在基體、塗層基體和包含塗層基體的半成品上產生結構化塗層的方法與流程
2023-09-20 00:43:35
技術領域
本發明涉及一種在基體、塗層基體和包含塗層基體的半成品上產生結構化塗層的方法。本發明涉及結構化塗層基體領域的技術。
背景技術：
在文件DE 102 22 609 B4中描述了一種用於在基體的待塗覆表面上產生結構化塗層的方法。已知的工藝涉及剝離法(Lift Off-Verfahren)，其中將具有負結構化的第一層施加到基體的待塗覆表面。然後在所述表面上沉積第二層，使得其上具有第二層的多個部分的第一層可以最終被至少部分地除去。藉助於蒸發，通過沉積包含蒸發玻璃材料的第二層，用已知方法產生結構化塗層。
除了已知的剝離工藝之外，可以使用掩模結構化在基體上產生結構化塗層，並且所述結構化塗層是使用一種或多種陰影掩模來產生。所述陰影掩模使得基體的區域保持不含正在被沉積的材料。
在基體上形成結構化塗層的兩種上述方法為所謂的附加結構化的特殊特徵。
技術實現要素：
通過本發明解決的問題是建立與在基體上產生結構化塗層有關的改進技術。
根據本發明，通過根據獨立權利要求1的在待塗覆的表面上產生結構化塗層的方法、根據獨立權利要求19的塗層基體和根據獨立權利要求30的具有塗層基體的半成品，解決該問題。本發明的有利實施方式為從屬權利要求的主題。
根據本發明的一個方面，建立一種用於在基體上產生結構化塗層的方法，其中所述方法包括如下步驟：提供具有待塗覆表面的基體；以及通過如下方式在基體的待塗覆表面上產生結構化塗層：藉助於至少一種蒸發塗層材料的熱蒸發並使用附加結構化(additiven Strukturierung)在基體的待塗覆表面上沉積至少一種蒸發塗層材料即氧化鋁、二氧化矽、四氮化三矽或二氧化鈦。所述結構化塗層完全地或僅部分地藉助於等離子體增強熱電子束蒸發產生。
本發明的另一方面涉及一種塗層基體，特別是根據前述方法產生的塗層基體，其中的基體在表面上形成了至少部分地由至少一種蒸發塗層材料即氧化鋁、二氧化矽、四氮化三矽或二氧化鈦組成的結構化塗層。
根據本發明的另一方面，用塗層基體建立了一種半成品，其具有：基體；在基體的待塗覆表面上由至少一種層材料組成的第一層，其中待塗覆表面的一個或多個部分沒有第一層，並且在具有第一層的表面上形成負結構(negative Strukturierung)；以及在具有第一層的表面上由至少一種蒸發塗層材料即氧化鋁、二氧化矽、四氮化三矽或二氧化鈦組成的第二層。
利用本發明，能夠通過沉積至少一種蒸發塗層材料即氧化鋁、二氧化矽、四氮化三矽或二氧化鈦，以在基體上結構化的有效方式，產生用於不同應用的單獨設計的塗層。這些材料使得所配置的基體塗層能具有不同應用。
結合不同的蒸發塗層材料，可以得到單獨或組合的有益效果，使得取決於應用和所用蒸發塗層材料，可以存在各種改進。因此，與現有技術中所用的類似厚度的蒸發玻璃材料的層相比，單組份體系二氧化矽的蒸發層具有更高的光學透射，特別是在紫外波長範圍中。二氧化矽的擊穿電壓也更高。氧化鋁的特徵為高抗劃傷性和高光學折射率。特別是，其不被氫氟酸腐蝕。二氧化鈦具有非常高的光學折射率。四氮化三矽具有高擊穿電壓，此外與蒸發玻璃相比，具有高光學折射率。
令人驚奇地，顯現結構化塗層可能具有藉助於等離子體增強電子束蒸發而顯示的蒸發塗層材料，儘管這些單組份體系顯示比蒸發玻璃高得多的熔化溫度。儘管這樣，仍可以避免可能在過高基體溫度下出現的缺點。雖然用作蒸發玻璃材料的硼矽酸鹽玻璃的熔化溫度為約1300℃，但對此處提出的蒸發材料出現如下的值：二氧化矽–約1713℃、氧化鋁–約2050℃、二氧化鈦–約1843℃以及四氮化三矽–約1900℃。
使用蒸發塗層材料的等離子體增強熱電子束蒸發有助於層沉積的改進。可以單獨改變等離子體增強熱蒸發以適合所需要的應用，以在產生結構化塗層時建立所需要的層性質。例如，利用等離子體增強，可以控制和改進層粘附力和層內的內在壓縮或拉伸應力。另外，可以影響蒸發層的化學計量學。
在本發明的不同實施方式中，可以將結構化塗層製成單層或多層。在多層設計中，可以提供的是，沉積至少一個第一蒸發材料的局部層和至少一個另外的另一蒸發材料的局部層。例如，可以提供的是，第一局部層由二氧化矽形成，然後在其上形成一層氧化鋁。
在一個實施方式中，除了一個或若干個藉助於等離子體增強熱電子束蒸發來沉積的塗層的局部層之外，使用其它產生方法例如濺射或CVD(化學氣相沉積)形成一個或若干個另外的局部層。例如，還可以在塗覆四氮化三矽或二氧化矽時使用這些產生方法。可以在沉積一個或若干個局部層之前和/或之後，處理結構化塗層的一個或多個局部層。
等離子體增強還有助於高品質的氣相沉積層。可以由此建立良好緻密性和因此得到的氣密性。由於所述改進的層生長而幾乎不存在缺陷。待塗覆基體不需要預熱。這種塗覆還被稱作IAD冷塗覆。該情況中的具體優點為可以實現的高沉積速率，其意味著可以全面優化生產期間的處理時間。在傳統的蒸發工藝中，基體必須經歷強烈的預熱以實現高的層品質。這導致凝結顆粒的更強的解吸，並因此降低可以實現的蒸發速率。此外，等離子體增強是指蒸汽可以藉助於等離子體束來引導，以實現汽化顆粒在基體的待塗覆表面上各向異性的碰撞。這樣的結果在於，可以在無連接的情況下實現層沉積。在基體的待塗覆表面上的不同區域之間存在不期望的連接。
在優選工藝實施方式中，可以提供一個或多個如下工藝特徵。在一個實施方式中，以約20nm/分鐘至約2μm/分鐘的蒸發速率進行等離子體增強熱電子束蒸發。可以提供的是，使用氧、氮和/或氬等離子體。可選或另外地，可以提供的是，用於熱蒸發的工藝步驟是在用於活化和/或清潔待塗覆表面的預處理後面進行。可以使用等離子體，特別是氧、氮和/或氬等離子體進行預處理。優選在原位置處進行預處理，換句話說在熱蒸發前在塗覆機器中進行預處理。
在本發明的實際的實施方式中，可以提供的是，用於熱蒸發至少一種蒸發塗層材料的步驟包括用於至少兩個蒸發源的共蒸發的步驟。藉助於至少兩個蒸發源的共蒸發，可以沉積相同或不同的材料。
本發明的一個有利實施方式提供的是，在與用不均勻材料組合物塗覆的表面的平面垂直的方向上產生結構化塗層。
本發明的發展優選提供的是，在基體的待塗覆表面上多次產生結構化塗層。
在本發明的有利實施方式中，可以提供的是，在基體的至少兩個點上產生結構化塗層。例如，可以在基體的正面和背面上產生結構化塗層。可以在同時的或順序的沉積工藝期間，進行正面和背面上的結構化層沉積。
本發明的發展可以提供的是，將基體連接到另一基體。所述另外的基體可以是選自如下結構元件的結構元件的部件：半導體結構元件、光電子結構元件和微電機結構元件。
本發明的優選發展提供的是，結構化塗層的結構至少被部分地填充。使用導電的和/或透明的材料來至少部分地填充所述結構化塗層。
在本發明的實際的實施方式中，可以提供的是，在基體上產生至少一個導電區域。可以藉助於所述至少一個導電區域，在待塗覆的表面上和/或在結構化塗層上產生一個或多個條形導體。
本發明的有利實施方式提供的是，在結構化塗層上形成結合層(Bond-Schicht)。所述結合層包括種子層和/或粘附層，所述種子層例如用於後續金屬化。
本發明的發展優選提供的是，將所述結構化塗層形成為多層塗層。在一個實施方式中，所述多層塗層是由多層二氧化矽和蒸發玻璃材料或多層二氧化矽和氧化鋁形成，所述蒸發玻璃材料或氧化鋁的局部層在所述二氧化矽上形成頂層。在本發明上下文中，可以提供的是，使用除熱蒸發以外的沉積技術來產生一個或多個局部層。例如，所述技術包括濺射。
在本發明的有利實施方式中，可以提供的是，將結構化塗層形成為具有約0.05μm至約50μm的層厚度、優選具有約0.1μm至約10μm的層厚度並且此外優選具有約0.5μm至約3μm的層厚度。
本發明的發展可以提供的是，在待塗覆的表面上沉積至少一種蒸發塗層材料期間，基體顯示的最大基體溫度為約120℃、優選為約100℃。例如，當塗覆溫度敏感材料，例如塑料和聚合物膜，抗蝕劑，以及溫度敏感部件，例如III/V半導體光電檢測器時，該低基體溫度是特別有利的。在一個實施方式中，使用等離子體增強熱電子束蒸發能使所產生的層足夠緻密，而不需要現有技術通常具有的後續退火。
本發明的優選發展提供的是，將基體作為包含至少一種如下材料的基體來提供：玻璃、金屬、塑料、陶瓷、無機絕緣體、電介質和半導體材料。可能的半導體材料的實例為矽或砷化鎵。
在本發明的實際的實施方式中，可以提供的是，在附加結構化的情況下，進行至少一個如下的結構化工藝：
-掩模結構化，其中使用陰影掩模產生結構化塗層；以及
-藉助於負結構進行結構化，其中結構化塗層的生產包括如下步驟：
-在基體待塗覆的表面上生產具有負結構的第一層，其中在基體待塗覆的表面上沉積至少一種層材料，並且通過除去沉積的層材料使待塗覆的表面的一個或多個部分暴露；
-藉助於至少一種蒸發塗層材料的熱蒸發，在具有第一層的基體的表面上沉積至少一種蒸發塗層材料的第二層；以及
-至少部分除去所述第一層。
藉助於負結構進行的結構化也稱作剝離結構化或剝離工藝。在一個實施方式中，用於至少部分除去所述第一層的步驟包括將所述塗層表面平面化的步驟。此外，可以另外提供或作為替代方式提供例如藉助於磨削和/或精研和/或拋光來進行機械除去的步驟。在一個實施方式中，負結構的形成可以提供用於第一塗層的結構化印刷、特別是藉助於絲網印刷進行的結構化印刷的步驟。負結構的產生可以包括平版印刷結構化和/或平版印刷灰度結構化的步驟。在一個實施方式中，負結構還可涉及施加能夠光致結構化的層的步驟。在該上下文中，可以提供施加抗蝕材料的步驟。負結構化的步驟可以涉及將沉積層材料溶解在溶劑中的步驟。在一發展中，至少部分除去第一層的步驟可以包括溼化學和/或幹化學除去的步驟。
本發明的有利實施方式提供的是，使用藉助於負結構進行的結構化，將第二層產生為具有一個或多個進入第一層的通路的非封閉層。
本發明的發展優選提供的是，使用藉助於負結構進行的結構化，使第二層經歷後處理。例如，通過溼化學和/或幹化學手段和/或藉助於回火和/或藉助於CMP(化學機械拋光)和/或藉助於對第二層電學摻雜的步驟，進行後處理。在電學摻雜的情況中，通常將至少一種摻雜材料包埋入基質材料中，以影響該層的電學性能。
本發明的發展可以提供的是，使用藉助於負結構進行的結構化，形成具有傾斜回縮邊緣表面的第二層。則所述第二層的邊緣表面不垂直於下面的層，但朝所述第二層傾斜。
本發明的優選發展提供的是，使用藉助於負結構進行的結構化，使所述第一層至少部分地由光致抗蝕材料產生。例如，在塗覆步驟中進行光致抗蝕材料的施加，所述塗覆步驟是藉助於例如旋塗和/或噴塗和/或電極沉積和/或層壓來進行。在本發明上下文中或同時在未使用光致抗蝕材料的實施方式中，部分除去第一層的步驟可以包括壓印或蝕刻第一層的步驟。在一個實施方式中，光致抗蝕材料的施加可以通過光致抗蝕劑薄膜的施加來進行。
在一個實施方式中，在約150℃的最高溫度下對光致抗蝕材料的第一層進行交聯(軟烤)。從而有助於特別柔和的實施剝離工藝。
在根據本發明塗覆的基體和根據本發明的半成品方面上，關於用於在基體上產生結構化塗層的工藝的有利實施方式的評論相應地適用於此處。
塗層基體和/或半成品的優選實施方式提供一個或若干個如下特徵。藉助於等離子體增強熱電子束蒸發沉積的一個或若干個層優選具有至少與根據DIN 12116的第2類別一致的耐酸性。參考DIN 12116，用相同的方法。因此，將待測試表面在鹽酸(c≈5.6摩爾/升)中煮沸6小時。然後，測定重量損失，以mg/100cm2計。當6小時後半表面重量損失高於0.7mg/100cm2並且最大為1.5mg/100cm2時，存在第2類別。進一步優選的是第1類別，其中半表面重量損失在6小時後最大為0.7mg/100cm2。
可選地或另外地，提供與第2類別一致的、進一步優選與根據DIN 52322(ISO 695)的第1類別一致的耐鹼性。此處，同樣用相同方法進行參考。為測定耐鹼性，將表面暴露於沸騰水溶液3小時。所述溶液由等份的氫氧化鈉(c＝1摩爾/升)和碳酸鈉(c＝0.5摩爾/升)組成。測定重量損失。如果3小時後半表面重量損失高於75mg/100cm2並且最大為175mg/100cm2，則存在第2類別。根據第1類別，3小時後的表面重量損失最大為75mg/100cm2。
在一個實施方式中，提供的是，藉助於等離子體增強熱電子束蒸發沉積的一個或若干個層顯示至少滿足根據DIN 12111(ISO 719)的第2類別、優選第1類別的耐水解性。
可選地或另外地，還可形成耐溶劑性。在優選實施方式中，藉助於等離子體增強熱電子束蒸發沉積的層顯示小於+500MPa的內層應力，其中加號表示層中的壓縮應力。優選產生+200MPa至+250MPa以及-20MPa至+50MPa的內層應力，其中減號表示所述層中的拉伸應力。
另外地或可選地，所述層可以是抗劃傷的，並具有與ISO 9385一致的至少HK 0.1/20＝400的努氏硬度。
在本發明的一個實施方式中，提供的是，在使用10μm觸針的納米壓頭測試中，藉助於等離子體增強熱電子束蒸發沉積的層以大於100mN的側向力很好地粘附於矽。
可調整所述產生方法以造成一種或多種上述的層性能。
附圖說明
以下使用優選示例性實施方式參考附圖中的圖形來更詳細地描述本發明。在附圖中：
圖1顯示了基體的圖示，在其上將藉助於對蒸發塗層材料進行等離子體增強熱電子束蒸發來沉積結構化層；
圖2顯示了來自圖1的其上沉積有抗蝕劑的基體的圖示，其顯示對應於正在沉積的結構化層的負圖像(Negativebild)的微結構，所述結構化是藉助於平版印刷來形成；
圖3顯示了來自圖2的其上現沉積有一層蒸發塗層材料的基體的圖示；
圖4顯示了來自圖3的基體的圖示，其中抗蝕劑已被除去；
圖5顯示了半成品，其中在基體上形成了具有負結構的一層抗蝕劑和蒸發層；
圖6顯示了另一半成品，其中在基體上形成了具有負結構的一層抗蝕劑和蒸發層；
圖7顯示了構造的圖示，其中藉助於多次附加結構化在基體上形成了結構化蒸發層；
圖8顯示了構造的圖示，其中藉助於多次附加結構化沉積了多個蒸發層；
圖9顯示了構造的圖示，其中藉助於附加結構化在基體上形成了結構化塗層，其中中間部分具有填充結構化塗層的材料；
圖10顯示了構造的圖示，其中產生了未結構化和結構化的蒸發層；
圖11顯示了基體部分的圖示；
圖12顯示了構造的圖示，其中在基體上形成了藉助於附加結構化產生的蒸發層，所述蒸發層具有結合/種子層；
圖13顯示了從上方對角地觀察圖12所得的構造；
圖14顯示了構造的圖示，其中用負圖像施加到基體上的抗蝕劑完全被蒸發層包圍；
圖15顯示了在機械平面化之後的根據圖14的構造；
圖16顯示了構造的圖示，其中抗蝕材料的負結構的邊緣表面傾斜延伸；以及
圖17顯示了在用於除去抗蝕材料的剝離工藝之後的根據圖16的構造。
具體實施方式
圖1顯示了基體1的圖示，在所述基體1上將藉助於熱蒸發來沉積蒸發塗層材料即氧化鋁、二氧化矽、四氮化三矽或二氧化鈦的結構化層，其中使用等離子體增強電子束蒸發。在本文所述的示例性實施方式中，利用如下更詳細描述的剝離工藝，產生所述結構化層。
圖2顯示了來自圖1的基體1的圖示，在所述基體1上，藉助於已知的平版印刷在光致抗蝕劑2中施加待沉積層所需要的微結構化的負圖像。
然後，藉助於熱蒸發來沉積蒸發塗層材料，使得產生根據圖3的蒸發層3。在一個實施方式中，對於層沉積，使用等離子體增強熱電子束蒸發。所述蒸發層3是單層或多層的。
在電介質層的沉積期間，將基體1的基體溫度保持在低於約120℃、優選低於約100℃。例如，通過等離子體來增強蒸發塗層材料的沉積，並對其使用例如工藝氣體氧和氬。在預備步驟中，使用包含氬和氧的等離子體來預清潔或調節其上將沉積蒸發塗層材料的表面。在使層3沉積所涉及的不同時間間隔期間，所用等離子體具有不同設置，特別是在其氣體組成和等離子體輸出方面，以在蒸發層中產生期望的層性能。
圖4顯示了來自圖3的基體1的圖示，其中除去了光致抗蝕劑層2。
下面參考圖5至圖17說明其它示例性實施方式。在此情況中，對於與圖1至圖4中的相同的特徵，使用相同的參考數。
如果所述熱蒸發是等離子體增強的，則可以通過等離子體參數的定向變化來實現相應材料和性能梯度。因此，例如，可以在蒸發塗層材料內使用不同的緻密性，以設計氣密封閉的區域。材料和性能梯度能夠以平穩轉變的形式逐漸產生(參照圖5)，或者藉助於所沉積蒸發材料的突然改變，例如施加另一材料，其還可以利用另一工藝沉積，或者等離子體參數的突然改變(圖6)而突然產生。以此方式，可以藉助於多次施加具有不同折射率的層來產生結構化抗反射塗層。
圖5和圖6各自顯示了半成品，其中在基體1上形成具有負結構的抗蝕劑層2和蒸發層3，所述蒸發層經形成具有逐漸或平穩的材料轉變(參照圖5)或者突然的材料轉變(參照圖6)。與圖3一致，利用移除工藝可以暴露所述結構化蒸發層。
圖7顯示了構造的圖示，其中藉助於多次附加結構化，在基體1上形成結構化蒸發層70、71、72。進行多次剝離工藝。在一個示例性實施方式中，在基體1上首先沉積具有低光學折射率的結構化層72，其實施方式為二氧化矽(SiO2)。接著，進行蒸發塗層材料的蒸發層70的結構化沉積，所述蒸發塗層材料比層72中的蒸發塗層材料具有更高的光學折射率，例如是氧化鋁(Al2O3)。藉助於新的結構化沉積，使蒸汽蒸發層71最終沉積，例如，所述蒸汽蒸發層71的材料具有比層70中的蒸發材料更低的光學折射率。例如，在此情況下，蒸發層70完全被包圍，使得可以形成光波導管。
圖8顯示了構造的圖示，其中藉助於多次附加結構化，在基體1上沉積多個蒸發層80、81、82，從而形成結構化塗層。例如，在基體1上結構化塗層的多層構成使得在一個實施方式中能在其上形成多層衍射元件。在多個蒸發層80、81、82中，一個、兩個或甚至全部三個蒸發層都可由相同材料製成。然而，還可提供的是，使用兩種或甚至三種不同蒸發材料來產生多個蒸發層80、81、82。在可選實施方式中，可以提供的是，不藉助於熱蒸發而利用其它產生方法例如濺射或CVD，在基體1上產生所述多層塗層的一層或兩層。另外，多個蒸發層80、81、82中的一個可以是金屬化層。
圖9顯示了構造的圖示，其中藉助於附加結構化在基體1上形成結構化塗層90，其中在結構化塗層90中的中間區域91具有材料填充92，其是例如通過導電和/或光學透明的材料的沉積產生。例如，可以因此形成由導電材料製成的「埋入」的條形導體。為實現該目的，藉助於濺射，將例如由TiW/Cu製成的薄種子層施加到結構化塗層90並施加在中間區域91中。在此之後，進行光致抗蝕劑掩蔽，所述光致抗蝕劑在待填充的中間區域91上被自由地結構化。接著，在電鍍工藝中將銅沉積到結構化塗層90的上邊緣上。通過在藉助於熱蒸發形成的結構化塗層90上暴露掩模並除去種子層，用銅條形導體填充在基體1上先前暴露的區域、特別是中間區域91。
圖10顯示了構造的圖示，其中在基體1上產生未結構化的蒸發層100。在其上由導電材料形成的條形導體101至少部分地藉助於結構化蒸發層102來覆蓋，所述結構化蒸發層102是利用附加結構化而產生。可能經由結構化蒸發層102中的開口103進行電學接觸。
圖11顯示了基體部分的圖示，其顯示了圖10的構造中的電學條形導體可以如何用於再分配。周圍布置的接觸墊片110線跨越具有較大二維接觸區域112的條形導體111。金屬結構被施加到未結構化的基層(參照圖10)，並被僅經由大接觸區域112開口的層覆蓋。這種構造，特別是結合部件的倒裝晶片組裝是有利的。
圖12顯示了構造的圖示，其中藉助於附加結構化在基體1上形成施加有種子或結合層121的蒸發層120。例如，種子或結合層可以是粘附層，具有基體1的構造通過所述粘附層粘附到另一基體(未顯示)。因此，可以在具有框架結構的第一基體和第二基體之間形成封閉腔。這可以用於，例如在基體1上封裝光學活性區域。例如，還可將種子層選擇性施加到該類框架結構，所述框架結構由銅製成。例如，當連接所述兩個基體時，第二基體可以具有由錫製成的金屬化區域。然後可以通過共晶結合使兩個基體接合。圖13顯示了以上方對角線觀察圖12所得的構造。
圖14顯示了構造的圖示，其中用負圖像施加到基體1的抗蝕劑2完全被蒸發層140包圍。在此之後的工藝步驟中，藉助於機械處理例如精研、磨削和/或拋光，使基體1上的複合層平面化。機械加工的結果顯示於圖15中。通過溶解掉殘餘掩模2，可以暴露結構化蒸發層140。
圖16顯示了構造的圖示，其中抗蝕材料2的負結構的邊緣區域160傾斜延伸，使得與圖17一致，結構化塗層3的邊緣區域170同樣地傾斜形成，但為反向傾斜。根據圖17的構造是在除去抗蝕材料2之後出現。邊緣區域170具有斜面的正角。以此方式設計的結構化塗層3對於後續金屬化是有利的，例如，其中一個或多個條形導體(未顯示)經由邊緣區域170來引導。
結合如上所述的示例性實施方式，參考了附加結構化，其任選藉助於剝離工藝進行。或者，可以使用陰影掩模技術進行附加結構化。在此情況下，通常將一個或若干個掩模用於被塗覆基體上的陰影區域，所述陰影區域將保持不含蒸發塗層材料。也可以結合陰影掩模技術進行多次使用以沉積多層的結構化塗層。
公開在前述說明書、權利要求書和附圖中的本發明的特徵不論是單獨出現還是以任何組合方式出現，都對以不同實施方式實現本發明是重要的。