侧向流下局域电沉积的数值仿真研究

发布时间：2021-04-19 04:56

　　建立了侧向流下局域电沉积（LECD）仿真模型,对电沉积过程中铜离子的迁移与沉积形貌的形成过程进行了数值模拟,发现沉积反应前期在流域中央形成中央峰,之后沉积形貌不对称度增大,在中央峰上靠近上游侧逐渐形成一个前置峰。离子浓度分布结果说明中央峰主要是由阳极下方铜离子的沉积形成,前置峰则是由侧向流带来的铜离子沉积形成的。此外,增大侧向流的流速会加速前置峰的形成,并使其位置向下游移动。增大阴阳极间电压会导致前置峰更靠近上游,使不对称沉积提前发生。增大阴阳极间距会使模型区域内的沉积厚度明显增加,前置峰位置更靠近下游,并推迟不对称沉积现象的出现。采用侧向流辅助LECD有望为异形微形貌和微结构的制备提供新方法。 

【文章来源】：电镀与涂饰. 2020,39(15)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

侧向流中局域电沉积的模型

当侧向流速为1 500μm/s、阴阳极间电压为2.1 V时，在距离30μm的阴阳极之间，沉积形貌随时间变化的结果如图2所示。0～6 ms内，位于中游的沉积层快速生长形成中央峰。中央峰高度在6 ms时达到79 nm。此时，中央峰最高处位于流域中央，沉积形貌对称。随后，中央峰左侧出现持续增高的前置峰。到27 ms时，前置峰与中央峰高度均达到158 nm。之后，前置峰顶左移现象更加明显，而中央峰逐渐停止生长。时长达到100 ms时，流域内形成阶梯形沉积形貌，前置峰的高度达到360 nm，前置峰与模型中央的水平距离增大到87μm。对比无侧向流时的沉积形貌[3,5,19]可知，侧向流的影响十分显著，对称模型下的对称沉积形貌被破坏。为了定量分析侧向流对沉积形貌对称性的影响，如图3所示，引入参数λ来表示沉积形貌的不对称度，其计算式如式(5)所示。

阴极附近铜离子的浓度与沉积形貌密切相关。图4展示了侧向流速为1 500μm/s时阴极附近的铜离子浓度变化。前6 ms内，阴极附近的铜离子浓度均超过800 mol/m3。中游区靠近阴极的铜离子浓度明显高于上游区和下游区浓度，其最大值达到1 258 mol/m3。这表明在电场作用下，阴极表面聚集了大量铜离子参与沉积，该过程中沉积主要受电场控制，侧向流作用几乎可以忽略。然而，6～12 ms内中游区铜离子浓度迅速下降，甚至低于上游区和下游区的浓度。这表明中游区铜离子的消耗大于侧向流对铜离子的补充。12 ms后，阴极中央形成铜离子的耗尽区，且该区域以不同速率向两侧扩张。这意味着中游区不再有铜离子参与沉积，于是中央峰几乎停止生长。由侧向流带来的更多铜离子在上游区沉积，导致了前置峰快速生长。由于在真实条件下很难在微米尺度的窄通道内形成高速侧向流，离子没有足够的动能到达中游区，离子耗尽区的产生往往难以避免，因此侧向流中的铜离子只能在上游区沉积，最终形成不对称的沉积形貌。图4 不同时刻阴极附近的铜离子浓度


本文编号：3146878