DE102016101564A1

DE102016101564A1 - Vorrichtung mit einer metallisierungsschicht und herstellungsverfahren für eine vorrichtung

Info

Publication number: DE102016101564A1
Application number: DE102016101564.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Mischitz; Markus Heinrici; Stefan Schwab
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2016-08-04
Also published as: US9844134B2; CN105845662B; US20160225718A1; CN105845662A

Abstract

Eine Vorrichtung weist ein Basiselement und eine Metallisierungsschicht über dem Basiselement auf. Die Metallisierungsschicht weist Poren auf sowie einen variierenden Porositätsgrad, wobei der Porositätsgrad in einem zum Basiselement benachbarten Bereich größer ist als in einem vom Basiselement entfernten Bereich.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND
Auf dem Gebiet der Metallisierungsschichten, die beispielsweise in Halbleitervorrichtungen wie Leistungshalbleitervorrichtungen eingesetzt werden, werden Metallisierungsschichten mit einer großen Dicke zum Führen großer Ströme und zur Wärmeleitung verwendet. Aufgrund ihrer großen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit können insbesondere Kupfermetallisierungsschichten Wärme und Strom bei geringen Verlusten leiten. Die elektrische und thermische Leitfähigkeit wird durch Erhöhen der Dicke einer Metallisierungsschicht vergrößert. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten einer Metallisierungsschicht und eines Materials eines Trägers, auf dem die Metallisierungsschicht angeordnet ist, kann eine Delamination der Metallisierungsschicht auftreten. Darüber hinaus können sich Risse in der Metallisierungsschicht bilden und zusätzlich kann bei der Prozessierung eines Halbleiterwafers, auf dem eine dicke Metallisierungsschicht angeordnet wird, ein Durchbiegen des Wafers auftreten, so dass die weitere Prozessierung schwierig wird.
Metallisierungsschichten, die auf porösen Systemen basieren, wurden bereits untersucht. Es hat sich gezeigt, dass diese porösen Metallisierungsschichten einen geringeren Grad mechanischer Verspannung zeigen, wenn sie auf ein Halbleitersubstrat positioniert werden. Jedoch weisen diese porösen Systeme ebenso eine geringere thermische und elektrische Leitfähigkeit auf.
Folglich sind Metallisierungsschichten mit verbesserten Eigenschaften Gegenstand von Untersuchungen und Aufgabe dieser Erfindung.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Aufgabe wird gelöst durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Vorrichtung ein Basiselement auf, sowie eine Metallisierungsschicht über dem Basiselement, wobei die Metallisierungsschicht Poren umfasst sowie einen variierenden Porositätsgrad. Der Porositätsgrad ist in einem zum Basiselement benachbarten Bereich größer als in einem von dem Basiselement entfernten Bereich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung ein Basiselement und eine poröse Metallisierungsschicht über dem Basiselement. Die Metallisierungsschicht weist ein Metall der Gruppe aus Kupfer, Silber, Nickel und Gold auf sowie ein leitfähiges Füllmaterial, wobei ein Verhältnis des leitfähigen Füllmaterials in Bezug auf das Metall in einem vom Basiselement entfernten Bereich größer ist als in einem zum Basiselement benachbarten Bereich.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung ein Ausbilden einer porösen Metallisierungsschicht über einem Basiselement auf, und danach, Modifizieren der porösen Metallisierungsschicht, so dass die Metallisierungsschicht einen variierenden Porositätsgrad aufweist. Der Porositätsgrad ist in einem zum Basiselement benachbarten Bereich größer als in einem vom Basiselement entfernten Bereich.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung der Erfindung einbezogen und veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der Erfindung. Die Zeichnungen stellen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Abbildungen sind nicht notwendigerweise maßstäblich zueinander gezeigt. Ähnliche Bezugskennzeichen kennzeichnen ähnliche Teile.
1A zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
1B zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
2A ist ein Diagramm zur Darstellung der Porosität eines Beispiels sowie eines Vergleichsbeispiels.
2B ist ein Diagramm zur Darstellung des spezifischen Widerstands eines Beispiels sowie eines Vergleichsbeispiels.
3 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
4A und 4B zeigen das Verfahren zum Ausbilden einer Metallisierungsschicht gemäß einer Ausführungsform.
5 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
6A ist ein Diagramm zur Darstellung der Porosität von Beispielen.
6B ist ein Diagramm zur Darstellung des spezifischen Widerstands von Beispielen.
7 zeigt ein Verfahren zur Ausbildung einer Metallisierungsschicht gemäß einer weiteren Ausführungsform.
8 zeigt ein Verfahren zum Ausbilden einer Metallisierungsschicht gemäß einer weiteren Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie, wie "Oberseite", "Boden", "Vorderseite", "Rückseite", "vorne", "hinten" usw. in Bezug auf die Orientierung der gerade beschriebenen Figuren verwendet. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen der Erfindung in einer Anzahl von verschiedenen Orientierungen positioniert werden können, wird die Richtungsterminologie für Zwecke der Darstellung verwendet und ist in keiner Weise begrenzend. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem durch die Patentansprüche definierten Bereich abzuweichen.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht begrenzend. Insbesondere können Elemente der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele mit Elementen von verschiedenen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
Die Begriffe "Wafer", "Substrat" oder "Halbleiterwafer", die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind zu verstehen, so dass sie Silizium, Silizium-auf-Isolator (SOI), Silizium-auf-Saphir (SOS), dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Schichten von Silizium, getragen durch eine Basishalbleiterunterlage, und andere Halbleiterstrukturen einschließen. Der Halbleiter braucht nicht auf Silizium zu beruhen. Der Halbleiter könnte ebenso Silizium-Germanium, Germanium oder Galliumarsenid sein. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) das Halbleitersubstratmaterial bilden.
Der Begriff "lateral" und "horizontal", wie dieser in der vorliegenden Beschreibung verwendet ist, soll eine Orientierung im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Halbleitersubstrats oder -körpers beschreiben. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder einer Die bzw. eines Chips sein.
Der Begriff "vertikal", wie dieser in der vorliegenden Beschreibung verwendet ist, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats oder -körpers angeordnet ist.
1A zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform. Die in 1A gezeigte Vorrichtung 1 weist ein Basiselement 100 auf sowie eine Metallisierungsschicht 160 über dem Basiselement 100. Die Metallisierungsschicht 160 weist Poren 175 auf und hat einen variierenden Porositätsgrad. Der Porositätsgrad ist in einem zum Basiselement 100 benachbarten Bereich größer als in einem vom Basiselement 100 entfernten Bereich.
Das Basiselement 100 kann ein Halbleitersubstrat sein, das Vorrichtungskomponenten 155 aufweist. Das Basiselement 100 kann zudem Schaltungselemente 150 aufweisen. Beispielsweise können die Schaltungselemente 150 und die Vorrichtungskomponenten 155 Komponenten einer Halbleitervorrichtung sein, wie etwa dotierte Bereiche, isolierende Bereiche oder leitfähige Bereiche, die eine bestimmte Funktion in der Halbleitervorrichtung haben. Beispiele für die Halbleitervorrichtung sind Transistoren oder Transistor-basierte Vorrichtungen, z.B. Leistungshalbleitervorrichtungen, Leistungs-MOSFETs, Leistungs-IGBTs, Dioden und weitere Bauelemente. Weitere Beispiele von Vorrichtungskomponenten 155 sind Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Sensoren, Energie-erzeugende Komponenten, Energie-speichernde Komponenten und Wandlungselemente, z.B. fotoelektrische Wandlungselemente und weitere Elemente. Die Schaltungselemente 150 können jegliche Elemente aufweisen, um eine Logikschaltung sowie weitere Schaltungen umzusetzen. Es ist zu beachten, dass eine Mehrzahl von Vorrichtungskomponenten 155 oder Schaltungselemente 150 im Basiselement angeordnet sein können. Die Vorrichtungskomponenten 155 oder Schaltungselemente 150 können elektrisch mit der Metallisierungsschicht 160 gekoppelt sein. Das Basiselement 100 kann zudem ein geeignetes leitfähiges oder isolierendes Material aufweisen. Gemäß weiterer Ausführungsformen muss das Basiselement 100 kein Halbleiter sein, sondern kann ein Isolator wie Glas aufweisen oder aus diesem bestehen, oder kann einem leitenden Element wie etwa einem Stück aus Metall oder einer Metallverbindung entsprechen.
Die Metallisierungsschicht 160 ist auf einer Hauptoberfläche 110 des Basiselements 100 angeordnet. Die Metallisierungsschicht kann Kupfer oder eine Kupferverbindung aufweisen. Gemäß weiterer Ausführungsformen kann die Metallisierungsschicht 160 Silber, Nickel oder Gold oder eine Legierung aus beliebigen dieser Materialien aufweisen. Die Metallisierungsschicht 160 kann ein beliebiges Metall oder eine Metalllegierung aufweisen. Die Metallisierungsschicht 160 kann Poren 175 aufweisen. Ein Porositätsgrad ist in einem zur Hauptoberfläche 110 benachbarten Bereich größer als in einem zur Hauptoberfläche 115 der Metallisierungsschicht 160 benachbarten Bereich. Der Porositätsgrad kann als Verhältnis der Dichte der Metallisierungsschicht in Bezug auf die Dichte einer Volumenmetallisierungsschicht definiert sein. Falls beispielsweise das Verhältnis der Dichte (d.h. Masse/Volumen) der porösen Metallisierungsschicht im Vergleich zur Dichte der Volumenmetallisierungsschicht A beträgt, entspricht die Porosität 1-A. Es ist zu berücksichtigen, dass der Porositätsgrad unabhängig von der Größe der Poren und der Verteilung der Größen der Poren ist. Allgemein beträgt eine Größe der Poren näherungsweise einige hundert nm bis einige µm. Beispielsweise kann eine Dicke der Metallisierungsschicht 160 mehr als 3 µm betragen, beispielsweise mehr als 5 µm und sogar beispielsweise 30 µm oder mehr.
Aufgrund des variierenden Porositätsgrads innerhalb der Metallisierungsschicht 160 derart, dass der Porositätsgrad in einem zum Basiselement benachbarten Bereich größer ist, lässt sich eine mechanische Verspannung reduzieren. Insbesondere tritt die mechanische Verspannung an der Grenzfläche zwischen dem Basiselement 100 und der Metallisierungsschicht 160 auf. Folglich verringert ein hoher Porositätsgrad in einem Gebiet nahe der Grenzfläche die mechanische Verspannung. Andererseits wird aufgrund des kleineren Porositätsgrads in einem vom Basiselement 100 entfernten Bereich die thermische und elektrische Leitfähigkeit der Metallisierungsschicht vergrößert.
Beispielsweise werden allgemein Leitungsverdrahtungen auf die Metallisierungsschicht an der Oberfläche der Metallisierungsschicht 115 gebondet. Aufgrund des geringeren Porositätsgrads ist in diesem Gebiet, in dem ein Kontakt zu einer weiteren Metallisierungsverdrahtung erfolgen soll, die elektrische Leitfähigkeit erhöht, was zu einem verbesserten Verhalten der Metallisierungsschicht führt.
1B zeigt eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Vorrichtung 2 in 1B weist ein Basiselement 100 und eine poröse Metallisierungsschicht 165 über dem Basiselement 100 auf. Die Metallisierungsschicht 165 weist ein Metall sowie ein leitfähiges Füllmaterial 180 auf. Ein Verhältnis des leitfähigen Füllmaterials 180 in Bezug auf das Metall ist in einem vom Basiselement 100 entfernten Bereich größer als in einem zum Basiselement 100 benachbarten Bereich. Das Metall kann aus der Gruppe aus Kupfer, Silber, Nickel und Gold ausgewählt sein. Das Metall kann ebenso ein weiteres Metall umfassen. Beispielsweise kann das Metall Kupfer entsprechen.
In der in 1B gezeigten Ausführungsform kann das Basiselement 100 einen ähnlichen Aufbau aufweisen wie das Basiselement 100 in 1A. Der Anteil des leitfähigen Füllmaterials 180 in Bezug auf den Anteil des Metalls ist an einer Seite nahe der Oberfläche 115 der Metallisierungsschicht größer als an einer Seite nahe der Hauptoberfläche 110 des Basiselements. Poren 175 sind in der Metallisierungsschicht 165 angeordnet. Das leitfähige Füllmaterial 180 kann wenigstens einige der Poren 175 zumindest teilweise füllen. Folglich kann der Porositätsgrad der resultierenden Schicht in einem Bereich nahe der Grenzfläche zwischen dem Basiselement 100 und der Metallisierungsschicht 160 größer sein als in einem Bereich nahe der Hauptoberfläche 115 der Metallisierungsschicht. Beispielsweise kann das leitfähige Füllmaterial mit dem Metall der Metallisierungsschicht 160 übereinstimmen oder einem Material entsprechen, das verschieden ist vom Metall der Metallisierungsschicht. Falls die Metallisierungsschicht beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweist, kann das leitfähige Füllmaterial Silber, Zink, Zinn, Nickel, Indium, Gold oder Kohlenstoff aufweisen. Das leitfähige Füllmaterial muss nicht ein Metall sein. Beispielsweise kann das leitfähige Füllmaterial Kohlenstoffnanoröhrchen oder Graphen aufweisen. Das leitfähige Füllmaterial 180 kann beispielsweise zusammen mit einem Bereich des Metalls oder der Metallisierungsschicht schmelzen oder sintern. Falls ein eine Legierung bildendes Material wie Zink oder Zinn als leitfähiges Füllmaterial verwendet wird, kann das Metall der Metallisierungsschicht eine Legierung mit dem leitfähigen Füllmaterial bilden. Die weiteren Merkmale der Ausführungsform von 1B ähneln denen der Ausführungsform von 1A. Es ist zu berücksichtigen, dass eine Vorrichtung gemäß der Ausführungsform von 1A ebenso in der mit Bezug auf 1B beschriebenen Weise umgesetzt werden kann, d.h. ein leitfähiges Füllmaterial 180 umfassen.
2A und 2B zeigen Eigenschaften einer porösen Metallisierungsschicht mit einer homogenen Porosität (Vergleichsbeispiel) im Vergleich zu einer Vorrichtung mit einer Metallisierungsschicht gemäß der Ausführungsform von 1A (Beispiel). Wie in 2A gezeigt ist, weist das Beispiel einen geringfügig kleineren Porositätsgrad auf als das Vergleichsbeispiel. In dieser Hinsicht ist zu beachten, dass die 2A keine Verteilung der Porosität zeigt, sondern lediglich einen Mittelwert der Porosität in Bezug auf die Metallisierungsschicht.
2B zeigt, dass das Beispiel eine kleinere Resistivität oder einen kleineren spezifischen Widerstand aufweist als das Vergleichsbeispiel. Somit führt die bestimmte Porosität der Metallisierungsschicht zu einem reduzierten spezifischen Widerstand. Beispielsweise kann eine Erniedrigung der Porosität von 7 bis 8 % zu einer Erniedrigung des spezifischen Widerstands von 15 bis 20 % führen.
Wie nachfolgend diskutiert wird, kann ein Porositätsgrad, der in einem zum Basiselement benachbarten Bereich größer ist als in einem vom Basiselement entfernten Bereich, durch Modifizieren der Oberfläche einer porösen Schicht erzielt werden.
3 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung. Das Verfahren weist ein Ausbilden einer porösen Metallisierungsschicht über einem Basiselement 100 auf (S100). Danach wird die poröse Metallisierungsschicht modifiziert (S150), so dass die Metallisierungsschicht einen variierenden Porositätsgrad aufweist, und der Porositätsgrad in einem zum Basiselement 100 benachbarten Bereich größer ist als in einem vom Basiselement entfernten Bereich.
4A zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung gemäß einer spezifischeren Ausführungsform. Wie dargestellt ist, weist das Verfahren ein Ausbilden einer porösen Metallisierungsschicht über einem Basiselement 100 auf (S100). Danach wird ein leitfähiges Füllmaterial über der porösen Metallisierungsschicht ausgebildet (S200) und eine Wärmebehandlung durchgeführt (S300). Die Wärmebehandlung erfolgt beispielsweise für näherungsweise 15 bis 180 min bei näherungsweise 200 bis 400°C in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre. Aufgrund der Wärmebehandlung können das leitfähige Material über porösen Metallisierungsschicht und die poröse Metallisierungsschicht schmelzen, was zu einem geringeren Porositätsgrad führt. Beispielsweise kann die Vorrichtung eine Halbleitervorrichtung sein wie etwa eine Leistungshalbleitervorrichtung.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Ausbilden der porösen Metallisierungsschicht das Ausführen eines Plasmastaubabscheidungsverfahrens oder Auftragen einer Metallpaste über dem Basiselement umfassen, optional gefolgt von einer Wärmebehandlung. Beispielsweise kann eine solche Wärmebehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre erfolgen, so dass etwa Metalloxid reduziert wird. Darüber hinaus kann die Wärmebehandlung zu einer Rekristallisation führen, welche zu einem reduzierten spezifischen Widerstand und einer reduzierten Verspannung führen. Die Materialien der porösen Metallisierungsschicht und das leitfähige Füllmaterial können Materialien entsprechen, die oben mit Bezug auf die 1A und 1B beschrieben sind. Beispielsweise kann das Material der porösen Metallisierungsschicht Kupfer sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Material der porösen Metallisierungsschicht Silber, Nickel oder Gold oder eine Legierung aus Kupfer, Silber, Nickel oder Gold umfassen. Dann wird das leitfähige Füllmaterial über der porösen Metallisierungsschicht 160, 165 ausgebildet. Die Metallisierungsschicht 160, 165 kann eine offen-poröse Schicht sein oder auch keine offen-poröse Schicht.
Beispielsweise kann das Ausbilden des leitfähigen Füllmaterials ein Aufbringen einer Schicht aus einer Tinte einschließlich Nanopartikeln des leitfähigen Füllmaterials umfassen. Genauer kann das die Nanopartikel umfassende System ein Pulver, eine Paste oder eine Tinte umfassen, welche durch geeignete Verfahren wie Siebdruck, Schablonendruck, Tintendruck, Eintauchen, oder Schleudern aufgebracht werden. Folglich können die Nanopartikel groß angelegt oder auch nur lokal aufgetragen werden. Gemäß einer Ausführungsform weisen die Nanopartikel einen Durchmesser von 10 bis 50 nm auf. Beispielsweise können die Nanopartikel aufgetragen werden, um eine Schicht auszubilden, die eine Oberflächenrauhigkeit oder Unebenheiten in der Oberfläche der porösen Metallisierungsschicht ausgleicht. Gemäß einer Ausführungsform kann die Dicke der Schicht des leitfähigen Füllmaterials näherungsweise 100 nm bis sogar 20 µm oder mehr als 50 µm, z.B. 100 µm betragen. Erfolgt eine Wärmebehandlung, können die Nanopartikel mit den Körnern der porösen Schicht schmelzen und/oder sintern und folglich die Dichte der Metallisierungsschicht vergrößern durch vollständiges oder wenigstens teilweises Auffüllen der Poren.
Dieser Prozess ist weiter in 4B dargestellt. Die poröse Metallisierungsschicht wird als kontinuierliche Metallisierungsschicht 171 ausgebildet, die Körner 170 sowie Korngrenzen 190 aufweist. Die Poren 175 können zwischen einigen der Körner 170 positioniert sein. Eine Tinte mit Nanopartikel 185 wird als leitfähiges Füllmaterial aufgebracht, so dass die Nanopartikel 185 in den Poren 175 angeordnet werden. Während der Wärmebehandlung schmelzen oder sintern die Nanopartikel 185 zusammen mit den Körnern 170, wodurch größere Körner 170 entstehen und die Korngrenzen 190 verschieben. Folglich wird die Porengröße reduziert oder die Poren werden vollständig gefüllt, was zu einer erhöhten Dichte der Metallisierungsschicht führt.
Gemäß einem weiteren Beispiel können mehrere Schichten aus leitfähigem Füllmaterial aufgebracht werden und einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um zu einer größeren Dicke ohne Risse zu führen.
Gemäß einem weiteren Beispiel kann das leitfähige Füllmaterial 180 die Poren füllen ohne zu schmelzen oder eine Legierung mit den Körnern 170 zu bilden. Falls beispielsweise Kohlenstoff, z.B. Kohlenstoffnanoröhrchen oder Nanodrähte oder Graphen als leitfähiges Füllmaterial 180 verwendet werden, kann Kohlenstoff die Poren 175 füllen, was zu einem geringeren Porositätsgrad der Metallisierungsschicht führt. Aufgrund der Wärmebehandlung kann das Lösungsmittel der Tinte einschließlich des Kohlenstoffs verdampft werden.
Falls eine Tinte mit den Nanopartikeln 185 aufgebracht wird, kann eine Temperatur der Umgebung so gewählt werden, dass die Tinte einschließlich der Nanopartikel in die poröse Metallisierungsschicht bis zu einer vorbestimmten Tiefe eindringt. Beispielsweise kann die Tinte ein Lösungsmittel aufweisen und die Verdampfungsrate des Lösungsmittels hängt von der Temperatur ab. Bei hohen Temperaturen verdampft das Lösungsmittel bei hoher Rate, so dass die Nanopartikel lediglich bis zu einer geringen Tiefe eindringen, verglichen mit dem Fall, in dem die Temperatur reduziert ist, z.B. Raumtemperatur entspricht, bei welcher das Lösungsmittel bei einer sehr geringen Rate verdampft, so dass die Nanopartikel bis in eine größere Tiefe eindringen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Viskosität der Tinte so ausgewählt sein, dass das leitfähige Füllmaterial in die poröse Metallisierungsschicht bis zu einer vorgegebenen Tiefe eindringt. Beispielsweise nimmt die Eindringtiefe mit zunehmender Viskosität ab.
Wie oben beschrieben ist, kann gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung eine poröse Metallisierungsschicht nach der Ausbildung modifiziert werden durch Aufbringen metallischer Nanopartikel, wobei die Poren 175 in der porösen Metallisierungsschicht teilweise oder vollständig mit den Nanopartikeln gefüllt werden. Dadurch lassen sich die Eigenschaften, insbesondere die physikalischen Eigenschaften der Metallisierungsschicht modifizieren. Beispielsweise kann die Metallisierungsschicht lokal modifiziert werden, z.B. durch Abdecken an der Oberfläche oder Ausbilden eines Gradienten in der Porosität. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können Nanopartikel eines Metalls, das verschieden ist von dem Material der Metallisierungsschicht, aufgebracht werden, so dass eine intermetallische Verbindung, eine Legierung oder ein Verbundsystem ausgebildet werden.
Beispiel 1
Ausgangsmaterial ist eine poröse Kupferschicht auf einem beliebigen Träger, z.B. einem Halbleiterwafer, der mit einer Kupferpaste bedruckt ist. Die Kupferpaste wurde getrocknet, gesintert und ausgeheilt. Das System definiert ein mechanisch stabiles poröses System. Danach kann eine Kupfernanopartikeltinte aufgetragen werden, wie etwa CI-002 (von Intrinsiq Materials Inc. hergestellt) unter Verwendung eines Tintenstrahldruckprozesses. Beispielsweise kann eine Schicht aus Nanopartikeln bei einer Druckauflösung von 495 dpi ("dots per inch") aufgetragen werden. Die Substrattemperatur kann etwa 35°C betragen und die folgenden Parameter eingestellt werden. Druckkopf: 2/6/2 Wellenform (piezo); 87,2 V; 90 %; –20 mbar; 30°C Kopftemperatur; 35°C Substrattemperatur. Danach wird die Metallisierungsschicht bei 100°C für 15 Minuten getrocknet. Dann erfolgt ein Sinterprozess bei 400°C und 30 min. Vorheizdauer sowie 15 min. Heizdauer bei 400°C in einer N₂/CH₂O₂-Atmosphäre.
Es hat sich gezeigt, dass die aufgetragenen Nanopartikel mit der Kupferphase oder dem Kupfermaterial der Metallisierungsschicht verschmelzen oder vereinigen. Die ausgebildete Metallisierungsschicht ermöglicht eine verbesserte elektrische und thermische Leitfähigkeit verglichen mit einer Kupferschicht mit einem homogenen Porositätsgrad, auf der keine Nanopartikelschichten ausgebildet sind und kein Sinterprozess durchgeführt wurde.
Gemäß Ausführungsformen weisen die Nanopartikel eine Größe von näherungsweise 10 bis 50 nm bei einem Maximum der Verteilung von Näherungsweise 20 nm auf. Die Größe der Poren entspricht ungefähr 100- bis 10000-mal der Größe der Nanopartikel. Die Größe der Partikel zur Ausbildung der porösen Metallisierungsschicht entspricht ungefähr 10- bis 100-mal der Größe der Nanopartikel. Falls die Nanopartikel aus einem Metall bestehen, das verschieden ist vom Metall der porösen Metallisierungsschicht, kann eine Legierung gebildet werden, falls eine nachfolgende Wärmebehandlung erfolgt. Beispielsweise kann eine derartige Wärmebehandlung bei einer Temperatur von ungefähr 200°C erfolgen. Da die poröse Schicht eine große Oberfläche aufweist, kann das Ausbilden einer Legierung bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes aufgrund der intrinsischen Eigenschaften von Nanopartikeln erfolgen.
Aufgrund der Wärmebehandlung der Metallisierungsschicht kann die Korngröße des Metalls des Substrats vergrößert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein variierender Porositätsgrad erzielt werden durch Aufbringen wenigstens zweier Sub-Schichten mit unterschiedlichem Porositätsgrad. Dies kann beispielsweise erfolgen durch Auftragen einer ersten Metallpaste über dem Basiselement, gefolgt einem Auftragen einer zweiten Metallpaste, wobei die zweite Metallpaste als zweite Sub-Schicht (Metallschicht) gebildet wird, die einen geringeren Porositätsgrad aufweist als die erste Sub-Schicht, die aus der ersten Metallpaste gebildet wird.
Allgemein können Metallpasten zum Ausbilden eines porösen Metalls Mischungen aus Mikropartikeln mit einer Größe von mehr als 1 µm, z.B. einer Größe in einem Bereich von 1 bis 10 µm, z.B. 3 bis 5 µm zusammen mit Nanopartikeln mit einer Größe von näherungsweise 10 bis 100 nm, z.B. 40 bis 60 nm umfassen. Wird eine solche Metallpaste erhitzt, kann ein Sinterprozess des Zusammenführens der Mikropartikel bei Temperaturen stattfinden, die geringer sind als der Schmelzpunkt des verwendeten Metalls. Im Fall von Kupfermetallpasten kann eine Wärmebehandlung beispielsweise bei einer Temperatur von 200 bis 250°C erfolgen, wohingegen der Schmelzpunkt von Kupfer bei 1084°C liegt.
Durch Ändern des Zusammensetzungsverhältnisses der Nanopartikel in Bezug auf die Mikropartikel, kann die Porosität der durch Ausheilen (Sintern) ausgebildeten Metallschicht bestimmt werden. Falls beispielsweise ein größeres Verhältnis von Nanopartikeln in Bezug auf die Mikropartikel in der Metallpaste enthalten ist, wird die resultierende Metallschicht eine größere Dichte aufweisen, und damit einen geringeren Porositätsgrad. Falls andererseits eine Metallpaste mit einem geringeren Verhältnis von Nanopartikeln in Bezug auf die Mikropartikel verwendet wird, wird eine Metallisierungsschicht mit einer geringeren Dichte, und damit eine größeren Porositätsgrad ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Porosität der durch Ausheilen (Sintern) ausgebildeten Metallisierungsschicht bestimmt werden durch geeignetes Einstellen der Porengrößenverteilung der Mikropartikel der Metallpaste.
Ausbilden der ersten Sub-Schicht kann ein Aufbringen einer ersten Metallpaste umfassen, z.B. durch Drucken auf ein Basiselement, Trocknen und Ausführen einer Sinterung sowie eines Ausheilschrittes zur Ausbildung der porösen Metallisierungsschicht. Aufgrund des größeren Porositätsgrads liegt eine geringere Verspannung an der Grenzfläche zum Basiselement vor. Nach Trocknen und Ausheilen/Aushärten der ersten Sub-Schicht, wird eine zweite Sub-Schicht ausgebildet, wobei die zweite Schicht einen geringeren Porositätsgrad aufweist. Die Metallpaste zum Ausbilden der zweiten Sub-Schicht wird gedruckt, getrocknet und ausgeheilt. Die zweite Sub-Schicht weist aufgrund des geringeren Porositätsgrades einen größeren Grad an thermischer Verspannung auf. Aufgrund der ersten Sub-Schicht, die zwischen der zweiten Sub-Schicht und dem Basiselement angeordnet ist, wird die Verspannung zum Basiselement erheblich reduziert. Die zweite Schicht erhöht die elektrische Leitfähigkeit der Metallisierung und weist einen größeren Grad an Härte auf, wodurch weitere Verarbeitungsverfahren wie mechanisches Bonden verbessert werden. An der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Sub-Schicht wird eine Übergangsschicht ausgebildet, in der die Metallpaste zum Ausbilden der zweiten Sub-Schicht in die erste Sub-Schicht eindringt und eine Verbindung bildet.
Wird eine erste Sub-Schicht mit einem größeren Porositätsgrad gefolgt von einem Prozess zum Ausbilden einer zweiten Sub-Schicht mit einem geringeren Porositätsgrad gebildet, so ist es möglich, die physikalischen Eigenschaften des gesamten Schichtstapels zu optimieren. So stellt die hochporöse Schicht an der Grenzfläche zum Träger 100 eine geringe Verspannung zum Träger 100 bereit und die niederporöse Schicht an der Oberseite des Schichtstapels stellt eine erhöhte Festigkeit zum Bonden an der Oberfläche bereit. Die zweite Sub-Schicht kann aus einer Metallpaste gebildet sein, die ein Metall aufweist, welches verschieden ist von dem Metall der ersten Sub-Schicht. Es ist zu berücksichtigen dass mehr als zwei poröse Sub-Schichten über dem Basiselement ausgebildet werden können.
Weitere Eigenschaften der resultierenden Metallisierungsschicht lassen sich durch Ändern der physikalischen Eigenschaften der Sub-Schichten ändern, durch Ändern der Dicke der ersten Sub-Schicht und der zweiten Sub-Schicht als auch der Dicke der gesamten Metallisierungsschicht. Darüber hinaus kann die Anzahl von Sub-Schichten geändert werden als auch die chemische Zusammensetzung der Sub-Schichten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Metallisierungsschicht drei Sub-Schichten aufweisen. Beispielsweise kann die erste Sub-Schicht einen großen Porositätsgrad aufweisen, gefolgt einer zweiten Sub-Schicht mit einem geringeren Porositätsgrad. Zudem kann eine dritte Sub-Schicht mit einem größeren Porositätsgrad als die zweite Sub-Schicht auf der zweiten Sub-Schicht ausgebildet werden. Beispielsweise kann dies zu einer geringeren Verspannung zu einem weiteren System führen, das auf der dritten Sub-Schicht angeordnet werden soll.
Mit anderen Worten können die zusätzlichen Sub-Schichten gemäß weiterer Ausführungsformen über der zweiten Sub-Schicht positioniert werden, wobei die weiteren Sub-Schichten einen variierenden Porositätsgrad aufweisen, welcher gemäß den Anforderungen des Gesamtsystems ausgewählt sein kann.
Die Oberfläche der ersten Sub-Schicht kann vor Ausbilden der zweiten Sub-Schicht offen-porös sein oder auch nicht offenporös.
Beispiel 2
Ausgangsmaterial ist ein beliebiger Träger. Beispielsweise kann der Träger ein Halbleiterwafer sein, der mehrere Vorrichtungskomponenten 555 aufweist, und optional Schaltungselemente 550 (vgl. 5), wie oben mit Bezug auf 1 diskutiert wurde. Beispielsweise kann eine Barrierenschicht über der ersten Oberfläche 510 des Trägers 500 ausgebildet werden. Falls beispielsweise das Halbleitermaterial Silizium ist, lässt sich eine unerwünschte chemische Reaktion zwischen dem Silizium und der Kupferschicht aufgrund der Barrierenschicht vermeiden. Danach wird eine erste Kupferpaste auf dem Träger aufgebracht. Beispielsweise kann dies durch Ausführen eines Schablonen- oder Siebdruckverfahrens erfolgen, gefolgt von einem Trocknungsschritt (z.B. bei 60°C für 1 Stunde, abhängig von den Pasteneigenschaften) und weiteren Schritten des Sinterns und Ausheilens. Im Ergebnis lässt sich ein mechanisch stabiles poröses System mit einer Porosität von näherungsweise 40 bis 50 % und einer Schichtdicke von 10 bis 50 µm erzielen, abhängig von der Paste und der Schablonendicke. Es ist zu berücksichtigen, dass die erste Sub-Schicht mit einem beliebigen geeigneten Verfahren hergestellt werden kann.
Danach kann zur Ausbildung der zweiten Sub-Schicht eine weitere Kupferpaste aufgetragen werden, die zu einer Porosität von näherungsweise 15 bis 25 % führt. Beispielsweise kann dies durch Auftragen einer Nanopaste unter Verwendung eines Schablonendruckprozesses erfolgen, welche Nanopartikel ohne Mikropartikel oder einem erheblich geringeren Anteil von Mikropartikeln aufweist und einen Festanteil von 50 bis 90 % aufweist. Danach erfolgt ein Trocknungsschritt bei 60°C für 1 Stunde und zudem ein Ausheilschritt bei näherungsweise 400°C. Die Trocknungs- und Ausheilschritte können auf ähnliche Weise wie beim Verfahren zum Ausbilden der ersten Sub-Schicht erfolgen. Beispielsweise kann die zweite Sub-Schicht eine Dicke aufweisen, die kleiner ist die Dicke der ersten Sub-Schicht. Beispielsweise kann eine Dicke der zweiten Sub-Schicht 1 bis 10 µm betragen.
5 zeigt ein Beispiel einer resultierenden Struktur. Wie dargestellt ist, weist die Metallisierungsschicht 560 eine erste Sub-Schicht 570 sowie eine zweite Sub-Schicht 578 auf. Die zweite Sub-Schicht 578 weist einen geringeren Porositätsgrad auf als die erste Sub-Schicht. Die Dicke d der Metallisierungsschicht 560 kann näherungsweise 10 bis 500 µm betragen. Die Dicke d₁ der ersten Metallisierungsschicht 570 kann 10 bis 490 µm betragen, und die Dicke der zweiten Metallisierungsschicht 578 kann näherungsweise 1 bis 50 µm sein. Gemäß einer bestimmten Ausführungsform kann die Dicke d₁ der ersten Metallisierungsschicht 570 10 bis 50 µm betragen, und die Dicke der zweiten Metallisierungsschicht 578 kann näherungsweise 1 bis 10 µm betragen. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Dicke der Metallisierungsschicht 560 10 bis 60 µm betragen. Eine Übergangsschicht 573 wird an der Grenzfläche zwischen der ersten porösen Schicht 570 und der zweiten porösen Schicht 578 gebildet. Es sei angemerkt, dass aufgrund der Porosität der Schichten die Dicke d der Metallisierungsschicht 560 verschieden sein kann von der Dicke der ersten Metallisierungsschicht 570 und der zweiten Metallisierungsschicht 578.
6A zeigt ein schematisches Diagramm zur Darstellung des spezifischen Widerstands der gesamten oder kombinierten Metallschicht vor und nach Ausbilden der zweiten Sub-Schicht. Die Graphen (1) bis (3) stellen das Verhalten des spezifischen Widerstands von drei einzelnen Sub-Schichten dar, die jeweils einen unterschiedlichen Porositätsgrad haben. Genauer weist die Sub-Schicht (2), wie in 6A dargestellt ist, einen größeren Porositätsgrad auf als die Sub-Schicht (1), die einen größeren Porositätsgrad hat als die Sub-Schicht (3). Nach Auftragen einer Nanopartikelpaste hierauf und Durchführen eines Aushärtungsschrittes zur Ausbildung einer zweiten Sub-Schicht (4), nimmt die mittlere Porosität aller drei Metallisierungsschichten ab. Insbesondere nimmt die Porosität der Metallisierungsschicht, welche die Sub-Schicht (3) aufweist, bis zu einem Grad ab, welcher der Porosität der zweiten Sub-Schicht entspricht, die aus der Metallpaste (4) gebildet ist.
6B zeigt das Verhalten des spezifischen Widerstands nach Ausbildung der zweiten Schicht und Durchführung eines Aushärtungsschrittes. Der spezifische Widerstand wurde unter Verwendung einer 4-Punkt-Messkonfiguration bestimmt. Wie dargestellt ist, nimmt der spezifische Widerstand einer Metallschicht, die eine beliebige der Metallschichten (1), (2), (3) aufweist, erheblich ab nach Ausbilden der zweiten Metallisierungsschicht aus der Metallpaste (4). Zudem wurde gezeigt, dass aufgrund der Ausbildung der vzweiten Schicht die mechanische Verspannung bei Einsatz verschiedener Temperaturen erheblich reduziert werden kann, verglichen mit einer Schicht, die dieselbe gleichmäßige Porosität und spezifische Leitfähigkeit, abgeleitet aus lediglich einer homogenen Schicht/einer Paste derselben Dicke aufweist.
7 fasst ein Verfahren zum Ausbilden einer Metallisierungsschicht gemäß dieser Ausführungsform zusammen. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst das Modifizieren der porösen Metallisierungsschicht ein Ausbilden einer zweiten Sub-Schicht über der porösen Schicht, wobei die zweite Sub-Schicht 578 einen geringeren Porositätsgrad aufweist als die poröse Schicht 570. Somit weist das Ausbilden der Metallisierungsschicht ein Ausbilden einer ersten Sub-Schicht (S600) über dem Basiselement auf, und danach, Ausbilden einer zweiten Sub-Schicht (S610) über der ersten Sub-Schicht, wobei die zweite Sub-Schicht einen geringen Porositätsgrad aufweist als die erste Sub-Schicht. Beispielsweise kann dies ein Aufbringen einer ersten Metallpaste und, danach, Aufbringen einer zweiten Metallpaste über der ersten Metallpaste umfassen, wobei die zweite Metallpaste eine größere Menge an Nanopartikeln aufweist als die erste Metallpaste.
Die zweite Metallpaste kann ein Metall enthalten, das dem Metall der ersten Metallpaste entspricht oder hiervon verschieden ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die physikalischen Eigenschaften der porösen Metallisierungsschicht modifiziert werden durch Einsatz einer metallorganischen Precursor-Verbindung. Danach kann das metallorganische Precursor-Material in ein Metall gewandelt werden. Beispielsweise kann dies durch eine geeignete thermische Behandlung erfolgen. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann dies unter Verwendung spezifischer physikalischer und chemischer Bedingungen, welche für den gewählten Precursor geeignet sind, erfolgen. Beispielsweise kann die Precursor-Verbindung eine anorganische Metallverbindung sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Precursor-Verbindung eine metallorganische Verbindung sein. In beliebigen dieser Fälle kann das Metall dem Metall der Metallisierungsschicht entsprechen oder ein hiervon verschiedenes Metall sein. Beispielsweise kann das Metall des Precursor-Materials ein Metall sein, das eine Legierung mit Kupfer bildet. Spezifische Beispiele können aus der Gruppe Zinn, Zink, Nickel, Indium, Gold und Silber gewählt sein. Die Precursor-Verbindung kann als Lösung oder als Flüssigkeit aufgebracht werden, z.B. als ein geschmolzener Precursor oder auch als Gas eingesetzt werden. Wird die Precursor-Verbindung als flüssige Precursor-Verbindung eingesetzt, kann dies unter Verwendung eines Tintenstrahldruckverfahrens, eines Schleuderverfahrens, eines Sprühverfahrens, eines Eintauchverfahrens oder eines beliebigen geeigneten Verfahrens zum Auftragen einer Flüssigkeit erfolgen. Die Precursor-Verbindung dringt in die Poren der Metallschicht ein. Optional können ein Trocknungsprozess und ein Wärmebehandlungsprozess erfolgen, so dass die Precursor-Verbindung in eine Metallphase gewandelt wird oder reagiert, um lokal die Poren zu füllen und die Eigenschaften des Systems zu ändern. Durch diese Behandlung lassen sich die Eigenschaften der Schicht modifizieren. Beispielsweise kann die Porosität der Metallschicht reduziert werden. Die Precursor-Verbindung kann über der gesamten Oberfläche der Metallschicht oder lediglich in Bereichen hiervon aufgebracht werden. Beispielsweise können Bereiche der Oberfläche der Metallschicht bedeckt werden, sodass an diesen bedeckten Bereichen keine Verbindung aufgebracht wird oder ein Konzentrationsgradient der Precursor-Verbindung lässt sich aufbringen, um zu einem Porositätsgradienten zu führen.
Die Reaktion der Precursor-Verbindung kann durch Energie induziert sein. Beispielsweise kann die Energie als thermische Energie eingebracht werden, z.B. in einem Erwärmungsprozess, oder als Photonenenergie, z.B. durch Laserbestrahlung oder Bestrahlung mit anderen Lichtquellen, hochenergetischer Entladung (Xe-Blitzlampen) oder Mikrowellenanregung. Beispielsweise erfolgt diese Reaktion in einer Atmosphäre, die inert sein kann (z.B. N₂, He, Ar) oder in einer Atmosphäre eines Reaktionspartners wie H₂, Ameisensäure und anderen, wobei eine Oxidation verhindert werden kann oder ein erzeugtes Metalloxid reduziert werden kann.
Unerwünschte Produkte der Reaktion des Precursors können gasförmig sein und die Metallisierungsschicht über die Poren verlassen.
Optional erfolgt danach ein thermisches Ausheilschritt, um ein stabiles System zu erhalten, das eine Rekristallisation durchlaufen hat.
Allgemein werden elektrische Eigenschaften der Metallisierungsschicht durch folgende Parameter beeinflusst:
Eigenschaften des Basiselements, die chemische Zusammensetzung der Precursor-Verbindung (z.B. insbesondere falls verschiedene Metalle verwendet werden, die eine intermetallische Phase mit der Metallschicht bilden), der Siedetemperatur des Lösungsmittels und der Konzentration des Precursors, dem Verfahren des Aufbringens der Precursor-Verbindung und die Menge aufgebrachten Precursor-Materials.
Ein weiterer Parameter, der die Eigenschaften der Metallisierungsschicht verändern kann, ist die Temperatur des Basiselements beim Auftragen des Precursor-Materials. Falls das Basiselement beispielsweise auf hoher Temperatur gehalten wird, dringt die Precursor-Verbindung aufgrund der Verdampfung des Lösungsmittels nicht bis zu einer großen Tiefe vor und bildet eine Oberflächenabdeckungsschicht. Bei geringeren Temperaturen kann die Lösung bis zu einer größeren Tiefe in die Metallisierungsschicht eindringen und einen Konzentrationsgradienten der Precursor-Verbindung bilden. Folglich wird die Porosität des Systems in größerem Umfang variiert.
Beispiel 3
Ausgangspunkt zur Durchführung des Verfahrens gemäß dieser Ausführungsform stellt ein Basiselement dar, das ähnlich zu dem mit Bezug auf das Beispiel 2 beschriebenen Basiselement ist. Zunächst wird eine Metallpaste (z.B. CP-003 von Intrinsiq Materials Inc.) zum Ausbilden einer Metallschicht mit einem hohen Porositätsgrad aufgebracht. Dies kann mit einem Pastendruckverfahren erfolgen (Schablonen- oder Siebdruck). Dann erfolgen ein Trocknungsprozess und ein Ausheilschritt, um ein mechanisch stabiles poröses System mit einer Porosität von näherungsweise 40–50 % zu bilden. Die Prozessparameter können den mit Bezug auf Beispiel 1 beschriebenen Parametern entsprechen. Die Metallschicht kann eine Dicke von näherungsweise 10 bis 50 µm haben. Danach kann eine metallorganische Kupfer-Precursor-Verbindung aufgebracht werden.
Gemäß einem Beispiel kann ein Kupfer-Oximat verwendet werden. Es kann eine Wärmebehandlung bis zu einer Temperatur ausgeführt werden, die zur Zersetzung des Kupfer-Oximats ausreicht, erfolgen. Beispielsweise kann das Basiselement bis zu einer Temperatur von näherungsweise 180°C erwärmt werden. Hierdurch wird CuO aus dem Kupfer-Oximat gebildet. Danach kann ein Reduktionsprozess erfolgen, um das CuO in Cu zu reduzieren. Dies kann beispielsweise in einer inerten Atmosphäre erfolgen, die Ameisensäure oder einen anderen reduzierenden Stoff enthalten kann wie etwa Methanol, Formaldehyd, Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff (H₂) bei einer Temperatur, die oberhalb 200°C liegen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann Kupfer-Formiat als Precursor-Verbindung verwendet werden.
Danach erfolgt eine Wärmebehandlung, um das Kupfer-Formiat in Kupfer zu zersetzen. Beispielsweise kann die Temperatur ungefähr 200°C betragen. Ein Vorteil der Verwendung von Kupfer-Formiat liegt darin, dass kein zusätzlicher reduzierender Stoff erforderlich ist, da Kupfer durch die thermische Zersetzung des Kupfer-Formiats in-situ entsteht und eine inerte Atmosphäre, ausreicht.
Gemäß einer weiteren Implementierung kann Kupfer-Propoxid verwendet werden. Beispielsweise kann ein Kupfer-Amino-Propoxid die allgemeine Formel aufweisen:
M = Metall (Cu, Ni, Zn, Sn, ...)
Beispielsweise können R1 bis R6 R eine Methyl- oder Ethyl-Gruppe oder ein weiterer Rest wie H, ein Alkyl oder eine Aryl-Gruppe entsprechen. Die Gruppen können dieselbe Gruppe oder Reste sein oder können voneinander abweichen.
Falls beispielsweise das Metall M Kupfer entspricht und R1 eine Methyl-Gruppe darstellt, entsprechen R2, R3, R4 Wasserstoff und R5 und R6 entsprechen einer Methyl-Gruppe, wobei die Verbindung Kupfer-(II)bis(Dimethylamino-2-Propoxid) ist (Cu-DMAP). Falls alternativ R5 und R6 einer Ethyl-Gruppe entsprechen, kann dies Kupfer (II)bis(Diethylamino-2-Propoxid) entsprechen (Cu-DEAP). Nach Aufbringen einer dieser Precursor-Materialien kann eine Wärmebehandlung durchgeführt werden, um die Verbindung in Cu zu zersetzen. Beispielsweise kann die Temperatur während der Wärmebehandlung ungefähr 140–150°C betragen. Beispielsweise kann die thermische Zersetzung in einer inerten Gasatmosphäre (N₂, Edelgas), in Formiergas, und einer N₂/Ameisensäureatmosphäre oder unter einer weiteren N₂/reduzierender Stoff-Atmosphäre erfolgen.
Beispielsweise wird eine gesättigte Lösung erzeugt und aufgetragen durch Aufschleudern, Eintauchen, Sprühen, Tintenstrahldruck oder einer Pipette. Alternativ kann das Precursor-Material geschmolzen und aufgetragen werden. Beispielsweise weist Cu-DEAP oder CU-DMAP einen Schmelzpunkt von ca. 50°C auf. Nach einem Trocknungsschritt, z.B. bei 60°C für 30 min, erfolgt ein Wärmeprozess bis ungefähr von 150–400°C, z.B. einer Aufwärmdauer von 30 min, einer Haltezeit 15–90 Minuten bei 400°C in einem N₂/Ameisensäuregasstrom zur Umwandlung des Precursors in metallisches Cu.

Die folgende Tabelle zeigt den Einfluss der Precursor-Verbindung bei Verwendung verschiedener Auftragungsverfahren als auch die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der Schicht.

	Auftragungsverfahren	Verbesserung des spezifischen Widerstands der Schicht
Cu-DMAP	direkt als geschmolzenes Material (heiße Platte, 80°C)	6 %
Cu-DMAP	Gesättigte Lösung in 2-Butanol	6 %
Cu-DEAP	direkt als geschmolzenes Material (heiße Platte, 80°C)	9 %
Cu-DEAP	Lösung in 2-Methyl-1-Propanol	9 %
Cu-Formiat	Gesättigte Lösung in H₂O	30 %
Cu-Formiat	Gesättigte Lösung in Ethylenglykol	30 %

Wie in obiger Tabelle gezeigt, kann durch Auftragen der metallischen Precursor-Schicht über der Metallisierungsschicht die elektrische Leitfähigkeit der gesamten Schicht verbessert werden.
8 fasst ein Verfahren gemäß dieser Ausführungsform zusammen. Wie in 8 dargestellt ist, weist ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung ein Ausbilden (S800) einer porösen Metallisierungsschicht über einem Basiselement auf, und danach, Aufbringen (S810) eines Precursor-Materials auf die poröse Metallisierungsschicht, und dann Durchführen (S820) eines Wärmebehandlungsprozesses.
Während Ausführungsbeispiele der Erfindung oben beschrieben sind, ist es offensichtlich, dass weitere Ausführungsbeispiele ausgestaltet werden können. Beispielsweise können weitere Ausführungsbeispiele irgendeine Unterkombination von Merkmalen, die in den Patentansprüchen angegeben sind, oder irgendeine Unterkombination von Elementen, die in den oben gegebenen Beispielen beschrieben sind, umfassen. Demgemäß sollen der Kern und der Bereich der beigefügten Patentansprüche nicht auf die Beschreibung der hier enthaltenen Ausführungsbeispiele begrenzt sein.

Claims

Eine Vorrichtung, die aufweist: ein Basiselement; und eine Metallisierungsschicht über dem Basiselement, wobei die Metallisierungsschicht Poren aufweist sowie einen variierenden Porositätsgrad, und der Porositätsgrad in einem zum Basiselement benachbarten Bereich größer ist als in einem vom Basiselement weiter entfernten Bereich.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Metallisierungsschicht Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Teil der Poren der Metallisierungsschicht wenigstens teilweise mit einem leitfähigen Füllmaterial gefüllt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Dicke der Metallisierungsschicht zwischen 5 µm und 250 µm liegt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Durchmesser der Poren im Bereich von 200 nm bis 50 µm liegt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Metallisierungsschicht einen erste Sub-Schicht und eine zweite Sub-Schicht aufweist, und die erste Sub-Schicht einen höheren Porositätsgrad aufweist als die zweite Sub-Schicht.
Vorrichtung, die aufweist: ein Basiselement; und eine poröse Metallisierungsschicht über dem Basiselement, wobei die Metallisierungsschicht ein Metall aufweist aus der Gruppe aus Kupfer, Silber, Nickel und Gold, und zusätzlich aufweisend ein leitfähiges Füllmaterial, wobei ein Verhältnis des leitfähigen Füllmaterials in Bezug auf das Metall in einem vom Basiselement entfernten Bereich größer ist als in einem zum Basiselement benachbarten Bereich.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das leitfähige Füllmaterial wenigstens ein Material der Gruppe aus Kupfer, Silber, Zink, Zinn, Gold, Indium oder Nickel oder Kohlenstoff aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine der Dicke der Metallisierungsschicht zwischen 5 µm und 250 µm liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 9, wobei ein Durchmesser der Poren 200 nm bis 50 µm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 10, wobei das leitfähige Füllmaterial ein Bereich der Poren wenigstens teilweise füllt.
Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 11, wobei das Verhältnis des leitfähigen Füllmaterials in Bezug auf das Metall der porösen Metallisierungsschicht graduell von einem Bereich benachbart zum Basiselement zu einem vom Basiselement entfernten Bereich zunimmt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung als integrierter Schaltkreis ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung, das aufweist: Ausbilden einer porösen Metallisierungsschicht über einem Basiselement, und danach, Modifizieren der porösen Metallisierungsschicht, so dass die Metallisierungsschicht einen variierenden Porositätsgrad aufweist, und der Porositätsgrad in einem zum Basiselement benachbarten Bereich größer ist als in einem von dem Basiselement entfernten Bereich.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Modifizieren der porösen Metallisierungsschicht ein Ausbilden eines leitfähigen Füllmaterials über der porösen Metallisierungsschicht aufweist, und Ausführen einer Wärmebehandlung.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Ausbilden des leitfähigen Füllmaterials ein Aufbringen von Tinte, die Nanopartikel des leitfähigen Füllmaterials aufweist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei eine Temperatur während des Aufbringens der Tinte so gewählt ist, dass das leitfähige Füllmaterial in die poröse Metallisierungsschicht bis in eine vorbestimmte Tiefe eindringt.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei eine Viskosität der Tinte so gewählt ist, dass das leitfähige Füllmaterial in die poröse Metallisierungsschicht bis in eine vorbestimmte Tiefe eindringt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Ausbilden des leitfähigen Füllmaterials ein Aufbringen einer Schicht, die Nanopartikel des leitfähigen Füllmaterials aufweist, umfasst, und die Nanopartikel einen Durchmesser von 5 bis 100 nm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 15 bis 19, wobei die poröse Metallisierungsschicht Poren mit einem Durchmesser von 200 nm bis 50 µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14 bis 20, wobei die poröse Metallisierungsschicht wenigstens 90 Vol.-% [v/v] von Kupfer, Silber, Gold oder Nickel aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14 bis 21, wobei das Ausbilden der porösen Metallisierungsschicht ein Plasmastaubabscheidungsverfahren oder Auftragen einer Kupferpaste über dem Basiselement, gefolgt von einer Wärmebehandlung, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Modifizieren der porösen Metallisierungsschicht ein Auftragen eines Precursor-Materials auf die poröse Metallisierungsschicht und Umwandeln des Precursor-Materials in ein Metall aufweist.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Precursor-Material eine anorganische Metallverbindung oder eine metallorganische Verbindung ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die poröse Metallisierungsschicht Kupfer oder Silber oder Nickel oder Gold aufweist und das Metall des Precursor-Materials aus der Gruppe aus Kupfer, Zinn, Zink, Gold, Nickel, Indium und Silber ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Modifizieren der porösen Metallisierungsschicht ein Ausbilden einer zweiten Sub-Schicht über der porösen Schicht aufweist, und die zweite Sub-Schicht einen Porositätsgrad hat, der verschieden ist vom Porositätsgrad der porösen Schicht.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Ausbilden der porösen Schicht und das Ausbilden der zweiten Sub-Schicht ein Aufbringen einer ersten Metallpaste über dem Basiselement aufweist, und danach, Aufbringen einer zweiten Metallpaste, wobei die zweite Metallpaste zu einer gegenüber der Porosität der ersten Metallpaste verschiedenen Porosität führt.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Ausbilden der porösen Schicht und das Ausbilden der zweiten Sub-Schicht ein Auftragen einer ersten Metallpaste über dem Basiselement aufweist, und danach, Auftragen einer zweiten Metallpaste, wobei die zweite Metallpaste wenigstens ein Metall aufweist, das verschieden ist von einem Material der ersten Metallpaste.