Galvanische Abscheidung von Metallen aus nichtwäßrigen Elektrolyten für die Mikrosystemtechnik

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wurde die galvanische Abscheidung von Metallen bzw. Metall-
legierungen aus nichtwäßrigen Elektrolyten untersucht, um die Materialpalette der LIGA-Technik zu erweitern und somit die Möglichkeit zur Entwicklung und Herstellung neuer Mi-krostrukturprodukte zu geben.

Die bisher ungelöste Aufgabe der galvanischen Abscheidung von Übergangsmetallen wie Titan und Vanadium erforderte grundlegende elektrochemische Untersuchungen an Verbindungen dieser Metalle in organischen, aprotischen Elektrolyten. Es wurden hierbei graue metallische Abscheidungen von Titan mit einem Gehalt von 56 % und von Aluminium-Vanadium mit einer prozentualen Zusammensetzung von 90 zu 10 erhalten. Anhand von
elektrochemischen Untersuchungen an Magnesium-, Aluminium- und Nickelverbindungen und durch einen Vergleich mit den Ergebnissen bei Titan und Vanadium wurde das extrem unterschiedliche Abscheidungsverhalten dieser Metalle qualitativ mit den Valenzelektronen und -orbitalen erklärt. Aus der Analyse der Elektrokristallisationsphänomene wurden unter Einbeziehung der MO(Molecular Orbital)-Theorie und von Literaturdaten Regeln zur Entwicklung von nichtwäßrigen Elektrolyten für die Abscheidung von Übergangsmetallen der 4.-6.- bzw. IVb-VIb-Gruppe des Periodensystems der Elemente aufgestellt.

Der prozesstechnische Teil dieser Arbeit beinhaltet die erstmalige Entwicklung einer anwendungstauglichen additiven Mikrostrukturierung von Aluminium mittels UV-Lithogra-phie und Mikrogalvanik. Hierfür mußte eine Abstimmung des Elektolyten, der Materialien und der Arbeitsparameter innerhalb des Mikrostrukturprozesses erfolgen.Als mikrostrukturierbare Kunststoffe zur Herstellung verlorener Formen für die nichtwäßrige Aluminiumgalvanik wurden ein Polyimid- und ein Polyepoxidresist (SU-8) ausgewählt. In Vorversuchen wurden die mikrostrukturierten Kunststoffe auf ihre Haftfähigkeit zur Galvanikstartschicht, Formtreue nach chemischer und thermischer Behandlung, selektive Löslichkeit und Kompatibilität zum Elektrolyten untersucht. In allen Punkten ist der Polyepoxidresist gegenüber dem Polyimidresist überlegen. Da die Entfernung des vernetzten SU-8-Resists problematisch ist, wurde ein naßchemisches Strippverfahren entwickelt, das es ermöglicht, den Kunststoff schnell und sauber aus den Aluminiumstrukturen zu entfernen. Der verwendete Aluminiumelektrolyt K[Al₂Et₆F]/4 Toluol/1 Diisopropylether wurde wegen seiner guten mikrogalvanischen Voraussetzungen, guten Badstabilität und einfachen Badkontrolle ausgewählt. Für die Galvanoformung der Kunststoffmikrostrukturen wurden Stromdichten von 3-6 mA/cm² angewendet. Bei einer 100 %igen kathodischen Stromausbeute ergeben sich Abscheidungsgeschwindigkeiten von 2.9-5.9 µm/h. Die metallischen Mikrostrukturen zeichnen sich durch glatte, senkrechte Seitenwände, vollständige Auffüllung, gute Haftung und eine homogene Oberfläche aus.

Electrodeposition of metals from nonaqueous electrolytes for the microsystem

technology

This report describes the developement of fundamentals and process technology of metal and metal alloy electrodeposition from nonaqueous electrolytes with the aim to increase the variety of materials for the LIGA technology and consequently to give the possibility of developing and manufacturing new microstructure devices.

The up to now unsolved task of electrodeposition of d-metals like titanium and vanadium required principle electrochemical investigations of compounds of these metals in organic, aprotic electrolytes. Grey metallic electrodeposits of titanium with a content of 56 % and aluminium vanadium alloy with a composition of 90 to 10 were received. By electrochemical investigations of magnesium-, aluminium- and nickel compounds and comparison to the results of titanium and vanadium deposition experiments it was possible to understand the extremely different kind of electrodeposition of these metals as a function of valence electrons and -orbitals. By means of an analysis of the phenomena of electrocrystallization, taking into account also the molecular orbital theory and literature data rules for the developement of nonaqueous eletrolytes for d-metals of the 4.-6.(IVb-VIb) group of the periodic table of the elements could be derived.

The process technology part of this report concerns the additive microstructuring of aluminium via UV lithography and microelectroforming. For this it was necessary to adapt the electrolyte, materials and working parameters with regard to the whole microstructuring process.

A polyimide and a polyepoxy resist were chosen as photostructurable plastics for the nonaqueous aluminium electrodeposition. In preliminary tests the micro patterned plastics were examined with respect to their adhesion to the seed layer, dimensional stability after chemical and thermal treatment, selective dissolution and compability to the electrolyte. The polyepoxy resist is in all points superior to the polyimide resist. Due to the generally known difficulties in the removal of the crosslinked SU-8 resist a wet chemical stripping method was developed, which allows a stripping of the plastic form quickly and completely. The applied aluminium electrolyte K[Al₂Et₆F]/4 toluol/1 diisopropylether was chosen because of its excellent properties for microelectroforming, good bath stability and simple bath control. Current densities of 3-6 mA/cm² were applied for the electroforming of the plastic moulds. With a cathodic current yield of 100 % this leads to a deposition rate of 2.9-5.9 µm/h. The metallic microstructures exhibit smooth, vertical sidewalls, complete filling, good adhesion and a homogeneous surface.