DE1590946B2 - Verfahren zur herstellung von elektrischen duennschichtkreisen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Dünnschichtkreisen und Widerstandskombinationen auf ebenen, isolierenden Trägerkörpern, vorzugsweise auf Glassubstraten.

Die Herstellung von passiven elektrischen Dünnschichtkreisen ist bekannt und erfolgt im Vakuum im allgemeinen durch verschiedene aufeinanderfolgende oder gleichzeitig ablaufende Bedampfungsprozesse. Als isolierende Trägerkörper werden vorwiegend Glassubstrate verwendet. Prinzipiell sind auch andere Isolierstoffe, wie z. B. Keramiken oder Kunststoffe, verwendbar. Um einen solchen Dünnschichtkreis, der aus Widerständen, Kapazitäten und eventuell auch Induktivitäten besteht, zu realisieren, sind verschiedene Schichten mit unterschiedlichen Formgebungen, Zusammensetzungen und Dicken aufzubringen. Bei aktiven Dünnschichtkreisen (mit HaIbleiterbauelementen wie Transistoren usw.) kommen noch Halbleiterschichten hinzu. Für die Wider-Standsschichten werden z.B. Nickel/Chrom-Legierungen verwendet, deren prozentuale Zusammensetzung den jeweiligen Aufgaben angepaßt ist. Es ist auch bekannt, Metall/Keramik-Verbindungen zu verwenden. Die Widerstandsschichten werden nach ihrem Aufbringen meistens erhitzt. Dies geschieht häufig in sauerstoffhaltiger Atmosphäre. Durch diesen Prozeß tritt eine Formierung der Schicht und durch die Zufuhr von Sauerstoff eine definierte Oxydation des obersten Bereiches der Schicht auf. Dieser Vorgang wird allgemein als Tempern bezeichnet.
Für die erforderlichen-Leiterbahnen und Kontaktflächen werden z. B. Gold, Aluminium, Kupfer oder Nickel verwendet. Für die Herstellung von Kondensatoren sind drei Schichten erforderlich, zwei Elektroden und ein dazwischenliegendes Dielektrikum. Als Elektrodenmaterial wird meist Gold oder Aluminium verwendet. Das Dielektrikum wird durch Aufdampfen oder durch andere Prozesse, wie z.B. Oxydationsprozesse, hergestellt. Es ist bekannt, die Widerstände aus Nickel/Chrom-Legierungen zwecks Sicherung einer guten Haftfestigkeit und einer reproduzierbaren Schichtstruktur, bei erhöhter Temperatür des Substrates aufzudampfen. Die Temperatur beträgt etwa 300° C. Es ist bekannt, daß diese Nikkel/Chrom-Legierungen eine besonders gute Haftfestigkeit erzeugen. Diese Haftfestigkeit wird vermutlieh bedingt durch eine sich bildende Chromoxydhaut. Diesen bekannten Effekt nutzt man bei der Herstellung von Dünnschichtkreisen aus, indem man Leiterbahnen, Kontaktflächen und Elektroden für die Kondensatoren mit Chrom oder Chromlegierungen unterschichtet. Wird eine Nickel/Chrom-Legierung als Widerstandsschicht verwendet, so werden meist im gleichen Bedampfungsprozeß Widerstands-

bahnen erzeugt und die Unterschichtung von Kondensatorelektroden vorgenommen. Eine solche Verfahrensweise hat jedoch den Nachteil komplizierter Maskenstrukturen. Dieser Nachteil kann umgangen werden, indem eine getrennte Bedampfung der Haftschicht für die Elektroden und der Widerstandsschicht vorgenommen wird.

Als Material für Elektroden, Leiterbahnen und Kontaktflächen wird sehr häufig Aluminium verwendet, da die Schichten aus Aluminium ohne Unterschichten gut haften und durch die Bildung einer Oxydhaut ein geeignetes Material für die Grundelektrode von Kondensatoren darstellen.

Die Unterschichtung von Elektroden, Leiterbahnen und Kontaktflächen mit Chrom oder Chromlegierungen hat den Nachteil eines hohen Aufwandes durch die zusätzliche Bedampfung bzw. durch die komplizierte Maskentechnik. Die Verwendung von Aluminium vermeidet zwar diese Nachteile, erfordert jedoch einen größeren Aufwand bei der Herstellung der Kontaktierungen, da auf Aluminium in zinnhaltigen Bädern praktisch keine Kontaktierung (Überzug mit einem Lot) möglich ist.

Für die Herstellung eines Dünnschichtkreises ist es sehr oft erforderlich, daß eine oder mehrere Schichten, insbesondere die Widerstandsschicht, während des Aufdampfens kontrolliert wird, indem die Schichtdicke durch Messung! ihres elektrischen Widerstandes bestimmt wird. Dazu ist es erforderlich, daß vor dem Aufbringen der zu messenden Schicht Kontaktflächen angebracht werden, auf die Kontaktstifte aufsetzbar sind.

Es ist bekannt, für diese Kontaktflächen aufgedampfte Schichten aus Aluminium oder Gold zu verwenden. Dabei ergeben sich Schwierigkeiten vorwiegend durch die Zerstörung der Kontaktflächen beim Aufsetzen der Kontaktstifte. Deshalb werden diese Kontaktflächen, die auch als sogenannte Monitorkontakte bezeichnet werden, häufig mit anderen Verfahren, z. B. durch Einbrennen von Silber oder durch Elektroplattieren, vor der eigentlichen Herstellung des Dünnschichtkreises auf dem Substrat erzeugt.

Die Herstellung von Dünnschichtkreisen mit Kondensatoren erfordert häufig zusätzlich zu den Monitorkontakten, Leiterbahnen, Kontaktflächen und Widerständen weitere drei Bedampfungsprozesse. Für die Elektroden· der Kondensatoren werden solche Materialien und Schichten gefordert, die relativ geringe Flächenwiderstände der Elektroden ergeben und durch, die die Kondensatoren ausheilbar sind. Ausheilbar bedeutet dabei, daß im Falle eines Kurzschlusses des Kondensators der Kurzschluß durch lokale Verdampfung der Elektrodenschicht um die Kurzschlußstelle herum beseitigt wird.

Außer den Vakuumprozessen sind zur Herstellung eines Dünnschichtkreises auch andere, nicht im Vakuum stattfindende Prozesse zwischen oder nach verschiedenen Prozessen notwendig. Eine solche Prozeßfolge wird deshalb als inkompatibel bezeichnet. Ein solcher Prozeß ist z. B. das Tempern von Widerstandsschichten in sauerstoffhaltiger Atmosphäre. Eine derartige Prozeßführung hat den Nachteil, daß die herzustellenden Dünnschichtkreise zwischen den Bedampfungsprozessen an die Atmosphäre gebracht werden müssen.

Die Erfindung hat den Zweck, die Schwierigkeiten bei der Haftung der Schichten und der Kontaktierung zu beseitigen und ohne Unterschichtung einfach lötfähige Kontakte und Leiterbahnen zu schaffen sowie die Anzahl der erforderlichen Prozeßstufen zu vermindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes kompatibles Verfahren zur Herstellung von elektrischen Dünnschichtkreisen· mit geringster Anzahl von Prozeßstuf en. anzugeben, bei dem nur ein einziges Material für Leiterbahnen, Kontaktflächen, einschließlich der Monitorkontakte, und Elektroden

ίο mit relativ niedrigem Flächenwiderstand notwendig ist, welches auf den üblichen Substraten ohne Unterschichtung gut haftet und leicht lötfähig ist, ohne daß die Widerstandsschichten benetzt werden, und eine für die Herstellung von Kondensatoren günstige Oxydhaut gebildet wird. Es soll auch möglich sein, die genannten Schichten für die Leiterbahnen usw., z.B. in stark zinnhaltigen Bädern, durch einfaches Tauchen zu benetzen (Tauchlöten) oder durch andere Lötverfahren leicht zu kontaktieren.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß für die Herstellung der Leiterbahnen, der Kontaktflächen und der Grundelektroden sowie der Deckelektroden für Kondensatoren das gleiche Material verwendet wird, dessen Zusammensetzung aus etwa 50% Eisen und etwa 50 ⁰Zo Nickel besteht, und daß dieses Material in an sich bekannter Weise in einem oder in mehreren Bedampfungsprozessen im Vakuum bei einer Temperatur des Trägerkörpers von etwa 300° C aufgedampft wird. Es ist zweckmäßig, der Eisen/Nickel-Schicht im geheizten Zustand bei einer Temperatur von 150 bis 300° C Sauerstoff zuzuführen.

Nach dem Aufbringen einer Schicht aus einer Nikkel/Chrom-Legierung für die Widerstände und nach dem Aufbringen einer oder mehrerer Schichten aus einer Eisen/Nickel-Legierung, oder umgekehrt, im Vakuum oder in definierter Atmosphäre ist es vorteilhaft, den Trägerkörper in sauerstoffhaltiger Atmosphäre auf Temperaturen von 150 bis 400° C zu erhitzen.

Die durch das Erhitzen in sauerstoffhaltiger Atmosphäre erzeugte Oxydschicht wird zweckmäßig durch geeignete Flußmittel von der Eisen/Nickel-Legierung gelöst.

Es ist weiterhin zweckmäßig, daß die vorzugsweise durch stark zinnhaltiges Lot zu überziehenden Eisen/ Nickel-Schichten, unter Einbeziehung eines Temperprozesses, eine Mindestaufdampfschichtdicke von 120 nm und im Falle fehlender Temperung eine Mindestaufdampfschichtdicke im Bereich von 90 bis 120 nm besitzen.

Bei der Herstellung von den Kontaktflächen für die Monitorblättchen ist es zweckmäßig, ebenfalls Eisen/Nickel-Legierungen zu verwenden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, auf die Deckelektroden der Kondensatoren Schichten aufzubringen, die von einem Lot nicht benetzt werden.

Nach einer weiteren Variante der Erfindung wird für die Herstellung eines Dünnschichtkreises mit Kondensatoren die Widerstandsschicht vorzugsweise aus einer Nickel/Chrom-Legierung hergestellt, nachdem die Schichten für die Leiterbahnen, die Kontaktflächen, die Grundelektroden, die Dielektrika und die Deckelektroden aufgebracht worden sind. Die Bedampfungsmaske für die Nickel/Chrom-Legierung istdann so gestaltet, daß auch die Deckelelektrode von Nickel/Chrom-Schicht bedeckt werd.

Schließlich ist es noch zweckmäßig, daß bei der

Durchführung von· Beschichtungsprozessen im Vakuum der Temperprozeß als letzter der Vakuumprozesse oder im Anschluß an die Vakuumprozesse durchgeführt wird.

Versuche haben gezeigt, daß bei Änderung der Zusammensetzung der Eisen/Nickel-Legierung auf z.B. 40% Eisen und 60% Nickel, bereits eine sehr wesentliche Verschlechterung der Haftfestigkeit auftritt. Verschlechterungen der Eigenschaften bei der Tauchlötung sind bereits bei Legierungsänderungen auf z. B. 55 % Eisen und 45 % Nickel festzustellen.

Die genannte Eisen/Nickel-Legierung hat den Vorteil, daß sie einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der in der Nähe von Nickel/ Chrom-Legierungen liegt, die für die Widerstandsschichten am häufigsten zur Anwendung kommen. Dadurch werden mechanische Spannungen zwischen den Schichten und das Abreißen der Schichten vermieden. Auf Grund dessen ist es möglich, die Substrate gemäß der Erfindung mit den aufgebrachten Schichten aus Eisen/Nickel-Legierungen und Nickel/ Chrom-Legierungen bei relativ hohen Temperaturen im Bereich von 150 bis 400° C zu tempern. Das Tempern geschieht im Hochvakuum oder auch sehr häufig in definierter, sauerstoffhaltiger Atmosphäre. Die dabei entstehende Oxydschicht aus Eisen/Nikkel-Oxyd wird durch ein geeignetes, an sich bekanntes Flußmittel vor dem Tauchlöten weggelöst. Versuche haben gezeigt, daß für die Eisen/Nickel-Schicht eine Mindestaufdampfschichtdicke von etwa 120 nm erforderlich ist, damit sie nach dem Tempern noch lötbar ist. Durch die wesentlich geringere Dicke der Oxydschicht bei fehlender Temperung ist in diesem Falle die Mindestaufdampfschichtdicke geringer und liegt bei etwa 90 bis 120 nm.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit, ausheizbare Kondensatoren sowie Monitorkontakte durch direkte Aufdampfung auf das Substrat zu erhalten. Die Monitorkontakte werden beim Andrücken der Kontaktstifte nicht zerstört und sind elektrisch kontaktierbar.

Bei einer Variante der Erfindung wird die Bildung einer für die Grundelektrode der Kondensatoren günstigen Oxydschicht durch Zufuhr von Sauerstoff nach dem Aufdampfen bei heißer Eisen/Nickel-Schicht vornehmlich bei 200 bis 300° C bewirkt.

An Hand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Dünnschichtkreis auf einem Glassubstrat in Seitenansicht,

F i g. 2 einen Dünnschichtkreis gemäß F i g. 1 in der Draufsicht,

F i g. 3 einen Schnitt I-I gemäß F i g. 2.

Auf ein Substrat 1 aus Glas werden zunächst Leiterbahnen 2; 3, Kontaktflächen 4; 5; 6; 7 und eine Grundelektrode 8 für einen Kondensator aufgedampft. Als Substrat 1 kann auch eine Keramikunterlage oder ein Kunststoffträger verwendet werden. Die Leiterbahnen 2; 3, die Kontaktflächen 4; 5; 6; 7 und die Grundelektrode 8 bestehen aus einer Eisen/Nickel-Legierung mit etwa 50% Eisen- und 50% Nickelanteil. Danach wird ein Dielektrikum 9 aufgedampft. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Deckelektrode 10 für den Kondensator aufgedampft. Die Deckelektrode 10 besteht ebenfalls aus einer Eisen/Nickel-Legierung. In einem weiteren Bedampfungsprozeß wird die Schicht für Widerstände 11; 12 und ein Monitorblättchen 13 hergestellt. Die Widerstände 11; 12 und das Monitorblättchen 13 bestehen aus bekannten Nickel/Chrom-Legierungen. Eine bei etwa 300° C aufgedampfte Eisen/Nickel-Legierung der Zusammensetzung 50 % Eisen und 50% Nickel zeigt eine so gute Haftfestigkeit, daß sie mit Meßspitzen mechanisch stark beansprucht werden kann, ohne daß sie beschädigt wird. Es ergeben sich auch kleine Ubergangswiderstände. Diese Schichten sind damit zur Kontaktnahme für die Messung von Vergleichswiderständen zur Kontrolle des Flächenwiderstandes leitender oder halbleitender Schichten während ihrer Herstellung durch Bedampfung als Monitorkontakte bzw. Monitorblättchen geeignet.

In einer anderen Variante wird ein Dünnschichtkreis mit Widerständen und Kondensatoren wie folgt hergestellt.

Auf das Substrat 1 wird zunächst wieder eine Eisen/Nickel-Legierung für die Leiterbahnen 2; 3, die Kontaktflächen 4; 5, für die Leiterbahnen 2; 3, die Kontaktflächen 6; 7, für das Monitorblättchen 13 und die Grundelektroden 8 aufgedampft. Anschließend wird die Widerstandsschicht aus einer Nickel/ Chrom-Legierung aufgedampft. Danach wird das Substrat 1 mit den aufgedampften Schichten bei hohen Temperaturen von z. B. 150 bis 400° C mit vorzugsweise sauerstoffhaltiger Atmosphäre belüftet oder getempert. Es ist auch möglich, sowohl zu belüften als auch zu tempern. Nach diesen Prozessen werden das Dielektrikum 9 vorzugsweise durch Aufdampfen von z.B. Siliziumoxyd und die Deckelektrode 10, vorzugsweise durch Aufdampfen von einer Eisen/Nickel-Legierung aufgebracht. Anschließend wird tauchverzinnt. Dadurch erhalten die Kontaktflächen 4; 5; 6; 7 und die Leiterbahnen 2; 3 einen Zinnüberzug 14. Alle diejenigen Oberflächenteile des Dünnschichtkreises, die nicht mit verzinnt werden sollen, werden mit einer Schutzschicht bekannter Art überzogen, die ein Verzinnen verhindert. An Stelle der besonderen Schutzschicht ist es auch zweckmäßig, diejenigen Stellen, die nicht verzinnt werden sollen, mit einer Nickel/Chrom-Schicht 15 zu überziehen, die beispielsweise gleichzeitig mit der Aufdampfung der Widerstände 11; 12 erzeugt wird. Noch günstiger für die Herstellung eines Dünnschichtkreises mit Kondensatoren ist eine Variante, bei der zuerst wiederum Eisen/Nickel für die Leiterbahnen 2; 3, die Kontaktflächen 4; 5; 6; 7 und die Grundelektrode 8 aufgedampft werden. Anschließend wird das Dielektrikum 9 in an sich bekannter Weise aufgebracht. Danach wird als Deckelektrode 10 und eventuell als weitere notwendige Leiterbahnen und Kontakte eine Eisen/Nickel-Legierung aufgedampft. Schließlich werden die Widerstände 11; 12 und das Monitorblättchen 13 aufgedampft. Dabei wird die Bedampfungsmaske so gestaltet, daß auch die Deckelektrode 10 der Kondensatoren ebenfalls mit der Nickel/Chrom-Schicht 15 bedampft wird. Dies bringt den Vorteil, daß beim Tauchverzinnen des Dünnschichtkreises die Deckelektroden 10 nicht vom Zinn benetzt werden. Dadurch bleibt der Kondensator ausheilbar. Ausheilbar bedeutet dabei, daß im Falle eines Kurzschlusses an diskreten Stellen der Kondensatorfläche durch den Stromdurchgang an diesen Stellen die kurzschlußbildenden Teile der Schicht verdampfen. Statt Nickel/Chrom können auch auf die verzinnbaren Deckelektroden 10 aus der Eisen/

Nickel-Legierung durch einen zusätzlichen Beschichtungsprozeß andere, nicht vom Zinn benetzbare Schichten aufgebracht werden. Auf diese Weise ist es möglich, daß die Widerstände 11; 12 aus der Nickel/ Chrom-Legierung vor dem Aufbringen des Dielektrikums 9 aufgedampft werden.

Die Herstellung einer Widerstandskombination auf dem Substrat 1 erfolgt in drei Bedampfungsstufen.

Auf dem Substrat 1 werden zunächst im Hochvakuum die Kontaktflächen 6; 7 für die Kontaktabnahme an dem Monitorblättchen 13 zwecks Messung von Vergleichswiderständen zur Kontrolle des Flächenwiderstandes der entstehenden Widerstände der Widerstandskombination während der nachfolgenden Bedampfung von einer Nickel/ChronvSchicht aufgedampft. Der Widerstandswert des Monitorblättchens 13 wird durch Aufsetzen von Prüfspitzen auf die Kontaktflächen 6; 7 gemessen. Damit wird der Widerstandswert der aufgedampften Nickel/ Chrom-Legierung bestimmt, wodurch wiederum die Bestimmung der elektrischen Widerstandswerte der einzelnen aufgedampften Widerstände der Widerstandskombination möglich ist (Vergleichsmessung).

Anschließend werden aus der Eisen/Nickel-Legierung die Leiterbahnen und die Kontaktflächen 4; 5 aufgedampft. Danach werden die Kontaktflächen verzinnt.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, eine Widerstandskombination in nur zwei Bedampfungsstufen herzustellen.

Dabei werden in der ersten Bedampfungsstufe die Leiterbahnen, die Kontaktflächen und die Kontaktflächen für das Monitorblättchen hergestellt.

In der zweiten Bedampfungsstufe wird die Nickel/ Chrom-Legierung für die Widerstände und das Monitorblättchen aufgedampft.

Das beschriebene Verfahren zur Herstellung von Widerstandskombinationen und Dünnschichtschaltkreisen mit Kondensatoren erlaubt es, durch die Wahl der Schichtmaterialien und Schichtfolgen das Tempern der Widerstände und Kondensatoren an das Ende des Herstellungsprozesses zu legen. Dies hat den Vorteil, daß bei der Durchführung von Vakuumbeschichtungsprozessen die Widerstandskombinationen und der Dünnschichtkreis ohne Vakuumunterbrechung hergestellt werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309 534/44

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von elektrischen Dünnschichtkreisen und Widerstandskombinationen auf ebenen, isolierenden Trägerkörpern, vorzugsweise auf Glassubstraten, dadurch gekennzeichnet, daß für die Herstellung der Leiterbahnen (2; 3), der Kontaktflächen (4; 5; 6; 7) und der Grundelektroden (8) sowie der Deckelektroden (10) das gleiche Material verwendet wird, dessen Zusammensetzung aus etwa 50 °/o Eisen und etwa 50% Nickel besteht, und daß dieses Material in an sich bekannter Weise in einem oder in mehreren Bedampfungsprozessen im Vakuum bei einer Temperatur des Trägerkörpers von etwa 300° C aufgedampft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisen/Nickel-Schicht im geheizten Zustand bei einer Temperatur von 150 bis 300° C Sauerstoff zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen einer Schicht aus einer Nickel/Chrom-Legierung für die Widerstände (11; 12) und nach dem Aufbringen > einer oder mehrerer Schichten aus einer Eisen/Nickel-Legierung, oder umgekehrt, im Vakuum oder in definierter Gasatmosphäre, vorzugsweise in sauerstoffhaltiger Atmosphäre, der Trägerkörper auf Temperaturen von 150 bis 400° C erhitzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Erhitzen in sauerstoffhaltiger Atmosphäre erzeugte Oxydschicht auf der Eisen/Nickel-Legierung in an sich bekannter Weise durch geeignete Flußmittel gelöst wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die, Vorzugsweise durch stark zinnhaltiges Lot zu überziehenden Eisen/Nickel-Schichten, unter Einbeziehung eines Temperprozesses, eine Mindestaufdampfschichtdicke von 120 nm und im Falle fehlender Temperung eine Mindestaufdampfschichtdicke im Bereich von 90 bis 120 nm besitzen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Herstellung von Kontaktflächen (6; 7) für die Monitorblättchen (13) ebenfalls Eisen/Nickel-Legierungen verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Deckelektroden (10) der Kondensatoren nicht von einem Lot benetzbare Schichten (15) aufgebracht werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Herstellung eines Dünnschichtkreises mit Kondensatoren die Widerstandsschicht vorzugsweise aus einer Nickel/Chrom-Legierung aufgebracht wird, nachdem die Schichten für die Leiterbahnen (2; 3), die Kontaktflächen (4; 5; 6; 7), die Grundelektroden (8), die Dielektrika (9) und die Deckelektroden (10) aufgebracht worden sind, und daß die Bedampfungsmaske für die Nickel/ Chrom-Legierung so gestaltet ist, daß- auch die Deckelektrode (10) von einer Nickel/Chrom-Schicht (15) bedeckt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperprozeß als letzter der Vakuumprozesse durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperprozeß nach dem letzten Vakuumprozeß durchgeführt wird.