[发明专利]一种用于硅表面直接电镀光滑致密银薄膜的溶液及电镀方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅表面直接电镀光滑致密银薄膜的方法。特别涉及一种以表面洁净并除去表面SiO₂氧化层的硅作为电镀基底，在合适的电镀银溶液中，采用控制电位法获得光滑银薄层的方法。

背景技术

硅表面的金属化已被广泛应用于半导体微电子工业，如超大规模集成电路（ULSI），欧姆接触，电路板图型化和表面修饰等。随着半导体微电子硅器件的小型化，对硅表面金属化的导线和防护层的机械性能和电子性能的要求逐渐提高，如电导率，杨氏模量，抗氧化性和粘附性等。为迎合器件的小型化和纳米科学的发展，纳米级的金属镀膜层已经逐步取代了原本微米级的镀层。由于纳米级金属镀膜层的电学性质和光学性质不仅受本身尺寸效应的影响，同时还受其表面质量的影响。因此，提高金属镀膜层表面的光滑性，减少表面缺陷，减小电导率，降低光学散射等，成为了研究人员共同的目标。

在硅表面金属化的研究中，银已经被越来越多的人关注。银的抗氧化性强于铜，且和硅结合力较强，在硅中不易扩散，避免了使用连接层和阻挡层；同时银是金属中电导率最小的金属，对于金属导线和连接层因尺寸减小而导致电阻增大的效应，这个优势更为明显。另外，硅基体和原子力显微镜（AFM）硅针尖上光滑银薄层的制备也是制约小型波导^[1]和针尖增强拉曼光谱（TERS）^[2]研究的一个重要难点。

目前，常用于在硅上制备纳米级银膜层的方法有两类：物理沉积法和化学沉积法。物理沉积法主要是真空蒸镀^[3]。在真空蒸镀技术中，真空度、沉积速率、沉积角度和温度等众多因素都会影响沉积金属层的形貌和质量，很难较好地控制每一个因素。特别是在三维硅基体上，所获得的银薄层表面粗糙且重现性差，而且价格昂贵。化学沉积法主要有原电池反应^[4]和化学镀法^[5]。原电池反应主要是采用氢氟酸结合硝酸银的原电池反应，该法虽然可以较快地获得银镀层，但由于原电池反应本身的特征，无法在所有硅表面都沉积上银，故获得的银膜层十分粗糙。而化学镀的方法往往需要先在硅上沉积一层晶核后再继续进行化学沉积。该法中晶核往往较大且密度低，使得最终镀层较厚且粗糙。此外，额外沉积晶核增加银薄膜制备周期和成本。因此，快速、高重现地获得光滑致密的纳米级银薄层，需要从源头创新，发明新方法。

采用电镀方法制备的银膜层，具有快速、制备成本低、膜层光滑、样品重现性高和对环境友好等特点。采用控制电位法，通过准确控制电位和电镀时间，可以获得不同的膜层厚度。因此，采用电镀的方法对硅表面进行银的沉积，并通过控制电位和时间，可以高重现地获得光滑银薄层，且制备快速，成本低廉。

T.P.Moffat等报道了硅表面金属的电镀铜^[6]。但是，铜易被氧化，形成的Cu⁺会在硅的间隙中扩散，导致器件漏电；另外，铜和基底硅的粘附性较差，且较易和硅反应形成铜和硅的化合物，影响产品的使用寿命。因此在硅表面电镀铜的过程中，常常需要使用缓冲层作为阻挡层和连接层，但是额外的缓冲层增加了制备周期和成本。

R.M.Stiger等报道了在硅表面电镀银^[7]。该方法受限于所选的电化学方法和简单的电镀银液，所得的银膜均以岛状颗粒为主，表面粗糙。

而本发明电镀的银由于其本身所具有的优势，不仅完全可以取代铜，而且由于银和硅的结合力较强，可以直接在硅表面进行银的沉积，避免了缓冲层的使用，减小了成本，提高了制备效率。本发明一种硅表面直接电镀光滑致密银薄膜的方法采用控制电位法和配制稳定的光亮电镀银液，可以获得纳米级的光滑致密银膜。

参考文献

1.L.Chen,J.Shakya and M.Lipson,Subwavelength confinement in an integrated metal slot waveguide on silicon.Opt.Lett.2006,31,2133-2135.

2.R.M.Stockle,Y.D.Suh,V.Deckert and R.Zenobi,Nanoscale chemical analysis by tip-enhanced Raman spectroscopy.Chem Phys Lett2000,318,131-136.