DE3821819A1

DE3821819A1 - Verfahren zum herstellen einer duennen schicht

Info

Publication number: DE3821819A1
Application number: DE3821819A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl Chem Brosig
Original assignee: Nokia Unterhaltungselektronik Deutschland GmbH
Current assignee: Nokia Deutschland GmbH
Priority date: 1988-06-29
Filing date: 1988-06-29
Publication date: 1990-02-08

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer dünnen Schicht gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 28 52 395 A1 ist bekannt, Stoffe zu lösen und die Lösung nach dem Verfahren des Aufschleuderns oder Besprühens als Lösungsfilm auf ein Substrat aufzubringen. Nach dem Trocknen des Lösungsfilms bleibt die gewünschte dünne Schicht auf dem Substrat zurück.

Die bekannten Verfahren weisen die Nachteile auf, daß sie für die Herstellung schwerlöslicher Stoffe nicht geeignet sind. Gelöste schwerlösliche Stoffe weisen eine derart geringe Konzentration des zu lösenden Stoffes auf, daß die Aufbringung mittels Aufschleuderns oder Besprühens nicht zu den gewünschten Schichtdicken führen kann, da die Lösung nur als dünner Flüssigkeitsfilm aufgetragen werden kann.

Ferner kann das bekannte Verfahren zur Herstellung dünner Schichten aus unlöslichen Stoffen nicht verwendet werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von dünnen Schichten zu schaffen, das die bekannten Nachteile behebt.

Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und dem Rest der Beschreibung zu entnehmen.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß Schichten mit einer gleichmäßigeren Schichtdicke hergestellt werden können. Beim Stand der Technik sowie beim erfindungsgemäßen Verfahren gibt es zunächst aufgrund der Oberflächenspannung der Lösung Inhomogenitäten der Schichtdicke, die sich z.B. als Randerhöhung zeigen. Diese Inhomogenitäten bleiben nach dem Trocknen des Lösungsfilms auf der zurückbleibenden dünnen Schicht erhalten. Sie treten bei einer vorgegebenen Schichtdicke der zurückbleibenden dünnen Schicht umso stärker auf, je höher der Anteil des Stoffs in der Lösung ist, der als dünne Schicht aufgebracht werden soll. Dies führt bei dünnen Schichten, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht worden sind, zu einer Reduzierung der Inhomogenitäten der Schichtdicke. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Aufschleudern liegt darin, daß keine Schleuderspuren auftreten.

Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird im folgenden beschrieben.

Beim Ausführungsbeispiel zum Herstellen einer dünnen Schicht soll eine Polyimidschicht auf ein Substrat aufgebracht werden. Hierzu wird das Polyimid als aufzubringender Stoff in Cyclopentanon mit einer Konzentration von 5 · 10^-3 Vol% gelöst und anschließend in ein Gefäß, hier ein Substrat mit einer seitlichen Begrenzung, gefüllt. Die Dicke des Lösungsmittelfilmes beträgt nach dem Aufsprühen 1 mm. Danach wird die Lösung schockgefroren. Alternativ kann die Lösung auf ein auf T=100 K vorgekühltes Substrat gesprüht werden, wobei die Lösung beim Aufsprühen schockgefriert, sobald sie mit dem Substrat in Kontakt kommt. In diesem Fall erübrigt sich die seitliche Begrenzung des Substrats. Das Einfüllen oder Aufsprühen der Lösung erfolgt in einem Rezipienten, der anschließend evakuiert wird. Im Vakuum wird die Lösung gefriergetrocknet, wobei das Lösungsmittel sublimiert und das Polyimid als dünne Polyimidschicht mit einer Dicke von 50 nm zurückbleibt.

Wird das Substrat besprüht, befindet es sich während des gesamten Verfahrens auf einer Wärmesenke, die als Kupferblock ausgebildet ist und für eine längere Zeit eine genügend tiefe Temperatur gewährleistet. Der Kupferblock wird, bevor er mit dem Substrat in Verbindung gebracht wird, in flüssigem Stickstoff auf eine Temperatur von etwa T=100 Kelvin abgekühlt. Diese tiefe Temperatur wurde deswegen gewählt, damit das Gefrieren der Lösung in einer so kurzen Zeit stattfindet, in der eine Kristallbildung weitgehendst unterdrückt wird.

Wenn nun eine dickere Polyimidschicht mit einer Dicke von z.B. 200 nm hergestellt werden soll, wird das im Ausführungsbeispiel beschriebene Verfahren viermal durchgeführt, wobei beim zweiten und den weiteren Verfahrensdurchläufen die einzelnen Schichten nacheinander aufgebracht werden. Da die Löslichkeit des Polyimids sehr schlecht ist und die Zeit, in der sich die Lösung im flüssigen Zustand auf der im vorhergehenden Verfahrensdurchlauf hergestellten Polyimidschicht befindet, wird die im vorhergehenden Verfahrensdurchlauf hergestellte Polyimidschicht nur so geringfügig angelöst, daß dies keinen nachteiligen Einfluß auf die Schicht hat.

Die in einem Verfahrensdurchlauf erzielbare Schichtdicke ist natürlich nicht auf 50 nm begrenzt, sondern kann auf ein Vielfaches erhöht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf das Aufbringen von dünnen Polyimidschichten begrenzt, sondern auch für andere schwerlösliche organische Stoffe, wie z.B. andere schwerlösliche Polymere, geeignet.

Es können auch dünne Schichten aus schwerlöslichen anorganischen Stoffen, wie Keramiken z.B. ferroelektrische Keramiken aus La-dotiertem Bleizirkonat-Bleititanat (PLZT) für elektrooptische Verschlüsse oder Supraleitung zeigende Keramiken, hergestellt werden. Das Herstellungsverfahren entspricht dem des Ausführungsbeispieles bis auf den ersten Verfahrensschritt. Die Keramik wird nicht gelöst, sondern gemahlen und in einer Flüssigkeit dispergiert.

Aus leicht löslichen Stoffen, wie z.B. Fotolacke, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dickere Schichten, als mit dem bekannten Verfahren, aufgebracht werden.

Schichten, die beim Gefriertrocknen dazu neigen, spröde zu werden, werden nach dem Sublimieren des Lösungsmittels zusätzlich getempert. Eine Polyimidschicht z.B. wird bei einer Temperatur T=300°C getempert. Die Tempertemperatur liegt bei Keramiken entsprechend höher.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schichten können direkt strukturiert werden, wenn die Substrate mit entsprechenden Masken versehen sind. Die dünne Schicht kann auch indirekt auf ein Substrat aufgebracht werden, in dem die Lösung, in der der Stoff gelöst ist, aus dem die dünne Schicht hergestellt werden soll, zunächst in ein Gefäß mit einem planaren Boden gesprüht und darin gefriergetrocknet, anschließend ausgestanzt oder ausgeschnitten und zuletzt auf ein Substrat gebracht wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer aus einem bestimmten Stoff bestehenden dünnen Schicht, durch:

a) Lösen dieses Stoffes;
b) Aufbringen der Lösung auf ein Substrat als Lösungsfilm;
c) Trocknen des Lösungsfilms;

durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

d) Schockgefrieren des Lösungsfilms;
e) Gefriertrocknen des Lösungsfilms im Vakuum, wobei das Lösungsmittel sublimiert und nur die dünne Schicht, bestehend aus dem gelösten Stoff, zurückbleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht aus einem organischen schwerlöslichen Stoff, wie Polyimid oder einem anderen schwerlöslichen Polymer hergestellt wird.

3. Verfahren zur Herstellung einer aus einem bestimmten Stoff bestehenden dünnen Schicht, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Dispergieren des Stoffes in einer Flüssigkeit;
b) Aufbringen der Flüssigkeit auf ein Substrat als Flüssigkeitsfilm;
c) Schockgefrieren des Flüssigkeitsfilms;
d) Gefriertrocknen des Flüssigkeitsfilms im Vakuum, wobei die Flüssigkeit sublimiert und nur die dünne Schicht, bestehend aus dem dispergierten Stoff, zurückbleibt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht aus einem anorganischen schwerlöslichen Stoff wie Keramik hergestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine seitliche Begrenzung aufweist und somit ein Gefäß darstellt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gelöste oder dispergierte Stoff auf einem vorgekühlten Substrat abgekühlt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat auf eine Temperatur kleiner als T=150 K vorgekühlt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der gelöste oder dispergierte Stoff auf das Substrat gesprüht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht nach dem Trocknen getempert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht in mehreren Teilschichten unter wiederholter Durchführung der in den Ansprüchen 1, 2 und 5 bis 9 oder 3 bis 9 beschriebenen Verfahrensdurchgänge hergestellt wird.