DE4042220C2 - Verfahren zur Herstellung von ganzflächigen oder partiellen Goldschichten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von ganzflächigen oder partiellen Goldschichten aus einer als Schicht auf einem Substrat aufgetragenen, in einem Lösungsmittel gelösten, goldhaltigen Ver­ bindung durch Bestrahlung mit UV-Licht, wodurch unter Abscheidung einer Goldschicht eine photolytische Spaltung der goldhaltigen Verbindung bewirkt wird.

Aus Appl. Phys. Lett. 51(25) 21. December 1987, Seite 2136 bis 2138 ist ein Verfahren zur Herstellung von ganzflächigen oder partiellen Goldschichten unter Einwirkung von UV-Licht be­ kannt. Dabei wird Gold photolytisch aus dünnen spin-on Filmen abgeschieden, wobei diese Fil­ me auf eine komplizierte Art und Weise aus einer Nitrozellulose/Amylacetat-Mischung und einer Ammoniumtetrachloroaurat/Alkohol-Lösung hergestellt werden. Die aus der Vermischung der beiden Lösungen hergestellten Filme müssen für 30 Minuten bei 80°C getempert werden, um das überschüssige Lösungsmittel zu beseitigen.

Aus der Veröffentlichung von Thomas H. Baum "Photochemically Generated Gold Catalyst for Selective Electroless Plating of Copper" in J. Electrochem. Soc., Vol. 137, No. 1 (Januar 1990), ist ein Verfahren zur partiellen Gold-Beschichtung von Al₂O₃-Keramik oder faserverstärktem Epoxidharz bekannt. Hierzu wird auf die zu beschichtenden Substrate eine Lösung von Dimethyl-(1,3-diphenyl-1,3-propandionato)-Au in wasserfreiem Lösungsmittel, wie Hexan-CH₃OH, aufgebracht, die erhaltene Schicht getrocknet und anschließend durch Photo­ masken mittels eines Kr-Xe-Strahlers mit UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von 254 nm und 365 nm bestrahlt.

Aus Pat. Abstr. JP, C -746, A Vol. 14, No. 363 (JP-A 02-133579) ist es bekannt, auf einem Substrat eine Schicht aufzubringen, in die organische goldhaltige Verbindungen, wie beispiels­ weise Diketonate von Ag, Cu, Pd oder Au dispergiert sind; diese Schicht mit UV-Strahler durch Masken zu bestrahlen, anschließend die nicht bestrahlten Bereiche abzulösen und anschlie­ ßend stromlos Cu, Ni, Co, Au und/oder Ag abzuscheiden.

Die Herstellung der bekannten goldhaltigen Verbindungen ist relativ aufwendig.

In der DE-OS 22 32 276 ist ein Verfahren zum Imprägnieren von Oberflächen vor der stromlo­ sen Metallisierung beschrieben, bei dem in Alkohol gelöstes Tetrachlorogold(III)säure-Trihydrat als Imprägnierlösung verwendet wird. Diese Imprägnierlösung, die vor dem Metallisieren auf ei­ nem Substrat aufgebracht wird, soll die Haftung zu dem nachfolgend aufgebrachten Beschich­ tungsmaterial verbessern. Die Aktivierung der Imprägnierlösungsschicht erfolgt durch ein Re­ duktionsmittel beim Tauchen, beispielsweise in ein Verkupferungsbad.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein preisgünstiges Verfahren zur Herstellung von ganzflächigen oder partiellen Goldschichten anzugeben, das eine Beschichtung auf beliebigen Substratoberflächen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, daß die Schicht als Lösung von Tetrachlorogold(III)säure-Trihydrat in Diethylether oder Alkohol aufgetragen wird.

Tetrachlorogold(III)-säure ist leicht herzustellen. Sie entsteht beim Auflösen von Gold in Kö­ nigswasser. Die Verwendung von Diethylether oder Alkohol als Lösungsmittel für Tetrachloro­ gold(III)säure-Trihydrat ermöglicht es, daß die Lösung auch auf Kunststoffe aufgetragen werden kann, ohne daß dabei die Kunststoffe angelöst werden, wie dies z. B. bei Einsatz von Chloroform als Lösungsmittel bei einigen Kunststoffen der Fall ist. Un­ ter Alkohol wird Ethanol verstanden. Das Verfahren ist wenig zeitaufwendig, umweltfreundlich und wirtschaftlich. Eine Trocknung oder Temperung der Schicht vor dem Bestrahlen mit UV- Licht ist nicht notwendig. Alle Sustratmaterialien sind mit gleich guter Qualität beschichtbar. Die Goldschichten weisen eine gute Haftfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit auf und sind pro­ blemlos löt- und bondbar. Da alle Verfahrensschritte im Bereich unter 100°C ablaufen, können auch wärmeempfindliche Substratmaterialien beschichtet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiele erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Bestrahlung eines beschichteten Substrates über eine Kontaktmaske,

Fig. 2 die Bestrahlung eines beschichteten Substrates über eine in einem vorgegebenen Abstand vor dem Substrat befindliche Maske,

Fig. 3 ein Substrat mit strukturierter Goldschicht,

Fig. 4 ein Substrat mit verstärkter, strukturierter Goldschicht.

In Fig. 1 ist eine Bestrahlung eines beschichteten Substrats über eine Kontaktmaske darge­ stellt. Es ist ein Substrat 1 zu erkennen, dessen Oberfläche ganzflächig mit einer Schicht 2 aus Tetrachlorogold(III)säure-Trihydrat (H(AuCl₄)3H₂O) gelöst in Diethylether oder Alkohol bedeckt ist. Zur Herstellung der Lösung wird Tetrachlorogold(III)säure-Trihydrat in Diethylether oder in Alkohol gelöst, z. B. 1 g Tetrachloro­ gold(III)säure-Trihydrat pro 30 bis 100 ml Diethylether oder Alkohol. Der Auftrag dieser Lösung erfolgt in einem ersten Verfahrensschritt durch Tauchen, Sprühen, Aufschleudern (spin-on), Rollcoating oder mit Hilfe einer Schreibvorrichtung.

Als Substrate können beispielsweise keramische Substrate (Al₂O₃, AlN), Quarz, Glas und Silizi­ um, leichte flexible Kunststoffe (PTEE, Polyimide etc.) Gummi, Kunststoff- oder Glasvliese, ke­ ramisch gefüllte oder glasgewebeverstärkte Fluorkunststoffe, Preßplatten und Papier oder Pappe mit geringer Temperaturbeständigkeit verwendet werden.

Die aus der vorstehend beschriebenen Lösung hergestellte Schicht 2 (dip-coating) ist nach Ver­ dampfen des Diethylethers bzw. des Alkohols schon nach kurzer Zeit (bei Raumtemperatur nach wenigen Minuten) trocken und kann in einem zweiten Verfahrensschritt durch Bestrahlung mit UV-Licht 4 photolytisch gespalten werden, wodurch eine Goldschicht abgeschieden wird.

Durch diese Bestrahlung wird eine Zersetzung der goldhaltigen Verbindung erzielt und eine Ab­ scheidung der Goldschicht bewirkt (UV-unterstützte Abscheidung eines Katalysators aus metal­ lorganischen Absorbaten auf der Substratoberfläche). Da das ultraviolette Licht im wesentlichen nur mit dem Aktivator auf der Substratoberfläche wechselwirkt, bleibt das Substratmaterial un­ beeinflußt. Die Eigenschaften des Substratmaterials spielen bei dem Abscheideprozeß nur eine unwesentliche Rolle. Als UV-Quelle wird vorzugsweise eine inkohärente Excimerlichtquelle - vorzugsweise eine Xe­ non-Excimer-UV-Quelle - mit gewünschter Wellenlänge - vorzugsweise 172 nm - verwendet.

Eine detaillierte Beschreibung eines solchen Hochlei­ stungsstrahlers kann der EP-OS 0 254 111 entnommen wer­ den. Der Hochleistungsstrahler besteht aus einem durch eine einseitig gekühlte Metallelektrode und ein Dielek­ trium oder zwei Dielektrika begrenzten und mit einem Edelgas oder Gasgemisch gefüllten Entladungsraum. Das Dielektrikum und die auf der dem Entladungsraum abge­ wandten Oberfläche des Dielektrikums liegende zweite Elektrode sind für die durch stille elektrische Entla­ dung erzeugte Strahlung transparent. Durch diese Kon­ struktion und durch eine geeignete Wahl der Gasfüllung wird ein großflächiger UV-Hochleistungsstrahler mit ho­ hem Wirkungsgrad geschaffen. Mit einer Gasfüllung aus Xenon kann mit dem Hochleistungsstrahler UV-Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 160 und 190 nm erzeugt werden, wobei das Maximum hierbei bei 172 nm liegt. Der Hochleistungsstrahler arbeitet im quasigepulsten Be­ trieb.

Allgemein können inkohärente Excimer-UV-Quellen mit Wel­ lenlängen zwischen ungefähr 100 bis 350 nm eingesetzt werden. Es können UV-Laser mit den Wellenlängen 193 nm und/oder 222 nm und/oder 248 nm und/oder 308 nm und/oder 351 nm verwendet werden.

Soll das zu beschichtende Substrat auf seiner gesamten Oberfläche mit einer Goldschicht versehen werden, so wird ein Hochleistungsstrahler verwendet, dessen Strah­ lungsfeld der Größe der Substratoberfläche entspricht.

Die Bestrahlung kann je nach Gegebenheiten, Auftragungs­ dicke und Abstand zwischen Substratoberfläche und UV- Hochleistungsstrahler wenige Sekunden bis hin zu einigen Minuten lang durchgeführt werden und beträgt vorzugswei­ se 1 Minute.

Dabei kann die Geometrie des verwendeten UV-Hochlei­ stungsstrahlers an die Geometrie der zu beschichtenden Substrate angepaßt werden. Es ist beispielsweise mög­ lich, die Beschichtung von rechteckigen Substraten im geeigneten Zeittakt auf einem Fließband durchzuführen. Hierfür wird die UV-Strahlergeometrie auf den rechtecki­ gen Querschnitt des zu beschichtenden Substrates abge­ stimmt. Zusätzlich werden der Abstand des UV-Strahlers vom Substrat und die Geschwindigkeit des Bandes, auf welches die Substrate gelegt werden, so aufeinander ab­ gestimmt, daß das jeweilige Substrat gerade solange un­ ter einem UV-Strahler hindurch bewegt wird, wie es für die Ausbildung der Goldschicht auf seiner Oberfläche er­ forderlich ist. Die gewünschte Produktionsrate kann durch Wahl der o.g. Parameter erzielt werden.

Soll das Substrat 1 nicht ganzflächig, sondern partiell und strukturiert mit einer Goldschicht versehen werden, so erfolgt die Bestrahlung mit UV-Licht über eine ent­ sprechend ausgebildete Maske, wobei wahlweise eine di­ rekt auf dem Film 2 befindliche Kontaktmaske 3 - wie in Fig. 1 dargestellt - oder eine in einem vorgegebenen Abstand vor dem Substrat befindliche Maske 6 - wie in Fig. 2 dargestellt - verwendet werden kann. In beiden Fällen werden lediglich die hinter den Maskenfenstern 5 befindlichen Teilflächen des Films 2 vom UV-Licht 4 be­ strahlt und somit photolytisch gespalten. Mittels der Maskentechnik lassen sich feine Strukturen realisieren.

Infolge der photolytischen Spaltung wird - wie vorste­ hend bereits erwähnt - eine Goldschicht auf dem Substrat 1 abgeschieden. In Fig. 3 ist beispielsweise eine mit­ tels Maskentechnik strukturierte Goldschicht 7 darge­ stellt. Die vom UV-Licht 4 nicht bestrahlten Teilflächen der Schicht können durch einen Gasstrahl und/oder geeigne­ te Lösungsmittel, wie z. B. Diethylether oder Alkohol von der Oberfläche des Substrats 1 entfernt werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von partiellen Goldschichten ist durch den Auftrag der Schicht mit Hilfe einer Schreibvorrichtung gegeben. Als Schreibvorrichtun­ gen können Faserstifte, Kugelschreiber, Füllfederhalter, Tuscheschreiber oder spezielle Vorrichtungen verwendet werden, bei denen die Lösung mit Hilfe eines piezoelek­ trischen Umformers aus einer Düse gedrückt wird. Es wird auf die DE-OS 40 35 080 verwiesen.

Um die Schicht in vorgegebener Struktur auf das Sub­ strat aufzubringen, ist es zweckmäßig, wenn Schreibvor­ richtung und Substrat während des Auftragens beliebig in XYZ-Richtung gegeneinander verschiebbar sind. Das Substrat kann beispielsweise auf einem computergesteuer­ ten Verschiebetisch befestigt sein.

In einem dritten Verfahrensschritt werden stromlose che­ mische Verfahren oder direkte galvanische Verfahren an­ gewendet, um den eigentlichen Schichtaufbau zu bewirken, d. h. um die durch photolytische Spaltung abgeschiedene Goldschicht zu verstärken. Dabei können eine Vielzahl von Metallen wie Cu, Ni, Pd, Pt, Al, Au, Cr, Sn etc. strukturiert abgeschieden werden, wobei eine Schicht­ dicke bis zu einigen 100 nm erreicht werden kann. In Fig. 4 ist beispielhaft dargestellt, daß die Gold­ schicht 7 mit einer Kupferschicht 8 verstärkt ist.

Die aktivierten Bereiche werden in handelsüblichen Bä­ dern stromlos metallisiert. Typische Badtemperaturen liegen im Bereich zwischen Raumtemperatur und 100°C. Verglichen mit den am weitesten verbreiteten Techniken, Aufdampfen im Vakuum und Aufstäuben, haben chemische Me­ tallisierungsverfahren neben den zu erzielenden hohen Schichtdicken den wesentlichen Vorteil, daß die Metalli­ sierung kompliziert geformter Werkstücke mit einer homo­ genen Schichtdickenverteilung möglich ist.

Mit Hilfe von Tauch-Goldbädern können z. B. hervorragende Goldschichten (Dicke 0,2 nm) abgeschieden werden. Das ist insbesondere für Verbindungstechnologien (Bonden) und dekorative Schichten von Bedeutung. Weitere Anwen­ dungen liegen im Bereich der Optoelektronik (z. B. Com­ pactdiscs) und im medizinischen Bereich (Gasdiffusions­ sperren für Ampullen).

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung von ganzflächigen oder partiellen Goldschichten aus einer als Schicht auf einem Substrat aufgetragenen, in einem Lösungsmittel gelösten, goldhaltigen Verbindung durch Bestrahlung mit UV-Licht, wodurch unter Abscheidung einer Gold­ schicht eine photolytische Spaltung der goldhaltigen Verbindung bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht als Lösung von Tetrachlorogold(III)säure-Trihydrat in Diethylether oder Alkohol aufgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lösung von 1 g Tetrachlorogold(III)säure-Trihydrat in 30-100 ml Diethylether oder Alkohol eingesetzt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag der Lösung mit Tauchen, Sprühen, Aufschleudern oder Rollcoating durchgeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag mit einer Schreibvorrichtung durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schreibvorrichtung mit XYZ-Richtungssteuerung zu relativer Bewegung von Substrat und Schreibvorrichtung ein­ gesetzt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-Bestrah­ lung mit einer inkohärenten Xe-Excimerstrahlungsquelle im Wellenlängenbereich von 100 bis 350 nm, vorzugsweise 172 nm, durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-Bestrahlung durch eine Maske durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-Bestrahlung durch eine Kontaktmaske durchgeführt wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-Bestrah­ lung mit einem kohärenten UV-Laser mit den Wellenlängen von 193 nm und/oder 222 nm und/oder 248 nm und/oder 308 nm und/oder 351 nm durchgeführt wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 1 Minute be­ strahlt wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Goldschichten auf Substraten aus organischen oder anorganischen Werkstoffen erzeugt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Goldschichten durch stromlose oder elektrolytische Metallisierung verstärkt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung Cu, Ni, Pd, Pt, Al, Au, Cr oder Sn eingesetzt werden.