книги / Электрохимические процессы в технологии микро- и наноэлектроники

4.7. Матричное, осаждение, нанокристаллов в реверсивном режиме 251

(4.5)

где Snoo — площадь поверхности пористого оксида; 5р0г — суммарная площадь донной части пор; dp0T— толщина по­ ристого оксида алюминия; d6 — толщина барьерного слоя.

По закону Фарадея можно рассчитать толщину металла, который в процессе электрохимического осаждения вос­ становится на площади S в зависимости от приложенного заряда Q

где F — постоянная Фарадея; М, z и р — молярная масса, валентность и плотность осаждаемого металла.

Приложенный заряд в данной системе равен:

(4.7)

Подставляя в (4.6) и (4.7) значения из выражений (4.4) и (4.5), можно получить значения толщин металла, осевше­ го на поверхность и в поры пористого оксида, соответствен­ но.

Для заполнения пор необходимо определить оптималь­ ные длительности анодного и катодного импульсов. Дли­ тельность катодного импульса не должна превышать время полного закрытия (£к1) пор металлом, осажденным на по­ верхность пористого оксида алюминия, так как пленка, об­ разовавшаяся на поверхности оксида, затруднит осаждение металла на дно поры:

(4.8)

Для поддержания высокой скорости осаждения необхо­ димо избежать обеднения электролита в порах ионами ме­ талла, так как это вызывает разложение воды и выделение водорода и осложняет равномерное заполнение пор метал­ лом. Полное истощение электролита в порах наступает за время £к2, определяемое выражением

252 Глава 4. Катодное осаждение в технологии микро- и наноструктур

где UK— амплитуда прилагаемого катодного сигнала; а и р — константы, зависящие от свойств конкретного метал­ ла, а = zp/FM, р = zCM/F.

В зависимости от соотношения длительностей импульсов tKl и tK2 возможны два варианта протекания процесса. Если tK1 < tK2, то толщина слоя металла /Г, который выделится на поверхности за время закрытия пор, будет равна половине диаметра поры. В случае £к1 > £к2 толщина слоя металла h , осажденного на поверхности оксида, за время истощения электролита в порах определяется выражением

£V„J 1-ехр RC„r

aS,„

Экспериментальные исследования реверсивного осаждения показали, что для всех осаждаемых металлов характер­ но соотношение £к1 < tK2. Следовательно, поры всегда будут закрываться осажденной пленкой раньше, чем произойдет истощение электролита. Поэтому необходимо обеспечивать анодное удаление с поверхности пленки металла толщиной порядка половины диаметра поры.

Длительность анодного сигнала, необходимого для пол­ ного растворения металла с поверхности оксида, рассчиты­ вается подобно (4.8) и (4.9) по формуле

■•"М'-вдЭ

Однако в этом случае необходимо подбирать амплиту­ ду анодного сигнала таким образом, чтобы предотвращать полное растворение^слоя металла, осевшего на дно поры, толщина которого h задается выражением

4.7. Матричное, осаждениенанокристаллов в реверсивном режиме 253

На основании полученных уравнений можно рассчитать оптимальные длительности анодного и катодного сигналов в зависимости от размера пор анодного оксида алюминия, обеспечивающие осаждение различных металлов. Указан­ ные зависимости для ряда металлов приведены на рис. 4.23. Поскольку поры анодного оксида алюминия имеют высокое аспектное отношение, имеет место соотношение С ^ » Спов. В этом случае можно допустить, что длительности катодно­ го и анодного сигналов практически не зависят от толщины барьерного слоя, а зависят только от диаметра поры.

Рис. 4.23. Расчетные зависимости длительностей катодного (а) и анодного (б) сигналов от размера пор анодного оксида.

Электрохимическое осаждение металлов для: 1 —Ni; 2 —Со; 3 - C u ;4 - Z n ;5 - In; 6 - Cd; 7 - Ag.

Заключение

Три группы процессов — анодное растворение, анодное окисление, катодное осаждение, — дополняя друг друга, позволяют существенно расширить возможности современ­ ных методов создания микро- и наноструктур. Электрохи­ мические методы стали базовыми процессами целого ряда технологий. Наибольшее значение они имеют при создании пористых полупроводников и диэлектриков, прецизионном удалении материалов, создании мембран и трехмерных конструкций, синтезе ианокристаллов и зондовой нано­ литографии. Электрохимические процессы лежат в осно­ ве таких промышленных технологий в производстве мик­ ро- и наиосистемной техники, как FIPOS, ELTRAN, LIGA, электрохимическое стоп-травление и др.

Как следует из представленного в данном пособии ма­ териала, законы электрохимической кинетики достаточно строго выполняются даже в условиях пространственного ограничения зоны электродных реакций, по крайней мере, до уровня 10 нм. Это открывает широкие возможности при прогнозировании и оптимизации процессов формирования микро- и наноструктур различного назначения.

Данные, представленные в гл. 2—4 демонстрируют применимость классических законов электрохимической термодинамики и кинетики при переходе от макро- к наноразмерному рассмотрению электродных процессов. Од­ нако допущения принятые для макросистем, а именно од­ нородность потенциала в среднем по поверхности, уже не выполняются. В то же время естественные и искусственно созданные неоднородности могут быть учтены и количест­ венно оценены на основе знаний об их электрофизических характеристиках. В итоге, после определения причин лока­ лизации электродного процесса, его рассмотрение можно проводить на базе классических представлений.

Среди нерешенных проблем, которые возникают при исследовании электрохимического формирования нано­ структур, следует выделить необходимость детального уче­ та влияния процессов пространственно ограниченного пе­ реноса носителей заряда и массопереноса. Скорее всего это позволит создать строгие модели, описывающие формиро­ вание наноструктур электрохимическими методами.

Литература

1.Антропов, Л. И. Теоретическая электрохимия /

Л.И. Антропов. — М .: Высшая школа. — 1969.

2.Гуревич, Ю. Я . Фотоэлектрохимия полупроводников /

Ю.Я. Гуревич, Ю. В. Плесков. — М .: Наука, 1983.

3.Коноров, П. П. Физика поверхности полупроводнико­ вых электродов / П. П. Коноров, А. М. Яфясов. — СПб. :

изд-во СПУ, 2003.

4.Лабунов, В. А. Пористый кремний в полупроводнико­ вой электронике / В. А. Лабунов, В. П. Бондаренко, В. Е. Бо­ рисенко / / ЗЭТ. — 1985. — № 15. — С. 4—48.

5.Лынъков, Л. М. Микроструктуры на основе анодной

алюмооксидной технологии / Л. М. Лыньков, Н. И. Мухуров. —Минск : Бестпринт, 2002.

6.Мямлин, В. А. Электрохимия полупроводников /

В.А. Мямлин, 10. В. Плесков. — М .: Наука, 1965..

7.Сурганов, В. Ф. Особенности электрохимического ано­ дирования двухслойных тонкопленочных систем А1—Та

иAlSi(l%)—Та / В. Ф. Сурганов, А. М. Мозалев / / ДАН

БССР. - 1990. - Т. 34. - № 4. - С. 234-237.

8.Феттер, К. Электрохимическая кинетика / К. Феттер. —

М.: Химия, 1967.

9.Францевич, И. Н. Анодные оксидные покрытия на ме­

таллах и анодная защита / И. Н. Францевич. — Киев : Наукова думка, 1985.

10.Юнг, Л. Анодные оксидные пленки / Л. Юнг. — Л .: Энергия, 1967.

11.Canham, L. Т. Silicon quantum wire array fabrica­

tion by electrochemical and chemical dissolution of wafers / L. T. Canham / / Appl. Phys. Lett. - 1990. - Vol. 57. - № 10. -

P.1046-1048.

12.Cerofolini, G. F. Chemistry at silicon crystalline surfa­ ces / G. F. Cerofolini, L. Meda / / Appl. Surf. Sci. — 1995. — Vol. 89. - P. 351-360.

13.Electrochemistry of nanomaterials: ед. G. Hodes. — NY: Wiley, 2001.

14. Electrochemistry of semiconductors and electronics: processes and devices / ед. J. McHardy and F. Ludwig. — NJ : William Andrew Publishing; Noyes Publications; Park Ridge, 1992.

15.Electrocrystallization in nanotechnology : ед. G. Staikov, Weinheim : Wiley-VCH, 2007.

16.Gavrilov, S. A study of the self-aligned nanometre scale palladium clusters on silicon formation process / S. Gavrilov,

[and oth.] / / Nanotechnology. — 1999. —Vol. 10. —№ 2. —

P.213-216.

17.Holmes, P.J. The electrochemistry of semiconductors / P. J. Holmes. —NY : Academic, 1962.

18.Lemeshko, S. Investigation of tip-induced ultrathin Ti film oxidation kinetics / S. Lemeshko [and oth.] / / Nanotech­

nology. - 2001. - Vol. 12. - № 3. - P. 273-276.

19. Mort'ison, S. R. Electrochemistry at semiconductor and oxidized metal electrodes / S. R. Morrison. — NY : Plenum, 1980.

20. Pandey, R. K. Handbook of semiconductor electrodepo­ sition / R. K. Pandey, S. N. Sahu, S. Chandra. — NY : Dekker, 1996.

21.Parkhutik, V. Porous silicon-mechanisms of growth and applications /V . Parkhutik / / Solid-State Electronics. —1999. — Vol. 4 3 .-P .1121 -1141 .

22.Paunovic, M. Fundamentals of electrochemical deposi­

tion / M. Paunovic, M. Schlesinger. — NY : Wiley, 2006.

23.Rappich,]. Photoand potential-controlled nanoporous silicon formation on n-Si (111): an in-situ FTIR investigation / J. Rappich, H. J. Lewerenz / / Thin Solid Films. — 1996. — Vol. 276, - P. 25-28.

24.Semiconductor electrodes and photoelectrochemistry / A. J. Bard, M. Stratmann : series ed. Encyclopedia of Elec­ trochemistry / eg. S. Licht. — 2002. — Vol. 6. — Weinheim ; Wiley-VCH.

25.Semiconductor micromachining / eg. S. A. Campbell

and H. J. Lewerenz. — NY : Wiley, 1998.

26.Zhang, X. G. Electrochemistry of silicon and its oxide / X. G. Zhang. — NY : Kluwer, 2001.

Покупайтенаши книги:

Оптом: в офисе книготорга «Юрайт»: 140004, Московская обл., г. Люберцы, 1-й Панковский проезд, д. 1, тел. (495) 744-00-12, e-mail: sales@urait.ru, www. urait.ru

В розницу: в интернет-магазине: www.urait-book.ru, e-mail: ordcr@urait-book. ru, тел.: (495) 742-72-12 в филиале: г. Москва, Олимпийский проспект, д. 16, подъезд № 1( с/к «Олимпийский», торговое место 48, тел.: (495) 726-27-04, 688-30-11

Длязакупок у Единого поставщика в соответствии с Федеральным законом от 24.07.2007№ 94-ФЗ обращаться по тел. (495) 744-00-12,

e-mail: sales@urait.ru, kea@urait.ru

Учебное издание

Гаврилов Сергей Александрович, Белов Алексей Николаевич

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ВТЕХНОЛОГИИ М И К Р 0 -

ИНАНОЭЛЕКТРОНИКИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Руководитель направления Д. К. Лабип

Редактор Т. А. Ярмахова Корректор Т. С. Власкина

Компьютерная верстка Ю. А. Варламова

Формат 84x108 */з2

Гарнитура «PetersburgC». Печать офсетная Уел. печ. л. 13,54. Тираж 1000 экз. Заказ № 3542

ООО «Высшее образование*

140004, Московская обл., г. Люберцы, 1-й Панковский проезд, д. 1. Тел.: (495) 744-00-12. E-mail: publish@urait.ru. www.urait.ru

Отпечатано в полном соответствии скачеством предоставленных оригинал-макетов в ОАО «Издательско-полиграфическое предприятие «ПравдаСевера».

163002, г.Архангельск, пр. Новгородский, 32. Тел./факс(8182) 64-14-54,тел.: (8182) 65-37-65,65-38-78,29-20-81

www.ippps.ru,e-mail: ippps@atnet.ru