DE4241839C2 - Verfahren zur Herstellung von metallischen Schichten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstel­ lung von ganzflächigen oder partiellen metallischen Schich­ ten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Solche Verfahren werden angewendet, um auf Substraten Lei­ terstrukturen herzustellen, oder metallische Schichten aus­ zubilden, die eine homogene Struktur aufweisen sollen.

Aus der EP-A 03 49 946 ist ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Schicht bekannt. Hierfür wird auf ein Substrat die Lösung einer metallorganischen Verbindung auf­ gebracht. Anschließend wird dieser Film mit UV-Strahlung bestrahlt und die Verbindung in eine metallische Schicht umgesetzt. Was mit diesem Verfahren noch nicht erreicht werden kann, ist ein Schicht mit einem sehr homogenen Auf­ bau und einer sehr scharfen Kantenstruktur.

Aus der US-PS 4,615,904 ist ein Verfahren zum Herstellen metallischer Strukturen auf Substra­ ten bekannt. Hierzu wird zur "Bekeimung" die auf einer Substratoberfläche abgeschiedene Schicht mit einem fokussierten Laserstrahl beaufschlagt. Auf den so vorbehandelten Bereichen wird in einem weiteren Verfahrensschritt unter UV-Bestrahlung ein Metall aus einem metallhalti­ gen Film selektiv abgeschieden.

Aus der US-PS 4,892,751 ist es zur Herstellung eines dünnen Filmes auf einem Substrat be­ kannt, auf diesem eine dünne Schicht eines Gases auszukondensieren und diese mit einem Hochleistungslaser zu bestrahlen. Dabei wird ein Plasma erzeugt. Die sich in dem Plasma bil­ denden reaktiven Partikel reagieren mit den Bestandteilen der Schicht unter Dissoziation. Die Dissoziation der Schichtbestandteile beruht auf chemischen Reaktionen oder auf Stoßreaktionen.

Bei der Erzeugung des Plasmas entstehen im Reaktorraum sehr hohe Temperaturen. Diese schränken zum einen die Auswahl verfügbarer Ausgangsmaterialien für die Beschichtung ein, zum anderen stören die hohen Temperaturen die auskondensierte gekühlte Schicht, insbeson­ dere wenn das Plasma in deren Nähe zündet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum vollständigen oder partiellen Be­ schichten eines Substrates mit metallischen Schichten mit homogenem Aufbau und gegebe­ nenfalls scharfen Kanten anzugeben, bei dem Ausgangsmaterialien verwendet werden können, die weder thermisch noch chemisch/physikalisch allein ausreichend dissoziierbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird zunächst eine chemische Verbindung, die wenigstens eine metallische Komponente aufweist, bei 400°C verdampft und mittels eines Trägergases der Ober­ fläche eines Substrates zugeführt. Das Substrat wird auf eine Temperatur von -196°C gekühlt. Damit wird erreicht, daß die gasförmige Verbindung auf der Oberfläche des Sub­ strates kondensiert. Die chemische Verbindung wird dabei an der Oberfläche des Substrats adsorbiert. Als chemische Ver­ bindungen eignen sich hiefür metallorganische Verbindungen oder Metallalkyle. Wegen der komplexen Molekülstruktur er­ folgt insbesondere auf polaren Adsorbentmolekülen eine spe­ zifische Adsorption, d. h., daß nicht nur Dispersionswech­ selwirkungen zwischen Adsorbat- und Adsorbentmolekülen, sondern auch Wechselwirkungen wegen permanenter elektri­ scher Momente stattfinden. Dies bedeutet eine bevorzugte Absenkung der potentiellen Energie der Adsorbatmoleküle an definierten, durch das Kristallgitter des Adsorbenten mit­ bestimmten Adsorptionsplätzen. Durch die erfindungsgemäße Kühlung des Substrats auf eine Mindesttemperatur von -196°C wird die Mobilität der Adsorbatmoleküle empfindlich einge­ schränkt. Die thermische Energie der Atome ist klein gegen die Bindungsenergie von komplex aufgebauten Teilchen auf der Oberfläche eines Festkörpers. Die Adsorption ist daher lokalisiert, weil die thermische Energie nicht ausreicht, das adsorbierte Teilchen aus seiner spezifischen Bindung zu lösen. Dadurch werden Diffusions- und andere unkon­ trollierte und unerwünschte Transportvorgänge von Adsorbat­ molekülen auf der Oberfläche und alle für nachfolgende Abscheidungsprozeßschritte nachteiligen Ereignisse wie etwa Reaktionen zwischen Radikalen während der UV-Bestrahlung unterbunden. Die verwendeten Substrate können jede belie­ bige Geometrie aufweisen. Sie können aus allen Materialien hergestellt werden, die bis -200°C temperaturbeständig sind. Das Kühlen des Substrats erfolgt beispielsweise mit flüssigem Stickstoff. Nach der Kondensation der chemischen Verbindung auf der Oberfläche des Substrats wird die Ober­ fläche mit inkohärenter UV-Strahlung einer definierter Wel­ lenlänge bestrahlt, wobei das Substrat weiterhin gekühlt wird. Vorzugsweise wird hierfür ein UV-Hochleistungsstrah­ ler verwendet, der je nach Gasfüllung eine UV-Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 60 nm und 320 nm erzeugt. Zwi­ schen der Strahlungsquelle und der Oberfläche des Substrats kann eine Maske angeordnet werden, die an vorgegebenen Stellen mit Durchlässen versehen ist. Hiermit wird er­ reicht, daß die Schicht auf der Oberfläche nur partiell be­ strahlt wird. Mit Hilfe der Maske können auf dem Substrat an vorgegebenen Stellen bestimmte Strukturen, z. B. Leiterbahnen, mit einem amorphen Aufbau und einer sehr scharfen Kantenstruktur ausgebildet werden. Durch das Be­ strahlen der Schicht wird diese zersetzt, und eine metalli­ sche Schicht gebildet. Die nicht bestrahlten Bereiche kön­ nen entfernt werden. Hierfür wird das Substrat beispiels­ weise auf die Sublimationstemperatur der Schicht erwärmt. Hierdurch werden die nicht bestrahlten Bereiche der Schicht verdampft. Wenn das nicht möglich ist, werden die nicht zersetzten Bereiche der Schicht abgewaschen. Auf der Ober­ fläche des Substrats bleiben die gewünschten Strukturen zu­ rück, die mit extrem scharfen Kanten versehen sind und eine sehr große Homogenität besitzen.

Durch die Bestrahlung der Schicht mit inkohärenter UV-Strahlung erfolgt die Dissoziation der Schichtbestandteile aufgrund der eingestrahlten Lichtenergie (Photodissoziation). Zusätzliche Zersetzungsreaktionen aufgrund einer Temperaturerhöhung oder aufgrund chemischer Reak­ tionen sind nicht erforderlich. Die Verwendung eines Hochleistungsstrahlers gewährleistet, daß eine ausreichende Lichtenergie zur Verfügung steht, ohne daß eine merkliche Temperaturerhö­ hung beobachtet wird (nur wenige Grad Celsius). Die aufkondensierte Schicht wird bei dem er­ findungsgemäßen Verfahren daher nicht durch eine Temperaturerhöhung gestört. Es erfolgt daher auch kein Abdampfen undissoziierter Schichtbestandteile, so daß die Schicht insgesamt homogen ist und gegebenenfalls durch Maskierung erzeugte scharfe Kanten erhalten bleiben.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die strukturierte Beschichtung eines Substrats,

Fig. 2 das beschichtete Substrat gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein flächiges Substrat 1 auf dessen Oberfläche 1S eine metallische Schicht abge­ schieden werden soll. Das Substrat ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) gefertigt. Die metallische Be­ schichtung kann jedoch auch auf anderen Substraten (hier nicht dargestellt) ausgebildet werden, die aus einem or­ ganischen oder anorganischen Werkstoff gefertigt sind, der mindestens bis zu Temperaturen von -200°C beständig ist. Das Substrat I wird bei dem hier dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel vor der Beschichtung mit flüssigem Stickstoff (hier nicht dargestellt) auf -196°C gekühlt. Anschließend wird eine chemische Verbindung mit einer Metallkomponente 2 in Form eines Acetylacetonats oder ein Metallalkyl bei etwa 440°C verdampft und mit Hilfe eines Trägergases der Ober­ fläche des Substrats 1 zugeführt. Da das Substrat auf - 196°C gekühlt ist, kondensiert die verdampfte Verbindung auf der Oberfläche und wird dort adsorbiert. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird Kupferacetylacetonat auf der Oberfläche abgeschieden. Die Dicke der abgeschie­ denen Schicht wird so gewählt, daß die zu bildende metalli­ sche Schicht 2M nach der Fertigstellung eine Dicke zwischen 0,5 und 50 nm aufweist. Anstelle von Kupferacetylacetonat kann auch eine metallorganische Verbindung aufgetragen wer­ den, deren Metallkomponente Palladium ist. Ebenso kann ein Metallalkyl verwendet werden, das als metallische Kompo­ nente Al, Ga, In, Si, Ge, Zn oder Pb aufweist.

Wie Fig. 1 zeigt, ist in definiertem Abstand über der zu beschichtenden Oberfläche 15 des Substrats ein UV-Hoch­ leistungsstrahler 3 angeordnet. Eine detaillierte Beschrei­ bung dieses Hochleistungsstrahlers kann der EP-OS 02 54 111 entnommen werden. Der Hochleistungsstrahler 3 besteht aus einem durch eine einseitig gekühlte Metallelektrode (hier nicht dargestellt) und ein Dielektrikum (ebenfalls hier nicht dargestellt) begrenzten und mit einem Edelgas oder Gasgemisch gefüllten Entladungsraum (hier nicht darge­ stellt). Das Dielektrikum und die auf der dem Entladungs­ raum abgewandten Oberfläche des Dielektrikums liegende zweite Elektrode sind für die durch stille elektrische Ent­ ladung erzeugte Strahlung transparent. Durch diese Kon­ struktion und durch eine geeignete Wahl der Gasfüllung wird ein großflächiger Hochleistungsstrahler zur Erzeugung inko­ härenter UV-Strahlung mit hohem Wirkungsgrad geschaffen. Mit Hilfe einer Gasfüllung aus Helium bzw. Argon kann UV- Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 60 und 100 nm bzw. 107 und 165 nm erzeugt werden. Eine Xenongasfüllung erlaubt die Erzeugung einer UV-Strahlung mit einer Wellenlänge zwi­ schen 160 und 190 nm, wobei das Maximum hierbei bei 172 nm liegt. Mit einer Gasfüllung aus Argonfluorid bzw. Krypton­ fluorid kann UV-Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 180 bis 200 nm bzw. 240 bis 250 nm erzeugt werden. Mit ei­ nem Gasgemisch aus Xenon und Chlor läßt sich mit dem Hochleistungsstrahler eine UV-Wellenlänge von 300 bis 320 nm erzeugen. Falls die auszubildende metallische Schicht 2M eine definierte Struktur aufweisen soll, kann zwischen dem Hochleistungsstrahler 3 und der Oberfläche 15 des Substrats 1 eine Maske 4 angeordnet werden, die an den Stellen Durch­ lässe 4D aufweist, an denen auf der Oberfläche 15 des Sub­ strates 1 eine metallische Schicht ausgebildet werden soll. Durch das Bestrahlen der abgeschiedenen Schicht 2 wird diese zersetzt, und es kommt zur Ausbildung einer metalli­ schen Schicht. Das Substrat 1 wird sowohl beim Abscheiden der chemischen Verbindung 2 als auch beim Bestrahlen der abgeschiedenen Schicht 2 auf der Mindesttemperatur von -196°C gehalten. Ist die Schicht 2 zersetzt, so kann die Kühlung des Substrats 1 beendet werden. Die bei der Be­ strahlung durch die Maske 4 nicht zersetzten Bereiche des Schicht 2 müssen nun noch von der Oberfläche 15 entfernt werden. Hierfür kann das Substrat 1 beispielsweise auf die Sublimationstemperatur der chemischen Verbindung erwärmt werden, wenn dieses nicht aus einem temperaturempfindlichen Werkstoff gefertigt ist. Dadurch sublimieren die nicht zer­ setzten Bereiche der Schicht 2. Zurück bleiben die in Fig. 2 dargestellten strukturierten metallischen Schichten 2M auf der Oberfläche 15 des Substrates 1.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von ganzflächigen oder partiellen metallischen Schichten (2M) aus einer chemischen Verbindung (2), die wenigstens eine Metallkomponente aufweist, durch Kondensation einer die chemische Verbindung enthaltenden Schicht auf einem auf eine Temperatur im Kryotemperaturbereich gekühlten Substrat und Bestrahlen der Schicht mit UV-Strahlen mit einer Wellenlänge zwischen 60 nm und 320 nm, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bestrahlen der Schicht (2) mit einem inkohärente Strahlung erzeu­ genden Hochleistungsstrahler (3) erfolgt.

2. Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung bei 440°C verdampft und mit einem Trägergas der Oberfläche (1S) des Substrats (1) zugeführt und dort durch Kondensation abgeschieden wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) während der Kondensation der chemischen Verbindung auf der Oberfläche (1S) des Substrats (1) und während der Bestrahlung der abgeschiedenen Schicht (2) mit der UV-Strahlung auf eine Temperatur von mindestens -196 °C mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine metal­ lorganische Verbindung oder ein Metallalkyl, in einer Dicke zwischen 10 und 50 nm auf das Substrat (1) aufgetragen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine chemische Verbindung in Form von Palladium- oder Kupferacetylacetonat oder ein Me­ tallalkyl, das als metallische Komponente Al, Ga, In, Si, Ge, Zn oder Pb aufweist, bei 400°C verdampft und mit einem Trägergas in Form von Argon der Oberfläche (1S) des Substrates (1) zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestrah­ lung der abgeschiedenen Schicht (2) ein UV-Hochleistungsstrahler (3) mit einer Gasfül­ lung aus Helium, Argon, Argonfluorid, Kryptonfluorid, Xenon oder einem Gasgemisch aus Xenon und Chlor verwendet wird, der eine inkohärente UV-Strahlung im Wellenlängenbe­ reich zwischen 60 nm und 320 nm erzeugt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die chemi­ sche Verbindung (2) auf der Oberfläche (1) eines Substrats (1) abgeschieden wird, das aus einem organischen oder anorganischen Werkstoff hergestellt wird, der im Kryotempe­ raturbereich beständig ist.