DE102004052039A1 - Verfahren zum Bestimmen der Aufschmelztiefe während des Aufschmelzens einer Metallschicht und Substrat zur Verwendung in einem derartigen Verfahren - Google Patents

Verfahren zum Bestimmen der Aufschmelztiefe während des Aufschmelzens einer Metallschicht und Substrat zur Verwendung in einem derartigen Verfahren Download PDF

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Abstract

Zum Bestimmen der Aufschmelztiefe während des Aufschmelzens einer Metallschicht (5) wird/werden unter der Metallschicht (5) eine oder mehrere Schichtlage(n) (3, 4) vorgesehen, die bei Beaufschlagung mit einer Prüfstrahlung eine jeweils schichtspezifische, zu der Metallschicht unterschiedliche charakteristische Entladungsstrahlung (lambda¶char(4)¶, lambda¶char(3)¶) emittiert/emittieren. DOLLAR A Während des Aufschmelzens wird der Aufschmelzbereich (7, 7', 7'') mit einer Prüfstrahlung (10) beaufschlagt und aus der reflektierten Prüfstrahlung (11) das Aufschmelzen der Schichtlage(n) (5, 4, 3) durch Detektieren der schichtspezifischen charakteristischen Entladungsstrahlung erkannt. Daraus wird auf die Aufschmelztiefe geschlossen.

Description

  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Fertigung elektrischer Schaltungen, insbesondere für Leistungshalbleitermodule, bei denen eine auf einem Träger (Substrat) aufgebrachte Metallschicht zu Montage- und/oder Kontaktierungszwecken aufgeschmolzen wird. Dazu wird die Metallschicht zumindest bereichsweise durch Wärmeeinbringung – z.B. mittels einer energiereichen Strahlung – bis zu ihrem Schmelzpunkt erwärmt.
  • Wegen der üblicherweise geringen Abmessungen und damit geringen Materialmengen aufzuschmelzenden Metalls kommt der Dosierung der Erwärmungsintensität bzw. Erwärmungsdauer eine erhebliche Bedeutung zu. Für zuverlässige Montagen bzw. elektrische Verbindungen muss reproduzierbar eine vorbestimmte Aufschmelztiefe der Metallschicht erreicht werden. Eine zu geringe Aufschmelztiefe kann zu unvollständigen oder fehlerhaften Verbindungen führen, während eine zu große Aufschmelztiefe bzw. zu starke Erwärmung zu thermischen Belastungen und mechanischen Spannungen – ungünstigstenfalls zur Zerstörung der Schaltung – führen kann.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem zuverlässig reproduzierbar während des Aufschmelzens einer Metallisierung die Aufschmelztiefe bestimmt werden kann. Außerdem stellt sich die Aufgabe, ein dazu geeignetes Substrat anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 und hinsichtlich des Substrats durch ein Substrat nach dem Anspruch 5 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche und Ausführungsbeispiele.
  • Das Verfahren zum Bestimmen der Aufschmelztiefe während des Aufschmelzens einer Metallschicht sieht vor, dass die zu verbindende oder zu kontaktierende Metallschicht auf einer oder auf mehreren Schicht(en) aufgebracht wird. Diese Schichtlage(n) zeichnet bzw. zeichnen sich dadurch aus, dass sie jeweils gegenüber der Metallschicht und ggf. gegenüber den anderen Schichtlagen bei Beaufschlagung mit einer Prüfstrahlung eine jeweils schichtspezifische, zu der Metallschicht (und ggf. zu den anderen Schichtlagen) unterschiedliche charakteristische Entladungsstrahlung emittiert bzw. emittieren. Die Metallschicht kann auch einen vergleichsweise kleinen metallisierten Bereich umfassen, der z.B. zur Laststromabnahme bei einem Leistungshalbleitermodul dient.
  • Während des Aufschmelzens wird der Aufschmelzbereich mit einer Prüfstrahlung beaufschlagt. Der Anteil der Prüfstrahlung, der zu einer Auswerteeinrichtung zurückgeworfen wird, wird im Rahmen der Erfindung nachfolgend auch als Reflexionsstrahlung bezeichnet. Die Reflexionsstrahlung enthält eine für das jeweilige reflektierende Material charakteristische Entladungsstrahlung. Die Frequenz bzw. Wellenlänge der Entladungsstrahlung ist abhängig von der sog. Austrittsarbeit. Diese wiederum ist bestimmt durch das bestrahlte, reflektierende Material. Allgemein hängen die Austrittsarbeit Wa und die Frequenz bzw. Wellenlänge der Entladungsstrahlung bei einem vorgegebenen Material wie folgt zusammen: Wa(Material) = h·f = h ·c/λchar(Material) (1).mit:
    • h:
    Plancksches Wirkungsquantum h = 6,2·10–34 Js
    f:
    Frequenz der reflektierten Strahlung
    λchar:
    charakteristische Wellenlänge der reflektierten Strahlung (Entladungsstrahlung)
    c:
    Lichtgeschwindigkeit
  • Man erkennt daraus, dass die Wellenlänge der Entladungsstrahlung charakteristisch für das reflektierende Material bzw. dessen Austrittsarbeit ist. Je nach aufgeschmolzener Metallschicht ist/sind also eine bzw. mehrere bestimmte Entladungsstrahlungen in der Reflexionsstrahlung detektierbar.
  • So ergibt sich beim Aufschmelzen einer aus einem Metall bestehenden Schicht eine charakteristische Austrittsarbeit Wa bzw. maximale Wellenlänge λchar,Me gemäß der Gleichung Wa,Me = h·f = h·c/λchar,Me (2)
  • Handelt es sich bei dem Metall beispielsweise um Kupfer (Cu), so werden die entsprechende charakteristische Austrittsarbeit im Folgenden mit Wa,Cu und die charakteristische Wellenlänge mit λchar,Cu bezeichnet.
  • Wird nun zumindest eine weitere Schichtlage unter der aufzuschmelzenden Metallschicht erreicht, d.h. beginnt diese Schichtlage aufzuschmelzen, ist eine – von der charakteristischen Wellenlänge der Kupferschicht verschiedene – charakteristische maximale Wellenlänge der Entladungsstrahlung in Abhängigkeit von deren Materialzusammensetzung detektierbar.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Metallschicht und die Schichtlage(n) aus demselben Grundmaterial hergestellt werden, wobei die Schichtlage(n) zur Erzeugung unterschiedlicher charakteristischer Entladungsstrahlungen schichtweise unterschiedlich dotiert wird/werden.
  • Wird als Grundmaterial (Ausgangsmaterial) in bevorzugter Realisierung des Verfahrens Kupfer verwendet, kann dieses zur Erzeugung einer schichtspezifischen charakteristischen Entladungsstrahlung schichtweise z.B. mit Aluminium und Magnesium dotiert sein.
  • Es ergäbe sich damit für eine erste Schichtlage, deren Grundwerkstoff (Kupfer) durch Einbringung eines Dotierstoffes μ (z.B. Aluminium) dotiert ist und die eine Austrittsarbeit Wa,μ aufweist, nach der Gleichung Wa,μ = h·f = h/λchar,μ (3)eine charakteristische Entladungsstrahlung mit der Wellenlänge λchar,μ, die sich den übrigen Strahlungsanteilen in der Reflexionsstrahlung überlagert.
  • Aus der Reflexionsstrahlung wird also das sukzessive Aufschmelzen der Schichtlage(n) dadurch detektiert, dass je nach Aufschmelztiefe in der Reflexionsstrahlung unterschiedliche Strahlungsanteile (nämlich die schichtspezifischen charakteristischen Entladungsstrahlungen) erkannt werden. Daraus wird in einfacher Weise auf die aktuelle Aufschmelztiefe geschlossen. Die Auswerteeinrichtung zur Analyse der Reflexionsstrahlung bzw. deren spektraler Komponenten kann ein an sich bekanntes Spektrometer sein.
  • Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht also darin, dass die Reflexionsstrahlung material-spezifische charakteristische Entladungsstrahlungen mit charakteristischen Wellenlängen enthält.
  • Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Aufschmelztiefenbestimmung in Echtzeit während des aktuellen Aufschmelzvorgangs erfolgt. Damit kann das Messergebnis unmittelbar auf die Steuerung des Aufschmelzprozesses einwirken. So lassen sich äußerst präzise gewünschte Aufschmelztiefen reproduzierbar und zuverlässig einstellen und somit die Wärmeeinbringung optimieren. Dadurch kann eine sichere Verbindung durch ausreichende Aufschmelzung sichergestellt und dennoch die Materialbelastung minimiert werden.
  • Bei einer fertigungstechnisch bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zum Aufschmelzen der Metallschicht und zum Erzeugen der Prüfstrahlung dieselbe Lasereinrichtung verwendet wird.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Substrat zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  • Erfindungsgemäß weist dieses Substrat einen Träger mit mehreren metallischen Schichten aus einem Grundmaterial auf, wobei jede Schicht eine individuelle Dotierung derart aufweist, dass sie bei Beaufschlagung mit einer Prüfstrahlung eine schichtspezifische charakteristische Entladungsstrahlung emittiert. Das Grundmaterial ist bevorzugt Kupfer.
  • Weiter bevorzugt ist die Dotierung der Schichten so gewählt, dass die jeweilige schichtspezifische Austrittsarbeit zu der obersten Schicht hin zunimmt. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine verbesserte Auflösung in der spektralen Analyse der enthaltenen Strahlungsanteile (Entladungsstrahlungen).
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielhaft weiter erläutert; es zeigen:
  • 1 ein bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendetes Substrat,
  • 2 Aufbau und Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 3 einen Verfahrenstand, bei dem eine gewünschte Aufschmelztiefe erreicht ist, und
  • 4 einen Verfahrenstand, bei dem die gewünschte Aufschmelztiefe überschritten ist.
  • 1 zeigt ein Substrat 1, das als Basis oder Träger 2 ein Keramikplättchen aufweist. Darauf sind drei Schichtlagen 3, 4, 5 aufgebracht, deren Grundmaterial beispielsweise jeweils Kupfer ist. Es sind aber auch andere Metalle als Grundmaterial denkbar. Die unterste (d.h. die basisnahe) Schichtlage 3 besteht aus magnesiumdotiertem Kupfer und weist beispielsweise eine Dicke von 100 μm auf. Die darauf ausgebildete Schichtlage 4 besteht aus aluminiumdotiertem Kupfer und hat eine Dicke von beispielsweise 50 μm. Die darauf befindliche obere Metallschicht 5 besteht aus Kupfer und ist 150 μm dick. Auf dieser Schicht ist beispielhaft ein noch dickerer Kupferschichtbereich 6 ausgebildet, der z.B. bei einer Verschaltung eines Leistungshalbleitermoduls als Lastanschluss 6a dienen kann. Grundsätzlich können auch noch weitere entsprechend individuell dotierte untere Schichtlagen vorgesehen sein, wo durch die Genauigkeit bzw. Auflösung in der nachfolgend noch ausführlich beschriebenen Aufschmelztiefenbestimmung weiter erhöht werden kann.
  • Wie eingangs erläutert, bewirken die unterschiedlichen Dotierungen der Schichten 3, 4, 5 unterschiedliche Austrittsarbeiten. Nach dem Zusammenhang zwischen Austrittsarbeit und charakteristischer Wellenlänge ergeben sich bei Bestrahlung der Schichten mit einer Prüfstrahlung (z.B. Laserstrahlung) Entladungsstrahlungen mit jeweils einer spezifischen, schichtindividuellen Wellenlänge λchar(3), λchar(4), λchar,Cu. Die Materialwahl bzw. Dotierung ist dabei so gewählt, dass die Austrittsarbeit von der untersten Schichtlage 3 zur obersten Schicht 5 bzw. 6 hin zunimmt. Dadurch ist eine verbesserte spektrale Auflösung der Entladungsstrahlungen bzw. der spektralen Anteile der Reflexionsstrahlung möglich.
  • 2 zeigt einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und die Situation zu Verfahrensbeginn. Man erkennt das in 1 gezeigte Substrat 1 mit der aufzuschmelzenden Metallschicht 5, 6 und den darunter liegenden Schichtlagen 3, 4. Ein Bereich 7 ist mit einem Laserstrahl 8 einer Lasereinrichtung 9 beaufschlagt. Der Laserstrahl bringt hochkonzentriert und lokal begrenzt eine hohe Energie in das Schichtmaterial ein, wodurch dieses über seinen Schmelzpunkt erwärmt, also aufgeschmolzen wird. Ein Teil der Laserstrahlung dient als Prüfstrahlung 10, indem nämlich ein Teil der Strahlung an der Schicht 5, 6 reflektiert wird und als Reflexionsstrahlung 11 zu einer Auswerteeinrichtung 12 zurückgeworfen wird. Die Auswerteeinrichtung 12 ist ein übliches Glimmentladungsspektrometer (GDOS). Dies kann einen Detektionsbereich von 100 nm bis 1000 nm Wellenlänge haben. Das Detektions- bzw. Ausgangssignal 14 des Spektrometers 12 kann als Steuersignal für die Steuerung der Lasereinrichtung dienen. Ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass für das eigentliche Aufschmelzen und für die Prüfstrahlung dieselbe Strahlungsquelle, nämlich hier die Lasereinrichtung 9, verwendet wird.
  • Das Aufschmelzen kann zur Laserschweißung dienen, um z.B. eine nur gestrichelt angedeutete Anschlussleitung 15 an dem Lastanschluss 6a zu fixieren.
  • In der in 2 gezeigten Situation hat der Aufschmelzprozess erst begonnen; der bereits aufgeschmolzene Bereich 7 befindet sich noch vollständig in der Metallschicht 5 bzw. 6. Deshalb ist in der Reflexionsstrahlung die Entladungsstrahlung von Kupfer als maximale Wellenlänge detektierbar. Dies ist im unteren Teil der 2 dargestellt, in dem schematisch die Intensität I über der detektierten Wellenlänge λ aufgetragen ist. Die detektierte maximale Wellenlänge ist hier die charakteristische Wellenlänge von Kupfer, λchar,Cu Das zeigt an, dass die Ziel-Aufschmelztiefe noch nicht erreicht ist, weil die darunter liegende, als Indikator einer fortgeschrittenen Aufschmelztiefe dienende Schichtlage 4 noch nicht bloßgelegt ist und deshalb noch keine Reflexion erzeugen kann.
  • In der in 3 – unter Verwendung derselben Bezugszeichen wie in den 1 und 2 für identische oder gleiche Elemente – gezeigten Situation ist der Aufschmelzprozess in den Bereich 7' fortgeschritten. Man erkennt, dass das Material der (dotierten) Kupfer-Schichtlage 4 vom Laserstrahl 8 erreicht und aufgeschmolzen worden ist. Deshalb enthält die Reflexionsstrahlung 11' sowohl (weiterhin) die Entladungsstrahlung λchar,Cu der Schicht 5 bzw. 6 als auch die Entladungs strahlung λchar(4) der Schichtlage 4. Da nun – wie im unteren Bereich der 3 im Intensitäts-Wellenlängen-Diagramm dargestellt – die beiden spezifischen charakteristischen, schichtindividuellen Wellenlängen λchar(4) und λchar,Cu vom Spektrometer detektiert werden, kann in einfacher Weise darauf geschlossen werden, dass eine Aufschmelztiefe bis zur Schicht 4 erreicht ist. Im Ausführungsbeispiel war angenommen (vgl. 1), dass die Metallschicht 5 aus Kupfer 150 μm dick ist. Wenn dies die gewünschte Mindest-Aufschmelztiefe der Schichtlage 5 ist, ist damit das Erreichen der gewünschten Aufschmelztiefe angezeigt und der Aufschmelzprozess kann hier beendet werden. Als Rest-Aufschmelztiefe verbleibt insoweit zumindest ein Anteil der Schichtdicke (im Beispiel 100 μm) der Schicht 4.
  • 4 zeigt – unter Verwendung derselben Bezugszeichen wie in den 1 bis 3 für identische oder gleiche Elemente – den weiter in den Bereich 7'' fortgeschritten Aufschmelzvorgang. Hier ist auch das Material der Schichtlage 4 im Aufschmelzbereich 7'' vollständig aufgeschmolzen und der Laserstrahl 8 erreicht die Schichtlage 3. Deshalb enthält die Reflexionsstrahlung 11'' sowohl (weiterhin) die Entladungsstrahlung λchar,Cu der Schicht 5 bzw. 6 und die Entladungsstrahlung λchar(4) der Schichtlage 4 als auch die Entladungsstrahlung λchar(3) der Schichtlage 3. Da nun – wie im unteren Bereich der 4 im Intensitäts-Wellenlängen-Diagramm J/λ dargestellt – die spezifischen charakteristischen, schichtindividuellen Wellenlängen λchar(4), λchar(3) und λchar,Cu) vom Spektrometer detektiert werden, zeigt dies in einfacher Weise an, dass die Aufschmelztiefe bis zur Schichtlage 3 reicht. Damit ist nach dem Ausführungsbeispiel (mit der Annahme einer gewünschten Aufschmelztiefe von 150 μm) ersichtlich, dass die gewünschte Aufschmelztiefe mit der tatsächlichen Aufschmelztiefe von mindestens 250 μm (Summe der Dicken der Schichten 4 und 5) überschritten ist.
  • Man erkennt in dem Intensitäts-Wellenlängen-Diagramm J/λ auch, dass λchar(4) < λchar(3) ist; somit ist die Austrittsarbeit der Schicht 4 größer ist als die der Schicht 3, was eine verbesserte spektrometrische Auflösung ermöglicht.
  • Statt der Anzeige des Überschreitens der gewünschten Aufschmelztiefe könnten die Schichtlage 3 und ggf. weitere darunter liegende Schichtlagen zu einer noch feineren Auflösung der Bestimmung der Aufschmelztiefe verwendet werden. Das Prinzip der Erfindung ist somit ersichtlich nicht auf drei unterschiedlich dotierte Schichten beschränkt.
  • Mit dem beschriebenen Verfahren kann mit einfachen Mitteln während der Laserschweißung der Schicht 5, 6 kontinuierlich – quasi online – die aktuelle Aufschmelztiefe mit relativ geringem Aufwand präzise überwacht und gesteuert werden.
  • Die Erfindung wurde voranstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben. Insbesondere wurden hier beispielhaft für die verschiedenen Schichtlagen 3, 4, 5, 6 bestimmte Materialien genannt. Das erfindungsgemäße Prinzip ist jedoch nicht auf die Verwendung der genannten Materialien beschränkt sondern erstreckt sich auf beliebige Kombinationen von Materialien der verschiedenen Schichtlagen, wobei die oberste Schichtlage 5 und/oder 6 des Trägers 2, die aufgeschmolzen werden soll, bevorzugt aus einem Metall oder einer Legierung gebildet ist.
    • I
    Intensität
    λ
    detektierte Wellenlänge
    λchar,Me
    Wellenlänge
    λchar,Cu
    Wellenlänge
    λchar(3)
    Wellenlänge
    λchar(4)
    Wellenlänge
    Wa,Me
    Austrittsarbeit
    Wa,Cu
    Austrittsarbeit
    1
    Substrat
    2
    Träger
    3
    Schichtlage
    4
    Schichtlage
    5
    Schichtlage
    6
    Kupferschichtbereich
    6a
    Lastanschluss
    7
    Bereich
    7'
    Bereich
    7''
    Bereich
    8
    Laserstrahl
    9
    Lasereinrichtung
    10
    Prüfstrahlung
    11
    Reflexionsstrahlung
    11'
    Reflexionsstrahlung
    11''
    Reflexionsstrahlung
    12
    Auswerteeinrichtung
    14
    Ausgangssignal
    15
    Anschlussleitung

Claims (7)

  1. Verfahren zum Bestimmen der Aufschmelztiefe während des Aufschmelzens einer Metallschicht (5, 6), bei dem – unter der Metallschicht (5) eine oder mehrere Schichtlage(n) (3, 4) vorgesehen wird/werden, die bei Beaufschlagung mit einer Prüfstrahlung eine jeweils schichtspezifische, zu der Metallschicht unterschiedliche charakteristische Entladungsstrahlung (λchar(4), λchar(3)), emittiert/emittieren, – während des Aufschmelzens der Aufschmelzbereich (7, 7', 7'') mit einer Prüfstrahlung (10) beaufschlagt wird und – aus der reflektierten Prüfstrahlung (11) das Aufschmelzen der Schichtlage(n) (5, 4, 3) durch Detektieren der schichtspezifischen charakteristischen Entladungsstrahlung (λchar,Cu, λchar(4), λchar(3)) erkannt und daraus auf die Aufschmelztiefe geschlossen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – die Metallschicht (5, 6) und die Schichtlage(n) (3, 4) aus demselben Ausgangsmaterial hergestellt werden, wobei die Schichtlage(n) (3, 4) zur Erzeugung unterschiedlicher charakteristischer Entladungsstrahlungen (λchar,Cu, λchar(4), λchar(3))schichtweise unterschiedlich dotiert wird/werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem – die reflektierte Prüfstrahlung (11) mittels eines Spektrometers (12) überwacht wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem – zum Aufschmelzen der Metallschicht (5, 6) und zum Erzeugen der Prüfstrahlung (10) dieselbe Lasereinrichtung (9) verwendet wird.
  5. Substrat zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei – auf einem Träger (2) mehrere metallische Schichten (5, 4, 3) aus einem Grundmaterial aufgebracht sind, wobei jede Schicht (5, 4, 3) eine individuelle Dotierung derart aufweist, dass sie bei Beaufschlagung mit einer Prüfstrahlung (10) eine schichtspezifische charakteristische Entladungs-Strahlung (λchar,Cu, λchar(4), λchar(3)) emittiert.
  6. Substrat nach Anspruch 5, wobei – das Grundmaterial Kupfer ist.
  7. Substrat nach Anspruch 5 oder 6, wobei – die Dotierung der Schichten (5, 4, 3) so gewählt ist, dass die jeweilige schichtspezifische Austrittsarbeit zu der obersten Schicht (5) hin zunimmt.
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