierung

9

Kupfer-Kupferoxid-Schicht

Claims

1. Substrat mit wenigstens einer Schicht (5) aus Aluminiumnitrid (AlN), die an wenigstens einer Oberflächenseite mit einer Zwischen- oder Hilfsschicht (6, 6b) versehen ist, die Aluminiumoxid (Al₂O₃) enthält und eine Dicke im Bereich von 0,5-10 Micrometer aufweist, sowie mit einer an der Zwischenschicht unter Anwendung des DCB-Verfahrens befestigten Kupferschicht, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zwischenschicht (6, 6a, 6b) als Zusatz 0,1-40 Mol% Mangan-Oxid enthalten sind.

2. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zwischenschicht (6, 6a, 6b) als Zusatz Mangan-Oxid und Siliziumdioxid (SiO₂) in Kombination enthalten sind.

3. Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz in dem an die Schicht (5) aus Aluminiumnitrid anschließenden Bereich (6) der Zwischenschicht (6a) angereichert ist.

4. Substrat nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (6a) aus einer an die Schicht aus Aluminiumnitrid unmittelbar anschließenden ersten Schicht aus Aluminiumoxid, die den Zusatz enthält, sowie aus einer daran anschließenden zweiten Aluminium-Oxid-Schicht (7') besteht, die keinen Anteil oder im wesentlichen keinen Anteil an dem Zusatz enthält.

5. Substrat nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration an Zusatz in der Zwischenschicht (6a) mit zunehmendem Abstand von der Schicht (5) aus Aluminiumnitrid abnimmt.

6. Substrat nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Zusatz in der Zwischenschicht (6b) in Cluster gleichmäßig verteilt vorgesehen ist, wobei die Cluster vorzugsweise einen Durchmesser kleiner als 0,01 Micrometer aufweisen.

7. Substrat nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an dem den Zusatz bildenden Siliziumoxid im Aluminiumoxid als Mullit vorliegt.

8. Substrat nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (5) aus Aluminiumnitrid wenigstens einseitig über die dortige Zwischenschicht (6, 6a, 6b) mit einer Kupferschicht oder Metallisierung (8), vorzugsweise mit einer 0,1-0,8 mm dicken Kupferschicht flächig verbunden ist.

9. Substrat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferschicht (8) über eine sauerstoffreiche Kupferphase (9), vorzugsweise über eine sauerstoffreiche Kupferphase mit einer Dicke von mindestens 3 Micrometer mit der einen Seite der Schicht (5) aus Aluminiumnitrid bzw. mit der dortigen Zwischenschicht (6, 6a, 6b) verbunden ist.

10. Verfahren zum Herstellen eines Substrates mit wenigstens einer Schicht (5) aus Aluminiumnitrid-Keramik, bei dem (Verfahren) auf wenigstens eine Seite dieser Schicht (5) eine Hilfs- oder Zwischenschicht (6, 6a, 6b) aus Aluminiumoxid und auf diese als Metallschicht eine Kupferfolie durch einen DCB-Prozeß aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Zwischenschicht (6, 6a, 6b) unter Verwendung von Mangan-Oxid derart erfolgt, daß die Zwischenschicht zumindest in einem Teil ihrer Dicke einen Anteil an einem Zusatz von 0,1-40 Mol% aus dem Mangan-Oxid enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zwischenschicht Mangan-Oxid in Kombination mit Siliziumdioxid verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (5) aus Aluminiumnitrid zunächst an wenigstens einer Oberflächenseite mit einer 0,02-1,0 Micrometer dicken, 5 bis 100 Atomprozent, vorzugsweise etwa 25 Atomprozent Zusatz enthaltenen Schicht versehen und anschließend bei einer Temperatur zwischen 800-1300°C in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre solange behandelt wird, bis sich die Zwischenschicht mit der gewünschten Dicke gebildet hat.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre solange erfolgt, bis sich für die jeweilige Zwischenschicht (6, 6a, 6b) eine Schichtdicke von 0,5-10 Micrometer eingestellt hat.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Schicht (5) aus Aluminiumoxid-Keramik beidseitig mit jeweils einer Zwischenschicht (6, 6a, 6b) versehen wird, und daß auf beiden Zwischenschichten jeweils unter Verwendung des DCB-Prozesses eine Metall- oder Kupferschicht aufgebracht wird.