Auf Kupfer- und Silberoberflächen können sich oxidische oder sulfidische Schichten bilden, welche die elektrische Leitfähigkeit und die Lötbarkeit beeinträchtigen. Deren Entfernung ist mit konventionellen Verfahren häufig technisch aufwendig. Vor diesem Hintergrund haben Forscher von Innovent untersucht, inwieweit sich solche Oberflächenschichten mithilfe eines unter Atmosphärendruck betriebenen Plasmas gezielt reduzieren lassen.
Oxid- und Sulfidschichten auf einen Bruchteil verringert
Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand ein Atmosphärendruck-Plasmajet vom Typ Tigres CAT600, der mit Formiergas aus 95 % Stickstoff und 5 % Wasserstoff betrieben wurde. Untersucht wurde dessen Eignung zur Reduktion von oxidierten Kupferschichten sowie Silbersulfidbelägen auf Silberschichten. Hierzu wurden Metallschichten auf Glas, Silizium-Wafern und plasmachemisch oxidierten Aluminiumsubstraten hergestellt und anschließend oxidiert beziehungsweise sulfidiert. Die Kupferoxidschichten wurden durch thermische Behandlung in Luft erzeugt, die Silbersulfidschichten durch Exposition gegenüber in situ gebildetem Schwefelwasserstoff.
Ellipsometrische Messungen an den Kupferproben zeigen, dass sich die Dicke der oxidischen Deckschicht von rund 95 nm auf etwa 6 nm verringerte. Gleichzeitig näherte sich der elektrische Flächenwiderstand wieder dem Ausgangsniveau der metallischen Kupferschicht an. Auf der mit Plasma abgerasterten Fläche wurde die dunkle Oxidschicht entfernt, sodass eine metallisch glänzende Kupferoberfläche freigelegt wurde.
Ein vergleichbares Verhalten zeigte sich auch bei den Silberproben. Die erzeugten Silbersulfidschichten mit Dicken von bis zu rund 70 nm ließen sich durch die Plasmabehandlung auf eine Restschichtdicke von etwa 7 nm abbauen. XPS-Analysen bestätigten darüber hinaus die chemische Veränderung der Oberfläche. Nach der Behandlung nahm der Schwefelanteil deutlich ab, während der Silberanteil zunahm und sich der Zusammensetzung der metallischen Ausgangsoberfläche annäherte. Die Wiederherstellung einer funktionalen Silberoberfläche konnte damit sowohl optisch als auch analytisch nachgewiesen werden.
Schichtentfernung nützt industriellen Anwendungen
Von besonderem Interesse ist das Verfahren für industrielle Anwendungen, in denen saubere und funktionale Metalloberflächen eine Voraussetzung für zuverlässige Löt-, Bond- und Kontaktierungsprozesse sind. Dazu zählen insbesondere die Leiterplattenfertigung (zum Beispiel Metallkernleiterplatten), Leistungselektronik, Leadframe-Herstellung und weitere Halbleiterprozesse. Potenzielle Anwender sind Hersteller und Zulieferer elektronischer Baugruppen, Schaltungsträger, Kontaktbauteile und Verbindungssysteme. Da das Verfahren unter Atmosphärendruck arbeitet und ohne Vakuuminfrastruktur sowie ohne chemische Ätzmedien auskommt, bietet es Potenzial für ressourcenschonendere und inlinefähige Produktionsprozesse. Perspektivisch könnte der Ansatz zudem auf weitere metallische Systeme wie Zinn übertragen werden, bei denen Oxidbildung die Zuverlässigkeit von Verbindungen ebenfalls beeinträchtigt.