DE3926877A1 - Verfahren zum beschichten eines dielektrischen substrats mit kupfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Substraten, beispielsweise von Aluminiumoxid-Keramik­ platinen oder Polyimid-Folien, mit Kupfer, mit Hilfe einer Vorrichtung mit einer Gleichstromquelle, welche mit mindestens einer in einer evakuierbaren Prozeßkammer angeordneten Sputterkathode verbunden ist, die elek­ trisch mit einem Kupfertarget zusammenwirkt, das zer­ stäubbar ist und dessen abgestäubte Teilchen sich auf dem Substrat niederschlagen, wobei in die evakuierbare Prozeßkammer Argon-Gas einleitbar ist.

Es ist bekannt, als Trägerplatte für elektrische Schal­ tungen, sogenannten gedruckten Schaltungen, Zuschnitte aus Aluminiumoxid oder Kunststoff zu verwenden, die in einem ersten Fertigungsschritt mit einem Haftvermittler aus Titan beschichtet werden, wobei der Haftvermittler dann in einem zweiten Fertigungsschritt mit Kupfer als elektrischem Leiter mit Hilfe eines Sputterverfahrens belegt wird. Die Kupferschicht wird danach mit Fotolack abgedeckt und nach Ablauf eines fototechnischen Pro­ zesses in Bädern, z.B. aus Flußsäure, geätzt.

Dieses herkömmliche Verfahren hat den Nachteil, daß es zum einen zeitaufwendig und damit auch teuer ist, zum anderen aber hat es den Nachteil, daß oftmals Spuren von Chemikalien auf der fertigen Platine zurückbleiben, die dann zu einem Unbrauchbarwerden der Platine bzw. der fertigen Schaltplatine führen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Beschichten einer Trägerplatine oder einer Trägerfolie, insbesondere für elektrische Schaltkreise zu schaffen, bei dem auf eine Haftvermittlerschicht aus Titan verzichtet werden kann und bei dem die elektrisch leitende Schicht und die Haftvermittlerschicht in einem einzigen Arbeitsgang auf das Substrat aufgebracht werden können.

Darüber hinaus soll das Haftvermögen der auf das Substrat aufgesputterten Kupferschicht wesentlich verbessert werden, ohne daß herkömmliche bzw. bereits vorhandene Vorrichtungen oder Anlagen dafür ungeeignet sind bzw. ohne daß an ihnen wesentliche oder kostspielige Umbauten oder Änderungen vorgenommen werden müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätzlich zum Argon-Einlaß ein Einlaß für Sauerstoff vorgesehen ist, wobei der Zufluß des Sauerstoffs über ein in die Zuflußleitung eingeschaltetes Ventil kontrol­ lierbar ist und die Menge des Sauerstoffs so bemessen ist, daß sich während einer ersten Prozeßphase eine als Haftvermittler wirkende Kupferoxidschicht bildet, auf der sich nach Einstellung einer Argon-Atmosphäre reines Kupfer als elektrisch leitende Schicht niederschlägt.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmög­ lichkeiten zu; eine davon ist in den anhängenden Zeich­ nungen schematisch näher dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 das Schema einer Sputteranlage für das Be­ schichten von plattenförmigen Substraten mit Hilfe einer Kathode und

Fig. 2 das Schema einer Sputteranlage mit zwei Kathoden zum Beschichten von Bändern.

In der Zeichnung (Fig. 1) ist ein Substrat 1 in Form einer aus AL₂O₃ bestehenden Platte dargestellt, die mit einer dünnen, elektrisch leitenden Kupferschicht 2 ver­ sehen werden soll. Diesem Substrat 1 liegt ein Kupfer­ target 3 gegenüber, das zu zerstäuben ist. Das Target 3 steht über ein im Schnitt U-förmiges Element 4 mit einer Elektrode 5 in Verbindung, die auf einem Joch 6 ruht, welches zwischen sich und dem Element 4 drei Dauermag­ nete 7, 8, 9 einschließt. Die auf das Target 3 gerich­ teten Polaritäten der Pole der drei Dauermagnete 7, 8, 9 wechseln sich ab, so daß jeweils die Südpole der beiden äußeren Dauermagnete 7, 9 mit dem Nordpol des mittleren Dauermagneten 8 ein etwa kreisbogenförmiges Magnetfeld durch das Target 4 bewirken. Dieses Magnetfeld verdich­ tet das Plasma vor dem Target 3, so daß es dort, wo die Magnetfelder das Maximum ihres Kreisbogens besitzen, seine größte Dichte hat. Die Ionen im Plasma werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt, das sich aufgrund einer Gleichspannung aufbaut, die von einer Gleichstromquelle 10 abgegeben wird. Diese Gleichstrom­ quelle 10 ist mit ihrem negativen Pol über zwei Indukti­ vitäten 11, 12 mit der Elektrode 5 verbunden. Das elek­ trische Feld steht senkrecht auf der Oberfläche des Targets 3 und beschleunigt die positiven Ionen des Plasmas in Richtung auf dieses Target 3.

Hierdurch werden mehr oder weniger viele Atome oder Par­ tikel aus dem Target 3 herausgeschlagen, und zwar insbe­ sondere aus den Gebieten 13, 14, wo die Magnetfelder ihre Maxima haben. Die zerstäubten Atome oder Partikel wandern in Richtung auf das Substrat 1, wo sie sich als dünne Schicht 2 niederschlagen.

Für die Steuerung der dargestellten Anordnung kann ein Prozeßrechner vorgesehen werden, der Meßdaten verarbei­ tet und Steuerungsbefehle abgibt. Diesem Prozeßrechner können beispielsweise die Werte des gemessenen Partial­ drucks in der Prozeßkammer 15, 15a zugeführt werden. Aufgrund dieser und anderer Daten kann er zum Beispiel den Gasfluß über die Ventile 18, 19 und die Gaszufuhr­ leitungen 22, 23 regeln und die Spannung an der Kathode 5 einstellen. Der Prozeßrechner ist auch in der Lage, alle anderen Variablen, zum Beispiel Kathodenstrom und magnetische Feldstärke zu regeln. Da derartige Prozeß­ rechner bekannt sind, wird auf eine Beschreibung ihres Aufbaus verzichtet.

Um das Haftvermögen der Kupferschicht 2 auf dem platten­ förmigen Substrat 1 zu verbessern, wird zunächst eine sehr dünne Haftvermittlerschicht auf die Oberfläche des Substrats 1 aufgebracht, indem das in Pfeilrichtung F durch die Prozeßkammer 25 transportierte Substrat 1 einem Gasgemisch aus Argon und Sauerstoff ausgesetzt wird, wobei der Sauerstoffanteil aus dem Behälter 17 so dosiert wird, daß dieser sofort vollständig durch den ablaufenden Prozeß aufgebraucht wird, so daß danach eine reine Argon-Atmosphäre in der Umgebung des Substrats 1 in der Prozeßkammer 25 herrscht und entsprechend reines Kupfer auf die aus Kupferoxid bestehende Haftvermittler­ schicht aufgesputtert wird.

Das Aufbringen einer Kupferoxidschicht auf den Träger bzw. das Substrat 1 hat insbesondere zwei wesentliche Vorzüge:

• 1. Die Haftung der reinen Kupferschicht 2 auf dem Träger, also beispielweise auf der Platte 1 ist so gut, daß elektronische Bauteile (IC′s, Widerstände, Kondensatoren, etc.) direkt auf diese Schicht auf­ gelötet werden können, ohne daß die Gefahr besteht, daß diese sich dabei oder bei späteren mechanischer Beanspruchung ablöst (surface mounted device).
• 2. Es kann zum Beispiel zur Herausbildung von diskre­ ten Leiterbahnen ein Ätzprozeß Anwendung finden, bei dem auf eine Behandlung des Werkstücks in mehreren Bäder mit stark ätzenden Flüssigkeiten (mit z.B. Flußsäure) verzichtet werden kann.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 handelt es sich um eine Bandbeschichtungsanlage, bei der zwei Elektroden 30, 31 in der Beschichtungskammer 32 vorgesehen sind, von deren Targets 33, 34 gleichzeitig Kupfer abgesputtert wird während das bandförmige Substrat 35 von einem Abwickler 36 über eine Beschichtungswalze 37 auf den Aufwickler gespult wird. In den Bereich der Kathode 34 mündet ein Gaseinlaßrohr 39 ein, über das Sauerstoff aus dem Gasvorratsbehälter 41 in den Bereich der Kathode 31 einströmen kann. Durch ein zweites Gaseinlaßrohr 40 strömt Argon aus dem Vorratsbehälter 42 in die Prozeß­ kammer 32 in. Ein elektronischer Regelkreis 45 sorgt während des Beschichtungsprozesses dafür, daß die Gasmengen so dosiert eingelassen werden, daß sich einerseits auf dem bandförmigen Substrat 35 im Bereich der ersten Kathode 31 nur Kupferoxid niederschlägt und im Bereich der zweiten Kathode 30 reines Kupfer.

Zum besseren Verständnis der Anlage nach Fig. 2 sei noch erwähnt, daß die Targets 30, 31 verstellbar auf Böcken gelagert sind und an eine Kühlflüssigkeit führende Schläuche 46, 46a bzw. 47, 47a angeschlossen sind, die gleichzeitig die Targets bzw. deren Magnete mit elektri­ schem Strom aus der Gleichstromquelle 10 versorgen. Es ist klar, daß der die Magnetventile 43, 44 für den Einlaß der Gase steuernde elektronische Regler 45 noch eine Reihe von weiteren Parametern benötigt und deshalb (was der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht näher dargestellt ist) auch mit einer Stromquelle und mit Fühlern in Verbindung steht, die beispielsweise den Druck in der Prozeßkammer sensieren. Wesentlich für die Erfindung ist dabei, daß die Menge des einströmenden Sauerstoffs und des einströmenden Argons während der Erzeugung der Haftschicht im richtigen Verhältnis zueinander stehen und auch richtig auf die Geschwindig­ keit des durchlaufenden Bandes und des Sputterteilchen­ stroms abgestimmt sind.

Auflistung der Einzelteile

 1 Substrat, Platte
 2 Schicht
 3 Target, Kupfertarget
 4 U-förmiges Element
 5 Elektrode
 6 Joch
 7 Dauermagnet
 8 Dauermagnet
 9 Dauermagnet
10 Gleichstromquelle
11 Induktivität
12 Induktivität
13 Sputtergraben (Gebiet)
14 Sputtergraben (Gebiet)
15, 15a Raum, Beschichtungskammer
16 Gasbehälter
17 Gasbehälter
18, 19, Ventil
20 Einlaßstutzen
21 Einlaßstutzen
22, 23 Gaszuführungsleitung
24 Behälter
25 Behälter, Prozeßkammer
26 Blende
27 elektrischer Anschluß (Masseleitung)
28 elektrischer Anschluß
29, 29a Kondensator
30, 31 Elektrode (Kathode)
32, 32a Beschichtungskammer
33, 34 Target
35 Substrat, Band
36 Abwickler
37 Beschichtungswalze
38 Aufwickler
39, 40 Gaseinlaßrohr
41, 42 Gasvorratsbehälter
43, 44 Ventil
45 elektronischer Regler
46, 46a Kühlleitung mit elektrischer Zuleitung
47, 47a Kühlleitung mit elektrischer Zuleitung

Claims (1)

1. Verfahren zum Beschichten von Substraten (1, 35), bei­ spielsweise von Aluminiumoxid-Keramikplatten (1) oder Polyimid-Folien (35), mit Kupfer, mit Hilfe einer Vorrichtung mit einer Gleichstromquelle (10), welche mit mindestens einer in einer evakuierbaren Prozeßkammer (15, 15a, 32) angeordneten Sputterkathode (5; 30, 31) verbunden ist, die elektrisch mit einem Kupfertarget (3; 33, 34) zusammenwirkt, das zerstäubbar ist und dessen abgestäubte Teilchen sich auf dem Substrat (1; 35) niederschlagen, wobei in die evakuierbare Prozeßkammer (15, 15a; 32) Argon-Gas einleitbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zusätzlich zum Argon-Einlaß (21, 40) ein Einlaß (20, 39) für Sauerstoff vorgesehen ist, wobei der Zufluß des Sauerstoffs über ein in die Zuflußleitung (23, 39) eingeschaltetes Ventil (19, 43) kontrollierbar ist und die Menge des Sauerstoffs so bemeßbar ist, daß sich während einer ersten Prozeßphase auf dem Substrat (1, 35) eine als Haftvermittler wirkende Kupferoxid­ schicht bildet, auf der sich nach Einstellung einer Argon-Atmosphäre in der Prozeßkammer (15, 15a; 32) reines Kupfer als elektrisch leitende Schicht nieder­ schlägt.