CN111596135A - 一种电沉积金结构的电阻特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电沉积金结构的电阻特性分析方法，涉及材料检测技术领域，通过利用电化学工作站检测金叉指电极的阻抗，避免了接触式测量中由于电沉积金结构本身的结构不同，以及对电沉积结构测量时的接触面积不同对测量结果的影响。电沉积金结构的电阻特性分析方法包括以下步骤：提供多个金叉指电极，多个所述金叉指电极的电阻相关参数不同；利用电化学工作站检测多个所述金叉指电极在不同的频率正弦电压下的阻抗；根据所述多个金叉指电极在不同频率的正弦电压下的阻抗分析电沉积金结构的电阻特性。

Description

一种电沉积金结构的电阻特性分析方法

技术领域

本发明涉及材料检测领域，尤其涉及一种电沉积金结构的电阻特性分析方法。

背景技术

电沉积金结构具有优良的电学特性、强抗腐蚀能力、化学和光学特性，被广泛应用于集成电路、生物传感、电子通讯和航空航天等领域。电沉积金结构的电阻特性会直接影响到信号的传输效率，所以电沉积金结构电阻的测量变得尤为重要。

目前，测量电沉积金结构电阻的方法一般采用探针台进行四探针测量。但是，这种方法对电沉积金结构的粗糙度要求极高，并且探针与电沉积金结构的接触面积也会导致测量结果的不稳定，进而影响电沉积金结构电阻的测量结果的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电沉积金结构的电阻特性分析方法，利用电化学工作站对电沉积金结构的电阻特性进行分析，更为准确的表征电沉积金结构的电阻特性。

本发明提供了一种电沉积金结构的电阻特性分析方法，该方法包括以下步骤：

提供多个金叉指电极，多个金叉指电极的电阻相关参数不同；

利用电化学工作站检测多个电沉积金结构在中频正弦电压下的阻抗；

根据多个所述电沉积金结构在中频正弦电压下的阻抗分析电沉积金结构的电阻特性。

可选地，各个金叉指电极的电阻相关参数为金叉指电极的高度和金叉指电极的表面粗糙度。

可选地，正弦电压的频率范围为100Hz到500kHz，正弦电压的振幅为5mV，直流偏压为0V。

可选地，提供多个金叉指电极包括：

提供多个金叉指状种子；

利用电化学沉积法在不同的多个电沉积参数的控制下对多个叉指状种子一一对应的进行处理，获得多个金叉指电极。

可选地，电沉积参数包括电沉积时间、正向脉冲电镀电流和反向刻蚀电流。

可选地，各个电沉积参数包括的电沉积时间不同；

各个电沉积参数包括的正向脉冲电镀电流的大小和脉宽相同；

各个电沉积参数包括的反向刻蚀电流的大小和持续时间不同。

可选地，提供多个金叉指状种子包括：

提供衬底；

在衬底上形成金种子层；

对金种子层进行图形化处理，获得金叉指状种子。

可选地，在所述衬底上形成金种子层包括：

在所述衬底上定义叉指区域；

采用电镀法在叉指区域电镀金种子层。

可选地，电镀液为金的无机盐溶液。

可选地，电镀液的pH值为6.5-7.5，电镀液的温度为25℃～55℃。

与现有技术相比，本发明提供的电沉积金结构的电阻特性分析方法，对多个具有不同电阻相关参数的金叉指电极，在不同频率的正弦电压下的阻抗进行测量，避免了接触式测量中由于电沉积金结构本身的结构不同，以及对电沉积结构测量时的接触面积不同对测量结果的影响。在此基础上，利用该阻抗测量结果表征不同电沉积金结构在不同频率下的阻抗变化，可以准确的分析出电沉积金结构的电阻特性，在后续对电沉积金结构的电阻进行测量时，可参考上述电沉积金结构的电阻特性，实现对电沉积金结构的电阻的准确测量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的一种叉指电极的结构示意图；

图2为本发明提供的一种将叉指电极放入去离子水中的示意图；

图3为本发明提供得一种叉指电极的等效电路图；

图4为本发明提供的一种电沉积金结构的电阻特性分析方法的步骤流程图；

图5为本发明提供的一种利用电化学工作站对将金叉指电极进行电阻特性检测时的结构示意图；

图6为本发明提供的不同反向电流制备金叉指电极的电镜图；

图7为本发明提供的一种不同反向电流和不同电镀时间制备金叉指电极的频率-阻抗图；

图8为本发明提供的一种不同厚度金叉指电极的频率-阻抗图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

电沉积金结构具有优良的电学特性、强抗腐蚀能力、化学和光学特性，被广泛应用于集成电路、生物传感、电子通讯和航空航天等领域。电沉积金结构可以分为硬金结构和软金结构。

硬金结构通常添加了铁、钴、镍等金属来增加金结构的机械性能，在电学互联和PCB板等方面得到应用。

软金结构纯度较高，信号保真度高成为集成电路的互联、封装、MEMS、X射线光学元件等是一种不可替代的部分。软金结构的电阻特性会直接影响到信号的传输效率，所以电沉积金结构电阻的测量变得尤为重要。但由于金材料的电阻率低，导致了电沉积金结构的电阻特性灵敏度高，受测量环境影响大，测量困难；在科研领域中，最为常用的测量电沉积金结构电阻的方法是采用探针台进行四探针测量，但是这种方法对电沉积金结构的粗糙度要求极高，并且探针与电沉积金结构的接触面积也会导致测量结果的不稳定，这些因素都会严重影响测量结果的准确性，导致这个方法在测量小尺度器件电阻的可信度降低。

基于此，本发明实施例提出一种结合生物传感领域常用的叉指电极，来对电沉积金结构电阻特性进行分析。图1示出了一种叉指电极的结构示意图。如图1所示，叉指电极是一种生物传感领域常用的叉指状微型电极，具有特异性好，生物保真度高，灵敏度高和检测速度快等优点。在生物检测、环境监测和食品安全等领域有着重要的作用和广阔的应用前景。在叉指电极的工作区域滴上不同浓度的检测溶液来检测其频率-阻抗的变化，从而来对叉指电极的电阻进行检测。其中，检测溶液可以为去离子水。图2示出了一种测量叉指电极电阻的示意图。如图2所示，201为叉指电极，202为去离子水。滴入去离子水202后，叉指电极201的等效电路图如图3。其中，Rs为叉指电极的等效电阻，Cdl和Cdi为叉指电极的等效电容。

图4示出了本发明实施例提供的一种电沉积金结构的电阻特性分析方法，如图4所示，该电沉积金结构的电阻特性分析方法包括以下步骤：

步骤101，提供多个金叉指电极，多个金叉指电极的电阻相关参数不同。

本发明实施例中，为了提高表征不同电沉积金结构的电阻特性的准确性，提供了多个具有不同电阻相关参数的金叉指电极。本发明实施例在分析金叉指电极的电阻特性时将金叉指电极放置到检测溶液中。相比现有技术，在测量电沉积金结构时，需要将探针与电沉积金结构进行接触，本发明实施例的方法能够提高电阻检测的可信度以及可操作性，且对电沉积金结构本身的结构要求较低。示例性的，上述电阻相关参数可以是金叉指电极的高度和金叉指电极的表面粗糙度。

步骤102，利用电化学工作站检测多个金叉指电极在不同的频率正弦电压下的阻抗。

本发明实施例中，图5示出了一种利用电化学工作站对金叉指电极的电阻特性进行分析的示意图。参照图5，在对不同的金叉指电极进行电阻特性分析时，先将该金叉指电极的阴极和阳极与电化学工作站进行电连接，然后将该金叉指电极放置到检测溶液中。再利用该电化学工作站获取具有不同电阻相关参数的多个金叉指电极在不同频率的正弦电压下的频率-阻抗图谱。示例性的，该电化学工作站可以是华晨CHI660E电化学工作站。

步骤103，根据多个电沉积金结构在不同频率的正弦电压下的阻抗分析电沉积金结构的电阻特性。

本发明实施例中，通过具有不同电阻相关参数的多个金叉指电极在不同频率的正弦电压下的频率-阻抗图谱，对电沉积金结构的电阻特性进行分析。本发明实施例电沉积金结构的电阻特性分析方法的整个过程能够避免由于接触性测量对实际结果造成的改变，更为精确、直接的表征电沉积金结构本身的电阻特性。

示例性的，上述提供多个金叉指电极可以包括以下步骤：

步骤1011，提供多个金叉指状种子。提供多个金叉指状种子可以包括：提供衬底；在衬底上形成金种子层；对金种子层进行图形化处理，获得金叉指状种子。具体的，该衬底可以为SiO₂衬底。在衬底上形成金种子层可以是：在SiO₂衬底上通过电子束蒸发制备金种子层。对金种子层进行图形化处理，获得金叉指状种子可以是，对金种子层进行光刻，获得叉指状电镀区域图形，该叉指状电镀区域图形即为金叉指状种子。可以理解，也可以利用其它方法对金种子层进行图形化处理，本发明实施例对此不作限定。在得到金叉指状种子后，本发明实施例还包括对金叉指状种子表面残余的光刻胶进行刻蚀。

作为一种具体的示例，对金种子层进行光刻，获得叉指状电镀区域图形可以为：在金种子层上旋涂1.5微米厚的NR1500光刻胶并以120℃前烘2min，采用UV接触式光刻机进行曝光，150℃进行坚膜，随后显影40s，获得叉指电极的待电镀图形，示例性的，根据实际的需求，待电镀图形的电镀区域面积可以为0.25cm²，辅助电镀区域2cm²。

步骤1012，利用电化学沉积法在不同的多个电沉积参数的控制下对多个叉指状种子一一对应的进行处理，获得多个金叉指电极。示例性的，该电化学沉积法可以为电镀法，该电沉积参数可以为电沉积时间、正向脉冲电流和反向刻蚀电流。

作为一种具体的示例，利用电镀法对叉指状种子进行处理，获得金叉指电极的过程可以为：采用交直流源表提供正向脉冲电镀电流和反向刻蚀电流。该正向脉冲电镀电流用于在阴极表面进行离子的放电和金属的沉积；该反向刻蚀电流用于刻蚀掉电沉积期间表面形成的尖锐凸起，并使刻蚀掉的离子运动到扩散层中来补充金离子浓度，进而改变金结构微观形貌。

本发明实施例中，金叉指电极电阻相关参数为金叉指电极的高度和金叉指电极的表面粗糙度。可以通过不同的电镀时间来获得不同高度的金叉指电极。可以通过不同的反向刻蚀电流来获得不同表面粗糙度的金叉指电极。制备不同电阻相关参数的金叉指电极时可以采用相同的正向脉冲电镀电流。例如，正向脉冲电镀电流20mA，脉冲宽度为2ms。

作为一种具体的示例，为了获得具有不同高度的金叉指电极，电镀时间可以为5min、8min、10min或15min。此时，可以采用定时器控制电镀时间，由此可以控制电镀厚度，达到所需电镀厚度时，取出阴极电镀件。

为了获得不同表面粗糙度的金叉指电极，可以通过设置不同的反向刻蚀电流的大小来实现。反向刻蚀电流能够改变刻蚀效率，使刻蚀掉的金离子重新补充到扩散层中来进行再分布。基于此，可以改善金结构的填充质量，从而改变金叉指电极的表面粗糙度。

示例性的，本发明实施例在取出电镀件后，还可以采用干法刻蚀和湿法清洗去除衬底上的光刻胶，完成电镀实验，得到多个金叉指电极。

为了不影响后续利用电化学工作站对不同金叉指电极电阻特性测量的准确定，以及防止电叉指电极本身的短路问题，在得到多个金叉指电极之后，还可以采用离子束刻蚀掉金叉指电极表面上多余的金种子层。

可以理解，为了使后续工艺兼容性较好，对环境友好，降低电镀液生产和后处理的难度，电镀液可以采用中性的金的无机盐溶液。例如，亚硫酸金盐电镀液。此时，电镀液pH值为6.5-7.5，呈酸碱中性。为了提高电镀层的质量，在电镀前，可以先将电镀槽中的中性的亚硫酸金盐电镀液用恒温水浴加热至40℃，并以200r/min的转速搅拌半小时使离子在镀液中更均匀的扩散。在电镀过程中，将显影后的金叉指状种子放入电镀槽中作为阴极，阳极采用20cm×10cm的镀3微米厚的矩形铂金的钛网，阳极与阴极的距离为8cm。

作为一种具体的示例，本发明实施例利用不同的反向刻蚀电流来刻蚀掉金叉指电极在沉积过程中形成的锐利的纳米晶粒结构，进而改变所沉积的金叉指电极的微观结构。由于微观结构的改变，金叉指电极的电阻也会发生改变。

示例性的，参照图6，示出了不同反向刻蚀电流下得到的不同金叉指电极结构的电镜图。其中，图6(a)示出了在0mA反向刻蚀电流下得到的金叉指电极结构的电镜图；图6(b)示出了在0.4mA反向刻蚀电流下得到的金叉指电极结构的电镜图；图6(c)示出了在1.4mA反向刻蚀电流下得到的金叉指电极结构的电镜图；图6(d)示出了在2.0mA反向刻蚀电流下得到的金叉指电极结构的电镜图。可以看出，不同的反向刻蚀电流下获得的金叉指电极的微观结构不同。

利用电化学工作站检测图6所示的4种金叉指电极在不同的频率正弦电压下的阻抗。其中，电化学工作站提供的正弦电压的频率范围为100Hz到500kHz，正弦电压的振幅为5mV，直流偏压为0V。

图7示出了不同反向刻蚀电流制备金结构的频率-阻抗图。其中，曲线1为不同频率下金叉指电极阻抗的相位分布曲线图；曲线2为利用大小为1.4A的反向刻蚀电流制备的高度为300nm的金叉指电极在不同频率下的频率-阻抗曲线；曲线3为利用大小为2A的反向刻蚀电流制备的高度为100nm的金叉指电极在不同频率下的频率-阻抗曲线；曲线4为利用大小为0.4A的反向刻蚀电流制备的高度为300nm的金叉指电极在不同频率下的频率-阻抗曲线；曲线5为利用大小为0A的反向刻蚀电流制备的高度为300nm的金叉指电极在不同频率下的频率-阻抗曲线。

图7中曲线2、曲线4和曲线5分别为利用不同的反向刻蚀电流获得的金叉指电极的频率-阻抗曲线。其中，曲线5中的反向刻蚀电流最小，曲线2中的反向刻蚀电流最大。随着不同反向电流的变化，刻蚀与钝化作用的交替影响，金叉指电极的微观结构呈准单晶-单晶-准单晶-多晶的变化趋势。从图7中可以得到，在0和1.4mA的反向电流下，准单晶结构中镶嵌着众多的缺陷影响着电子的传输，导致它们电阻大于0.4mA反向电流下制备的金结构的电阻。虽然多晶金结构的高度较低，但由于结构中的晶界会严重阻碍电子的传输，导致金结构电阻较大。

从图7中可以看出，曲线3所表示的金叉指电极的在中频区的电阻最大。曲线3所表示的金叉指电极的高度为100nm，其他曲线所表示的金叉指电极的高度均为300nm，故可以基本得出，金叉指电极的高度与金叉指电极的电阻成反比。

图8示出了不同厚度金叉指电极的频率-阻抗图。其中，曲线6为不同频率下金叉指电极阻抗的相位分布曲线图；曲线7为利用大小为0.4A的反向刻蚀电流制备的厚度为300nm的金叉指电极在不同频率下的频率-阻抗曲线；曲线8为利用大小为0.4A的反向刻蚀电流制备的厚度为700nm的金叉指电极在不同频率下的频率-阻抗曲线。通过图8可以看出，在纳米尺度下的金叉指电极的厚度改变对电阻的影响可忽略不计。

参照图7和图8，随着测量频率的变化，叉指电极的阻抗主要分为三种状态，双层电容器、结构电阻和介质电容器，分别对应于183Hz到1kHz的低频区、1kHz到50kHz的中频区和50kHz到500kHz的高频区。结合对应的相位曲线分析，在中频区，相应的相位曲线的相位角十分接近0度，可忽略电容特性，即为纯电阻电路。可见，叉指电极中频区的阻抗值的变化几乎等同于结构电阻的变化。

在实际的应用中，利用上述结论，若需要对电沉积金结构进行电阻测量，可以将该电沉积金结构与电化学工作站进行连接。并利用电化学工作站向该电沉积金结构施加中频的正弦电压，从该电化学工作站中获取在中频正弦电压下，该电沉积金结构的阻抗，该阻抗就是该电沉积金结构的电阻。

在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种电沉积金结构的电阻特性分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

提供多个金叉指电极，多个所述金叉指电极的电阻相关参数不同；

利用电化学工作站检测多个所述金叉指电极在不同的频率正弦电压下的阻抗；

根据所述多个金叉指电极在不同频率的正弦电压下的阻抗分析电沉积金结构的电阻特性。

2.根据权利要求1所述的电沉积金结构的电阻特性分析方法，其特征在于，各个所述金叉指电极的电阻相关参数为金叉指电极的高度和所述金叉指电极的表面粗糙度。

3.根据权利要求1所述的电沉积金结构的电阻特性分析方法，其特征在于，所述正弦电压的频率范围为100Hz到500kHz，正弦电压的振幅为5mV，直流偏压为0V。

4.根据权利要求1所述的电沉积金结构的电阻特性分析方法，其特征在于，所述提供多个金叉指电极包括：

提供多个金叉指状种子；

利用电化学沉积法在不同的多个电沉积参数的控制下对所述多个叉指状种子一一对应的进行处理，获得多个金叉指电极。

5.根据权利要求4所述的电沉积金结构的电阻特性分析方法，其特征在于，所述电沉积参数包括电沉积时间、正向脉冲电镀电流和反向刻蚀电流。

6.根据权利要求5所述的电沉积金结构的电阻特性分析方法，其特征在于，各个所述电沉积参数包括的电沉积时间不同；

各个所述电沉积参数包括的正向脉冲电镀电流的大小和脉宽相同；

各个所述电沉积参数包括的反向刻蚀电流的大小和持续时间不同。

7.根据权利要求4所述的电沉积金结构的电阻特性分析方法，其特征在于，所述提供多个金叉指状种子包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成金种子层；

对所述金种子层进行图形化处理，获得金叉指状种子。

8.根据权利要求7所述的电沉积金结构的电阻特性分析方法，其特征在于，所述在所述衬底上形成金种子层包括：

在所述衬底上定义叉指区域；

采用电镀法在所述叉指区域电镀金种子层。

9.根据权利要求8所述的电沉积金结构的电阻特性分析方法，其特征在于，所述电镀液为金的无机盐溶液。

10.根据权利要求8所述的电沉积金结构的电阻特性分析方法，其特征在于，所述电镀液的pH值为6.5-7.5，所述电镀液的温度为25℃～55℃。

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