DE69016626T2 - Direktverbundene Struktur. - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Metallverbindungen ("metal bonds") und insbesondere das Gebiet der (Metall-Metallverbindungs-Eutektikum-)Direktverbindungen.
- Ein Direkt-Bond-Verfahren, bei dem ein Metall-Metallverbindungs-Eutektikum das Metall an ein Keramikelement oder an dasselbe Metall anbindet, ist in US-P-3 744 120, US-P-3 854 892 und US-P-3 911 553 von Burgess et al.; US-P-3 766 634 und US- P-3 993 411 von Babcock et al.; US-P-3 994 430 und US-P-4 129 243 von Cusano et al.; US-P-409 278 von Jochym; und US-P-4 563 383 von Kuneman et al. offenbart und beschrieben. Die Direkt- Bondverbindung wird durch eine eutektische Metall-Metallverbindungs-Mischung gebildet, die bei der erhöhten Bindungstemperatur sowohl das Metall- als auch das Keramikmaterial wie Aluminiumoxid und Beryllerde benetzt und die bei Erstarrung das Metall und die Keramik oder das Metall miteinander verbindet. Diese Patente auf das Direkt-Bonden lehren die Verwendung einer Vielfalt von Kombinationen von Metall-Metallverbindungs- Eutektika, die Kupfer-Kupferoxid, Nickel-Nickeloxid, Kobalt- Kobaltoxid, Eisen-Eisenoxid und Kupfer-Kupfersulfid umfassen. Dieses Verfahren ist unter Verwendung eines Kupfer-Kupferoxid-Eutektikums seit vielen Jahren in der Elektronik und insbesondere im Gebiet der keramischen Packungstechnik in Gebrauch.
- Die Kupfer-Kupferoxid-Eutektikums-Bondverbindung, welche in diesen Patenten gelehrt wird, hat man umfangreich und sämtlich zur Verwendung in elektronischen Systemen benutzt, um Kupfer an Aluminiumoxid- oder Beryllerde-Substrate zu binden und um Kupfer an Kupfer zu binden. Zufriedenstellende wärmeleitende Verbindungen werden routinemäßig zwischen Kupfer und Kupfer, Kupfer und Aluminiumoxid, sowie Kupfer und Beryllerde erzielt. Die Kupfer-Kupfer-Bindung ist auch stark elektrisch leitfähig.
- Es gibt jedoch eine Anzahl weiterer Substrate, bei denen es wünschenswert wäre, derartige Verbindungen auszubilden und die Wolfram, Wolfram-Rhenium-Legierungen, Molybdän, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, Diamant und so weiter enthalten, von denen keines dem Kupfer-Kupferoxid-Eutektikums-Bond-Verfahren zugänglich ist, das in den oben angegebenen Patenten zur Direkt-Bondverbindung beschrieben ist, da das Kupfer-Kupferoxid-Eutektikum nicht an diesen Substraten anhaftet und somit nicht eine eutektische Verbindung bilden kann.
- Diese zusätzlichen Substrate werden zur Verwendung in der Elektroniktechnik wegen ihrer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit und relativ niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten als attraktiv betrachtet, die eng zu Silizium und anderen Materialien passen, für die seit langem gewünscht wird, Verbindungen für Zwecke der Wärmeleitung in Kombination mit elektrischer Isolation oder elektrischer Leitung entsprechend der elektrischen Leitfähigkeit des speziellen Substrates zu bilden.
- Eine Direkt-Bondverbindung zwischen Kupfer und Aluminiumnitrid wäre besonders wünschenswert, weil sie die Verwendung von Aluminiumnitrid als ein isolierendes Substrat für die Packung von Silizium-Halbleitervorrichtungen erleichtern würde. Zu den wünschenswerten Kennwerten von Aluminiumnitrid gehören sein thermischer Ausdehnungskoeffizient von 4,6 10&supmin;&sup6; /ºC, was nahe an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium von 3,0 10&supmin;&sup6; /ºC kommt, und seine hohe Wärmeleitfähigkeit. Kupfer besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 398 W / mºK, Beryllerde (deren Pulverform giftig ist) besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 240 W / mºK, Aluminiumnitrid besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von im wesentlichen 185 W / mºK, Silizium besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 85 W / mºK und 96%-reine Aluminiumoxidkeramik besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 29 W / mºK. Somit stehen diese Materialien in der folgenden Reihenfolge von der höchsten Wärmeleitfähigkeit zur niedrigsten Wärmeleitfähigkeit: Kupfer, Beryllerde, Auminiumnitrid, Silizium und Aluminiumoxid.
- Die Elektronikindustrie hat wesentliche Bemühungen Versuchen gewidmet, gut haftende Metallüberzüge auf Aluminiumnitrid zu bilden. Leider ist die Adhäsion von Metall auf Aluminiumnitrid ein Hauptproblem gewesen, das nicht zufriedenstellend gelöst worden ist. Es gibt kein gegenwärtig bekanntes Verfahren, das die Bildung einer guten mechanischen Haftverbindung zwischen einer leitenden Schicht und Aluminiumnitrid ermöglicht, bei der die Verbindung eine hohe thermische Leitfähigkeit zeigt. Soweit kupferüberzogenes Aluminiumnitrid in der Industrie verfügbar ist, wird es mit einem komplizierten, teuren Prozess hergestellt, der eine Oxid-Grenzflächenschicht zwischen dem Aluminiumnitrid und dem Kupfer-Metall erzeugt, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Das kupferüberzogene Aluminiumnitrid befindet sich wegen seiner Kosten und verringerten Wärmeleitfähigkeit nicht in allgemeinem Gebrauch. Dies verringert die Attraktivität von Überzugs-Aluminiumnitrid als wärmeleitendes Substrat.
- Wenn annehmbare Verbindungen zwischen Kupfer und Aluminiumoxid unter Verwendung dieses Direkt-Bond-Verfahrens ausgebildet werden, ist ferner eine beträchtliche Fläche der Direktanbindung von Kupfer an Aluminiumoxid erforderlich, um die Bildung eines hermetischen Verschlusses sicherzustellen. Insbesondere wurde eine Weite von 2,54 mm (100 mil) als notwendig festgestellt, um die Bildung eines hermetischen Verschlusses zwischen dem direktgebondeten Kupfer und Aluminiumoxid sicherzustellen. Obwohl derartig große Ausdehnungen annehmbar sind, wenn die Kupfer/Aluminiumoxid-Bondverbindung in erster Linie zur Wärmeleitung ausgebildet wird, so stellt eine derartig große Ausdehnung einen Nachteil bei Anwendungen dar, bei denen ein enger hermetischer Verschluß bzw. eine Dichtung zwischen einer Packungs-Abdeckung und einer Packungs-Unterlage gewünscht ist, oder beim Kapseln einer Leitung, die ein Element einer Keramikpackung durchsetzt.
- Wenn Kupfer an Aluminiumoxid direktgebondet wird, sind ferner die Kanten des Kupfers oft nicht fest an das Aluminiumoxid gebunden, was zu dem Ergebnis führt, daß die Kanten durch Kratzen oder Anschlagen an anderen Objekten angehoben werden kann. Obwohl dies im allgemeinen nicht zur Abtrennung des gesamten Kupferbelags von dem Aluminiumoxidsubtrat führt, stellt dies in vielen Fällen einen Nachteil dar.
- Entsprechend besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Direkt-Bondverfahren, das zu einer verläßlicheren Bondverbindung zwischen einem Metall, zB. Kupfer, und einer Keramik, zB. Aluminiumoxid, und zur Möglichkeit führt, Metall, zB. Kupfer, an weitere Substrate anzubinden, bei denen vorliegende Verfahren des direkten Bondens an Metall, zB. Kupfer, nicht funktionieren.
- Demgemäß wird nach einem Aspekt der Erfindung angestrebt, eine verbesserte Direkt-Bondverbindung bereitzustellen, die für mehr Substrate geeignet ist.
- Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird angestrebt, eine verbesserte Benetzung zwischen einem Metall-Metallverbindungs- Eutektikum und einem Substrat anzugeben, um eine verbesserte Bondverbindung oder eine bisher nicht erreichbare Bondverbindung bereitzustellen.
- Eine Ausführung der Erfindung zielt darauf, eine verbesserte Benetzung zwischen einem Kupfer-Kupferoxid-Eutektikum und einem Substrat zu schaffen, um eine verbesserte Bondverbindung oder eine bisher nicht erreichbare Bondverbindung bereitzustellen.
- Eine weitere Ausführung der Erfindung strebt an, eine Direkt Bondverbindung zwischen Kupfer und Aluminiumnitrid bereitzustellen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt.
- Noch eine weitere Ausführung der Erfindung zielt darauf ab, eine Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht bereitzustellen, die auf einem Substrat vor dem direkten Bonden angeordnet werden kann, um die Bildung einer Metall-Metallverbindungs-Direkt-Bondverbindung zwischen dem Metall und diesem Substrat zu verbessern oder möglich zu machen.
- Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Kombination bereitgestellt, die enthält: ein Substrat; eine an das Substrat angeheftete Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Platin, Palladium, Gold und Mischungen oder Legierungen besteht und eines oder mehrere dieser Elemente enthält; und ein an die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht gebundenes Metall-Metallverbindungs-Eutektikum, das aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Kupfer-Kupferoxid, Nickel-Nickeloxid, Kobalt-Kobaltoxid, Eisen-Eisenoxid und Kupfer-Kupfersulfid besteht.
- Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Kombination bereitgestellt, die umfaßt: ein Kernelement, das erste und zweite entgegengesetzte Hauptoberflächen aufweist; erste und zweite, jeweils an die ersten und zweiten Hauptoberflächen des Kernelements angeheftete Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus Platin, Palladium, Gold und Mischungen oder Legierungen besteht und eines oder mehrere dieser Elemente enthält; und erste und zweite symmetrische Kupfer-Kupferoxid-Eutektikumsschichten, die jeweils an die ersten und zweiten Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten gebunden sind, wodurch eine symmetrische Schichtung entsteht.
- Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Kombination bereitgestellt, die umfaßt: ein Substrat, das eine erste Hauptoberfläche aufweist; eine Vielzahl von voneinander beabstandeten Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht Segmenten, von denen jedes aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Platin, Palladium, Gold und Mischungen oder Legierungen besteht und eines oder mehrere dieser Elemente enthält, und an der ersten Oberfläche des Substrates angeheftet ist; eine Vielzahl von Metallsegmenten, von denen jedes durch ein Kupfer-Kupferoxid enthaltendes Metall-Metallverbindungs-Eutektikum an ein anderes der Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht-Segmente gebunden ist.
- Entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht auf einem Substrat vor der Durchführung eines Direkt-Bond-Verfahrens zur Anbindung eines Metalls an das Substrat ausgebildet. Diese Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht ist ein edelmetallähnliches Metall ("noble-like metal"), eine Mischung, welche ein oder mehrere edelmetallähnliche Metalle enthält, oder eine Legierung, welche ein oder mehrere edelmetallähnliche Metalle enthält, die einen geeignet flachen Grenzwinkel zwischen dem Metall-Metallverbindungs-Eutektikum und der Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht zeigt, wodurch die Adhäsion des Metall-Metallverbindungs-Eutektikums zum Substrat verbessert wird. Die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht kann vorzugsweise eine relativ dünne Schicht sein und eine Dicke von 2000 Angström oder weniger besitzen.
- Diese Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht kann durch jedes Verfahren gebildet werden, das für die Verstärkungsschichtzusammensetzung und das Substrat, auf dem sie gebildet wird, geeignet ist. Somit kann die Eutektikum/Substrat- Benetzungsverstärkungsschicht durch Aufdampfen, Sputtern, Diffusionsbindung, stromloses Plattieren, Galvanisieren, Zersetzung einer Ausgangs- oder Vorläuferverbindung, Walzen oder andere Techniken entsprechend der Zusammensetzung und den physikalischen Kennwerten des Substrates gebildet werden. Der Bildung der Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht auf dem Substrat folgend kann eine Metallfolie oder ein -element zum Direkt-Bonden durch die Bildung einer dünnen Schicht der Metallverbindung der eutektischen Zusammensetzung auf dessen Oberfläche vorbereitet und in Kontakt mit der Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht angebracht werden. Die kombinierte Struktur wird dann zur Bildung des Eutektikums in einer geeigneten Atmosphäre durch ein Direkt-Bond-Temperaturprofil für die gewünschte eutektische Zusammensetzung gefahren, wie es in den oben zitierten Direkt-Bondverbindungs- Patenten angegeben ist. Nachdem sich das flüssige Eutektikum bildet, wird die kombinierte Struktur abgekühlt, um das Eutektikum zu verfestigen und die Verbindung fertigzustellen.
- Die resultierende eutektische Verbindung besitzt einen geringen Grenzwinkel, was das völlige Benetzen der Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht durch das Metall-Metallverbindungs-Eutektikum zeigt. Im Fall einer Verbindung eines Kupfer-Kupferoxid-Eutektikums kann die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht vorzugsweise eine relativ dünne Belegung oder Schicht sein, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus Platin, Palladium, Gold und Platin-, Palladium- und Gold-enthaltende Mischungen oder Legierungen besteht, die einen geeignet flachen Grenzwinkel zu dem Metall- Metallverbindungs-Eutektikum zeigen. Dies bindet das Kupfer -einschließlich entlang der Kanten des Kupfers- fest an das Aluminiumoxid, wodurch das Problem des Abhebens der Kanten durch Kratzen und Anschlagen der Kanten der Kupferfolie beseitigt wird. Im Fall einer Verbindung eines Kupfer-Kupferoxid- Eutektikums an Aluminiumnitrid wird eine Verbindung mit einer Festigkeit gebildet, die mit der Festigkeit des Aluminiumnitrids selbst vergleichbar ist.
- Die Erfindung kann sowohl in Bezug auf den Aufbau und als auch auf die Methode der Verwirklichung besser unter Bezug auf die folgende erläuternde Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden. Es zeigen:
- Figur 1: eine perspektivische Ansicht einer Kupferfolie, die gemäß dem Direkt-Bond-Verfahren des Standes der Technik an ein Aluminiumoxidsubstrat gebunden ist;
- Figur 2: eine perspektivische Darstellung einer Kupferfolie, die entsprechend der vorliegenden Erfindung an ein Substrat gebunden ist;
- Figur 3: eine perspektivische Darstellung von zwei symmetrischen Metallfolien, die erfindungsgemäß über Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten in Verbindung mit Metall-Metallverbindungs-Eutektikumsverbindungen an den entgegengesetzten Hauptoberflächen eines einzelnen Substrates gebunden sind;
- Figur 4: eine perspektivische Darstellung von zwei Substraten, die mittels auf diesen angeordneter Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten in Kombination mit Metall-Metallverbindungs-Eutektikumsverbindungen an eine zentrale Metallfolie aneinander gebunden sind;
- Figur 5: eine perspektivische Darstellung von drei getrennten Metallfoliensegmenten, die erfindungsgemäß an ein Substrat gebunden sind;
- Figuren 6, 7 und 8: aufeinanderfolgende Schritte bei dem Verfahren zur Bildung der in Figur 5 gezeigten Struktur.
- Ein Kupfer-/Aluminiumoxid-Verbund aus dem Stand der Technik ist allgemein bei 10 in Figur 1 dargestellt. Der Verbund umfaßt ein Aluminiumoxidsubstrat 20 und eine Kupferfolie 40, die durch ein Kupfer-Kupferoxid-Eutektikum direkt an die obere Oberfläche des Aluminiumoxidsubstrats 20 gebondet ist. Die Kupferfolie 20 ist in den lateralen Dimensionen kleiner als das Aluminiumoxidsubstrat 20 und ist von den Kanten des Substrates zurückgesetzt. Wie aus der Figur ersichtlich ist, sind die Kanten und Ecken der Folie 40 im wesentlichen rechtwinklig, wobei sie von dem Direkt-Bondverfahren wegen des steilen Grenzwinkels reichlich unbeeinflußt geblieben sind, der durch dieses Verfahren erzeugt wird, was sich aus der nur marginalen Benetzung ergibt und zu dem beträchtlichen Direkt-Bond-Abstand (rund 100 mil) führt, der erforderlich ist, um einen hermetischen Verschluß zwischen der Kupferfolie 40 und dem Aluminiumoxidsubstrat sicherzustellen. Abschnitte der Kante der Kupferfolie 40 sind wegen des steilen Direkt-Bond-Grenzwinkels an der Kante des Kupfer und der geringfügigen Adhäsion am Anbringungsort oft Gegenstand vom Ankratzen oder Abheben, wenn sie sich an irgendeinem anderen Objekt verhaken.
- Ein erfindungsgemäßer Metall-/Substratverbund ist allgemein bei 110 in Figur 2 dargestellt. Dieser Verbund umfaßt ein Substrat 120 mit einer Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht 130, die auf dessen oberer Oberfläche angeordnet ist, und eine Metallfolie 140, die direkt an die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht und somit an das Substrat gebunden ist. Das Substrat 120 kann aus Aluminiumoxid, Beryllerde, Aluminiumnitrid, Wolfram, Wolfram-Rhenium- Legierungen oder Molybdän oder Mischungen daraus bestehen. Die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht 130 muß durch die Technik, die zur Abscheidung der Verstärkungsschicht 130 verwendet wird, eine Verbindung zu dem Substrat 120 bilden. Wenn das Substrat aus Aluminiumoxid, Beryllerde oder Aluminiumnitrid besteht, wird diese Abscheidung normalerweise durch Sputtern, Bedampfen, thermische oder optische Zersetzung von organometallischen Verbindungen, Dickschichtabscheidung oder andere Techniken stattfinden, durch die nicht der Bruch dieses relativ zerbrechlichen Substratmaterials riskiert wird. Wenn das Substrat aus Wolfram oder Molybdän besteht, können die selben Abscheidungsverfahren verwendet werden. Zusätzlich können solche Verfahren wie stromloses Plattieren und Galvanisieren verwendet werden, so wie eine Folie der Verstärkungsschicht und das Substrat zusammen gewalzt werden können, um dazwischen eine feste Verbindung zu bilden, da das Substratmaterial nicht zerbrechlich oder spröde und einem Zerbrechen ausgesetzt ist. Walzen wird jedoch wegen der sehr dünnen Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten, die zufriedenstellende Ergebnisse liefern, und der relativ hohen Kosten des Materials der Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht nicht bevorzugt. Fachleute werden in der Lage sein, ein geeignetes Abscheidungs- oder Beschichtungsverfahren für die Kombination der Benetzungsverstärkungsschicht und des speziellen Substratmaterials und/oder den Aufbau zu bestimmen.
- Mit einem Aluminiumoxidsubstrat wird der Grenzwinkel der Kupferfolie in Gegenwart der Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht ein flacher Grenzwinkel, der eine feste Adhäsion der Metallfolie entlang ihrer sämtlichen Kanten zu der Benetzungsverstärkungsschicht 130 und dadurch zu dem darunterliegenden Substrat 120 bereitstellt. Die Adhäsion des direktgebondeten Kupfer zu dem Substrat wird durch die Adhäsion der Benetzungsverstärkungsschicht an das Substrat begrenzt. Da die Benetzungsverstärkungsschicht eine hervorragende Adhäsion besitzt, beseitigt dies das Problem, daß die Metallfolie 140 bei anderen Objekten anschlägt oder sich verhakt und vom Substrat 120 abgehoben wird. Ferner ist die Metallfolie 140 fester an das Substrat 120 gebunden, an dem es, wenn man versucht, eine ihrer Ecken aufzunehmen, um sie abzuziehen, äußerst schwierig ist, die Kupferfolie aufzunehmen, und bei Aufnahme zusätzliche Kraft erforderlich ist, sie von dem Substrat abzulösen. Dazu im Gegensatz wird die Kupferfolie bei dem Direkt-Bond-Verfahren des Standes der Technik leichter angehoben, dies besonders in der Nähe ihrer Kanten. Somit verbessert die Benetzungsverstärkungsschicht wesentlich das Direkt-Bond-Verfahren des Standes der Technik. Ferner wird im Vergleich mit dem Verfahren des Standes der Technik der Direkt-Bond-Abstand stark verringert, der erforderlich ist, um einen hermetischen Verschluß zu bilden. Eine Direkt-Bond-Länge von so geringem Wert wie rd. 630 um (25 mil) ist genügend, um einen hermetischen Verschluß zu bilden.
- Die Beispiele von Kupfer-Kupferoxid-Eutektikums-Direkt-Bondverbindungen, die in dieser Beschreibung diskutiert werden, wurden in einem Bandofen ausgeführt, der 2,74 m (9 Fuß) lang ist und ein 10,2 cm-(4 Inch)-Band und ein 6,35 cm (2,5 Inch) hohes Eingangstor oder -loch besitzt. Die Aufheizzone dieses Ofens ist im wesentlichen 76 cm (2,5 Fuß) lang, in denen die Temperatur von einer Umgebungstemperatur von 20ºC auf eine Temperatur von 1066 ºC ansteigt. Die Eutektikums-Verbindungs- Zone (der Abschnitt des Ofens mit einer Temperatur von mehr als 1065 ºC) ist im wesentlichen 61 cm (2 Fuß) lang, wobei die Abkühlzone des Ofens im wesentlichen 137 cm (4,5 Fuß) lang ist, in denen die Temperatur von 1066 ºC in die Nähe der Umgebungstemperatur abfällt. Die Gesamtdurchgangszeit für ein Teil beträgt in diesem Ofen 35 Minuten, wobei das Teil beim Durchtritt durch den Ofen für im wesentlichen 7 Minuten und 48 Sekunden bei der Temperatur des flüssigen Eutektikums verbleibt. Der Ofen besitzt eine Stickstoffatmosphäre und stellt somit nicht den Sauerstoff bereit, der für die Bildung eines Kupfer-Kupferoxid-Eutektikums notwendig ist. Folglich wird das Kupferelement oder die -folie vor dem Zusammensetzen des Verbunds für seinen Durchtritt durch den Direkt-Bond-Ofen für eine Dauer von einigen Minuten bei einer Temperatur von 340 ºC voroxidiert.
- Bei unserer Arbeit mit diesem verbesserten Direkt-Bond-Verfahren haben wir herausgefunden, daß Platin als die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht wirklich hervorragende Ergebnisse liefert, während Palladium als die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht eine verbesserte Benetzung bereitstellt, jedoch nicht zu einem so flachen Grenzwinkel führt und eine weniger zähe Bindung zwischen der Folie und dem Substrat bildet. Gold ist ähnlich zu Platin. Die erfindungsgemäße Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht kann aus im wesentlichen reinen Platin, im wesentlichen reinen Palladium, im wesentlichen reinen Gold, oder Mischungen oder Legierungen, die genügend Platin, Palladium oder Gold enthalten oder Mischungen von einzelnen oder allen von ihnen bestehen, um einen genügend flachen Grenzwinkel an dem Metall-Metallverbindungs-Eutektikum zu erzeugen, um die erwünschte Direkt- Bondverbindung zu erreichen. In den Fällen von Wolfram und Molybdän kann sogar ein ziemlich steiler Grenzwinkel genügen, wenn die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht als eine Sperrschicht dient, um eine Sauerstoffabführung durch das Substrat zu verhindern, wie es unten diskutiert wird.
- Unsere Analyse der Kupfer-Kupferoxid-Eutektikumsschicht auf Platin auf Aluminiumoxid mittels Röntgenstrahlanalyse offenbarte nicht die Gegenwart von Platin in dem Kupfer-Kupferoxid- Eutektikum. Folglich scheint der Erfolg dieses Verfahrens in erster Linie ein Ergebnis der hohen Affinität des Metall-Metallverbindungs-Eutektikums zu der Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht selbst zu sein. Diese Folgerung wird durch das Auffinden eines flachen Grenzwinkels zwischen einem Kupfer-Kupferoxid-Eutektikum und einem Platinelement wie einem Platinstab mit 1,02 mm (40 mil) Durchmesser gestützt.
- Das Direkt-Bond-Verfahren des Standes der Technik war nicht imstande, eine Bindung zwischen Kupfer und Metallsubstraten wie Wolfram, Wolfram-Rhenium-(W-Re)-Legierungen und Molybdän zu bilden. Unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Benetzungsverstärkungsschicht wird eine starke Direktverbindung zwischen einer Kupferfolie und Wolfram-(W)-, Wolfram-Rhenium-(W-Re)-Legierungs- und Molybdän-(Mo)-Substraten gebildet. Unser bevorzugtes Verfahren mit W-, W-Re- und Mo- Substraten ist es, eine dünne Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht aus Platin (Pt), Palladium (Pd) oder Gold (Au) auf die Oberfläche oder die Oberflächen des W, W-Re oder Mo aufzusputtern, auf denen eine Direkt-Bondverbindung gewünscht ist. Die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht kann im Dickenbereich von weniger als ungefähr 2000 Å bis 10000 Å oder mehr liegen. Man geht davon aus, daß einer der Gründe dafür, daß das Direkt-Bond-Verfahren des Standes der Technik mit diesen widerstandsfähigen Metallsubstratmaterialien erfolglos war, während das verbesserte, erfindungsgemäße Verfahren äußerst erfolgreich ist, darin liegen kann, daß das Wolfram- oder Molybdän-Substrat eine höhere Affinität für den Sauerstoff besitzt, der für die Bildung des Kupfer-Kupferoxid- Eutektikums notwendig ist, als sie das Kupfer selbst besitzt, woraus sich ergibt, daß eine Wolfram- oder Molybdänoxidschicht auf dem Substrat gebildet oder verstärkt wird, während dem Kupfer der Sauerstoff genommen wird, der notwendig ist, um die eutektische Flüssigkeit zu bilden, die die Bindung bei dem Verfahren des Standes der Technik herstellt. Wenn dies der Fall ist, dann dient erfindungsgemäß die Eutektikum/Substrat- Benetzungsverstärkungsschicht als eine Sperrschicht, die verhindert, daß das Substrat Sauerstoff von der Kupferfolie oder dem umgebenden Milieu abzieht, wodurch die Bildung des Kupfer- Kupferoxid-Flüssigeutektikums ermöglicht wird, das die gewünschte Direkt-Bondverbindung bildet. Alternativ kann es ein Ergebnis eines Fehlens einer Affinität des Substratmaterials zu dem Metall-Metallverbindungs-Eutektikum sein, während die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht eine Affinität sowohl zu dem Substrat als auch zu dem Metall-Metallverbindungs-Eutektikum besitzt.
- Somit kann die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht alternativ als eine Sperrschicht betrachtet werden, die die eutektische Flüssigkeit von dem Substrat isoliert. Während bevorzugt wird, daß die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht aus Platin, Palladium oder Gold besteht, ist verständlich, daß andere Materialien so lange mit dem Platin, Palladium oder Gold gemischt werden können, wie der niedrige Grenzwinkel für das Metall-Metallverbindungs- Eutektikum beibehalten wird. Somit können die Kosten der Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht, wenn diese Schicht Platin, Palladium oder Gold umfaßt, durch den Zusatz von anderen Materialien verringert werden, die deren Platin-, Palladium- oder Goldgehalt senken, ohne ihre Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungs-Kennwerte zu vernichten. Somit können Mischungen oder Legierungen aus Platin, Palladium oder Gold mit anderen edelmetallähnlichen Metallen wie Nickel, die nicht bei den unter den verwendeten Bedingungen gebrauchten Direkt-Bond-Temperaturen Oxide bilden, als Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten dienen. Das Vorliegen von etwas Platin, Palladium oder Gold in der Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht scheint gegenwärtig für eine verbesserte Benetzung mit den Kupfer-Kupferoxid-Eutektikums-Verbindungsschichten notwendig zu sein, um die verstärkte Benetzung zu erreichen.
- Das Substrat sollte vor der Abscheidung der Benetzungsverstärkungsschicht sauber sein, um ein gutes Anhaften sicherzustellen. Diese Säuberung kann, wenn notwendig, ein Entfetten einschließen. Es wird bevorzugt, das Substrat vor Abscheidung der Benetzungsverstärkungsschicht zu hintersputtern ("back sputter").
- Im allgemeinen kann jedes Material, das eine angemessene Verbindung mit dem Substrat bildet und mit dem Metall-Metallverbindungseutektikum bindungsfähig ist, als die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht verwendet werden.
- Bei einem Versuch, besser zu verstehen, welche Charakteristiken der Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht zu deren Erfolg beitragen, beschichteten wir eine Kupferfolie mit Platin und ordneten diese Folie auf einem Aluminiumoxidsubstrat mit der Platinbeschichtung zu dem Aluminiumoxid hinweisend an. Dann fuhren wir diese Zusammensetzung durch das Direkt-Bond-Temperaturprofil und die -Atmosphäre. Zwischen dem Aluminiumoxid und dem auf der Kupferfolie aufgetragenen Platin wurde keine Verbindung gebildet. Folglich wird bevorzugt, die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht auf dem Substrat vor der Direkt-Bondverbindung anzuordnen. Das Kupfer- Kupferoxid-Eutektikum verteilte sich, abgesehen vom Grenzwinkel-Meniskus, nicht vom ursprünglichen Ort des Kupfer, wenn eine Platin-Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht mit Substraten aus Aluminiumoxid, Beryllerde, Wolfram, Wolfram-Rhenium-Legierungen und Molybdän verwendet wurde.
- Zu dem Nutzen, der sich bei der Verwendung eines Wolfram- oder Molybdän-Substrates mit einer Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht und einer Kupferfolien-Direktbondverbindung ergibt, gehört die Möglichkeit, symmetrische Bimetallkörper herzustellen, die einen Wolfram- oder Molybdänkern mit identischen Kupferfolienaußenschichten besitzen, die an beide Seiten des Kernmaterials gebondet sind. Einige der Vorteile derartiger Zusammensetzungen werden in EP-A-431725 (entsprechend zur US-Anmeldung Seriennr. 412 052 (RD-19546), Priorität 25. September 1989 (dieses Dokument fällt unter Art. 54 (3) EPÜ)) von C. A. Neugebauer et al. unter dem Titel "Direct Bonded Symmetric-Metallic-Laminate/Substrate-Structures" ("Direktgebondete Symmetrische-Metall-Schicht/Substrat-Strukturen") diskutiert. Während symmetrische Bimetallschichtungen aus Kupfer-Molybdän-Kupfer verfügbar sind, sind sich die Anmelder keiner gegenwärtig verfügbaren symmetrischen Kupfer- Wolfram-Kupfer-Bimetallschichtung bewußt. Somit ermöglicht die Verwendung der Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht die Bildung dieser symmetrischen Bimetallschichtungsstruktur zum Gebrauch bei solchen Anwendungen, wo deren besondere Charakteristiken als wünschenswert erachtet werden. Obwohl eine Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht verwendet werden könnte, um Molybdän-Bimetallschichtungen zu bilden, wird dies nicht bevorzugt, wenn weniger teuere Verfahren verfügbar sind. Eine derartige symmetrische Bimetallschichtung ist in Figur 3 allgemein bei 200 gezeigt. Dieser Aufbau umfaßt ein Substrat 220 wie Wolfram, zwei Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten 230, die auf der oberen und der unteren Oberfläche des Substrates 220 angeordnet sind. Falls gewünscht, können diese zwei Eutektikum/Substrat- Benetzungsverstärkungsschichten 230 eine einzelne, ununterbrochene Schicht sein, die sich über die vertikalen Ecken des Substrates 220 in der Figur erstreckt, um eine Gesamtverkleidung oder -beschichtung auf dem Substrat zu bilden. Ein Paar symmetrischer Kupferfolien 240 werden an die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten 230 direkt gebondet, um die Gesamtzusammensetzung zu bilden. Diese Verbundstruktur besitzt in der lateralen Richtung einen thermischen Expansionskoeffizienten, der das Mittel von dem des Kupfer und des Kernmaterials (Wolfram) ist. Wenn die Benetzungsschichten 230 und die Kupferfolienschichten 240 über dem Kern 220 symmetrisch sind, so wird diese Struktur nicht dazu neigen, sich bei Erwärmung oder Abkühlung zu verbiegen, da während der Erwärmung und Abkühlung durch die Kupferfolienschichten gleiche Spannungen auf beiden Seiten des Kerns zugeführt werden, wie es in der US-Anmeldung (Seriennr. 412 052) bzw. EP-A-431725 erklärt ist.
- Während die Möglichkeit, eine derartige symmetrische Bimetallschichtung unter Verwendung von Wolfram zu bilden, nützlich ist, da die Möglichkeit zur Direkt-Bondverbindung von Kupfer an Wolfram und Molybdän besteht, so ist ein überraschenderes und potentiell nützlicheres Ergebnis mit Aluminiumnitridsubstraten erzielt worden.
- Aluminiumnitridsubstrate wurden auf ihren oberen Oberflächen mit einer Platinschicht mit einer Dicke im Bereich von 2000 Å bis 10000 Å (Angström) oder einer Palladiumschicht mit einer Dicke im Bereich von 2000 Å bis 5000 Å oder einer Goldschicht mit einer Dicke im Bereich von 2000 Å bis 5000 Å mittels Sputtern beschichtet. Weder die niedrigsten noch die höchsten Dicken stellen Grenzwerte dar. Die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht kann dünner oder dicker hergestellt werden, solange ihr Zweck noch erfüllt wird. Kupferfolien der Dicke 75 um (3 mil) wurden dann zur Direkt-Bondverbindung wie oben beschrieben vorbereitet und auf der Oberseite der Platin-, Palladium- oder Gold-Benetzungsverstärkungsschichten mit der oxidbeschichteten Oberfläche der Kupferfolie auf die Benetzungsverstärkungsschicht-beschichtete Oberfläche des Aluminiumnitridsubstrates gerichtet angebracht. Diese Verbundstrukturen wurden dann durch ein Temperaturprofil der Kupfer-Kupferoxid-Direkt-Bondverbindung durchgelassen, in dem sie für eine Dauer von 7,8 Minuten auf mehr als 1065 ºC, aber weniger als die Schmelztemperatur von Kupfer 1083 ºC und im wesentlichen auf eine Temperatur von 1066 ºC aufgeheizt wurden, um die eutektische Flüssigkeit zu bilden, wonach die Struktur abgekühlt wurde, um das Erstarren des Eutektikum zu ermöglichen. Die Sichtbeobachtung ließ eine gewisse Entfärbung der Platin-Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht in den Bereichen des Aluminiumnitridsubstrates erkennen, wo kein Kupfer auf dem Platin auf dem Aluminiumnitrid angeordnet war. In allen Fällen bildete die Kupferfolie eine starke Verbindung mit dem Aluminiumnitrid und hatte einen geringen Grenzwinkel, der typisch für die Platin-Eutektikum/Substrat- Benetzungsverstärkungsschicht auf diesem Substrat ist. Wo eine Platinschicht die gesamte flache Oberfläche des Substrates bedeckte und die Kupferfolie wesentlich kleiner war als das Substrat, verteilte sich das Kupfer-Kupferoxid-Eutektikum vom ursprünglichen Ort der Kupferfolie über den Grenzwinkelmeniskus hinaus so weit wie 2,54 mm (100 mil). Die dünneren Platinschichten zeigten eine geringere Kupferverteilung als dickere Platinschichten. Daher sind Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten, die dünner als 2000 Å sind, in vielen Fällen verwendbar und wünschenswert. Es besteht für die Dicke der Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht keine andere Untergrenze als ihre Wirksamkeitsbegrenzung, die von den Abscheidungsbedingungen und dem speziellen Substrat und der verwendeten Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht- Kombination abhängen wird. Somit können Eutektikum/Substrat- Benetzungsverstärkungsschichten von ungefähr 5000 Å bis 10000 Å reichen. Dickere Schichten können verwendet werden, ergeben jedoch keinen ersichtlichen Nutzen. Da die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten teure Metalle enthalten, wird daher die Verwendung von Schichten der Größenordnung von 2000 Å oder dünner bevorzugt. In sämtlichen Fällen wurde ein stark anhaftender Metallüberzug auf dem AlN erzeugt. Diese Ergebnis wurde ohne die Komplikationen und Kosten der bestehenden Verfahren zum Überzug von Aluminiumnitrid mit einer leitfähigen Schicht erreicht.
- Um die Anhaftung dieser Kupferfolienschicht an dem Aluminiumnitrid zu testen, wurde der Kopf einer Messingschraube (Kopfdurchmesser 8 mm) nahe der Mitte der Kupferfolie an die Kupferfolie angelötet. Die Schraube wurde dann im Bestreben gezogen, die Kupferfolie von dem Aluminiumnitrid abzuziehen. Die Folie trennte sich von dem Körper des Aluminiumnitrid unter Mitführung der Platin-Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht und von Anteilen des Aluminiumnitrids, wodurch das Aluminiumnitridsubstrat entlang der Pt/AlN-Grenzfläche mikroskopisch angebrochen wurde. Somit war das Anhaften dieser Direkt-Bondschicht an Aluminiumnitrid vergleichbar mit der Bindekraft des Aluminiumnitrid, woraus sich ergibt, daß die Direkt-Bond-Grenzfläche entsprechend dieser Erfindung fest ist. Die Ergebnisse mit Palladium- und Gold-Eutektikum/-Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten waren ähnlich.
- Dieses Verfahren und der sich ergebende metallüberzogene Aluminiumnitridkörper besitzen eine breite Anwendung in der Elektronik, da die Verwendung von Aluminiumnitrid als ein Substratmaterial als wünschenswert erachtet, jedoch durch die Unmöglichkeit verhindert wurde, eine starke Haftungsverbindung zwischen einer metallischen Schicht und dem Aluminiumnitrid bereitzustellen. Diese Erfindung überwindet dieses Hindernis beim Gebrauch von Aluminiumnitrid als ein Elektronik-Substratmaterial.
- Mit Substraten aus Bornitrid und Diamant wurde wegen der ungenügenden Haftung der Platin-, Palladium- oder Gold-Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht an dem Substratmaterial eine erfolgreiche Direkt-Bondverbindung nicht erreicht. Dies führte zur Abtrennung der Kupfer/Benetzungsverstärkungsschicht-Kombination von dem Substrat. Die Verwendung einer adhäsionsfördernden chemischen oder physikalischen Behandlung der Substrate oder der Einschluß einer adhäsionsfördernden Schicht zwischen dem Substrat und der Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht kann dieses Anhaftproblem überwinden. Mit Siliziumkarbidsubstraten wurde keine Verbindung gebildet, da eine starke Wechselwirkung zwischen dem Siliziumkarbid und dem Kupfer das Kupferblatt zerstörte. Die Verwendung einer wirksameren Sperrschicht zwischen dem Siliziumkarbid und dem Kupferblatt kann dieses Problem überwinden. Eine derartige Schicht kann vorzugsweise vor der Abscheidung der Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht oder durch Einrichtung dieses Abscheidungsverfahrens auf dem Siliziumkarbid gebildet werden. Obwohl die Diskussion zu diesem Punkt hinsichtlich der direkt auf dem gewünschten Substratmaterial angeordneten Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht geführt wurde, wird es somit verständlich sein, daß jegliche dazwischenliegende Schichten, die als wünschenswert oder notwendig erachtet werden, zwischen dem primären Substratmaterial und der Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht angeordnet werden können, solange sich eine Verbindung mit den gewünschten Eigenschaften ergibt. In diesem Fall können das primäre Substrat und seine zwischenliegenden Auftragschichten als das Substrat betrachtet werden, auf dem die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht angeordnet wird.
- Es wird verständlich sein, daß ein Hauptziel der Bildung des Verbundes der an das Substratmaterial direktgebondeten Kupferfolie dem Zweck dient, in der Lage zu sein, weitere Materialien oder Objekte an das Substrat zu binden. Eine Hauptanwendung dieser Struktur besteht für die Bindung von Halbleiterchips oder Wafern an die Substrate mittels Löten oder anderen Mitteln der Befestigung des Chips an der Kupferfolie.
- Es wird auch erkannt werden, daß diese Technik verwendet werden kann, um eine Verbundstruktur mit zwei "Substraten" zu bilden, die direkt aneinander gebondet sind. Eine derartige Struktur ist in Figur 4 allgemein bei 300 gezeigt. In Figur 4 besitzt ein unteres "Substrat" 320 eine Eutektikum/Substrat- Benetzungsverstärkungsschicht 330, die an seiner oberen Oberfläche angeordnet ist, wobei ein oberes "Substrat" 320 eine Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht 320 besitzt, die an seiner unteren Oberfläche angeordnet ist. Eine Kupferfolie 340 ist zwischen den zwei Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten 330 angeordnet und unter Verwendung des erfindungsgemäßen Direkt-Bond-Verfahrens an beide von ihnen direkt gebondet. In dieser Weise wird ein Verbundsubstrat gebildet. Die zwei Substrate 320 können aus den selben oder verschiedenen Materialien bestehen, wie es unter den Umständen als erwünscht betrachtet wird. Obwohl die zwei Substrate 320 als planare Oberflächen aufweisend dargestellt sind, die zueinander hin angeordnet sind, sollte es ferner verständlich sein, daß das obere Substrat 320 in den lateralen Dimensionen kleiner als das untere Substrat 320 und in einer Vertiefung oder einem Hohlraum in dem unteren Substrat 320 angeordnet sowie darin durch dieses Verfahren gebondet sein kann. Eingelegte Strukturen dieser Art können erwünscht sein, wenn das kleine eingelegte Substrat relativ teuer ist und besondere Charakteristiken besitzt, die an isolierten Stellen in dem größeren Substrat erwünscht oder notwendig sind, oder wenn Charakteristiken des kleineren Substrates an dieser Stelle erforderlich sind und die Charakteristiken des größeren Substrates anderswo in der Struktur benötigt werden.
- Dementsprechend kann dieses verbesserte Direkt-Bond-Verfahren verwendet werden, um Strukturen jeder gewünschten Konfiguration entsprechend dem beabsichtigten Gebrauch der Struktur auszubilden.
- In den Figuren 2 bis 4 ist die Folienschicht '40 als sich quer über die im wesentlichen gesamte Hauptoberfläche des Substrates '20 dargestellt. Es gibt viele Anwendungen, bei denen dies nicht erwünscht ist. Zum Beispiel ist es bei der Herstellung einer Grundlage für eine Halbleitervorrichtungs-Packung oft erwünscht, zwei oder mehr elektrisch isolierte, lateral getrennte leitfähige Elemente zu haben, die auf einer Hauptoberfläche der Packungskomponente angeordnet sind. Ein derartiger erfindungsgemäßer Aufbau ist in Figur 5 allgemein bei 110'gezeigt. In Figur 5 besitzt ein Substrat 120' drei getrennte Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten 132, 134 und 136, die auf dessen oberer Oberfläche angeordnet sind. Drei getrennte Kupferfoliensegmente 142, 144 und 146 sind jeweils mit den entsprechenden Benetzungsverstärkungsschichten 132, 134 und 136 ausgerichtet und an diesen direktgebondet. Ein Verfahren zur Bildung des Aufbaus von Figur 5 ist in den Figuren 6 bis 8 dargestellt. Zuerst wird eine Maske 150 über dem blanken oder leeren Substrat 120' positioniert. Die Maske 150 besitzt drei Aperturen 152, 154 und 156, die in dieser mit der gewünschten Gestalt und relativen Position für die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten 132, 134 und 136 angeordnet sind. Das Benetzungsverstärkungsschicht-Material wird dann durch die Aperturen 152, 154 und 156 in der Maske 150 auf das Substrat 120' gesputtert, gedampft oder anderweitig abgeschieden. Dies stellt die gewünschten drei elektrisch isolierten Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten 132, 134 und 136 bereit, wie es in Figur 7 dargestellt ist. Drei Teile leitfähiger Folie 142', 144' und 146' werden dann für die Direkt-Bondverbindung in der Weise vorbereitet, wie es vorher beschrieben wurde. Diese Folienteile werden dann jeweils entsprechend in genauer Ausrichtung mit den Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten 132, 134 und 136 angeordnet, wie es in Figur 8 gezeigt ist. Dieser Aufbau wird dann durch das Kupfer-Direkt-Bond-Temperaturprofil durchgelassen, um die eutektischen Verbindungen zwischen den resultierenden Folien 142, 144 und 146 und dem Substrat 120' zu bilden, wie es in Figur 5 dargestellt ist. Obwohl isolierte Foliensegmente 142', 144' und 146' in Figur 8 dargestellt sind, wird es verständlich sein, daß diese Foliensegmente als ein Mittel zur Sicherung, daß die Folienschichten 142, 144 und 146 exakt an den gewünschten relativen Positionen auf dem Substrat 120' angeordnet sind, durch einen Leitungsrahmen oder andere, in der Packungsherstellungstechnik gut bekannte Techniken miteinander vor und während des Direkt-Bond-Verfahrens und danach verbunden sein können (oder danach von dem Leitungsrahmen getrennt werden können).
- Obwohl bevorzugt wird, die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten 132, 134 und 136 unter Verwendung einer Abscheidungsmaske 150 auszubilden, wird erkannt werden, daß eine einzelne, ununterbrochene Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht auf der oberen Oberfläche des Substrates 120 angeordnet und die zwischenliegenden Abschnitte dieser Schicht darauf folgend mit einem Ätzmittel wie Scheidewasser ("aqua regia") entfernt werden können. In dem Fall, daß eine elektrische Isolation zwischen den Kupferfoliensegmenten 142, 144 und 146 nicht erforderlich ist, kann eine einzelne, ununterbrochene Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht auf der oberen Oberfläche des Substrates 120 angeordnet und die separaten Kupferfolien 142', 144' und 146' auf dieser angeordnet und an das Substrat durch das beschriebene Direkt- Bond-Verfahren gebondet werden. Alternativ können sowohl die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht als auch die Kupferfolie zur Zeit der Direkt-Bondverbindungsbildung ununterbrochen quer über das Substrat bestehen. Die Kupferfolie kann dann unter Verwendung eines Photoresists oder anderer Techniken selektiv geätzt werden, wobei die durch das Kupferätzen freigelegte Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht dann mit einem geeigneten Ätzmittel wie Scheidewasser entfernt werden kann. Dies ergibt die Möglichkeit, ziemlich komplizierte Muster aus direktgebondetem Kupfer auf dem Substrat bereitzustellen.
- Wenn die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht auf ein Substrat mit einer Öffnung darin gesputtert wird, bedeckt die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht normalerweise die Wände der Öffnung, selbst wenn die Öffnung im Durchmesser so gering wie 630 um (25 mil) ist. Wenn eine Kupferfolie über einer derartigen Öffnung eutektisch gebondet wird, ist die Wand der Öffnung kupfergefärbt, nachdem das Kupfer-Direkt-Bond-Verfahren beendet worden ist. Es wird angenommen, daß dies ein Ergebnis der eutektischen Flüssigkeit ist, die die Öffnungswand hinabfließt, während sich das Substrat noch in der Zone der eutektischen Flüssigkeit des Ofens befindet, gefolgt von einem Verlust von etwas Sauerstoff wegen des im wesentlichen Sauerstoff-freien Milieus in dem Ofen, entweder während das Substrat noch in der Zone der Temperatur des flüssigen Eutektikums ist oder bevor es wesentlich unterhalb diese Temperatur abkühlt. Dieser Effekt kann zur Verbesserung der Abdichtung einer Leitung in einer Öffnung und für andere Zwecke verwendet werden.
- Obwohl viele Variationen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, wird es erkannt werden, daß viele weitere Abwandlungen geplant und entwickelt werden können, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Obwohl die Erfindung in erster Linie hinsichtlich des Direkt-Bond- Verfahrens des Kupfer-Kupferoxid-Eutektikums beschrieben wurde, werden ferner auch andere Direkt-Bond-Verfahren, die Nickel-Nickeloxid, Kobalt-Kobaltoxid, Eisen-Eisenoxid und Kupfer-Kupfersulfid, wie in den oben aufgelisteten Direkt- Bondverbindungspatenten beschrieben, einbeziehen, von der Einführung einer Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht Nutzen ziehen.
- Ferner wird es bewußt werden, daß ein weiteres leitfähiges Element wie Kupfer an die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht durch das Metall-Metallverbindungs-Eutektikum gebondet werden kann.
- Während die Erfindung hier im Einzelnen entsprechend bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, können viele Modifikationen und Abänderungen innerhalb dieser durch Fachleute bewirkt werden.
Claims (40)
1. Kombination, enthaltend
ein Substrat (120, 120', 220, 320);
eine an das Substrat angeheftete Eutektikum/Substrat-
Benetzungsverstärkungsschicht (130, 132, 134, 136, 230,
330), die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus
Platin, Palladium, Gold und Mischungen oder Legierungen
besteht und eines oder mehrere dieser Elemente enthält; und
ein an die
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht gebundenes Metall-Metallverbindungs-Eutektikum
(140, 142, 142', 144, 144', 146, 146', 240, 340), das aus
der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Kupfer-Kupferoxid,
Nickel-Nickeloxid, Kobalt-Kobaltoxid, Eisen-Eisenoxid und
Kupfer-Kupfersulfid besteht.
2. Kombination nach Anspruch 1, die ferner einen weiteren
leitfähigen Bestandteil (330) aufweist, der durch das
Metall-Metallverbindungs-Eutektikum (340) an die
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht (330) gebunden
ist.
3. Kombination nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Metall-
Metallverbindungs-Eutektikum (140, 142, 142', 144, 144',
146, 146', 240, 340) Kupfer-Kupferoxid ist.
4. Kombination nach Anspruch 3 bei Rückbezug auf Anspruch 2,
bei der der weitere leitfähige Bestandteil aus Kupfer
besteht.
5. Kombination nach Anspruch 3 bei Rückbezug auf Anspruch 2,
bei der der weitere leitfähige Bestandteil eine Platin
enthaltende Schicht (330) ist, die auf einem zweiten
Substrat (320) angeordnet ist.
6. Kombination nach Anspruch 5, bei der der weitere
leitfähige Bestandteil (330) aus Platin besteht.
7. Kombination nach Anspruch 2, bei der der weitere
leitfähige Bestandteil eine zweite
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht (330) ist.
8. Kombination nach Anspruch 7, bei der die zweite
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht (330) aus der
Gruppe ausgewählt ist, welche aus Platin, Palladium, Gold
und Mischungen oder Legierungen besteht und eines oder
mehrere dieser Elemente enthält.
9. Kombination nach Anspruch 7, bei der die zweite
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht (330) an ein
zweites Substrat (320) angeheftet ist.
10. Kombination nach Anspruch 9, bei der die zweite
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht (330) Platin
enthält.
11. Kombination nach Anspruch 10, bei der die zweite
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht (330) aus
Platin besteht.
12. Kombination nach Anspruch 9, bei der die zweite
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht (330)
Palladium enthält.
13. Kombination nach Anspruch 12, bei der die zweite
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht (330) aus
Palladium besteht.
14. Kombination nach Anspruch 9, bei der die zweite
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht (330) Gold
enthält.
15. Kombination nach Anspruch 14, bei der die zweite
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht (330) aus
Gold besteht.
16. Kombination nach Anspruch 1, bei der das Substrat (120,
120', 220, 320) aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus
Wolfram, Wolfram-Rhenium-Legierungen, Molybdän,
Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Beryllerde und Kupfer besteht.
17. Kombination nach Anspruch 16, bei der das
Metall-Metallverbindungs-Eutektikum (140, 142, 142', 144, 144', 146,
146', 240, 340) Kupfer und Kupferoxid ist.
18. Kombination nach Anspruch 16 oder 17, die ferner einen
teren leitfähigen Bestandteil (330) aufweist, der durch
das Metall-Metallverbindungs-Eutektikum (340) an die
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht (330)
gebunden ist.
19. Kombination nach Anspruch 18, bei der der weitere
leitfähige Bestandteil eine zweite
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht (330) ist, die auf einem zweiten
Substrat (320) angeordnet ist.
20. Kombination nach Anspruch 19, bei der die erste und die
zweite Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht
(330) aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus Platin,
Palladium, Gold und Mischungen oder Legierungen besteht
und eines oder mehrere dieser Elemente enthalten.
21. Kombination nach Anspruch 19, bei der das zweite Substrat
(320) aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Wolfram,
Wolfram-Rhenium-Legierungen, Molybdän, Aluminiumnitrid,
Aluminiumoxid, Beryllerde und Kupfer besteht.
22. Kombination, umfassend:
ein Kernelement (220), das erste und zweite
entgegengesetzte Hauptoberflächen aufweist;
erste und zweite, jeweils an die ersten und zweiten
Hauptoberflächen des Kernelements angeheftete
Eutektikum/Sübstrat-Benetzungsverstärkungsschichten (230), die
aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus Platin,
Palladium, Gold und Mischungen oder Legierungen besteht und
eines oder mehrere dieser Elemente enthält; und
erste und zweite symmetrische
Kupfer-Kupferoxid-Eutektikumsschichten (240), die jeweils an die ersten und
zweiten
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten (230) gebunden sind, wodurch eine symmetrische
Schichtung entsteht.
23. Kombination nach Anspruch 22, bei der das Kernelement
(220) aus Wolfram besteht.
24. Kombination nach Anspruch 22, bei der das Kernelement
(220) aus Molybdän besteht.
25. Kombination nach Anspruch 22, bei der das Kernelement
(220) aus Aluminiumoxid besteht.
26. Kombination nach Anspruch 22, bei der das Kernelement
(220) aus Aluminiumnitrid besteht.
27. Kombination nach Anspruch 22, bei der das Kernelement
(220) aus Beryllerde besteht.
28. Kombination nach Anspruch 1, bei der das Substrat (320)
ein Körper aus Aluminiumnitrid ist und das
Metall-Metallverbindungs-Eutektikum (240) aus Kupfer-Kupferoxid
besteht, wobei ein weiterer Bestandteil (330) durch das
Eutektikum (340) an die Verstärkungsschicht (330)
gebunden ist.
29. Kombination nach Anspruch 28, bei der der weitere
Bestandteil aus Kupfer besteht.
30. Kombination nach Anspruch 29, bei der der weitere
Bestandteil von dem Kupfer-Kupferoxid-Eutektikum (340)
abgeleitet oder erzeugt (native) ist.
31. Kombination nach Anspruch 23 oder 28, 29 oder 30, bei der
die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht
(230, 330) Platin enthält.
32. Kombination nach Anspruch 31, bei der die
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht (230, 330) aus
Platin besteht.
33. Kombination nach Anspruch 23 oder 28, 29 oder 30, bei der
die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht
(230, 330) Palladium enthält.
34. Kombination nach Anspruch 33, bei der die
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht (230, 330) aus
Palladium besteht.
35. Kombination nach Anspruch 23 oder 28, 29 oder 30, bei der
die Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht
(230, 330) Gold enthält.
36. Kombination nach Anspruch 35, bei der die
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht (230, 330) aus
Gold besteht.
37. Kombination, umfassend:
ein Substrat (120, 120'), das eine erste Hauptoberfläche
aufweist;
eine Vielzahl von voneinander beabstandeten
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschicht-Segmenten
(132, 134, 136), von denen jedes aus der Gruppe
ausgewählt ist, welche aus Platin, Palladium, Gold und
Mischungen oder Legierungen besteht und eines oder
mehrere dieser Elemente enthält und an der ersten Oberfläche
des Substrates angeheftet ist;
eine Vielzahl von Metallsegmenten (142, 142', 144, 144',
146, 146'), von denen jedes durch ein Kupfer-Kupferoxid
enthaltendes Metall-Metallverbindungs-Eutektikum an ein
anderes der
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichtsegmente (132, 134, 136) gebunden ist.
38. Kombination nach Anspruch 37, bei der das
Metall-Metallverbindungs-Eutektikum (142, 142', 144, 144', 146, 146')
aus Kupfer-Kupferoxid besteht.
39. Kombination nach Anspruch 38, bei der die Metallsegmente
(142, 142', 144, 144', 146, 146') Kupfer enthalten.
40. Kombination nach Anspruch 39, bei der die
Eutektikum/Substrat-Benetzungsverstärkungsschichten (132, 134, 136)
Platin enthalten.
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