Substrat mit geglätteter Oberfläche und Verfahren zu seiner Herstellung

Abstract

 Um ein preiswertes Substrat mit mindestens einem geglätteten und/oder planarisierten Oberflächenbereich und ein einfaches Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, welches nicht aufwendig ist, und mit hoher Ausbeute durchgeführt werden kann, wird ein solches Substrat, bei dem auf mindestens einem rauhen Oberflächenbereich des Substrats bzw. mindestens einem gekrümmten und gegebenenfalls rauhen Oberflächenbereich des Substrats eine Polymerschicht aufgebracht ist, deren vom Substrat abgewandte Oberfläche glatt und planar ist, und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Substrats, bei dem auf mindestens einen rauhen und/oder gekrümmten Oberflächenbereich des Substrats eine polymerisierbare Flüssigkeit aufgebracht und polymerisiert wird.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft ein Substrat mit mindestens einem geglätteten und/oder planarisierten Oberflächenbereich und ein Verfahren zum Herstellen insbesondere eines solchen Substrats.

[0002] Substrate dieser Art werden beispielsweise als Grundlage von mikroelektronichen Schaltungen benötigt, wobei diese Substrate aus einem isolierenden oder halbleitenden Material bestehen. Auf den Substraten werden Metallschichten abgeschieden, welche anschliessend photolithographisch strukturiert werden. Hat das Substrat eine rauhe Oberfläche, hat auch das Metall - unabhängig davon, ob es als Folie auf das Substrat laminiert oder galvanisch aufgebracht wird - eine rauhe Oberfläche. Bei der Strukturierung kann dann das gewünschte Muster nicht wahrheitsgetreu von einer Maske auf die Metalloberfläche übertragen werden. Auch wenn die Substratoberfläche gekrümmt ist, ist die Übertragung ungenau. Sollen auf der rauhen Oberfläche mehrere, durch isolierende Schichten voneinander getrennte Lagen, beispielsweise, von Leiterzügen erzeugt werden, kann es, wenn der Abstand zwischen den Lagen sehr gering sein soll, wegen der Rauigkeit zu Kurzschlüssen kommen. Isolierende Substrate aus Keramikmaterial, insbesondere die wegen ihrer geringen Herstellungkosten günstigen LTCC (Low temperature cofired ceramics) werden bevorzugt zum Aufbau von Mikrowellenschaltungen für höhere Frequenzen eingesetzt. Je nach Hersteller weisen aber die Oberflächen der Keramiksubstrate eine starke Rauhigkeit auf. Bei den Mikrowellenschaltungen verursachen Metalleitungen mit rauher Oberfläche frequenzabhängig Verluste.

[0003] Zwar ist es so, daß bei Frequenzen < etwa 10 GHz die durch diese Rauhigkeit verursachten Verluste nicht beachtlich sind, so daß die metallischen Leitungen hierfür auch auf rauhen Oberflächen aufgebracht werden können. Bei Frequenzen > etwa 10 GHz sind aber die auftretenden Verluste beachtlich und werden mit steigender Frequenz untolerierbar.

[0004] Um die genannten Nachteile zu beheben, können die Keramikscheiben poliert werden. Dieser Arbeitsschritt ist jedoch wegen der Sprödigkeit des Materials aufwendig und mit hohen Kosten verbunden und der Ausschuß ist hoch.

Die Erfindung und ihre Vorteile

[0005] Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein preiswertes Substrat mit mindestens einem geglätteten und/oder planarisierten Oberflächenbereich und ein einfaches Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, welches nicht aufwendig ist, und mit hoher Ausbeute durchgeführt werden kann.

[0006] Diese Aufgabe wird mit einem Substrat der eingangs genannten Art mit dem Merkmalen der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1 und 4 und mit einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 19 gelöst.

[0007] Die Polymerschicht auf rauhen und gegebenenfalls gekrümmten Substratoberflächen hat, wenn ein geeignetes Polymer ausgesucht wird, auf ihrer vom Substrat abgewandten Seite eine so ausreichend glatte und/oder ebene Oberfläche, daß die wahrheitsgetreue Übertragung von Mustern in auf der Polymerschicht aufgebrachtes Metall und der Aufbau von Mehrlagenstrukturen auf der Polymerschicht aus sehr dünnen isolierenden und leitenden Schichten möglich ist, ohne daß Kurzschlüsse zu befürchten sind. Bei Substraten, welche halbleitend sind, kann die glättende Schicht gleichzeitig als Isolierschicht verwendet werden.

[0008] Das Verfahren ist einfach mit den bei der Herstellung mikrominiaturisierter Schaltungen ohnehin gebräuchlichen Werkzeugen durchführbar. Bei richtiger Auswahl der Ausgangsmaterialien für das Polymer läßt sich die Herstellung der glättenden Schicht so durchführen - und zwar auch dann, wenn die polymerisierbare Flüssigkeit ein Lösungsmittel enthält -, daß die Schicht beim Trocknen und Aushärten allenfalls so schrumpft, daß die von der rauhen Substratoberfläche abgewandte Oberfläche der erzeugten Polymerschicht nur eine unwesentliche Rauhigkeit aufweist. Die Ausgangsmaterialien für die Erzeugung einer geeigneten glättenden Polymerschicht lassen sich aufgrund des Allgemeinwissens über eine große Anzahl von Polymeren mit guten dielektrischen und mechanischen Eigenschaften durch einfache Versuche leicht ermitteln.

[0009] Es ist vorteilhaft, wenn das Substratmaterial halbleitend oder isolierend ist. Günstige isolierende Materialien sind Keramikmaterialien.

[0010] Bevorzugt ist das Polymer in der Polymerschicht ein organisches oder ein anorganisch-organisches Polymer.

[0011] Vorteilhafte organische Polymere sind insbesondere ausgewählt aus der Gruppe Polyimide, Polytetrafluorethylene und Benzocyclobutene. Zu den geeigneten anorganisch-organischen Polymeren gehören insbesondere solche, welche durch einen modifizierten Sol-Gel-Prozess erzeugt worden ist. Von diesen sind Ormocere® besonders vorteilhaft.

[0012] Ein erfindungsgemäßes Substrat aus einem Keramikmaterial, das plattenförmig ausgebildet ist, und bei dem auf beiden großen Oberflächen Metall aufgebracht ist, läßt sich vorteilhafter Weise als Hochfrequenzschaltung verwenden, bei der auch bei Frequenzen > etwa 10 GHz die Verluste sehr gering sind.

[0013] Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Substrats ist es vorteilhaft, wenn eine Monomere oder Oligomere enthaltende polymerisierbare Flüssigkeit aufgebracht wird. Dabei wird die polymersierbare Flüssigkeit bevorzugt durch Tauchen, Sprühen oder Schleudern aufgebracht, wobei das Glätten und/oder Planarisieren der aufgebrachten Flüssigkeitsschicht in vorteilhafter Weise durch thermische Viskositätserniedrigung in der polymerisierbaren Flüssigkeit unterstützt wird.

[0014] Bevorzugt werden die anorganisch-organischen Polymere durch einen modifizierten Sol-Gel-Prozess erzeugt.

[0015] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Substrats und des erfindungsgemäßen Verfahrens zu seiner Herstellung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Die Zeichnung

[0016] Im folgenden wird die Erfindung anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. Es zeigt

[0017] Fig. 1 in schematischer Querschnittsdarstellung einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Substrats, nämlich ein Keramiksubstrat mit geglätteter Oberfläche und einem auf der geglätteten Oberfläche aufgebrachten Metallstreifen.

[0018] Im folgenden wird die Erfindung in erster Linie am Beispiel eines Keramiksubstrats beschrieben, welches durch eine Ormocer®-beschichtung geglättet worden ist. Es sei aber klargestellt, daß zwar das mit Ormocer® geglättete Keramiksubstrat besonders günstige Eigenschaften hat und sich besonders einfach herstellen läßt, und die Erfindung anhand dieses Beispiels sich besonders anschaulich erläutern läßt, daß aber von diesem Beispiel im Rahmen der Ansprüche mannigfaltige Abweichungen möglich sind.

[0019] Die in der Fig. 1 gezeigte, nicht maßstäbliche Darstellung stellt ausschnittsweise eine Anordnung 1 dar, die aus einem plattenförmigen Keramiksubstrat 2 mit einer rauhen oberen Oberfläche 3 und einer auf dieser aufgebrachten Schicht 4 aus einem Ormocer^R (Produkte, welche unter diesem Markennamen von der Frauenhofer-Gesellschaft angeboten werden und welche durch einen modifizierten Sol-Gel-Prozess erzeugt worden sind) mit einer glatten Oberfläche 5. Die Tiefe der Rauigkeit in der Oberfläche 3 kann > etwa 100 µm betragen. In der Oberfläche 5 ist die Tiefe der Rauigkeit maximal mehrere 10 nm (Normalerweise ist auch die untere Oberfläche des Keramiksubstrats rauh. Auch die untere Oberfläche kann in derselben Weise wie die obere geglättet werden). Auf der Oberfläche 5 ist eine metallische Leitung 6 aufgebracht. Gegebenenfalls ist die untere Oberfläche des Keramiksubstrats ganzflächig mit einer nicht gezeigten Metallschicht bedeckt.

[0020] Statt des Ormocers^R kann die Schicht 4 auch aus einem anderen anorganisch-organischen Polymer erzeugt sein, insbesondere solchen, die durch einen modifizierten Sol-Gel-Prozess hergestellt worden sind. Die anorganisch-organischen Polymere sind besonders günstig, weil sie aufgrund ihrer chemischen Verwandtschaft besonders gut, beispielsweise bezüglich der Haftung, zu Keramikmaterial passen. Die Schicht 4 kann aber auch aus einem organischen Polymer, wie einem Polyimid, Polytetrafluorethylen oder einem Benzocyclobuten erzeugt sein, sofern es sich auf dem Keramiksubstrat polymerisieren läßt. Um eine gute Haftung des organichen Polymers auf dem Keramikmaterial sicherzustellen, kann es nötig sein, einen Haftvermittler, wie Hexamethyldisilazan (HMDS), anzuwenden.

[0021] Versuche haben gezeigt, daß bei Verwendung des in der Fig. gezeigten Substrats der Verlust bei tan δ < etwa 2·10^-2 liegt.

[0022] Um die in der Fig. 1 gezeigte Anordnung herzustellen, wird von dem Keramiksubstrat 2 ausgegangen. Auf dessen Oberfläche 3 wird die Ormocer^R-Schicht erzeugt.

[0023] Bei der Herstellung der Ormocere^R durch Sol-Gel-Reaktionen organisch modifizierter Si-Alkoxide (R_xSi(OR)_y) wird in einem ersten Schritt das anorganische Netzwerk aufgebaut:



(Kondensation mit anderen Metalloxiden möglich). In einem zweiten Schritt erfolgt der Aufbau des organischen Netzwerks:

(Vernetzungsreaktion von Si-gebundenen Monomeren, die geschwungene Linie versinnbildlicht das organische Netzwerk; X: Acryl, Vinyl, Epoxy usw.; die Härtung kann thermisch, durch UV/IR-Licht oder redoxinitiiert erfolgen). Die Anteile der Strukturelemente bestimmen die Werkstoffeigenschaften. Die Steuerung der Eigenschaften erfolgt durch die Auswahl der Ausgangsmaterialien, die Reaktionsführung der anorganischen Polykondensationsreaktion, sowie die Kontrolle der Verknüpfungsreaktionen, die zum Aufbau des organischen Netzwerks führen. Einzelheiten stehen in der Veröffentlichung des Frauenhofer Instituts für Silikatforschung "Abteilung ORMOCERe, Gut kombiniert: Hybridpolymere für neue Anwendungen".

[0024] In der Praxis wird auf der Oberfläche 3 durch Sprühen, Tauchen oder Schleudern eine Flüssigkeit eines Ormocers® aufgetragen. Je nach der erforderlichen Dicke der aufzubringenden Schicht wird die Aufbringmethode und/oder die Viskosität der Flüssigkeit festgelegt. Die Schicht muß mindestens so dick sein, daß sie die Oberfläche 3 vollständig bedeckt. Anschließend wird bei moderaten Temperaturen (< etwa 200°C) ausgehärtet. Beim Aushärten schrumpft zwar die Schicht etwas, aber in einer Weise, daß sich nur sehr geringe Unebenheiten auf der Oberfläche 5 bilden.

[0025] Generell, also auch beim Herstellen von organischen Polymeren, wird auf die Keramikoberfläche 3 ein Mono- oder Oligomer aufgebracht, dem gegebenenfalls ein Photoinitiator oder ein thermischer Starter und ein Lösungsmittel beigemischt ist. Dies kann beispielsweise durch ein Schleuder-, ein Tauch- oder ein Sprühverfahren erfolgen. Durch eine thermische Viskositätserniedrigung kann die Glättung noch verbessert werden. Das glättende Material kann dann durch UV/IR-Licht und/oder erhöhte Temperatur gehärtet werden.

[0026] Auf der Struktur mit der geglätteten Oberfläche können Metallagen abgeschieden werden, die je nach Anwendung strukturiert werden. Als Metallagen werden entweder auf die geglättete Oberfläche laminierte Metallfolien oder galvanisch abgeschiedene Metallschichten aufgebracht. Die Strukturierung erfolgt bevorzugt photolithographisch.

[0027] Ein Anwendungsbeispiel einer solchen Struktur ist eine Hochfrequenzschaltung, die auf der Unterseite eines plattenförmigen Keramiksubstrats eine ganzflächige Metallschicht aufweist und auf der geglätteten Oberseite einen Metallstreifen trägt.

[0028] Gekrümmte Oberflächen wie sie beispielsweise am Rand von Halbleiterwafern auftreten, lassen sich - sofern Rauhigkeiten vorhanden sind, gleichzeitig mit dem Glätten der Oberfläche - mit dem erfindungsgemäßen Verfahren planarisieren.

Ansprüche

1. Substrat mit mindestens einem geglätteten Oberflächenbereich dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einem rauhen Oberflächenbereich des Substrats eine Polymerschicht aufgebracht ist, deren vom Substrat abgewandte Oberfläche glatt ist.

2. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Oberflächenbereich planar ist.

3. Substrat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat plattenförmig, die beiden großen Oberflächen zueinander parallel sind, und mindestens eine der großen Oberflächen den genannten mindestens einen Oberflächenbereich bildet.

4. Substrat mit mindestens einem planarisierten und geglätteten Oberflächenbereich dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einen gekrümmten, gegebenenfalls rauhen Oberflächenbereich des Substrats eine Polymerschicht aufgebracht ist, deren vom Substrat abgewandte Oberfläche planar und glatt ist.

5. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmaterial halbleitend oder isolierend ist.

6. Substrat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substratmaterial ein Keramikmaterial ist.

7. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer der Polymerschicht ein organisches Polymer ist.

8. Substrat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe Polyimide, Polytetrafluorethylene und Benzocyclobutene.

9. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer der Polymerschicht ein anorganisch-organisches Polymer ist.

10. Substrat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer durch einen modifizierten Sol-Gel-Prozess erzeugt worden ist.

11. Substrat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer ein Ormocer® ist.

12. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Substratmaterial und Polymer ein Haftvermittler vorhanden ist.

13. Substrat nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Haftvermittler HMDS verwendet ist.

14. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Rauhigkeiten in der Substratoberfläche > etwa 100µm ist.

15. Substrat nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Rauhigkeiten in der vom Substrat abgewandten Oberfläche des Polymers in der Größenordnung von mehreren 10 nm liegt.

16. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Polymerschicht Metallstreifen aufgebracht sind.

17. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß auf der vom Polymer abgewandten Substratoberfläche ganzflächig oder partiell eine Metallschicht aufgebracht ist.

18. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Hochfrequenzschaltung.

19. Verfahren zum Herstellen eines Substrats insbesondere nach einem der Anspruche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einen rauhen und/oder gekrümmten Oberflächenbereich des Substrats eine polymerisierbare Flüssigkeit aufgebracht und polymerisiert wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine Monomere oder Oligomere enthaltende polymerisierbare Flüssigkeit aufgebracht wird.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die polymersierbare Flüssigkeit durch Tauchen, Sprühen oder Schleudern aufgebracht wird.

22. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Glätten und/oder Planarisieren durch thermische Viskositätserniedrigung in der polymerisierbaren Flüssigkeit unterstützt wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß vor der polymerisierbaren Flüssigkeit ein Haftvermittler aufgebracht wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß als Haftvermittler HMDS aufgebracht wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der polymerisierbaren Flüssigkeit ein Photoinitiator oder ein thermischer Starter beigemischt ist.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß anorganisch-organische Polymere durch einen modifizierten Sol-Gel-Prozesses erzeugt werden.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Polymerschicht eine Metallschicht aufgebracht wird.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallfolie auflaminiert wird.

29. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht galvanisch abgeschieden wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht photolithographisch strukturiert wird.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß von einem plattenförmigen Substrat ausgegangen wird, und daß auf der einen großen Oberfläche des Subsrats die Polymerschicht und gegebenenfalls die Metallschicht und auf der anderen großen Oberfäche ganzflächig eine Metallschicht aufgebracht wird.

Zeichnung