DE3840199C2 - Verfahren zur Strukturierung von bei der stromlosen Metallisierung katalytisch aktiven Metallschichten mittels UV-Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Strukturierung von bei der stromlosen Metalli­ sierung katalytisch aktiven Metallschichten auf einem organischen oder anorganischen Werk­ stoff mittels UV-Strahlung.

Ein solches Verfahren ist aus der DE-AS 19 10 106 bekannt. Dort wird für die Metallisierung von nicht elektrisch leitenden Materialien, zum Beispiel Kunststoffen und insbesondere von ABS-Pfropf-Polymerisaten, vorgeschlagen, die nicht leitende Oberfläche zunächst in eine saue­ re PdCl₂-Lösung einzutauchen und anschließend in eine auf Raumtemperatur befindlichen, als Reduktionsmittel dienenden wäßrigen Lösung von N-Diäthylborazan einzutauchen. Die so akti­ vierten Metallschichten werden dann zur weiteren Metallisierung in ein handelsübliches Nickel­ salz-Borhydrid-Bad eingebracht, wobei die aktivierten metallischen Schichten von einer Nickel- Bor-Leitschicht bedeckt werden, auf die anschließend eine elektrolytische Beschichtung mit Kupfer aufgebracht wird.

Aus der US-PS 4,410,569 ist die Herstellung einer katalytisch aktiven Palladium-Oberfläche ei­ nes Keramiksubstrats bekannt, wobei eine reduktive Aktivierung mittels Wasserstoff vorgese­ hen ist.

Weiterhin ist es aus der US-PS 4,941,105 ein Metallisierungsverfahren für Nichtleiter bekannt, bei dem Substrate mit Hilfe einer Lösung von Silberpyridin-Komplexen in einem nicht wäßrigen Lösungsmittel mit einer metallischen Aktivierungsschicht versehen werden, diese getrocknet und mit einer alkalischen Lösung von KOH oder NaOH umgesetzt wird und dann mittels gasför­ miger Reduktionsmittel wie Kohlenoxid und/oder Wasserstoff aktiviert wird. Daran anschließend findet dann eine stromlose sowie eine elektrolytische Verkupferung statt.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist auch aus der US-PS 3,993,941 bekannt, dort wird für die Metallisierung die elektrische Substrate vorgeschlagen, die Substrate mit einer Zinn-Chlorid-Lösung zu beschichten, diese durch eine Maske mit UV-Strahlen zu behandeln und dann an den unbestrahlten Bereichen reduktiv mit Kupfer-Ionen zu belegen. Anschließend werden diese Bereiche mittels wäßrigen Lösungen aktiviert und anschließend stromlos metallisiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, das 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, bei der stromlosen Metallisierung katalytisch aktiv wirkende Schicht wird im folgenden als "Katalysatorschicht" bezeichnet. Sie kann aus einem Metall oder einem Metalloxid gebildet werden. Für das Ausbilden strukturierter Metallschichten auf der Ka­ talysatorschicht wird diese, je nach dem aus welchem Werkstoff sie gefertigt ist, bereichsweise aktiviert bzw. passiviert. Ist die Katalysatorschicht aus einem Metall gefertigt, so wird sie an den Stellen, an denen keine weitere Metallschicht aufgetragen werden soll, passiviert. Dies erfolgt durch Bestrahlung mit UV-Photonen in einer Gasatmosphäre, wodurch die bestrahlten Bereiche der Katalysatorschicht oxidiert, nitriert oder carburiert werden. Ist die Katalysatorschicht aus ei­ nem Metalloxid gefertigt, so wird sie an den Stellen, an denen eine weitere Schicht aufgetragen werden soll, aktiviert. Dies geschieht durch Bestrahlung mit UV-Photonen in Gegenwart eines wasserstoffhaltigen Gases. Durch geeignete Wahl der Wellenlänge der UV-Strahlung ist es möglich, die Gase NH₃, HCl oder HF, photolytisch zu spalten und die sehr reaktiven Radiakale NH₂, H, Cl, F zu erzeugen, welche mit dem Metalloxid bereichsweise reagieren und dadurch die Aktivierung bewirken. Nachdem die Katalysatorschicht so behandelt ist, daß nur noch auf ganz definierten Bereichen dieser Schicht weitere Schichten aufgetragen werden können, schließt sich eine stromlose Beschichtung der Katalysatoroberfläche an. Unter Anwendung von naßche­ mischen Bädern können auf die aktivierten Bereiche der Katalysatorschicht metallische Schich­ ten, elektrische Widerstandsschichten sowie magnetische Schichten aufgetragen werden. Erfin­ dungsgemäß besteht auch die Möglichkeit einer elektrolytischen Beschichtung der Katalysator­ fläche. Die passiven Bereiche der Katalysatorfläche können anschließend bei Bedarf bis zur Substratoberfläche hin abgeätzt werden. Hierbei werden vorzugsweise ebenfalls trockene Ver­ fahren mit Lasern in geeigneter Atmosphäre angewendet.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

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, Nitrierung oder Carburierung 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 2S zu bewirken, wird zwischen dieser und einer über der Kata­ lysatoroberfläche 2S in definiertem Abstand angeordneten UV-Quelle 4 eine Maske 5 angeordnet. Die Maske 5 kann gegebenenfalls auch unmittelbar auf die Katalysatorober­ fläche 2S 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 5D 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 2P vollständig passiviert.

Wird die Katalysatorschicht 2 wie in Fig. 2 darge­ stellt, durch ein Metalloxid gebildet, so sind die Be­ reich 2A 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 5D aufweist, wird die Kataly­ satorschicht 2 genau dort bestrahlt, wo die aktiven Be­ reiche 2A 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 handelsüblicher Hochleistungs­ strahler verwendet werden. 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 eines handelsüblichen 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 2A 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 2A 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 2P 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 gesamte Dic­ ke, 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 2A 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 2P 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 (5)

1. Verfahren zur Strukturierung von bei der stromlosen Metallisierung katalytisch aktiven Metallschichten auf einem organischen oder anorganischen Werkstoff mittels UV-Strah­ lung, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus einem Metalloxid bestehende Schicht (2) be­ reichsweise durch Reduktion zum Metall mittels UV-Strahlung in Gegenwart eines was­ serstoffhaltigen Gases in Form von NH₃, HCl oder HF aktiviert, oder daß eine aus einem Metall bestehende Schicht (2) bereichsweise durch Oxidation, Nitrierung oder Carburie­ rung mittels UV-Strahlung in einer sauerstoff-, stickstoff- oder kohlenstoffhaltigen Atmo­ sphäre passiviert wird, und daß anschließend die aktiven Bereiche (2A) der Schicht (2) mit einer weiteren Schicht (3) aus einem Metall, einem elektrischen Widerstandsmaterial oder einem magnetischen Material beschichtet werden.

2. Verfahren zur Strukturierung von Metallschichten aus einem organischen oder anorgani­ schen Werkstoff mittels UV-Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Substrat (1) aufgetragene Schicht (2) eine Dicke zwischen 10^-2 und 1 µm aufweist und durch Platin, Palladium, Gold, Kobalt, Silber, Nickel oder Erbium bzw. durch Oxide dieser Metalle gebildet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die be­ reichsweise Aktivierung oder Passivierung der Schicht (2) durch optische Hilfsmittel bzw. die Anordnung einer Maske (5) mit Durchlässen (5D) zwischen der UV-Quelle (4) und der Schicht (2) bewirkt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die akti­ vierten Bereiche (2A) der Schicht (2) eine Schicht (3) aus Palladium, Kupfer, Platin, Nic­ kel, Eisen, Gold, Nickelphosphid, CuNiFeP, CuNiP oder CuPAg aufgetragen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufge­ tragene Schicht (3) ebenfalls teilweise in eine Metall- oder eine Metalloxidschicht umge­ wandelt wird.