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).
Страницы: 1, 2
|