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Einfluss des Komplexbildners Pyrophosphat auf die Abscheiderate eines elektrochemischen Zinnabscheideprozesses

Tuna, Kadir

FG Anorganische Chemie - Festkörper- und Materialchemie

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der elektrochemischen Zinnabscheidung und liefert ein Konzept für den Abscheidemechanismus aus pyrophosphathaltigen Bädern. Zinnbäder basierend auf dem Komplexbildner Pyrophosphat (PP) zeigten während der Beschichtung einen starken Abfall der Abscheiderate. Untersuchungen im Elektrolyten mit der Quarzmikrowaage belegten, dass Badparameter wie pH-Wert, PP Konzentration, Abscheidespannung oder Strömung einen signifikanten Einfluss auf den Abfall der Rate haben. Mit Hilfe von zeitaufgelösten, elektrochemischen Impedanzmessungen konnte für die Zinnabscheidung eine Korrelation zwischen abfallender Abscheiderate und zunehmenden Wechselstromwiderstand |Z| an der Grenzfläche Metall/Elektrolyt identifiziert werden. Die Impedanz |Z| zeigte Abhängigkeiten von pH-Wert, PP Konzentration, Abscheidespannung und Strömung. Es wurden verschiedene Modelle erstellt die den Widerstand als Adsorbatschicht und dessen stofflichen Aufbau an der Grenzfläche beschreiben. Hierbei wurde deutlich, dass die Wechselwirkungen zwischen den Pyrophosphat- und H2O Lösungsmittelmolekülen wesentlich für die Entstehung der Adsorbatschicht verantwortlich sind und somit einen signifikanten Einfluss auf den Wechselstromwiederstand haben. Anhand der erstellten Modelle, wurde durch eine gezielte Auswahl von Additiven gezeigt, dass insbesondere schwefelhaltige Verbindungen die Fähigkeit besitzen mit dem PP – H2O Netzwerk in Wechselwirkung zu treten und eine konstante Zinnabscheiderate zu ermöglichen. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass schwefelhaltige Verbindungen an der Zinnelektrode chemisorbieren, die Bildung des PP-H2O Netzwerks stören und den Wechselstromwiderstand senken. EDX Analysen der abgeschiedenen Zinnoberfläche stützten die These der Chemisorption der Schwefelverbindungen. Die gewonnen Erkenntnisse konnten zusätzlich erfolgreich auf die Entwicklung eines neuartigen reduktiven Zinnabscheidebades angewendet werden.
In the present work, the drop in deposition rate during electrochemical deposition of tin from an aqueous pyrophosphate (PP) solution was investigated using a quartz microbalance and electrochemical impedance spectroscopy. Deposition studies with the electrochemical quartz microbalance revealed that bath parameters as pH value, PP concentration, deposition potential and flow rate had a significant effect on the drop in deposition rate. For the tin deposition, electrochemical impedance measurements identified a correlation between the drop of the deposition rate and an increasing impedance |Z| at the interface metal/solution. The resistance |Z| could be effected by bath parameter for e.g. pH value, PP concentration, deposition potential and flow rate. Impedance data yielded different models of an adsorbed layer on the tin surface and its substantial structure. Measurements revealed strong interaction of pyrophosphate and H2O molecules, which led to an increasing impedance. Based on the models that were developed and by applying a tailored selection of additives it could be shown, that in particular sulfur-containing components are able to interact with the PP-H2O network which allows to achieve a constant tin plating rate. It is assumed, that the sulfur-containing components are chemisorbed on the tin electrode, inhibit the formation of the PP-H2O network and with that reduce the resistance. EDX analysis of the tin deposit supports the assumption of chemisorption of the S-components. The findings which were gathered in this study could be successfully applied for the development of a new, reductive type of tin electrolyte.