DE3029277A1

DE3029277A1 - Aufbau von metallschichten

Info

Publication number: DE3029277A1
Application number: DE19803029277
Authority: DE
Inventors: Jan 8000 München Smola
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1980-08-01
Filing date: 1980-08-01
Publication date: 1982-03-18
Also published as: DE3029277C2; CH652554A5

Description

Aufbau von Metallschichten.
Die Erfindung betrifft elektrische Leiterbahnen auf Halbleiterschaltungen tragenden Substraten - insbesondere Leiterbahnen auf großintegrierte'Kodierer-Deko diererbausteine von Fernsprech-Vermittlunssystemen tragenden Al203-Substraten oder Glassubstraten. Diese Leiterbahnen werden später, bevorzugt durch Ätzen mittels Fotolackverfahren,aus den aufgebauten Metallschichten hergestellt und bilden dann Bahnen von mehrschichtigen Metallen. Diese Leiterbahnen sollen sich insbesondere für spätere Verbindungen durch Tauchlöten, Schwalllöten und auch für Reflowlöten eignen.
Die Erfindung geht von einem Aufbau von Metallschichten aus, enthaltend eine Pd-Schicht unter einer Au-Schicht, für Leiterbahnen auf einem Halbleiterschaltungen tragenden Substrat. Ein solcher Aufbau hat 7 insbesondere bei tauchlötbaren und reflowlötbaren Leiterbahnen, häufig die Schichtenfolge Au (600 nm), Pd (400 nm), Ti (50 nm), CrNi (100 Q/O) auf z.B. Al203-Substrat oder Glassubstrat, oder z.B. die Schichtenfolge von Au (6000 nm) Pd (200 nm), Ti (75 bis 200 nm), vgl. z.B.
- Thin Solid Films 41 (1977)87 - 103 und - in beachtlichen Anzahlen hergestellte, im EMS-Vermittlungssystem bisher benutzte Siemens-Bausteine, Typ S42026B6012.
Die Au-Schicht dient bei diesem Stand der Technik, ebenso bei der Erfindung, insbesondere als Leitschicht und QIS Schutzschicht des Pd gegen Oxidieren beim späteren Temperl'sowie als gute Haftgrundierung für Lötmassen wie z.B. Sn. Beim Stand der Technik dient sie außerdem als gute Schicht für Bondverbindungen.
Die unter der Au-Schicht liegende Pd-Schicht dient beim Stand der Technik,ebenso bei der Erfindung, zur Yerhin derung, daß die bekanntlich sehr beweglichen Au-Atome in noch tiefere Schichten, z.B. Ti und CrNi, eindiffundieren und damit u.a. die Langzeiteigenschaften dieser noch tieferen Schichten ungünstig beeinflussen. Beim Stand der Technik ~ebenso bei der Erfindung, sind also noch tiefere Schichten häufig vorhanden, wobei alle diese noch tieferen Schichten insbesondere durch eine Ti-Schicht und darunter eine CrNi-Schicht gebildet sein können. Hierbei kann einerseits die Ti-Schicht insbesondere als gute Haftschicht zwischen Pd und CrNi dieneun sowie zum Schutz gegen Unterätzung der CrNi-Schicht beim Wegätzen der außerhalb der Leiterbahnen liegenden Teile dieser CrNi-Schicht. Andererseits kann die CrNi-Schicht bevorzugt unmittelbar auf dem Substrat angebracht sein und bei Bedarf insbesondere zur Bildung von elektrischen Widerständen dienen, indem unter dem Au-Pd-Ti der Leiterbahnen verbleibende CrNi-Reste, wegen der guten Isolatoreigenschaften des Substrats,elektrisch weitgehend vernachlässigbar sind und indem zwischen zwei Leiterbahnen verbleibende, nicht mit weggeätzteCrNi-Schichten bei Bedarf den Widerstand zwischen dieænbeiden Leiterbahnen bildet.
Die Erfindung bietet also, ebenso wie der zitierte Stand der Technik, - eine gute Haftgrundlage für späteres Verlöten der, insbesclldere durch Ätzen, aus den Metallschichten gebildeten Leiterbahnen, - eine Unterdrückung der durch Diffusion von Au-Atomen in nochtiefer&i Schichten,ausgelösten Störungen, - damit insbesondere eine lange Lagerfähigkeit der nicht Weiterverarbeiteten Metallschichten auf dem Substrat, - ei#ne gute Haftung zwischen der zum Löten benötigten Au-Schicht und der Pd-Schicht, z.B. um diese Au-Schicht über einer Fd-Ti-#rNi-Schichtu:#g anzubringen.
Die Erfindung hat die Aufgabe, im Vergleich zum zitierten Stand der Technik - den bei hohen Stückzahlen, z.B. bei 100 000 Substraten pro Jahr, beachtlich großen Au-Materialaufwand zu verringern und - die Löteigenschaften der Leiterbahnen trotzdem nicht zu beeinträchtigen, insbesondere indem bei Bedarf sogar mehrmalig wiederholtes Löten ohne Ablegieren der Pd-Schicht möglich sein soll.
Die Erfindung durchbricht das allgemein verbreitete Vorurteil der Fachwelt, dazu Au-Schichten von mindestens 600 nm verwenden zu müssen. Die Erfindung löst nämlich ihre Aufgabe dadurch, daß die Au-Schicht dünner als 500 nm ist, und zwar bevorzugt nur 50 bis 120 nm dick ist.
Diese Au-Schicht wird bevorzugt galvanisch auf der Pd-Schicht, statt durch Aufdampfen, angebracht, um den Au-Materialverbrauch weiter zu verkleinern. Je dünner die Au-Schicht ist, umso mehr Au-Material wird eingespart.
Eigene Versuche zeigten, daß Au-Schichtdicken von z.B.
100 nm, also bei nur ca. 15% des hohen bisherigen Au-Aufwandes, für solide, zuverlässige Lötverbindungen, z.B. beim Tauchlöten Schwellöten und Reflowlöten,völlig ausreichend sind. Pro Substrat von- 2 x 2 nek -w#rd#n also z.B. nur noch 5 mg Au statt 30 mg Au verbraucht, was derzeit 0,20 DM Au statt 1,20 DM Au pro Substrat bedeutet. Dies ist überdies in Zukunft umso bedeutsamer, je mehr die Au-Vorräte der Welt zurückgehen und je mehr der Au Bedarf weiterhin steigt, also die schon bisher hohen-Koften für au weiter steigenJfihera Au-Schlchtdicken sind also zwar zum Bonden günstig, aber zum Löten nicht nötig.
Versuche zeigten ferner, daß oft auch die Pd-Schicht dann dünner als bisher üblich ohne Störung der Langzeiteigenschaften der noch tieferen Schichten gemacht werden kann, wenn die Au-Schicht besonders dünn ist, z.B.
280 nm Pd bei 100 nm Au. Dadurch wird zusätzlich der Pd-Materialverbrauch erheblich verringert, was ebenfalls hohen Kostenverminderungen entspricht überdies bilden sich im Fotolack über der Au-Schicht umso weniger Versprödungen bzw. Risse beim späteren Ätzen der Pd-Schichtalso beim späteren Herstellen der Leiterbahnen aus den Metallschichten.-je dünner die Pd-Schicht ist, also je kürzer die Einwirkdauer des das Pd lösenden Ätzmittels auf den Fotolack ist. Risse im Fotolack bewirken beim Ätzen Löcher und Unterbrechungen in Pd und Ti bzw.
in den Leiterbahnen -also Ausschuß, wobei insbesondere beim Tauchlöten Benetzungsschwierigkeiten bez. Sn entstehen.
Die Erfindung wird anhand der Figur weiter erläutert.
Sie zeigt das z.B. aus Al203 bestehende Substrat S, auf dem nacheinander angebracht sind - eine CrNi-Schicht, von z.B. 30 nm Dicke bei 100 Q pro (dimensionslosen) Quadrat (z.B. pro - eine Ti-Schicht von 50 nm Dicke, - eine Pd-Schicht von 280 nm Dicke, - eine Au-Schicht von z.B 100 nm Dicke und - zur Ätzung eine schützende Potolackschicht Lack(1,5 ), die jeweils z.B. in bekannter Weise-bei den Metallen insbesondere durch Aufdampfen oder durch Galvanisieren, beim Fotolack insbesondere durch Besprühen, Schleudern und Belichten-angebracht sind.
Gute Löteigenschaften trotz Au-Materialverminderung werden dadurch erreicht, daß die Au-Schicht dünner als 500 nm ist, bevorzugt bei den heute üblichen Lötverfahren 50 bis 120 nm dick ist. Wie erläutert, reicht zur Verhinderung der Langzeitveränderungen durch Au-Diffusion die Pd-Schicht dünner als 350 nm zu machen, z.B.
240 bis 310 nm stark zu machen. Die Au-Schicht kann umso dünner gewählt werden, je weniger Wert auf die Vermeidung von degierungen bei mehrmaligem Löten derselben Leiterbahn gelegt wird. Geringe Ausschußquoten trotz hoher Materialeinsparung werden z.B. durch einen Aufbau erreicht, bei dem die Au-Schicht etwa 100 nm und die Pd-Schicht etwa 280 nm dick ist, vgl, die Figur.
Unter der Pd-Schicht kann, wie üblich, eine Ti-Schicht, z.B. von 50 nm Dicke, sowie darunter eine CrNi-Schicht, z.B. von 100 Q / Ch Widerstand, als noch tiefere Schichten sein. Es sind aber auch grundsätzlich andersartige tiefere Schichten möglich, ohne die guten Löteigenschaften der besonders dünnen Au- und Pd-Schichten zu beeinträchtigen.
Versuche zeigten, daß eine Palladiumoxidschicht (PdO ?) zwischen der Pd-Schicht und der Au-Schicht die guten Eigenschaften der Erfindung, insbesondere die gute Haftung der Au-Schicht auf der Pd-Schicht,nicht beeinträchtigen. Es ist also möglich, die Au-Schicht erst nach einer längeren Lagerung,und zwar an freier Luft, des zunächst oben nur mit (CrNi/Ti-)Pd beschichteten Substrats anzubringen, statt noch im Vakuum sofort noch die Au-Schicht anbringen zu müssen.
Weil das sich an Luft bildende Palladiumoxid nicht die Haftung der Au-Schicht auf der Pd-Schicht behindert, ist also z.B. eine spätere, zusätzlich materialsparende galvanische Anbringung der Au-Schicht möglich. Dies erleichtert zudem erheblich die Herstellung des Metallschichtenaufbaus. Ein weiterer besonderer Vorteil der dünnen Palladiuioxid-Schicht ist, daß sie beim Löten, wie Versuche zeigten, die Haftung zwischen der Pd-Schicht und der später dadurch darüberliegenden Lötschicht, bzw.
Sn-Schicht, im allgemeinen sogar verbessert, indem die Pd-Schicht beim Löten wegen der Palladiumoxid-Schicht nur noch vergleichsweise langsam ablegiert wird.
8 Patentansprüche 1 Figur

Claims

Patentansprüche.

Aufbau von Metallschichten, enthaltend eine Pd-Schicht ter einer Au-Schicht, für Leiterbahnen auf einem Halbleiterschaltungen tragenden isolierenden Substrat, insbesondere Au-Pd-Ti-CrNi-Metallschichten auf einem A1203-Substrat oder auf einem Glas-Substrat bei einem Kodierer-Dekodierer-Halbleiterbaustein eines digitalen Fernsprech-Vermittlungs systems, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - die Au-Schicht dünner als 500 nm ist.
2. Aufbau nach Patentanspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - die Au-Schicht 50 bis 120 nm dick ist.
3. Aufbau nach Patentanspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - die Pd-Schicht dünner als 350 nm ist.
4. Aufbau nach Patentanspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - die Pd-Schicht 240 bis 310 nm dick ist.
5. Aufbau nach Patentanspruch 2 und 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n et, daß - die Au-Schicht etwa 100 nm dick ist und - die Pd-Schicht etwa 280 nm dick ist.
6. Aufbau nach einem der vorhergehenden PatentansprucheS d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daS - eine Palladiumoxid-Schicht zwischen der Pd-Schicht und der Au-Schicht ist.
7. Aufbau nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - unter der Pd-Schicht eine Ti-Schicht, z.B. von 50 nm Dicke, ist.
8. Aufbau nach Patentanspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - unter der Ti-Schicht eine CrNi-Schicht, z.B. von 100 Q/# Widerstand, ist.