DE10025522A1 - Verfahren zur strukturierten Abscheidung leitfähiger Polymere - Google Patents

Verfahren zur strukturierten Abscheidung leitfähiger Polymere

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur strukturierten Abscheidung leitfähiger Polymere auf einem Substrat aus Silizium und Siliziumdioxid, Metallen, deren Legierungen und Oxide, Quarz und Keramiken, Polymeren oder Papier, dadurch gekennzeichnet, dass DOLLAR A - zunächst eine haftvermittelnde kovalent gebundene organische Molekülschicht aus Molekülen A, die aus einer Haftgruppe HG und einer Kopfgruppe KG bestehen und durch einen Aryl- oder Alkylspacer der Länge 0 bis 30 CH¶2¶-Einheiten gekoppelt sind, strukturiert auf der Oberfläche des Substrates aufgebracht wird, wobei sich in den strukturierten Bereichen ein dünner Film der organischen Verbindung ausbildet, DOLLAR A - eine anschließende Behandlung mit einem Polymere bildenden Oxidationsmittel mittels Molekülen B vorgenommen wird, wobei sich das Polymer auf der organischen Schicht haftfest ausbildet DOLLAR A - und so eine strukturierte Polymerschicht erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur strukturierten Abscheidung leitfähiger Polymere nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Leitfähige Polymere können elektrochemisch, chemisch oder photoinduziert hergestellt werden. Bei den in der Literatur beschriebenen Strukturierungsmethoden wird in der Regel zuerst ein geschlossener Film des leitfähigen Polymeren aufgebracht (z. B. elektrochemisch oder photochemisch), der in einem zweiten Schritt durch Laserablation, Laserumwandlung, Carbonisierung oder Elektronenstrahlschreiber strukturiert wird.
Diese Verfahren weisen alle den Nachteil vieler, zum Teil langwieriger Prozessschritte auf, die sie für eine industrielle Anwendung ungeeignet machen.
Eine strukturierte Abscheidung von Polymerfilmen ist für elektrochemisch dargestellte Polymere durch die Form des leitenden Untergrundes bzw. durch laserinduzierte Abscheidung auf halbleitenden Substraten möglich.
Oligomere bzw. lösliche Derivate lassen sich durch Spincoating oder Aufdampfen applizieren (unter Umständen auch strukturiert). Die Herstellung solcher Derivate ist aber aufwändig und kostenintensiv. Problematisch ist dabei auch, dass keine hinreichende Haftfestigkeit gegeben und die Verwendung in Flüssigkeiten auf Grund der Löslichkeit nicht möglich ist.
Auf nichtleitenden Substraten (Oxide, Kunststoffe etc.) sind bisher keine Verfahren zur strukturierten Abscheidung von haftfesten und nicht löslichen Schichten leitfähiger Polymere bekannt geworden.
Es besteht ein anhaltendes Bedürfnis, leitfähige Polymere als Materialien für Bauelemente der Mikroelektronik (z. B. Transistoren u. a.) auf einfache Art und Weise strukturiert herzustellen.
Aus der DE 198 15 220 A1 ist ein Verfahren zur haftfesten und dichten Metallisierung von chemisch nicht oder nur schwer plattierbaren Oberflächen, wie zum Beispiel Silizium und dessen Oxidoberfläche, Leichtbaumetalle wie Aluminium, Titan oder Magnesium sowie deren Legierungen und Oxide, Oxiden und Keramiken bekannt. Das Verfahren beruht darauf, dass auf einer Substratoberfläche eine kovalent gebundene, organische Molekülschicht durch einen Tauchprozess aufgebracht wird, und diese gebundenen Moleküle durch eine Polymerisation mit weiteren Monomeren zu einer haftfesten, dichten, leitfähigen Polymerschicht entwickelt werden. Die leitende Polymerschicht kann anschließend galvanisch oder außen stromlos weiter verstärkt werden. In der Druckschrift sind Haftvermittlermoleküle für das Verfahren zur Plattierung von Oberflächen beschrieben.
Die Beschreibung eines gut haftenden Thiophenderivates ist in der Druckschrift JP 24 23 52/92 erfolgt. Die Synthese des Moleküls sowie das Aufbringen als adsorbierter Film auf die Substratoberfläche werden dargestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf Silizium und Siliziumdioxid, Metallen, deren Legierungen und Oxiden, Quarz und Keramiken, Polymeren oder/­ Papier strukturierten Filmen intrinsisch leitfähige Polymere erzeugt werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren dadurch gelöst, dass
  • - zunächst eine haftvermittelnde, kovalent gebundene, organische Molekülschicht aus Molekülen A, die aus einer Haftgruppe HG und einer Kopfgruppe KG bestehen und durch einen Aryl- oder Alkylspacer der Länge 0 bis 30 CH2-Einheiten gekoppelt sind, strukturiert auf der Oberfläche des Substrates aufgebracht wird, wobei sich in den strukturierten Bereichen ein dünner Film der organischen Verbindung ausbildet,
  • - eine anschließende Behandlung mit einem Polymere bildenden Oxidationsmittel mittels Molekülen B vorgenommen wird, wobei sich das Polymer auf der organischen Schicht haftfest ausbildet
  • - und so eine strukturierte Polymerschicht erzeugt wird.
Das Polymer scheidet sich nur auf den Gebieten ab, auf denen die haftvermittelnde Substanz aufgebracht wurde und bildet so dessen Struktur exakt ab. Überraschenderweise lässt sich die haftvermittelnde Substanz ohne Einbuße an Wirksamkeit sehr einfach strukturiert auftragen.
Vorteilhaft erfolgt die strukturierte Abscheidung der haftvermittelnden Molekülschicht durch eine teilweise Maskierung des Substrates, z. B. durch eine Lackmaske, wie sie üblicherweise in der Halbleitertechnik verwendet wird.
Eine weitere, vorteilhafte Variante zum strukturierten Auftragen einer haftvermittelnden Molekülschicht besteht in der Anwendung einer Stempeltechnik.
Struktur und Reaktivität der haftvermittelnden Substanz werden überraschenderweise weder durch Stempelmaterial noch durch technologische Schritte, z. B. des Photolithographieprozesses, negativ beeinflusst.
Die zur Herstellung einer haftvermittelnden, kovalent gebundenen, organischen Molekülschicht verwendeten Moleküle A sind gekennzeichnet durch eine Haftgruppe HG zur Anbindung an das Substrat und eine reaktive Kopfgruppe KG, die durch einen Arylspacer oder Alkylspacer der Längen n = 0-30 CH2-Einheiten verbunden sind.
Haftvermittelndes Molekül A
Haftgruppe HG
Silan, Phosphonsäure, Phosphorsäure, Thiol, Carbonsäure, Thio- und Dithiocarbonsäure
Kopfgruppe KG
  • 1. 
  • 2. 
    Anilin
    Derivate von 1. oder 2.
Zum Aufbau der leitfähigen Polymerschicht werden Moleküle B als Monomer verwendet.
Moleküle B
  • 1. 
    X = S, O, NR
  • 2. 
    Anilin
    Derivate von 1. oder 2.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt in einfachen Prozessschritten, Strukturen bis in den Submikrometerbereich darzustellen.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die einzige Fig. 1 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer strukturierten Schicht (entsprechend Ausführungsbeispiel 1). Hier wird die gute Strukturauflösung und die Homogenität der entstehenden Schichten deutlich sichtbar.
Die strukturierten, leitfähigen Polymere lassen sich direkt verwenden oder galvanisch bzw. chemisch außenstromlos metallisieren.
Beispiel 1
Silizium/Siliziumdioxid-Oberflächen wurden nach folgenden Prozessschritten strukturiert mit einem leitfähigen Polymer beschichtet.
  • 1. Beschichtung des Substrates mit Hexamethyldisilazan
  • 2. Aufbringen und Strukturieren einer Photomaske
  • 3. 60 min. Tauchen in eine 11-(3-Thienyl)undecyltrichlorsilan (20 mg/l) enthaltende, organische Lösung (Bicyclohexyl, Toluol, Benzol, Tetralin, Decalin, TUE oder andere) bei Raumtemperatur
  • 4. Spülen mit Chloroform und Wasser 1 min. Spülen in einem organischen Lösungsmittel (z. B. Aceton) zur vollständigen Entfernung der Photomaske
  • 5. Tauchen in eine organische Lösung von Oxidationsmittel und Zugabe des Monomeren (Polymerisationsdauer 1 h)
  • 6. 5 min Waschen des Substrates mit Methanol/CHCl3 im Ultraschallbad
  • 7. Trocknen im Stickstoffstrom
Die Photomaske kann auch nach dem 6. Prozessschritt entfernt werden. Dabei ist kein Einfluss bei der Strukturbildung des Polymers zu erkennen.
Beispiel 2
Quarz-Oberflächen wurden nach folgenden Prozessschritten strukturiert mit leitfähigem Polymer beschichtet.
  • 1. Stempeln einer 11-(3-Thienyl)undecyltrichlorsilan (20 mg/l) enthaltenden, organischen Lösung (Bicyclohexyl, Toluol, Benzol, Tetralin, Decalin, THF oder andere); der Stempel (Material z. B. Polysiloxan) mit der Lösung verbleibt dabei 15 min auf dem Substrat
  • 2. Spülen mit Chloroform und Wasser zur vollständigen Entfernung von Resten der Haftvermittlerlösung
  • 3. Tauchen in eine organische Lösung von Oxidationsmittel und Zugabe des Monomeren (Polymerisationsdauer 1 h)
  • 4. 5 min. Waschen des Substrates mit Methanol/CHCl3 im Ultraschallbad
  • 5. Trocknen im Stickstoffstrom

Claims (5)

1. Verfahren zur strukturierten Abscheidung leitfähiger Polymere auf einem Substrat aus Silizium und Siliziumdioxid, Metallen, deren Legierungen und Oxiden, Quarz und Keramiken, Polymeren oder Papier, dadurch gekennzeichnet, dass
  • - zunächst eine haftvermittelnde, kovalent gebundene, organische Molekülschicht aus Molekülen A, die aus einer Haftgruppe HG und einer Kopfgruppe KG bestehen und durch einen Aryl- oder Alkylspacer der Länge 0 bis 30 CH2-Einheiten gekoppelt sind, strukturiert auf der Oberfläche des Substrates aufgebracht wird, wobei sich in den strukturierten Bereichen ein dünner Film der organischen Verbindung ausbildet,
  • - eine anschließende Behandlung mit einem Polymere bildenden Oxidationsmittel mittels Molekülen B vorgenommen wird, wobei sich das Polymer auf der organischen Schicht haftfest ausbildet
  • - und so eine strukturierte Polymerschicht erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Abscheidung der haftvermittelnden Molekülschicht durch eine teilweise Maskierung des Substrates erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die haftvermittelnde Molekülschicht durch Stempeltechnik aufgetragen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein haftvermittelndes Molekül A, bestehend aus
mit einer Haftgruppe HG aus Silan, Phosphonsäure, Phosphorsäure, Thiol, Carbonsäure, Thio- oder Dithiocarbonsäure und einer Kopfgruppe KG aus
  • a) 
oder
  • a) Anilin oder
  • b) Derivaten von a) oder b)
verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbau der leitfähigen Polymerschicht Moleküle B als Monomer verwendet werden, wobei das Molekül B aus
  • a) 
oder
  • a) Anilin oder
  • b) Derivaten von a) oder b) besteht.
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