薄膜银/银氯化银电极的制造，具有精细控制的单层氯化银

Summary

本文旨在提出一种在薄膜银电极上具有指定覆盖的光滑、控制良好的氯化银薄膜（AgCl）的方法。

Abstract

本文旨在提出一种协议，在薄膜银电极上指定覆盖，形成光滑、可控的氯化银薄膜（Ag/AgCl）。薄膜银电极大小为 80 μm x 80 μm，160 μm x 160 μm 溅射在石英晶圆上，镀铬/金（Cr/Au）层用于粘附。经过钝化、抛光和阴极清洗过程，电极在考虑法拉第的电解定律后进行了电静氧化，形成AgCl的平滑层，在银电极上具有指定程度的覆盖。通过检查制造Ag/AgCl薄膜电极表面的扫描电子显微镜（SEM）图像来验证该协议，从而突出了协议的功能和性能。非最佳制造的电极也是为了进行比较。该协议可广泛用于制造具有特定阻抗要求的Ag/AgCl电极（例如，探测阻抗传感应用的电极，如阻抗流细胞仪和数字间电极阵列）。

Introduction

Ag/AgCl电极是电化学领域使用最多的电极之一。它最常用作为电化学系统中的参考电极，因为它易于制造，无毒特性和稳定电极电位^{1，2，3，4，5，6。2,3,4,5,61}

研究人员试图了解Ag/AgCl电极的机理。电极上的氯化盐层是含有电解质的氯化物中Ag/AgCl电极特性氧化还原反应的基本材料。对于氧化路径，电极表面的不完美位点上的银与溶液中的氯化离子结合，形成可溶性AgCl复合物，在复合物中扩散到沉积在电极表面的AgCl边缘，以AgCl的形式进行沉淀。还原路径涉及使用电极上的 AgCl 形成可溶性 AgCl 复合物。复合体扩散到银表面，并减少回元素银^7,7，8。

AgCl层的形态学对Ag/AgCl电极的物理属性有着关键的影响。各种工作表明，大表面积是形成参考Ag/AgCl电极的关键，具有高可重复性和稳定的电极电位^9,9、10、11、12。^10,11,12因此，研究人员研究了创建具有较大表面积的Ag/AgCl电极的方法。Brewer等人发现，使用恒定电压代替恒定电流来制造Ag/AgCl电极将导致高度多孔的AgCl结构，增加^{AgCl层11的表面面积}。Safari等人利用AgCl形成过程中在银电极表面的量传输限制效应，在银电极表面形成AgCl纳米板，显著增加AgCl层^{表面积12。}

为传感应用设计AgCl电极的趋势正在兴起。低接触阻抗对于感应电极至关重要。因此，了解AgCl的表面涂层如何影响其阻抗特性非常重要。我们先前的研究表明，在银电极上的AgCl覆盖程度对电极/电解质接口¹³的阻抗特性有重要影响。但是，要正确估计薄膜 Ag/AgCl 电极的接触阻抗，形成的 AgCl 层必须平滑且具有良好的覆盖范围。因此，需要一种具有指定 AgCl 覆盖程度的平滑 AgCl 层的方法。已为部分满足这一需要而做了努力。Brewer等人和Pargar等人讨论了一个平滑的AgCl可以实现使用温和的恒定电流，制造AgCl层顶部的银电极^{11，14。11,}卡坦等人在他们的银样品上形成了一层AgCl，并观察了单个AgCl粒子^8的大小。他们的研究发现，一层AgCl的厚度在350纳米左右。这项工作的目的是开发一个协议，形成精细和控制良好的AgCl薄膜与预测的阻抗性能在银电极的顶部。

Protocol

1. 使用升降制造 Cr/Au 粘附层 旋转涂层 HPR504 正光处理器厚度为 1.2 μm，使用 1，000 rpm 的扩散速度为 5 秒，旋转速度为 4，000 rpm，为 30 s。 在 110°C 下将石英晶圆上的光敏材料软烤5分钟。 使用掩膜对齐器，公开晶圆，使 Cr/Au 沉积的位置暴露在紫外线 （UV） 光下。曝光功率密度和时间分别是 16 mW/cm2 和7.5 s（曝光能量密度 = 120 mJ/cm2）。 通过将晶圆淹没?…

Representative Results

图 1显示了一个 80 μm x 80 μm Ag/AgCl 电极，其设计 AgCl 覆盖范围为 50%。，该电极按照本协议制造。通过观察，AgCl 贴片的面积约为 68 μm x 52 μm，相当于 AgCl 覆盖率的 55% 左右。这表明，该协议可以精细地控制薄膜Ag电极上的AgCl覆盖量。制造出的AgCl层也非常光滑，从相邻的AgCl粒子的聚集就可见一下。此外，AgCl 层只是单个层，没有堆叠的 AgCl 粒子和独特…

Discussion

Ag/AgCl 电极的物理特性由沉积在电极上的 AgCl 的形态和结构控制。本文提出了一个精确控制银电极表面单层AgCl覆盖的协议。协议的一个组成部分是法拉第电解定律的修改形式，用于控制薄膜银电极上的AgCl度。它可以写成：

其中 X 是单个 AgCl 层的厚度（厘米（350 nm = 3.5 x 10^-5厘米）;P% 是 Ag 电极表面 Ag…

Materials

AST Peva-600EI E-Beam Evaporation System	Advanced System Technology		For Cr/Au Deposition
AZ 5214 E Photoresist	MicroChemicals		Photoresist for pad opening
AZ P4620 Photoresist	AZ Electronic Materials		Photoresist for Ag liftoff
Branson/IPC 3000 Plasma Asher	Branson/IPC		Ashing
Branson 5510R-MT Ultrasonic Cleaner	Branson Ultrasonics		Liftoff
CHI660D	CH Instruments, Inc		Electrochemical Analyser
Denton Explorer 14 RF/DC Sputter	Denton Vacuum		For Ag Sputtering
FHD-5	Fujifilm	800768	Photoresist Development
HPR 504 Photoresist	OCG Microelectronic Materials NV		Photoresist for Cr/Au liftoff
Hydrochloric acid fuming 37%	VMR	20252.420	Making diluted HCl for cathodic cleaning
J.A. Woollam M-2000VI Spectroscopic Elipsometer	J.A. Woollam		Measurement of silicon dioxide passivation layer thickness on dummy
Multiplex CVD	Surface Technology Systems		Silicon dioxide passivation
Oxford RIE Etcher	Oxford Instruments		For Pad opening
Potassium Chloride	Sigma-Aldrich	7447-40-7	Making KCl solutions
SOLITEC 5110-C/PD Manual Single-Head Coater	Solitec Wafer Processing, Inc.		For spincoating of photoresist
SUSS MA6	SUSS MicroTec		Mask Aligner
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit	Dow Corning		Adhesive for container on chip