DE19817530C2 - Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtstrukturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtstrukturen.

Dünnschichtstrukturen werden unter Verwendung unterschiedlicher Materialien für die verschiedensten Anwendungszwecke, z. B. für elektronische Schaltungen, für beschichtete Brillengläser oder Fensterscheiben, für DNA- Chips, für Trockenchemieteststreifen, für mikromechanische Dünnschichtstrukturen und vieles andere, genutzt.

Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von Mehrlagendünnschichtstrukturen, z. B. für elektronische Bauelemente und integrierte Schaltungen, wird in Beschichtungsanlagen ein großflächiger Dünnfilm aus leitendem Material, zum Beispiel aus Kupfer, Silber und dgl., auf ein Substrat aufgebracht. Diese Beschichtung erfolgt im wesentlichen durch Aufdampfen oder unter Anwendung von Sputter-, Epitaxie- bzw. Laserablationsverfahren oder durch elektrochemische Prozesse. Die Strukturierung der Leiterbahnen oder der Bauelementschichten erfolgt mit Hilfe unterschiedlicher Lithographieverfahren. Zu diesem Zweck wird zunächst eine Maske mit der zu erzeugenden Struktur erstellt und über diese eine auf die leitende Schicht des Substrats aufgebrachte strahlungsempfindliche Lackschicht mit UV- Strahlen, Röntgenstrahlen, Elektronenstrahlen oder Ionenstrahlen belichtet. Anschließend wird die belichtete bzw. die unbelichtete Lackschicht weggelöst und die freigelegte Oberflächenschicht weggeätzt. Schließlich wird die verbliebene Lackschicht von der verbliebenen, nun beispielsweise einen Leiterstreifen bildenden Oberflächenschicht abgelöst.

Gerade bei der Herstellung komplizierter Schaltkreise, beispielsweise mit einer Mehrzahl sich kreuzender, voneinander isolierter Leiterbahnen, die zudem - auch in ein und derselben Leiterbahn - unterschiedliche Schichtdicken aufweisen und gegebenenfalls auch aus miteinander gemischten Werkstoffen bestehen können, sind die bekannten Lithographieverfahren sehr Zeit- und kostenaufwendig, da zum einen eine große Zahl unterschiedlicher Arbeitsschritte erforderlich ist und zum anderen das benötigte Instrumentarium extrem teuer ist.

Aus der DE 30 47 884 A1 ist bereits ein Verfahren zur automatisierbaren Bearbeitung in der Halbleitertechnologie zum Aufbringen von Strukturen bekannt, bei dem ein Schreibwerk eines Tintenstrahldruckers Anwendung findet, das in X- und Y-Richtung und erforderlichenfalls in Z- Richtung bewegbar ist. Andererseits kann auch das Schreibwerk fest angeordnet sein, während die zu bearbeitenden Leiterplatten bewegt werden.

Die DE 38 05 841 A1 beschreibt darüber hinaus ein Verfahren zum Bestücken von Bauelementträgern mit Bauelementen, die mit einem Haftmittel fixiert werden. Das Haftmittel wird mit dem Schreibwerk eines Tintenstrahldruckers an den Bestückungspositionen abgegeben.

Diese Verfahren betreffen jedoch nicht die Dünschichttechnologie, bei der hinsichtlich der Produktionsbedingungen weitaus höhere Anforderungen als bei der Leiterplattentechnologie gestellt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von vielfältig strukturierten Mehrlagendünnschichtstrukturen anzugeben, bei dem der Arbeits- und Zeitaufwand gegenüber den bekannten Lithographieverfahren deutlich verringert ist und zudem Einsparungen hinsichtlich des Materialbedarfs und der erforderlichen Apparaturen erzielt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtstrukturen gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Der Kern der Erfindung besteht mit anderen Worten in der Anwendung eines dem Tintenstrahldruckerprinzip entsprechenden Verfahrens für das unmittelbare Ausbilden bzw. Auftragen der unterschiedlichen Dünnschichtstrukturen in ihrer konkreten geometrischen Form, und zwar in einzelnen und/oder übereinanderliegenden Schichten. Die Strukturelemente werden mit einem feinsten Strahl bzw. feinsten Tröpfchen aus flüssigem Dünnschichtmaterial gleichsam gedruckt, jedoch mit dem Unterschied zum herkömmlichen Tintenstrahldrucken, daß für Dünnschichtstrukturen geeignete Ausgangsstoffe in verflüssigtem Zustand im Vakuum in mehreren Schichten und in unterschiedlicher oder sich in einer Schicht ändernder Schichtdicke auf das Substrat aufgetragen werden.

Gegenüber den bekannten Lithographie- und Dünnschichttechniken ist das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren weitaus leistungsfähiger, das heißt, mit verringertem Arbeitsaufwand können komplizierteste Dünnschichtstrukturen materialsparend und in kürzerer Zeit sowie mit verringertem apparativem Aufwand hergestellt werden.

Weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird am Beispiel der Herstellung einer elektronischen Dünnschichtschaltung unter Vakuum, bestehend aus zwei sich kreuzenden und im Kreuzungsbereich voneinander isolierten Leiterbahnen, näher erläutert.

Da die zur Herstellung der Schaltung verwendete Vorrichtung im wesentlichen einem bekannten, an einen Rechner angeschlossenen Tintenstrahldrucker entspricht, wird auf dessen zeichnerische Darstellung im Ausführungsbeispiel verzichtet. Der Unterschied zu dem herkömmlichen Tintenstrahldrucker besteht hier darin, daß die einem Düsenkopf zugeordneten Vorratsbehälter mit Leitsilber bzw. mit Lack als Isoliermaterial gefüllt sind. Beide Stoffe befinden sich aufgrund der Mischung mit einem Lösungsmittel in einem fließfähigen Zustand. Die mit der Leitsilberlösung und dem Flüssiglack in Berührung kommenden Teile der Vorrichtung bestehen aus lösungsmittelbeständigem (oder bei erforderlicher Erwärmung des Materials im Falle des Auftragens in schmelzflüssigem Zustand auch aus hitzebeständigem) Werkstoff. Die Schließmechanismen der an die Vorratsbehälter angeschlossenen und entsprechend dem jeweiligen Werkstoff dimensionierten Materialausgabedüsen des Düsenkopfes (Druckkopfes) der Vorrichtung sowie die Linearbewegung des Düsenkopfes und die dazu senkrechte Bewegung des Substrats werden durch ein in dem Rechner gespeichertes Programm gesteuert. Als Substrat wird z. B. ein Siliziumwafer verwendet, auf den die Leitsilberstreifen sowie die Isolierschichten an deren Überkreuzungen aufgetragen werden. Zunächst wird rechnergesteuert der erste Leiterstreifen auf dem Siliziumwafer erzeugt, indem entsprechend dem gespeicherten Leiterstreifenmuster der Druckkopf bei geöffneter Materialausgabedüse für die Leitsilberlösung in X-Richtung hin- und herbewegt und der Siliziumwafer relativ dazu in Y-Richtung bewegt wird. Dabei wird die Leitsilberlösung entsprechend dem Tintenstrahldruckverfahren in Form feinster Tröpfchen (pixelweise) auf den Siliziumwafer gespritzt, trocknet durch Verdunstung des Lösungsmittels ein und verbleibt als feste, elektrisch leitfähige streifenförmige Dünnschicht auf dem Substrat. Programmgesteuert werden anschließend die vorgegebenen Überkreuzungen vom Druckkopf angefahren und an den betreffenden Stellen die Materialabgabedüsen für den Flüssiglack geöffnet. Der aufgespritzte Flüssiglack trocknet ebenfalls ein und bildet auf dem ersten Leiterstreifen eine fest haftende Isolierschicht. Schließlich wird der zweite Leiterstreifen entsprechend seinem gespeicherten Muster hergestellt. An den Überkreuzungen mit dem ersten Leiterstreifen sind somit drei übereinanderliegende Schichten gebildet, wobei die sich kreuzenden Leiterstreifen durch eine Isolierschicht elektrisch voneinander getrennt sind.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das oben beschriebene, sehr einfache Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist es möglich, mit dem nach den Grundprinzipien der Tintenstrahldrucktechnik durchgeführten Verfahren komplizierteste Dünnschichtstrukturen mit einer Mehrzahl übereinanderliegender, in der Schichtdicke variierender Schichten aus unterschiedlichen Stoffen, die erst bei höheren Temperaturen fließfähig sind oder die Mischungen aus verschiedenen Stoffen sind, auf das Substrat aufzutragen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtstrukturen unter Anwendung eines auf dem Prinzip des Tintenstrahldruckers basierenden Schreibwerks, bei dem auf ein Substrat geometrisch strukturierte Schichten ein- oder mehrschichtig und in gleichbleibender oder variabler Schichtdicke aus mindestens einem Vorratsbehälter mit in diesem befindlichen, durch Temperatureinwirkung oder Lösungsmittel verflüssigten Ausgangsmaterialien mit Hilfe eines Schreibkopfes rechnergesteuert aufgetragen werden, wobei das Schreibwerk und das Substrat beim Auftragen des Ausgangsmaterials unter Vakuum gehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der dreidimensionalen geometrischen Strukturen auf der Basis einer Relativbewegung zwischen Schreibkopf und Substrat in X- und Y- Richtung sowie deren Bewegungsgeschwindigkeit in Verbindung mit der Dosiermenge zur Ausbildung der Schichten in Z-Richtung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Ausgangsmaterialien aus verschiedenen Vorratsbehältern zur Erzeugung von Schichten aus Stoffmischungen aufgetragen werden, deren Zusammensetzung auf der Basis der Bewegungsgeschwindigkeit des Substrats und der Schreibköpfe in Verbindung mit der Dosiermenge geregelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschichtstrukturen an unterschiedlichen Positionen gleichzeitig auf das Substrat aufgetragen oder übereinandergeschichtet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschichtmaterialien in einer Schutzgasatmosphäre und/oder einem vorgegebenen Temperaturregime auf das Substrat aufgetragen werden.