DE3340585A1

DE3340585A1 - Verfahren zum ionenbeschichten eines substrats

Info

Publication number: DE3340585A1
Application number: DE19833340585
Authority: DE
Inventors: Gerald Wayne Dallas Tex. White
Original assignee: White Engineering Corp
Current assignee: White Engineering Corp
Priority date: 1983-04-22
Filing date: 1983-11-10
Publication date: 1984-10-25
Also published as: DE3340585C2; HK67587A; FR2544746B1; GB8329742D0; FR2544746A1; US4420386A; JPS59200755A; JPH0641628B2; AU552239B2; SG42287G; AU2688684A; MY104370A; GB2138449A; GB2138449B

Description

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Gemäß Erfindung wird die Ionenbeschichtung eines Substrats in einer Kammer durchgeführt, in der das Beschichtungsmaterial untergebracht ist. Die Kammer wird evakuiert und das Beschichtungsmaterial wird in der evakuierten Kammer verdampft. Ein mit Elektronen gesättigtes Magnetfeld wird in die Nähe des Substrats gebracht, um die verdampften Atome des Beschichtungsmaterials positiv zu ionisieren. Eine negative Gleichspannung wird an das leitfähige Substrat angelegt, um die positiven Ionen des verdampften Beschichtungsmaterials anzuziehen und/oder eine HF-Spannung wird an das Substrat oder die Substrate aus Isolierstoff gelegt, um dadurch eine negative Eigenvorspannung auf der Substratoberfläche zu bilden, welche die positiven Ionen des Beschichtungsmaterials anzieht.

Die Erfindung schafft somit ein Ionenbeschichtungsverfahren, welches eine große Anzahl von Gegenständen beschichten kann, die unregelmäßig geformt sind und die unregelmäßige Vertiefungen haben. Dabei entsteht eine glatte Beschichtungsoberflache über diesen Unregelmäßigkeiten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich inbesondere Beschichtungsstoffe auf eine Leiterplatte aufbringen, um eine gedruckte Leiterplatte zu bilden, die bislang nach chemischen Ätzverfahren hergestellt wurde.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels;

Figur 2 eine vergrößerte Schemadarstellung eines nach dem Verfahren gemäß Figur 1 zu beschich

tenden Substrats;

Figur 3 eine vergrößerte Darstellung eines Substrats in Form einer gedruckten Schaltung, welche das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlicht; und
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Figur 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Figur 1 zeigt eine Vakuumbeschichtungsvorrichtung 10 mit einer Verdampfungsquelle 20. Verdampfte Atome werden durch Elektronenstöße ionisiert, wenn sie durch ein Magnetfeld 30 in Richtung auf ein Substrat 40 fliegen, um das auf das Substrat 40 aufzubringende Material im Plasmazustand auf das Substrat 40 aufzubringen.

Die Vorrichtung 10 weist ein Kammergehäuse 52 auf, in welchem ein Vakuum erzeugbar ist. Das Kammergehäuse 52 kann vertikal oder horizontal sein und aus jedem geeigneten Material bestehen, welches einen Unterdruck aufrechterhalten kann. Das Kammergehäuse 52 weist einen Auslaß 54 auf, der durch ein Ventil 56 verschließbar ist, welches zu einer nicht dargestellten Pumpe führt. Die nicht dargestellte Pumpe dient zur Evakuierung des Kammergehäuses 52. Mit Hilfe eines zweiten Ventils 57 läßt sich die Vorrichtung 10 wieder auf atmosphärischen Druck belüften.

In dem Kammergehäuse 52 ist eine Halterung 58 zum Halten von einem oder mehreren Gegenständen oder Substraten vorgesehen. Die Gegenstände oder das Substrat 40 sollen dort beschichtet werden; das Substrat 40 ist beispielsweise als elektrisches Schaltkreis-Bauteil bestimmt, welches beispielsweise aus Kunststoff, Keramik_rmetallisch beschichteter Keramik oder aus Silicium-

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stoffen besteht. Nach Figur 1 dient das Substrat 4 0 zur Herstellung von Leiterplatten 60 mit gedruckten Schaltungen. Es ist jedoch klar, daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens jede Art von Gegenständen beschichtet werden kann, während Leiterplatten 60 lediglich ein Beispiel für die Anwendung des Verfahrens darstellen.

Eine Gleichspannungsquelle 61 und eine Hochspannungsquelle 62 sind ebenfalls vorgesehen und an die Halterung 58 angeschlossen, um positive Ionen in Richtung auf die Leiterplatten 60 von der Verdampfungsquelle 20 zu beschleunigen. Als Verdampfungsquelle 20 ist jede geeignete Quelle verwendbar, welche Beschichtungsstoffe verdampfen kann, beispielsweise ein feuerfestes Boot, eine Elektronenstrahlkanone, ein induktionsbeheizter Tiegel, ein Lichtbogen oder gemäß Figur 1 ein oder mehrere elektrische Drähte 64 und 66, die jeweils an Spannungsquellen 68 und 70 angeschlossen sind. Der von der Verdampfungsquelle 20 verdampfte Stoff ist beispielsweise Gold, Kupfer, Silber oder Aluminium. Es werden zwei Drähte 64 und 66 verwendet, um unterschiedliche Stoffe zu unterschiedlichen Zeiten aufzubringen .

Eine Gasversorgungsleitung 72 wird von einem Meßventil 74 abgesperrt und ist an das Kammergehäuse 52 angeschlossen, so daß Gas in das Kammergehäuse 52 einleitbar ist. Das zugeführte Gas ist entweder ein inertes Gas oder ein anderes Gas, welches bestimmte Funktionen durchzuführen vermag, beispielsweise das Reinigen von Leiterplatten 60 durch Inertgas-Ionenbombardierung vor dem Beschichtungsvorgang oder eine Kollisionsstreuung der verdampften Atome zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Beschichtung von dreidimensionalen Gegen-

ständen. Die HF-Quelle (>2 dient zu diesem letzteren Zweck, da HF-Zerstäubung im allgemeinen besser reinigt als die Reinigungswirkung einer Gleichspannungsquelle.

Außerdem kann das eingeleitete Gas ein Metall enthaltendes . Gasplasma sein, seiches eine hohe metallische Durchdringung hervorruft. Falls eine Erwärmung des Substrats gewünscht wird, ist das eingeleitete Gas mit Wasserstoff angereichert, beispielsweise durch Ammoniak, was einen großen Stromfluß als Folge des hohen Ionisierungspotentials von Wasserstoff zur Folge hat.

Die Halterung 58 weist Magnete 76 und 78 auf, welche beispielsweise Permanentmagnete oder Elektromagnete sein können und zur Erzeugung des Magnetfelds 30 in der Nähe der Leiterplatten 60 dienen. Verdampfte Atome, die durch die im Magnetfeld 30 spiralförmig bewegten Elektronen laufen, werden durch Stöße mit den Elektronen ionisiert und sofort von der hohen negativen Spannung angezogen, die von der negativ geladenen Gleichspannungsquelle 61 erzeugt wird. Alle zu dem Inneren des Kammergehäuses 52 hergestellten Verbindungen sind durch Isolatoren 82 geführt.

Im Betrieb wird die Vakuumbeschichtungsvorrichtung 10 nach Figur 1 über den Auslaß 54 auf einen hinreichenden

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Unterdruck evakuiert, beispielsweise 1 χ 10 mm Hg.

Falls ein Reinigungsprozeß für Leiterplatten 60 aus chemischen oder physikalischen Gründen gewünscht ist, wird Gas in das Kammergehäuse 52 durch die Gasversorgungsleitung 72 eingeleitet, und zwar bei einem Druck von 10 bis 20 ,um Hg, so daß ein von dem Gas gebildetes HF-Plasma die Oberfläche der Leiterplatten 60 zum Zwecke der Reinigung bombardiert. Nach dem Reinigen wird das Gas aus dem evakuierten Kammergehäuse 52 vor dem Beginn des Beschichtungsvorganges abgezogen.

Eine negative Gleichspannung, beispielsweise 3 bis 5 kV wird von der Gleichspannungsquelle 61 an die Halterung 58 gelegt, welche als Kathode wirkt, um positive Ionen in Richtung auf die Leiterplatten 60 zu beschleunigen, indem sie über einen hohen Spannungsabfall an die Stelle der Leiterplatten 60 angezogen werden, wo diese leitend sind. Sind die Leiterplatten Isolatoren, dann ist die HF-Quelle 62 die Spannungsquelle für das erfindungsgemäße Verfahren. Das Beschich-

-10 ten beginnt, wenn einer der elektrischen Drähte 64 oder 66 oder beide auf eine Temperatur erwärmt werden, die hoch genug ist, um das Beschichtungsmaterial zu verdampfen. Wenn die Drähte 64 und 66 Widerstandsheizquellen sind, dann verwendet man Wechselstromquellen

-\ 5 68 und 7 0 von geringer Spannung, jedoch hohem Strom.

Die Magnete 76 und 78 liefern das Magnetfeld 30 für die glühelektrischen Elektronen von der Verdampfungsquelle 20 und bewirken, daß sich die Elektronen spiral- förmig bewegen und dadurch einen dichten Ionisierungsquerschnitt für die Atome des verdampfenden Materials darstellen, welche auf ihrem Weg zu den Leiterplatten 60 durch diese Wolke laufen müssen. Die Ionisierung ist daher im Bereich der Leiterplatten 60 am größten, wo sie auch am größten gebraucht wird. Einer oder beide elektrischen Widerstandsdrähte 64 oder 66 können verwendet werden, indem die Leistungsabgabe von den Spannungsquellen 68 und 70 an die Drähte 64 bzw. 66 verändert wird, um eine oder mehrere Materialschichten auf die bedruckten Leiterplatten 60 aufzubringen.

Die "Bombardierungskraft" oder die dreidimensionale Beschichtungsfähigkeit von geringen Beschichtungsverfahren resultiert daher, daß Ionen des Beschichtungsmaterials gleichmäßig aus einem Plasma extrahiert

und über einen verhältnismäßig kurzen Abschnitt über den Crooke'sehen Dunkelraum beschleunigt werden, worauf sie an dem Substrat mehr von einer diffusen Quelle als von einer Punktquelle auftreffen. Der Crooke'sehe Dunkelraum ist ein Bereich, welcher das negativ geladene Substrat unmittelbar und gleichmäßig umgibt. Bekannte Beschichtungsverfahren verwendeten eine mit Plasma gefüllte Kammer. Es hat sich jedoch überraschend herausgestellt, daß zur Erzielung guter Ergebnisse das Plasma lediglich im Bereich unmittelbar am Substrat vorhanden sein muß, so daß das Plasma Ionen in den "Dunkelraum" zur nachfolgenden Beschichtung des Substrats aussenden kann.

Figur 2 zeigt nähere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens, wobei die Halterung 58 von den in Figur 1 dargestellten Spannungsquellen 61 oder 62 elektrich vorgespannt wird. Die Halterung 58 trägt eine Leiterplatte 60 in einem vom Magnet 76 erzeugten Magnetfeld 30. Atome 90 eines verdampfenden Materials laufen durch das Magnetfeld 30 auf ihrem Weg zur Leiterplatte 60 und werden von der Verdampfungsquelle, beispielsweise einem elektrischen Draht 64 erzeugt, der auch ein Emitter von glühelektrischen Elektronen sein kann. Die emittierten Elektronen werden von dem Magnetfeld 30 eingefangen und auf eine Kreisbahn gezwungen, so daß sie einen großen Ionisierungsquerschnitt für die verdampfenden Atome 90 bilden und diese dabei in positive Ionen umwandeln. Die positiven Ionen werden sofort in Richtung auf die von der Halterung 58 gebildete negative Kathode beschleunigt, an der sie mit hoher Teilchenenergie auftreffen. Wenn die Leiterplatten 60 Isolatoren sind, verwendet man zweckmäßigerweise die Hochfrequenz-Quelle 62, so daß eine selbstinduzierte negative Vorspannung auf der Oberfläche der Leiterplatte 60 ent-

steht. Die selbstinduzierte negative Vorspannung tritt deswegen auf, weil Elektronen während der negativen Halbwelle der Hochfrequenz eingefangen werden und während der positiven Halbwelle nicht wegfliegen können.
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Obgleich Figur 2 eine durch die Halterung 58 vom Magneten 76 getrennte Leiterplatte 60 zeigt, ist es klar, daß die Leiterplatte 60 auch unmittelbar auf dem Magneten 76 liegen kann, so daß die Halterung 58 sowohl die Leiterplatte 60, als auch den Magneten 76 auf der gleichen Seite trägt.

In Figur 3 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie bei den Figuren 1 und 2 versehen und das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Aufbringung eines Musters 92 erläutert, welches zur Bildung einer bedruckten Leiterplatte 60 dient. In Figur 3 dient der Magnet 76 außerdem als elektrisch vorgespannte Halterung, die der Halterung 58 der Figuren 1 und 2 entspricht. Die Leiterplatte 60 ist durch eine Schattenmaske 94 aus Kovar, aus Stahl oder einem anderen magnetisch anziehenden Stoff in engem Kontakt befestigt, um das zu beschichtende Muster 92 auf der Leiterplatte 60 zu zeigen. Der übrige Teil 96 der Leiterplatte 60 verbleibt am Ende des Beschichtungsvorganges unbeschichtet. In dem Beschichtungsvorgang wird ein Muster aufgebracht, das bislang durch Ätzchemikalien erzeugt wurde. Wenn die bedruckte Leiterplatte 60 nicht leitfähig ist, dann wird die an den Magneten 76 angelegte elektrische Vorspannung von der HF-Quelle 62 nach Figur 1 angelegt. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich für die Durchkontaktierung von Löchern 98 verwenden, welche sich durch Leiterplatten 60 erstrecken. Die Adhäsion und die elektrische Qualität dieser aufgebrachten Schichten gestatten das nachfolgende Beschichten durch übliche

Naßbeschichtungsverfahren auf Dicken von mehreren hunderstel Millimeter.

Figur 4 zeigt eine weitere Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es gibt nämlich Anwendungsfälle, in denen es unpraktisch ist, den Magneten 76 direkt an ein Substrat 40 gemäß den Figuren 1 und 2 anzubringen. Figur 4 zeigt eine Vorrichtung nach Figur 1 unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Teile, welche zur Ionenbeschichtung eines Substrats dient, wobei aber der Magnet nicht direkt am Substrat angebracht ist. Figur 4 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten der Innenwand einer Rohrkupplung 100. Die Rohrkupplung 100 wird von der Gleichspannungsquelle 61 negativ vorgespannt. Die Verdampfungsquelle 20 richtet einen Strahl von verdampften Atomen 102 in ein von einem Magneten 106 erzeugtes Magnetfeld 104. Zur weiteren Unterstützung bei der Beschleunigung der für die Adhäsionsbeschichtung dienenden Ionen wird eine Spannungsquelle 108 verwendet, um eine positive Spannung am Magneten 106 zu halten. Die Verwendung der positiven Spannung am Magneten 106 richtet einen Feldgradienten ein, der positive Ionen 102 in die Rohrkupplung 100 leitet.

Es wird darauf hingewiesen, daß bei der vorstehenden Beschreibung des Verfahrens kein Gas für die Ionisierung erforderlich war. Es gibt jedoch Fälle, bei denen das Erfordernis der Schichtgleichmäßigkeit über sehr unregelmäßige Oberflächen es zweckmäßig macht, eine geringe Menge von Inertgas zum Zwecke der Materialstreuung beizufügen, um die Gleichmäßigkeit der Schicht zu verbessern. Eine derartige Verwendung von Inertgas, beispielsweise Argon bei einem Druck unter dem typischerweise für die Ionisierung erforderlichen Druck von 10 bis

2 0/Um Hg liegenden Druck ist klein genug, um die Schichteigenschaften durch Einschluß von Gas in der aufgebrachten Schicht nicht nachteilig zu beeinflussen.

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Claims

Verfahren zum Ionenbeschichten eines Substrats

Patentansprüche

Verfahren zum Ionenbeschichten eines Substrats innerhalb einer Kammer mit einem Beschichtungsmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer evakuiert wird, daß das Beschichtungsmaterial in der evakuierten Kammer verdampft wird, daß ein mit Elektronen gesättigtes Magnetfeld in die Nähe des Substrats gebracht wird, um die verdampften Atome des Beschichtungsmaterials positiv zu ionisieren, und daß eine negative Vorspannung an das Substrat gelegt wird, um die positiven Ionen des verdampften Beschichtungsmaterials anzuziehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld von einem Permanentmagnet erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld von einem Elektromagnet erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Anlegen einer negativen Spannung an das Substrat das Anlegen einer negativen Gleichspannung an das Substrat gehört, wobei das Substrat ein leitfähiger Stoff ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat von einer Halterung in der Kammer gehalten wird und daß ein Hochfrequenzsignal an die Substrat-Halterung gelegt wird, um eine negative Eigenspannung an der Oberfläche des Substrats zum Anziehen der positiven Ionen des verdampften Beschichtungsmaterials zu erzeugen, wobei das Substrat nichtleitend ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld eine Aufbringungsmaske zur

Sicherung des Substrats während des Beschichtungsverfahrens sowie zur Erzeugung eines Musters auf dem Substrat anzieht.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine gedruckte Leiterplatte aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Löcher in der gedruckten Leiterplatte beschichtet werden.

BAD ORIGINAL
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine positive Ladung im Bereich des gesättigten Magnetfeldes angelegt wird, um den Strom der positiven Ionen zu leiten.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Keramikstoff ist und daß als Beschichtungsmaterial Kupfer gewählt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Keramikstoff ist und daß als Beschichtungsmaterial· Gold gewählt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Substrat ein Keramikstoff ist und daß als Beschichtungsmaterial Silber gewählt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Siliciumstoff ist und daß als Beschichtungsmaterial Aluminium gewählt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Argon-Gas mit einem Partialdruck von weniger als etwa 5 «um Hg in die Kammer eingeleitet wird.