SE523309C2 - Metod, elektrod och apparat för att skapa mikro- och nanostrukturer i ledande material genom mönstring med masterelektrod och elektrolyt - Google Patents

Description

2 3 3 0 9 . 1.., . . ~ | o o ø nu 2 Jämfört med torretsning, som är en annan teknik för submikrometerstrukturer, är elektrokemisk etsning ett billigare och mer miljövänligt altemativ som kräver mindre investeringar i avancerad processutrustning. Jämfört med den rent kemiska etsningen kan elektrokemisk etsning producera betydligt mindre strukturer och är dessutom mer miljövänlig tack vare att neutrala saltlösningar kan användas som elektrolyt. Återvinning och destruktion av förbrukade etskemikalier utgör ofia en av de största kostnadema inom kemisk våtetsning.

Metoden för patentering är en process för produktion av mikro- och nanostrukturer i elektriskt ledande material. Metoden bygger på elektrokemisk etsning eller plätering och en ny princip där mönsterdefinition och motelektrod i en elektrokemisk ets- eller pläteringscell integreras till en enhet, en masterelektrod. Metoden kallas ECPR - Electrochemical Pattem Replication. Genom att ett elektriskt isolerande strukturlager definieras på anoden istället för katoden i en elektrokemisk etscell eller genom att ett elektriskt isolerande strukturlager definieras på katoden istället för anoden i en pläteringscell kan litografisteget elimineras från den tillverkningsprocessen. Ett mönster i masterelektroden replikeras direkt i substratet med hjälp av elektrokemisk etsning eller plätering i de lokala celler som uppstår då masterelektrod och substrat pressas mot varandra. Förutom den stora fördelen med en litografifri produktion kan flera problem inom elektrokemisk etsning och plätering lösas med hjälp av masterelektrodens geometri.

Strukturer definieras idag vanligtvis genom att överföra kretsmönstret från en fotomask till substratet, via belysning av ett fotoresistlager. Precisionen i denna litografiprocess avgör kvaliteten av det färdigetsade kortet. Ju mindre strukturer, desto mer avancerad och dyr utrustning behövs. Kravet på renhet ökar också och det medför att litografi måste göras i renrumsmiljö, vilket ytterligare komplicerar och fördyrar processen. ECPR är en lösning som eliminerar behovet av en litografiprocess ute i tillverkningen. När designen av en ny krets är klar skickas den normalt till en fotomasktillverkare som gör en mask som sedan används i litografiprocessen. En tillverkare som använder ECPR kan istället skicka sin krets-data till en ECPR- licensierad elektrodtillverkare som framställer en masterelektrod åt dem. Denna kan sedan användas för varje replikering i ECPR-processen, liknande fotomasken i en litografiprocess, och komponenttillverkaren behöver alltså inte ha någon egen litografiprocess, något som kan medföra stora besparingar.

Detaljerad beskrivning fördelaktiga utföranden Med ECPR används en masterelektrod (l) där mönster i ett elektriskt isolerande elektrodlager (2) och motelektrod, som utgörs av en elektriskt ledande elektrodyta (5), har integrerats till en enhet, figur 2. Genom att sänka ned substrat och masterelektrod i en elektrolyt och pressa masterelektroden och substratet mot varandra definieras mönstret och lokala elektrokemiska celler med extremt kort elektrodavstånd skapas.

De båda elektrodema måste inte nödvändigtvis nedsänkas i elektrolyten, det räcker med att en tunn elektrolytfilm appliceras mellan dem. Ett altemativ kan vara att tillföra elektrolyt efter att ha pressat samman elektroderna, via kanaler.

Ett elektriskt isolerande strukturlager (2) skyddar mot etsning eller plätering på områden där kontakt med substratet (3) finns, figur 2-6. När en spänning läggs över cellen etsas eller pläteras de områden som har kontakt med elektrolyten (4) och 523 309 3 mönster bildas på substratet enligt det mönster som definieras av masterelektroden (1), figur 3-6. Fördelarna jämfört med vanlig elektrokemisk etsning eller plätering är många. Elektrodavståndet definieras av tjockleken på det elektriskt isolerande strukturlagret och tack vare det korta avståndet, i samma storleksordning som linjebredden, minimeras de resistiva förlusterna. Det korta elektrodavståndet kan medge en väldigt utspädd elektrolyt. Att få ett konstant elektrodavstånd över hela ytan är normal ett stort problem inom elektrokemisk etsning och plätering. Det löses här enkelt eftersom tjockleken på det elektriskt isolerande strukturlagret kan kontrolleras med god precision. Geometrin i cellen löser också problemet med ojämn strömtäthet som i normala fall leder till överetsade ledare nära stora oetsade områden, på grund av ojämn reaktionshastihet över ytan. I ECPR motsvarar varje motelektodsområde arean på underliggande område som ska etsas eller pläteras och strömtäthetsfördelningen blir därför optimal. Ett problem med elektrokemisk etsning är isolerade öar mellan ledama som inte har kunnat etsas bort på grund av att den elektriska kontakten med den yttre spänningskällan brutits. Även det problemet kan lösas genom geometrin i den elektrokemíska etscell som bildas då masterelektrod och substrat förs i kontakt.

Metoden fungerar för vilken elektrokemisk ets- eller pläteringsprocess som helst där material kan lösas upp anodiskt och deponeras katodiskt. När ECPR används för plätering kan fördeponerat anodmaterial (7) i masterelektroden (l) deponeras på substratet (6), figur 5. När ECPR används för etsning kan det deponerade materialet (6) i masterelektroden (1) rensas bort efter varje etscykel med en reversibel cellspänning, figur 4.

En viktig detalj är att vätgasutveckling inte får ske vid katoden. Istället styrs processen så att katodreaktion är elektrodeposition av substratrnaterialet. Den inerta, elektriskt ledande elektrodytan i masterelektrodenkan göras av en flexibel metallfolie.

Masterelektroden kan pressas mot underliggande substrat genom att trycksätta den vätskebehållare som masterelektroden är monterad på. Fördelen med en flexibel folie och vätsketryck är att små ojämnheter i substratet kan kompenseras genom att masterelektroden formar sig något efter ytan. En stel masterelektrod ställer mycket högre krav på substratets jämnhet. Ti, Au, Pt och Pd är troliga materialval för den elektriskt ledande elektrodytan i masterelektroden.

Strukturer i ledande och halvledande material kan framställas med ECPR. Exempel på applikationer där strukturer i ledande material önskas är PWB, PCB, interconnects, MEMS, sensorer, platta bildskärmar, magnetiska och optiska lagringsmedia samt mikroelektronik. Olika typer av strukturer i ledande polymerer, strukturer i halvledare samt strukturer i metaller som Cu, Ni, Ti, Al, Cr är exempelvis möjliga att framställa ' med metoden. Även 3D-strukturer i kisel via formation av poröst kisel är en möjlighet.

Den apparat som används för ECPR-tillverkning kännetecknas av en möjlighet att montera en masterelektrod (1) på en tryckanordning som ger ett jämnt tryck över hela masterelektrodytan och som medger konformal kontakt mellan masterelektrod och substrat (3), figur 7. Detta konforrnala tryck kan ges av en vätskefylld behållare med en flexibel membranyta mot vilken masterelektroden monteras. Apparaten har också en kontakteringsanordning så att en spänning kan läggas på över masterelektrod och substrat samt en anordning för att applicera elektrolyt (4) mellan de båda ytorna utan att luftbubblor bildas i kavitetema på masterelektroden. u . '. :in-_ .O _00. un: . . c | n; ,. ,,,, a n v - :".'.: ::,:-;;; - - - - . n v o u v - n u n ~ . . . . . ,.

Polariteten i samtliga celler i figur 2-4 avser yttre pålagd spänning avsedd för etsning av substratet. För plätering vänds polariteten, figur 5-6. Samtliga figurer är tvärsnitt av de elektrokemiska celler som skapas genom kontaktering av masterelektrod och substrat. Unikt med ECPR är att ets- eller pläteringsmaterialet transporteras lokalt i de slutna kavitetema, där både elektrokemisk etsning och plätering av samma material sker på samma gång vid respektive elektrod. Den elektriskt ledande elektrodytan (5) i masterelektroden (l) görs i ett, för den elektrokemiska reaktionen inert ledande material, vilket medför att den kan återanvändas ett stort antal gånger och att ets- och pläteringsprocessen avstannar då det fördeponerade anodmaterialet (7) lösts upp vid _ pläteringsförfarande, figur 5-6.

I figur 1 visas en etscell för konventionell elektrokemisk etsning. Med konventionell litografi definieras ett mönster med fotoresist (9) på varje substrat (3).

Mönsterdefinition måste ske på varje substrat innan det kan etsas. En yttre spänning läggs på mellan motelektrodens elektriskt ledande elektrodyta (5) och substratet (3) och det fördefinierade mönstret etsas ned i substratet. Problemen med ojämn strömfördelning och svårigheter att hålla ett konstant elektrodavstånd över hela ytan existerar enligt tidigare beskrivning.

I figur 2 visas det första steget i ECPR där mönsterdefinitionen utgörs av ett elektriskt isolerande strukturlager (2) i masterelektroden (1). Masterelektzroden byggs antigen upp av en elektriskt ledande elektrodyta (5) med ett elektriskt isolerande strukturlager på eller av en plan stödyta, med en elektriskt ledande elektrodyta, med ett elektriskt isolerande strukturlager (2) på. Den elektriskt ledande elektrodytan är inert i aktuella elektrolyter. Det elektriskt isolerande strukturlagret definierar det mönster som ska överföras till substratet vid elektrokemisk etsning eller plätering. Även det elektriskt isolerande strukturlagret är inert i aktuella elektrolyter så att masterelektroden kan återanvändas ett stort antal gånger. Det elektriskt isolerande strukturlagret kan tillverkas med konventionella fotolitografiska metoder, kombinerat med etsning och anodisering om så önskas. Lämpliga material är polymerer och oxider samt andra material med en låg dielektrisk konstant och goda mekaniska egenskaper för att klara av många replikeringscykler utan att nötas.

I figur 3 visas hur masterelektrod (1) och substrat (3) har pressats samman och lokala etsceller-fyllda med elektrolyt (4) bildas. Elektrolyten kan appliceras som ett tunnt vätskeskikt på en av ytoma innan de pressas samman, ytoma kan nedsänkas i vätska innan sammanpressning eller så kan etsvätskan tillföras efter det att ytoma pressats samman genom kanaler i masterelektroden. Ytoma måste inte nödvändigtvis vara i absolut kontakt med varandra, ett tunnt vätskeskikt kan tillåtas mellan det elektriskt isolerande strukturlagret (2) och substratet (3). Mönstret kan ändå replikeras till substratet. Om elektrolyter med låga koncentrationer av kemiskt etsande ämnen används kan den kemiska etsningen minimeras och negativ påverkan på de replikerade strukturema i substratet blir försumbar.

I figur 4 visas hur mönstret som definieras av masterelektroden (1) replikeras i substratet (3) då den externa spänningen läggs på över de lokala etscellema. Ett litet och välkontrollerat elektrodavstånd medger en effektiv etsning med hög precision.

Varje lokal etscell har en yta i motelektroden som motsvarar den yta i substratet som ska etsas bort och därför undviks problemen med ojämn strömtäthetsfördelning nära stora skyddade ytor med närliggande små strukturer. Motsvarande materialmängd 523 309 . 5 som etsats bort från substratet finns som deponerat material (6) i masterelektrodens kaviteter. Då ECPR används för elektrokemisk etsning läggs den externa spänningen på så att substratet blir anod och masterelektroden katod.

I figur 5 visas hur masterelektrod (1) och substrat (3) har pressats samman och lokala pläteringsceller fyllda med elektrolyt (4) bildas. Innan de båda ytorna pressats samman har fördeponerat anodmaterial (7) deponerats i de kaviteter som definieras av masterelektroden. Elektrolyten kan appliceras som ett tunt vätskeskikt på en av ytoma innan de pressas samman, ytoma kan nedsänkas i vätska innan sammanpressning eller så kan elektrolyten tillföras efter det att ytorna pressats samman genom kanaler i masterelektroden. Ytoma måste inte nödvändigtvis vara i absolut kontakt med varandra, ett tunt vätskeskikt kan tillåtas mellan det elektriskt isolerande strukturlagret (2) och substratet (3). Strukturen kan ändå replikeras till substratet.

I figur 6 visas hur mönstret som definieras av masterelektroden (1) i figur 5 replikeras i substratet då den extema spänningen läggs på över de lokala pläteringscellerna. Ett väldigt litet och välkontrollerat elektrodavstånd medger en effektiv plåtering med hög precision. Varje lokal pläteringscell har en yta i motelektroden som motsvarar den yta i substratetsom ska byggas upp och därför undviks problemen med ojämn strömtäthetsfördelning nära stora skyddade ytor med närliggande små strukturer. Det fördeponerade anodrnaterialet (7) i figur 5 har pläterats upp på substratet (8) i figur 6.

Eftersom allt material som kan överföras till substratet från början har deponerats i masterelektrodens kaviteter kan mängden material som pläteras upp på substratet kontrolleras med hög noggrannhet. Då en viss höjd nås hos den pläterade strukturen, kommer ett eventuellt mellanrum mellan det elektriskt isolerande strukturlagret (2) och substratet (3) täppas igen, av det på substratet deponerade materialet (8). Då ECPR används för plätering läggs den extema spänningen på så att substratet blir katod och masterelektroden anod.

I figur 7 visas ett tvärsnitt av en maskin för enkelsidig ECPR-etsning eller plätering.

En flexibel masterelektrod (1) har monterats på en vätskebehållare som kan trycksättas för att skapa tryck från masterelektroden mot substratet (3). Även en stel masterelektrod kan användas, men då ställs högre krav på substratets ytjämnhet.

Trycket appliceras på ett sådant sätt att överflödig elektrolyt (4) transporteras ut från kontakty-tan mellan masterelektrod och substrat. Efter varje etsning kan ett renssteg utföras för att ta bort det substratmaterial som har deponerats i masterelektrodens kaviteter. Vid ECPR-plätering har anodmaterial fördeponerats i masterelektrodens kaviteter.

Alla här beskrivna utföranden är fördelaktiga, men uppfinningen begränsas inte på något sätt till dessa utföranden.

Förklaring till figurer: (1) masterelektrod (2) elektriskt isolerande strukturlager (3) substrat (4) elektrolyt 523 309 b (5) elektriskt ledande elektrodyta (6) deponerat material i masterelektrod (7) fórdeponerat anodmaterial i masterelektrod (8) deponerat material på substrat (9) fotoresist u - v v u: n 1 o u o n av - ø u I v nu

Claims (17)

10 15 20 25 30 35 523 309 031219 ek P:\5219 REPLISAURUS\P\00l\SE\P52190001_O31219__NYA_KRAVfSlutforelaggande_till_PRV.doc 7 PATENTKRAV

1. Metod för att skapa strukturer, såsom mikro- och/eller nanostrukturer i elektriskt ledande material, kännetecknad av att definiera ett mönster med hjälp av en masterelektrod (1) genom att sätta en masterelektrod (l) i kontakt med en substratyta, och att mönstra substratet (3) genom en elektrokemisk överföringsprocess där material löses upp vid en anod och/eller material deponeras vid en katod; varvid masterelektrodens elektriskt ledande elektrodyta (5) är anoden, substratytan är katoden, och materialet som löses upp är ett fördeponerat material i kaviteter hos (1), substratytan är anoden och masterelektrodens elektriskt ledande elektrodyta (5) är katoden, och varvid en elektrolyt (4) används som transportmedium. masterelektroden eller

2. Metod enligt krav l, kännetecknad av att definiera mönstret med masterelektrodens kaviteter, vilka har bildats i ett elektriskt isolerande strukturlager (2) hos masterelektroden.

3. Metod enligt krav 2, kännetecknad av att materialet som löses upp är anodmaterial vid substratet och att material samtidigt deponeras i masterelektrodens kaviteter, eller att materialet som har fördeponerats i masterelektrodens kaviteter löses upp som anodmaterial och att material samtidigt deponeras på substratet.

4. Metod enligt något av krav l till 3, kännetecknad av att bilda lokala mikrokaviteter eller nanokaviteter då masterelektroden och substratet pressas mot varandra och lO 15 20 25 30 525 309 031219 ek P:\5219 REPLISAURUS\P\001\SE\P52190001_031219__NYI-\_KRAV_Slutforelaggandeftilljfilv.doc 2 vilka begränsas av det elektriskt isolerande strukturlagret hos masterelektroden, substratytan samt den elektriskt ledande elektrodytan (5) hos masterelektroden, och att den elektrokemiska processen som överför mönstret från masterelektrod till substrat sker endast i de lokala mikrokaviteterna eller nanokaviteterna.

5. Metod enligt något av krav 1 till 4, kännetecknad av att lägga på en extern pläteringsspänning så att substratet blir katod och masterelektroden anod i de lokala elektrokemiska pläteringsceller, som definieras av (7), masterelektrodens kaviteter i vilka anodmaterialet har fördeponerats.

6. Metod enligt krav 5, kännetecknad av att anodmaterialet har fördeponerats i masterelektrodens kaviteter i en välkontrollerad mängd avsedd for den tjocklek som önskas på de pläterade strukturerna.

7. Metod enligt krav 5 eller 6, kännetecknad av att det fördeponerade anodmaterialet har byggts upp i masterelektrodens kaviteter med elektrokemisk deponering nyttjande en konventionell pläteringscell eller elektrokemiska celler som begränsas av de lokala mikro- eller nanokaviteterna.

8. Metod enligt något av krav 1 till 4, kännetecknad av att lägga på en extern etsspänning så att substratet blir anod och masterelektroden katod i lokala elektrokemiska etsceller, som definieras av masterelektrodens kaviteter, och att det material som deponerats i masterelektrodens kaviteter (6) tas bort i en rengöringsprocess. 10 15 20 25 30 35 523 309 031219 ek P:\5219 REIPLISAURUS\P\O01\SE\P5Zl90001__03l2l9zNYA_KRAV_SlutforelaqgandeftillfPRV.dot 3 “I

9. Metod enligt krav 8, kännetecknad av att rengöringsprocessen sker mellan etscyklerna innan nästa etscykel påbörjas.

10. Metod enligt krav 8 eller 9, kännetecknad av att rengöringsprocessen är en elektrokemisk etsning av det i masterelektrodens kaviteter deponerade materialet nyttjande antingen en konventionell elektrokemisk etscell eller lokala elektrokemiska celler som begränsas av mikro- eller nanokaviteterna.

11. Metod enligt krav 1, kännetecknad av att det elektriskt ledande materialet består av metall.

12. Metod enligt krav 11, kännetecknad av att nämnda metall väljs från materialgruppen som består av koppar, guld, nickel, tenn, titan, aluminium, krom samt legeringar därav.

13. Metod enligt krav 1, kännetecknad av att det elektriskt ledande materialet är en halvledare.

14. Metod enligt krav 1, kännetecknad av att det elektriskt ledande materialet är en ledande polymer.

15. Masterelektrod som används i metoden enligt krav 1, kännetecknad av ett elektriskt ledande elektrodlager som är inert i aktuella elektrolyter eller en plan stödyta med ett i aktuella elektrolyter inert elektriskt ledande elektrodlager på, och ett elektriskt isolerande strukturlager som definierar ett mönster som ska överföras till ett substrat via elektrokemisk replikering, varvid det elektriskt isolerande strukturlagret är 10 15 523 309 031219 ek P:\5219 REPLISAURUS\P\001\SE\P5219O001_03l2l9_NYA_KRAV_Slutforelaggande_tilIAPRV.doc 4 /O inert i aktuella elektrolyter, så att masterelektroden kan återanvändas ett stort antal gånger.

16. Masterelektrod enligt krav 15, kännetecknad av att masterelektroden uppvisar flexibilitet så att masterelektroden formar sig efter substratets ojämnheter, s. k. konformal kontakt.

17. Apparat för att skapa mönster av mikrostrukturer eller nanostrukturer i elektriskt ledande material, kännetecknad av en vätskefylld behållare som kan trycksättas för att pressa samman en masterelektrod enligt krav 15 och ett substrat, och som dessutom medger viss flexibilitet så att masterelektroden formar sig efter ojämnheter i substratet, s. k. konformal kontakt.