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

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 H₃ BO₃ 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 H₂ SO₄ , 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 H₂ SO₄ . 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 = 3H₂ SiF₆ + 4NO + 8H₂ O

Для ряда травителей энергия активации химической реакции DЕ_а на порядок и более превышает энергию активации, определюящую скорость диффузии реагента. В этом случае скорость травления определяется скоростью химической реакции v_р :

Vтр = v_р ¥ (N_A )^a (N_B )^b exp(- DЕ_а /(RT),

где N_A и N_B - 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 DЕ_а , 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 )₂ H₂ O.

Для селективных травителей характерная разница скоростей травления в различных кристаллографических

направлениях достигает одного порядка и более. Так, для щелочных травителей изменение скорости травления соответствует схеме (100) > (110) > (111).

Селективное травление используют для локальной обработки полупроводниковых пластин, в том числе для создания изолирующих областей при изготовлении ИМС.

Электрохимическое травление основано на химических превращениях, которые происходят при электролизе. Для этого полупроводниковую пластину (анод) и металлических электрод (катод) помещают в электролит, через который пропускают электрический ток. Процесс является окислительно-восстановительной реакцией, состоящей из анодного окисления (растворения) и катодного восстановления. Кинетика анодного растворения определяется концентрацией дырок, генерируемых на поверхности полупроводниковой пластины.

Электрохимическое травление кремниевых пластин производят в растворах, содержащих плавиковую кислоту, при возрастающей плотности тока. При этом вначале происходит образование на поверхности пластины слоя оксида кремния, в состав которого

входит фтористокремниевый комплекс SiF₂ , окисляющийся в водных растворах с выделением водорода согласно реакции:

NSi + 2nHF ® (SiF₂ )_n + 2nH⁺ + 2ne^-

(SiF₂ )_n + 2nH₂ O ®nSiO₂ + 2nHF­ + nH₂ ­

Затем происходит анодное растворение оксида кремния в плавиковой кислоте:

SiO₂ + 6HF ® H₂ SiF₆ + 2H₂ O

Такой процесс называют также электрополировкой.

Для ускорения наименее медленных стадий процессов очистки с целью повышения качества очистки и производительности процессов применяют анодно-механическое травление. В основу анодно-механического травления положено электрохимическое травление, сопровождаемое механическим воздействием. Электролит подается на освещенные мощной лампой (для генерации дырок) пластины, которые предварительно закрепляются на аноде и

соприкасаются с вращающимся катодным диском, содержащим радиальные канавки. При этом скорость электрополировки достигает 400нм/с.

Электролитическое травление применяют как для очистки поверхности пластин, так и для их локальной обработки.

Электрохимическое нанесение пленок

В технологии микроэлектроники для получения пленочных покрытий с различными свойствами наряду с вакуумными применяют электрохимическое осаждение, анодное окисление. В основу метода положены реакции протекающие в водных растворах солей металлов в условиях приложенного электрического поля. В результате взаимодействия продуктов реакции с подложкой образуется пленка.

Электролитическое осаждение – осаждение пленок из водных растворов солей металлов (электролитов) под действием электрического тока, которое осуществляется в специальных электролитических ваннах, заполненных электролитом и содержащих два электрода: анод и катод.

При электроосаждении меди из раствора медного купороса в качестве анода используется медная пластина. С приложением к электродам разности потенциалов происходит разложение электролита на ионы. Под действием электрического тока, протекающего через раствор, находящиеся в растворе ионы металла, двигаясь к аноду, захватывают на нем электроны и, осаждаясь, превращаются в нейтральные атомы. Под действием тока ионы меди, достигая катода, отбирают два электрона, образуя нейтральные атомы, а на аноде атом меди отдает два электрона и переходит в раствор в виде положительного иона. Процесс описывается следующими уравнениями:

накатоде Cu²⁺ + SO₄ ^2- + 2e = Cu⁰ ¯ + SO₄ ^2- ;

нааноде Cu⁰ + SO₄ ^{2- =} Cu²⁺ + SO₄ ^2- + 2e.

Осаждение атомов металла начинается на дефектах структуры подложки, после этого они перемещаются вдоль поверхности к изломам, образуя пленку. Таким образом, пленка

развивается островками, которые разрастаются во всех направлениях, пока не сольются. Если вблизи зародыша концентрация электролита понижена (что имеет место в большинстве случаев), то условия благоприятны для роста пленки по нормали к поверхности.

Свойства осажденных пленок зависят от состава электролита, плотности тока, температуры, интенсивности перемешивания электролита, скорости дрейфа ионов металла, формы и состояния поверхности подложки.

Толщина пленки контролируется по значению тока и времени осаждения:

d = hgIt/gS_п ;

где h - выход металла по току, g – электрохимический эквивалент, I – ток, протекающий через электролит, t – время, в течение которого осаждается металл, g - плотность пленки, S_п – площадь подложки.

Практически значение тока постоянно, а время осаждения – контролируемый параметр.

Методом электроосаждения получают пленки из различных металлов: меди, никеля, золота, серебра и др.

В тонкопленочной технологии микроэлектроники электроосаждение применяют для изготовления многослойных металлических масок, повышения проводимости внутрисхемных соединений, создания жестких и балочных выводов ИМС, золочения корпусов. Метод электроосаждения широко применяется также для получения тонких магнитных пленок, используемых в качестве элементов памяти.

Анодное окисление – взаимодействие химически активных металлов с ионами кислорода, выделяющимися у анода при электролизе с образованием оксидной пленки. Процесс анодного окисления, или анодирование,


29-04-2015, 04:01