Verfahren zur Herstellung von metallischen Schichten Process for the production of metallic layers
Beschreibungdescription
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstel¬ lung von ganzflächigen oder partiellen metallischen Schich¬ ten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for the production of full-area or partial metallic layers according to the preamble of claim 1.
Solche Verfahren werden angewendet, um auf Substraten Lei¬ terstrukturen herzustellen, oder metallische Schichten aus¬ zubilden, die eine homogene Struktur aufweisen sollen.Such methods are used to produce conductor structures on substrates or to form metallic layers which should have a homogeneous structure.
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.A method for producing a metallic layer is known from EP-A 03 49 946. For this purpose, the solution of an organometallic compound is applied to a substrate. This film is then irradiated with UV radiation and the compound is converted into a metallic layer. What cannot be achieved with this method is a layer with a very homogeneous structure and a very sharp edge structure.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem metallische Schichten mit einem homo¬ genen Aufbau in scharf abgegrenzten Bereichen einer Sub- srtatoberflache abgeschieden werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.The invention is based on the object of demonstrating a method by means of which metallic layers with a homogeneous structure can be deposited in sharply delimited areas of a substrate surface. This object is achieved by the features of claim 1.
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¬ ier 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.According to the invention, a chemical compound which has at least one metallic component is first evaporated at 400 ° C. and supplied to the surface of a substrate by means of a carrier gas. The substrate is heated to a temperature of . -196 ° C cooled. It is thereby achieved that the gaseous compound condenses on the surface of the substrate. The chemical compound is adsorbed on the surface of the substrate. Suitable chemical compounds for this purpose are organometallic compounds or metal alkyls. Because of the complex molecular structure, a specific adsorption takes place, in particular on polar adsorbent molecules, that is to say that not only dispersion interactions take place between adsorbate and adsorbent molecules, but also interactions due to permanent electrical moments. This means a preferred lowering of the potential energy of the adsorbate molecules at defined adsorption sites determined by the crystal lattice of the adsorbent. By cooling the substrate according to the invention to a minimum temperature of -196 ° C., the mobility of the adsorbate molecules is sensitively restricted. The thermal energy of the atoms is small compared to the binding energy of complex particles on the surface of a solid. The adsorption is localized because the thermal energy is not sufficient to detach the adsorbed particle from its specific bond. As a result, diffusion and other uncontrolled and undesired transport processes of adsorbate molecules on the surface and all events which are disadvantageous for subsequent deposition process steps, such as reactions between radicals during UV radiation, are prevented. The substrates used can have any geometry. They can be made from all materials that are temperature-resistant down to -200 ° C. The substrate is cooled, for example, with liquid nitrogen. After the condensation of the chemical compound on the surface of the substrate, the surface is irradiated with incoherent UV radiation of a defined wavelength, the substrate being cooled further. A UV high-power radiation is preferably used for this, which, depending on the gas filling, generates UV radiation with a wavelength between 60 nm and 320 nm. A mask can be arranged between the radiation source and the surface of the substrate, which mask is provided with passages at predetermined locations. This means that the layer on the surface is only partially irradiated. With the aid of the mask, certain structures, for example conductor tracks, with an amorphous structure and a very sharp edge structure can be formed on the substrate at predetermined locations. By irradiating the layer, it is decomposed and a metallic layer is formed. The non-irradiated areas can be removed. For this purpose, the substrate is heated, for example, to the sublimation temperature of the layer. As a result, the non-irradiated areas of the layer are evaporated. If this is not possible, the undecomposed areas of the layer are washed off. The desired structures remain on the surface of the substrate, which are provided with extremely sharp edges and have a very high degree of homogeneity.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Un¬ teransprüchen gekennzeichnet.Further features essential to the invention are characterized in the subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with the aid of schematic drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 die strukturierte Beschichtung eines Substrats,1 shows the structured coating of a substrate,
Fig. 2 das beschichtete Substrat gemäß Fig. 1.2 shows the coated substrate according to FIG. 1.
Fig. 1 zeigt ein flächiges Substrat 1 auf dessen Oberfläche IS eine metallische Schicht abgeschieden werden soll. Das Substrat ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
aus Aluminiumoxid (AI2O3) 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 1 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 MetalIkomponente 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 AI, Ga, In, Si, Ge, Zn oder Pb aufweist.1 shows a flat substrate 1 on the surface IS of which a metallic layer is to be deposited. The substrate is in the embodiment shown here made of aluminum oxide (AI2O3). However, the metallic coating can also be formed on other substrates (not shown here) which are made of an organic or inorganic material which is resistant at least to temperatures of -200 ° C. In the exemplary embodiment shown here, the substrate 1 is cooled to -196 ° C. before being coated with liquid nitrogen (not shown here). Subsequently, a chemical compound with a metal component 2 in the form of an acetylacetonate or a metal alkyl is evaporated at about 440 ° C. and supplied to the surface of the substrate 1 with the aid of a carrier gas. As the substrate is cooled to - 196 ° C, the vaporized compound condenses on the surface and is adsorbed there. In the exemplary embodiment shown here, copper acetylacetonate is deposited on the surface. The thickness of the deposited layer is selected so that the metallic layer 2M to be formed has a thickness between 0.5 and 50 nm after completion. Instead of copper acetylacetonate, it is also possible to apply an organometallic compound whose metal component is palladium. It is also possible to use a metal alkyl which has Al, Ga, In, Si, Ge, Zn or Pb as the metallic component.
Wie Fig. 1 zeigt, ist in definiertem Abstand über der zu beschichtenden Oberfläche IS des Substrats ein UV-Hoch¬ leistungsstrahler 3 angeordnet. Eine detaillierte Beschrei¬ bung dieses Hochleistungsstrahlers kann der EP-OS 02 54 111 entnommen werden. Der Hochleistungsstrahier 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 IS des SubstratsAs shown in FIG. 1, a UV high-power radiator 3 is arranged at a defined distance above the surface IS to be coated of the substrate. A detailed description of this high-power radiator can be found in EP-OS 02 54 111. The high-power radiator 3 consists of a discharge space (not shown here) which is delimited by a metal electrode (not shown here) and a dielectric (likewise not shown here) and is filled with a noble gas or gas mixture. The dielectric and the second electrode lying on the surface of the dielectric facing away from the discharge space are transparent to the radiation generated by silent electrical discharge. Through this con- structuring and by a suitable choice of gas filling, a large-area high-power radiator for generating incoherent UV radiation with high efficiency is created. With the help of a gas filling made of helium or argon, UV radiation with a wavelength between 60 and 100 nm or 107 and 165 nm can be generated. A xenon gas filling allows the generation of UV radiation with a wavelength between 160 and 190 nm, the maximum being 172 nm. With a gas filling made of argon fluoride or krypton fluoride, UV radiation in the wavelength range between 180 to 200 nm and 240 to 250 nm can be generated. With a gas mixture of xenon and chlorine, the UV lamp can produce a UV wavelength of 300 to 320 nm. If the metallic layer 2M to be formed is to have a defined structure, there can be between the high-power radiator 3 and the surface IS of the substrate
1 eine Maske 4 angeordnet werden, die an den Stellen Durch¬ lässe 4D aufweist, an denen auf der Oberfläche IS 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 IS entfernt werden. Hierfür kann das Substrat 1 beispielsweise auf die Sublimationstemperatur der chemischen Verbindung erwärmt werden, wenn dieses nicht aus einem temperaturemfpindlichen Werkstoff gefertigt ist. Dadruch sublimieren die nicht zer¬ setzten Bereiche der Schicht 2. Zurück bleiben die in Fig.1, a mask 4 can be arranged, which has passages 4D at those points at which a metallic layer is to be formed on the surface IS of the substrate 1. By irradiating the deposited layer 2, it is decomposed and a metallic layer is formed. The substrate 1 is kept at the minimum temperature of -196 ° C. both when the chemical compound 2 is deposited and when the deposited layer 2 is irradiated. If the layer 2 has decomposed, the cooling of the substrate 1 can be ended. The areas of the layer 2 which are not decomposed during the irradiation through the mask 4 now have to be removed from the surface IS. For this purpose, the substrate 1 can, for example, be heated to the sublimation temperature of the chemical compound if it is not made of a temperature-sensitive material. As a result, the areas of layer 2 that have not been decomposed sublimate. What remains in FIG.
2 dargestellten strukturierten metallischen Schichten 2M auf der Oberfläche IS des Substrates 1.
2 shown structured metallic layers 2M on the surface IS of the substrate 1.