DE1640499B2

DE1640499B2 - Verfahren zur Herstellung von elektrischen Schaltungskorpern

Info

Publication number: DE1640499B2
Application number: DE1640499A
Authority: DE
Inventors: Bernard Poughkeepsie N.Y. Schwartz (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-12-30
Filing date: 1966-12-29
Publication date: 1973-11-08
Also published as: GB1153469A; FR1506082A; US3502520A; DE1640499A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen Von Lochungen bzw. Kontaktlöchern in ferromagnetilchen oder keramischen Substraten für elektrische Bauelemente und Leitungszüge.

Für den wirtschaftlichen Einsatz von Datenverarbeitungsanlagen sind möglichst hohe Übertragungsgeschwindigkeitcn für die Daten erwünscht, wobei angestrebt wird. Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Dabei sollen die betreffenden Schaltung*- und Speichereinheiicn ein mögliche geringes Gewicht aufweisen und wenig Raum beanspruchen. Fliese Erfordernisse haben bei der Entwicklung \on Si/haluinjselemenien eine umfassende Mikrominiaturisierung zur lokv ;.:ehabt, bei der an die Sehaltungsni'istcr hinsichtlich ihrer Schäife und loleian/en höchste Anforderungen gestell; werden. Wie /. B. in der USA.-I\iienischrift ^L>! 4 404 beschrieben, dienen üblichcrwei . /ur Herstellung von gedruckten Schaltungen auf Keramik-SLibstratcn Photomaskenverfahren, indem auf dem Substrat aufgetragene elektrisch leitende lichtempfindliche Schichten belichtet und nach Entwicklung freigelegt werden, wobei die überflüssigen Schichtbereiche abgetragen werden. Mit dem angegebenen Verfahren ist es jedoch nicht ohne weiteres möglich, Lochiingen in äußerst harte Substrate, wie es Keramiksubstrate sind, einzubringen.

Weiterhin werden in den gedruckten Schaltungen anzubringende Bauelemente in miniaturisierter Ausführung, wie Widerstände, Isolatoren, Kondensatoren, integrierte Schaltungen, Ferrite und andere magnetische Schaltglieder, bevorzugt aos feinsten Partikeln hergestellt, die gebrannt bzw. gesintert werden, so daß ein homogenes Gefüge mit einheitlichen Eigenschaften entsteht. Bei der herkömmlichen Bearbeitung solcher Körper, z. B. zur Herstellung bestimmter Schaltungsmuster, treten, insbesondere bei sehr dünnen Körpern, Schwierigkeiten auf, da das Material infolge seiner Sprödigkeit sehr schwer mechanisch zu bearbeiten, etwa zu prägen oder zu schneiden, ist; insbesondere auch bei der Herstellung von Bohrungen auf konventionelle Art sind bei gesinterten Korpern brauchbare Ergeonisse nicht erzielbar. Auch sind die erforderlichen Muster im allgemeinen zu klein, um sie in der herkömmlichen Weise 111 Formen gießen zu können. Man kann jedoch das gesinterte Material unter Verwendung entsprechender Muster ätzen; hierbei treten aber wegen uer Anforderungen an die Konturenfeinheit bezüglich der verwendeten Ätzlösungen Schwierigkeiten auf. Es ist beispielsweise sehr aufwendig und oft nicht möglich, durch eine Maske zu ätzen, wenn zwischen den einzelnen Leitern oder Bereichen des Musters nur sehr geringe Abstände bestehen. Auch sind die erreichbaren Feinheitsgrade von Ätzmasken oft

nicht ausreichend. Bei einer gewissen Ätztiefe ist dis Ätzung außerdem auch quer zur Ätzrichtung wirksam, wodurch Fehler in dem Muster entstehen. Weiterhin ist beim Ätzvorgang die Überwachung der Ätztiefe und des einheitlichen Durchmessers von Bohrungen äußerst kritisch.

Es ist bekannt, zur Herstellung von ungemusterten keramischen Körpern temporäre, also nichtbeständige Bindemittel zum Prägen oder Schneiden zu verwenden und durch anschließendes Brennen des Körpers das Bindemittel zu entfernen Jedoch bind die bei miniaturisierten Schaltungselementen der genannten Art zu erfüllenden Anforderungen an die ScMärfe und Toleranzen, insbesondere bei sehr komplexen Schaltungsmustern, mit diesem Verfahren nicht erreichbar.

In Überwindung dieser Schwierigkeiten besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Weg aufzuzeigen, in für miniaturisierte Schaltungen geeigneten Schaltungskörpern sehr großer Härte, Lochungen bzw. Kontaktlöcher einzubringen, die allen Anforderungen ar Schärfe ihrer Konturen und an vorgegebenen Toleranzen genügen.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht daß eine einen sensibilisierten Binder enthaltende getrocknete Schlickerlamelle — sogenannte Grün keramiklamclle —■ entsprechend den einzubringender Loch'.mgen belichtet und entwickelt wird, daß an schließend die Lochungen durch Auswachen der ge trockneten Schlickerlamelle in einer lediglich die vor gesehenen Lochungsbereiche angreifenden Lösunj freigelegt werden, die auf Grund des Belichtung*- uiu Entwicklungsverfahrensschrittcs ausschließlich in die sen Lochungsbereichen wirksam 711 werden vermag und daß abschließend zur Verflüchtigung des Binder

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und zur Sinterung die getrocknete Schlickerlameiie in an sich bekannter Weise aufgeheizt wird.

Mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung können komplex gemusterte Schaltungskörper mit außerordentlich starker Auflösung und mit ausgezeichneten Toleranzen durch Photoformierung entweder durch eine entsprechende Maske hindurch oder mit gerichteten, gesteuerten optischen Strahlen hergestellt werden. In Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung kann man beispielsweise durch die Bindung von Ferriten mit photosensiblen Bindemitteln gesinterte und hoinogenisierie Ferrite in beliebigen Mustern, etwa in Form von Speicherkernen, erzeugen. Aber auch andere sinterbare, aus feinsten Partikeln bestehende Materialien sind zur Anwendung für den erfindungsgemäCen Herstellprozeß verwendbar, soweit deren Sinterkern peratur über der Verfüichtigungstemperatur des nach der Entwicklung des gewünschten Mjsters zurückbleibenden Bindemittels liegt. Ebenso krnn jedes Bindemittel benutzt werden, das sich nach dem Entwickeln des Musters bei einer Temperatur verflüchtigen läßt, die unter der Sinterteniperalui des betreffender, für den Schaltur.gskörper verwendeten Materials liegt. Durch diese Faktoren ist das erfindungsgemäße Verfahren breit anwendbar und sehr flexibel

Die bevorzugte Anwendung dts erfindungsgeiv?t>n Verfahrens im Rahmen der Mikrominiaturisierung von elektrischen Schaltungskörpern schließt nicht aus, daß die Erfindung auch bei der Herstellung anderer, mit Mustern zu versehender Gegenstände vorteilhaft einsetzbar ist. So kann das vorgeschlagene Verfahren auch zur Herstellung von gemusterten Körpern aus sinterbarem Metal! oder einer sinterbaren Metallegierung verwendet werden.

Es berteht die Möglichkeit, bei der Durchführung des oben erläuterten Verfahrens nach dem Entwickeln durch einen Spülgang entweder die entwickelten Be-

nicht entwickelten Besensibilisiert worden sind. Ein se

den Vorteil, daß es in Wa-ter löslich oder dis_r, _

ist. Ein aus einer solchen Misching hergestellter

Körper wird zur Härtung des Bindemittels belichtet,

ϊ und anschließend wird das Bindemittel in Wasser unlöslich gemacht, um das gewünschte Musler zu fixieren. Auf diese Weise können nach dem Belichtung^- und Enlwicklungsvorgang die nicht Leuchteten Bereiche auf einfache Weise mit Wasser abgespült werden, während ίο das verbliebene gehärtete Bindemittel aus den belichteten Bereichen durch den Brennvorgang verflüchtigt und das keramische bzw. metallische Material selbst gesintert wird. Prinzipiell das gleiche Verfahren ist auch anwendbar, wenn unbelichtete und unentwickelte

Bindemittel benutzt werden, die, bevor sie entwickelt wc:den, in organischen Lösemitteln löslich sind und nach dem Entwickeln in diesen Lösemitteln unlöslich

gemacht werden.
Es ist außerdem in äer Photoformungstechnik be-

ao kannt, das umgekehrte Verfahren anzuwenden, d. h. die belichteten Bereiche in einem entsprechenden Lösemittel löslich zu rrachen, das für die unbelichteten Bereiche nicht auflösend wirkt S.o kann bei Verwendung eines Harzbirdemittels dieses anstatt j-olymeiisiert de-

S5 polymerisiert und löslicher gemacht werden.

An Stelle eines Musters kann ein gesteuerter, gebündelter Licht- oder Elektronenstrahl oder ein Strahl kohärenten Lichtes zur Darstellung des gewünschten Musters verwendet werden. Bei der Herstellung grö-

L'erer Stückzahlen cleichgemiisterter Körper ist jedoch für das Aufbringen des Muslers die Verwendung einer Schablone zu bevorzugen, da diese beliebig oft benutzt werden kann. Die Herstellung derartiger Schablonen in dem gewünschten Muster bietet keine Schwierig-

keilen, da das Muster in relativ großen Abmessungen gebildet und dann im Photo\erkleinerungsverfahren auf den e:forderlichen Maßstab verkleinert

In einer bevorzugten Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wirrt die flüssige Mischung aus dem Pulver und dem photoempfindlichen Bindemittel in Form sehr dünner Schichten gegossen, insbesondere in Form von Folien, wodurch das Trocknen der Schichten nhne die gefürchtete Entstehung winziger Löcher erleichtert wird. Sind stärkere Schichten erwünscht, oder soll ein eingebetteter Leiter od. dgl. hergestellt werden, so kennen die gebildeten Schichten auch n^ch demTrc . nen des Substrats, auf da* sie aufgebracht worden sind, von diesem abgestreift und in 5« bekannter Weise durch Anwendung von Wärme und/ oder Druck lamelliert werden. Diese Ausführung empfiehlt sich insbesondere dann, wenn eingebettete Schaltungsmuster mit Zugangslöchern von der Oberfläche des Schaltungskörpers hergestellt werden sol'cn.

Die Verwendung \on photosensiblen Bindemitteln bei der Herstellung von gesinterten keramischen cder metallischen gemusterten Teilen ist durch die LbA.-Paieutschrift 2 914 404 an sich bekannt; das Bindemittel wird dort aber anschließend nicht entfernt, s uv dem bleibt auf der fläche haften. Auch ist die angewendete Photobelichtuiig bekannt, wobei es sich um sichtbares oder unsichtbares Licht oder auch um einen Elektronenstrahl u. dgl. handeln kann.

Als Bindemittel zur Dispersion in keramischem -"der metallischem Pulver handelsübliche Poly\inylalkohol-Kunstharzbindemittel Verwendung finden, die mit einem Ammonium-. Natrium- oder Kaliumdichronat

JWIH IM.J* UiUu .......... ^

das Glas dann als Maske benutzt werden, nik wird bei der Herstellung von mit Mustern versehenen Gegenständen mit sehr guter Auflösung und in extrem engen Toleranzen mit Erfolg veiwendet, wobei die erreichbaren Abmessungen einen Bruchteil von denjenigen betragen, die mit dem bekannten Sland- oder Ätzverfahren erzielbar sind.

Für das beim erfindunesgemäßen Verfahren verwendete Bindemitte¹ stehen eine große Anzahl von Werkstoffen bzw. Werkstoffverhindungen zur Verfugung, wie z. B. Polyvinylchlorid und andere Vinyl-Homo- oder Heteropolyrrere, Zellulosen sowie natürliche und synthetische Kolloide, wie z. B. Gelatine, Eiweiß, Cysein, Dextrinen, Stärken usw. Als Sensibilisatoren für das Bindemittel kommen insbesondere die Mono- und Poly-Azo\erbindungen und die obenerwähnten Bichromate in Betracht, aber auch Amino- oder Caibonylverbindungen.

Die Verbindung \on keramischen Materialien aus kleinsten Partikeln n*it teirporären Harztindcmitteln zu einer flüssigen Masse und deren Verarbeitung zu Folien ist an sich belann!. So zeigt das USA.-Patent 2 9(-6 719 ein Verführen zur Rezeptur verschiedener Dielektrika mit verschiedenen thermoplastischen, plastizierten Harzbindciriiieln, wählend das USA.-Patent 3 125 618 in erster Linie die Rezeptur dielektrischer Materialien rrit akryli&chen Harzbindemitteln offenbart. P.esonderer Wert wird bei diesen Vercflenilkhungen auf das Trocknen der gegossenen

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Körper ohne die Bildung der gefürchteten winzigen 10. Wenn erforderlich, werden mehrere der erhalte-

Löcher gelegt. Die dort angegebene Zusammensetzung nen Keramikkörper unter Wärme und/oder Druck

der Werkstoffe zu gießfähigen Massen und zum Gie- aufeinandergeschichtet.

ßen der Massen in Formen, z. B. durch Verstreichen, 11. Der so geschichtete bzw. einfache Körper wird gesowie das darauffolgende Trocknen des Körpers ohne 5 brannt, wobei das organische Bindemittel zersetzt die Bildung von Löchern können auch bei der Durch- wird und verflüchtigt, während das verbleibende führung des erfindungsgemäßen Verfahrens angewen- Keramikmaterial gesintert wird,
det werden. Bestimmte photosensible flüssige Bindemittel können aber auch durch Photobelichtung direkt Ein besonderes geeignetes Polyvinylalkohol-Bindegehärtet oder in ihrer Löslichkeit verändert werden, so io mittel ist aus folgenden Bestandteilen zusammengesetzt: daß die vorher erwähnten Trocknungsschrilte unter
Umständen nicht notwendig sind. Polyvinylalkohol (15% Feststoffe) 40

Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungs- Zirkon-Erdalkali-PorzeJan 55

beispielen mit Hilfe der unten aufgeführten Zeich- Weichmacher, Netzmittel, Wasser 5

ηungen näher erläutert. Es zeigt: 15 Ammoniumdichromat

Fig. 1 in auseinandergezogener Darstellung die (12°/_oige wäßrige Lösung) 12

vereinfachten Einzelschritte eines Verfahrens zur Erzeugung von Zugangslöchern für einen zwischen zwei Wie bereits erwähnt, können Polyvinylalkohol-Schichten eingebetteten Leiter, Bindemittel anstatt mit Bichromaten auch mit Azo-

F i g. 2 eine andere Art der Belichtung der beiden 20 verbindungen sensibilisiert werden.

Löcher gemäß der Ausbildung nach F i g. 1, Gemäß F i g. 1 wird zunächst eine ungemusterte

F i g. 3 die Draufsicht auf eine stark vergrößerte Schicht 10 aus keramischem Material hergestellt, so-

Keramikplatte mit einem aufgebrachten, aus einer An- dann getrocknet und, wie oben beschrieben, von dem

zahl Löchern bestehenden Muster und Träger abgezogen. Die Stärke der als Folie ausgcbil-

F i g. 4 eine Draufsicht auf eine keramische Platte 25 deten Schicht kann zwischen 2,5 μ und 1 mm oder

entsprechend F i g. 3 mit einem aus Löchern und Lei- auch darüber betragen. Dann wird eine weitere

tern bestehenden Muster. Schicht 11 aus dem gleichen Material hergestellt und

Zur Herstellung eines aus kleinsten Partikeln eines ein metallischer Leiter 12 auf die Schicht 11 aufge-

keramischen Werkstoffes bestehenden Schaltungskör- bracht. Die beiden Schichten 10 und 11 werden so-

pers dienen folgende Verfahreneinzelschritte: 30 dann aufeinandergeschichtet, so daß eine Art Folienlamelle 13 mit einem eingebetteten Leiter 12 entsteht.

1. Ein keramisches Pulver wird allmählich dem Anschließend wird das photoempfindliche Bindemittel photoempfindlichen Bindemittel unter ständigem durch Belichten unlöslich gemacht; die Photolamelle Mischen zugesetzt, wobei die Größe und Anzahl 13 ist mit lichtundurchlässigen Punkten 14 und 15 darvon möglichen Pulverklümpchen verringert wird. 35 gestellt, die jeweils die Lage der gewünschten Bohrung

2. Unter ständigem Rühren wird dieser Mischung darstellen. Die Photolamelle 13 wird sodann mittels der aus keramischem Pulver und photoempfindlichem Lichtquellen 16 und 17 belichtet. Die Belichtung von Bindemittel der Sensibilisator zugesetzt. beiden Seiten ist deshalb nötig, weil der Leiter 12 für

3. Die erhaltene Mischung wird in zwei bis drei das Licht aus den Quellen 16 und 17 undurchlässig ist. Durchgängen in einer Mühle oder durcn 18 bis 40 Nach dem Belichten wird das Muster entwickelt, und 24 Stunden währendes Mahlen in einer Kugel- anschließend werden die nicht belichteten Bereiche des mühle homogenisiert. Hierbei werden sämtliche Bindemittels ausgewaschen, wobei sich jedoch die berestlichen Zusammenballungen des keramischen lichteten und gehärteten Bindemittelbereiche nicht aufPulvers beseitigt, damit jede Partikel mit dem lösen. Dabei bleiben die zu dem eingebetteten Leiter 12 Bindemittel überzogen wird, da nicht überzogene 45 führenden Löcher erhalten. Man kann statt dessen keramische Pulverteilchen während des Ent- auch die Oberseite der Folienlamelle 13 durch transwicklungsvorganges Poren in dem keramischen parente Masken hindurch belichten auf denen sich Material entstehen lassen. an den entsprechenden Stellen Punkte befinden. Nach

4. Die erhaltene Mischung aus Photoresist und kera- dem Entwickeln des Musters wird die Folienlamelle 13 mischem Pulver wird auf einen Film, z. B. aus 50 gehärtet, um das gehärtete Bindemittel auszutreiben »Mylar« aufgestrichen und einem Trocknungsvor- und das aus Partikeln bestehende keramische Material gang ausgesetzt. Der Abstand des Streichmessers zu sintern, so daß der fertige homogene Körper 18 wird hierbei auf etwa 0,2 mm eingestellt, so daß entsteht.

nach dem Trocknen ein keramischer Film von Gemäß F i g. 2 wird durch gebündelte Lichtstrahlen

etwa 0,15 mm entsteht. 55 19 und 20 nur der zu beseitigende Bereich der Fläche

5. Die Mischung wird mit Luft und/oder Wärme ge- belichtet und danach in einem geeigneten Lösemittel trocknet, und zwar in Abhängigkeit von der Pho- aufgelöst, das jedoch für das Bindemittel selbst niehl topolymerisation. auflösend wirksam ist. Hierbei kann ein Harzbinde-

6. Der getrocknete Film wird belichtet, wenn erfor- mittel verwendet werden, das durch Belichtung mil derlich, von beiden Seiten, und während dieser 60 einem entsprechenden Licht, wie z. B. aktinischem, alsc Zeit wird die Photopolymerisation bzw. -depoly- chemisch wirksamem Licht, depolymerisiert wird merisation erreicht. Diese Art der Belichtung kann auch mit Hilfe eines ent·

7. Die Mischung wird mit einem geeigneten Löse- sprechenden Lichtschirms erreicht werden. Der Filrr mittel entwickelt. wird sodann durch Auswaschen des Materials aus den

8. Der erhaltene Körper wird gewaschen und mit 65 belichteten Bereich entwickelt, wobei ein für das iin Luft und/oder Wärme getrocknet. belichtete Bindemittel unwirksames Lösemittel zu ver

9. 1 *as nunmehr gemusterte Keramikmatcria! wird wenden i·'.

von dem Träger abgezogen. Während in den F i p. 1 und 2 ein stark vereinfach

tes Muster gezeigt ist, stellt F i g. 3 eine Folie 21 mit einem Muster aus einer Anzahl Löchern dar, wie es in der gezeigten oder einer ähnlichen Anordnung für elektrische Schaltungsplatten häufig gebracht wird. Die Löcher 23 des äußeren Musters 22 haben einen Durchmesser von etwa 1 mm, während die Löcher 25 des inneren Musters 24, dessen Seitenlänge etwa der Hälfte der Seitenlänge des äußeren Musters 22 entspricht, einen Durchmesser von nur etwa 0,5 mm aufweisen. Wenn notwendig, können wesentlich kleinere

Lochdurchmesser, nämlich bis zu etwa 25 μ, hergestellt werden.

Die Keramikplatte 26 gemäP F i g. 4 als weiteres Beispiel enthält ein Lochmuster 27 und eine Reihe von aus Nickelpulver bestehenden Leitern 28.

Eine Anzphl gemusterter Folien, wie die Folien 21 und 26 gemäß den F i g. 3 und 4, kann bei entsprechender Ausrichtung der einzelnen Musterteile als elektronisches Schaltungselement für Speichervorrichtungen. ίο u. ä. zu einer Folienlamelle zusammengesetzt werden

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Lochungen bzw. Kontaktlöchern in ferromagnetischen oder keramischen Substraten für elektrische Bauelemente und Leitungszüge, dadurch gekennzeichnet, daß eine einen sensibilisierten Binder enthaltende getrocknete Schlickerlamelle entsprechend den einzubringenden Lochungen belichtet und entwickelt wird, daß anschließend die Lochungen durch Auswaschen der getrockneten Schlickerlarnelle in einer lediglich die vorgesehenen Lochungsbereiche angreifenden Lösung freigelegt werden, die auf Grund des Beüchtungs- und Entwicklungsverfahrensschrittes ausschließlich in diesen Lochungsbereichen wirksam zu werden vermag, und daß abschließend zur Verflüchtigung des Binders und zur Sinterung die getrocknete Schlickerlamelle in an sich bekannter Weise entsprechend aufgeheizt wird.

"* Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Lichtabdeckung der vorgesehenen Lochungsbereiche ein bei Belichtung polymerisierender Sensibilisator, wie Ammoniumdichromat, Natriumdichromat, Kaliumdichronial oder eine Azo-Verbindung einem Polyvinyl-Alkohoibinder zugesetzt w ird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Belichtung der vorgesehenen Lochungsbereiche ein bei Belichtung entpolymerisierendes Kunstharz als sensibilisierter Binder verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lichtabdeckung eine Maske dient.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß scharf gebündelte Lichtstrahlen oder Strahlen anderer Art auf die vorgesehenen Lochlingsbereiche gerichtet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor Belichtung die getrockneten, elektrische Leitungszüge tragenden Lamellen in Form von Grünkeramikfolien aufeinandergeschichtet werden.