DE10246467B4 - Verfahren und Anlage zur kennfeldgesteuerten Abscheidung von Legierungen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur galvanischen Abscheidung von Legierungen in Mikrostrukturen, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abscheidungsvorganges die Abscheidungsparameter zeitabhängig und programmgesteuert anhand eines mehrdimensionalen Kennfeldes so variiert werden, dass eine Legierung mit vorgegebener Zusammensetzung entsteht, die entweder homogen ist oder einen Konzentrationsgradienten über die Schichtdicke aufweist.

Description

• Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Anlage zur kennfeldgesteuerten Abscheidung von Legierungen, die es z.B. im Bereich der Mikrogalvanoformung ermöglicht, Legierungen in dicken Schichten und hohen Aspektverhältnissen so abzuscheiden, dass die Legierungen eine vorgegebene Zusammensetzung haben. Dies kann bedeuten, dass die Legierung entweder über die Schichtdicke in ihrer Zusammensetzung konstant bleibt oder dass die Zusammensetzung über die Schichtdicke einen bestimmten Konzentrationsgradienten aufweist.
• Die galvanische Abscheidung von Legierungen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Während bei reinen Metallschichten die chemischen und physikalischen Eigenschaften weitestgehend festgelegt sind, bietet die Legierungsabscheidung durch Auswahl der Einzelkomponenten und Variation der Zusammensetzung die Möglichkeit, physikalische als auch chemische Eigenschaften gezielt einzustellen. So können mechanische Eigenschaften wie Härte, Zugfestigkeit oder Abriebfestigkeit und funktionelle Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, magnetische Eigenschaften und elektrische Leitfähigkeit durch die Beschichtung einer Oberfläche mit einer geeigneten Legierung weitgehend beeinflusst werden.
• Eine Herausforderung bei der Legierungsabscheidung besteht darin, die gleichzeitige Abscheidung von mehreren Metallen mit einem definierten, vorgegebenen Mischungsverhältnis zu erreichen. Von speziellem Interesse ist dabei die Deposition von Legierungen mit homogener Zusammensetzung. Nach dem derzeitigen Stand der Technik ist die Herstellung von dünnen homogenen Schichten mit einer Stärke von wenigen Mikrometern ohne Schwierigkeiten möglich. Bei der Abscheidung von dicken Schichten treten hingegen starke Inhomogenitäten bezüglich der Zusammensetzung der Legierung auf (A. F. Bo genschütz, U. George, Galvanische Legierungsabscheidung und Analytik, zweite Auflage, Eugen G. Leuze Verlag, Saulgau 1982).
• Im Bereich der Mikrogalvanoformung, wo Legierungen in strukturierte Resists abgeschieden werden sollen, ist dieses Phänomen ein großes Problem. Das ist besonders dann der Fall, wenn die abzuscheidenden Strukturen funktionelle Eigenschaften, wie z.B. Magnetismus besitzen, da die magnetischen Eigenschaften einer Legierung sehr stark von deren Zusammensetzung abhängig sind. Als Beispiel sei hier das System Nickel-Eisen genannt, von dem bekannt ist, dass der Eisengehalt der abgeschiedenen Legierung mit zunehmender Schichtdicke (auf 500 μm) je nach Abscheidungsbedingungen bis zu 50% variieren kann. Dies bedeutet, dass auch die magnetischen Eigenschaften mit der Schichtdicke sehr stark variieren (Diplomarbeit M. Nopper, Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH, Mainz, 1994).
• Ein weiteres Problem der Legierungsabscheidung besteht darin, dass mit einem Elektrolyten mit definierter chemischer Zusammensetzung lediglich Systeme bestimmter Zusammensetzung bei akzeptablen mechanischen Eigenschaften abgeschieden werden können. Die Zusammensetzung kann durch Veränderung der Abscheidungsparameter nur in einem gewissen Bereich variiert werden. Beispielsweise sind mit einem NiCo-Elektrolyten (600 g/l Ni, 1,5 g/l Co) auf Sulfamat-Basis bei Anwendung unterschiedlicher Stromdichten Legierungen abscheidbar, die zwischen 2 und 20% Co enthalten (E. Kranz, Galvanotechnik 89 (1998), 1506–1513). Ein NiFe-Elektrolyt auf Sulfat-Basis (45 g/l Ni und 3,5 g/l Fe) erlaubt bei konstanter Zusammensetzung die Abscheidung von NiFe-Schichten mit Eisengehalten von 8–27% (A. Fath, W. Leskopf, K. Bade, W. Bacher, Galvanotechnik 91 (2000), 1690–1697). Eine Abscheidung mit größerer Variationsbreite an Zusammensetzungen ist jeweils nur unter Verlust bestimmter mechanischer Eigenschaften möglich. Unter solchen Bedingungen abgeschiedene Legierungen sind so für viele Anwendungen unbrauchbar und praktisch ohne Wert.
• Neben dem etablierten Gleichstromverfahren können Legierungen auch mit Hilfe der Pulse-Plating-Technik abgeschieden werden. Dieses Verfahren unterscheidet sich von der herkömmlichen Gleichstromabscheidung in der Form des zwischen den Elektroden eingeprägten Stroms. Dieser ist nicht konstant, sondern besteht aus kurzen Pulsen, die von nachfolgenden Puls-Pausen begleitet sind. Durch Variationen der so genannten Puls-Parameter kann die Form der Strompulse beliebig verändert werden, womit die Eigenschaften des zu erhaltenden Niederschlags beeinflusst werden können. Mit Hilfe des Pulse-Plating können im Vergleich zum Standardverfahren Legierungssysteme abgeschieden werden, die veränderte mechanische Eigenschaften besitzen. Zudem eröffnet das Verfahren Zugang zu Legierungen mit Zusammensetzungen, die mit dem Gleichstromverfahren nicht erhalten werden können (J.-C. Puippe, F. Leaman, Pulse-Plating, Eugen G. Leuze Verlag, Saulgau 1990; N. Kanani, Galvanotechnik, Carl Hanser Verlag München Wien 2000).
• Ein Verfahren, dass gleichzeitig eine Abscheidung von Legierungen mit einer großen Bandbreite von Zusammensetzungen und mit definierter Legierungszusammensetzung über große Schichtdicken ermöglicht, ist zurzeit nicht bekannt.
• Aus der Zeitschrift „Galvanotechnik", 90 (1999), Nr. 9, S. 2416 bis 2424 ist zwar schon die elektrochemische, automatische Prozessregelung für galvanische Elektrolyte bekannt, wobei eine gleich bleibend gute Schichtqualität durch das Konstanthalten der optimalen Arbeitsbedingungen erreicht werden soll. Das Konstanthalten jedes einzelnen Abscheidungsparameters geschieht dabei unabhängig vom Konstanthalten aller anderen Abscheidungsparameter. Eine zeitabhängige und programmgesteuerte Variation der Abscheidungsparameter während des Abscheidungsvorganges anhand eines mehrdimensionalen Kennfeldes wird dort nicht beschrieben.
• Es stellte sich deshalb die Aufgabe, ein Verfahren und eine Anlage zur galvanischen Abscheidung von Legierungen mit unterschiedlicher Zusammensetzung aus einem Elektrolyten mit geeigneter Zusammensetzung zu entwickeln. Damit soll die Zusammensetzung der Ziellegierung entsprechend den Vorgaben ent weder homogen oder mit einem definiertem Gradienten bezüglich der Zusammensetzung ermöglicht werden.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren und eine Anlage zur galvanischen Abscheidung von Legierungen in Mikrostrukturen, wobei während des Abscheidungsvorgangs die Abscheidungsparameter zeitabhängig und programmgesteuert anhand eines mehrdimensionalen Kennfeldes so variiert werden, dass eine Legierung mit vorgegebener Zusammensetzung entsteht, die entweder homogen ist oder einen Konzentrationsgradienten über die Schichtdicke aufweist.
• Für die Abscheidung werden die Daten der erwünschten Legierung in die erfindungsgemäß mit einer entsprechenden Software ausgerüstete Galvanikanlage eingegeben. Die für den Erhalt der angestrebten Legierung optimalen Parameter werden dazu anhand eines mehrdimensionalen Kennfeldes automatisch ermittelt. Da die Legierungsabscheidung entweder mit der Gleichstromtechnik oder mit der Pulse-Plating-Technik erfolgen kann, werden die für jedes dieser Verfahren kennzeichnenden Daten durch das Steuerungsprogramm mit berücksichtigt.
• Voraussetzung für die kennfeldgesteuerte Abscheidung von Legierungen ist die Ermittlung der veränderbaren Abscheidungsparameter, wobei jeder Parameter einer Dimension des Kennfeldes entspricht. Als Abscheidungsparameter sind die Stromdichte, die Badtemperatur, die Badbewegung, die Konzentration der Badkomponenten und der pH-Wert des Elektrolyten zu nennen. Außerdem sind ein weiterer Datensatz für eine Gleichstromabscheidung und ein Datensatz für das Pulse-Plating, in dem weitere Parameter, die sog. Puls-Parameter enthalten sind, erforderlich. Während des Abscheidungsvorganges werden nun in Abhängigkeit von der Zeit die gewählten Parameter anhand des Kennfeldes durch die Software so gesteuert, dass auch bei zunehmender Schichtdicke immer die Legierung mit den vorgegebenen Eigenschaften abgeschieden wird.
• Die erfindungsgemäße Anlage und das mit ihr durchgeführte Verfahren gestattet es dem Anwender, die gewünschte Zusammensetzung der abzuscheidenden Legierung festzulegen, wobei dann die erforderlichen Parameter automatisch durch das Steuerprogramm der Anlage ermittelt werden. Während der Abscheidung werden durch die eingesetzte Software die Abscheidungsparameter kontinuierlich so geändert, dass die Legierung mit den vorgegebenen Eigenschaften automatisch erhalten wird. Ein Eingreifen des Anwenders ist damit während des Abscheidungsprozesses nicht mehr erforderlich.
• 1 zeigt das Fließschema der erfindungsgemäßen Anlage. Es ist zu erkennen, dass über eine zentrale Steuereinheit zum einen der Abscheidungsprozess geregelt wird und dass zum anderen die Überwachung und Beeinflussung des Elektrolyten stattfindet.
• Zur Abscheidung einer bestimmten Legierung muss lediglich deren gewünschte Zusammensetzung in die Anlage einprogrammiert werden. Die zentrale Steuereinheit greift daraufhin auf die Daten der Kennfeld-Steuerung zurück, in der die zum Erhalt dieser bestimmten Legierung optimalen Parameter gespeichert sind. Darauf wird nach Bedarf mittels Gleichstromverfahren oder Pulse-Plating-Verfahren die Abscheidung gestartet. Die zentrale Steuereinheit ist ebenfalls mit den installierten Analysevorrichtungen für die unterschiedlichen Badkomponenten (Metallkationen, Additive und Säure zur pH-Regulierung) verbunden. Eine Online-Überwachung der Badkomponenten ermöglicht eine kontinuierliche Kontrolle des Elektrolyten. Die Zusammensetzung des Elektrolyten kann auch während einer Abscheidung durch Zugriff auf die Daten der Kennfeldsteuerung verändert werden. Ein manueller Eingriff des Benutzers während des Prozesses ist nicht notwendig.
• Die Ermittlung der Daten zur Erstellung der benötigten Kennfelder erfolgt durch eine große Anzahl an Abscheidungsexperimenten unter Variation der Abscheidungsparameter.
• In 2 ist schematisch angedeutet, wie die Kennfelder ermittelt werden. In eine auf ein elektrisch leitfähiges Substrat aufgebrachte Struktur aus einem nichtleitfähigen Polymer wird zunächst eine Legierung galvanisch abgeschieden. Polymer und Legierung werden wie in 2 geschliffen, so dass die Legierung in unterschiedlichen Schichthöhen für eine Elementanalyse (z.B. durch EDX) zugänglich wird.
• So können zunächst durch eine Abscheidung mit konstanten Parametern auftretende Inhomogenitäten bezüglich der Zusammensetzung der Legierung ermittelt werden. In nachfolgenden Abscheidungsexperimenten werden nun die Abscheidungsparameter ermittelt, die für die Abscheidung einer Legierung mit definierter Zusammensetzung angewendet werden müssen. In diesen Experimenten werden Abscheidungen durchgeführt, bei denen während des Prozesses genau ein Parameter variiert wird und alle weiteren Parameter konstant gehalten werden. Aus den erhaltenen Daten der Analysen werden die Daten für die Erstellung der Kennfelder berechnet.
• In 3–5 sind exemplarisch Diagramme gezeigt, die den Zusammenhang zwischen einem Abscheidungsparameter (hier Stromdichte, Pulse-Plating-Frequenz und Temperatur) und der Schichtdicke der Legierung zeigen. Die darin enthaltenen Linien zeigen, wie während der Abscheidung ein entsprechender Parameter verändert werden muss, um eine Legierung mit konstanter Zusammensetzung zu erhalten. In der Realität hängt die Zusammensetzung einer Legierung noch von weiteren Parametern ab. So beeinflussen die Größen Konzentrationen der Elektrolytkomponenten, pH-Wert des Elektrolyten und im Falle des Pulse-Plating auch die weiteren Puls-Parameter die Abscheidung. Sind für unterschiedliche Legierungszusammensetzungen die Diagramme, die die Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Abscheidungsparametern und der Schichtdicke angeben, ermittelt, so werden aus den erhaltenen Daten die Kennfelder ermittelt und programmiert.

Claims (9)

1. Verfahren zur galvanischen Abscheidung von Legierungen in Mikrostrukturen, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abscheidungsvorganges die Abscheidungsparameter zeitabhängig und programmgesteuert anhand eines mehrdimensionalen Kennfeldes so variiert werden, dass eine Legierung mit vorgegebener Zusammensetzung entsteht, die entweder homogen ist oder einen Konzentrationsgradienten über die Schichtdicke aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine für die Gleichstromabscheidung geeignete Programmsteuerung eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine für das Pulse-Plating geeignete Programmsteuerung eingesetzt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Abscheidungsparameter die Stromdichte, die Badtemperatur, die Badbewegung, die Konzentrationen der Badkomponenten, der pH-Wert des Elektrolyten und die Puls-Parameter programmgesteuert variiert werden.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidungsparameter anhand eines mehrdimensionalen Kennfeldes automatisch ermittelt werden.
6. Anlage zur Steuerung der galvanischen Abscheidung von Legierungen in Mikrostrukturen, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur zeitabhängigen und auf ein digitales Programm gestützten Steuerung von Abscheidungsparametern während des Abscheidungsvorganges vorgesehen sind, wobei die Abscheidungsparameter anhand eines mehrdimensionalen Kennfeldes programmgesteuert so variierbar sind, dass eine Legierung mit vorgegebener Zusammensetzung entsteht.
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung für die Gleichstromabscheidung oder für die Pulse-Plating-Technik vorgesehen ist.
8. Anlage nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mehrdimensionalen Kennfeld die Abscheidungsparameter der Stromdichte, der Badtemperatur, der Badbewegung, der Konzentrationen der Badkomponenten und der pH-Wert des Elektrolyten enthalten sind.
9. Anlage nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Steuerungsprogramm die Abscheidungsparameter anhand eines mehrdimensionalen Kennfeldes automatisch ermittelt.