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Die Erfindung betrifft ein Substrat und insbesondere ein
Substrat, das für die Herstellung van
Dickschicht-Schaltungen mit hoher Integrationsdichte geeignet ist.
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Bei der Herstellung von Dickschichtschaltungen, wie zum
Beispiel integrierter Hybridschaltungen, wird eine Vielzahl
von isolierenden Substraten verwendet, wobei für die
Herstellung der isolierenden Substrate verschiedene
Materialien zur Verfügung stehen. Bin typisches Beispiel eines
solchen Materials ist Aluminiumoxid, das etwa 4 Gewichts-%
von verschiedenen anderen Substanzen enthält, wobei diese
anderen Substanzen Siliziumoxid, Magnesiumoxid und
Kalziumoxid sind. Das Aluminiumoxidsubstrat ist bezüglich der
dielektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften
einem Substrat aus Kunstharz überlegen, und aus diesem
Grund werden Aluminiumsubstrate in verschiedenster Form
gestaltet und in breitem Umfang von den
Schaltkreisherstellern verwendet.
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Hinsichtlich der Wärmeabstrahlfähigkeit birgt das Substrat
aus Aluminiumoxid nach dem Stand der Technologie jedoch ein
Problem. Es handelt sich hierbei um die Tatsache, daß
Aluminiumoxid keine sehr große Wärmeleitfähigkeit besitzt.
Darüberhinaus steigt bei der Realisierung immer komplexerer
Schaltungsfunktionen die Integrationsdichte der
Dickschichtschaltung. Je gr6ßer die Integrationsdichte der
Schaltung ist, um so mehr Wärme wird erzeugt. Das Problem
wird dadurch immer gravierender.
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Es ist deshalb eine wichtige Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Substrat für eine Dickschichtschaltung zu
schaffen, welches eine bessere Wärmeabstrahlfähigkeit
aufweist.
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Es ist weiterhin eine wichtige Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Substrat für eine Dickschichtschaltung zu
schaffen, welches die Verwendung des Siebdruckverfahrens
gestattet ohne Beeinträchtigung der Wärmeabstrahlfähigkeit.
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Um diese Aufgaben zu erfüllen, schlägt die vorliegende
Erfindung vor, eine Unterlage aus Aluminiumnitrid mit einer
Siliziumatome enthaltenden Oberflächenschicht zu
überziehen.
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Entsprechend der vorliegenden Erf indung wird ein Substrat
bereitgestellt, welches sich dafür eignet, darauf eine
Dickschichtschaltung mit einem Dickschichtmuster
herzustellen, einschließlich eines Leiterstreifens aus einer Paste,
welche Fritte enthält, wobei das Substrat aufweist:
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a) eine Unterlage aus Aluminiumnitrid mit einer
Hauptfläche; und
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b) eine Schicht aus Aluminiumoxid, die sich auf der
Hauptfläche der Unterlage befindet, gekennzeichnet durch
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c) eine auf der Schicht gebildete Oberflächenschicht aus
Siliziumoxid mit einer Dicke im Bereich von 0,01 um bis 5,0
um, wobei die Schicht aus Aluminiumoxid eine
Zwischenschicht zwischen der Unterlage und der Oberflächenschicht
darstellt, und wobei die Oberflächenschicht dafür geeignet
ist, darauf eine Dickschichtschaltung herzustellen.
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Bei einer anderen Ausführung ist zwischen der Unterlage und
der Oberflächenschicht eine Zwischenschicht zur Vebesserung
der Haftfestigkeit eingebettet, wobei das Material der
Zwischenschicht
eine geringere Reaktionsfähigkeit mit den
Fritten aufweist als das Aluminiumnitrid.
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Das EP-A-0 153 737 beschreibt ein Substrat mit einer
Zweiebenenstruktur, bestehend aus einer Aluminiumnitridschicht
mit einer Oxidschicht auf ihrer Oberfläche. Weiterhin wird
auf der Schicht aus Aluminiumoxid eine Glasschicht erzeugt,
wobei die Glasschicht aus PbO-SiO&sub2;-B&sub2;O&sub3;&sub1; BaO-SiO&sub2;-B&sub2;O&sub3; oder
einem ähnlichen Glassystem besteht. Beim Einsatz als
mehrschichtiges Substrat wird auf dieser Glasschicht eine
Dickschichtschaltung erzeugt. Diese Konfiguration verbessert
die Wärmeabstrahlfähigkeit.
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Die Merkmale und Vorteile eines Substrates entsprechend der
vorliegenden Erfindung soll die folgende Beschreibung
verdeutlichen, die an Hand der beiliegenden Zeichnungen
erfolgt, von denen:
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Fig. 1 die Schnittansicht der Struktur eines Substrates
zeigt, bei dem die vorliegende Erfindung ansetzt;
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Fig. 2 eine perspektivische Ansicht darstellt, die das
Verfahren zum Messen der Ablösefestigkeit zeigt; und
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Fig. 3 die Schnittansicht der Struktur eines weiteren
Substrates zeigt, das die vorliegende Erfindung verkörpert.
Erstes Ausführungsbeispiel
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Zunächst wird in Fig. 1 der Zeichnungen der Aufbau eines
Substrates in einer Mehrebenenstruktur gezeigt. Das in Fig.
1 dargestellte Substrat entält eine Unterlage 1 aus
Aluminiumnitrid, das durch die chemische Formel AlN gegeben ist,
und eine Oberflächenschicht 2 aus Siliziumoxid, das durch
die Strukturformel SiO&sub2; gegeben ist.
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Aluminiumoxid mit der chemischen Formel Al&sub2;O&sub3; besitzt eine
Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,218 J/sec cm Grad (0,052
cal/sec cm Grad), und die Wärmeleitfähigkeit von
Aluminiumnitrid
beträgt etwa 2,6 J/sec cm Grad (0,62 cal/sec cm
Grad). Das Substrat wird also durch die Verwendung von
Aluminiumnitrid hinsichtlich der Wärmeabstrahlfähigkeit
verbessert. Durch das Aluminiumnitrid entstehen jedoch im
Ergebnis der Reaktion mit einigen Substanzen, die in der bei
der Siebdrucktechnologie verwendeten Paste enthalten sind,
schäumende Gase, und aus diesem Grund läßt sich ein nur aus
Aluminiumnitrid bestehendes Substrat kaum für die
Herstellung einer Dickschichtschaltung verwenden. Genauer gesagt,
die meisten Pasten enhalten Fritten wie zum Beispiel
Bleioxid oder Wismutoxid, und diese Fritten reagieren mit dem
Aluminiumnitrid. Als Folge davon können schäumende Gase
entstehen, die bewirken, daß sich in der Grenzschicht
zwischen dem Aluminiumnitrid und dem gesinterten Produkt nach
dem Absaugen der schäumenden Gase Hohlräume bilden. Durch
die schäumenden Gase wird die Kontaktfläche zwischen den
Schichten verringert, so daß sich das durch Sintern der
aufgedruckten Schicht erzeugte Dickschichtmuster von dem
Aluminiumsubstrat ablösen kann. Zur Verbesserung der
Ablösefestigkeit wird das Substrat entsprechend diesem
Ausführungsbeispiel mit einer Oberflächenschicht 2 aus
Siliziumoxid versehen, welche die Unterlage 1 bedeckt. Die
Oberflächenschicht 2 wird mit Hilfe einer physikalischen oder
chemischen Abscheidetechnologie in einer Dicke im Bereich von
etwa 0,1 Mikron bis etwa 20 Mikron aufgebracht. Zum
Aufbringen der Oberflächenschicht eignet sich beispielsweise
eine Sputtertechnologie, es kann aber auch ein
Sol-Gel-Verfahren oder eine photogestützte chemische Abscheidung aus
der Dampfphase (CVD) verwendet werden. Das Siliziumoxid
reagiert mit den Fritten ohne Bildung von schäumenden Gasen
und überträgt folglich Siliziumatome in die Paste. Diese
Siliziumatome fördern die Haftfestigkeit zwischen dem
Aluminiumnitrid und der Paste. Einer der Gründe, warum die
Haftfestigkeit verbessert wird, ist in der Erhöhung der
Viskosität der Fritten zu vermuten.
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Nachfolgend werden verschiedene Herstellungsverfahren für
ein Substrat entsprechend der vorliegenden Erfindung
beschrieben.
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Das erste Verfahren beginnt mit der Vorbereitung eines
Aluminiumnitridpulvers, dessen Partikel einen mittleren
Durchmesser von etwa 1 Mikron besitzen. Das
Aluminiumnitridpulver wird mit einem organischen Binder gemischt, um eine
Paste herzustellen, und die Paste wird zu einem flachen
Rohling geformt. Der flache Rohling wird in eine
Stickstoffumgebung unter atmosphärischem Druck gebracht. Zum Sintern
wird der flache Roming auf etwa 1800 Grad Celsius erwärmt
und 120 Minuten lang in der Stickstoffatmosphäre bei der
hohen Temperatur gehalten. Die auf diese Weise durch
Sintern hergestellte Keramikscheibe mißt etwa 25,4 mm x 25,4
mm, ist etwa 2 mm dick und dient als Unterlage 1 des
Substrates. Die Keramikscheibe wird dann in einem
HF-Diodensputtersystem angeordnet, bei dem ein Quarztarget mit einer
Reinheit von 99,9% verwendet wird. Das Target besitzt einen
Durchmesser von etwa 100 mm und eine Dicke von etwa 10 mm.
Die Keramikscheibe wird mit einer Drehzahl von etwa 10
U/min angetrieben und das Sputtern erfolgt bei einer
Leistung von etwa 100 Watt. Unter Verwendung der
Sputtertechnologie werden einige Proben hergestellt, und durch
geeignete Wahl der Sputterzeit wird die Dicke der
Oberflächenschicht 2 bei den Proben verändert. Zu
Vergleichszwecken wird eine der Keramikscheiben nicht mit einer
Oberflächenschicht versehen.
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An jeder Probe werden die Wärmeleitfähigkeit und die
Ablösefestigkeit gemessen, wie in Tabelle 1 gezeigt wird. Die
Wärmeleitfähigkeit wird mit Hilfe eines
Laserblitzverfahrens bestimmt. Zur Abschätzung der Haftfestigkeit wird die
Ablösefestigkeit gemessen. Zum Messen der Ablösefestigkeit
wird mittels Siebdruck auf jede der Proben, einschließlich
der Keramikscheibe ohne Oberflächenschicht, eine leitende
Paste aus eine Silber-Palladium-Legierung aufgetragen,
wobei die aufgedruckte Pastenleitbahn Fritten enthält, wie
zum Beispiel Bleioxid (PbO) und Wismutoxid (Bi&sub2;O&sub3;).
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Nach einer Trocknungstufe wird die Probe mit der
aufgedruckten Pastenleitbahn etwa 10 Minuten lang zum Sintern in
eine Umgebung mit hoher Temperatur von etwa 850 Grad
Celsius gebracht, und dann wird auf der Probe ein leitender
Streifen 3 hergestellt. Der leitende Streifen 3 hat die
Form eines Quadrates von etwa 2 mm x 2 mm. Ein
nichtoxidierter Kupferdraht 4 wird vorbereitet und bei etwa 215
Grad Celsius auf den leitenden Streifen gelötet. Der
Kupferdraht 4 hat einen Durchmesser von etwa 0,9 mm, und zum
Löten wird eine eutektische Legierung 5 aus Zinn und Blei
verwendet. Der auf diese Weise angelötete Kupferdraht 4
wird in der durch den Pfeil T bezeichneten Richtung einer
Zugkraft unterworfen. Die Zugkraf t wird solange erhöht, bis
der leitende Streifen 3 gerade beginnt, sich abzulösen, und
die Ablösefestigkeit ergibt sich dann aus der Division der
maximalen Ablösekraft durch die Einheitsfläche von 4 mm².
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Das zweite Herstellungsverfahren gleicht bezüglich der
Herstellung der Keramikscheibe dem ersten
Herstellungsverfahren, die Oberflächenschicht wird jedoch mittels Sol-Gel-
Technologie aufgebracht. Nach der Herstellung der
Keramikscheibe werden also etwa 347 Gramm Ethylsilikat, etwa 500
Gramm Ethylalkohol und etwa 190,2 Gramm 0,3%-ige Salzsäure
zur Herstellung einer Lösung miteinander gemischt, und die
Lösung wird bei etwa 500 U/min auf die Keramikscheibe
aufgeschleudert. Die Keramikscheibe mit der benetzten
Oberfläche wird etwa 10 Minuten lang in eine Umgebung hoher
Temperatur von etwa 900 Grad Celsius gebracht, so daß die Lösung
kalziniert. Auf der Keramikscheibe bildet sich dadurch eine
dünne Siliziumoxidschicht, und durch eine bestimmte Anzahl
von Wiederholungen der Schleuderbeschichtung und
Kalzinierung wird die Dicke der Oberflächenschicht 2 eingestellt.
Auf diese Weise werden einige Proben, die sich hinsichtlich
der Dicke der Oberflächenschicht voneinander unterscheiden,
hergestellt. An diesen Proben wird ebenfalls die
Wärmeleitfähigkeit und die Ablösefestigkeit gemessen, wie in Tabelle
1 gezeigt wird.
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Das dritte Herstellungsverfahren ist durch die Anwendung
der photogestützten chemischen Abscheidung aus der
Dampfphase gekennzeichnet. Nach der Herstellung der
Keramikscheibe in gleicher Weise wie beim ersten
Herstellungsverfahren wird die Keramikscheibe in eine Reaktionskammer
gebracht. In der Reaktionskammer wird eine Umgebung mit
niedrigem Druck von etwa 27 Pa (0,2 Torr) erzeugt, und zur
Photobelichtung wird eine Quecksilberlampe verwendet. Die
Keramikscheibe wird auf etwa 150 Grad Celsius erwärmt, und
zum Abscheiden von Siliziumoxid wird ein Gasgemisch aus Si-
lan und Sauerstoff in die Reaktionskammer eingeleitet. Im
vorliegenden Fall beträgt das Mol-Verhältnis von Silan zu
Sauerstoff etwa 0,015. In Übereinstimmumng mit dem dritten
Verfahren werden einige Proben hergestellt, die sich durch
Steuerung der Zeit in der Reaktionskammer hinsichtlich der
Dicke der Oberflächenschicht unterscheiden. Auch an diesen
Proben werden die Wärmeleitfähigkeit und die
Ablösefestigkeit gemessen, wie in Tabelle 1 gezeigt wird.
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Zu Vergleichszwecken wird mit dem folgenden Verfahren ein
Substrat aus Aluminiumoxid nach dem Stand der Technik
hergestellt. Zuerst wird ein Aluminiumoxidpulver aufbereitet.
Das Aluminiumoxidpulver besitzt eine Reinheit von 96 % und
einen mittleren Durchmesser von etwa 2 Mikron. Das
Aluminiumoxidpulver wird mit einem organischen Binder gemischt, um
eine Paste herzustellen. Die Paste wird zu einer Scheibe
geformt und dann etwa 120 Minuten lang in atmosphärischer
Umgebung bei etwa 1600 Grad Celsius gesintert. Bezüglich
der Abmessungen gleicht die Probe nach dem Stand der
Technik
den mit dem oben genannten Verfahren hergestellten
Proben.
Tabelle 1
Probe
Oberflächenschicht
Verfahren
Dicke (um)
Wärmeleitfähigkeit (cal/sec cm Grad)
Ablösefestigkeit (kg/4mm²)
Photo-CVD
SOL/GEL
Sputtern
Keramikscheibe AlN
Probe nach dem
Stand der Technik
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Wie aus Tabelle 2 erkennbar ist, übertrifft das Substrat
entsprechend den Proben hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit
das Substrat nach dem Stand der Technik, ohne dabei auf die
Ablösefestigkeit zu verzichten. Wenn die Oberflächenschicht
2 dünner als ca. 0,1 Mikron ist, hält die Dickschicht
infolge der geringen Ablösefestigkeit nicht zuverlässig. Die
Verringerung der Ablösefestigkeit wird durch Eindringen von
geschmolzenen Fritten in das Aluminiumnitrid und die an der
Grenzschicht zwischen dem Aluminiumnitrid und der leitenden
Bahn erzeugten schäumenden Gase verursacht. Wird die
Oberflächenschicht 2 andererseits in einer Dicke von mehr als
20 Mikron aufgetragen, dann wird die Wärmeleitfähigeit zu
gering, um damit eine Dickschichtschaltung mit einer hohen
Integrationsdichte herzustellen. Das liegt daran, daß das
Siliziumoxid eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,0155 J/sec
cm Grad (0,0037 cal/sec cm Grad) besitzt.
Zweites Ausführungsbeispiel
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Das zweite Ausführungsbeispiel des Substrates besitzt wie
das in Fig. 1 gezeigte Substrat eine Zweiebenenstruktur,
d.h. eine Unterlage, die mit einer Oberflächenschicht
bedeckt ist. Die Unterlage besteht ebenfalls aus
Aluminiumnitrid, die Oberflächenschicht besteht jedoch aus einer
Sauerstoffverbindung, die Aluminiumatome und Siliziumatome
enthält. Ein typisches Beispiel einer derartigen
Sauerstoffverbindung wird durch die Strukturformel 3al&sub2;O&sub3; 2SiO&sub2;
dargestellt.
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Im Folgenden werden verschiedene Herstellungsverfahren für
das Substrat beschrieben.
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Das erste Herstellungsverfahren beginnt mit der
Aufbereitung von Aluminiumnitridpulver, dessen Partikel einen
mittleren Durchmesser von etwa 1 Mikron besitzen. Das
Aluminiumnitridpulver wird mit einem organischen Binder gemischt,
um eine Paste herzustellen, und die Paste wird zu einem
flachen Rohling geformt. Der flache Rohling wird in
Stickstoff unter atmosphärischem Druck angeordnet. Der flache
Rohling wird zum Sintern auf etwa 1800 Grad Celsius erwärmt
und verbleibt etwa 120 Minuten bei der hohen Temperatur im
Stickstoff. Die auf diese Weise durch Sintern erzeugte
Keramikscheibe hat die Form eines Quadrates von etwa 25,4 mm
× 25,4 mm und besitzt eine Dicke von etwa 3 mm. Die
Keramikscheibe wird dann in ein HF-Diodensputtersystem
eingebracht, das mit einem Target arbeitet, dessen stoffliche
Zusammensetzung durch die Strukturformel 3Al&sub2;O&sub3;-2SiO&sub2;
gegeben ist. Das Target besitzt einen Durchmesser von etwa 100
mm und eine Dicke von etwa 10 mm. Die Keramikscheibe wird
mit etwa 10 U/min angetrieben, und das Sputtern erfolgt mit
einer Leistung von etwa 100 Watt. Auf diese Weise werden
mit Hilfe der Sputtertechnologie einige Proben hergestellt,
wobei die Oberflächenschichten der Proben durch geeignete
Wahl der Sputterzeit unterschiedliche Dicken aufweisen. Zu
Vergleichszwecken erhält eine der Keramikscheiben keine
Oberflächenschicht. An jeder Probe werden die
Wärmeleitfähigkeit und die Ablösefestigkeit gemessen, wie in Tabelle 2
gezeigt wird.
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Das zweite Herstellungsverfahren gleicht hinsichtlich der
Herstellung der Keramikscheibe dem ersten
Herstellungsverfahren, die Oberflächenschicht wird jedoch mit Hilfe der
SOL/GEL-Technologie aufgebracht. Nach der Herstellung der
Keramikscheibe werden dazu etwa 347 Gramm Ethylsilikat,
etwa 560 Gramm Aluminiumethyl-Azetazetat-Diisopropylat,
etwa 500 Gramm Ethylalkohol und etwa 190 Gramm einer 0,3
%igen Salzsäure gemischt, um eine Lösung zu bereiten, die
mit etwa 500 U/min auf die Keramikscheibe aufgeschleudert
wird. Die Keramikscheibe mit der benetzten Oberfläche wird
etwa 10 Minuten lang bei einer hohen Umgebungstemperatur
von etwa 850 Grad Celsius kalziniert. Dadurch bildet sich
auf der Keramikscheibe eine dünne Schicht aus der
Sauerstoffverbindung, wobei Schleuderbeschichtung und
Kalzinieren mehrmals wiederholt werden, um die Dicke der
Oberflächenschicht einzustellen. So werden einige Proben mit
unterschiedlicher Dicke der Oberflächenschicht hergestellt.
An diesen Proben werden ebenfalls die Wärmeleitfähigkeit
und die Ablösefestigkeit gemessen, wie in Tabelle 2 gezeigt
wird.
Tabelle 2
Probe
Oberflächenschicht
fähigkeit Verfahren
festigkeit Dicke (um)
Wärmeleit (cal/sic cm Grad)
Ablöse (kg/4mm²)
Sputtern
Keramikscheibe AlN
Probe nach dem
Stand der Technik Al&sub2;O&sub3;
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Wie aus Tabelle 2 deutlich wird, übertrifft das Substrat
entsprechend den Proben das Substrat nach dem Stand der
Technnik hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit, ohne daß auf
die Ablösefestigkeit verzichtet wird. Von diesen Proben hat
das Substrat mit der Oberflächenschicht von weniger als 0,1
Mikron eine geringe Schichtdicke, um darauf zu vertrauen.
Andererseits ist bei einer Dicke der Oberflächenschicht von
mehr als 20 Mikron die Wärmeleitfähigeit nicht so
verbessert, daß man damit eine Dickschichtschaltung mit einer
hohen Integrationsdichte herstellen kann. Die weitere
Verbesserung des Substrates des zweiten Ausführungsbeispiels
hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit beruht darauf, daß die
Oberflächenschicht aus einer Sauerstoffverbindung besteht,
die weniger Siliziumoxid enthält als die des ersten
Ausführungsbeispiels.
Drittes Ausführungsbeispiel (Erfindung)
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Wenden wir uns Fig. 3 der Zeichnungen zu, in der die
Dreiebenenstruktur eines Substrates entsprechend der Erfindung
dargestellt ist. Die Dreiebenenstruktur besteht aus einer
Unterlage 6 aus Aluminiumnitrid, einer Zwischenschicht 7
aus Aluminiumoxid mit der Strukturformel Al&sub2;O&sub3;, und einer
Oberflächenschicht 8 aus Siliziumoxid, das durch die
Strukturformel SiO&sub2; gegeben ist. Die Zwischenschicht 7 hat den
Zweck, Reaktionen der Unterlage mit den Fritten, die in der
bei der Siebdrucktechnologie verwendeten Paste enthalten
sind, zu verhindern. Es handelt sich hierbei um den
Umstand, daß Aluminiumoxid mit den Fritten, wie zum Beispiel
Bleioxid und Wismutoxid, weniger reagiert als das
Aluminiumnitrid.
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Die Dicke der Zwischenschicht 7 liegt zwischen etwa 0,09
Mikron und etwa 19,3 Mikron, und die Dicke der
Oberflächenschicht liegt zwischen etwa 0.01 Mikron und etwa 5,0
Mikron. Ist die Zwischenschicht 7 dünner als 0,09 Mikron,
werden die Vorsprünge aus geschmolzenen Fritten kaum
unterbrochen. Wenn hingegen die Dicke der Zwischenschicht beim
Sintern über etwa 10 Minuten bei etwa 850 Grad Celsius
gleich oder größer als etwa 0,09 Mikron wird, bleiben die
Fritten bei Vorhandensein von Siliziumatomen in der Paste,
die für die Herstellung des Dickschichtmusters verwendet
wird, wodurch sich die Haftfestigkeit erhöhen kann. Die
Wärmeleitfähigkeit des Substrates wird im Vergleich zum
ersten Ausführungsbeispiel weiter verbessert, ohne auf die
Ablösefestigkeit zu verzichten, sofern die Gesamtdicke der
Zwischenschicht 7 und der Oberflächenschicht 8 unter etwa
20 Mikron bleibt.
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Die Zwischenschicht 7 läßt sich mit Hilfe der
Sputtertechnologie, durch eine Oxidationstechnik bei Anwesenheit von
Sauerstoff, und durch chemische Abscheidung aus der
Dampfphase erzeugen. Zur Herstellung der Zwischenschicht aus
Aluminiumoxid ist jedoch eine Oxidationstechnik geboten.
Die Oxidation erfolgt beispielsweise unter Anwesenheit von
Sauerstoff in einem Bereich von etwa 1 10&sup5; Pa (1 atm) bis
etwa 1 10³ Pa (10&supmin;² atm) bei etwa 1100 Grad bis etwa 1500
Grad Celsius. Das Siliziumoxid wird dagegen unter Benutzung
eines physikalischen Abscheideverfahrens, wie zum Beispiel
einer Sputtertechnologie, einer Sol-Gel-Technologie, oder
durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase aufgebracht.
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Das Herstellungsverfahren wird nachfolgend im einzelnen
beschrieben. Das Verfahren beginnt mit der Aufbereitung des
Aluminiumnitridpulvers, dessen Partikel einen mittleren
Durchmesser von etwa 1 Mikron besitzen. Das
Aluminiumnitridpulver wird mit einem organischen Binder gemischt, um
eine Paste herzustellen. Die Paste wird zu einem flachen
Rohling geformt, der etwa 120 Minuten lang unter Stickstoff
mit atmosphärischem Druck bei etwa 1800 Grad Celsius
angeordnet, so daß der flache Rohling gesintert wird. In der
Sinterstufe wird auf diese Weise eine Vielzahl von
Keramikscheiben erzeugt, wobei jede der Keramikscheiben die Form
eines Quadrates von 25,4 mm × 25,4 mm besitzt und eine
Dicke von etwa 2 mm hat. Die Keramikscheiben dienen als
Unterlagen.
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Danach werden auf den Keramikscheiben die entsprechenden
Zwischenschichten hergestellt. Dafür wird die
Sputtertechnologie, die Oxidationstechnologie und die chemische
Abscheidung aus der Dampfphase verwendet. Die Keramikscheibe
wird also zusammen mit einem Target aus Aluminiumoxid
(Al&sub2;O&sub3;) mit einer Reinheit von etwa 99,5 % in ein
HF-Diodensputtersystem eingesetzt. Das Target hat einen
Durchmesser von etwa 100 mm und eine Dicke von etwa 10 mm. Die
Keramikscheibe wird mit einer Drehzahl von etwa 10 U/min
angetrieben, und das Sputtern erfolgt mit einer Leistung
von etwa 100 Watt. Auf einige Keramikscheiben werden
Zwischenschichten 7 aufgebracht, deren Dicke sich durch die
Änderung der Sputterzeit voneinander unterscheiden. Bei der
Oxidationstechnologie erfolgt die Oxidation bei Anwesenheit
von Sauerstoff mit etwa 1 10&sup4; Pa (10&supmin;¹ Torr), wobei die
Keramikscheibe auf etwa 1300 Grad Celsius erwärmt wird. Die
Oberfläche der Keramikscheibe wird oxidiert, um
Aluminiumoxid zu bilden, und die Dicke der Aluminiumoxidschicht wird
durch Steuerung der Reaktionsdauer eingestellt. Auf diese
Weise werden auf den Keramikscheiben einige
Zwischenschichten 7 erzeugt. Wenn die Zwischenschicht 7 mit Hilfe
chemischer Abscheidung aus der Dampfphase hergestellt werden
soll, wird die Keramikscheibe in eine Reaktionskammer
eingebracht, und der Reaktionskammer wird ein Gasgemisch
zugeführt. Das Gasgemisch enthält Wasserstoff, Aluminiumchlorid
und Kohlendioxid, und die Durchflußrate beträgt etwa 5
Liter pro Minute für Wasserstoff, etwa 100 Kubikzentimeter
pro Minute für Aluminiumchlorid und etwa 150
Kubikzentimeter pro Minute für Kohlendioxid. Die chemische Abscheidung
aus der Dampfphase erfolgt bei etwa 1020 Grad Celsius und
einem Druck etwa 5300 Pa (40 Torr) und die Reaktionsdauer
wird variiert, um die Zwischenschichten 7 mit
unterschiedlichen Dicken zu gewinnen.
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Zum Schluß wird auf jeder der Zwischenschichten 7 die
Oberflächenschicht 8 abgeschieden, indem auf die in der
vorangegangenen
Stufe gewonnenen Struktur die
Sputtertechnologie, die Sol-Gel-Technologie oder die photogestützte
chemische Abscheidung aus der Dampfphase angewendet wird. Bei
der Sputtertechnologie wird ein Quarztarget mit einer
Reinheit von 99,9 % in das HF-Diodensputtersystem eingesetzt,
die übrigen Sputterbedingungen gleichen jedoch denen bei
der Abscheidung des Aluminiumoxids. Die Sol-Gel-Technologie
beginnt mit der Aufbereitung einer Lösung, indem etwa 347
Gramm Ethylsilikat, etwa 500 Gramm Ethylalkohol und etwa
190,2 Gramm einer 0,3 %-igen Salzsäure miteinander gemischt
werden. Die Lösung wird bei etwa 500 U/min auf die
Keramikscheibe aufgeschleudert. Die Keramikscheibe mit der
benetzten Oberfläche wird etwa 10 Minuten lang bei einer hohen
Temperatur von etwa 900 Grad Celsius kalziniert. Auf diese
Weise bildet sich auf der Keramikscheibe eine dünne Schicht
aus Siliziumoxid, und zur Einstellung der Dickeder
Oberflächenschicht 8 wird das Schleuderbeschichten und das
Kalzinieren mehrere Male wiederholt. Auf diese Weise werden
einige Proben mit unterschiedlicher Dickeder
Oberflächenschicht hergestellt. Soll dagegen das Siliziumoxid durch
photogestützte chemische Abscheidung aus der Dampfphase
abgeschieden werden, wird die Keramikscheibe in eine
Reaktionskammer eingebracht. In der Reaktionskammer wird ein
niedriger Druck von etwa 27 Pa (0,2 Torr) hergestellt, und
zur Bestrahlung wird eine Quecksilberdampflampe verwendet.
Die Keramikscheibe wird auf etwa 150 Grad Celsius erwärmt,
und zum Abscheiden des Siliziumoxids wird der
Reaktionskammer ein Gasgemisch aus Silan und Sauerstoff zugeführt. Im
vorliegenden Beispiel beträgt das Molverhältnis von Silan
zu Sauerstoff etwa 0,015. Die Dicke der
Siliziumoxidschichten ist durch Steuerung der Reaktionszeit unterschiedlich.
Tabelle 3 zeigt die unter Anwendung der obigen Verfahren
erzeugten Proben.
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Mit dem folgenden Verfahren wird zu Vergleichszwecken ein
Substrat aus Aluminiumoxid nach dem Stand der Technik
erzeugt.
Zunächst wird das Aluminiumoxidpulver aufbereitet.
Das Aluminiumoxid besitzt eine Reinheit von etwa 96 % und
einen mittleren Durchmesser von 2 Mikron. Das
Aluminiumoxidpulver wird mit einem organischen Binder gemischt, um
eine Paste herzustellen. Die Paste wird zu einem flacher
Rohling geformt und dann etwa 120 Minuten lang unter
atmosphärischen Bedingungen bei etwa 1600 Grad Celsius ges
intert. Die Probe nach dem Stand der Technik hat die gleichen
Abmaße wie die mit den oben beschriebenen Verfahren
hergestellten Proben.
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Sowohl an diesen Proben als auch an dem Substrat nach dem
Stand der Technik wurden die Wärmeleitfähigkeit und die
Ablösefestigkeit gemessen.
Tabelle 3
Probe
Zwischenschicht
Oberflächenschicht
Verfahren
Dicke(um)
Sputtern
Oxidation
Photo-CVD
Sol/Gel
Tabelle 4
Probe
Wärmeleitfähigkeit (J(cal)/sec cm Grad)
Ablösefestigkeit (kg/4mm²)
Probe nach dem
Stand der Technik
Grad 4,5
(0,052) 0,218 J/sec cm
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Wie aus Tabelle 4 deutlich wird, bleibt die
Ablösefestigkeit erhalten, selbst wenn die Dicke der Oberflächenschicht
auf weniger als etwa 0,1 Mikron verringert wird. Dieser
Vorteil wird durch die Zwischenschicht verursacht, welche
bewirkt, daß die Vorsprünge der geschmolzenen Fritten
begrenzt werden. Das Substrat entsprechend dem dritten
Ausführungsbeispiel ist hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit
noch weiter verbessert, da das Siliziumoxid mit seiner
geringeren Wärmeleitfähigkeit eine verringerte Dicke
aufweist. Wenn die Dicke der Oberflächenschicht bzw. der
Mehrschichtstruktur aus Zwischenschicht und Oberflächenschicht
vergrößert wird, werden die Vorsprünge der geschmolzenen
Fritten vollständig begrenzt, auch wenn während des
Herstellungsverfahrens der Dickschicht schaltung wiederholt
Wärmebehandlungen erfolgen.