DE10322696B3 - Plasma-assisted treatment of given substrate surface area, e.g. for structurizing or coating metal, alloy, semiconductor, insulator or dielectric, uses insulator with opening, to form discharge gap, between electrode and substrate - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur plasmagestützten Behandlung von vorgebbaren Oberflächenbereichen eines Substrates, bei dem ohne Maskierung oder Abdeckung von Teilbereichen der Oberfläche eine Oberflächenmodifikation erfolgt, welche eine laterale Strukturierung aufweist.The The invention relates to a method and a device for plasma-assisted treatment of specifiable surface areas a substrate in which without masking or covering of subregions the surface a surface modification takes place, which has a lateral structuring.
Die
Modifikation, d. h. die Reinigung und Aktivierung von Oberflächen und
die Abscheidung von dünnen
Schichten, hat seit langem eine große technologische Bedeutung.
Der erforderliche Aufwand solcher Verfahren ist insbesondere durch
die technischen Einrichtungen zur Erzeugung und Aufrechterhaltung
hinreichender Vakuumbedingungen bestimmt. Daher werden bereits seit
langem Verfahren entwickelt, welche Oberflächenmodifikationen bei Atmosphärendruck
ermöglichen.
So wird in der
Dabei wird eine Elektrode, welche dem zu behandelnden Substrat gegenüber steht, mit einem Dielektrikum als Isolator von der Substratoberfläche getrennt. Bei hinreichend hohen Feldstärken, welche typischerweise zwischen 1 kV/mm und 5 kV/mm liegen, wird eine dielektrisch behinderte Entladung gezündet, welche auf die zu behandelnde Oberfläche einwirkt. Meist wird die Entladung mit einer gepulsten Gleichspannung oder einer Wechselspannung betrieben.there becomes an electrode facing the substrate to be treated, with a dielectric as insulator separated from the substrate surface. At sufficiently high field strengths, which are typically between 1 kV / mm and 5 kV / mm ignited a dielectrically impeded discharge, which on the treated Surface acts. Mostly the discharge with a pulsed DC voltage or operated an AC voltage.
Nachteilig an diesem Verfahren sind zum einen die hohen erforderlichen Feldstärken, um die Entladung über die dielektrische Barriere zu zünden. Dadurch ist inhärent ein hoher technischer Aufwand gegeben.adversely On the one hand, this method requires the high field strengths required the discharge over to ignite the dielectric barrier. Thereby is inherent given a high technical effort.
Bei dem vorbeschriebenen Verfahren liegt außerdem die Frequenz der angelegten Hochspannung bevorzugt im Bereich von 10 bis 50 kHz, jedoch stets unter 1 MHz. Dadurch ist die Leistungsdichte und damit die Dichte an reaktiven Teilchen gering. Eine Barrierenentladung läuft für gewöhnlich als filamentierte Entladung ab. Eine willkürliche Erhöhung der Frequenz der angelegten Hochspannung wird daher dazu führen, dass der folgende Entladungspuls dem Entladungskanal des vorhergehenden Pulses folgen würde. Damit nimmt die Inhomogenität der Beschichtung zu und die gewünschte Erhöhung der Abscheiderate tritt nicht ein.at the method described above is also the frequency of the applied High voltage preferably in the range of 10 to 50 kHz, but always below 1 MHz. This is the power density and thus the density low on reactive particles. A barrier discharge usually runs as filamentous discharge. An arbitrary increase in the frequency of the applied High voltage will therefore cause the following discharge pulse is connected to the discharge channel of the preceding one Pulse would follow. This decreases the inhomogeneity the coating to and the desired increase the deposition rate does not occur.
Daher wurden in der Vergangenheit Versuche unternommen, die Oberflächenmodifikation bei Atmosphärendruck nicht mit einer dielektrisch behinderten Entladung auszuführen. In A. Ignatkov, A. Schwabedissen, G. F. Leu, J. Engemann, Studies of the atmospheric pressure jet matrix plasma source: Electrical properties and discharge stability, Hakone VIII Conference Proceedings, 2002, 58, wird beschrieben, wie mit Hochfrequenz betriebene Entladungen in kleinen Kanälen zur Oberflächenmodifikation eingesetzt werden können. Nachteilig ist hierbei, dass ein starker Gasfluss eingesetzt werden muss, um die Entladungen bei Atmosphärendruck zu stabilisieren.Therefore In the past, attempts were made to modify the surface at atmospheric pressure not with a dielectrically impeded discharge. In A. Ignatkov, A. Schwabedissen, G.F. Leu, J. Engemann, Studies of the atmospheric pressure jet matrix plasma source: Electrical properties and discharge stability, Hakone VIII Conference Proceedings, 2002, 58, is described as high frequency driven discharges in small channels for surface modification can be used. The disadvantage here is that a strong gas flow can be used must to stabilize the discharges at atmospheric pressure.
In Y.-B. Guo, F. C.-N. Hong, Radio-frequency microdischarge arrays for large-area cold atmospheric plasma generation, Applied Physics Letters, 82 (2003) 337, wird eine Vorrichtung gezeigt, die aus einem dielektrischen Material besteht, das beidseitig mit einem Metallfilm versehen ist. Durch Anbringung mehrerer Bohrungen in dieser Platte kann bei Anlegen einer hinreichend hohen Wechselspannung ein Plasma zwischen Ober- und Unterseite der dielektrischen Platte über die Bohrungen hinweg gezündet werden. Auch hier ist ein starker Gasfluss erforderlich, um die Entladung zu stabilisieren. Dieses Plasma ist zur großflächigen Modifikation von Oberflächen bei Atmosphärendruck einsetzbar.In Y.-B. Guo, F.C.-N. Hong, radio-frequency microdischarge arrays for large area cold atmospheric plasma generation, Applied Physics Letters, 82 (2003) 337, a device is shown which consists of a dielectric material is made, on both sides with a metal film is provided. By attaching several holes in this plate may be a plasma when a sufficiently high AC voltage is applied between the top and bottom of the dielectric plate over the Boreholes are fired away. Again, a strong gas flow is required to discharge to stabilize. This plasma is used for the large-scale modification of surfaces atmospheric pressure used.
Für eine große Zahl technischer Anwendung ist es jedoch erforderlich, nur auf bestimmten Flächenelementen der Oberfläche eines Materials Modifikationen vorzunehmen. Eine solche strukturierte Beschichtung oder Funktionalisierung von Oberflächen ist in erster Linie für Anwendungen von Interesse, die in den Bereichen Biomedizin und Bioanalytik, Mikrooptik, Mikroelektronik oder Mikrosystemtechnik liegen.For a large number However, technical application requires it only on certain surface elements the surface of a material to make modifications. Such a structured coating or functionalization of surfaces is primarily for applications of interest in the fields of biomedicine and bio-analytics, micro-optics, Microelectronics or microsystems technology lie.
Wenn nur bestimmte, vorgebbare Bereiche der Oberfläche modifiziert werden sollen, werden nach dem Stand der Technik meist fotolithografische Verfahren angewandt. Dabei wird die Oberfläche vollflächig mit einem Fotolack abgedeckt. Dieser wird daraufhin belichtet, entwickelt und partiell abgetragen.If only certain, specifiable areas of the surface should be modified Most of the prior art are photolithographic processes applied. The surface is completely covered with covered by a photoresist. This is then exposed, developed and partially removed.
Auf diese Weise kann die Oberfläche zunächst ganzflächig modifiziert werden, woraufhin anschließend die Modifikation wieder an definierten Stellen beseitigt wird. Alternativ kann die Oberfläche auch zunächst mit einem Fotolack versehen werden, woraufhin die Oberfläche in den nicht abgedeckten Bereichen modifiziert wird. In jedem Fall wird der Fotolack danach in einem so genannten Lift-off-Prozess wieder entfernt.On this way can the surface first the whole area be modified, whereupon subsequently the modification again is eliminated at defined locations. Alternatively, the surface can also first be provided with a photoresist, whereupon the surface in the uncovered areas is modified. In any case, will the photoresist then in a so-called lift-off process again away.
Um dieses Verfahren zu vereinfachen, wird in der WO 01/69644A1 vorgeschlagen, die an sich bekannte Oberflächenmodifikation mittels Barrierenentladungen dahingehend abzuwandeln, dass der notwendige elektrische Isolator derart zwischen die beiden Elektroden eingebracht wird, dass in vorgegebenen Oberflächenbereichen kein formschlüssiger Kontakt zwischen dem Isolator und der jeweiligen Elektrode vorliegt und in den restlichen Oberflächenbereichen der Isolator und die jeweilige Elektrode in Kontakt stehen. Beim Anlegen einer Hochspannung, aus welcher ein elektrisches Feld von 1 bis 5 kV/mm resultiert und welche eine Frequenz von 10 bis 50 kHz aufweist, bildet sich eine kalte, transiente Gasentladung ausschließlich in den vorgegebenen Oberflächenbereichen.In order to simplify this method, it is proposed in WO 01 / 69644A1 to modify the per se known surface modification by means of barrier discharges in such a way that the necessary electrical insulator is inserted between the two electrodes such that there is no positive contact between the insulator and the respective electrode in predetermined surface areas and in the remaining surface areas of the insulator and the respective electrode in contact. When applying a high voltage, which results in an electric field of 1 to 5 kV / mm and which has a frequency of 10 to 50 kHz, forms a cold, transient gas discharge exclusively in the predetermined surface areas.
Auf diese Art wird die strukturierte Oberflächenmodifikation ohne zusätzliche Abdeckung und Maskierung möglich.On this type will be the textured surface modification without additional Cover and masking possible.
Da über die Barriere oft Oberflächengleitentladungen gezündet werden, füllt das entstehende Plasma meist nicht den gesamten Hohlraum aus. Die Oberflächenbehandlung wird daher inhomogen.Because of the Barrier often surface sliding discharges ignited be filled the resulting plasma usually does not cover the entire cavity. The surface treatment becomes inhomogeneous.
Weil die Entladungszone durch mindestens einen Isolator abgeschlossen sein muss, ist die Zufuhr von Gasen mit schichtbildenden Substanzen durch Einströmen in den Entladungsspalt nicht möglich.Because completed the discharge zone by at least one insulator must be, is the supply of gases with layer-forming substances through pour in not possible in the discharge gap.
Weiterhin bleiben die oben genannten Nachteile der Beschichtungsverfahren mit Barrierentladungen auch bei der Beschichtung von Teilbereichen der Oberfläche bestehen.Farther remain the above-mentioned disadvantages of the coating process with barrier discharges also in the coating of partial areas of the surface consist.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, so dass die Behandlung einer Oberfläche ermöglicht wird, die sich nicht uniform über diese Oberfläche erstreckt. Vielmehr soll diese Oberflächenbehandlung eine laterale Strukturierung aufweisen. Bei der Lösung dieser Aufgabe sollen die bekannten Nachteile einer lokalen Beschichtung mittels Barrierenentladungen vermieden werden.Of the The invention is therefore based on the object, a method and to provide a device so that the treatment of a surface allows who will not uniform over this surface extends. Rather, this surface treatment is a lateral Have structuring. In the solution of this task should the known disadvantages of a local coating by means of barrier discharges be avoided.
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur plasmagestützten
Behandlung von vorgebbaren Oberflächenbereichen eines Substrates
Eine Behandlung von Oberflächen im Sinne dieser Erfindung kann dabei eine Beschichtung sein, bei der dünne Schichten eines andersartigen Materials auf der Oberfläche abgeschieden werden. Ebenfalls als Behandlung gilt eine Oberflächenmodifizierung, d. h. eine Veränderung der Ausstattung mit chemisch-funktionellen Gruppen. Weiterhin eignet sich das Verfahren zur Reinigung, Oxidation, Reduktion oder zum Materialabtrag.A Treatment of surfaces In the context of this invention can be a coating, at the thin one Layers of a dissimilar material deposited on the surface become. Also treated as a surface modification, d. H. a change the equipment with chemical-functional groups. Furthermore suitable the process for purification, oxidation, reduction or for Material removal.
Die zu behandelnden Oberflächen können aus Metall, einer Legierung, einem Halbleiter oder aus Isolatoren bestehen. Ein Isolator in diesem Sinne ist insbesondere auch ein Dielektrikum.The surfaces to be treated can out Metal, an alloy, a semiconductor or insulators consist. An insulator in this sense is in particular also a dielectric.
Das
verwendete Plasma entsteht aus einer nicht thermischen Entladung,
welche zwischen mindestens zwei Elektroden statt findet, die durch
mindestens einen Isolator
Nicht thermische Entladung bedeutet in diesem Fall, dass durch den Energieeintrag selektiv das Elektronengas geheizt wird und die schweren Teilchen, wie z. B. Ionen und Neutralteilchen, relativ gesehen dazu kalt bleiben. Kalte Teilchen zeichnen sich durch niedrige kinetische Energie aus.Not Thermal discharge in this case means that through the energy input selectively the electron gas is heated and the heavy particles, such as For example, ions and neutrals remain relatively cold. Cold particles are characterized by low kinetic energy.
Da das Verfahren keine dielektrische Barriere verwendet, sind die erforderlichen Spannungen zur Zündung der Gasentladung im Vergleich zu Barrierenentladungen niedrig. Typischerweise werden Feldstärken von 0,1 bis 2 kV/mm verwendet.There the process does not use a dielectric barrier are the required Tensions to the ignition the gas discharge compared to barrier discharges low. typically, become field strengths from 0.1 to 2 kV / mm.
Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass sich die Entladung auf vorgebbare Oberflächenbereiche begrenzen
lässt,
wenn der mit Aussparungen bzw. Durchbrüchen versehene Isolator in
direktem Kontakt mit dem zu beschichtenden Substrat gebracht wird,
vergleiche
Bei
Verwendung einer Hilfselektrode
Die
vorgesehenen Aussparungen bzw. Durchbrüche im Isolator und der ggf.
zu verwendenden Hilfselektrode
Die Strukturbreiten dieser Durchbrüche sind dabei in einem weiten Bereich der geforderten Anwendung anpassbar. Typischerweise liegen diese im Submillimeterbereich von etwa 1 μm bis etwa 1 mm. In der Anwendung bevorzugt sind Strukturbreiten von 50 μm bis 500 μm.The Structure widths of these breakthroughs are adaptable in a wide range of the required application. Typically, these are in the submillimeter range of about 1 micron to about 1 mm. Preferred in the application are feature widths of 50 μm to 500 μm.
Unter Strukturbreite soll hier die kleinste Ausdehnung in einer Dimension verstanden werden, so dass eine Struktur von beispielsweise 10 μm auch eine große Länge von beispielsweise mehreren Millimetern oder Zentimetern erreichen kann.Under Structure width should be the smallest dimension in one dimension be understood, so that a structure of for example 10 microns also a size length of For example, can reach several millimeters or centimeters.
Als Isolator kann insbesondere auch ein Dielektrikum verwendet werden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Glas, Keramik oder Kunststoffen. Die erforderlichen Durchbrüche werden bevorzugt durch Bohren, Fräsen, Laserstrukturierung oder nasschemisch erzeugt.When Insulator can also be used in particular a dielectric. Particularly preferred is the use of glass, ceramics or plastics. The required breakthroughs are preferred by drilling, milling, laser structuring or produced wet-chemically.
Der
verwendete Isolator weist eine Dicke von etwa 1 μm bis etwa 2000 μm auf. Um
die anzulegende Spannung zur Zündung
der Gasentladung möglichst
gering zu halten, ist eine möglichst
geringe Dicke des Isolators
Die Entladung wird mit Frequenzen oberhalb von etwa 1 MHz betrieben. Der Betrieb ist bis in den Mikrowellenbereich bei einigen GHz möglich.The Discharge is operated at frequencies above about 1 MHz. Operation is possible up to the microwave range at a few GHz.
Bevorzugt ist eine Verfahrensführung, bei der die Gasentladung mit einer Frequenz von etwa 1 MHz bis etwa 200 MHz betrieben wird. Bei diesen Frequenzen wird durch die eingekoppelte Leistung besonders effektiv das Elektronengas geheizt. Schwerere Teilchen wie Ionen oder Neutralteilchen bewegen sich hingegen quasi stationär im Wechselfeld der Entladung. Der Energieübertrag durch Stöße der Elektronen ist durch den Massenunterschied der Teilchen sehr ineffizient. Demnach enthält das Plasma keine hochenergetischen schweren Teilchen. Sputterprozesse, welche die Entladungsanordnung und das Substrat schädigen, werden auch durch die geringe mittlere freie Weglänge unterbunden.Prefers is a procedure, in which the gas discharge at a frequency of about 1 MHz to about 200 MHz is operated. At these frequencies is coupled by the Performance particularly effective heating the electron gas. heavier By contrast, particles such as ions or neutral particles are moving, so to speak stationary in the alternating field of the discharge. The transfer of energy through collisions of the electrons is very inefficient due to the mass difference of the particles. Therefore contains the plasma is not a high energy heavy particle. sputtering, which damage the discharge assembly and the substrate also prevented by the small mean free path.
Besonders vorteilhaft ist der Betrieb der Gasentladung mit einer Frequenz von 10 MHz bis 50 MHz. Diese Frequenzen lassen sich mit geringem technischen Aufwand erzeugen und abschirmen, so dass funktechnische Störungen vermieden werden.Especially advantageous is the operation of the gas discharge with a frequency from 10 MHz to 50 MHz. These frequencies can be achieved with little technical Create and shield effort, so that radio interference avoided become.
Ein bevorzugter Druckbereich für den Betrieb der Gasentladung liegt zwischen etwa 102 Pa bis etwa 106 Pa. Dabei wird der verwendete Arbeitsdruck an die Strukturhöhe der Aussparungen im Isolator angepasst. Besonders bevorzugt ist ein Arbeitsdruck in der Größenordnung des Atmosphärendrucks, also von etwa 5×104 Pa bis 1, 5×105 Pa.A preferred pressure range for the operation of the gas discharge is between about 10 2 Pa to about 10 6 Pa. The working pressure used is adapted to the structural height of the recesses in the insulator. Particularly preferred is a working pressure in the order of the atmospheric pressure, that is from about 5 × 10 4 Pa to 1, 5 × 10 5 Pa.
Die mittlere freie Weglänge der freien Elektronen hängt direkt vom gewählten Arbeitsdruck ab und beträgt bei Atmosphärendruck ca. 100 nm. Somit lassen sich entsprechend scharfe Strukturen fertigen, wenn der Arbeitsdruck hinreichend hoch gewählt ist. Weiterhin ist die Erzeugung von Excimer- und anderer UV-Strahlung bei hohen Arbeitdrücken besonders effektiv.The mean free path the free electrons hang directly from the selected one Working pressure decreases and amounts to at atmospheric pressure about 100 nm. Thus, correspondingly sharp structures can be produced, when the working pressure is sufficiently high. Furthermore, the Generation of excimer and other UV radiation at high working pressures especially effectively.
Der Beschuss der zu behandelnden Oberfläche mit hochenergetischen Photonen führt zu stimulierten Desorptionsprozessen. Daraus folgt eine Steigerung der Abtrags- und Beschichtungsrate und dadurch eine schnellere Behandlung der Substrate. Die höhere Prozessgeschwindigkeit bewirkt neben einer Kostensenkung der Beschichtung eine Verringerung der unerwünschten Kontaminationen. Dies beruht darauf, dass bei gegebener Stoßrate und Haftkoeffizient die Anzahl der tatsächlich eingebauten Atome direkt proportional zur Prozesszeit ist.Of the Shelling of the surface to be treated with high-energy photons leads to stimulated desorption processes. This results in an increase the removal and coating rate and thus a faster treatment the substrates. The higher one Process speed causes in addition to a cost reduction of the coating a reduction of unwanted Contamination. This is because at given burst rate and Adhesion coefficient the number of atoms actually incorporated directly is proportional to the process time.
Bei großen Strukturhöhen bzw. Isolatordicken wächst das Isolationsvermögen des eingeschlossenen Gasvolumens an. Wenn der Betrieb der Gasentladung dadurch aufwändig wird, so kann der Arbeitsdruck verringert werden. Damit wird die Durchbruchfeldstärke entsprechend der Paschen-Kurve erniedrigt.at huge structure heights or insulator thickness grows the insulation capacity of the enclosed gas volume. When the operation of the gas discharge thereby consuming is, so the working pressure can be reduced. This will match the breakdown field strength lowered the Paschen curve.
Um
gezielte Oberflächenmodifikationen durchzuführen, sind
oftmals bestimmte Gasatmosphären
notwendig. Hierzu wird in einer Weiterentwicklung eine Gaszuführungseinrichtung
Der Gasstrom kann dabei im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 slm liegen. Vorteilhaft wird das Verfahren in einer statischen Atmosphäre oder mit geringem Durchfluss von weniger als etwa 2 slm betrieben. Die Einheit slm bezeichnet dabei Standard-Liter-Pro-Minute, d.h. ein Gasfluss von einem Liter pro Minute bei einer Temperatur von 273,15 K und 1,013×105 Pa. Durch den geringen Gasfluss erfolgt kein Transport der reaktiven Gaskomponenten in den durch den Isolator abgedeckten Bereich und die Strukturbreiten lassen sich vermindern.The gas stream may be in the range of about 1 to about 10 slm. Advantageously, the process is operated in a static atmosphere or with a low flow of less than about 2 slm. The unit slm designates standard liter per minute, ie a gas flow of one liter per minute at a temperature of 273.15 K and 1.013 × 10 5 Pa. Due to the low gas flow no transport of the reactive gas components in the area covered by the insulator and the structure widths can be reduced.
Besonders vorteilhaft ist eine Prozessführung, bei der die Gaszufuhr nur durch Diffusion erfolgt. In diesem Fall sind die erhaltenen Strukturbreiten durch die fehlende Strömung besonders scharf.Especially advantageous is a process management, in which the gas supply takes place only by diffusion. In this case the structure widths obtained are especially due to the lack of flow sharp.
Um
die Gaszufuhr durch eine einfache Austrittsdüse
Eine
Weiterentwicklung der Vorrichtung zur Behandlung vorgebbarer Oberflächenbereiche zeichnet
sich dadurch aus, dass eine der Elektroden eine Schutzschicht
Besonders
einfach lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren leitfähige Substrate
behandeln. Wie
Eine mögliche Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt die Oberflächenbehandlung mit siliciumhaltigen Prekursoren dar. In diesem Fall wird als schichtbildende Substanz eine siliciumhaltige Verbindung zusammen mit einem Trägergas in den Entladungsspalt eingebracht. Als Trägergase eignen sich beispielsweise Edelgase und Stickstoff. Möglich ist auch die Zugabe von Sauerstoff.A possible Use of the method according to the invention represents the surface treatment with silicon-containing precursors. In this case is called layer-forming Substance a silicon-containing compound together with a carrier gas in introduced the discharge gap. Suitable carrier gases are, for example Noble gases and nitrogen. Possible is also the addition of oxygen.
Bevorzugte siliciumhaltige Verbindungen sind organisch modifizierte Silane und/oder organisch modifizierte Disiloxane und/oder organisch modifizierte Disilazane und/oder organisch modifizierte Disilane. Besonders bevorzugt sind dabei, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, Hexamethyldisilazan, Tetraethoxysilan, Tetramethoxysilan, Hexamethyldisi-loxan, Hexamethyldisilan, Tetramethylsilan, Aminopropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan Werden radikalisch polymerisierbare Substanzen als Prekursoren verwendet, so erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Abscheidung von Plasmapolymeren, die sich durch eine hohe Konzentration funktioneller Gruppen auszeichnen.preferred Silicon-containing compounds are organically modified silanes and / or organically modified disiloxanes and / or organically modified Disilazane and / or organically modified disilane. Especially preferred are there, without restriction generality, hexamethyldisilazane, tetraethoxysilane, tetramethoxysilane, Hexamethyldisi-Loxan, Hexamethyldisilane, tetramethylsilane, aminopropyltrimethoxysilane, Aminopropyltriethoxysilane Be radically polymerizable substances used as precursors, so allows the inventive method the deposition of plasma polymers, which are characterized by a high concentration distinguish functional groups.
Bevorzugt enthält das Prozessgas dabei eine Acryl- und/oder eine Methacryl- und/oder eine Allyl- und/oder eine Propargyl- und/oder eine Vinyl-Verbindung und/oder Maleinsäure-Derivate und/oder Maleinsäureanhydrid.Prefers contains the process gas thereby an acrylic and / or a methacrylic and / or an allyl and / or a propargyl and / or a vinyl compound and / or maleic acid derivatives and / or Maleic anhydride.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Methacrylsäure oder eines Methacrylsäureesters.Especially preferred is the use of methacrylic acid or a methacrylic acid ester.
Durch die Behandlung des Substrates mit fluorhaltigen Kohlenwasserstoffen können Oberflächen lateral strukturiert hydrophobisiert werden. Durch die Zufuhr zyklischer Siloxan-Prekursoren wird die Bildung funktioneller Gruppen unterdrückt und die Oberflächenspannung der behandelten Oberfläche weiter verringert.By the treatment of the substrate with fluorine-containing hydrocarbons can surfaces laterally structured be hydrophobized. By the supply cyclic Siloxane precursors the formation of functional groups is suppressed and the surface tension the treated surface continues reduced.
Dazu wird als Prozessgas neben den bereits erwähnten Trägergasen eine fluorhaltige Kohlenwasserstoff- und/oder Kohlenstoffverbindung mit weniger als 20 Kohlenstoffatomen eingesetzt. Da leicht flüchtige Verbindungen leichter in die Entladungsspalte eindringen und eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit aufweisen, sind kleine Moleküle mit wenigen Kohlenstoffatomen bevorzugt.To is used as a process gas in addition to the carrier gases already mentioned a fluorine-containing Hydrocarbon and / or carbon compound with less than 20 carbon atoms used. Because volatile compounds easier penetrate into the discharge gap and a higher diffusion speed are small molecules preferred with few carbon atoms.
Beispiele für solche bevorzugten Prekursoren sind teilweise oder vollständig fluorierte Alkane und/oder Alkene mit einer Kettenlänge von jeweils 3 bis 20 Kohlenstoffatomen und/oder Cycloalkane und/oder Cycloalkene mit einer Ringgröße von jeweils 3 bis 8 Kohlenstoffatomen und/oder Aromaten.Examples for such preferred precursors are partially or fully fluorinated Alkanes and / or alkenes having a chain length of 3 to 20 carbon atoms and / or cycloalkanes and / or cycloalkenes having a ring size of each 3 to 8 carbon atoms and / or aromatics.
Besonders bevorzugt sind dabei teilweise oder vollständig fluorierte Alkane und/oder Alkene mit einer Kettenlänge von jeweils 3 bis 8 Kohlenstoffatomen.Especially Partially or completely fluorinated alkanes and / or are preferred Alkenes of one chain length each of 3 to 8 carbon atoms.
Durch Zufuhr von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasgemischen kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Oxidation von Substraten eingesetzt werden. Beispielhaft sei die Oxidation von Silicium in elektronischen Bauelementen genannt. Auf diese weise kann der Gate-Isolator eines Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) Bauelements gebildet werden.By Supply of oxygen or oxygen-containing gas mixtures can the inventive method be used for the oxidation of substrates. Exemplary called the oxidation of silicon in electronic components. In this way, the gate insulator of a metal oxide semiconductor (MOS) Component be formed.
Durch Einleiten von chlorierten oder fluorierten Alkanen in den Entladungsspalt können Siliciumsubstrate einem Ätzprozess unterworfen werden. Ein solches strukturiertes Ätzen der Oberfläche ist auch dann möglich, wenn die Siliciumoberfläche vorbehandelt wurde und aus beispielsweise Siliciumoxid SiOX oder Siliciumnitrid SiNX besteht.By introducing chlorinated or fluorinated alkanes into the discharge gap, silicon substrates may be subjected to an etching process. One Such structured etching of the surface is possible even if the silicon surface has been pretreated and consists of, for example, silicon oxide SiO X or silicon nitride SiN X.
Ein letztes Beispiel für die strukturierte Modifikation einer Oberfläche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren stellt die Aminierung einer Polymeroberfläche dar. Mögliche Pro zessgase für diese Modifikation sind Stickstoff, Ammoniak, Hydrazin oder Mischungen dieser Gase.One last example for the structured modification of a surface according to the inventive method represents the amination of a polymer surface. Possible process gases for these Modification are nitrogen, ammonia, hydrazine or mixtures these gases.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.following the invention will be explained in more detail with reference to embodiments.
Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1
In
einem ersten Ausführungsbeispiel
wurden in einer dielektrischen Platte aus Keramik 100 Löcher mit
einem Durchmesser von 400 μm
in einer regelmäßigen Anordnung
von 10 × 10
Löchern
angebracht. Die Stärke
der keramischen Platte beträgt
dabei 0,5 mm und der strukturierte Bereich weist eine Größe von 13 × 13 mm2 auf. Diese dielektrische Platte wird im
direkten Kontakt mit dem zu beschichtenden leitfähigen Substrat gebracht, vergleiche
In gleicher Weise lässt sich diese Anordnung mit einem Silicium-Wafer als Substrat betreiben. Nach einer Behandlungszeit von 60 Sekunden werden auf der behandelten Fläche hydrophile runde Bereiche nachgewiesen, die durch hydrophobe Bereiche voneinander getrennt sind. Die hydrophobisch aktivierten Bereiche entsprechen dabei der Geometrie des strukturierten Isolators. Die hydrophilen Bereiche sind dabei rund und haben einen Durchmesser von ca. 400 μm.In same way this arrangement operate with a silicon wafer as the substrate. To a treatment time of 60 seconds are treated on the area Hydrophilic round areas detected by hydrophobic areas are separated from each other. The hydrophobically activated areas correspond to the geometry of the structured insulator. The hydrophilic areas are round and have a diameter of about 400 microns.
Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2
In
einem zweiten Ausführungsbeispiel
wird die Gegenelektrode
Das Gesamtvolumen der 100 Entladungsspalte beträgt 1.3·10–2 cm3. Die Leistungsdichte der Entladung beträgt somit 2.8 kW/cm3. Barrierenentladungen, wie sie in der WO 01/69644A1 zur strukturierten Oberflächenbehandlung vorbeschrieben sind, weisen demgegenüber eine mittlere Leistungsdichte von 0.1-1 W/cm3 auf. Im gleichen Maße steigt der Anteil an reaktiven Teilchen in der Gasentladung, womit sich die erfindungsgemäßen Vorteile bei der Oberflächenbehandlung einstellen.The total volume of the 100 discharge gap is 1.3 × 10 -2 cm 3 . The power density of the discharge is thus 2.8 kW / cm 3 . Barrier discharges, as described in WO 01/69644 A1 for structured surface treatment, have a mean power density of 0.1-1 W / cm 3 . To the same extent, the proportion of reactive particles in the gas discharge increases, which sets the advantages according to the invention in the surface treatment.
Ausführungsbeispiel 3Embodiment 3
In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wurde auf eine 80 μm
dicke Folie aus Polypropylen eine lateral strukturierte Beschichtung
mit Siliciumoxid aufgebracht. Dazu wurde die Polypropylenfolie zwischen
die strukturierte Keramikplatte, die in den vorstehenden Beispielen
beschrieben ist, und einer metallischen Gegenelektrode eingebracht,
vergleiche
Das Prozessgas bestand aus 0,01 Vol.-% Tetraethoxysilan (TEOS), das zusammen mit Sauerstoff als zweite schichtbil dende Substanz und Helium als Trägergas bei einem Gesamtdruck von 105 Pa und einem Gasfluss von 1 slm in die Entladungsspalte eingeleitet wurde. Die ortsaufgelöste Elementanalytik dieser Schichten wurde mit Rasterelektronenmikroskopie (REM) und einer Elektronenstrahl-Mikrosonde (EPMA) durchgeführt.The process gas consisted of 0.01 vol .-% tetraethoxysilane (TEOS), which was introduced together with oxygen as a second layer forming substance and helium as a carrier gas at a total pressure of 10 5 Pa and a gas flow of 1 slm in the discharge column. The spatially resolved elemental analysis of these layers was performed by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Electron Beam Microprobe (EPMA).
Abhängig von der Beschichtungszeit betrug die nachgewiesene Schichtdicke einige 10 nm bis einige 100 nm. Die laterale Strukturierung dieser Beschichtung entsprach wiederum mit guter Genauigkeit der Geometrie des strukturierten Isolators.Depending on the coating time was some of the detected coating thickness 10 nm to several 100 nm. The lateral structuring of this coating again corresponded with good accuracy of the geometry of the structured Insulator.
Die so abgeschiedenen Siliciumoxidschichten lassen sich derivatisieren, so dass, basierend auf der Siliciumoxidabscheidung, verschiedene funktionelle Gruppen eingeführt werden können. Als Beispiel kann die direkte Schichtabscheidung mit Aminopropyltrimethoxysilan (APTMS) als Prekursor genannt werden. Durch eine solche Prozessführung sind aminofunktionalisierte Oberflächen erhältlich. Zur Bestimmung der Dichte an funktionellen Gruppen auf der Oberfläche wurden die an die Oberfläche gekoppelten Aminogruppen mit Fluoresceinisothiocyanat (FITC) markiert. Die Dichte an funktionellen Gruppen auf der Oberfläche kann dann leicht bestimmt werden, indem die Fluoreszenz über einen Fluoreszenz-Reader ausgelesen oder das charakteristische Absorptionsspektrum des Farbstoffs mit Hilfe eines Spektrometers gemessen wird.The thus-deposited silicon oxide layers can be derivatized so that various functional groups can be introduced based on the silicon oxide deposition. As an example, the direct layer deposition with aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) can be mentioned as a precursor. Such process control provides aminofunctionalized surfaces. To determine the density of functional groups on the surface, the surface-coupled amino groups were labeled with fluorescein isothiocyanate (FITC). The density of functional groups on the surface can then be readily determined by measuring fluorescence over a fluorescein zenz reader read or the characteristic absorption spectrum of the dye is measured using a spectrometer.
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