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脉冲电镀纳米级金层工艺分析

谷城  
【摘要】:本文针对在单晶硅衬底上经脉冲电镀获取纳米级金层这一工艺进行研究。重点在于从电化学、固体物理等理论知识入手,对具体工艺参数进行研究和确定,从而谋求获取平均半径在纳米级的金镀层。具体内容主要包括如下几个方面: 首先从电化学理论入手,分析在通电金属溶液中电极电位、过电位和电流密度等参数之间的关系。在电镀过程中,阴极上硅晶片表面的电流密度对在其上生成的金镀层颗粒大小有直接作用。我们经由Nernst方程入手,可以在如上几个参数间建立联系,为下一步精确控制金层颗粒建立基础。经过实验验证,此部分的理论分析的结论可以较好的控制金层颗粒大小。接着通过法拉第定律,对生成金层厚度进行理论计算,然后通过具体实验来对理论值进行验证比较,目的是能够在确定电流密度和电镀时间的前提下,对获得金镀层的厚度进行较为精确的控制。经过后续实验验证,从法拉第定律入手控制金镀层厚度是比较成功的,在确定参数下得到的金镀层厚度和理论值较为接近。最后,借助金属物理和Hoffman-Laurizen成核理论对生成金颗粒半径尺寸进行分析,可以获取金镀层中金颗粒半径变化关系,我们通过在不同参数下对得到的样片进行测量,可以得到金颗粒半径相对电流密度的比值,这个数值和理论值也是较为吻合的。 具体实验过程中,需要选取不同的电镀液进行比较,确定选取电化学性质最为稳定的镀液进行实验,并且在实验中要时刻注意其中金离子浓度变化。然后按照下述过程进行具体操作:1、对硅晶片进行切割、清洗;2、在样片上进行原子溅镀,得到厚度在50纳米左右的金层;3、对电镀液进行调配,确定其成分、温度并采用氨水控制其PH值;4、进行脉冲电镀;5、对样片进行清洗然后用光学显微镜进行观察;6、使用台阶仪对金层平整度和厚度进行测量;7、使用扫描电子显微镜对所得金镀层表面进行微观观测并对其中金颗粒半径尺寸进行测量。实验中,根据理论分析的结果设置不同组实验参数,然后按步骤进行实验。最终结果显示,在控制金层厚度方面,理论值可以较好的指导实际工艺。而在控制金颗粒大小方面,实验中得到的金镀层中金颗粒尺寸在150纳米左右,略大于预期值。原因在于电镀过程中阴极上过电位和镀液中离子浓度难以精确控制。


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