Bulk-Kupferabscheidung auf Gold Studium in einem EG-AFM Anwendung mit dem FlexAFM von Nanosurf

Behandelte Themen

Hintergrund
Zusammenfassung
Einführung
Versuchsaufbau
Experimentelle Verfahren
Ergebnisse
Abschluss
Danksagung

Hintergrund

Nanosurf ist ein führender Anbieter von easy-to-use Rasterkraftmikroskopen (AFM) und Rastertunnelmikroskope (STM). Unsere Produkte und Dienstleistungen werden von Fachleuten weltweit zu helfen, sie zu messen, analysieren und präsentieren Sie 3D-Oberfläche Informationen vertraut. Unsere Mikroskope zeichnen sich durch ihre kompakte und elegante Design, ihre einfache Handhabung und ihre absolute Zuverlässigkeit.

Zusammenfassung

Dieser Bericht effektiv demonstriert die Fähigkeit des FlexAFM zu morphologischen Veränderungen während der galvanischen Abscheidung von Material auf einer Elektrodenoberfläche zu überwachen. In der hier gezeigten Daten wurde Kupfer auf einer Flamme geglüht Goldoberfläche aufgebracht. Die Abscheidung konnte gezeigt werden, vollständig reversibel: Bei niedrigen Potentialen Kupfer abgeschieden wurde, und bei höheren Potentialen war es wieder aufgelöst. Deposition und die Auflösung erfolgte sehr schnell, innerhalb eines AFM Scan-Linie.

Einführung

Die Interaktion von Objekten mit ihrer Umgebung ist weitgehend über seine Oberfläche übertragen. Durch Aufbringen einer Beschichtung kann die Oberfläche Eigenschaften angepasst werden, um das Objekt gegen Verschleiß Mechanismen wie Abrieb oder Korrosion zu schützen. Abrieb kann durch die Verwendung einer harten Beschichtung, die eine hohe Normal-oder Scherkräfte oder durch eine Beschichtung mit Schmiereigenschaften widerstehen kann reduziert werden. Korrosion kann durch Abdeckung einer empfänglichen Metall mit widerstandsfähiger ein, z. B. Nickel reduziert werden. Darüber hinaus können solche Beschichtungen auch aus kosmetischen Gründen angewandt werden, zB um das Aussehen der Oberfläche zu ändern. Eine Möglichkeit zur Beschichtung eines Objekts mit einer leitfähigen Beschichtung ist in der Regel aus einem Metall, Galvanik, in denen Kationen aus einer Lösung, die auf sie sind an einem geeigneten Potential galvanisch abgeschieden. Bei der gewählten Potential, sind Kationen von einem gewünschten Material aus der Lösung und Ablagerung auf das Objekt als eine dünne Schicht reduziert. Neben anderen Faktoren, wird die Qualität der Metallisierung vor allem auf dem Substrat Morphologie und die Kinetik der Abscheidung ab.

Die Cu-Damascene galvanischen insbesondere ist ein wichtiger Fertigungsprozess, der derzeit in state-of-the-art verwendet, verbindet mehrstufigen Cu-Metallisierung von mikroelektronischen, die von Transistor Platine Längenskala. Diese stark technologie-getriebene Anwendung dient als ein wichtiger Motivator für angewandte und grundlegende mechanistische Studien, dass die Weiterentwicklung und Optimierung der Cu galvanischen Prozess voranzutreiben kann.

Mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) Oberflächenmorphologie kann auf der Nanometerskala untersucht werden. Die AFM ist nicht auf Oberflächen im Vakuum oder in der Luft beschränkt, sondern kann auch verwendet werden, um den Flüssigkeits-Feststoff-Schnittstelle zu studieren. Nachdem die Oberfläche verdrahtet und eingebaut in eine elektrochemische Zelle, erlaubt elektrochemischen Reaktionen an der Grenzfläche zum provoziert und funktionell durch den Stromfluss durch die Schnittstelle an. Mit dem AFM können Veränderungen in der Oberflächenmorphologie unter diesen elektrochemisch relevanten Bedingungen gleichzeitig untersucht werden.

Hier präsentieren wir die reversible galvanische oder Beschichtung, einer Gold-Oberfläche mit Kupfer aus einer Lösung mit 1 mM Kupfersulfat und 100 mM Schwefelsäure des Elektrolyten Leitfähigkeit zu erhöhen. Deposition und Auflösung von Kupfer konnte leicht durch Cyclovoltammetrie verfolgt werden. Die Kupfer-induzierte morphologische Veränderungen an der Goldoberfläche könnten gleichzeitig, indem Sie AFM-Messungen in der flüssigen Elektrolyten während Voltammetrie mit der Nanosurf FlexAFM aufgezeichnet werden und dient dazu, zu bestätigen und besser zu verstehen, den elektrochemischen Prozess.

Versuchsaufbau

Eine leitende Probe bildet den Boden der elektrochemischen Zelle (siehe Abbildung 1). Ein Kel-F-Zelle wurde auf der Oberseite der Probe montiert und nach unten gedrückt durch eine Metallplatte. Zur Vermeidung von Leckagen, ein 20 mm ¡Á 2 mm O-Ring aus Kalrez 4079 gemacht anwesend war zwischen der Probe und dem Kel-F-Zelle. Potentiale wurden eingestellt und Ströme gemessen mit einem selbst gebauten Potentiostaten. Das Substrat wurde mit der Arbeitselektrode des Potentiostaten (rotes Kabel, Mitte rechts) über eine Klammer außerhalb der Flüssigkeitsbehälter verbunden. Die quasireference und Gegenelektrode (Kabel blau und schwarz, jeweils) geben Sie die Flüssigkeit über den Rand des Reservoirs. Die Referenz-Elektroden wurde ein Kupferdraht. Die Gegenelektrode bestand aus Platin. Der Elektrolyt enthielt 1 mM CuSO ₄ und 100 mM H ₂ SO _4. Alle Versuche wurden mit einer hochauflösenden durchgeführt FlexAFM Scan-Kopf mit einem Cantilever-Halter SA für einfache Messungen in flüssigen Umgebungen wie dem verwendeten Elektrolyten hier ausgestattet. Beste Bildqualität wurde in Dynamic-Modus erhalten (mit Phasenkontrast Datenerfassung aktiviert) unter Verwendung von PPP-NCLAuD Ausleger von Nanosensoren.

Abbildung 1: Experimenteller Aufbau. (Top) Übersicht zeigt die elektrochemische Zelle auf einem FlexAFM Probentisch mit Environmental Control Kammer Mikrometer Translation Bühne und isoStage ausgestattet. Die FlexAFm Scan-Kopf wird gezeigt auf der Seite liegend, ausgestattet mit einem Cantilever-Halter SA für Messungen in Flüssigkeiten. (Bottom) Close-up der elektrochemischen Zelle und die Verdrahtung verwendet werden, um die Elektroden und Goldoberfläche zu verbinden.

Experimentelle Verfahren

Die Probe in diesen Experimenten verwendet wurde, bestand aus einer 20 mm ¡Á 20 mm Glas-Wafer mit Gold auf der Oberfläche verdampft. Das Gold wurde Flamme geglüht und nach unten unter einem Strom von trockenem Stickstoff gekühlt. Nach dem Abkühlen wurde die Probe schnell in die elektrochemische Zelle und Elektrolyt montiert wurde hinzugefügt. Die bevorzugte Orientierung der Gold-Film war (111), wie aus der Cyclovoltammogramme abgeschlossen. Kupferabscheidung und Auflösung erfolgte wie oben beschrieben durchgeführt. Das potentielle Ausmaß auf alle Cyclovoltammogramme wurde das Gleichgewichtspotential der Kupferabscheidung / Auflösung im Elektrolyten auf Null gesetzt.

Ergebnisse

Der obere Graph in Abbildung 2 zeigt die schrittweise Abscheidung und Auflösung einer Kupfer-Monoschicht auf Au (111) (Unterpotentialabscheidung, UPD, siehe Lit. 6).. Die beiden Paare von Stromspitzen P1/P1 'und P2 / P2' getrennten drei charakteristischen Potential Regionen. Region I entspricht dem ungeordneten Adsorption von Kupfer-und Sulfat-Ionen auf den Gold-Oberflächen. Beim Wechsel des Elektrodenpotentials Vergangenheit P1, der sogenannten (¡i3 ¡Â ¡i3) Waben-Typ Adschicht (Region II) gebildet, bestehend aus 2 / 3 Kupferion Abdeckung und 1 / 3 Sulfationen Abdeckung. Bei negativeren Potentialen als P2 (Region III), eine vollständige Monoschicht von Kupfer gebildet wird. Diese Prozesse sind reversibel auf positives Potential Ausflug. Bei Potentialen negativer als 0,0 V vs Cu / Cu ^{2 +} (reversible Nernst-Potential) Bulk-oder Überspannung Deposition (OPD) von Kupfer auf die vorab hinterlegten Monoschicht erfolgt in der Region IV nach einem Stranski-Krastanov Wachstum Mechanismus.

Aus den Kurven in der unteren Grafik der Abbildung 2 ist ersichtlich, dass die Höhe der Großteil Kupfer erhöht hinterlegt, wenn der Wendepunkt (untere linke Teil des Voltammogramme) zu negativeren Werten verändert werden. Die Größen der beiden negativen Abscheidung und die positive Auflösung Strömungen deutlich zu erhöhen. Die Menge des Materials können aus der integrierten Strom gegen die Zeit geschätzt werden, wenn andere elektrochemische Prozesse vernachlässigt werden.

Abbildung 2: Cyclovoltammogramme. Kupferabscheidung (negative Peaks) und Auflösung (positive Peaks) auf Au (111) in 0,1 MH ₂ SO ₄ + 1 mM CuSO _4, Sweep-Rate 0,05 V ¡¤ s ^-1. (Top) Unterpotentialabscheidung und Auflösung. (Bottom) Überspannung (bulk) Depositions-und die Auflösung in Abhängigkeit von der Wendepunkt auf negativem Potential.

Abbildung 3 zeigt AFM-Aufnahmen von der Au-Oberfläche vor der Ablagerung (oben) erfasst, während der Abscheidung (Mitte) und während der Auflösung (unten) von Kupfer. Die Abscheidung kann aus der Veränderung der Topographie (links), Phase (rechts) und Strom durch die Arbeitselektrode (Goldoberfläche) bestätigt werden.

Abbildung 3: AFM-Aufnahmen von bulk deposition und Auflösung. Topographie (links) und Phase (rechts) von der bloßen Goldsubstrat (oben), das Substrat während der Abscheidung (Mitte) und während der Auflösung (unten). Topographie ist als abgeleitete Daten und Phase als Rohdaten angezeigt. Die Bilder sind 800 nm groß und identisch zum Vergleich skaliert.

Für die oben Bild des nackten Gold, wurde die Oberfläche auf einem positiven Potential, in denen keine Cu bulk deposition tritt gehalten. Während der Aufnahme des mittleren Bilder, war die Spannung wieder eingeschaltet, um Werte E <0,0 V vs Cu / Cu ^{2 +.} Die Bilder wurden während der Großteil Abscheidung aufgezeichnet. Sobald die 3D-Phase wurde nukleiert, könnte das Wachstum bis Potenziale in der Nähe von 0,0 V vs Cu / Cu ^{2 +} zu beobachten. Die Auflösung der Cu-Cluster startete E> 0,0 V. Die Auflösung steigt mit zunehmendem Potenzial.

Beide Abscheidung und Auflösung entstehen in einem sehr engen Zeitrahmen. Von der Gold-Oberflächen sichtbar in allen Bildern ist zu sehen, dass alle Bilder auf der gleichen Fläche wurden aufgezeichnet werden. Alle Bilder haben eine Dimension von 800 nm ¡Á 800 nm und wurden gleich in Z skaliert (Morphologie: abgeleitete Daten mit Sobel-Filter, Mitte-skaliert zwischen ° C20 und +20; Phase: Rohdaten skaliert, um eine 20 Grad liegen mit identischer Offset ).

Abschluss

Das hier beschriebene Experiment zeigt, dass elektrochemische Prozesse elegant in situ durch EC-AFM überwacht werden. Zu diesem Zweck den FlexAFM wurde mit einem Potentiostat und einem speziellen Probenhalter, geeignet für elektrochemische Experimente ausgestattet. Die Kupfer-Abscheidung kann über die Spannung durch den Potentiostaten angelegt und über den Strom durch die Goldsubstrat überwacht gesteuert werden. Die morphologischen Veränderungen könnten während der Abscheidung und Auflösung von Kupfer aufgezeichnet werden. Das Experiment dient als Proof of Concept zu Metallabscheidung, Korrosion oder andere elektrochemische Phänomene im Nanobereich mit EC-AFM-Studie.

Danksagung

Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Ilya Pobelov, Artem Mishchenko und Thomas Wandlowski (Department of Chemistry and Biochemistry, University of Bern, Schweiz) und Gabor Meszaros und Tamas Pajkossy (Institute of Materials and Environmental Chemistry, Chemical Research Centre, Ungarische Akademie der Wissenschaften durchgeführt , Budapest, Ungarn).

Quelle: Nanosurf

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