基于脉冲反向函数的电化学沉积大高宽比金纳米结构研究

Gold nano structures formed by electrochemical deposition are widely used in a variety of research fields including Microelectronics, MEMS and Optoelectronics. However, gold electrochemical deposition is still challenging due to toxicity and disposal concerns of cyanide electrolyte and stability and deposition mechanism of sulfite electrolyte. Herein, in sulfite electrolyte system a novel square pulse reverse function of current source will be utilized which plays a critical role in formation and growth of nuclei in forward pulse and the dissolution in reversal pulse. Firstly, models based on the novel function will be constructed including diffusion and transportation of Au cations, nuclei creation rate on the cathode and the active-passive transition on the anode during the backward pulse. Secondly, to more clearly understand the mechanism of deposition with pulse reverse function, SEM, AFM, XRD, TEM, EBSD and TKD will be used to characterize the nuclei creation and competitive growth. Finally, the high aspect ratio gold structures with 100 nm lateral resolution and more than 1μm height will be formed by optimized electrochemical deposition method.

电化学沉积金纳米结构在微电子、MEMS和光电子等领域应用广泛，但氰化物镀液污染大，废液处理困难，而亚硫酸金盐毒镀液则存在稳定性差、成核和生长机制不明确等问题。本项目提出了一种将新的方波脉冲反向函数引入亚硫酸金盐镀液体系的新思路，该函数具正向脉冲电流大、反向脉冲电流小和脉冲占空比低的特点。利用较大的正向脉冲促进晶核形成并进一步生长，反向脉冲抑制晶粒过快生长。建立相应的模型分析镀液中金属离子扩散和输运规律、阴极成核速率以及金镀层表面活性态-钝化态-过钝化态转换。通过多种表征方法对上述理论模型进行验证分析，包括SEM和XRD重现纳米至微米级镀膜生长过程中的晶粒生长和取向，TKD、SEM和AFM对晶核形成初始状态进行测量表征，EBSD、AFM、SEM和3D轮廓仪对电化学沉积过程中的晶核、晶粒进行形貌表征。并最终实现横向分辨率小于100nm、高度大于1μm、高宽比大于10的金纳米结构。

电化学沉积金纳米结构在微电子、MEMS和光电子等领域应用广泛，但氰化物镀液污染大，废液处理困难，而亚硫酸金盐毒镀液则存在稳定性差、成核和生长机制不明确等问题。课题着力于方波型脉冲反向函数研在硫酸金盐体系电化学沉积中的晶核形成和生长规律和调控机制等核心基础问题。研究了Ti/Au/Cr电镀种子层在生长方向的化学组分的变化、晶粒尺寸分布和晶核取向的高分辨率分布图，并对XPS层析中不同导电特性的金属的影响给了理论模型分析，研究结果有助于理解其在电化学沉积以及其它领域的应用机制和微观现象；研究了的无毒亚硫酸金盐电镀液中晶向可控的<111>方向优先生长的电化学沉积金的过程，通过调节脉冲电流的强度，调节晶核密度和晶核生长速度，电流调控将使得晶粒优先沿着(111)方向生长，其它方向的生长可以得到有效抑制，该结果对不同电导率要求的生物监测和集成电路的工作具有指导意义；结合电镀模型和电子束光刻强穿透性和高分辨率的优势，实现了宽度25nm、高宽比为10的高深宽比的金纳米结构，为核心元器件的研究和研制起到核心支撑作用；在研究脉冲电流在电化学沉积中对成核密度、晶核大小、晶核生长速度影响的基础上，利用电镀脉冲电流对金薄膜电学特性的调控只用，研制了用于污水检测的阻抗型超灵敏叉指电极传感器，实现超快、高灵敏食物污染监测。课题发表论文9篇，申请国家专利4项，培养4名硕士研究生，获得中国科学院杰出科技成就奖一项（主要完成者。）