Verfahren zur Herstellung von Mehrschichtsystemen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mehrschichtsystemen, welches in der Praxis beispielsweise eingesetzt werden kann, um Sensoren oder auch photovoltaische So- larzellen herzustellen. Solche Mehrschichtsysteme sind zumeist als ebene Elektrodensysteme ausgeführt, bei denen die Isolation zwischen einzelnen, durch die elektrisch leitfähigen Schichten gebildeten Elektroden, durch die Strukturierungsmethoden und die elektrischen Eigenschaften des Substrates bestimmt werden.
Grundsätzlich sind dabei zwei Grundformen bekannt, die sich durch die Anordnung der leitfähigen Schichten auf dem Substrat unterscheiden. Bei der ersten Grundform sind die leitfähigen Schichten ausschließlich auf einer Seite des Substrates angeordnet. Die Präzision der Leiterzüge und der Abstand zwischen ihnen werden durch die Strukturierungsmethoden bestimmt. Bei der zweiten Grundform sind die leitfähigen Schichten beiderseits des Substrates angeordnet, ihr Abstand und damit die Isolation werden von der Materialstärke des Substrates bestimmt.
Zur Herstellung dünner Schichten aus Metallen, deren Verbindungen und Legierungen ist der Einsatz von PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) Stand der Technik. Die Vortei- le dieser Verfahren bestehen darin, dass die Schichtmaterialien in sehr reinem Zustand zur Schichtbildung kommen (große freie Weglänge des Restgases im HV- bzw. UHV-Bereich bei thermischer Verdampfung bzw. Einsatz von Edelgasen bei Katodenzerstäubung, Vakuumlichtbogen-, Hohlkatoden- und ionengestützten Verfahren) und deshalb unter geeigneten Kondensationsbedingungen und -raten bei geringen Schichtdicken dichte Schichten bilden.
PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) beruhen auf der Ionisation und Fragmentierung gasförmiger Monomere im Niederdruckplasma. Die ionisierten Mo- nomere und deren Fragmente können auf geeignet modifizierten Oberflächen fest haftende Schichten bilden, deren molekulare Struktur jedoch im Gegensatz zur klassischen Chemie unregelmäßiger und deutlich dreidimensional ausgerichtet ist. Dieser auch als Plasmapolymerisation bezeichnete Prozess erzeugt Schichten, deren Eigenschaften bei gleichem Monomer u.a. durch Variation von Gasmischung und Plasmaintensität beeinflusst werden können.
Polymere ohne oder mit wenigen polaren Gruppen eignen sich nur bedingt für die Metallisierung. Kann man für die Lackierung oder das Bedrucken atmosphärische Verfahren (Beflam- men, Koronaentladung) einsetzen, sind Nebeneffekte dieser Techniken (Aufrauung) für extrem dünne Schichten nicht geeignet. Die Aktivierung von Oberflächen ist eine spezielle Anwendung der Plasmatechnologie, die nach Entfernung latenter Schichten (Plasmareinigung) eingesetzt wird. Aktivierung bedeutet hier eine Modifizierung der Oberfläche, die notwendig wird um bessere Haftungen der Schichten auf dem Substrat sowie untereinander zu erzielen. Für Aktivierungsprozesse mit Niederdruckplasma werden neben Argon typischerweise Sauerstoff, je nach Anwendungsgebiet aber auch Stickstoff oder Ammoniak eingesetzt. Die Dauer von Aktivierungsprozessen beträgt in der Regel nur wenige Sekunden. Nach der Akti- vierung sind die Substrate zur Bearbeitung präpariert und werden meist in der gleichen Anlage beschichtet.
Hinsichtlich des praktischen und wissenschaftlichen Einsatzes der insbesondere für die technischen Sensoren bestimmten Mehrschichtsysteme ist die Miniaturisierung von ent- scheidender Bedeutung, die jedoch mit den konventionellen Verfahren nicht weiter verbessert werden kann.
Neben der durch den Stand der Technik bekannten Herstellung solcher Schichten und Mehrschichtsysteme besteht nun die Notwendigkeit, solche Systeme sowohl einzeln als auch schichtweise zu strukturieren, um die volle Funktion bei der Anwendung zu gewährleisten. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass sich auch hier der Trend der Miniaturisierung weiter fortsetzt und Strukturen « 50μm interessant werden.
Neben der bekannten fotolithografischen Strukturierung solcher Schichten und Schichtsys- teme ist auch die Laserstrukturierung bekannt geworden. So wird in der DE 39 22 478 A1 ein
Verfahren beschrieben, die die sehr umweltbelastenden photochemischen Prozesse durch die preisgünstigere Laserstrukturierung ersetzen wollen. So wird erfindungsgemäß auf ein
kupferkaschiertes Polyimidmaterial eine PMMA- Schicht (Polymethylmetacrylat) aufgebracht, die durch einen Excimer Laser strukturiert wird.
Nach dem Laserstrukturieren wird der bekannte Ätzprozess durchgeführt. In der Patentschrift EP 0 287 843 B1 wir ein Verfahren vorgestellt, welches ebenfalls die Herstellung von Struk- turen mittels Laserbearbeitung ermöglichen soll. Auf ein herkömmliches Leiterplattenmaterial wir eine Pd-haltige Substanz aufgetragen, die durch den Laser ablatiert wird. Das verbleibende Pd reagiert katalytisch stromlos in einem Cu- Bad, so dass ein Schichtaufbau somit additiv erfolgen kann.
Eine weitere Möglichkeit des Aufbaus von Strukturen unter Anwendung der Lasertechnik wird im Patent EP 0 677 985 B1 gezeigt. So werden durch einen Laser (Excimer) in einem islolierenden Trägerkörper Vertiefungen erzeugt, die durch PVD (Physical Vapour Deposition) metallisch leitfähig gemacht werden und dann nachträglich elektrolytisch verstärkt werden können.
In der DE 199 51 721 A1 wird ebenfalls ein Verfahren beschrieben, bei dem unter Anwendung von Laserenergie dünne metallische Schichten im nm-Bereich ablatiert werden können. Dabei ist die Laserenergie in der Lage, die dünnen metallischen Schichten zu durchdringen und an der Grenzfläche zum polymeren Substratmaterial die ersten Moleküllagen aufzubrechen. Durch die nachfolgende Volumenextension (Übergang vom festen in den dampfförmi- gen Zustand) wird die darüber liegende dünne Metallschicht abgesprengt und so strukturiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Mehrschichtsystemen zu schaffen, das mittels Kombination präziser abgestimmter Be- schichtungs- und Strukturierungsmethoden in der Lage ist, selektiv einzelne Schichten im kompletten Verbund zu strukturieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren entwickelt worden, bei dem auf ein Substrat im Wechsel metallische Schichten mittels PVD-Technik und elektrisch nicht leitende Schichten mittels PECVD-Technik aufgebracht werden, wobei präzise Strukturierung einer oder mehrerer Schichten durch selektives Abtragen erreicht wird, indem eine organische Zwischen- schicht (Opferschicht) eingesetzt wird.
Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, dass diese selektive Strukturierung nur mittels Laser durchgeführt werden kann. Dabei hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die schematische Anordnung von Schichten durch die Anwendung der Zwischenschicht als Opferschicht mittels Laser in optimaler Weise strukturiert werden können.
Dabei wird auf ein beispielsweise polymeres Substratmaterial durch PVD- oder CVD- Prozesse eine Metallschicht, gefolgt von der elektrisch nicht leitenden Schicht als Dielektrikum und einer weiteren Metallschicht, ein Sandwich-Aufbau erzeugt. Für die Funktion ist es nun erforderlich, einzelne Ebenen selektiv zu strukturieren. Das bedeutet, dass die Möglich- keit gegeben ist, von der oberen Metallschicht selektiv auf das Dielektrikum zu gelangen. Weiterhin ist es möglich, von der Metallschicht selektiv auf die Metallschicht zu gelangen.
Diese als Opferschicht dienende Zwischenschicht ermöglicht insbesondere den Abtrag einer (beliebigen) Schicht, welche die Laserenergie im Wesentlichen ungehindert durchdringt, mit- tels eines vergleichsweise geringen Energieeintrages in die darunter liegende Opferschicht. Dadurch gelingt es auch solche Schichten abzutragen, die aufgrund ihrer Materialeigenschaften grundsätzlich ungeeignet für die Laserablation sind, wie dies beispielsweise bei der keramischen Schicht, bestehend aus MgO der Fall ist. Durch die in die Opferschicht eingebrachte Photonenenergie werden chemische Bindungen gelöst und die darüber liegende MgO- Schicht ablatiert.
Hierdurch können elektronische Multilayer wesentlich verkleinert werden, indem durch die erfindungsgemäße Kombination der an sich bekannten Verfahren einzelne Schichten mit extrem geringen Schichtdicken realisiert werden. Die darin eingebrachte Strukturierung er- möglicht daher beispielsweise die Herstellung technischer Sensoren mit einem wesentlich verkleinerten Abstand zwischen den Elektroden. Hierdurch werden die erforderlichen Probenmengen, die in den Zwischenraum der Elektroden eingebracht werden müssen, um diese aufzufüllen, wesentlich verringert, so dass auch solche Stoffe untersucht werden können, die nur in sehr kleinen Mengen zur Verfügung stehen. Dabei können zudem die Entsorgungs- kosten der Proben verringert werden, weil die erforderlichen Volumina verringert sind. Die überraschende Erkenntnis der vorliegenden Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass zur Miniaturisierung im Vergleich zum Stand der Technik Schichten erzeugt werden, die eine geringe Schichtdicke aufweisen. Die Gesamtdicke der Schichtfolge ist im Endeffekt wesentlich geringer als die Gesamtdicke nach dem Stand der Technik bekannter Mehrschichtsys- teme. Durch die Modifizierung der einzelnen Beschichtungen wird ein homogener Schichtaufbau erreicht, der die präzise Strukturierung ermöglicht und dadurch die Verkleinerung der inneren und äußeren Abmaße bewirkt.
Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn das selektive Abtragen mittels Laserenergie durchgeführt wird. Hierdurch lassen sich bisher unerreichte Strukturmaße realisieren, die zudem eine problemlose Anpassung an den jeweiligen Verwendungszweck gestat- ten. Mittels Laserenergie können in einfacher Weise einzelne oder mehrere Schichten abgetragen und damit eine gewünschte Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere Topographie, erzeugt werden. Die Strukturierung lässt sich dadurch mit Hilfe an sich bekannter Methoden mit geringem Aufwand einbringen.
Von besonderer Bedeutung sind dabei für praktische und wissenschaftliche Anwendungszwecke solche Mehrschichtsysteme, bei denen die Schichtdicke der nicht leitenden Schichten 1 μm nicht übersteigt, um so eine bisher unerreichbare Miniaturisierung von technischen Mehrschichtsystemen realisieren zu können, durch die eine Vielzahl neuer Anwendungen ermöglicht werden.
Der Schichtaufbau des Mehrschichtsystems könnte über die Gesamtfläche einheitlich ausgeführt werden. Als besonders praxisrelevant erweist sich hingegen auch eine Abwandlung, bei der die Einzelschichten auch auf bereits strukturierte Schichten aufgebracht werden. Hierdurch ist das Mehrschichtsystem nicht auf einen einheitlichen Schichtaufbau beschränkt, sondern ermöglicht darüber hinaus einen auf spezielle Einsatzzwecke abgestimmten Schichtaufbau mit verschiedenen Schichten in unterschiedlichen Bereichen des Mehrschichtsystems. Die erste metallische Schicht wird hierzu flächig aufgetragen und wahlweise vor dem Auftragen der nicht leitenden Schicht selektiv ablatiert oder bereits selektiv auf das Substrat aufgebracht, um so einen 2- oder 3-Schicht-Aufbau zu realisieren. Die nicht leitende Schicht haftet dabei sowohl auf dem Substrat, als auch auf der ersten metallischen Schicht.
Eine andere besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch dann realisiert, wenn das selektive Abtragen mittels lonenstrahltechnik oder Elektro- nenstrahltechnik durchgeführt wird, um so die unterschiedlichen Prozessparameter in opti- maier Weise für die Herstellung unterschiedlicher Mehrschichtsysteme zu nutzen. Dabei sind zudem auch Kombinationen der verschiedenen Strahlabtragsverfahren möglich, um so beispielsweise die Ablation oder die Strukturmaße entsprechend optimieren zu können.
Besonders praxisnah ist eine Abwandlung, bei der die Strukturierung durch selektives Abtra- gen ausschließlich der zweiten metallischen Schicht durchgeführt wird. Hierdurch entsteht eine Strukturierung der äußeren metallischen Schicht, in deren durch den Abtrag eingebrachten Zwischenräumen ein zu untersuchendes Medium eingebracht werden kann. Es
sind dadurch flache Mehrschichtsysteme mit einer hohen Aufnahmekapazität realisierbar, deren Strukturmaße insbesondere an das entsprechende Medium angepasst werden können.
Bei einer weiteren vorteilhaften Abwandlung, bei der die Strukturierung durch selektives Abtragen der zweiten metallischen Schicht sowie der elektrisch nicht leitenden Schicht durchgeführt wird, entsteht eine Aussparung des Mehrschichtsystems, deren Flanken von der zweiten metallischen Schicht sowie der nicht leitenden Schicht und deren Grund durch die Oberfläche der ersten metallischen Schicht gebildet sind. Durch die als Elektroden ausgeführte erste und zweite metallische Schicht kann so in einfacher Weise beispielsweise eine Füllstands- oder Belegungssensorik realisiert werden, die in idealer Weise auch durch eine lediglich auf die zweite metallische Schicht bezogene Messelektrode ergänzt werden kann, um so beispielsweise Messfehler zu vermeiden.
Weiterhin ist bei einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung, bei der die Strukturierung durch selektives Abtragen der ersten metallischen Schicht, der elektrisch nicht leitenden Schicht sowie der zweiten metallischen Schicht durchgeführt wird, zusätzlich auch eine Messelektrode realisierbar, deren Grund durch das isolierende Substrat gebildet ist, so dass dabei beispielsweise die Benetzung der Flanken der Aussparung realisierbar ist, um weitere spezifische Eigenschaften des zu bestimmenden Mediums bzw. der individuellen Substanz erfassen zu können.
Ein besonders guter Schichtverbund der Einzelschichten des Mehrschichtsystems wird insbesondere dadurch erreicht, dass vor dem Aufbringen der metallischen Schicht oder der elektrisch nicht leitenden Schicht eine Plasmaaktivierung durchgeführt wird. Hierdurch wird auch bei hoher Belastung oder aggressiven Umgebungseinflüssen eine unerwünschte Abspaltung oder Schädigung der Schichten vermieden. Die Plasmaaktivierung ermöglicht so eine optimale Adhäsion der Schichten.
Das Substrat kann dabei aus einem beliebigen nichtleitenden Material bestehen, wobei jedoch eine Abwandlung, bei der das Substrat aus Polymerfolien besteht, ein flexibles oder formbares Mehrschichtsystem ermöglicht.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
Fig.1 eine schematisch der Aufbau eines Mehrschichtsystems;
Fig.2 einen schematischen Aufbau eines weiteren Mehrschichtsystems.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Mehrschichtsystems und dessen Anforderungen an die Strukturierung. Auf ein polymeres Substratmaterial 1 wir durch die genannten PVD- oder CVD- Prozesse eine Metallschicht 2, gefolgt von einer elektrisch nichtleitenden Schicht 3 als Dielektrikum und einer weiteren Metallschicht 4 ein Sandwich- Aufbau erzeugt. Für die Funktion ist es nun gewünscht, einzelne Ebenen selektiv zu strukturieren. Das bedeutet, dass die Möglichkeit gegeben sein muss, von der Metallschicht 4 selektiv auf das Dielektrikum 3 zu gelangen. Weiterhin ist es realisierbar, von der Metallschicht 4 selektiv auf die Metallschicht 2 zu gelangen. Diese Sandwich- Anordnung kann sich beliebig wiederholen.
Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, dass diese selektive Strukturierung in einfacher Weise mittels Laser durchgeführt werden kann. Dabei hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die in Figur 1 gezeigte schematische Anordnung von Schichten in optimaler Weise durch die
Anwendung einer Zwischenschicht als Opferschicht mittels Laser strukturiert werden können.
Dieser Aufbau wird anhand der Figur 2 näher beschrieben. Auf ein polymeres Substrat 11 wird durch an sich bekannte PVD- oder CVD-Verfahren eine metallische Schicht 12 aufgetragen. Es folgt nun eine organisch basierende Zwischenschicht 13 als Opferschicht, gefolgt vom eigentlichen Dielektrikum 14. Es folgt eine weitere organisch basierende Opferschicht 15. Den Abschluss bildet die metallische Schicht 16.
Zur Herstellung der Mehrschichtsystemen wird auf das als Polyimidsubstrat ausgeführte Substrat 11 mit einer Schichtstärke von 50μm durch Bedampfung eine Au-Schicht als metallische Schicht 12 von 250nm aufgebracht. Anschließend wird durch PECVD eine teflonartige Schicht (CxFy) mit einer Schichtstärke von 150nm als Zwischenschicht 13 bzw. Opferschicht darüber gelegt. Es folgt das eigentliche Dielektrikum 14. Diese Schicht hat eine Stärke von 600nm und besteht aus MgO. Über diesen Verbund folgt eine weitere Zwischen- bzw. Opferschicht 15. Sie besteht ebenfalls aus CxFy. Es schließt sich eine Au-Schicht als weitere metallische Schicht 16 von 50nm an. Bei einer Laserenergie von 75mJ/cm2 konnten selektive Ablationen einzelner Schichten mit Strukturbreiten/ Strukturabständen bis 50μm erreicht werden.
Anhand derselben Figur 2 wird beispielhaft ein abgewandelter Schichtaufbau dargestellt.
Auf das als Polyimidsubstrat ausgeführte Substrat 11 mit einer Schichtstärke von 75μm wird durch Bedampfung die Au-Schicht als metallische Schicht 12 von 500nm aufgebracht. Anschließend wird durch PECVD eine teflonartige Schicht CxFy mit einer Schichtstärke von 150nm als Zwischenschicht 13 darüber gelegt. Es folgt das eigentliche Dielektrikum 14. Diese Schicht hat eine Stärke von 300nm und besteht aus SiO. Über diesen Verbund folgt eine weitere als Zwischenschicht 15. Sie besteht ebenfalls aus CxFy. Es schließt sich eine Au- Schicht von 50nm weitere metallische Schicht 16 an. Bei einer Laserenergie von 120mJ/cm2 konnten selektive Ablationen einzelner Schichten mit Strukturbreiten/ Strukturabständen bis 20μm erreicht werden.
Ebenso ist ein nachstehender Schichtaufbau realisierbar. Auf ein als Polyester ausgeführtes Substrat 11 mit einer Schichtstärke von 1 μm wird durch Bedampfung eine Au-Schicht von 250nm als metallische Schicht 12 aufgebracht. Anschließend wird durch PECVD eine teflonartige Schicht CxFy mit einer Schichtstärke von 200nm als Zwischensicht 13 darüber gelegt. Es folgt das eigentliche Dielektrikum 14. Diese Schicht hat eine Stärke von 150nm und besteht aus MgF2. Über diesen Verbund folgt eine weitere Zwischenschicht 15. Sie besteht ebenfalls aus CxFy. Es schließt sich eine Au-Schicht als metallische Schicht 16 von 80nm an. Bei einer Laserenergie von 90mJ/cm2 konnten selektive Ablationen einzelner Schichten mit Strukturbreiten/ Strukturabständen bis 20μm erreicht werden.