CN102102213B - 基于磁场力驱动对流效应的微细电铸方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于磁场力驱动对流效应的微细电铸方法及其装置，属于微细电化学加工领域。本发明所述的方法是首先把阳极与阴极芯模放置在电铸槽内，之后向电铸槽内加电铸液、阴阳极接通电源，当芯模上电铸层达到规定厚度之后断电，停止供液与电铸，取出芯模脱模去胶，电铸过程中，芯模外叠加有与阴阳极间电流方向垂直的磁场。实施上述方法所需要的装置，包括电铸系统、电铸液温度控制系统和电铸液循环系统，电铸系统内的芯模外侧设有磁场发生器。本发明解决了高深宽(径)比微结构电铸的液相传质受限问题，所制备的电铸件厚度均匀，沉积缺陷少、组织致密。

Description

基于磁场力驱动对流效应的微细电铸方法及其装置

技术领域

本发明属于微细电化学加工领域，具体涉及一种微细电铸方法，还涉及实施该方法的装置。

背景技术

金属微结构与零件常常是微型机电系统、微机械与高技术产品的核心，直接影响甚至决定着其依托产品的服役性能。微细加工技术是上述微结构与零件得以实现的基础与前提。基于电化学沉积原理的微细电铸技术因具有高复制精度、高重复精度、宽材料选择范围、低工艺操作温度等工艺优势，成为金属微细制造领域的主要支撑技术之一。比如，半导体产品生产中的印制线路板布铜线、连通孔金属化、复杂形状金属微零件与微模具的制造，都需要微细电铸技术予以实现保障。

产品微型化与高性能化的发展趋势，激发着高深宽(径)比微结构(High-Aspect-Ratio Microstructures，HARMS)特征的强势需求，如甚大规模集成电路、强驱动力微马达、高灵敏度涡流传感器等。这就要求微细电铸技术具备更强的高深宽比深铸能力与均铸能力，而现有的微细电铸工艺受制于严重传质受限、电流密度分布畸变等技术瓶颈，HARMS电铸件常常呈现厚度不均、针孔、积瘤、组织疏松等多缺陷共存特征。提升微细电铸的工艺能力，减少沉积缺陷成为现今微细加工界亟待解决的发展问题。

从工艺实践可行性的角度来看，破解HARMS电铸件多沉积缺陷难题的技术关键是增强高深宽(径)比(High-Aspect-Ratio，HAR)特征微空间内电铸液的输运与交换能力。目前在电化学沉积界，强化电极过程液相传质能力的主要措施有：高速冲液、喷射给液、超声搅拌、阴极移动或磨粒摩擦阴极表面等。但这些措施只能适用于常规电铸工艺或小深宽(径)比微结构的电铸场合。这是因为，上述大部分措施的搅拌致动力或难以突破HAR微空间的尺度限制，或克服强大的表面张力滞缚，深入到微空间内部，直接“扰动”其中几近静滞的电铸液，实施高效的对流传质。基于现有电铸液致动措施的HARMS电铸，微空间内的电铸液无法形成强烈的对流运动，扩散层极厚(近似等于微空间的深度)，传质受限极其严重，沉积缺陷多，电铸件组织结构参差不一。所以，有必要探索新的搅拌致动方式或致动力来实现HAR微空间内电铸液的高效传质。

发明内容

本发明是为解决微细电铸过程液相传质严重受限的技术问题，提供一种基于磁场力驱动对流效应的微细电铸方法及装置，解决了高深宽(径)比微结构电铸的液相传质受限问题，所制备的电铸件厚度均匀，沉积缺陷少、组织致密。

本发明的技术方案是以下述方式实现的：

基于磁场力驱动对流效应的微细电铸方法，首先把阳极与阴极芯模放置在电铸槽内，之后向电铸槽内加电铸液、阴阳极接通电源，当芯模上电铸层达到规定厚度之后断电，停止供液与电铸，取出芯模脱模去胶，电铸过程中，芯模外叠加有与阴阳极间电流方向垂直的磁场。

上述叠加于芯模的磁场为稳恒磁场或变化磁场

向电铸槽内加电铸液的喷嘴出液速度不小于2mm/s。

阳极和芯模正对水平放置在电铸槽内，阳极在上，芯模在下。

阳极和芯模之间相距30～50mm。

电铸槽内电铸液的液面高过阳极3～5cm。

实施上述方法所需要的装置，包括电铸系统、电铸液温度控制系统和电铸液循环系统，电铸系统内的芯模外侧设有磁场发生器。

所述磁场发生器是永磁体或者超导磁体发生器或者脉冲强磁体发生器或者复合磁体发生器。

采用上述技术方案，本发明的有益效果为：

1、直接利用磁场力驱动大深径比微空间内的电铸液产生对流效应，强力“扰动”溶液，传质高效，方法简单；

2、利用磁场力驱动对流效应来强化微细电铸过程的液相传质，传质效果受微结构的形状特征(如特征尺寸、截面形状、深宽比等)、电铸槽特性(如电铸槽大小、电铸液组分及其性质、浓度等)的影响小，适用性强；

3、磁场力驱动对流效应能直接深入到大深径比微空间的内部，直接搅拌沉积面附近的电铸液，能大大减薄扩散层，从而提高沉积速度，大幅度减少沉积缺陷；

4、磁场力驱动对流效应在强化微空间内深部电铸液传质作用的同时，叠加的磁场效应能进一步调控电结晶过程，细化晶粒，优化电铸件的组织结构；

5、电铸时，芯模阴极与阳极正对水平放置，使得电铸芯模附近液层能产生更明显的离子浓度差致自然对流现象，从而强化辅助传质作用，并有利于反应伴生气体和气泡的浮升排出，减少铸层针孔缺陷。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是现有技术中微细电铸微空间内流场分布示意图；

图3是本发明的微细电铸微空间内流场分布示意图。

1.电铸槽；2.电铸液；3.阳极；4.电源；5.磁场发生器；6.喷嘴；7.芯模；8.温控仪；9.加热管；10.储液槽；11.磁力泵；12.过滤器；13.截止阀；14.温度传感器；15.溢流阀；16.电铸液液流；17.电铸液对流液流；18.涡流胞。

具体实施方式

一种基于磁场力驱动对流效应的微细电铸方法，首先把阳极与阴极芯模放置在电铸槽内，之后向电铸槽内加电铸液、阴阳极接通电源，当芯模上电铸层达到规定厚度之后断电，停止供液和电铸，取出芯模脱模去胶，电铸过程中，芯模外叠加有与阴阳极间电流方向垂直的磁场。

本发明的原理如下：加上磁场之后，电铸芯模的微深孔/槽内电铸液中的大量荷电动粒子因此受到强洛伦兹力作用，不断运动加速并改向，携带电铸液形成强对流液流，驱动微深孔/槽内电沉积面附近的溶液作圆柱状涡流运动，产生强烈的搅拌作用，进而显著增大电极过程液相传质速度，减薄扩散层，提高电沉积速度；同时叠加的磁场能调控电结晶过程，细化晶粒，优化电铸件的组织结构。

进行高深宽(径)比微结构电铸时，当在电铸芯模附近叠加了一个与阴阳极电力线/电流方向垂直的强磁场后，一方面，会在电沉积面附近电铸液中诱发出强烈的对流效应，获得高效的传质效果；另一方面，贴近电沉积面的对流效应极大减薄了扩散层，降低了浓差极化，进而提高了极限电流密度，大大加快了晶核的形成，抑制了晶粒的无序生长。因为上述综合效应随外加磁场强度的变化而变化，所以，磁场效应环境下的电铸件的形貌质量与组织结构具有很强的可调控性。

向电铸槽内加电铸液的喷嘴出液速度不小于2mm/s，比如说3mm/s、4mm/s等，以使微深孔/槽内的上层电铸液受到更大的液流剪切力作用，从而协同其它力(如洛仑兹力、浮力等)的作用强化微空间内的对流效应。

阳极和芯模正对水平放置在电铸槽内，阳极在上，芯模在下。电铸阴阳极采用阳极在上阴极芯模在下的水平放置方式，以便电铸芯模附近液层产生更明显的离子浓度差致自然对流现象，强化辅助传质作用，并有利于反应伴生气体和气泡的浮升排出，减少铸层针孔缺陷。

阳极和芯模之间相距30～50mm，比如说30mm、35mm、40mm、45mm、50mm等。

电铸槽内电铸液的液面高过阳极3～5cm，比如说3cm、3.5cm、4cm、4.5cm、5cm。

所述磁场发生器5是永磁体(产生稳恒磁场)或者超导磁体发生器或者脉冲强磁体发生器或者复合磁体发生器(产生稳恒或时变磁场)。

如图1所示，实施上述微细电铸方法所需要的装置，包括电铸系统、电铸液温度控制系统和电铸液循环系统，电铸系统内的芯模外设有磁场发生器5。所述电铸系统包括电源4，电源4正极与阳极3相连，电源4负极与芯模7相连，芯模7设置在电铸槽1内；所述电铸液循环系统包括电铸槽1侧壁设置的喷嘴6，喷嘴6与截止阀13相连，截止阀13分别于溢流阀15和过滤器12相连，过滤器12通过磁力泵11与储液槽10；所述电铸液温度控制系统包括温控仪8、加热管9和温度传感器14，加热管9和温度传感器14浸没在储液槽内的电铸液内。

采用的磁场发生装置5为能产生高磁感应强度的磁场发生装置，施加的磁感应强度要以芯模7电沉积区域微空间内电铸液能形成涡流运动为尺度。根据磁场发生装置5的类型及电铸时所需磁场强度的大小来确定其放置位置，如采用强永磁体，应浸于电铸液中贴近阴极芯模放置；如采用其它类型，可以安置于电铸槽1外壁。

如图2所示，现有技术的微细电铸装置中，在阴极芯模7附近没有叠加磁场时，由光刻胶胶模壁与芯模基底围成的微空间内电铸液2，由于受强表面张力作用，往往被滞缚于其中，而电铸槽1内电铸液因强制搅拌作用(如冲液搅拌、机械搅拌等)所形成的电铸液液流16剪切力很难驱动微空间内的电铸液作高传质效率的对流运动，电沉积时的物质交换只能主要以扩散方式来完成，造成严重的传质受限问题。如图3所示，本发明的微细电铸装置，在阴极芯模附近叠加了一个与电流方向垂直的高强度磁场(磁场方向垂直纸面向内，以符号

表示)，在微空间内的电铸液中作近似定向运动的大量荷电粒子(如阳离子、阴离子、水合离子等)便受到洛仑兹力作用，当洛仑兹力作用大于其所受的其它力场作用(如表面张力、热运动力等)时，就会形成近似抛物线运动，携带微空间内的电铸液形成强电铸液对流液流17，从而驱动微空间内电沉积面附近的电铸液作类似圆柱体状涡流胞18运动，这样，大大加快了物质交换速度，大幅度减薄了扩散层，减小了浓差极化，进而提高了极限电流密度和沉积速度，细化了晶粒，且有利于电化学副反应伴生气体、气泡的快速排出，减少电沉积缺陷。

本发明的实施过程依次经过以下几个步骤：

1、把带有微胶模图形结构的阴极芯模7经预处理后水平放置于电铸槽1中，平板状阳极3与芯模间水平居上相对平行放置，两者相距30～50mm，且分别与直流或脉冲电源4的负、正极相连；

2、根据芯模的结构特性及磁电化学理论计算出所需磁感应强度总值，选择强磁场发生装置5并安置于电铸槽1外壁靠近芯模附近；

3、利用电铸液循环供液系统通过喷嘴6向电铸槽1循环供给电铸液，液面以高过阳极3～5厘米为宜，电铸液以大于2m/s的速度正对芯模近表面冲刷给液，并通过电铸液温控系统控制槽液的温度；

4、启动电源4与磁场发生装置5，开始电铸，并在芯模附近叠加一个强磁场；

5、电铸层达到规定厚度后，切断各种电源，停止电铸，取出芯模，并清洗干燥，脱模与去胶处理后，即可得到所需的满足性能要求的微细电铸件。

电铸时，芯模上各处微空间内的电铸液因受微磁流体力学效应作用而作近似涡流对流运动，使得微细电铸电极过程液相传质得到显著改善，且减薄了扩散层，提高电沉积速度，改善晶粒堆积模式，获得少无电沉积缺陷、组织致密的电铸层。

Claims (3)

1.基于磁场力驱动对流效应的微细电铸方法，首先把阳极与阴极芯模放置在电铸槽内，之后向电铸槽内加电铸液、阴阳极接通电源，当芯模上电铸层达到规定厚度之后断电，停止供液和电铸，取出芯模脱模去胶，其特征在于：电铸过程中，芯模外叠加有与阴阳极间电流方向垂直的磁场，所述磁场为稳恒磁场，阳极和芯模正对水平放置在电铸槽内，阳极在上，芯模在下，实现所述方法的装置包括电铸系统、电铸液温度控制系统和电铸液循环系统，电铸系统内的芯模外侧设有磁场发生器(5)，所述电铸系统包括电源(4)，电源(4)正极与阳极(3)相连，电源(4)负极与芯模(7)相连，芯模(7)设置在电铸槽(1)内；所述电铸液循环系统包括电铸槽(1)侧壁设置的喷嘴(6)，喷嘴(6)与截止阀(13)相连，截止阀(13)分别与溢流阀(15)和过滤器(12)相连，过滤器(12)通过磁力泵(11)与储液槽(10)；所述电铸液温度控制系统包括温控仪(8)、加热管(9)和温度传感器(14)，加热管(9)和温度传感器(14)浸没在储液槽内的电铸液内，所述磁场发生器(5)是永磁体或者超导磁体发生器或者复合磁体发生器。

2.根据权利要求1所述的基于磁场力驱动对流效应的微细电铸方法，其特征在于：向电铸槽内加电铸液的喷嘴出液速度不小于2mm/s。

3.根据权利要求1所述的基于磁场力驱动对流效应的微细电铸方法，其特征在于：阳极和芯模之间相距30～50mm。

4. 根据权利要求1所述的基于磁场力驱动对流效应的微细电铸方法，其特征在于：电铸槽内电铸液的液面高过阳极3～5cm。 

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