Электрохимическое осаждение

При электрохимическом осаждении из водных электролитов металлов, имеющих стандартные потенциалы меньше, чем у водородного электрода, следует считаться и с высокой вероятностью восстановления водорода на катоде, которое протекает параллельно восстановлению металла.

Электрохимическое осаждение

Структура осажденной пленки определяется скоростью образования и роста кристаллических зародышей на катоде. Образованию новых зародышей и осаждению мелкозернистого осадка способствует сохранение высокой концентрации разряжающихся ионов металла в прикатодном слое электролита. Увеличение плотности тока и связанный с этим рост поляризации катода также способствует образованию компактного мелкокристаллического осадка. При высоких плотностях тока из-за обеднения прикатодного слоя электролита реагирующими ионами происходит усиленный рост выступающих областей осадка навстречу потоку разряжающихся ионов. При этом образуются рыхлые пористые пленки, а иногда и четко выраженные дендриты (ветвистые или игольчатые древовидные кристаллы).

Электрохимическое осаждение

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 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.

Электрохимическое осаждение

Технология формирования пленок полупроводников электрохимическим осаждением основана на пионерской работе Ф. Крёгера по катодному осаждению CdTe. Сегодня полупроводниковые соединения AIIBVI – CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, осаждают по трехступенчатой схеме включающей:

1)осаждение металла из водного раствора,

2)химическое или электрохимическое окисление осажденного металла до образования оксида (или гидроксида) этого металла,

3)замещение кислорода (гидроксильной группы) анионом металлоида (S, Se, Te).

Электрохимическое осаждение кремния и германия осуществляют из неводных растворов или расплавов (для кремния T > 800 °С) из-за высокого отрицательного потенциала осаждения Si и очень высокой скорости высвобождения водорода на поверхности Ge. Широкого практического распространения эти методы не получили.

Электрохимическое осаждение

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 (template) из материала, не проводящего электрический ток.

Электрохимическое осаждение

При использовании подложек со ступенчатым рельефом внутренние уголки ступенек действуют как концентраторы силовых линий электрического поля, обеспечивая макси- мальный приток ионов к ним из электролита. Конденсация и нейтрализация ионов в этих уголках энергетически более выгодна, чем на плоской поверхности, что приводит к формированию наношнуров на поверхности подложки параллельно ступенькам.

Электрохимическое осаждение

При трафаретном формировании наноструктур электрохимическое осаждение материала осуществляют на проводящий затравочный слой, находящийся на дне отверстий в изолирующей маске (оксид алюминия, пористый кремний). При осаждение материала в глубокие наноразмерные поры масок формируются упорядоченные массивы наноточек, наношнуров и нанотрубок, расположенных перпендикулярно плоскости подложки.

Электрохимическое осаждение

Главными достоинствами метода электрохимического осаждения материалов являются простота его реализации, возможность осаждения толстых (более 1 мкм) покрытий на поверхности различной формы, контроль и изменение свойств формируемых покрытий, высокая производительность и низкая стоимость используемого оборудования.

К недостаткам следует отнести высокую степень зависимости свойств осаждаемых материалов от режимов осаждения и состава электролита, а также ограниченный набор осаждаемых этим методом материалов.

Электрохимическое осаждение

Композиционные многослойные структуры

Co/Cu многослойная пленка (1000 повторяющихся слоев) обладает гигантским магнетосопротивлением. Получают в электролите с pH 3, состоящем из 0,005М CuSO4, 0,5M CoSO4

и 0,54М борной кислоты. Медь наносится при малой плотности тока – 0,2 mA/cm2, а кобальт при большой – 20 mA/cm2. Процесс происходит в одной ванне.