Fertigung und Erprobung eines Mikro-Wirbelstromsensors zur Abstandsmessung

Galvanische Abscheidung

Das Prinzip der Galvanoformung beruht auf elektrochemischen Prozessen, die an der Phasengrenze zwischen einer festen Elektrode und einem flüssigen Elektrolyt ablaufen. Die Stromquelle liefert die elektrische Energie, die in chemische Energie umgewandelt wird.

Eine als Anode kontaktierte Elektrode liefert im elektrolytischen Bad die Metallionen, die zur Schichterzeugung dienen. Die zweite Elektrode im Elektrolyt ist die Kathode. Auf dieser findet die Schichtbildung statt. Die positiv geladenen Metallionen (Kationen) werden aus dem Elektrolyt während des galvanischen Prozesses entfernt. Bei Anlegen einer äußeren Stromquelle wandern die Metallionen in Richtung Kathode, nehmen dort Elektronen auf und bilden einen Schichtniederschlag auf der Oberfläche (Bild 5.3).

Beim galvanischen Prozess wird ein Träger (Wafer), der mit einer metallischen Startschicht und strukturiertem Photoresist beschichtet ist, als Kathode geschaltet. Die Metallatome lagern sich auf von Photoresist nicht abgedeckten Bereichen der Startschicht an und bilden dort einen dünnen Film auf dem Wafer. Das Umwälzen der Elektrolytlösung erlaubt die Abscheidung sehr homogener Schichten. Die Gleichmäßigkeit der Strukturhöhen bei unterschiedlichen Abmessungen hängt von den Stromverhältnissen ab. Die Abscheidung erfolgt in einer speziellen Galvanikzelle, die mit einem Paddel zur Umwälzung des Elektrolyts und einem Heizungselement ausgerüstet ist.

Paddel

Kathode mit Substrat

Stromversorgung

Heizung
n^e^-


_M n+

Elektrolyt

2005 imt 5017-030
Anode

Bild 5.3: Prinzip der galvanischen Abscheidung

Die galvanische Abscheidung erlaubt die Herstellung von Schichten im Bereich von einigen Mikrometern in relativ kurzen Zeiten (etwa zwei Größenordnungen schneller im Vergleich zum Sputtern).

Die für den Aufbau des Wirbelstromsensors verwendeten Materialien sind Kupfer, Nickel-Eisen, Nickel und Gold. All diese Materialien erfordern materialspezifische Elektrolytlösungen (siehe Tabelle 5.1).

Tabelle 5.1: Verwendete Materialien, Elektrolyte und ihre Anwendung

Material	Elektrolyt	Einsatz
Kupfer	auf Kupfersulfat basierend	Elektrische Kontakte, Leiter, Vias, Kontaktpads
Nickel-Eisen	auf Sulfat basierend	Magnetischer Kern
Nickel	auf Sulfamid basierend	Diffusionssperre in Kontaktpads
Gold	auf Sulfid basierend	Korrosionsschutz für elektrische Kontakte

Die Anforderungen bei der Herstellung von Mikrobauteilen an die magnetischen Eigenschaften, die Temperaturbeständigkeit und Härte sind hoch. Deswegen werden neben reinen Metallen bei der Galvanoformung auch Legierungen eingesetzt. Hier kommen meistens Nickel-Eisen-Legierungen zum Einsatz, bei denen durch die stöchiometrische Legierungszusammensetzung die Schichteigenschaften beeinflusst werden können. Nickel-Eisen-Legierungen ermöglichen es, Mikrostrukturen mit unterschiedlichen mechanischen und magnetischen Eigenschaften herzustellen. Zur Abscheidung wird ein Elektrolyt auf Sulfatbasis verwendet, der Ionen beider Metalle enthält. Der Eisengehalt kann durch Änderung der Prozessparameter variiert werden.

Die Qualität galvanischer Mikrostrukturen ist stark von der Wahl der Prozessparameter und -bedingungen sowie von der Qualität der vorher gegangen Prozessschritte (z.B. der Photolithographie) abhängig. Ein häufig auftretendes Problem ist eine unhomogene Verteilung der Metallschicht über das gesamte Substrat. Daher ist eine mechanische Bearbeitung (Planarisierung) von Mikrostrukturen erforderlich.

2.