DE19702124A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen, Aktivieren Benetzen und/oder Beschichten der Oberflächen von Werkstücken - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen, Aktivieren Benetzen und/oder Beschichten der Oberflächen von Werkstücken

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen, Aktivieren, Benetzen und/oder Beschichten der Oberflächen von Werkstücken, insbesondere der Oberflächen von elektronischen Bauelementen, vorzugsweise der Oberflächen von auf Leiterplatten aufgebrachten elektronischen Bauelementen, wobei der Reinigungs-, Aktivierungs-, Benetzungs- und/oder Beschichtungsvorgang und gegebenenfalls vorhandene vor-, zwischen- und/oder nachgeschaltete Schritte unter Niederdruck und unter Plasmawirkung einer speziellen Prozeßgas-Atmosphäre durchgeführt werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Reinigen, Aktivieren, Benetzen und/oder Beschichten der Oberflächen von Werkstücken nach einem der vorherigen Ansprüche, mit wenigstens einem Rezipienten, der über Gaszuführ- und Gasabführleitungen verfügt, mit wenigstens einer Pumpe zum Evakuieren des Rezipienten und mit wenigstens einer Elektrode, wobei in dem Rezipienten ein Plasma erzeugt wird.
Zum Reinigen, Aktivieren, Benetzen und/oder Beschichten sowie weiterer Behandlungsprozesse der Oberflächen von Werkstücken, insbesondere der Oberflächen von elektronischen Bauteilen, sind eine Vielzahl von Verfahren und Verfahrensvarianten bekannt. Diese Verfahren bzw. Verfahrensvarianten lassen sich im wesentlichen, gegliedert nach dem Arbeitsdruck, in drei Gruppen einteilen.
In dem Druckbereich unter 0,1 mbar handelt es sich um Verfahren, deren charakterisierende Prozeßkomponenten oftmals elektronen- oder ionenstrahlgenerierte Verdampfungs- und/oder Sputterprozesse sind. Hierbei liegen die Arbeitsdrücke üblicherweise unter 102 mbar. Vorteilhaft bei diesen Verfahren bzw. Verfahrensvarianten sind die hohe Reinheit und ein großes Materialspektrum. Dem gegenüber stehen die Nachteile in Form eines vergleichsweise hohen apparativen und energetischen Aufwandes aufgrund des hohen Vakuums.
Der Bereich des nichtthermischen (Niederdruck-)Plasmas beginnt bei ca. 10-1 mbar und endet - physikalisch bedingt - bei ca. 10 mbar. Dieser Druckbereich wird bevorzugt für die Reinigung und Aktivierung von Bauteiloberflächen, aber ebenso zum Beschichten, Benetzen, etc. von Werkstücken bzw. Bauelementen verwendet. Für diese Anwendungszwecke wird z. B. das Prozeßgas Pungon® mit seiner sowohl oxidierenden als auch reduzierenden Wirkung verwendet. Diejenigen Verfahren, die in diesem Druckbereich arbeiten, weisen eine raumausfüllende Volumenwirkung, eine gute Spaltgängigkeit des Plasmas sowie ein weitgefächertes Anwendungsgebiet auf. Ihre Nachteile liegen in den geringen Stoffumsätzen und der erforderlichen aufwendigen und kostenintensiven Vakuumtechnik.
Ähnliche, wie die eben genannten Anwendungen können auch mit Verfahren, die bei Drücken um und über 1 bar arbeiten, realisiert werden. Hierbei liegt die fühlbare Wärme des Plasmas bereits deutlich über derjenigen eines Niederdruckplasmas. Die Erzeugung des Plasmas erfolgt bei diesen Drücken durch Corona-oder Barriereentladungen. Diese Arten der Entladungen weisen jedoch zum einen einen schlechten Wirkungsgrad auf und haben zum anderen bei Erzeugungsspannungen von über 10.000 Volt eine sehr geringe Reichweite.
Es sind zwar bereits auch andere Herstellungsprinzipien bekannt - z. B. konzentrierte Mikrowellenwirkung -, wobei diese jedoch über die Laborreife noch nicht hinaus gekommen sind und zudem einen sehr großen Energiebedarf aufweisen. Vorteilhaft bei diesen Verfahren ist, daß bei bzw. über Atmosphärendruck gearbeitet wird und die ansonsten erforderliche aufwendige und kostenintensive Vakuumtechnik entfällt. Andererseits ergeben sich, neben der bereits angesprochenen geringen Reichweite, wesentliche Nachteile, da es in der Regel nicht einfach und oftmals sogar sehr aufwendig ist, die aktivierten Oberflächen vor nachteiligen Folgen der umgebenden Atmosphäre zu schützen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Reinigen, Aktivieren, Benetzen und/oder Beschichten der Oberflächen von Werkstücken, insbesondere der Oberflächen von elektronischen Bauelementen, vorzugsweise der Oberflächen von auf Leiterplatten aufgebrachten elektronischen Bauelementen, anzugeben, das die Erzeugung eines Plasmas ermöglicht, wobei das erzeugte Plasma eine große Reichweite besitzt, hohe Umsetzungsraten ermöglicht, lediglich eine geringe Erzeugerspannung benötigt, der ansonsten zur Erzeugung notwendige hohe apparative Aufwand reduziert wird und die Atmosphäre im Umfeld der Behandlung bzw. Behandlungszone steuerbar ist.
Diese Aufgabe wird entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß ein Druckbereich zwischen 10 und 1000 mbar, insbesondere zwischen 20 und 800 mbar, vorzugsweise zwischen 100 und 500 mbar, eingestellt und gleichzeitig ein nichtthermisches Plasma erzeugt wird.
Es hat sich gezeigt, daß das Reinigen, Aktivieren, Benetzen und/oder Beschichten der Oberflächen von Werkstücken innerhalb des angegebenen Druckbereiches bei gleichzeitiger Erzeugung eines nichtthermischen Plasmas zu sehr guten Ergebnissen führt. Die obengenannten Nachteile der unterschiedlichen, zum Stand der Technik zählenden Verfahren bzw. Vorrichtungen werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden bzw. umgangen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend wird vorgeschlagen, daß das nichtthermische Plasma mittels einer Koronaentladung oder mittels einer Barrierenentladung erzeugt wird.
Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der Unteransprüche.
Wie eingangs bereits erwähnt, betrifft die Erfindung ferner eine Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Reinigen, Aktivieren, Benetzen und/oder Beschichten der Oberflächen von Werkstücken nach einem der vorherigen Ansprüche, mit wenigstens einem Rezipienten, der über Gaszuführ- und Gasabführleitungen verfügt, mit wenigstens einer Pumpe zum Evakuieren des Rezipienten und mit wenigstens einer Elektrode, wobei in dem Rezipienten ein Plasma erzeugt wird.
Zur Lösung zur ebenfalls bereits erwähnten Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß innerhalb eines Rezipienten, in dem unter einer definierten Prozeßgas- oder Prozeßgasgemischatmosphäre ein Druck zwischen 10 und 1000 mbar eingestellt ist, wenigstens zwei Elektroden angeordnet sind, daß wenigstens eine dieser Elektroden von einer Barriereschicht umgeben ist und daß die zu behandelnde Oberflächen des Werkstücks relativ zu den Elektroden in einer Weise angeordnet wird, daß sie dem gebildeten Plasmabereich ausgesetzt ist.
Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ebenfalls Gegenstände der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie weitere Ausgestaltungen des- bzw. derselben seien anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Hierbei besitzen gleiche Figurenteile in der Regel identische Bezugsziffern.
Fig. 1 zeigt einen Rezipienten 5, in dem sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Reinigen, Aktivieren, Benetzen und/oder Beschichten, etc. der Oberflächen von Werkstücken realisieren läßt. Der Rezipient 5 ist über eine Tür 6 zugänglich. Zur Abdichtung des Rezipienten 5 gegenüber der Umgebung sind im Bereich der Tür 6 Dichtungen 16 vorgesehen. Der Rezipient 5 kann selbstverständlich auch z. B. quasi kontinuierlich über zwei Schleusen betrieben werden. Es ist ausreichend, wenn der Rezipient 5 für Unterdrücke bis zu 1 mbar ausgelegt ist.
Innerhalb des Rezipienten 5 befinden sich zwei Elektroden 1 und 2. Im Falle der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung handelt es sich um zwei Stabelektroden, die jeweils von einer Barriereschicht 3 umgeben sind. Als Barriereschicht kann z. B. ein Keramikwerkstoff Verwendung finden. Innerhalb der Elektroden 1 und/oder 2 können Leitungen 4 vorgesehen sein, die zum Zwecke der Kühlung der Elektrode(n) von einem Kühlmedium, wie z. B. Wasser oder Luft, durchströmt werden.
Abhängig vom gewählten Druck innerhalb des Rezipienten 5, des verwendeten Prozeßgases bzw. -gasgemisches sowie der konstruktiven und materialtechnischen Ausführung der Elektroden, liegt die Elektrode 1 an einer Hochspannungsleistung von mehreren 1.000 Volt. Abhängig von der gewünschten Arbeitsweise und Aufgabe wird die zweite Elektrode 2 mit oder ohne Barriereschicht 3 ausgeführt.
Die Stabelektrode 1 wird über die Leitung 14 mit der erwähnten Hochspannungsleistung versorgt, während über Leitung 15 gegebenenfalls ein Kühlmedium durch die Elektrode 1 bzw. der darin vorgesehenen Leitung 4 geführt wird. Analog dazu ist die Elektrode 2 über Leitung 11 geerdet, während über Leitung 12 die Zuführung des Kühlmediums zu der Elektrode 2 erfolgt.
Das bzw. die im Rezipienten 5 benötigten Prozeßgase bzw. -gasgemische werden über Leitung 13 und mittels der Gaszuführungsvorrichtung 9 in den Rezipienten 5 geführt. Das Prozeßgas bzw. -gasgemisch wird in der Regel kontinuierlich über den Gasaustritt 7 durch bzw. aus dem Rezipienten 5 abgesaugt.
Die Prozeßgas- bzw. -gasgemischzuführung mittels der Gaszuführungsvorrichtung 9 kann im Prinzip an jeder beliebigen Stelle innerhalb des Rezipienten 5 erfolgen. Es ist jedoch zu beachten, daß im genannten Druckbereich sowohl die Gasströmung als auch der Ionisationsgrad im Plasma 8, für den Erfolg des Reinigungs-, Aktivierungs-, Benetzungs- und/oder Beschichtungsverfahren von großer Rolle ist. Am effektivsten ist die Prozeßgas- bzw. -gasgemischzuführung daher unmittelbar - wie dies in der Fig. 1 dargestellt ist - im Entladungsbereich 8.
Das verwendete Prozeßgas bzw. -gasgemisch wird sich am jeweiligen Verfahren orientieren. Prinzipiell sind jedoch folgende Gase, alleine oder als zwei- oder mehrkomponentige Gasgemische einsetzbar: O2, H2, CF4, SF6, N2, Ar, He, NH3 und Kohlenwasserstoffe.
Vorteilhafte Gemische für die Behandlung von metallischen Oberflächen sind z. B. Ar/H2-Gemische mit bis zu 50 Vol.-% H2, üblicherweise jedoch mit weniger als 10 Vol.-% H2. Diesem Gemisch kann gegebenenfalls noch ein geringer Anteil von O2 beigemischt werden. Die benötigte Prozeßgas- bzw. -gasgemischmenge ist abhängig von der Größe, Betriebsart und Dichtheit des Rezipienten 5 sowie der Art und der Menge des zu behandelnden Materials.
Das zu behandelnde Werkstück 10 ist bezüglich des gebildeten Plasmas 8 in günstiger Weise zu positionieren. Selbstverständlich ist es denkbar, daß das zu behandelnde Werkstück und/oder die Elektroden oder zumindest eine der Elektroden relativ zueinander bewegt werden können.
In den Fig. 2 bis 5 ist auf die Darstellung des Rezipienten sowie der Versorgungsleitungen verzichtet.
In der Fig. 2 ist ebenfalls eine Stabelektrode 1 dargestellt, die von einer Barriereschicht 3 umgeben ist. Gegebenenfalls sind Leitungen 4 für ein Kühlmedium vorzusehen. Die Gegenelektrode ist als sogenannte Flachelektrode 2' ausgeführt, die ebenfalls eine Barriereschicht 3' aufweist. Für die Vorrichtung, wie sie in der Fig. 2 dargestellt ist, gilt, ebenso wie für die Vorrichtungen, wie sie in den Fig. 3 bis 5 dargestellt sind, daß gegebenenfalls Leitungen 4 für ein Kühlmedium vorgesehen werden können.
Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung eignet sich insbesondere dann, wenn das zu behandelnde Material elektrisch leitend ist, wenn das Substrat und eventuell darauf aufgebrachte Bauelemente gegen hohe Spannungen unempfindlich sind sowie wenn insgesamt eine sehr starke Behandlung in kürzester Zeit durchgeführt werden soll.
Denkbar ist auch eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in der Fig. 3 dargestellt ist. Hierbei ist die Elektrode 1 wiederum als Stabelektrode ausgeführt, die von einer Barriereschicht 3 umgeben ist. Die Stabelektrode 1 ist von einer Rohrelektrode 2'' umgeben. Zwischen den beiden Elektroden 1 und 2'' ist ein Ringraum 22, in dem sich das Plasma bildet, vorzusehen. Die Rohrelektrode 2'' sowie die Flachelektrode 2''', auf die im folgenden noch näher eingegangen werden wird, sind auf einem Grundkörper 23, der vorzugsweise aus einem nichtleitenden (keramischen) Material besteht, angeordnet. Auch der Grundkörper 23 kann zum Zwecke der Kühlung von einem Kühlmedium, wie z. B. Wasser oder Luft, durchströmt werden, wozu die Leitungen 4' dienen.
Dieser Grundkörper 23 weist wenigstens einen Gaseintritt 24 auf, über den das verwendete Prozeßgas bzw. -gasgemisch in den Ringraum 22 einströmt. Das mittels der beiden Elektroden 1 und 2'' in dem Ringraum 22 gebildete Plasma tritt über den Entladungsspalt 21 in den Bereich oberhalb der Flachelektrode 2''' aus. Damit dieses Austreten des Plasmas 8 erfolgt, ist eine sog. Beschleunigungselektrode 20 oberhalb des Entladungsspalts 21 vorzusehen.
Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in der Fig. 3 dargestellt ist, eignet sich insbesondere dann, wenn das zu behandelnde Material elektrisch nichtleitend ist, wenn das Substrat insgesamt spannungsempfindlich ist und wenn auf eine schonende Behandlung Wert gelegt wird.
Im Falle der erfindungsgemäßen Vorrichtungen, wie sie in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind, werden die zu behandelnden Werkstoff, Materialien oder Bauteile zwischen die Elektroden 1 und 2' - im Falle der Fig. 2 - bzw. zwischen die Elektroden 2''' und 20 - im Falle der Fig. 3 - gebracht.
Darüberhinaus können die zu behandelnden Werkstoffe, Materialien oder Bauteile auch selbst zur Elektrode geschaltet werden. In diesen Fällen ist die Behandlungsintensität besonders hoch.
Dazu wird, wie z. B. in der Fig. 4 dargestellt, an Stelle der Barriere 3' auf der Flachelektrode 2' direkt das zu behandelnde Bauteil, wie z. B. ein Wafer 30, aufgebracht. Das entsprechende Analogon zu der Vorrichtung bzw. Verfahrensweise, wie sie in der Fig. 3 dargestellt ist, zeigt Fig. 5. Auch hier wird direkt auf die Beschleunigungselektrode 20 das zu behandelnde Bauteil 30 aufgebracht.
Das erfindungsgemäßen Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung sind des weiteren für Gasreaktionen verwendbar. Wird z. B. im Falle einer wie in der Fig. 5 dargestellten Verfahrensweise bzw. Vorrichtung auf das zu behandelnde Substrat 30 verzichtet und werden über den Gaseintritt 24 miteinander reagierende Gase dem Ringraum 22, in dem die Plasmabildung erfolgt, zugeführt, so können bei entsprechend gewählten Verfahrensführungen plasma-chemische Reaktionen stattfinden. Diese führen gezielt zu Prozeßgasen, Schutzgasen und/oder chemischen Produkt(gasen). Ein Beispiel hierfür ist die Mischung von Methan und Kohlendioxid in einem stöchiometrisch günstigen Verhältnis. Im Ergebnis entsteht ein Prozeßgas zur Aufkohlung von Stahl mit einer Zusammensetzung von ca. 50 Vol.-% Kohlenmonoxid und ca. 50 Vol.-% Wasserstoff. Hierbei ist der Reaktionsumsatz umso höher, je höher die Brennertemperatur ist.
Abschließend seien nochmals die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie dessen bzw. deren weiterer Ausgestaltungen aufgelistet:
  • - Erzeugung eines nichtthermischen, stabilen, homogenen und auslenkbaren Plasmas im Druckbereich zwischen 10 und 1000 mbar;
  • - mit höheren Stoffumsätzen und Abtragsraten;
  • - bei einer gegenüber einer Koronaentladung verringerten Anregungsspannung;
  • - bei verringertem apparativem Aufwand;
  • - nutzbar auch für Gasreaktionen;
  • - die unterschiedlichen Verfahrensweisen sind unter hohen Reinheitsanforderungen möglich; dies sowohl im offenen als auch geschlossenen Kreislauf;
  • - universell einsetzbar.
Nachteilig ist jedoch, daß sich der Gasebedarf erhöht.

Claims (11)

1. Verfahren zum Reinigen, Aktivieren, Benetzen und/oder Beschichten der Oberflächen von Werkstücken, insbesondere der Oberflächen von elektronischen Bauelementen, vorzugsweise der Oberflächen von auf Leiterplatten aufgebrachten elektronischen Bauelementen, wobei der Reinigungs-, Aktivierungs-, Benetzungs- und/oder Beschichtungsvorgang und gegebenenfalls vorhandene vor-, zwischen- und/oder nachgeschaltete Schritte unter Niederdruck und unter Plasmawirkung einer speziellen Prozeßgas-Atmosphäre durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckbereich zwischen 10 und 1000 mbar, insbesondere zwischen 20 und 800 mbar, vorzugsweise zwischen 100 und 500 mbar, eingestellt und gleichzeitig ein nichtthermisches Plasma erzeugt wird.
2. Verfahren zum Reinigen, Aktivieren, Benetzen und/oder Beschichten der Oberflächen von Werkstücken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtthermische Plasma mittels einer Koronaentladung oder mittels einer Barrierenentladung erzeugt wird.
3. Verfahren zum Reinigen, Aktivieren, Benetzen und/oder Beschichten der Oberflächen von Werkstücken nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Gase, alleine oder als zwei- oder mehrkomponentige Gasgemische als Prozeßgas bzw. Prozeßgasgemisch verwendet werden: O2, H2, CF4, SF6, N2, Ar, He, NH3 und Kohlenwasserstoffe.
4. Verfahren zum Reinigen, Aktivieren, Benetzen und/oder Beschichten der Oberflächen von Werkstücken nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Werkstück und/oder die Elektroden oder zumindest eine der Elektroden relativ zueinander bewegbar sind.
5. Verfahren zum Reinigen, Aktivieren, Benetzen und/oder Beschichten der Oberflächen von Werkstücken nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode(n) mittels eines Kühlmediums gekühlt werden.
6. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Reinigen, Aktivieren, Benetzen und/oder Beschichten der Oberflächen von Werkstücken nach einem der vorherigen Ansprüche, mit wenigstens einem Rezipienten, der über Gaszuführ- und Gasabführleitungen verfügt, mit wenigstens einer Pumpe zum Evakuieren des Rezipienten und mit wenigstens einer Elektrode, wobei in dem Rezipienten ein Plasma erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Rezipienten (5), in dem unter einer definierten Prozeßgas- oder Prozeßgasgemischatmosphäre ein Druck zwischen 10 und 1000 mbar eingestellt ist, wenigstens zwei Elektroden (1, 2, 2',. . .) angeordnet sind, daß wenigstens eine dieser Elektroden von einer Barriereschicht (3, 3') umgeben ist und daß die zu behandelnde Oberflächen des Werkstücks (10, 30) relativ zu den Elektroden (1, 2, 2',. . .) in einer Weise angeordnet wird, daß sie dem gebildeten Plasmabereich (8) ausgesetzt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Rezipienten (5) ein Prozeßgas- oder Prozeßgasgemischdruck zwischen 20 und 800 mbar, vorzugsweise zwischen 100 und 500 mbar, eingestellt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Auslenken des gebildeten Plasmabereichs vorgesehen sind, wobei diese Mittel zum Auslenken des gebildeten Plasmabereichs vorzugsweise als Beschleunigungselektrode(n) (20) ausgebildet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum relativen Verschieben des zu behandelnden Werkstücks (10) und/oder der Elektrode(n) (1, 2, 2',. . .) gegeneinander vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Kühlen der Elektrode(n) (1, 2, 2',. . .) vorgesehen sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Kühlen der Elektrode(n) (1, 2, 2',. . .) als von einem Kühlmedium durchströmte Leitung(en) (4) innerhalb der Elektrode(n) ausgebildet sind.
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