國立清華大學　工程與系統科學系

曾繁根助理教授微系統暨微熱流實驗室

Lecture 9 Through Mask Plating

柳 克 強x 4324kcleou@ess.nthu.edu.tw

References:

Madou, M., “ Fundamentals of Microfabrication”, CRC Press, 1998.

國立清華大學　工程與系統科學系

曾繁根助理教授微系統暨微熱流實驗室

Electro-deposition for Micro-devices

Through Mask Plating Damascene Plating

substrate

seed layer

Seed layer deposition and Patterning

Insulator deposition and patterningSeed-layer deposition

Plating Plating

Mask removalSeed-layer etching

Planarization

國立清華大學　工程與系統科學系

曾繁根助理教授微系統暨微熱流實驗室

Electroplating

e

anodecathode

Cl+Na2+

KCl : Supporting electrolyteNiCl2 : Electro-active species

KCl

NiCl2

Reactions:

Ni2+ + 2 e Ni (cathode reaction)2Cl 2 e + Cl2 (anode reaction)

NiCl2 Ni + Cl2

Amount of deposited material :

Fz

MtIm

max

F: Faraday constant (electricity required to deposit 1 g equivalent of substance)I : currentt : deposition timeM : molecular weigh of the depositing materialz : ion’s charges #

2H+ + 2 e H2 (competing reaction at cathode )

=> PH value important !!

國立清華大學　工程與系統科學系

曾繁根助理教授微系統暨微熱流實驗室

Diffusion Limited Reactions

Diffusion limited cathode current:

current density RTnFo

ceii 1

Nonlinear diffusion effect on microelectrodes

國立清華大學　工程與系統科學系

曾繁根助理教授微系統暨微熱流實驗室

Lr

CANFDI

o

oml

,

Nonlinear diffusion effect on microelectrodes Effect of current density on stress

國立清華大學　工程與系統科學系

曾繁根助理教授微系統暨微熱流實驗室

• 氨基磺酸鎳 300 公克 / 公升• 氯化鎳 20 公克 / 公升• 硼酸 40 公克 / 公升• LN-MU ( 應力降低劑 )

• LN-MA ( 平滑劑 , 光澤劑 )

• 針孔抑制劑

電 鍍 鎳(NTHU ESS Micro-fabrication lab)

電 鍍 結 果配 方

國立清華大學　工程與系統科學系

曾繁根助理教授微系統暨微熱流實驗室

電 流 密 度 影 響

• 電流密度 15 mA/cm2 • 電流密度 40 mA/cm2

其他參數： PH 值、溫度、表面活化劑

國立清華大學　工程與系統科學系

曾繁根助理教授微系統暨微熱流實驗室

High Aspect Ratio Structure Plating

Challenges:

Ni2+ current diffusion limited => deposition rate

H+ at bottom depleted => PH increase locally => form nickel hydroxide

=> deposition stopped