FI114607B - Monikerrosjohdinlevyjä ja multichipmoduulisubstraatteja sekä menetelmä niiden valmistamiseki - Google Patents

Description

114607

Monikerrosjohdinlevyjä ja multichipmoduulisubstraatteja sekä menetelmä niiden valmistamiseksi

Keksintö koskee monikerrosjohdinlevyjä ja multichip-5 moduulisubstraatteja, joissa on ainakin yksi kerrosmainen yhdistelmä korkeassa lämpötilassa stabiilista muovista ja metallisista johdinradoista, sekä menetelmää niiden valmistamiseksi .

Multichipmoduulit (MCM) ovat rakenneosia, jotka 10 liittävät mikropiirejä kuten muisti- ja logiikkarakenneosia keskenään ja ympäristöön; tällöin syntyvät lyhennetyt virran kulkureitit tekevät mahdolliseksi lyhyemmät signaalin kulkuajat ja korkeamman kellotaajuuden. Multichipmoduuleja valmistetaan monikerrostekniikkaa käyttäen, jolloin subst-15 raattimateriaalina voidaan käyttää keraamista materiaalia tai piitä. Substraattina voivat lisäksi toimia myös kytken-tälevyt, joilla - samoin kuin keraamisilla materiaaleilla voi olla monikerrosrakenne. Varsinainen substraatilla oleva mikrojohdotus (25 ja sitä useampaan johtavaan kerrok-20 seen asti) koostuu kuparijohtimista, jotka on eristetty toisistaan orgaanisella dielektrisellä materiaalilla kuten polyimidillä. Kytkennät kuparisista johdinratatasoista seu-raaviin sitovat yksittäiset kuparikerrokset sähköisesti ; (katso "IEEE Spectrum", vuosikerta 27 (1990), nro 3, sivut \ 25 34 - 36, 46 - 48; "The International Journal for Hybrid ,,:; Microelectronics", vuosikerta 13 (1990) nro 4, sivut 91 - 99; "VDI Berichte" nro 933 (1991), sivut 265 - 283).

• Orgaaniset dielektriset aineet sallivat - matalampi- .en dielektrisyysvakioiden vuoksi - korkeammat kellonopeudet 30 kuin keraamiset eristyskerrokset; tulevaisuudessa vaaditaan kuitenkin suurempia kellonopeuksia. Ennen kaikkea käytetään '!!. korkeassa lämpötilassa stabiileja orgaanisia polymeerejä "/ kuten polyimidejä ja polybentsosyklobuteeneja, koska ; '*· nämä vastaavat suuressa määrin sähköisiä vaatimuksia 35 2 114607 (matalat dielektrisyysvakiot, pieni häviökulma) ja termisiä vaatimuksia (stabiilisuus juotosprosesseissa).

Korkeassa lämpötilassa stabiileilla orgaanisilla dielektrisillä aineilla kuten polyimideillä on tosin sel-5 lainen ominaisuus, että ne sitovat ympäristön kosteudesta noin 4 massaprosenttiin saakka vettä (A. Hammerschmidt et ai., 1st European Technical Symposium on Polyimides, 10.11. toukokuuta 1989, Montpellier, Ranska). Tämä vaikuttaa kuitenkin haitallisesti sähköisiin ominaisuuksiin, 10 ennen kaikkea dielektrisyysvakioihin. Tämä taas johtaa kokonaisrakenteen kytkentäkäyttäytymisen (kellotaajuus) huononemiseen. Lisäksi kosteus voi saattaa alkuun korroosio-tapahtumia multichipmoduulin sisäosassa tai nopeuttaa niitä.

15 Nykyisin orgaanisia dielektrisiä aineita sisältä ville multichipmoduuleille ei levitetä mitään kosteussul-kuja. Käytettäessä kapselointia, sijoittamalla ilmastoiduille alueille ja käyttämällä kerrospaksuuksia korkeintaan 60 pm kerrosta kohti kosteussulku ei nimittäin ole 20 ehdottoman välttämätön. Uusissa rakennesuunnitelmissa, joissa dielektrisen aineen kerrospaksuus on 15 - 20 pm kerrosta kohti, sekä low-cost-sovelluksissa sellainen suoja on kuitenkin välttämätön.

Monikerrosrakenteissa olevissa integroiduissa pii-25 reissä, joissa on orgaanisia dielektrisiä aineita (kor-’ keintaan 3 johdinratatasoa; dielektrisen aineen kerrospak- *; suus: 1 - 2 pm), - kosteudenvaihteluiden yhteydessä esiin tyvien dielektristen muutosten alentamiseksi - tasomaiset dielektriset aineet peitetään kosteussulkuna toimivalla V 30 piinitridistä olevalla kerroksella, niin kutusutulla plas- manitridillä (katso: ammattialan päivät "Polymerwerkstoffe fiir die Elektronik", 14. - 16. lokakuuta 1987, Wurzburg, ; raportti (1987), sivut 153 - 165). Piinitridillä on kui tenkin se haitta, että se on jopa kerrospaksuuksilla alle • 35 0,25 pm hauras. Sitä paitsi piinitridin vaaditun rakenteen ‘ » 3 114607 muodostamiseksi (kontaktireittien saamiseksi esiin) täytyy käyttää toista syövytysprosessia (fluorietsaus) kuin sen alla olevan orgaanisen dielektrisen materiaalin kuten po-lyimidin muokkaamiseksi on tarpeen (02/RIE tai märkä-5 etsaus).

Piinitridiin liittyvien haittojen välttämiseksi on jo tunnettua käyttää integroiduissa piireissä päällysteenä amorfista vetypitoista hiiltä (katso EP-OS 0 381 109). Puristusjännityksen seurauksena voi kuitenkin tällöin ilmetä 10 jotain epäedullista vaikutusta.

Keksinnön tehtävänä on saada käyttöön alussa mainitun kaltaisia muovikerroksia sisältäviä monikerrosjohdin-levyjä ja multichipmoduulisubstraatteja siten, että niissä on tehokas kosteussulku.

15 Tämä saadaan aikaan keksinnön mukaisesti niin, että muovi on varustettu ohuella kerroksella, joka on amorfisesta vetypitoisesta hiilestä (a-C:H), jonka vedenläpäisy-kerroin on < 1,1·10'13 m2/s, ja että a-C:H-kerroksella on kovuuden suhteen gradientti.

20 Keksinnön mukaisilla monikerrosjohdinlevyillä ja multichipmoduulisubstraateilla on aineiden suhteen säännölliset, huokosettomat a-C:H-kerrokset, jotka ovat suuressa määrin vettä läpäisemättömiä. Lisäksi a-C:H-kerrok-sille on tunnusomaista hyvä tarttuvuus korkeassa lämpöti-, 25 lassa stabiileihin polymeereihin ja niillä voi olla omi nais johtavuus arvoon 1018 fi»cm asti sekä optinen vyöhyke-• · ero välillä 1 - 2,7 eV. Toinen a-C:H-kerrosten ero on muo- '. '1 kattavuudessa. Piinitridiin verrattuna amorfisen vetypi- : toisen hiilen yhteydessä voidaan käyttää samaa prosessia v : 30 kuin muotoiltaessa sen alla olevaa dielektristä materiaa lia (piipitoinen fotolakka - 02/RIE).

•· Puristusjännityksen epäedullinen vaikutus voidaan . minimoida a-C:H-kerrosten kovuusgradientin avulla, jolloin a-C:H-kerroksen muovikerrokseen rajoittuva alue on pehme- 35 ämpi kuin ulkokerros eli sillä on pienempi kovuus. Tällöin

I I

| I I

» * t · » 4 114607 pehmeämpi alue, joka koostuu polymeerimäisestä a-C:H:sta, toimii jännityspuskurina kovemmalle a-C:H-kerroksen alueelle.

Erityisen edullisesti a-C:H-kerroksilla on kovuus-5 gradientti kova-pehmeä-kova. Muovikerrokseen rajoittuvalla alueella on siten suurempi kovuus kuin välittömästi seuraa-valla alueella. Tämän alemman kovemman alueen avulla saavutetaan sisäinen sitoutuminen a-C:H-kerroksen ja muovikerroksen välillä, eli tämä alue toimii tarttumista edistävänä ίο aineena.

Tavallisesti a-C:H-kerrosten paksuus on noin 0,1-5 im. Yksittäisillä alueilla on gradienttijärjestyksestä (pehmeä-kova tai kova-pehmeä-kova) riippumatta edullisesti seuraavat paksuudet: 15 - alempi kova alue: 5 - 100 nm - pehmeä alue: 100 - 1 000 nm - ylempi kova alue: 200 - 4 000 nm.

Muovikerrokset koostuvat tavallisesti polyimidistä tai polybentsoksatsolista.

20 Monikerrosjohdinlevyjen ja multichipmoduulisubst raattien valmistamiseksi keksinnön mukaan muovikerrokselle eli kerrosmaisen muovi/johdinratayhdistelmän muoville saos-tetaan kaasumaisten hiilivetyjen suurtaajuusplasmasaostuk-sen avulla ohut a-C:H-kerros, jolla on kovuusgradientti.

25 Edullisesti plasmasaostaminen tapahtuu radiotaajuuden i > avulla (RF) eli alueella 0,1 - 100 MHz. Saostaminen voi kuitenkin tapahtua myös mikroaaltojen avulla eli alueella '.· / 0,1 - 1 000 GHz.

·;;/ Kaasumaisina hiilivetyinä toimivat edullisesti joko ’ 30 alkaanit eli tyydyttyneet alifaattiset hiilivedyt kuten metaani, etaani ja propaani tai aromaattiset hiilivedyt kuten bentseeni ja bentseeni johdokset ja silloin höyry- • * · maisessa tilassa. Lisäksi voidaan käyttää myös alkeeneja ja ;·. alkyynejä kuten eteeniä ja propeenia tai asetyleeniä i · t 35 (etyyni) eli tyydyttymättömiä alifaattisia hiilivetyjä ja » · i · · i · · I » · · if»»· 5 114607 lisäksi myös sykloalkaaneja eli tyydyttyneitä syklisiä hiilivetyjä kuten sykloheksaania.

Saostuneiden a-C:H-kerrosten kovuutta eli kovuus-gradienttia säädetään suurtaajuusteholla eli esijännit-5 teellä. Sitä varten säilytetään gradientin muuttumisesta riippumatta seuraavat saostusolosuhteet:

- alempi kova alue: -400 - -1 200 V

- pehmeä alue: -100 - -200 V

- ylempi kova alue: -400 - -900 V.

10 Tarttumista edistävän a-C:H-kerroksen alemman kovan alueen saostamiseksi työskennellään lyhyt aika saostusolo-suhteissa, joissa erottuu suuren energian omaavia ioneja, esimerkiksi n. 10 s käyttäen jännitettä noin -900 V. Keskimmäisen pehmeän alueen erottuminen tapahtuu sitten ar-15 voila noin -150 V ja ylemmän kovan alueen erottuminen ar volla noin -450 V - noin -800 V.

Edullisesti ennen a-C:H-erotusta voidaan argon- tai happiplasman avulla toteuttaa pinnan esikäsittely, joka toimii tartunnan edelleen parantamiseksi. Argonesikäsitte-20 ly tapahtuu edullisesti esijännitteellä -500 - -1 200 V 2 - 180 s, happiesikäsittely edullisesti esijännitteellä -500 - -1 000 V 1 - 20 s. Käsittely argonplasmassa toteu tetaan esimerkiksi arvolla noin -900 V 30 s, käsittely happiplasmassa esimerkiksi arvolla noin -800 V 10 s.

25 a-C:H-kerrosten valmistaminen voidaan toteuttaa • * ' / esimerkiksi RF-herätteisesä plasmaerotuslaitteistossa, « t · jossa on yhdensuuntainen levyjen sijainta. Tähän laitteis-*: toon johdetaan metaania (CH4) reaktiokaasuksi käyttäen pai- : netta 0,2 baaria. Päällystettävä MCM-substraatti on pie- V : 30 nemmällä kahdesta elektrodista (katodi), joka on liitetty sovitusyksikön kautta suurtaajuuslähettimeen (13,56 MHz).

·; Elektrodien pinta-alasuhde (katodi:anodi) on alle 0,5.

Aineella a-C:H päällystämistä varten valitaan en-,.· sin - 10 sekunnin kestolle - erotusteho, joka antaa esi- • " 35 jännitteen -900 V; tällöin syntyy kovempi a-C:H. Sen jäi- t · f » t i i » * > I • t 6 114607 keen tehoa pienennetään niin paljon, että esijännitteeksi asettuu arvo -150 V. Noin 12 minuutin kuluttua syntyvän pehmeän a-C:H:n kerrospaksuus on n. 0,2 pm. Sitten teho nostetaan esijännitteen arvoon -800 V. Tällä teholla ero-5 tetaan taas kovempi a-C:H, jonka paksuus on 0,5 pm, noin 7 minuutin aikana. Tällä a-C:H-alueella vedenläpäisevyysker-roin on pienempi kuin 1,1·10"13 m2/s ja alue on veden suhteen hyvin tiivis.

Substraattien esikäsittely tapahtuu tarkoituksenmu-10 kaisesti samassa laitteistossa. Sitä varten johdetaan argonia tai happea paineessa 0,2 baaria ja plasma sytytetään esimerkiksi arvolla -800 V; kesto: 120 s argonilla, 20 s hapella. Argonplasmassa tapahtuvan esikäsittelyn yhteydessä ilman suurtaajuuslähettimen poiskytkemistä seuraavaksi 15 pysäytetään argonvirtaus ja johdetaan samanaikaisesti metaania, jolloin läpivirtaus säädetään sellaiseksi, että paine asettuu arvoon 0,2 baaria. Työskenneltäessä happi-plasmaa käyttäen esikäsittelyn päätyttyä keskeytetään hap-pivirtaus, sitten evakuoidaan paineeseen n. 10'3 mbar ja 20 sen jälkeen sisään johdetaan metaania paineessa 0,2 baaria.

» · i * * i » • · > » » · · I t

Claims (7)

114607

1. Monikerrosjohdinlevyjä ja multichipmoduulisubst-raatteja, joissa on ainakin yksi kerrosmainen yhdistelmä 5 korkeassa lämpötilassa stabiilista muovista ja metallisista johdinradoista, tunnettuj a siitä, että muovi on varustettu ohuella kerroksella, joka on amorfisesta vetypi-toisesta hiilestä (a-C:H), jonka vedenläpäisykerroin on < 1,1-10'13 m2/s, ja että a-C :H-kerroksella on kovuuden 10 suhteen gradientti.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukaisia monikerrosjohdin-levyjä ja multichipmoduulisubstraatteja, tunnettu j a siitä, että amorfisen vetypitoisen hiilen kerrosgra-dientti on kova-pehmeä-kova.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukaisia monikerros- johdinlevyjä ja multichipmoduulisubstraatteja, tunnettuj a siitä, että a-C:H-kerroksen paksuus on 0,1 -5 μπι.

4. Menetelmä jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mu-20 kaisten monikerrosjohdinlevyjen ja multichipmoduulisubstraattien valmistamiseksi, tunnettu siitä, että kerrosmaisen muovi/johdinrata-yhdistelmän muoville saoste-taan kaasumaisten hiilivetyjen suurtaajuusplasmasaostuksen avulla ohut a-C:H-kerros, jolla on kovuusgradientti.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että plasmasaostus tapahtuu radiotaajuu-j den avulla. : ; 6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiilivetyinä käytetään al-30 kaaneja tai aromaattisia hiilivetyjä.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 4-6 mukainen mene-telmä, tunnettu siitä, että ennen a-C :H-saostusta suoritetaan pintakäsittely argon- tai happiplasmassa. t · I · a 114607