Электрохимическое осаждение

Электрохимическое осаждение пленок как метод известно уже давно. Аппаратура для проведения процесса в основном весьма проста и состоит из анода и катода, погруженных в соответствующий электролит. Металл осаждается на катоде, и соотношение между весом осаждаемого материала и параметрами процесса можно выразить с помощью первого и второго законов электролиза, которые гласят:

1. Вес осажденного материала пропорционален количеству электричества, прошедшему через раствор.

2. Вес материала, осажденного при прохождении через раствор одинакового количества электричества, пропорционален электрохимическому эквиваленту E.

Выражая законы с помощью уравнений, можно записать, что вес материала, осаждаемого на единицу поверхности G/A,

G/A = J · t · E · α г · см-2, (1)

где J – плотность тока; t – время. Это выражение включает ёще одну величину, коэффициент эффективности тока α, представляющий собой отношение действительного количества осажденного материала к подсчитанному теоретически; α принимает значения в интервале то 0,5 до 1.

Уравнение (1) легко записать таким образом, чтобы получить выражение для определения скорости осаждения. Если слой толщиной l осаждается за время t, скорость осаждения l/t выразится соотношением

l/t = J · E · α / ρ см · с-1, (2)

где ρ – плотность материала осаждаемой пленки.

Это метод получения пленок отличается от предыдущих тем, что рабочей средой является жидкость. Однако характер процессов сходен с ионно-плазменным напылением, поскольку и плазма, и электролит представляют собой квазинейтральную смесь ионов и неионизированных молекул или атомов. А главное, осаждение происходит также постепенно (послойно) как и напыление, т.е. обеспечивает возможность получения тонких пленок.

Электрохимическое осаждение исторически развилось значительно раньше других рассмотренных методов – еще в XIX веке. Уже десятки лет назад оно широко использовалось в машиностроении для разного рода гальванических покрытий (никелирование, хромирование и т. п.). В микроэлектронике электрохимическое осаждение не является альтернативой термическому и ионно-плазменному напылению; оно дополняет их и сочетается с ними.

В основе электрохимического осаждения лежит электролиз раствора, содержащего ионы необходимых примесей. Например, если требуется осадить медь, используется раствор медного купороса, а если золото или никель – растворы соответствующих солей.

Ионы металлов дают в растворе положительный заряд. Поэтому, чтобы осадить металлическую пленку, подложку следует использовать как катод. Если подложка является диэлектриком или имеет низкую проводимость, на нее предварительно наносят тонкий металлический подслой, который и служит катодом. Подслой можно нанести методом термического или ионно-плазменного напыления.

Чтобы осуществить электрохимическое анодирование, окисляемую пленку металла следует использовать как анод, а электролит должен содержать ионы кислорода.

Большое преимущество электрохимического осаждения перед напылением состоит в гораздо большей скорости процесса, которая легко регулируется изменением тока. Поэтому основная область применения электролиза в микроэлектронике – это получение сравнительно толстых пленок (10 – 20 мкм и более). Качество (структура) таких пленок хуже, чем при напылении, но для ряда применений они оказываются вполне приемлемыми.