DE3321779A1

DE3321779A1 - Mikrostreifenleitung und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3321779A1
Application number: DE19833321779
Authority: DE
Inventors: Brian Thomas Lynchburg Va. Robertson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-07-06
Filing date: 1983-06-16
Publication date: 1984-01-12
Also published as: GB2123615B; GB8317466D0; GB2123615A; JPS5962201A; JPH0442841B2; SG60588G; HK1089A

Description

9O98-45MR-OO382

GENEiAL ELECTRIC COMPANY

Mikrostreifenleitung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Herstellung von Hybridmikroelektronikschaltungen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Herstellung von Mikrostrip- oder Mikrostreifenleitungen unter Verwendung eines Dickschichtverfahrens auf einem Hybridschaltungssubstrat. Sie schafft eine neue Herstellungstechnik, die weniger Arbeit und weniger Spezialausrüstung als bekannte Dickschichttechniken erfordert und viele der Schwierigkeiten beseitigt, die bei der bekannten Dickschichtherstellungstechnik auftreten.

Einige der Probleme, die bei der Fertigung von Mikrowellenhybridschaltungen auftreten, sind in der Veröffentlichung THE MICROWAVE HYBRID CIRCUIT: FABRICATION-PROCESSING CONSIDERATIONS von William J. MacDonald der Film Microelectronics, Inc., 17 A Street Burlington, Mass., und von Charles A. Wheeler von Sanders Associates, Inc. Microwave Division, Nashua, New Hampshire, beschrieben. Die Autoren

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weisen darauf hin, daß HF-Strom, der durch einen Schichtleiter fließt, dem sogenannten Skineffekt unterliegen kann. Die Stromkonzentration an der Grenzfläche zwischen dem Substrat (Keramik) und der Metallisierung stellt gewisse Anforderungen an die Schichtdicke (Leiterdicke) und den Haftmechanismus der Schicht.

Bei Mikrowellenfrequenzen sind die Leitungskenndaten einer Schichtleitung eine Funktion, wenigstens zum Teil, der Leitungsbreite und der scharfen Randbegrenztheit sowie der Leitungsdicke. Bei Anwendung der Kupfersilbertechnik und anderer Dickschichtkupfertechniken ist es möglich, eine Mikrostripresonatorleitung herzustellen, die eine ausreichend niedrige Dämpfung und einen hohen Q-Wert (Güte) hat, was bei modernen Schaltungen gegenwärtig verlangt wird. Es ist jedoch nicht ausreichend möglich, sowohl die Breite, die scharfe Randbegrenztheit und die Dicke der auf das Substrat aufgebrachten Dickschichtleitung genau zu steuern. Bei Anwendung der bekannten Techniken wird, wenn mehrere Kupferschichten gedruckt werden, um die gewünschte Eindringtiefenoder Hautdicke herzustellen, durch das Überlappen der Schichten jede scharfe Begrenztheit des Randes zerstört, und die Breite der Mikrostreifenleitung wird ungewiß. Dadurch wird die Vorhersagbarkeit der Mikrostreifenleitungskenndaten reduziert.

Es ist möglich, eine gute Kontrolle der Breite, der scharfen Begrenztheit des Randes und der Dicke unter Verwendung von Dünnschichttechniken zu erzielen, bei denen Chrom-Gold oder Chrom-Nickel-Gold durch Zerstäubung auf das Substrat aufgebracht wird. Die Anwendung der Dünnschichttechniken erfordert jedoch aufwendige und teuere Maschinen. Die Kosten schließen die Anwendung dieser Techniken, ausgenommen bei der Massenproduktion, aus.

Beispielshalber beinhaltet ein bekanntes Dünnschichtverfahren zum Herstellen von Dünnschichtmikrostreifenleitungen folgende Verfahrensschritte:

1. Vakuumbedampfung (d.h. entweder durch Aufdämpfung oder Zerstäubung) mit ungefähr 50 nm 1500 A) Titan auf ein 99,5 !-Al₂O₃-Substrat.

2. Vakuumbedampfung mit Kupfer, bis die Gesamtdicke 2 \xm beträgt. Das ergibt eine phasierte metallisierte Cu-Ti-Schicht, die eine hohe Haftfähigkeit auf dem Aluminiumoxidsubstrat hat.

3. Kupfer wird dann als galvanischer Überzug auf die aufgebrachte Metallisierung aufgebracht, um die Metalldicke auf 27 um zu vergrößern, d.h. es werden 25 um Cu galvanisch niedergeschlagen.

4. Das gewünschte Muster wird dann in Photomaskentechnik unter Verwendung eines flüssigen Photolacks hergestellt, der belichtet und entwickelt wird, so daß öffnungen in dem Photolack zurückbleiben, wo das Muster verbleiben soll.

5. 10-12 iim Gold werden dann als galvanischer überzug auf das freiliegende Kupfer aufgebracht.

6. Der Photolack wird entfernt, wobei eine durchgehende Kupferebene zurückbleibt, die ein als galvanischer überzug aufgebrachtes Goldmuster trägt.

7. Das Kupfer und das Titan werden dann von dem Substrat weggeätzt. Das Goldmuster dient als Maske, so daß das Kupfer und das Titan unter dem Gold nicht weggeätzt werden.

Das sich ergebende metallisierte Muster enthält deshalb

50 nm (500 Ä) Titan

1950 nm (19500 A) durch Vakuumbedampfung aufgebrachtes Kupfer

25 urn als galvanischer überzug aufgebrachtes Kupfer

10-12 μπι als galvanischer überzug aufgebrachtes Gold.

Die Verfahrensschritte, die erforderlich sind, um eine Mikrostreifenleitung dieser Art herzustellen, erfordern ein beträchtliches Ausmaß an Arbeit und an Spezialausrüstung. Die oben dargelegte Dickschichttechnik ist einfacher ..und erfordert weniger Arbeit und weniger Spezialausrüstung.

Ein kleines Beispiel von US-Patentschriften veranschaulicht die bekannten Techniken zum Herstellen von mikroelektronischen Schaltungen:

US-PS 4 152 679

US-PS 3 808 049

US-PS 3 274 328

US-PS 2 257 629.

Auf diese US-Patentschriften wird bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen. Die Aufzählung dieser US-Patentschriften ist nicht erschöpfend, sondern ist nur ein kleines Beispiel der US-Patentschriften, die sich auf das Gebiet, zu dem die Erfindung gehört, beziehen.

Zum überwinden der Schwierigkeiten, die bei dem Herstellen von Mikrostreifenleitungen unter Verwendung der bekannten Dickschichttechniken auftreten, ohne daß auf die Anwendung der teueren und komplizierten Dünnschichttechniken zurückgegriffen werden muß, schafft die Erfindung eine neue Dickschichtfertigungstechnik.

Gemäß der Erfindung wird auf ein Substrat eine erste Kupferschicht gedruckt, die eine hohe Haftfähigkeit an dem

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Al₂O₃-Substrat hat. Diese erste Schicht wird benutzt, um die Breite und den Rand der Mikrostreifenleitung genau festzulegen. Eine zweite Kupferschicht wird auf die erste Schicht aufgebracht. Diese zweite Schicht kann eine niedrigere Dämpfung als die erste Schicht und eine geringere Haftfähigkeit an dem Al₂O- als die erste Schicht haben. In Kombination mit der ersten Schicht wird jedoch die Haftfähigkeit der fertigen Leitung die gestellten Mindestanforderungen übersteigen. Die zweite Schicht wird benutzt, um die Dicke der Leitung bis zu einem gewünschten Wert aufzubauen, beispielweise fünf Hautdicken oder HF-Eindringtiefen bei 150 MHz. Sie wird mit einer Breite aufgebracht, die etwas kleiner ist als die Breite der ersten Schicht. Das erlaubt, daß die erste Schicht weiterhin die Breite und den Rand der Mikrostreifenleitung festlegt.

Unter Verwendung dieser Technik ist es möglich, alle Vorteile des doppelten Drückens von Dickschichtkupfer zu erzielen, wie beispielsweise mehrere Hautdicken, niedrige Dämpfung und hoher Q-Wert, und zwar ohne die nachteiligen Auswirkungen des doppelten Drückens, nämlich Verlust an Breitenkontrolle und scharfer Randbegrenztheit.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht der Mikrostrei

fenleitung, nachdem die erste Schicht zum genauen Begrenzen ihres Randes und ihrer Breite aufgebracht worden ist, und

Fig. 2 eine Schnittansicht der Mikrostrei

fenleitung nach dem Aufbringen

einer zweiten Schicht, deren Breite schmaler als die der ersten Schicht ist und die benutzt wird, um die Dicke der Leitung zu vergrößern, ohne die scharfe Randbegrenztheit der ersten Schicht zu zerstören.

Gemäß Fig. 1 beginnt das Fertigungsverfahren mit dem Bereitstellen eines herkömmlichen Substrats 10. Das Substrat kann ein herkömmliches Aluminiumoxidsubstrat sein, das bei bekannten Hybridschaltungsfertigungsverfahren benutzt wird. Eine erste Dickschichtkupferschicht 12 wird aufgebracht. Diese erste Kupferschicht wird vorzugsweise aus DP 9923, bei dem es sich um ein mit Glasfritte gebundenes Dickschichtleitermaterial handelt, hergestellt. DP 9923 ist ein Produkt der E.I. DuPont Nemours Company, Inc. (DuPont) und ist vollständig auf deren Datenblatt Nr. E-11728 (9/76) beschrieben. Die Schicht 12 wird mit genauer Kontrolle der linken und rechten Randteile 14 und 16 aufgebracht, so daß eine präzise Kontrolle über die Breite 18 der Schicht erzielt wird. Das DP 9923 hat eine ausreichende Haftfähigkeit, um fest an dem Substrat 10 zu haften.

Fig. 2 zeigt die übrigen Fertigungsschritte. Nachdem die Schicht 10 gebrannt worden ist, wird eine zweite Schicht 20 auf die erste Schicht gedruckt. Die Schicht 20 wird aufgebracht, um die Gesamtdicke der Mikrostreifenleitung auf die gewünschte Anzahl von Hautdicken oder HF-Eindringtiefen zu bringen. Die zweite Schicht 20 besteht vorzugsweise aus DP 9925, bei dem es sich um ein reaktives gebundenes (Oxidkupfer)Kupferleitermaterial handelt, das eine geringere Dämpfung als das DP 9923 hat, welches für die Schicht 12 benutzt wird. DP 9925 ist ebenfalls ein Produkt von

DuPont. Die Schicht 20 wird so aufgebracht, daß ihre Breite 22 kleiner ist als die Breite 18 der Schicht 12. Auf diese Weise werden die präzise Kontrolle über die Breite 18 und die schärfe Begrenzung der Randteile 14 und 16 nicht beeinträchtigt. Die Kenndaten der Mikrostreifenleitung, die durch die scharfe Randbegrenztheit und die Breite bestimmt werden, werden durch denjenigen Teil der Leitung festgelegt, der sich dem Substrat 10 am nächsten befindet. Durch Hinzufügen der Schicht 20 auf der Oberseite der Schicht 12 kann die gewünschte Anzahl von Hautdicken erzielt werden, ohne daß die präzise Kontrolle über die Breite und die scharfe Randbegrenztheit beeinträchtigt wird, die sich durch die Verwendung eines präzise kontrollierbaren Mediums für die Schicht 12, wie DP-9923-Kupfer, ergibt. In Fig. 2 ist die Grenzlinie 24 zwischen den Schichten 12 und 20 gestrichelt dargestellt. DP 9925, das eine niedrigere Dämpfung hat, kann zum Herstellen der Schicht 20 benutzt werden, ohne daß eine präzise Randkontrolle wie für die Schicht 12 erforderlich ist. Bei Bedarf können zusätzliche Schichten auf die Schicht 20 gedruckt werden, um die gewünschte Hautdicke herzustellen, solange die zusätzlichen Schichten eine Breite haben, die kleiner ist als die der Schicht 12, so daß deren präzise Randfestlegung nicht beeinträchtigt wird.

Claims

Ansprüche:

/1 .yverfahren zum Herstellen einer Mikrostreifenleitung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Bereitstellen eines Substrats;

b) Drucken einer ersten leitenden Schicht der Leitung auf das Substrat, wobei die erste Schicht eine vorbestimmte Breite und eine Dicke, die kleiner als die gewünschte Dicke der Leitung ist, hat;

c) Drucken einer zusätzlichen leitenden Schicht über der ersten Schicht, wobei die zweite Schicht eine Breite hat, die ^kleiner ist als die der ersten Schicht; und

d) Wiederholen des Schrittes (c)so oft wie notwendig, um die Dicke der Leitung bis zu einem gewünschten Wert aufzubauen, wobei jede zusätzliche Schicht eine Breite hat, die kleiner ist als die der ersten Schicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (b) den Schritt beinhaltet, eine erste Schicht aus DP 9923, bei dem es sich um durch Glasfritte gebundenes Dickschichtkupfer handelt, zu drucken.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (c) den Schritt beinhaltet, eine zusätzliche Schicht aus DP 9925, bei dem es sich um reaktives gebundenes Kupfer handelt, zu drucken.
4. Mikrostreifenleitung, hergestellt durch folgende Schritte:

a) Bereitstellen eines Substrats (10);

b) Drucken einer ersten leitenden Schicht (12) der Leitung auf dem Substrat, wobei die erste Schicht eine vorbestimmte Breite (18) und eine Dicke, die kleiner als die gewünschte Dicke der Leitung ist, hat;

c) Drucken einer zusätzlichen leitenden Schicht (20) über der ersten Schicht (12), wobei die zweite Schicht (22) eine Breite hat, die kleiner als die der ersten Schicht ist; und

d) Wiederholen des Schrittes (c) so oft wie nötig, um die Dicke der Leitung bis zu einem gewünschten Wert aufzubauen, wobei jede zusätzliche leitende Schicht eine Breite hat, die kleiner ist als die der ersten Schicht.
5. Mikrostreifenleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fertigungsschritt (b) den Schritt beinhaltet, die erste Schicht (12) aus DP 9923, bei dem es sich um durch Glasfritte gebundenes Dickschichtkupfer handelt, zu drucken.
6. Mikrostreifenleitung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fertigungsschritt (c) den Schritt beinhaltet, die zusätzliche Schicht aus DP 9925, bei dem es sich um reaktives gebundenes Kupfer handelt, zu drucken.
7. Mikrostreifenleitung, gekennzeichnet durch: ein Substrat (10);

eine erste leitende Schicht (12), die auf dem Substrat in

Dickschichttechnik hergestellt ist und eine vorbestimmte Breite (18) hat; und

eine zweite in Dickschichttechnik hergestellte Schicht (20), die über der ersten Schicht aufgebracht ist und eine Breite (22) hat, die kleiner als die der ersten Schicht ist.
8. Mikrostreifenleitung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine oder mehrere zusätzliche, in Dickschichttechnik über der zweiten Schicht (20) hergestellte Schichten, wobei jede zusätzliche Schicht eine Breite hat, die kleiner ist als die der ersten Schicht (12).
9. Mikrostreifenleitung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (12) aus mit Glasf ritte gebundenem Kupfer in Dickschichttechnik hergestellt ist.
10. Mikrostreifenleitung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (12) aus DP 9923 besteht.
11. Mikrostreifenleitung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (20) aus reaktivem gebundenem Kupfer besteht.
12. Mikrostreifenleitung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive gebundene Kupfer DP 9925 ist.
13. Mikrostreifenleitung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Schichten aus reaktivem gebundenem Kupfer bestehen.
14. Mikrostreifenleitung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive gebundene Kupfer DP 9925 ist.