TWI785501B - 觸媒層之形成方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種可形成觸媒金屬之表面積相對於表觀上之面積之比大之觸媒層之技術。 本發明之實施方式之觸媒層之形成方法包括:對具有包含半導體之表面且上述表面具有複數個凸部10R之基材10進行置換鍍覆,於上述複數個凸部10R之位置使觸媒金屬析出。
Description
本發明之實施方式係關於一種觸媒層之形成方法。
貴金屬等金屬於燃料電池或排氣淨化用觸媒等各種物品中用作觸媒金屬。用作觸媒金屬之金屬一般價格高,故理想為觸媒金屬具有較大之比表面積。
[發明所欲解決之問題]
本發明所欲解決之課題在於提供一種可形成觸媒金屬之表面積相對於表觀上之面積之比大之觸媒層之技術。
[解決問題之技術手段]
根據一態樣,可提供一種觸媒層之形成方法,其包括:對具有包含半導體之表面且上述表面具有複數個凸部之基材進行置換鍍覆,於上述複數個凸部之位置使觸媒金屬析出。
以下參照圖式對實施方式進行詳細說明。再者,對全部圖式中發揮相同或類似功能之構成要素標註相同之參照編號,省略重複之說明。
實施方式之觸媒層之形成方法中,首先,準備具有包含半導體之表面且該表面具有複數個凸部之基材。此種基材例如藉由以下方法而獲得。
首先,準備圖1所示之結構。圖1之結構包含基材10、遮罩層90及層80a。
基材10係包含矽等半導體材料之基材。基材10可具有任意形狀。此處,作為一例,基材10設為單晶矽晶圓。單晶矽晶圓之面方位無特別限制,本例中使用一主面為(100)面之矽晶圓。作為基材10,亦可使用一主面為(110)面之矽晶圓。
遮罩層90設置於基材10之一主面(以下稱為第1面)上。遮罩層90具有1個以上開口部。遮罩層90防止貴金屬與基材10之第1面中之被遮罩層90覆蓋之區域接觸。
作為遮罩層90之材料,例如可例舉:聚醯亞胺、氟樹脂、酚樹脂、丙烯酸樹脂及酚醛清漆樹脂等有機材料或氧化矽及氮化矽等無機材料。
遮罩層90例如可藉由既有之半導體製程而形成。包含有機材料之遮罩層90例如可藉由光微影法而形成。包含無機材料之遮罩層90例如可藉由利用氣相沈積法所進行之無機材料層之成膜、利用光微影法所進行之遮罩之形成及利用蝕刻所進行之無機材料層之圖案化而成形。或者,包含無機材料之遮罩層90可藉由基材10之表面區域之氧化或氮化、利用光微影法所進行之遮罩形成及利用蝕刻所進行之氧化物或氮化物層之圖案化而形成。遮罩層90可省略。
層80a設置於基材10之第1面中之未被遮罩層90覆蓋之區域。層80a為包含觸媒金屬粒子81a之粒狀層。層80a於觸媒金屬粒子81a間具有間隙。
觸媒金屬粒子81a包含較上述半導體材料貴重之金屬例如貴金屬作為觸媒金屬。貴金屬例如為金、銀、鉑、銠、鈀及釕之1種以上。層80a及觸媒金屬粒子81a可進而包含鈦等除貴金屬以外之金屬。較佳為層80a及觸媒金屬粒子81a包含金、銀、鉑及鈀之1種以上。
層80a例如可藉由電鍍、還原鍍覆或置換鍍覆而形成。層80a可使用包含貴金屬粒子之分散液之塗佈或蒸鍍及濺鍍等氣相沈積法而形成。該等方法之中,置換鍍覆可於基材10之第1面中之未被遮罩層90覆蓋之區域直接且均勻地使觸媒金屬析出,故尤佳。以下,作為一例,記載有關於利用置換鍍覆所進行之層80a之形成。
用以形成包含觸媒金屬粒子81a之層80a之置換鍍覆係對至少於遮罩層90之開口部之位置具有包含半導體之平坦之表面之基材10進行。藉此,以觸媒金屬粒子81a之間具有間隙之方式於該平坦之表面上形成包含複數個觸媒金屬粒子81a之層。
關於利用置換鍍覆所進行之觸媒金屬之析出,例如可使用四氯金(III)酸鉀水溶液、亞硫酸金鹽水溶液或氰化金(I)鉀水溶液。以下,以觸媒金屬為金為例進行說明。
置換鍍覆液例如為四氯金(III)酸鉀水溶液與氫氟酸之混合液。氫氟酸具有將基材10之表面之自然氧化膜去除之作用。
置換鍍覆液可進而包含錯合劑及pH值緩衝劑中之至少一者。錯合劑具有使置換鍍覆液中包含之貴金屬離子穩定化之作用。pH值緩衝劑具有使鍍覆之反應速度穩定化之作用。作為該等添加劑,例如可使用甘胺酸、檸檬酸、羧酸根離子、氰化物離子、焦磷酸根離子、乙二胺四乙酸、氨、胺基羧酸根離子、乙酸、乳酸、磷酸鹽、硼酸或該等之2種以上之組合。作為該等添加劑,較佳為使用甘胺酸及檸檬酸。
該置換鍍覆液中之四氯金(III)酸鉀之濃度較佳為處於0.0001 mol/L至0.01 mol/L之範圍內,更佳為處於0.0005 mol/L至0.005 mol/L之範圍內。若該濃度低,則不易獲得充分大小之觸媒金屬粒子81a以低密度分佈之觸媒層80。若該濃度高,則觸媒金屬粒子81a積層多層,根據情形不同,存在產生樹枝狀晶之情況。
上述置換鍍覆液中之氟化氫濃度較佳為處於0.01 mol/L至5 mol/L之範圍內,更佳為處於0.5 mol/L至2 mol/L之範圍內。於氟化氫濃度低之情形時,不易獲得充分大小之觸媒金屬粒子81a以低密度分佈之層80a。於氟化氫濃度高之情形時,半導體表面之溶解進行,有可能對蝕刻造成不良影響。
上述置換鍍覆液中之甘胺酸濃度較佳為處於0.1 g/L至20 g/L之範圍內,更佳為處於1 g/L至10 g/L之範圍內。若使甘胺酸濃度過低,則置換鍍覆液變得不穩定,觸媒金屬粒子81a積層多層,根據情形不同,存在產生樹枝狀晶之情況。若使甘胺酸濃度過高,則不易獲得充分大小之觸媒金屬粒子81a以低密度分佈之層80a。
上述置換鍍覆液中之檸檬酸濃度較佳為處於0.1 g/L至20 g/L之範圍內,更佳為處於1 g/L至10 g/L之範圍內。若使檸檬酸濃度過低,則置換鍍覆液變得不穩定,觸媒金屬粒子81a積層多層,根據情形不同,存在產生樹枝狀晶之情況。若使檸檬酸濃度過高,則不易獲得充分大小之觸媒金屬粒子81a以低密度分佈之層80a。
又,亦可代替甘胺酸及檸檬酸而使用具有與其等相同之功能者。例如可使用羧酸根離子、氰化物離子、焦磷酸根離子、乙二胺四乙酸、氨或胺基羧酸根離子代替甘胺酸。例如可使用羧酸根離子、乙酸、乳酸、磷酸鹽或硼酸代替檸檬酸。
若將基材10浸漬於置換鍍覆液中,則基材10之第1面之自然氧化膜被去除,除此以外,觸媒金屬、此處為金亦於基材10之第1面中之未被遮罩層90覆蓋之區域析出。藉此,獲得包含觸媒金屬粒子81a之層80a。再者,基材10之第1面最初平坦,但因置換鍍覆,而於觸媒金屬粒子81a之位置及其附近略微凹陷。
其次,將觸媒金屬粒子81a用作觸媒,於該等觸媒金屬粒子81a之位置對半導體進行蝕刻。藉此,於觸媒金屬粒子81間之間隙之位置形成複數個凸部。
具體而言,如圖2所示,利用蝕刻劑100對基材10進行蝕刻。例如,將基材10浸漬於液狀之蝕刻劑100中,使蝕刻劑100與基材10接觸。
蝕刻劑100包含氧化劑及氟化氫。
蝕刻劑100中之氟化氫之濃度較佳為處於1 mol/L至20 mol/L之範圍內,更佳為處於5 mol/L至10 mol/L之範圍內,進而較佳為處於3 mol/L至7 mol/L之範圍內。於氟化氫濃度低之情形時,不易實現高蝕刻速率。於氟化氫濃度高之情形時,有可能產生過度之側蝕。
氧化劑例如可自過氧化氫、硝酸、AgNO3
、KAuCl4
、HAuCl4
、K2
PtCl6
、H2
PtCl6
、Fe(NO3
)3
、Ni(NO3
)2
、Mg(NO3
)2
、Na2
S2
O8
、K2
S2
O8
、KMnO4
及K2
Cr2
O7
選擇。作為氧化劑,較佳為過氧化氫,原因在於,其不產生有害之副產物。
蝕刻劑100中之氧化劑之濃度較佳為處於0.2 mol/L至8 mol/L之範圍內,更佳為處於2 mol/L至4 mol/L之範圍內,進而較佳為處於3 mol/L至4 mol/L之範圍內。
蝕刻劑100可進而包含緩衝劑。緩衝劑例如包含氟化銨及氨之至少一者。依據一例,緩衝劑為氟化銨。依據另一例,緩衝劑為氟化銨與氨之混合物。
蝕刻劑100可進而包含水等其他成分。
於使用此種蝕刻劑100之情形時,僅於基材10中之與觸媒金屬粒子81a接近之區域中,基材10之材料(此處為矽)被氧化。並且,藉此產生之氧化物藉由氫氟酸而被溶解去除。因此,僅與觸媒金屬粒子81a接近之部分被選擇性地蝕刻。
隨著蝕刻進行,觸媒金屬粒子81a向基材10之另一主面(以下稱為第2面)移動,因此會進行與上述相同之蝕刻。其結果為,如圖2所示,於層80a之位置,自第1面向第2面,於相對於第1面垂直之方向上進行蝕刻。
然而,層80a於觸媒金屬粒子81a之間具有間隙,故於與該等間隙對應之位置未進行蝕刻。其結果為,如圖2及圖3所示,凹部之底部中產生作為蝕刻殘留之於與第1面交叉之方向、尤其是凹部之深度方向上分別延伸之針狀之凸部10R。
以如上方式獲得具有包含半導體之表面且該表面具有複數個凸部10R之基材10。
其次,對該基材10進行置換鍍覆,於凸部10R之位置使觸媒金屬析出。藉此,形成包含複數個觸媒金屬粒子81b之層80b。
例如可藉由與上述相同之方法對層80a進行用以形成層80b之置換鍍覆。然而,用以形成層80b之置換鍍覆較佳為以如下方式進行:與用以形成層80a之置換鍍覆相比,析出更多之觸媒金屬。即,較佳為與蝕刻之前形成之層80a中之觸媒金屬之量相比,使蝕刻之後析出之觸媒金屬之量更多。
凸部10R為針狀,故其幾乎整體進行置換鍍覆。因此,與凸部10R之形狀對應,觸媒金屬以於與第1面交叉之方向上延伸之粒子狀析出。即,藉由該置換鍍覆而獲得包含具有於凹部之深度方向上延伸之形狀之觸媒金屬粒子81b之層80b。
以如上方式獲得包含層80a及層80b之觸媒層80。再者,圖1至圖4中,為了容易理解,而繪製了簡化之結構。實際上,於用以產生觸媒金屬粒子81b之鍍覆處理中,存在觸媒金屬粒子81a彼此連接或觸媒金屬粒子81b彼此連接之情況。又,於用以產生觸媒金屬粒子81b之鍍覆處理中,亦存在觸媒金屬粒子81a與觸媒金屬粒子81b連接之情況。因此,觸媒層80未必具有如圖4所示之可使2層互相明確區分之結構。
上述方法中,對第1面具有複數個凸部10R之基材10進行置換鍍覆,於該等凸部10R之位置使觸媒金屬析出。由於以此方式獲得之層80b係於凸部10R之位置使觸媒金屬析出而成,故觸媒金屬之表面積相對於表觀上之面積之比大。即,包含該層80b之觸媒層80之觸媒金屬之表面積相對於表觀上之面積之比大。
又,該觸媒層80具有包含層80a及層80b之多層結構。該多層結構亦有助於觸媒金屬之表面積相對於表觀上之面積之比之增大。
進而,如上所述,觸媒金屬粒子81b具有於凹部之深度方向上延伸之形狀。該結構亦有助於觸媒金屬之表面積相對於表觀上之面積之比之增大。
該觸媒層80例如可用於促進氣相或液相中之物質之反應。又,可利用該觸媒層80進一步對基材10進行蝕刻。該蝕刻例如可藉由與凸部10R之形成有關之上述方法相同之方法進行。藉由該蝕刻,例如可於基材10上形成更深之凹部或貫通孔等。
上述方法中,於各置換鍍覆中,鍍覆液之組成可於反應全程中固定。或可於至少一置換鍍覆中,於反應中途改變鍍覆液之組成。又,上述蝕刻中,蝕刻劑之組成可於反應全程中固定,亦可於反應中途改變。
如圖4所示,相鄰之觸媒金屬粒子81b可互相相隔。或者只要層80b於觸媒金屬粒子81b之間具有間隙,則相鄰之觸媒金屬粒子81b可相接。
於上述方法中,層80a較佳為以具有1至100 nm之範圍內之厚度之方式形成,更佳為以具有5至50 nm之範圍內之厚度之方式形成。又,層80a較佳為以觸媒金屬粒子81a具有1至100 nm之範圍內之平均粒徑之方式形成,更佳為以觸媒金屬粒子81a具有5至50 nm之範圍內之平均粒徑之方式形成。於將觸媒金屬粒子81a之平均粒徑及層80a之厚度設為上述範圍內之情形時,可以高密度產生具有充分大小之直徑或寬度之凸部10R。
此處,觸媒金屬粒子81a之「平均粒徑」係藉由以下方法而獲得之值。首先,藉由電子顯微鏡而拍攝層80a之剖面。其次,對由該圖像獲得之觸媒金屬粒子81a之面積進行算術平均。將具有與該平均面積相等之面積之圓之直徑設為觸媒金屬粒子81a之平均粒徑。
凸部10R之相鄰者之平均中心間距離較佳為3至200 nm之範圍內,更佳為10至100 nm之範圍內。若使該平均中心間距離增大,則觸媒金屬粒子81b之中心間距離亦變大。因此,就獲得相對於表觀上之面積之觸媒金屬之表面積大之觸媒層80之觀點而言,理想為該平均中心間距離較小。然而,若使該平均中心間距離過小,則相鄰之觸媒金屬粒子81b之接觸面積變大,根據情形不同,有可能獲得觸媒金屬粒子81b不具有間隙之層80b。
凸部10R之高度較佳為處於50至300 nm之範圍內,更佳為處於100至200 nm之範圍內。若使凸部10R之高度過小,則觸媒金屬粒子81a之間之間隙易被觸媒金屬粒子81b嵌埋。若使該高度過大,則易產生凸部10R之倒塌。
凸部10R之高度相對於凸部10R之直徑或寬度之比較佳為處於1至10之範圍內,更佳為處於3至6之範圍內。若使該比過小,則觸媒金屬粒子81a之間之間隙易被觸媒金屬粒子81b嵌埋。若使該比過大,則易產生凸部10R之倒塌。
層80b較佳為以具有10至300 nm之範圍內之厚度之方式形成,更佳為以具有100至200 nm之範圍內之厚度之方式形成。又,層80b較佳為以觸媒金屬粒子81b具有10至200 nm之範圍內之平均直徑或平均寬度之方式形成,更佳為以觸媒金屬粒子81b具有20至100 nm之範圍內之平均直徑或平均寬度之方式形成。關於將觸媒金屬粒子81b之平均直徑或平均寬度及層80b之厚度設為上述範圍內之層80b,一般而言,觸媒金屬之表面積相對於表觀上之面積之比大。
此處,觸媒金屬粒子81b之「平均直徑」或「平均寬度」為藉由以下方法而獲得之值。首先,藉由電子顯微鏡而拍攝層80b之剖面。其次,對由該圖像獲得之觸媒金屬粒子81b之面積進行算術平均。將藉由用該平均面積除以層80b之厚度而獲得之值設為觸媒金屬粒子81b之平均直徑或平均寬度。
觸媒層80較佳為以密度成為20至200 μg/cm2
之範圍內之方式形成,更佳為以密度成為40至80 μg/cm2
之範圍內之方式形成。若使觸媒層80之密度過小,則有可能不易使觸媒金屬之表面積相對於表觀上之面積之比充分大。若使觸媒層80之密度過大,則觸媒金屬粒子之間之間隙變少,有可能不易使觸媒金屬之表面積相對於表觀上之面積之比充分大。
蝕刻後之利用置換鍍覆所獲得之觸媒金屬之析出量於蝕刻前後之利用置換鍍覆所獲得之觸媒金屬之合計析出量中所占之比率較佳為處於10至90質量%之範圍內,更佳為處於30至50質量%之範圍內。若使該比率過小,則不易產生足夠數量之凸部10R或凸部10R中之置換鍍覆不易充分進行,有可能不易使觸媒金屬之表面積相對於表觀上之面積之比充分大。若使該比率過大,則觸媒金屬粒子之間之間隙變少,則有可能不易使觸媒金屬之表面積相對於表觀上之面積之比充分大。
此處,雖記載了形成針狀之凸部10R之方法,但凸部10R亦可具有其他形狀。例如,凸部10R可分別具有平板形狀,互相相隔地於厚度方向上排列。
以下對試驗例進行說明。
<試驗例1> 試驗例1中,為了與後文中敍述之試驗例2進行比較,而藉由以下說明之方法於矽晶圓上形成觸媒層。
首先,準備一主面為(100)面之矽晶圓。
其次,於該矽晶圓之上述主面上形成具有開口部之遮罩層。遮罩層藉由使用光阻劑之光微影法而形成。
其次,將四氯金(III)酸鉀水溶液及氫氟酸加以混合而製備置換鍍覆液。該置換鍍覆液之四氯金(III)酸鉀濃度為0.003 mmol/L,氟化氫濃度為1 mol/L。
將該置換鍍覆液之溫度調節為20℃,將形成有遮罩層之矽晶圓於其中浸漬3分鐘。以如上方式,於矽晶圓上形成觸媒層。
<試驗例2> 試驗例2中,藉由參照圖1至圖4所說明之方法,於基材10上形成觸媒層80。
此處,使用與試驗例1相同之矽晶圓作為基材10。又,遮罩層90藉由與試驗例1相同之方法而形成。
用以形成層80a之置換鍍覆液係將四氯金(III)酸鉀水溶液及氫氟酸加以混合而製備。該置換鍍覆液之四氯金(III)酸鉀濃度為0.0005 mmol/L,氟化氫濃度為1 mol/L。層80a係藉由將該置換鍍覆液之溫度調節為20℃,並將形成有遮罩層90之基材10於其中浸漬90秒鐘而形成。
其次,將氫氟酸與過氧化氫加以混合而製備蝕刻劑。該蝕刻劑之氟化氫濃度為3.8 mol/L,過氧化氫濃度為0.5 mol/L。將該蝕刻劑之溫度調節為20℃,將形成有遮罩層90及層80a之基材10於其中浸漬75秒鐘而進行蝕刻。藉此,形成凸部10R。
其後,形成層80b。用以形成層80b之置換鍍覆液係將四氯金(III)酸鉀水溶液及氫氟酸加以混合而製備。該置換鍍覆液之四氯金(III)酸鉀濃度為0.003 mmol/L,氟化氫濃度為1 mol/L。層80b係藉由將該置換鍍覆液之溫度調節為20℃,並將形成有遮罩層90、層80a及凸部10R之基材10於該置換鍍覆液中浸漬3分鐘而形成。
<評價> 利用掃描電子顯微鏡對試驗例1及2中獲得之結構之剖面進行拍攝。
圖5及圖6分別為試驗例1及2中獲得之觸媒層之電子顯微鏡照片。於僅進行1次鍍覆處理之情形時獲得之觸媒層,即試驗例1中獲得之觸媒層中,如圖5所示,觸媒金屬粒子之縱橫之尺寸大致相等。另一方面,於依序進行鍍覆處理、蝕刻及鍍覆處理之情形時獲得之觸媒層,即試驗例2中獲得之觸媒層中,如圖6所示,位於觸媒層之上部之觸媒金屬粒子具有與試驗例1中獲得之觸媒層之觸媒金屬粒子之直徑大致相等之直徑或寬度。然而,試驗例2中獲得之觸媒層中,位於觸媒層之上部之觸媒金屬粒子具有於觸媒層之厚度方向上延伸之形狀。即,試驗例2中獲得之觸媒層與試驗例1中獲得之觸媒層相比,觸媒金屬之表面積相對於表觀上之面積之比大。
再者,本發明並不限定於上述實施方式本身,可於實施階段於不脫離其主旨之範圍改變構成要素而實現。又,可藉由上述實施方式中揭示之複數個構成要素之適當之組合而形成各種發明。例如亦可自實施方式中展示之全部構成要素刪除若干構成要素。進而,亦可將不同實施方式中之構成要素適當組合。
10:基材
10R:凸部
80:層
80a:層
80b:層
81a:觸媒金屬粒子
81b:觸媒金屬粒子
90:遮罩層
100:蝕刻劑
圖1係表示藉由實施方式之觸媒層之形成方法中之第1觸媒層形成步驟而獲得之結構之剖視圖。 圖2係表示實施方式之觸媒層之形成方法中之蝕刻步驟之剖視圖。 圖3係表示藉由圖2之步驟而獲得之結構之剖視圖。 圖4係表示藉由實施方式之觸媒層之形成方法中之第2觸媒層形成步驟而獲得之結構之剖視圖。 圖5係試驗例1中獲得之觸媒層之電子顯微鏡照片。 圖6係試驗例2中獲得之觸媒層之電子顯微鏡照片。
10:基材
10R:凸部
80a:層
81a:觸媒金屬粒子
90:遮罩層
Claims (8)
- 一種觸媒層之形成方法,其包括:對具有包含半導體之表面且上述表面具有複數個凸部之基材進行置換鍍覆,於上述複數個凸部之位置使觸媒金屬析出;且進而包括:對上述具有包含半導體之平坦之表面之基材進行置換鍍覆,以上述複數個觸媒金屬粒子間具有間隙之方式於上述平坦之表面上形成包含複數個觸媒金屬粒子之層;及藉由將上述複數個觸媒金屬粒子用作觸媒,並於上述複數個觸媒金屬粒子之位置對上述半導體進行蝕刻,而於上述間隙之位置形成上述複數個凸部。
- 如請求項1之觸媒層之形成方法,其中上述複數個凸部具有於與上述表面交叉之方向上延伸之針狀。
- 如請求項2之觸媒層之形成方法,其中上述觸媒金屬以於上述方向上延伸之粒子狀析出。
- 如請求項1之觸媒層之形成方法,其中上述複數個凸部之高度處於50至300nm之範圍內。
- 如請求項1之觸媒層之形成方法,其中上述複數個凸部相鄰者之平均中心間距離處於10至100nm之範圍內。
- 如請求項1之觸媒層之形成方法,其中與上述蝕刻之前形成之上述層中之觸媒金屬之量相比,使上述蝕刻之後析出之上述觸媒金屬之量更多。
- 如請求項1之觸媒層之形成方法,其中以20至200μg/cm2之範圍內之密度形成上述觸媒層。
- 如請求項1之觸媒層之形成方法,其中上述半導體包含矽,上述觸媒層包含選自由金、銀、鉑及鈀所組成之群中之1種以上。
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