DD291675A7 - Verfahren zur herstellung leitfaehiger strukturen in polymeren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Herstellung leitfaehiger Strukturen in isolierenden Polymermatrizen. Anwendungsgebiete sind die Elektrotechnik, Elektronik und Mikroelektronik. Durch eine Zusammensetzung bestehend aus einem Polymer, Elektronendonator und einem Farbstoff, aus dem waehrend oder nach Zufuhr einer energiereichen Strahlung das Dotierungsmittel abgespalten wird, ist es moeglich in einem Arbeitsschritt elektrisch leitfaehige Strukturen, insbesondere Leiterbahnen herzustellen. Der Farbstoff dient dabei gleichzeitig als Sensibilisator fuer die entsprechende Wellenlaenge.{Polymermatrizen; leitfaehige Strukturen; Elektronendonator; Dotierungsmittel; Leiterbahnen; Polymer; Mikroelektronik; Elektrotechnik; energiereiche Strahlung}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung leitfähiger Strukturen in Polymeren zur Anwendung in der Elektronik, Mikroelektronik und Elektrotechnik.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Herstellung leitfähiger polymerer Filme werden unterschiedliche Verfahren angewandt (z. B. Seymour, R., Condu Jtive Polymers, Plenum Press, New York 1981).

Eine vielversprechende Methode, um hochleitfähige Schichte" --J erhalten, ist das Einbringen niedermolekularer Charge-Transfer (CT)-Komplexo in die Polymermatrix, wobei die posi jven Eigenschaften der verwendeten Polymeren wie mechanisches, thermisches und optisches Verhalten nur wenig beeinflußt werden. In dem Europapatent 0147871 A2 und im US-Patent 4478922 wird eine Dotierung des Polymeren mit hochleitfähigen CT-Komplexen vorgeschlagen, wobei die Bildung der leitfähigen Schicht durch Kristallisation der Zusätze in der Polymermatrix entsteht. Zu diesem Zwecke wird das Polymer z. B. Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyacrylnitril (PAN) in einem geeigneten Lösungsmittel aufgelöst und ein leitfähiger CT-Komplex z. B. Tetrathiafulvalen (TTF)/Tetracyanochinodimethan (TCNQ) oder Tetrathiatetracen (TTT)/TCNQ in einem Gewichtsverhältnis von 0,1-5% zur Polymereinwaage zugesetzt. Durch Verdampfen des Lösungsmittels und Verfestigung des Polymeren wird gleichzeitig der CT-Komplex in der Polymermatrix fixiert. Die Wahl der Versuchsbedingungen, z. B. Temperatur, Druck, Viskosität bestimmt die Bildung unterschiedlicher CT-Kristallite, wobei besonders dendritische Strukturen bevorzugt zur Leitfähigkeit beitragen (US-Patent 4478922, Ulanski, J., u.a. Material Science 10 [1984] 1-2, S. 299-302). Der Nachteil bei den aufgeführten Erfindungen ist, daß eine gezielte Strukturierung im μηνΒβΓβΐοη, wie z.B. für Leiterbahnen in der Mikroelektronik benötigt wird nicht bzw. nur unter schwierigen und aufwendigen Bedingungen herstellbar ist. In der DE-OS 262 7828 wird ein Verfahren zur Herstellung eines hochleitenden Bildes durch optisches Drucken beschrieben. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man eine Lösung mit einem Gehalt an einer organischen-Elektronen-Donorverbindung und einem Halogenkohlenwasserstoff auf ein Substrat aufträgt, danach mit aktinischer Strahlung in 3inem vorbestimmten Muster belichtet und das überschüssige Lösungsmittel und/oder den Halogenkohlenwasserstoff verdampft. Die Verbindungen, die in der DE-OS 2627828 verwendet werden, sind vom (Donor)X_n-Typ, wobei dor Donor vorrangig aus der Gruppe von Tetrathiafulvalen. Tetraselenafulvalen, cis/trans-Diselenodith afulvalon stammt und X aus der Gruppe von F, Br, Cl und I gewählt ist (n<1).

Ein wesentlicher Nachteil besteht in der aufgeführten Erfindung darin, daß Farbstoffe ausschließlich zur Sensibilisierung der Photoreaktion genutzt werden. Zur Erzielung der gewünschten Reaktion im technisch relevanten sichtbaren spektralen Anregungsbereich würden somit die Verbindungen aus der organischen n-Elektronen-Donorverbindung, dem Halogenkohlenwasserstoff und dem Farbstoff bestehen.

Durch die Anwendung der vorgeschlagenen Vielkomponentensysteme ergeben sich Nachteile, die einer technischen Anwendung der Erfindung hinderlich sind bzw. stark einschränken. Diese sind u. a. ein komplizierter Schichtaufbau und damit zusätzliche Prozeßschritte bei der Schichtherstellung, ein hoher Materialverbrauch, eine ungünstige Reaktionsrührung, das Auftreten zusätzlicher Übertragungsfehler, sowie eine geringe Strahlungsenergieauslastung. Für eine breite Anwendung ergibt sich zu dem noch die Schwierigkeit, die Forderung nach einem geme'nsamen Lösungsmittel aller Teilkomponenttn zu erfüllen. Ein weiterer Nachteil der angegebenen Patentschrift ist, daß die aufgeführten Verbindungen lediglich auf Substratmaterialien wie Glas, Keramik oder polymere Materialien, Papier und dergleichen abgeschieden wurden und somit für eine technische Lösung z. B. Leiterplatten nur eine begrenzte Bedeutung haben.

Ziel mußte es daher sein, unter Einbeziehung der für eine hohe Leitfähigkeit in polymere Matrizen günstigen Eigenschaften von CT-Komplexen, eine gezielte Mikrostrukturierung in einem Arbeitsschritt, unter Anwendung einsr technisch optimalen Prozeßführung vornehmen zu können.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, in einem Arbeitsschritt leitfähige Strukturen, vorrangig Leiterbahnen, in eine isolierende Polymermatrix mit Hilfe von energiereicher Strahlung einzuschreiben.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung durch Einwirkung von Strahlung, z.B. Laserstrahlung, aus Farbstoffen ein Dotierungsmittel freizusetzen, welches mit dem in der Polymermatrix befindlichen Elektronendonator einen Komplex bildet und dadurch die Leitfähigkeit in den bestrahlten Bereichen zu erhöhen. Der Farbstoff übernimmt dabei zwei Aufgaben. Zum einen dient er zur Absorption der angewendeten energiereichen Strahlung (Sensibilisierung), zum anderen wird durch Einwirkung der Strahlung aus ihm das zur Bildung elektrisch leitfähiger Strukturen benötigte Dotierungsmittel abgespalten.

Als Elektronendonatoren kommen vorrangig Tetrathiafulvalene (TTF), Tetraselenafulvalene (TSF), Tetrathiatetracene (TTT) und Tetraselenatetracene (TST) sowie konjugiert ungesättigte Polymere, die durch Oxidation in leitfähige Materialien übergehen, z.B. Polyparaphenylensulfide, Polythiophene, Polyarylene und Polyarylenvinylene in Frage.

Die zur Komplexbildung benötigten Akzeptoren, welche durch Einwirk, ng von Laserstrahlung abgespalten werden, sind hauptsächlich Jod, Brom, AsF₆, IF₆, HSO₃F, SO₃, SbCI₆ usw.

Wird z. B. TTF mittels Jod in die Radikalkationen überführt, erhöht man also den Grad des Ladungstransfers, so steigt cho Leitfähigkeit an. Als Trägerpolymere kommen alle handelsüblichen Polymere in Frage, Voraussetzung ist, daß sich das Polymer, der Elektronendonator und der Farbstoff in einem gemeinsamen Lösungsmittel lösen lassen und eine geeignete Filmbildung möglich ist.

Als Farbstoffe, aus denen das Dotierungsmittel durch Einwirkung von Strahlung abgespalten werden soll, und die gleichzeitig die zu erzeugende polymere Leiterplatte für die entsprechende Wellenlänge sensibilisieren, können z. B. Erythrosin und Eosin angewendet werden.

Die Auswahl der einzusetzenden Energiequellen, z. B. des Lasers, richtet sich nach der geforderten Mikrostrukturierung bzw. muß einer vorgegebenen Materialzusammensetzung angepaßt werden.

Sollen nicht nur Leiterbahnen an der Oberfläche der Polymermatrix erzeugt werden, sondern diese sich in einer bestimmten Tiefe des Polymeren befinden bzw. sich über die g*"ize Polymerschichtdicke erstrecken, ist es vorteilhaft, Farbstoffe einzusetzen, die unter der Einwirkung der Strahlung ihr Absorptionsvermögen ändern (s. DD 213530) bzw. einen Farbstoffgradienten in der Schicht anzuwenden (s. DD 217645). Zum Schutz der erzeugten leitfähigen Strukturen und gegebenenfalls zur erhöhten Isolierung kann nachträglich auf der bestrahlten Leiterplatte eine zusätzliche Deckschicht aufgebracht werden, bzw. es ist möglich, die Deckschicht vor der Bearbeitung aufzubringen und durch diese zu belichten.

Ausführungsbelspiele

1. Eine 12%ige Polyvinylacetat-Methanol-Lösung wurde mit 10Gew.-% Erythrosin und 1 Gew.-% arylenverbrücktem TTF (Gew.-% bezogen auf die Polymereinwaage) versetzt und auf Polyethylenfolien aufgeschleudert.

Die so hergestellten Folien wurden mittels Argonlaser (Wellenlänge 488 nm, Strahlungsfluß 1,5W) und Nachfolgeoptik streifenweise belichtet. Die Scangeschwindigkeit betrug 60cms~\ Die belichteten Bahnen wiesen eine im Gebiet der Halbleiter liegende Leitfähigkeit von 1(T² Scm"¹ auf. Zwischen zwei im Abstand von 2 mm befindlichen parallelen Leiterbahnen der Länge 50mm wurde ein Widerstand des unbestraften Materials größer 10⁸Ohm gemessen. In einem Temperaturbereich von -15O⁰C bis +12O⁰C konnte keine signifikante Temperaturabhängigkeit der Leiterbahnen festgestellt werden. Oberhalb einer Temperatur von 200°C beginnen sich die verwendeten TTF langsam zu zersetzen (Aufheizgeschwindigkeit 5Kmin"').

2. Eine 12%ige Polyvinyiacetat-Methanol-Lösung wurde mit 10Gew.-% Erythrosin und 1 Gew.-% TTF (Gew.-% bezogen auf die Polymereinwaage) versetzt und auf Polyamidfolien aufgeschleudert. Zusätzlich wurde eine Deckfolie aus Polyvinylacetat verwendet, durch welche mit einem Argonlaser und Nachfolgeoptik streifenweise belichtet wurde. Bei einer Wellenlänge von 514 nm, einem Strahlungsfluß von 0,8 W und einer Scangeschwindigkeit von 60cms~' wiesen die belichteten Streifen eine Leitfähigkeit von 5-ΙΟ"² Scm"¹ auf.

Wie im ersten Ausführungsbeispiel wurde ein Widerstand größer 10⁸Ohm im unbestrahlten Material gemessen. Das Temperaturverhalten des Materials entsprach annähernd dem des im ersten Beispiel angeführten.

Eine nicht betriebsbedingte kurzzeitige Temperaturerhöhung der Leiterplatte auf 200°C veränderte nicht ihro Eigenschaften.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung leitfähiger Strukturen in Polymeren, gekennzeichnet dadurch, daß eine Zusammensetzung bestehend aus Polymer, Elektronendonator, einem Farbstoff, aus dem während oder nach der Energiezufuhr das Dotierungsmittel abgespalten wird, angewendet wird, wobei solche Farbstoffe in Betracht kommen, die gleichzeitig die herzustellende leitfähige Polymermatrix für die entsprechende Wellei .länge sensibilisioren.

2. Verjähren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß energiereiche Strahlung, vorrangig Laserstrahlung zur Abspaltung des Dotierungsmittels, eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß Farbstoffe eingesetzt werden, die in der Lage sind, als Oxidationsmittel vorrangig Halogene freizusetzen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zum Schutz der hergestellten leitfähigen Bahnen bzw. zur zusätzlichen Isolierung, eine Deckschicht nachträglich aufgebracht wird bzw. durch eine vorher aufgebrachte Deckschicht belichtet wird.