Ultrasound assisted copper deposition

Die stromlose und elektrolytische Kupferabscheidung sind essentielle Prozessschritte bei der Herstellung von Leiterplatten. Diverse Studien haben schon gezeigt, dass Ultraschall einen unterstützenden Effekt auf diese Prozesse haben kann. Jedoch findet Ultraschall in der Galvanikindustrie kaum Verwendung. Ziel dieser Arbeit ist es, eine homogene Kavitationsaktivität an der Substratoberfläche zu erreichen, einen umfassenden Überblick des Ultraschalleinflusses auf die beiden Kupferabscheidungsprozesse zu erlangen und die Dynamik der Kavitationsblasen an der Substratoberfläche und in Mikrolöchern zu untersuchen. Bei den Kupferabscheidungsprozessen handelt es sich um heterogene Fest/Flüssig-Reaktionen, weshalb eine gleichmäßige Kavitationsaktivität am Substrat notwendig ist. Mittels Sono-Lumineszenz und –Chemolumineszenz kann die Kavitationsaktivität im Ultraschallreaktor und am Substrat untersucht werden. Durch die Veränderung der Substratposition und durch das Einblasen von Gas ist es möglich die Verteilung der Kavitationsblasen an der Substratoberfläche zu optimieren. Die gute Übereinstimmung mit 2D Simulationen des Schallfeldes zeigt, dass die Sono-Lumineszenz und -Chemolumineszenz vielversprechende Methoden zur Visualisierung und Optimierung der Kavitationsaktivität am festen Substrat sind. Bei der stromlosen Kupferabscheidung können, durch das effektive Entfernen von Wasserstoffblasen im Ultraschallfeld, die Defekte in der Kupferschicht verringert werden. Die elektrolytische Kupferabscheidung kann mit Ultraschall bei höherer Stromdichte durchgeführt und somit beschleunigt werden. Dabei kann durch Einblasen von Gas eine gleichmäßige Beschichtung ohne Kavitationserosion erreicht werden. Die Verwendung von transparenten Plexiglasplatten erlaubt die Visualisierung der Kavitationsblasendynamik in Mikrolöchern mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen. Hier zeigt sich, dass die Kavitationsblasen als Mikromixer bzw. -pumpen fungieren und dadurch den Massentransport in den Löchern beschleunigen können. Die Verteilung der Kavitationsblasen in den Löchern wird von der Ultraschallleistung beeinflusst und kann somit kontrolliert werden. Im Ultraschallfeld können die Mikrolöcher innerhalb von 1 s benetzt werden, wobei Oberflächenoszillationen und Kapillarwellen die Blasen aus den Löchern bewegen.The electroless and electrolytic copper deposition are essential process steps in the production of printed circuit boards. Various studies have already shown that ultrasound can improve these processes. However, ultrasound is hardly used in the plating industry. The aim of this work is to achieve a homogeneous cavitation activity at the substrate surface and to obtain a comprehensive overview of the influence of ultrasound on the copper deposition processes. Furthermore, the dynamics of the cavitation bubbles at the substrate surface and in micro-holes are investigated. The copper deposition processes are heterogeneous solid-liquid reactions, which is why a uniform cavitation activity on the substrate is necessary. The cavitation activity in the ultrasonic reactor and at the substrate can be investigated by using sono-luminescence and -chemiluminescence. It is possible to optimize the distribution of the cavitation bubbles at the substrate surface by varying the substrate position and by introducing gas bubbles inside the reactor. The good agreement with 2D simulations shows that sono-luminescence and -chemiluminescence are promising methods for the visualization and optimization of the cavitation activity at the solid substrate. In the case of electroless copper deposition, the defects in the copper layer can be reduced by an effective removal of hydrogen bubbles in the ultrasonic field. The electrolytic copper deposition can be carried out with ultrasound at a higher current density, which results in faster plating speed. In this case, a uniform coating without cavitation erosion can be achieved by introducing gas bubbles close to the substrate. Transparent acrylic glass plates allow the visualization of the cavitation bubble dynamics in micro-holes by using high-speed recording. The cavitation bubbles can act as micromixers or pumps and thus accelerate mass transport in the holes. Further investigations showed that the bubble distribution in the holes is influenced by the ultrasonic power. This allows to control the bubble distribution in small holes. The micro-holes can be wetted in the ultrasonic field within 1 s, whereby surface oscillations and capillary waves remove the trapped gas bubbles from the holes