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Mechanische Spektroskopie an dünnen Kupferschichten
(2001) Hagen, Joachim von der; Arzt, Eduard (Prof. Dr. phil.)
In dieser Arbeit wurden erstmalig dünne Kupferschichten, die für die Mikroelektronik von zunehmendem technologischen Interesse sind, systematisch mit Hilfe der mechanischen Spektroskopie untersucht. Dabei handelt es sich um eine empfindliche und zerstörungsfreie Messmethode, mit der man Informationen über Defektstrukturen in der Schicht und in der Substrat/Schicht-Grenzfläche erhalten kann. Darüber hinaus wurden die spektroskopischen Ergebnisse ebenfalls erstmalig vor dem Hintergrund der thermomechanischen Eigenschaften dünner Schichten diskutiert. Die Voraussetzung hierfür wurde durch eine apparative Neuentwicklung geschaffen. Bei den untersuchten Systemen handelte es sich um Kupferschichten auf den Trägermaterialien Silizium und Saphir. Die Messungen beruhen auf der Dämpfung von Eigenschwingungen zwischen 20 bis 530°C. Daneben wird die Eigenfrequenz gemessen, aus der man prinzipiell Rückschlüsse auf den E-Modul von Schicht und Substrat, bzw. auf die Haftung ziehen kann. Es wurden vor allem passivierte und unpassivierte Kupferschichten zwischen 1 und 4 µm auf Siliziumsubstraten untersucht. Kupferschichten auf Silizium-Substraten zeigen ein breites, bei Temperaturzyklen stabiles, Dämpfungsmaximum zwischen 280 und 380°C. Mit zunehmender Schichtdicke wächst dessen Intensität, während sich seine Position zu höheren Temperaturen verschiebt. Auf Grund seiner Aktivierungsenthalpie kann dieses Maximum auf Versetzungsbewegungen zurückgeführt werden. Man nimmt an, dass die Versetzungen thermisch aktivierte, lokale Bewegungen um ihre Gleichgewichtslage ausführen, während sie an ihren Enden fest verankert sind. Als Verankerungspunkte sind vor allem die Grenz-, bzw. die Oberfläche, sowie weitere Versetzungen anzusehen. Die Relaxationsparameter der Dämpfungsmaxima zeigen, dass Einengungseffekte die Mobilität der beweglichen Versetzungssegmente maßgeblich bestimmen, wie es im Zusammenhang mit den hohen inneren Spannungen in dünnen Schichten diskutiert wird.