DE3823463C1

DE3823463C1 -

Info

Publication number: DE3823463C1
Application number: DE3823463A
Authority: DE
Inventors: Andrew Dipl.-Chem. 6072 Dreieich De Adamczyk; William Ellis Hockessin Del. Us Delaney
Original assignee: DuPont de Nemours Deutschland GmbH
Current assignee: DuPont de Nemours Deutschland GmbH
Priority date: 1988-07-11
Filing date: 1988-07-11
Publication date: 1990-02-01
Anticipated expiration: 2008-07-12
Also published as: JPH02148881A; KR900002434A; US5098815A; EP0350876A3; EP0350876A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Verfahren ist aus der Zeitschrift "Solid State Technology", Band 17, Heft 5, Mai 1974, S. 44-47, bekannt.

Es sind planare Schaltkreise auf keramischen Substraten bekannt, bei denen mehrere Schaltungsebenen durch dielektrische Schichten voneinander isoliert sind. Diese dielektrischen Schichten weisen Öffnungen auf, die sowohl zur Aufnahme fester leitender Verbindungen als auch zum Durchführen von Anschlußstiften für die Verbindung mit anderen Bauteilen dienen. Insbesondere die über entsprechenden Bohrungen im Substrat sich befindenden Öffnungen der letzteren Art werden vorteilhaft konisch, zum Substrat hin sich verengend, ausgeführt, damit die dielektrische Schicht beim Einführen der Anschlußstifte nicht verletzt wird und eine zuverlässige Verbindung zwischen Anschlußstiften und Leiterzügen ermöglicht wird. In der DE 36 39 420 A1 beispielsweise in Fig. 2, sind solche, von der Oberfläche her sich verjüngenden Öffnungen für die Aufnahme von Anschlußstiften im Prinzip dargestellt. Auch eine Verbindungstechnik, wie sie im IBM Technical Disclosure Bulletin (TDB) Band 30, April 1988, Seite 487-488, beschrieben ist, erfordert keramische Körper mit Bohrungen, welche teilweise abgeschrägte Seitenwände aufweisen.

Die bekannten photolithographischen Verfahren, bei denen eine Paste aus einem Photoresist und einem pulverförmigen dielektrischen Material verwendet werden, liefern regelmäßig nur Öffnungen mit nahezu senkrecht zur Schaltungsebene stehenden Seitenwänden. Dagegen ergibt das Siebdruckverfahren stets mehr oder weniger schräge, meist auch gekrümmte Seitenwände (s. beispielsweise F. Z. Keister et al., Solid State Technology, Band 17, Heft 5, Mai 1974, S. 44-47, Fig. 5). Die Form dieser Wände hängt von einer Reihe von Verfahrensparametern ab und läßt sich nur schwer ohne Auswirkung auf andere Eigenschaften des fertigen Produktes steuern.

Ein Verfahren zum photolithographischen Herstellen von Öffnungen in Photolackschichten, welche schräge Seitenwände aufweisen, ist aus EP 02 27 851 A1 bekannt. Hierbei wird nach einer bildmäßigen Belichtung die Photolackschicht diffus nachbelichtet. Dies hat zur Folge, daß die oberen Bereiche der ganzen Schicht zumindest etwas löslich werden. Die Dicke der resultierenden Schicht kann daher nicht ohne weiteres gleichmäßig gehalten werden. Im IBM TDB Band 27, Juni 1984, Seite 606, wird offenbart, daß durch Steigerung der Sensibilisatorkonzentration im Photolack der Belichtungsgradient in Richtung Resistoberfläche-Substrat anwächst, was bei positiv arbeitenden Photoresisten zu stärker abgeschrägten Kanten führt. Auch durch geeignete Auswahl von Wellenlänge und Bandbreite des Kopierlichtes (IBM TDB Band 26, Sept. 1983, Seite 1935-1936) oder durch eine Wärmebehandlung zwischen Belichtung und Entwicklung (IBM TDB Band 30, Okt. 1987, Seite 371) läßt sich das Kantenprofil von gemusterten Photoresistschichten steuern. Schließlich können die Kanten der Photolackmuster auch nachträglich durch isotropes Plasmaätzen abgeschrägt werden (IBM TDB Band 26, Sept. 1983, Seite 1978). Diese bekannten Verfahren werden jedoch stets nur auf reine Photolackschichten im Mikrometerbereich angewendet und lassen sich nicht auf mehr als 20 µm dicke Schichten aus photoempfindlichen Pasten übertragen.

Im IBM TDB Band 20, Aug. 1977, Seite 964, wird die Verwendung einer Maske mit drei Dichtestufen (tri-level- mask) für die Belichtung einer positiv arbeitenden Photoresistschicht beschrieben, aus der nach der Belichtung die mit verschiedener Intensität belichteten Bereiche in zwei getrennten Entwicklungsschritten selektiv abgetragen werden. Auf diese Weise kann eine Beschichtung aus mehreren Metallschichten nacheinander zu zwei verschiedenen Mustern geätzt werden. Eine ähnliche Maske für die Röntgenlithographie beschreibt die gleiche Zeitschrift im Band 17, Dezember 1974, Seite 2168. Masken dieser Art ermöglichen die Durchführung zweier lithographischer Schritte mit einer Belichtung und ersparen so den schwierigen Schritt der paßgenauen Ausrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, nach welchem dielektrische Schichten in planaren Schaltkreisen auf keramischen Substraten erzeugt werden können, bei denen die Neigung der Seitenwände der die Schicht durchbrechenden Öffnungen in weiten Grenzen gesteuert werden kann, ohne daß die verwendeten Materialien oder Verfahrensparameter, die die Eigenschaften des fertigen Produkts beeinflussen, verändert werden müssen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Geeignete photoempfindliche Pasten lassen sich herstellen, indem man einen positiv arbeitenden Photoresist mit einem pulverförmigen dielektrischen Material vermischt. Die Korngröße des Pulvers richtet sich dabei nach dem geforderten Auflösungsvermögen. Als Photoresist eignen sich beispielsweise die handelsüblichen Lösungen auf der Basis Chinondiazid-Novolak. Um Konzentration und Viskosität auf die dem Beschichtungsverfahren gemäßen Werte einzustellen, kann man noch Lösungsmittel oder polymere Bindemittel zusetzen. Geeignete Materialien sind dem Fachmann bekannt. Es lassen sich auch Pasten mit vorbeschriebener Zusammensetzung verwenden, z. B. nach den Patentschriften DD 2 34 196 und SU 11 23 012. Als dieelektrische Materialien kommen vor allem die in der Dickschichttechnik gebräuchlichen Gläser, die meist auf Blei- oder Borosilikat basieren, ggf. im Gemisch mit anderen dielektrischen Stoffen wie z. B. Aluminiumoxid, in Frage.

Die Belichtungsmaske zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Positivmaske, d. h. daß sie an den Stellen, wo die dielektrische Schicht gebildet werden soll, nicht lichtdurchlässig ist, während die Öffnungen in der Schicht als lichtdurchlässige Bereiche mit minimaler optischer Dichte in der Maske vorgebildet sind. Diese Bereiche sind unscharf begrenzt, wenn Öffnungen mit schrägen Seitenwänden entstehen sollen. Solche Masken sind bisher in der Dickfilmtechnik unüblich; es wird im Gegenteil Wert darauf gelegt, daß die lichtdurchlässigen Bereiche möglichst scharf begrenzt sind, d. h. daß die optische Dichte sich beim Überschreiten der Begrenzungslinie sprunghaft ändert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das die Art der Maske und die Form der sich ergebenden Öffnungen in der dielektrischen Schicht zeigt, wird anhand der Zeichnungen weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt die optische Dichte D der Maske längs einer Ortskoordinate x in der Maskenebene, wie sie sich beim Abtasten mit einem Mikrodensitometer ergibt, wobei ein scharf und ein unscharf begrenzter lichtdurchlässiger Bereich zentral durchfahren werden.

Fig. 2 zeigt die Dicke h der dielektrischen Schicht, welche mittels der Maske nach Fig. 1 durch Belichten, Entwickeln und Brennen einer Schicht aus einer photoempfindlichen Paste hergestellt wurde, über der Ortskoordinate x′, welche durch orthogonale Parallelprojektion von x auf die Substratebene entsteht.

Die positive Maske besitzt an den Stellen, wo die dielektrische Schicht auf dem Substrat entstehen soll, eine hohe optische Dichte Dmax. Dagegen ist die optische Dichte der lichtdurchlässigen Bereiche dort, wo Öffnungen in der dielektrischen Schicht entstehen sollen, sehr gering (Dmin). Beim Eintreten in einen scharf begrenzten lichtdurchlässigen Bereich 11 ändert sich die optische Dichte plötzlich, so daß die Kurve in Fig. 1 dort senkrecht verläuft. Dagegen verteilt sich die Änderung der Dichte beim Eintreten in einen unscharf begrenzten Bereich 21 über ein Intervall a der Ortskoordinate, d. h. die Dichte nimmt allmählich ab. Entsprechendes gilt für den Dichteanstieg beim Verlassen der Bereiche 11 bzw. 21. Wie Fig. 2 zeigt, entsteht dort, wo die Maske einen scharf begrenzten lichtdurchlässigen Bereich 11 aufweist, in der dielektrischen Schicht eine Öffnung 12 mit senkrechten Seitenwänden. Dagegen ist die Seitenwand der Öffnung 22, welche am Ort des unscharf begrenzten Bereichs 21 gebildet wird, in einem spitzen Winkel gegen die Substratebene geneigt. Die Projektion der Seitenwand auf die Substratebene hat dann in Richtung der Ortskoordinate x die Breite b.

Die Breite b der Seitenwände der in der dielektrischen Schicht gebildeten Löcher kann durch die Breite a der unscharfen Begrenzung gesteuert werden. Im allgemeinen ist b von a verschieden und es wird notwendig sein, den quantitativen Zusammenhang dieser Größen durch einige Versuche zu ermitteln, da er durch zum Teil schwer berechenbare Funktionen wie etwa die Empfindlichkeitskurve der photoempfindlichen Paste oder die Schrumpfungscharakteristik des dielektrischen Materials beim Brennen, bestimmt wird.

Eine geeignete Positivmaske läßt sich beispielsweise herstellen, indem eine scharfe Negativmaske, die dort, wo Öffnungen entstehen sollen, lichtundurchlässig ist, mit einer nicht punktförmigen Lichtquelle aus einem geringen Abstand auf einen negativ arbeitenden Halbtonfilm kopiert wird. Wenn die dielektrische Schicht auch Öffnungen mit senkrechten Seitenwänden enthalten soll, dann kann gleichzeitig eine entsprechende Negativmaske im direkten Kontakt mit aufkopiert werden. Man erhält dann eine positive Maske, die sowohl scharf als auch unscharf begrenzte lichtdurchlässige Bereiche aufweist und auf die photoempfindliche Schicht kopiert werden kann. Es ist aber auch möglich, eine scharfe und eine unscharfe positive Maske nacheinander auf die photoempfindliche Schicht zu kopieren.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich in einem Arbeitsgang und mit nur einer photoempfindlichen Paste dielektrische Schichten mit Öffnungen erzeugen, deren Seitenwände sowohl zur Substratebene senkrecht stehen als auch über einen weiten Winkelbereich abgeschrägt sein können.

Die Erfindung kann insbesondere bei der Herstellung von Hybridschaltungen auf keramischen Substraten, bei denen die Abmessungen der Strukturelemente ungefähr zwischen 10 und 100 µm liegen, angewendet werden.

Anwendungsbeispiel

24 g einer Chinondiazid-Novolak- Photoresistbeschichtungsmasse mit 17% Feststoffgehalt (Shipley 1350) wurden mit 4 ml β-Terpineol, 7,25 g Glasfritte und 5 g Aluminiumoxid vermischt und 16 Stunden lang in einer Kugelmühle gemahlen. Danach wurde das Lösungsmittel solange abgedampft, bis die Viskosität auf über 10 Pa s angestiegen war. Aus dieser Paste wurde durch Siebdruck und nachfolgendes Trocknen bei 60°C eine Beschichtung von 30 µm Dicke auf einem Aluminiumoxidträger erzeugt. Um die Öffnungen in der dielektrischen Schicht zu erzeugen, wurde eine positive Maske mit einer Maximaldichte von über 3 und einer Minimaldichte von weniger als 0,1 hergestellt, die kreisrunde lichtdurchlässige Bereiche von 0,5 mm Durchmesser aufwies. Die Begrenzung eines Teils dieser Bereiche war scharf, d. h. daß beim Abtasten mit einem Mikrodensitometer ein Anstieg der Dichte vom Minimal- auf den Maximalwert in einem Bereich von weniger als 5 µm beobachtet wurde. Bei anderen, unscharf begrenzten Bereichen stieg die Dichte dagegen allmählich über ein Intervall a von 45 bzw. 75 µm an. Die Maske wurde mit einer Quecksilber- Hochdrucklampe im Kontakt bei einer Belichtung von 150 mJ/cm² auf die photoempfindliche Schicht kopiert. Danach wurde die Schicht mit 0,1 normaler Natronlauge unter Bürsten entwickelt und nach Trocknen bei 850°C gebrannt. Man erhielt eine dielektrische Schicht von 20 µm Dicke. Bei Untersuchung mit dem Rasterelektronenmikroskop (Betrachtungsrichtung senkrecht zur Substratebene) wurden sowohl Öffnungen mit senkrechten Seitenwänden beobachtet als auch solche, bei denen die Projektion der Seitenwand auf die Substratebene eine Breite b von 20 bzw. 33 µm hatte.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von dielektrischen Schichten in planaren Schaltkreisen auf keramischen Substraten, welche Öffnungen aufweisen, deren Seitenwände in einem spitzen Winkel gegen die Ebene des Substrats geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Steuerung des Winkels

a) das Substrat mit einer positiv arbeitenden photoempfindlichen dielektrischen Paste beschichtet und trocknet,
b) die Beschichtung durch eine Maske belichtet, deren Dichte sich an den Stellen, wo die geneigten Seitenwände entstehen sollen, allmählich ändert, so daß lichtdurchlässige Bereiche mit unscharfen Begrenzungen vorliegen und
c) nach der Belichtung die Beschichtung entwickelt und brennt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mit einem Leiterbahnmuster versehen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als photoempfindliche dielektrische Paste eine Zubereitung verwendet, die ein pulverförmiges dielektrisches Material sowie einen positiv arbeitenden Photoresist enthält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Belichtungsmaske außerdem auch lichtdurchlässige Bereiche mit scharfen Begrenzungen aufweist.