DE3724109A1 - Method and apparatus for coating a substrate with a thin metal layer - Google Patents

Method and apparatus for coating a substrate with a thin metal layer

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Abstract

In this method, a thin metal foil (5), e.g. a gold foil, is positioned directly in front of a substrate (6), e.g. a copper support, to be coated. By means of a pulsed laser beam (4) focused via a lens system (3), metal is transferred from this metal foil (5) locally onto the substrate (6). In this way, microregions of components, connectors or printed circuit boards can be provided with local gold contacts. By using special optical image and diaphragm systems (8), it is also possible in the focusing range, to effect instead of a surface coating a structuring of the substrate (6) with metal in order to build up internal structures of microchips. An Nd-YAG laser (1) operating in the UV range is preferably used. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten eines Substrats mit einer dünnen Metallschicht gemäß dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1.The invention relates to a method and a Device for coating a substrate with a thin metal layer according to the preamble of claim ches 1.

Ein solches Verfahren ist z.B. aus D. Bäuerle, Material­ bearbeitung mit Laserlicht, Laser- und Optoelektronik Nr.1-1985, S. 29 bis 36, bekannt. Dabei werden insbeson­ dere Metalle aus metallorganischen Verbindungen abge­ schieden, die beispielsweise aus der Flüssigphase und anschließender Verdampfung des Lösungsmittels auf die Substratoberfläche aufgebracht werden.Such a method is e.g. from D. Bäuerle, material processing with laser light, laser and optoelectronics No.1-1985, pp. 29 to 36. In particular, derge metals from organometallic compounds divorced, for example from the liquid phase and subsequent evaporation of the solvent on the Substrate surface are applied.

Die laserinduzierte Abscheidung von Metallen eignet sich als Beschichtungsmethode zum Aufbau der internen Struk­ turen von Mikrochips. Dabei können viele verschiedene Metalle durch laserinduzierte Photolyse oder Pyrolyse aus der Dampfphase von metallorganischen Stoffen und auch durch laserinduzierte photothermische oder photo­ elektrochemische Reaktionen in Lösungen von anorgani­ schen elektrolytischen Stoffen auf Leiter, Halbleiter oder Isolatoren abgeschieden werden. Da in Lösungen eine sehr hohe molekulare Dichte vorhanden ist, kann eine sehr hohe Beschichtungsrate erzielt werden. Folglich ist diese Beschichtungsmethode besonders attraktiv für An­ wendungen in der Mikroelektronik und Reparaturen von Defekten an photolithografischen Masken.Laser-induced deposition of metals is suitable as a coating method to build up the internal structure doors of microchips. You can do many different things Metals through laser-induced photolysis or pyrolysis from the vapor phase of organometallic substances and  also by laser-induced photothermal or photo electrochemical reactions in inorganic solutions electrolytic substances on conductors, semiconductors or isolators are deposited. Because in solutions one very high molecular density can be a very high coating rate can be achieved. Hence is this coating method is particularly attractive for an applications in microelectronics and repairs of Defects in photolithographic masks.

Das Beschichtungsverfahren LCVD (Laser induced chemicial vapor deposition) ist besonders für spezielle Sonderan­ wendungen, wie z.B. intelligente Sensorik, Chips mit kleinen Stückzahlen usw. geeignet.The coating process LCVD (Laser induced chemicial vapor deposition) is especially for special customers such as intelligent sensors, chips with small quantities etc. suitable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum lokalen Beschichten eines Substrats mit einer dünnen Metallschicht der eingangs genannten Art anzugeben, das bei Bauteilen mit hohen Stückzahlen für eine kostengün­ stige Beschichtung im Mikrobereich der Bauteile einge­ setzt werden kann. Desweiteren ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.The invention has for its object a method for locally coating a substrate with a thin one Specify metal layer of the type mentioned that for components with large quantities for a cost-effective permanent coating in the micro range of the components can be set. Furthermore, a device for To indicate the implementation of the procedure.

Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrich­ tung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 11 angegebe­ nen Merkmale gelöst.The task is related to the procedure with the features of the preamble according to the invention by the specified in the characterizing part of claim 1 Features solved. The task is regarding the device tion indicated by the characterizing part of claim 11 Features resolved.

Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß das Verfahren für die Beschichtung von Edelmetallen auf Mikrobereiche von Steckern, Kontak­ ten, Leiterplatten usw. sehr gut geeignet ist. Es ist in hohem Maß eine selektive Beschichtung, eine Miniaturi­ sierung der Beschichtungsstruktur und eine Reduktion der Schichtdicke möglich, was speziell bei Einsatz des Edel­ metalles Gold zu Kosteneinsparungen führt. Die erreich­ bare Oberflächengüte ist dabei aufgrund sehr kleiner Rauhigkeit sehr hoch.The advantages associated with the invention are special in that the process for coating from precious metals to micro areas of plugs, contacts ten, printed circuit boards, etc. is very suitable. It is in highly selective coating, miniature Coating structure and a reduction in  Layer thickness possible, which is especially when using the Edel metallic gold leads to cost savings. The reach The surface quality is very small due to this Roughness very high.

Als weiterer Vorteil gegenüber anderen bekannten Verfah­ ren ist die Einfachheit des angegebenen laserinduzierten Metallfolien-Beschichtungsverfahrens hervorzuheben, d.h. es wird kein aufwendiges Vakuum-Gas- oder Flüssigkeits­ system benötigt, da in Luft bzw. im Grobvakuum beschich­ tet wird. Weiterhin spielen optische und thermische Ei­ genschaften des Targetmaterials nur eine untergeordnete Rolle.Another advantage over other known methods ren is the simplicity of the specified laser induced Highlight metal foil coating process, i.e. it will not be an expensive vacuum gas or liquid system required, since coating in air or in a rough vacuum is tested. Optical and thermal eggs also play properties of the target material only a subordinate Role.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are in the Subclaims marked.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.The invention is based on the in the drawing illustrated embodiments explained.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Apparatur für Metallbeschichtungen von Substraten, Fig. 1, an apparatus for metal coatings of substrates,

Fig. 2 eine für Serienfertigung geeignete Apparatur. Fig. 2 is an apparatus suitable for series production.

In Fig. 1 ist eine Apparatur für Metallbeschichtungen von Substraten mit Hilfe von Metallfolien unter Einsatz fokussierter Laserstrahlung dargestellt. Es ist ein Laser 1 zu erkennen, dessen Laserstrahlung 2 mit Hilfe eines Linsensystems 3 gebündelt wird. Die fokussierte Laser­ strahlung 4 trifft auf eine Metallfolie 5, z.B. eine Goldfolie oder andere Edelmetallfolie. Die Metallfolie 5 befindet sich direkt vor einem Substrat, z.B. einem Kup­ ferkontakt eines Mikrochips 7 (oder allgemein eines Bau­ teils 7). Zwischen Laser 1 und Linsensystem 3 kann ein Blendensystem 8 vorgesehen sein. In Fig. 1, an apparatus for metal coating of substrates with the aid of metal films using focused laser radiation is shown. A laser 1 can be seen, the laser radiation 2 of which is bundled with the aid of a lens system 3 . The focused laser radiation 4 strikes a metal foil 5 , for example a gold foil or other noble metal foil. The metal foil 5 is located directly in front of a substrate, for example a copper contact of a microchip 7 (or generally a construction part 7 ). A diaphragm system 8 can be provided between the laser 1 and the lens system 3 .

In Fig. 2 ist eine für Serienfertigung geeignete Appara­ tur dargestellt. Es ist eine Abspulvorrichtung 9 mit einem darauf aufgewickelten Metallband 11 (entspricht der Metallfolie 5, insbesondere Edelmetall- bzw. Goldfo­ lie) vorgesehen. Das Metallband 11 wird auf eine Auf­ spulvorrichtung 10 gewickelt. Über dem zwischen den Spulvorrichtungen 9, 10 straff gespannten Metallband 11 befindet sich ein Fertigungsrad 12.In Fig. 2 an apparatus suitable for series production is shown. There is a unwinding device 9 with a metal strip 11 wound thereon (corresponds to the metal foil 5 , in particular noble metal or gold foil). The metal strip 11 is wound on a winding device 10 . A production wheel 12 is located above the metal strip 11 stretched tightly between the winding devices 9 , 10 .

Das Fertigungsrad 12 dient zur Aufnahme der zu be­ schichtenen Bauteile - d.h. der unbeschichteten Mikro­ chips 7 a (Bauteile) - aus einem Zuführmagazin 13, zur Beschichtung der Bauteile und zur Abgabe der gefertigten Bauteile - d.h. der beschichteten Mikrochips 7 b (Bau­ teile) - an ein Entnahmemagazin 14. Die beschichteten Mikrochips 7 b (Bauteile) sind zur Unterscheidung von den unbeschichteten Mikrochips 7 a (Bauteile) schraffiert gezeichnet.The production wheel 12 serves to hold the components to be coated - ie the uncoated micro chips 7 a (components) - from a feed magazine 13 , for coating the components and for dispensing the finished components - ie the coated microchips 7 b (construction parts) - to a removal magazine 14 . The coated microchips 7 b (components) are hatched to distinguish them from the uncoated microchips 7 a (components).

Die Beschichtung der Bauteile mittels Laser erfolgt am mit Pfeil gekennzeichneten Ort A, an dem sich das zu beschichtende Substrat des Mikrochips (Bauteils) direkt oberhalb des Metallbandes 11 befindet. Jeweils nach ei­ ner erfolgten Beschichtung eines Bauteiles werden das Fertigungsrad 12, die Abspulvorrichtung 9 und die Auf­ spulvorrichtung 10 in synchronisierter Weise weiterge­ schaltet.The components are coated by means of a laser at location A marked with an arrow, at which the substrate of the microchip (component) to be coated is located directly above the metal strip 11 . Each time after a coating of a component, the production wheel 12 , the unwinding device 9 and the winding device 10 are switched on in a synchronized manner.

Mit dem laserinduzierten Metallfolien-Beschichtungsver­ fahren ist es in einfacher Weise möglich, Metallschich­ ten auf Mikrobereiche von Bauteilen aufzubringen, indem das Metall von der dünnen Metallfolie mittels der gepul­ sten, fokussierten Laserstrahlung 4 auf das zu beschich­ tende Substrat übertragen wird. Auf diese Weise können z.B. Stecker und Leiterplatten mit Goldkontakten verse­ hen werden. With the laser-induced metal foil coating process, it is possible in a simple manner to apply metal layers to micro-areas of components by transferring the metal from the thin metal foil to the substrate to be coated by means of the pulsed, focused laser radiation 4 . In this way, connectors and printed circuit boards with gold contacts can be used, for example.

Als Laser 1 wird vorzugsweise ein gepulster ND-Yag-Laser (siehe z.B. Lasertechnik, Hüthig-Verlag, Heidelberg, 1984, S. 155 bis 157) verwendet, wobei die Laserstrah­ lungsfrequenz verdreifacht wird, d.h. die Laserwellen­ länge λ = 1,0641 µm eines ND-Yag-Lasers wird in eine Wellenlänge von λ = 355 nm umgewandelt. Die Frequenz­ vervielfältigung erfolgt mit zwei KDP-Kristallen (dop­ peltbrechendes Kaliumdihydrogenphosphat, siehe z.B. La­ sertechnik, ... Seite 47), wobei mit dem einen Kristall eine Verdoppelung auf 532 nm erzielt wird und der zweite Kristall zur Mischung zwischen dem Verdoppelten- und dem Infraroten-Laserlicht verwendet wird.As the laser 1 , a pulsed ND-Yag laser is preferably used (see, for example, Lasertechnik, Hüthig-Verlag, Heidelberg, 1984, pp. 155 to 157), the laser radiation frequency being tripled, ie the laser wave length λ = 1.0641 μm of an ND-Yag laser is converted into a wavelength of λ = 355 nm. The frequency is reproduced with two KDP crystals (double refractive potassium dihydrogen phosphate, see e.g. laser technology, ... page 47), with one crystal doubling to 532 nm and the second crystal to mix between the doubled and the Infrared laser light is used.

Die Pulsfrequenz beträgt vorzugsweise 10 Hz und die Pulsdauer 5 ns.The pulse frequency is preferably 10 Hz and Pulse duration 5 ns.

Auch Excimer-Laser (spezieller Edelgashalogenidlaser, siehe z.B. Lasertechnik..., Seite 172/173) sind geeig­ net, da sie die für dieses Verfahren benötigten Wellen­ längen (190 bis 310 nm) mit hoher Pulsenergie emittie­ ren.Also excimer laser (special noble gas halide laser, see e.g. Laser technology ..., page 172/173) are suitable net because it has the waves needed for this process lengths (190 to 310 nm) with high pulse energy ren.

Durch die Fokussierung des Laserstrahls wird eine lokale Beschichtung des Substrats mit dem Material der Metall­ folie innerhalb des Fokusbereiches erzielt. Aufgrund hoher Leistungsdichten innerhalb des Laserfokus bildet sich in der Atmosphäre bzw. in einer bestimmten Gasat­ mosphäre (z.B. Argon) ein Mikroplasma, das die lokale Absorption der Laserstrahlung gewährleistet. Durch spe­ zielle optische Abbildungs- und Blendensysteme kann auch statt einer Flächenbeschichtung eine geforderte Struktur auf das Substrat in einem Arbeitsgang aufgebracht wer­ den. Auf diese Weise ist. z.B. der Aufbau der inneren Struktur eines Mikrochips möglich. By focusing the laser beam, a local Coating the substrate with the material of the metal film achieved within the focus range. Because of forms high power densities within the laser focus in the atmosphere or in a certain gas atmosphere (e.g. argon) is a microplasma that is local Absorption of the laser radiation guaranteed. By spe Optical imaging and aperture systems can also a required structure instead of a surface coating who applied to the substrate in one operation the. That way. e.g. the construction of the inner Structure of a microchip possible.  

Die aufzuwendende Pulsenergie ist in Abhängigkeit der Foliendicke der Metallfolie 5 einzustellen und zu opti­ mieren, um in zuverlässiger Weise eine direkte Übertra­ gung der Metallfolie 5 auf das Substrat 6 zu erzielen. Bei Einsatz einer Goldfolie als Metallfolie 5, einem Kupferträger als Substrat 6 und Pulsenergien von etwa 80 mJ können z.B. Goldkontaktschichten mit Fleckdurch­ messern ( Durchmesser der fokussierten Laserstrahlung 4 am Ort der Metallfolie 5) von 10 bis 300 µm in Dicken von 10 bis 50 µm aufgebracht werden.The pulse energy to be used depends on the foil thickness of the metal foil 5 and is to be optimized in order to reliably achieve a direct transfer of the metal foil 5 to the substrate 6 . When using a gold foil as metal foil 5 , a copper carrier as substrate 6 and pulse energies of approximately 80 mJ, gold contact layers with spot diameters (diameter of the focused laser radiation 4 at the location of metal foil 5 ) of 10 to 300 μm in thicknesses of 10 to 50 μm can be applied will.

Claims (14)

1. Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit einer dünnen Metallschicht unter Einsatz von Laserstrah­ lung, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Metallfolie (5) direkt vor das zu beschichtende Substrat (6) ge­ bracht und mittels eines fokussierten, gepulsten Laser­ strahls (4) auf das Substrat (6) übertragen wird.1. A method for coating a substrate with a thin metal layer using laser radiation, characterized in that a thin metal foil ( 5 ) is placed directly in front of the substrate to be coated ( 6 ) and by means of a focused, pulsed laser beam ( 4 ) the substrate ( 6 ) is transferred. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die gepulste Laserstrahlung (4) eine Wellenlän­ ge (λ) im UV-Bereich von etwa 190 bis 360 nm aufweist.2. The method according to claim 1, characterized in that the pulsed laser radiation ( 4 ) has a wavelength GE ( λ ) in the UV range from about 190 to 360 nm. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung (4) eine Pulsfre­ quenz (f) von etwa 10 Hz aufweist.3. The method according to claim 1 and / or 2, characterized in that the laser radiation ( 4 ) has a pulse frequency ( f ) of about 10 Hz. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung (4) eine Pulsdauer von etwa 5 ns aufweist.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the laser radiation ( 4 ) has a pulse duration of about 5 ns. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Pulsenergie der Laser­ strahlung (4) etwa 80 mJ beträgt.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the pulse energy of the laser radiation ( 4 ) is approximately 80 mJ. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Metallschicht eine Stärke von etwa 10 bis 50 µm aufweist.6. The method according to any one of claims 1 to 5, because characterized in that the metal layer is a starch has from about 10 to 50 microns. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Edelmetallfolie als Me­ tallfolie (5) verwendet wird. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a noble metal foil is used as metal foil ( 5 ). 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß Gold als Edelmetall verwendet wird.8. The method according to claim 7, characterized in net that gold is used as a precious metal. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß mit Hilfe von in den Laser­ strahl gelegten optischen Abbildungs- und Blendensyste­ men (8) die Metallfolie (5) strukturiert auf das Sub­ strat (6) übertragen wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that with the aid of optical imaging and Blendensyste placed in the laser men ( 8 ), the metal foil ( 5 ) structured on the sub strate ( 6 ) is transferred. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß Kupfer als Substrat (6) ver­ wendet wird.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that copper is used as the substrate ( 6 ) ver. 11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die zu beschichtenden Bauteile in einem Fertigungsrad (12) befinden, das über einem zwischen einer Abspulvorrichtung (9) und einer Aufspulvorrichtung (10) gespannten Metallband (11) angeordnet ist, wobei die zu beschichtenden Bauteile über ein Zuführmagazin (13) in das Fertigungsrad (12) eingebbar und die gefer­ tigten Bauteile in ein Entnahmemagazin (14) abgebbar sind.11. An apparatus for performing the method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the components to be coated are in a production wheel ( 12 ), the metal strip tensioned between a unwinding device ( 9 ) and a winding device ( 10 ) ( 11 ) is arranged, the components to be coated can be inserted into the production wheel ( 12 ) via a feed magazine ( 13 ) and the finished components can be dispensed into a removal magazine ( 14 ). 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Einsatz eines gepulsten ND-Yag-Lasers.12. The apparatus according to claim 11, characterized by using a pulsed ND-Yag laser. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Einsatz eines Excimer-Lasers.13. The apparatus according to claim 11, characterized by using an excimer laser. 14. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Frequenzverdreifachung mittels KDP-Kristal­ len.14. The apparatus according to claim 12, characterized by tripling the frequency using KDP crystal len.
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