專利名稱：基于離子電導的電化學微細加工方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于印刷電路之間的電連接的非印刷方法及裝置，尤其涉及基于離子電導的電化學微細加工方法及裝置。
傳統(tǒng)的集成電路制作和微型機械制造等微細加工技術(shù)，均基于紫外線、離子束、電子束和X射線等刻蝕方法來實現(xiàn)，可加工寬度數(shù)微米至亞微米級的微細線。采用紫外線的波長多為436mm和365mm，要實現(xiàn)波長尺度以下的微加工，必須采用相移法等高難技術(shù)。而采用電子束、離子束和X射線作刻蝕，則須具備高真空和高電壓條件，甚至還需利用加速器。此外，這些刻蝕方法往往需要預先制作掩模?？傊诳涛g技術(shù)的微細加工方法，存在射線源、裝置和苛刻技術(shù)條件等因素的制約，目前還沒有一種加工線寬小于0.2μm的簡易加工方法，據(jù)最新報道，1998年英特爾公司推出的最先進中央處理器，其集成電路線寬為0.25μm。為制作集成度更高的超大規(guī)模集成電路，需要尋找新的微細加工方法。
本發(fā)明的目的是提供一種巧妙地將電化學電解技術(shù)與基于離子電導的反饋控制及掃描技術(shù)相結(jié)合的基于離子電導的電化學微細加工方法及裝置。
為了達到上述目的本發(fā)明采取下列措施，方法采用金屬電極置于充滿電解液的毛細管中所組成的加工電極作為陽極，被加工樣品置于充滿電解液的電解槽中作為陰級，加工電極橫向掃描被加工樣品表面時，基于加工電極與被加工樣品之間的離子電導變化，利用反饋系統(tǒng)控制兩者的間距，當加工電極與被加工樣品之間施加直流電壓時，它們之間發(fā)生電解反應，控制加工電極以不同路徑掃描，在被加工樣品表面析出所需的點、線、面圖案的金屬電極物質(zhì)。裝置具有電化學電解部分和XY掃描與Z向反饋控制系統(tǒng)部分，電化學電解部分具有毛細管，在毛細管中充滿電解液，并置有金屬電極，三者組合作為陽極的加工電極，作為陰極的被加工樣品，置于電解槽的底部，表面被槽內(nèi)電解液覆蓋，XY掃描與Z向反饋控制系統(tǒng)部分具有與加工電極相固定的XY壓電陶瓷掃描器和Z向反饋壓電陶瓷，并分別通過兩導線，與控制電路相接，控制電路再通過兩導線分別與金屬電極和被加工樣品相接。
本發(fā)明的優(yōu)點原理先進，巧妙地將電化學電解技術(shù)與基于離子電導的反饋控制及掃描技術(shù)相結(jié)合，比傳統(tǒng)的刻蝕法微細加工技術(shù)簡潔得多，并且不存在射線源、專門裝置和苛刻技術(shù)條件等的限制。更重要的是，本發(fā)明提供從10nm至10μm的加工線寬，其中最小加工線寬可提高到10nm量級，加工集成度高，為超大規(guī)模集成電路的制作提供了新的基礎(chǔ)。
下面結(jié)合附圖作詳細說明。


圖1是基于離子電導的電化學微細加工裝置(I型)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是基于離子電導的電化學微細加工裝置(I型)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是基于離子電導的電化學微細加工裝置(I型)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本裝置加工電極(I型)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本裝置加工電極(I型)結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是被加工樣品表面析出金屬電極物質(zhì)微細線條示意圖。
基于離子電導的電化學微細加工裝置具有電化學電解部分15和XY掃描與Z向反饋控制系統(tǒng)部分16，電化學電解部分具有毛細管1，在毛細管中充滿電解液3，并置有金屬電極2，三者組合作為陽極的加工電極，作為陰極的被加工樣品4，置于電解槽5的底部，表面被槽內(nèi)電解液6覆蓋，XY掃描與Z向反饋控制系統(tǒng)部分具有與加工電極相固定的XY壓電陶瓷掃描器13和Z向反饋壓電陶瓷14，并分別通過導線10、11，與控制電路9相接，控制電路通過導線7、8分別與金屬電極2和被加工樣品4相接。毛細管開口內(nèi)徑為10納米至10微米。被加工樣品為金屬或半導體基板或在絕緣體基板上的金屬膜或半導體膜。電解液為無機鹽與酸的混合水溶液。
如圖1所示，毛細管1、金屬電極2和毛細管內(nèi)電解液3三者組合作為加工電極(陽極)，被加工樣品4作為陰極，放置于電解槽5的底部，表面被槽內(nèi)電解液6覆蓋。當毛細管尖端1a在縱向逼近被加工樣品4的表面時，由于可供離子流動的空間變窄，加工電極與樣品間的離子電導急劇下降，并隨兩者間距的改變而改變。當驅(qū)動XY壓電陶瓷掃描器13使加工電極在橫向掃描樣品表面時，基于離子電導的變化，利用控制電路9控制Z向反饋壓電陶瓷14的伸縮，不斷抬高或降低加工電極高度，可保持加工電極與樣品間的距離恒定。在加工電極與被加工樣品間施加直流電壓，它們之間將發(fā)生電解反應，在接近毛細管開口的被加工樣品表面的微小區(qū)域析出金屬電極物質(zhì)?？刂萍庸る姌O以不同路徑掃描，即可在被加工樣品表面加工出任意形狀的點、線、面等圖案17，加工線寬與毛細管開口內(nèi)徑在同一數(shù)量級。
如圖2所示，主要方案與圖1相同，只是引入一與被加工樣品距離恒定的參考電極18，通過導線19與控制電路9相連。引入?yún)⒖茧姌O的目的，是根據(jù)它與被加工樣品4之間的離子電導，提供一參考電流，控制電路9以參考電流為基準，反饋控制加工電極與被加工樣品間的間距。而實際上，參考電極所提供的參考電流往往隨時間與環(huán)境條件的變化而變化。因此采用圖1所示的方案最佳，參考電流直接由控制電路9內(nèi)部提供。
如圖3所示，XY壓電陶瓷掃描器13用來控制整個電解槽5連同電解液6和被加工樣品4的XY運動，以使它們相對于加工電極進行掃描，理論上同樣可實現(xiàn)對被加工樣品的微細加工。但由于電解槽有相當?shù)闹亓浚琗Y壓電陶瓷掃描器難以支撐，另外，掃描過程中電解液可能產(chǎn)生晃動，影響微細加工的過程與精度。
如圖4所示，毛細管具有非常尖銳的尖端形狀1a，即尖端外徑與開口內(nèi)徑都很小。其中開口內(nèi)徑在10nm至10μm之間，以將加工線寬控制在同一量級。這種形狀的毛細管具有良好的電阻、電容與離子電導等電化學特性，而且不管被加工樣品表面形貌如何，均可將毛細管逼近到緊靠樣品表面進行微細加工，以精確控制加工區(qū)域與加工線寬。
如圖5所示，這種毛細管具有極微細的開口內(nèi)徑，但端部1b的外徑與整個管子相同。雖然它同樣具有良好的電阻、電容與離子電導等電化學特性，可滿足微細加工的要求，但因為其端口徑很大，逼近被加工樣品表面時與樣品表面接觸可能性增大，無法充分逼近樣品表面，也就難以控制加工區(qū)域與加工線寬。此外，在掃描過程加工電極易與樣品表面碰撞，往往將毛細管折斷。
毛細管內(nèi)電解液3采用無機鹽與酸的混合水溶液，例如CuSO4與H2SO4的水溶液，其中起作用的離子是Cu2+；毛細管1內(nèi)部微電極2采用金屬電極，例如Cu；電解槽5內(nèi)的電解液6采用酸的水溶液，例如H2SO4的水溶液。這樣在被加工樣品表面加工而成的是經(jīng)電解反應析出的Uu。同樣，采用Al3+時析出Al，Au3+時析出Au，F(xiàn)e2+時析出Fe，Cr3+時析出Cr，Mn2+時析出Mn，等等。
控制電路9的主要作用，一是控制XY壓電陶瓷掃描器13的橫向掃描，二是根據(jù)離子電導的變化控制Z向反饋壓電陶瓷14的縱向伸縮，以保持加工電極與被加工樣品間的間距恒定。這一控制電路可以自行設(shè)計，也可采用市購的PID(比例——積分——差分)反饋控制電路，再根據(jù)實際要求加以改進。
如圖6所示，在被加工樣品4表面加工出的微細線條為17，被加工樣品可采用金屬、半導體基板，或在絕緣體基板上的金屬膜或半導體膜。加工出的微細線條實際上是在樣品表面析出的金屬電極物質(zhì)，由于利用反饋控制系統(tǒng)始終保持加工電極與被加工樣品間的間距恒定，因此當勻速掃描加工電極時，可在樣品表面加工出均勻的微細線條。如前所述，線寬與毛細管開口內(nèi)徑在同一尺度量級。即10nm至10μm之間。
權(quán)利要求
1.一種基于離子電導的電化學微細加工方法，其特征在于采用金屬電極置于充滿電解液的毛細管中所組成的加工電極作為陽極，被加工樣品置于充滿電解液的電解槽中作為陰級，加工電極橫向掃描被加工樣品表面時，基于加工電極與被加工樣品之間的離子電導變化，利用反饋系統(tǒng)控制兩者的間距，當加工電極與被加工樣品之間施加直流電壓時，它們之間發(fā)生電解反應，控制加工電極以不同路徑掃描，在被加工樣品表面析出所需的點、線、面圖案的金屬電極物質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一和基于離子電導的電化學微細加工方法，其特征在于所說毛細管開口內(nèi)徑為10納米至10微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于離子電導的電化學微細加工方法，其特征在于所說的被加工樣品為金屬或半導體基板或在絕緣體基板上的金屬膜或半導體膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于離子電導的電化學微細加工方法，其特征在于所說的電解液為無機鹽與酸的混合水溶液。
5.一種按上述方法設(shè)計的基于離子電導的電化學微細加工裝置，其特征在于它具有電化學電解部分[15]和XY掃描與Z向反饋控制系統(tǒng)部分[16]，電化學電解部分具有毛細管[1]，在毛細管中充滿電解液[3]，并置有金屬電極[2]，三者組合作為陽極的加工電極，作為陰極的被加工樣品[4]，置于電解槽[5]的底部，表面被槽內(nèi)電解液[6]覆蓋，XY掃描與Z向反饋控制系統(tǒng)部分具有與加工電極相固定的XY壓電陶瓷掃描器[13]和Z向反饋壓電陶瓷[14]，并分別通過導線[10]、[11]，與控制電路[9]相接，控制電路通過導線[7]、[8]分別與金屬電極[2]和被加工樣品[4]相接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種按上述方法設(shè)計的基于離子電導的電化學微細加工裝置，其特征在于所說毛細管開口內(nèi)徑為10納米至10微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種按上述方法設(shè)計的基于離子電導的電化學微細加工裝置，其特征在于所說的被加工樣品為金屬或半導體基板或在絕緣體基板上的金屬膜或半導體膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種按上述方法設(shè)計的基于離子電導的電化學微細加工裝置，其特征在于所說的電解液為無機鹽與酸的混合水溶液。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于離子電導的電化學微細加工方法及裝置。它是采用金屬電極置于充滿電解液的毛細管中所組成的加工電極作為陽極,被加工樣品置于充滿電解液的電解槽中,作為陰級,加工電極橫向掃描被加工樣品表面時,基于加工電極與被加工樣品之間的離子電導變化,利用反饋系統(tǒng)控制兩者的間距,當加工電極與被加工樣品之間施加直流電壓時,在被加工樣品表面析出所需的點、線、面圖案。本發(fā)明原理先進,加工集成度高,為超大規(guī)模集成電路的制作提供了新的基礎(chǔ)。
文檔編號H05K3/18GK1195961SQ9810470
公開日1998年10月14日 申請日期1998年1月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月22日
發(fā)明者章海軍, 黃峰 申請人:浙江大學