新興的高能束流電鍍技術(shù) 激光電鍍

新興的高能束流電鍍技術(shù)

激光電鍍

LaserElectroplating201011621姚江一．引言

激光電鍍是一種新興的高能束流電鍍技術(shù)，它對微電子器件和大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)和修補(bǔ)具有重大的意義。

目前，雖然激光電鍍原理、激光消融、等離子激光沉積和激光噴射等方面還在研究之中，但其技術(shù)已在使用。一種連續(xù)激光或沖激光照射在電鍍池中陰極表面時(shí)，它不僅能大大提高金屬的沉積速度，而且可用計(jì)算機(jī)控制激光束的運(yùn)動軌跡而得到預(yù)期的復(fù)雜幾何圖形的無屏蔽鍍層。20世紀(jì)80年代又研究出一種激光噴射強(qiáng)化電鍍的技術(shù)，將激光強(qiáng)化電鍍技術(shù)與電鍍液噴射結(jié)合起來，使激光與鍍液同步射向陰極表面，其傳質(zhì)速度大大超過激光照射所引起的微觀攪拌的傳質(zhì)速度，從而達(dá)到很高的沉積速度。

激光電鍍是把激光用于常規(guī)鍍的新技術(shù)，激光的引發(fā)作用使電化學(xué)反應(yīng)大大增強(qiáng)，電鍍速率提高二至三個(gè)數(shù)量級。激光具有極好的方向性，用光學(xué)系統(tǒng)可使激光束聚焦成極小光點(diǎn)，因此激光電鍍的空間分辨率可以達(dá)到微米量級。這就為微電子技術(shù)提供了一種不用光掩模進(jìn)行微細(xì)加工的新方接。二．原理

常規(guī)電鍍在浸于電解液中的兩個(gè)電極之間進(jìn)行，把待鍍金屬基體放在含有某種金屬的鹽類溶液中，借助于外電源驅(qū)動并通過電解作用使金屬離子在基體表面還原沉積成金屬鍍層。對電解沉積過程的分析研究表明要在陰極基體上形成電鍍層主要包括離子遷移、電荷轉(zhuǎn)換和晶格化三個(gè)過程，而沉積速率主要由離子遷移速率和電荷交換速率所決定。進(jìn)一步研究表明離子遷移過程主要有擴(kuò)散、對流和電遷移三種方式，要提高這三種方式的速率可采取下列措施：提高電解液溫度對電解液進(jìn)行攪拌增加極間電壓或減少極區(qū)距離加大電鍍液濃度部受光照區(qū)域沉積過程的劇烈加速。這種對激光引發(fā)的電鍍增強(qiáng)效應(yīng)的理論解釋稱為激光電鍍的熱模型。還有一種用來解釋電鍍增強(qiáng)效應(yīng)的光模型，這一模型認(rèn)為電鍍反應(yīng)的增強(qiáng)來源于光解效應(yīng)，亦即激光促進(jìn)了電解液離子自分解引起電化學(xué)反應(yīng)速度的增大，從而導(dǎo)致電鍍速率的增加。激光電鍍的基本原理如圖1所示。激光器輸出的激光束經(jīng)透鏡聚焦后投射到陰極表面，在陰極附近的微小區(qū)域里形成極高的光功率密度。受光照的陰極材料吸收激光能量后，使電解液—陰極界面附近的局部微小區(qū)域里的溫度驟然升高，產(chǎn)生陡峭的溫度梯度并在電解液中引起強(qiáng)烈對流，從而攪拌了溶液。溫升和攪拌造成局部區(qū)域里離子遷移率增加，陰極還原反應(yīng)增強(qiáng)和平衡電位正向漂移，最后導(dǎo)致電鍍速率的增加。因此，激光電鍍的機(jī)理可概括為；陰極吸收激光能量后引起光致溫度驟升，造成局部范圍里電化學(xué)反應(yīng)大大增強(qiáng)，導(dǎo)致在陰極表面局

激光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦后能達(dá)到極高的功率(能量)密度,例如功率為1瓦的氫激光器的輸出光束經(jīng)過透鏡聚焦成直徑為幾十微米的光點(diǎn),其功率密度可達(dá)104-105瓦/厘米。受光照的陰極材料吸收激光能量后,將使電解液一陰極界面附近的局部微小區(qū)域里的溫度驟然升高而產(chǎn)生陡峭的溫度梯度,并在電解液中引起強(qiáng)烈對流,從而攪拌了溶液。溫升和攪拌造成局部區(qū)域里離子遷移率增加,陰極還原反應(yīng)增強(qiáng)和平衡電位的正向漂移,最后導(dǎo)致陰極受光照局部區(qū)域沉積速率的升高和電鍍電流的增加。我們定義增強(qiáng)比E等于激光照射時(shí)的電鍍電流密度與無激光照射時(shí)背景電鍍電流密度之比,它可以用下列公式表示:激光增強(qiáng)電鍍銅的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示從氨離子激光器發(fā)出的激光束經(jīng)透鏡系統(tǒng)聚焦后照射在陰極上,陰極為預(yù)先鍍有鎳薄膜的玻璃基片,陽極為金屬鉑片。電解槽用有機(jī)玻璃制成,側(cè)面裝有通光用的光學(xué)玻璃窗口,槽體固定在可進(jìn)行三維平動及繞垂直軸轉(zhuǎn)動的可調(diào)平臺上。電解液為CuSO4的水溶液,溶液呈藍(lán)綠色對氫激光有良好的透明度。兩電極間施加2V左右的直流電壓,由常用直流穩(wěn)壓電源供電,電鍍電流則用直流數(shù)字電流表測量。激光照射時(shí)間用電動快門來控制。在實(shí)驗(yàn)中激光照射采用連續(xù)波和脈沖兩種方式,前一種方式由氫離子激光器輸出的連續(xù)波激光提供,后一種方式則是利用一個(gè)斬光器把連續(xù)波激光加以調(diào)制后再射入電解槽,斬光器的頻率可從20Hz調(diào)諧到1000Hz。利用上述實(shí)驗(yàn)裝置我們分別測量激光照射前后的電鍍電流值,求出激光增強(qiáng)的電鍍電流變化量△I。鍍點(diǎn)直徑(或鍍線寬度)d用微米級讀數(shù)顯微鏡測量。根據(jù)公式可以從電流變化量△Ｉ和直徑d算出增強(qiáng)比E。鍍層厚度用輪廓儀測出,沉積速率R用厚度H除以曝光時(shí)間T來計(jì)算:R=H/T。為了研究電鍍參數(shù)隨工作條件變化的規(guī)律,我們分別改變激光功率P、極間電壓V和斬光器調(diào)制頻率,然后測量電流變化量△I、鍍點(diǎn)直徑d和鍍層厚度H的變化,并算出增強(qiáng)比E的變化。使用上述實(shí)驗(yàn)裝置,我們成功地用激光增強(qiáng)電鍍方法獲得了金屬銅的鍍點(diǎn)和鍍線。我們試驗(yàn)了各種不同的實(shí)驗(yàn)條件,得到銅鍍點(diǎn)的直徑在30-100um,銅鍍線的寬度約為40um,用輪廓儀測出的鍍層厚度為1-2um（在不同光照時(shí)間下）,沉積速率約為1um/s,比無激光照射的背景沉積速率(10-3um/s)快三個(gè)數(shù)量級。我們測量了各種不同條件下的電鍍電流變化量△I并由此算出增強(qiáng)比E的結(jié)果在102-104（典型數(shù)據(jù)為103）。這就意味著由激光增強(qiáng)的電鍍電流值比背景電鍍電流(無激光照射)大1000倍這一結(jié)果是同上面所述由激光引發(fā)的沉積速率的增強(qiáng)比相符合的。電鍍參數(shù)(電鍍電流變化量△I,鍍點(diǎn)直徑d,鍍層厚度H增強(qiáng)比E)隨工作條件入射激光功率P、極間電壓V和脈沖光調(diào)制頻率f)變化的規(guī)律如圖所示。圖2表示當(dāng)入射激光功率批改變時(shí)電鍍電流變化量△I,鍍點(diǎn)直徑d和增強(qiáng)比E的變化。從圖可以看出:電鍍參數(shù)△I、d和E都隨入射功率P增加而增加。這一規(guī)律是同激光增強(qiáng)電鍍的機(jī)理相符的,即吸收激光能量越大,電鍍參數(shù)變化亦越大。圖3表示電鍍參數(shù)隨極間電壓V的變化從圖可以看出:電鍍電流變化量△I隨極間電壓,的增加而緩慢上升,而增強(qiáng)比E卻逐漸下降。增強(qiáng)比E下降的原因是在極間電壓V增加的同時(shí),背景電流I(無激光照射)也增加,這就導(dǎo)致E的減少。我們觀察實(shí)驗(yàn)里的陰極基片也可以看出,當(dāng)極間電壓增加時(shí),電鍍背景也隨之加深,這就影響了電鍍質(zhì)量。因此在工作時(shí),極間電壓不宜加得過高,一般控制在2V以下。我們用斬光器對連續(xù)波激光束的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制后所形成的脈沖激光進(jìn)行增強(qiáng)電鍍實(shí)驗(yàn)表明:脈沖激光與連續(xù)激光相比,能降低鍍點(diǎn)顆粒的孔隙度,改善鍍層均勻度,增加牢固度。當(dāng)我們將調(diào)制頻率從20Hz改變到1000Hz時(shí),發(fā)現(xiàn)電鍍參數(shù)△I、d和鍍層厚度H都隨頻率增加而減少(見圖4)。這一結(jié)果是同介質(zhì)對脈沖激光能量的吸收量與光脈沖頻率成反比的規(guī)律相符合的。三．與傳統(tǒng)的電鍍工藝相比，激光鍍技術(shù)具有以下特點(diǎn)1)高度選擇性可以微區(qū)局部鍍覆金屬，金屬線條寬度可以達(dá)到2um。2)廣泛適應(yīng)性。激光鍍不但可以在金屬(Al、Fe)上進(jìn)行，還可以在多種半導(dǎo)體(Si、Ga、As)，絕緣體(陶瓷、微晶玻璃、聚酰亞胺、聚四氟乙烯)基材上直接鍍覆Au、Ag、Pd、Ni、Cu等。3)高速沉積性激光誘導(dǎo)沉積速度大大提高，比常規(guī)電鍍要高上千倍，激光鍍金可達(dá)1μm／s，激光鍍銅可達(dá)10μm／s，激光噴射鍍金可達(dá)12μm／s，激光噴射鍍銅可達(dá)50μm／s，如電鍍金時(shí)結(jié)合噴鍍可使Au沉積速度達(dá)30um∕s；4)可以實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制利用計(jì)算機(jī)控激光束的掃描軌跡可以得到預(yù)期的各種線路圖形。5)鍍層與基體有一定相互擴(kuò)散，結(jié)合力較一般方法為好。6)金屬沉積僅發(fā)生在激光照射區(qū)域．無需采用屏蔽措施便可得到局部沉積鍍層，可在常溫下工作，從而簡化了生產(chǎn)工藝，并且節(jié)約大量貴金屬，節(jié)省設(shè)備投資和加工時(shí)間。四．激光電鍍的應(yīng)用激光電鍍應(yīng)用于實(shí)際主要基于以下兩種特征:①在激光照射區(qū)域的速度比在本體的電鍍速度高得多(約103倍);②激光的控制能力強(qiáng),可使材料的必要部分析出所需的金屬量。普通電鍍發(fā)生在整個(gè)電極基體上,電鍍速度慢,難以形成復(fù)雜和精細(xì)的圖案。采用激光電鍍可把激光束調(diào)節(jié)到微米大小,在微米尺寸上進(jìn)行無屏蔽描圖。對于電路設(shè)計(jì)、電路修復(fù)和在微電子連接器部件上的局部沉積,這類型的高速描圖愈來愈有實(shí)際意義。

激光電鍍除了可提高電鍍速度外,還可改善沉積層的質(zhì)量。激光照射能提高成核的速度,使結(jié)晶顆粒細(xì)小致密。激光產(chǎn)生的熱效應(yīng)也起局部清潔基體表面的作用,因此在難鍍的基體上能得到結(jié)合緊密的鍍層。4.1激光電鍍在鍍金上的應(yīng)用

隨著電腦、微電子儀表工業(yè)的高速發(fā)展微電子元件及大規(guī)模集成電路板需求激增。鍍金以其高耐熱、高電導(dǎo)和易焊接等優(yōu)良性能在上述工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。在該領(lǐng)域中,傳統(tǒng)的鍍金生產(chǎn)工藝是采用屏蔽再鍍覆或全部鍍覆后再刻蝕的方法。這些工藝不僅費(fèi)工時(shí),而且浪費(fèi)大量昂貴的金。人們一直尋求一種更經(jīng)濟(jì)的鍍金技術(shù),激光增強(qiáng)電鍍金因而應(yīng)運(yùn)而生。在KAu(CN)2系鍍液中,以氬離子激光聚焦在鍍了鎳的銅鋅合金陰極上,恒電位沉積細(xì)金線。研究激光掃描速度、激光功率和陰極電位對沉積物性質(zhì)、沉積速度和圖案大小的影響。在700mV和激光功率為3W時(shí),形成晶粒直徑<1um的沉積物,電鍍速度為1um/s。隨著激光功率和陰極電位的增加,電鍍速度增大。激光束直徑約為15um時(shí),電鍍點(diǎn)直徑為20um,后者之所以大于前者是因?yàn)槿芤汉突w的熱傳導(dǎo)所引起的。電鍍點(diǎn)的直徑隨激光功率和陰極電位增加而線性增大。采用激光掃描時(shí),加速電荷轉(zhuǎn)移,沉積速度可達(dá)到20～30um/s,劃線速度可達(dá)50um/s。金線的寬度隨陰極電位呈指數(shù)增加,隨激光功率線性增加。所得金線結(jié)構(gòu)緊密,與基體結(jié)合好,電阻低(5×10-6Ω/cm)。為了改善傳質(zhì),進(jìn)一步提高鍍速,同時(shí)采用激光和液體噴射進(jìn)行電鍍。最近Bratoeva等廣泛地研究了激光對金屬電沉積的影響。在激光照射下,在銅、黃銅、鋼鐵、科伐(共膨脹)合金、陶瓷和玻璃-纖維-樹脂基體上,控電位沉積Ni、Fe、Co、Ni-Fe、Co-Ni-Fe、Ni-Mo、Zn、Sn-Pb、Ag和Au等金屬或合金。用掃描電鏡觀察沉積層的結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)在激光照射下沉積顆粒細(xì)致緊密。這種激光電沉積方法已不限于無屏蔽制作線路板;還有可能作為一種新技術(shù),應(yīng)用于陰極表面上難以進(jìn)入和暗淡部分的電沉積,以及節(jié)省短缺或稀貴的金屬。因此,激光應(yīng)用于電沉積過程所產(chǎn)生的效果,不僅抵償了激光設(shè)備的費(fèi)用,而且?guī)砹嗽S多技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的效益。4.2激光化學(xué)鍍

在激光增強(qiáng)化學(xué)鍍中,相當(dāng)快速的金屬沉積只發(fā)生在吸收激光的區(qū)域,而其它地方卻沒有金屬沉積。采用激光增強(qiáng)化學(xué)鍍可在非金屬基板上形成圖案。普通化學(xué)鍍要加熱全部溶液,使鍍液不穩(wěn)定;而激光化學(xué)鍍只是加熱小部分鍍液,因此可延長鍍液使用壽命。在酸性CuSO4溶液中,在預(yù)鍍銅膜或鎳膜(用蒸鍍方法)的玻璃或苯酚樹脂上,用氬離子激光誘導(dǎo)沉積銅點(diǎn)和銅線。沉積銅的厚度隨著預(yù)鍍銅膜厚的增加而減小,當(dāng)預(yù)鍍銅厚度為10um時(shí),沉積銅的厚度為零。激光增強(qiáng)化學(xué)鍍鎳的沉積速度比一般化學(xué)鍍鎳大4倍,而沉積金屬的量大約正比于照射時(shí)間和沉積速度。采用氬離子激光在聚酰亞胺基體上化學(xué)鍍鎳,鍍液的組成為:0.08mol/LNiSO4,0.04mol/L次亞磷酸鈉,0.30mol/L乳酸鈉,0.03mol/L丙酸鈉,氯化鉛為1ppm,用NaOH調(diào)節(jié)pH。最大功率為5W,波長為0.5143um和0.480um。所提鍍點(diǎn)大小和光束直徑一樣,但功率減小時(shí)則小于光束直徑。此外,利用激光化學(xué)鍍,可在Si或GaAs半導(dǎo)體上描繪圖案。五．結(jié)論

激光增強(qiáng)電鍍是激光化學(xué)沉積的一個(gè)重要研究方向,國外已有美、德等國開展研究,但國內(nèi)至今未見報(bào)道。我們在激光增強(qiáng)電鍍方面的實(shí)驗(yàn)研究是探索性的,但已取得有希望的結(jié)果。我們已鍍出了直徑為幾十微米的銅點(diǎn)（或線）,若將聚焦系統(tǒng)加以改進(jìn),完全可鍍出微米量級的點(diǎn)、線。我們將已鍍上銅點(diǎn)（線）的樣品長時(shí)間（超過一個(gè)月）考驗(yàn)表明：鍍層牢固度良好。這兩點(diǎn)對于今后在微電子器件制作和修補(bǔ)上的應(yīng)用是很有價(jià)值的。

我們經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)已初步掌握了激光增強(qiáng)電鍍的實(shí)驗(yàn)方法,摸索了電鍍參數(shù)受工作條件變化