[发明专利]用于三维结构体的连续电化学制造的方法和设备

说明书

本发明提供通过一系列电镀步骤制造3D金属结构体的装置和方法，各步骤经由从平坦的2D阳极栅格阵列选择的阳极增添3D结构体的横截面层并形成图案模板，从而在阴极板上产生沉积图像。

技术领域

本发明涉及通过一系列电镀步骤制造3D金属结构体的装置和方法。

背景技术

电沉积是在导电基底上生长金属结构体的常见方法。该生长当在所述基底和对电极之间施加负电势或电流时开始。电镀为在制作电气微-连接器中的常用方法。通过以重复步骤组合光致抗蚀剂图案化、电沉积和光致抗蚀剂除去，可制作分辨率为几微米或更大的三维(3D)金属结构体，其中术语3D结构体涉及非平面(2D)的结构体。而且，通过采用该途径，可将多种金属和合金电沉积在彼此之上。通过反转电流或电势，可使所述金属组分的一些电溶解，从而提供用于产生更复杂的3D金属结构体的另外路线。这样的技术的实例可见于US 7,229,544、US 8,216,931、US 8,575,025、US 8,939,774、US 9,244,101和US 9,777,385中。已知的方法和装置可用于微制作工业，但它们难以放大用于超过硅晶圆尺寸的基底，并且无法用于实际且成本有效地制造3D金属结构体，举例来说其例如包括比如网眼和泡沫。因此，本发明的目的在于，提供通过使用电沉积产生各种预定尺寸的3D金属结构体的时间-和成本-有效的方法。

本发明的另一目的在于，提供用于产生预定尺寸为10微米更大的3D金属结构体的成本-有效的可放大的(up-scalable)方法。

本发明的进一步目的在于，通过电化学沉积提供微米或亚微米尺寸的3D金属结构体。

本发明的目的还在于，提供用于制造期望的形状和尺寸的3D金属结构体的方法。

本发明的其它目的和优势将随描述的进行而显现。

发明内容

本发明提供用于通过电化学沉积(ECD)制造3D金属结构体的装置，其包括i)包含平坦表面的阴极；ii)与所述平坦表面接触的电解质，该电解质包含所述金属的离子；iii)与所述电解质接触的分开的阳极的阵列，其以2D栅格布置在平坦的非导电板(NCP)上，所述板的平面与所述阴极平坦表面基本上平行且邻近，所述阳极配置成在电流流过它们时将所述金属沉积到在与它们相对的沉积区域中的所述阴极平坦表面上；iv)配置成单独地调节所述阴极和所述阵列的各阳极之间的电势的控制系统，其进一步包括用于收集数据并且用于存储数据和预定参数的微处理器；和v)将各阳极与所述控制系统连接的电导性连接器，该连接器与所述电解质电绝缘；其中所述预定参数包括从所述阵列选择的用于在所述2D栅格中表示阳极图案模板的至少一个阳极组合，当电流仅流过所述选择的阳极时，所述模板在离散的时间段期间在所述阴极表面上提供沉积图案，所述沉积图案基本上为所述3D金属结构体的横截面。实际上，所述沉积图案为所述模板的图像，其中阳极尺寸及它们的数量限定图像分辨率。所述NCP可包括选自聚合物、玻璃、陶瓷及其复合物的材料。所述装置有利地包括用于在两个相继的离散时间段中改变沉积图案的变更手段。所述变更手段选自用于横向地改变所述阴极表面和所述NCP的位置的手段、用于改变从所述阵列选择的所述阳极组合的手段、及其组合。用于横向地改变所述阴极表面和所述NCP的位置的所述手段优选地包括微控(micro-controlled)的发动机。用于改变所述阳极组合的所述手段通常包括存储在所述微处理器中或在存储器中的软件。在所述相继的离散时间段期间的金属沉积实际上对应于所述3D金属结构体的薄层。在根据本发明的装置的一种优选实施方式中，所述预定参数包括在一系列相继的时间段中施加的存储在易失性或非易失性存储器中的一系列沉积图案，其导致构建所述3D金属结构体的一系列薄层。所述控制系统可包括计算机辅助设计软件(CAD)。所述变更手段通常配置成相继地开启预定系列的阳极组合。在本发明的一个实施方式中，开启所述预定的阳极组合的所述步骤可与阴极表面和NCP的相互横向移动组合；这样的横向移动使得阴极区域中的金属沉积在当对应于两个相邻阳极的沉积区域不重叠时的情形中不受阳极阵列的影响。所述阳极可具有成形为圆形、矩形、三角形、环、窄带、及其部分或其组合的横截面。在本发明的一些实施方式中，对应于两个相邻阳极的沉积区域不重叠。在本发明的一些实施方式中，对应于至少一些相邻阳极的沉积区域重叠。在一个实施方式中，对应于阵列中的所有阳极的沉积区域基本上填充(充满，fill)所述阴极平坦表面。在一个实施方式中，所述栅格为矩形栅格，所述阳极具有正方形横截面，并且阳极阵列的表面覆盖NCP平面的至少20％。本发明的装置优选地包括用于调节所述阴极表面和所述NCP之间的距离的垂直移位手段，该手段包括微控的发动机或电动机。在电镀过程期间，电极的距离优选地根据3D结构体的生长高度(厚度)和电解质中金属离子的下降浓度而调节。在一个实施方式中，所述装置包括指示阴极表面和NCP的距离的传感器。在根据本发明的一种优选装置中，所述阳极阵列嵌入和下沉在所述NCP中，使得NCP通过非导电阻隔物将所述阳极彼此隔开(绝缘，isolate)并且形成如下通道：所述金属离子通过其从所述阳极移动到阴极平坦表面上的所述金属沉积在其上的所述区域。所述阳极可具有从纳米到厘米或更大的尺寸。所述阻隔物的高度优选地大于所述阳极尺寸，有时为1.5倍或2-10倍大、或更大。当调节所述阴极表面和所述NCP之间的距离时，所述阻隔物还可阻止短路。所述控制系统可使电极之间的电势反转以溶解沉积在阴极表面中的金属的一部分。本发明的装置中的所述阳极的一部分可配置成促进金属沿着垂直于所述阴极平坦表面的方向沉积。在本发明的一个实施方式中，所述装置包括用于在工作电极的环境中测量电解质导电率的电极。在一些实施方式中，电沉积采用的电极可用于导电率测试，但使用交变电流；在一些实施方式中，可采用四探针方法，其包括在溶液中的四个另外的电极/插针(pin)，其中两个插针用于测量电流而另外两个用于测量电压，因此使得能够评估电解质的电阻。