DE102017119280A1

DE102017119280A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Polyimidschicht auf einem Substrat

Info

Publication number: DE102017119280A1
Application number: DE102017119280.8A
Authority: DE
Inventors: Christoph Sternkiker; Markus Betz; Heiner Schulte
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2019-02-28
Also published as: WO2019038154A1; TW201921503A

Abstract

Bekannte Verfahren zur Herstellung einer Polyimidschicht auf einem Substrat, umfassen die Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen einer Lösung, die eine monomere Polyimid-Vorstufe enthält, (b) Auftragen der Lösung auf einer zu beschichtenden Substrat-Oberfläche unter Bildung einer Polyimidvorstufen-Schicht, und (c )Aushärten der Polyimidvorstufen-Schicht durch Erhitzen auf eine maximale Aushärtungstemperatur unter Bildung der Polyimidschicht. Um davon ausgehend ein Verfahren anzugeben, das auch bei kurzer Reaktionszeit eine möglichst vollständige Imidisierung der Polyimidvorstufen-Schichten bei vergleichsweise niedriger Temperatur ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass das Aushärten der Polyimidvorstufen-Schicht mindestens zeitweise in einer Unterdruckumgebung unter einem gegenüber Atmosphärendruck verminderten Aushärtungsdruck und gleichzeitiger Bestrahlung mit Infrarotstrahlung erfolgt, wobei die Infrarotstrahlung eine Hauptemissionswellenlänge im Wellenlängenbereich von 780 bis 3000 nm hat.

Description

Technischer Hintergrund
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Polyimidschicht auf einem Substrat, umfassend die Verfahrensschritte:

(a) Bereitstellen einer Lösung, die eine monomere Polyimid-Vorstufe enthält,
(b) Auftragen der Lösung auf einer zu beschichtenden Substrat-Oberfläche unter Bildung einer Polyimidvorstufen-Schicht,
(c) Aushärten der Polyimidvorstufen-Schicht durch Erhitzen auf eine maximale Aushärtungstemperatur unter Bildung der Polyimidschicht.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung einer Polyimidschicht auf einem Substrat.
Polyimide sind Polymere mit einer Imidgruppe (O=C-N-C=O); sie können weitere Strukturelemente wie Estergruppen oder Amidgruppen enthalten. Sie zeichnen sich unter anderem durch Hitzebeständigkeit und gute Isoliereigenschaften aus und werden in Form von Schichten und schichtförmiger Muster und Strukturen beispielsweise in der Halbleiterfertigung, in der Elektrotechnik als Schutz-, Puffer- und Isolierschichten (auch als Lack- oder Resistschicht bezeichnet), in der Elektronik als Planierungs- und Isoliermaterial in dreidimensionalen Mehrschichtleiterbahnstrukturen sowie bei der Herstellung von Flüssigkristall-Displays (LCDs) als sogenannte „Orientierungsschichten“ eingesetzt.
Letztere werden verwendet, um in LCDs eine möglichst exakt definierte Ausrichtung der stäbchenförmigen, nematischen Flüssigkristallmoleküle zu erreichen. dazu werden die Flüssigkristalle zwischen zwei Substratoberflächen gebracht, die mit einer Polyimidschicht versehen sind. Durch eine Orientierungsbehandlung, beispielsweise durch mechanische Bearbeitung oder durch Lichteinwirkung, wird in der Polyimidschicht eine molekulare Vorzugsrichtung induziert, die sich auf die Flüssigkristalle überträgt. Andere Anwendungsfelder für die Kombination aus Orientierungsschicht und Flüssigkristallschicht sind optisch basierte Sicherheitssysteme, Polarisationskonverter, Farbfilter, optische Retarderelemente und Graustufen-Datenspeicher.
Die Herstellung der Polyimid-Schichten erfolgt in der Regel durch Polykondensation von Polyimidvorstufen in einem zweistufigen Verfahren. In der ersten Stufe werden Diamine mit Tetracarbonsäuredianhydriden in einem Lösungsmittel wie beispielsweise N-Methylpyrrolidon zu Polyamidocarbonsäure umgesetzt. Diese Lösungen sind flüssig und können mittels üblicher Schichtauftragstechniken verarbeitet werden. Im zweiten Schritt (im Folgenden auch als „Aushärtung“ bezeichnet), wird durch hohe Temperatur das Lösungsmittel verdampft und die Umsetzung (Polykondensation) zum Polyimid bewirkt. Dabei werden Veresterungsalkohole und Wasser abgespalten.
Häufig werden auch photosensitive Polyimidvorstufen eingesetzt, die lichtempfindliche Gruppen enthalten, und die durch Belichtung fixiert werden können.
Stand der Technik
Aus der DE 26 38 091 B2 ist die Herstellung von Orientierungsschichten aus Polyimid auf Elektrodenbasisplatten (Trägerplatten) für LCDs bekannt. Dabei wird eine 3%ige Lösung in Dimethylacetamid eines Polysäureamids, das eine Vorstufe eines Polyimids ist, auf der Elektrodenbasisplatte im Wirbelschichtverfahren aufgetragen. Danach erfolgt an Luft eine einstündige Heißbehandlung bei 200°C unter Kondensation und Polymerisation. Dem so erzeugten Polyimidfilm auf der Elektrodenbasisplatte wird durch Reiben mit einem Stoff eine Vorzugsrichtung aufgeprägt, die eine Orientierung und gleichmäßige Ausrichtung der Flüssigkristalle des Displays bewirkt.
In der US 4,369,090 A wird eine strukturierte Polyimidschicht auf einem Substrat erzeugt. In einem ersten Schritt wird eine Lösung einer Polyamidocarbonsäure (auch kurz als „Polyamidsäure“ bezeichnet) hergestellt, indem ein Diamin und ein Dianhydrid in einem organischen Lösungsmittel gelöst werden. Die Lösung wird auf das Substrat aufgetragen und erhitzt, wodurch das Lösungsmittel verdampft und die Polyamidsäure teilweise imidiert wird. Durch die teilweise Imidierung wird die Schrumpfung bei der nachfolgenden Strukturierung verringert. Auf der teilweise imidierten Polyamidsäurebeschichtung wird ein Photolack aufgetragen und durch eine Maske belichtet. Die belichteten Bereiche des Photolacks sind in einem Lösungsmittel löslich und werden zusammen mit der teilweise imidierten Polyamidsäure darunter weggewaschen. Die verbleibende Beschichtung wird erhitzt, wodurch die Polyamidsäure vollständig imidiert wird.
Bei der aus US 4,880,722 A bekannten Abwandlung dieses Verfahrens wird die Lösung der Polyamidsäure vorab mit einer photosensitiven Komponente versetzt. Nach dem Auftragen der Lösung auf das Substrat, Trocknung und Teil-Imidisierung wird die Schicht durch eine Maske mit UV-Licht bestrahlt, so dass die belichteten Bereiche wasserlöslich werden. Die löslichen Beschichtungsbereiche und die darunterliegende, teilweise imidierte Polyamidsäure werden mit einem wässrigen basischen Entwickler weggewaschen. Die verbleibende Beschichtung wird erhitzt, wodurch die Polyamidsäure vollständig imidiert wird.
Die EP 0 019 391 A1 beschreibt eine Methode zur Herstellung elektronischer Bauelemente, die eine Mehrschicht-Leiterbahnstruktur und ein aus Polyimid bestehendes dielektrisches Material zwischen den Leiterbahnen aufweisen. Das dielektrische Polyimid besitzt einen Molekulargewichtsbereich von etwa 800 bis ungefähr 20.000, vorzugsweise von etwa 1.000 bis 10.000. Das Härten des Polyimids umfasst mehrere Heizschritte mit jeweils einstündigen Vorhärtestufen bei 100 °C und bei 220°C und eine finale Aushärtung (auch als Tempern oder „aging“ bezeichnet) durch ein einstündiges Halten bei 350°C an Luft.
Technische Aufgabenstellung
Der Aushärtezustand der Polyimidschicht wird anhand des sogenannten Imidisierungsgrades definiert. Um eine Veränderung der Polyimidschicht und insbesondere ein Ausgasen beim bestimmungsgemäßen Einsatz zu vermeiden, soll der Imidisierungsgrad so hoch wie möglich und in der Regel mindestens 99 % betragen. Dafür ist ein Aufheizen auf hohe Temperatur erforderlich, wodurch es aber durch Diffusion oder Verformung zu thermischen Schädigungen des Substrats oder etwaiger darauf bereits vorhandener Leiterbahnen kommen kann. Die Aushärtungstemperatur kann durch eine längere Heizdauer etwas verringert werden, jedoch auf Kosten einer längeren Prozessdauer Die vollständige Imidisierung ist daher ein kritischer Verfahrensschritt, der im Fertigungsprozess der Polyimidschicht eine Engstelle darstellt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das auch bei kurzer Reaktionszeit eine möglichst vollständige Imidisierung der Polyimidvorstufen-Schichten bei vergleichsweise niedriger Temperatur ermöglicht.
Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine dafür zuverlässig geeignete Vorrichtung bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Aushärten der Polyimidvorstufen-Schicht mindestens zeitweise in einer Unterdruckumgebung unter einem gegenüber Atmosphärendruck verminderten Aushärtungsdruck und gleichzeitiger Bestrahlung mit Infrarotstrahlung erfolgt, wobei die Infrarotstrahlung eine Hauptemissionswellenlänge im Wellenlängenbereich von 780 bis 3000 nm hat.
Bei der Bestrahlung mit Infrarotstrahlung aus dem genannten Wellenlängenbereich wird mindestens ein Infrarotstrahler, vorzugsweise werden mehrere Infrarotstrahler mit einer Haupt-Emissionswellenlänge in diesem Wellenlängenbereich eingesetzt. Laut DIN. 5031 Teil 7 (Januar 1984) wird der Spektralbereich zwischen 780 nm und 3000 nm auch als „Nahes Infrarot“ (abgekürzt: NIR) mit den Teilbereichen IR-A (von 780 nm bis 1400 nm) und IR-B von 1400 bis 3000 nm definiert. Allerdings gibt es auch davon abweichende Nomenklaturen. Im Folgenden wird mit „Nahem Infrarot“ oder „NIR“ stets der Wellenlängenbereich von 780 bis 3000 nm beschrieben, sofern nicht ausdrücklich ein Teilbereich davon definiert wird.
Die Imidisierung der Polyimidvorstufen-Schicht beruht hier in einer Kombination aus Bestrahlung mit Photonen der Infrarotstrahlung aus diesem Wellenlängenbereich und aus Unterdruck-Behandlung. Es hat sich gezeigt, dass dadurch im Vergleich zu den eingangs beschriebenen bekannten Methoden die maximale Aushärtungstemperatur deutlich gesenkt werden kann, ohne dass dafür lange Aushärtungsdauern in Kauf genommen werden müssen.
Der niedrige Druck trägt dazu bei, dass bei der Polykondensationsreaktion entstehendes Gas rasch abgeführt und dadurch der Reaktionsablauf beschleunigt wird.
Der Wärmetransport von der Heizquelle zum Substrat und der darauf aufgetragenen Polyimidvorstufen-Schicht kann auf Wärmeleitung, Konvektion und oder Wärmestrahlung beruhen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Wärmeübertragungsanteile aus Wärmeleitung und Konvektion zu Gunsten der Wärmeübertragung durch Strahlung verringert, was zu einem effektiven und schnelleren Energieeintrag in die Polyimidvorstufen-Schicht und zu deren rascher Umsetzung in die Polyimidschicht beitragen kann.
Im Hinblick auf eine effektive Erwärmung der Polyimidvorstufen-Schicht hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn die Infrarotstrahlung eine Hauptemissionswellenlänge im Wellenlängenbereich von weniger als 2000 nm, vorzugsweise im Wellenlängenbereich zwischen 800 bis 1800 nm hat.
Der Aushärtungsdruck in Verfahrensschritt (c) liegt unterhalb von Atmosphärendruck, also unterhalb von1.013,25 hPa (1.013,25 mbar) Es hat sich aber überraschend gezeigt, dass ein Unterdruck im aufwändig zu erzeugenden Fein- oder Hochvakuumbereich zu keinem nennenswert besseren Ergebnis führt als ein Aushärtungsdruck im Bereich des Grobvakuums, der üblicherweise als Absolutdruck im Bereich zwischen 1 und 300 mbar definiert wird. Daher wird beim erfindungsgemäßen Verfahren der Aushärtungsdruck auf zwar bevorzugt auf weniger als 10 mbar, aber besonders bevorzugt auf den Bereich zwischen 1 und 5 mbar eingestellt.
Beim Aushärten zur Polyimidschicht im Verfahrensschritt (c) kann das Temperaturprofil eine Haltezeit bei einer maximalen Aushärtungstemperatur aufweisen, es kann aber auch Aufheiz- und Abkühlrampen ohne ausgeprägte Haltezeiten umfassen. Kurzzeitige Temperaturspitzen oberhalb von 200 °C sind dabei unschädlich aber nicht bevorzugt. Um die Gefahr einer thermischen Schädigung des Substrats oder der Polyimidvorstufen-Schicht zu vermindern, ist eine möglichst niedrige Temperatur erwünscht. Beim erfindungsgemäßen Verfahren hat es sich bewährt, wenn die Aushärtungstemperatur weniger als 200°C beträgt und mindestens zeitweise im Bereich zwischen 150 °C und 190°C liegt. Der dabei erreichbare Imidisierungsgrad hängt unter anderem von der Behandlungsdauer bei dieser Temperatur und von der Schichtdicke der Polyimidvorstufen-Schicht beziehungsweise der Polyimidschicht ab. Bei Sichtdicken von weniger als 50 µm ist ein Imidisierungsgrad von mehr als 99 % innerhalb kurzer Zeitspannen von weniger als 1 h erreichbar.
Im Hinblick auf eine möglichst geringe thermische Belastung bei der Imidisierung hat es sich darüber hinaus als vorteilhaft erwiesen, wenn beim Aushärten gemäß Verfahrensschritt (c) die Polyimidvorstufen-Schicht während einer Aushärtungsdauer von weniger als 35 Minuten, vorzugsweise während einer Aushärtungsdauer im Bereich von 10 min bis 30 min einer Aushärtungstemperatur von mehr als 150 °C ausgesetzt ist.
Die für das Aushärten der Polyimidvorstufen-Schicht benötigte Unterdruckumgebung wird vorteilhafterweise in einem Vakuumofen bereitgestellt. Im Vakuumofen können auch die Verfahrensschritte (a) oder (b) ablaufen, also das Bereitstellen und Auftragen der Polyimidvorstufe und etwaiger anderer Medien zur Erzeugung der Polyimidvorstufen-Schicht.
Das Substrat ist beispielsweise eine Elektrodenbasisplatte für ein LCD, ein integrierter Schaltkreis, ein Wafer aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus Silicium oder eine Leiterplatte.
Die oben genannte Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung zur Herstellung einer Polyimidschicht auf einem Substrat erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie umfasst:

(i) einen Vakuumofen mit einer Kammer, in der mittels einer Pumpe ein gegenüber Atmosphärendruck verminderter Aushärtungsdruck erzeugbar ist, und in der ein Substrat-Halter zur Fixierung eines Substrats mit einer zu beschichtenden Substrat-Oberfläche angeordnet ist,
(ii) mindestens einen im Bereich oberhalb des Substrat-Halters angeordneten und mit einem elektrischen Leistungssteller verbundenen Infrarotstrahler zur Bestrahlung des Substrats, der Infrarotstrahlung mit einer Hauptemissionswellenlänge im Wellenlängenbereich von 780 bis 3000 nm emittiert, und
(iii) eine Steuer- und Regeleinheit zur Regelung der Pumpe und des Leistungsstellers für den Infrarotstrahler..

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Vakuumofen, in dem die für das Aushärten der Polyimidvorstufen-Schicht benötigte Unterdruckumgebung bereitgestellt ist. Der Substrat-Halter ist zur Fixierung eines Substrat oder mehrerer Substrate geeignet. Mehrere Substrate können beispielsweise in einem Stapel übereinander angeordnet sein.
Im Vakuumofen ist mindestens ein Heizelement in Form eines Infrarotstrahlers, wie etwa ein Quarzstrahler oder ein Halogenstrahler vorgesehen und so angeordnet, dass dieser beim bestimmungsgemäßen Einsatz ein auf einem Substrat-Halter fixiertes Substrat mit Infrarotstrahlung aus dem Wellenlängenbereich des Nahen Infrarots beaufschlagt. Vorzugsweise sind mehrere Infrarotstrahler mit einer Haupt-Emissionswellenlänge im Nahen Infrarot (NIR) vorgesehen, die beispielsweise in parallelen Reihen oberhalb des Substrat-Halters angeordnet sind. Die Infrarotstrahlung hat dabei vorzugsweise eine Hauptemissionswellenlänge im Wellenlängenbereich von weniger als 2000 nm, besonders bevorzugt im Wellenlängenbereich zwischen 800 bis 1800 nm. Für die Stromversorgung und die Regelung der Strahlerleistung des Infrarotstrahlers ist ein Leistungsteller vorgesehen, der wiederum mit der Steuer- und Regeleinheit verbunden. Der Leistungsteller ist in der Regel außerhalb der Vakuum-Kammer angeordnet. Im Fall mehrere Infrarotstrahler können diese einen gemeinsamen Leistungsteller haben, oder sie verfügen über jeweils einen individuellen Leistungsteller.
Mittels der Steuer- und Regeleinheit sind die zeitlichen Verläufe des Unterdrucks in der Vakuum-Kammer und der Strahlerleistung des Infrarotstrahlers vorgebbar und regelbar.
Der Wärmetransport von der Heizquelle zum Substrat und der darauf aufgetragenen Polyimidvorstufen-Schicht beruht im Wesentlichen auf Wärmestrahlung, was zu einem effektiven und schnelleren Energieeintrag in die Polyimidvorstufen-Schicht und zu deren rascher Umsetzung in die Polyimidschicht beitragen kann.
Im Hinblick darauf ist der mindestens eine Infrarotstrahler zur Erzeugung und Aufrechterhaltung einer Aushärtungstemperatur von weniger als 200 °C und vorzugsweise für eine Aushärtungstemperatur im Bereich zwischen 150 °C und 190 °C in der Kammer geeignet.
Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Denn es hat sich gezeigt, dass durch Kombination von NIR-Infrarotstrahlung und Unterdruck-Behandlung eine vorteilhafte Weiterbildung der Imidisierung der Polyimidvorstufen-Schicht auf dem Substrat gelingt, die sich im Vergleich zu bekannten Behandlungsvorrichtungen in einer Senkung der Aushärtungstemperatur als auch in einer Verkürzung der Aushärtungsdauer zeigt.
Der Vakuumofen ist vorzugsweise für die Einstellung und Aufrechterhaltung eines Unterdrucks im Bereich des Grobvakuums ausgelegt. Dieser umfasst Absolutdrücke im Bereich zwischen 1 und 300 mbar. Die Vakuumpumpe ist vorzugsweise zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Aushärtungsdrucks von weniger als 10 mbar und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 1 und 5 mbar geeignet. Die Auslegung des Vakuumofens derart, dass er die Einstellung und Aufrechterhaltung eines Unterdrucks im Fein- oder Hochvakuumbereich, und insbesondere Absolutdrücke von deutlich weniger als 1 mbar in der Kammer ermöglicht, ist weder erforderlich noch bevorzugt.
Eine besonders bevorzugt Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der mindestens eine Infrarotstrahler zur Erzielung einer Leistungsdichte oberhalb von 50 kW/m², vorzugsweise zur Erzielung einer Leistungsdichte im Bereich von 100 kW/m² bis 265 kW/m², im Bereich der Polyimidvorstufen-Schicht ausgelegt ist.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Patentzeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt im Einzelnen:

1 in schematischer Darstellung einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer Polyimidschicht auf einem Substrat,
2 ein Substrat mit Leiterbahn und Polyimidschicht nach dem Imidisierungsprozess, ebenfalls in schematischer Darstellung,
3 ein Diagramm mit einer ersten Ausführungsform eines Temperatur-Zeitprogramms zur Imidisierung unter Einsatz der Vorrichtung von 1,
4 ein Diagramm mit einer zweiten Ausführungsform eines Temperatur-Zeitprogramms zur Imidisierung unter Einsatz der Vorrichtung von 1,
5 ein Diagramm mit einer dritten Ausführungsform eines Temperatur-Zeitprogramms zur Imidisierung unter Einsatz der Vorrichtung von 1, und
6 ein Diagramm mit einer vierten Ausführungsform eines Temperatur-Zeitprogramms zur Imidisierung unter Einsatz der Vorrichtung von 1.

Die in 1 schematisch dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst einen Vakuumofen 1 für die Härtung einer Polyimidvorstufen-Schicht 10 auf einem Substrat 20. Der Vakuumofen 1 weist eine Wandung 2 auf, die eine Vakuumkammer 3 umschließt. Die Wandung 2 ist mit einem Gaseinlass 4 versehen, der mit einer (nicht dargestellten) Gasquelle verbunden ist, aus welcher der Vakuumkammer 3 Gase zugeführt werden können. Über einen Gasauslass 5, der mit einer Vakuumpumpe 6 verbunden ist, kann der Kammer-Innenraum 3 abgepumpt werden, um einen für einen Imidisierungsprozess geeigneten niedrigen Druck zu schaffen.
Der obere Abschluss der Vakuumkammer 3 wird von einem IR-Flächenstrahler-Modul 7 gebildet, das eine Montageplatte 8 aufweist, an deren Unterseite eine Vielzahl von baugleichen NIR-Infrarotstrahlern 9 so montiert ist, dass ihre Längsachsen parallel zueinander und in der Darstellung von 1 senkrecht zur Blattebene verlaufen. Bei den Infrarotstrahlern 9 handelt es sich um sogenannte Quarzrohrstrahler, die von der Firma Heraeus Noblelight GmbH unter der Bezeichnung „QRC-Infrarotstrahler mit Nanoreflektor“ im Handel sind. Diese zeichnen sich durch eine nominale Hauptemissionswellenlänge um 1250 nm aus, die Strahlungsemission von der Leistungsaufnahme abhängt und durch Herabregeln der Nennleistung auf niedrigere Leistungen in längerwelligeren Bereich verschoben werden kann, beispielsweise in den Bereich von 1250. nm bis 2500 nm. Jeder der Infrarotstrahler 9 ist mit einem eigenen elektrischen Leistungssteller (in der Figur nicht dargestellt) verbunden, so dass die Strahlerleistung individuell einstellbar ist.
Das Substrat 20 ist auf einer Halteeinrichtung fixiert, der insgesamt die Bezugsziffer 10 zugeordnet ist und die eine Trägerplatte 11, einen um das Substrat 20 umlaufenden Haltering 12 sowie eine Höheneinstellungseinrichtung 13 umfasst, über die auch ein Temperaturfühler durch eine vakuumdichte Durchführung in den Bereich der Trägerplatte 11 geführt ist.
Die Vakuumpumpe 6 und das IR-Flächenstrahler-Modul 7 sind über Daten- und Stromversorgungsleitungen 30 mit einer Maschinensteuerung 31 verbunden.
Bei dem Substrat 20 handelt es sich um eine Elektrodenträgerplatte für ein LCD, einen integrierten Schaltkreis, einen Wafer oder eine Leiterplatte. 2 zeigt schematisch ein Substrat 20 in Form einer Mehrschicht-Leiterplatte, auf deren Oberseite 22 eine Leiterbahn 23 aufgebracht ist, die vollständig von einer Polyimidschicht 21 abgedeckt ist.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren an einem Beispiel näher erläutert.
Die Herstellung einer Polyamidocarbonsäurelösung erfolgte nach der in der GB 898,651 B beschriebenen Methode aus 40 Teilen 4,4'- Diaminodiphenyloxid und 43 Teilen Pyromellithsäuredianhydrid in N-Methylpyrrolidon hergestellt. Die 16%-ige Lösung der Polyamidocarbonsäure in N- Methylpyrrolidon hat eine Viskosität von 8200 mPas bei 25 °C.
Mit dieser Lösung wird das mit der Leiterbahn 23 versehene Substrat 20 nach dem sogenannten spin-coating beschichtet. Die Lösung kann aber auch durch Aufpinseln, Tauchen, Aufsprühen dip- oder roller-coating aufgebracht werden. Die Schichtdicke beträgt etwa 50 µm. Nach dem Beschichten wurde der Filmüberzug bei etwa 100°C eine Stunde lang getrocknet und anschließend ausgehärtet.
Für das Aushärten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Vakuum und bei NIR-Bestrahlung wurden in Versuchsreihen geeignete Werte für den Evakuierungsgrad der Vakuumkammer 3, der Aushärtedauer, und der maximalen Aushärtungstemperatur (Heizleistung des IR-Flächenstrahler-Moduls 7) ermittelt.

Für die Einstellung der Heizleistung der Infrarotstrahler 9 dienten zur ersten Orientierung Temperaturwerte, wie sie beim Aushärten von Polyamidsäureschichten in Durchlauföfen unter Stickstoffspülung typisch sind, also um 250 °C bis 300 °C. Tabelle 1 zeigt die Entwicklung ausgehend von zunächst hohen Aushärtungstemperaturen bei den Proben 1 bis 3 und besonders hohen Evakuierungsgrad bei Probe 1 bis hin zu vergleichsweise hohem Absolutdruck bei gleichzeitig niedriger maximaler Aushärtungstemperatur bei Probe 4. Tabelle 1

Versuchsreihe - Temperatur/Druck
Probe	Druck [mbar]	Maximale Temperatur [°C]	Haltedauer bei T > 150°C [s]	Qualität
1	0,005	200	85	(+)
2	1	250	185	(+)
3	1	250	400	(+)
4	1	175	255	(+)

Als Haltedauer wird die Zeitspanne gewertet, bei der die Probe einer Temperatur von 150 °C und mehr ausgesetzt ist. Die Diagramme der 3 bis 6 zeigen die Heizprofile von Probe 1 (3), Probe 2 (4), Probe 3 (5) und Probe 4 (6). Dabei ist jeweils die Temperatur T (in °C) gegen die Haltedauer t (in s) aufgetragen.
Das Symbol (+) in der Tabellenspalte „Qualität“ bedeutet, dass visuell eine blasenfreie, glatte, leicht gelbliche Oberfläche, aber keine Blasen oder Delamination erkennbar sind. Alle Proben erfüllten dieses Qualitätskriterium, was als Hinweis dafür zu werten ist, dass die jeweiligen Temperatur- und Druckwerte potentiell für eine Aushärtung der Polyimidschicht geeignet sind. Maßgeblich ist aber das Erreichen einer vollständigen Imidisierung der Schicht. Als Referenzwert für eine vollständige Imidisierung (Imidisierungsgrad >99) % dient die bei einer Aushärtung nach dem Stand der Technik erzeugte Schicht, nämlich einer Behandlung bei einer Temperatur von 300 °C unter Stickstoffspülung im Durchlaufofen. Deren Glasbildungstemperatur Tg liegt bei 288,00 °C.
Der Imidisierungsgrad wird spektroskopisch durch Auswertung der Veränderung von Absorptionsbanden bei Wellenzahlen von 1715 cm^-1 und 1359 cm^-1 bei der Behandlungsdauer von 300 °C ermittelt. Die Bestimmung der Glasbildungstemperatur Tg erfolgt unter Einsatz eines handelsüblichen Analysegerätes (TMA; thermo mechanical analyzer).
Die Probe 4 zeigt augenfällig, dass trotz vergleichsweise schwachem Vakuum (1 mbar) eine vollständige Imidisierung der Schicht 21 bei einer sehr niedrigen Aushärtungstemperatur (175 °C) potentiell möglich ist.
Ausgehend von Probe 4 wurde daher anhand weiterer Versuche überprüft, wie lange bei einer Aushärtungstemperatur von 175°C die Haltedauer sein muss um eine vollständige Imidisierung zu erreichen. Das Ergebnis dieses Versuches ist in Tabelle 2 wiedergegeben. Tabelle 2

Versuchsreihe - Imidisierungsgrad

Behandlungsdauer [min] (175°C / 1 mbar) 3 5 10 15 20

Imidisierungsgrad [%] 91,2 93,2 96,5 98,8 100
Demnach genügt beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Haltezeit von 15 min bereits für eine fast vollständige Aushärtung der Schicht 21. Eine 100 %-ige Imidisierung wird bereits bei einer Haltedauer von 20 min erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2638091 B2 [0007]
US 4369090 A [0008]
US 4880722 A [0009]
EP 0019391 A1 [0010]
GB 898651 B [0041]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Polyimidschicht (21) auf einem Substrat (20), umfassend die Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen einer Lösung, die eine monomere Polyimid-Vorstufe enthält, (b) Auftragen der Lösung auf einer zu beschichtenden Substrat-Oberfläche unter Bildung einer Polyimidvorstufen-Schicht, (c) Aushärten der Polyimidvorstufen-Schicht durch Erhitzen auf eine maximale Aushärtungstemperatur unter Bildung der Polyimidschicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten der Polyimidvorstufen-Schicht mindestens zeitweise in einer Unterdruckumgebung unter einem gegenüber Atmosphärendruck verminderten Aushärtungsdruck und gleichzeitiger Bestrahlung mit Infrarotstrahlung erfolgt, wobei die Infrarotstrahlung eine Hauptemissionswellenlänge im Wellenlängenbereich von 780 bis 3000 nm hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotstrahlung eine Hauptemissionswellenlänge im Wellenlängenbereich von weniger als 2000 nm, vorzugsweise im Wellenlängenbereich zwischen 800 bis 1800 nm hat.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aushärtungsdruck weniger als 10 mbar beträgt und vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 5 mbar liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtungstemperatur weniger als 200 °C beträgt und mindestens zeitweise im Bereich zwischen 150 °C und 190 °C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aushärten gemäß Verfahrensschritt (c) die Polyimidvorstufen-Schicht während einer Aushärtungsdauer von weniger als 35 Minuten, vorzugsweise während einer Aushärtungsdauer im Bereich von 10 min bis 30 min einer Aushärtungstemperatur von mehr als 150 °C ausgesetzt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckumgebung in einem Vakuumofen (1) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Elektrodenbasisplatte für ein LCD, ein integrierter Schaltkreis, ein Wafer aus einem Halbleitermaterial oder eine Leiterplatte ist.
Vorrichtung zur Herstellung einer Polyimidschicht (21) auf einem Substrat (20), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend (i) einen Vakuumofen (1) mit einer Kammer (3), in der mittels einer Pumpe (6) ein gegenüber Atmosphärendruck verminderter Aushärtungsdruck erzeugbar ist, und in der ein Substrat-Halter (10) zur Fixierung des Substrats (20) mit einer zu beschichtenden Substrat-Oberfläche (22) angeordnet ist, (ii) mindestens einen im Bereich oberhalb des Substrat-Halters (10) angeordneten und mit einem elektrischen Leistungssteller verbundenen Infrarotstrahler (9) zur Bestrahlung des Substrats (20), der Infrarotstrahlung mit einer Hauptemissionswellenlänge im Wellenlängenbereich von 780 bis 3000 nm emittiert, und (iii) eine Steuer- und Regeleinheit (31) zur Regelung der Pumpe (6) und des Leistungsstellers für den Infrarotstrahler (9).
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (6) zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Aushärtungsdrucks von weniger als 10 mbar und vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 5 mbar geeignet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Infrarotstrahler (9) zur Erzeugung und Aufrechterhaltung einer Aushärtungstemperatur von weniger als 200 °C und vorzugsweise für eine Aushärtungstemperatur im Bereich zwischen 150 °C und 190 °C in der Kammer (3) geeignet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Infrarotstrahler (9) Infrarotstrahlung eine Hauptemissionswellenlänge im Wellenlängenbereich von weniger als 2000 nm, vorzugsweise im Wellenlängenbereich zwischen 800 bis 1800 nm emittiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Infrarotstrahler (9) zur Erzielung einer Leistungsdichte oberhalb von 50 kW/m², vorzugsweise zur Erzielung einer Leistungsdichte im Bereich von 100 kW/m² bis 265 kW/m², im Bereich der Polyimidvorstufen-Schicht ausgelegt ist.