DE10025522B4 - Verfahren zur strukturierten Abscheidung leitfähiger Polymerer - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur strukturierten Abscheidung leitfähiger Polymerer auf einem Substrat aus Silizium und Siliziumdioxid, Metallen, deren Legierungen und Oxiden, Quarz und Keramiken, Polymeren oder Papier, dadurch gekennzeichnet, dass
– auf die Oberfläche des Substrats zunächst eine dünne organische Molekülschicht strukturiert aufgebracht wird, wobei die Moleküle aus einer Haftgruppe aus Silan, Phosphonsäure, Phosphorsäure, Thiol, Carbonsäure, Thio- oder Dithiocarbonsäure bestehen, die über Aryl- oder Alkylgruppen mit 1 bis 30 CH2-Einheiten an eine Kopfgruppe aus Thiophen, Furan, Pyrrol, Anilin oder deren Derivate gekoppelt ist, und die Haftgruppe kovalent an das Substrat gebunden wird und
– anschließend die organische Molekülschicht mit einem Oxidationsmittel und Thiophen, Furan, Pyrrol, Anilin oder deren Derivaten behandelt wird unter Bildung einer strukturierten leitfähigen Polymerschicht.

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 EP 0 587 159 A1 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 dein auf Silizium und Siliziumdioxid, Metallen, deren Legierungen und Oxide, Quarz und Keramiken, Polymeren oder Papier strukturierte Filme intrinsisch leitfähiger Polymere erzeugt werden können.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, dass auf die Oberfläche des Substrats zunächst eine dünne organische Molekülschicht strukturiert aufgebracht wird, wobei die Moleküle aus einer Haftgruppe aus Silan, Phosphonsäure, Phosphorsäure, Thiol, Carbonsäure, Thio- oder Dithiocarbonsäure bestehen, die über Aryl- oder Alkylgruppen mit 1 bis 30 CH2-Einheiten an eine Kopfgruppe aus Thiophen, Furan, Pyrrol, Anilin oder deren Derivate gekoppelt ist, und die Haftgruppe kovalent an das Substrat gebunden wird und anschließend die organische Molekülschicht mit einem Oxidationsmittel und Thiophen, Furan, Pyrrol, Anilin oder deren Derivaten behandelt wird unter Bildung einer strukturierten leitfähigen Polymerschicht.
  • Das Polymer scheidet sich nur auf den Gebieten ab, auf denen die haftvermittelnde Substanz aufgebracht wurde und bildet so dessen Struktur exakt ab. Überraschender Weise 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 üblicher Weise in der Halbleitertechnik verwendet wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Variante zum strukturieren Auftragen einer haftvermittelnden Molekülschicht besteht in der Anwendung einer Stempeltechnik.
  • Struktur und Reaktivität der haftvermittelnden Substanz werden überraschender Weise 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 eine Aryl- oder Alkylgruppe der Länge n = 1-30 CH2-Einheiten verbunden sind.
  • Haftvermittelndes Molekül A:
    Figure 00030001
  • Haftgruppe HG:
  • Silan, Phosphonsäure, Phosphorsäure, Thiol, Carbonsäure, Thio- und Dithiocarbonsäure
  • Kopfgruppe KG:
    • a)
      Figure 00030002
    • b) Anilin
    • c) Derivate von a) oder b).
  • Zum Aufbau der leitfähigen Polymerschicht werden Moleküle B als Monomer verwendet.
  • Moleküle B
    • 1.
      Figure 00040001
    • 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 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.
    •
  • 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, THF 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) enthaltende organische Lösung (Bicyclohexyl, Toluol, Benzol, Tetralin, Decalin, THF oder andere), der Stempel (Material z.B. Polysiloxan) mit der Lösung verbleibt dabei 15 min auf den 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 (3)

  1. Verfahren zur strukturierten Abscheidung leitfähiger Polymerer auf einem Substrat aus Silizium und Siliziumdioxid, Metallen, deren Legierungen und Oxiden, Quarz und Keramiken, Polymeren oder Papier, dadurch gekennzeichnet, dass – auf die Oberfläche des Substrats zunächst eine dünne organische Molekülschicht strukturiert aufgebracht wird, wobei die Moleküle aus einer Haftgruppe aus Silan, Phosphonsäure, Phosphorsäure, Thiol, Carbonsäure, Thio- oder Dithiocarbonsäure bestehen, die über Aryl- oder Alkylgruppen mit 1 bis 30 CH2-Einheiten an eine Kopfgruppe aus Thiophen, Furan, Pyrrol, Anilin oder deren Derivate gekoppelt ist, und die Haftgruppe kovalent an das Substrat gebunden wird und – anschließend die organische Molekülschicht mit einem Oxidationsmittel und Thiophen, Furan, Pyrrol, Anilin oder deren Derivaten behandelt wird unter Bildung einer strukturierten leitfähigen Polymerschicht.
  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.
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