Гальванотехника и ее применение в микроэлектронике

Гальванотехника и ее применение в микроэлектронике

Государственный Комитет Российской Федерации

по Высшему Образованию

Санкт-Петербургский

Государственный Электротехнический Университет «ЛЭТИ»

Кафедра Микроэлектроники

Реферат

«Гальванотехника

и ее Применение в Микроэлектронике»

Студент: Чапчаев В.В.

Факультет: РТ

Уч.группа: № 2142

Преподаватель: Марголин В.И.

Санкт – Петербург

2 0 0 3

Содержание

|Введение ….………………………………………………………… |3 |

|Электрохимическая обработка металлов ………………. |3 |

| Электрохимическое обезжиривание …………………….. |4 |

| Электрохимическое травление ……………………………. |4 |

| Электрохимическое полирование ………………………… |5 |

| Электрохимическое осаждение …………………………… |6 |

|Нанесение на поверхность изделий металлических покрытий | |

|…………………………………………………………... |6 |

| Меднение ……………………………………………………….. |7 |

| Никелирование ………………………………………………… |8 |

| Оловынирование ……………………………………………… |8 |

| Серебрение ……………………………………………………… |8 |

|Оборудование для нанесения гальванических покрытий | |

|…………………………………………………………… |9 |

|Применение гальванотехники в микроэлектронике … |10 |

| Удаление загрязнений с поверхности подложек ……… |10 |

| Электрохимическое нанесение пленок ………………….. |13 |

|Изготовление печатных плат электрохимическим методом | |

|……………………………………………………………… |16 |

| Гальваническое меднение …………………………………… |17 |

| Гальванические покрытия …………………………………… |19 |

|Заключение …………………………………………………………. |22 |

|Список литературы ……………………………………………… |23 |

Введение

Гальванотехника - процесс получения на поверхности изделия или основы

(формы) слоев металлов из растворов их солей под действием постоянного

электрического тока.

Электролитический или гальванический метод нанесения металлических

покрытий был разработан в середине XIX века, но не сразу получил сколько-

нибудь значительное промышленное применение – этому препятствовало

отсутствие мощных источников постоянного тока.

Сущность метода заключается в погружении покрываемых изделий в водный

раствор электролита, главным компонентом которого являются соли или другие

растворимые соединения – металлопокрытия. Покрываемые изделия контактируют

с отрицательным полюсом источника постоянного тока, т.е. являются катодами.

Анодами обычно служат пластины или прутки из того металла, которыми

покрывают изделия. Они контактируют с положительным полюсом источника

постоянного тока и при прохождении электрического тока растворяются,

компенсируя убыль ионов, разряжающихся на покрываемых изделиях.

Наряду с электрохимическим методом катодного осаждения металлов

широкое применение находят и анодные методы электрохимической обработки

поверхности металлов. К ним следует отнести электрохимическое

оксидирование, травление, полирование и др. Во всех анодных процессах

происходит либо растворение металла, либо превращение поверхностного слоя

металла в оксидный или другой слой.

Электрохимическая обработка металлов.

Электрохимическая обработка это ряд методов, предназначенных для

придания обрабатываемой металлической детали определенной формы, заданных

размеров или свойств поверхностного слоя.

Электрохимическая обработка осуществляется в электролизерах

(электролитических ваннах, электрохимических

ячейках специальных станков, установок), где обрабатываемая деталь

является либо анодом )анодная обработка), либо катодом (катодная

обработка), либо тем и другим попеременно.

Электрохимическое обезжиривание.

Электрохимическое обезжиривание (процесс удаления жиров и масел с

поверхности изделия) может происходить на катоде, на аноде и может быть

комбинированным – на катоде с последующим кратковременным переключением на

анод.

Процесс электрохимического обезжиривания на катоде заключается в

омылении жиров гидроксильными ионами, концентрация которых у катода бывает

повышенной благодаря выделению газообразного водорода, способствующего

механическому отрыву капелек жиров и масел.

При поляризации обрабатываемых изделий облегчается удаление с их

поверхности жировых загрязнений: при увеличении поляризации уменьшается

прочность прилипания масла к обрабатываемой поверхности и увеличивается

смачиваемой металла водой.

Механизм процесса анодного обезжиривания аналогичен катодному, но

скорость обезжиривания на аноде меньше, что объясняется меньшей щелочностью

у анода и тем, что выделяющийся на аноде кислород слабее воздействует на

обделение жиров и масел от поверхности изделий.

Электрохимическое травление

Электрохимическое травление (удаление с поверхности изделий различных

окислов и продуктов коррозии) для очистки от загрязнений производят в

растворах кислот, содержащих различные добавки (например, ингибитор

коррозии), в щелочных растворах или расплавах при постоянном или переменном

токе. Электрохимическое травление используют для осуществления

электрохимического фрезерования с целью получения заданного «рисунка» на

поверхности детали локальным анодным растворением металла. Места, которые

не должны подвергаться растворению, покрывают слоем фоторезисторного

материала . Таким образом можно произвести обработку деталей типа печатных

плат, перфорирование, травление в декоративных целях.

Важная область использования электрохимического травления – развитие

поверхности (увеличение удельной площади поверхности). Наиболее широкое

применение имеет травление

алюминиевой фольги в хлоридных растворах для электролитических

конденсаторов, этот процесс позволяет повы-

сить удельную поверхность в сотни раз и увеличить удельную емкость

конденсаторов, уменьшить их размеры.

Развитие поверхности методом электрохимического травления применяют

для улучшения адгезии металла по стеклу или керамике в электронной технике,

усиления сцепления покрытия с металлом при эмалировании металлических

изделий и др. Анодным травление снимают дефектные гальванические покрытия с

деталей.

Электрохимическое полирование.

Электрохимическое полирование заключается в преимущественном анодном

растворении выступов на шероховатой поверхности и приводит к достижению

низкой шероховатости или зеркального блеска поверхности (глянцевание)

Выравнивание поверхности и ее глянцевание обусловлены двумя

различными, но взаимосвязанными процессами:

1. Образованием на аноде относительного толстого вязкого слоя из

продуктов растворения. Такой слой обуславливает выравнивание поверхности;

на вершинах микровыступов поверхности он значительно тоньше, чем во

впадинах, и сопротивление его во впадинах значительно выше,, чем на

выступах, поэтому плотность тока на поверхности дна впадин будет меньше,

чем на выступах. Этим объясняется преимущественное растворение

микровыступов и сглаживание поверхности.

2. Образованием и удалением тонкой оксидной пленки, которая толще во

впадинах и тоньше на микровыступах поверхности анода. При их устранении

повышается оптическая гладкость поверхности и усиливается блеск.

Электролит для полирования должен быть устойчив к работе и обладать

широким рабочим интервалом плотности тока и температуры. Он не должен

разъедать поверхность полируемого изделия.

При электролитическом полировании меди, медных гальванических

покрытий, латуни в качестве электролита используют 74% ортофосфорной

кислоты, 6% хромового ангидрида, 20% воды при анодной плотности тока 30 –

50 а/дм2

и температуре электролита 20 - 40(С. Продолжительность обработки 1 – 3 мин.

Электрохимическое оксидирование

Электрохимическое оксидирование имеет две основные разновидности:

получение барьерных тонких пленок (толщиной до мкм) и пористых толстых (до

нескольких сотен мкм) анодных оксидных пленок.

Барьерные пленки получают в растворах электролитов типа H3BO3 не

растворяющих оксиды, обычно в два этапа. На первом этапе – в гальванических

условиях; при этом напряжение увеличивается во времени, а толщина оксидной

пленки пропорциональна количеству электричества. После достижения заданного

напряжения режим изменяют на электростатический – ток снижается во времени,

диэлектрические свойства оксидной пленки повышаются. Одна из наиболее

важных областей применения барьерных оксидных пленок – получение

диэлектрического слоя электролитических конденсаторов.

Пористые анодные оксидные пленки выращивают в агрессивных по

отношению к оксиду электролитах, например, в 15%-ной H2SO4, при постоянном

напряжении. Такие пленки состоят из двух слоев: тонкого барьерного и

значительно более толстого пористого. Они широко применяются в качестве

декоративно-защитных покрытий.

Нанесение на поверхность изделий металлических покрытий.

Нанесение на поверхность изделий тонких (до десятков мкм)

металлических покрытий (гальваностегия) применяют для повышения

коррозионной стойкости и износостойкости изделий, улучшения отражательной

способности его поверхности, повышения электрической проводимости и

магнитных характеристик, облегчения пайки, а также для декоративной

отделки. Наиболее распространенные процессы – цинкование,

никелирование, меднение, хромирование, кадмирование, золочение,

серебрение.

Меднение

Медные покрытия применяются в качестве подслоя при нанесении

многослойных защитно-декоративных и многофунк-циональных покрытий на

изделия из стали, цинковых и алюминиевых сплавов во многих отраслях

промышленности; для улучшения пайки; для создания электропроводных слоев;

для местной защиты стальных деталей при цементации, азотировании,

борировании и других диффузионных процессах; в гальванопластике для

наращивания толстых слоев при снятии металлических копий с художественных

изделий.

Для меднения применяют как кислые так и щелочные электролиты.

В кислых электролитах медь находится в виде двухвалентных ионов.

Используемые в промышленности кислые электролиты – сульфатные и

фторборатные характеризуются высоким (95 – 100%) выходом по току и

значительной скоростью осаждения. Недостаток кислых электролитов –

получение из них покрытий с низкой рассеивающей способностью. Повышение

рассеивающей способности достигается уменьшением в сульфатных электролитах

концентрации CuSO4 и увеличением концентрации H2SO4. Такие электролиты,

содержащие также органические добавки, применяют, например, для меднения

печатных плат.

Щелочные электролиты дают возможность осаждать медь на сталь, цинковые

и другие сплавы с менее электроположительным, чем у меди, стандартным

потенциалом, т.к. образующиеся в растворах комплексные соли меди сдвигают

ее потенциал к более отрицательных значением. Покрытия, осаждаемых из

цианидных растворов, отличаются мелкозернистой структурой, они более

равномерным слоем покрывают поверхность изделия.

Никелирование

Никелевые покрытия применяют в промышленности для защиты от коррозии

изделий из стали и цветных металлов, для повышения износостойкости трущихся

поверхностей. Никелевые

покрытия по отношению к железу являются катодными и могут служить защитными

только при условии отсутствия в них пор. Поэтому сталь покрывают сначала

слоем меди (25 –35 мкм), а затем никелем (10 – 15мкм). Наиболее широко

применяют сульфатно-хлоридные электролиты. Из электролитов с добавками

производных бутиндиола осаждаются мелкозернистые, эластичные, ровные

блестящие покрытия. Основной недостаток покрытия малая коррозионная

стойкость, обусловленная включениями серы. Избежать этого можно нанесением

двух- или трехслойных покрытий.

Повышенной стойкостью отличаются композиционные никелевые покрытия,

содержащие мелкодисперсные диэлектрические частицы – каолин, карбиды и др.

Оловянирование.

Оловянирование применяют для защитыизделий от коррозии в органических

кислотах, содержащихся в пищевых продуктах. Покрытия улучшают электрическую

проводимость и облегчают пайку контактов. Оловянирование производят в

кислых (сульфатных, фтороборатных), а также щелочных (станнатных,

пирофосфатных и др.) электролитах. Наиболее распространены сульфатные

электролиты.

Серебрение.

Серебрение широко применяется в радиопромышленности, радиоэлектронике,

производстве средств связи и ЭВМ для обеспечения высокой электрической

проводимости контактов, покрытия внутренней поверхности волноводов,

монтажной проволоки.

Для серебрения используют цианистые электролиты, отличающиеся хорошей

рассеивающей способностью и высоким качеством осадков.

Оборудование для нанесения гальванических покрытий.

Для подготовки изделий к покрытию применяют в основном стационарные

ванны.

Обезжиривают изделия в сварных прямоугольных ваннах, изготовленных из

листовой стали. Ванны для обезжиривания в большинстве случаев снабжены

подогревом и имеют специальные вентиляционные устройства. В ваннах

предусмотрены специальные устройства «карманы» для удаления с поверхности

раствора пены и масла.

Для травления меди и ее сплавов применяют керамиковые ванны,

оборудованные вентиляционными устройствами.

Ванны для нанесения гальванических покрытий делают в основном из стали

и в случае необходимости выкладывают внутри различными изоляционными

материалами. Для кислых электролитов для внутренней обкладки применяется

винипласт. Их используют для кислого цинкования, лужения, кадмирования,

лужения, меднения, никелирования, осаждения сплава олово-свинец.

Для серебрения и золочения изготавливают фарфоровые, керамиковые или

эмалированные ванны небольших размеров.

При интенсифицированном режиме большинство электролитов требуют

подогрева, перемешивания и непрерывной фильтрации для чего ванны оборудуют

соответствующими специальными устройствами: бортовым вентиляционным отсосом

и электроподогревателями. Для перемешивания электролитов применяют сжатый

воздух или механические мешалки, или движущиеся штанги. Для фильтрации

применяют различные устройства периодического или непрерывного действия.

При фильтрации электролит откачивается со дна ванны и пропускается через

фильтр, затем снова попадает в ванну. Для

периодической фильтрации применяются передвижные фильтры, состоящие из

насоса, фильтра, подающей и отводящей труб.

Для механизации процессов подготовки и наведения гальванических

покрытий применяются полуавтоматические и автоматические ванны, также

автоматизированные установки с программным обеспечением.

Все гальванические процессы протекают в основном под действием

постоянного тока низкого напряжения. Для этого широко применяются

выпрямители, создающие индивидуальное питание для каждой ванны (в

соответствии с потребляемой силой тока).

Применение гальванотехники в микроэлектронике.

Удаление загрязнений с поверхности подложек.

Электрические характеристики интегральных микросхем (ИМС) и их

надежность во многом обуславливаются степенью совершенства кристаллической

решетки и чистотой обрабатываемой поверхности пластин и подложек. Поэтому

обязательным условием получения бездефектных полупроводниковых и пленочных

структур является отсутствие на поверхности пластин и подложек нарушенного

слоя или каких-либо загрязнений.

В условиях производства ИМС пластины и подложки соприкасаются с

различными средами, и полностью защитить их от адсорбции различного рода

примесей невозможно. В тоже время получить идеально чистую поверхность

(без посторонних примесей) тоже невозможно.

Для удаления загрязнений на поверхности и приповерхностном слое, в том

числе тех, которые находятся в химической связи с материалом пластины или

подложки, используют химические методы удаления. Они основаны на переводе

путем химической реакции загрязнений в новые соединения, которые затем

легко удаляются. Одним из таких методов является электрохимическое

травление полупроводников.

Процесс травления пластин и подложек состоит в растворении их

поверхности при взаимодействии с соответствующими химическими реагентами

(щелочами, кислотами, их смесями и солями).

В соответствии с электрохимической теорией взаимодействие между

полупроводником и травителем обусловлено тем, что на поверхности пластины

при погружении ее в травитель существуют анодные и катодные микроучастки,

между которыми возникают локальные токи. На анодных участках происходит

окисление кремния с последующим растворением оксида и образованием кремний-

фтористоводородной кислоты, на катодах – восстановление окислителя (азотной

кислоты). В процессе травления микроаноды и микрокатоды непрерывно меняются

местами. Результирующее уравнение реакции при этом имеет вид:

3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2SiF6 + 4NO + 8H2O

Для ряда травителей энергия активации химической реакции (Еа на

порядок и более превышает энергию активации, определюящую скорость диффузии

реагента. В этом случае скорость травления определяется скоростью

химической реакции vр:

Vтр = vр( (NA)a (NB)b exp(- (Еа/(RT),

где NA и NB - концентрации реагирующих веществ; R – универсальная

газовая постоянная; a и b – показатели, численно равные коэффициентам в

уравнении химической реакции.

Поскольку энергия активации химической реакции зависит от

неоднородности поверхности, скорость травления чувствительна к состоянию

поверхности. Так как различные кристаллографические поверхности структуры

кремния имеют различно значение (Еа, то скорость травления зависит от

ориентации пластин, а также от температуры.

В качестве селективных травителей (травители, для которых

контролирующей стадией является химическая реакция) пластин кремния

используют водные растворы щелочей (например, NaOH, KOH) и гидразин гибрат

(NH2)2H2O.

Для селективных травителей характерная разница скоростей травления в

Страницы: 1, 2