Microstructure formation in electrochemically deposited Copper thin films

The influence of the electrochemical potential and deposition mode on the preferred orientation, morphology and microstructure of crystallites in electrochemically deposited (ECD) copper thin films was investigated using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and the diffraction of back-scattered electrons (EBSD). As a working electrode for the ECD process, thin gold layers were employed that were deposited on floating-glass substrates in a vacuum evaporation process. With increasing negative electrochemical potential in the ECD process, the deposition mode changed from the charge transfer controlled one to the diffusion controlled one. At the highest electrochemical potentials, the copper deposition and the hydrogen release were running concurrently. The change of the deposition mode was accompanied by a change of the surface roughness of the thin films and by a change of the direction and degree of the preferred orientation of crystallites. The surface roughness of the deposited copper thin films increased with increasing electrochemical potential. Compact plate-like crystallites with the preferred orientation {111} grew in the transport controlled deposition mode. Development of the {111} texture was supported by the {111} preferred orientation of the gold layers and by surface energy of copper, which is the lowest in the (111) plane. The diffusion controlled deposition mode was characterized by the growth of globular {110}-oriented crystallites. The {110} texture resulted from the minimization of the anisotropic strain energy of copper via reduction of the structure defects in this deposition modus. For highest electrochemical potentials, the copper deposition run simultaneously with the development of hydrogen that resulted in growth of needle-like crystallites with the {100} texture.

Der Einfluss des elektrochemischen Potentials und des Abscheidemodus auf die Morphologie, Vorzugsorientierung, und die Art und Dichte der Strukturdefekte in dünnen elektrochemisch abgeschiedenen Kupferschichten wurde untersucht mit den Verfahren der Röntgenbeugung (XRD), der Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und der Beugung mit Rückstreuelektronen (EBSD). Als Substrat für die Kupferschichten diente mit Gold bedampftes Glas. Mit wachsendem negativem elektrochemischem Potential wechselt die Abscheidung von durchtrittskontrolliert zu diffusionskontrolliert. Beim höchsten elektrochemischen Potential beobachtet man eine simultane Reaktion der Kupferabscheidung und der Wasserstoffentwicklung. Der Wechsel des Abscheidemodus ist verbunden mit einer Änderung der Oberflächenrauhigkeit der dünnen Schichten, mit einer Änderung der Vorzugsrichtung und des Grades der Vorzugsorientierung der Kristallite. Die Oberflächenrauhigkeit der abgeschiedenen Kupferschichten wächst mit steigendem elektrochemischem Potential. Im transportkontrollierten Modus findet man plättchenartige Kristallite mit einer {111} Textur. Diese resultiert aus der {111} Vorzugsorientierung des Goldes und der Tatsache, dass der Betrag der Oberflächenenergie für Kupfer in der {111} Ebene am niedrigsten ist. Der diffusionskontrollierte Bereich ist gekennzeichnet durch ein Wachstum globularer Kristallite mit {110} Textur. Die {110} Textur hängt hauptsächlich mit einer Anisotropie der Verzerrungsenergie zusammen, die bei dieser Vorzugsorientierung der Kristallite am stärksten durch das Ausheilen der Strukturdefekte abgebaut wird. Die simultane Reaktion der Kupferabscheidung und der Wasserstoffentwicklung führt zu einem Wachstum nadelförmiger Kristallite mit einer {100} Textur.