DE3107857C2

DE3107857C2 - Verfahren zur Herstellung von Dünnfilmschaltungen mit sehr gut lötbaren Leiterbahnschichtsystemen

Info

Publication number: DE3107857C2
Application number: DE19813107857
Authority: DE
Inventors: Virinder Dr.-Ing. 8017 Ebersberg Grewal; Werner 8025 Unterhaching Reindl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-03-02
Filing date: 1981-03-02
Publication date: 1984-08-23
Also published as: DE3107857A1

Abstract

Im Vergleich zu den Leitschichtmetallen Gold, Silber, Kupfer und Palladium besitzt Nickel die geringste Auflösung im Lot. Nickel oxidiert an der Luft und verstärkt bei Temperaturbehandlung an der Oberfläche. Diese Nickel-Oxidschicht verhindert beim Lötvorgang das vollständige Benetzen der Nickel-Oberfläche und damit eine gute Lötverbindung. Erfindungsgemäß wird daher auf eine Lötschicht aus Nickel oder einer Nickellegierung im gleichen Vakuum entweder eine Aluminium-, Aluminium-Silizium-, Kupferschicht oder Kupfer/Aluminiumschicht aufgebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dünnfilmschaltungen mit edelmetallfreien und sehr gut lötbaren Leiterbahnschichtsystemen.

Das Gebiet der Dünnfilmtechnik umfaßt integrierte Hybridschaltungen, Widerstandsnetzwerke, RC-Netzwerke und Verdrahtungen für Halbleiter-Chips, Flüssigkristallanzeigen, Plasma-Displays, Solarzellen usw. Für diese Anwendungen setzen sich in der Regel die Schichtsysteme aus Widerstands- und/oder Kondensatorschichten und Haft-, Lot-, Leitschichten zusammen.

Dünne Schichten werden auf einem isolierenden Substrat im Vakuum mittels Aufdampfen oder Aufstäuben aufgebracht und je nach Anforderung durch elektrochemisches Abscheiden verstärkt bzw. veredelt. Die Strukturerzeugung erfolgt entweder mittels Bedampfen bzw. Aufstäuben durch mechanische Masken oder durch Foto- und Ätzprozesse.

Bei der Bestückung von Schichtschaltungen mit z. B. Spulen, Kondensatoren, Transistoren, Mikropacks und Anschlußelementen wird insbesondere an die Lötbarkeit der Lötschicht eine hohe Anforderung gestellt. Mangelhafte Lötbarkeit (z. B. schlechte Benetzbarkeit, Entnetzung oder schnelles Ablegieren) erschwert bzw. verhindert das Einsetzen und/oder Auswechseln von Bauelementen. Aus Kupfer und/oder Gold bestehende Leitschichten legieren wegen ihrer guten Löslichkeit im Lötbad relativ schnell ab. Schichtschaltungen werden dadurch unbrauchbar.

Lötbare Leiterbahnsysteme werden nach bislang bekannten Verfahren aus Edelmetallschichtkombinationen, wie zum Beispiel NiAu, TiPdAu, TiCuNiAu, hergestellt. Bei edelmetallfreien Schichtkombinationen findet reines Kupfer als Leit- und Lötschicht Verwendung (DE-AS 17 90 013). Leitschichten aus Kupfer oxidieren bei höheren Temperaturen (>250°C), wie sie zum Beispiel bei der Stabilisierung von Widerstandsschichten auftreten, mit der Zeit durch und sind nicht mehr lötbar.

In der DE-AS 17 90 013 ist eine Dünnfilmschaltung angegeben, bei der die Bauelemente und Leitungsbahnen mit Hilfe eines selektiven Ätzverfahrens in der gewünschten Konfiguration gebildet werden. Dabei besteht die Widerstandsschicht aus einer CrNi-Schicht, die Leiterbahnschichten aus Gold bzw. Kupfer und die schützende Trennschicht aus Eisen, Nickel, Kobalt oder Aluminium.

In bezug auf die Löteigenschaften haben die bereits genannten Leiterbahnsysteme folgende Nachteile:

Ni-Au-Schicht:

ίο Mangelhafte Benetzung der Lölschicht durch Lötzinn (zum Beispiel 60 Sn/40 Pb) nach Temperprozeß
TiPdAu-Schicht:

Als Folgeerscheinung der schnellen Löslichkeit von Pd/Au in Lötzinn legieren diese Schichten nach relativ kurzen Lötzeiten ab.
TiCuNiAu-Schicht:

Einwandfreie Lötbarkeit ist nur bei Temperung in Luft bis 250⁰C gewährleistet
TiCu-Schicht:

Die schnelle Löslichkeit von Kupfer im Lötzinn bedingt relativ dicke Schichten an den Lötkontakten.

Die Löteigenschaften dieser beschriebenen Leiterbahnsysteme sind für viele Anforderungen nicht ausreichend. Im Vergleich zu den Leitschichtmstallen Gold, Silber, Kupfer und Palladium besitzt Nickel die geringste Auflösung im Lot Nickel oxidiert an der Luft und verstärkt bei Temperaturbehandlung an der Oberfläche.

Diese Nickel-Oxidschicht verhindert beim Lötvorgang das vollständige Benetzen der Nickel-Oberfläche und damit eine gute Lötverbindung. Um die Oxidschicht zu entfernen sind relativ scharfe Flußmittel notwendig, die erfahrungsgemäß mit Dünnfilmbauelemenfen und Widerstandsschichten nicht verträglich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren zu realisieren, wobei eine Nickel oder Nickellegierungsschicht während des Temperprozesses gegen Oxidation durch eine Schutzschicht geschützt wird. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Vakuum auf einem isolierenden Substratträger eine ca. 50 nm dicke Haft- oder Widerstandsschicht (Titan, Chrom, Molybdän, Wolfram, Titanwolfram, Aluminium, Nickel, Nickelchrom, Tantalnitrid, Tantalaluminium, Zinnindiumoxid und dergleichen), eine 50 bis 2000 nm dicke Lötschicht aus Nickel oder einer Nickellegierung und darauf eine 10 bis 2500 nm dicke Schutzschicht aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder Kupfer/Aluminium aufgebracht wird.

so Bei dem Verfahren nach der Erfindung schützen Aluminium- und/oder Kupferschichten die darunterliegende Nickelschicht gegen Oxidation an der Luft. Für Nikkeischichten, die bei höheren Temperaturen in Luft getempert werden, ist ein Oxidationsschutz aus einer AIuminium- bzw. Kupfer/Aluminiumschicht erforderlich. Bereits Schichtstärken von 0,5 μίτι für Kupfer/Aluminiumschicht bzw. ca. 20 nm für die Aluminiumschicht sind ausreichendem zu verhindern, daß Nickel beispielsweise nach einer Temperung in Luft bei 350°C, eine Stunde an die Oberfläche diffundiert und oxidiert. Vor der BeIotung muß an den Lötstellen die Aluminium-Schutzschicht entfernt werden. Bei im Vakuum bzw. in Schutzgasatmosphäre getemperten Nickelschichten ist eine dünne Kupferschicht ausreichend, um eine nachfolgende Oxidation von Nickel an Luft zu vermeiden. Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß die Nickel- Kupfer, Nickel-Aluminium-, bzw. Nickel-Kupfer-Aluminium-Schichten hochtemperbar und sehr

gut lötbar sind. Anstelle von Nickel kann auch eine Nikkellegierung eingesetzt werden. Gegeben durch die ge- *inge Löslichkeit von Nickel in Lötzinn ist die Nickelschicht für längere Lötzeiten und Mehrfachbelotung ausgezeichnet geeignet

Die Lötbarkeit der vorgestellten Schichtkombinationen wurde an strukturierten und bei 350° C, eine Std. in Luft getemperten Schichten überprüft Die Schichtdikken für die Variante NiCuAl waren: Ni-Lötschirht 100 nm, Cu-Leitschicht 1000 nm und Al-Schutzschicht ίο 40 nm. Die ßelotung erfolgte in einem auf 220° C erwärmten 60 Sn/40 Pb-Lötbad bei einer Tauchzeit von 8 see. Dieser Lötvorgang konnte mit der NiCu-Schicht 6 χ wiederholt werden, ohne daß Spuren von Ablegierungen erkennbar wurden.

Der Flächenwiderstand der NiCu- bzw. NiCuAI-Schichten ist relativ niedrig. Nimmt man z. B. für einen NiCuAl-Schichtaufbau eine Ni-Schicht von 100 nm, eine Cu-Schicht von 500 nm und eine Al-Schutzschicht von 40 nm, so beträgt der Leiterbahnwiderstana bei einer Gesamtschichtstärke von 640 nm ca. 0,04 Ω/D. Dieser Wert erhöht sich nach der Wärmebehandlung von 350° C, 1 Std. in Luft auf 0,05 Ω/G.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl durch den Verzicht auf teuere Edelmetalle wie Gold oder Palladium als auch wegen der relativ geringen Schichtdikken für die Ni-Lötschicht und die Cu-Leitschicht besonders kostengünstig.

Das Verfahren kann mit folgenden Schichtstärken realisiert werden:

schicht oder Kupfer/Aluminiumscnicht aufgebracht. Über die Dicke der Schutzschicht 5 kann gleichzeitig der Leiterbahnwiderstand beeinflußt werden. Auf der Leiterbahn 6 befinden sich die Lötstellen 8.

Die F i g. 2 unterscheidet sich insofern von der F i g. 1, daß über der Lötschicht 4 eine Leit- und Schutzschicht 7 aus Kupfer vorgesehen ist

Nach dem Aufbau, wie er in der F i g. 3 dargestellt ist. fehlt im Vergleich zu den F i g. 1 und 2 die Widerstandsschicht 2.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1.	Haftschicht ca. 50 nm	Nickellegierung
2.	Lötschicht:
	Nickel 50—5000 nm oder
	50—5000 η m.	10-2500 nm
3.	Leit- und/oder Schutzschicht:	50-2500 nm
	Aluminium	50—2500 nm
	Kupfer/Aluminium
	Kupfer

}5

40

Haftschichten sind sowohl die Widerstandsschichten Nickelchrom, Tantalnitrid, Zinnindiumoxid und Tantalaluminium als auch Chrom, Titan, Molybdän, Wolfram, Titanwolfram, Aluminium und dergleichen.

Für bestimmte Anwendungen ist es denkbar, daß die Nickeischicht zugleich als Haft- und Lötschicht eingesetzt werden kann (siehe F i g. 1.3).

Das Herstellverfahren für DF-Schaltungen wird besonders preisgünstig, wenn die Widerstandsschicht und eine der vorgestellten Leiterbahn-Schichtkombinatio^ nen hintereinander in einem Vakuum aufgebracht werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sowie Merkmale bezüglich der Verwendung von basismaterial in einer solchen Verfahrensweise ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand der Figuren, die drei verschiedene Varianten eines Schichtaufbaus im Schnitt /eigen, erläutert.

Der Schichlaufbau nach der F i g. 1 besteht aus einem mi Substrat 1, auf dem eine Widerstands- b/w. Wider-Mandskondensatorschicht oder ln2Oj/SnO2-(ITO-) Schicht 2 aufgebracht ist. Darauf befindet sich nach Bedarf eine Haftschicht Λ die z. B. aus Titan, Chrom, Aluminium und dergleichen bestehen kann. Über der Haft- b5 schicht ist eine Lötscb'cht 4 aus Nickel oder einer Nikkellegierung vorgesehen. Als Schutzschicht 5 wird entweder eine AluminiuPV. Aluminium-Silizium-. Kupfer-

Claims

Patentansprüche:

I. Verfahren zur Herstellung von temperbaren Dünnfilmschaltungen mit edelmetallfreien und sehr gut lötbaren Leiterbahnschichtsystemen, dadurch gekennzeichnet, daß im Vakuum auf einem isolierenden Substratträger (1) eine ca. 50 nm dicke Haft- oder Widerstandsschicht (Titan, Chrom, Molybdän, Wolfram, Titanwolfram, Aluminium, Nikkei, Nickelchrom, Tantalnitrid, Tantaialuminium, Zinnindiumoxid und dergleichen) (2, 3), eine 50 bis 2000 nm dicke Lötschicht (4) aus Nicke! oder einer Nickellegierung und darauf eine 10 bis 2500 nm dikke Schutzschicht (5) aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder Kuofer/Aluminium aufgebracht wird.

Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötschicht (4) aus Nickel oder einer Nickellegierung zugleich eine Haftschicht (3) ist

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach den Temperaturprozessen die Schutzschicht (5) durch Ätzverfahren vor dem Löten entfernt wird.