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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mehrstufige elektronische
Zwischenverbindungsstruktur, die Leiter in mehreren Schichten aufweist,
welche durch geeignete dielektrische Isoliermaterialien getrennt sind
und Durchgangsleitungen für
die Verbindung zwischen Schichten aufweisen.
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Mehrstufige
elektronische Zwischenverbindungsstrukturen für eine Vielzahl von Anwendungen,
insbesondere für
den Aufbau von Chips mit integriertem Schaltkreis, sind unter Fachleuten
gut bekannt. Normalerweise umfassen diese Zwischenverbindungsstrukturen
mehrere Schichten von Leitern, die in einem vordefinierten Muster
angeordnet und durch geeignete Isoliermaterialien voneinander getrennt
sind, mit Durchgangsleitungen für
die Verbindung zwischen Schichten. Diese Strukturen dienen der Herstellung
von Ein- oder Mehrfachchipmodulsubstraten, mikroelektronischen Passivgeräten (Induktoren,
Kondensatoren oder kombinierte Schaltungstechnik) und Strukturen
zwischen den Ebenen für
integrierte Schaltkreise. Viele elektronische Systeme in Einsatzfeldern
wie Militär,
Lufttechnik, Automobilindustrie, Telekommunikation, Computer und
tragbare Elektronik verwenden Bauelemente mit derartigen Strukturen.
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Eine
wichtige Anwendung für
diese Zwischenverbindungsstrukturen sind Multi-Chip-Module (MCM). Die
am weitesten entwickelte Art der MCM-Technologie ist die so genannte
MCM-D-Technologie, bei der die Zwischenverbindungen der Module durch
eine dünne
Metallbeschichtung auf aufgedampften Dielektrika gebildet werden,
die Polymere oder anorganische Nichtleiter sein können. Durch
die Verwendung von herkömmlichen
Produktionstechniken können
MCMs hergestellt werden, deren Leitungen und Zwischenräume eine
Dicke von lediglich 10 μm
aufweisen sowie Durchgangsleitungen mit einem Durchmesser von lediglich
20 μm. Diese
MCM-D-Technologie ist einzigartig, da sie im Vergleich zu anderen
Technologien eine wesentlich höhere Verbindungsdichte
erreicht. Die Steigerung der Dichte bringt andere Vorteile mit sich
im Hinblick auf die Signalgeschwindigkeit und das im Vergleich zu
herkömmlichen
Geräten
sehr viel geringere Gesamtgewicht.
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1 zeigt
den schematischen Querschnitt eines herkömmlichen MCM-D, der durch Referenznummer 10 gekennzeichnet
ist. MCM 10 umfasst eine Basis 11 (normalerweise
aus einem dielektrischen Material bestehend), eine erste Metallschicht 12 (die
als Untergrund dient), eine zweite Metallschicht 14 (die
den MCM mit Strom versorgt), und eine Schicht aus dielektrischem
Material 16 (die die erste Metallschicht 12 von
der zweiten Metallschicht 14 trennt). MCM 10 umfasst
zwei Leiterschichten (20 und 24), die sowohl mit
Metallschichten 12 und 14 als auch untereinander
durch Durchgangsleitungen 22 verbunden sind. Dielektrisches Material 16 trennt
die verschiedenen Metallelemente.
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Es
wird gezeigt, wie ein einfacher Chip 30 durch das Chiphaftmittel 28 an
der oberen Oberfläche
der mehrstufigen Zwischenverbindungsstruktur angebracht ist. Chip 30 wird
an einen Leiter 24' durch
eine Chip-Verbindung 32 gekoppelt. Wie leicht ersichtlich
ist, ist in einem vollständigen
MCM-D eine große
Zahl von mit Durchgangsleitungen gekoppelten Leiterschichten vorhanden,
und eine große
Zahl an Chips 30 wird mit einem mehrstufigen Zwischenverbindungsteil
des Moduls gekoppelt. Alternativ dazu können Chips in Bohrlöchern oder Öffnungen
auf der Oberfläche
der Verbindungsschichten befestigt werden, um die Dicke der gesamten
Baugruppe zu reduzieren.
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Eine
Reihe von Techniken sind bekannt für die Produktion von Zwischenverbindungs-Durchgangsleitungen
in MCM-D-Strukturen.
In einem dieser Prozesse dient ein dielektrisches Material (üblicherweise
ein mit Silikondioxid beschichtetes Keramikmaterial oder Silikon)
als Basis. Leiter werden auf der unter dem dielektrischen Material
befindlichen Basis ausgebildet. Ein Loch wird in das dielektrischen
Material gebohrt, das dann bedampft und mit einem Metall wie beispielsweise
Kupfer galvanisiert wird, um die untere Ebene des Leiters 42 mit
einer ausgebildeten oberen Ebene 42 zu verbinden. Die auf
diese Weise geformten Durchgangsleitungen 40 werden auch
als ungefüllte
Durchgangsleitungen bezeichnet, da das Metall nicht das gesamte
Loch füllt,
wie in 2a zu sehen ist. Wie 1 verdeutlicht,
ist die obere, aus dielektrischem Material 18 bestehende
und über
den nicht gefüllten
Durchgangsleitungen befindliche Oberfläche, uneben. Dies ist darauf
zurückzuführen, dass
das dielektrische Material im Bereich der Durchgangsleitungen 22 angesiedelt
ist. In diesem Fall reduziert die unebene Oberfläche die Leitungsdichte auf
der oberen Metallschicht 42, und die nicht gefüllte Durchgangsleitung
beeinträchtigt
die Kapazität
der Durchgangsleitung, die durch den Chip erzeugte Wärme abzuleiten.
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In
einem anderen Verfahren wird eine dicke lichtbeständige Schicht
auf die Oberseite der unteren Leiterebene 46 aufgetragen,
wie in 2b zu sehen ist. Die lichtbeständige Schicht
ist strukturiert, um Durchgangsleitungen zu definieren; außerdem wird
Metall wie beispielsweise Kupfer 44 aufgetragen. Die lichtbeständige Schicht
wird entfernt und dielektrisches Polymermaterial wird aufgetragen,
um Leiter und Durchgangsleitungen zu bedecken. Im nächsten Schritt
wird das Polymer entfernt, um die galvanisierte Durchgangsleitung
und Leiter 46 freizulegen. Die auf diese Weise geformten
Durchgangsleitungen 44 werden auch als gefüllte Durchgangsleitungen
bezeichnet, wie in 2b erläutert. Gefüllte Durchgangsleitungen sind
zwar den ungefüllten
Durchgangsleitungen in thermischer und elektrischer Hinsicht überlegen,
dafür aber
ist das entsprechende Verfahren kompliziert und kostspielig. Bei diesem
Galvanisierungsverfahren wird eine dicke Schicht eines teuren lichtbeständigen Materials
oder ein kostspieliges lichtbeständigen
dielektrisches Material verwendet, was normalerweise zu einer Veränderung
der Metalldicke im gesamten Substrat führt. In diesem Fall könnte ein
Rückätzverfahren
zur Entfernung des Polymers und zur Freilegung der gefüllten Durchgangsleitungen
nicht ausreichen, und möglicherweise
sind weitere Schritte wie ein Verfahren mit harter oder weicher Trockenätzmaske
oder ein chemisch-mechanisches Polierverfahren (CMP) erforderlich.
Das erhöht
die Anzahl der Verfahrensschritte, sowie die Ausrüstungskosten
und erschwert zugleich die Bearbeitung großflächiger Schalttafeln.
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Ein
weiteres Verfahren wird im US-Patent 5.580.825 an Labunov, et al.
beschrieben. In diesem Verfahren wird Aluminium für Leiter
und Durchgangsleitungen verwendet und Aluminiumoxid als dielektrisches Material.
Das Verfahren besteht aus den folgenden Schritten: (1) Definition
von waagrechten Leiterbahnen durch die Ausbildung einer Sperrschicht
auf der Haupt-Aluminiumschicht. Dabei führt die Abdeckmaske zur Abdeckung
der mit den waagrechten Leiterbahnen übereinstimmenden Stellen; (2)
Schutzeloxierprozess auf der Hauptaluminiumschicht; (3) Bildung
eines schützenden
Oxids auf der Oberfläche
der ebenen Leiterpfade, (4) (nach Entfernen der Abdeckmaske) Bildung
einer weiteren Aluminiumschicht über
der Hauptaluminiumschicht; (5) Definition der Verbindungen zwischen
Ebenen durch das Ausbilden einer Sperrschicht auf der oberen Aluminiumschicht,
wobei die Abdeckmaske Bereiche bedeckt, die den Verbindungen zwischen
den Ebenen entsprechen und auf der Haupt- und der oberen Aluminiumschicht
einen porösen
Eloxierprozess verursachen. Das schützende Oxid, das die waagerechten
Leiterbahnen definiert, führt
zu einem guten Abdecken der waagrechten Leiterbahnen während des
porösen Eloxierens.
Das poröse
Aluminiumoxid sorgt für
Isolierung zwischen den waagrechten Leiterbahnen, und die Kombination
des Schutzoxids und des porösen
Oxids gewährleistet
gute Isolierung zwischen den waagrechten Leiterbahnen. Die durch
dieses Verfahren ausgebildeten Durchgangsleitungen werden gefüllt, was
zu einem hohen Planarisierungsgrad führt.
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Man
hat mittlerweile herausgefunden, dass andere dielektrische Materialien
leistungsfähiger
sind als Aluminiumoxid, und dass es möglich ist, in einem insgesamt
umweltfreundlichen Verfahren kostengünstige planarisierte, gefüllte Aluminium-Durchgangsleitungen
mit nahezu senkrechten Seitenwänden
herzustellen. Dies ist möglich
dank einer elektronischen Verbindungsstruktur, die relativ einfach
und preiswert herzustellen ist, eine sehr hohe Verbindungsdichte
aufweist und somit ermöglicht,
die Durchgangsleitungen übereinander anzuordnen.
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Die
vorliegende Erfindung führt
zu einer Struktur, die in Patentanspruch 1 definiert wird.
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Die
nachfolgende detaillierte Beschreibung dient dazu, die vorliegende
Erfindung mit Hilfe der dazugehörigen
Zeichnungen noch besser zu verstehen:
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1 ist
die schematische Darstellung eines Multi-Chip-Moduls im Stand der
Technik;
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2a und 2b sind
schematische Darstellungen gefüllter
und ungefüllter
Durchgangsleitungen;
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3 ist
der schematische Querschnitt einer mehrstufigen elektronischen Zwischenverbindung,
die gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gebaut und betriebsfähig ist.
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4a bis 4k erläutern Schritte
eines Verfahrens, bei dem mehrstufige elektronische Zwischenverbindungen
ausgebildet werden; dieses Verfahren ist nicht Teil der vorliegenden
Erfindung;
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5 ist
ein schematischer Querschnitt eines Multi-Chip-Moduls (MCM-D), das
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gebaut und betriebsfähig ist;
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6a bis 6f erläutern die
Verfahrensschritte bei der Vorbereitung einer Aluminiumbasis auf der
Grundlage der vorliegenden Erfindung;
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7 ist
ein schematischer Querschnitt einer mehrstufigen elektronischen
Zwischenverbindungsstruktur, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gebaut und betriebsfähig ist; und
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8a bis 8f erläutern die
Verfahrensschritte bei der Vorbereitung einer gedruckten Leiterplattenbasis
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mehrstufige elektronische
Zwischenverbindungsstruktur, die mehrere Leiterebenen aufweist,
die getrennt sind durch geeignete dielektrische Isoliermaterialien
mit gefüllten
Aluminium-Durchgangsleitungen für
die Verbindung von Schichten. Ein besonderes Merkmal der Erfindung
ist es, dass die Verbindungsstruktur gefüllte Aluminium-Durchgangsleitungen
aufweist. Die Außenoberfläche der
Struktur sollte so eben wie möglich
sein. Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung besteht das dielektrische Isoliermaterial
aus Polymeren.
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Die
Strukturen der Erfindung verfügen über eine
sehr hohe Verbindungsdichte sowie über betriebssichere, gefüllte Durchgangsleitungen,
die durch ein Eloxierverfahren geformt werden und von einer Dauerisolierung
mit niedrigem dielektrischem Wert umgeben sind. Dennoch haben die
Strukturen ein geringes Gewicht, gute thermische Eigenschaften und
niedrige Betriebskosten und erfüllen
zudem die Leistungsanforderungen von hochwertigen elektronischen
Systemen. Das bei der Herstellung des auf dieser Erfindung basierenden Gerätes angewandte
Verfahren weist weniger Verfahrensschritte auf als herkömmliche
Techniken (Leiter und Zwischenverbindungen werden in einem Schritt
produziert), die Verfahrensschritte sind leichter zu kontrollieren,
die Ausrüstungskosten
und der erforderliche Platz sind geringer, und preisgünstiger
Betrieb kann nicht nur durch die erhöhte Ausbeute und durch die
Verwendung preiswerter Materialien erreicht werden, sondern außerdem durch
die Möglichkeit,
dank vollautomatischer Produktion Schalttafeln von relativ großen Ausmaßen zu verarbeiten.
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Die
Methode, die nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist, besteht
aus folgenden grundlegenden Schritten: Eine aus dielektrischem Material
bestehende Oberfläche
wird mit einer Adhäsionsschicht
aus Metall beschichtet, die mindestens eine freiliegende Aluminiumoberfläche aufweist.
Die Adhäsionsschicht
aus Metall wird mit einer schützenden
Metallschicht versehen. Die schützende
Metallschicht wird mit einer ersten Aluminiumschicht versehen. Die
schützende
Metallschicht wird mit einer zweiten Aluminiumschicht versehen.
Die zweite schützende
Metallschicht wird mit einer lichtbeständigen Schicht versehen. Die
lichtbeständige
Schicht wird belichtet und entwickelt. Die freigelegte schützende Metallschicht
und die lichtbeständige
Schicht werden entfernt, und zurück
bleibt eine schützende
Metallschicht über
der Aluminiumschicht. Jene Teile der Aluminiumschicht, die nicht
von schützendem
Metall bedeckt sind, werden durch poröses Eloxieren in poröses Aluminiumoxid
umgewandelt, woraufhin das Aluminiumoxid entfernt wird. Die freigelegte
schützende
Metallschicht und die Adhäsionsschicht
aus Metall werden entfernt, bis das strukturierte Aluminium freiliegt.
Ein dielektrisches Material, das nicht aus Aluminiumoxid besteht,
wird auf die dielektrische Oberfläche des Materials und das strukturierte
Aluminium aufgetragen; daraufhin wird das Isoliermaterial entfernt,
um Teile des strukturierten Aluminiums freizulegen. Wie leicht ersichtlich
ist, sind Größe und Form
des Aluminiums nur durch eine dünne, lichtbeständige Standard-Resolution
und einfache Kontrolle des Eloxierverfahrens begrenzt. Außerdem erlaubt
die sehr geringe Abweichung der Dicke zwischen den gefüllten Durchgangsleitungen,
die Zwischenverbindungen als Elektroden zu verwenden, um feinere
Steigerungskomponenten miteinander zu verbinden.
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Wenn
wir uns nun 3 widmen, sehen wir eine mehrstufige
elektronische Zwischenverbindungsstruktur 50, die gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gebaut und betriebsfähig ist und eine Basis 52 umfasst.
Basis 52 kann aus jedem beliebigen herkömmlichen Material hergestellt werden
wie beispielsweise Glas, Keramik, silikonbeschichtetes Silikondioxid.
Gemäß einer
bevorzugten, weiter unten detailliert beschriebenen Ausführungsform
umfasst Basis 52 eine vorgefertigte Aluminium-Basis. Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform,
die ebenfalls weiter unten detailliert beschrieben wird, umfasst
Basis 52 eine gedruckte Leiterplattenbasis.
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Mindestens
zwei Schichten 54, 56 von Leitern, getrennt durch
ein dielektrisches Material 58, das nicht aus Aluminiumoxid
besteht, werden auf der Oberfläche
von Basis 52 gebildet. Eine Adhäsionsschicht 60 aus Titan
wird unter jeden Leiter 54, 56 aufgetragen. Die
Adhäsionsschicht
aus Metall dient dazu, die Adhäsion zwischen
dem Aluminiumleiter und der darunter liegenden Isolierschicht zu
verbessern, ohne die Leitfähigkeit der
Durchgangsleitungen und der Leiter zu beeinträchtigen.
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Eine
Schutzschicht aus Metall 62, das während der anodischen Polarisation
einen Schutzfilm aus Oxid mit einer hohen Oxidationsbeständigkeit
bildet, wird zwischen der Titanschicht 60 und den Leitern 54 und 56 eingefügt. Die
schützende
Metallschicht 62 wird aus einer Gruppe von Metallen ausgewählt (Tantal,
Niobium, Hafnium und Zirkonium), von denen Tantalum am besten geeignet
ist. Diese schützende
Oxidschicht durchdringt das Metall nicht in seiner gesamten Tiefe
und sorgt somit für
eine betriebssichere Zuführung
von Anodenspannung zu allen Orten der auf die Oberseite gedampften
Aluminiumschicht. Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist außerdem,
dass die schützende
Metallschicht das darunter befindliche Aluminium vor dem Eloxieren
schützt
und außerdem
für eine
gute Leitfähigkeit
zwischen Durchgangsleitungen und Leiter sorgt.
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Gefüllte Aluminium-Durchgangsleitungen 64 verbinden
Basismaterial 52 und eine aus Leitern bestehende Schicht 54,
während
gefüllte
Aluminium-Durchgangsleitungen 66 die aus Leitern bestehenden
Schichten 54, 56, und 62 miteinander
verbinden. Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist die Tatsache,
dass die gefüllten
Durchgangsleitungen mit Aluminium ausgebildet sind und dass ihre
Seitenwände
praktisch rechtwinklig zu den Leitern 54, 56,
und 62 stehen. Ein weiteres Merkmal ist die Tatsache, dass
Größe und Form
der Durchgangsleitungen nur durch die Auflösung von dünnem Standard-Fotolack und
einfache Kontrolle des Eloxierverfahrens begrenzt werden. Wie oben
ausgeführt
befindet sich oberhalb jeder Durchgangsleitung 66 und 68 eine
schützende
Metallschicht 68 zwischen der Durchgangsleitung und einem
damit verbundenen Leiter 54, 56 oder 62.
Wie in 3 zu sehen ist, weist die mehrstufige elektronische
Zwischenverbindungsstruktur 50 auf der Oberseite eine nahezu
ebene Oberfläche
auf.
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Mit
Bezug auf 4a bis 4k wird
ein Verfahren zur Vorbereitung einer mehrstufigen Zwischenverbindungsstruktur
anhand eines erläuternden
Beispiels der Erfindung beschrieben. Dieses Verfahren ist nicht
Teil der beanspruchten Erfindung. Eine Adhäsionsschicht 102 wird
auf ein Basismaterial 100 gedampft. Eine erste schützende Metallschicht 104 wird
auf die Adhäsionsschicht
gedampft (4a). Die Adhäsionsschicht 102 und
die schützende
Metallschicht 104 werden am besten mit Vakuumbeschichtungstechniken
aufgedampft. In der Adhäsionsschicht
wird Titanium mit einer Beschichtungsdicke zwischen 300 Å bis 700 Å verwendet.
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Eine
erste Aluminiumschicht 106 wird auf die erste schützende Metallschicht 104 gedampft,
und eine zweite schützende
Metallschicht 108 wird auf die erste Aluminiumschicht 106 gedampft
(4b). Die erste Aluminiumschicht 106 sollte
möglichst
eine Dicke von 1 μm
bis 5 μm
aufweisen und kann als Strom- oder Signalschicht dienen. Eine zweite
schützende
Metallschicht 108 dient als "Anti-Eloxierschicht", die dafür sorgt, dass
das darunter befindliche Aluminium während des porösen Eloxierens
intakt bleibt, wie weiter unten beschrieben.
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Anhand
eines erläuternden
Beispiels wird aufgezeigt, dass die schützenden Metalle in Schutzschicht 104 und 108 identisch
sind, und dass Tantalum für
solche Zwecke das geeignetste Metall ist.
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Lichtbeständiges Material 110 wird
auf die Oberseite der zweiten schützenden Metallschicht 108 aufgetragen
und durch eine Leitermaske belichtet und entwickelt, wie bereits
beschrieben (4c). Dieser Verfahrensschritt
kann durch jede herkömmliche
fotolithografische Methode erfolgen, wie beispielsweise das Aufschleudern,
Belichten und Entwickeln eines Positiv- oder Negativlacks mit hoher
Auflösung.
Das freigelegte Schutzmetall in Schicht 108 wird entfernt,
z. B. durch einen RF-Trocken-Plasmaätzer oder ein reaktives Ionenätzverfahren.
Diese Verfahren erlauben ein selektives Wegätzen der auf der lichtbeständigen und
der Aluminiumschicht befindlichen Schutzschicht. Schließlich wird
das lichtbeständige
Material 110 freigelegt, bis nur noch die Aluminiumschicht 112 mit
dem Schutzmetall bedeckt ist, wie auf der Darstellung der Leiter
zu sehen (4d). Die Struktur ist nun vorbereitet
für die
Aufdampfung der nächsten
Aluminiumschicht, die als gefüllte Durchgangsleitungsschicht
dient.
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Die
bei der Herstellung dieser Schicht angewandten Schritte werden in 4e bis 4g beschrieben.
Die angewandten Techniken sind nahezu identisch mit den für die Herstellung
der ersten Aluminium- und Schutzschichten beschriebenen Methoden.
Eine zweite Aluminiumschicht 114 und eine weitere schützende Metallschicht 116 werden
aufgedampft (4e). Die zweite Aluminiumschicht 114 sollte
möglichst
3 μm bis 10 μm dick sein,
dicker als die erste Aluminiumschicht 106. Somit wird eine
einwandfreie elektrische Leistung (d. h. Impedanz) der Leiter sichergestellt,
die sich auf den verschiedenen Stufen innerhalb der fertigen Struktur befinden.
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Lichtbeständiges Material 118 wird
auf die Oberseite der zweiten schützenden Metallschicht 116 aufgetragen,
durch eine Leitermaske belichtet und anschließend entwickelt, wie bereits
beschrieben (4f). Wie zuvor wird die freigelegte
schützende
Metallschicht 116 entfernt, und das lichtbeständige Material 118 freigelegt,
bis nur noch Aluminiumschicht 120 durch die schützende Metallschicht
bedeckt ist (4g).
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Die
Struktur wird nun einem porösen
Eloxierverfahren unterzogen, welches das nicht von einer schützenden
Metallschicht bedeckte Aluminium in poröses Aluminiumoxid umwandelt 122.
Die schützenden
Metallschichten auf der Oberseite der ausgewählten Teile der ersten und
zweiten Aluminiumschicht (d. h. die strukturierten Leiter und Durchgangsleitungen),
sorgen für
betriebssichere Maskierung der Verbindungsleitungen zwischen den
Ebenen während
des porösen
Eloxierens. Das poröse
Eloxieren wird in beiden Aluminiumschichten fortgesetzt, wobei nicht
eloxiertes Aluminium unter den schützenden Metallschichten zurückbleibt, und
wobei die strukturierten Leiter und Durchgangsleitungen mit Aluminiumoxid 122 isoliert
werden. Auf diese Weise werden sowohl die Aluminiumleiter 112 als
auch die Aluminium-Durchgangsleitungen 120 in
einem einzigen Schritt ausgebildet (4h).
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Die
bevorzugten Parameter für
das poröse
Eloxierverfahren sind der nachstehenden Tabelle 1 zu entnehmen.
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TABELLE 1: Parameter für das poröse Eloxierverfahren
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- Lösung:
Oxalsäuredihydrat – 40 gr/lit.
D.
I. Wasser.
- Kathode – SS
316
- Anode – fixiertes
Substrat
- Arbeitsparameter
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Der
Eloxiervorgang beginnt mit der Erhöhung der Spannungsversorgung
von 0 auf den Vorgabewert (ca. zwischen 40 und 55 V) bei konstantem
Gradient von 1 bis 2 V/sec. Nachdem die voreingestellte Spannung erreicht
worden ist, wird die gewählte
Spannung konstant gehalten, und die Stromstärke nimmt kontinuierlich bis
zum Abschluss des Verfahrens ab. Wenn die ausgebildete anodierte
Schicht eine Schutzschicht erreicht, wird diese Schicht nur teilweise
oxidiert, sodass die darunter liegende Aluminiumschicht intakt bleibt.
Das führt zur
Bildung von gefüllten
Durchgangsleitungen auf der oberen Schutzschicht und von Leitern
auf der mittleren Schutzschicht. Wie leicht ersichtlich ist, wird
bei der Bearbeitung einer einzigen leitenden Aluminiumschicht lediglich
die einfache Schicht eloxiert.
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Die
erste schützende
Metallschicht 104 gekoppelt mit der Adhäsionsschicht 102 dient
als eine Stromversorgungsschicht, die für die Vollendung des Eloxiervorganges
erforderlich ist, während
die freigelegte Aluminiumschicht sehr dünn wird. Sobald der Eloxiervorgang
die Untergrenze der Schutzschicht erreicht, sinkt die Stromstärke rapide.
Bei diesem Reststrom sollte das Verfahren um etwa 40 bis 50% der
Gesamtdauer des Verfahrens fortgesetzt werden. Der Grund, weshalb
man das Eloxieren so lange auf Reststrom-Niveau halten sollte, ist,
dass diese Zeitspanne benötigt
wird, um nahezu gerade Seitenwände
der gefüllten
Durchgangsleitungen und Leiter zu erzeugen. In diesem Fall ist die
Breite der hergestellten Leiter und Durchgangsleitungen nahezu identisch
zur Breite jener, die auf der lithographischen Maske erscheinen.
In Strukturen mit hoher Verbindungsdichte führt dies zu höheren Ausbeuten
und verbesserter elektrischer Leistung.
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Nach
Abschluss des Eloxiervorganges und nach Erreichen des gewünschten
Streckungsgrades, wird der Aluminiumoxidfilm 122 komplett
entfernt, wie in 4i zu sehen. Dabei sollten möglichst
die Lösung
und die Parameter verwendet werden, die in Tabelle 2 beschrieben
werden. Ein besonderes Merkmal dieser Lösung ist, dass sie 100% selektiv
auf Aluminium reagiert und zu keinerlei Ätzungen auf Leiter und Durchgangsleitungen
führt.
Möglicherweise
ist u. a. ein sachgemäßes Schütteln in
kleinen kreisförmigen
Bewegungen erforderlich, um Restoxide zu beseitigen.
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Tabelle 2: ALUMINIUMOXID-ÄTZVERFAHREN
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- Lösung: – Chromoxid
CrO3 kalziniert – 20 gr/lit
– Phosphorsäure: H3PO4 konz. (85%) – 35 ml/lit
– D. I.
Wasser
- Temperatur – 75°C–85°C
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Wie
unter Fachleuten bekannt, sind üblicherweise
die Poren des Aluminiumoxidfilms rechtwinklig zur Oberfläche der
Aluminiumstruktur angeordnet. Der Eloxiervorgang setzt sich sehr
tief in das Aluminium fort, da die Eloxierlösung durch diese Poren bis
auf die nicht eloxierte Aluminiumoberfläche vordringen kann. Wegen der
Existenz dieser Poren kann man den eloxierten Film zudem sehr schnell
wegätzen.
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Anschließend wird
das freigelegte Schutzmetall 104, 108, 116 und
das Adhäsionsmetall 102 zwischen den
Leitern 112 entfernt, z. B. durch Trockenätzen (4i).
Das Ergebnis ist eine leitende Aluminiumschicht mit Aluminiumsäulen auf
der Oberseite, die als gefüllte
Durchgangsleitungen oder Kontaktstellen für die nächste Verbindungsebene dienen.
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Ein
dielektrisches Material 124, das nicht aus Aluminiumoxid
besteht, wird nun auf die Oberseite des Basismaterials 100 aufgetragen,
um als Isolator zwischen den erzeugten Aluminiumleitern 112 und
den Durchgangsleitungen 120 zu dienen (4j).
Das bevorzugte dünne
Material für
den dielektrischen Film weist die folgenden Eigenschaften auf:
- – Dauerisolierung
mit niedrigem dielektrischem Wert.
- – Thermische
Stabilität über die
nachfolgenden Verfahrens- oder Reparaturschritte hinaus.
- – Gute
Adhäsion
am Substrat, an den Leitern und gute Eigenadhäsion.
- – Geringe
Wasserabsorption.
- – Gute
Planarisierung.
- – Geringe
Spannungsbildung.
- – Leicht
zu verarbeiten.
- – Schleuderbeschichtbar;
frei von Pinholes [Nadelstichporen]; ätzbar.
- – Gute
mechanische Eigenschaften.
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Das
dielektrische Material sollte möglichst
aus dielektrischen Polymeren bestehen. Polymere, die sich besonders
gut für
die vorliegende Erfindung eignen, sind Polyimide (wie beispielsweise
die von DuPont Electronic Materials, USA hergestellte Pyralin®-Serie)
und Benzocyclobutane (BCB) (wie beispielsweise die von Dow Chemicals
hergestellte CycloteneTM-Serie).
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In
dieser Phase wird das dielektrische Material entfernt, z. B. durch
Rück-Trockenätzen, bis
die Durchgangsleitungen freigelegt sind, wie in 4k zu
sehen. Es gilt zu beachten, dass die Wahl von Dielektrika mit einem
ausreichendem Maß an
Planarisierung den Rückätzprozess
des dielektrischen Materials vereinfacht.
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Sollte
ein Dielektrikum mit einer relativ geringen Planarisierung verwendet
werden, können
bekanntermaßen
zusätzliche
und alternative Verfahrensschritte angewandt werden, wie beispielsweise
chemisch-mechanisches Polieren (CMP) oder Rückätzen durch eine harte oder
weiche Maske, um die abgeflachten und gefüllten Aluminium-Durchgangsleitungen
für die
nächste
Aufdampfung und lithographischen Schritte zu entfernen.
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Sobald
die Ausbildung der in 4k beschriebenen Struktur abgeschlossen
ist, werden die in 4a bis 4k beschriebenen
Schritte wiederholt, bis die erforderliche Zahl von Schichten in
der Struktur entstanden ist. Üblicherweise
werden bis zu fünf
Leiterschichten bereitgestellt, wobei die höchste Schicht möglicherweise
eine nur aus "Kontaktstellen" bestehende Aluminiumschicht
ist, die durch die ausschließliche
Verwendung einer Maske für "Kontaktstellen" anstelle einer Durchgangsleitungen-Maske
hergestellt wurde. Wie leicht ersichtlich ist, kann die oberste
Leiterschicht auch als eine Einfachschicht ausgebildet sein. Daher
wird der poröse
Eloxiervorgang auf einer einzigen Schicht von strukturiertem Aluminium
durchgeführt.
Um die Struktur zu verwenden, ist es zudem in der Regel am besten,
die Aluminium-Kontaktstellen (nicht nur Oberfläche des strukturierten Aluminiums)
nicht vollständig
zu bedecken. Dementsprechend wird in diesem Fall das Verfahren auf
eine der folgenden Weisen beendet, je nach der Beschaffenheit der
Schicht. Sollte die Schicht nur aus "Kontaktstellen" bestehen und keine Leiter aufweisen,
besteht der letzte Verfahrensschritt daraus, das poröse Aluminiumoxid
wegzuätzen,
bis die Kontaktstellen freiliegen. Wenn andererseits die Schicht
nach dem Wegätzen
des porösen
Aluminiumoxids sowohl Leiter als auch Kontaktstellen aufweist, wird
ein lichtbeständiges
dielektrisches Polymer auf die Leiter und Kontaktstellen aufgetragen,
und das dielektrische Polymer wird selektiv entfernt, sodass ausschließlich Kontaktstellen
aus Aluminium freiliegen.
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Wie
leicht ersichtlich ist, kann die Aufdampfung jeder der beschriebenen
elektronischen Leiter wie beispielsweise Titan, Tantalum und Aluminium
durch jede herkömmliche
Vakuumbeschichtungstechnik erfolgen, wie beispielsweise Elektronenstrahlverdampfung
oder -zerstäubung.
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Dieses
Verfahren, mit dem sich das Gerät
der beanspruchten Erfindung herstellen lässt, bietet mehrere Vorteile
gegenüber
herkömmlichen
Produktionstechniken für
Verbindungsstrukturen. In herkömmlichen Strukturen
mit ungefüllten
Durchgangsleitungen müssen
die Durchgangsleitungen während
der Herstellung des dünnen
Films in übereinander
liegenden Ebenen gestaffelt werden. Die durch die vorliegende Erfindung gefüllten Durchgangsleitungen
erlauben das Stapeln von verschiedenen Durchgangsleitungsebenen.
Aus konstruktionstechnischer Sicht sind gefüllte Durchgangsleitungen ideal,
da sie das höchste
Maß an
Flexibilität bei
der Verdrahtung ermöglichen.
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Außerdem ermöglichen
sie ein hervorragendes Stromverteilungssystem. Die mit übereinander
angeordneten Durchgangsleitungen verbundenen Leistungswege sind
weniger induktiv und daher in der Lage, erhöhte Schaltaktivitäten auszuhalten.
Auch der Spannungsabfall für
jede Durchgangsleitungs-Struktur wird reduziert, was zu einer verbesserten
elektrischen Verbindung mit dem Chip führt. Außerdem können die gefüllten, ebenen
Durchgangsleitungsverbindungen als Elektroden verwendet werden,
um Chip-Scale-Packages (CSPs) zu verbinden, die feine Pitch-Rrray-Elektroden
aufweisen.
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Die
Methode der gefüllten
Durchgangsleitungsverbindung führt
zu feineren Verbindungen im Vergleich zu anderen Techniken zur Ausbildung
von Durchgangsleitungen, die lichtbeständige diektrische Polymere
verwenden, da die gefüllten
Durchgangsleitungen durch einen Eloxiervorgang gebildet werden,
wobei sie ein lichtbeständiges
Material verwenden, welches im Vergleich zu lichtbeständigen dielektrischen
Harzen eine hervorragende Auflösung
bietet, die in herkömmlichen
gefüllten
und ungefüllten
Techniken zur Bildung von Durchgangsleitungen angewandt werden.
Der Eloxiervorgang erlaubt zudem eine sehr gute Kontrolle im Hinblick
auf die Form der Durchgangsleitung. Bei diesem Verfahren sind Durchgangsleitungen
und Leiter praktisch rechtwinklig zur Oberflächenschicht. Es gilt außerdem zu
beachten, dass Harze, die normalerweise nicht verwendet werden,
aber die gute Leistungseigenschaften aufweisen, wie beispielsweise
Hitzebeständigkeit,
dielektrische Eigenschaften und niedrige Kosten, als dielektrisches
Filmmaterial verwendet werden können,
da eine Photolithographie des dielektrischen Films nicht erforderlich
ist.
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Schließlich wird
in der gesamten Struktur eine gleichbleibende Dicke der Durchgangsleitungen
erreicht, da auf Galvanisierungsverfahren verzichtet wird. Dies
erlaubt die Herstellung einer sehr ebenen dielektrischen Oberfläche, die
eingebettete, oben freigelegte, gefüllte Durchgangsleitungen oder
Kontaktstellen enthält.
Die planarisierte Oberfläche
erhöht
die Ausbeute des nächsten
lithographischen Schrittes, und die gefüllten Durchgangsleitungen erhöhen die
Funktionssicherheit von kleinen Zwischenverbindungen. Dank der Ersetzung
des Galvanisierungsverfahrens durch Aufdampf- und Eloxierverfahren
zur Bildung von Leitern und Durchgangsleitungen wird zudem die Gesamtmenge
von umweltschädlichen
Chemikalien reduziert.
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Ein
Blick auf 5 zeigt den schematischen Querschnitt
eines Multi-Chip-Moduls, Typ D (MCM-D) 130, das gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gebaut und betriebsfähig ist. MCM-D 130 umfasst
eine Aluminium-Basis 132, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorgefertigt ist, die weiter unten beschrieben wird.
Aluminium-Basis 132 umfasst eine ebene Schicht aus dielektrischen
Polymermaterial 134, wie weiter unten definiert, und eine
Vielzahl von gefüllten
Aluminium-Durchgangsleitungen 136, die an der Oberfläche freigelegt
sind. Aluminium-Basis 132 dient als Basisschicht für das MCM-D.
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Auf
Aluminium-Basis 132 wird eine Adhäsionsschicht aus Metall 138 (Titan)
gedampft. Auf Adhäsionsschicht 138 wird
eine erste schützende
Metallschicht 140 (Tantalum) gedampft. Eine erste Schicht
aus Aluminiumleitern 142 wird auf der ersten schützenden
Metallschicht 140 gebildet. Die erste Schicht 142 dient
der Stromversorgung des Moduls. Eine erste Schicht aus Aluminium-Durchgangsleitungen 144 wird
auf der ersten Schicht aus Aluminiumleitern 142 gebildet,
mit einer unmittelbar dazwischen liegenden schützenden Metallschicht 146.
Ein dielektrisches Polymermaterial 148 umgibt und isoliert
die Aluminium-Durchgangsleitungen 144 und die Leiter 142.
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Auf
dem dielektrischen Polymermaterial 148 und auf der Oberfläche von
Durchgangsleitungen 144 wird eine zweite Schicht von Leitern 150 gebildet.
Eine zweite Schicht aus Adhäsionsmetall 152 wird
zwischen das dielektrische Polymermaterial 148, die Durchgangsleitungen 144 und
die Leiter 150 aufgedampft; anschließend wird eine dritte Schicht
aus Schutzmetall 154 aufgedampft. Weitere Schichten aus
Durchgangsleitungen 156 und Leitern 158 werden
aufgetragen, jeweils mit einer Schicht aus Schutzmetall 160 unter
jeder über
den Leitern befindlichen Durchgangsleitung, und Schichten aus Adhäsionsmetall 162 und
Schutzmetall 164 unter jedem Leiter und über dem
dielektrischen Material und Durchgangsleitungen. Leiterschichten 150 und 158 dienen
als Signalleiter für
das Modul.
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Auf
der ebenen Oberfläche 170 der
Verbindungsstruktur des MCM-D 130 befindet sich eine Kontaktstellen-Schicht
aus Leitern 172, an denen mehrere Chips 173 befestigt
sind, wie beispielsweise durch Chip-Haftmittel 174. Eine
Chip-Verbindung 176 verkoppelt
Chip 173 und Kontaktstelle 172 miteinander. In
dieser Ausführungsform
dienen Durchgangsleitungen 180 als thermische Durchgangsleitungen,
die für
eine Wärmeabfuhr
vom Chip zur Basis der Struktur sorgen, während Durchgangsleitungen 182 als
logische Durchgangsleitungen dienen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die Aluminiumbasis gemäß den in 6a bis 6f erläuterten
Schritten vorgefertigt. Wie in 6a zu
sehen ist, wird in diesem Verfahren eine polierte, einseitig durch
ein Polymer 202 geschützte
Aluminiumlegierung 200 von der anderen Seite aus mit einem
Schutzmetall 204 wie beispielsweise Tantalum beschichtet.
Das Metall kann durch Aufdampfen oder Zerstäubung aufgetragen werden, um
eine Dicke von 800 Å bis
1000 Å zu
erreichen. Anschließend
wird ein lichtbeständiges
Material 206 auf die Oberseite des Schutzmetalls 204 aufgetragen,
und Durchgangsleitungen 208 werden strukturiert und entwickelt
(6b). Beim nächsten
Schritt (6c) wird das freiliegende Schutzmetall 204 geätzt, und
das lichtbeständige
Material wird freigelegt.
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Nach
dieser Phase wird die Struktur einem porösen Eloxierverfahren unterzogen
(6d). Die bevorzugten Parameter dieses Basis-Eloxiervorganges
werden in Tabelle 3 beschrieben.
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Tabelle 3: BASIS-ELOXIERVORGANG
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- Lösung:
Oxalsäure – 40 g/l ± 1 g/l
Zitronensäure – 20 g/l ± 1 g/l
Borsäure – 16 g/l ± 0.5 g/l
- Kathode: SS 316
- Anode: Fixiertes Substrat
- Arbeitsparameter:
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Die
Spannung wird stufenweise erhöht,
bei konstantem Gradient von 1 bis 2 V/sec. von 0 bis zur gewünschten
Stromstärke,
bei der das Eloxieren stattfindet. Das Verfahren wird bei konstantem
Strom durchgeführt,
wobei die Spannung allmählich
steigt. Sobald die gewünschte
Eloxiertiefe erreicht ist (normalerweise bei 5 bis 10 μm), wird
der Eloxiervorgang beendet (6d),
und der Film aus porösem
Aluminiumoxid 210 wird selektiv mit der in Tabelle 2 beschrieben
Lösung
weggeätzt
(6e).
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Im
nächsten
Schritt wird ein polymerischer dielektrischer Film 212 aufgetragen,
der auf die Durchgangsleitungen 208, die Basis 200 und
das Schutzmetall 204 gelegt wird. Anschließend wird
die Dielektrik entfernt, wobei die Durchgangsleitungen mit dem Aluminium-Material
der Basis verbunden werden (6f).
Sobald die Durchgangsleitungen freigelegt sind, ist die Vorbereitung
des Basismaterials abgeschlossen.
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Die
Verwendung einer auf diese Weise vorbereiteten Aluminium-Basis in
einer MCM-D-Struktur, mit gefüllten
Aluminium-Durchgangsleitungen, die den ganzen Weg von der Oberfläche der
Struktur bis zur Basis verlaufen, führt zu einer verbesserten Wärmeabfuhr,
was wegen der von Halbleitergeräten
erzeugten Hitze von Vorteil ist.
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Gemäß einer
bevorzugten alternativen Ausführungsform
der Erfindung, die in 7 zu sehen ist, kann die mehrstufige
elektronische Verbindungsstruktur der Erfindung in einem so genannten "built-up circuit" 220, in
dem die Basis 222 eine gedruckte Leiterplattenbasis ist.
Diese Ausführungsform
ist nahezu identisch mit der in 3, abgesehen
von der Basis.
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Eine
gedruckte Leiterplattenbasis für
den Gebrauch als Basismaterial für
eine MCM-D-Konstruktion kann folgendermaßen vorbereitet werden, wie
in 8a bis 8f zu
sehen. Bekanntermaßen
wird eine herkömmliche,
gedruckte Mehrlagen-Leiterplattenbasis 224,
die Schichten von Leitern 226 mit einschließt, welche
von dielektrischem Polymermaterial 228 umgeben sind, bis
zur Phase des externen Bearbeitens der Schicht mit herkömmlichen
Produktionstechniken hergestellt (8a).
In dieser Phase verfügt
die Platte über zwei
externe Metallschichten 230 und 230', die sich gut für die Vorbereitung
als Basis für
eine mehrstufige Zwischenverbindungsstruktur eignen.
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Die
Platte 224 wird für
die Verbindung von Durchgangsleitungen (8b)
durchbohrt, und die Löcher 232 werden
wie in einem Galvanisierungsverfahren mit Kupfer 234 überzogen
und gefüllt
(8c). Restkupfer 236 auf den Durchgangsleitungen
wird poliert (8d), und eine externe Metallschicht 230 wird
mit lichtbeständigem
Material strukturiert. Die externe Metallschicht 230 wird
geätzt,
um so genannte "Kontaktstellen" 238 zu schaffen
(8e). Die Oberfläche der Leiterplattenbasis 224 und
die Absorptionsflächen
aus Kupfer 238 sind mit dielektrischem Material 240 überzogen,
am besten mit einem dielektrischem Polymermaterial wie oben beschrieben,
und dieses Material wird daraufhin rückgeätzt, bis die Absorptionsflächen freiliegen (8f).
In dieser Phase ist die Leiterplattenbasis einsatzbereit für das in 4a bis 4k beschriebene Verfahren,
und eine erste Schicht aus Titan, gefolgt von einer Schicht aus
Tantalum und einer ersten Schicht aus Aluminiumleitern kann darauf
gebildet werden.
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Wenn
die gewünschte
Anzahl an dünnen
Filmschichten erreicht ist, kann die auf dem Boden befindliche Vollkupferschicht 230 wie
beschrieben verarbeitet werden, um einen weitere Reihe von dünnen Filmschichten
zu erzeugen, oder kann auf herkömmliche
Weise bedruckt und geätzt
werden, um Leiter und Kontaktstellen für das nächste Konstruktionsebene zu
erzeugen.
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Wie
leicht ersichtlich ist, ist die Erfindung nicht auf obige Anwendungen
begrenzt, die lediglich als Beispiel dienen. Vielmehr ist die Erfindung
ausschließlich
durch die folgenden Patentansprüche
begrenzt.
