Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 17
Текст из файла (страница 17)
86 Гл а в а 2. Маюды формирования ианозле оиных уктур Таблица 2.3, Стандартные електродные потенциалы металлов Все металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений до водорода, т. е. имеющие электродный потенциал меньше, чем у водорода, в стандартных условиях могут быть окислены ионами Н+.
По этой причине эти металлы могут вытеснять водород из воды или распюров кислот. Металлы с потенциалом меньшим, чем — 0,4 В (ге, Сг, Уп, ...), могут восстанавливать водород из воды. Однако на практике это не всегда достижимо из-за того, что происходит их окисление, и на поверхности образуются беспористые механически прочные и обладающие хорошей адгезией к поверхности металла нерастворимые (пассивирующие) пленки, препятствующие дальнейшему взаимодействию.
Металлы, расположенные после водорода, т. е. имеющие электродный потенциал больше, чем у водорода, не вытесняют водород из растворов кислот. Вт 2 1. Традиционные методы формирования пленок Такие металлы, как Т1, А1 можно осадить только из органических электролитов, тогда как Мя, )х)Ь, Та, тт' можно осадить из электролитов на основе расплавов солей (при температуре 700 «С и выше). Типичный электролит представляет собой проводник, в котором электрический заряд переносится ионами (проводник второго рода). В электролитической ячейке электролит замыкает внутреннюю электрическую цепь между анодом и катодом.
При протекании электрического тока через электролит положительно заряженные ионы — катионы, а это обычно ионы металлов, перемещаются к катоду, а отрицательно заряженные — анионы, к аноду. Когда катионы достигают катода, поступаюшие к нему из внешней цепи электроны нейтрализуют положительный заряд катионов, приводя к осаждению металла на катоде. Количественно злектрохимическое осаждение материалов описывается закономерностями, открытыми М. Фарадеемза.
Первый закон Фарадея: при электрохимическом осаждении количество вещества, участвуюшего в химических превращениях, пропорционально количеству электричества, проходящему через электролит. Второй закон Фарадея: массы различных веществ, выделяемых или растворяемых одним и тем же количеспюм электричества, пропорциональны их злектрохимическим эквивалентамп (химическим эквивалентным массам). Количество электричества, соответствующее превращению одного химического эквивалента вещества, получило название «число, или постоянная, Фарадея», Г.
Толщина г1 металла, осажденного в идеальных условиях, т. е. без побочных реакций, приводящих к отклонениям от законов Фарадея, может быть оценена из выражения уы '~ ~.Тр)~И, (2.1.2) лГр где А, — атомная масса; р — объемная плотность металла; и — число электронов, принимающих участие в единичном акте восстановле- дг. Ганзе!ау, Ехрептпепса! гезеагсйез !и е!ссгпо!гу. Бетелю зепез, РЫ!. Тгапз. 124, 77-122 (1834). и Электрохимический эквивалент элемента — зто атомная масса элемента, деленная на величину изменения валентности данного элемента в результате реакции. Например, для реакции Ге" -+ Ре величина изменения вавентности 2, тогда электрохимический эквивалент железа равен 55,85/2 = 27,925.
В зависимости от типа реакции один элемент может иметь различные электрохимические эквиваленты. 88 Г л а в а 2. Методы формирования наноэлектронныл е ния; т(г) — плотность электрического тока, при которой осуществлялось катодное осаждение. Важной характеристикой процесса зле ктрохимичес кого осаждения является э4фективность ло току (сиггепг еЯ7сгелсу, сштепг угеЫ). Это израсходованная на осаждение металла доля носителей заряда, прошедших через электролит. Она определяется как отношение количества реально осажденного на катоде (или растворенного на аноде) металла к количеству металла, которое следовало бы ожидать из расчетов согласно законам Фарадея.
Эффективность по току менее 100% свидетельствует о протекании в электролите и на электродах побочных реакций, приводяших к отклонениям от этих законов. Основными параметрами электрохимического осаждения, определяюшими структуру и свойства катодных покрытий, являются состав и температура электролита, плотность пропускаемого электрического тока и продолжительность процесса осаждения, условия перемешивания электролита. На качество осаждаемых покрытий существенное влияние оказывают подготовка поверхности катода и свойства электролита.
При электрохимическом осаждении из водных электролитов металлов, имеющих стандартные потенциалы меньше, чем у водородного электрода, следует считаться и с высокой вероятностью параллельно протекающего восстановления водорода на катоде. Структура осажденной пленки определяется скоростью обраювания и роста кристаллических зародышей на катоде.
Образованию новых зародышей и осаждению мелкозернистого осадка способствует сохранение высокой концентрации разряжаюшихся ионов металла в прикатодном слое электролита. Увеличение плотности тока и связанный с этим рост поляризации катода также способствуют образованию компактного мелкокристаллического осадка. При высоких плотностях тока из-за обеднения прикатодного слоя электролита реагирующими ионами происходит усиленный рост выступающих областей осадка навстречу потоку разряжаюшихся ионов. При этом образуются рыхлые пористые пленки, а иногда и четко выраженные дендрнты (ветвистые или игольчатые древовидные кристаллы).
Для формирования высококачественных пленок применяют электролиты сложного состава, включающие: 1) соль осаждаемого металла; 2) комплексообразователь; 3) фон — нейтральную соль, увеличивающую электропроводность; 4) буферную добавку, способствующую сохранению оптимального значения рН электролита; 5) добавки, уменьшающие пассивацию анода; 6) поверхностно-активные вещества, повышающие поляризацию катода и 89 2 Л адииионныемегноды и анин пленок таким образом способствующие образованию мелкокристаллических осадков. В наноэлектронике метод электрохимического осаждения используется для создания многослойных структур из металлов и полупроводников, а также наношнуров, нанотрубок и наноточек из этих материалов. Основные металлы и сплавы, наносимые этим методом представлены в табл. 2.4. Технология формирования пленок полупроводников электро- химическим осаждением зародилась более чем через столетие после установления основных закономерностей электрохнмического осаждения металлов М.
Фарадеем. Рождение этого направления связывают с пионерской работой Ф. Крегера" по катодному осаждению СбТе. Сегодня полупроводниковые соединения АпВп (Сс) Б, СЖе, Сг(Те, Улье) осаждают по трехступенчатой схеме включающей: 1) осахотение металла из водного раствора; 2) химическое или электрохимическое окисление осажденного металла до образования оксида (или гидроксида) этого металла; 3) замещение кислорода (гидроксильной группы) анионом метаплоида (Б, Бе, Те). Электрохимическое осаждение кремния и германия осуществляют главным образом из неводных растворов или расплавов (для кремния при температуре выше о00 'С) из-за высокого отрицательного потенциала осаждения бг и чрезвычайно высокой скорости высвобождения водорода на поверхности Ое. Широкого практического распространения эти методы не получили.
Формирование периодически расположенных наноструктур— наноточек, наношнуров и нанотрубок, осуществляют селективным электрохимическим осаждением материала либо с использованием анизотропии свойств и существенной неоднородности напряженности электрического поля у ступенек на поверхности проводящих подложек, либо через сформированный на поверхности проводящей подложки трафарет (гетр)аге) из материала, не проводящего электрический ток.
При использовании подложек со ступенчатым рельефом поверхности (рис. 2.7) внутренние уголки ступенек действуют как концентраторы силовых линий электрического поля. За счет этого обеспечивается максимальный приток ионов к ним из электролита. С другой стороны, конденсация и нейтрализация ионов в этих уголках энергетически более выгодна, чем на плоской поверхности. Таким способом создают наношнуры, лежащие на поверхности подложки и повторяющие геометрию ступенек на ней. д А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
