DE3826046A1 - Verfahren zur herstellung von metallischen schichten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her­ stellung von ganzflächigen oder partiellen metallischen Schichten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

In dem J. Appl. PHYS. 61( 4), Gross et al, 15. Februar 1987, Seite 1628 bis 1632 ist ein Verfahren zur Her­ stellung von metallischen Schichten aus Palladium auf einem Substrat aus Silizium oder Quarz beschrieben. Hierfür wird die Oberfläche des Substrats mit einer dün­ nen, homogenen amorphen Schicht aus einer Lösung überzo­ gen, die aus Palladiumacetat hergestellt wird. Anschlie­ ßend wird dieser Überzug zur Ausbildung einer metal­ lischen Struktur mit dem fokussierten Strahl eines Ar­ gonlasers bestrahlt, der Strahlung im Wellenlängen­ bereich von 514,5 nm aussendet. Das Palladiumacetat wird durch die Laserstrahlung thermisch zersetzt, wobei es zur Bildung einer metallischen Schicht aus Palladium kommt. Die hierbei gebildete linienförmige Palladium­ Schicht ist in Abhängigkeit von der Laserleistung, der Abtastgeschwindigkeit sowie der thermischen Eigenschaf­ ten der aufgetragenen Palladiumacetatlösung sowie des Substrats mehr oder weniger porös. Der verwendete Laser­ strahl hat die Eigenschaft, daß sich eine explosions­ artige Reaktionsfront vor ihm ausbreitet. Diese begrenzt die Kantenschärfe der erzeugten metallischen Schicht. Von Nachteil ist ferner, daß überall auf dem Substrat, wo Metallschichten ausgebildet werden sollen, diese Stellen nach und nach mit dem Laserstrahl abgetastet werden müssen, was sehr zeitaufwendig und damit kosten­ intensiv ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem ganzflächige oder strukturierte metallische Schichten schneller als bisher und mit scharfen Randbereichen auf einem Substrat ausgebildet werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch eine flächige Bestrahlung ist es möglich, die Oberfläche eines Substrats mit einer geschlossenen Me­ tallschicht zu versehen oder partiell strukturierte Me­ tallschichten gleichzeitig und schnell überall auszu­ bilden. Das Abtasten der Substratoberfläche entfällt vollständig. Dies ist nur durch die Verwendung eines Excimer-Lasers oder eines Farbstoff-Lasers, der von ei­ nem Excimer-Laser gepulst wird, möglich. Die Strahlen dieser Laser werden für die flächige Bestrahlung aufgeweitet.

Herkömmliche Argonionenlaser können für eine flächige Bestrahlung nicht eingesetzt werden, da bei einer Auf­ weitung ihres Strahles nur eine sehr geringe Energie bezogen auf die Fläche zur Verfügung steht. Diese Lei­ stung ist zu gering, um die Zersetzung des auf das Sub­ strat aufgebrachten Überzuges zu bewirken.

Die Ausbildung der strukturierten Metallschichten auf dem Substrat erfolgt unter Zuhilfenahme einer Maske, die auf den Überzug gelegt wird.

Erfindungsgemäß kann die Strahlung des Lasers mittels optischer Bauelemente so auf den Überzug gelenkt werden, daß dieser nur dort bestrahlt wird, wo strukturierte metallische Schichten entstehen sollen. Die so gebilde­ ten ganzflächigen oder strukturierten metallischen Schichten können zusätzlich durch stromlose oder galva­ nische Metallisierung verstärkt werden.

Die Haftung der auf dieser Weise erzeugten ganzflächigen oder partiellen metallischen Schichten ist hervorragend. Aufgrund der stromlosen bzw. elektrolytischen Nachver­ stärkung haben die Schichten eine hohe Reinheit und da­ mit eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Leiterbahnen haben eine sehr gute Kantenschärfe, was darauf zurückzu­ führen ist, daß die Zersetzung des Überzugs aus dem me­ tallorganischen Material weniger oder gar nicht ther­ misch, sondern in erster Linie photochemisch durch die Verwendung von UV-Strahlung erfolgt.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Die Herstellung von strukturierten metal­ lischen Schichten auf einem Substrat,

Fig. 2+3 die Herstellung von strukturierten metal­ lischen Schichten gemäß zweier weiterer Aus­ führungsformen des Verfahrens,

Fig. 4 eine Metallstruktur.

Fig. 1 zeigt ein Substrat 10, das als rechteckige dünne Platte ausgebildet und bei dem hier dargestellten Aus­ führungsbeispiel aus verglastem oder unverglastem Alumi­ niumoxid (AlO₂) gefertigt ist. Auf der Oberfläche dieses Substrates 10 sollen strukturierte metallische Schichten 26 ausgebildet werden. Die Ausbildung von metallischen Schichten ist gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren auch auf anderen Substraten (hier nicht dargestellt) aus ei­ nem organischen oder anorganischen Werkstoff möglich. Die verwendeten Substrate (hier nicht dargestellt) kön­ nen jede beliebige geometrische Form aufweisen, vorzugs­ weise werden jedoch dünne Platten verwendet, die aus Aluminiumnitrid, Borsilikatglas, Polyimid, Gummi, Papier oder Pappe sowie aus keramisch gefüllten oder glasgewe­ beverstärkten Fluorkunststoffen hergestellt sind. Zur Ausbildung der strukturierten metallischen Schichten 26 wird die Oberfläche des Substrates 10 mit einem Überzug 14 versehen. Dieser Überzug 14 wird durch eine Lösung aus einer metallorganischen Verbindung gebildet. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Substrat 10 zur Ausbildung des Überzugs in eine Lösung 12 aus Palladiumacetat getaucht. Das Aufbringen der Lösung ist selbstverständlich auch mit anderen Verfahren beispiels­ weise durch Sprühen oder Bepinseln des Substrats 10 mit der Lösung möglich. Zur Ausbildung des Überzugs 14 wird der aufgetragene Film der Palladiumacetat-Lösung in Luft in einem Ofen getrocknet. Hierbei wird das Lösungsmittel verdampft. Für die Ausbildung der Palladiumacetat-Lösung können alle Flüssigkeiten verwendet werden, in denen das Lösen von Palladiumacetat möglich ist. Nachdem der Über­ zug 14 ausgebildet ist, wird unmittelbar über dem Über­ zug eine Maske 16 angeordnet. Diese weist an den Stellen Durchlässe auf, an denen auf dem Substrat 10 struktu­ rierte metallische Schichten ausgebildet werden sollen. Nun wird die gesamte Maske 16 mit Hilfe eines Excimer- Lasers 20 flächig geschichtet. Es wird hierfür vorzugs­ weise ein Excimer-Laser verwendet, der beispielsweise bei 308 nm, 248 nm und 193 nm Strahlung emittiert. Sol­ che Excimer-Laser sind so energiereich, daß ihr Strahl mittels optischer Elemente soweit aufgeweitet werden kann, daß eine vollständige flächige Bestrahlung der darunter befindlichen Maske möglich ist. Anstelle des Excimer-Lasers 20 kann auch ein Farbstoff-Laser (hier nicht dargestellt) verwendet werden, der von einem Exci­ mer-Laser gepulst wird, so daß der Farbstoff-Laser die für eine flächige Bestrahlung erforderliche Ausgangspul­ senergie hat. Durch die Verwendung von geeigneten Farb­ stoffen kann mit einem Farbstoff-Laser UV-Strahlung mit einer Wellenlänge bis etwa 320 nm erzeugt werden. Bei einer Konversionseffizienz von 3% im UV-Bereich steht immer noch eine Pulsenergie von 10 mJ zur Verfügung. Die Schwellenenergie, die erforderlich ist, um den Überzug zu zersetzen, liegt bei etwa 2 mJ. Ein Excimer- Laser 20 kann im Gegensatz zum Farbstoff-Laser je nach Gasfüllung nur Strahlung mit 7 diskreten Wellenlängen zwischen 157 nm bis 351 nm emittieren. Im Gegensatz dazu ist die Wellenlänge des Farbstofflasers im UV-Bereich kontinuierlich zwischen 320 nm und 400 nm verstimmbar. Damit können Reaktionen bei einer bestimmten Wellenlänge gezielt eingeleitet werden. Bei dem vorliegenden Bei­ spiel wird die Zersetzung des Überzuges 14 mit einem 100 Hz gepulsten Excimer-Laser 20, der eine Strahlungslei­ stungsdichte von etwa 1 Jcm^-2 und eine Emissionswellen­ länge bei 308 nm aufweist durchgeführt. Durch die Anord­ nung der Maske 16 werden nur ganz bestimmte Bereiche des Überzuges 14 von dem Laser 20 bestrahlt, jedoch alle Bereiche gleichzeitig. Durch die Bestrahlung wird das Palladiumacetat zersetzt. Dabei bilden sich Palladium­ keime 22, so daß nach Beendigung der Bestrahlung struk­ turierte Schichten aus Palladium mit scharfen Randbe­ reichen ausgebildet sind. Die nicht bestrahlten Bereiche des Überzuges 14 werden anschließend mit Hilfe eines Lösungsmittels, z.B. Chloroform abgewaschen, so daß sich nur noch die strukturierten metallischen Schichten 26 auf der Oberfläche des Substrats 10 befinden. Erfindungs­ gemäß besteht die Möglichkeit diese strukturierten Schichten 26 durch stromlose oder galvanische Metalli­ sierung zu verstärken. So können beispielsweise die Schichten 26 aus Palladium durch stromloses Verkupfern in einem Shipley-Bad 24 verstärkt werden. Das Ergebnis ist ein Substrat 10, dessen strukturierte metallische Schichten 26 mit einer dicken Kupferschicht versehen sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können selbstver­ ständlich auch strukturierte metallische Schichten aus anderen Metallen wie beispielsweise Gold, Silber oder Kupfer abgeschieden werden. Hierfür müssen lediglich auf den Substraten entsprechende Überzüge aus geeigneten Lösungen der entsprechenden metallorganischen Verbin­ dungen ausgebildet werden. Zur Herstellung der Lösungen werden vorzugsweise Metallacetate, Metallacetylacetonate und Metallformamiate der entsprechenden Metalle verwen­ det.

Falls die strukturierten metallischen Schichten auf dem Substrat punktförmige Strukturen oder Strukturen mit komplizierten geometrischen Formen aufweisen sollen, ist es durchaus möglich, neben dem Excimer-Laser 20 einen Argonionen-Laser zur Ausbildung dieser Strukturen einzu­ setzen, um die durchlässigen Stellen der Maske 16 damit abzutasten.

Soll die Oberfläche des Substrates 10 vollständig von einer metallischen Schicht 26 überdeckt werden, so sind die gleichen Verfahrensschritte anzuwenden, wie oben be­ schrieben. Lediglich auf die Anordnung einer Maske 16, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, wird verzichtet. Die von dem Laser 20 kommenden Strahlen werden unmittelbar auf den gesamten Überzug 14 gelenkt. Hierdurch wird der Überzug 14 vollständig photochemisch zersetzt und es kommt zu einer geschlossenen metallischen Schicht auf der gesamten Oberfläche des Substrates 10 (hier nicht dargestellt).

Mit Hilfe des Excimer-Lasers 20 und optischen Bauele­ menten wie Linsen und Blenden kann der Strahl des Exci­ mer-Lasers so auf den Überzug 14 des Substrates 10 ge­ lenkt werden, daß nur ganz bestimmte Bereiche des Über­ zuges 14 bestrahlt werden. Auf diese Weise ist es mög­ lich, den Strahl des Lasers so auf den Überzug 14 zu lenken, daß eine vorbestimmte Struktur ausgebildet wer­ den kann. Damit kann man auf die in Fig. 1 dargestellte Maske 16 vollständig verzichten. Mit Hilfe der oben beschriebenen optischen Bauelemente ist es möglich, die gleichen strukturierten metallischen Schichten mit dem gleichen scharfen Randbereich auf dem Substrat 10 auszu­ bilden.

Eine Möglichkeit, wie der Strahl 218 eines nicht darge­ stellten Lasers durch optische Bauelemente geführt wer­ den kann zeigt Fig. 2. Der Laserstrahl 218 wird durch einen stationären Spiegel 230 umgelenkt, dann durch ei­ nen in Richtung der Achse des umgelenkten Strahles ver­ schiebbaren Spiegel 232 ein zweites Mal umgelenkt und durch eine Feldlinse 234 hindurch auf eine Maske 216 gelenkt. Die Maske 216 wird durch eine Abbildungsoptik 215 auf ein Substrat 10 verkleinert abgebildet, das vor­ her mit einem Überzug (hier nicht dargestellt) aus einer metallorganischen Verbindung (hier nicht dargestellt) überzogen wurde.

Fig. 3 zeigt, wie mittels eines veränderbaren Ver­ schlusses 340, einer Verkleinerungsoptik 318 und einem in zwei Richtungen in seiner Ebene verschiebbaren Tisch (XY-Tisch) 340, auf dem sich ein Substrat 10 befindet, strukturierte metallische Schichten hergestellt werden können.

Fig. 4 zeigt eine Vielzahl von strukturierten metal­ lischen Schichten 422 mit kreisförmigem Querschnitt, die alle gleichzeitig mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und einer Maske oder durch die Anwendung optischer Bau­ elemente hergestellt wurden. Einige dieser kreisförmigen metallischen Schichten 422 sind durch linienförmige me­ tallische Schichten 423 miteinander verbunden. Es han­ delt sich hierbei um elektrisch leitende Verbindungen zwischen den kreisförmigen Bereichen 422. Zur Ausbildung dieser sehr dünnen linienförmigen Strukturen 423 können Argonionen-Laser verwendet werden, mit welchen die Be­ reiche zwischen den miteinander zu verbindenden kreis­ förmigen Bereiche 422 abgetastet werden, wobei auf dem Überzug des Substrats dann diese sehr dünnen metalli­ schen Leiter 423 ausgebildet werden.

Das vorliegende Verfahren kann auch zur Ausbildung von supraleitendem Material auf einem Substrat verwendet werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von ganzflächigen oder partiellen metallischen Schichten (26) durch Bestrahlung eines Überzuges (14) auf einem Substrat (10) mit einer Lichtquelle (20), dadurch gekennzeichnet, daß zur Aus­ bildung der metallischen Schichten (26) die Bestrahlung flächig mit einem Laser (20) durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Herstellung der Schichten (26) die flächige Bestrahlung mit einem Laser durchgeführt wird, der ganz oder überwiegend im ultravioletten Spektralbereich emit­ tiert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Herstellung von ganzflächigen oder struk­ turierten metallischen Schichten (26) die flächige Be­ strahlung mit einem Excimer-Laser (20) durchgeführt wird, der je nach Gasfüllung Stahlung mit sieben dis­ kreten Wellenlängen im UV-Bereich zwischen 157 nm bis 351 nm emmittiert.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Herstellung von ganzflächigen oder struk­ turierten metallischen Schichten (26) die flächige Be­ strahlung mit einem von einem Excimerlaser gepulsten Farbstofflaser (20) durchgeführt wird, der im UV-Bereich kontinuierlich Strahlung mit Wellenlängen zwischen 320 nm und 420 nm emittiert.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von struktu­ rierten metallischen Schichten (26) eine vorgefertigte Maske (16) auf den Überzug (14) aufgelegt und dann die Maske flächig mit dem Laser (20) bestrahlt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von struk­ turierten metallischen Schichten (26) mit Hilfe op­ tischer Bauelemente die Strahlung des Lasers (20) so auf den Überzug (14) abgebildet wird, daß der Überzug (14) nur dort bestrahlt wird, wo strukturierte Schichten (26) entstehen sollen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von struk­ turierten metallischen Schichten (26), welche punkt­ förmige oder geometrisch komplexe Strukturen aufweisen, die Abtastung mit einem Argonionen-Laser durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von ganz­ flächige oder strukturierten Schichten (26) ein Überzug (14) durch Auftragen einer Lösung auf das Substrat (10) ausgebildet wird, und daß zur Herstellung der Lösung Metallacetate, Metallacetylacetonate und Metallformiate des Metalls verwendet werden, aus dem die metallischen Schichten (26) bestehen sollen.