DE3326376A1 - Verfahren zum erzeugen von glimmpolymerisat-schichten - Google Patents

Verfahren zum erzeugen von glimmpolymerisat-schichten

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    • B05D3/0254—After-treatment

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 83 P 3 2 2 6 DE
Verfahren zum Erzeugen von Glimmpolytnerisat-Schichten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Glirampolymerisat-Schichten (auf einem Substrat) aus monomeren Kohlenwasserstoffen und/oder Fluorkohlenstoffen mittels einer Hochfrequenz-Niederdruck-Glimmentladung.
Die Glimmpolymerisation, bei der - ausgehend von gasförmigen organischen Monomeren - durch Niederdruckplasmaanregung auf einem Substrat Polymere erzeugt werden, erlaubt die Herstellung dünner, gleichmäßiger und porenfreier Schichten, insbesondere auch aus Monomeren, die anderweitig nicht polymerisierbar sind. Als besonders vorteilhaft zur Erzeugung von Niederdruckplasmen für die Glimmpolymerisation haben sich hochfrequente Entladungen erwiesen, und zwar im Radiofrequenzbereich (siehe: A.T. Bell in S. Veprek, M. Venugopalan "Plasma Chemistry III", Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1980, Seite 43 ff.), d.h. im Bereich zwischen 0,1 und 100 MHz (RF), und im Mikrowellenbereich (siehe: "J. Macromol. Sci.-Chem." A 14(3), Seiten 321 bis 337, 1980), d.h. im Bereich zwischen 0,1 und 1000 GHz (MW). Dabei kann nämlich die Energie in das Plasma, d.h. in den Reaktor, in dem die Glimmpolymerisation durchgeführt wird, ohne Schwierigkeiten - über Außenleitungen - kapazitiv oder induktiv und auch über Wellenhohlleiter, wie Resonatorkavitäten, sogenannte "slow wave structures" u.s.w., eingekoppelt werden, wodurch eine reaktive Wechselwirkung zwischen den elektrisch leitenden Teilen und dem Plasma unterbunden wird.
Bh 2 Koe / 18.7.1983
Einen interessanten Aspekt bei der Glimmpolymerisation stellt die Herstellung solcher Schichten dar, bei denen von Kohlenwasserstoffen (CH) und Fluorkohlenstoffen bzw. Fluorcarbonen (CF) ausgegangen wird. Dabei können nämlich aus den eingesetzten organischen Monomeren, die ein breites Spektrum polymerisationsfreundlicher Verbindungen umfassen, Glimmpolymerisate mit in einem weiten Bereich spezifizierbaren Eigenschaften hergestellt werden. Mit derart hergestellten dünnen Schichten auf CH- und/oder CF-Basis lassen sich in qualitativ und quantitativ guter Ausbeute verlustarme Dielektrika, oberflächenenergiearme und damit flüssigkeitsabweisende Überzüge, empfindliche Resistschichten für Trockenstrukturierungsprozesse in der Röntgen- und Elektronen-Strahllithographie, Dünnschichtmembranen für elektromedizinisch^ Anwendungen und Elektrete für verschiedene Anwendungszwecke herstellen.
Bei RF-Glimmentladungen kann allerdings grundsätzlich nicht vermieden werden, daß in die CH- bzw. CF-Schichten ungesättigte Strukturen und Radikale eingebaut werden, die sich bei Zutritt von Luftsauerstoff oxidativ umsetzen oder gegebenenfalls auch mit anderen reaktionsfähigen Verbindungen reagieren; dies wiederum bedingt ein chemisch verändertes Verhalten der erzeugten Schichten infolge unerwünschter oder Undefinierter Polarität, beispielsweise eine Lyophilität bei der Einwirkung von Lösungsmitteln oder erhebliche Änderungen der Eigenschaften in Anwesenheit von Feuchtigkeit.
Diese Tatsache ist darauf zurückzuführen, daß in RF-Plasmen aus den Monomermolekülen durch Zusammenstöße mit Elektronen ein Teil der H- bzw. F-Atome abgespalten und mit dem Gasstrom (der monomeren Komponente) abgeführt wird, damit aber auch der Schichtbildung entzogen wird. Aufgrund der im Vergleich zu den Monomeren unterstöchiometrischen H/C- bzw. F/C-Verhältnisse von <· 2
3326378 -ά- VPA 83 P 3 2 2 6 DE
(siehe dazu: E. Kay, J. Coburn und A. Dilks in S. Veprek, PI. Venugopalan "Plasma Chemistry III", Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1980, Seite 1 ff.) verbleiben in den Schichten primär freie Valenzen der C-Atome, welche die Bildung ungesättigter Strukturen und eingefrorener Radikale zur Folge haben und damit die Instabilität in chemischer Hinsicht bedingen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der ein- ^ gangs genannten Art zum Erzeugen von Glimmpolymerisat-Schichten in der Weise auszugestalten, daß chemisch stabile Produkte erhalten werden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das * Glimmpolymerisat nach der Herstellung unter Ausschluß von Luft einem Temperprozeß in einer Atmosphäre von Kohlenwasserstoff- und/oder Fluorkohlenstoff-Monomeren bei Temperaturen zwischen 100 und 4500C für die Dauer
von 1 bis 10 h unterworfen wird. 20
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden durch einen nachträglichen vollständigen oder partiellen Ausgleich des H- bzw. F-Defizits der primär hergestellten Glimmpolymerisate Schichten erzeugt, die in chemischer und physikalischer Hinsicht stabil sind. Bei diesem Verfahren kann gegebenenfalls kurzzeitig auch bei einer Temperatur über 4500C getempert werden.
Alternativ zur vorstehend genannten Lösungsmöglichkeit, der sogenannten reaktiven Nachtemperung, wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe auch dadurch gelöst, daß das Substrat, auf dem das Glimmpolymerisat abgeschieden wird, während der Herstellung des Glimmpolymerisats auf Temperaturen zwischen 100 und 45O0C *5 erhitzt wird.
3326378 VPA 83 P 3 2 2 6 DE
Bei einer derartigen Vorgehensweise wird neben einer Stabilisierung durch Absättigung der eingefrorenen Radikale auch die Entfernung niedermolekularer flüchtiger Polymerisatanteile aus der Schicht erreicht. Im übrigen wird, bedingt durch die bei der Glimmpolymerisation herrschenden Bedingungen, auch bei dieser Alternative unter Ausschluß von Luft gearbeitet.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird praktisch der grundsätzliche Nachteil, der einer mit Hochfrequenz arbeitenden Glimmpolymerisation eigen ist, nämlich die chemische Instabilität der dabei (primär) erzeugten Glimmpolymerisate, dazu benutzt, um chemisch und physikalisch stabile Schichten herzustellen. Das Manko, mit dem die primär erzeugten Glimmpolymerisate behaftet sind, kann ferner aber auch genutzt werden, um Schichten herzustellen, die neben einem stabilen Charakter auch bestimmte, gezielt herstellbare Eigenschaften aufweisen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden dazu bei der reaktiven Nachtemperung die Kohlenwasserstoff- bzw. Fluorkohlenstoff-Monomeren wenigstens teilweise durch eine andere reaktive gasförmige Komponente ersetzt. Gegebenenfalls kann dieser reaktiven Komponente auch ein Inertgas, wie Argon, zugesetzt werden.
Als reaktive gasförmige Komponente können beim erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise Wasserstoff oder Fluor eingesetzt werden, d.h. anorganische Komponenten; da'neben kommen aber auch CH- und CF-haltige Gase in Betracht. Hierbei führen die reaktiven Komponenten, die eine Absättigung der eingefrorenen Radikale bewirken, zu unpolaren Glimmpolymerisat-Schichten mit lyophobem Charakter. Derartige Glimmpolymerisat-Schichten sind
beispielsweise für Dielektrika oder als flüssigkeitsabweisende Überzüge geeignet. Den genannten reaktiven Komponenten können auch spezifische Radikalfänger, wie 1.1-Diphenylethylen, zugesetzt werden. 5
Als reaktive gasförmige Komponente können aber auch anorganische Verbindungen, wie Sauerstoff (OpK Schwefeldioxid (SOp), Wasserdampf (HpO) und Gemische dieser Verbindungen oder Ammoniak (NH,), sowie primäre und sekundäre Amine (RNH2 bzw. R2NH) eingesetzt werden. Derartige reaktive Komponenten führen zu stabilisierten polaren Glimmpolymerisat-Schichten, beispielsweise mit gezielt lyophilem bzw. hydrophilem Charakter, welche sich beispielsweise zur Verwendung als Dünnschichtmembranen eignen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem die Glimmpolymerisate - unter Ausschluß von Luftsauerstoff einem nachfolgenden reaktiven Temperprozeß in einer Atmosphäre aus Kohlenwasserstoff- und/oder Fluorkohlenstoff verbindungen unterworfen werden bzw. die Herstellung der Glimmpolymerisate bei erhöhter Temperatur erfolgt, werden offensichtlich die sich bildenden ungesättigten Valenzen mit Wasserstoff- bzw. Fluoratomen oder C-H- bzw. C-F-Gruppierungen abgesättigt, wodurch Schichten entstehen, die ein hohes H/C- bzw. F/C-Verhältnis aufweisen. Daneben ist bei diesem Verfahren, aufgrund der speziellen Temperaturen, aber auch gewährleistet, daß keine thermische Schädigung der Schichten erfolgt. Vielmehr kann, ähnlich wie bei Sinterprozessen, sogar ein Verfließen der Schichten erreicht werden, was deren homogenen Charakter günstig beeinflußt.
VPA 83 P 32 2 6
Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren bei einer Temperatur von ca. 4000C gearbeitet. Hierbei ist die erforderliche Aufspaltung von C-H- bzw. C-F- und C-C-Bindungen in den gasförmigen Monomermolekülen in ausreichendem Maße gewährleistet, so daß auch die Reaktionsgeschwindigkeit der reaktiven Temperung ausreichend hoch ist.
Erfolgt die reaktive Temperung zeitlich nach der Erzeugung der Glimmpolymerisat-Schichten, so wird die Wärmebehandlung in einem Zeitraum zwischen 1 und 10 h durchgeführt; dabei wird vorteilhaft in der Weise vorgegangen, daß langsam auf die beim Tempern maximal angewendete Temperatur aufgeheizt, diese Temperatur relativ kurz gehalten und dann relativ schnell abgekühlt wird. Bei glimmpolymerisierten Schichten auf CH-CF-Basis kann die Temperung - zur Erzielung von Elektreteigenschaften - auch in einem elektrischen Feld durchgeführt werden.
Verlaufen die'Glimmpolymerisation und die reaktive Temperung zeitlich parallel, so richtet sich die Wärmebehandlung nach der Dauer der Abscheidung des Glimmpolymerisats auf dem Substrat. Die Abscheidedauer wiederum ist abhängig von der gewünschten Schichtdicke und den Abscheidebedingungen; sie beträgt im allgemeinen zwischen 30 min und 3 h. Diese Zeit reicht bei der genannten Verfahrensweise, d.h. gleichzeitigem Verlauf von Glimmpolymerisation und Temperung, aber auch aus, um Schichten mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten.
Als Kohlenwasserstoff-Monomere können beim erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise folgende Verbindungen verwendet werden: Ethylen, Propen, Buten, Butadien und Cyclohexan. Vorzugsweise werden bei diesem Verfahren
-/- VPA 83 P 3 2 2 6
perfluorierte organische Verbindungen, d.h. Fluorkohlenstoffe, eingesetzt, und zwar sowohl bei der Glimmpolymerisation als auch bei der reaktiven Temperung. Als monomere Fluorverbindung dient dabei insbesondere Öctafluorcyclobutan C,FQ (Perfluorcyclobutan). Daneben kommen aber auch andere perfluorierte Kohlenwasserstoffe in Betracht, wie Tetrafluorethylen CpF., Perfluorpropen C^Fg, Perfluorbuten C^Fo und Perfluorcyclohexan CgF-ip·
10
Die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases, beispielsweise der fluorhaltigen organischen Verbindung, beträgt beim erfindungsgemäßen Verfahren im allgemeinen
3 -1 -2
10 bis 1000 mbar-ciir-s , der Arbeitsdruck 10 bis TO mbar; dies gilt nicht nur bei der "normalen" Erzeugung der Glimmpolymerisat-Schicht, sondern auch für den Fall, daß Glimmpolymerisation und reaktive Temperung gleichzeitig erfolgen. Erfolgt die reaktive Temperung zeitlich nach der Herstellung der Glimmpolymerisat- _2 Schicht, so beträgt der Reaktionsgasdruck 10 bis 1000 mbar. Die Anregungsfrequenz der Niederdruck-Glimmentladung beträgt im RF-Bereich im allgemeinen 0,1 bis 100 MHz, vorzugsweise 0,1 bis 30 MHz, und im MW-Bereich im allgemeinen 0,1 bis 1000 GHz, vorzugsweise 0,1 bis 100 GHz.
Anhand von Ausführungsbeispielen und einer Figur, in der eine vorteilhafte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt ist, soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
Die in der Figur dargestellte Vorrichtung dient zur Herstellung von Glimmpolymerisaten und zu deren reaktiven Temperung. Dazu weist diese Vorrichtung ein Entladungsrohr 1 aus Glas auf, das etwa in der Mitte - auf
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& VPA 83 P 3 2 2
einem Teil seiner Länge - zu einer Entladungskammer 2 mit rechteckigem Querschnitt abgeflacht ist. Im Bereich der Entladungskammer 2 sind außen am Rohr 1 zwei Elektroden 3 und 4 angeordnet, die, was in der Figur nicht dargestellt ist, mit einem Hochfrequenzgenerator verbunden sind. In der Entladungskammer 2 befindet sich, auf dem Boden des Entladungsrohres 1, das zu beschichtende Substrat 5, beispielsweise ein Düsenträger eines mit Flüssigkeitströpfchen arbeitenden Schreibgerätes.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann nämlich zum direkten Erzeugen einer chemisch stabilen Schicht auf dem Düsenträger eines derartigen Schreibgerätes dienen, das beispielsweise aus der DE-PS 25 27 647 bekannt ist (siehe auch DE-OS 31 14 192). Um bei diesem Schreibgerät die Benetzung der dem Aufzeichnungsträger zugewandten Seite des Düsenträgers mit Schreibflüssigkeit zu verhindern, ist bereits vorgeschlagen worden, diese Seite des Düsenträgers mit einer flüssigkeitsabweisenden Schicht aus Polyethylen oder Polytetrafluorethylen zu versehen (deutsche Patentanmeldung Akt.Z.
P 32 14 791.0 - "Mit Flüssigkeitströpfchen arbeitendes Schreibgerät"). Ein entsprechendes Verfahren wurde in der deutschen Patentanmeldung Akt.Z. P 32 14 804.6 "Verfahren zum Erzeugen einer lyophoben Schicht" vorgeschlagen.
Dem Entladungsrohr 1 wird durch einen Hahn 6 das Reaktionsgas zugeführt, durch einen Hahn 7 erfolgt dessen Abführung; ein Stutzen 8 am Entladungsrohr 1 dient zum Anschluß eines - in der Figur nicht dargestellten Manometers. Am Entladungsrohr 1 ist ferner eine Glasampulle 9 vorgesehen, die nach der Beschichtung das Substrat 5 aufnehmen kann; zum Verschließen kann die Ampulle 9 an der Engstelle 10 abgeschmolzen werden. Im Bereich der Entladungskammer 2 ist das Rohr 1 schließlich noch mit einer Heizung, d.h. mit einem Rohrofen 11, versehen.
Beispiel 1
Nach dem Einbringen des zu beschichtenden Düsenträgers 5 wird das Entladungsrohr 1 (mitsamt der Ampulle 9) durch den Hahn 7 mit einer Vakuumpumpe auf ca. 10 mbar evakuiert. Anschließend wird durch den Hahn 6 das Reaktionsgas, beispielsweise gasförmiges Octaflorcyclobutan, zugeführt. Dabei wird die Strömungsgeschwindigkeit mittels eines konventionellen Dosierventils, das in der Figur nicht dargestellt ist,
3 -1
auf ca. 170 mbar-cm -s eingestellt. Mit Hilfe eines ebenfalls nicht dargestellten - Drosselventils in der Gasabführung wird dann das Saugvermögen der Vakuumpumpe soweit herabgesetzt, daß sich ein Arbeitsdruck von ca.
0,5 mbar einstellt. Dann wird die Glimmentladung gezündet, indem an die Elektroden 3 und 4 eine vom Hochfrequenzgeneraor gelieferte Hochfrequenzspannung angelegt wird; die Frequenz beträgt beispielsweise etwa 13/5 MHz. Im Verlauf von 45 min wird auf dem Düsenträger eine Schicht von ca. 3 \im Dicke gebildet.
Nach dem Abschalten der Glimmentladung wird das Entladungsrohr 1 erneut evakuiert und anschließend zusammen mit der Ampulle 9 mit dem zum reaktiven Tempern verwendeten Reaktionsgas gefüllt, beispielsweise mit 700 mbar Octafluorcyclobutan; der Fülldruck kann aber in einem relativ weiten Bereich variiert werden. Bei geschlossenen Hähnen 6 und 7 wird das Entladungsrohr 1 dann von der übrigen Anlage getrennt und so geneigt, daß der beschichtete Düsenträger 5 in die Ampulle 9 gleitet; diese wird dann durch Abschmelzen an der Engstelle 10 verschlossen. Anschließend wird die Ampulle 9 in einen Kammerofen gelegt und im Verlauf von 6 h auf ca. 4000C aufgeheizt. Nach einer weiteren Stunde (Temperatur:
4000C) wird der Ofen abgeschaltet und die Ampulle innerhalb von 1 h von 4000C auf Raumtemperatur abgekühlt; das Öffnen der Ampulle geschieht in bekannter Weise.
-atf- VPA 83 P 3 2 2 6 dt
Die auf dem Düsenträger befindliche Glimmpolymerisat-Schicht weist nach dem Tempern eine Schichtdicke von ca. 1 μηη auf. Bei der geschilderten Verfahrensweise ist sichergestellt/ daß die Schicht zwischen der Abscheidung und dem reaktiven Tempern nicht mit Luftsauerstoff in Berührung kommt und so eine Reaktion mit eingefangenen Radikalen unter Bildung lyophiler C=O-Gruppen unterbleibt.
Beispiel 2
Ein Düsenträger 5 wird entsprechend Beispiel 1 beschichtet. Der beschichtete Düsenträger wird dann jedoch nicht in die Ampulle 9 überführt, sondern er verbleibt in der Entladungskammer 2; zur Temperung dient nämlich in diesem Fall die Heizung 11. Unter Beibehaltung der Strömungsgeschwindigkeit von ca. 170 mbar'cm 's wird dazu durch eine stärkere Drosselung des Saugvermögens der Vakuumpumpe (mittels eines Drosselventils) der Octafluorcyclobutandruck im Rohr 1 auf ca. 50 mbar erhöht. Dann wird innerhalb von 6 h auf ca. 4000C aufgeheizt und nach einer weiteren Stunde innerhalb einer Stunde - auf Raumtemperatur abgekühlt. Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, daß niedermolekulare Zwischenprodukte, die bei der Beschichtung in die Schicht eingebaut und während des Temperns wieder freigesetzt werden, mit dem Reaktionsgasstrom entfernt werden können.
Beispiel 3
Nach dem Einbringen des zu beschichtenden Düsenträgeir£ 5 und nach dem Evakuieren des Entladungsrohres 1 wird, wie in Beispiel 1 beschrieben, ein Octafluor-
3 -1 cyclobutan-Durchfluß von ca. 170 mbar-cm *s und ein Arbeitsdruck von ca. 0,5 mbar eingestellt. Mit Hilfe
der Heizung 11 werden das Entladungsrohr 1 und der Düsenträger 5 auf ca. 400°C aufgeheizt und auf dieser Temperatur gehalten. Nach dem Zünden der Glimmentladung erfolgt die Beschichtung des Düsenträgers dann unmittelbar bei ca. 4000C. Nachdem die gewünschte Schichtdicke erreicht ist, wird die Entladung abgeschaltet und die Temperatur im Verlauf von einer Stunde von 40O0C auf Raumtemperatur abgesenkt. Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, daß die beiden Prozesse, Beschichtung, d.h. Erzeugung der Glimmpolymerisat-Schicht, und reaktives Tempern, in einem Schritt erfolgen.
Die auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellten Glimmpolymerisat-Schichten haben, wie IR-spektroskopische Untersuchungen zeigen, eine PTFE-ähnliche Zusammensetzung. ESCA-Messungen, d.h. die Ermittlung der Bindungszustände mittels Elektronen-Spektroskopie, ergeben ein F/C-Verhältnis nahe bei 2:1. Diese Schichten erweisen sich in hohem Maße als lyophob und sie sind beispielsweise auch bei längerer Einwirkung der Tintenflüssigkeit von Schreibgeräten der vorstehend genannten Art beständig.
8 Patentansprüche
1 Figur
- Leerseite -

Claims (8)

  1. Patentansprüche
    IiyVerfahren zum Erzeugen von Glimmpolymerisat-Schichten (auf einem Substrat) aus monomeren Kohlenwasser-Stoffen und/oder Fluorkohlenstoffen mittels einer Hochfrequenz-Niederdruck-Glimmentladung, dadurch gekennzeichnet , daß das Glimmpoly- . merisat nach der Herstellung unter Ausschluß von Luft einem Temperprozeß in einer Atmosphäre von Kohlenwasserstoff- und/oder Fluorkohlenstoff-Monomeren bei Temperaturen zwischen 100 und 45O°C für die Dauer von bis 10 h unterworfen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
    gekennzeichnet, daß der Temperprozeß in einem elektrischen Feld durchgeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kohlenwasserstoff- bzw. Fluorkohlenstoff-Monomeren wenigstens teilweise durch eine reaktive gasförmige Komponente ersetzt werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch
    gekennzeichnet , daß als reaktive gasförmige Komponente Wasserstoff oder Fluor eingesetzt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch
    gekennzeichnet, daß als reaktive gasförmige Komponente Sauerstoff, Schwefeldioxid, Wasserdampf und Gemische dieser Verbindungen oder Ammoniak sowie primäre und sekundäre Amine eingesetzt werden.
    3326378 VPA 83 P 3 2 2 6 OE
  6. 6. Verfahren zum Erzeugen von Glimmpolymerisat-Schichten (auf einem Substrat) aus monomeren Kohlenwasserstoffen und/oder Fluorkohlenstoffen mittels einer Hochfrequenz-Niederdruck-Glimmentladung, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat während der Herstellung des Glimmpolymerisats auf Temperaturen zwischen 100 und 4500C erhitzt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Temperatur von ca. 400°C gearbeitet wird.
  8. 8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als organisches Monomeres eine perfluorierte Verbindung, insbesondere Octafluorcyclobutan, verwendet wird.
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