JPH02188481A - Method for metallizing aln ceramics - Google Patents

Method for metallizing aln ceramics

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JPH02188481A
JPH02188481A JP717789A JP717789A JPH02188481A JP H02188481 A JPH02188481 A JP H02188481A JP 717789 A JP717789 A JP 717789A JP 717789 A JP717789 A JP 717789A JP H02188481 A JPH02188481 A JP H02188481A
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JP
Japan
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inert gas
layer
ceramics
metallized layer
ions
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Application number
JP717789A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshinao Kato
加藤 由尚
Norio Sugiyama
杉山 範雄
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Nissin Electric Co Ltd
Original Assignee
Nissin Electric Co Ltd
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    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/51Metallising, e.g. infiltration of sintered ceramic preforms with molten metal
    • C04B41/5127Cu, e.g. Cu-CuO eutectic
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00Printed circuits
    • H05K1/02Details
    • H05K1/03Use of materials for the substrate
    • H05K1/0306Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05K3/10Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
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Abstract

PURPOSE:To improve the adhesive strength of a metallizing layer to AlN ceramics by forming the layer on the surface of the ceramics by the vapor deposition of Cu and irradiation with ions of an inert gas. CONSTITUTION:Cu is evaporated from an evaporating source 5 and deposited on an AlN ceramic substrate 1 set in a vacuum chamber 2. At the same time, the substrate 1 is irradiated with ions of an inert gas 6 from an ion source 4. This inert gas 6 is selected among He, Ne, Kr, Xe and N2. A Cu metallizing layer is formed on the surface of the AlN ceramic substrate.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ハイブリッドIC回路基板やプリント基板
などで好適に実施されるAI!Nセラミックスのメタラ
イズ方法に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention is an AI! The present invention relates to a method of metallizing N ceramics.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

シリコンICの小型化、高密度化に伴って、ハイブリッ
ドIC回路やプリント基板においても素子を高密度に実
装する技術が進展してきている。
As silicon ICs become smaller and more dense, technology for mounting elements in hybrid IC circuits and printed circuit boards at a higher density is progressing.

最近では、配線を立体的に行ったり、また素子を三次元
的に実装する技術なども提案されている。
Recently, techniques have been proposed for wiring three-dimensionally and for mounting elements three-dimensionally.

このように素子が高密度に実装されるに伴って、集積回
路素子、抵抗素子、および配線導体からの発熱対策が重
要な問題となっている。
As elements are mounted in such a high density, countermeasures against heat generation from integrated circuit elements, resistive elements, and wiring conductors have become an important issue.

プリント基板などの材料には従来からA P、 t O
c(アルミナ)が用いられてきているが、このAI!t
Osは熱伝導性が低く (20W/mK) 、このため
素子などからの熱を良好に放散させることができない。
Conventionally, materials such as printed circuit boards are made using A P, t O
c (alumina) has been used, but this AI! t
Os has low thermal conductivity (20 W/mK), and therefore cannot dissipate heat from elements etc. well.

このA j! t O3に代わる基板材料として、その
良好な熱伝導性のためにAI!、Nセラミックスが注目
されている。/INセラミックスとAf、O,との主要
な特性は下記第1表に示されている。
This A j! As an alternative substrate material to tO3, AI due to its good thermal conductivity! , N ceramics are attracting attention. The main properties of /IN ceramics and Af, O, are shown in Table 1 below.

(以下余白) 第1表 ところがこのAANセラミックスは、その熱膨張率がシ
リコン(熱膨張率は3.6X10−’PC)に近い比較
的小さい値4.4 X 10−’/’Cであり、銅、銀
、金(熱膨張率: 15〜20 X 10−’/’C)
などで表面をメタライズしこのメタライズ層を配線導体
などとする場合に、前記メタライズを高温で行うと、室
温まで冷却する際に熱膨張率の差に起因する歪みが生じ
るという問題がある。さらにこのAffiNセラミック
スは、大多数の金属に対して濡れ性が悪(、メタライズ
が困難である。
(Margin below) Table 1 However, this AAN ceramic has a relatively small coefficient of thermal expansion of 4.4 x 10-'/'C, which is close to that of silicon (coefficient of thermal expansion is 3.6 x 10-'PC). Copper, silver, gold (thermal expansion coefficient: 15-20 x 10-'/'C)
When the surface is metallized and this metallized layer is used as a wiring conductor, etc., if the metallization is performed at a high temperature, there is a problem that distortion occurs due to the difference in coefficient of thermal expansion when cooling to room temperature. Furthermore, this AffiN ceramic has poor wettability with most metals (and is difficult to metalize).

/INセラミックス基板表面のメタライズは従来では、
次の■または■の方法で行われている。
/IN Conventionally, the metallization of the ceramic substrate surface is
This is done using the following methods.

■AffiNセラミックス基板表面を1000″C以上
で酸化させてA l z O’sとし、この酸化層上に
Mo−Mn法などでメタライズ層を形成する。
(2) The surface of the AffiN ceramic substrate is oxidized to Al z O's at 1000''C or higher, and a metallized layer is formed on this oxidized layer by the Mo-Mn method or the like.

■A!NAlミックス基板表面にTiを蒸着し、その上
にptまたはAuを蒸着、熱処理してメタライズ層を形
成する。この方法によればメタライズ層の密着強度は2
〜5kg/sum”程度となると推定される。この密着
強度はもっばら、活性なTiがAlNセラミックス基板
と反応し、またこの基板内に拡散することによってもた
らされている。
■A! Ti is deposited on the surface of the NAl mix substrate, and PT or Au is deposited thereon and heat treated to form a metallized layer. According to this method, the adhesion strength of the metallized layer is 2
It is estimated that the bond strength is about 5 kg/sum. This adhesion strength is mainly caused by active Ti reacting with the AlN ceramic substrate and diffusing into the substrate.

〔発明が解決しようとする課朋〕[The problem that the invention aims to solve]

ところが上記■の方法では、1000 ’C以上の高温
プロセス処理を伴うためコスト高となる問題があるとと
もに、Mo−Mn法ではMoとMnとの混合粉末をペー
スト化したものをA2Nセラミックス基板表面に塗布し
た後に過湿した水素雰囲気中で1500″C程度に加熱
する必要があるので、上述の熱膨張率の差に起因する歪
みが生じて歩留りが悪くなり、結果としてコストを増大
させてしまう。
However, method (2) above involves a high-temperature process treatment of 1000'C or more, which leads to high costs, and the Mo-Mn method involves applying a paste of mixed powder of Mo and Mn to the surface of the A2N ceramic substrate. After coating, it is necessary to heat the coating to about 1500''C in a superhumidified hydrogen atmosphere, which causes distortion due to the above-mentioned difference in thermal expansion coefficients, resulting in poor yield and, as a result, increased costs.

また上記■の方法では、TiをAffiNセラミンクス
と反応させ、またAffiNセラミックス基板内に拡散
させるための熱処理(300〜500’C)が必要であ
り、やはり熱膨張率の差に起因する歪みが生じる。さら
にTiに対しては半田付けやろう付けができないため、
上述のように高価なptやAuの蒸着を行うようにして
おり、このためコストの増大を招くこととなる。
In addition, method (2) above requires heat treatment (300 to 500'C) to react Ti with AffiN ceramics and diffuse it into the AffiN ceramic substrate, which also causes distortion due to the difference in thermal expansion coefficient. . Furthermore, since soldering or brazing cannot be applied to Ti,
As mentioned above, expensive PT and Au are vapor-deposited, resulting in an increase in cost.

室温付近でメタライズを行う代表的な技術として、無電
界めっき法があるが、この無電界めっき法ではAlNセ
ラミックス基板に対するメタライズ層の密着強度が高々
2kg/11111z程度と低く、信鎖性が悪くまた歩
留りも悪い。
Electroless plating is a typical technique for metallizing near room temperature, but in this electroless plating method, the adhesion strength of the metallized layer to the AlN ceramic substrate is as low as 2 kg/11111z, and the chain properties are poor and Yield is also poor.

上述の諸問題を解決するために、本件発明者らは先に特
願昭63−254531号において、高温処理を含まず
に、Cuメタライズ層を/INセラミックス基板表面に
比較的高い密着強度を有して形成する方法を提案してい
る。この方法はCuの蒸着とともにAffiNセラミッ
クス基板表面に向けてArイオンを照射し、AffiN
セラミックス基板表面でこのAlNセラミックス基板材
料と前記蒸着されるCuとArとの混合層を形成するよ
うにして、この混合層の働きによってメタライズ層をA
1.Nセラミンクス基板表面に強固に密着させようとす
る方法である。ところがこの方法では、室温以下で前記
Arイオンを基板表面に向けて過剰(10”個/cm”
以上)に照射すると、基板表面と金属層(Cu蒸着層)
との界面にArガスが残留する。このためたとえばメタ
ライズしたAlNセラミックス基板をプリント基板など
として用いた場合において、このプリント基板に実装し
た素子などの発熱により前記残留するArガスが拡散し
てボイドを形成し、メタライズ層の劣化を招くこととな
る。このためメタライズ層の密着強度は前記ボイドが形
成されないArイオンの照射量によって規定され、必ず
しも所望の密着強度を得ることができないという問題が
あった。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors previously proposed in Japanese Patent Application No. 63-254531 a Cu metallized layer with relatively high adhesion strength to the surface of a /IN ceramic substrate without high-temperature treatment. We propose a method for forming This method involves irradiating Ar ions onto the surface of the AffiN ceramic substrate while depositing Cu.
A mixed layer of this AlN ceramic substrate material and the vapor-deposited Cu and Ar is formed on the surface of the ceramic substrate, and the metallized layer is heated by the action of this mixed layer.
1. This is a method to firmly adhere to the surface of the N-ceraminx substrate. However, in this method, the Ar ions are directed to the substrate surface in excess (10"/cm") at room temperature or below.
When irradiating the above), the substrate surface and the metal layer (Cu vapor deposited layer)
Ar gas remains at the interface. For this reason, for example, when a metallized AlN ceramic substrate is used as a printed circuit board, the residual Ar gas diffuses due to heat generated by elements mounted on the printed circuit board, forming voids, and causing deterioration of the metallized layer. becomes. For this reason, the adhesion strength of the metallized layer is determined by the amount of Ar ion irradiation at which the voids are not formed, and there is a problem in that it is not always possible to obtain the desired adhesion strength.

この問題を解決する方法として、前記Arイオン照射に
代えて、金属(Aj!、Ti、Crなど)イオンの照射
を行うことが考えられるが、現在のところ工業的に実用
に耐える金属イオン源は開発されていない。
One possible way to solve this problem is to irradiate metal (Aj!, Ti, Cr, etc.) ions instead of the Ar ion irradiation, but at present there are no industrially practical metal ion sources. Not developed.

この発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、メタラ
イズ層の密着強度を向上することができるAffiNセ
ラミックスのメタライズ方法を提供することである。
An object of the present invention is to provide a method for metallizing AffiN ceramics that can solve the above-mentioned technical problems and improve the adhesion strength of the metallized layer.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

この発明のAlNセラミックスのメタライズ方法は、C
uの蒸着と、不活性ガス群He、Ne。
The method of metallizing AlN ceramics of this invention is based on C
evaporation of u and inert gas group He, Ne.

K r、 X e、 Ntから選んだ1または2以上の
不活性ガスイオンの照射とを併用して前記Af!、Nセ
ラミックス表面にメタライズ層を形成することを特徴と
する。
The above-mentioned Af! , is characterized by forming a metallized layer on the surface of N ceramics.

(作用〕 この発明の構成によれば、Cuの蒸着と、不活性ガス群
He、Ne、Kr、Xe、Nzから選んだ1または2以
上の不活性ガスイオンの照射とを併用することよりAl
Nセラミックス表面にメタライズ層が形成される。すな
わちAr以外の不活性ガスイオンがAlNセラミックス
に向けて照射される。
(Function) According to the configuration of the present invention, by using the vapor deposition of Cu in combination with the irradiation of one or more inert gas ions selected from the inert gas group He, Ne, Kr, Xe, and Nz, Al
A metallized layer is formed on the N ceramic surface. That is, ions of an inert gas other than Ar are irradiated toward the AlN ceramics.

AfiNセラミックスには前記蒸着されるCuが不活性
ガスイオンによっていわば押し込まれ、そのようにして
AlNセラミックス表面に、このAlNセラミックスと
Cuと前記不活性ガスとの混合層を有するメタライズ層
が形成される。前記混合層は前記AffiNセラミック
スに対して充分な密着強度を有することができ、したが
って前記メタライズ層は全体として充分強固にAlNセ
ラミックス表面に密着することとなる。
The deposited Cu is pushed into the AfiN ceramics by inert gas ions, and in this way, a metallized layer having a mixed layer of the AlN ceramics, Cu, and the inert gas is formed on the surface of the AlN ceramics. . The mixed layer can have sufficient adhesion strength to the AffiN ceramics, so that the metallized layer as a whole adheres sufficiently firmly to the surface of the AlN ceramics.

上述のようなメタライズのプロセスは室温で行われ、し
たがってメタライズ層の材料となるCuとAlNセラミ
ックスとの熱膨張率の差に起因して、歪みなどが生じる
ことはなく、またメタライズ層の剥離が生じることもな
い。
The above-mentioned metallization process is carried out at room temperature, and therefore distortion does not occur due to the difference in thermal expansion coefficient between Cu and AlN ceramics, which are the materials of the metallized layer, and peeling of the metallized layer does not occur. It never happens.

この発明では、上述のようにAr以外の不活性ガスイオ
ンがAlNセラミックスに照射されるが、たとえばAr
よりも小さな原子半径を有する不活性ガス(Heまたは
Ne)を用いたときには、これらの不活性ガスはArよ
りも拡散速度が大きいので、そのイオンを過剰に照射し
たときにAlNセラミックスとメタライズ層との界面に
残留する不活性ガスは、室温〜100°C程度に加熱す
ることにより容易に散逸し、したがって前記界面にボイ
ドが形成されることを容易に防ぐことができる。
In this invention, as described above, AlN ceramics are irradiated with ions of an inert gas other than Ar.
When using an inert gas (He or Ne) with an atomic radius smaller than the The inert gas remaining at the interface can be easily dissipated by heating from room temperature to about 100°C, and therefore the formation of voids at the interface can be easily prevented.

一方Arよりも大きな原子半径を有する不活性ガスを用
いたときには、これらの不活性ガスはArよりも拡散速
度が小さいので、室温〜100°C程度の加熱では拡散
せず、したがって前記界面にボイドが形成されることは
ない。これにより、前記不活性ガスの照射量を比較的多
くして、前記メタライズ層の所望の密着強度を得ること
ができる。
On the other hand, when an inert gas with a larger atomic radius than Ar is used, these inert gases have a lower diffusion rate than Ar, so they do not diffuse when heated from room temperature to about 100°C, and therefore voids are formed at the interface. is never formed. Thereby, the amount of irradiation of the inert gas can be made relatively large, and the desired adhesion strength of the metallized layer can be obtained.

さらに、たとえばNeイオンを10keν以下の低加速
エネルギーでAlNセラミックスに照射した場合には、
Neイオンの質量がN原子の質量に近いため、AnNセ
ラミックス表面でN原子が選択的にスパッタされ、この
結果AlNセラミックス表面ではAI!、原子が豊富に
存在した状態となり、したがって蒸着されるCuとAl
Nセラミックスとの間の結合力を大きくすることができ
る。
Furthermore, for example, when AlN ceramics is irradiated with Ne ions at a low acceleration energy of 10 keν or less,
Since the mass of Ne ions is close to the mass of N atoms, N atoms are selectively sputtered on the AnN ceramic surface, resulting in AI! on the AlN ceramic surface. , the state is enriched with atoms, and therefore the deposited Cu and Al
The bonding force with N ceramics can be increased.

またたとえばHe、Neなどの軽元素はAffiNセラ
ミ・ンクス表面からの注入深さが比較的大きくなり、こ
れによって前記混合層の層厚を太き(してメタライズ層
の密着強度を向上することができる。また前記混合層の
層厚を大きくすることにより、たとえばAjl!Nセラ
ミックス基板表面をメタライズしてプリント基板などと
して用いる場合の実使用環境における熱サイクルにより
CuとAlNセラミックスとの熱膨張に差が生じても、
この熱膨張の差を前記層厚の大きな混合層で吸収させる
ことができるので、メタライズ層の剥離が防がれる。
In addition, for example, light elements such as He and Ne have a relatively large implantation depth from the surface of AffiN ceramics, which makes it possible to increase the layer thickness of the mixed layer (and improve the adhesion strength of the metallized layer). In addition, by increasing the layer thickness of the mixed layer, for example, when the surface of an Ajl!N ceramic substrate is metalized and used as a printed circuit board, the difference in thermal expansion between Cu and AlN ceramics can be reduced due to thermal cycles in the actual usage environment. Even if
Since this difference in thermal expansion can be absorbed by the thick mixed layer, peeling of the metallized layer is prevented.

[実施例] 第2図はこの発明の一実施例に従う薄膜形成装置の基本
的な構成を示す概念図である。メタライズすべき/IN
セラミンクス基板1は真空チャンバ2内で軸線11まわ
りに回転駆動される試料ホルダ3の表面に固定される。
[Embodiment] FIG. 2 is a conceptual diagram showing the basic configuration of a thin film forming apparatus according to an embodiment of the present invention. Should be metalized/IN
The ceramic substrate 1 is fixed to the surface of a sample holder 3 that is rotated around an axis 11 within a vacuum chamber 2 .

この試料ホルダ3に対向してパケット型イオン源4が設
けられており、中間にはCuを蒸発させるための電子ビ
ーム加熱式蒸発源5が設けられている。
A packet type ion source 4 is provided opposite the sample holder 3, and an electron beam heating type evaporation source 5 for evaporating Cu is provided in the middle.

イオン1II4に備えられたアークチャンバ9内にはA
rガス以外の不活性ガス、すなわち不活性ガス群He、
Ne、Kr、Xe,N2から選んだ1または2以上の不
活性ガスが導入される。アークチャンバ9内では、フィ
ラメント7とプラズマ電極8とでアーク放電を起こさせ
ることにより前記不活性ガスを解離させてプラズマが生
成され、このプラズマから不活性ガスイオンが抑制電極
10および引出電極11によって前記試料ホルダ3に向
けて加速して取り出される。
In the arc chamber 9 provided for the ion 1II4, there is a
Inert gas other than r gas, that is, inert gas group He,
One or more inert gases selected from Ne, Kr, Xe, and N2 are introduced. In the arc chamber 9, an arc discharge is caused between the filament 7 and the plasma electrode 8 to dissociate the inert gas and generate plasma, and inert gas ions are extracted from this plasma by the suppression electrode 10 and the extraction electrode 11. The specimen is accelerated toward the specimen holder 3 and taken out.

12は基板1表面に堆積したメタライズ層の膜厚を測定
するための膜厚モニタであり、13はイオン1jJ、4
からのイオンビームのビーム電流を検出するイオン電流
モニタである。
12 is a film thickness monitor for measuring the film thickness of the metallized layer deposited on the surface of the substrate 1; 13 is a film thickness monitor for measuring ions 1jJ, 4;
This is an ion current monitor that detects the beam current of the ion beam from the ion beam.

このようなFM膜形成装置によって、Ajl!Nセラミ
ックス基板1表面をメタライズするに当たり、Cuを蒸
発源5から蒸発させてこのCuの蒸着を行うとともに、
イオン源4からは前述の不活性ガスイオンを照射する。
With such an FM film forming apparatus, Ajl! In metallizing the surface of the N ceramic substrate 1, Cu is evaporated from the evaporation source 5 and the Cu is deposited,
The ion source 4 irradiates the above-mentioned inert gas ions.

このとき真空チャンバ2内の真空度は10−’Torr
とされ、不活性ガスのガス圧力はI X 10−’〜I
 X 10−’Torrとされる。そして不活性ガスイ
オンの加速エネルギーは10eV〜50keVとされる
。このようにして基Fi1表面にはこの基板1の材料(
AI!、N)とCuと不活性ガスとが混合した混合層が
形成される。
At this time, the degree of vacuum in the vacuum chamber 2 is 10-'Torr.
and the gas pressure of the inert gas is I
X 10-'Torr. The acceleration energy of the inert gas ions is 10 eV to 50 keV. In this way, the material of this substrate 1 (
AI! , N), Cu, and an inert gas are formed.

この混合層が形成される様子が第1図に簡略化して示さ
れており、図中aはAI!、Nセラミックス基板1、b
は前述の混合層、Cは不活性ガスとCUとが混合した蒸
着層である。なおdは不活性ガスイオン、eはCu蒸発
物である。
The formation of this mixed layer is shown in a simplified manner in FIG. 1, where a indicates AI! , N ceramic substrate 1, b
is the above-mentioned mixed layer, and C is a vapor deposited layer in which an inert gas and CU are mixed. Note that d is an inert gas ion and e is a Cu vapor.

任意の速度で蒸発したCu蒸発物eは、10eV〜50
keνで加速された不活性ガスイオンと基板1表面で混
合される。このときCu原子は前記加速された不活性ガ
スイオンによってスパッタされ、もしくは基板1の内部
に押し込まれる。このようにして上述の混合層すが成長
してい(、この混合層すは基板1に対して強固に密着し
、またCu蒸着NCは混合1bに対して強固に密着する
The Cu evaporated material e evaporated at an arbitrary rate is 10 eV to 50
It is mixed with inert gas ions accelerated by keν on the surface of the substrate 1. At this time, Cu atoms are sputtered or pushed into the substrate 1 by the accelerated inert gas ions. In this way, the above-mentioned mixed layer is grown (this mixed layer firmly adheres to the substrate 1, and the Cu vapor-deposited NC firmly adheres to the mixture 1b).

単位時間、単位面積当たりの不活性ガスイオン照射量と
、蒸着されるCu原子数とは、Cuの蒸着速度が不活性
ガスイオンによるCuのスバンタ率よりも僅かに大きく
なるように設定するようにして決定される。これによっ
てCu1lは前記A!Nセラミックス基板1表面で成長
していくこととなる。
The amount of inert gas ion irradiation per unit time and unit area and the number of Cu atoms to be deposited are set so that the Cu deposition rate is slightly larger than the svanta rate of Cu by inert gas ions. Determined by As a result, Cu1l becomes the above-mentioned A! It will grow on the surface of the N ceramic substrate 1.

AlNセラミックス基板lに押し込むべきCu原子数に
は最適値が存在する。この押し込まれるCu原子数は不
活性ガスイオンの加速エネルギーが高いほどカスケード
衝突を起こして増大することとなるが、不活性ガスイオ
ンのエネルギーが過度に高いときには、不活性ガスイオ
ンはCu膜を通過してしまい、Cu原子を基Fi1に押
し込むことはできない。
There is an optimum value for the number of Cu atoms to be injected into the AlN ceramic substrate l. The higher the acceleration energy of the inert gas ions, the more the number of Cu atoms forced into them increases due to cascade collisions, but when the energy of the inert gas ions is excessively high, the inert gas ions pass through the Cu film. Therefore, Cu atoms cannot be pushed into the group Fi1.

基板1表面に対するCuの蒸着と不活性ガスイオンの照
射とは同時に行われてもよく、また交互に行われてもよ
い、すなわちCuの蒸着と不活性ガスイオンの照射とを
併用することによって、基板1に強固に密着した混合層
すの形成が可能となる。
The evaporation of Cu and the irradiation of inert gas ions on the surface of the substrate 1 may be performed simultaneously or alternately, that is, by using the evaporation of Cu and the irradiation of inert gas ions together, It is possible to form a mixed layer firmly adhered to the substrate 1.

混合層すの層厚は不活性ガスイオンが基板1に到達でき
る範囲にとどめ、その後のCu蒸着Ncの層厚は、外部
条件が混合層すに影響しないように500〜10000
人とする。
The thickness of the mixed layer is kept within a range that allows inert gas ions to reach the substrate 1, and the subsequent layer thickness of Cu evaporated Nc is set to 500 to 10,000 to prevent external conditions from affecting the mixed layer.
Be with people.

Cu蒸着Ncは、前記混合層すに強固に密着させて形成
することができ、このCuM着層着層前記混合層すとで
メタライズ層が構成される。このメタライズ層は、基板
1と混合1bとの間、および混合NbとCu蒸蒸着層色
の間でそれぞれ充分な密着強度を有しているので、全体
として基板1に対して強固に密着する。また、このメタ
ライズ層の形成には高温プロセスが含まれておらず、し
たがってAlNとCuなどとの熱膨張率の差に起因する
歪みや、メタライズ層の剥離などが生じることがない。
The Cu evaporated Nc can be formed in close contact with the mixed layer, and the CuM deposited layer forms a metallized layer. This metallized layer has sufficient adhesion strength between the substrate 1 and the mixture 1b, and between the mixed Nb and Cu evaporated layers, so that it is firmly adhered to the substrate 1 as a whole. Further, the formation of this metallized layer does not involve a high-temperature process, so distortion caused by the difference in thermal expansion coefficient between AlN and Cu, etc., and peeling of the metallized layer do not occur.

またAffiNセラミックスは前述のように高い熱伝導
率を有しているので、前記メタライズした基板1をIC
パンケージなどに適用したときには、抵抗素子や半導体
素子および配線導体などからの熱を良好に放散させるこ
とができるようになり、したがって各素子などの機能を
良好に働かせることができる、この結果、特に熱放散性
が重要視される集積回路素子の高集積化を良好に行うこ
とができる。
Furthermore, since AffiN ceramics has high thermal conductivity as mentioned above, the metalized substrate 1 can be used as an IC.
When applied to a pan cage, etc., it becomes possible to effectively dissipate heat from resistance elements, semiconductor elements, wiring conductors, etc., and therefore the functions of each element can be performed well. It is possible to satisfactorily increase the degree of integration of integrated circuit elements in which dissipation is important.

この実施例では、前記不活性ガスはAr以外の不活性ガ
スが用いられるが、たとえばArよりも原子半径が小さ
い不活性ガス(HeおよびNe)ではその拡散速度がA
rよりも大きい、これによって、メタライズ層のA2N
セラミックス基板1への密着強度を向上するために不活
性ガスイオンの照射量を過剰に設定した場合、たとえば
前記照射量を10I′1個/cm”以上とした場合に、
メタライズ層と基板1との界面に前記不活性ガスが残留
しても、この残留する不活性ガスは室温〜100°C程
度の比較的低温の加熱により容易に散逸させることがで
きる。したがって、前記界面にボイドが形成されること
を容易に防ぐことができ、たとえば前記メタライズした
A!Nセラミックス基iff 1をプリント基板やIC
パッケージなどに適用した場合に半導体素子や抵抗素子
などの発熱によりメタライズ層が劣化することが防がれ
る。このように不活性ガスの照射量を増大させて、メタ
ライズ層のAlNセラミックス基板1への密着強度の向
上を図ることができる。
In this embodiment, an inert gas other than Ar is used as the inert gas, but for example, inert gases (He and Ne) having a smaller atomic radius than Ar have a diffusion rate of A.
r, thereby making the A2N of the metallization layer
When the irradiation amount of inert gas ions is set excessively in order to improve the adhesion strength to the ceramic substrate 1, for example, when the irradiation amount is set to 10I'1/cm'' or more,
Even if the inert gas remains at the interface between the metallized layer and the substrate 1, the remaining inert gas can be easily dissipated by heating at a relatively low temperature of about room temperature to 100°C. Therefore, the formation of voids at the interface can be easily prevented, and for example, the metallized A! N ceramic base if 1 to printed circuit board or IC
When applied to a package or the like, the metallized layer is prevented from deteriorating due to heat generated by semiconductor elements, resistive elements, etc. By increasing the amount of inert gas irradiation in this way, it is possible to improve the adhesion strength of the metallized layer to the AlN ceramic substrate 1.

また、Arよりも原子半径が大きな不活性ガス(たとえ
ばKr、Xe)では、その拡散速度が小さい、したがっ
てこのような不活性ガスのイオンをAfNセラミックス
基板1表面に向けて過剰に照射した場合に、メタライズ
層とA42Nセラミツクス基板1との界面に前記不活性
ガスが残留しても、この不活性ガスは室温〜100°C
程度の比較的低温の加熱では容易には拡散しない。した
がって前記メタライズしたAlNセラミンクス基板1を
プリント基板やICパッケージなどに適用した場合に半
導体素子や抵抗素子などが発熱しても、前記界面にボイ
ドが形成されることはなくメタライズ層が劣化すること
はない、これにより、前記不活性ガスの照射量を増大す
ることにより、メタライズ層のAj2Nセラミックス基
板1への密着強度を、不具合を生じさせることなく増大
させることができる。
In addition, inert gases (for example, Kr, Xe) whose atomic radius is larger than Ar have a low diffusion rate, so if ions of such inert gases are excessively irradiated toward the surface of the AfN ceramic substrate Even if the inert gas remains at the interface between the metallized layer and the A42N ceramic substrate 1, this inert gas will remain at room temperature to 100°C.
It does not easily diffuse when heated at a relatively low temperature. Therefore, when the metallized AlN ceramic substrate 1 is applied to a printed circuit board, an IC package, etc., even if a semiconductor element or a resistor element generates heat, voids will not be formed at the interface and the metallized layer will not deteriorate. Therefore, by increasing the irradiation amount of the inert gas, the adhesion strength of the metallized layer to the Aj2N ceramic substrate 1 can be increased without causing any problems.

またそのメカニズムは解明されていないが、選択スパッ
タリング現象が生じゃすい1 keV以下の低加速エネ
ルギーを有する不活性ガスイオンをイオン源4からAl
Nセラミックス基板1表面に向けて照射した場合に、メ
タライズ層のAI!、Nセラミックス基板1への密着強
度を増大する場合がある。
In addition, although the mechanism has not been elucidated, a selective sputtering phenomenon occurs.
When irradiating toward the surface of the N ceramic substrate 1, the AI of the metallized layer! , N may increase the adhesion strength to the ceramic substrate 1.

たとえば、不活性ガスとしてNeを用いた場合ニハ、N
原子の質量がNeイオンの質量に近似しているため、N
原子が選択的にスパツクされ、これによりAfNセラミ
ンクス基板1の表面ではへl原子が豊富に存在する状態
となる。これによって蒸着されるCuとAffiNセラ
ミックス基板1の表面との間の結合力が高められ、結果
としてメタライズ層の密着強度を増大させることができ
る。
For example, when Ne is used as the inert gas, Niha, N
Since the mass of the atom is close to the mass of the Ne ion, N
Atoms are selectively spun, and as a result, the surface of the AfN ceramic substrate 1 becomes rich in Hel atoms. This increases the bonding force between the deposited Cu and the surface of the AffiN ceramic substrate 1, and as a result, the adhesion strength of the metallized layer can be increased.

たとえば、特開昭63−252976号などにおいて、
AρNセラミックスを真空中で高温に加熱して/INセ
ラミックス表面を、!化し、メタライズを容易にする技
術が示されているが、この実施例の方法では室温で同様
のA2Nセラミンクス表面の処理を行うことができ、生
産コストなどの観点から極めて有利である。
For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-252976,
Heating AρN ceramics to high temperature in vacuum, /IN ceramics surface,! However, the method of this example allows similar A2N ceramic surface treatment to be performed at room temperature, and is extremely advantageous from the viewpoint of production costs.

さらに軽元素の不活性ガス(He、Ne)では、AgN
セラミックス基板1表面への注入深さが深くなり、この
結果前述の混合層Cの層厚を比較的大きくすることがで
きるという利点がある。一般に、メタライズしたAlN
セラミックス基板1をプリント基板やICパッケージな
どとして用いる実使用環境では、素子などの発熱による
熱サイクルが生じ、たとえば前記混合層Cの層厚が1〜
2原子層程度であるときにはA!Nセラミックス基板1
とメタライズ層との間に充分な結合力が得゛られないた
め、A!NセラミックスとCuとの熱膨張の差によって
メタライズ層の剥離などが生じる。
Furthermore, in the case of light element inert gases (He, Ne), AgN
There is an advantage that the depth of implantation into the surface of the ceramic substrate 1 becomes deep, and as a result, the layer thickness of the above-mentioned mixed layer C can be made relatively large. Generally, metallized AlN
In a practical environment where the ceramic substrate 1 is used as a printed circuit board, an IC package, etc., thermal cycles occur due to heat generation of elements, etc.
When it is about 2 atomic layers, A! N ceramics substrate 1
A! The difference in thermal expansion between N ceramics and Cu causes peeling of the metallized layer.

前記軽元素の不活性ガスイオンを/INセラミックス基
板1に注入するようにすれば、その注入深さが深いので
、数100人程度の大きな層厚を有する混合層Cを形成
することができ、この結果前記熱膨張の差を大きな層厚
の混合層Cで吸収させることができるようになり、メタ
ライズ層が剥離などしたりすることを防ぐことができる
If the light element inert gas ions are implanted into the /IN ceramic substrate 1, the implantation depth is deep, so it is possible to form a mixed layer C having a large layer thickness of about several hundred layers. As a result, the difference in thermal expansion can be absorbed by the mixed layer C having a large layer thickness, and peeling of the metallized layer can be prevented.

以上のようにこの実施例によれば、Arイオン以外の不
活性ガスイオン照射と、Cu蒸着とを併用することによ
り、Arイオンを用いた場合よりもさらに密着強度の高
いメタライズ層を形成することができ、しかもこのメタ
ライズ層にボイドが生じることを防いでその劣化を抑え
ることができる。
As described above, according to this example, by using inert gas ion irradiation other than Ar ions and Cu vapor deposition in combination, a metallized layer with higher adhesion strength than when using Ar ions can be formed. Moreover, it is possible to prevent voids from forming in this metallized layer and suppress its deterioration.

本件発明者による試験例を以下に示す。Test examples by the inventor of the present invention are shown below.

真空チャンバ2内の真空度は10−’Torrとし、H
e、Ne、およびXeの各不活性ガスイオンを用いる。
The degree of vacuum in the vacuum chamber 2 is 10-'Torr, and H
Inert gas ions of e, Ne, and Xe are used.

この不活性ガスイオンの照射は、加速エネルギーを5〜
25keVとし、不活性ガスイオンの注入深さのピーク
が基板1の界面に達したところで停止する。各不活性ガ
スイオンに関し、不活性ガスイオンの照射量を10”(
個/C19,10”(個/cm”) 、  10 If
f(個/cu+’)(7)3とおりに設定して、AfN
セラミックス基板1をメタライズした試料をそれぞれ作
製した。この試料のメタライズ層表面にエポキシ系接着
剤を用いてアルミニウム製の棒状体を接着して引張試験
を行った結果が下記第2表に示されている。
This inert gas ion irradiation increases the acceleration energy by 5~
The injection voltage is set to 25 keV, and the injection is stopped when the peak of the implantation depth of the inert gas ions reaches the interface of the substrate 1. For each inert gas ion, the inert gas ion irradiation dose was set to 10” (
Pieces/C19,10"(pieces/cm"), 10 If
f (pcs/cu+') (7) Set in 3 ways to obtain AfN
Each sample was prepared by metallizing the ceramic substrate 1. An aluminum rod was adhered to the surface of the metallized layer of this sample using an epoxy adhesive, and a tensile test was conducted. The results are shown in Table 2 below.

この第2表には、各イオン種He、Ne、およびXeに
関し、イオン照射量を上述の3とおりに設定したときの
密着強度(kg/ml”)が示されており、各欄におい
て括弧内の数値は、各試料のメタライズ層に560°C
X3分の真空アニール処理を施した場合の密着強度であ
る。なおこの第2表において不等号「〉jを付して示し
た密着強度の値は、前記引張試験の際に前述の接着剤が
破断したことを示しており、したがってメタライズ層の
基板1への密着強度はそれに引き続く数値よりも大きい
ことを示している。
Table 2 shows the adhesion strength (kg/ml) for each ion species He, Ne, and Xe when the ion irradiation dose is set in the three ways described above. The value is 560°C for the metallized layer of each sample.
This is the adhesion strength when vacuum annealing treatment is performed for X3 minutes. In this Table 2, the values of adhesion strength shown with the inequality sign ">j" indicate that the adhesive mentioned above was broken during the tensile test, and therefore the adhesion strength of the metallized layer to the substrate 1 is low. Intensity indicates that it is greater than the number that follows it.

(以下余白) 第2表 この第2表に示された結果から、不活性ガスイオンの照
射量を増大させることによって、密着強度が向上される
ことが理解され、また真空アニル処理を施した後にも密
着強度に劣化が認められないことから、この試験例にお
いてメタライズ層は充分な耐熱性(560°C)を有し
ていることが理解される。
(Margin below) Table 2 From the results shown in Table 2, it is understood that the adhesion strength can be improved by increasing the irradiation amount of inert gas ions. Since no deterioration in adhesion strength was observed in this test example, it is understood that the metallized layer had sufficient heat resistance (560°C) in this test example.

さらに本件発明者は、半田付けやろう付けに関する耐熱
試験も行っており、前記試験例におけるメタライズ層が
半田付けおよびろう付は時の温度に充分に耐え得ること
を確認している。
Furthermore, the inventor of the present invention has also conducted heat resistance tests regarding soldering and brazing, and has confirmed that the metallized layer in the test example can sufficiently withstand the temperatures of soldering and brazing.

上述の実施例では、不活性ガスイオンの照射は混合層す
の形成時のみとどめ、蒸着層Cの形成時には行わないこ
ととしたが、蒸着層Cの形成時にも前記不活性ガスイオ
ンを照射するようにしてもよい。しかしながらこの場合
には、不活性ガスイオンによるスパッタ作用によりメタ
ライズ層の成長が抑えられるとともに、メタライズ層に
格子欠陥を生じさせたりして、このメタライズ層の強度
劣化を招くおそれがある。
In the above embodiment, the inert gas ions were irradiated only when forming the mixed layer and not when forming the vapor deposited layer C, but the inert gas ions were irradiated also when forming the vapor deposited layer C. You can do it like this. However, in this case, the growth of the metallized layer is suppressed by the sputtering action of the inert gas ions, and lattice defects may be generated in the metallized layer, which may lead to deterioration in the strength of the metallized layer.

上述の実施例では不活性ガスとしてHe、Ne。In the above embodiments, He and Ne are used as the inert gas.

Xe、Krを用いる場合について説明したが、N2が用
いられてもよく、このような場合にはその原子半径など
に対応する効果を得ることができる。
Although the case where Xe and Kr are used has been described, N2 may also be used, and in such a case, an effect corresponding to the atomic radius etc. can be obtained.

さらに使用される不活性ガスは1種に限定されることは
なく、Cuの蒸着とともに、同時に2種以上の不活性ガ
スイオンの照射を行うようにしてもよい。
Further, the number of inert gases used is not limited to one type, and irradiation with two or more types of inert gas ions may be performed simultaneously with the vapor deposition of Cu.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上のようにこの発明のAANセラミックスのメタライ
ズ方法によれば、不活性ガスイオンの照対量を過剰に設
定しても、AlNセラミックスとメタライズ層との界面
にボイドが形成されることを防ぐことができるので、前
記不活性ガスイオンの照射量を増大させてメタライズ層
の所望の密着強度を得ることができるようになる。
As described above, according to the method of metallizing AAN ceramics of the present invention, even if the amount of inert gas ions is set excessively, voids can be prevented from being formed at the interface between the AlN ceramics and the metallized layer. Therefore, the desired adhesion strength of the metallized layer can be obtained by increasing the irradiation amount of the inert gas ions.

また、たとえばN原子に質量が近似しているNeイオン
を低加速エネルギーで照射するようにすれば、AlNセ
ラミックス表面のN原子を選択的にスパフクすることが
でき、これによりAlNセラミックス表面をいわばAl
化して、蒸着されるCuが結合しやすくすることができ
る。これにより、メタライズ層の密着強度が向上される
In addition, for example, if Ne ions whose mass is similar to N atoms are irradiated with low acceleration energy, N atoms on the surface of AlN ceramics can be selectively sparged, and this will cause the surface of AlN ceramics to become AlN.
This can make it easier for the deposited Cu to bond. This improves the adhesion strength of the metallized layer.

さらに、軽元素の不活性ガスイオンの照射により、Al
Nセラミックス表面に比較的層厚の大きな混合1i(A
f!NとCuと不活性ガスとの混合N)を形成すること
ができるので、Al2NセラミックスとCuとの熱膨張
の差をこの混合層で吸収させることができるようになる
。これによって、メタライズしたA42Nセラミツクス
基板などをプリント基板やICパンケージなどに適用す
る場合に、実使用環境での熱サイクルによりメタライズ
層が剥離などすることを防ぐことができる。
Furthermore, by irradiating light element inert gas ions, Al
A relatively thick layer of mixture 1i (A
f! Since a mixture N) of N, Cu, and an inert gas can be formed, the difference in thermal expansion between Al2N ceramics and Cu can be absorbed by this mixed layer. As a result, when a metallized A42N ceramic substrate or the like is applied to a printed circuit board, an IC package, or the like, it is possible to prevent the metallized layer from peeling off due to thermal cycles in the actual usage environment.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はこの発明の一実施例によってメタライズした/
INセラミックス基板表面近傍の様子を簡略化して示す
説明図、第2図はこの発明の一実施例に従う薄膜形成装
置の基本的な構成を示す概念図である。 1・・・AlNセラミックス基板、4・・・イオン源、
5・・・蒸発源、a・・・/INセラミックス基板、b
・・・混合層、C・・・Cu蒸着層、d・・・不活性ガ
スイオン、e・・・Cu蒸発物 第1図 第2図
Figure 1 shows metallized /
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the basic structure of a thin film forming apparatus according to an embodiment of the present invention. 1... AlN ceramics substrate, 4... ion source,
5... Evaporation source, a.../IN ceramics substrate, b
...Mixed layer, C...Cu vapor deposited layer, d...Inert gas ion, e...Cu evaporated substance Fig. 1 Fig. 2

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims]  AlNセラミックス表面をCuによりメタライズする
方法であって、Cuの蒸着と、不活性ガス群He,Ne
,Kr,Xe,N_2から選んだ1または2以上の不活
性ガスイオンの照射とを併用して前記AlNセラミック
ス表面にメタライズ層を形成することを特徴とするAl
Nセラミックスのメタライズ方法。
A method of metallizing the surface of AlN ceramics with Cu, which involves vapor deposition of Cu and inert gas group He, Ne.
, Kr, Xe, and N_2 to form a metallized layer on the surface of the AlN ceramic.
Metallization method for N ceramics.
JP717789A 1989-01-13 1989-01-13 Method for metallizing aln ceramics Pending JPH02188481A (en)

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