DE19736340C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen von Galvanikschichten auf elektrisch leitfähigen Substraten - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen einer Galvanikschicht auf einer elektrisch leitfähigen Substrat­ fläche, wobei die Vorrichtung eine Wanne für den Elektrolyten, eine Anode, eine Gleichspannungsquelle und eine Halterung aufweist, welche das Substrat so hält, daß höchstens die genannte Fläche freiliegt, und ein Verfahren zum Herstellen einer Galvanikschicht auf einer ebenen elektrisch leitenden Substratfläche insbesondere unter Verwendung einer solchen Vorrichtung. Im folgenden wird, was von der genannten Fläche freiliegt, als freiliegende Fläche bezeichnet.

Die Nachfrage nach einheitlich dicken Galvanikschichten steigt mit dem zunehmenden Trend zu engen Fertigungstoleranzen stän­ dig. Gefragt sind auch immer mehr Galvanikschichten, die struk­ turiert sind, d. h. ein Muster von galvanisierten Bereichen bil­ den, das hergestellt wird, indem zunächst, beispielsweise photolithographisch, die leitfähige Substratfläche mit einer Maske aus einem nichtleitenden Material abgedeckt wird, wobei die Maske das Negativ des Musters darstellt, das galvanisch hergestellt werden soll. Einheitlich dicke Galvanikschichten innerhalb enger Toleranzen herzustellen, ist bereits dann nicht einfach, wenn die Schichten unstrukturiert sind. Dies gilt insbesondere dann, wenn auch die physikalischen Eigenschaften und die Zusammensetzung homogen sein sollen. Um solche Schichten herzustellen, die auch noch strukturiert sind, war bisher der apparative und verfahrensmäßige Aufwand erheblich.

Bekannt ist u. a. die Herstellung strukturierter Galvanikschich­ ten mittels der Paddle-Zelle (US 5312532). Sie wurde für die Abscheidung strukturierter Nickel/Eisen-Schichten entwickelt. In ihr sind die runden oder rechteckigen Substrate horizontal eingebaut. Dicht oberhalb der Kathodenoberfläche wird ein Paddel hin- und herbewegt. Bei optimiertem Abstand des Paddels von der Kathodenoberfläche und einer ausreichenden Geschwindigkeit der Bewegung kann eine im Mittel gleichmäßige Bewegung des Elektro­ lyten vor der Kathodenfläche erreicht werden. Um möglichst gleichmäßig dicke Schichten abzuscheiden, muß eine Hilfselek­ trode um das Substrat herum angeordnet werden. Erwünscht ist, daß ein Teil der Abscheidung an der Hilfselektrode erfolgt, weil sich dadurch die Schichthomogenität verbessern läßt. Da aber oft auf der Hilfselektrode mehr Metall als auf dem Sub­ strat abgeschieden wird, geht beim Abscheiden dicker Schichten viel Metall verloren, und seine Entfernung von der Hilfselek­ trode ist aufwendig. Die Substrathalterung für das Galvanisie­ ren eignet sich nicht als Halterung für das Vor- und Nachbehandeln.

Eine andere bekannte Vorrichtung ist der Fountain-Plater. Bei ihm wird - wie bei einem Springbrunnen - der Elektrolyt von unten durch ein senkrecht stehendes Rohr gepumpt und fließt oben mit einem Schwall über den Rohrrand. Die Anode ist im unteren Teil des Rohrs als inertes Netz angeordnet. Das Rohr dient gleichzeitig als Stromblende. Das als Kathode geschaltete Substrat wird so auf den Elektrolytschwall aufgesetzt, daß nur die Substratunterseite, die galvanisiert werden soll, benetzt wird. Dabei wird das Substrat langsam gedreht. Da die zu beschichtende Fläche nach unten hängt, besteht die Gefahr, daß Gasblasen, die sich während des Galvanisierens bilden, insbe­ sondere wenn zwischen dicken Lackstrukturen galvanisiert werden soll, nicht bzw. nicht ohne Spuren zu hinterlassen, entweichen können. Da die Kontaktstellen nicht zuverlässig abgedeckt wer­ den können, treten auch bei Verwendung des Fountain-Platers Fehlabscheidungen mit den oben beschriebenen Folgen auf. Wenn die Substratränder unvollständig lackiert sind, kann es durch die Fehlabscheidungen bei dicken Galvanikschichten zum festen Anwachsen der Schicht an den Kontaktstellen kommen. Auch beim Fountain-Plater eignet sich die Substrathalterung für das Gal­ vanisieren nicht als Halterung für das Vor- und Nachbehandeln.

Eine bekannte Vorrichtung für die Herstellung von CDs arbeitet auch mit rotierender Kathode, die nur auf ihrer Unterseite be­ schichtet wird. Die Unterseite ist um 45° geneigt. Der Elektro­ lyt strömt durch einen relativ schmalen Zwischenraum zwischen der Kathode und der ebenfalls um 45° geneigten Anode. Sollen dicke Galvanikschichten erzeugt werden, d. h. ist die Lackstruk­ tur zwischen etwa 0,05 und 1 mm dick, ist mit Wirbelbildung an den Lackkanten zu rechnen. Wegen den unterschiedlichen Winkel­ geschwindigkeiten kann das zu erheblichen Inhomogenitäten in der Schicht führen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine einfache Vorrichtung und ein einfaches Verfahren zum Herstellen von relativ dicken strukturierten Galvanikschichten auf einem Substrat anzugeben, wobei Metall nur auf der zu beschichtenden Fläche abgeschieden wird, und ein beachtlicher Schichtdickenunterschied zwischen Schichtmitte und Schichtrand vermieden wird.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der zu der Halterung eine weitere Wanne gehört, deren Boden mindestens teilweise die freiliegende Fläche bildet und deren seitlicher Begrenzung eine Blende anliegt, welche die Peripherie der freiliegenden Fläche einrahmt und über den Randbereich der freiliegenden Fläche überhängt (im folgenden als überhängende Blende bezeichnet), und bei der gegebenenfalls Mittel zum Bewegen des Elektrolyten in der weiteren Wanne vorgesehen sind, und mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem auf die zu beschichtende Substratfläche eine Abdeckmaske aufgebracht wird, welche das Negativ einer herzustellenden galvanisierten Struktur darstellt, und in welcher die den herzustellenden Strukturelementen entsprechenden Öffnungen möglichst gleichmäßig verteilt sind. Die Verteilung ist dann gleichmäßig, wenn auf allen Flächenbereichen das Verhältnis von bedeckter zu freier Oberfläche gleich ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich vorteilhaft bei der Herstellung einheitlich dicker Galvanikschichten und zwar sowohl unstrukturierter als auch - insbesondere in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren - strukturierter einsetzen. Erste Voraussetzung für eine gleichmäßige Schichtdicke ist eine möglichst homogene Stromdichtenverteilung über der zu beschich­ tenden Fläche. Die weitere Wanne, insbesondere, wenn sie Zylin­ derform hat, hilft die Stromdichteverteilung zu optimieren. Überraschenderweise wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren offenbar wegen der speziellen Ausgestaltung der Abdeckmaske die Schichtdickenhomogenität von strukturierten Galvanikschichten besonders gefördert. Allerdings sind im Randbereich der frei­ liegenden Fläche Ungleichmäßigkeiten in der Abdeckmaske schwer zu vermeiden, was unerwünschte Überwachsungen verursacht. Die überhängende Blende dient der Abblendung der Randbereiche und vermindert dadurch überraschenderweise solche unerwünschten Überwachsungen. Bei vielen Anwendungen sind nicht nur eine gleichmäßige Schichtdicke, sondern auch einheitliche physikali­ sche Eigenschaften und bei Legierungen außerdem eine einheit­ liche Zusammensetzung erwünscht. Dazu ist eine gleichmäßig dicke Diffusionsschicht erforderlich. Sie läßt sich mit einer gleichmäßigen Elektrolytbewegung vor der Kathode erreichen, wobei die Bewegung so stark sein muß, daß keine Begrenzung des Stofftransports auftritt. Mit zunehmender Stärke der Bewegung erhöht sich aber auch die Gefahr, daß die Bewegung ungleich­ mäßig wird und sich beim Herstellen von relativ dicken struk­ turierten Schichten Wirbel an den Kanten der dabei relativ dicken Abdeckmaske bilden, was eine ungleichmäßige Randüber­ höhung zur Folge hat. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist außerdem dadurch vorteilhaft, daß als Wanne für den Elektro­ lyten jedes übliche Galvanikbecken eingesetzt werden kann. Alle wesentlichen Zusatzeinrichtungen, wie die Anode oder die Mittel zum Bewegen, sind entweder in die Substrathalterung integriert oder können leicht von oben eingebracht werden. Bei Reparaturen oder Änderungen ist der Aufwand gering.

Zur Abdichtung der Flächen des Substrats, die nicht galvani­ siert werden sollen, ist es günstig, wenn die freiliegende Fläche eine kreisrunde Umfangslinie hat. Diese Form erleichtert auch das Erzielen einer gleichmäßigen Schichtdicke, insbesonde­ re dann, wenn die seitliche Begrenzung der weiteren Wanne eine Rohrblende, deren Querschnitt sich mit der freiliegenden Fläche deckt, und die überhängende Blende eine Ringblende ist.

Wird der Elektrolyt bewegt, ist es vorteilhaft, wenn über die freiliegende Fläche in geringem Abstand (beispielsweise 5 bis 10 mm), von ihr ein Wabennetz oder eine ähnliche dreidimen­ sionale Struktur gespannt ist, welches zur Elektrolytberuhigung beiträgt. Das Aspektverhältnis des Wabennetzes muß dabei so gewählt werden, daß großflächige Strömungsinhomogenitäten nicht bis zur Substratoberfläche durchdringen können.

Um beim Herstellen strukturierter Galvanikschichten beachtliche Inhomogenitäten der Schichtdicke auch auf den einzelnen Struk­ turelementen zu vermeiden, ist es mit und ohne Elektrolytbewe­ gung vorteilhaft, wenn über der freiliegenden Fläche eine mit einem Muster durchgehender Öffnungen versehene Blende angeordnet ist, wobei das Muster dieselbe Ausbildung wie eine vorgesehene Struktur aus dem Galvanikmaterial auf dem Substrat hat, die Öffnungen in der Blende aber kleiner als die entsprechenden Strukturelemente sind, und das Muster und die Struktur so zueinander justiert sind, daß die Öffnungen den entsprechenden Strukturelementen gegenüberliegen.

In vorteilhafter Weise sind die Blenden und das Netz aus Poly­ methylmethacrylat (PMMA), Polypropylen (PP), photostrukturier­ barem Glas, wie Futuran®, oder ähnlichen Materialien hergestellt, dabei ist insbesondere PMMA kostengünstig, leicht formbar und chemisch resistent.

Um den optimalen Abstand zwischen der Oberfläche der herzustel­ lenden Galvanikschicht und der überhängenden und der mit einem Muster durchgehender Öffnungen versehenen Blende einzuhalten, ist es vorteilhaft, wenn die beiden Blenden fest miteinander verbunden sind.

Zur Bewegung des Elektrolyten sind ein in die Rohrblende hineinreichender Rührer, oder alternativ eine Absaugung über einen Ringkanal am substratseitigen Ende der seitlichen Begrenzung oder als weitere Alternative ein Vibrator oder ein Ultraschallschwinger günstig, der den Elektrolyten in der weiteren Wanne oder die Halterung in Schwingungen versetzt.

Um Gradienten in der Schichtdicke und/oder der Legierungszusam­ mensetzung zu vermeiden, und damit Gasblasen, ohne Spuren zu hinterlassen, nach oben entweichen können, ist es vorteilhaft, wenn die Halterung im Elektrolyten so angeordnet ist, daß die Normale der freiliegenden Fläche etwa senkrecht nach oben weist oder wenn die Halterung im Elektrolyten so angeordnet ist, daß die freiliegende Fläche im Elektrolyt etwa senkrecht steht und dabei die Halterung um eine etwa senkrecht zur freiliegenden Fläche verlaufende Achse rotieren kann. Im letzteren Fall können auch Verunreinigungen von der Substratoberfläche abgelöst werden.

Das Substrat kann nicht nur während des Galvanisierens sondern auch während der Vor- und Nachbehandlungen in die erfindungsge­ mäße Halterung eingebaut sein, d. h. ein Halterwechsel ist während des ganzen Prozesses nicht nötig. Da die freiliegende Fläche je nach der Behandlung entweder senkrecht oder waagerecht ausgerichtet ist, ist es vorteilhaft, wenn eine mit der Halterung verbundene Kippanordnung vorhanden ist, mittels der die Halterung um 90° geschwenkt werden kann.

Macht der Zweck, für den die strukturierte Schicht bzw. die Strukturelemente benötigt wird (werden), eine gleichmäßige Ver­ teilung der Strukturelemente schwierig, können zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Verteilung in die Abdeckmaske Öffnungen zur Erzeugung von Hilfsstrukturen eingebracht werden.

Zum Erzielen einer homogenen Schichtdicke ist es darüber hinaus günstig, wenn etwa 5 bis etwa 50% der freiliegenden Fläche mit der Abdeckmaske bedeckt werden und wenn bevorzugt Strukturele­ mente mit Durchmessern zwischen etwa 0,1 und etwa 20 mmm vorge­ sehen werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich vorteilhaft strukturierte Galvanikschichten herstellen, die zwischen etwa 5 und etwa 1000 µm dick sind, d. h. innerhalb des für technische Anwendungen besonders interessanten Dickenbereichs liegen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden bevorzugt insbeson­ dere reine Metalle, wie Kupfer, Nickel, Gold und Zinn, oder Legierungen, wie Nickel-Cobalt mit einem Cobaltgehalt zwischen etwa 5 und etwa 50 Gew.-% und Nickel-Eisen mit einem Eisen­ gehalt zwischen etwa 5 und etwa 50 Gew.-%, abgeschieden.

Es ist vorteilhaft, wenn bei einer Stromdichte im Bereich zwischen etwa 5 und etwa 50 mA/cm² galvanisiert wird. In diesem Bereich werden die gewünschten Schichtdicken innerhalb vertret­ barer Zeiten erreicht, wobei mit zunehmender Stromdichte allerdings eine Verschlechterung der Schichtdickenhomogenität in Kauf genommen werden muß.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in vorteilhafter Weise dazu, dreidimensionale Teile mit speziellen Formen herzustellen, indem die Prozeßfolge: Bereitstellung einer Abdeckmaske und Galvanisieren ein- oder mehrfach wiederholt wird und dabei die Abdeckmasken und die Schichtdicken entsprechend den herzustellenden Strukturen variiert werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Die Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch die Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Querschnittsdarstellung eine Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Hal­ terung mit einer Rohr- und einer Ringblende ausgestattet ist,

Fig. 2 in schematischer Querschnittsdarstellung eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Halterung mit einer Rohr- und einer Ringblende ausgestattet ist, in welche eine mit einem Muster durchgehender Öffnungen versehene Blende integriert ist, und

die Fig. 3-5 in schematischen Querschnittsdarstellungen strukturierte Galvanikschichten, die mit der in der Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, mit der in der Fig. 2 gezeigten Vorrichtung bzw. mit einer Vorrichtung hergestellt worden sind, die weder eine Rohr- noch eine Ringblende aufweist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird anhand der Behandlung eines einseitig metallisierten dielektrischen Substrats beschrieben, welches die Form einer dünnen runden Platte hat, wobei auf der Metall­ schicht ein bevorzugt photolithographisch oder mittels Excimer­ laserablation aufgebrachtes Maskenmuster aus einem polymeren Lack aufgebracht ist, das mit dem Negativ der herzustellenden strukturierten Galvanikschicht identisch ist. Die Lackdicke ist einheitlich und liegt bevorzugt im Bereich zwischen etwa 5 und 500 µm und ist nicht oder nicht wesentlich dünner als die Soll­ dicke der Galvanikschicht. Die herzustellenden Strukturelemen­ te haben bevorzugt eine Abmessung im Bereich zwischen etwa 0,1 und etwa 20 mm und bedecken bevorzugt zwischen etwa 50 und etwa 95% der Metallschicht, wobei die Strukturelemente möglichst gleichmäßig über die Metallschicht verteilt sind. Ein schmaler Rand der Metallschicht ist entlang deren Umfangslinie lackfrei.

Es sei klargestellt, daß die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren zwar besonders vorteilhaft sind. Jedoch sind Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns ohne weiteres möglich. Auch andere Substrate, wie beispielsweise eckige, sind erfindungsgemäß galvanisierbar.

Die in der Fig. 1 beschriebene Vorrichtung 1 weist eine Wanne 2 für den Elektrolyten 3 auf, in welchen die Halterung 4 für das Substrat 5 und die an die Spannungsquelle angeschlossene Anode 6 eintauchen. Die Position der Anode 6 ist nicht kritisch. Die bevorzugt aus einem Kunststoff, wie PMMA oder PP, oder einem ähnlichen nicht leitenden Material bestehende Halterung 4 ist - aus einem zylindrischen Gehäuse 8 mit zwei offenen Enden und einem Verschluß 9 zusammengesetzt, welcher auf das eine Gehäuseende aufgeschraubt werden kann, das dabei verschlossen wird. Das Innere des Gehäuses besteht aus drei konzentrisch mit dem Gehäuse angeordneten zylindrichen Abschnitten. Der verschlußseitige Abschnitt 10 hat einen Durchmesser, der etwas größer als der des Substrats ist. Der Durchmesser des sich anschließenden mittleren Abschnitts 11 ist etwas kleiner als der des Substrats, d. h. er bildet einen Überhang über den Abschnitt 10. An der Unterseite des Überhangs ist konzentrisch mit den zylindrischen Bereichen ein Edelstahlring 12 angebracht, der mit dem Minuspol der Spannungsquelle verbunden ist und dessen Innenwand einen Durchmesser hat, der etwas größer ist als der Durchmesser des Abschnitts 11, wobei der untere Bereich der Innenwand soweit aufgeweitet ist, daß ihr Durchmesser dort etwas größer als der des Substrats ist. In die Aufweitung ist eine Spiralfeder 18, beispielsweise aus einer Kupferlegierung, eingelegt. Der Durchmesser des Abschnitts 13 am anderen Ende des Gehäuses ist so groß, daß in ihn eine Rohrblende 14 gesteckt werden kann, deren Innendurchmesser etwa gleich dem des mittleren Abschnitts ist. Das aufgesteckte Ende der Rohrblende ist durch eine auf das Rohrende aufgesetzte mit ihr konzentrische Ringblende 15 verengt und ein Netz 16 ist über das aufgesteckte Ende gespannt.

Zum Einlegen des Substrats in die Halterung wird das Gehäuse bei abgeschraubtem Verschluß auf das vom Gehäuse abgewandte En­ de der Rohrblende gestellt. In den verschlußseitigen Abschnitt 10 wird mit ihm etwa konzentrisch eine Ringdichtung 17 mit rechteckigem oder rundem Querschnitt und einem Innendurchmes­ ser, der gleich dem des Abschnitts 11 ist, und einer Höhe gelegt, die diejenige des Edelstahlrings 12 übersteigt. Auf die Ringdichtung und konzentrisch mit ihr wird das Substrat mit der Metallschicht nach unten gelegt. Die Metallschicht wird wird über ihren lackfreien Randbereich mittels der Spiralfeder 18 elektrisch kontaktiert. Ein zweiter Edelstahlring 19, der etwa denselben Außendurchmesser hat wie der Edelstahlring 12 wird konzentrisch mit diesem auf den Randbereich der von der Metall­ schicht abgewandten Substratfläche aufgelegt und am Edelstahl­ ring 12 festgeschraubt. Dadurch wird das Substrat gegen die Ringdichtung 17 und die Spiralfeder 18 gedrückt. Dann wird der Verschluß auf das Gehäuse aufgeschraubt. Die zusammengepreßte Dichtung und eine zwischen dem Gehäuse und dem Verschluß ein­ gelegte Dichtung 20 verhindern, daß der Elektrolyt mit der Spi­ ralfeder, den Edelstahlringen, der Seitenfläche des Substrats und seiner von der Metallschicht abgewandten Fläche in Berührung kommt.

Die Halterung wird mit der waagrecht liegenden Metallschicht nach oben in der Wanne 2 gehalten, wobei der obere Rand der Rohrblende unterhalb der Elektrolytoberfläche liegt.

Der Abstand der Ringblende von der Oberfläche der herzustel­ lenden Galvanikschicht liegt zwischen etwa 1 und etwa 10 mm.

Ein Rührer 21, dessen Antrieb nicht gezeigt ist, ragt von oben in die Rohrblende hinein. Der Rührer ist nur ein Beispiel, um eine ausreichende Bewegung des Elektrolyten über der Metall­ schicht zu gewährleisten. Eine andere Möglichkeit ist das seit­ liche Absaugen des Elektrolyten über einen Ringkanal am sub­ stratseitigen Ende der Rohrblende, wobei die Absaugung auf der vom Substrat abgewandten Seite der Ringblende oder bevorzugt zwischen Substrat und Ringblende erfolgen kann. Beim Durchsau­ gen des Elektrolyten durch die Rohrblende liegt die Geschwin­ digkeit bevorzugt zwischen etwa 20 und etwa 50 cm/min. Es ist auch möglich, einen Vibromax-Rotationsschwinger oder einen Ultraschallschwinger einzusetzen, wobei entweder die Halterung oder der Elektrolyt innerhalb der Rohrblende in Schwingungen versetzt wird.

Die in der Fig. 2 gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von der in der Fig. 1 gezeigten nur dadurch, daß statt des Netzes eine Blende 22 vorgesehen ist, die - bevorzugt - fest mit der Ringblende verbunden ist und die ein Muster aus durchgehenden Öffnungen 24 aufweist. Das Muster hat dieselbe Ausbildung wie die in der Galvanikschicht vorgesehene Struktur 25, die Öffnun­ gen 24 sind aber kleiner als die entsprechenden Strukturelemen­ te 26, die durch ein Lackmuster 27 begrenzt sind. Das Muster und die Struktur sind so zueinander justiert, daß die Öffnungen den entsprechenden Strukturelementen gegenüberliegen.

Alternativ zu der in den Fig. 1 und 2 gezeigten horizontalen Lage der Halterung kann diese auch um 90° gekippt sein. Die Halterung ist bei dieser Anordnung mit einem Antrieb versehen, mit dem die Halterung während des Galvanisierens um die Zylinderachse des Gehäuses gedreht wird.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst auf die zu beschichtende Substratfläche die oben genannte Lackmaske aufgebracht. Lassen sich die benötigten Strukturelemente nicht gleichmäßig über die freiliegende Fläche verteilen, kann durch eine entsprechende Modifikation der Lackmaske das Einfügen von Hilfsstrukturen vorgesehen werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können reine Metalle, wie Kupfer, Nickel, Gold und Zinn, und Legierungen, wie Nickel- Cobalt, Nickel-Eisen mit etwa 5 bis etwa 50 Gew.-% Cobalt bzw. Eisen abgeschieden werden.

Oft verwendete Elektrolyten zum Abscheiden von Nickel- oder Nickellegierungsschichten enthalten 50 bis 120 g Nickel/l in Form des Sulfamats und Zusätze, wie Borsäure, Netzmittel und ggf. Glanzbildner, sowie ggf. Salze von Legierungskomponenten, wie Cobalt oder Eisen.

Die angewandte Stromdichte liegt bevorzugt zwischen etwa 5 und etwa 50 mA/cm².

Sollen die physikalischen Eigenschaften der Galvanikschicht und bei einer Legierungsschicht außerdem die Schichtzusammensetzung einheitlich sein, muß aus den oben angegebenen Gründen der Elektrolyt vor der Kathode gleichmäßig bewegt werden. Falls die Bewegung stark sein muß, besteht die Gefahr, daß bei den ange­ wandten Lackdicken an den Lackkanten Wirbelbildung auftritt, die Randüberhöhungen zur Folge hat, und daß allgemein die Elektrolytbewegung ungleichmäßig wird. Parameter, welche zur Elektrolytberuhigung vor der Kathode beitragen, sind die Maschenweite des Netzes, sein Abstand von der Kathode und sein Zusammenwirken mit der Rohrblende. Die durch Wirbelbildung verursachte Randüberhöhung liegt, wenn keine Vorkehrungen dage­ gen getroffen werden, beim Galvanisieren von ungefähr 100 µm dicken, strukturierten Schichten ungefähr bei 30%. Überraschen­ derweise wurde gefunden, daß die an diesen Schichten gemessene Randüberhöhung bei optimaler Ausgestaltung der Ringblende be­ züglich ihres Abstands von der Lackschicht und ihres Überhangs über den Randbereich der freiliegenden Fläche und des Netzes und bei optimaler Einstellung von Elektrolytbewegung und Strom­ dichte durch das Zusammenwirken dieser Parameter untereinander und mit der gleichmäßigen Verteilung der Strukturelemente bis auf 3% abgesenkt werden kann. Die Fig. 3 und 5 zeigen struktu­ rierte Schichten, die mit Vorrichtungen, wie sie die Fig. 1 zeigt, erzeugt wurden, wobei jedoch bei der Herstellung der Schicht gemäß Fig. 5 die Rohr- und die Ringblende fehlte.

Wie der Vergleich zwischen den Fig. 3 und 5 zeigt, ist die Ringblende nur im Randbereich der Substratoberfläche wirksam. Die Schichtbereiche auf den Strukturelementen zeigen trotz des Netzes 12 Randaufwachsungen. Eine Einebnung auch bei den Struk­ turelementen läßt sich mit der in der Fig. 2 gezeigten Vorrichtung erreichen. Die Fig. 4 illustriert das Ergebnis.

Die Dicke der Galvanikschicht wird mit einem Profilometer und bei Schichtdicken <20 µm mit einem Röntgenfluoreszenz-Schichtdickenmeßgerät (Fischerscope X-Ray 1600) gemessen. Mit diesem Gerät lassen sich bei Ver­ wendung einer speziellen Anwendungssoftware auch die Zusammen­ setzung von Nickel-Cobalt- und Nickel-Eisenlegierungen bestimmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Beispielen und einem Vergleichsbeispiel weiter veranschaulicht. Es wurden je­ weils 5 Gew.-% Cobalt enthaltende Nickel-Cobaltlegierungs­ schichten auf einer mit einer dünnen Nickelschicht versehenen runden Substratscheibe mit einem Durchmesser von etwa 100 mm aufgebracht. Die festgelegte Schichtdicke lag bei 100 µm. Die erzeugte Struktur bestand aus gleichmäßig auf der Struktur verteilten runden Strukturelementen mit einem Durchmesser von 9 mm. Mit den Strukturelementen waren 55% der freiliegenden Nickelschicht bedeckt.

Beispiel 1

Außer daß kein Rührer verwendet wurde, sondern der Elektrolyt über einen Ringkanal zwischen Ringblende und Substrat abgesaugt wurde, wurde eine Vorrichtung verwendet, wie sie die Fig. 1 zeigt. Die in dem Ringkanal gemessene Absauggeschwindigkeit lag bezogen auf den Querschnitt der Rohrblende bei 35 cm/min. Die Rohrblende hatte einen inneren Durchmesser von 90 mm. Die Ring­ blende hatte von der Oberfläche der Lackschicht 3 mm Abstand und hing etwa 2,9 mm über die freiliegende Fläche.

Die Nickelschicht wurde photolithographisch mit einer etwa 100 µm dicken Lackstruktur versehen, die das Negativ der herzustel­ lenden strukturierten Galvanikschicht darstellte.

Nach dem Einbau des Substrats in die Halterung wurde diese im Elektrolyten so plaziert, daß die Nickelschicht nach oben gerichtet war. Der Elektrolyt enthielt 80 g Nickel/l in Form des Sulfamats und 1 g Cobalt/l ebenfalls in Form des Sulfamats. Außerdem enthielt der Elektrolyt 30 g Borsäure/l und als Netz­ mittel 0,1 g Kaliumsalz einer fluorierten Sulfonsäure/l. Es wurde bei einer Stromdichte von 30 mA/cm² galvanisiert. Nach einer Galvanisierdauer von 240 min. war die festgelegte Schichtdicke gemessen in der Mitte eines Strukturelements in der Mitte des Substrats erreicht. An der hergestellten strukturierten Galvanikschicht, wurden die Schichtdicken am Rand und in der Mitte des Substrats (jeweils 5 Messungen) und bei mehreren Strukturelementen sowohl am Rand als auch in der Mitte des Elements ermittelt. Erhalten wurde eine Schicht­ dickenverteilung, wie sie die Fig. 3 schematisch wiedergibt. In der Tabelle sind die gemessenen Schichtdickenüberhöhungen (gemittelt) aufgeführt. An einigen der genannten Stellen wurde auch die Schichtzusammensetzung stichprobenartig gemessen. Sie war zufriedenstellend einheitlich.

Beispiel 2

Beim Beispiel 2 waren alle Bedingungen gleich wie beim Beispiel 1, außer daß die in der Fig. 2 gezeigte Vorrichtung eingesetzt wurde. Die strukturierte Blende hatte von der Oberfläche der Lackschicht einen Abstand von 3 mm und die Musterelemente in der Blende hatten einen Durchmesser von 15 mm und hingen ungefähr 2,8 mm über die herzustellenden Strukturelemente über.

An der hergestellten Galvanikschicht wurden die im Beispiel 1 beschriebenen Messungen durchgeführt. Erhalten wurde eine Schichtdickenverteilung, wie sie die Fig. 4 schematisch wiedergibt. Die gemessenen Ergebnisse (gemittelt) sind in der Tabelle aufgeführt. Die Einheitlichkeit der Schichtzusammen­ setzung war noch besser als beim Beispiel 1.

Vergleichsbeispiel

Zum Vergleich wurde das bei den Beispielen 1 und 2 verwendete Substrat - abgesehen davon, daß die Vorrichtung keine Rohr- und keine Ringblende aufwies - unter denselben Bedingungen wie im Beispiel 1 angegeben galvanisiert. Die erzeugte Galvanikschicht zeigte eine Schichtdickenüberhöhung im Randbereich des Sub­ strats und Schichtdickenüberhöhungen im Randbereich der Strukturelemente wie sie schematisch die Fig. 5 wiedergibt. Die gemessenen Ergebnisse sind in der Tabelle aufgeführt. Die Messung der Schichtzusammensetzung ergab, daß der Cobaltgehalt am Substratrand niedriger war, als in der Substratmitte.

Tabelle 1

Die gemessenen Ergebnisse bestätigen, was die Fig. 3 bis 5 schematisch zeigen, daß nämlich mit der erfindungsgemäßen Vor­ richtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren durch das Zusam­ menwirken von Netz, Rohr- und Ringblende, der gleichförmigen Verteilung der Strukturelemente auf der Metallschicht und der Verfahrensparameter, wie Stromdichte und Elektrolytbewegung Schichtdickenüberhöhungen am Substratrand praktisch eliminiert werden können und daß, wenn statt des Netzes die strukturierte Blende mit der Ringblende zusammenwirkt, zusätzlich eine weit­ gehende Einebnung der Strukturoberfläche auch bezüglich der Oberfläche der einzelnen Strukturelemente erreicht werden kann. Darüber hinaus werden eine mindestens zufriedenstellend einheitliche Zusammensetzung von Legierungsschichten und - daraus geschlossen - einheitliche physikalische Eigenschaften über die gesamte Galvanikschicht erreicht.

Claims (26)

1. Vorrichtung zum Herstellen einer Galvanikschicht auf einer elektrisch leitfähigen Substratfläche, wobei die Vorrichtung eine Wanne für den Elektrolyten, eine Anode, eine Gleichspan­ nungsquelle und eine Halterung aufweist, welche das Substrat so hält, daß höchstens die genannte Fläche freiliegt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Halterung eine weitere Wanne gehört, deren Boden mindestens teilweise die freiliegende Fläche bildet und an deren seitlicher Begrenzung eine Blende anliegt, welche die Peripherie der freiliegenden Fläche einrahmt und über den Randbereich der freiliegenden Fläche überhängt (im folgenden als überhängende Blende bezeichnet), und daß gegebenenfalls Mittel zum Bewegen des Elektrolyten in der weiteren Wanne vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegende Fläche den Boden der weiteren Wanne bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Begrenzung zylindrisch mit einer zu der frei­ liegenden Fläche senkrechten Achse ist, und die überhängende Blende parallel zur freiliegenden Fläche angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegende Fläche eine kreisrunde Umfangslinie hat, und daß bevorzugt die seitliche Begrenzung eine Rohrblende (14) mit kreisrundem Querschnitt und die überhängende Blende eine Ringblende (15) ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß über die freiliegende Fläche in geringem Abstand von ihr ein Netz gespannt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß über der freiliegenden Fläche eine mit einem Muster durchgehender Öffnungen (24) versehene Blende (22) angeordnet ist, wobei das Muster dieselbe Ausbildung wie eine vorgesehene Struktur (25) aus Galvanikmaterial auf dem Substrat hat, die Öffnungen (24) aber kleiner als die entsprechenden Strukturelemente (26) sind, und wobei das Muster und die Struktur so zueinander justiert sind, daß die Öffnungen den entsprechenden Strukturelementen gegenüberliegen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden und das Netz aus Polymethyl­ methacrylat, Polypropylen, Glas oder ähnlichen Materialien hergestellt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die überhängende Blende und die mit einem Muster durchgehender Öffnungen versehene Blende etwa 1 bis etwa 10 mm dick sind und bevorzugt einen Abstand von der Oberfläche der herzustellenden Galvanikschicht haben, der zwischen etwa 1 und etwa 10 mm liegt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mit einem Muster durchgehender Öffnungen versehene Blende und die überhängende Blende fest miteinander verbunden sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewegung des Elektrolyten ein in die Rohrblende hineinreichender Rührer (21), oder alternativ eine Absaugung über einen Ringkanal am substratseitigen Ende der seitlichen Begrenzung oder als weitere Alternative ein Vibrator oder ein Ultraschallschwinger vorgesehen sind, der den Elektro­ lyten in der weiteren Wanne oder die Halterung in Schwingungen versetzt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugung auf der vom Substrat abgewandten Seite der Ring­ blende oder - bevorzugt - zwischen Substrat und Ringblende erfolgt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halterung (4) im Elektrolyten so angeord­ net ist, daß die Normale der freiliegenden Fläche etwa senk­ recht nach oben weist oder daß die Halterung im Elektrolyten so angeordnet ist, daß die freiliegende Fläche etwa senkrecht steht und dabei die Halterung um eine etwa senkrecht zur freiliegenden Fläche verlaufende Achse rotieren kann.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Halterung verbundene Kippanordnung vorhanden ist, mittels der die Halterung um 90° geschwenkt werden kann.

14. Verfahren zum Herstellen einer Galvanikschicht auf einer ebenen elektrisch leitfähigen Substratfläche insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf die zu beschichtende Substratfläche eine Abdeckmaske mit einem Muster durchgehender Öffnungen aufgebracht wird, welches das Negativ einer herzustellenden galvanisierten Struktur darstellt, und in welcher die den herzustellenden Strukturelementen entsprechenden Öffnungen möglichst gleichmäßig verteilt sind.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Verteilung in die Abdeckmaske Öffnungen zur Erzeugung von Hilfsstrukturen einge­ bracht werden.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 5 bis etwa 50% der zu beschichtenden Fläche mit der Abdeckmaske bedeckt werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Durchmesser der Strukturelemente zwischen etwa 0,1 und etwa 20 mmm vorgesehen wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckmaske aus einer Lackschicht hergestellt wird, die bevorzugt zwischen etwa 5 und etwa 1000 µm, aber nicht wesentlich dünner als die Sollstärke der Galvanikschicht gemacht wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Galvanikschicht zwischen etwa 5 und etwa 1000 µm dick gemacht wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß reine Metalle, wie Kupfer, Nickel, Gold, Zinn, oder Legierungen, wie Nickel-Cobalt mit einem Cobalt­ gehalt zwischen etwa 5 und etwa 50 Gew.-% und Nickel-Eisen mit einem Eisengehalt zwischen etwa 5 und etwa 50 Gew.-%, abgeschieden werden.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen einer Nickel- bzw. einer Nickellegierungsschicht ein Elektrolyt verwendet wird, der ein Nickelsalz, bevorzugt ein Sulfamat, in einer Konzentration, die zwischen etwa 50 und etwa 120 g Nickel/l liegt, und Zusätze, wie Borsäure und Netz­ mittel und ggf. Glanzbildner, sowie ggf. Salze von Legierungs­ komponenten, wie Cobalt oder Eisen, in auf die gewünschte Legierungszusammensetzung abgestimmten Mengen enthält.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Stromdichte im Bereich zwischen etwa 5 und etwa 50 mA/cm² galvanisiert wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt während der Galvanisierung über die zu beschichtende Fläche bewegt wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein Körper aus einem Metall, einem leitfähigen Kunststoff oder einem dielektrischen Material mit einer dünnen Metallauflage ausgewählt wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Normale der zu beschichtenden Fläche beim Galvanisieren etwa senkrecht nach oben ausgerichtet oder - die zu beschichtende Fläche bei gleichzeitigem Rotieren um eine waagrecht liegende Achse - senkrecht gestellt wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßfolge: Bereitstellung einer Abdeckmaske und Galvanisieren, ein- oder mehrfach wiederholt und dabei die Abdeckmaske und die Schichtdicken entsprechend der herzustellenden Struktur variiert werden.