DE2217573B2 - Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilmstromkreises - Google Patents
Verfahren zum Herstellen eines DünnfilmstromkreisesInfo
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Description
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, Substrate hoher Reinheit weisen in geringen Mengen
dadurch gekennzeichnet, daß, bevor die Oberfläche Kationen enthaltende Verunreinigungen an den Korndes
Substrates mit kationischen Verunreinigungen grenzen auf. Für solche Substrate mit wenigen oder
versehen wird, Teile der Oberfläche des Substrates keinen Kationen enthaltenden Verunreinigungen an
entfernt werden. 40 den Korngrenzen, beispielsweise ein Kristall-Substrat,
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn- kann das Einbringen von Kationen enthaltenden
zeichnet, daß die Entfernung der Oberflächenteile Verunreinigungen an der Oberfläche der Substrate
durch mechanisches Abschleifen erfolgt. auf verschiedene Arten, z. B. durch Aufdampfen,
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn- Zerstäuben oder Erhitzen des Substrates in einer die
zeichnet, daß die Entfernung der Oberflächenteile 45 Kationen enthaltenden Verunreinigungen aufweisenden
durch chemisches Ätzen erfolgt. Atmosphäre, erfolgen. Eine solche Atmosphäre kann
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, erreicht werden, indem man das Substrat in einem
dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Ofen erhitzt, dessen Wände aus einem keramischen
Substrates mit Ta, Ta2N oder Ti metallisiert wird. Isoliermaterial bestehen, das die Verunreinigungen
50 enthält.
Zum besseren Verständnis der Erfindung ist diese
nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnung
beispielsweise näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 die graphische Darstellung einer Zugkraft
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen 55 in Kilogramm und Ca- bzw. Si-Verunreinigungen in
einer Dünnfilmschaltung auf einem gebrannten Alu- willkürlichen Einheiten in Funktion der Zeit der
miniumoxid-Substrat, bei dem die Oberfläche des Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 15000C,
Substrates metallisiert wird. welcher Behandlung ein gemäß einem der nachstehen-
Aus der amerikanischen Zeitschrift »IEEE Inter- den beschriebenen Verfahren hergestellten Dünnfilmnational
Convention Digest«, 22. bis 25. März 1971, 60 Stromkreis ausgesetzt wird,
S. 560 bis 562, ist bekannt, zum Herstellen von F i g. 2 eine ähnliche graphische Darstellung wie
Dünnfilmstromkreisen Substrate aus gebrannter Ton- die F i g. 1 für einen zweiten gemäß einem anderen
erde (Al2O3) zu verwenden. Dieses Material ist wegen nachstehend beschriebenen Verfahren hergestellten
seiner mechanischen Festigkeit, chemischen Wider- Dünnfilmstromkreis und
Standsfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, elektrischen Iso- 65 F i g. 3 eine schaubildliche Darstellung eines Teiles
lationsfähigkeit, relativ guten Oberflächenbeschaffen- eines metallisierten Substrates, wobei am metallischen
heit und des günstigen Preises für diesen Zweck Belag des Substrates ein Anschlußleiter befestigt ist.
besonders gut geeignet. Versuche haben gezeigt, daß Haftung eines metalli-
sehen Belags auf einem Substrat, des aus Tonerde
hoher Reinheit besteht, durch die Anwesenheit von Kationen enthaltende Verunreinigungen an der Oberfläche
des Substrates gesteigert wird, und daß allfällige durch das Brennen des Substrates an der Oberfläche
desselben angereicherte Verunreinigungen erstens durch Verdampfung bei anschließenden Wärmebehandlungen,
zweitens durch Abschleifen der Oberfläche des Substrates und drittens durch Ätzvorgänge
beseitigt werden.
Die mechanische Bearbeitung des Substrates, z, B. Schleifen oder das chemische Ätzen, sind wesentliche
Verfahreasschritte bei der Herstellung von Dünnfilmstromkreisen.
Deshalb ist es notwendig, die durch diese Bearbeitungen verlorengegangenen Verunreinigungen
wieder hinzuzufügen, bevor die metallischen Beläge auf das Substrat aufgebracht werden.
Die aus Tonerde hoher Reinheit bestehenden Substrate, deren Oberflächenverunreinigung für die
Haftung der metallischen Beläge sehr wesentlich ist, enthalten wenigstens 99 Gewichtsprozent Al2O3. Wenn
die Reinheit diesen Wert unterschreitet, so wird der Effekt, welcher durch die Katione.. enthaltenden
Verunreinigungen erreicht wird, durch die übrigen Zusätze überdeckt bzw. herabgesetzt. Zum Erhalten
von Dünnfilmstromkreisen mit optimalen Betriebsverhalten werden vorzugsweise Substrate mit einer
Reinheit von wenigstens 99,5 Gewichtsprozent Al2O3
verwendet.
Durch mechanisches Bearbeiten, z. B. Schleifen, der Oberfläche des Substrates vor dem Aufbringen
der metallischen Beläge werden Unebenheiten oder Grate entfernt. Diese Unebenheiten können beim
Brennen des Substrates oder beim Bohren von Löchern in das Substrat mittels eines Laser-Strahles entstanden
sein. Wenn für spezielle Fälle eine sehr glatte Oberfläche des Substrates geschaffen werden soll, wodurch ein
optimales Betriebsverhalten der Dünnfilmstromkreise erzielt vird, kann das Substrat beispielsweise mit einer
Diamantscheibe geschliffen werden.
Während der Herstellung der Dünnfilmstromkreise werden die Substrate öfters einer chsmischen Ätzung
unterworfen, um unerwünschte Teile der metallischen Beläge zu entfernen. Hierzu werden als Ätzmittel
Phosphorsäure oder Lösungen von Fluorwasserstoff und Salpetersäuren in Wasser verwendet.
Um eine wesentliche Verbesserung der Haftfähigkeit der metallischen Beläge auf dem Substrat
zu erreichen, ist es notwendig, daß die Menge an Kaiionen enthaltende Verunreinigungen ungefähr
1Ii eitler Monolage entspricht. In denjenigen Fällen,
in denen die Wiederherstellung der Oberflächenverunreinigungen jener Stellen des Substrates, die
durch mechanische Bearbeitung oder durch Ätzen verletzt worden sind, durch eine Wärmebehandlung
erfolgen soll, können die Substrate mit den oben angeführten Reinheitsgrad, da sie an den Kornheitsgrenzen
genügend Kationen enthaltende Verunreinigungen aufweisen, einer Wärmebehandlung bei einer
Temperatur von 120O0C während wenigstens 10 Stunden
bis ,16000C während wenigstens 15 Minuten unterworfen werden. Ein bevorzugter Temperaturbereich
umfaßt 14000C während mindestens 1 Stunde bis 1500° C während mindestens 30 Minuten. Wärmebehandlungen,
die mehr als 10 Stunden dauern, sind nicht notwendig und auch nicht wirtschaftlich.
Überdies wird bei riner Wärmebehandlung bei 15000C
und die länger dauert als 10 Stunden, die Verunreinigungen der Oberfläche des Substrates verdampft,
so daß das gesetzte Ziel nicht erreicht wird.
Nach dem Aufbringen oder Wiederherstellen des
gewünschten Verunreinigungsgrades der Oberfläche des Substrates werden zur Bildung der elektrischen
leitenden Teile der Dunnfilmstromkreise nacheinander
einzelne Schichten aus verschiedenen Metallen gemäß einem gewünschten Muster auf das Substrat aufgetragen.
Normalerweise wird als erstes eine Schicht -lus
Tantal, Tantalnitrid (Ta2N) oder Titan aufgetragen. Es sind verschiedene Arten von Metallisierungen
üblich, und die gewählte Art ist von dem anvisierten Verwendungszweck abhängig. Es sei hervorgehoben,
daß hier unter den Begriffen wie »Metallisierung* und »Metallisation« auch das Aufbringen von Material wie
Tantalnitrid zu verstehen ist.
Die nachstehend angeführten Beispiele geben Aufschluß über einige Bedingungen, die bei der Herstellung
von Dünnfilmstromkreisen zu beachten sind, und Angaben über die Wirkung der Wärmebehandlung der
Substrate auf die Haftfähigkeit der metallischen Beläge auf diesen Substrat.
500 Tonerde-Substrate wurden durch Pressen von Tonerdepulver hoher Reinheil (s. Tabelle 1) unter
Brennen der gepreßten Körper während 1 Stunde bei 17000C hergestellt.
Tabelle I
(Chemische Analyse des Tonerdepulvers)
(Chemische Analyse des Tonerdepulvers)
Komponenten | Gewichtsprozent |
MgO SiO, CaO Na2O Fe2O3 |
0,100 0,140 0,054 0,047 0,024 |
Die gebrannten Körper wiesen eine hohe Dichte von 99,8% der theoretisch möglichen Dichte und die
in der Tabelle I dargestellte Ziaammensetzung auf. Diese gebrannten Körper wurden dann mittels einer
Diamantscheibe mit einer Korngröße von 400 zu Substraten mit den Abmessungen 2,5 · 2,5 · 0,08 cm
geschliffen. Diese geschliffenen Substrate wurden dann anschließend in einem Bad, das Trichloräthylen,
Aceton und Methanol enthielt, mittels Ultraschall und weiter in einer siedenden Wasserstoffperoxid-Lösung
gereinigt, danach in deionisiertem Wasser gespült und anschließend in einem Stickstoff enthaltenden
Ofen getrocknet. Danach wurden diese Substrate einer Wärmebehandlung bei 15000C in
normaler Atmosphäre unterworfen. Je IGO Substrate wurden während 0, 30, 60, 120 und 1000 Minuten
dieser "/ärmebehandlung unterzogen. An diesen Mustern wurde dann eine Oberflächenanalyse gemäß
der »Auger Electron Spectroscopy« (AES) durchgeführt.
Hierauf wurden diese Substrate durch Aufdampfen von Schichten aus Tantal, Ta-italnitrid, Titan, Palladium
und Gold mit einem Überzug mit insgesamt einer Dicke von 15 000 A versehen. Schließlich wurde
an jedem überzug ein 0,13 bis 0,38 mm dicker goldplatierter
Anschlußdraht aus Kupfer mittels einer Wärmedruckverbindung befestigt. An diesen Versuchsmustern
wurden die Zugproben durchgeführt.
Ein solches Versuchsmuster ist in der Fig. 3
dargestellt. Der metallische Überzug oder Belag ist mit 10 bezeichnet und auf dem Substrat 11 angeordnet.
Der Anschlußleiter 12 ist mit dem Belag 10 verbunden. Die Zugkraft ist durch einen Pfeil dargestellt und wirkt
über das abgebogene Ende des Anschlußleiters 12 senkrecht zur Ebene des Substrats auf dem Belag 10
ein. Mit Zugfestigkeit wird jene Zugkraft bezeichnet, bei der sich der Belag 10 von dem Substrat oder der
Anschlußleiter 12 sich vom Belag 10 löst. Für die anvisierten Verwendungen der Dünnfilmstromkreise
sollte eine Zugfestigkeit von etwa 0,6 kg erreicht werden. Dieser Wert entspricht im allgemeinen der
Zugbeanspruchung, der die Anschlußleiter noch zu widerstehen vermögen. Die Ergebnisse dieser Zugversuche
und der chemischen Analyse, die mit dem Verfahren gemäß der »Auger-Elektro-Spektroskopie«
durchgeführt wurden, sind in der Fig. 1 dargestellt,
in welcher die Zugkraft in kg und die Ca- bzw. Si-Verunreinigungen in willkürlichen Einheiten in Funktion
der Zeit aufgetragen sind, welche der Dauer der Wärmebehandlung bei der Temperatur von 1500°C
entspricht. Aus dieser Darstellung ist eine wesentliche Verbesserung der Haftfähigkeit des Belages auf dem
Substrat erkennbar, die auf die Art der Wärmebehandlung zurückzuführen ist. Diese Ergebnisse sind
an einer großen Anzahl von in der oben beschriebenen Weise hergestellten und behandelten Versuchsmuster
festgestellt worden.
Aus einer Vielzahl von auf dem Markt erhältlichen Substraten wurden 400 Substrate ausgewählt. Diese
wurden im sogenannten Bandguß-Verfahren hergestellt und bei einer Temperatur von 17000C gebrannt. Die
Zusammensetzung dieses Materials ist in der Tabelle II dargestellt.
Nominelle Angaben der Verunreinigungen in Tonerde-Substraten, die im Bandguß-Verfahren hergestellt
wurden
Komponente
Fe2O3
Ga2O3
BaO ..
CaO ..
MgO .
TiO, .
Na2O .
SiO2 ..
Ga2O3
BaO ..
CaO ..
MgO .
TiO, .
Na2O .
SiO2 ..
Gewichtsprozent
0,040
0,015
0.010
0.040
0.330
0,007
0,010
0.000
0,015
0.010
0.040
0.330
0,007
0,010
0.000
Von diesen Versuchsmustern wurden je 100 auf verschiedene Weise behandelt, bevor die metallischen
Beläge aufgebracht wurden. Eine Anzahl davon wurde wie Jone des ersten Beispieles geschliffen und gereinigt
und anschließend in einer feuchten Wasserstoff-
atmosphäre während 40 Minuten bei 1525GC einer
Wärmebehandlung unterworfen. Vor dem Aufbringen der metallischen Beläge wurden einige der gereinigten
und wär.nebehandelten Versuchsmuster einer Obcrfiächenanalyse unterzogen. Anschließend wurden die
metallischen Schichten wie mit Bezug auf das erste Beispiel aufgebracht und je mit einem Anschlußleiter
versehen. Die Ergebnisse der Zugkraft-Versuche und der chemischen Analyse sind in der Tabelle III eingetragen.
Oberflächenbehandlung
Anzahl Versuche pro
hundert Vorsuche über den minimalen Anforderunccn
hundert Vorsuche über den minimalen Anforderunccn
Unbehandelt
Geschliffen
Geschliffen und vergütet
0,007 ± 0.003
0,003 -t 0,003
0.060 ± 0,010
0,003 -t 0,003
0.060 ± 0,010
0,010 ± 0,001
0.001 ± 0,001
0.008 ± 0,002
0.001 ± 0,001
0.008 ± 0,002
100
100
Diese Versuche zeigen, daß die Haftfähigkeit durch Schleifen wesentlich vermindert und durch eine entsprechende
Wärmebehandlung (Vergütung) wieder wesentlich verbessert werden kann.
Aus der Vielzahl von auf dem Markt erhältlichen Substraten wurden weitere 400 Substrate ausgewählt.
Von diesen Versuchsmustern wurden wiederum je 100 auf verschiedene Weise behandelt, bevor die
Beläge aufgetragen wurden. Eine Anzahl der Versuchsmuster wurde zuerst einer Wärmebehandlung unter
Vakuum während 1 Stunde und bei einer Temperatur von 15000C unterworfen, dann in konzentrierter
H9PO4 während 30 Minuten und bei einer Temperatur
von 1500C geätzt und anschließend wieder einer ■Wärmebehandlung im Vakuum, bei 15000C während
1 Stunde ausgesetzt.
An je einer Anzahl Versuchsmuster wurde die obenerwähnte chemische Analyse durchgeführt, und
zwar an den unbehandelte, an den einer ersten Wärmebehandlung unterworfenen, an den geätzten und an den
einer zweiten Wärmebehandlung unterworfenen Versuchsmustern. Auf diese auf verschiedene Weise vorbereiteten
Versuchsmuster wurden dann die metallischen Beläge aufgetragen und die Zugversuche ausgeführt.
Die Ergenisse dieser Zugversuche und dei
chemischen Analyse sind in der Tabelle IV angeführt
Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, daß da;
Ätzen die Haftfähigkeit wesentlich herabsetzt unc
daß eine weitere Wärmebehandlung (Vergütung) dk
Haftfähigkeit erhöht. Damit ist der Beweis erbracht
daß durch die Wärmebehandlung von Tonerde Substraten die Haftfähigkeit der darauf angebrachter
metallischen Beläge entscheidend verbessert werdet kann.
Oberflächenbehandlung
Anzahl Versi hundert Versucl minimalen Anf>
Unbeuandelt
Vergütet
Ceätzt
Ceätzt und vergütet
0,008 ± 0,004
0,004 ± 0,004
0,008 ± 0,001
0,004 ± 0,004
0,008 ± 0,001
0,006 ± 0,001
0,006 ± 0,001
0,004 ± 0,001
0,008 ± 0,001
0,006 ± 0,001
0,004 ± 0,001
0,008 ± 0,001
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Verfahren zum Herstellen einer Dünnfilm- und Kondensatorelektroden gut auf dem Substrat
schaltung trtif einem gebrannten Aluminiumoxid- 5 haften. Diese Haftung ist insbesondere dann kritisch,
Substrat, bei dem die Oberfläche des Substrates wenn an diesen Elementen Aoschlußleiter befestigt
metallisiert wird, dadurch gekennzeich- sind. An diesen Stellen besteht die Gefahr, daß die
net, daß Vor dem Metallisieren die Oberfläche Beläge vom Substrat abgerissen werden.
des Substrates mit kationiscben Verunreinigungen In der Praxis kommen Ausfälle, die auf eine nicht
versehen wird und daß ein Substrat mit wenigstens io genügende Haftung der einzelnen Elemente auf dem
99 Gewichtsprozent Al2O3 verwendet wird. Substrat zurückzuführen sind, recht häufig vor. Dies
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- führt zu einer niedrigen Produktivität und zu hohen
zeichnet, daß ein Substrat mit wenigstens 99,5 Ge- Herstellungskosten.
wichtsprozent Al2O3 verwendet wird. Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzu-
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 15 ,geben, das gestattet Dünnfilmstromkreise herzustellen,
gekennzeichnet, daß die kationischen Verunreini- deren metallische Beläge besser auf dem Substrat
gungen durch eine Wärmebehandlung des Sub- haften, als dies bei den bisher hergestellten Dünnfilmstrates
erzeugt werden. Stromkreisen der Fall ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, Aus der USA.-Patentschrift 3 212 918 ist ein
dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreini- 20 Verfahren bekannt, die Haftfestigkeit der Metallgungen
durch Diffusion aus dem Substrat erzeugt auflage auf einem Substrat dadurch zu verbessern,
werden. daß dessen Oberfläche zur Entfernung der auf ihr und
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn- in ihr haftenden Verunreinigungen einer Vorbehandlung
zeichnet, daß die Wärmebehandlung zwischen unterzogen wird. Diese Vorbehandlung umfaßt eine
120O0C während mindestens 10 Stunden und 25 Naßreinigung mittels einer Reinigungslösung und die
160O0C während wenigstens 15 Minuten durch- anschließend Abspülung sowie eine Trockenreinigung
geführt wird. in Form einer Wärmebehandlung bei Temperaturen
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn- von 100 bis 4500C. Dieses Verfahren ist für Glas-,
zeichnet, daß die Wärmebehandlung zwischen Keramik- und Plastik-Substrate gedacht.
14000C während wenigstens 1 Stunde und 1500°C 30 Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gewährend
wenigstens 30 Minuten durchgeführt wird. kennzeichnet, daß vor dem Metallisieren die Oberfläche
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, des Substrates mit Kationen enthaltenden Verunreinidadurch
gekennzeichnet, daß die kationischen gungen versehen wird und daß ein Substrat mit
Verunreinigungen durch Nied rschlag erzeugt wenigstens 99 Gewichtsprozent Al2O3 verwendet wird,
werden. 35 Die meisten auf dem Markt erhältlichen Tonerde-
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