DD227738A1 - Verfahren zur strukturierten selektiven abscheidung von materialien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven additiven Metallisierung von elektronischen Bauelementen mittels laser-elektrochemischer Verfahren. Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren mit geringem apparativen Aufwand zu finden, dass sowohl laser-galvanische als auch laser-chemisch-reduktive Abscheidungen verschiedener Materialien in hoher Guete durchfuehren kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch geeignete Laserstrahlungsquellen ausgestrahlte, mit der guenstigsten optischen Transmissionswellenlaenge der Metalloesung in Uebereinstimmung gebrachte Laserstrahlung zur Ausloesung der laser-elektrochemischen Vorgaenge nah an das zu behandelnde Substrat zu bringen und den Wechsel bzw. die Zufuehrung und Entfernung sowohl der geeigneten Anoden als auch der Substrate fuer den jeweilig ablaufenden laser-elektrochemischen Vorgang problemlos zu gewaehrleisten. Die Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass von einem ueblichen Farbstofflaser ausgehende Laserstrahlung durch eine flexible Wandung in der Gefaesswand der elektrochemischen Zelle unkompliziert an das zu beschichtende Substrat herangefuehrt wird, wodurch ein Substratwechsel und ueber ein Anodenmagazin die Anodenbereitstellung gesteuert werden kann.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven additiven Metallisierung von elektronischen Bauelementen oder -teilen mittels laser-elektrochemischer Verfahren, um entsprechend der Art des Metalls oder der Legierung unter Berücksichtigung geometrischer Faktoren und Prozeßparameter Strukturen mit stark unterschiedlichem Stromleitvermögen abscheiden zu können.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß zur strukturierten Abscheidung von metallisch leitenden Schichtsystemen zur Herstellung von elektronischen Bauelementen oder -teilen elektrochemische Verfahren angewendet werden. Bei zunehmender Miniaturisierung der Bauelemente und damit verbundener Verringerung der geometrischen Abmessungen von notwendigen spezifischen metallischen Schichten werden additiv arbeitende Verfahren bevorzugt, um zu erreichen, daß die Abscheidung nur an den Stellen erfolgt, wo es aus funktionellen Gründen notwendig ist. Außerdem wird versucht, diese Verfahren möglichst einfach für den Anwendungsfall zu gestalten und die Abscheidungsrate zur Verkürzung von Anlagenarbeitszeit zu steigern. Dazu ist bereits bekannt, daß Laserstrahlen zur Stimulierung elektrochemischer Abscheidungen angewendet werden, um die Substratoberflächen nicht in irgendeiner Weise „vorstrukturieren" zu müssen. Üblicherweise kommen als elektrochemischen Verfahren das laser-galvanische sowie das laser-chemisch-reduktive Abscheiden zur Anwendung. Den beiden mit Laserstrahlen durchführbaren Beschichtungsverfahren ist gemein, daß ähnlich geartete Vorrichtungen benutzt werden, da in üblicher Weise die Laserstrahlen eine verdünnte Metallsalzlösung durchdringen müssen, um Substratbereiche lokal thermisch aufzuheizen. In der EP-Anmeldung 0018500 wird ein Verfahren für maskenloses Galvanisieren von Leitungsmustern hoher Auflösung vorgestellt. Dabei wird gebündelte elektromagnetische Energie (günstig ist Laserstrahlung) zur lokalen Aufheizung der katodisch geschalteten Substratoberfläche verwendet. Eine starke Absorption der Laserstrahlung im Elektrolyten wird vermieden, indem kontinuierlich strahlende lonen-Lasertypen genutzt werden, deren ausgestrahlte Laser-Wellenlänge nahe der jeweiligen günstigsten optischen Transmissionswellenlänge des jeweiligen Elektrolyten liegen.

Im Falle von Kupfer- und Nickelsalz-Elektrolyten wird das Spektrum eines Argonlasers als geeignet vorgestellt und bei Goldsatz-Elektrolyten ein auf 647,1 nm abgestimmter Kryptonlaser zum Einsatz gebracht. Als Nachteil dieses Verfahrens ist anzusehen, daß eine universelle Vorrichtung zur Abscheidung verschiedener Materialen nicht verwirklicht werden kann, da die Lasertypen gewechselt werden müssen. Weiter wird auf die Eignung anderer Lasertypen kein eindeutiger Bezug genommen. Außerdem ist beim Auftreten schwacher Hintergrundplattierungen ein nachträgliches Ätzen als zusätzlicher Prozeßschritt nach Beendigung aller Abscheidungen notwendig. Nachteilig ist bei diesem Verfahren weiterhin, daß nur Substrate in Form von schlecht wärmeleitenden Dielektrika mit dünnen Wolfram-, Molybdän-, Nickel- und Kupferschichten verwendet werden können. In der DE-Offenlegungsschrift 3227878 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selektiven galvanischen Beschichtung von Werkstücken mittels Laserstrahlen beschrieben, wobei Argonlaser oder C0₂-Laser Anwendung finden. Durch hochgenaue numerisch gesteuerte Positioniereinrichtungen, die in Verbindung mit den übrigen Einrichtungen der Vorrichtung stehen, wird ermöglicht, Ströme zum Galvanisieren entsprechend dem gewünschten Beschichtungsmusterzu variieren und dazu notwendige Relativbewegungen zwischen Substrat und Laserstrahl herbeizuführen. Der Nachteil dieses Verfahrens und der vorgestellten Vorrichtungen besteht darin, daß die Laserstrahlung oder die Hilfseinrichtungen zur Führung der Laserstrahlung stets durch den sich natürlich ausbildenden Flüssigkeitsspiegel der verwendeten Lösungen hindurchtreten, um die angestrebten Vorgänge zur Abscheidung durchzuführen. Damit kann beim Auftreten von Erschütterungen des Flüssigkeitsspiegels eine genaue Positionierung des Laserbrennfleckdurchmessers nicht erreicht werden. Andererseits müssen die vorgestellten Hilfseinrichtungen korrosionsbeständig sein und nach Beendigung der Abscheidung weit genug vom Substrat wegtransportiert werden, um dieses mühelos aus der Elektrolytlösung zu entnehmen.

Die EP-Anmeldung 0086520 stellt eine Methode zur laser-galvanischen Abscheidung von Gold auf wärmeleitenden Substraten vor, wobei die Substrate vorher mit einer starken weniger wärmeleitenden metallischen Schicht versehen werden. Nachteilig wirkt sich hierbei aus, daß der zum Einsatz kommende Argon-Laser eine Strahlung abgibt, die im Goldcyanidbad der galvanischen Zelle stark absorbiert wird.

In der DD-Patentschrift 157989 wird ein Verfahren zur chemisch-reduktiven Abscheidung additiv strukturierter Metallschichten mit Hilfe von Laserstrahlen beschrieben. Der Nachteil des Verfahrens ist darin zu sehen, daß durch die Verwendung eines Infrarot-Lasers zur Auslösung der Abscheidungen eine starke Absorption des Laserlichts in der Behandlungslösung stattfindet.

Die Analyse des Standes der Technik zeigt außerdem nachteilig, daß Verfahren und Vorrichtungen zu laser-galvanischen und laser-chemisch-reduktiven Abscheidungen völlig getrennt voneinander dargestellt werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur strukturierten selektiven Abscheidung von Materialien mittels laser-elektrochemischer Einflußnahme zu finden, das einen geringen apparativen Aufwand aufweist und sowohl für laser-galvanische als auch für

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch geeignete Laserstrahlungsquellen ausgestrahlte, mit der günstigsten Transmissionswellenlänge der als Elektrolyt dienenden Metallösung in Übereinstimmung gebrachte Laserstrahlung zur Auslösung der laser-elektrochemischen Vorgänge nah an das zu behandelnde Substrat zu bringen, um Schwächungen beim Durchdringen der Metallösung zu vermeiden. Es soll gleichzeitig gewährleistet werden, daß der Wechsel sowie die Zuführung und Entfernung sowohl der geeigneten Anoden als auch der Substrate in Abhängigkeit vom jeweilig ablaufenden laserelektrochemischen Vorgang problemlos durchführbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von einem üblichen, universell für viele unterschiedliche Metallsalzlösungen einsetzbaren selektiv durchstimmbaren Farbstofflaser abgegebene Laserstrahlung über ein x-y-z-Positioniersystem, das seitlich durch eine flexible Wandung der Gefäßwand der elektrochemischen Zelle nahe an das zu behandelnde Substrat herangebracht wird, um eine Schwächung der Laserstrahlung beim Durchdringen der Metallsalzlösungen zu vermeiden und eine Fokussierung der Laserstrahlung nahe der Oberfläche des Substrats zu erreichen. Damit wird ein Substratwechsel und die Anodenbereitstellung, die über ein Anodenmagazin gesteuert wird, für den jeweils vorgesehenen laser-elektrochemischen Vorgang von oben in die elektrochemische Zelle unkompliziert ermöglicht. Durch die Anwendung üblicher selektiv durchstimmbar Farbstofflaser kann in einem breiten Wellenlängenbereich die ausgestrahlte Frequenz des Farbstofflasers mit der günstigsten optischen Transmissionswellenlänge der jeweiligen Metallsalzlösung in Übereinstimmung gebracht werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

In Fig. 1 sind die einzelnen Verfahrensschritte schematisch dargestellt. Fig. 2 dient zur Erklärung der laser-elektrochemischen Vorgänge. Entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbild wird die zur Auslösung der gewünschten laserelektrochemischen Vorgänge notwendige Laserstrahlung 2 von der Laserstrahlungsquelle 1 ausgestrahlt. Universell für viele unterschiedliche Metallsalzlösungen sind übliche selektiv durchstimmbare Farbstofflaser in einem breiten Wellenlängenbereich einsetzbar, da damit die ausgestrahlte Frequenz des Farbstofflasers mit der günstigen optischen Transmissionswellenlänge der jeweiligen Metallsalzlösung in Übereinstimmung gebracht wird, so daß die maximale Laserleistung auf dem zu behandelnden Substrat 12 umgesetzt werden kann.

Bei Abscheidungen von Schichten aus kupfer- oder nickelsalzhaltigen Lösungen eignet sich auch ein frequenzverdoppelter Neodym-YAG-Laser, dereine Laserstrahlung der Wellenlänge 532 nm ausstrahlt.

In einem optischen oder mechanischen Modulator 3, der der Laserstrahlungsquelle 1 nachgeschaltet ist, kann die Impulsform und/oder die Impulslänge der Laserstrahlung 2 und die Folgefrequenz der Laserimpulse variiert werden. Die entsprechend variierte Laserstrahlung 2 durchläuft anschließend ein optisches System 4, wo sie derart verändert wird, daß auf dem sich in der elektrochemischen Zelle 6 befindlichen Substrat 12 lokale thermische Effekte zur Stimulierung der Abscheidungsvorgänge stattfinden können und gleichzeitig bestimmte Belichtungsmuster auf dem Substrat 12 entstehen. Das x-y-z-Positioniersystem 5, das auch mit dem optischen System 4 in einer Baugruppe vereinigt sein kann, hat die Aufgabe, die Laserstrahlung 2 an den erwählten Bereich des Substrates 12 heranzuführen. Über die x-y-Positionierung wird garantiert, daß das Belichtungsmuster in den gewünschten Abmessungen auf dem Substrat 12 entsteht. Die elektrochemische Zelle 6 wird über einen elektrischen Modulator 7 von einer Stromquelle 8 mit elektrischer Energie versorgt. Der elektrische Modulator 7 dient zur Veränderung der Form des elektrischen Stroms, damit bei den Abscheidungsvorgängen optimale Verhältnisse vorherrschen. Beim Wechsel zwischen laser-galvanischen Abscheidungen zur Beschichtung verschiedener Materialien ist die Anode 13 (siehe Fig.2) entsprechend vorteilhaft zu wechsein, bei laser-chemisch-reduktiven Abscheidungen muß die Anode 13 entfernt werden. Die Bereitstellung der günstigsten Anode 13 bei laser-galvanischen Abscheidungen bzw. die Entfernung und Zuführung der Anode 13 beim Wechsel zwischen laser-chemisch-reduktiven und lasergalvanischen Abscheidungsprozessen erfolgt mittels eines Anodenmagazins 9. In Verbindung mit der elektrochemischen Zelle 6 können weiter solche Baugruppensysteme 10 gebracht werden, wie pH-Wert-Messer, Heizung bzw. Kühlung der Metallsalzlösung, Pumpen, Colourimeter, Ultraschallgeber zur Verbesserung der Spülvorgänge, Dosiervorrichtung zur Ergänzung von Badbestandteilen, Reservebehälter für verschiedene Metallsalzlösungen, Filter, Temperaturfühler u.a. Die komplexe Steuerung des Gesamtsystems wird von einer Computereinrichtung 11 vorgenommen.

Entsprechend Fig.2 wird die geeignet vorbehandelte Laserstrahlung 2 mit Hilfe des x-y-z-Positioniersystem 5 so dicht in z-Richtung an das Substrat 12 herangebracht, daß sie nur noch äußerst geringe Wegstrecken zum Substrat 12 durch die Metallösung 14 zurücklegen muß. Dazu wird das x-y-z-Positioniersystem 5 durch eine flexible Wandung 15 in die elektrochemische Zelle 6 geführt, welche so fest mit der Gefäßwand 16 verbunden ist, daß ein Ausdringen der Metallösung unmöglich ist. Die in x- oder y-Richtung ausgetragenen Bewegungen der Laserstrahlung 2 bewirken die strukturierte Abscheidung von Schichten auf dem Substrat 12 entsprechend der bestrahlten und damit thermisch aufgeheizten Zone. Eine aufeinander abgestimmte Modulation von Laserstrahlung 2 und elektrischem Strom der Stromquelle 8 sichert, daß bei Verwendung von Laserimpulsen auch ein negatives Potential auf dem Substrat 12 besteht, wenn die Laserimpulse auf ihm auftreffen. Bei auftretenden Hintergrundplattierungen wird in den Zeitintervallen zwischen den Laserimpulsen der Strom umgekehrt und damit dieser Effekt durch Metallabtrag eingeschränkt.

Auf den Einsatz der Stromquelle 8 und weiterer den elektrischen Strom beeinflussenden Einrichtungen kann beim laserchemisch-reduktiven Abscheiden verzichtet werden. Hier wird das beim laser-galvanischen Abscheiden als Katode dienende Substrat 12 durch ein katalytisch wirksames Substrat ersetzt. Ein problemloses Wechseln der Katode und/oder katalytischer Substrate in Folge wird gewährleistet, da keine störenden Vorrichtungen zur Laserstrahlführung entfernt werden müssen.

Claims (3)

1. - I - DOU /H

   Erfindungsansprüche:

   1. Verfahren zur strukturierten selektiven Abscheidung von Materialien mittels laser-elektrochemischer Einflußnahme, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer üblichen universell für viele Metallsalzlösungen einsetzbaren, über einen breiten Wellenbereich selektiv durchstimmbaren Laserstrahlungsquelle abgegebene und in geeigneter Weise vorbehandelte Laserstrahlung über ein x-y-z-Positioniersystem seitlich an das in der elektrochemischen Zelle befindliche Substrat herangeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dasx-y-z-Positioniersystem zur Vermeidung einer Schwächung der Laserstrahlung beim Durchdringen der Metallösungen und zum Erreichen der Fokussierung der Laserstrahlung nahe der Substratoberfläche durch eine flexible Wandung in der Gefäßwand der elektrochemischen Zelle dicht an das Substrat herangebracht wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadruch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit vom jeweils vorgesehenen laserelektrochemischen Vorgang die Anodenbereitstellung über ein Anodenmagazin erfolgt.

   Hierzu 2 Seiten Zeichnungen