Simulation d’un procédé d’électrodépôt de métal avec COMSOL Multiphysics®

Mots-clés

électrodépôt, électrochimie, cathode, anode, dépôt cathodique, cellule électrochimique, maillage mobile, uniformité, croissance, métal.
 

Contexte / Objectif

L’électrodépôt est un procédé électrochimique par lequel une couche de métal est déposée sur un substrat. Les applications peuvent être diverses, du simple revêtement esthétique au matériau fonctionnel, par exemple pour des circuits électriques. La cellule électrochimique comprend une cathode (le substrat), une anode constituée du métal à déposer et la solution électrolytique contenant les ions du métal. Par l’application d’un courant, le métal de l’anode s’oxyde sous forme d’ions dans l’électrolyte, qui migrent vers la cathode où ils sont réduits à nouveau sous forme métallique pour former le revêtement (voir figure ci-dessous). L’objectif est d’obtenir un dépôt dont l’épaisseur est la plus homogène possible.

Schéma de principe d’un procédé d’électrodépot d’un métal M.

Dans ce cas d’étude, on simule un procédé de croissance, via COMSOL Multiphysics®, d’une couche de cuivre obtenue par électrodépôt sur un microcircuit électrique constitué de créneaux réguliers. L’objectif principal est de caractériser le profil d’épaisseur du cuivre en fonction du courant appliqué à la cellule.

 

Réalisations de SIMTEC / Résultats

Le modèle développé est un modèle électrique en courant tertiaire. Il prend en compte :

  • Les chutes ohmiques dans l’électrolyte,
  • Les cinétiques de réaction de dépôt et de dissolution du cuivre,
  • L’effet de la concentration électrolytique en ions Cu2+ sur les cinétiques de réaction
  • L’augmentation de l’épaisseur de dépôt du cuivre à la cathode et la réduction de celle de l’anode due à sa dissolution, par utilisation de la technique du maillage mobile.

Les grandeurs calculées sont les suivantes :

  • Potentiel électrique et densité de courants dans le système
  • Concentration en Cu2+ dans l’électrolyte au cours du processus.

Le processus est modélisé pour deux courants de sollicitation différents, 0.15 et 0.8 A/cm² en moyenne à l’anode.

 

Les conséquences d’un fort courant sont les suivantes :

  • Présence d’importants effets de bord au sommet des créneaux, associé à de fortes densités de courant.
  • Croissance hétérogène du cuivre avec obturation précoce des plots, conséquence des effets de bords. A l’opposé, avec un courant faible, le cuivre croît avec une épaisseur beaucoup plus uniforme.
  • Déplétion plus importante des ions cuivriques dans les trous du fait de l’augmentation de la vitesse de dépôt et donc de la consommation des espèces Cu2+.
Faible courant Fort courant