DE10214973C1 - Kontaktschichtsystem und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Kontaktschichtsystem und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Kontaktschichtsystem aus drei Einzelschichten auf einem Substrat sowie zwei Verfahren zur Herstellung des Kontaktschichtsystems. Die Übergangsbereiche zwischen den Einzelschichten weisen einen kontinuierlichen oder stufenweisen Übergang von dem Metall oder der Metall-Legierung einer Einzelschicht zum unterschiedlichen Metall oder der Metall-Legierung einer angrenzenden Einzelschicht auf. Mit dem erfindungsgemäßen Kontaktschichtsystem können hohe Schaltlasten realisiert werden, ohne dass eine Rissbildung auftritt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Kontaktschichtsystem aus mindestens drei Einzelschichten auf einem
Substrat, wobei eine erste Einzelschicht auf dem Substrat angeordnet ist, eine zweite Einzel
schicht auf der ersten Einzelschicht und eine dritte Einzelschicht auf der zweiten Einzelschicht
angeordnet ist, und wobei die erste Einzelschicht aus einem ersten Metall oder einer ersten
Metall-Legierung gebildet ist, die zweite Einzelschicht aus einem zweiten Metall oder einer
zweiten Metall-Legierung gebildet ist und die dritte Einzelschicht aus einem dritten Metall oder
einer dritten Metall-Legierung gebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin zwei Verfahren zur
Herstellung eines solchen Kontaktschichtsystems, wobei die drei Einzelschichten entweder
durch Magnetronsputtern und/oder Aufdampfen oder durch CVD (chemische Damfpphasenab
scheidung) auf dem Substrat gebildet werden, wobei zur Bildung der drei Einzelschichten min
destens zwei unterschiedliche Materialquellen vorgesehen sind, wobei eine erste Materialquelle
das erste Metall oder die erste Metall-Legierung aufweist und zur Bildung der ersten Einzel
schicht eingesetzt wird und eine zweite Materialquelle das zweite Metall oder die zweite Metall-
Legierung aufweist und zur Bildung der zweiten Einzelschicht eingesetzt wird.
Derartige Kontaktschichtsysteme sind für Niedrigstrom-Schaltkontakte aus der US 4,105,828
bekannt. Dabei wird ein Substrat, das vorzugsweise aus einer Nickel-Eisen-Legierung gebildet
ist, mit einer feuerfesten, metallischen Schicht versehen. Als feuerfeste Materialien sind bei
spielsweise Rhenium, Wolfram, Molybdän oder deren Legierungen genannt. Die feuerfeste
Schicht wird entweder mit einer Schicht aus Platin oder Palladium beschichtet, welche ihrerseits
mit einer weiteren Schicht aus Gold oder Silber beschichtet wird.
Oder aber die feuerfeste Schicht wird mit einer einzelnen Schicht aus einer Metall-Legierung
beschichtet, wobei als bevorzugte Metall-Legierungen Silber-Palladium oder Silber-Palladium-
Kupfer genannt sind. Bei beiden Varianten wird das Schichtsystem diffusionsgeglüht, um die
Haftung der Schichten aneinander zu verbessern. Dabei wirkt vor allem Palladium als Haftver
mittler.
Die US 4,088,803 beschreibt einen elektrischen Schaltkontakt für beispielsweise ein Relais.
Dabei wird auf ein metallisches Substrat eine erste Metallschicht aus einem niedrigschmelzen
den Metall mit einem Schmelzpunkt kleiner 500°C aufgebracht und diese anschließend mit ei
ner zweiten Metallschicht aus einem hochschmelzenden Metall mit einem Schmelzpunkt größer
1500°C überzogen. Als niedrigschmelzende Metalle sind dabei Zinn, Blei, Indium, Kadmium
oder Zink genannt. Als hochschmelzende Metalle sind Rhodium, Rhenium, Ruthenium, Iridium,
Wolfram oder Molybdän aufgeführt. Die Herstellung eines solchen Kontaktes erfolgt vorzugs
weise auf zwei unterschiedliche Arten. So wird in einem ersten Verfahren die erste Metall
schicht galvanisch abgeschieden und die zweite Metallschicht bei erhöhter Temperatur aufge
dampft oder aufgesputtert, so dass sich zum Zwecke der Haftverbesserung zwischen der ersten
und der zweiten Metallschicht eine Legierung oder intermetallische Phase ausbildet. In einem
zweiten Verfahren werden sowohl die erste als auch die zweite Metallschicht galvanisch abge
schieden und anschließend zum Zwecke der Haftverbesserung auf eine Temperatur erhitzt, die
oberhalb der Schmelztemperatur des niedrigschmelzenden Metalls, aber unterhalb dessen Sie
depunkt liegt. Zwischen dem Substrat und der ersten Metallschicht sowie zwischen der ersten
und der zweiten Metallschicht kann dabei eine Goldschicht vorgesehen sein, um die Haftung
zusätzlich zu verbessern.
Die US 4,128,823 offenbart einen Schalter mit einer beweglichen Elektrode aus einem Dauer
magneten. Der Dauermagnet ist dabei auf seiner Oberfläche mit einer Haftschicht aus Silber,
Nickel, Kupfer oder Legierungen aus diesen Metallen beschichtet, die ihrerseits mit einer Kon
taktschicht aus Rhodium, Wolfram, Rhenium, Ruthenium oder Legierungen aus diesem Metal
len oder mit einer Silber-Wolfram-Legierung oder einer Gold-Chrom-Legierung beschichtet ist.
Zumindest der Dauermagnet und die Haftschicht sind diffusionsgeglüht, um die Haftung zwi
schen diesen zu verbessern.
Die US 4,307,360 beschreibt ein elektrisches Kontaktschichtsystem für gekapselte Kontakte wie
beispielsweise ein Reed Relais. Dabei ist auf einem Substrat eine erste Schicht aus im wesent
lichen Kupfer und darüber eine zweite Schicht aus im wesentlichen Ruthenium vorgesehen. Als
bevorzugtes Herstellungsverfahren für das Schichtsystem ist das Sputtern genannt.
Die deutsche Auslegeschrift 1764233 beschreibt einen elektrischen Schwachstromkontakt für
einen Betrieb unter Vakuum oder Schutzgas mit einem weichmagnetischen Träger, wie bei
beispielsweise einer Fe-Ni-Legierung. Auf dem Träger befindet sich eine Zwischenschicht aus ei
nem schwerschmelzbaren Material der Gruppe Mo, W, Re, einem Karbid oder Borid dieser Metal
le, Ta-Karbid oder Ta-Borid. Die Zwischenschicht ist ihrerseits mit einem Überzug aus einer bis zu
0,02 mm dicken Au-Pd-Legierung, die 5 bis 35 Gew.-% Pd und Rest Au enthält, versehen.
Die US 6,133,537 offenbart eine Struktur für einen elektrischen Kontakt mit einer ersten und einer
zweiten Kontaktoberfläche. Mindestens eine der Kontaktoberflächen enthält dabei eine Au-Ag-Pd-
Legierung mit 7-16 Gew.-% Ag und 1-10 Gew.-% Pd.
Die DE 44 14 729 A1 beschreibt einen Werkstoff für einen Leiterrahmen, der einen Basisstreifen
aus Cu oder einer Cu-Legierung mit einer Schutzschicht aus mindestens einem Metall der Gruppe
Au, Hartgold, Ag, Ag-Legierung, Pd und Pd-Legierung aufweist. Zwischen dem Basisstreifen und
der Schutzschicht kann eine Zwischenschicht aus Ni oder einer Ni-Legierung angeordnet sein.
Die deutsche Auslegeschrift 24 19 102 offenbart eine Schaltvorrichtung mit bewegbaren Kontak
ten, die einen aus mindestens zwei Schichten zusammengesetzten Kontaktüberzug aufweisen.
Dabei besteht die erste Schicht aus einem Metall beziehungsweise Metallen mit einem Schmelz
punkt oberhalb 1800°C und die zweite Schicht aus einem Metall oder einer Metall-Legierung mit
einem Schmelzpunkt unterhalb 500°C. Die zweite Schicht kann weiterhin mit einer dritten Schicht
aus Edelmetall mit einem Schmelzpunkt oberhalb 1800°C beschichtet sein.
Die JP 04-0349314 offenbart einen Reed Schalter mit einem magnetischen Substrat, welches mit
einer Schicht, gebildet aus diffusionsgeglühten Nickel- und Kupfer-Einzelschichten, bedeckt ist.
Diese ist widerum mit einer Schicht aus Ruthenium belegt.
Die deutsche Offenlegungsschrift 19 23 010 beschreibt einen Schwachstromkontakt mit einem
Träger aus magnetischem Werkstoff, der eine 1 bis 30 µm dicke, homogene Kontaktschicht aus
Ruthenium, welches aus der Gasphase kondensiert ist, aufweist.
Inbesondere die oben genannten Kontaktschichtsysteme, bei denen die oberste Schicht aus Rhe
nium oder Ruthenium gebildet ist, sind nur unter Schutzgas einsetzbar.
Es ergibt sich das Problem, ein Kontaktschichtsystem zu Verfügung zu stellen, das auch bei hohen
Schaltlasten keine Rissbildung aufweist und geeignete Verfahren zu dessen Herstellung an
zugeben.
Das Problem wird für das Kontaktschichtsystem dadurch gelöst, dass das erste Metall Gold oder
Silber ist und dass die erste Metall-Legierung eine Gold-Legierung oder eine Silber-Legierung ist,
dass das zweite Metall Molybdän oder Wolfram oder Tantal oder Ruthenium oder
Rhodium oder Rhenium oder Iridium oder Platin oder Palladium ist und dass die zweite Metall-
Legierung eine Wolfram-Ruthenium- oder eine Tantal-Molybdän- oder eine Palladium-
Ruthenium- oder eine Molybdän-Ruthenium-Legierung ist, dass das dritte Metall Gold oder Sil
ber ist und dass die dritte Metall-Legierung eine Gold-Legierung oder eine Silber-Legierung ist,
wobei ein erster Übergangsbereich zwischen der ersten Einzelschicht und der zweiten Einzel
schicht und ein zweiter Übergangsbereich zwischen der zweiten Einzelschicht und der dritten
Einzelschicht vorhanden ist, und wobei im ersten Übergangsbereich die Konzentration an ers
tem Metall oder erster Metall-Legierung in Richtung der zweiten Einzelschicht kontinuierlich
oder stufenweise abnimmt während die Konzentration an zweitem Metall oder zweiter Metall-
Legierung gegenläufig zunimmt, und wobei im zweiten Übergangsbereich die Konzentration an
zweitem Metall oder zweiter Metall-Legierung in Richtung der dritten Einzelschicht kontinuierlich
oder stufenweise abnimmt während die Konzentration an drittem Metall oder dritter Metall-
Legierung gegenläufig zunimmt.
Ein solches Kontaktschichtsystem ist sowohl für Niedrigstrom-Kontakte als auch für Kontakte
mit Schaltlasten von bis zu 30 W ohne Kapselung einsetzbar. Hier ersetzt es wesentlich dickere,
walzplattierte Schichten im Bereich von ca. 50 µm. Das Kontaktschichtsystem weist auch bei
hohen Schaltlasten keine Rissbildung (Alterung) auf.
Vorzugsweise ist die erste Metall-Legierung aus Gold und Nickel oder aus Gold und Silber oder
aus Gold und Palladium oder aus Gold und Kobalt gebildet.
Vorzugsweise ist auch die dritte Metall-Legierung aus Gold und Nickel oder aus Gold und Silber
oder aus Gold und Palladium oder aus Gold und Kobalt gebildet.
Das Substrat kann dabei aus Kupfer oder Kupfer-Legierungen oder Palladium oder Palladium-
Legierungen oder Silber oder Silber-Legierungen gebildet sein.
Besonders bewährt haben sich hier die Kupfer-Legierung CuNi30Fe, die Palladium-Legierung
PdAg40 und die Silber-Legierung AgNi20.
Es hat sich bewährt, dass das Kontaktschichtsystem eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 10 µm,
insbesondere im Bereich von 6 bis 8 µm, aufweist.
Die drei Einzelschichten weisen dabei bevorzugt eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 9,9 µm
auf. Die erste Einzelschicht weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 1 µm auf, die
zweite Einzelschicht weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 2 bis 7,4 µm auf und die
dritte Einzelschicht weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 3 µm auf.
Generell erfolgt ein Übergang von einer Einzelschicht zu einer angrenzenden Einzelschicht
dann, wenn im Übergangsbereich die Konzentration an Metall oder Metall-Legierung der einen
Einzelschicht unter 50% gegenüber der Konzentration an Metall oder Metall-Legierung der an
grenzenden Einzelschicht sinkt.
So ist beispielsweise bei der Dickenmessung einer Einzelschicht der beziehungsweise die an
die Einzelschicht angrenzende(n) Übergangsbereich(e) mit 50% seiner/ihrer Dicke zu berück
sichtigen, sofern das Kontaktschichtsystem Übergangsbereiche mit einer kontinuierlichen Kon
zentrationsabnahme bzw. -zunahme aufweist. So erstreckt sich beispielsweise die Dicke der
ersten Einzelschicht von der Substratoberfläche bis zur Hälfte des ersten Übergangsbereichs,
während sich die Dicke der zweiten Einzelschicht ab der Hälfte des ersten Übergangsbereiches
bis zur Hälfte des zweiten Übergangsbereiches erstreckt.
Das Problem wird für ein erstes Verfahren dadurch gelöst, dass die drei Einzelschichten durch
Magnetronsputtern und/oder Aufdampfen auf dem Substrat gebildet werden, wobei der erste
Übergangsbereich gebildet wird, indem in einem ersten Zeitraum die erste Materialquelle das
erste Metall oder die erste Metall-Legierung abgibt, während die zweite Materialquelle gleich
zeitig das zweite Metall oder die zweite Metall-Legierung abgibt, wobei eine Abgabemenge der
ersten Materialquelle über den ersten Zeitraum abnimmt und eine Abgabemenge der zweiten
Materialquelle über den ersten Zeitraum zunimmt.
Das Problem wird weiterhin gelöst durch ein zweites Verfahren, bei dem die drei Einzelschich
ten durch CVD auf dem Substrat gebildet werden, wobei zur Bildung der drei Einzelschichten
mindestens zwei unterschiedliche Materialquellen vorgesehen sind, wobei eine erste Material
quelle das erste Metall oder die erste Metall-Legierung aufweist und eine zweite Materialquelle
das zweite Metall oder die zweite Metall-Legierung aufweist, und wobei der erste Übergangsbe
reich gebildet wird, indem in einem ersten Zeitraum die erste Materialquelle das erste Metall
oder die erste Metall-Legierung abgibt, während die zweite Materialquelle gleichzeitig das
zweite Metall oder die zweite Metall-Legierung abgibt, wobei eine Abgabemenge der ersten
Materialquelle über den ersten Zeitraum abnimmt und eine Abgabemenge der zweiten Materi
alquelle über den ersten Zeitraum zunimmt.
Damit wird eine innige Verbindung der ersten mit der zweiten Einzelschicht erreicht und ein
Ablösen der zweiten Einzelschicht von der ersten Einzelschicht aufgrund unzureichender Haf
tung wirkungsvoll vermieden. Ein Diffusionsglühen, wie häufig im Stand der Technik beschrie
ben, kann unterbleiben. Dies wirkt sich positiv auf die Herstellungskosten und die Eigenschaften
der unbeschichteten Substratoberflächen aus, die bei Glühvorgängen oxidieren können.
Besonders kostengünstig können die Verfahren durchgeführt werden, wenn die erste Einzel
schicht aus dem gleichen Material gebildet wird, wie die dritte Einzelschicht. Der zweite Über
gangsbereich wird dann gebildet, indem in einem zweiten Zeitraum die zweite Materialquelle
das zweite Metall oder die zweite Metall-Legierung abgibt, während die erste Materialquelle
gleichzeitig das dritte Metall oder die dritte Metall-Legierung abgibt, wobei eine Abgabemenge
der zweiten Materialquelle über den zweiten Zeitraum abnimmt und eine Abgabemenge der
ersten Materialquelle über den zweiten Zeitraum zunimmt. Es sind demnach nur zwei unter
schiedliche Materialquellen notwendig, wodurch der apparative Aufwand bei der Herstellung
des Kontaktschichtsystems gering bleibt.
Die erste Einzelschicht und die dritte Einzelschicht können aber auch aus unterschiedlichem
Material gebildet werden, wobei eine dritte Materialquelle vorzusehen ist, die das dritte Metall
oder die dritte Metall-Legierung aufweist und zur Bildung der dritten Einzelschicht eingesetzt
wird. Der zweite Übergangsbereich wird dann gebildet, indem in einem zweiten Zeitraum die
zweite Materialquelle das zweite Metall oder die zweite Metall-Legierung abgibt, während die
dritte Materialquelle gleichzeitig das dritte Metall oder die dritte Metall-Legierung abgibt, wobei
eine Abgabemenge der zweiten Materialquelle über den zweiten Zeitraum abnimmt und eine
Abgabemenge der dritten Materialquelle über den zweiten Zeitraum zunimmt.
Dabei kann im ersten Zeitraum die Abgabemenge der ersten Materialquelle stufenlos erniedrigt
und die Abgabemenge der zweiten Materialquelle stufenlos erhöht werden oder aber im ersten
Zeitraum die Abgabemenge der ersten Materialquelle in Stufen erniedrigt und die Abgabemen
ge der zweiten Materialquelle in Stufen erhöht werden.
Ist die erste Einzelschicht aus dem gleichen Material wie die dritte Einzelschicht, so kann im
zweiten Zeitraum die Abgabemenge der zweiten Materialquelle stufenlos erniedrigt und die Ab
gabemenge der ersten Materialquelle stufenlos erhöht werden oder im zweiten Zeitraum die
Abgabemenge der zweiten Materialquelle in Stufen erniedrigt und die Abgabemenge der ersten
Materialquelle in Stufen erhöht werden.
Ist die erste Einzelschicht nicht aus dem gleichen Material wie die dritte Einzelschicht, so kann
im zweiten Zeitraum die Abgabemenge der zweiten Materialquelle stufenlos erniedrigt und die
Abgabemenge der dritten Materialquelle stufenlos erhöht werden oder im zweiten Zeitraum die
Abgabemenge der zweiten Materialquelle in Stufen erniedrigt und die Abgabemenge der dritten
Materialquelle in Stufen erhöht werden.
Nachfolgende Beispiele 1 bis 3 sollen das erfindungsgemäße Kontaktschichtsystem und die
geeigneten Herstellungsverfahren beispielhaft erläutern.
Es wird ein Kontaktschichtsystem mit einer ersten und einer dritten Einzelschicht aus der Gold-
Legierung AuNi2 und einer zweiten Einzelschicht aus Ruthenium auf einem Substrat aus Kupfer
oder Kupfer-Legierung CuNi30Fe durch Magnetronsputtern hergestellt.
Dazu wird die erste Einzelschicht mit Hilfe einer ersten Materialquelle aus AuNi2 auf dem Sub
strat abgeschieden und der erste Übergangsbereich erzeugt, indem die Abscheiderate des
AuNi2 kontinuierlich vermindert wird, während die Abscheiderate von Ruthenium aus einer
zweiten Materialquelle kontinuierlich erhöht wird, bis nur noch Ruthenium abgeschieden wird.
Dabei wird eine erste Einzelschicht in einer Dicke von 0,3 µm erzeugt. Zum Erreichen einer
Schichtdicke der zweiten Einzelschicht von 2,5 µm wird die Abscheiderate des Rutheniums
kontinuierlich vermindert wird, während die Abscheiderate von AuNi2 aus der ersten Material
quelle kontinuierlich erhöht wird, bis nur noch AuNi2 abgeschieden wird. Nach Erreichen einer
Schichtdicke der dritten Einzelschicht von 0,7 µm ist das Kontaktschichtsystem fertiggestellt.
Es wird ein Kontaktschichtsystem mit einer ersten Einzelschicht aus Gold, einer zweiten Einzel
schicht aus Ruthenium und einer dritten Einzelschicht aus der Gold-Legierung AuNi2 auf einem
Substrat aus Kupfer hergestellt. Dabei werden die erste und die dritte Einzelschicht durch
Magnetronsputtern hergestellt, während die zweite Einzelschicht durch Verdampfen des Ruthe
niums aus einem Tiegel hergestellt wird.
Dazu wird die erste Einzelschicht mit Hilfe einer ersten Materialquelle aus Gold auf dem Sub
strat abgeschieden und der erste Übergangsbereich erzeugt, indem die Abscheiderate des
Goldes kontinuierlich vermindert wird, während die Aufdampfrate von Ruthenium aus einer
zweiten Materialquelle durch Erhöhung der Heizleistung am Tiegel kontinuierlich erhöht wird,
bis nur noch Ruthenium aufgedampft wird. Dabei wird eine erste Einzelschicht in einer Dicke
von 0,3 µm erzeugt. Zum Erreichen einer Schichtdicke der zweiten Einzelschicht von 2,5 µm
wird die Abscheiderate des Rutheniums kontinuierlich vermindert, während die Abscheiderate
von AuNi2 aus einer dritten Materialquelle kontinuierlich erhöht wird, bis nur noch AuNi2 abge
schieden wird. Nach Erreichen einer Schichtdicke der dritten Einzelschicht von 0,7 µm ist das
Kontaktschichtsystem fertiggestellt
Es wird ein Kontaktschichtsystem mit einer ersten und einer dritten Einzelschicht aus Gold und
einer zweiten Einzelschicht aus Molybdän auf einem Substrat aus der Kupfer-Legierung
CuNi30Fe durch CVD hergestellt.
Dazu wird die erste Einzelschicht mit Hilfe einer ersten Materialquelle aus dem chemischer
Alkyl-Gold-Komplex CF3-Au-C∼N-CH auf dem Substrat abgeschieden und der erste Über
gangsbereich erzeugt, indem die Abscheiderate des Au kontinuierlich vermindert wird, während
die Abscheiderate von Molybdän aus einer zweiten Materialquelle aus Molybdän-Hexa-Fluorid
MoF6 kontinuierlich erhöht wird, bis nur noch Molybdän abgeschieden wird. Dabei wird eine
erste Einzelschicht in einer Dicke von 0,2 µm erzeugt. Zum Erreichen einer Schichtdicke der
zweiten Einzelschicht von 3 µm wird die Abscheiderate des Molybdäns kontinuierlich vermin
dert, während die Abscheiderate von Gold aus der ersten Materialquelle kontinuierlich erhöht
wird, bis nur noch Gold abgeschieden wird. Nach Erreichen einer Schichtdicke der dritten Ein
zelschicht von 0,5 µm ist das Kontaktschichtsystem fertiggestellt.
Die Fig. 1 bis 3 sollen die Erfindung weiterhin beispielhaft verdeutlichen. So zeigt
Fig. 1 eine Elementverteilung im Kontaktschichtsystem nach Beispiel 1 mit einem Substrat
aus CuNi30Fe
Fig. 2 einen Langzeitschaltversuch an einem Kontaktschichtsystem gemäß Beispiel 1 mit
einem Substrat aus Kupfer
Fig. 3 einen Vergleichsversuch zu Fig. 2 mit einem bekannten, walzplattierten Kontakt
schichtsystem auf einem Substrat aus CuNi30Fe
Fig. 1 zeigt ein Diagramm zu einer Analyse der Elementverteilung in einem Kontaktschichtsys
tem gemäß Beispiel 1 mit einer ersten Einzelschicht aus AuNi2, einer zweiten Einzelschicht aus
Ruthenium und einer dritten Einzelschicht aus AuNi2 auf einem Substrat aus CuNi30Fe. Dabei
ist die Konzentration der Elemente auf der Achse A2 über der Dicke D des Kontaktschichtsys
tems aufgetragen. Die Analyse wurde an einem Anschliff des Kontaktschichtsystems durchge
führt, wobei dessen Oberfläche aus Präparationsgründen mit einer zusätzlichen Schicht aus
Nickel beschichtet wurde. Bei einer Dicke D von 0 µm (entspricht der Substratoberfläche) zei
gen sich die Elemente Nickel (Kurve D) und Kupfer (Kurve A), die im Substrat vorkommen.
Mit zunehmendem Abstand von der Substratoberfläche sinkt die Nickel- und Kupferkonzentrati
on und geht bei ca. 1 µm gegen Null, während die Konzentration von Gold (Kurve B) ansteigt.
Bei ca. 1 µm erreicht die Goldkonzentration ein lokales Maximum (erste Einzelschicht), um bis
zu einer Dicke von 2 µm wieder gegen Null abzusinken. Die Konzentration an Ruthenium (Kur
ve C) steigt ab einer Dicke von ca. 1 µm an und erreicht bei einer Dicke von ca. 2,5 µm ein lo
kales Maximum (zweite Einzelschicht). Der erste Übergangsbereich zwischen erster und
zweiter Einzelschicht ist dabei relativ kurz. Während die Konzentation an Gold ab einer Dicke
von ca. 3 µm wieder ansteigt, sinkt die Rutheniumkonzentration ab, wobei ein langer zweiter
Übergangsbereich ausgebildet ist. Bei einer Dicke von 10 µm geht die Rutheniumkonzentration
gegen Null, während die Goldkonzentration ein lokales Maximum (dritte Einzelschicht) erreicht
und bei einer Dicke von ca. 11 µm ebenfalls gegen Null geht. Der Anstieg der Nickelkonzentrati
on in diesem Bereich ist auf die oben erwähnte zusätzliche Schicht zurückzuführen, die hier nur
zur Verbesserung der Anschliffqualität auf das Kontaktschichtsystem aufgebracht wurde.
Fig. 2 zeigt einen Schaltversuch an einem Kontaktschichtsystem gemäß Beispiel 1 mit einem
Substrat aus Kupfer.
Fig. 3 zeigt im Vergleich zu Fig. 2 ein bekanntes, walzplattiertes Kontaktschichtsystem auf
einem Substrat aus CuNi30Fe. Auf das Substrat ist hier eine 70 µm dicke Schicht aus AgPd60
walzplattiert, auf welche wiederum eine 5 µm dicke Schicht aus AuAg8 walzplattiert ist.
Bei den Fig. 2 und 3 ist der Kontaktwiderstand R in mΩ über der Anzahl an Schaltzyklen S
aufgetragen. Die elektrische Schaltlast an den Kontaktschichtsystemen betrug für Fig. 2 und
3 jeweils 30 Volt/1 Ampere, ohmsch. Im Vergleich zeigt sich, dass das erfindungsgemäße
Kontaktschichtsystem aus Fig. 2 eine zu dem bekannten Kontaktschichtsystem aus Fig. 3
vergleichbare Lebensdauer aufweist. Allerdings ist das erfindungsgemäße Kontaktschichtsys
tem aufgrund des geringeren Edelmetallbedarfs weitaus kostengünstiger.
Claims (23)
1. Kontaktschichtsystem aus mindestens drei Einzelschichten auf einem Substrat, wobei eine
erste Einzelschicht auf dem Substrat angeordnet ist, eine zweite Einzelschicht auf der ers
ten Einzelschicht und eine dritte Einzelschicht auf der zweiten Einzelschicht angeordnet ist,
wobei die erste Einzelschicht aus einem ersten Metall oder einer ersten Metall-Legierung
gebildet ist, die zweite Einzelschicht aus einem zweiten Metall oder einer zweiten Metall-
Legierung gebildet ist und die dritte Einzelschicht aus einem dritten Metall oder einer dritten
Metall-Legierung gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metall Gold oder Sil
ber ist und dass die erste Metall-Legierung eine Gold-Legierung oder eine Silber-Legierung
ist, dass das zweite Metall Molybdän oder Wolfram oder Tantal oder Ruthenium oder Rho
dium oder Renium oder Iridium oder Platin oder Palladium ist und dass die zweite Metall-
Legierung eine Wolfram-Ruthenium- oder eine Tantal-Molybdän- oder eine Palladium-
Ruthenium- oder eine Molybdän-Ruthenium-Legierung ist,
dass das dritte Metall Gold oder Silber ist und dass die dritte Metall-Legierung eine Gold-
Legierung oder eine Silber-Legierung ist, wobei ein erster Übergangsbereich zwischen der
ersten Einzelschicht und der zweiten Einzelschicht und ein zweiter Übergangsbereich zwi
schen der zweiten Einzelschicht und der dritten Einzelschicht vorhanden ist, und wobei im
ersten Übergangsbereich die Konzentration an erstem Metall oder erster Metall-Legierung in
Richtung der zweiten Einzelschicht kontinuierlich oder stufenweise abnimmt während die
Konzentration an zweitem Metall oder zweiter Metall-Legierung gegenläufig zunimmt, und
wobei im zweiten Übergangsbereich die Konzentration an zweitem Metall oder zweiter Me
tall-Legierung in Richtung der dritten Einzelschicht kontinuierlich oder stufenweise abnimmt
während die Konzentration an drittem Metall oder dritter Metall-Legierung gegenläufig zu
nimmt.
2. Kontaktschichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metall-
Legierung aus Gold und Nickel oder aus Gold und Silber oder aus Gold und Palladium oder
aus Gold und Kobalt gebildet ist.
3. Kontaktschichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
dritte Metall-Legierung aus Gold und Nickel oder aus Gold und Silber oder aus Gold und
Palladium oder aus Gold und Kobalt gebildet ist.
4. Kontaktschichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
das Substrat aus Kupfer oder Kupfer-Legierungen oder Palladium oder Palladium-
Legierungen oder Silber oder Silber-Legierungen gebildet ist.
5. Kontaktschichtsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus
der Kupfer-Legierung CuNi30Fe gebildet ist.
6. Kontaktschichtsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus
der Palladium-Legierung PdAg40 gebildet ist.
7. Kontaktschichtsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus
der Silber-Legierung AgNi20 gebildet ist.
8. Kontaktschichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
das Kontaktschichtsystem eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 10 µm aufweist.
9. Kontaktschichtsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktschicht
system eine Dicke im Bereich von 6 bis 8 µm aufweist.
10. Kontaktschichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
drei Einzelschichten jeweils eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 9,98 µm aufweisen.
11. Kontaktschichtsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einzel
schicht eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 1 µm aufweist.
12. Kontaktschichtsystem nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Einzelschicht eine Dicke im Bereich von 2 bis 7,4 µm aufweist.
13. Kontaktschichtsystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die dritte Einzelschicht eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 3 µm aufweist.
14. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktschichtsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
wobei die drei Einzelschichten durch Magnetronsputtern und/oder Aufdampfen auf dem
Substrat gebildet werden, wobei zur Bildung der drei Einzelschichten mindestens zwei un
terschiedliche Materialquellen vorgesehen sind, wobei eine erste Materialquelle das erste
Metall oder die erste Metall-Legierung aufweist und zur Bildung der ersten Einzelschicht
eingesetzt wird und eine zweite Materialquelle das zweite Metall oder die zweite Metall-
Legierung aufweist und zur Bildung der zweiten Einzelschicht eingesetzt wird, dadurch ge
kennzeichnet, dass der erste Übergangsbereich gebildet wird, indem in einem ersten Zeit
raum die erste Materialquelle das erste Metall oder die erste Metall-Legierung abgibt, wäh
rend die zweite Materialquelle gleichzeitig das zweite Metall oder die zweite Metall-
Legierung abgibt, wobei eine Abgabemenge der ersten Materialquelle über den ersten Zeit
raum abnimmt und eine Abgabemenge der zweiten Materialquelle über den ersten Zeitraum
zunimmt.
15. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktschichtsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, wobei die drei Einzelschichten durch CVD auf dem Substrat gebil
det werden, wobei zur Bildung der drei Einzelschichten mindestens zwei unterschiedliche
Materialquellen vorgesehen sind, wobei eine erste Materialquelle das erste Metall oder die
erste Metall-Legierung aufweist aufweist und zur Bildung der ersten Einzelschicht eingesetzt
wird und eine zweite Materialquelle das zweite Metall oder die zweite Metall-Legierung auf
weist und zur Bildung der zweiten Einzelschicht eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Übergangsbereich gebildet wird, indem in einem ersten Zeitraum die erste
Materialquelle das erste Metall oder die erste Metall-Legierung abgibt, während die zweite
Materialquelle gleichzeitig das zweite Metall oder die zweite Metall-Legierung abgibt, wobei
eine Abgabemenge der ersten Materialquelle über den ersten Zeitraum abnimmt und eine
Abgabemenge der zweiten Materialquelle über den ersten Zeitraum zunimmt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste
Einzelschicht aus dem gleichen Material gebildet wird, wie die dritte Einzelschicht und dass
der zweite Übergangsbereich gebildet wird, indem in einem zweiten Zeitraum die zweite
Materialquelle das zweite Metall oder die zweite Metall-Legierung abgibt, während die erste
Materialquelle gleichzeitig das dritte Metall oder die dritte Metall-Legierung abgibt, wobei ei
ne Abgabemenge der zweiten Materialquelle über den zweiten Zeitraum abnimmt und eine
Abgabemenge der ersten Materialquelle über den zweiten Zeitraum zunimmt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste
Einzelschicht und die dritte Einzelschicht aus unterschiedlichem Material gebildet werden
und dass eine dritte Materialquelle vorgesehen ist, wobei die dritte Materialquelle das dritte
Metall oder die dritte Metall-Legierung aufweist und zur Bildung der dritten Einzelschicht
eingesetzt wird, und dass der zweite Übergangsbereich gebildet wird, indem in einem
zweiten Zeitraum die zweite Materialquelle das zweite Metall oder die zweite Metall-
Legierung abgibt, während die dritte Materialquelle gleichzeitig das dritte Metall oder die
dritte Metall-Legierung abgibt, wobei eine Abgabemenge der zweiten Materialquelle über
den zweiten Zeitraum abnimmt und eine Abgabemenge der dritten Materialquelle über den
zweiten Zeitraum zunimmt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten
Zeitraum die Abgabemenge der ersten Materialquelle stufenlos erniedrigt und die Abgabe
menge der zweiten Materialquelle stufenlos erhöht wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten
Zeitraum die Abgabemenge der ersten Materialquelle in Stufen erniedrigt und die Abgabe
menge der zweiten Materialquelle in Stufen erhöht wird.
20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Zeitraum die Abga
bemenge der zweiten Materialquelle stufenlos erniedrigt und die Abgabemenge der ersten
Materialquelle stufenlos erhöht wird.
21. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Zeitraum die Abga
bemenge der zweiten Materialquelle in Stufen erniedrigt und die Abgabemenge der ersten
Materialquelle in Stufen erhöht wird.
22. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Zeitraum die Abga
bemenge der zweiten Materialquelle stufenlos erniedrigt und die Abgabemenge der dritten
Materialquelle stufenlos erhöht wird.
23. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Zeitraum die Abga
bemenge der zweiten Materialquelle in Stufen erniedrigt und die Abgabemenge der dritten
Materialquelle in Stufen erhöht wird.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2002114973 DE10214973C1 (de) | 2002-04-04 | 2002-04-04 | Kontaktschichtsystem und Verfahren zu dessen Herstellung |
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