Hardness and morphology analysis of electrolytically produced copper coatings

Abstract

The influence of various electrolysis parameters, such as selected operating current regime, the cathode material type, composition and mixing conditions of the electrolyte and electrodeposition time, on the structural-morphological characteristics of the copper coatings has been investigated. Morphology and structure of the coatings were analyzed by scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM). Characterization of mechanical performance, such as microhardness of the coating, was done using the Vickers microindentation test. The absolute hardness of Cu coatings was determined by application of the composite hardnes models, named the Chicot−Lesage (C−L). Based on this model, it is determined the critical relative indentation depth (RID)c of 0.14, independent of all examined parameters of the electrodeposition. Depending on the electrolyte type, two different Cu coatings were obtained: fine-grained microcrystalline coatings with a strong (220) preferred orientation from the basic sulfate electrolyte and smooth mirror bright nanocrystalline coatings with a strong (200) preferred orientation from the electrolyte with added leveling/brightening additives. The „softening effect“ of mirror bright coatings obtained in the presence of a combination of additives is explained by the grain boundary phenomenon. Two different substrates: monocrystalline silicon Si(111) and polycrystalline brass alloy, were selected for comparative analysis of composite hardness.

Istražen je uticaj različitih parametara elektrolize, kao što je izbor radnog režima struje, katodnog materijala, sastav i uslovi mešanja elektrolita i vreme taloženja, na strukturno-morfološke karakteristike bakarnih prevlaka. Analizirana je morfologija i struktura prevlaka pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa (SEM) i mikroskopa na principu atomskih sila (AFM). Karakterizacija mehaničkih performansi, kao što je mikrotvrdoća prevlaka, urađena je korišćenjem mikro utiskivača po Vikersovom testu. Apsolutna tvrdoća bakarnih prevlaka je određena primenom modela kompozitne tvrdoće, pod nazivom Šiko−Lezaž (Š−L). Na osnovu ovog modela određena je kritična relativna dubina utiskivanja (RDU) od 0,14 koja je bila nezavisna od svih ispitivanih parametara elektrohemijskog taloženja. U zavisnosti od tipa elektrolita, dobijene su dve različite prevlake bakra: sitnozrna mikrokristalna prevlaka bakra iz osnovnog sulfatnog elektrolita sa izraženom (220) preferencijalnom orijentacijom i glatka ogledalasto sjajna nanokristalna prevlaka bakra sa izraženom (200) preferencijalnom orijentacijom iz elektrolita sa dodatkom aditiva za poravnanje/sjaj. „Efekat omekšavanja” ogledalasto sjajnih prevlaka dobijenih u prisustvu kombinacije aditiva je objašnjen preko fenomena uticaja granice zrna. Za uporednu analizu tvrdoće kompozita odabrana su dva različita supstrata: monokristalni silicijum Si(111) i polikristalna legura mesinga.