DE102006050023B4 - Verfahren zur Bearbeitung von Material durch Schwerionenbestrahlung und nachfolgenden Ätzprozess - Google Patents

Verfahren zur Bearbeitung von Material durch Schwerionenbestrahlung und nachfolgenden Ätzprozess Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Bearbeitung von Material durch Schwerionenbestrahlung und nachfolgenden Ätzprozess nachfolgende Verfahrensschritte aufweisend:
– Bestrahlung der Oberfläche (1) des Materials (2) mit Schwerionen vorbestimmter Art in Bezug auf Massezahl und Kernladungszahl und vorbestimmter Anfangsenergie derart, dass ein vorbestimmter Energieübertrag dE/dx vom Schwerion auf das dielektrische Material (2) entlang der Ionentrajektorie (3) in das Innere des Festkörpers bewirkt wird und
– nachfolgenden Ätzprozess, wobei die Temperatur des Ätzmittels (5) entlang der Bewegungstrajektorie (3) der Schwerionen nicht konstant ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Material durch Schwerionenbestrahlung und nachfolgenden Ätzprozess. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Ausnehmungen oder Durchbrüchen durch nasschemische Ätzung, bei dem mit energiereichen Schwerionen bestrahlte Oberflächen von Festkörpern oder Folien aus einem dielektrischen Material der Einwirkung eines Ätzmittels ausgesetzt werden, wodurch die infolge des Eindringens der Schwerionen erzeugten latenten Ionenspuren zu Ausnehmungen oder Durchbrüchen erweitert werden.
  • Mit Ausnehmungen versehene und dadurch in besonderer Weise strukturierte Oberflächen, vorzugsweise eines dielektrischen Trägermaterials, bilden die Grundlage für das haftfeste Aufbringen einer Schicht, bevorzugt einer Metallschicht, auf das Trägermaterial. Mit Durchbrüchen, sogenannten Mikroporen, versehene Folien, vorzugsweise Polymerfolien, werden als Ionenspurmembrane bezeichnet und dienen der Herstellung von Filtern zur Ultra- oder Mikrofiltration.
  • Es ist bekannt, in die Oberfläche eines Festkörpers aus einem dielektrischen Material, dabei kann es sich sowohl um Festkörper mit vergleichsweise großer räumlicher Tiefe als auch um Folien handeln, durch Bestrahlung mit energiereichen Schwerionen sogenannte latente Ionenspuren einzubringen. Diese entstehen, indem infolge des Eindringens energiereicher Schwerionen in das dielektrische Material und der damit verbundenen Wechselwirkung der Schwerionen mit dem dielektrischen Material entlang der Ionentrajektorie, d. h. der Bahn des in das Material eindringenden Schweriones, ein Bereich mit einer radialen Ausdehnung bis zu einigen 10 nm physikalisch und chemisch aktiviert wird, indem die dort lokalisierten Atome angeregt oder ionisiert, chemische Bindungen aufgebrochen und freie Radikale erzeugt werden. Die Schwerionen werden infolge dieser Wechselwirkungsprozesse beim Eindringen in das dielektrische Material abgebremst, ihre kinetische Energie quasi im dielektrischen Material deponiert. Die Schwerionen können das Material durchdringen, d. h. an der dem Eindringen gegenüberliegenden Seite wieder verlassen oder als Fremdatom im Material verbleiben, indem sie vollständig zum Stillstand gebracht werden. Die vorbenannten Wechselwirkungsprozesse sind zunächst inelastische Stöße der Schwerionen mit den Elektronen der Atome des dielektrischen Materials, wobei die Elektronen durch die beim Stoßprozess übertragene Energie in ein höheres Energieniveau gehoben oder in das energetische Kontinuum gebracht werden, später, bei hinreichend niedriger Energie, Stöße mit den Atomkernen selbst. Es ist bekannt und beispielsweise in der DE 100 58 822 A1 beschrieben, dass die Eigenschaften der latenten Ionenspuren, die in ein konkretes dielektrisches Material eingebracht wurden, zum einen durch das dielektrische Material selbst, zum anderen durch die Bestrahlungsbedingungen determiniert werden. Zu nennen sind dabei
    • I. die Art der Schwerionen, gekennzeichnet durch Massezahl und Kernladungszahl und
    • II. die Anfangsenergie der Schwerionen, d. h. ihre Energie bei Eintritt in das dielektrische Material.
  • Von den genannten Faktoren hängen sowohl die Länge der Ionenspuren, d. h. die Eindringtiefe oder das Durchdringen der Schwerionen in bzw. durch das dielektrische Material, als auch die laterale Verteilung der übertragenen Energie entlang der Ionentrajektorie, d. h. der Grad der Anregung oder Ionisierung der lokalen Atome, Art und Umfang des Aufbrechens chemischer Bindungen und Art und Umfang der Erzeugung freier Radikale ab. Sie bilden damit die Grundlage dafür, in welchem Umfang in einem nachfolgenden Ätzprozess das Ätzmittel das Material der latenten Ionenspur im Vergleich zum ungestörten Material angreifen kann. Die Gestalt der im Ätzprozess entstehenden Ausnehmungen oder Durchbrüche, insbesondere ihre geometrischen Abmessungen, sind damit unmittelbar von den Parametern der Bestrahlung bestimmt.
  • Zur Charakterisierung der Wirkung der Bestrahlung für den nachfolgenden Ätzprozess kann die Selektivität S, definiert als das Verhältnis zwischen der Spurätzrate vT, d. h. der Ätzrate im Bereich der latenten Ionenspur und der Materialätzrate vB, d. h. der Ätzrate im ungestörten Material, herangezogen werden. Die Selektivität S ist eine Funktion des Energieübertrages dE/dx vom Schwerion auf das dielektrische Material entlang der Ionenspur, wobei der Energieübertrag dE/dx seinerseits von der Energie des einzelnen Schweriones (Ionenenergie je Nukleon [amu]) abhängt. Die entsprechenden Zusammenhänge sind bekannt und beispielsweise in der DE 100 58 822 A1 erläutert.
  • Die Kenntnis der vorgenannten Zusammenhänge ermöglicht in bestimmten Grenzen eine gezielte Einstellung der Selektivität S entlang einer Ionenspur und damit ebenso in bestimmten Grenzen eine Vorbestimmung der Geometrie der im nachfolgenden Ätzprozess entstehenden Ausnehmungen oder Durchbrüche, wobei der im Ätzprozess erzeugte Materialabtrag natürlich auch vom Ätzmittel selbst, seiner Zusammensetzung, seiner Konzentration, seines pH-Wertes und seiner Temperatur abhängt. Änderungen der Ätzbedingungen während des Ätzprozesses beeinflussen den Materialabtrag und damit die Form der entstehenden Ausnehmungen oder Durchbrüche. Insbesondere bei der Erzeugung von Durchbrüchen durch Folien, beispielsweise zur Herstellung von Ionenspurmembranen, kann die geometrische Form der Durchbrüche auf diese Weise gut beeinflusst und vorbestimmt werden. Dies hängt vor allem damit zusammen, dass zur Bestrahlung energiereiche Schwerionen mit einer Ionenenergie größer 1 MeV/amu verwendet werden, die die Folie vollständig ohne erheblichen Energieverlust durchdringen und damit einen weitgehend konstanten Energieübertrag dE/dx vom Schwerion auf das dielektrische Material entlang der Ionentrajektorie und damit eine weitgehend konstante Beeinflussung des dielektrischen Materiales entlang der Ionentrajektorie oder anders gesagt eine weitgehend konstante Selektivität S entlang der Ionenspur bewirken.
  • Zur Erzeugung von Ausnehmungen für eine Oberflächenstrukturierung, die nach dem Ätzprozess vorzugsweise nicht tiefer als 10 µm in das Material hineinreichen soll, sind einer Beeinflussung der geometrischen Form der beim Ätzprozess entstehenden Ausnehmungen erhebliche Grenzen gesetzt. Ursache hierfür ist, dass die Ionenenergie der zur Bestrahlung eingesetzten Schwerionen nur so groß sein darf, dass sie beim Eindringen in das dielektrische Material innerhalb der Tiefe der zu erzeugenden Oberflächenstruktur, also beispielsweise nach 15 µm, vollständig abgebremst sein müssen. Bei einer derartig geringen Ionenenergie ist die Intensität der Wechselwirkung der eindringenden Schwerionen mit den lokalen Atomen des umgebenden Materials aber in erheblichem Maße eine Funktion der Ionenenergie. Der Energieübertrag dE/dx ist von der Oberfläche in das Innere des Materials gesehen, also entlang der Ionentrajektorie, eine stetig abnehmende Funktion. Das bedeutet, dass die bewirkte Selektivität S entlang der Ionentrajektorie ebenso stark abnimmt, bis sie letztendlich im Bereich des Endes der Ionentrajektorie den Wert 1 erreicht. Bei einer solchen Funktion der Selektivität S entlang der Ionentrajektorie ist es mit den bekannten Verfahren nur möglich, konische Ausnehmungen (kegelförmige Poren) zu erzeugen.
  • Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Bearbeitung von Material durch Schwerionenbestrahlung und nachfolgenden Ätzprozess, mit dem Ausnehmungen und Durchbrüche erzeugt werden können, deren geometrische Abmessungen in weiten Grenzen variabel sind und die insbesondere eine sich in des Material hinein erweiternde Geometrie aufweisen können.
  • Erfindungsgemäß wird dieses Ziel mit einem Verfahren gemäß dem 1. Patentanspruch erreicht. Die zugehörigen Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Der Erfindung liegt zugrunde, dass insbesondere bei einer Materialbearbeitung zur Erzeugung von Ausnehmungen in die Oberfläche eines dielektrischen Materials zur Schaffung einer vorbestimmten Oberflächenstruktur eine Bestrahlung der Materialoberfläche mit Schwerionen geringer Ionenenergie je Nukleon erfolgt, so dass ein vollständiges Abbremsen der Schwerionen innerhalb einer geringen Materialschichtdicke erfolgt, woraus mit zunehendem Eindringen eines Schweriones in das Material, bedingt durch die stark abnehmende Energieabgabe des Schweriones an die lokalen Atome des Materials, mit denen es in Wechselwirkung tritt, mit zunehmender Abbremsung des Schwerions eine erheblich verringerte Materialbeeinflussung bewirkt wird. Entlang der Ionentrajektorie nimmt der Energieübertrag dE/dx vom Schwerion auf das umgebende Material stark ab, d. h. es verringern bzw. verändern sich erheblich der Grad der Anregung oder Ionisierung der lokalen Atome, die Art und der Umfang des Aufbrechens chemischer Bindungen und die Art und der Umfang der Erzeugung freier Radikale. Damit sinkt die die Wirkung des Ätzmittels beschreibende Selektivität S, d. h. das Verhältnis zwischen der Spurätzrate vT (Ätzrate im Bereich der Ionentrajektorie) und der Materialätzrate vB (Ätzrate im ungestörten Material) entlang der Ionentrajektorie, bis sie letztlich im Bereich des Endes der Ionentrajektorie den Wert 1 erreicht. Der Erfindung liegt weiterhin zugrunde, dass die Selektivität S eine starke Abhängigkeit von der Temperatur Tätz des Ätzmittels aufweist.
  • Erfindungsgemäß kann der Verringerung der Selektivität S entlang der Ionentrajektorie infolge der im Verlaufe des Eindringens eines Schweriones geringer werdenden Materialbeeinflussung durch eine Erhöhung der Temperatur Tätz des Ätzmittels entlang der Ionentrajektorie entgegengewirkt werden. 1 veranschaulicht zum einen prinzipiell den Verlauf der Selektivität S als Funktion des Energieübertrages (dE/dx) entlang einer Ionentrajektorie, und zwar beginnend von der Oberfläche mit x = 0 bis zum Ende der Ionentrajektorie mit x = x1, und zum anderen einen prinzipiellen Verlauf der Selektivität S als Funktion der Temperatur des Ätzmittels (Tätz) mit Tätz(x = 0) < Tätz(x = x1). Grundsätzlich ist es damit möglich, durch eine Überlagerung beider Funktionen der Selektivität S(dE/dx) und der Selektivität S(Tätz) entlang der Ionentrajektorie eine Gesamtselektivität Stotal zu realisieren, die unterschiedliche Geometrien der beim Ätzprozess entstehenden Durchbrüche oder Ausnehmungen bewirkt. In 2 sind beispielhaft drei Verläufe der sich erfindungsgemäß durch Überlagerung der Selektivitäten S(dE/dx) und S(Tätz) ergebenden Gesamtselektivität Stotal und die damit beim Ätzprozess erzeugten Geometrien von Ausnehmungen veranschaulicht. Natürlich sind diese veranschaulichten prinzipiellen Zusammenhänge auch auf die Erzeugung von Durchbrüchen übertragbar.
  • Die Erfindung soll anhand zweier Ausführungsbeispiele nachfolgend weiter erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
  • 3: eine schematische Anordnung zur Realisierung des Ätzprozesses des erfindungsgemäßen Verfahrens, in
  • 4: die schematische Darstellung einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Oberflächenstruktur, in
  • 5: die schematische Darstellung (Schnitt) eines haftfesten Polymer-Metall-Verbundes auf der Grundlage einer erfindungsgemäß in die Polymeroberfläche eingebrachten Oberflächenstruktur und in
  • 6: die schematische Darstellung (Schnitt) eines Mehrlagenschaltungsträgers unter Verwendung von Trägermaterial mit einer erfindungsgemäß realisierten Oberflächenstruktur.
  • Der Ätzprozess des erfindunggemäßen Verfahrens kann beispielsweise mittels einer Anordnung, wie in 3 prinzipiell dargestellt, realisiert werden. In die Oberfläche 1 eines Trägermaterials 2 wurden durch Bestrahlung mit Schwerionen mit einer definierten Anfangsenergie latente Ionenspuren 3 derart eingebracht, dass ihre Richtungsvektoren überwiegend nicht parallel verlaufen und ihre Länge ca. 3 µm beträgt. Zu der mit latenten Ionenspuren 3 durchsetzten Oberfläche 1 des Trägermaterials 2 weisend ist eine Sprüheinrichtung 4 zum Versprühen eines Ätzmittels 5 angeordnet. Die Sprüheinrichtung 4 ist mit einer Einrichtung (nicht dargestellt) zur Temperierung des Ätzmittels 5 versehen. Zu der gegenüberligenden Oberfläche 6 des Trägermaterials 2 weisend ist eine Heizeinrichtung 7 angeordnet.
  • Die Temperatur Tätz des versprühten Ätzmittels 5 und die Temperatur TH der Heizeinrichtung 7 sind so bemessen, dass sich zwischen den Oberflächen 1 und 7 des Trägermaterials ein Temperaturübergangsverlauf einstellt, der einen Verlauf der Selektivität S(Tätz) beginnend von der Oberfläche 1 bis zum Ende der latenten Ionenspuren 3, d. h. entlang eines Weges von ca. 3 µm, wie in 2, Variante c gezeigt, einstellt. Durch den Ätzprozess entstehen Ausnehmungen entlang den latenten Ionenspuren 3 mit einer Geometrie, wie in 2, Variante c veranschaulicht. Ihr Durchmesser beträgt an der Oberfläche 1 des Targetmaterials 2 ca. 0,5 µm. Er erweitert sich in das Trägermaterial hinein bis auf ca. 1 µm. Die in die Oberfläche 1 eingebrachte Oberflächenstruktur ist in 4 veranschaulicht. Gezeigt sind in das Material hinein sich vergrößernde Ausnehmungen 8, deren Längsachsen in unterschiedliche Richtungen weisen, d. h. überwiegend nicht parallel verlaufen. Dadurch gibt es im Material eine Vielzahl von Überschneidungen dieser Ausnehmungen 8.
  • Beispiel 1
  • Für die Herstellung eines flexiblen Leiterplattenbasismaterials besteht die Aufgabe, einen haftfesten Metall-Polymer-Verbund (Haftfestigkeit > 2 N/mm) zu erzeugen. Die Dicke des Übergangsbereiches, d. h. des Bereiches, in dem zur Realisierung des haftfesten Verbundes in das Polymermaterial Metallteile eingelagert sind, soll < 2 µm sein. 5 zeigt eine schematische Darstellung des erzeugten haftfesten Metall-Polymer-Verbundes.
  • Zur Erzeugung der notwendigen Oberflächenstruktur wird eine Oberflächenseite 1 einer 50 µm dicken Polyesterfolie (Polyetylenterephthalate) 2 einer Bestrahlung mit einem 84Kr+(Krypton)-Ionenstrahl unterzogen. Die Ionenenergie beträgt ca. 50 keV/amu, die Bestrahlungsdichte ca. 1 × 108 Ionen/cm2. Die Bestrahlung erfolgt in Winkeln von ± 45° zur Oberflächennormale. Es entstehen latente Ionenspuren 3 mit einer Länge von ca. 3 µm. Der nachfolgende Ätzprozess erfolgt als Sprühätzung. Die bestrahlte Oberflächenseite 1 der Polyesterfolie 2 wird mit 3 n NAOH-Lösung 5 besprüht. Die Temperatur des versprühten Ätzmittels 5 beträgt 70°C. Die der bestrahlten und besprühten Oberflächenseite 1 der Polyesterfolie 2 gegenüberliegende Seite 6 wird mittels einer Flächenheizeinrichtung 7 auf 100°C erwärmt. Über die Dicke der Folie 2 stellt sich damit ein Temperaturgefälle ein.
  • Entlang der Ionentrajektorie 3 verlaufen die vom Energieübertrag der Schwerionen auf das umgebende Material abhängige Selektivität S(dE/dx) und die von der Temperatur des Ätzmittels abhängige Selektivität S(Tätz), wie in 2, Variante c dargestellt. Nach einer Ätzdauer von ca. 3 min sind in die Polymeroberfläche Ausnehmungen 8, wie in 2, Variante c bzw. 4 gezeigt, eingebracht. Die Ausnehmungen 8 weisen eine Öffnung in der Polymermaterialoberfläche mit einem Durchmesser von ca. 0,5 μm auf. Sie ragen ca. 2 µm in die Polymerfolie hinein und erweitern sich dabei auf einen Durchmesser von ca. 1 µm.
  • Nachfolgend wird die in die Polyesterfolie 2 eingebrachte Oberflächenstruktur metallisiert, wobei vakuumtechnisch eine die gesamte Oberfläche abdeckende Kupferstartschicht aufgebracht wird. Die Kupferstartschicht wird dann elektrochemisch (galvanisch) bis zur gewünschten Dicke der Leiterschicht 9 verstärkt.
  • Beispiel 2
  • Mehrlagenleiterplatten werden in der Praxis oft dadurch hergestellt, dass auf ein doppelseitig mit Leiterzügen 10 versehenes Ausgangsleiterplattenmaterial 11 weitere einseitig mit Leiterzügen 12 versehene Leiterplattenlagen 13 aufgeklebt werden. 6 zeigt schematisch den Schnitt eines Mehrlagenschaltungsträgers.
  • Ein Problem bei der Herstellung solcher Mehrlagenleiterplatten ist das haftfeste und sichere Verkleben der einzelnen Leiterplattenlagen 11, 13. Dazu werden in die Rück seiten der einseitig Leiterzüge 12 tragenden Targetmaterialien 13 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Oberflächenstrukturen eingebracht, in die der zum Verkleben der Lagen eingesetzte Klebstoff 14 eindringen kann, wodurch eine haftfeste Klebeverbindung erreicht wird.
  • Zur Erzeugung der Oberflächenstruktur werden die Rückseiten der einseitig mit Leiterzügen 12 versehenen Leiterplattenlagen 13, die als 50 µm dicke Flüssigkristallpolymerfolien (LCP-Folie) ausgeführt sind, einer Bestrahlung mit einem 84Kr+(Krypton)-Ionenstrahl unterzogen. Die Ionenenergie beträgt ca. 400 keV/amu, die Bestrahlungsdichte ca. 6,3 × 106 Ionen/cm2. Die Bestrahlung erfolgt in unterschiedlichen Winkeln zwischen ±45° zur Oberflächennormale. Es entstehen latente Ionenspuren 3 mit einer Länge von ca. 8 bis 10 µm. Der nachfolgende Ätzprozess erfolgt als Sprühätzung. Die bestrahlten Rückseiten der Leiterplattenlagen 13 werden mit 3 n NAOH-Lösung 5 besprüht. Die Temperatur des versprühten Ätzmittels 5 beträgt 70°C. Die der jeweils bestrahlten und besprühten Rückseite einer Leiterplattenlage 13 gegenüberliegende Seite wird mittels einer Flächenheizeinrichtung 7 auf 100°C erwärmt. Über die Dicke der Folie 2 stellt sich damit ein Temperaturgefälle ein. Entlang der Ionentrajektorie 3 verlaufen die vom Energieübertrag der Schwerionen auf das umgebende Material abhängige Selektivität S(dE/dx) und die von der Temperatur des Ätzmittels abhängige Selektivität S(Tätz), wie in 2, Variante c dargestellt. Nach einer Ätzdauer von ca. 5 min sind in die Rückseite der Leiterplattenlage 13 Ausnehmungen 8, wie in 2, Variante c bzw. 4 gezeigt, eingebracht. Die Ausnehmungen 8 weisen eine Öffnung in der Oberfläche mit einem Durchmesser von ca. 2 µm auf. Sie ragen ca. 6 bis 7 µm in die Leiterplattenlage 13 hinein und erweitern sich dabei auf einen Durchmesser von ca. 4 µm.
  • Beim Verkleben der einzelnen Lagen der Mehrlagenleiterplatte dringt, wie in 6 veranschaulicht, der Klebstoff 14 in die erzeugten Ausnehmungen 8 ein, wodurch eine haftfeste Klebeverbindung der einzelnen Leiterplattenlagen erreicht wird.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Bearbeitung von Material durch Schwerionenbestrahlung und nachfolgenden Ätzprozess nachfolgende Verfahrensschritte aufweisend: – Bestrahlung der Oberfläche (1) des Materials (2) mit Schwerionen vorbestimmter Art in Bezug auf Massezahl und Kernladungszahl und vorbestimmter Anfangsenergie derart, dass ein vorbestimmter Energieübertrag dE/dx vom Schwerion auf das dielektrische Material (2) entlang der Ionentrajektorie (3) in das Innere des Festkörpers bewirkt wird und – nachfolgenden Ätzprozess, wobei die Temperatur des Ätzmittels (5) entlang der Bewegungstrajektorie (3) der Schwerionen nicht konstant ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Temperatur des Ätzmittels (5) entlang der Bewegungstrajektorie (3) der Schwerionen einen positiven Gradienten aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass die der bestrahlten Oberfläche (1) gegenüberliegende Oberfläche (6) des zu bearbeitenden Materials (2) während des Ätzprozesses beheizt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, dass die dem Ätzmittel (5) zugewandte Oberfläche (1) des zu bearbeitenden Materials (2) während des Ätzprozesses gekühlt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 2 gekennzeichnet dadurch, dass die dem Ätzmittel (5) zugewandte Oberfläche (1) des zu bearbeitenden Materials (2) während des Ätzprozesses gekühlt wird und die dieser gegenüberliegende Oberfläche (6) des zu bearbeitenden Materials (2) während des Ätzprozesses beheizt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Bestrahlung der Oberfläche (1) mit Schwerionen in mindestens zwei verschiedenen Einfallsrichtungen der Schwerionen in Bezug zur Oberfläche (2) des zu bearbeitenden Materials (2) erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Ätzmittel (5) mit vorbestimmter Temperatur auf das zu bearbeitende Material (2) gesprüht wird.
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