DE3139168A1 - "strukturierte chemisch-reduktive metallabscheidung" - Google Patents
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Description
- Beschreibung der Erfindung
- Titel der Erfindung Strukturierte chemisch-reduktive Metallabscheidung Anwendungsgebiete der Erfindung Das Verfahren bezieht sich auf ein chemisch-reduktives Abscheiden additiv strukturierter Metallschichten auf elektrisch nichtleitenden oder halbleitenden Oberflächen.
- Je nach Art des Metalls oder der Legierung können diese Strukturen als Leiterzüge oder Widerstände in der Elektronik benutzt werden, z.B. für Hybrid-Schaltungen, interdigitale Wandlerstrukturen, Leiterbahnen und Kontaktschichten auf Keramik u.a..
- Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Die Metallisierung von Oberflächen ist ein häufig verwendeter Verfahrensschritt bei der Herstellung unterschiedlicher Produktee In vielen Fällen ist es wichtig, eine Oberfläche, zum Beispiel von einem Isolationsmaterial, nicht durchgehend zu metallisieren9 sondern die Metallschicht in einer bestimmten Struktur auf zubrin gen. Die Anforderungen für solche Strukturierungen hinsichtlich ihrer Geometrie können recht unterschiedlich sein.
- In vielen Fällen sind recht grobe Strukturierungen im mm-Bereich ausreichend; in besonderen Fällen (ìXikroolektronik9 Mikroakustik u.a.) werden Strukturierungen im pm-Bereich mit exakter Ein haltung der Geometrie erforderlich.
- Zum Aufbringen der Zetallschicht selbst werden häufig die folgenden Verfahren verwendet: - Bedampfung - Sputtering - Stromloses (chemisch-reduktives) Abscheiden aus Bädern (eventuell mit galvanischer Verstärkung) - Beschichten mit Suspensionen, Pasten und ähnlichem und anschließendem Einbrennen der Schicht Für die Strukturierung der Metallschichten sind Verfahren bekannt geworden, die sich in folgende Varianten grob einteilen lassen: - Direkte Strukturierung der Metallachicht durch geeignete Metallmasken oder Siebschablonen, die die Struktur bereits als nDurchbruch" enthalten.
- Es ist leicht einzusehen, daß damit nur relativ einfache Strukturen aufgebracht und keine erhöhten Anforderungen an die Geometrie der Struktur gestellt werden können.
- Weiterhin ist für dieses Verfahren die stromlose Abscheidung aus Metallsalzbädern nicht anwendbar, da Masken und Schablonen unterwandert werden.
- - Strukturierung einer geschlossenen Metallschicht mittels Fotolack. Durch eine Belichtung des Lackes und sich anschließende Löseprozesse werden auf der Metallfläche entsprechend der gewünschten Strukturierung lackfreie bzw. lackbedeckte Zonen geschaffen, die im folgenden Ätzprozeß das Metall schützen oder dem Ätzmittel Zugang gewähren.
- Es sind Positiv- und Negativverfahren bekannt. In einigen Fällen wird auch der Fotolack zuerst aufgebracht und dann mit Metall beschichtet.
- Weiterhin ist bekannt, daß mit Licht, Elektronenstrahlen oder Röntgenstrahlen gearbeitet werden kann.
- Die vielfältigen Verfahren sind unter den Namen Foto-, Elektronenstrahl- oder Röntgenlithografie bekannt geworden.
- Diesen Verfahren ist gemeinsam, daß die Metallschicht immer geschlossen aufgebracht und dann erst strukturiert wird. Ist die gewünschte Struktur klein gegenüber der Gesamtfläche, ist dies bei der Verwend ung von Edelmetallen nicht rationell.
- - Nach Aufbringung geeigneter Schichten auf die Oberfläche wird durch Belichtung über Fotomasken durch chemische Vorgänge ein "latentes Bild der Struktur in der Schicht geschaffen. Bei entsprechender Keimbildung an den belichteten Stellen kann erreicht werden, daß aus Bädern nur an den "Keimen" das gewünschte Metall abgeschieden wird und somit die Struktur entsteht. Die Keime können Reduktionsmittel (zum Beispiel Sn2+ OS 2.256.960) oder Metalle (zum Beispiel Pd AS 2.224.471) darstellen.
- Das zuletzt beschriebene Verfahren eignet sich für die stromlose Abscheidung aus Bädern0 Es hat den Vorteil, direkt die Struktur absuscaeiden Der Nachteil dieses Verfahrens besteht in der Aufbringung einer geeigneten Schicht zur Erzeugung des latenten Bildes. An den nicht erwünschten Stellen muß die Schicht wieder entfernt werden. Bei diesen Prozeßschritten können Fehler auftreten, die zu einem "Zuwacheen" der Oberfläche bei der nachfolgenden Metallisierung führen.
- In der OS 2.300.481 wird die Herstellung von Widerstandsschichten durch thermische Zersetzung eines Gasgemisches oder eines Salzfilmes,die Metallkarbonyle, Azetylazetonate oder Edelmetallresinate enthalten, mittels Laserstrahlen beschrieben0 Dabei sind auf der Substratoberfläche Brenuflecktemperaturen je nach Anwendungsfall von 200 bis 8000C erforderliche Durch diese Einschränkungen ist die Art der verwendeten Substrat te und damit die Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens auf Widerstandsschichten und temperaturbeständige Substrate wie z.Be Keramik, Quarz, Polyamid, Epoxid, beschränkt.
- In der oben genannten OS ist keine Abscheidung aus der Lösung möglich.
- Aus dem Stand der Technik lassen sich folgende Schlußfolgerungen ziehen: - Zur Vermeidung einer Gesamtmetallisierung wird in vielen Fällen die Struktur direkt abgeschieden.
- - Für die Abscheidung genauer Strukturen in Verbindung mit dem chemischen Abscheidungsverfahren eignen sich die in der 3.Gruppe beschriebenen Verfahren, wobei Hilfsschichten erforderlich sind, die nachträglich entfernt werden müssen. Sie besitzen die beschriebenen Mängel. In der Praxis führt das zu Instabilitäten und Fehlversuchen, indem sich eine geschlossene Metallschicht (oder eine fehlerhafte Struktur) oder überhaupt keine Schicht abscheiden kann. Oft ist die Haftfestigkeit nicht ausreichend.
- Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, bei der Senkung des Aufwandes die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit bei der Strukturierung von Zetallschichten zu erhöhen.
- Darlegung des Webens der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, ein stabiles Verfahren zur additiven strukturierten Abscheidung von Metallen aus Badlösungen zu schaffen, welches ein Zuwachsen der Oberfläche verhindert, und damit die Abscheidung von Mikrostrukturen aus den chemisch-reduktiven Bädern ermöglicht.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Oberfläche eines Substrates in einem chemischen Metallisierungebad mit einem Laser örtlich erhitzt wird und dadurch eine strukturierte Metallschicht erzeugt wird.
- Als Substrate können alle Materialien verwendet werden, die für eine chemisch-reduktive Metallabscheidung geeignet sind.
- Dazu gehören sowohl Nichtmetalle, die durch eine entsprechende Vorbehandlung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung aktiviert werden können, wie z.B. Keramiken aller Art, Gläser aller Art, Plaste aller Art ohne oder mit Fremdstoffeinlage, als auch Halbleitermaterialien poly- oder monokristallin in allen Verarbeitungsstufen.
- Als Metalle zur strukturierten Abscheidung auf der Substratoberfläche können bei Vorliegen entsprechender chemischreduktiver Bäder alle Schwermetalle und gewünschte Legierungen aus diesen Metallen oder aus einem oder mehreren Metallen und einem oder mehreren Nichtmetallen abgeschieden werden, z.B.
- Nickel, Kobalt, Kupfer, Silber, Gold, Legierungen zwischen ihnen ohne oder mit nichtmetallischem Anteil aus dem Reduktionsmittel oder aus im Bad suspendierten Teilchen.
- Durch Laserstrahlen mit geeigneter Wellenlänge wird auf der Substratoberfläche eine örtliche Erhitzung in einer im übrigen nicht beheizten chemischen Metallisierungslösung erzeugt.
- Dadurch wird die Reaktionehemmung zwischen Metallionen und Reduktionsmittel überwunden und damit findet. eine Metallabscheldung statt.
- Durch Relativbewegungen von Substrat und Laser können beliebige Strukturen auf der Substratoberfläche erzeugt werden.
- Für die Genauigkeit der Strukturen und die Abscheidungsrate spielt die Dicke des Flüssigkeitsfilms über der Substratober fläche eine große Rolle.
- Im Minimum muß diese Schichtdicke gleich der Schichtdicke des Flüssigkeitsfilms auf der Oberfläche des fettfreien Substrat es nach dem Eintauchen in das Metallisierungsbad und Wiederherausnehmen sein.
- Das Maximum wird begrenzt durch die mit steigender Flüssigkeitsschichtdicke zunehmende Absorption des Strahles in der Lösung.
- Dünne Schichten können dadurch erzeugt werden, dem die Flüssigkeit über ein schräg gestelltes Substrat fließt.
- Weiterhin ist es möglich, daß die Abscheidung des Metalls aus einem auf der Oberfläche des Substrat es eingetrockneten Salzfilm aus der Metallisierungslösung erfolgt.
- Die Schichtdicke des abgeschiedenen Metalls ist von der Dauer der Laserbestrahlung abhängig.
- Es ist jedoch möglich, Substrate mit geringen Schichtdicken in einem geeigneten üblichen chemisch-reduktiven Metallisierungsw bades auf die gewünschte Schichtdicke zu verstärken.
- Die Erfindung wird anhand von 2 Ausführungsbeispielen weiter erläutert.
- Ausführungsbeispiel 1 Eine Spezialkeramik, z.3. A1203 (oder Kondensatorkeramik, andere Spezialkeramiken, Silizium und andere Halbleitermaterialien aller Bearbeitungsstufen, Gläser, Plastmaterialien ohne oder mit Verstärkung u.a.) wird entfettet z.B. in 3 % Gr-Amulgo, anschließend gespült und z.3. mit Palladiumchlorid und Natriumhypophosphit aktiviert.
- Das so vorbehandelte Substrat wird in eine z.B. chemischreduktive Vernickelungslösung (etwa nach DD-Patent 134 653) mit der zu behandelnden Seite nach oben eingelegt. Die Lösung bedeckt die zu beschichtende Fläche mit einer festgelegten Schichtdicke, die u.a. von der Leistung des Lasers abhängt (hauptsächlich zwischen 0,05 und lo mm). Darauf wird z.B. mit einem IR-Laser geeigneter Leistung das Substrat durch die Lösung bestrahlt. An der durch die Bestrahlung aufgeheizten Stelle scheidet sich im Beispielsfall Nickel ab (genauer Ni=Py).
- xy Die Strukturbreiten können zwischen 50 und 2000/um liegen.
- Ausführungsbeispiel 2 Für einen Hybrid-Schaltkreis Im GHz-Bereich sollen die Kontaktschichtstrukturen chemisch-reduktiv additiv abgeschieden werden.
- Ein entfettetes und mit einem Chromsäure- oder Flußsäure-Gemisch geätzt es Aluminiumoxid-Substrat mit einer Standardqualität wird in eine geeignete etallionenlösung, z.B. Palladiumionen, getaucht; die Metallionen mit einem in der chemischen bekannten Abscheidungstechnologie Reduktionsmittel zu den chemischen Abscheidungsprozeß katalysierenden Keimes reduziert.
- Zur strukturierten Metallabscheidung, z.B. einer Cu-Schicht oder NiP-Schicht, wird ein stabiles chemisches Bad (z.B. nach DD-Patent 134 653) benötigt.
- Die Metallisierungslösung mit einer Arbeitstemperatur von >700C bedeckt bei Zimmertemperatur die bekeimten Aluminiumoxidsubstrate in einem definierten gleichen Abstand von der Oberfläche (z.B.
- 5 mm Ein IR-Laser wird programmiert entsprechend der gewünschten Strukturen in t-y-Koordinaten mit einer Geschwindigkeit von z.B. 3 mm-sec 1 über die Substratoberfläche geführt.
- Durch die zugeführte Energie setzt der Abscheidungsprozeß an den bestrahlten Stellen ein.
- Anschließend werden die erhaltenen Strukturen in einem zweiten stabilen chemischen Metallisierungsbad auf Gpim verstärkt.
- Die Strukturen bestehen aus 1 - 2 mm breiten Leiterbahnen und Kontaktinseln von 100 x 100 µm.
- Die geometrische Genauigkeit hängt vom Substrat, den technologischen Parametern und der benötigten Schichtdicke ab und beträgt im untersuchten Fall + 10 µm.
- Die NixPy-Schichten weisen eine Haftfestigkeit von > 800 N cm 2 zy und eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von (0,15 - 1,4) 1O (flcin)1 auf.
Claims (9)
- Erfindungsanspruch ¼ Strukturierte chemisch-reduktive Metallabscheidung mit Substrat, Metallisierungsbad und Laser, gekennzeichnet dadurch, daß ein durch Entfetten und Aktivieren vorbehandeltes Substrat in ein chemisches Metallisierungsbad mit der zu bebehandelten Seite dem Laser zugewandt eingelegt wird, vom Metallisierungsbad überdeckt wird, durch die Laserbestrahlung eine lokalisierte Erhitung auf der Oberfläche des Substrat es im ansonsten nicht beheizten Metallisierungsbad erfolgt und durch Relativbewegung von Substrat und Laser beliebige Strukturen erzeugt werden.
- 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die lokalisierte Erhitzung durch einen IR-Laser erfolgt.
- 3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß bei Vorliegen entsprechender chemisch-reduktiver Bäder alle Schwermetalle und gewünschte Legierungen aus diesen Metallen oder aus einem oder mehreren Metallen und einem oder mehreren Nichtmetallen abgeschieden werden.
- 4e Verfahren nach Punkt 1 - 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Abscheidung auf nichtmetallischen Oberflächen und/oder Halbleitermaterialien erfolgt.
- 5 Verfahren nach Punkt 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß bevorzugt verwendete Schwermetalle Nickel, Kobalt, Kupfer, Silber, Gold, Legierungen zwischen ihnen ohne oder mit nichtmetallischem Anteil aus dem Reduktionsmittel oder aus im Bad suspendierten Teilchen sind.
- 6. Verfahren nach Punkt 1 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Abscheidung bevorzugt auf Keramiken aller Art, Gläsern aller Art, Halbleitermaterial poly- oder monokristallin in allen VerarbeitungsstuSen, Plasten aller Art ohne oder mit Fremdstoffeinlage erfolgt.
- 7. Verfahren nach Punkt 1 - 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Schichtdicke der Lösung, die der Laserstrahl durchdringen muß, im Minimum gleich der Schichtdicke des Plüssigkeitsfilms auf der Oberfläche des fettfreien Substrates nach dem Eintauchen in das Metallisierungsbad und Wiederherausnehmen ist und im Maximum begrenzt wird durch d-ie mit steigender Fldssigkeits-Schichtdicke zunehmende Absorption des Strahls in der Lösung.
- 8. Verfahren nach Punkt 1 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß die dünnen Schichtdicken bevorzugt dadurch realisiert werden, daß die Flüssigkeit über das schräggestellte Substrat fließt.
- 9. Verfahren nach Punkt 1 - 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Abscheidung des Metalls aus einem auf der Oberfläche des- Substrates eingetrockneten Salzfilm aus der Metallisierungslösung erfolgt.
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