薄膜材料与技术级单元薄膜沉积的化学方法演示文稿.ppt

* * * * * * * * * * * * * * 2 薄膜沉积的化学方法 2.3 电化学镀膜方法 概念：电流通过在电解液中的流动而产生化学反应，在阳极或阴极上沉积薄膜的方法。 ?具体地，即利用电解反应，在 电解反应：指电流通过 电解液 或 熔盐 所引发的电化学反应。 基础知识： 法拉第电解定律：电流通过电解质溶液时，流经电极的电量 与 发生电极反应的物质的量 成正比。(Faraday，1833) 即电极上析出或溶解物质的总量 法拉第常数（F）：1 mol电子的电量被定义为法拉第常数（F）： ? F = NA×qe = 6.02×1023 个/mol × 1.6022×10-19 C/个 = 96,500 C/mol 例如：要从含 Mn+ 离子的溶液里电化学沉积 1 mol 金属M，需要通过 n mol个电子：Mn+ + ne ? M 所以：由含Ag+ 的电解液中析出 1 mol Ag，需要 96,500 库仑的电量，即26.8 A?hrs， 而将 1 mol 的二价Cu2+离子在阴极上还原成Cu，则需要193,000 C的电量（n?F） 因此：法拉第定律反映电解过程中的电荷迁移总量与物质反应总量间的定量对应关系。 电化学沉积薄膜的规律：沉积物质通量满足： j — 电流密度； m — 沉积物质量；t — 沉积时间； A — 薄膜面积； M — 沉积物的分子量； t — 沉积时间； ? — 效率因子 ( 1) 2 薄膜沉积的化学方法 一、概念：在含有被镀金属离子的溶液或熔盐中通直流电，使阳离子在阴极表面放电， 从而在作为阴极的基片表面还原出金属，获得金属或合金薄膜的沉积。 二、沉积装置：1）整个系统由电源、电解液、阳极和阴极构成；2）电流通过时，待沉积物沉积在阴极形成薄膜；3）待沉积物在电解液中以阳离子形式存在；4）电解液主要是离子化合物的水溶液。 三、镀膜原理：阴极表面存在电场很强的双电层区 (厚约30 nm)，阳离子在该电场作用下相继发生下列过程： 脱H ? 放电 (中和) ? 表面扩散 ? 成核 ? 结晶 最终在阴极表面形成金属或合金薄膜的沉积。 四、特点：1、薄膜生长速度快；2、基片无形状限制；3、过程难控制；4、残液环境危害大；5、只能在导电基板上沉积金属 (合金)薄膜。 五、主要应用：电镀硬Cr、电镀半导体薄膜（MoSe2等）。 2.3 电化学镀膜方法 2.3.1 电镀 电镀（银）装置的示意图 电子 阳离子 电解液 阳极（溶解）Anode 阴极（沉积）Cathode 直流电源 二、镀膜原理： 1）阳极为目标金属，阴极一般采用石墨电极； 2）薄膜生长为动态平衡过程，既有金属氧化物 的形成，也有阳极金属及其氧化物的溶解； 3）总反应式为：2Al + 3H2O ? Al2O3 + 3H2? ? 实际上由 4 个子反应构成： ① 阳极金属溶解：2Al ? 2Al3+ + 6e- 地点：阳极-电解液界面（后期为孔道底部） ② Al3+ 在强电场作用下迁移并形成氧化物： 2Al3+ + 3H2O ? Al2O3 + 6H+ 地点：氧化物-电解液界面 ③ 氧化物中的O2- 在强电场作用下迁移至金属-氧化物界面， 并使金属氧化： 2Al + 3O2- ? Al2O3 + 6e- ④ 反应②生成的H+ 在电解液中迁移至电解液-阴极界面，与电子发生析氢反应： ? 6H+ + 6e- ?3H2? 2 薄膜沉积的化学方法 一、概念：在适当的电解液中，采用Al、Mg、Si、Ta、Ti、Nb等金属或合金基片作为阳极， 并赋予一定的直流电压，由于电化学反应在阳极表面形成金属氧化物薄膜的方法。 2.3 电化学镀膜方法 2.3.2 阳极氧化 阳极氧化生长薄膜的电化学原理示意图 （强电场是荷电粒子迁移的驱动力） 三、主要特点： 1）电镀的逆过程，主要电极反应为氧化反应； 电镀：阴极还原反应，不消耗阴极，沉积出金属/合金薄膜； 阳极氧化：阳极氧化反应，消耗阳极，生长出阳极金属氧化产物薄膜。 2）可沉积Al、Mg、Ta、Ti、Si、Nb等多种金属、半金属的氧化