10.2. Электрохимическое осаждение

В основе электрохимического осаждения металлических пленок лежит явление электролиза, при котором происходит катодное восстановление катионов. Впервые явление восстановления катионов металла исследовал русский физик и электротехник Б.С.Якоби, работы которого легли в основу гальваностегии (осаждение тонких пленок металлов) и гальванопластики (изготовление рельефных металлических копий с предметов).

Электрохимическое осаждение применяют для создания кон­тактных систем на диэлектрических подложках с предварительно на­несенной тонкой проводящей пленкой, получения объемных омиче­ских контактов-выводов к активным областям полупроводниковых структур, изготовления свободных масок, получения покрытий на деталях корпусов, обеспечивающих качественную герметизацию и в некоторых случаях защиту от коррозии.

Для осаждения пленок подготовленные подложки помещают в электролитическую ванну на катоде (рис.10.2). Анод обычно изготавливают из того же металла, что и осаждаемая пленка. В состав электролита входит соль осаждаемого металла. Процесс осаждения пленок сопровождается растворением анода, что предотвращает обеднение электролита ионами металла. Площадь поверхности анода приблизительно в 1,5 раза превышает площадь поверхности, на которую осаждается пленка.

Электрохимическое осаждение металлов согласно современным представлениям происходит в четыре стадии:

1) электролитическая диссоциация соли в растворе;

2) перенос ионов из объема электролита к электроду;

3) переход ионов на границе фаз из объема электролита к металлу;

4) диффузия адсорбированных атомов по поверхности электрода к местам роста пленки и встраивание атомов в кристаллическую решетку.

В электролитической ванне (рис.10.2) происходит два вида превращений.

Рис.10.2. Конструктивная схема электролитической ванны: 1 – ванна; 2 – анод; 3 – электролит; 4 – осаждающаяся пленка; 5 - катод

В результате одного из них освобождаются электроны на аноде:

2Х ^- - 2е ^- = Х₂, (10.7)

где Х ^-- галлоид-, сульфат-, нитрат- и т.п. ионы. В результате другого - электроны присоединяются на катоде:

Ме²⁺ + 2е ^- =Ме. (10.8)

В растворе электролита при диссоциации возникают ионы:

МеХ₂  Ме²⁺ + 2Х ^-. (10.9)

Если реакции (10.7) и (10.8) пространственно разделены друг от друга, то освобождающиеся на аноде при окислении электроны переносятся к катоду в зону восстановления через внешнюю цепь. Процессы электроосаждения пленок довольно сложны, так как на них влияет большое число трудно учитываемых факторов (степень пассивирования, структура и неоднородность поверхности, на которую осаждается пленка металла; характер адсорбции катионов, анионов и других частиц, а также скорость их переноса; режимы электролиза, влияющие на неоднородность концентрационного и электрического полей вблизи подложки и др.).

10.3. Химическое осаждение пленок из растворов и паровой фазы Химическое осаждение пленок из растворов

В сравнении с электрохимическим осаждением метод отличается большой простотой оборудования и проведения процесса. Метод основан на вытеснении металлов из растворов их солей или на восстановлении ионов металлов в растворах. Существуют четыре различных типа подобных реакций: некаталитические; каталитические; каталитические реакции в присутствии активаторов; каталитические реакции в присутствии активаторов и сенсибилизаторов.

Некаталитическиереакцииимеют место в том случае, когда некоторая поверхность погружена в восстановительный раствор. В состав рабочего раствора могут входить несколько компонентов: водные растворы солей одного или нескольких осаждаемых металлов; комплексообразователи; стабилизаторы растворов; буферирующие добавки; вещества, обеспечивающие необходимую кислотность растворов, и т.д.

Каталитические реакцииприменяют в случае затруднений при осаждении металлов на некоторые поверхности. Осаждаемый металл может осаждаться только на подложках из металлов, играющих роль катализаторов.

Каталитические реакции в присутствии активаторовприменяют в случаях неприменимости поверхностей металлов в виде катализаторов. В этом случае поверхность металла обрабатывается специальными веществами - активаторами. Активаторы применяют с целью понижения энергии активации, что стимулирует протекание реакций в отдельных точках на поверхности, причем эти точки становятся центрами роста осаждаемой пленки. Необходимое количество активатора в растворе обычно невелико и может составлять сотые доли процента.

Каталитические реакции в присутствии активаторов и сенсибилизаторов обычно применяют для нанесения покрытий на стеклянные или другие непроводящие поверхности. Перед активированием поверхности ее необходимо сенсибилизировать, т.е. «очувствить».