DE3109755C2 - Verfahren und Vorrichtung zur galvanischen Abscheidung - Google Patents

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur galvanischen Abscheidung, besonders zur galvanischen Beschichtung eines Substrats (1) großer Fläche und komplizierten Profils geeignet, verwenden eine Elektrode (2) mit kleiner Elektrodenfläche (2a), um einem Teil des Substrats (1) mit einem galvanischen, mit Elektrolytflüssigkeit gespülten Abscheidespalt (G) zugewandt zu werden. Hochfrequente, kleine mechanische Schwingungen wirken auf die Elektrode (2), während ein vorzugsweise gepulster galvanischer Abscheidestrom zwischen Elektrode (2) und Werkstück (1) fließt, die relativ zueinander verschoben werden, damit die Elektrodenfläche (2a) einen ausgewählten Substratbereich dreidimensional überstreicht, wodurch eine galvanische Abscheideschicht gewünschter gleichmäßiger Dicke mit erhöhter Geschwindigkeit gebildet wird. Die Elektrode (2) ist vorzugsweise in einer Elektrodenanordnung (3) ausgebildet, die einen elektromechanischen Wandler (4), ein Horn (6) und die Elektrode (2) in dieser Reihenfolge umfaßt. Antriebsorgane (12, 13, 14) sprechen auf ein numerisches Steuergerät (15) zwecks dreidimensionaler Relativverschiebung zwischen Elektrodenanordnung ( 3 ) und Substrat (1) an. Eine automatische Elektrodenauswechseleinheit (17, 18, 19) ist mit dem Steuergerät (15) verbunden, um nacheinander verschiedene Elektroden (102, 202, 302) in galvanische Abscheidelagen für aufeinanderfolgende Substratbereiche zu bringen.

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine rrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ν. 18 vorausgesetzten Art.

jalvanische Abscheidetechniken, die bisher im induiellen Maßstab angewandt wurden, machen allgein Gebrauch eines Bades aus flüssigem Elektrolyt, in > ein galvanisch zu beschichtendes Substrat eingeicht wird. Ein elektrisches Potential wird zwischen dem kathodisch gepolten Substrat und einer anodischen Elektrode angelegt die mit einem wesentlichen Abstand fest vom Substrat entfernt angeordnet ist Man läßt einen elektrischen Strom von der Anode zum Substrat fließen, auf dem ein Metall elektrolytisch abzuscheiden ist. Narh diesen Techniken hat die Anodenanordnung gewöhnlich eine ebene Elektrodenoberfläche mit einer dem Substrat unabhängig von dessen allgemeiner Form zugewandten wesentlichen Fläche, und die Elektrodenanordnung bleibt während eines gegebenen galvanischen Abscheidevorganges stationär.

Obwohl verschiedene Vorschläge auf dem Fachgebiet mit dem Versuch einer allgemeinen Verbesserung des galvanischen Abscheideprozesses gemacht wurden, erkannte man, daß sie im wesentlichen alle mehr oder weniger unvollständig sind und viel zu wünschen übriglassen, was die Geschwindigkeit der Abscheidung und deren Gleichmäßigkeit über einer gewünschten Oberfläche sowie ihre Betriebsstabilität betrifft, besonders wenn die Oberfläche großflächig ist und/oder ein kompliziertes Profil aufweist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur galvanischen Abscheidung zu entwickeln, nach dem ein Substrat großer Fläche und/oder komplizierten Oberflächenprofils mit gegenüber dem Stand der Technik verbessertem Wirkungsgrad, mit über die gesamte gewünschte Fläche gesteigerter Gleichmäßigkeit und mit verbesserter Stabilität des Verfahrensablauf galvansich beschichtet werden kann, und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete galvanische Abscheidevorrichtung anzugeben, die von wirkungsvollem Betrieb ist und die Durchführung eines gewünschten galvanischen Beschichtungsvorganges eines Substrats großer Fläche und/oder komplizierten Profils auf einer voll automatischen Basis ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 18 gelöst.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 17 und 19 bis 24 gekennzeichnet.

Die Amplitude der mechanischen Schwingungen kann im Bereich zwischen 0,01 und 5 mm liegen, sollte jedoch vorzugsweise nicht größer als 1 mm und insbesondere nicht größer als 0,5 mm sein.

Bei der Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Elektrode als Teil einer Elektrodenanordnung ausgebildet ist, die einen elektromechanischen Wandler und ein Horn enthält, das an seinem Teil größeren Querschnitts am Wandler und an seinem Teil kleineren Querschnitts an der Elektrode angebracht ist, wird der elektromechanische Wandler durch eine Stromquelle, d. h. einer gewünschten Frequenz der mechanischen Schwingungen gespeist, um die mechanischen Schwingungssignale zu erzeugen, die durch das Horn verstärkt und weigergeleitet werden. Das Horn liefert so die mechanischen Schwingungen einer gewünschten Frequenz und Amplitude, die auf die Elektrode übertragen werden. Als Ergebnis wird der wirksame Oberflächenanteil der Elektrode mit der gewünschten hohen Frequenz und der kleinen Amplitude vor- und zurückgetrieben.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft zur galvanischen Beschichtung eines Substrats großer Fläche und komplizierten Profils. So wird nach einem wichtigen Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung die zwischen der kleinen Elektrodenfläche und dem Substrat begrenzte Spaltweite im wesentlichen konstant gehalten, während die schwingende Elektrode und das Substrat relativ zu-

einander verschoben werden, um zu bewirken, daß die Elektrodenfläche die Oberfläche des Substrats überstreicht. Der Überstreichvorgang wird mit Hilfe eines numerischen Steuergeräts auf der Basis vorprogrammierter Daten, die die vorbestimmten Überstreichbahnen auf dem Substrat beschreiben, oder einer Kopiereinrichtung mit einem Abtastkopf durchgeführt, der einem als Duplikat des Substrats hergestellten Modell folgt.

Dank der neuen Merkmale der Erfindung ergibt sich ein hochgradig aktivierter Zustand am Abscheidespalt mit einer äußerst hohen Stromdichte, die es ermöglicht, daß ein gewünschtes Metall mit erhöhter Geschwindigkeit zur Bildung einer Schicht verbesserter Qualität galvanisch abgeschieden wird. Damit wird das Anwachsen der abgeschiedener. Schicht mit einer erhöhten Gleichmäßigkeit über einem gewünschten Bereich auf dem Substrat komplizierten Profils ermöglicht. Es wurde gefunden, daß erfindungsgemäß unter Verwendung einer vorstehend beschriebenen Anordnung eine gegenüber dem Stand der Technik zwei- bis fünffach gesteigerte Abscheidegeschwindigkeit erhalten wird. Es zeigte sich, daß die abgeschiedene Schicht eine äußerst feine Kristallisation des abgeschiedenen Metalls und eine äußerst hohe Dehnung besitzt. Die Schicht war von einem Bereich zum anderen Bereich auf dem komplizierten Profil, sogar von einem vorspringenden Bereich zu einem tief ausgehöhlten Bereich darauf, gleichmäßig zusammenhängend.

Eine größere Wirksamkeit wird nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung durch Verwendung einer Mehrzahl unterschiedlicher Elektroden oder Elektrodenanordnungen erzielt, die unterschiedliche Elektroden tragen, die für eine Mehrzahl von Oberflächenbereichen des Substrats großer Fläche und komplizierten Profils vorgewählt sind. Jede der Elektroden sollte eine Elektrodenfläche haben, deren geometrische Ausbildung im Zusammenhang mit jedem der Oberflächenbereiche zur galvanischen Abscheidung damit vorgewählt ist. So wird durch aufeinanderfolgende Verwendung dieser Elektroden die galvanische Abscheideschicht gleichmäßig über eine gesamte gewünschte Fläche des Substrats erstreckt

Nachdem die galvanische Abscheideschicht eine gegebene gleichmäßige Dicke erreicht hat, kann die Dicke dieser Schicht nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weiter verstärkt werden. Dies läßt sich zweckmäßig erreichen, indem man dem galvanisch beschichteten Substrat komplizierten Profils eine ebene Elektrode gegenüberstellt, die eine größere Elektrodenfläche als die einer vorher verwendeten Elektrode hat und dem Substrat unter Bildung eines weiten Spalts dazwischen zugewandt wird, der viel größer als der vorherige Abscheidespalt sein kann, wobei in Gegenwart des flüssigen Elektrolyten ein elektrischer Strom durch den weiten Spalt geleitet wird, um den metallischen Stoff aus dem flüssigen Elektrolyt auf dem vorher galvanisch beschichteten Substrat abzuscheiden. Die Erfindung ist praktisch mit jedem Metall, insbesondere Nikkei, Chrom, Kupfer, Gold oder Platin, anwendbar.

Bei der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem numerischen Steuergerät kann dieses weiter so eingerichtet sein, daß es auf die Stromquelle und/oder die Einrichtung zum Zuführen des flüssigen Elektrolyten zum Abscheidespalt einwirkt So können einer oder beide der Parameter des galvanischen Abscheidestroms und der Strömungsgeschwindigkeit oder des Drucks des flüssigen Elektrolyten im Abscheidespalt in einer Folge von Schritten variiert werden, um für die galvanische Abscheidung auf den aufeinanderfolgenden Oberflächenbereich des Substrats optimal zu sein.

Die Erfindung wird anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert, die teilweise im Schnitt und teilweise perspektivisch schematisch eine bestimmte beispielsweise Form der galvanischen Abscheidevorrichtung gemäß der Erfindung veranschaulicht.

Man erkennt in der Figur ein durch ein Werkstück oder eine Form gebildetes Substrat 1 zur galvanischen Beschichtung. Das Substrat 1 hat nach der Darstellung ein kompliziertes Profil mit vorspringenden Teilen und tiefen Einsenkungen, das bekanntlich nach dem Stand der Technik als äußerst schwierig mit Gleichmäßig galvanisch zu beschichten galt. Das Substrat 1 kann auch als äußerst groß betrachtet werden. Eine galvanische Abscheideelektrode 2 hat eine kleine wirksame Elektrodenfläche 2a, die im Abstand dem Substrat 1 zugewandt ist, um mit diesem einen galvanischen Abscheidespalt G einer so geringen Weite wie 0,01 bis 5 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm und noch bevorzugter von höchstens 0,5 mm zu begrenzen. Die Elektrodenfläche 2a eignet sich so zum Eindringen in einen engsten Aushöhlungsbereich am Substrat. Die Elektrode 2 ist weiter nach der Darstellung ein Teil einer Elektrodenanordnung 3 mit einem an einem Trägerkörper 5 befestigten elektromechanischen Wandler 4 und einem Horn 6. Das Horn 6 ist an seinem Ende größeren Querschnitts am Wandler 4 und an seinem Ende kleineren Querschnitts an der Elektrode 2 angebracht. Der Wandler 4 kann aus einem Quarz bestehen und wird durch eine (nicht dargestellte) Hochfrequenzstromquelle gespeist, um darin hochfrequente mechanische Schwingungssignale zu erzeugen, die durch das Horn 6 verstärkt und übertragen werden. Die verstärkten hochfrequenten mechanischen Schwingungen werden so durch das Horn 6 erzeugt und auf die Elektrode 2 übertragen. Als Ergebnis wird die Elektrodenfläche 2a mit der Hochfrequenz schwingend zur Oberfläche des Substrats 1 hin und von diesem weggetrieben. Die Frequenz der Schwingungen wird im Bereich zwischen 50 Hz und 1 MHz und vorzugsweise zwischen 1 und 100 KHz eingestellt. Die Amplitude der Schwingungen wird im Bereich zwischen 0,01 und 5 mm, vorzugsweise nicht höher als ! mm und noch bevorzugter bis zu 0,5 mm eingestellt

Die Elektrodenanordnung 3 mit der Elektrode 2, dem Horn 6, dem Wandler 4 und dem Trägerkörper 5 ist über ein Befestigungsorgan 5a mit einem Kopf 7 verbunden. Das Befestigungsorgan 5a, der Trägerkörper 5, der Wandler 4, das Horn 6 und die Elektrode 2 haben Bohrungen, die untereinander in Verbindung stehen, um einen durch eine Pumpe 8 aus einem Behälter 9 gezogenen und durch eine Leitung 10 geförderten flüssigen Elektrolyt aufzunehmen und unter Druck zuzuführen. Die Leitung 10 ist mit einem einstellbaren Ventil 11 versehen, um den Druck des flüssigen Elektrolyten oder seinen Strömungsdurchsatz in den galvanischen Abscheidespalt G zu steuern.

Der Kopf 7 wird von drei Motoren 12, 13 und 14 angetrieben, die im Ansprechen auf von einem numerischen Steuergerät 15 gelieferte Steuersignale betätigbar sind. Der Motor 12 wird zur Bewegung des Kopfes 7 und damit der Elektrode 2 längs einer zu deren Achse senkrechten X-Achse betätigt Der Motor 13 wird zur Bewegung der Elektrode 2 längs einer zur X-Achse und zur Achse der Elektrode 2, d. h. zur Achse der Elektrodenanordnung 3 oder des Kopfes 7 senkrechten y-Ach-

se betätigt. Der Motor 14 wird zur Bewegung der Elektrode 2 längs einer Z-Achse, d. h. längs der Achse des Kopfes 7, der Elektrodenanordnung 3 und der Elektrode 2 betätigt. Das numerische Steuergerät 15 hat Eingangsdaten, die das Profi! des Substrats 1 und Verschiebungswege der Elektrode 2 oder der Elektrodenfläche 2a beschreiben, auf denen sie in einem dem Abscheidespalt C entsprechenden Abstand dem Profil des Substrats 1 folgen muß. Beim beschriebenen galvanischen Abscheidevorgang werden die im numerischen Steuergerät 15 gespeicherten Daten reproduziert und in Steuerimpulse umgewandelt, die den Motoren 12,13 und 14 zugeführt werden, um den Kopf 7 so zu verschieben, daß die Elektrodenfläche 2a dem Profil des Substrats 1 bei einer bestimmten Weite des Abscheidespalts G genau folgt bzw. dessen Oberfläche überstreicht.

Eine Stromquelle 16 für die galvanische Abscheidung hat einen mit der Elektrode 2 elektrisch verbundenen positiven Anschluß und einen mit dem Substrat 1 oder einer darauf angebrachten leitenden Schicht, wenn das Substrat selbst nichtleitend ist, elektrsich verbundenen negativen Anschluß. So läßt man einen elektrischen Strom zwischen der Elektrode 2 und dem Substrat 1 durch den engen Abscheidespalt G fließen, der mit dem flüssigen Elektrolyt auf dem der Elektrodenfläche 2a zugewandten Bereich am Substrat 1 abzuscheiden. Die Stromquelle 16 ist vorzugsweise ein Impulsgenerator, der zum Liefern einer Folge von elektrischen Impulsen einer Frequenz im Bereich zwischen 50 Hz und 1 MHz, vorzugsweise zwischen 1 und 500 kHz eingerichtet ist. Der Impulsgenerator kann eine Gleichstromquelle und einen Leistungsschalter aufweisen, der in Reihe mit der Gleichstromquelle und dem Abscheidespalt G geschaltet ist. Der Leistungsschalter kann durch einen Oszillator betätigt werden, der die Zeiteinteilung der Abscheideimpulse liefert, und die Gleichstromquelle kann hinsichtlich ihrer Ausgangsspannung und ihres Ausgangsstroms justiert werden, um die Spitzenspannung und den Spitzenstrom der Abscheideimpulse zu steuern. Ein Synchronisierkreis kann mit dem Oszillator und der Stromquelle für den elektromechanischen Wandler 4 verbunden sein, um die Abscheideimpulse mit den Schwingungssignalen zu synchronisieren. Das Ergebnis ist, daß jedesmal, wenn die Elektrodenfläche 2 der Oberfläche des Substrats 1 am nächsten kommt, jeder der Impulse durch den Abscheidespalt G fließt. Dabei wurde es als vorteilhaft befunden, jeden der Impulse in der Form von elementaren Impulsen äußerst kurzer Dauer, etwa 1 bis 5 μ5, vorzusehen. Man fand, daß es allgemein zu bevorzugen ist, die Abscheideimpulse auf eine etwas höhere Frequenz als die Frequenz der auf die Elektrode 2 aufgebrachten mechanischen Schwingungen einzustellen.

Gemäß einem weiteren wichtigen Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung wird eine Mehrzahl von Elektroden verwendet, um die profilierte Oberfläche des Substrats 1 galvanisch zu beschichten. Diese Elektroden sind mit 102, 202, 302 ... bezeichnet und werden in Elektrodenanordnungen 103, 203, 303 ... gehalten, die an einer ein Elektrodenaufnahmemagazin bildenden Scheibe 17 angebracht sind. Die Elektroden 102, 202, 302 ... haben Elektrodenoberflächen mit unterschiedlichen Formen, die für bestimmte Formen unterteilter Bereiche der profilierten Oberfläche des galvanisch zu beschichtenden Substrats 1 vorgewählt sind. Die diese verschiedenen Elektroden tragenden Elektrodenanordnungen 103,203,303... sind abnehmbar an der Scheibe 17 montiert, die um ihre Welle im Ansprechen auf ein vom numerischen Steuergerät 15 geliefertes Signal drehbar ist. Ein ebenfalls vom numerischen Steuergerät 15 schaltbares Betätigungsorgan 18 hat einen Arm 19, der zwischen dem Elektrodenaufnahmemagazin 17 und einer Stellung unter dem Kopf 7 schwenken kann. Jede Elektrodenanordnung 103, 203, 303 ... und der Kopf 7 können einen Befestigungsaufbau bekannter Art, z. B. eine elektromagnetische Halterung aufweisen, womit eine Befestigung oder Lösung jeder Elektrode am bzw. vom Kopf 7 ermöglicht wird.

Das numerische Steuergerät 15 hat Eingangsdaten, die eine Folge von Schritten beschreiben, die entsprechend den aufeinanderfolgenden Oberflächenbereichen definiert sind, die von einer vorbestimmten Bahn des Überstreichweges angetroffen werden, der relativ zwischen dem Elektroden-Kopf 7 und dem Substrat 1 zurückgelegt wird, und außerdem Eingangsdaten, die die Auswahl der jeweiligen besonderen Elektroden und damit der sie tragenden besonderen Elektrodenanordnungen beschreiben. Diese Eingangsdaten werden in den Betätigungen des Elektrodenaufnahmemagazins 17 und des Betätigungsorgans 18 reproduziert. So wird, so oft ein Signal vom numerischen Steuergerät 15 geliefert wird, das eine Vollendung der galvanischen Beschichtung eines vorbestimmten Bereichs des Substrats 1 durch eine vorgewählte Elektrode anzeigt, das Betätigungsorgan 18 in Gang gesetzt, um den Arm 19 in Eingriff mit dieser Elektrodenanordnung zu bringen und sie in das Magazin 17 zurückzuführen, wo die Elektrodenanordnung davon gelöst wird. Das scheibenförmige Magazin 17 wird dann um einen vom numerischen Steuergerät 15 gesteuerten Winkel gedreht, um eine eine nächste Elektrode tragende Elektrodenanordnung in Eingriff mit dem Arm 19 zu bringen. Das Betätigungsorgan 18 wird dann durch ein Signal von numerischen Steuergerät 15 geschaltet, so daß ein Greiforgan des Arms 19 diese Elektrodenanordnung ergreift. Ein weiteres Signal vom numerischen Steuergerät 15 zum Betätigungsorgan 18 bewirkt, daß der Arm 19 schwenkt und so diese Elektrodenanordnung in die Lage unter dem Kopf 7 bringt und es ermöglicht, daß die Elektrodenanordnung am Kopf 7 angebracht wird. Das Betätigungsorgan 18 wird dann so geschaltet, daß es den Arm 19 zur Lage des Magazins 17 rückführt, um einen Wiederbeginn des galvanischen Abscheidevorganges mit der neu eingesetzten Elektrode zu ermöglichen.

Bei dieser Betriebsweise können auch die Stromquelle 16 und/oder das Ventil 11 durch vom numerischen Steuergerät 15 gelieferte Signale gesteuert werden. So

so können optimale Parameter der galvanischen Abscheideleistung und/oder optimale Drücke oder Strömungsdurchsätze des flüssigen Elektrodlyten in den Abscheidespalt G für die galvanische Abscheidung über aufeinanderfolgenden Oberflächenbereichen des Substrats 1 im Zusammenhang mit den besonderen Formen und Flächen der verwendeten Elektroden im numerischen Steuergerät 15 vorprogrammiert werden, und sie werden beim tatsächlichen Betrieb der Vorrichtung auch zur Steuerung der Stromquelle 16 und/oder des Ventils 11 reproduziert Die Parameter der auf die Elektrode 2 übertragenen mechanischen Schwingungen, d h. die Frequenz und die Amplitude derselben, können ebenfalls vom numerischen Steuergerät 15 gesteuert werden. Außerdem kann das numerische Steuergerät 15 mit einem Mikrocomputer und einem Spaltsensor verbunden werden. Der Mikrocomputer hat gespeicherte verschiedene Einstellungen für die Stromquelle 16, das Ventil 11 und den Motor 14 entsprechend verschiedenen Spaltbe-

dingungen. Der Spaltsensor kann mit dem Abscheidespalt G verbunden sein, um von diesem eine oder mehrere Spaltvariablen abzuleiten. Der Computer spricht auf diese Spaltvariablen an, um den Spaltzustand zu erfassen und zu bestimmen, in welche der vorgewählten Klassen der Spaltzustand fällt, und um dann eine bestimmte der gespeicherten Einstellungen zu bewirken, die dem erfaßten besonderen Spaltzustand entspricht. Der Parameterumstellbetrieb wird in ausgewählten Zeitintervallen für einen gegebenen Ablauf des galvanisehen Abscheidevorganges fortgesetzt.

Das Substrat 1 wird fest auf einer Basis 20 in einem Arbeitstank 21 abgestützt. Der Arbeitstank 21 hat eine ausreichende Wandhöhe, so daß das Substrat völlig in dem davon aufgenommenen flüssigen Elektrolyt eingetaucht ist. Der flüssige Elektrolyt im Arbeitstank 21 wird durch einen Auslaß 22 zur Rückführung in den Behälter 9 abgelassen.

Die in den zugehörigen Elektrodenanordnungen 103, 203, 303 ... am scheibenförmigen Magazin 17 aufgenommenen Elektroden 102,202,302... können Elektrodenoberflächen verschiedener Formen und Flächengrößen, dünn, dick, lang und kurz, aufweisen, die für die verschiedenen Formen und Flächen der nacheinander galvanisch zu beschichtenden Oberflächenbereiche des Substrats 1 vorgewählt sind. Beispielsweise kann eine dünne und lange Elektrode für eine tiefe und kleine Aushöhlung verwendet werden. Eine rechteckige bzw. rundliche bzw. konische Elektrode kann für rechteckige, bzw. runde, bzw. konische Vertiefungen verwendet werden.

Die auf die Elektrode 2 aufgebrachten hochfrequenten mechanischen Schwingungen kleiner Amplitude ergeben einen hochgradig aktivierten Zustand im engen Abscheidespalt, der zwischen der kleinen Elektrodenfläehe 2a und dem Substrat 1 gebildet ist und von einem zwangsweisen Strom des flüssigen Elektrolyten durchströmt wird. Eine verbesserte Pumpwirkung und eine Umrührung werden für den kontinuierlich in den Abscheidespalt gespülten flüssigen Elektrolyt erreicht, um die Entfernung von gasförmigen und anderen Zersetzungsprodukten aus dem engen Spaltbereich zu erleichtern. Die ionischen Verunreinigungen und auch Oxidprodukte, die zur Bildung an den Elektroden- und Formoberflächen neigen, werden dadurch zerbrochen und mit dem erzwungenen Strom des flüssigen Elektrolyten fortgeschafft Da die Elektrodenoberflächen so im äußerst aktiven Zustand gehalten werden, kann der Spitzenstrom stark erhöht werden, um die Stromdichte auf ein ungewöhnlich hohes Niveau zu steigern. Insbesondere wurde es als möglich befunden, einen Stromdichteanstieg bis auf eine Höhe von 0,5 bis 5 A/cm² zu erreichen, welcher Wert sich für eine lange Zeitdauer beibehalten läßt wodurch eine verbesserte Abscheidegeschwindigkeit und eine verbesserte Arbeitsstabilität gesichert werden. Es zeigte sich, daß eine galvanisch abgeschiedene Schicht die man so erhält eine Kristallbildung erhöhter Feinheit und Dichte hat und von ausgezeichneter Qualität ist Außerdem läßt sich dadurch, daß die Elektrodenfläche die aufeinanderfolgenden Oberflächenbereiche des Substrats überstreicht während der durch die Elektrodenschwingung erzielte äußerst aktivierte Spaltzustand mit Stabilität aufrechterhalten wird, eine gleichmäßige Abscheideschicht unter Erstreckung über die gesamte Oberfläche des Substrats erzielen.

Nachdem die zusammenhängende galvanisch abgeschiedene Schicht einer vorbestimmten Dicke erhalten ist kann die Dicke dieser Schicht durch Fortsetzen des galvanischen Abscheidevorganges in bekannter Weise gesteigert werden. So wird beispielsweise eine ebene Elektrode mit einer großen Elektrodenfläche in großem Abstand der glavanisch beschichteten Form zugewandt, während ein elektrischer Strom zwischen der Elektrode und dem Substrat fließt. Das Metall wird aus dem flüssigen Elektrolyt auf der vorher galvanisch beschichteten Oberfläche des Substrats galvanisch abgeschieden.

Es ergeben sich somit erfindungsgemäß ein neues und brauchbares galvanisches Abscheideverfahren und eine neue und brauchbare galvanische Abscheidevorrichtung, die besonders vorteilhaft zur Bildung einer gleichmäßigen galvanischen Abscheideschicht auf einem Substrat großer Fläche und/oder komplizierten Profils sind.

Hierzu! Blatt Zeichnungen

Claims (24)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur galvanischen Metallabscheidung, bei dem man ein Substrat im Abstand einer Elektrode unter Bildung eines galvanischen Abscheidespalts gegenüberstellt und den Abscheidespalt mit einem flüssigen Elektrolyt spült, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2) eine relativ kleine Fläche (2a) in ihrem dem Substrat (1) zugewandten Bereich aufweist

daß man den Abscheidespalt (G) in einem Bereich zwischen 0,01 und 5 mm hält,
daß man die Elektrode (2) in hochfrequente mechanische Schwingungen versetzt und daß man die Elektrode (22) und das Substrat (?) relativ zueinander derart verschiebt, daß die relativ kleine Fläche (2a) mindestens einen ausgewählten Oberflächenbereich des Substrats (1) überstreicht

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Abscheidespalt (G) auf höchstens 1 mm eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der Abscheidespalt auf höchstens 0,5 mm eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß mechanische Schwingungen der Elektrode (2) von einer Frequenz zwischen 50 Hz und 1 MHz angewandt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Frequenz zwischen 1 kHz und 500 kHz angewandt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß mechanische Schwingungen mit einer Amplitude von höchstens 1 mm angewandt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Amplitude von höchstens 0,5 mm angewandt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß mechanische Schwingungen mit einer Niederfrequenzkomponente zwischen 50 und 500 Hz und einer dieser überlagerten Hochfrequenzkomponente zwischen 1 und 500 kHz angewandt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß ein elektrischer Strom in Form einer Folge von Impulsen angewandt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse synchron mit den mechanisehen Schwingungen derart erzeugt werden, daß jedesmal, wenn die Elektrode (2) dem Substrat (1) am nächsten kommt, einer der Impulse durch den Abscheidespalt (G) fließt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß Impulse in Form einer Reihe von elementaren Impulsen angewandt werden, deren jeder eine Dauer zwischen 1 und 5 μ5 hat.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Impulse etwas größer als die Frequenz der mechanischen Schwingungen gewählt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) ein kompliziertes Oberflächenprofil aufweist und die Weite des Abscheidespalts (Gewährend der Relativverschiebung von Elektrode (2) und Substrat (1) im wesentlichen konstant gehalten wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet daß man eine Mehrzahl solcher Elektroden (102,202,302) für eine Mehrzahl solcher Oberflächenbereiche des Substrats (1) komplizierten Profils verwendet und jede Elektrode eine Elektrodenfläche mit einem im Zusammenhang mit einem geometrischen Merkmal jedes der Oberflächenbereiche vorgewählten geometrischen Merkmal aufweist

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet daß man nach der Bildung jeder Abscheideschicht auf jedem der Oberflächenbereiche diejenige der Elektroden (102, 202, 302), die dafür verwendet wurde, durch eine andere der Elektroden (102, 202,302) ersetzt die für einen nächsten der zu beschichtenden Oberflächenbereiche vorgewählt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet daß man die Dicke der galvanisch über den gesamten Bereich des Substrats (1) abgeschiedenen Metallschicht durch Gegenüberstellung des galvanisch beschichteten Substrats (1) komplizierten Profils und einer ebenen Elektrode mit einer größeren dem Substrat (1) zugewandten Elektrodenfläche als der relativ kleinen Fläche in der Gegenwart des flüssigen Elektrolyten unter Bildung eines weiten Spalts dazwischen, der viel größer als der vorherige Abscheidespalt (G) ist, vergrößert.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Nickel, Chrom, Kupfer, Gold oder Platin abgeschieden wird.

18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17, mit einer einem Substrat unter Bildung eines galvanischen Abscheidespalts gegenüberstellbaren Elektrode und einer Einrichtung zum Spülen des Abscheidespalts mit einem Strom eines flüssigen Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet

daß die Elektrode (2) eine relativ kleine elektrodenfläche(2a_>> aufweist und im Abstand von 0,1 bis 5 mm angeordnet ist,

daß eine Schwingereinrichtung (4,5,6) zum Versetzen der Elektrode (2) in hochfrequente mechanische Schwingungen einer Frequenz zwischen 50 Hz und 1 MHz vorgesehen ist und

daß eine Antriebseinrichtung (7,12,13, !4) zur Relativverschiebung der Elektrode (2) und des Substrats (1) derart vorgesehen ist, daß die Elektrodenfläche (2a) mindestens einen ausgewählten Oberflächenbereich des Substrats (1) zu überstreichen vermag.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zum Synchronisieren der elektrischen Impulse mit den mechanischen Schwingungen aufweist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19 zur galvanischen Beschichtung eines Substrats mit kompliziertem Oberflächenprofil, dadurch gekennzeichnet daß die Antriebseinrichtung einen ersten Motor (12) und einen zweiten Motor (13) zur Relativverschiebung der Elektrode (2) und des Substrats (1) längs zweier zueinander senkrechter Achsen und einen dritten Motor (14) zum wesentlichen Konstanthalten der Abmessungen des Abscheidespalts (G) aufweist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2) Teil einer Elektrodenanordnung (3) mit einem elektromechanischen Wandler (4), der von einer Stromquelle zur Erzeugung mechanischer Schwingungssignale

darin gespeist wird, und mit einem Horn (6) ist, das an seinem Teil größeren Querschnitts am Wandler (4) und an seinem Teil kleineren Querschnitts an der Elektrode (2) angebracht ist

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung einen ersten Motor (12) und einen zweiten Motor (13) zur Relativverschiebung der Elektrodenanordnung (3) und des Substrats (1) längs einer ersten bzw. einer zweiten Koordinatenachse, die zueinander und zu einer Achse der Elektrodenanordnung (3) senkrecht stehen, und einen dritten Motor (14) zur Relativverschiebung der Elektrodenanordnung (3) und des Substrats (1) längs einer dritten Koordinatenachse, die mit der Achse der Elektrodenanordnung (3) übereinstimmt, und außerdem eine Steuereinrichtung (15) zur Belieferung der drei Motoren (12, 13, 14) mit Steuersignalen derart aufweist, daß die Elektrodenfläche (2a) den wenigstens einen ausgewählten Oberflächenbereich des Substrats (1) dreidimensional überstreicht

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ein numerisches Steuergerät (15) mit darin vorprogrammierten Eingangsdaten aufweist, die die vorgewählten Überstreichbahnen der Elektrodenfläche (2a) über dem wenigstens einen gewählten Oberflächenbereich darstellen, und das Steuergerät (15) im Betrieb der Vorrichtung zum Umwandeln der Eingangsdaten in Steuersignale und zum Liefern der Steuersignale zu den drei Motoren (12,13,14) zwecks Bewegung de; Elektrodenfläche (2a) längs der Überstreichbahnen betätigbar ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine automatische Elektrodenauswechseleinrichtung (19) mit einem Magazin (17) zur Aufnahme einer Mehrzahl solcher Elektrodenanordnungen (103, 203, 303) mit solchen Elektroden (102,202,302) mit entsprechend besonderen Formen aufeinanderfolgender Oberflächenbereiche des Substrats (1) vorgewählten Formen, ein numerisches Steuergerät (15) mit Eingangsdaten, die eine Folge der Auswahl der Elektrodenanordnungen (103, 203, 303) im Zusammenhang mit einer vorgewählten Folge der aufeinanderfolgenden Bereiche darstellen, zum Umwandeln der Eingangsdaten in Steuersignale in der Folge der Auswahl und ein Betätigungsorgan (18) aufweist, das auf die Steuersignale des numerischen Steuergeräts (15) in der Folge der Auswahl anspricht und nacheinander die vorher aus dem Magazin (17) herausgeführten und für vorherige aufeinanderfolgende Oberflächenbereiche des Substrats (1) verwendeten Elektrodensnordnungen (103, 203, 303) durch die Elektrodenan-Ordnungen (103,203,303) im Magazin (17) ersetzt.