книги / Электрохимические процессы в технологии микро- и наноэлектроники
..pdf4.7. 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
^к2 - -RCn> ( м к (^ р о г-^ )Д р с |
(4.9) |
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
те |
ti< ~RCp°,]n{1~aW ^ ; |
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.
Литература |
257 |
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