DE2202520A1

DE2202520A1 - Metall-Isolieraufbau

Info

Publication number: DE2202520A1
Application number: DE19722202520
Authority: DE
Inventors: Swanson John G
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1971-01-26
Filing date: 1972-01-20
Publication date: 1972-08-17
Also published as: US3671819A; GB1382050A

Description

• Düsseldorf, 18. Ja*. 1972

.Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

•Metal !-/Isolier auf bau

•Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Metall-ZIsolieraufbauten sowie Verfahren zur Herstellung solcher Aufbauten, insbesondere für den Einsatz im Dünnfilmbereich.

Auf dem Gebiet der Dünnfilm-Mikroäektronik sowie der Dünnfilm-Bildwiedergabeelemente ist es oft erforderlich, elektrische Verbindungen zwischen Bauteilen herzustellen, die sich auf gegenüberliegenden Seiten eines isolierenden Substrats befinden. Die Anordnung leitender Streifen, die auf der Außenseite des Substrats zwischen den gegenüberliegenden Flächen geführt sind, ist mühsam, in vielen Anwendungsfällen sogar unmöglich. Die angenehmste Lösung für die Herstellung von Verbindungen zwischen tjegenüber liegenden Flächen des Substrats ist es, derartige Verbindungen unmittelbar durch das Substrat selbst zu führen. Infolge der kleinen physikalischen Abmessungen solcher Dünnfilm-Substrate ist die Bildung derartiger interner Zwischenverbindungen recht schwierig.

Bei einem bereits eingesetzten Verfahren wird ein Bündel glasbeschichteter «Tolfraradrähte durch Erhitzung des Bündels bis über die Schmelztemperatur des Glases miteinander verschmolzen, so daß eine einheitliche Struktur urluLten wird. Davon werde· dann

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senkrecht zur Achse der Drähte Abschnitte gewünschter Dicke abgetrennt. Der einzige nach einem derartigen Verfahren hergestellte Aufbau ist eine hexagonale Anordnung kreisförmiger Metallbereiche, bei denen die Durchmesser der Bereiche diejenigen der verwendeten Drähte sind. Dieses bekannte Verfahren erfordert eine Spezial-Glasbehandlungsausrüstung allein für die Erzeugung des einzigen hexagonalen Musters. Ein zusätzliches Problem der Glas-Wolfram-Struktureu besteht darin, daß solche Strukturen nicht dünner als etwa 500 μ gemacht werden können. Soll der Aufbau dünner sein, so muß er dazu einem Schleifvorgang unterworfen werden. Da Wolfram ein hartes Metall und Glas sehr spröde ist, verursacht der SchleifVorgang an der Glas-/Metallgrenzflache ein Aussplittern. Für den Fall der Verwendung eines so dünn gemachten Aufbaus als Substrat würden sich in einem auf die geschliffene Fläche aufgedampften Film Unregelmäßigkeiten ergeben.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit zu schaffen, ein Dünnfilm-Substrat auf verhältnismäßig einfache Weise ohne Zuhilfenahme einer speziellen Ausrüstung Herstellen zu können, das hinsichtlich der Metall-/Isoliergestaltung Flexibilität zuläßt und mit der gewünschten Stärke hergestellt werden kann, ohne jedoch Unregelmäßigkeiten oder Unebenheiten an der Außenseite des Substrats in Kauf nehmen zu müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Metall-/Isolieraufbau erfindungsgemäß gekennzeichnet durch ein Substrat, das ein in Anwesenheit eines Elektrolyten unter anodischen Bedingungen eine Oxidschicht bildendes metallisches Material enthält sowie bestimmte, sich vollständig über die Dicke des Substrats erstreckende, jeweils durch vollständige Anodisation gebildete Isolierbereiche aufweist.

Ein zur Herstellung solcher Aufbauten besonders geeignetes Verfahren ist in Weiterbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß einem Elektrolyt ein Substrat ausgesetzt wird, das das metallische Material enthält, da3 in der Anwesenheit des Elektrolyten unter anodischen Bedingungen eine Oxidschicht bildet, und

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daß ausgewählte Bereiche des Substrats unter Bildung von die
Dicke des Substrats vollständig durchsetzenden Isolierbereichen vollständig anodisiert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein zur Verarbeitung entsprechend einem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung vorbereitetes Substrat;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäß erhaltenen Aufbau;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch Fig. 2 längs der Linie III-III; und

Fig. 4 einen Teilschnitt durch ein spezielles Ausführungsbeispiel, bei dem der Aufbau nach der Erfindung im Zusammenhang mit BildwiedergabeaLementen angewendet wird.

Fig. 1 zeigt ein für die Umwandlung in einen Metall-/Isolieraufbau nach der vorliegenden Erfindung vorbereitetes Metallsubstrat M. Das Metallsubstrat M enthält ein Material, das in Anwesenheit eines Elektrolyten unter anodischen Bedingungen eine poröse
Oxidschicht wie Aluminium bildet. Das Substrat M kann beispielsweise eine Aluminiumfolie mit einer Stärke von etwa 25 μ aufweisen. Das in Anwesenheit eines Elektrolyten unter anodischen Bedingungen eine poröse Oxidschicht bildende Metall-Material muß die vollständige Anodisation des Metallsubstrats M von der Oberbis zur Unterseite gewährleisten. Ein Material wie Aluminium, das eine poröse Oxidschicht bildet, läßt Ionen die Oberfläche des Metalls erreichen, um den Oxydationsvorgang fortzusetzen. Wenn eine als Grenzschicht ausgebildete anodische Schicht geformt würde, wären wegen der Unfähigkeit der Ionen, die Grenzlage

zu durchsetzen, extrem große Spannungen für die Aufrechterhaltung des Oxydationsvorganges erforderlich. Daher ermöglicht die poröse Grenzschicht, die von Aluminium bei Anodisation geformt wird, die Fortsetzung der Oxydation vollständig durch den Substrataufbau, so daß von der Oberseite bis zur Unterseite des Substrats durchgehende Gebiete aus isolierendem Oxid erhalten werden können. Auf der Oberseite des Metallsubstrats M ist ein Widerstandsmuster R aufgebracht, das die Metallgebiete definiert, die durch einen Elektrolyten nicht anodisiert werden sollen. Ebenso zeigt Fig. 1 eine rückwärtige Abdecklage B, die sich auf der Unterseite des Metallsubstrats M erstreckt. Die Funktion dieser rückwärtigen Abdecklage B wird weiter unten erläutert.

Der so vorbereitete Aufbau entsprechend Fig. 1 wird in einen Elektrolyten eingetaucht, um die unraaskierten Bereiche zu anodisieren und so zwischen diesen Oxidgebiete zu bilden. Als Elektrolyt kommt 7-prozentige Schwefelsäure in Frage, die auf einer Temperatur von annähernd -7 C gehalten wird, um die Lösung des Oxids in dem Elektrolyten auf einem Minimum zu halten. Als zufrieden-

2 stellende Stromdichte wurde ein Wert von etwa 0,8 A/cm gefunden.

Der Anodisationsvorgang wird fortgesetzt, bis sich zwischen der Ober- und der Unterseite des Metallsubstrats M in den unmaskierten Bereichen des Substrats isolierende Oxidbereiche vollständig durchgebildet haben.

Es wurde gefunden, daß bei der Anodisation von Aluminiumfolie-Substraten ohne die rückwärtige Abdecklage B die Anodisation durch das Substrat in einigen Gebieten infolge der örtlichen Abweichungen im Aufbau des Metalls eher als in anderen Gebieten abgeschlossen war. Dadurch entstanden inseiförmlge Metallgebiete, die vollständig durch das isolierende Oxid eingeschlossen waren. Durch Aufbringen der rückwärtigen Abdecklage B auf das Metallsubstrat M wurde Homogenität in der Anodisation erreicht, wobei die Abdecklage B ein leitendes Material aufwies, um so die elektrische Leitfähigkeit hinsichtlich der restlichen, inselförmlgen Metallgebiete bis zur vollständigen Anodisation aufrechtzuerhalten. Es konnte festgestellt werden, daß durch Aufbringen

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einer Abdecklage im Vakuum, die in der Anwesenheit des Elektrolyten eine passivierende Schicht bildet, homogene Oxidbereiche entstehen. Als passivierende Stoffe für die Abdecklage B kommen Titan, Tantal, Niobium, Zirkonium und Chrom in Frage, wobei Titan in diesem Zusammenhang besonders wirksam ist.

Das Widerstandsmuster R kann auf der Oberseite des Metallsubstrats M durch Einsatz von Photoresistwerkstoffen und -verfahren gewonnen werden. Jedoch erwies sich die Haftung hinsichtlich solcher Photoresistwerkstoffe als sehr schwach, insbesondere, wenn die Oberseite des Substrats poliert war. Daher wird das Widei'standsmuster R idealerweise durch Vakuumablagerung eines Materials gebildet, wie es für die Abdecklage Verwendung findet, d.h. ein Material, das bei Anwesenheit des Elektrolyten unter anodischen Bedingungen eine passivierende Schicht bildet. Es können daher die gleichen Materialien, wie sie oben für die Abdecklage B aufgeführt wurden, eingesetzt werden, wobei Titan sich in idealer Weise für die Bildung des Widerstandsmusters R eignet.

Sowohl die rückwärtige Abdecklage B als auch das Widerstandsmuster R können durch Vakuumablagerung von Titan in einer Stärke von ungefähr lOOO 8-Einheiten gebildet werden. Passivierende Werkstoffe, insbesondere Titan, eigneu sich in besonderer Weise für die Bildung des Widerstandsmusters R und der Abdecklage B, weil sie eine besonders intensive Bindung mit Aluminiumflächen eingehen und sich nicht bei Anodisation abzuheben beginnen. Ferner sind diese Werkstoffe gegenüber dem Elektrolyt inert, sobald die Passivierung eingetreten ist.Nachdem der gewünschte Metall-/Isolieraufbau durch vollständige Anodisation von der Ober- bzw. Unterseite des Metallsubstrats M gebildet worden ist, können das Widerstandsmuster R und die Abdecklage B entfernt werden, indem der Aufbau beispielsweise Ln eine lO %-ige Fluorwasserstoffsäurelösung für einige Sekunden eingebracht wird. Dadurch lassen sich die Abdecklage B bzw. das .Hderstiiüdsmuster R wirksam entfernen, während die Alumni L uiubereiche nur in geringfügigem Maß geifcst werden and die isolierenden Oxi; >ereiche nur eine geringfügige Beeinträchtigung erfuhren.

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Fig. 2 und 3 zeigen einen vollständigen Aufbau nach der Erfindung, bei dem ausgewählte Metallbereiche M¹ des Metallsubstrats M zurückgeblieben und durch Isolationsbereiche I umgeben sind, wie sie bei dem zuvor beschriebenen Anodisationsvorgang erhalten wurden. Wie mit Fig. 2 gezeigt, wird eine Matrix mit im wesentlichen quadratischen Metallgebieten M erzeugt, die jeweils durch die isolierenden Oxidbereiche I umgeben sind. Wie mit Fig. 3 gezeigt, erstrecken sich die Metallbereiche M¹ vollständig durch die Dicke des Substrats von der Oberseite bis zur Unterseite. Ebenso erstrecken sich auch die Isolationsbereiche I vollständig über die Dicke des Substrats, wobei diese Isolationsbereiche I durch die vollständige Anodisation des Metall-Substrats zu dem Oxid gebildet sind.

Das spezielle Muster der in Verbindung mit dem Aufbau auftretenden Metallbereiche ist durch die besondere Art und Weise gegeben, Ln der das Widerstandsmuster vor der Oxydation auf das Substrat aufgebracht wird. Die 5x3 -Matrixanordnung der Fig. 2 ist nur als Beispiel gezeigt. Jedoch kann auf der Oberseite im wesentlichen jedes beliebige Muster aufgebracht werden, weitgehend, wie das in Verbindung mit gedruckten Schaltungen geschieht, um einen gewünschten Schaltkreisaufbau oder einen sonstigen Aufbau auf der Überseite des Substrats zu erhalten, was nach der Anodisation einen Aufbau mit vollständig durchgehenden metallischen Bereichen entsprechend dem Muster ergibt. So können auf eher Seite des Aufbaus verschiedene EingangsanschlUsse an den gewünschten Metallbereichen vorgenommen werden, wobei über die entsprechenden Metallbereiche die Durchführung elektrischer Ströme zur anderen Seite dos Aufbaus möglich ist, wo dann wieder je nach Bedarf elektrische AusgangsanschlUsse hergestellt werden können. Ferner kinine η gewünsch tenf alls mehrere der mit Fig. 2 bzw. 3 gezeigten Anordnungen übereinandergestapelt werden, um eine zusammengesetzte Anordnung zu erhalten, die verschiedene elektrische Z /isohenverbindungen aufweist, wie sie durch den Stapelaufbau hindurch gewünscht sind.

Hei (IiJi Herstellung von einem Aufbau, wie er mit Fig. 2 und 3 ge-

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zeigt ist, ließen sich Ätzfaktoren von etwa 0,3 erzielen, d.h. die Anodisation schreitet entsprechend 3 Einheiten in vertikaler Richtung für jede horizontale Einheit fort. Daraus ergibt sich, daß die Auflösung der in Verbindung mit diesem Verfahren hergestellten Metallbereiche durch die Anfangsstärke der Metallfolie begrenzt ist. Es wurde gefunden, daß die Metallbereiche einen Mindestabstand von etwa 0,6 der Folienstärke haben müssen und die Durchmesser nicht kleiner als etwa 0,6 der Folienstärke sein dürfen. Die Grenzen sind somit durch die Stärke der Folie vorgegeben, die sich noch bequem ohne Beschädigung handhaben läßt. Unter Verwendung von 25 μ starker Aluminiumfolie ließen sich 10 χ lO -Anordnungen mit 5600 μ /Λίβ ta lib ere ic hen bei 1-mm-Zentren regelmäßig mit geringen Abweichungen herstellen. In dem Aufbau nach Fig. 3 sind die Metall-/Isoliergrenzflachen mit rechtwinkligem Verlauf bezüglich der Ober- bzw. Unterseite wiedergegeben, jedoch versteht es sich, daß in der Praxis die Metall-/ Isolier-Grenzflachen je nach der Dicke der Substratfolie und der Länge des angewandten Anodisationsprozesses einen etwas gekrümmten Verlauf haben können. Das beeinträchtigt jedoch nicht den endgültig erhaltenen Aufbau, bei dem auf einer Seite des Substrats mehrere Metallbereiche vorgesehen sind, die sich vollständig über die Dicke des Substrats zu dessen anderer Begrenzungsfläche hin erstrecken_Tund die einzelnen Metallbereiche durch Oxidbereiche elektrisch voneinander isoliert sind.

Wenn der beschriebene Aufbau eine sehr geringe Stärke in der Größenordnung von Mikron haben soll, so kann von einem Verfahren Gebrauch gemacht werden, bei dem eine sperrschichtartig ausgebildete anodische Lage erhalten wird. Es ist eine Anodisationsspannung von etwa 30 V/8ngströmeinheit erforderlich. Für eine Substratstärke von 5 μ wäre somit eine Spannung von 400 V notwendig. Für ein Aluminiumsubstrat kommen Wein-, Bor- und Citronensäuren als geeignete Elektrolyten in Frage. Dieses Verfahren kann sich als günstig erweisen, wenn sehr dünne Aufbauten mit Oxydationsbereichen hoher Isolationsqualität notwendig sind.

Strukturen, wie sie mit den Fig. 2 und 3 wiedergegeben sind,

lassen sich in vorteilhafter Weise in Verbindung mit Bildwiedergabeelementen einsetzen, bei denen auf einer Seite eines Substrats eine Reihe photoempfindlicher Schaltelemente angeordnet sind und die erzeugten Elektronen zu der gegenüberliegenden Begrenzungsfläche des Substrats weitergeleitet werden sollen. Ein solches Ausführungsbeispiel ist mit Fig. 4 gezeigt.

Fig. 4 zeigt nur zwei photoempfindliche Schaltelemente PRl und PR2, die sich über die obere Grenzfläche der Metallbereiche Ml und M2 erstrecken, die ihrerseits - von dem isolierenden Oxidmaterial umgeben - durch den Querschnitt des Substrats verlaufen. Es versteht sich jedoch, daß eine Reihe oder Vielzahl solcher Schaltelemente in einer geometrischen Gestaltung entsprechend Fig. 2 oder auch anderen gewünschten Mustern vorgesehen sein kann. Die photoempfindlichen Schaltelemente PRl und PR2, die über den entsprechenden Metallbereichen Ml und M2 liegen, sind ihrerseits durch Metallagen Gl bzw. G2 abgedeckt, die beispielsweise aus Gold bestehen können. Die photoempfindlichen Schaltelemente PRl und PR2 können aus photoleitendem Material wie beispielsweise Cadmiumsulfid oder Camiumselenid bestehen. An der Unterseite des mit Fig. 4 gezeigten Aufbaus ist an der Grenzfläche eine dünne Sperrschicht aus Aluminiumoxid für die Metallbereiche Ml und M2 In Form von Lagen Ol bzw. 02 vorgesehen. Über den Lagen Ol und 02 angeordnete Metallagen G3 bzw. G4 vervollständigen den Gesamtaufbau. Eine Arbeitspotentialquelle (nicht dargestellt) würde das Schaltelement PRl über die Metallagen Gl und G3, das Schaltelement PR2 über die Metallagen G2 und G4 speisen.

Bei auf die Schaltelemente PRl und PR2 fallender Strahlung sinkt deren Widerstand ab, so daß die an der Metall-Isdiergrenzflache anstehende Vorspannung zunimmt und Elektronen emittiert und über die an der Unterseite des Substrats befindlichen Metallagen G3, G4 abgegeben werden können.

Damit steht erfindungsgemäß ein einfacher und übersichtlicher Aufbau zur Verfügung, bei dem auf einer Seite eines Substrats photoleitende Schaltelemente angeordnet und die davon bei Einfall

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von Strahlung erzeugten Elektronen von der anderen Oberfläche des Substrats abgegeben werden können.

Patentansprüche;

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Claims

Patentansprüche;

Metall-/Isolieraufbau, gekennzeichnet durch ein Substrat, das ein in Anwesenheit eines Elektrolyten unter anodischen Bedingungen eine Oxidschicht bildendes metallisches Material enthält sowie bestimmte, sich vollständig über die Dicke des Substrats erstreckende, jeweils durch vollständige Anodisation gebildete Isolierbereiche aufweist.
2. Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine poröse Oxidschicht gebildet ist.
3. Aufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material Aluminium aufweist.
4. Aufbau nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Metallbereiche aufweist, die sich zwischen den bestimmten Isolierbereichen vollständig über die Dicke des Substrats erstrecken.
5. Aufbau nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch photoempfindliche, den Metallbereichen zwischen den bestimmten Isolierbereichen zugeordnete Schaltelemente auf einer Seite des Substrats, die auf den Einfall von Licht ansprechen und dadurch die Emission von Elektronen hervorrufen, die von der gegenüberliegenden Seite des Substrats abgegeben werden.
6. Verfahren zur Herstellung eines Metall-/Isolieraufbaus nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß einem Elektrolyt ein Substrat ausgesetzt wird, das das metallische Material enthält, das in der Anwesenheit des Elektrolyten unter anodischen Bedingungen eine Oxidschicht bildet, und daß ausgewählte Bereiche des Substrats unter Bildung von die Dicke des Substrats vollständig durchsetzenden Isolierbereichen vollständig anodisiert werden.

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7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine poröse Oxidschicht gebildet wird,
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material Aluminium aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Substrat eine rückwärtige Abdecklage aus einem Material aufgebracht wird, das in der Anwesenheit eines Elektrolyten unter Anodisationsbedingungen eine die Homogenität der Isolierbereiche (I) gewährleistende Passivierungsschicht bildet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdecklage Titan, Tantal, Niobium, Zirkonium oder Chrom ist.
H. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdecklage durch Einbringen in eine Ätzlösung nach Abschluß der Anodisation entfernt wird.
2. verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß über außerhalb der bestimmten Isolierbereiche auf einer Seite des Substrats liegende Bereiche eine Maskierungsschicht aus einem Material gebracht wird, das bei Anwesenheit eines Elektrolyten unter Anodisationsbedingungen eine Passivierungsschicht bildet.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Maskierungsschicht Titan, Tantal,Niobium, Zirkonium oder Chrom verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Maskierungsschicht durch Einbringen des maskierten Substrats in eine Ätzlösung nach Abschluß der Anodisation entfernt wird.

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