DE19650881C2

DE19650881C2 - Verfahren zur Herstellung von in z-Richtung elektrisch leitfähiger und in x/y-Richtung isolierender Folien aus Kunststoff

Info

Publication number: DE19650881C2
Application number: DE19650881A
Authority: DE
Inventors: Johann Dr Vetter; Dobri Dr Dobrev; Nobert Dr Angert
Original assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Priority date: 1996-12-07
Filing date: 1996-12-07
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2016-12-08
Also published as: DE19650881A1; US5911863A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel lung von in z-Richtung elektrisch leitfähiger, gut kontaktier barer und in x/y-Richtung isolierender Folien aus Kunststoff oder anderen Isolatoren, wobei die z-Richtung die Foliendicke rechtwinklig oder schräg und die x/y-Richtung ihre laterale Flächenausdehnung bestimmt und in die Folie Mikrokanäle aus geätzten Kernspuren z. B. schwerer Ionen eingebracht sind, die mit metallischen Fäden ausgefüllt sind. Derartige Folien kön nen zur Verbindung von elektronischen Bauelementen verwendet werden.

Ein Verfahren zur Erzeugung von Festkörpern mit diesen Eigen schaften ist z. B. aus der DE-PS 33 37 049 bekannt. Mit dem Verfahren lassen sich allerdings nur Festkörper aus metall übersättigten Gläsern erzeugen, die bruchempfindlich und nicht biegsam sind. Außerdem ist die Kontaktierung der im Glas lie genden metallischen Fäden an der Oberfläche des Festkörpers schwierig, da die Fäden in der Oberfläche enden.

Die vorliegende Erfindung hat daher zur Aufgabe ein Verfahren anzugeben, mit welchem sich die eingangs erwähnten Folien aus Kunststoffen in einer Dicke bis zu 100 µm und mehr herstellen lassen, wobei eine gleichmäßige Verteilung der Leitfähigkeit in z-Richtung über Flächenabmessungen im Bereich von mehreren cm erwünscht ist. Die erzeugten Folien sollen darüberhinaus beidseitig gut kontaktierbar sein und in x/y-Richtung auch in kleinsten Teilbereichen isolierende Eigenschaften aufweisen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren vor, wie es im Patentanspruch 1 mit den Schrit ten a) bis k) beschrieben ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 5 angeführt.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden und anhand der Figuren näher erläutert. Es zei gen:

die Fig. 1 zeigt die Verfahrensschritte b) bis k),

die Fig. 2 und 3 rasterelektronenmikroskopisch vergrößerte Aufnahmen einer nach dem Verfahren hergestellten Folie.

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von in z-Richtung elektrisch leitfähigen und in x/y-Richtung isolie renden Folien 3 aus Kunststoff oder anderen Isolatoren wie z. B. Glimmer, wobei die z-Richtung die Foliendicke rechtwink lig oder schräg und die x/y-Richtung ihre laterale Flächenaus dehnung bestimmt und in die Folie Mikrolöcher oder -kanäle 4 aus geätzten Kernspuren von z. B. schweren Ionen eingebracht sind, die mit metallischen Fäden 5 ausgefüllt sind. In der Fig. 1 sind davon die Verfahrensschritte b) bis k) schematisch im Schnitt durch die Folie 3 dargestellt, wobei der Schritt a) weggelassen wurde.

Dieser erste Schritt a) besteht aus dem Bestrahlen der Folie 3 mit einem Strahl hochenergetischer, bespielsweise schwerer Io nen in z-Richtung, die die Folie vollständig durchdringen und soll hier nicht näher beschrieben werden. Solche Bestrahlungen sind Stand der Technik, wobei Ionenart, -energie und -dichte je nach Art des Folienmateriales und dessen Dicke weitgehend frei gewählt werden können. Wichtig ist dabei lediglich, daß die resultierenden Kernspuren die Folie 3 völlig durchdringen und nach der Bestrahlung latent bleiben.

Im nächsten Schritt b) werden aus den Kernspuren Mikrolöcher 4 in der Folie 3 durch Aufätzen der entstandenen Kernspuren auf den gewünschten Durchmesser der späteren metallischen Fäden 5 erzeugt. Dieses Aufätzen ist ebenfalls Stand der Technik, wo bei auch hier die Ätzparameter wie Ätzdauer, Ätzmedium, -dichte, -temperatur und weitere je nach Art des Folienmate riales und dessen Dicke weitgehend frei gewählt werden können. Wichtig ist jedoch hierbei, daß die Ätzkanäle in der Regel sauber voneinander getrennt bleiben und Überlappungen weitge hend vermieden werden.

Anschließend wird in einem Schritt c) eine leitfähige erste Schicht 6 z. B. durch Sputtern oder Aufdampfen auf die eine Seite 1 der entstandenen Matrix, d. h. der Folie 3 mit den Mi krolöchern 4 aufgebracht, wobei die Öffnungen 11 der Mikrolö cher 4 offen bleiben und die Schicht 6 nicht in die Mikrolö cher 4 eindringt. Diese Schicht 6 ist mit etwa 1/10 µm Dicke relativ dünn, elektrisch leitfähig und besteht aus einem nicht schnell oxydierenden Metall mit guter Leitfähigkeit. Sie dient als Startschicht für ihre anschließende galvanische Verstär kung. Danach wird die Folie 3 mit den Mikrolöchern 4 im Schritt d) auf der anderen Seite 2 mit einer isolierenden Ab deckfolie 7 abgedeckt um das Einwachsen des anschließend gal vanisch auf die dünne Schicht 6 aufgebrachten Materiales von der Seite 1 in die Mikrolöcher 4 zu verhindern bzw. um den Kontakt zwischen der Seite 2 und der Kathode am Boden einer elektrochemischen Zelle zu vermeiden, deren Anode in ihrem oberen Bereich liegt.

Im nächsten Schritt e) wird nun eine zweite, auf mehrere µm Dicke verstärkte leitfähige Metallschicht 8 auf die erste Schicht 6 der einen Seite 1 aufgebracht. Dies erfolgt durch galvanisches Abscheiden aus einem Elektrolytbad von der den Mikrolöchern 4 abgewendeten Richtung her, wobei die erste Schicht 6 als Kathode 9 geschaltet wird. Die Öffnungen 11 der Mikrolöcher 4 werden dabei durch Überwachsen auf der einen Seite 1 verschlossen, die Mikrolöcher 4 bzw. deren Kanäle selbst bleiben jedoch offen, da sie auf der anderen Seite 2 durch die Abdeckfolie 7 verschlossen sind. Die galvanische Ab scheidung erfolgt dabei, wie bereit erwähnt, in einer elektro chemischen Zelle, die aus einem Gefäß besteht, dessen Boden oder unterer Teil als Kathode geschaltet ist, bzw. diese bil det und in welchem sich das Elektrolyt befindet. Die seitli chen Wandungen des Gefäßes sind aus Teflon. Die Anode 10 sitzt innerhalb des Gefässes im Elektrolyt und ist in den Figuren nur schematisch dargestellt. Der Schritt e) wird im Gefäß so durchgeführt, daß die eine Seite 1 der Folie 3 der Anode zuge richtet ist, die Startschicht 6 jedoch dabei als Kathode 9 ge schaltet wird, indem sie mit der Kathode des Gefässes in Ver bindung gebracht wird. Die andere, abgedeckte Seite 2 der Fo lie 3 ist der Anode 10 abgewendet und bleibt bei diesem Schritt unbeeinflusst. Die Abscheidung der Schicht 8 kann da bei durch die Auswahl der elektrochemischen Parameter in wei ten Grenzen gesteuert werden.

Nach dem Erzeugen der dickeren Schicht 8 werden in einem wei teren Schritt f) die Abdeckfolie 7 auf der anderen Seite 2 wieder entfernt und die Folie 3 in dem Gefäss umgedreht, so daß jetzt die Seite 2 der Anode 10 zugewendet ist. Das galva nische Abscheiden von Metallionen aus dem Elektrolyt in den Mikrolöchern 4 erfolgt jetzt von der, der verstärkten Schicht 8 abgewendeten anderen Seite 2 her, wobei die Schicht 8 als Kathode 9 dient. Der Vorgang dauert so lange bis die Mikrolö cher 4 vollständig mit Metallfäden oder Füllungen 5 gefüllt sind und sich über den Öffnungen der Löcher 4 auf der anderen Seite 2 Kappen 12 gebildet haben, die sich gegenseitig nicht berühren. Die stabile zusätzliche Metallschicht 8 dient dabei als Unterlage, auf der die Metallfäden 5 in den Mikrolöchern 4 zu wachsen beginnen. Ohne sie würde das Wachstum der Metallfä den 5 in der Folie 3 zunächst nur an den Wänden der Löcher 4 beginnen und ungleichmäßig werden.

Danach werden als Schritt g) die mit den Schritten c) und e) aufgebrachten Schichten 6 und 8 in einem anderen Gefäß wieder aufgelöst, wobei die Füllungen 5 der Mikrolöcher 4 mit den Kappen 12 erhalten bleiben müssen. Dieser Auflösevorgang lässt sich durch die Wahl der Parameter des Lösungsmittels weitge hend steuern, so daß anschließend eine Folie mit internen Me tallnadeln 5 und einseitigen Kappen 12 entstanden ist.

Auf diese Seite 2 mit den Kappen 12 wird nun in einem Schritt h) eine weitere erste leitfähige Startschicht 13 durch z. B. Sputtern oder Aufdampfen aufgebracht, wobei diese Startschicht 13 über die Kappen 12 hinweggeht und diese elektrisch mitein ander verbindet.

Danach wird als Schritt i) eine zweite, verstärkte leitfähige Schicht 14 auf die jetzt als Kathode geschaltete Schicht 13 mit den Kappen 12 gemäß den Schritten f) und h) durch galvani sches Abscheiden aus einem Elektrolyt von der Seite der Kappen 12 her aufgebracht. Dies erfolgt ähnlich wie beim Schritt e), die Folie 3 wird in dem Gefäß so angeordnet, daß die Schicht 13 im Elektrolyt der Anode 10 zugerichtet wird und dabei selbst als Kathode 9 geschaltet wird.

Ist die Schicht 14 gebildet, so werden im nächsten Schritt j) wieder Metallionen aus dem Elektrolyt auf die Öffnungen 16 der bereits gefüllten Mikrolöcher 4 von der, der verstärkten Schicht 14 gemäß i) abgewendeten einen Seite 1 her abgeschie den, bis sich über den Öffnungen 16 der bereits gemäß dem Schritt f) gefüllten Löcher 4 auf der Seite 1 ebenfalls Kappen 15 gebildet haben, die sich gegenseitig nicht berühren. Dies geschieht in dem Gefäß wiederum dadurch, daß die soweit fer tiggestellte Folie der Anode 10 mit den Öffnungen 16 zugewen det und die Schicht 14 als Kathode 9 geschaltet wird.

Beim letzten Schritt k) erfolgt das Auflösen der mit den Schritten h) und i) aufgebrachten Schichten 13 und 14, wobei die Füllungen 5 der Mikrolöcher 4 mit den Kappen 12 und 15 er halten bleiben. Auch dieser Auflösevorgang lässt sich durch die Wahl der Parameter des Lösungsmittels in einem Gefäß weit gehend steuern, so daß anschließend eine Folie 3 mit internen Metallnadeln 5 und beidseitigen Kappen 12 und 16 entstanden ist. Diese Folie 3 weist nun die gewünschten Eigenschaften be züglich ihrer elektrischen Leitfähigkeit auf.

Beim galvanischen Füllen ergibt sich oftmals folgende Schwie rigkeit: Der Elektrolyt muß die Wände der mikroskopisch feinen Mikrolöcher oder Kanäle 4 gänzlich benetzen und die auf der Seite 1 aufgebrachten Schichten 6 und 8 erreichen, damit die Abscheidung gleichmäßig in allen Mikrolöchern beginnen kann. Dies ist schwierig zu erreichen, da es sich um sehr enge und schmale Löcher handelt, die obendrein noch auf einer Seite verschlossen sind.

Zur Verbesserung des Abscheideprozesses vor allem in den Lö chern 4 ist es daher von Vorteil, daß während einem oder meh reren der Schritte e), f), i), oder j) in dem Gefäß der elek trochemischen Zelle Ultraschallschwingungen auf den Elektroly ten aufgegeben werden und/oder daß dem Elektrolyten ein Benet zungsmittel beigegeben wird. Die Benutzung von Ultraschall vor und während der Abscheidung unterstützt das vollständige Fül len der Kanäle. Der Ultraschall verbessert die Strömung in den engen Kanälen und verhindert so eine deutliche Verarmung der Metallionenkonzentrationen in den Kanälen. Dadurch wird die Polarisierung der Kathode verringert. Auch die Verwendung von alternierendem, d. h. pulsweise aufgegebenem Strom führt zu ei ner besseren Abscheidung in den Kanälen und ergibt ein gleichmässigeres Wachstum. Dabei kann das leitende Material der gefüllten Mikrolöcher 4 mit den Kappen 12 und 16 auch un lösbar in den Lösungen sein, in welchen die anderen verschie denen Schichten 6, 8 und 13, 14 gelöst werden. Die Folie 3 sollte durch das Elektrolytmedium nicht angegriffen und auch nicht durch die Lösungen, welche benutzt werden, um die Schichten 6, 8 und 13, 14 zu lösen.

In den Fig. 2 und 3 sind rasterelektronische Aufnahmen an derselben Stelle der Schicht 4 mit den Füllungen 5 und den Kappen 12 und 15 in zwei Vergrößerungen im Original abgebil det. Der eingeblendete Maßstab von 50 µm bzw. 10 µm gibt dabei die Größenverhältnisse wieder. Die Folie ist bei dem darge stellten Beispiel durch die rasterelektronenmikroskopische Präparation zur Darstellung des Querprofiles geschnitten und somit etwas zusammengequetscht worden. Dies trifft jedoch nur bei der Kante zu und ist für das Verfahren ohne Bedeutung.

Bezugszeichenliste

1

eine Seite

2

andere Seite

3

Folie

4

Mikrolöcher

5

Metallfäden, Füllungen

6

Startschicht

7

Abdeckfolie

8

verstärkte Schicht

9

Kathode

10

Anode

11

Öffnungen

12

Kappen

13

Startschicht

14

verstärkte Schicht

15

Kappen

16

Öffnungen

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von in z-Richtung elektrisch leitfähiger, gut kontaktierbarer und in x/y-Richtung iso lierender Folien aus Kunststoff oder anderen Isolatoren, wobei die z-Richtung die Foliendicke rechtwinklig oder schräg und die x/y-Richtung ihre laterale Flächenausdehnung bestimmt und in die Folie Mikrokanäle aus geätzten Kernspu ren eingebracht sind, die mit metallischen Fäden ausgefüllt sind, mit den folgenden Verfahrensschritten:

a) Bestrahlen der Folie (3) mit einem Strahl hochenergeti scher Ionen in z-Richtung, die die Folie (3) vollständig durchdringen,
b) Erzeugen von Mikrolöchern (4) in der Folie (3) durch Aufätzen der entstandenen Kernspuren auf den gewünschten Durchmesser,
c) Aufbringen einer leitfähigen ersten Schicht (6) durch Sputtern oder Aufdampfen auf die eine Seite (1) der entstandenen Matrix, wobei die Öffnungen (11) der Mikrolöcher (4) offen bleiben und die Schicht (6) nicht in die Mikrolöcher (4) eindringt,
d) Abdecken der Folie (3) mit den Mikrolöchern (4) auf der anderen Seite (2) mit einer isolierenden Abdeckfolie (7),
e) Aufbringen einer zweiten, verstärkten leitfähigen Schicht (8) auf die erste als Kathode (9) geschaltete Schicht (6) der einen Seite (1) durch galvanisches Ab scheiden aus einem Elektrolyt von der den Mikrolöchern (4) abgewendeten Richtung her, wobei die Öffnungen (11) der Mikrolöcher (4) durch Überwachsen auf dieser Seite (1) verschlossen werden, die Mikrolöcher (4) bzw. deren Kanäle selbst jedoch offen bleiben,
f) Entfernen der Abdeckfolie (7) auf der anderen Seite (2) und galvanisches Abscheiden von Metallionen aus dem Elektrolyt in den Mikrolöchern (4) von der, der ver stärkten Schicht (8) abgewendeten anderen Seite (2) her wobei diese Kathode (9) bleibt, bis die Mikrolöcher (4) vollständig gefüllt sind und sich über den Öffnungen der Löcher (4) auf der anderen Seite (2) Kappen (12) gebil det haben, die sich gegenseitig nicht berühren,
g) Auflösen der mit den Schritten c) und e) aufgebrachten Schichten (6, 8), wobei die Füllungen (5) der Mikro löcher (4) mit den Kappen (12) erhalten bleiben,
h) Aufbringen einer weiteren ersten leitfähigen Schicht (13) durch Sputtern oder Aufdampfen auf die andere Seite (2) mit den Kappen (12),
i) weiteres Aufbringen einer zweiten, verstärkten leitfähi gen Schicht (14) auf die jetzt als Kathode (9) geschal tete Schicht (13) mit den Kappen (12) gemäß den Schrit ten f) und h) durch galvanisches Abscheiden aus einem Elektrolyt von der Seite (2) der Kappen (12) her,
j) galvanisches Abscheiden von Metallionen aus dem Elektro lyt auf die Öffnungen (16) der Mikrolöcher (4) von der, der verstärkten Schicht (14) gemäß i) abgewendeten einen Seite (1) her - wobei die Schicht (14) Kathode (9) bleibt -, bis sich über den Öffnungen (16) der bereits gemäß dem Schritt f) gefüllten Löcher (4) auf der einen Seite (1) ebenfalls Kappen (15) gebildet haben, die sich gegenseitig nicht berühren,
k) Auflösen der mit den Schritten h) und i) aufgebrachten Schichten (13, 14), wobei die Füllungen (5) der Mikrolö cher (4) mit den Kappen (12, 15) erhalten bleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wäh rend einem oder mehreren der Schritte e), f), i), oder j) Ultraschallschwingungen auf den Elektrolyten aufgegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektrolyten ein Benetzungsmittel beigegeben wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material (5) der gefüllten Mikrolöcher (4) mit den Kappen (12, 15) unlöslich in den Lösungen ist, in welchen die anderen verschiedenen Schichten (6, 8 und 13, 14) gelöst werden.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Stromfluß bei der gal vanischen Abscheidung alternierend aufgebracht wird.