CN1283847C - 电镀设备和方法 - Google Patents

Abstract

一个单输送通道位于内壁(2)和挡板(3)之间。电解液(5)被泵浦到通道(1)的内部并导入到基底(4)上，基底(4)是一个相对于阳极维持在-10V电压的阴极。通道(1)内壁(2)的上部形成阳极，使得电解液强制处于基底和阳极(6)的水平上表面之间。设置第二挡板(7)以助于在电解液(5)与基底(4)冲击之后的收集和清除，有可能用于再利用。通过提供一种在通过通道(1)时有旋涡运动的电解液来优化电解液(5)和基底(4)之间的接触。阳极(6)是一个固体导电条(10)，或者由固体棒(11)或管(12)形成。

Description

电镀设备和方法

                          技术领域

本发明涉及用于电镀的设备和电镀的方法。

                          背景技术

与电镀有关的一个主要问题是，特别是在试图高速率沉积时沉积的不规律性。

另一个主要问题是需要所有准备电镀的区域都要电连结。

为了利用电镀法获得均匀的电镀沉积，需要的条件是给两个由匀质电阻介质分开的平行共轴的等电势导电平面。如果在两个平面之间存在电势差，则将有电流在两平面之间流动并且以均匀的密度垂直于两平面(见图1)。如果分开两平面的介质是一种成分中包含足够的、将要被沉积的材料的离子的电解液，则在负电势平面上将形成材料的均匀沉积。沉积量依据于材料的类型和总电荷。

实际上，由于两平面的表面粗糙度以及电解液均匀性的缺乏，上述条件不会达到。另外，对于某些或所有的靶平面表面，与实现平面间的真正平行和负(靶)平面导电表面的不规则图案、以及电解液流的限制有关的实际困难增加了电解液中电流密度均匀性的缺乏。这导致靶表面上材料沉积的不规则性。

图2表示由于靶(负)表面的不规则性所致的电流畸变以及电流密度的分布。图中未示出由于正表面的不规则性和电解液电阻的变化所致的畸变。

图3表示由于不相等的电流密度分布所致的靶表面不规则性的明显性。不等的电流密度和表面不规则性之间的相互作用可以看成相互递进的。

已经采用了几项技术来补偿这种包括在靶表面使用电流转向(橡胶条)的效果。这些技术只是部分地取得成功，它们有固有的不足。即使有的话，也很少有实用的技术来处理这样的情形，即靶表面上需要电镀的区域没有电连结。

                          发明内容

本发明包括一种电镀设备，该设备中具有使电解液直接到达靶的装置，和控制选定的靶区域中离子的还原量和/或速率的装置。

电镀设备可以包括监视靶的部分或所有区域中电流的装置。

电镀设备可以包括调节流到每个区域中的电流、使得每个区域的材料沉积率可以独立改变的装置。

方向装置可以包括一个中空的细长本体，电解液沿其内部经出口流出并流向靶，靶是一个相对于部分细长本体处于负电压的基底，靶由此形成一个阴极，部分细长本体形成一个阳极。细长本体的阳极部分可以由单一元素或多种电绝缘元素或棒形成。特别是在优选实施例中，方向装置包括多个中空管，电解液沿管的内部向靶流动。

电镀设备可以包括下列任何一个或多个特征：

·控制装置包括调节施加到靶的多个分隔区中每个上的电流的装置。

·控制装置包括调节施加到靶的多个分隔区中每个上的电流的大小和/或时间长短的装置。

·控制装置包括测量流到靶的一个区域中的电流大小的装置，和根据测量装置的输出控制施加到该区域中的电流的装置。

·可操纵控制装置在靶上提供一个厚度均匀的还原层。

·可操纵控制装置在靶上提供一个厚度均匀的还原层，其中靶上不同的区域有预定的还原层厚度。

·可操纵控制装置在选定的区域中提供一个有均匀的还原层厚度的靶。

·控制装置包括控制流到每个区域的电流、使得每个区域的离子还原率可以独立变化的装置。

·控制装置包括监视靶的所有区域中电流的装置。

·方向装置包括一个中空的细长本体，电解液沿细长本体的内部通过。

·单一元素的阳极。

·由多个大体平行的固体棒形成的阳极。

·由多个大体平行的管形成的阳极，电解液流径平行管。

·在与靶接触的地点附近形成电解液旋涡的装置。

·旋涡形成装置包括细长本体和/或出口的形状，使得形成或增强涡系。

·阳极前缘中的细齿。

电镀设备可以包括在与靶接触的区域中进行电解液运动的装置，由此增强电介质和靶之间的冲击，优化离子的可用性，在一个实施例中，细长本体和出口的形状使得主要通过阳极前缘中包含的细齿形成或增强了涡系。

本发明包括一种电镀的方法，该方法包括将电解液导向靶并控制靶的选定区域中材料的沉积量和/或速率。

该方法可以包括监视靶的部分或全部区域中的电流。

该方法还可以包括调节流到每个区域中的电流，使得可以独立改变每个区域的材料沉积率。

该方法可以包括在与靶接触的区域中进行电解液运动，由此增强电解液和靶之间的冲击，优化离子的可用性。在一个实施例中，细长本体和出口的形状使得主要通过阳极前缘中包含的细齿形成或增强了涡系。

本发明还提供了一种可直接载入数字计算机内存储器中的计算机程序，包括软件编码部分，当计算机运行该程序时执行根据本发明的方法步骤。

本发明还提供一种储存在计算机可用介质上的计算机程序，包括：

计算机可读程序装置，用于使计算机控制靶的选定区域中材料的沉积量和/或沉积速率。

本发明还提供如本发明限定的计算机程序的配置系统。

                          附图说明

为了可以更容易地理解本发明，下面参考附图举例说明本发明。其中：

图1是两个导电平面之间理想的电流简图；

图2是两个具有不规则表面的导电平面之间实际的电流简图；

图3是两个导电平面之间累积的峰值图；

图4是具有不规则表面的两个导电平面之间电流控制方法简图；

图5是本发明的简图；

图6是本发明另一形式的简图；

图7是本发明另一形式的简图；

图8是本发明另一形式的简图；

图9是图8的改型。

                          具体实施方式

均匀的电镀沉积要求流入到靶的每个单位面积中的电流量相同。沉积开始之前，单位面积越小，做为光洁度函数的表面光洁度的分辨率越高。靶的每个单位面积表面的合适离子的可用性必须足以支持选定的沉积率。

实现这些要求并校正初始不规则性的方法示于图4。为了清楚起见，图中只示出了一行和一列电极，并且只示出了能有效校正不规则性的电极。

实际上，有电极排列的阴极的相对面的接触方法只在没有用于支撑阴极材料的非导电衬底或基底时可行。

图5示出了对具有非导电基底的情形的处理方法。在图5中，当透明基底4上的图案通过阳极和电解液时变为阴极。箭头D表示基底材料的流动方向。负电极16(在其它时候认做阴极连结器)一般为0.5mm宽，1mm的间距，连结到印刷电路板17。

在图4和图5中，靶表面的每个单位面积通过其自身的独立电极连结到更高的负电势。每个电极中的电流一般通过电子装置控制，使得每个单位面积收到相同的电荷。

供给的电解液在阳极和靶表面之间流动，其流动方式使得流体静力学、散射和其它阻挡层不会阻止适当的离子以某一速率、最好是远大于设置的电流密度所需的速率呈现在靶表面。

设备的几何形状以及电解液的配方、电流密度和电解液经该机构通过靶表面的速度都是限定还原速率的主要因素。

参考图5图解的本发明的实施例包括一个单输送通道1，该通道位于内壁2和挡板3之间并由内壁2和挡板3形成。通道1具有100mm的高度，1m的宽度(即横跨基底4宽度的延伸)和20mm的终端长度(即沿基底4长度的延伸)。电解液5被向上泵浦到通道5的内部并导入到基底4上，基底4是一个相对于阳极维持在-10V电压的阴极，虽然已经成功地采用阴极和阳极之间小到2.5V的电势差。通道1内壁2的上部形成阳极，使得电解液强制处于基底和阳极6的水平上表面之间。设置第二挡板7以助于在电解液5与基底4冲击之后的收集和清除，有可能用于再利用。

通过提供一种在通过通道1时有旋涡运动的电解液来优化电解液5和基底4之间的接触，由此通过基底增强液流冲击时涡流系的形成，提高还原率。

图5所示的设备举例说明了利用电流密度的线性沉积，其中该电流密度比传统电镀技术中考虑的最大电流密度大两个数量级。

与经过电解液5具有较长电流路径的系统相比，阳极6与基底4的接近、由此所得的大约1或2mm的短电流路径以及在基底表面适当离子的可用性给予基底表面单位面积更均匀的电流。从负电极到电解液的距离与相邻负电极之间的距离之比定义图4和图5中所示配置的差分电流控制的分辨率。

图5所示的本发明的实施例包括一个阳极6，该阳极是一根1m宽、100mm高和20mm长的固体导电条10。在图6的实施例中，阳极由数根(图中只显示6根)直径为3mm、高度为30mm的彼此平行分布成二维格栅结构的固体导电棒，外围之间间隔约1mm，或者彼此按几何关系分布成有最迅速和最精确的离子冲击和材料沉积，并维持所需的电流控制特征。

在图7所示的实施例中，阳极由数根彼此平行的外径为3mm、内径为1mm、高度为30mm的毛细输送管12形成，在基底1m的宽度上分布成二维格栅结构，管12在它们的外围之间有1mm的间隔。电解液5被泵浦通过条10(图5)或棒11(图6)或向上进入管12(图7)中并导入到形成阴极的基底4的靶表面。条10、棒11或管12视情况而定地形成阳极，相对于阴极保持在+10V的电压。挡板7设置在通道1的出口以助于在与基底4冲击之后收集并清除电解液5，有可能用于再利用。

更具体地说，图6表示一种电镀设备，其中阳极由多个套装在塑料壳中的隔离的棒11组成，每个棒中的电流按照与前述负电极相同的方式受到监视和控制。因为阳极的上表面比较接近发生离子还原的表面，因此从每个阳极区到阴极的电流路径较短，或者可以做得较短，比轴之间或阳极区的水平间隔短，所以差分电流控制的区域分辨率相对于从图3、4和5所示配置可得到的分辨率提高很多。

因为可以按图6所示的方法在阳极单元电路中进行电流监视和调节，所以在负电极中监视和控制电流不再是必须。在要达到最佳离子还原分解的地方可能出现情况，可能要采取阳极和负电极电流监视和控制。但是，在图6所示方法中负电极的主要功能是提供负电势和发生离子还原的部件之间的电连结。负电极关于阳极和电解液的几何形状限定了可能发生离子还原的部件大小的分辨率。多个阳极系统和控制离子还原的有关因素以及部件分辨率可以等同地应用到没有基底或导电基底的应用中，并且负电极可以接触到基底的反面或需要离子还原的阴极。

图7表示图6所示合成阳极系统的一种改进。在这种情形中，阳极棒为中空管的形式，电解液经管en路径在箭头E的方向被输送到沉积表面。空阳极原理通过采用电解液在两个条之间流动(见图8和9)可以更容易实现。基底4表面的电解液5的流体静力阻挡层依赖于电解液在平行于基底平面的方向上的速度。因此，此系统中电解液流的正确设计与通过“涡旋”法实现的情形相比，给予各种阻挡层进一步的还原。还原由垂直于基底的初始电解液流导致，直到电解液冲击到基底。这种系统的设计必须禁止电解液在基底表面任何区域的滞留发生。防止滞留可以通过引入涡旋实现。

为了利用图5所示的配置实现最大的差分电流控制分辨率，从负电极到电解液的距离与相邻负电极之间的距离的比值要尽可能地小。因此，图5所示的配置要求从负电极接触点到电解液的距离以及两组电极之间电解液的宽度尽可能地小。

图6和图7所示的配置没有这种限制，因为受控电流路径的长度由基底到阳极的距离限定，并且因此允许使用两组负电极之间的尺寸较大的阳极结构。这样能够有更快的基底转运时间或对于相同的转运时间有更大的离子还原率。阳极大小的限幅以及因此两组负电极之间的距离是被沉积材料的部件的最小尺寸。

在不允许使用图5、6和7所示负电极结构的部件上需要沉积材料的时候，可以采取利用与图5的阳极相同形状并与阳极阵列掺合的负电极，或利用同心阳极-阴极棒/管。在这两种情况下，必须通过去离子水流或通过其它适当的方法避免电解液进入负电极与基底的接触点，如同用于避免图5、6和7中的负电极被电解液污染而采用去离子水流那样。

图6和图7所示的棒和管平行。但是在改型中它们不平行，例如它们可以是上端比其余部分更接近的笔直或弯曲形，和/或它们中的一个或多个可以是螺线或螺旋形，由此使电解液进行环流、涡流或旋流。

与每个区域相连的电极(正和/或负)中的电流可以通过测量每个电极中的电流、比较该测量值与所需值并再增大或减小电流至所需值来控制。每个电极中的电流可以通过测量置于电极电路中的适当电阻的两端电压来量化。每个电极电路中的电流可以利用模拟或数字技术来调节。

在其上将要沉积材料的图案是随时间或每个电极的距离重复电流轮廓的情况下可以预拟定最佳结果。电流轮廓的周期可以由与前述每个重复图案重合的标识起始。

图8是一个部分电解液流与靶表面垂直的简单的中空阳极系统。

图8表示一种用于电镀刚性或柔性基底21的电镀设备20。设备20包括一个中空阳极22，电解液23经中空阳极22的中心导入到在B方向移动并沿侧面通道24移去的部分基底21上。阴极25为梳状，主要部分26带有锯齿27，从而在冲击电解液23以确保有充分的材料沉积到基底21的所有所需部位上之前和之后确保基底未连结的区域与阴极25电连结。

设置两个带有喷嘴29的清洁器28，在与阴极25接触之前和之后将去离子水导入到基底20上。

图9表示图8所示设备的改型，其中基底21的两例均被电镀。

上述的阳极为非牺牲型，由一种耐腐蚀的以便维持几何整体性的材料制成。

电解液的成分可以通过加入适当的盐或通过利用辅助牺牲性阳极来维持。

无论采用什么系统，与传统的方法相比，由于阳极和阴极紧密的几何关系，所需的功率都被减小。

Claims (31)

1.一种电镀设备，包括：

使电解液流到达靶的装置，

控制选定的靶区域中离子的还原量和/或速率的装置，所述控制装置包括：测量流到所述靶的所述区域中的电流的装置和依据于所述测量装置的输出控制施加到所述区域中的电流的装置，以及

在所述区域附近形成电解液流旋涡的装置，该装置在所述区域附近形成电解液流旋涡，而当电解液流与冲击到所述区域时增强了涡系的产生，以提高离子还原率。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述旋涡形成装置包括一定形状的设备本体和/或出口，使得在所述电解液中形成或增强涡系。

3.如权利要求1或2所述的设备，包括阳极前缘中的细齿。

4.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于控制装置包括调节施加到靶的多个分隔区的每个区域中的电流大小和/或时间长短的装置。

5.如权利要求1或2所述的设备，包括控制装置，可操纵该控制装置在靶上提供一个材料沉积层，其中靶上不同的区域有预定的还原层厚度。

6.如权利要求1或2所述的设备，包括控制装置，可操纵该控制装置在选定的区域中提供一个有均匀的还原层厚度的靶。

7.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于控制装置包括控制流到每个区域的电流、使得每个区域的离子还原率可以独立变化的装置。

8.如权利要求1或2所述的设备，控制装置包括监视靶的所有区域中电流的装置。

9.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于方向装置包括一个中空的细长本体，电解液沿细长本体的内部通过。

10.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于包括一个单一元件的阳极。

11.如权利要求1或2所述的设备，包括一个由多个大体平行的固体棒形成的阳极。

12.如权利要求1或2所述的设备，包括一个由多个大体平行的管形成的阳极，电解液流径平行管。

13.一种电镀的方法，该方法包括下列步骤：

将电解液流导向靶的一个区域；

控制所述靶的所述选定区域中离子的还原量和/或速率；

测量流到所述靶区域中的电流；

依据于测量步骤的输出控制施加到所述靶区域中的电流；以及

当电解液流冲击到所述区域时，使所述电解液形成旋涡，以增强涡系的产生，从而提高离子还原率。

14.如权利要求13所述的方法，包括调节施加到靶的多个分隔区中每个区的电流。

15.如权利要求13或14所述的方法，包括调节施加到靶的多个分隔区中每个区的电流大小和/或时间长短。

16.如权利要求13或14所述的方法，包括测量流到靶的一个区域中的电流并依据于测量步骤的输出控制施加到该区域中的电流。

17.如权利要求13或14所述的方法，包括一个控制阶段，在靶上提供一个厚度均匀的材料沉积层。

18.如权利要求13或14所述的方法，包括一个控制步骤，在靶上提供一个材料沉积层，其中不同的区域有预定的厚度。

19.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于控制阶段给靶的选定区域提供一种厚度均匀的沉积。

20.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于控制阶段包括控制流到每个区域的电流，使得每个区域的离子还原率独立的改变。

21.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于控制阶段包括监视靶的所有区域中的电流。

22.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于提供一个单一元件的阳极。

23.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于提供一个由多个大体平行的固体棒形成的阳极。

24.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于提供一个由多个大体平行的管形成的阳极，电解液流经平行管。

25.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于所述使电解液形成旋涡的步骤包括在与所述靶区域接触的位置附近使电解液形成旋涡，从而在所述电解液流冲击到一个基底之前能够增强涡系的产生。

26.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于所述产生或增强涡系的步骤是通过设计细长本体和/或出口的形状而实现的，所述电解液流流经该细长本体和/或出口。

27.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于所述使电解液形成旋涡的步骤包括在阳极前缘中设置细齿。

28.如权利要求13或14所述的方法，包括下列步骤：

提供一个电解液通道，该通道包括：第一壁；第二壁；位于所述壁之间的第一电极；以及，位于所述壁之间并位于所述电极上方的基底接触区；

将一个第二电极放置在所述基底接触区附近；

使电解液流流经所述电解液通道；以及

移动一个比所述基底接触区大的基底，使其通过所述第二电极和所述基底接触区，使得所述基底只有一部分在给定时间与所述电解液接触。

29.如权利要求28所述的方法，其特征在于所述第一电极是阳极，所述第二电极是阴极。

30.如权利要求28所述的方法，其特征在于当所述电解液流在流经所述基底接触区时，在所述电解液流中产生旋涡运动。

31.如权利要求28所述的方法，其特征在于所述阳极在其前缘上设有细齿。

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