Как нанести слой меди на металл


Меднение в домашних условиях - гальваника медью: сталь, вольфрам


Содержание статьи:
  1. Гальваника медью в домашних условиях: общие сведения
  2. Необходимые инструменты
  3. Подготовка материала
  4. Как правильно подготовить электролит
  5. Подготовка материала для меднения
  6. Техника безопасности
  7. Гальваника в домашних условиях: меднение
  8. Метод погружения
  9. Покрытие без погружения
  10. Особенности гальванопластики

Меднение в домашних условиях – это технологический процесс, позволяющий наносить на металл, а также другие материалы (вольфрам, сталь) слой меди толщиной от 1 до 300 мкм. Покрытие медным слоем обеспечивает хорошую адгезию металла и при увеличении толщины покрытий придает блеск изделиям, устраняет небольшие дефекты, позволяет создавать копии вещи. Удивительно, но все это можно делать и самим. Сегодня мы расскажем, как осуществить меднение металла в домашних условиях.

Гальваника медью в домашних условиях: общие сведения

С технической точки зрения обработка – это электрохимический процесс. В процессе всегда есть два «участника» анод+электролит (источник металла) и деталь.

Технология гальваники медью в домашних условиях достаточно проста. Заключается она в том, что за счет электролита и проводимого через него тока выделяются атомы металла. Они оседают на поверхности, образуя медное покрытие.

Среди основных этапов гальванического меднения в домашних условиях:

  • Подготовка поверхности (механическая и химическая).
  • Нанесение подслойного покрытия (если необходимо)
  • Меднение в соответствующем исходному металлу электролите.

Для декоративного гальванического меднения подойдут электролиты матового и блестящего меднения. После нанесения слоя, можно обработать поверхность в электролитах серебра, золота никеля и т.д.

Необходимые инструменты для меднения в домашних условиях

«Ингредиенты», без которых меднение не состоится, но которые реально подготовить в домашних условиях. Наши гальваники утверждают, что прежде всего, нужны:

  • Источник постоянного тока.Выбирается в зависимости от размера изделия.
  • Аноды. Анодные пластины выполняют несколько функций. В первую очередь, они подводят в электролит ток, во-вторых, они возмещают убыль металла, уходящего на покрытие изделия.
  • Рабочий электролит. Кислотный, щелочной или пирофосфорный раствор. Состав электролита выбирается в зависимости от исходного металла. Необходимо помнить, что любой электролит не универсален и подойдет не для всех работ.

Подготовка материала

Как правильно подготовить простой электролит меднения

Стоит отметить, что гальваника в домашних условиях медью сложна, потому что химические реактивы найти непросто. Компании, реализующие подобные продукты, не продают их без специальных документов. Но вы можете сделать все сами.

Электролит в домашних условиях возможно приготовить только при условии точного соблюдения рецептуры. В состав простейшего электролита входит:

  • Дистиллированная вода (или бидистиллят).
  • Медный купорос.
  • Соляная или другая кислота.

Готовый раствор имеет яркий синий цвет, запаха нет. Допускается наличие некоторого осадка. Важно соблюдать все меры безопасности с химическими реактивами, особенно в домашних условиях: защита рук и глаз в первую очередь. Одежду, на которую случайно мог пролиться раствор, – лучше перевести в разряд дачной.

Хранить такую жидкость лучше в стеклянных бутылках или пластиковых канистрах, а также обязательно указать дату розлива и название раствора. Правильное хранение компонентов избавит вас от возможных проблем. Приготовление электролита должно проходить в чистой пластмассовой или стеклянной посуде.

Подготовка материала для меднения в домашних условиях

Химическое меднение — это альтернатива электрохимическому способу, но не всегда может его заменить. В этом процессе важно тщательно подготовить деталь, бесследно устранив царапины, загрязнения, сколы и т.д. Для того, чтобы обезжирить вещь, можно пускать в ход и чистые растворители, и обезжиривающие растворы.

При этом универсального метода нет – разные виды металла подвергаются очистке по-разному:

  • Сталь. Обезжиривать сталь можно раствором, содержащим едкий натрий и едкий калий при 70-90 градусов по Цельсию. Это займет около 20-30 минут. Будьте аккуратны, пользуйтесь вытяжкой.
  • Медь и сплавы. Обезжиривание осуществляется едким натрием, нагретым предварительно до 40°, около 10 минут.
  • Чугун. Для процесса обезжиривания нужен раствор, содержащий едкий натрий, жидкое стекло, карбонат натрия и фосфат натрия при нагревании до 90°.
  • Вольфрам. Меднение вольфрама в домашних условиях начинается с чистки предмета от грязи и прочих дефектов наждачной бумагой.

Техника безопасности при меднении в домашних условиях

Несмотря на возможность гальваники в домашних условиях (меднения), процесс остается опасным. В любом гальваническом процессе задействованы токсичные вещества, способные сильно нагреваться. Поэтому нужно неукоснительно соблюдать меры предосторожности.

Первое правило гальваники медью в домашних условиях – работайте только в нежилом, хорошо проветриваемом помещении. Подойдут такие места, как мастерская или гараж. Второе правило – применяемое оборудование нужно заземлить. Третье – это соблюдение личной безопасности.

Для обеспечения собственной защиты при меднении в домашних условиях нужно:

  • Постоянно быть в респираторе, чтобы обезопасить дыхательные пути. лучше всего использовать вытяжку.
  • Защитить руки прочными прорезиненными перчатками.
  • Надеть специальную форму или клеенчатый фартук, противоожоговую обувь.
  • Не забыть очки для безопасности зрительных органов.
  • Не приносить в помещение еду и питье.

Перед меднением лучше заранее озаботиться прочтением специализированной литературы по данной теме. Желательно посоветоваться со специалистами данного профиля.

Гальваника в домашних условиях: меднение

Почему в гальванике столь востребована именно медь? Она имеет высокую адгезию (иными словами – сцепление) к самым разным материалам. Это значит, что она превосходно держится на изделиях из стали, вольфрама, не отлетая и не скалываясь.

Медь – красивый яркий металл, внешне напоминает самородки розово-красного оттенка. Материал проводит не только тепло, но и электрический ток – отсюда и высокий спрос в сфере электротехники и приборостроении. Однако чистую медь найти сложно. Чаще она поставляется с различными примесями.

Медные покрытия:

  • Отличаются малым сопротивлением, что используется в электротехнике
  • Скрывает мелкие недочеты поверхности.
  • Быстро окисляется, что используют для получения эффекта «антик».

Технологий меднения существует две. Одна происходит путем погружения изделия в раствор электролиты (с подачей тока или без). Второй же способ – это метод селективного нанесения покрытия без погружения в раствор. Рассмотрим оба.

Метод погружения

В домашних условиях поверхность, подвергаемую гальванике, следует скрупулезно образом обработать. Например, наждачной бумагой и щеточкой. После обязательно обезжирьте деталь и промойте.

Дальше:

  • Анодную пластину (можно две) помещают в емкость, которую будем называть ванной. На аноды замыкают положительную клемму.
  • Между анодами на любом удобном проводнике подвешивается деталь, к ней подводят отрицательный полюс от блока питания.
  • Готовый раствор вливается в ванночку – при этом уровень покрытия должен быть выше, чем расположена деталь.
  • После подключения электродов к источнику тока выставляют рабочий ток. Это примерно 1 А/кв.дм. покрытия.

Продолжительность работы зависит от необходимой толщины слоя, обычно от 5 минут.

Покрытие без погружения

Данный способ меднения имеет ограничения – чаще всего он подходит для реставрации поверхности. Таким способом можно нанести только небольшую толщину металла. Нет смысла покрывать таким методом изделия, которые можно меднить в ванне.
Порядок действий при гальваническом меднении в домашних условиях:

  • Готовят «тампон» для нанесения покрытия. Берут медный проводник и наматывают кусок искусственной ткани (полиэстер подойдет).
  • Противоположный конец проводника подсоединяют к положительной клемме источника напряжения.
  • Электролитным раствором наполняют емкость – так удобнее окунать карандаш.
  • Деталь аккуратно очищают и обезжиривают, а потом помещают в пустую ванночку. Там изделие подсоединяется к отрицательной клемме.
  • Тампон смачивают в растворе. Затем им проводят по поверхности изделия, закрашивая ее постепенно.

Процесс длится до полного покрытия медным слоем изделия.

Особенности гальванопластики в домашних условиях

Гальванопластика — это процесс нанесения меди на проводящую или непроводящую поверхность изделия с последующим снятием покрытия с негативной матрицы. Таким образом можно получить множество очень точных копий с одного изделия. При этом, есть условие: наращивание меди толщиной не менее 200 мкм, чтобы изделие получилось прочным.

Важно учесть, что, если поверхность изделия не имеет свойств проводника, то потребуется больше усилий – а именно, особое предварительное покрытие графитом, серебром или медью. Основным металлом для осуществления гальванопластики считается медь, но можно выращивать матрицы из серебра чистотой 9999.

Обучение гальванике

Можно сделать вывод, что меднение сегодня — это один из наиболее актуальных гальванотехнических процессов, обучиться которому может каждый. Компания «6 микрон» проводит обучение по направлению «Гальваника» для всех желающих! Вы сможете выбрать удобную для Вас программу обучения, которая лучше всего подойдет для гальваники в домашних условиях и не только. Все интересующие вопросы можно задать по телефону или по электронной почте, наши технологи проконсультируют по курсам для обучения.

Видео руководство по меднению деталей в домашних условиях:

Подробности Вы можете узнать по ссылке://6mkm.ru/uslugi/obuchenie-komplekti-dlya-prodazhi/

Автор материалов:
Гордиенко Анастасия Вадимовна
Должность: главный технолог ООО «6 микрон»
Образование: высшее
Опыт работы в гальванике: 11 лет

Задать свой вопрос

3.9 / 5 ( 128 голосов )

Смотрите также:

  • 10000

    С ценами на услуги по гальваническому меднению можно ознакомиться в конце этой статьи. Процесс гальванического меднения  в большинстве случаев является…

  • 10000

    Медь – один из первых материалов, которые смог «приручить» человек. Открытый около четырех тысяч лет назад, этот материал сегодня сохраняет…

  • 10000

    Медные покрытия редко используются как самостоятельные – в основном они нужны для промежуточных слоев перед никелированием, хромированием, серебрением. При этом…

Веб-страница не найдена на InspectApedia.com

.

Что делать, если ссылка на веб-страницу на InspectApedia.com приводит к ошибке страницы 404

Это так же просто, как ... ну, выбирая из 1, 2 или 3

  1. Воспользуйтесь окном поиска InspectAPedia в правом верхнем углу нашей веб-страницы, найдите нужный текст или информацию, а затем просмотрите ссылки, которые возвращает наша пользовательская поисковая система Google
  2. Отправьте нам электронное письмо напрямую с просьбой помочь в поиске информации, которую вы искали - просто воспользуйтесь ссылкой СВЯЗАТЬСЯ С НАМИ на любой из наших веб-страниц, включая эту, и мы ответим как можно скорее.
  3. Используйте кнопку НАЗАД вашего веб-браузера или стрелку (обычно в верхнем левом углу экрана браузера рядом с окном, показывающим URL-адрес страницы, на которой вы находитесь), чтобы вернуться к предыдущей статье, которую вы просматривали. Если вы хотите, вы также можете отправить нам электронное письмо с этим именем или URL-адресом веб-страницы и сообщить нам, что не сработало и какая информация вам нужна.

    Если вы действительно хотите нам помочь, используйте в браузере кнопку НАЗАД, затем скопируйте URL-адрес веб-страницы, которую вы пытались загрузить, и используйте нашу ссылку КОНТАКТЫ (находится как вверху, так и внизу страницы), чтобы отправьте нам эту информацию по электронной почте, чтобы мы могли решить проблему.- Благодарность.

Приносим свои извинения за этот SNAFU и обещаем сделать все возможное, чтобы быстро ответить вам и исправить ошибку.

- Редактор, InspectApedia.com

Задайте вопрос или введите условия поиска в поле поиска InspectApedia чуть ниже.

Мы также предоставляем МАСТЕР-ИНДЕКС по этой теме, или вы можете попробовать верхнюю или нижнюю панель ПОИСКА как быстрый способ найти необходимую информацию.

Зеленые ссылки показывают, где вы находитесь. © Copyright 2017 InspectApedia.com, Все права защищены.

Издатель InspectApedia.com - Дэниел Фридман .

Влияние легирующих элементов на свойства медных сплавов

В металлы часто добавляют небольшие количества легирующих элементов для улучшения определенных характеристик металла. Легирование может увеличить или уменьшить прочность, твердость, электрическую и теплопроводность, коррозионную стойкость или изменить цвет металла. Добавление вещества для улучшения одного свойства может иметь непреднамеренное воздействие на другие свойства. На этой странице описывается влияние различных легирующих элементов на медь и медные сплавы, такие как как латунь, так и бронза.

  • Прочность
    Упрочнение меди твердым раствором - обычная процедура. Маленький количество легирующего элемента, добавленного в расплавленную медь, полностью растворяется и образует гомогенный микроструктура (однофазная). В какой-то момент дополнительные количества легирующего элемента не будут растворяться; точное количество зависит от растворимости конкретного элемента в меди. Когда этот предел растворимости твердых веществ превышается, образуются две различные микроструктуры с различным составом. и твердости.Нелегированная медь относительно мягкая по сравнению с обычными конструкционными металлами. An сплав с добавлением олова к меди известен как бронза ; полученный сплав прочнее и тверже, чем любой чистых металлов. То же самое верно, когда цинк добавляют к меди для образования сплавов, известных как латунь . Следует отметить, что ни «латунь», ни «бронза» не являются конкретным техническим термином. Олово более эффективно укрепляет медь, чем цинк, но оно также более дорогое и более опасное. влияет на электрическую и теплопроводность, чем цинк.Алюминий (формовочные сплавы, известные как алюминиевые бронзы), Марганец, никель и кремний также могут быть добавлены для усиления меди.

    Другой метод упрочнения меди - дисперсионное твердение. Процесс включает закалку перенасыщенный твердый раствор от повышенной температуры, затем повторный нагрев до более низкой температуры (старение) чтобы позволить избытку растворенного вещества выпасть в осадок и образовать вторую фазу. Этот процесс часто используется для медные сплавы, содержащие бериллий, хром, никель или цирконий.Предложения по закаливанию осадков явные преимущества. Изготовление относительно легко, используя мягкую отожженную на раствор форму закаленный металл. Последующий процесс старения изготовленной детали может производиться относительно недорогие и незамысловатые печи. Часто термическую обработку проводят на воздухе при умеренных температуры печи и с небольшим контролируемым охлаждением или без него. Множество комбинаций пластичности, ударопрочность, твердость, проводимость и прочность можно получить, варьируя термообработку времена и температуры.

  • Электрическая и теплопроводность
    Чистая медь - очень хороший проводник как электричества, так и тепла. Международный стандарт отожженной меди (IACS; медь высокой чистоты с удельным сопротивлением 0,0000017 Ом · см): до сих пор иногда используется в качестве стандарта электропроводности металлов. Лучший способ увеличить электрическую и теплопроводность меди должна снизить уровень примесей. Наличие примесей и всего общего легирующие элементы, за исключением серебра, уменьшают электрическую и теплопроводность меди.Как количество второго элемента увеличивается, электропроводность сплава уменьшается. Кадмий имеет наименьшее влияние на электропроводность получаемого сплава, за которым следует усиление воздействия цинка, олова, никеля, алюминий, марганец, кремний, затем фосфор. Хотя в теплопроводности участвуют разные механизмы, добавление возрастающих количеств элементов или примесей также приводит к падению теплопроводности. Цинк имеет очень незначительное влияние на теплопроводность меди с последующим усилением эффектов от никеля, олова, марганца, кремний, и серьезные эффекты от фосфора.Фосфор часто используется для раскисления меди, что может увеличить твердость и прочность, но сильно влияют на проводимость. Кремний можно использовать вместо фосфора для раскисления медь, когда важна проводимость.

  • Цвет
    Чистая медь имеет красновато-золотой цвет, который быстро окисляется до тускло-зеленого цвета. Поскольку медь часто содержит природные примеси или легирован более чем одним элементом, сложно определить конкретный эффект каждого легирующий элемент имеет цвет полученного сплава.Электролитическая вязкая медь содержит серебро и часто следовое количество железа и серы и имеет нежно-розовый цвет. Позолоченная медь имеет красновато-коричневый цвет и содержит цинк, железо и свинец. Латунь часто используется в качестве декоративного металла, поскольку имеет внешний вид, очень похожий на тот. золота и намного дешевле. Латунь содержит разное количество цинка, железа и свинца и может варьироваться от от красноватого до зеленоватого до коричневато-золотого. Нейзильбер, содержащий никель, цинк, железо, свинец и марганец, может имеют вид от серовато-белого до серебристого.

  • Чтобы получить более общую информацию о более чем 2500 конкретных технических паспортах меди, латуни и бронзовых сплавов, выберите одну из следующих ссылок или воспользуйтесь одним из наших методов поиска для поиска конкретных продуктов. MatWeb имеет полный список механических, электрических и термических свойств и спецификаций состава для сплавов на основе меди.

    .

    Ковка меди со сталью - Кузнечное дело, Общие обсуждения

    Искать в

    • Везде
    • Темы
    • Этот форум
    • Эта тема
    • Больше вариантов...

    Найдите результаты, содержащие ...

    • Любые слова из моего поискового запроса
    • Все слова из моего поискового запроса

    Найти результаты в ...

    • Заголовки и тело контента
    • Только заголовки контента
    .

    Медь и металл для полупроводниковых межсоединений

    В межсоединениях из меди есть три основных элемента надежности: электромиграция (EM), образование пустот, вызванное напряжением (SIV), и зависящий от времени пробой диэлектрика (TDDB) [18]. Первые два пункта используются для оценки надежности металла, а последний пункт - для оценки диэлектрической надежности. Однако все элементы надежности связаны с каждым компонентом межсоединений из меди.

    5.1. Электромиграция (EM)

    Отказ межсоединений из-за электромиграции (EM) уже давно является проблемой для разработки высоконадежных ИС.Первый отказ схемы на основе межсоединения из алюминия, связанный с ЭМ, наблюдался в 1966 году [73]. В течение последних 60 лет были предприняты интенсивные усилия либо над межсоединениями из алюминия, либо над недавно введенными межсоединениями из меди, чтобы повысить устойчивость к электромагнитному излучению.

    Явление ЭМ заключается в миграции атомов металла в металлическом проводнике из-за напряжения с высокой плотностью электрического тока (~ 10 5 А / см) [74]. Когда электрический ток подается на металлический вывод, происходит передача импульса от электронов к металлическим атомам, что приводит к миграции металлических атомов.Следовательно, будет наблюдаться истощение и накопление металлических атомов в металлическом выводе, что происходит на катодной и анодной сторонах металлического вывода, соответственно. По мере истощения свинца на катодной стороне образуются пустоты и сопротивление увеличивается. Если пустоты становятся достаточно большими, чтобы охватить всю линию, будет наблюдаться открытая линия. На анодном конце проволоки будут накапливаться атомы металла, что приведет к гидростатическому напряжению. Если напряжение достаточно велико, а диэлектрики слабы, могут образовываться металлические экструзии, вызывающие утечку между соседними металлическими линиями [18, 75].В межсоединениях из меди барьерные слои Ta / TaN в нижней части переходного отверстия могут действовать как блокирующие границы, которые обеспечивают более высокое сопротивление ЭМ, чем Cu. Следовательно, во время ЭМ напряжения в линии Cu происходит явление истощения и накопления.

    Это напряжение создает обратный поток атомов, противоположный по направлению потоку от электромиграции, который называется «эффектом Блеха» или эффектом короткой длины »[76, 77, 78, 79]. Это нарастающее напряжение вызывает процесс обратной миграции, который уменьшает или компенсирует эффективный поток металлического материала к анодной стороне во время ЭМ.Таким образом, время отказа ЭМ может быть эффективно уменьшено. Более того, эта сила обратного напряжения становится очевидной по мере уменьшения длины проволоки. Следовательно, короткие провода, длина которых ниже критической пороговой длины (обычно порядка 5–50 мкм), обратный поток атомов предотвращает образование пустот-убийц, и провода бессмертны.

    Для ускорения отказов и экономии времени испытания ЭМ-испытание выполняется в условиях высокой плотности тока и высокой температуры. Время отказа ( t ) линии Cu широко описывается с помощью уравнения Блэка [80, 81]:

    t = Aj − nexpEakTE3

    , где j - плотность тока, Ea - энергия активации для диффузия, k, - постоянная Больцмана, T - температура, A - постоянная, и n - текущий показатель степени, значение которого обычно составляет от 1 до 2.Если значение n близко к 1, в кинетике ЭМ преобладает рост пустот, тогда как n = 2 соответствует кинетике, ограниченной зарождением пустот [82].

    Энергия активации диффузии варьируется с помощью различных механизмов диффузии, как указано в таблице 4 [83]. Процесс диффузии, вызванный ЭМ, можно разделить на объемную диффузию, диффузию по границам зерен, диффузию по поверхности и диффузию по границе раздела. В межсоединениях из алюминия и меди энергии активации диффузии на разных путях диффузии различаются.В межсоединениях Cu диффузия на границе раздела имеет самую низкую энергию активации, представляя основной путь для ЭМ. В то время как в межсоединениях из алюминия диффузия по границам зерен - это быстрый электромагнитный путь из-за более низкой энергии активации [83, 84, 85, 86].

    Таблица 4.

    Энергия активации для различных путей диффузии для металла Al, Al / Cu и Cu.

    При металлизации медью структура «сквозных проходов» широко используется для определения электромагнитных характеристик. Две типичные структуры испытаний ЭМ: «нагрузка на выходе» и «нагрузка на входе», как показано на рисунке 5.Чтобы свести к минимуму влияние Blech на результаты ЭМ, длина тестируемой линии Cu должна быть достаточно большой. Обычно длина составляет около 200–250 мкм. Во время ЭМ испытания сопротивление контролируется временем нагрузки. Поскольку контролируемое сопротивление увеличивается на определенное значение или определенный процент, это время определяется как время отказа ЭМ. Как правило, на ЭМ-тест тестируется 20–30 образцов. Измеренное время отказов обычно строится с использованием логнормального распределения и анализируется [23].

    Рис. 5.

    Схематический вид сбоку структур для испытаний на электромиграцию и мест образования пустот. (A) структура напряжения ниже по потоку и (B) структура напряжения выше по потоку.

    В тестовой структуре «нагружение ниже по потоку» поток электронов идет от металла-2 к металлу-1 через переходник-1. Пустота, вызванная ЭМ, образуется под переходным отверстием (ранний отказ) и в проводе вдали от переходного отверстия (поздний отказ). В тестовой структуре «нагружение на входе» поток электронов идет от металла-1 к металлу-2 через переходное отверстие-1.Пустота, вызванная электромагнитным излучением, образуется внутри переходного отверстия (ранний отказ) и в проводе (поздний отказ). Ранний отказ, произошедший в обеих испытательных структурах, связан с технологическим процессом или осаждением металлического барьера. Поздний отказ напрямую связан с границей раздела Cu / диэлектрик или характеристикой линии Cu. Следовательно, чтобы смягчить явление Cu EM, эти связанные процессы необходимо оптимизировать.

    Многие факторы, такие как факторы, связанные с конструкцией, технологическим процессом и окружающей средой, могут существенно повлиять на надежность Cu EM, как показано ниже:

    5.1.1. Эффект масштабирования

    Поскольку размеры устройства и провода уменьшаются в узлах передовых технологий, желательно увеличить максимальную требуемую плотность тока в линиях Cu, таким образом, должно быть достигнуто более длительное время жизни ЭМ линий Cu [40]. На рисунке 6 показана максимальная требуемая плотность тока при 105 ° C для линий Cu. Причина этого увеличения заключается в том, что ток возбуждения в устройствах увеличивается, а скорость переключения увеличивается по мере увеличения размеров устройства. Одновременно минимизируется размер металлической линии.Следовательно, металлическая линия должна выдерживать более высокую плотность тока.

    Рисунок 6.

    Максимально требуемая плотность тока при 105 ° C для медных линий M-1 с технологическими узлами [40].

    Однако ЭМ характеристики не могли быть улучшены, поскольку размеры линий Cu уменьшаются. Фактически, срок службы ЭМ уменьшается, как показано на рисунке 7. Этот результат можно объяснить двумя причинами. Во-первых, по мере уменьшения размеров переходного отверстия и канавки размер пустот, необходимый для возникновения электромагнитного сбоя, соответственно уменьшается [86].Это приводит к тому, что за короткое время образуется «убийственная» пустота. Другая причина связана с размером зерна в линиях Cu. Результаты экспериментов показали, что размер зерна уменьшается с увеличением ширины линии, поскольку ширина линий Cu менее 0,2 мкм. В линиях Cu с меньшим размером зерна диффузия по границам зерен может быть значительной во время ЭМ напряжения, что приводит к более низкому сроку службы ЭМ [87].

    Рис. 7.

    Результаты экспериментов и моделирования масштабирования срока службы электромиграции с уменьшением размеров межсоединения.Воспроизведено с разрешения Ref. [86].

    Для узлов с передовыми технологиями надежность ЭМ становится критической проблемой из-за высоких требований к ЭМ и низкой производительности ЭМ. Следовательно, необходим ряд технологий изготовления межсоединений из меди или способов улучшения электромагнитных характеристик для узких проводов меди. Более того, с точки зрения метода нагружения, нагружение переменным током (AC) может увеличить ЭМ срок службы линий Cu по сравнению с обычным нагружением постоянным током [88, 89].Увеличение срока службы ЭМ объясняется эффектом исцеления повреждений. В условиях переменного тока частичные атомы Cu, мигрирующие в одном направлении при одном напряжении полярности, будут мигрировать обратно в свое исходное положение при изменении напряжения полярности. Следовательно, линия Cu получает меньше повреждений от ЭМ в течение заданного времени, что приводит к увеличению срока службы ЭМ. Кроме того, эффект заживления повреждений от напряжения переменного тока зависит от частоты срабатывания. Поскольку рабочая частота превышает 10 Гц, эффект самовосстановления становится значительным и увеличивается с увеличением рабочей частоты.Когда рабочая частота достигает примерно 10 кГц, этот эффект становится насыщенным. Таким образом, на рабочих частотах выше этой точки дальнейшего увеличения срока службы ЭМ не наблюдается [88].

    5.1.2. Эффект границы раздела Cu

    Граница раздела между линией Cu и покрывающим слоем является доминирующим путем переноса ЭМ для межсоединений из дамасского Cu из-за самой низкой энергии активации для диффузии [83]. Следовательно, для получения длительного срока службы ЭМ улучшение границы раздела Cu является наиболее эффективным методом за счет увеличения адгезии между этими слоями [90].Типичный процесс диэлектрического покрытия состоит из двух основных этапов: плазменная очистка для удаления оксидов Cu и нанесение барьерного диэлектрика из Cu (SiN или SiCN) [91, 92].

    Плазменная очистка оказывает заметное влияние на улучшение ЭМ по сравнению с нанесением барьерного диэлектрика. Это объясняется повышенной адгезией между линией Cu и барьерным диэлектрическим слоем. Обычно используется плазменная очистка H 2 или NH 3 , при которой оксид меди удаляется с верхней поверхности медной металлизации посредством химической реакции.Полученные результаты были противоречивыми [93, 94, 95], поскольку некоторые авторы сообщали, что плазменная очистка на основе H 2 лучше. Эти очевидные противоречия могут быть результатом большого разнообразия плазменных камер и условий плазмы. Тем не менее ясно, что плазменная очистка H 2 и NH 3 может увеличить срок службы ЭМ. Кроме того, для усиления адгезии между процессами плазменной очистки и диэлектрического осаждения вводится процесс экспонирования SiH 4 , чтобы сформировать тонкий слой силицида меди.Таким образом, срок службы ЭМ был увеличен за счет улучшенной адгезии [96, 97].

    Влияние защитного диэлектрического слоя Cu на ЭМ не так очевидно по сравнению с эффектом плазменной очистки, хотя сделан вывод, что улучшение адгезии между линией Cu и диэлектрическим закрывающим слоем может улучшить ЭМ. Покрывающие слои SiN и SiCN имеют одинаковое время жизни ЭМ, но имеют более длительное время жизни ЭМ по сравнению с закрывающим слоем SiC [98]. Возможным механизмом является образование соединения Cu (Cu 3 N) на границе раздела для обеспечения лучшего интерфейса.

    Основываясь на этих результатах, альтернативой для улучшения границы раздела Cu является использование металлического закрывающего слоя вместо диэлектрического закрывающего слоя. Было обнаружено, что из-за уменьшения диффузии межфазной границы срок службы ЭМ значительно улучшился. Используемый металлический защитный слой может быть из Ta / TaN или CoWP [57], причем последний закрывающий слой, как сообщается, обеспечивает большее улучшение электромагнитного поля, чем первый. Более того, в линиях дамасцена Cu с бамбуковой структурой зерен (т.е. без диффузии по границам зерен) энергия активации диффузии составляла 1.0 эВ для закрывающего слоя SiN или SiCN, 1.4 эВ для закрывающего слоя Ta / TaN и 2,4 эВ для закрывающего слоя из CoWP [99]. Это говорит о том, что механизм диффузии изменяется с диффузии на границе раздела на объемную диффузию для закрывающего слоя CoWP. При отливке покрывающего слоя Ta / TaN, хотя механизм диффузии на границе раздела все еще доминирует, межфазное соединение между Cu и покровным слоем усиливается.

    На Рисунке 8 сравниваются различные технологии улучшения ЭМ с точки зрения эффективности улучшения ЭМ (коэффициент увеличения срока службы ЭМ и коэффициент увеличения сопротивления).Покрывающий слой CoWP является лучшим подходом с более высоким увеличением срока службы ЭМ и меньшим увеличением сопротивления.

    Рис. 8.

    Сравнение увеличения срока службы при электромиграции по сравнению с увеличением сопротивления для различных технологий улучшения электромиграции [40].

    5.1.3. Эффект микроструктуры

    Микроструктура межсоединений из меди также играет важную роль в характеристиках ЭМ. Важные параметры микроструктуры включают размер зерна (по отношению к ширине линии), распределение зерен и ориентацию зерен.Каждый из этих параметров влияет на характеристики ЭМ и зависит от этапов металлизации Cu. Как правило, для улучшения ЭМ полезны крупный размер зерен или структура зерен бамбука, плотное распределение зерен и ориентация зерен (111). Экспериментальные результаты показали, что линия Cu с гальваническим покрытием имеет относительно большой размер зерна и плотное распределение зерен по сравнению с линией Cu, полученной методом CVD, что приводит к увеличению срока службы ЭМ [100]. Кроме того, этап отжига (<400 ° C) после гальванического покрытия и перед этапом Cu CMP может увеличить размер зерна линий Cu из-за роста усиления и рекристаллизации, что приведет к увеличению срока службы ЭМ [101].

    5.1.4. Диэлектрический эффект

    Более низкое время жизни ЭМ было обнаружено при использовании диэлектрика k в качестве изолятора в межсоединениях из меди [102, 103]. Это уменьшение усиливается с уменьшением диэлектрической проницаемости диэлектриков с низким значением k . Меньший срок службы ЭМ диэлектриков с низким значением k можно объяснить несколькими причинами. Во-первых, модуль диэлектриков с низким значением k ниже, чем у пленки SiO 2 , и уменьшается с уменьшением диэлектрической проницаемости.Из-за более низкого модуля эффект Блеха и критическая длина бессмертия линии будут уменьшены [103]. Во-вторых, барьерные слои часто имеют слабую адгезию к материалам с низким значением k ; слабая адгезия может привести к сбоям экструзии во время ЭМ напряжения [104]. Наконец, материалы с низким значением k имеют более низкую теплопроводность, чем SiO 2 . Следовательно, для данной плотности тока генерируется больше джоулева нагрева [105], что приводит к более высокой температуре в медной проволоке и, следовательно, к более высокой скорости диффузии ЭМ.

    5.1.5. Эффект легирования затравочного слоя Cu

    Легирующие примеси, такие как Al [106, 107], Ag [108], Mn [109, 110, 111], магний (Mg) [112, 113], цирконий (Zr) [114], и Олово (Sn) [115] в слой Cu является эффективным методом увеличения срока службы ЭМ. Основным недостатком этого подхода является то, что примеси увеличивают удельное сопротивление линии Cu. Чтобы избежать огромного увеличения удельного сопротивления, концентрация легирующей примеси поддерживается на относительно низком уровне, и легирующая добавка обычно вводится в процессе осаждения затравочного слоя меди.Кроме того, после завершения медной металлизации требуется дополнительный процесс отжига. Цель состоит в том, что легирующие примеси сегрегируют на границах зерен и границах раздела между линией Cu и покровным слоем в результате отжига. Таким образом, скорость миграции ЭМ Cu замедляется из-за уменьшения межзеренной и межфазной диффузии [106, 110]. Было обнаружено, что измеренное время жизни ЭМ увеличивается по крайней мере на один порядок и прямо пропорционально концентрации легирования.

    Среди используемых легирующих добавок больше внимания привлекли Al и Mn, поскольку они показали, что они значительно увеличивают срок службы ЭМ.Кроме того, Mn является многообещающим кандидатом для обеспечения некоторых преимуществ. Его низкая растворимость в линиях Cu позволяет минимизировать увеличение удельного сопротивления за счет оптимизации постметаллического отжига [109]. Кроме того, Mn имеет высокое сродство к кислороду, что приводит к образованию слоя MnO x с диэлектрической пленкой в ​​результате отжига. Сформированный слой MnO x может действовать как барьерный слой Cu, что позволяет избежать нанесения металлического барьерного слоя [47, 48].

    5.2. Пустоты, вызванные напряжением (SIV)

    Как и EM, пустоты образуются в металлической линии для образования пустот, вызванных напряжением.Но эти два условия надежности имеют разные механизмы. В то время как ЭМ индуцируется силой электронного ветра под действием электрического поля, пустотность, вызванная напряжением (SIV), возникает из-за миграции напряжения. При отжиге пассивированного медного соединения при умеренных температурах (200–250 ° C) в металле устанавливается напряжение растяжения. Если это накопленное растягивающее напряжение превышает критическое напряжение, в линии Cu образуются пустоты, что приводит к увеличению сопротивления или образованию открытой линии. Накопленное напряжение в металлической линии вызывается двумя механизмами: первый - это тепловое напряжение из-за несоответствия теплового расширения металлической линии и диэлектрического изолятора; а другой - напряжение роста из-за роста зерна по линии металла [116, 117, 118].

    Уникальной характеристикой пустот, вызванных напряжением, является то, что максимальная скорость роста пустот в линии Cu не происходит при высокой температуре, как показано на Рисунке 9. Для достижения достаточно больших пустот, чтобы разорвать цепь, создается напряжение. (зарождение пустот) и миграция атомов Cu (накопление пустот) должны происходить последовательно. Однако эффект температурной зависимости этих двух механизмов совершенно различен. Если вызванная напряжением пустота возникает из-за несоответствия теплового расширения во время осаждения диэлектрического защитного слоя, может быть получена «свободная от напряжения» температура.Эта температура без напряжений связана с температурой осаждения диэлектрического защитного слоя и последующих процессов. Температура без напряжений близка к температуре межуровневого осаждения диэлектрика и обычно составляет 300–450 ° C. Поскольку температуры напряжения близки к температуре без напряжений, растягивающее напряжение ( σ ) в металлической линии является низким, так что скорость роста пустот невысока. С другой стороны, коэффициент диффузии меди увеличивается с повышением температуры, что приводит к высокой скорости роста пустот при высоких температурах.Эти два различных механизма приводят к значительному росту пустот при промежуточных температурах (150–250 ° C) [116, 119, 120]. Следовательно, для недавно разработанного процесса для соединений Cu необходимо заранее определить температуру напряжения для максимальной скорости роста пустот в линии Cu.

    Рисунок 9.

    Скорость роста пустоты, вызванной напряжением, как функция температуры [116].

    Тестовая структура пустоты, вызванной напряжением, представляет собой простые сквозные структуры. Сопротивление контролируется как функция времени при температуре напряжения [121].Поскольку сопротивление увеличивается на определенное значение (5–10%), это время определяется как срок службы пустоты, вызванной напряжением.

    Основные факторы, влияющие на образование пустот, вызванных напряжением, в трубопроводах Cu можно разделить на следующие категории.

    5.2.1. Эффект масштабирования

    Основным видом разрушения пустот, вызванных напряжением, является образование пустот под переходными отверстиями из-за градиента напряжения в нижележащей линии Cu и наличия межфазной границы раздела металлов [116]. Поскольку пустота формации охватывает все переходное отверстие, что называется «убойной пустотой», электрический ток прекращается, что приводит к отказу цепей.Следовательно, интенсивность отказов для вызванных напряжением пустот в линии Cu увеличивается с уменьшением размера переходного отверстия (Рисунок 10).

    Рис. 10.

    Интенсивность разрушения пор, вызванных напряжением, в зависимости от ширины линии M2 и размера сквозного отверстия V2 после напряжения отжига при 225 ° C в течение 1000 часов. Воспроизведено с разрешения Ref. [122].

    С другой стороны, интенсивность отказов для вызванных напряжением пустот в линии Cu увеличивается с увеличением ширины линии (рис. 10) в противоположность тому, что наблюдается для линии Al [116, 117, 122].Это уникальное поведение можно объяснить двумя механизмами. Первый заключается в том, что гидростатическое напряжение увеличивается с увеличением ширины линий Cu на основе результата моделирования напряжений [123]. Следовательно, более сильная движущая сила для образования пустот создается в широких линиях Cu, чем в узких линиях Cu. Другой механизм можно объяснить теорией «активного диффузионного объема» [124]. В этой теории образовательная пустота связана с количеством вакансий, доступных в пределах диффузионной длины переходного отверстия.Более широкие линии Cu могут обеспечить большее количество вакансий для образования пустот под дном переходного отверстия. Таким образом, более широким линиям Cu требуется меньше времени, чтобы сформировать «убийственную пустоту», и они имеют слабое сопротивление пустоте, вызванной стрессом. Чтобы решить проблему надежности пустот, вызванных напряжением, в узких переходных отверстиях и широкой линии, конструктивное решение обеспечивается путем вставки избыточных переходных отверстий в широкую медную линию [125, 126]. При таком подходе градиент напряжения уменьшается, а объем «убийственной» пустоты увеличивается, таким образом увеличивая вызванную стрессом пустоту.

    5.2.2. Поверхностный эффект Cu

    Пустоты в линиях Cu, вызванные напряжением, в основном наблюдаются под переходными отверстиями [116]. Причиной такого отказа являются высокое растягивающее напряжение в металле на краю переходного отверстия и слабая адгезия между барьерным металлом и находящейся под ним Cu на дне переходного отверстия. Высокое растягивающее напряжение в металле на краю переходного отверстия было обнаружено с помощью моделирования напряжений [127, 128]. В этот момент, если растягивающее напряжение превышает критическое напряжение, пустота будет зарождаться, а затем увеличиваться вдоль границы раздела между барьерным металлом и лежащей под ним Cu на дне переходного отверстия.Как только образовалась пустота, критическое напряжение будет уменьшено, в результате чего поле напряжений, окружающее пустоту, станет менее напряженным. Результирующий градиент напряжения способствует диффузии вакансий к пустоте, что приводит к дальнейшему росту.

    Для решения этой проблемы, связанной с пустотой, вызванной напряжением, обеспечение лучшего интерфейса Cu является основной стратегией. Таким образом, подходы к оптимизации интерфейсов Cu, применяемые для улучшения ЭМ, также оказывают большую помощь для образования пустот, вызванных напряжением [129, 130, 131].

    5.2.3. Эффект границы зерен Cu

    Пустоты, вызванные напряжением, также могут наблюдаться на границах зерен в линиях Cu [132]. Таким образом, граница зерна - это еще один путь диффузии. Уменьшение границ зерен в линиях Cu (т. Е. Максимальное увеличение размера зерен Cu) может минимизировать интенсивность отказов пустот, вызванных напряжением, аналогично повышению надежности ЭМ. Самый эффективный метод увеличения размера зерен меди - это отжиг. Время работы - после медного покрытия и до этапа Cu CMP. Следует отметить, что максимальная температура отжига должна быть ограничена после нанесения диэлектрического защитного слоя, поскольку высокотемпературный отжиг после нанесения диэлектрического защитного слоя может привести к высокой скорости образования пор, вызванных напряжением, из-за либо ограниченного роста зерна, либо из-за повышенного напряжения в Линия Cu [122, 132].Кроме того, использование металлических покрывающих слоев [133] и / или линий легирования Cu [106, 107], которые используются для улучшения ЭМ, также показало снижение интенсивности отказов пустот, вызванных напряжением.

    5.2.4. Эффект барьера переходного отверстия

    Раннее разрушение вызванной напряжением пустоты происходит внутри переходного отверстия из-за дефекта переходного отверстия с более низким растягивающим напряжением [124]. Поскольку атомы Cu будут мигрировать в области с более высоким растягивающим напряжением, вакансии будут диффундировать в области с более низким растягивающим напряжением. Если в переходном отверстии есть дефект, то образование пустот в переходном отверстии будет еще более усилено.Плохое покрытие затравочного слоя и нежелательное заполнение зазоров гальваники являются предвестниками образования пустот. По мере уменьшения размеров медных межсоединений эти два процесса становятся все более сложными. Чтобы обеспечить низкое сопротивление металлической линии в узлах передовых технологий, необходимо, чтобы толщина барьерного слоя меди была как можно больше. Однако важны вопросы диффузии меди в диэлектрик, покрытия металлического барьерного слоя на дне и боковых стенках канавок и переходных отверстий, а также заполнения зазоров медным покрытием.

    Этот вид отказов, вызванных напряжением, может быть устранен с помощью хорошего покрытия металлическим барьерным слоем на дне и боковых стенках канавок и переходных отверстий, а также путем заполнения пустот медью. Для достижения этих целей используется герметизация пор на пористых диэлектриках с низким содержанием k [134], хороший контроль профилей сквозных отверстий и канавок [135], использование барьерной технологии ALD [136] и оптимизация добавок в процессе медного покрытия. [37] были продемонстрированы.

    5.3. Зависящий от времени пробой диэлектрика (TDDB)

    Во время длительного воздействия высоких электрических полей в диэлектрических материалах может произойти электрическое повреждение.Это вызывает потерю изолирующих свойств диэлектрического материала, для которого состояние сопротивления изменяется с высокого на низкое. Наконец, происходит электрический пробой, поскольку образуется токопроводящий путь. Такая потеря надежности называется «пробой диэлектрика, зависящим от времени» (TDDB) [137, 138, 139, 140, 141].

    Зависящий от времени пробой диэлектрика может происходить в затворных диэлектриках и диэлектриках BEOL [142, 143]. Первое было важной проблемой надежности, потому что толщина диэлектрика затвора постоянно уменьшается с развитием технологического узла, хотя последнее не является ключевой проблемой в межсоединениях из алюминия, потому что приложенное электрическое поле через диэлектрик BEOL низкое из-за относительно большого расстояние между металлическими линиями.Однако по мере того, как технологический узел ИС постоянно развивается, поперечное электрическое поле через диэлектрик BEOL значительно увеличивается из-за уменьшения размера межсоединения. Одновременно используемый диэлектрик BEOL превращается в диэлектрики с низким значением k с диэлектрической проницаемостью ниже 4,0. Пробивная прочность диэлектриков с низким значением k ниже, чем у пленки SiO 2 , и обычно уменьшается с уменьшением диэлектрической проницаемости.Эти комбинированные эффекты приводят к критической проблеме временного диэлектрического пробоя для диэлектриков BEOL в узлах передовых технологий [144, 145].

    Тестовая структура для оценки надежности TDDB имеет две типичные конфигурации: гребенчато-гребенчатый или гребенчато-серпантинный [146, 147, 148, 149], как показано на рисунке 11. Обычно металл-1 является наиболее часто используемым металлом. уровень, потому что у него самый маленький шаг. Во время теста один электрод (например, змеевик) заземляется, и на другой электрод подается постоянное положительное напряжение (например, серпантин).г., расческа). Ток утечки измеряется временем нагрузки. Типичный ток утечки в зависимости от времени напряжения - это начальное уменьшение тока утечки из-за захвата заряда, за которым следует ток утечки, вызванный напряжением, и, наконец, пробой [150]. Время напряжения при резком увеличении контролируемого тока утечки соответствует времени пробоя.

    Рис. 11.

    Схема вида сверху структур для испытания на пробой диэлектрика с временной зависимостью. (A) Гребне-гребенчатая структура.(B) Гребне-змеевидная структура.

    Так как пробой диэлектрика, зависящий от времени, используется для оценки диэлектрической надежности, его характеристики сильно зависят от свойств диэлектрика. Дополнительные исследования показали, что высокая плотность дефектных участков в осажденном диэлектрике (особенно для материалов с низким значением k ) [151], повреждение или загрязнение диэлектрика из-за таких процессов, как плазма и процессы CMP [152, 153, 154], а проблемы с нанесением рисунка, такие как шероховатость кромок линии или несовпадение [155, 156], привели к низкой пробойной прочности диэлектриков BEOL.Следовательно, оптимизация процесса соединения BEOL может эффективно повысить надежность зависящего от времени пробоя диэлектрика.

    Кроме того, медная металлизация также влияет на производительность TDDB. Диффузия меди в диэлектрик приводит к серьезному снижению надежности диэлектриков БЭОЛ [157, 158, 159]. Диффузия меди в диэлектрик может происходить через диэлектрические и металлические барьерные слои, которые представляют собой межфазную диффузию и объемную диффузию соответственно. Межфазная диффузия считается доминирующим путем диффузии меди.Это может быть продемонстрировано тем фактом, что пробой диэлектрика между соседними медными проволоками обычно происходит на границе между закрывающим слоем и диэлектриком [150, 160]. Предполагается, что граница раздела будет иметь более высокую плотность захвата, чем объемные диэлектрики из-за несоответствия связей между различными материалами или из-за примесей от процесса Cu CMP [153, 161]. Следовательно, граница раздела между закрывающим слоем и диэлектриком является предпочтительным путем диффузии и утечки для атомов Cu.Более того, изготовленные линии Cu обычно имеют конусообразную форму (шире вверху, чем внизу), поэтому пространство в верхней части линии Cu меньше всего, что приводит к наивысшему электрическому полю в этом месте. Из-за комбинации высокого электрического поля и высокой плотности дефектов межфазная граница является доминирующим путем диффузии меди.

    Более того, теория «пробоя, катализируемого диффузией меди» была предложена для объяснения более низкой пробойной прочности диэлектрика при диффузии меди в диэлектрик [162].Согласно этой теории, Cu может выступать в качестве предшественника окончательного пробоя диэлектрика. Когда концентрация Cu в диэлектрике достигает критического значения, происходит пробой диэлектрика. Два возможных механизма могут объяснить индуцированный Cu пробой диэлектрика. Во-первых, диффузные атомы Cu могут катализировать реакцию разрыва связи, вызывая постоянное смещение связи в диэлектрике. Другой механизм заключается в том, что атомы Cu, накопленные в диэлектрике, образуют кластеры наночастиц. Когда эти кластеры соединяются, возникает металлический замыкающий мостик или локальное утончение диэлектрика, вызывая пробой диэлектрика.

    Помимо снижения прочности диэлектрика и времени отказа, диффузия Cu в диэлектрик изменяет модель ускорения электрического поля TDDB, которая используется для определения частоты отказов или срока службы в условиях использования (данные о напряжении в сильном поле должны быть экстраполированы на нижние поля при условиях использования). «E-модель» [163, 164, 165], которая является управляемой полем моделью и механизмом разрыва химической связи, не может описать поведение TDDB с низким значением k при диффузии Cu.Вместо этого наиболее подходящей моделью является «E 1/2 -модель» [146, 166]. Постулируется, что ускоренные электроны, инжектированные из катода, переносятся внутрь диэлектрика с низким значением k посредством проводимости Шоттки-Эмиссии или Пула-Френкеля. Некоторые электроны подвергаются термализации в сильном поле и при высокой температуре и сталкиваются с атомами Cu на аноде. В результате образуются положительные ионы Cu, которые, в свою очередь, инжектируются в диэлектрик под действием поля по пути быстрой диффузии. Поскольку ток в проводимости Шоттки-Эмиссии или Пула-Френкеля пропорционален E 1/2 , «E 1/2 -модель» является возможной моделью для описания временного пробоя диэлектрика с низким значением k . с диффузией Cu.Однако модель TDBD еще не полностью принята, и поэтому она остается открытой проблемой.

    Чтобы минимизировать диффузию Cu в диэлектрик, чтобы избежать снижения надежности TDDB, было предложено несколько технологических стратегий, включая использование соответствующих металлических барьерных слоев [167, 168], минимизацию остатков после очистки после CMP [169] и минимизацию воздействия воздуха перед к укупорке Cu [150, 153]. Кроме того, метод работы с переменной полярностью вместо напряжения постоянного тока может увеличить срок службы диэлектрического пробоя в результате эффекта восстановления из-за обратной миграции ионов Cu во время напряжения обратного смещения [170, 171].

    .

    Смотрите также