具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明的第一方面提供了一种无氰电镀金液,其中,所述无氰电镀金液包括亚硫酸金盐、亚硫酸盐、3-硝基苯甲酸盐、有机胺、硫脲衍生物和溶剂;
其中,基于所述无氰电镀金液的总量,所述亚硫酸金盐以金元素计的含量为5-20g/L,所述亚硫酸盐的含量为30-200g/L,所述3-硝基苯甲酸盐的含量为1-12g/L,所述有机胺的含量为5-40g/L,所述硫脲衍生物的含量为0.1-20mg/L。
其中,本发明对溶剂不做特殊限定,所述溶剂可以是水。本发明的发明人经过研究发现,包含有亚硫酸金盐、亚硫酸盐、3-硝基苯甲酸盐、有机胺和硫脲衍生物的无氰电镀金液,可提高镀层中晶面(220)的占比,利用直流电电镀制备出晶面(220)高度取向的电镀金。
在一个优选的实施方式中,本发明对亚硫酸金盐不做特殊限定,本领域常用亚硫酸金盐均可用在本发明中。例如,所述亚硫酸金盐可以选自亚硫酸金钠、亚硫酸金钾和亚硫酸金铵中的一种或多种。
其中,在本发明中,所述亚硫酸金盐为金源,其含量可以是5g/L、6g/L、7g/L、8g/L、9g/L、10g/L、11g/L、12g/L、13g/L、14g/L、15g/L、16g/L、17g/L、18g/L、19g/L、20g/L,以及上述任意两个数值组成的范围中的任意值,优选为10-15g/L。
在一个优选的实施方式中,本发明对亚硫酸盐不做特殊限定,本领域常用亚硫酸盐均可用在本发明中。例如,所述亚硫酸盐可以选自亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、亚硫酸钾、亚硫酸氢钾、亚硫酸铵和亚硫酸氢铵中的一种或多种。
其中,在本发明中,所述亚硫酸盐为络合剂,其含量可以是30g/L、40g/L、45g/L、50g/L、55g/L、60g/L、65g/L、70g/L、75g/L、80g/L、90g/L、100g/L、110g/L、120g/L、150g/L、160g/L、180g/L、190g/L、200g/L,以及上述任意两个数值组成的范围中的任意值,优选为40-80g/L。
在一个优选的实施方式中,所述3-硝基苯甲酸盐选自3-硝基苯甲酸钠、3-硝基苯甲酸钾以及3-硝基苯甲酸与无机碱形成的混合物中的一种或多种;其中,所述无机碱选自氢氧化钠和/或氢氧化钾。其中,本发明对3-硝基苯甲酸与无机碱的混合比例不做特殊限定,按照本领域的常规比例进行混合即可。
在进一步优选的实施方式中,所述3-硝基苯甲酸盐选自3-硝基苯甲酸钠或3-硝基苯甲酸与氢氧化钠形成的混合物。
其中,在本发明中,3-硝基苯甲酸盐的含量可以是1g/L、2g/L、3g/L、4g/L、5g/L、6g/L、6.5g/L、7g/L、7.5g/L、8g/L、8.5g/L、9g/L、9.5g/L、10g/L、11g/L、12g/L,以及上述任意两个数值组成的范围中的任意值,优选为6-10g/L。
在一个优选的实施方式中,所述有机胺选自乙二胺化合物、二乙烯三胺、三乙烯二胺和四乙烯五胺中的一种或多种。
其中,所述乙二胺化合物以乙二胺、乙二胺一水合物、乙二胺硫酸盐和乙二胺盐酸盐中的至少一种形式添加于无氰电镀金液中。其中,乙二胺水合物可以为乙二胺一水合物。在本发明所述的无氰电镀金液中,乙二胺化合物可以以上述任意一种形式添加于镀金液时,其投料量均以乙二胺的重量计。
在进一步优选的实施方式中,所述有机胺选自乙二胺、二乙烯三胺、四乙烯五胺中的一种或多种。
其中,在本发明中,有机胺可以提高亚硫酸金盐的稳定性,并且起到极化的效果,可增加金镀层的光亮性。所述有机胺的含量可以是5g/L、6g/L、7g/L、8g/L、9g/L、10g/L、12g/L、14g/L、16g/L、18g/L、20g/L、25g/L、30g/L、35g/L、40g/L,以及上述任意两个数值组成的范围中的任意值,优选为10-20g/L。
在一个优选的实施方式中,所述硫脲衍生物选自硫脲、双硫脲、甲硫脲、乙硫脲、四甲基硫脲、二乙基硫脲、氨基硫脲中的一种或多种,优选选自硫脲、双硫脲、甲硫脲中的一种或多种。
其中,在本发明中,所述硫脲衍生物的含量可以是0.1mg/L、0.5mg/L、1mg/L、1.5mg/L、2mg/L、2.5mg/L、3mg/L、3.5mg/L、4mg/L、4.5mg/L、5mg/L、6mg/L、7mg/L、8mg/L、9mg/L、10mg/L、11mg/L、12mg/L、13mg/L、14mg/L、15mg/L、16mg/L、17mg/L、18mg/L、19mg/L、20mg/L,以及上述任意两个数值组成的范围中的任意值,优选为5-15mg/L。
在一个优选的实施方式中,所述3-硝基苯甲酸盐、有机胺、硫脲衍生物的质量比为1g:0.5-5g:0.1-10mg;优选为1g:1-2.5g:0.5-4mg。
其中,在本发明中,3-硝基苯甲酸盐、有机胺和硫脲衍生物协同作用,可提高镀层中晶面(220)的占比,利用直流电电镀制备出晶面(220)高度取向的电镀金。
在一个优选的实施方式中,所述无氰电镀金液的pH值为6.5-8,优选为6.7-7.5。其中,在本发明中,如果pH值过高,无氰电镀金液会腐蚀光刻胶,无法用于半导体电镀领域;如果pH值过低,无氰电镀金液不稳定性,制备得到的电镀金的综合性能差。在本发明中,无氰电镀金液的pH值可以是6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8,以及上述任意两个数值组成的范围中的任意值,优选为6.7-7.5。
本发明的第二方面提供了一种无氰电镀金液的制备方法,其中,所述方法包括:将本发明第一方面所述的亚硫酸金盐、亚硫酸盐、3-硝基苯甲酸盐、有机胺、硫脲衍生物和溶剂进行混合,得到无氰电镀金液。
其中,在本发明中,亚硫酸金盐、亚硫酸盐、3-硝基苯甲酸盐、有机胺和硫脲衍生物既可以直接购买获得,也可以采用本领域的常规方法进行制备。
在一个优选的实施方式中,所述方法包括先将亚硫酸盐、3-硝基苯甲酸盐、有机胺溶解在溶剂中,然后再加入亚硫酸金盐和硫脲衍生物进行混合,得到无氰电镀金液。其中,在本发明中,与直接混合相比,分步混合可以尽可能地避免亚硫酸金盐发生分解,提高无氰电镀金液的稳定性。
本发明的第三方面提供了一种本发明第一方面所述的无氰电镀金液在镀金件制备中的应用,优选在半导体镀金件制备中的应用,进一步优选在晶面(220)高度取向的半导体电镀金制备中的应用。其中,晶面(220)高度取向指的是晶面(220)的占比≥98%。
半导体领域的电镀,对电镀金的硬度和粗糙度有特定的技术要求。本发明中提供的无氰电镀金液,制备出的电镀金尤其可以满足半导体领域对电镀金硬度和粗糙度的技术要求,且制备出的半导体镀金件的线路成形能力好,形状规整,无渗镀缺陷,在半导体领域具有良好的应用前景。
本发明的第四方面提供了一种镀金件的制备方法,所述方法包括:将待镀件放在本发明第一方面所述的无氰电镀金液中利用直流电进行电镀,得到镀金件;其中,所述电镀的温度为35-70℃,电流密度为0.7-0.9ASD,电镀时间为5-150min。
在一个优选的实施方式中,所述电镀的温度为45-60℃,电流密度为0.75-0.85ASD,电镀时间为5-120min。其中,在本发明中,具体电镀时间可根据实际情况进行选择,例如可以优选为5min、6min、7min、8min、9min、10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、50min、60min、70min、80min、90min、100min、110min、120min,以及上述任意两个数值组成的范围中的任意值。
在一个优选的实施方式中,在所述电镀中所述待镀件为阴极,阳极选自铂金钛板。
在一个优选的实施方式中,所述方法还包括清洗。其中,在本发明中,将完成电镀的待镀件从无氰电镀金液中取出,用水优选去离子水进行清洗,可以得到镀层为晶面(220)高度取向的电镀金的镀金件。
本发明的第五方面提供了一种由本发明第四方面所述的制备方法制备得到的镀金件。
在一个优选的实施方式中,所述镀金件的镀层为晶面(220)高度取向的电镀金,其中,所述晶面(220)的占比≥98%。
在一个优选的实施方式中,所述电镀金还包括晶面(311),其中,所述晶面(311)的占比≤2%。
在一个优选的实施方式中,所述镀金件的表面哑光。
其中,在本发明中,与光亮表面相比,哑光表面的粗糙度高,焊接时面积大,结合力强,尤其适用于制造半导体镀金件。
在一个优选的实施方式中,所述电镀金在270℃下热处理30min后测得的硬度为40-80HV,优选为50-70HV。
在一个优选的实施方式中,所述电镀金的纯度≥99.95%,进一步优选≥99.99%。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
镀层硬度(HV):利用深圳市浩鑫达仪器有限公司提供的自动转塔维氏硬度计HVX-1000A进行测试。
析出效率:电镀完毕后,采用称重法计算镀液的析出效率,析出效率为电镀金的重量除于电镀过程中通过的电量全部转为一价金的理论重量。
实施例1
在2L的烧杯中,先将60g的亚硫酸钠、10g的乙二胺和10g的3-硝基苯甲酸钠完全溶解在600mL的去离子水中,然后再加入金元素含量为10g的亚硫酸金钠水溶液和5mg的硫脲,之后继续加去离子水配制成1L的pH值为6.7的无氰电镀金液;
将待镀件(黄铜片)作为阴极放入上述无氰电镀金液中,以铂金钛网为阳极,通入直流电进行电镀,电镀结束后用去离子水进行清洗,得到镀金件;其中,阴极的面积为2×2cm2,电镀温度为55℃,电流密度为0.8ASD,电镀时间为70min。
电镀完成后计算析出效率为100%,得到的镀金件的镀层表面哑光、色泽均匀,与光亮表面相比,粗糙度高,焊接时面积大,结合力强。将镀金件在270℃下热处理30min后测得的硬度为56HV。
实施例2
在2L的烧杯中,先将60g的亚硫酸钠、5g的二乙烯三胺和5g的3-硝基苯甲酸钾完全溶解在600mL的去离子水中,然后再加入金元素含量为5g的亚硫酸金钠水溶液和20mg的双硫脲,之后继续加去离子水配制成1L的pH值为7.4的无氰电镀金液;
将待镀件(黄铜片)作为阴极放入上述无氰电镀金液中,以铂金钛网为阳极,通入直流电进行电镀,电镀结束后用去离子水进行清洗,得到镀金件;其中,阴极的面积为2×2cm2,电镀温度为55℃,电流密度为0.8ASD,电镀时间为120min。
电镀完成后计算金的析出效率为99%,得到的镀金件的镀层表面哑光、色泽均匀,将镀金件在270℃下热处理30min后测得的硬度为64HV。
对比例1
与实施例1相同,区别在与:电流密度为0.8ASD改为0.4ASD。
电镀完成后计算析出效率为100%,得到的镀金件的镀层表面光亮、色泽均匀,将镀金件在270℃下热处理30min后测得的硬度为59HV。
对比例2
与实施例1相同,区别在与:乙二胺换成羟基乙叉二膦酸,电流密度为0.8ASD改为0.4ASD。
电镀完成后计算析出效率为47%,得到的镀金件的镀层表面光亮、色泽均匀,将镀金件在270℃下热处理30min后测得的硬度为83HV。
对比例3
与实施例1相同,区别在与:乙二胺换成羟基乙叉二膦酸。电镀完成后计算析出效率为55%,得到的镀金件的镀层表面光亮、色泽均匀,将镀金件在270℃下热处理30min后测得的硬度为79HV。
测试例1
对实施例1-2和对比例1-3中的得到的镀金件的镀层进行XRD表征,结果如图1-5所示。
图1为实施例1中所得镀金件的镀层的XRD表征结果,由图1可知,实施例1所得镀金件的镀层以(220)晶面为主,为晶面(220)高度取向的电镀金。其中,镀层中(220)晶面的占比为99%,其余晶面为(311)晶面。
图2为实施例2中所得镀金件的镀层的XRD表征结果,由图2可知,实施例2所得镀金件的镀层以(220)晶面为主,为晶面(220)高度取向的电镀金。其中,实施例2所得镀金件的镀层中(220)晶面的占比为98%,其余晶面为(311)晶面。
图3为对比例1中所得镀金件的镀层的XRD表征结果,由图3可知,对比例1中得到的镀金件的中镀层中(111)晶面的占比为68%,(200)晶面为的占比为18%,(311)晶面为的占比为14%,晶面取向度小。
图4为对比例2中所得镀金件的镀层的XRD表征结果,由图4可知,对比例2中得到的镀金件的中镀层中(111)晶面的占比为58%,(200)晶面为的占比为10%,(220)晶面为的占比为16%,(311)晶面为的占比为16%,晶面取向度小。
图5为对比例3中所得镀金件的镀层的XRD表征结果,由图4可知,对比例3中得到的镀金件的中镀层中(220)晶面的占比为90%,(111)晶面为的占比为8%,(200)和(311)晶面为的占比各为1%,晶面取向度小。
通过对比实施例和对比例可知,本发明中提供的包含有亚硫酸金盐、亚硫酸盐、3-硝基苯甲酸盐、有机胺和硫脲衍生物的无氰电镀金液,可以在0.7-0.9ASD的条件下利用直流电电镀制备出晶面(220)高度取向的电镀金。
测试例2
对实施例1中得到的镀金件的镀层进行SEM表征,结果如图6所示。由图6可知,镀层表面很平滑,观察不到晶粒与晶粒之间的晶界结构。
实施例2和实施例3中所得镀金件的镀层的SEM表征结果与实施例1相似,镀层表面平滑,同样观察不到晶粒与晶粒之间的晶界结构。
测试例3
使用与实施例1中相同的无氰电镀金液对半导体待镀件进行电镀,得到半导体镀金件。其中,半导体待镀件为PVD镀金件,切面结构是Au/TiW/SiO2的硅晶圆,使用正光刻胶AZ4330,光刻胶的高度为5μm。电镀温度为55℃,电流密度为0.8ASD,电镀时间为6min。
对得到的半导体镀金件的外观利用轮廓显微镜(基恩士VK-X3100)进行表征,结果如图7所示。由图7可知,线路的成形能力佳,不存在挤压光刻机导致线路变形以及电镀液向光刻胶侧的渗镀等缺陷,镀层的粗糙度Ra为86nm。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。