1.3. Электрохимическое осаждение меди

Чаще всего в технологии ЭС для формирования проводников используют пленки меди (Cu: атомный вес А = 63,54; плотность ρ=9 г/см³) обладающей высокой электропроводностью. Медь в растворе может находиться в виде ионов и. Если в сернокислый электролит на основепогрузить медную пластину, то в растворе параллельно протекают две реакции:

, (1.8)

. (1.9)

Из результатов термодинамических расчетов следует, что при концентрациях , приблизительно равных 1 Моль/л, встречающихся на практике, концентрацияв десятки раз меньше. Поэтому потенциал медного электрода, погру­женного в такой раствор, примет значение, отвечающее электродно­му равновесию:

. (1.10)

Так как равновесный потенциал реакции (1.10) соответствует области термической устойчивости воды, то на аноде протекает реакция растворения (ионизации) Cu, а на катоде – выделения меди.

Электролиты, используемые для осаждения меди, можно разделить на два основных класса: кислые и комплексные, в которых медь нахо­дится в виде отрицательно или положительно заряженных ком­плексных ионов.

Кислые электролиты применяют для наращивания толстых слоев меди на изделия из стали, меди, никеля и др. металлов

Кислые электролиты просты по составу и устойчивы. Они до­пускают работу при высоких плотностях тока, особенно при повы­шенной температуре и перемешивании. Медь выделяется на катоде в результате разряда двухвалентных ионов при поло­жительном потенциале, почти не зависящем от плотности тока. Медные слои, полученные из этих электролитов, достаточно плотные. Однако в кислых электролитах невозможно осаждать медь на металлы с электроотрицательностью большей, чем у меди.

Наиболее простыми по составу и стабильными в эксплуатации являются сульфатные (сернокислые электролиты). При по­гружении в сернокислый электролит эти металлы вытесняют медь из , образуя рыхлый осадок. Поэтому перед меднением по­верхностей из таких металлов на них необходимо нанести тонкий слой (~ 3 мкм) меди из других электролитов, например, циани­стых, или получить слой никеля из кислого электролита.

Концентрация серной кислоты в электролите имеет существен­ное значение. Если она недостаточна, соль одновалентной меди подвергается гидролизу с образованием нерастворимого гидрата закиси меди и темно-красного порошка закиси меди по реакции:

. (1.11)

В результате электролит загрязняется взвешенными частицами порошкообразных меди и , а качество осажденных медных слоев ухудшается. Они получаются темными, шероховаты­ми, рыхлыми и с включениями закиси меди.

При достаточно высокой концентрации серной кислоты в электролите сернистокислая медь окисляется кислородом воздуха с образованием сернокислой меди по реакции:

. (1.12)

В таких электролитах закись меди растворяется по реакции:

, (1.13)

что предотвращает накопление одновалентных ионов меди и гидрата закиси меди, ухудшающих качество осаждаемых пленок.

Для всех электролитов допустимый предел плотности тока тем выше, чем больше концентрация соли меди в растворе. Для получения мелкозернистых блестящих пленок, в электролит добав­ляют поверхностно-активные вещества (ПАВ), в результате чего происходит изменение структуры осадков. В качестве ПАВ исполь­зуют амиловый спирт, сульфокислоты (до 0,5 г/л), клеи (до 0,01 г/л) и т. п. вещества.

Сернокислые электролиты не агрессивны по отношению к фоторезисту и позволяют получать эластичные мелкозернистые покрытия.

На прак­тике обычно используют сернокислые электролиты состав, которых приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Состав сернокислого электролита

Компоненты	Концентрация компонентов в электролите, г/л
	1	2	3
	200	300	60 – 80
	5	75	150 – 160
C2H5OH	2	2	–
NiSO4	–	1	–
NaCl	–	0,03 – 0,05	0,03 – 0,05
ПАВ	–	0,4 – 0,6	0,4 – 0,6

Таблица 1.2

Режимы осаждения меди

Температура, оС	18 – 20	40 – 45	18 – 25
Катодная плотность тока, А/дм2	0,5 – 3	3 – 10	3 – 5
Выход по току, %	95	98	–