DD153950A1 - Verfahren zur strukturierten chemisch-reduktiven abscheidung von metallschichten - Google Patents

Abstract

Genutzt werden kann das Verfahren in der Mikroelektronik-Hybridtechnik, Mikroleiterplattentechnik oder fuer die Herstellung von Bauelementen. Entsprechend der Erfindung werden in bekannten Verfahren bestehende Maengel durch neue technologische Schritte behoben. So wird eine Keimverschleppung verhindert, indem die lichtempfindliche Substanz in einem Emulgator wieder entfernt wird. Unerwuenschte Keimbildung mit Restsubstanzen durch das Reduktionsmittel wird durch Vernichtung der Keimbildner mit chemischen Reaktionen (Entaktivierungsprozess) verhindert. Weiterhin ist eine Keimwandlung durch chemische Reaktionen anwendbar, wenn sich das Badmetall auf den Primaerkeimen nicht abscheiden sollte oder fuer die Verbindbarkeit unguenstig ist. Durch den bekannten Belichtungs- und Entwicklungsprozess kann die Anzahl der Keime, sowie die Keimgroesse technologisch gesteuert werden. Damit sind auch die gewuenschten Haftfestigkeiten steuerbar, da sie direkt von der Anzahl der Haftpunkte (Keimzahl) abhaengen. Es lassen sich praezise Mikrostrukturen direkt abscheiden. Die Aufloesung entspricht der vergleichbaren fotografischen Verfahren.

Description

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Titel der Erfindung

Verfahren zur strukturierten chemisch-redulctiven Abscheidung von Lietallschichten

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Verfahren bezieht sich auf ein stromloses (chemisch-reduktives) Abscheiden strukturierter Metallschichten auf elektrisch nichtleitenden Oberflächen

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Metallisierung von Oberflächen ist ein häufig verwendeter Verfahrensschritt bei Herstellungstechnologien unterschiedlicher Produkte.

In vielen Fällen ist es wichtig, eine Oberfläche, zum Beispiel von einem Isolatormaterial, nicht durchgehend zu metallisieren, sondern die Metallschicht in einer bestimmten Struktur aufzubringen. 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 (Mikroelektronik, Mikroakustik und andere) werden Strukturierungen im ,um-Bereich mit exakter Einhaltung der Geometrie erforderlich.

Zum Aufbringen der metallischen Schicht selbst werden häufig die folgenden Verfahren verwendet:

. Bedampfung

. Sputtern

• Stromloses Abscheiden aus Bädern (eventuell mit galvanischem Verstärken)

. Beschichtung mit Suspensionen, Pasten und ähnlichem und anschließendem Einbrennen der Schicht

Pur die Strukturierung der Metallschichten sind Verfahren bekannt geworden, die sich in folgende Varianten grob einteilen lassen:

- Direkte Strukturierung der Metallschicht durch geeignete Metallmasken oder Siebschablonen, die die Struktur bereits als "Durchbruch" enthalten.

Es ist leicht einzusehen, daß damit nur relativ einfache Strukturen aufgebracht werden können und keine erhöhten Anforderungen an die Geometrie der Struktur gestellt werden. Weiterhin ist für dieses Verfahren die stromlose Abscheidung aus Metallsalzbädern nicht anwendbar, da Masken und Schablonen unterwandert v/erden·

- Strukturierung einer geschlossenen Metallschicht mittels Fotolack. Durch eine Belichtung des Lacks und sich anschließende Löseprozesse werden auf der Metallfläche entsprechend der gewünschten Strukturierung lackfreie beziehungsweise lackbedeckte Zonen geschaffen, die im folgenden A'tzproseß das Metall schützen oder dem Ätzmittel Zugang gewähren.

Es sind Positiv- und ITegat iwerf ahren 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 Verfahrensarbeiten sind unter dem Hamen Foto-Elektronenstrahl- oder Röntgenstrahllithografie bekannt geworden.

Diesen Verfahren ist gemeinsam, daß die Metallschicht immer geschlossen aufgebracht und

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dann erst strukturiert wird. Ist die gewünschte Strukturierung klein gegenüber der Gesamtfläche ist dies bei der Verwendung 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 Sn⁺⁺ OS 2.256.9SO) oder Metalle (zum Beispiel Pd AS 2.224.471) darstellen.

Das zuletzt beschriebene Verfahren eignet sich für die stromlose Abscheidung aus Bädern. Es hat den Vorteil, direkt die Struktur abzuscheiden und der gesamte Körper wird nicht metallisiert, wie das zunächst bei der stromlosen Abscheidung aus Bädern der Fall ist.

Die Praxis hat jedoch bewiesen, daß diese zunächst so einfach erscheinenden Verfahren (3. Gruppe)'große Fehlerquellen in sich tragen. Die wichtigsten sind:

. Bei Belichtung verlaufen einige Oxidationsvorgänge (zum Beispiel Sn ⁺ Sn ) nicht quantitativ, so daß auch an den belichteten Stellen Reduktionsmittel übrigbleiben.

. Wird ein Reduktionsvorgang bei der Belichtung ausgenutzt (Ti⁴⁺ zu Ti^⁺ oder Pd⁺⁺ Pd), so tritt an den unbelichteten Fällen bei der Lletallabscheidung das Reduktionsmittel in Aktion und erzeugt unerwünschte Keime. Aus diesem Grunde sind bei diesen Verfahren Y/asch- und Spülprozesse eingeschaltet, die eine nachträgliche

Reaktion mit dem Reduktionsmittel verhindern sollen. Im genannten Beispiel müssen also alle Pd - Ionen entfernt werden. Die Praxis hat bewiesen, daß diese sehr hartnäckig an der Oberfläche adsorbiert werden und nicht quantitativ entfernt werden können, was im Verfahren zur Metallkeimbildung an unerwünschten Stellen führt.

In einigen Prozessen ist es nicht möglich, selektive ?/aschmittel für das Reduktions- beziehungsweise Oxidationsprodukt zu finden. Öfters werden auch gebildete Keime beim Waschprozeß verschleppt.

• Ein weiterer Uachteil der Verfahren der 3. Gruppe ist, daß die Keimgröße nicht gesteuert werden kann und somit die technologischen Parameter stark schwanken können (Belichtungszeit, Abscheidungszeit und anderes) und die Randschärfe negativ beeinflußt wird.

• Weiterhin können sich bei Verwendung von Pd⁺⁺ - Lösungen ungenügender Konzentration zu wenig Keime bilden, was sich in einer stark verringerten Haftfestigkeit zeigt.

Aus dem Stand der Technik lassen sich zusammenfassend folgende Schlußfolgerungen ziehen:

- ließen der geringen Anlagekosten, der Möglichkeit zur Abscheidung, vorwiegend auch unedler Metalle und anderer Vorteile ist das stromlose Abscheiden von Metallschichten aus Bädern besonders günstig.

- Zur Vermeidung einer Gesamtmetallisierung eines Grundkörpers wird in vielen Fällen die Struktur direkt abgeschieden.

- Diese an sich vorteilhafte Methode, die nur nach Verfahren der Gruppe 3 erfolgen kann, besitzt jedoch die beschriebenen Mängel. In der Praxis führt das zu Insta-

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bilität 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

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein stabiles Verfahren zur strukturierten Abscheidung von Metallen aus Badlösungen zu schaffen, welches die für die Gruppe 3 genannten liachteile nicht auf v/eist, produktionstechnisch sicher beherrscht wird und auch die Abscheidimg von Mikrostrukturen aus Bädern auf direktem Wege zuläßt, die eine ausgezeichnete Haftfestigkeit und gute Verbindbarkeit (Lötbarkeit, Bondbarkeit) besitzen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die in Gruppe 3 dargestellten Mangel lassen sich nur vermeiden, wenn

- keine Keime verschleppt werden

- Restchemikalien, die mit dem Reduktionsmittel des Bades neue Keime bilden können, unschädlich gemacht v/erden

- die Keimgröße und Keimzahl definiert gesteuert werden kann und damit die technologischen Prozeßparameter konstant gehalten werden können, weiterhin kann die Zahl der Haftstellen damit gesteuert werden.

Erfindungsgemäß wird das dadurch gelöst, daß die lichtempfindliche Schicht (zum Beispiel AgBr) in einem Emulgator aufgebracht wird, die Keimzahl beziehungsweise Keimgröße durch eine Belichtungs- beziehungsweise Entwicklungsprozeß gesteuert wird. Große Bedeutung innerhalb des Verfahrens besitzt die Vernichtung der Substanzen, die mit dem Reduktionsmittel des Bades neue Keine bilden können. Dieser Prozeß soll Entaktivierung genannt werden und erfolgt durch eine geeignete chemische Reaktion, wie beispielsweise

Ag"** + Cl"

Pd⁺"¹" +

AgGl PdS

Die so gebildeten Substanzen dürfen nicht mehr in der Lage sein, mit dem Reduktionsmittel zu reagieren und beispielswei

se Ag-Keime bilden.

In den Prozeß können v/eitere Schritte aufgenommen werden, wie beispielsweise das Entfernen der EmulgatorschicM durch Ausbrennen oder die Umwandlung von Abscheidungskeimen in andere Keime, wenn dies die Abscheidung aus den Bädern begünstigt. Den Ablauf der Strukturierung kann man aus der folgenden Übersicht übernehmen.

Arbeitsschritt

Zweck

Beispiel

Bemerkung

Lösen oder Disper- Festlegung der gieren der licht- sich bei der empfindlichen Sub- Belichtung bilstanz in einem Emul-denden Keime, gator um Verschleppung

zu verhindern

AgBr in Gelantine einbringen

Aufbringen der Schicht auf das Trägermaterial

Belichtung durch Fotomaske

Ausgangspunkt des Strukturierprozesses

Keimbildung

Schicht auf Keramiksubstrat

Ag⁺ + h · f

Steuerung der Keimzahl

Entwicklung

Keimvergrößerung

Entwickler

Schritt kann eingeschoben werden, ist aber nicht in jedem Falle erforderlich

— T —

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Arbeitsschritt

Fixierung

Zweck

Auswaschen der £ lichtempfindlichen Substanz

Beispiel

Bemerkung

für AgBr

Entfernung des	Lagerung der Ausbrennen	Andere Ver
Emulgators	Keime direkt	fahren, wie.
	auf dem Sub	zum Beispiel
	strat	Abdampfen im.
		Vakuum eben
		falls anwend
		bar
Entaktivierung	Vernichtung von Ag+ + Cl"	Unbedingt er
	Stoffen, die ·-AgCl	forderlich,
	mit dem Reduk	da sonst keine
	tionsmittel der	Strukturierung

S t rukt uri e rung durch Abscheidung des Metalls aus Badlösungen

Bäder neue Keime bilden können

Abscheidung der Cu aus Bädern gewünschten Metallschicht

Bei Abscheidung ariderer Metalle zum Beispiel Ni kann eine Keimwandlung zusätzlich erfolgen

Erfolgt eine Keimwandlung, so ist es notwendig, daß erneut ein Entaktivierungsprozeß eingeschoben wird.

Ausführungsbeispiel .

Die zu strukturierende modifizierte Bleititanat - Zirkonat · Keramik 1 liegt in dünnen, einseitig polierten Scheiben mit

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einer Rauhtiefe 0,1 ,um vor. Auf Grund der speziellen Vorbehandlung kann auf eine chemische Aktivierung der Oberfläche verzichtet v/erden.

Die Keramikscheiben v/erden in einem neutralen oder schwach alkalischen Reinigungsmittel entfettet, mit Wasser und anschließend mit Isopropanol gespült und getrocknet. Auf die so vorbehandelten Substrate 1 trägt man die lichtempfindliche Emulsion 2 bei geeigneter Beleuchtung gleichmäßig auf. Hach vollständiger Trocknung der Emulsion wird über das Negativ der gewünschten Struktur 3 die lichtempfindliche Schicht 2 belichtet, 4 (Figur 1 bis 3). In einem Entwicklerbad ORWO E 102 (1:3) wird bis zur vollständigen Schwärzung der Struktur entwickelt.. !lach kurzem Zwischenspülen in einem Unterbrecherbad mit einer 0,5 %igen organischen Säure wird das Bild im Fixierbad ORWO A 300 10 Minuten fixiert und mindestens 30 Minuten gewässert. Die Substrate werden im kälten Luftstrom getrocknet und bei einer Temperatur zwischen 473 K und 523 K die flüchtigen Bestandteile der Emulsion entfernt. Diesem Schritt schließt sich eine Entaktivierung und danach ein intensives Spülen von 5 Minuten unter fließendem Wasser an. In einem Bad, das 0,5 g/l Palladiumchlorid enthält, erfolgt in 10 s die Keimwandlung. Daran schließt sich ein weiterer Spülschritt von 5 Minuten unter fließendem Wasser an. Hach nochmaligem Dekapieren werden die Substrate in einem alkalischen ITickelbad bis zu einer Schichtdicke von 2 ,via. chemisch reduktiv vernickelt.

Die nach diesem Verfahren erzeugten Schichten zeigen Haft-

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festigkeiten von (Ο,Όδ - 0,I)ITm und eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von (0,15 - 1_}4) . 10 ( cm) . Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient liegt bei 13 · .10 grd .

Claims (6)

Erf indung3anspruch

1· Verfahren zur strukturierten chemisch-reduktiven Abscheidung von Metallschichten mit Hilfe eines fotografischen Prozesses mit den Schritten Belichten, (Entwickeln), Fixieren, gekennzeichnet dadurch, daß die lichtempfindliche Substanz zunächst in einem Emulgator aufgebracht wird, nach Entfernung des Emulgators Restsubstanzen entaktiviert werden und die durch den Belichtungsprozeß erzeugten Metallkeime zur Abscheidung der strukturierten Schicht aus chemischen Bädern verwendet werden.

2. Verfahren nach 1.,gekennzeichnet dadurch, daß die Entfernung des Emulgators durch Erhitzen, Ausbrennen, Extrahieren oder Abdestillation erfolgt.

3« Verfahren nach 1.sgekennzeichnet dadurch, daß die Entaktivierung der Ag⁺ Keime durch Halogenide, Sulfide oder Komplexbildner erfolgt.

4« Verfahren nach 1., gekennzeichnet dadurch, daß eine Keimwandlung mit Hilfe einer chemischen Reaktion erfolgt, wenn dies für eine spezifische Abscheidung aus Metallsalzbädern erforderlich wird.

5. Verfahren nach 1.,und 4.,gekennzeichnet dadurch, daß eine

Keimwandlung der Me-Keime Me- unter Nutzung der Spannungs- - reihe in Keime LIe₂ erfolgt.

6. Verfahren nach 1., 4. und 5., gekennzeichnet dadurch, nach Keimv/andlung erneut entaktiviert wird. .

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