Procedimiento y electrodo para definir y reproducir estructuras en materiales conductores.

Un procedimiento electroquímico de reproducción de patrones para la producción de micro o nanoestructuras deun material conductor de la electricidad sobre un sustrato (9),

mediante el cual se reproduce un patrón deelectrodeposición, definido por un material aislante de la electricidad que porta un patrón, y dicho procedimientocomprende:

el uso de un procedimiento electroquímico para transferir dicho patrón sobre el sustrato (9),

dicho procedimiento electroquímico comprende la disolución de un material en una superficie anódica y ladeposición del material en una superficie catódica, mediantela colocación de un electrodo maestro (8) en estrecho contacto con el sustrato (9), de manera que el patrón sedefina mediante el uso del electrodo maestro (8), y

dicha disolución y deposición de material se lleva a cabo en celdas de electrodeposición locales (14) que se formanen cavidades cerradas o abiertas, delimitadas por una capa de patrón aislante (3) del electrodo maestro (8), y elsustrato (9),

el electrodo maestro (8) constituye la superficie anódica y el sustrato constituye la superficie catódica, y el materialque se disuelve constituye un material anódico, depositado previamente en las cavidades definidas por las paredeslaterales del material aislante que porta el patrón, sobre el electrodo maestro en las celdas de electrodeposiciónlocales (14).

Procedimiento y electrodo para definir y reproducir estructuras en materiales conductores

Campo técnico

La presente invención se refiere a un nuevo procedimiento de electrodeposición para simplificar la producción de aplicaciones que hacen uso de micro y nanoestructuras mediante el uso de un electrodo especial, de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.

La presente invención está estrechamente relacionada con el grabado electroquímico, la electrodeposición, la fotolitografía y la reproducción de patrones y se incluye en el campo de la micro y nanotecnología.

El procedimiento resulta particularmente útil para la fabricación de: circuitos impresos (PWB o PCB) , sistemas microelectromecánicos (MEMS) , sensores, pantallas planas y dispositivos de almacenamiento magnético y óptico. Mediante el uso de este procedimiento, también se pueden producir: circuitos integrados, diferentes tipos de estructuras de polímeros conductores, estructuras de semiconductores, estructuras de metales y otros elementos. Incluso es posible obtener estructuras tridimensionales de silicio empleando una técnica de formación de silicio poroso.

Antecedentes de la invención La creciente demanda de sistemas microelectrónicos y microelectromecánicos más pequeños, más rápidos y más baratos requiere el correspondiente desarrollo de técnicas de fabricación eficientes y adecuadas.

En la fabricación de micro y nanoestructuras sobre una superficie se emplean técnicas aditivas o sustractivas. El grabado es un ejemplo de técnica sustractiva general, y la electrodeposición, una técnica aditiva general.

Los procedimientos de grabado se suelen dividir en dos subgrupos: grabado seco y húmedo. En general, el grabado seco se usa para estructuras submicrométricas y/o cuando las paredes laterales desempeñan un papel importante. El grabado húmedo se usa para estructuras grandes en las que es aceptable, y a veces deseable, un cierto nivel de socavación. Las técnicas de grabado húmedo se pueden clasificar en: grabado químico y electroquímico.

Las ventajas del grabado seco, en comparación con el grabado húmedo, residen en que se pueden generar perfiles grabados anisótropos tanto en material cristalino como en material policristalino/amorfo. Algunas de las desventajas del grabado seco radican en los elevados costes de los equipos, la falta de selectividad, problemas con la redeposición sobre la muestra, productos químicos peligrosos para el ambiente, daños superficiales en la muestra grabada y problemas de seguridad y de gestión de los residuos.

Las ventajas del grabado húmedo residen en que se trata de un proceso sencillo y barato. Una de las desventajas consiste en que no actúa ningún gradiente de potencial direccional y, por lo tanto, la velocidad de grabado es la misma en todas las direcciones, lo que da lugar a un perfil grabado isótropo. Otras desventajas consisten en que los baños de grabado húmedo, por lo general, contienen productos químicos agresivos y tóxicos, que plantean problemas de seguridad y de gestión de los residuos. En muchos procesos de grabado húmedo, los costes del tratamiento y gestión de residuos a menudo superan los costes del propio grabado, y lo mismo sucede en el caso del grabado seco.

Las descripciones detalladas relativas a los procesos de grabado mencionados anteriormente son conocidas por los expertos en la materia y no se especificarán en el presente documento. Debido a la estrecha relación existente entre el procedimiento de grabado de acuerdo con la presente invención y el grabado electroquímico, se incluirán a continuación algunos detalles relativos a este último.

El grabado electroquímico es un procedimiento de grabado que se usa para obtener un perfil grabado anisótropo a partir de un proceso de grabado húmedo sencillo y barato. En el grabado electroquímico se aplica un potencial eléctrico externo entre una muestra grabada y un contraelectrodo, sumergidos en una solución de grabado. Como se muestra en la figura 1, se forma una celda electroquímica con el electrodo de trabajo —la muestra— como ánodo, y el contraelectrodo como cátodo. Se aplica un potencial externo para impulsar el proceso de oxidación en el electrodo de trabajo. La correspondiente reducción que tiene lugar en el cátodo suele consistir en la formación de hidrógeno gaseoso. Como electrolito y solución de grabado, se pueden usar soluciones salinas neutras o mezclas muy diluidas de soluciones de grabado convencionales. El potencial aplicado y el campo eléctrico que genera proporcionan un grabado direccional en sentido vertical.

Un problema al que se enfrentan los diseñadores de celdas de grabado electroquímico radica en que, para reducir las pérdidas resistivas debidas a la transferencia de carga que se produce en el electrolito, lo ideal es que la distancia entre electrodos sea pequeña. Una distancia pequeña, que únicamente genere una diminuta irregularidad en el electrodo, da lugar a un Ld relativamente grande, que proporciona una distribución de densidad de corriente no uniforme. El resultado es que algunas partes de la muestra se graban en exceso, mientras en que otras partes el grabado no alcanza la profundidad deseada. No se puede utilizar un soporte mecánico para mantener el electrodo en su posición a lo largo de toda la superficie, ya que no se permite ningún contacto entre la muestra y el contraelectrodo.

Otro problema del grabado electroquímico es la distribución de densidad de corriente no uniforme producida por corrientes acumuladas procedentes de zonas no grabadas, debido al hecho de que todas las partes del contraelectrodo se encuentran en contacto con el electrolito, no solo las zonas deseadas por encima de las partes grabadas.

La segunda opción —técnicas aditivas— para la transferencia de patrones consiste en añadir material en la estructura formada sobre el sustrato mediante la etapa de definición del patrón. La electrodeposición, deposición física en fase vapor y la deposición química en fase vapor son ejemplos de procesos aditivos.

Cuando la finalidad del grabado es la de proporcionar una estructura en el material de grabado mediante la erosión de partes seleccionadas del mismo, el material de grabado que no se debe desprender se suele recubrir con una capa que impide el grabado y que se denomina máscara o capa protectora. La técnica principal para definir patrones de grabado es la fotolitografía, y la capa fotorresistente es un ejemplo común de capa que impide el grabado. La capa fotorresistente se expone a una radiación electromagnética y se somete a un proceso de revelado para transferir el patrón en las zonas que se desee grabar. Cada muestra que se graba se debe recubrir con una capa protectora, someterla a un primer calentamiento en horno, exponerla, revelarla y someterla a un segundo proceso térmico antes de que pueda comenzar el proceso de grabado.

La mayoría de los microdispositivos actuales están compuestos por un gran número de capas funcionales y en cada capa se debe aplicar un patrón y una alineación en un proceso de fotolitografía seguido de un proceso de transferencia de patrón. La figura 6 muestra un procedimiento de grabado convencional con el procedimiento de litografía. El carácter complejo del proceso de litografía para definir patrones y el gran número de etapas litográficas necesarias para fabricar un microdispositivo requieren una enorme inversión de tiempo y recursos en la cadena de fabricación global.

La publicación de patente EP 1060299 dio a conocer el uso de un procedimiento para crear, mediante grabado, depresiones en unas zonas seleccionadas de una superficie de grabado usando un electrodo con zonas del electrodo que conducen la electricidad en zonas seleccionadas de la superficie de un electrodo, en el que las zonas del electrodo forman un patrón de electrodo que se corresponde con el patrón de grabado. El procedimiento se diferencia de la presente invención por el uso de radiación electromagnética para disolver una capa de pasivación, que se forma sobre el material de grabado. Durante el grabado, el electrodo se coloca a cierta distancia del material de grabado conductor de la electricidad, lo que también lo diferencia de la presente invención. Los electrodos de acuerdo con la EP 1060299 han de ser transparentes a la radiación electromagnética y no compensan las irregularidades en las zonas micro/nanoscópicas.

El documento WO 9845504 revela un procedimiento para llevar a cabo una electrodeposición usando un artículo que se somete a la electrodeposición (o artículo de electrodeposición) , un ánodo y un sustrato. El artículo sometido a la electrodeposición se pone en contacto con el sustrato. En una forma... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento electroquímico de reproducción de patrones para la producción de micro o nanoestructuras de un material conductor de la electricidad sobre un sustrato (9) , mediante el cual se reproduce un patrón de electrodeposición, definido por un material aislante de la electricidad que porta un patrón, y dicho procedimiento comprende:

el uso de un procedimiento electroquímico para transferir dicho patrón sobre el sustrato (9) , dicho procedimiento electroquímico comprende la disolución de un material en una superficie anódica y la deposición del material en una superficie catódica, mediante la colocación de un electrodo maestro (8) en estrecho contacto con el sustrato (9) , de manera que el patrón se defina mediante el uso del electrodo maestro (8) , y

dicha disolución y deposición de material se lleva a cabo en celdas de electrodeposición locales (14) que se forman en cavidades cerradas o abiertas, delimitadas por una capa de patrón aislante (3) del electrodo maestro (8) , y el sustrato (9) ,

el electrodo maestro (8) constituye la superficie anódica y el sustrato constituye la superficie catódica, y el material que se disuelve constituye un material anódico, depositado previamente en las cavidades definidas por las paredes laterales del material aislante que porta el patrón, sobre el electrodo maestro en las celdas de electrodeposición locales (14) .

2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por las etapas de:

deposición previa de un material de electrodeposición (15) en las cavidades del electrodo maestro (8) , y carga de las mismas con una solución electrolítica (6) ;

compresión del sustrato (9) y el electrodo maestro (8) para que estén en estrecho contacto, con lo cual se crean las celdas de electrodeposición locales (14) cargadas con la solución electrolítica (6) ; y

conexión de una tensión externa entre el sustrato (9) , que constituye el cátodo, y el electrodo maestro (8) , que constituye el ánodo.

3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque una distancia entre el electrodo maestro (8) y el sustrato (9) viene determinada por el espesor de la capa de patrón aislante (3) .

4. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el uso de una tensión pulsada, aplicada entre el electrodo maestro (8) y el sustrato (9) .

5. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la frecuencia se encuentra en el intervalo de 2 a 20 kHz.

6. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la frecuencia es de 5 kHz.

7. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque la tensión pulsada es una tensión inversa periódica de impulsos.

8. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque la tensión pulsada presenta formas de onda complejas.

9. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la solución electrolítica (6) carece de electrolito de soporte, o lo posee en menor grado, y posee una elevada concentración de especies electroactivas y/o ningún agente químico oxidante.

10. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque los contraiones de la solución electrolítica (6) se intercambian por otros que proporcionan una mayor solubilidad.

11. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque se usa una concentración de iones electroactivos de 10 a 1200 mM en la solución electrolítica (6) y/o se usa un agente quelante.

12. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque el agente quelante es EDTA.

13. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque se usa un sistema aditivo en la solución electrolítica (6) , que comprende: agentes humectantes, aceleradores, supresores y/o igualadores.

14. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la solución electrolítica (6) comprende cobre ácido y el electrolito (6) posee un valor de pH de entre 2 y 5.

15. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, caracterizado por el uso de dicha solución electrolítica (6) que constituye un electrolito optimizado en las celdas de electrodeposición locales (14) .

16. Un electrodo maestro (8) adecuado para un procedimiento de electrodeposición con el objeto de depositar sobre un sustrato micro o nanoestructuras de un material conductor de la electricidad, en el que dicho electrodo maestro

(8) comprende: un contraelectrodo (1) ; y una estructura que define un patrón de una celda de deposición electroquímica integrados en el electrodo maestro (8) , en el que el contraelectrodo (1) es una capa electródica conductora (1’) o una hoja conductora flexible (1’’) , y la estructura que define el patrón es una capa de patrón aislante (3) que se aplica sobre dicho contraelectrodo (1) ; y un material anódico, depositado previamente dentro de las cavidades definidas por las paredes laterales del material aislante que porta el patrón.

17. El electrodo de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado porque el contraelectrodo (1) es inerte.

18. El electrodo de acuerdo con la reivindicación 16 o 17, caracterizado porque se aplica una capa elastomérica flexible (20) sobre la capa de patrón aislante (3) .

19. El electrodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18, caracterizado porque el contraelectrodo

(1) se aplica sobre una capa de soporte mecánico (23) .

20. El electrodo de acuerdo con la reivindicación 19, caracterizado porque se aplica una capa elastomérica conductora (21) entre el contraelectrodo (1) y la capa de soporte mecánico (23) .

21. El electrodo de acuerdo con la reivindicación 18 o 19, caracterizado porque se aplica una capa metálica intermedia (22) entre la capa de patrón aislante (3) y la capa elastomérica flexible (20) .

22. El electrodo de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado porque la hoja conductora flexible (1’’) está hecha de titanio.

23. El electrodo o de acuerdo con la reivindicación 21 o 22, caracterizado porque el electrodo maestro (8) comprende dos contraelectrodos (1) con una capa fotorresistente de protección (17) aplicada entre medias y porque las partes de contacto del electrodo maestro, estructuras de la capa de patrón aislante (3) , se anodizan electroquímicamente para formar una capa aislante.

24. Un aparato para llevar a cabo el procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un electrodo maestro (8) de acuerdo con la reivindicación 16 y unos medios para crear un contacto amoldable entre el electrodo maestro (8) y un sustrato (9) .

25. El aparato de acuerdo con la reivindicación 24, caracterizado porque dichos medios consisten en una o más capas elastoméricas en la construcción del electrodo maestro.

26. El aparato de acuerdo con las reivindicaciones 24 o 25, caracterizado porque dichos medios se combinan con una membrana amoldable

27. El aparato de acuerdo con la reivindicación 24, caracterizado porque existen unos medios conductores para la conexión eléctrica con el electrodo maestro (8) en una cara externa (10) del electrodo maestro (8) y la conexión eléctrica con el sustrato (9) en una cara de contacto (11) del electrodo maestro (8) .

28. El aparato de acuerdo con la reivindicación 24, caracterizado porque el electrodo maestro (8) está fijado en el aparato mediante la aplicación de vacío.

29. El aparato de acuerdo con la reivindicación 27, caracterizado porque dichos medios conductores para la conexión eléctrica consisten en una pieza conductora (28) aplicada en la cara externa (10) del electrodo maestro (8) .

30. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24 a 29, caracterizado porque el electrodo maestro está fijado en el aparato mediante una presión ejercida contra una pieza conductora, y dicha presión se ejerce mediante la membrana amoldable y/o un pistón.

31. El aparato de acuerdo con la reivindicación 30, caracterizado porque dicha presión, cuando se aplica con la membrana amoldable, se combina con un depósito que contiene gas o líquido.

32. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24 a 31, caracterizado porque las burbujas de gas se eliminan de una solución electrolítica (6) y/o el depósito mediante la aplicación externa de un vacío, ultrasonido o una combinación de vacío y ultrasonido.

33. Uso de un electrodo maestro de acuerdo con la reivindicación 16 o un aparato de acuerdo con la reivindicación 24 para depositar micro o nanoestructuras de un material conductor de la electricidad sobre un sustrato (9) .