[发明专利]基于磁场力驱动对流效应的微细电铸方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于微细电化学加工领域，具体涉及一种微细电铸方法，还涉及实施该方法的装置。

背景技术

金属微结构与零件常常是微型机电系统、微机械与高技术产品的核心，直接影响甚至决定着其依托产品的服役性能。微细加工技术是上述微结构与零件得以实现的基础与前提。基于电化学沉积原理的微细电铸技术因具有高复制精度、高重复精度、宽材料选择范围、低工艺操作温度等工艺优势，成为金属微细制造领域的主要支撑技术之一。比如，半导体产品生产中的印制线路板布铜线、连通孔金属化、复杂形状金属微零件与微模具的制造，都需要微细电铸技术予以实现保障。

产品微型化与高性能化的发展趋势，激发着高深宽(径)比微结构(High-Aspect-Ratio Microstructures，HARMS)特征的强势需求，如甚大规模集成电路、强驱动力微马达、高灵敏度涡流传感器等。这就要求微细电铸技术具备更强的高深宽比深铸能力与均铸能力，而现有的微细电铸工艺受制于严重传质受限、电流密度分布畸变等技术瓶颈，HARMS电铸件常常呈现厚度不均、针孔、积瘤、组织疏松等多缺陷共存特征。提升微细电铸的工艺能力，减少沉积缺陷成为现今微细加工界亟待解决的发展问题。

从工艺实践可行性的角度来看，破解HARMS电铸件多沉积缺陷难题的技术关键是增强高深宽(径)比(High-Aspect-Ratio，HAR)特征微空间内电铸液的输运与交换能力。目前在电化学沉积界，强化电极过程液相传质能力的主要措施有：高速冲液、喷射给液、超声搅拌、阴极移动或磨粒摩擦阴极表面等。但这些措施只能适用于常规电铸工艺或小深宽(径)比微结构的电铸场合。这是因为，上述大部分措施的搅拌致动力或难以突破HAR微空间的尺度限制，或克服强大的表面张力滞缚，深入到微空间内部，直接“扰动”其中几近静滞的电铸液，实施高效的对流传质。基于现有电铸液致动措施的HARMS电铸，微空间内的电铸液无法形成强烈的对流运动，扩散层极厚(近似等于微空间的深度)，传质受限极其严重，沉积缺陷多，电铸件组织结构参差不一。所以，有必要探索新的搅拌致动方式或致动力来实现HAR微空间内电铸液的高效传质。

发明内容

本发明是为解决微细电铸过程液相传质严重受限的技术问题，提供一种基于磁场力驱动对流效应的微细电铸方法及装置，解决了高深宽(径)比微结构电铸的液相传质受限问题，所制备的电铸件厚度均匀，沉积缺陷少、组织致密。

本发明的技术方案是以下述方式实现的：

基于磁场力驱动对流效应的微细电铸方法，首先把阳极与阴极芯模放置在电铸槽内，之后向电铸槽内加电铸液、阴阳极接通电源，当芯模上电铸层达到规定厚度之后断电，停止供液与电铸，取出芯模脱模去胶，电铸过程中，芯模外叠加有与阴阳极间电流方向垂直的磁场。

上述叠加于芯模的磁场为稳恒磁场或变化磁场

向电铸槽内加电铸液的喷嘴出液速度不小于2mm/s。

阳极和芯模正对水平放置在电铸槽内，阳极在上，芯模在下。

阳极和芯模之间相距30～50mm。

电铸槽内电铸液的液面高过阳极3～5cm。

实施上述方法所需要的装置，包括电铸系统、电铸液温度控制系统和电铸液循环系统，电铸系统内的芯模外侧设有磁场发生器。

所述磁场发生器是永磁体或者超导磁体发生器或者脉冲强磁体发生器或者复合磁体发生器。

采用上述技术方案，本发明的有益效果为：

1、直接利用磁场力驱动大深径比微空间内的电铸液产生对流效应，强力“扰动”溶液，传质高效，方法简单；

2、利用磁场力驱动对流效应来强化微细电铸过程的液相传质，传质效果受微结构的形状特征(如特征尺寸、截面形状、深宽比等)、电铸槽特性(如电铸槽大小、电铸液组分及其性质、浓度等)的影响小，适用性强；

3、磁场力驱动对流效应能直接深入到大深径比微空间的内部，直接搅拌沉积面附近的电铸液，能大大减薄扩散层，从而提高沉积速度，大幅度减少沉积缺陷；

4、磁场力驱动对流效应在强化微空间内深部电铸液传质作用的同时，叠加的磁场效应能进一步调控电结晶过程，细化晶粒，优化电铸件的组织结构；

5、电铸时，芯模阴极与阳极正对水平放置，使得电铸芯模附近液层能产生更明显的离子浓度差致自然对流现象，从而强化辅助传质作用，并有利于反应伴生气体和气泡的浮升排出，减少铸层针孔缺陷。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是现有技术中微细电铸微空间内流场分布示意图；

图3是本发明的微细电铸微空间内流场分布示意图。