DE4113262C2

DE4113262C2 -

Info

Publication number: DE4113262C2
Application number: DE19914113262
Authority: DE
Inventors: Dieter 8000 Muenchen De Sattler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-04-23
Filing date: 1991-04-23
Publication date: 1993-07-15
Also published as: DE4113262A1

Description

Das am häufigsten verwendete Substrat zum Aufbau von inte grierten Mikrowellenschaltungen, d. h. also von Schaltungen, die mit Leitungen und/oder mit Leitungsbauteilen, die einen definierten Wellenwiderstand, d. h. also definierte Abmessungen aufweisen, ist die Aluminiumoxid-Keramik. Wegen der hohen maximal zulässigen Temperatur, der dieses Substrat, im Gegen satz zu Kunststoffen wie Teflon, ausgesetzt werden kann, sind hier zum Aufbau von Leiterstrukturen sowohl die Dickschicht- als auch die Dünnfilmtechnologie möglich.

Bei der Dickschichttechnologie wird eine Metallpaste mittels eines Siebdruckverfahrens auf das Substrat aufgebracht, ge trocknet und anschließend eingebrannt. Speziell bei Kupfer muß das Einbrennen in einer Stickstoffatmosphäre erfolgen; außer dem müssen bei dieser Technologie spezielle Vorkehrungen zum Beschichten von Bohrungen im Substrat getroffen werden, so daß ein erheblicher technologischer Aufwand nötig ist.

Bei der Dünnfilmtechnologie wird zunächst eine ganzflächige Basismetallisierung mittels eines Aufdampf- oder Aufstäubpro zesses auf das Substrat aufgebracht. Anschließend wird mittels der Fotolitographie und der Kupfergalvanik die Leiterstruktur aufgebracht. Aufgrund der zum Aufbringen der Basismetallisierung notwendigen Vakuum anlage und dem damit verbundenen hohen technologischen Aufwand sind für dieses Verfahren erhebliche finanzielle Investitionen nötig.

Es ist außerdem bekannt, eine dünne Basiskupferschicht che misch abzuscheiden. Diese Abscheidung läßt sich sehr präzise durchführen. Die Basiskupferschicht wird dann teilweise mit Fotolack abgedeckt und an Stellen ohne Fotolack galvanisch verstärkt. Die so erhaltene Leiterbahnstruktur wird an schließend mit einer galvanisch aufgebrachten Schutzschicht aus nur Nickel oder Nickel und Gold überzogen, so daß beim nach dem Entfernen des Fotolacks stattfindenden Ätzen der Basiskupferschicht die Leiterbahnstruktur nicht angegriffen wird.

Bei diesem Verfahren muß zum chemischen Abscheiden der Basis kupferschicht auf dem reinen Substratmaterial ein Katalysator verwendet werden. Dazu dient üblicherweise eine Palladium ent haltende Lösung, in die das Substrat getaucht wird. Beim spä teren Eintauchen des Substrats in eine kupferhaltige Lösung scheidet sich das Kupfer an den Palladiumkeimen ab. Auf diese Weise entsteht eine dünne und homogene Basiskupferschicht.

Nach dem galvanischen Aufbau der Leiterstruktur auf der Basis kupferschicht muß die Basiskupferschicht wieder weggeätzt wer den. Es ist jedoch sehr schwierig, die Palladiumschicht wieder zu entfernen. Wird sie nicht entfernt, führt es dazu, daß bei sehr engen Leiterbahnabständen aufgrund der nicht exakt zu definierenden Dicke der Palladiumschicht Kurzschlüsse auftre ten können. Wird die Palladiumschicht mittels eines starken Ätzbades entfernt, kommt es auch bei diesem Verfahren zu Unterätzungen an den Leiterbahnen.

Es ist zwar ein Verfahren zum chemischen Abscheiden von Kupfer mit einem auf Kupferkolloid basierenden Katalysator bekannt, jedoch sind dort die Badparameter, wie beispielsweise Tempera tur und Komponentengehalte, auf das Beschichten von Seitenwän den von Durchkontaktierungen in kupferkaschierten Leiterplat ten abgestimmt.

Die Anwendung dieses bekannten Verfahrens auf ein Substrat aus Aluminiumoxid-Keramik führt allerdings zu Blasenbildung oder fleckenweise auftretenden Fehlstellen in der Basiskupfer schicht.

Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, ein Verfahren zur ganzflächigen, stromlosen Beschichtung von Substraten aus Aluminiumoxid-Keramik mit einer dünnen Kupferschicht anzuge ben, so daß darauf die Herstellung von Leiterbahnstrukturen mit Abständen und Breiten, die kleiner als 50 µm sind, mittels eines galvanischen Leiterbahnaufbaus möglich ist. Außerdem soll im Falle, daß als Ätzresist nur eine sehr dünne Nickel schicht galvanisch abgeschieden wurde, nach dem Ätzen der Basiskupferschicht noch Nickel und Gold chemisch abgeschieden werden können.

Das Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, bei dem das Substrat zunächst mit einem alkalischen Reini gungsmittel gereinigt und danach gespült wird. Dieser Spül vorgang erfolgt vorzugsweise in drei Stufen, wobei das Substrat jeweils stark spritzgespült und danach mit Heißluft getrocknet wird. Auf diese Weise wird ein Verschleppen von Chemikalien vom Reinigungsbad in die nachfolgenden Bäder innerhalb eines nicht spülbaren hydrophilen Oberflächenfilms vermieden.

Da die Oberfläche der Aluminiumoxid-Keramik nur eine sehr geringe Rauhigkeit besitzt, wodurch eine mechanische Veranke rung der chemisch abzuscheidenden Kupferschicht nicht sicher ist, ist es nötig, durch Anätzen von leichter löslichen Be standteilen in der Keramikoberfläche eine etwas gröbere Mikrorauhigkeit zu schaffen. Das wird vorzugsweise durch Beizen in einer gesättigten, sich nahe am Siedepunkt befin denden Natron- oder Kalilauge erreicht. An das Beizen schließt sich wieder ein Spülvorgang an, der entsprechend dem oben be schriebenen abläuft. Das anschließende Trocknen des Substrats mit Heißluft ist wichtig, damit im folgenden Katalysatorbad eine sofortige Aktivität der Badkomponenten auf der Substrat oberfläche gewährleistet wird.

Die Bekeimung der Substratoberfläche in dem Katalysatorbad folgt auf der Basis von kolloidal gebundenem Kupfer. Damit besteht der gesamte Schichtaufbau - bis auf eine mögliche Veredelung - durchgehend aus einem Metall. Die sonst für das stromlose Kupferverfahren übliche Bekeimung mit Palladium ist ungeeignet, da sich dieses Metall nicht mehr ohne starke Unterätzungen in der Kupferschicht von der Substratoberfläche abätzen läßt. Das Entfernen des Palladiums ist aber nötig, da speziell bei sehr engen Leiterbahnabständen Kurzschlüsse auftreten können und außerdem dieses Metall auch für eine eventuelle chemische Vernickelung initierend wirkt und sich somit die gesamte Substratoberfläche mit Nickel beschlagen kann.

Nach der Behandlung im Katalysatorbad wird an der Substrat oberfläche ein dünner, nicht spülbarer Wasserfilm mit Kata lysatormolekülen beobachtet. Eine Abscheidung von Kupfer hierauf ergibt eine Schicht ohne jegliche Haftung auf dem Substrat. Daher ist dieser Film durch eine gleichmäßige mechanische Behandlung im nassen Zustand zu entfernen, da hierunter die eigentliche, in der Keramik festgebundene Kata lysatorschicht liegt. Zur mechanischen Nachreinigung des Substrats kann eine rotierende Bürste mit mittelharten Borsten benutzt werden, die gleichmäßig über das Substrat geführt wird, wobei das Substrat gleichzeitig mit einem starken Wasserstrahl abgespritzt wird. Statt der Bürste kann aber auch eine rotierende Schaumstoffrolle verwendet werden. Alternativ dazu kann ein Gummischaber langsam über das Substrat geschoben werden, wobei gleichzeitig ein starker Wasserstrahl vor dem Schaber die von diesem abgeschobene Schicht abspült.

Nach dem mechanischen Nachreinigen der Substratoberfläche kann das Substrat bei einer Temperatur zwischen 140°C und 180°C in einer Inertgasatmosphäre getempert werden, um die Haftfestig keit des Katalysators zu erhöhen.

In einem dünnabscheidenden chemischen Kupferbad wird an schließend eine Basiskupferschicht, initiert durch den vorher aufgebrachten und im Hochvakuum eingetemperten Katalysator, abgeschieden. Diese Basiskupferschicht sollte 0,3 µm bis 0,7 µm, vorzugsweise 0,4 µm bis 0,6 µm dick sein.

Sie ist nur unter definierten Bedingungen, beispielsweise für Temperatur und Komponentengehalte des Kupferbades, einwandfrei aufzubringen. Zu starke Abweichungen von diesen definierten Bedingungen führen zu Blasenbildung oder zu fleckenweise auf tretenden Fehlstellen. Die Basiskupferschicht wird anschlie ßend im Hochvakuum eingetempert, wodurch die Haftfestigkeit nochmals deutlich verbessert wird.

Der galvanische Schichtaufbau mit Kupfer und die anschlie ßende, entweder galvanische oder stromlose Veredelung mit Nickel und Gold werden nach Standardverfahren z. B. der Schichtschaltungs-Dünnfilmtechnologie vorgenommen.

Die Baddimensionierung und Badbelastbarkeit bei diesem Verfah ren erlauben die Anwendung der Korbtechnik, wodurch eine hohe zeitliche Durchsatzrate und somit eine hohe Wirtschaftlichkeit erzielt wird.

Der erfindungsgemäße Verfahrensablauf soll nun anhand eines Beispiels mit Hilfe einer Tabelle verdeutlicht werden:

Zum Reinigen wird ein alkalischer Reiniger verwendet.

Der Katalysator wird dabei in einer Konzentration von 330 bis 360 (Optimum 350) ml/l bei einem pH-Wert von 3.5 ±0,2 verwendet.

Das Kupferbad enthält 3 ±0,3 (Opt. 3) g/l Kupfer, 16-18 (Opt. 18) g/l Natrium hydroxyd und 16 bis 18 (Opt. 18) ml/l 37%ige Formaldehyd- Lösung.

Mit Hilfe der folgenden Liste soll beispielhaft der Gesamt ablauf der Schaltungsherstellung auf Aluminiumoxid-Keramik dargestellt werden:

1. Aufbringen einer Basiskupferschicht gemäß einem Verfahren nach obiger Tabelle,
2. Fotolithographie,
3. Aufbau der Struktur mit galvanisch abgeschiedenem Kupfer (5-12 µm),
4. Galvanisches Abscheiden einer Nickelschicht (2 µm),
5. Galvanisches Abscheiden einer Goldschicht (1 µm),
6. Entschichten des Fotolacks,
7. Ätzen der chemischen Basiskupferschicht.

Bei diesem Verfahrensablauf wirken die Nickel- und die Gold schicht sowohl als Schutzschicht beim Ätzen der chemischen Basiskupferschicht als auch als Veredlungsschicht für die Leiterstruktur. Für den Fall, daß eine Veredelung der Leiter struktur durch chemisches Abscheiden von Nickel und Gold er folgen soll, wird beispielsweise folgender Verfahrensablauf gewählt:

1. Aufbringen einer Basiskupferschicht gemäß einem Verfahren nach obiger Tabelle,
2. Fotolithographie,
3. Aufbau der Struktur mit galvanisch abgeschiedenem Kupfer (5-12 µm),
4. Galvanisches Abscheiden einer Nickelschicht (0,2 µm),
5. Entschichten des Fotolacks,
6. Ätzen der chemischen Basiskupferschicht,
7. Chemisches Abscheiden einer Nickelschicht ( 2 µm),
8. Chemisches Abscheiden einer Goldschicht (0.2 µm).

Die galvanisch abgeschiedene Nickelschicht ist bei diesem Verfahren nötig, um die Leiterstruktur beim Ätzen der Basis kupferschicht zu schützen.

Claims

1. Verfahren zur ganzflächigen, stromlosen Beschichtung von Substraten aus Aluminiumoxid-Keramik mit einer dünnen Kupfer schicht mit folgenden Verfahrensschritten:

- Reinigen des Substrats bei einer Temperatur von 60°C bis 80°C mit einem alkalischen Reinigungsmittel, danach Spülen des Substrats,
- Beizen des Substrats zur Vergröberung der Mikrorauhigkeit, danach Spülen des Substrats,
- Trocknen des Substrats mit Heißluft,
- Katalysieren des Substrats bei einer Temperatur von 24°C bis 26°C während einer Dauer von 13 bis 15 Minuten mit einem auf Kupferkolloid basierenden Katalysator, der in einer Konzen tration von 330 bis 360 ml/l bei einem pH-Wert von 3,5 ± 0,2 verwendet wird, danach Spülen des Substrats,
- Mechanisches Nachreinigen des Substrats,
- Tempern des Substrats bei einer Temperatur von 140°C bis 180°C während einer Dauer von mindestens 30 Minuten in einer Inertgasatmosphäre,
- Chemisches Verkupfern des Substrats bei einer Temperatur von 18°C bis 20°C während einer Dauer von 20 bis 25 Minuten, wobei ein Kupferbad mit 3 ±0,3 g/l Kupfer, 16 bis 18 g/l Natriumhydroxid und 16 bis 18 ml/l 37%iger Formaldehydlösung verwendet wird, danach Spülen des Substrats,
- Trocknen und Tempern des Substrats bei einer Temperatur von 140°C bis 200°C während einer Dauer von mindestens 30 Minu ten in einer Inertgasatmosphäre oder Hochvakuum.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Tempern des Substrats nach dessen mechanischer Nachreinigung bei einer Temperatur von 150°C±5°C durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Reinigen des Substrats bei einer Temperatur von 60°C bis 65°C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Trocknen und Tempern des Substrats nach dessen chemischer Verkupferung bei einer Temperatur von 150°C±5°C durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Spülen des Substrats jeweils bei Raumtemperatur und während einer Dauer von 4 bis 5 Minuten, z. B. in Form der Tauchspülung im sogenannten Überlauf-Fließspülen, durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zum mechanischen Nachreinigen des Substrats eine rotierende Bürste gleichmäßig über das Substrat geführt und dieses gleichzeitig mit einem starken Wasserstrahl abgespritzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zum mechanischen Nachreinigen des Substrats eine rotierende Schaumstoffrolle gleichmäßig über das Substrat geführt und dieses gleichzeitig mit einem starken Wasserstrahl abgespritzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zum mechanischen Nachreinigen des Substrats ein Gummischaber langsam über das Substrat geschoben wird und gleichzeitig ein starker Wasserstrahl vor dem Schaber die von diesem abgeschobene Schicht abspült.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beizen des Substrats mit einer gesättigten, sich nahe am Siedepunkt befindenden Natron- oder Kalilauge durchgeführt wird.

10. Anwendung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 9, zum Aufbringen sehr feiner Leiterstrukturen auf einem Substrat aus Aluminiumoxid-Keramik mit folgenden weiteren Verfahrensschritten:

- Beschichten der Basiskupferschicht mit einer Fotolackstruk tur mittels eines bekannten Fotolithographieverfahrens,
- Aufbau der Leiterbahnstruktur durch galvanisches Abscheiden von Kupfer an den nicht von Fotolack abgedeckten Stellen der Basiskupferschicht,
- Aufbringen einer Schutzbeschichtung durch galvanisches Ab scheiden von Nickel oder Nickel und Gold,
- Entschichten des Fotolacks,
- Ätzen der chemischen Basiskupferschicht.

11. Anwendung eines Verfahrens nach Anspruch 10, wobei nach dem Ätzen der Basiskupferschicht die Leiterstrukturen mittels chemisch abgeschiedener Schichten aus zuerst Nickel und dann Gold veredelt werden.