The interplay of experiments and theory is essential to deepen our understanding of magnetization dynamics. This thesis aims to serve as a bridge between these two aspects by establishing a mathematical framework that enables the computation of optical observable quantities based on theoretical models. The equations are cast in a matrix representation that is well-suited for performing numerical simulations. Additionally, the generality of these methods enables their application to layered media with any geometry, regardless of whether they possess magnetic properties or not. Furthermore, it explores the various perspectives and physical mechanisms involved in magneto-optic measurements to provide the reader with a self consistent introduction to the subject matter. Numerical calculations are presented for bulk Fe, alternating layers of Fe/Au and Ni with a MgO coating and a SiO substrate for different energies, angle of incident and magnetization direction. The results demonstrate the effectiveness of the method in predicting measurable outcomes from theoretical considerations and enables the analysis of optimal experimental configurations. / Samverkan mellan experiment och teori är avgörande för fördjupa vår förståelse av magnetiska system och deras dynamik. Målet med denna uppsats är att etablera en koppling mellan dessa två aspekter genom att formulera ett matematiskt ramverk som möjliggör beräkningar av optiska observerbara storheter baserat på teoretiska modeller. Ekvationerna formuleras med matriser vilket är väl lämpat för att utföra numeriska simuleringar. Dessutom möjliggör metodens generella natur tillämpning på skiktade material av godtycklig geometri, oavsett om de har magnetiska egenskaper eller inte. Vidare utforskar uppsatsen olika perspektiv och fysikaliska mekanismer som är involverade i magneto-optiska mätningar för att ge läsaren en självständig introduktion till ämnet. Numeriska beräkningar presenteras för bulkjärn, växlande lager av Fe/Au och Ni med en MgO-beläggning och ett SiO-substrat för olika energier, infallsvinkel och magnetiseringsriktning. Resultaten visar på metodens förmåga att förutsäga mätbara resultat baserat på teoretiska överväganden och tillåter analys av optimala experimentella uppställningar.

Copper films with a thickness in the nanometer range are required as seed layers for the electrochemical Cu deposition to form multilevel interconnects in ultralarge-scale integrated (ULSI) electronic devices. Continuously shrinking device dimensions and increasing aspect ratios of the dual-damascene structures in the copper-based metallization schemes put ever more stringent requirements on the films with respect to their conformality in nanostructures and thickness homogeneity across large wafers. Due to its intrinsic self-limiting film growth characteristic, atomic layer deposition (ALD) appears appropriate for homogeneously coating complex substrates and to replace conventional physical vapor deposition (PVD) methods beyond the 32 nm technology node. To overcome issues of direct Cu ALD, such as film agglomeration at higher temperatures or reduced step coverage in plasma-based processes, an ALD copper oxide film may be grown under mild processing conditions, while a subsequent reduction step converts it to metallic copper. In this poster, which was presented at the AVS 9th International Conference on Atomic Layer Deposition (ALD 2009), held in Monterey, California from 19 to 22 July 2009, we report detailed film growth studies of ALD copper oxide in the self-limiting regime on SiO2, TaN and Ru. Applications in subsequent electrochemical deposition processes are discussed, comparing Cu plating results on as-deposited PVD Ru as well as with PVD and reduced ALD Cu seed layer.

Copper films with a thickness in the nanometer range are required as seed layers for the electrochemical Cu deposition to form multilevel interconnects in ultralarge-scale integrated (ULSI) electronic devices. Continuously shrinking device dimensions and increasing aspect ratios of the dual-damascene structures in the copper-based metallization schemes put ever more stringent requirements on the films with respect to their conformality in nanostructures and thickness homogeneity across large wafers. Due to its intrinsic self-limiting film growth characteristic, atomic layer deposition (ALD) appears appropriate for homogeneously coating complex substrates and to replace conventional physical vapor deposition (PVD) methods beyond the 32 nm technology node. To overcome issues of direct Cu ALD, such as film agglomeration at higher temperatures or reduced step coverage in plasma-based processes, an ALD copper oxide film may be grown under mild processing conditions, while a subsequent reduction step converts it to metallic copper. In this poster, which was presented at the AVS 9th International Conference on Atomic Layer Deposition (ALD 2009), held in Monterey, California from 19 to 22 July 2009, we report detailed film growth studies of ALD copper oxide in the self-limiting regime on SiO2, TaN and Ru. Applications in subsequent electrochemical deposition processes are discussed, comparing Cu plating results on as-deposited PVD Ru as well as with PVD and reduced ALD Cu seed layer.

An optical surface roughness model is presented, which allows a reliable determination of the dielectric function of thin films with high surface roughnesses of more than 10 nm peak to valley distance by means of spectroscopic ellipsometry. Starting from histogram evaluation of atomic force microscopy (AFM) topography measurements a specific roughness layer (RL) model was developed for an organic thin film grown in vacuum which is well suited as an example. Theoretical description based on counting statistics allows generalizing the RL model developed to be used for all non-conducting materials. Finally, a direct input of root mean square (RMS) values found by AFM measurements into the proposed model is presented, which is important for complex ellipsometric evaluation models where a reduction of the amount of unknown parameters can be crucial. Exemplarily, the evaluation of a N,N’-dimethoxyethyl-3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic-diimide (DiMethoxyethyl-PTCDI) film is presented, which exhibits a very high surface roughness, i.e. showing no homogeneous film at all.

Die fortwährende Verkleinerung der Strukturbreiten in der Mikroelektronik erfordert es, herkömmliche SiO2 Dielektrika durch Materialien mit kleinerer Dielektrizitätskonstante zu ersetzen. Dafür sind verschiedene „low-k Materialien“ entwickelt worden. Unter diesen sind die Organosilikatgläser, die aus SiO2 Netzwerken mit eingelagerten Methylgruppen bestehen wegen ihrer ausgezeichneten Eigenschaften besonders interessant als Dielektrika zwischen metallischen Leiterbahnen. In dieser Arbeit sind fünf verschiedene dieser „low-k Materialien“ untersucht worden: ein dichtes und vier poröse Materialien, die alle durch plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung hergestellt wurden. Die strukturellen, chemischen und dielektrischen Eigenschaften der Materialien wurden mit Hilfe der analytischen Durchstrahlungselektronenmikroskopie unter Verwendung eines abbildenden GATAN-Energiespektrometers untersucht. Die Bestimmung der radialen Verteilungsfunktion (RDF) zur Charakterisierung der atomaren Nahordnung ermöglicht uns die Ermittlung mittlerer Bindungslängen und – winkel sowie der mikroskopischen Dichte des Materials. Gegenüber SiO2 wurden in den untersuchten „low-k Materialien“ stark veränderte mittlere Si-O, O-O und Si-Si Bindungslängen gefunden. Dieses wirkt sich natürlich auch auf die mittleren Si-O-Si bzw. O-Si-O Bindungswinkel aus, und wie erwartet war auch die mikroskopische Dichte der „low-k Materialien“ kleiner als die Dichte des SiO2. Elektronen Energieverlustspektroskopie (EELS) und Photoelektronenspektroskopie (XPS) wurden zur Charakterisierung der chemischen Umgebung der Atome in den „low-k Materialien“ herangezogen. Die Energien von Ionisationskanten und die Bindungsenergien der Silizium-2p und Sauerstoff-1s Elektronen waren in den „low-k Materialien“ größer als im SiO2. Die Kohlenstoffatome kamen in den „low-k Materialien“ sowohl sp2 als auch sp3 hybridisiert vor. sp2-Hybridisierung liegt vor, wenn Bindungen wie Si=CH2 und C=C im Netzwerk vorkommen, während sp3 Hybridisierung z.B. dann vorkommt, wenn freie Si-Bindungen durch –CH3 Gruppen abgesättigt werden. Die Anteile an sp2- bzw. sp3-hybridisierten Kohlenstoffatome wurden aus der Feinstruktur der K-Energieverlustkanten des Kohlenstoffs abgeschätzt. Das ergab, daß die meisten Kohlenstoffatome in den „low-k Materialien“ sp2-hybridisiert sind. Die dielektrischen Eigenschaften wurden durch Kramers-Kronig-Transformation einer Energieverlustfunktion ermittelt, die aus dem Niedrigverlust-EELS-Spektrum im Bereich der Plasmonenanregungen gewonnen wurde. Die Bandlücke des SiO2 beträgt ungefähr 9 eV während dichte „low-k Materialien“ aufgrund der Unregelmäßigkeiten in ihrem SiO2-Netzwerk zusätzliche Zustandsdichten innerhalb der Bandlücke aufweisen. Die Erzeugung von Poren im „low-k Material“ vermindert offenbar die Zustandsdichte im Bereich der Bandlücke und erweitert diese im Vergleich zum SiO2. Eine Modellrechnung mit der Dichtefunktionaltheorie für ein Strukturmodell, das den „low-k Materialien“ nahe kommt, ist zum Vergleich mit der experimentell gefundenen kombinierten Zustandsdichte herangezogen worden und zeigt eine gute Übereinstimmung. Die im Standard-Herstellungsprozeß vorkommenden Verfahren des Plasmaätzens und der Plasmaveraschung können die Struktur des „low-k Materials“ z.B. an den Seitenwänden von Ätzgräben verändern. Die gestörten Bereiche wurden mit der energiegefilterten Elektronenmikroskopie untersucht. Dabei wurde gefunden, daß sich die Strukturveränderungen der Seitenwände bis zu einer Tiefe in der Größenordnung von ungefähr 10 Nanometern erstrecken. Diese Bereiche sind verarmt an Kohlenstoff und ähneln folglich mehr einem SiO2-Dielektrikum. Die Kohlenstoffverarmung erstreckt sich in die „low-k Schicht“ in Form eines gaussartigen Profils mit maximaler Kohlenstoffkonzentration in der Mitte der Schicht. Die Sauerstoffkonzentration und die mikroskopische Dichte steigen in der Nähe der Seitenwände.:TABLES OF CONTENTS LIST OF FIGURES AND TABLES IX 1 INTRODUCTION 1 1.1 Motivation 1 1.2 Low-k dielectric material trends 2 1.3 Required properties of low-k dielectric materials 7 1.4 Technical issues of low-k dielectric materials 7 1.5 Research objectives 8 2 EXPERIMENTAL TECHNIQUES 10 2.1 Transmission electron microscopy 10 2.2 Interaction of fast electrons with a solid specimen 11 2.3 Electron energy-loss spectroscopy 16 2.4 Elemental quantification 19 3 RADIAL DISTRIBUTION FUNCTION 21 3.1 Introduction 21 3.2 Physical aspects of an electron diffraction experiment 22 3.3 Merits and demerits of electron diffraction analysis 24 3.4 Results and Discussion 25 3.5 Conclusion 33 4 CHEMICAL STATE ANALYSIS OF LOW-K DIELECTRIC MATERIALS: AN EELS AND XPS STUDY 34 4.1 EELS analysis 34 4.2 Spectra post-acquisition processing 35 4.3 XPS analysis 37 4.4 Results and Discussion 39 4.5 Conclusion 48 5 DIELECTRIC RESPONSE OF LOW-K DIELECTRIC MATERIALS 49 5.1 Introduction 49 5.2 Exact determination of the loss-function 49 5.3 Fourier-log deconvolution 50 5.4 Kramers-Kronig analysis 51 5.5 Model fitting of dielectric functions: Lorentz oscillator model 52 5.6 Data processing 54 5.7 Results and Discussion 54 5.8 Conclusion 65 6 SIDE-WALL DAMAGE ANALYSIS 66 6.1 Introduction 66 6.2 Energy-filtered transmission electron microscopy (EFTEM) 67 6.3 Merits of EFTEM 69 6.4 Results and Discussion 70 7 SUMMARY, CONCLUSION AND SUGGESTIONS FOR THE FUTURE WORK 88 7.1 Summary 88 7.2 Conclusion 89 7.3 Suggestions for the future work 90 8 REFERENCES 92 9 APPENDIX 100 9.1 Appendix A: Script for normalization of loss function. 100 9.2 Appendix B: Kramers-Kronig analysis script 101 9.3 Appendix C: Sum rule for verification of Kramers-Kronig relation 102 9.4 Appendix D: Lorentz oscillator model 103 9.5 Appendix E: EFTEM image spectrum script 104 10 SELBSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 108

Although amorphous dielectrics feature localized states in the conduction band, electrons excited by highly intense laser radiation are usually considered as nearly free. However, localized or nearly free electrons would result in significantly different optical properties of the material. Therefore, this thesis investigates the transient complex refractive index of amorphous fused silica during the interaction with ultrashort pulsed laser radiation by applying spectroscopic imaging pump-probe ellipsometry. A Drude model, describing the excited electrons as a nearly free electron gas, and a Lorentz model, which considers the excited electrons as bound in localized states, are then approximated to the measured transient complex refractive index. The Lorentz model replicates the experimental data very well in the considered temporal range up to 200 fs after irradiation, whereas the Drude model significantly differs. Hence, the electrons are excited into localized states first, and are not describable as nearly free upon irradiation. / Obwohl amorphe Dielektrika lokalisierte Zustände im Leitungsband aufweisen, werden Elektronen, die durch hoch intensive Laserstrahlung angeregt werden, üblicherweise als quasifrei betrachtet. Im Gegensatz zu quasifreien Elektronen würden lokalisierte Elektronen jedoch zu deutlich anderen transienten optischen Eigenschaften des Materials führen. Daher wird in dieser Arbeit der transiente komplexe Brechungsindex von amorphem Quarzglas während der Wechselwirkung mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung mittels spektroskopischer, abbildender Pump-Probe Ellipsometrie untersucht. Jeweils ein Drude-Modell, das die angeregten Elektronen als ein quasifreies Elektronengas beschreibt, und ein Lorentz-Modell, welches die angeregten Elektronen als in lokalisierten Zuständen gebunden betrachtet, werden anschließend mit dem gemessenen transienten komplexen Brechungsindex verglichen. Das Lorentz-Modell repliziert die experimentellen Daten im betrachteten Zeitbereich bis zu 200 fs nach der Bestrahlung sehr gut, während das Drude-Modell deutlich abweicht. Demnach werden die Elektronen zunächst in lokalisierte Zustände angeregt und können während und kurz nach der Bestrahlung nicht als quasifrei beschrieben werden.

Les objectifs de ce travail sont d'une part d'étudier la structure électronique de carbures de titane bidimensionnels appartenant à la famille des MXènes, et d'autre part de synthétiser des films minces pour caractériser certaines de leurs propriétés. L'étude de la structure électronique a été réalisée sur le système Ti3C2T2 avec une attention particulière portée aux groupements de surface T (T=OH, F ou O) en comparant les résultats obtenus par spectroscopie de perte d'énergie des électrons à ceux des calculs ab initio. Cette étude, portée à la fois sur les excitations du gaz d'électrons de valence et des électrons de coeur, a permis de mettre en évidence la localisation des groupements de surface, ainsi que leur influence sur la structure électronique du MXene. La comparaison des simulations et des spectres expérimentaux a également permis de caractériser la nature chimique des groupements de surface. Enfin, la limite d'une telle étude est discutée en considérant les phénomènes d'irradiation responsables de la perte d'atomes d'hydrogène. La synthèse d'échantillons modèles nécessite la synthèse préalable d'un film mince de phase MAX précurseur pour le MXene : nous avons choisi la phase Ti2AlC, précurseur de Ti2C. La synthèse de Ti2AlC a été réalisée par recuit ex-situ de systèmes multicouches déposés à température ambiante. Les films ont été caractérisés par diffraction des rayons X et microscopie électronique en transmission. Au-delà de l'obtention d'un film mince de Ti2AlC texturé, cette étude a permis de montrer que la phase recherchée était obtenue via des mécanismes d'interdiffusions induisant la formation d'une solution solide métastable vers 400°C qui se transforme en phase MAX vers 600°C. Enfin, l'application de ce procédé à la phase V2AlC a permis de montrer l'importance de l'orientation de la phase initiale pour l'obtention d'un film mince texturé. / The aim of this work is at first to study the electronic structure of bidimensional titanium carbide systems, belonging to the MXene family and also to synthesize thin films of such new materials to characterize their properties. The study of the electronic structure has been performed for the Ti3C2T2 MXene with a special attention to the T surface groups by using a combination of electron energy loss spectroscopy and ab initio calculations. This study, focused on both valence and core electrons excitations, enabled the identification of the surface group localization, their influence on the MXene electronic structure as well as their chemical nature. The limits of our TEM-based study is also discussed in view of irradiation phenomena which induce the loss of hydrogen atoms. The synthesis of a MXene thin film requires, beforehand, that of a MAX phase thin film: we opted for Ti2AlC, the precursor for the Ti2C MXene. The MAX phase thin film synthesis was carried out by ex-situ annealing of a multilayer layers. X-ray diffraction experiments and cross-sectional transmission electron microscopy observations show that a highly textured Ti2AlC thin film is obtained above 600°C after the formation, at 400°C, of a metastable solid solution. Finally, by using the same process for V2AlC, we demonstrate that the initial phase orientation plays a key role for the texture of the thin film so obtained.