碲化鉍表面化學鍍鎳工藝

張林森，盧培浩，劉赟，宋延華，董會超

（1.鄭州輕工業學院材料與化學工程學院，河南省表界面重點實驗室，河南 鄭州 450002；2.河南省質量工程職業學院，河南 平頂山 467000）

【化學鍍】

碲化鉍表面化學鍍鎳工藝

張林森1,*，盧培浩2，劉赟1，宋延華1，董會超1

（1.鄭州輕工業學院材料與化學工程學院，河南省表界面重點實驗室，河南 鄭州 450002；2.河南省質量工程職業學院，河南 平頂山 467000）

采用化學鍍鎳的方法在半導體Bi2Te3表面實現金屬化。鍍液配方為：NiSO4·6H2O 25 ～ 30 g/L，NaH2PO2·H2O 20 ～ 30 g/L，CH3COONa 5 g/L，C6H5Na3O7·2H2O 5 g/L。討論了工藝參數對鍍層性能的影響，通過驟冷試驗檢測鎳鍍層與半導體之間的結合力，運用掃描電鏡結合X射線能譜儀(SEM-EDXA)及X射線衍射儀(XRD)對鍍層的形貌、組成和結構進行了分析。結果表明，在80 ～ 85 °C下反應10 min，所得到的鎳鍍層均勻致密，與半導體結合良好，其中Ni和P元素的質量分數分別為90.94%和9.06%。

碲化鉍；半導體；化學鍍鎳；金屬化；結合力

1 前言

由于化學鍍鎳層具有優良的耐蝕性、耐磨性和可焊性等綜合物理化學性能，故化學鍍鎳已廣泛用于航天、石油化工、電子、汽車、食品包裝、模具、紡織、醫療等領域[1-5]。金屬在半導體表面上的化學沉積技術是應微電子器件開發的要求而發展起來的。目前，已有在半導體硅片表面制備納米材料[6-9]及其在超大規模集成電路和微機電系統中應用[10]的報道。Bi2Te3是一種特殊的半導體材料，溫差電優質系數為1.6 × 10?3/K，是一種良好的溫差材料。但是 Bi2Te3不能直接電鍍錫合金，需要預先在其表面進行金屬化處理。本文對半導體 Bi2Te3的化學鍍鎳工藝進行了研究，并對鍍層進行驟冷試驗，以檢驗鍍層的結合力。

2 實驗

2. 1 Bi2Te3半導體化學鍍鎳工藝

鍍前對半導體進行除油、敏化、活化及還原等處理，然后進行化學鍍鎳。其工藝流程為：半導體片─洗滌劑除油─水洗─堿性除油─水洗─敏化─水洗─活化─水洗─還原─化學鍍─水洗─驟冷試驗。

2. 2 鍍前預處理

2. 2. 1 堿性化學除油

用適量洗滌劑在溫水中進行除油，用清水進行沖洗后放入堿性除油液中除油，堿性除油液配方如下：

2. 2. 2 敏化

氯化亞錫10 g/L、鹽酸(w = 37%)40 mL/L、金屬錫，溫度18 ～ 25 °C，時間3 ～ 5 min。蒸餾水洗至中性，使吸附在表面的氯化亞錫膠體水解生成 Sn(OH)Cl膠體，吸附于半導體表面。

2. 2. 3 活化

氯化鈀0.5 g/L、鹽酸(w = 37%)10 mL/L，溫度15 ～40 °C，時間5 min。敏化后的半導體片放入活化液中5 min，取出后用水洗凈，Sn(OH)Cl還原Pd2+成Pd，吸附于半導體表面。活化后的半導體，需用水洗凈。

2. 2. 4 還原

30 g/L的NaH2PO2·H2O，室溫，時間5 min。將經活化處理的半導體放入還原液中5 min，還原可能殘留于半導體表面的 Pd2+，防止其被帶入鍍液導致鍍液分解。半導體經還原處理后不需水洗，可直接化學鍍鎳。

2. 3 化學鍍鎳工藝條件

2. 4 驟冷試驗

樣品放在干燥箱中，200 °C恒溫2 h后迅速取出，立即放入冷水中，20 min后取出，在400倍的XJX-200型顯微鏡(江南光電集團)下觀察鍍層有無起泡、脫皮、裂紋等情況。

2. 5 形貌及結構分析

鍍層的組織結構分析采用 X射線衍射儀(X’pert HighScore，荷蘭帕納科公司)進行，實驗采用Co靶，2θ從20° ～ 100°。采用JSM-6490型SEM-EDXA (日本電子株式會社)觀察電沉積鎳鍍層形貌，通過隨機配置的能譜儀對鍍層的元素組成進行分析。

3 結果與討論

3. 1 溫度對化學鍍鎳層的影響

在起始pH = 4.80，反應時間為10 min的條件下，不同化學鍍溫度對 Bi2Te3半導體化學鍍鎳層性能的影響如表1所示。由表1可知，溫度對鍍層性能影響較大。溫度為75 °C時，鍍層薄、不連續，在反應過程中半導體表面未觀察到有氣泡產生，可能是溫度低，反應速度較慢所致。80 °C下反應9 min后，半導體表面有氣泡產生；再反應10 min，取出后發現鍍層較薄，能看到基體的痕跡，驟冷試驗的結果是鍍層未出現漏鍍、起泡、脫落等現象。溫度為85 °C、反應約5 min后半導體表面聚集大量的細小氣泡；反應10 min取出，鍍層均勻，驟冷試驗后未出現漏鍍、起泡、脫落等現象。溫度為90 °C時，半導體表面立即聚集少量的氣泡，反應10 min，驟冷試驗發現鍍層有小圓鼓泡出現。由于化學鍍沒有外加電流，是鍍液中的Ni2+與NaH2PO2在吸附于半導體表面的鈀催化下實現的自催化反應，故溫度較低時，晶核的生成速度小于晶粒排布的速度，此時晶粒易長大；而在溫度較高時，晶核的生成速度大于晶粒排布的速度，容易造成晶粒來不及排布而產生缺陷。因此，只有在適當的溫度下，晶核生成的速度和晶粒排布的速度相匹配，生長的鍍層才能致密，結合力好。本實驗溫度應控制在80 ～ 85 °C。

表1 溫度對化學鍍鍍層的影響Table 1 Effect of temperature on electroless nickel deposit

3. 2 化學鍍鎳層的結構與組成

圖1為Bi2Te3化學鍍鎳層的XRD圖譜。可以看出，在2θ為52.26°處出現的衍射峰是化學鍍Ni–P合金的特征峰。圖中沒有出現半導體基體的衍射峰，說明鍍層較厚。

圖1 Bi2Te3表面化學鍍鎳層的XRD譜圖Figure 1 XRD spectrum of electroless nickel deposit on surface of Bi2Te3

圖2為pH = 5、溫度85 °C下，反應10 min后在Bi2Te3表面得到的化學鍍鎳層的SEM–EDXA圖。

圖2 Bi2Te3表面化學鍍鎳層的掃描電鏡照片和能譜圖Figure 2 SEM image and energy-dispersive spectrum of electroless nickel deposit on Bi2Te3 surface

由圖 2可知，鍍層均勻、連續、完整，無針孔、起泡、脫落、海綿狀等現象，化學鍍鎳層只含有Ni和P。Ni和P在鍍層中所占的比例見表2。

表2 Bi2Te3表面化學鍍鎳層的組成Table 2 Composition of electroless nickel deposit on Bi2Te3 surface

4 結論

采用化學鍍鎳的方法對半導體 Bi2Te3進行表面金屬化，在80 ～ 85 °C、反應10 min的條件下得到的鍍層含P的質量分數為9.06%，Ni的質量分數為90.94%，鍍層均勻致密，結合力好。

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Electroless nickel plating on surface of bismuth telluride //

ZHANG Lin-sen*, LU Pei-hao, LIU Yun, SONG Yan-hua, DONG Hui-chao

s:The surface of Bi2Te3, a semi-conductor, was metallized by electroless nickel plating with a bath containing NiSO4·6H2O 25-30 g/L, NaH2PO2·H2O 20-30 g/L, CH3COONa 5 g/L, and C6H5Na3O7·2H2O 5 g/L. The effects of process parameters on deposit were discussed. The adhesion of deposit to semiconductor was examined by quenching test, and the morphology, composition and structure of the deposit were analyzed by scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray (EDXA) spectroscopy and X-ray diffraction (XRD). The results indicated that the nickel deposit obtained by plating at 80-85 °C for 10 min consists of Ni 90.94% and P 9.06%, has a uniform and compact surface, and is well adhered to the Bi2Te3semiconductor.

bismuth telluride; semiconductor; electroless nickel plating; metallization; adhesion strength

Key Lab of Surface & Interface Science of Henan Province, College of Material and Chemical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China

TQ153.12

A

1004 – 227X (2011) 12 – 0026 – 03

2011–05–13

2011–07–19

張林森（1979–），男，河南信陽人，副教授，研究方向為電池材料與表面處理。

作者聯系方式：(E-mail) hnzhanglinsen@163.com。

[ 編輯：韋鳳仙 ]