DE2522944B2 - Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Dünnfilmschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Dünnfilmschaltung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DEOS 24 40 481 > <· bekannt. Hierbei dient eine Chromschichl ;i!s Haftschicht. Heim HiTiiiisät/cn tier Leiterbahnen werden die Seitenkanten der Kupferschicht freigelegt. Diese freiliegenden Kupferoberflächen sind nicht korrosionsbeständig, so daß die Kupferschicht von den Seiten der ^ Leiterzüge her angegriffen werden kann. LJm dies zu verhindern, wird bei dem bekannten Verfahren durch die Temperung bei ca. 350°C ein durch Oberflächendiffusion verursachtes Fließen von Material aus der Goldschicht über die Seilen der Kupfersehichl bewirk), *o so daß die Goldschicht auch die Seiten der Kupferschicht abdeckt und dadurch eine Schulzschicht, die die Korrosion der Kupferschicht verhindert, bildet. Bei der Temperung diffundiert jedoch auch das Kupfer in die Goldschicht, so daß diese schließlich ca. 30% Kupfer f>5 enthält. Die Goldschicht wurde dabei auf die Kupferschicht aufgedampft, bis eine Schichtdicke von etwa 0,14 μ erreicht wurde. Eine solche Kupfer enthaltende Goldschicht neigt dazu, sich an ihrer Oberfläche mit Kupferoxid zu überziehen. Dadurch wird aber das Haften von mit der Goldschicht zu verbindenden, z. B. aus Gold bestehenden Anschlußbändern erschwert. Zwar läßt sich die oberflächliche Kupferoxidschicht vor dem Anbringen der Anschlußbänder durch Ätzen entfernen. Wenn jedoch zwischen dem Abätzen der Kupferoxidschicht und dem Anbringen der Anschlußbänder im Zuge weiterer Fertigungsschritte nochmals eine Erwärmung der Dünnschichtschaltung erfolgen muß, so bildet sich sofort wieder eine neue störende Kupferoxidschicht auf der Goldschicht.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, das eingangs genannte Verfahren so weiterzubilden, daß nach dem Abätzen von auf der Goldschicht sich bildender Oxidschichten bei weiteren mit Wärmebehandlung einhergehenden Verfahrensschriiten nicht mehr mit der erneuten Bildung solcher störender Oxidinseln oder Oxidfilme auf der Goldschicht gerechnet werden muß.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß durch die den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches I entnehmbaren Verfahrensschritte.

Auf diese Weise wird eine relativ sehr stabile Gold-Kupferschicht geschaffen, die sich gegenüber Verfahrensschritte.1 als sehr stabil erwiesen hat, bei der sich die Arbeitstemperaturen unterhalb der Temperatur halten (350⁰C), bei der die Schichtenfolge Kupfer/Gold getempert worden ist.

Weitcrc Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der obenbeschriebene Stabilisierungseffckt der Schichtfolge Kupfer/Gold läßt sich durch folgende experimentell erzielte Ergebnisse belegen.

Fig. I beschreibt das Oxidationsverhalten von galvanischen Kupfer/Gold-Schichten. Kurve ;/ gibt die Massenzunahme MZ in jtg/em- von Goldsehichten auf Kupfer durch Oxidation bei einer Wärmebehandlung in Luft bei 350°C als Funktion der Erwärmungszeit ff an. Weiter wird die Massenzunahme bei 300 C anhand der Kurve b angegeben. Der durch die crfindungsgcmäßc Temperatur und nachfolgende Salzsiiurcbehandlung erzielte Stabilisierungseffckt wird aus der Kurve c ersichtlich. Man erkennt, daß im Vergleich zur Kurve h bei einer nochmaliger Erwärmung ikr Kupfer/Goldschicht bei 300⁰C und bis zu etwa 30 min keine Massezunahme zu beobachten ist. wenn clic Kupfer/ Goldschicht vorher einer Tcmpcning von 350 C und einer Temperzeit von 30 min unterworfen wurde.

In F i g. 2 werden Meßwerte der absoluten Thcrmokraft .V von Kupfer/Goldschichtcn als Funktion der Erwärmungszeit Ir angegeben. Man erkiinnt. daß die Thcrmokrafi derartiger Schichten vom ursprünglichen Wert, nämlich Ι,9μν/Κ (K = Grad Kelvin) mit zunehmender Erwärmungszeit kleineren Werten zustrebt.

So betragt die Thcrmokraft nach 30 min bei 350 C etwa Ι.4μν/Κ (Kurve d). Vergleichsweise dazu ist die Abnahme der Thermokraft bei einer Temperatur von J00"C geringer (Kurve c). Kurve /"gibt den Linfluü des Stabilisicrungseffektes auf die Thermokraft wieder, wenn die Kupfer/Goldschichten vor einer Erwärmung bei 300⁰C einer Tempcrung bei 35O"C während einer Temperzeit von 30 min unterworfen wurden. Die Kurve f zeigt deutlich, daß die Thcrmokraft solcher Kupfe,/ Goldsehichten von der Erwärmungszeit unabhängig ist.

Schließlich wird in F i g. 3 der Einfluß einer Temperaturbehandlung auf die Abreißfestigkeit Af bzw.

Schweißbarkeit von Goldbändern mittels Thermokompression der Kupfer/Goldsehichten als Funktion der Temperatur 7> beschrieben.

Dabei beträgt die Erwärmungszeit jeweils 1 Stunde. Kurve g zeigt, daß bis zu einer Temperatur von 200⁰C die Abreißfestigkeit eines 50 μ dicken und 0,6 mm breiten Goldbandes identisch ist mit der Zerreißfestigkeit des Goldbandes selbst. Es wurden AbreiSwerte um· etwa 3,5 N (Newton) gemessen. Erhöht man jedoch die Temperatur, so beobachtet man eine spontane Abnahme der Abreißkräfte. Bei einer Temperatur von etwa 300⁰C sind die Abreißwerte = 0 N, d. h. Kupfer/Goldschichten sind nach einer derartigen Temperaturbehandlung nicht mehr schweißbar.

Kurve h zeigt den Einfluß der Salzsäurebehandlung. Schichten, die ursprünglich nicht mehr schweißbar waren, erreichen die volle Schweißbarkeit, wenn die an der Goldoberfläche angehäuften Kupferoxidreste entfernt wurden. Man beobachtet wieder Abreißwerte, die mit Her Zerreißfestigkeit des Goidbandes identisch sind, iv,

Der Stabilisierungseffekt der Schichifo.'ye Kupfer/ Gold läßt sich physikalisch durch eine Festkörperlösung von Kupfer in Gold erklären. Die Festkörperlösung entsteht durch Korngrenzendiffusion des Kupfers. Eine Temperaturbehandlung bei 350°C bewirkt nach einer 2Ί Temperzeit von JO min eine Lösung von 8 Atomprozent Kupfer in der Goldschicht, wenn diese 2—3 μ dick ist und galvanisch mit einer Stromdichte von etw-i 50 A/m² aufgebracht wurde. Hierbei handelt es sich nicht um die Ausbildung stöchiomctrischer Legierungsmischphasen, i»

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens anhand der F i g. 4 bis b für eine I eiterbahn-.schichtfolge näher erläutert.

F i g. 4 zeigt eine Leiterbahn-Üiinnfilmschichtfolgc mit einem Keramiksubstrat I. einer Nickel-Chrom- ji schicht 2 einer Dicke von JO- 50 nm. einer aufgedampften Kupferschicht 3 einer Dicke von 300-500 nm, die anschließend galvanisch auf eine Dicke von 5 bis 10 μ verstärkt wird (Kupferschicht 4) und einer Goldschicht 5 einer Dicke von 2 — 3 μ.

Bei der praktischen Ausbildung einer elektrischen Schaltung werden die Metallschichten selektiv geätzt bzw. mit Photomasken strukturgerecht aufgalvanisiert. so daß Leiterbahnen in der gewünschten Form entstehen. Diese Prozesse sind vorteilhaft vor der erfindungsgemäßen Temperaturbehandlung bzw. chemischen Nachbehandlung durchzuführen.

Soll eine Dünnfilmschaltung mit Leiterbahnen und integrierten Widerständen hergestellt werden, so ist zwischen dem Substrat 1 und der Haftschicht 2 z. B. eine Tantalnitrid- oder Tantal-Aluminiumschicht geeigneter Dicke einzufügen. Soll der integrierte Widerstand aus aufgedampftem Nickel-Chrom-Material bestehen. s& erweist sich Titan als Haftschicht anstatt Nickelchrom als vorteilhaft. Auch in diesem Fa!': ist der erfindungsgcffiuuC Vcriünrenssciinit vörzügswci'c /iiicizi durchzuführen.

Des weiteren eignet sich die beschriebene Leiterbahnkonfiguration als Gegenelektrode von integrierten Dünnfilmkondensatoren mit Betatantal-Oxid bzw. Tantal-AIuminium-Oxid als Dielektrikum oder nach entsprechender Strukturierung als Induktivität in Dünnfilmschaltkreisen.

F i g. 5 zeigt einen Ofen 6. in dem (⁴Ie Dünnfilmschaltung 1 bis 5 während eines Zeitraumes von 30 min bei 350"C getempert wird.

F i g. 6 zeigt ein Gefäß 7, das mit einer einmolaren Salzsäurclösung mit einer Temperatur von 20 C gefüllt ist. In das Gefäß 7 wird die Dünnfilmschaltung 1 bis 5 für einen Zeitraum von 5 min eingetaucht. Dabei werden auf der Oberfläche der Goldschicht 5 befindliche Kupfer-Oxidinseln weggeät/t.

Hier/u 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Dünnfilmschaltung, bei dem der elektrischen Verbindung dienende mehrschichtige Leiterbahnen auf ein gegebenenfalls mit weiteren Schichten versehenes Substrat aus Isoliermaterial wie Keramik oder Glas aufgebracht werden und die Leiterbahnen in der Weise hergestellt werden, daß nach Aufbringen einer Haftschicht zunächst eine Kupferschicht und dann unter Fortlassung einer Diffusionssperrschicht eine Goldschicht unmittelbar auf die Kupferschicht aufgebracht und danach die Dünnfilmschaltung einer Temperung bei ca. 350⁰C unterworfen wird, um eine Diffusion des Materials der Kupfer- und der Goldschicht zu erhalten, dadurch gekenn zeichnet, daß die Goldschicht auf die Kupferschicht galvanisch mit einer Stromdichte von ca. 50 A/m² rufgebracht wird und daß die Temperzeit derart gewähli ist, daß das Kupfer der Kupferschicht durch die Goldschicht bis zu deren Oberfläche hindurch diffundiert und der Kupfergehalt der Goldschicht 5 bis 10 Atomprozent beträgt und daß die bei der Temperung in normaler Atmosphäre oder nach der Temperatur in einer Schutzgasatmo- ^2r> Sphäre sich auf der Goldschicht bildende Oxidschicht mittels Ätzung entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Goldschicht eine Dicke von etwa

ζ-3 μ aufweist. w

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Terwperzei. ca. 30 min beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekem .:eichnet. daß eine Ätzung mit einer cinmolaren wäßrigen Salzsäurclösung bei Raumtemperatur innerhalb von etwa 5 min durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ätzung in einer etwa lOgewichtsprozentigcn wäßrigen Schwcfclsäu- -*⁰ relösung bei Raumtemperatur innerhalb von etwa 5 min durchgeführt wird.