DE3840199A1

DE3840199A1 - Verfahren zur metallisierung

Info

Publication number: DE3840199A1
Application number: DE3840199A
Authority: DE
Inventors: Hilmar Dipl Phys Dr Esrom; Ulrich Dr Kogelschatz
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Germany; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Excelitas Noblelight GmbH
Priority date: 1988-11-29
Filing date: 1988-11-29
Publication date: 1990-05-31
Anticipated expiration: 2008-11-30
Also published as: EP0374505B1; JPH03122287A; DE58907402D1; DE3840199C2; EP0374505A3; EP0374505A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Metal lisierung von Substraten gemäß dem Oberbegriff des Pa tentanspruches 1.

Ein solches Verfahren kommt vorzugsweise zur Ausbildung von Schaltungen auf einem Substrat zur Anwendung, wofür die Erzeugung von strukturierten metallischen Schichten auf dem Substrat erforderlich ist. Bis jetzt werden sol che Schaltungen durch physikalisches Aufdampfen mit Hil fe von Masken hergestellt. Solche Verfahren sind aufwen dig, da sie im Vakuum durchgeführt werden müssen, und nur Strukturen von einer Dicke unterhalb von 5 µm erlau ben. Ferner können solche strukturierten Metallschichten für Schaltungen mittels chemischer Verfahren erzeugt werden. Hierbei werden geschlossene metallische Schich ten auf das Substrat aufgetragen, und anschließend die für die Schaltung nicht erforderlichen Schichtteile durch chemisches Ätzen abgetragen. Dies ist jedoch mit umweltbelastenden Verfahrensschritten verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Metallisierung von Substraten aufzuzeigen, das die Nachteile der bekannten Verfahren ausschließt und die Strukturierung von aufgetragenen Metallschichten auf einfachere Weise ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die auf das Substrat aufgetragene, als Katalysator wir kende Schicht, kann aus einem Metall oder einem Metall oxid gebildet werden. Für das Ausbilden strukturierter Metallschichten auf der Katalysatorschicht wird diese, je nach dem aus welchem Werkstoff sie gefertigt ist, bereichsweise aktiviert bzw. passiviert. Ist die Kataly satorschicht aus einem Metall gefertigt, so wird sie an den Stellen, an denen keine weitere Metallschicht aufge tragen werden soll passiviert. Dies erfolgt durch Be strahlung mit UV-Photonen in einer Gasatmosphäre, wo durch die bestrahlten Bereiche der Katalysatorschicht oxidiert, nitriert oder carboniert werden. Ist die Kata lysatorschicht aus einem Metalloxid gefertigt, so wird sie an den Stellen, an denen eine weitere Schicht aufge tragen werden soll, aktiviert. Dies geschieht durch Be strahlung mit UV-Photonen in der Umgebung eines wasser stoffhaltigen Gases. Nachdem die Katalysatorschicht so behandelt ist, daß nur noch auf ganz definierten Berei chen dieser Schicht weitere Schichten aufgetragen werden können, schließt sich eine stromlose Beschichtung der Katalysatoroberfläche an. Unter Anwendung von naßchemi schen Bädern können auf die aktivierten Bereiche der Katalysatorschicht metallische Schichten, elektrische Widerstandsschichten sowie magnetische Schichten aufge tragen werden. Erfindungsgemäß besteht auch die Möglich keit einer elektrolytischen Beschichtung der Katalysa torfläche. Die passiven Bereiche der Katalysatorfläche können anschließend bei Bedarf bis zur Substratober fläche hin abgeätzt werden. Hierbei werden vorzugsweise ebenfalls trockene Verfahren mit Lasern in geeigneter Atmosphäre angewendet.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Substrat, das mit einer Katalysatorschicht überzogen ist,

Fig. 2 eine Variante der in Fig. 1 dargestellten Anordnung,

Fig. 3 das in Fig. 1 gezeigte Substrat mit einer zu sätzlich auf die Katalysatorschicht aufge tragenen zweiten Schicht,

Fig. 4 das in Fig. 2 dargestellte Substrat mit einer weiteren Schicht auf der Katalysatorschicht,

Fig. 5 ein weiteres beschichtetes Substrat,

Fig. 6 das in Fig. 5 gezeigte fertiggestellte Sub strat mit Beschichtung.

Fig. 1 zeigt ein flächiges Substrat 1, mit rechteckigem Querschnitt, auf dessen Oberfläche eine metallische Ka talysatorschicht 2 abgeschieden werden soll. Das Sub strat 1 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbei spiel aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) gefertigt. Die metalli sche Katalysatorschicht 2 kann jedoch auch auf anderen Substraten (hier nicht dargestellt) aus einem organi schen oder anorganischen Werkstoff aufgetragen werden. Die verwendeten Substrate können jede beliebige geome trische Form aufweisen, vorzugsweise werden jedoch dünne Platten verwendet, die aus Aluminiumnitrid, Borsilikat glas, Polyimid, Gummi, Papier oder Pappe sowie aus kera misch gefüllten oder glasgewebeverstärkten Fluorkunst stoffen hergestellt sind. Auf die gereinigte Oberfläche des Substrats 1 wird eine pulverförmige metallorganische Verbindung oder salzartige Metallverbindung, bzw. eine Lösung, welche eine dieser Verbindungen enthält, aufge tragen. Anschließend wird die aufgetragene Schicht 2 mit einem UV-Hochleistungsstrahler bestrahlt. Hierdurch wird die metallorganische Verbindung bzw. salzartige Verbin dung unter gleichzeitiger Bildung einer metallischen Schicht zersetzt. Die Katalysatorschicht 2 kann auch durch Aufdampfen, Sputtern, durch Anwendung des CVD-Ver fahrens oder mittels Laser-CVD aufgetragen werden. An stelle einer Katalysatorschicht 2 aus Metall kann auch eine Katalysatorschicht 2 aus einem Metalloxid aufgetra gen werden. Als Metalle werden bevorzugt Platin, Palla dium, Kupfer, Gold, Kobalt, Silber, Nickel und Erbium verwendet. Wird die Katalysatorschicht 2 durch ein Me talloxid gebildet, so werden bevorzugt Oxide dieser o.g. Metalle für die Ausbildung verwendet. Um zu erreichen, daß auf bestimmte Bereiche der Katalysatorschicht 2 eine weitere Schicht aufgetragen werden kann, während andere Bereiche der Katalysatorschicht 2 frei bleiben, wird eine Passivierung bzw. Aktivierung der Katalysator schicht 2 vorgenommen. Wird die Katalysatorschicht 2 durch ein Metall gebildet, so werden die Bereiche, auf denen keine weitere Schicht aufzutragen ist, passiviert. Diese Passivierung erfolgt durch Bestrahlung der Kataly satorschicht 2 mit UV-Photonen. Die Passivierung kann durch Oxidation, Nitration oder Carbonierung der Kataly satorschicht 2 in den gewünschten Bereichen erfolgen. Hierzu wird die Bestrahlung in einer Sauerstoffatmos phäre bzw. einer Kohlenstoff- oder Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Um eine exakte Abgrenzung der zu passi vierenden Bereiche auf der Katalysatoroberfläche 2 S zu bewirken, wird zwischen dieser und einer über der Kata lysatoroberfläche 2 S in definiertem Abstand angeordneten UV-Quelle 4 eine Maske 5 angeordnet. Die Maske 5 kann gegebenenfalls auch unmittelbar auf die Katalysatorober fläche 2 S aufgelegt werden. In Fig. 1 ist die Maske 5 etwa mittig zwischen der UV-Quelle 4 und der Katalysa torschicht 2 angeordnet. Die Maske 5 ist mit Durchlässen 5 D versehen. Diese sind genau da angeordnet, wo die Ka talysatorschicht 2 passiviert werden soll. Durch das gezielte Bestrahlen der Katalysatorschicht 2 ist die Katalysatorschicht 2 nach einer definierten Zeit in den Bereichen 2 P vollständig passiviert.

Wird die Katalysatorschicht 2 wie in Fig. 2 darge stellt, durch ein Metalloxid gebildet, so sind die Be reich 2 A der Katalysatorschicht 2 zu aktivieren, auf die mindestens eine weitere Schicht aufgetragen werden soll. Über der Katalysatorschicht 2 wird auch für die Akti vierung eine UV-Quelle 4 angeordnet. Mit Hilfe einer Maske 5, die Durchlässe 5 D aufweist, wird die Kataly satorschicht 2 genau dort bestrahlt, wo die aktiven Be reiche 2 A ausgebildet werden sollen. Die Bestrahlung erfolgt in der Umgebung eines wasserstoffhaltigen Gases. Hierfür eignen sich Ammoniak (NH₃), Chlorwasserstoff (HCl), Fluorwasserstoff (HF) bzw. andere wasserstoffhal tige Gasgemische.

Als UV-Quelle 4 kann beispielsweise ein Hochleistungs strahler verwendet werden, wie er in der EP-OS 02 54 111 beschrieben ist. Wird der UV-Hochleistungsstrahler mit einer Edelgasfüllung aus Argon versehen, so ist er in der Lage, UV-Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 107 und 165 nm zu erzeugen. Mit Hilfe geeigneter Gas mischungen aus Edelgasen und Halogenen können UV-Strah lungen mit einer Wellenlänge zwischen 170 und 360 nm erzeugt werden. Vorzugsweise wird ein UV-Hochleistungs strahler mit einer Xenonfüllung verwendet, der eine Wel lenlänge von 172 nm erzeugt. Ferner besteht die Möglich keit auch einen frequenzvervielfachten Laser, beispiels weise einen Argoionlaser, einen Farbstoff-Laser oder konventionelle UV-Strahler einzusetzen. Bei Verwendung des in der EP-OS 02 54 111 beschriebenen UV-Hochlei stungsstrahlers besteht die Möglichkeit, diesen so aus zubilden, daß eine zuverlässig arbeitende Photonenquelle zur Verfügung gestellt werden kann, mit der auch ohne zusätzliche Optiken großflächige Substrate flächig be schichtet werden können. Durch geeignete Wahl der Wel lenlänge der UV-Strahler, die durch eine geeignete Gas füllung erzielt wird, ist es möglich, Moleküle, wie Sau erstoff, Ammoniak, Chlor, Fluor, Chlorwasserstoff, Fluorwasserstoff photolytisch zu spalten und die äußerst reaktiven Radikale O, NH₂, H, Cl, F zu erzeugen, welche die Aktivierung bzw. Passivierung der Katalysatorschicht 2 bewirken. Erfindungsgemäß kann dieser UV-Hochleistungs strahler auch zylinderförmig ausgebildet werden, so daß eine Katalysatorschicht (hier nicht dargestellt), die auf der Innenfläche eines Zylinders (hier nicht darge stellt) aufgetragen ist, durch eine ebenfalls zylinder förmig ausgebildete Maske hierdurch (hier nicht darge stellt) bestrahlt werden kann. Ist die Katalysator schicht auf der Außenfläche eines Zylinders aufgetragen, so ist die Bestrahlung durch einen zylinderförmigen UV- Hochleistungsstrahler ebenfalls möglich. In diesem Fall wird das zylinderförmige Substrat mit der Kataly satorschicht auf seiner Oberfläche konzentrisch in dem zylinderförmig ausgebildeten Hochleistungsstrahler ange ordnet. Der Hochleistungsstrahler kann in beiden genann ten Fällen entlang der Katalysatorschicht verfahren wer den. Das gleiche gilt für ein flächig ausgebildetes Sub strat. Hierdurch ist die Fließbandherstellung von Sub straten mit metallisierten Oberflächen problemlos mög lich.

Nachdem die Aktivierung bzw. Passivierung der Katalysa torschicht 2 abgeschlossen ist, kann die Beschichtung der aktivierten Bereiche 2 A der Katalysatorschicht 2 durchgeführt werden. Dies ist beispielsweise durch eine stromlose Metallisierung in naßchemischen Bädern mög lich. Durch Eintauchen der Katalysatorschicht 2 in sol che Bäder besteht die Möglichkeit, auf die aktiven Be reiche der Katalysatorschicht 2 eine weitere Metall schicht aufzutragen. So können mit Hilfe von naßche mischen Bädern metallische Schichten aus Platin, Kupfer, Paladium, Nickel, Eisen oder Silber aufgetragen werden. Ferner besteht die Möglichkeit, auf die aktiven Bereiche 2 A der Katalysatorschicht 2 Widerstandsschichten aus Nickel oder Nickelphosphid aufzutragen. Durch die Anwen dung von naßchemischen Bädern können auch magnetische Schichten in Form von Kobalt, Kobalt-Nickel- Eisen- und Phosphor-Verbindungen (CoNiFeP), Kupfer-Nic kel-Phosphor-Verbindungen (CuNiP), und Kobalt-Phosphor- Silber-Verbindungen (CoPAg) auf die Katalysatorschicht aufgetragen werden. Mit Hilfe von naßchemischen Bädern können die o.g. Schichten als dünne Filme mit einer Dic ke zwischen 10^-2 und 1 µm aufgetragen werden. Das Auf bringen von wesentlich dickeren Schichten zwischen 1 und 30 µm ist ebenfalls möglich. Anstelle der Beschichtung mittels naßchemischer Bäder ist auch die galvanische Beschichtung der Katalysatorschicht 2 möglich. Diese Möglichkeiten sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Zunächst wird hierfür ein Substrat 1, aus einem Material wie es eingangs beschrieben ist, mit einer 0,3 bis 1 µm dicken Katalysatorschicht 2 aus Metall versehen. Das Auftragen der metallischen Katalysatorschicht 2 ge schieht wie in Fig. 1 dargestellt, und in der zuge hörigen Beschreibung erläutert. Anschließend werden durch Bestrahlen der Bereiche 2 P der Katalysatorschicht 2 diese passiviert. Die Passivierung erfolgt in gleicher Weise, wie die Passivierung der in Fig. 1 dargestellten Katalysatorschicht 2, jedoch nicht über die gesante Dicke, sondern nur im Oberflächenbereich. Bei einer galva nischen Metallisierung wird vorzugsweise die Katalysa torschicht 10^-2 bis 1,0 µm dick aufgetragen, jedoch nur 0,1 µm dieser Schicht werden passiviert. Anschließend wird die Katalysatorschicht 2 als Elektrode genutzt und mit dem Negativpol einer Spannungsquelle (hier nicht dargestellt) verbunden. Durch Anlegen einer Spannung kann nun auf die aktivierten Bereiche 2 A der Katalysa torschicht 2 eine der oben beschriebenen Schichten aus Metall, aus einem magnetischen Material oder aus einem Widerstandsmaterial aufgetragen werden. Wie Fig. 6 zeigt, besteht die Möglichkeit, die durch Passivierung markierten Bereiche 2 P der Katalysatorschicht 2 an schließend durch Ätzen bis auf die Oberfläche des Sub strates 2 abzutragen.

Erfindungsgemäß können die auf die Katalysatorschicht 2 aufgebrachten metallischen Schichten 3 auf die gleiche Weise, wie oben beschrieben, bereichsweise passiviert und weiter beschichtet werden.

Es ist also möglich, mehrere Schichten übereinander aufzubauen. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Substrat 1 ist dies auch elektrolytisch möglich.

Claims

1. Verfahren zur Metallisierung eines Substrates (1) aus einem organischen oder anorganischen Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Substrat (1) wenig stens eine Katalysatorschicht (2) aufgetragen und an schließend wenigstens bereichsweise aktiviert oder pas siviert wird, und daß daraufhin auf die aktivierten Be reiche eine weitere Schicht (3) aufgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Katalysatorschicht (2) aus einem Metalloxid gebildet und durch Bestrahlen mit UV-Photonen in einer wasserstoffhaltigen Gasatmosphäre bereichsweise akti viert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Katalysatorschicht (2) aus einem Metall gebildet und durch UV-Photonenbestrahlung in einer Sau erstoff-, Stickstoff- oder Kohlenstoff-Atmosphäre wenig stens bereichsweise passiviert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Katalysatorschicht (2) zwischen 10^-2 und 1 µm dick aufgetragen und durch Pla tin, Palladium, Kupfer, Gold, Kobalt, Silber, Nickel oder Erbium bzw. durch Oxide dieser Metalle gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die bereichsweise Aktivierung oder Passivierung der Katalysatorschicht (2) durch opti sche Hilfsmittel bzw. die Anordnung einer Maske (5) mit Katalysatorschicht (2) bewirkt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß auf die aktivierten Bereiche (2 A) der Katalysatorschicht (2) eine Schicht (3) aus einem Metall, einem als elektrischen Widerstand wirken den Werkstoff, oder einem magnetischen Material aufge tragen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die aufgetragene Schicht (3) ebenfalls teil weise aktiviert oder passiviert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß auf die aktivierten Bereiche (2 A) der Katalysatorschicht (2) eine Schicht (3) aus Palladium, Kupfer, Platin, Nickel, Eisen oder Gold auf getragen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß auf die aktivierten Bereiche (2 A) der Katalysatorschicht (2) eine Schicht (3) in Form eines elektrischen Widerstands aus Nickel oder Nickel phosphid aufgetragen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die aktivierten Bereiche (2 A) der Katalysatorschicht (2) eine Schicht (3) aus einem magnetischen Material bestehend aus Cu, CuNiFeP, CuNiP, CuPAg aufgetragen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die aktivierten Bereiche (2 A), der Katalysatorschicht (2) eine Schicht (3) galvanisch aufgetragen wird, wobei die Katalysator schicht (2) aus Metall gefertigt und als Elektrode ge nutzt wird, und daß die passivierten Bereiche (2 P) der Katalysatorschicht (2) anschließend bis auf die Ober fläche des Substrates (1) abgetragen werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-Bestrahlung mit einem in der EP-OS 0 25 111 beschriebenen UV-Hochleistungs strahler (4) durchgeführt wird.