DE4330961C1 - Verfahren zur Herstellung von strukturierten Metallisierungen auf Oberflächen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von strukturierten Metallisierungen auf Oberflächen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von struktu­ rierten Metallisierungen auf Oberflächen gemäß dem Oberbegriff des An­ spruches 1.
Aus der DE-OS 40 34 834 ist ein Verfahren zur strukturierten Metallisierung vorbekannt, bei dem ein örtlich selektiv wirkender Laser einen Träger durchstrahlt. Auf dem Träger befindet sich eine metallorganische Verbin­ dung. Der Laserstrahl zersetzt nach der Durchstrahlung des Trägers die metallorganische Schicht zu Metall, welches gleichzeitig verdampft und auf dem Substrat kondensiert. Das Substrat ist in einem definierten Ab­ stand zum Träger angeordnet.
Nachteilig ist es hierbei, daß bereits die Herstellung der metallorganischen Schichten in einer nur unzureichenden Schichthomogenität gewährleistet werden kann. In der Regel bestehen die Schichten aus vielen Einzelkri­ stalliten, so daß in Breite und Dicke unregelmäßige Metallschichten ent­ stehen. Nur wenige metallorganische Verbindungen, wie z. B. PD-Acetat, bilden unter definierten Bedingungen homogene amorphe Schichten, diese werden z. B. durch Trichlormethan-Lösungen erzeugt, was wenig umweltverträglich ist.
Die Zersetzung der metallorganischen Verbindung und die Bildung des Metalls führen des weiteren zu stark veränderten Absorptions- und Reflex­ ionsverhältnissen, so daß auch hierdurch eine sehr inhomogene Schichtabscheidung bewirkt wird. Das gebildete Metall enthält außerdem Verunreinigungen durch organische Rückstände.
Es ist in dem bekannten Verfahren weiterhin nachteilig, daß eine Energie­ strahlung notwendig ist, die eine fotochemische oder thermische Zerset­ zung der metallorganischen Schicht bewirkt. Das erfordert den Einsatz entweder von kostenintensiven Excimer-Lasern oder von Lasern, deren Wellenlänge den jeweiligen Absorptionsbedingungen der Schicht anzu­ passen ist.
Beim Transfer des Materials tritt durch den verfahrenstechnisch notwendi­ gen Abstand zwischen Träger und Substrat eine Ausbreitung des Materials über die gewünschte Geometrie hinaus auf, wodurch sich die Kanten­ schärfe verringert und die minimale Strukturbreite zunimmt. Die in dem beschriebenen Verfahren genutzte metallorganische Verbindung muß im nachfolgenden chemisch-reduktiven Bad katalytisch wirken, um die be­ schriebene Metallisierung zu erreichen. Damit schränkt sich die Zahl der nutzbaren metallorganischen Verbindungen stark ein.
Strukturierte Metallisierungen werden üblicherweise auf fotolithografi­ schem Wege hergestellt. Neben den dabei angewendeten Techniken kommt immer häufiger die Strahlung von Lasern zu Anwendung. Bekann­ te Verfahren zur additiven, strukturierten Metallisierung von Substratober­ flächen mit Hilfe der Laserstrahlung arbeiten fast ausnahmslos mit einem relativ zur Substratoberfläche bewegten Laserstrahl. Die Verfahrensge­ schwindigkeit des Strahlfokus liegt dabei gewöhnlich unter 10 mm/s und ist vom verwendeten Precursor/Substrat-System sowie der erzeugten Metallschichtdicke abhängig. In den bekannten Precursorsystemen finden metallhaltige Verbindungen sowie Metallsuspensionen Anwendung, wo­ bei die Ausführung der Systeme gasförmig in Rezipienten, flüssig in Küvetten oder fest in Schichten auf der Substratoberfläche sein kann.
Ein bekanntes Verfahren der Gasphasen-Abscheidung sieht Gold-Abschei­ dungen auf SiO2 im Vakuum unter Verwendung eines Methyl(Triethyl­ phosphin) Gold(I)-Dampfes und eines cw-Argon-lonen-Lasers bei einer Schreibgeschwindigkeit von 0,0045 bis 0,035 mm/S vor (M.Jubber et al.: Appl. Surf. Sc.43 [1989], 74-80). Nachteilig bei diesem Verfahren sind insbesondere die sehr geringe Schreibgeschwindigkeit und das notwen­ dige aufwendige Vakuumsystem.
Bei D. Krabe, W. Radloff: Exp. Techn. d. Phys. 36 [1988] 6, 501-511, wird ein Flüssiggasphasen-Verfahren zur Silber-Abscheidung auf Glas in einem chemisch-reduktiven Silber-Bad in einer Küvette mittels eines cw-Argon- Ionen-Lasers beschrieben, welches eine Schreibgeschwindigkeit von 0,3 bis 1,3 mm/s erreicht.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist es, daß der Precursor und das Substrat in einer Küvette angeordnet werden müssen, daß die Strahlführung und die Substrat-Behandlung durch die Küvette eingeschränkt sind und eine nur geringe Schreibgeschwindigkeit erreicht wird.
Ein Verfahren zur Aufbringung von Kupfer-Schichten auf MCM-Substraten mit Polyimid-Beschichtung wird bei H.G. Müller et al.: SPIE 1598 [1991], 132-140, beschrieben.
Nachteilig ist es, daß die eingesetzte wäßrige Kupfer-Formiat-Lösung eine hohe Oberflächenspannung aufweist, wodurch eine homogene Benetzung der Substratoberfläche und damit eine homogene Ausbildung der metall- organischen Metallbeschichtung nur schwer erreicht werden kann. Die Benetzung kann durch einen Zusatz von Glycerin verbessert werden. Gleichzeitig verlängert sich jedoch die Trockenzeit. Der für die Ausbildung der metallorganischen Precursorschicht erforderliche Trocknungsschritt ist allgemein langandauernd und nur mit Aufwand, z. B. durch den Einsatz eines Ofens, verkürzbar. Das Verfahren weist zudem nur eine geringe Schreibgeschwindigkeit des eingesetzten Lasers von ca. 0,1 mm/s auf.
Ein weiteres Verfahren beschreibt die Verankerung von Metallteilchen auf Keramiksubstraten (W. Paatsch: Metalloberfläche 44 [1992] 5, 213-217). Es wird vorgeschlagen, die Metallteilchen in einer Suspension im Spin-On- oder Sprühverfahren auf die Oberfläche zu bringen und nach der Bestrah­ lung mit einem Laser die nicht haftenden Metallteilchen abzuspülen. Die Verstärkung der eingebrannten, haftenden Metallteilchen erfolgt in che­ misch-reduktiven Bädern.
Nachteilig ist die beschränkte Anwendbarkeit des Verfahrens nur auf tem­ peraturstabile Materialien, wie z. B. Keramik, da die Metallteilchen auf der Substratoberfläche auf- und/oder eingeschmolzen werden, und der für das Aufbringen der metallorganischen Precursorschicht notwendige zusätzli­ che Spin-On- oder Sprühverfahrensschritt sowie die geringe Schreibge­ schwindigkeit unter 50 mm/s.
Von daher ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der gattungs­ gemäßen Art zu entwickeln, mit dem eine strukturierte Metallisierung von transparenten und nichttransparenten Oberflächen ohne die üblichen fo­ tolithografischen Prozesse und ohne aufwendiges Handling für Gase, Flüs­ sigkeiten oder metallorganische Schichten, also ohne Vakuumanlage oder Küvetten, mit wesentlich höherer Schreibgeschwindigkeit als bisher er­ reichbar, ermöglicht wird und das eine große Anwendungsvielfalt gewähr­ leistet.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Das Verfahren erlaubt eine strukturierte Metallisierung von Substraten ohne die aufwendigen fotolithografischen Prozesse mit den dabei erforderlichen Masken. Der Einsatz einer sehr einfach handhabbaren Metallbeschichtung für die strukturierte Laser- Bekeimung erlaubt die Bekeimung auch von transparenten Substraten. Es können z. B. transparente Substrate an LCD-Zellen metallisiert werden. Das aufwendige Handling für Gase, Flüssigkeiten oder metallorganische Schichten wird nicht benötigt.
Durch die Belegung des transparenten Trägers mit einer dünnen, sehr ho­ mogenen Metallschicht oder -schichtfolge wird die Zersetzung einer metallorganischen Schicht erfindungsgemäß umgangen. Die dünnen me­ tallischen Schichten können z. B. durch konventionelle Bedampfungs- oder Sputterverfahren hergestellt und als Halbzeug billig und in hoher Qualität bezogen werden. Die bereits auf dem Träger ausgebildete dünne Metall­ schicht bietet einheitliche optische Parameter für die Bestrahlung. Die Be­ strahlung kann z. B. mit einem gepulsten Nd : YAG-Laser erfolgen, wobei der Transferprozeß stets thermisch initiiert ist und auf der gesamten Fläche bei gleichen optischen und thermischen Bedingungen abläuft. Verunreini­ gungen durch Reaktionsrückstände treten nicht auf. Dadurch, daß die dünne Metallschicht auf dem transparenten Träger in möglichst innigen Kontakt mit der Substratoberfläche gebracht wird, kann das Transfer- und Kondensationsgebiet weitgehend minimiert werden. Die auf den Träger aufgebrachte dünne Metallschicht kann z. B. aus einem haftvermittelnden und einem weiteren Metall bestehen, welches im nachfolgenden che­ misch-reduktiven Bad katalytisch wirkt, so daß die gewünschte Metallisie­ rung ohne Einschränkungen erfolgen kann. Der laserinduzierte Transfer­ prozeß führt zu einer Durchmischung der Metalle. Beim Einbringen in das chemisch-reduktive Bad entstehen im nachgelagerten Verfahrensschritt dadurch in der transferierten Bekeimungsschicht auf der Substratoberflä­ che mikrogalvanische Zellen, welche, im Unterschied zu einer katalytisch initiierten Schichtabscheidung, ebenfalls die Bildung erster Keime der Me­ tallisierung bewirken können. Das weitere Schichtwachstum führt zu den für chemische Schichtabscheidungen üblichen guten Schichtqualitäten bei einer sehr guten Haftfestigkeit.
Die Nutzung dünner Metall- und Keimschichten läßt sehr hohe, bei laser­ induzierten Metallisierungen bislang nicht erreichte Schreibgeschwindig­ keit bei einer einfachen Prozeßführung zu. Das in der Erfindung beschrie­ bene Verfahren stellt daher ein sehr wirtschaftliches Verfahren der additi­ ven Laserstrukturierung dar. Die mit dem Verfahren erzeugten Metall­ schichten zeigen sehr gute Haftungseigenschaften, insbesondere auch auf ITO (Indium-Zinn-Oxid-Schicht) und auf Glasoberflächen, z. B. von LCD- Zellen. Die nach der Bekeimung der Oberfläche erfolgte Metallisierung in Bädern kann als Massenprozeß organisiert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestell­ ten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung der Laserbekeimung der ITO- Oberfläche einer LCD-Zelle,
Fig. 2 die schematische Darstellung der bekeimten ITO-Oberfläche nach Fig. 1 und
Fig. 3 die schematische Darstellung der Metallisierung der ITO- Oberfläche nach den Fig. 1 und 2.
In den Fig. 1 bis 3 ist das Verfahren zur strukturierten Metallisierung einer als ITO-Oberfläche ausgebildeten Substratoberfläche 3 an LCD-Zellen dargestellt (Herstellung von Metallkontakten für LCD-Zellen).
In der Fig. 1 ist die Laserbekeimung der Substratoberfläche 3, hier der ITO- Oberfläche einer LCD-Zelle, mittels eines gepulsten Laserstrahles 5, bei­ spielsweise eines Nd : YAG-Laserstrahles mit einer mittleren Leistung von ca. 200 mW und einer Schreibgeschwindigkeit von ca. 10 cm/s, gezeigt.
Auf einen Glasträger 2 ist eine dünne homogene Metallbeschichtung 1 aufgebracht, die beispielsweise aus einer haftvermittelnden Schicht aus Ti : W in einer Schichtdicke von 230 nm und aus einer katalytisch wirkenden Schicht aus Gold in einer Schichtdicke von 200 nm gebildet ist. Der Glasträ­ ger 2 wird mit der Metallbeschichtung 1 über die zu metallisierende Sub­ stratoberfläche 3 gebracht und mit dem gepulsten Nd : YAG-Laserstrahl 5 bestrahlt. Dabei kann die Bestrahlung sowohl durch den Glasträger 2 mit der Metallbeschichtung 1 als auch durch das transparente Glas oder/und ITO der LCD-Zelle erfolgen. Der Transfer des Materials erfolgt durch Laser­ verdampfung der Metallbeschichtung 1 und nachfolgender Kondensation auf der LCD-Oberfläche, hier gemäß der Darstellung in der Fig. 2 als Keim­ schicht 6. Nach erfolgter selektiver Bekeimung der Substratoberfläche 3, also der LCD-Oberfläche, wird entsprechend der Darstellung in der Fig. 3 eine Metallisierung der bekeimten Bereiche 6 mit einer Metallisierungs­ schicht 7 in einem chemisch-reduktiven Bad, z. B. einem Nickel-Bad, vorge­ nommen. Bei einer Badtemperatur von 95° C und einer Dauer von 7 Minu­ ten bildet sich eine ca. 2,5 µm dicke NiP-Struktur aus.
Die zu beschichtenden Substrate können auch nicht-transparent sein, z. B. Keramiken.
Ein weiteres Anwendungsgebiet des Verfahrens ist die Ausbildung von Leiterstrukturen auf flexiblen PI-Folien, z. B. zur Herstellung von flexiblen Schaltungsträgern auf Polyimidbasis (PI). Auch hier erfolgt zunächst die la­ serinduzierte Bekeimung der Oberfläche durch eine Lasertransfertechnik. Nachfolgend wird die strukturierte Bekeimung in einem Metallisierungs­ bad verstärkt.
Wie im ersten Ausführungsbeispiel ist auch hierbei die auf den Glasträger 2 aufgebrachte Metallbeschichtung 1 der Ausgangspunkt für das Verfah­ ren. Die Metallbeschichtung 1 besteht ebenfalls aus einer haftvermitteln­ den und aus einer katalytisch wirkenden Schicht. Der Glasträger 2 wird mit der Metallbeschichtung 1 über die zu metallisierende PI-Oberfläche ge­ bracht und danach mit einem gepulsten Laserstrahl bestrahlt. Der Transfer des Materials erfolgt so wie im ersten Ausführungsbeispiel beschreiben. Nach erfolgter selektiver Bekeimung der PI-Oberfläche wird eine Metalli­ sierung der bekeimten Bereiche in einem chemisch-reduktiven Kupfer-Bad vorgenommen. Bei einer Badtemperatur von 60°C und einer Dauer von ca. 60 Minuten scheidet sich eine ca. 5 µm dicke, strukturierte Kupfer-Schicht ab. In beiden beispielhaft dargestellten Ausführungsfällen kann sich nach der laserinduzierten Bekeimung der Substratoberfläche eine Spülung der bekeimten Substratoberfläche mit deionisiertem Wasser als günstig erwei­ sen.
Bezugszeichenliste
1 Metallschicht
2 Glasträger
3 Substratoberfläche
4 Glassubstrat
5 Laserstrahl
6 Keimschicht
7 Metallisierungsschicht

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von strukturierten Metallisierungen auf Oberflächen mittels Laserstrahl und eines mit Beschichtungen versehe­ nen transparenten Trägers sowie durch ein chemisch-reduktives Bad, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Träger (2) mit einer dünnen, homogenen Metall­ beschichtung (1) versehen wird und mit der Metallbeschichtung in en­ gen Kontakt mit der zu metallisierenden Substratoberfläche (3) ge­ bracht und danach mit dem gepulsten Laserstrahl (5) bestrahlt wird, wobei der Transfer des Metalls vom transparenten Träger (2) durch die Laserverdampfung und nachfolgender Kondensation auf der Substrat­ oberfläche (3) erfolgt, und daß nach der selektiven Bekeimung der Substratoberfläche (3) die Metallisierung der bekeimten Bereiche (6) im chemisch-reduktiven Bad durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Substrat Keramik oder ein Polymer ausgewählt werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Bekeimung programmiert wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne homogene Metallbeschichtung aus einer haftvermittelnden und/oder einer katalytisch wirksamen Substanz gebildet wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bekeimte Substrationsoberfläche (3) mit entionisiertem Wasser ge­ spült wird.
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