Ces travaux de thèse portent sur la fabrication de via traversants conducteurs, brique technologique indispensable pour l’intégration des composants microélectroniques en 3 dimensions. Pour ce faire, une voie « tout-électrochimique » a été explorée en raison de son faible coût de fabrication par rapport aux techniques par voie chimique sèche. Ainsi, la gravure de macropores ordonnés traversants a été réalisée par anodisation du silicium en présence d’acide fluorhydrique puis leur remplissage de cuivre par dépôt électrochimique. L’objectif est de faire du silicium macroporeux une alternative crédible à la gravure sèche (DRIE) pour la structuration du silicium.Les conditions de gravure de matrices de macropores ordonnés traversants ont été étudiées à la fois dans des substrats silicium de type n et p faiblement dopés. La composition de l’électrolyte ainsi que le motif des matrices ont été optimisés afin de garantir la gravure de via traversants de forte densité et à facteur de forme élevé. Une fois gravés, les via traversant ont été remplis de cuivre. En optimisant ces paramètres une résistance minimale égale à 32 mΩ/via (soit 1,06 fois la résistivité théorique du cuivre à 20°C) a été mesurée. / These thesis works deal with the achievement of Through Silicon Via (TSV) essential technological issue for microelectronic device 3D integration. For this purpose, we opted for a “full-electrochemical” way of TSV production because of lower fabrication costs as compared to dry etching and deposition techniques. Indeed, ordered through silicon macropores were carried out by silicon anodization in hydrofluoric acid-containing solution and then filled by copper electrochemical deposition. The main objective is to determine if the macroporous silicon arrays can be a viable alternative as Deep Reactive Ion Etching (DRIE).The etching parameters of through silicon macropore arrays were studied both in low-doped n- and p-type silicon. The electrolyte composition as well as the density of the initiation sites was optimized to enable the growth of high aspect ratio, high density through silicon ordered macropores. After silicon anodization, through via were filled with copper. By optimizing the copper deposition parameters (bath composition and applied potential), the resistance per via was measured equal to 32 mΩ (i.e. 1.06 times higher than the theoretical copper bulk resistivity).

Ce travail de thèse s’est intéressé au dépôt électrochimique de filmsde palladium ultra-minces sur Au(111), à leur caractérisation et àl’insertion d'hydrogène dans ceux-ci. La caractérisation des nanofilmsen milieu sulfurique montre des signatures bien définies, qui évoluentavec l’épaisseur des dépôts. Nous avons pu attribuer à chaque pic uneréaction spécifique, en accord avec les mécanismes de croissancerévélés par les mesures SXRD in situ. La croissance pseudomorphede la 1ère couche se fait avec une première étape d'adsorption, suiviepar un mécanisme de nucléation et croissance. La croissance 3D de latroisième couche démarre avant la fin de la deuxième couchepseudomorphe.L'absorption d'hydrogène dans les nanofilms a été étudiée en milieusulfurique. L’isotherme d’insertion présente un élargissement dudomaine de la solution solide, un plateau avec une pente dans ledomaine bi-phasique et une diminution du taux maximal d'insertion del’hydrogène par rapport au Pd massif. Ce taux diminue avecl’épaisseur mai approche celui de Pd massif au déla delà de 15 MC.Deux éléments ont été considérés pour expliquer le comportement desisothermes: les deux premières couches pseudomorphes sontcontraintes par le support et des « tours » tridimensionnelles relaxéesse forment au delà de la 2ème couche. / This thesis focused on electro-deposition, characterization andhydrogen strorage of ultrathin palladium film over Au(111). Theelectrochemical characterization of the nanofilms in sulphuric mediumshows well-defined features evolving with the deposit thickness. Wecould assign each peak to a specific reaction, in agreement with thegrowth mechanisms revealed by in situ SXRD measurements. Thepseudomorphic growth of the 1st layer firstly undergoes an adsorptionstep, followed by nucleation and growth mechanism, as shown bycurrent transient measurements. 3D growth of the 3rd layer beginsbefore the completion of the second pseudomorphic one.Hydrogen absorption in the nanofilms was studied in sulphuric mediumas well. Isotherms show an enlargement of the solid solution domain, asloppy plateau in the two-phase region, a decrease of maximuminsertion ratio (H/Pd)max compared to bulk Pd. This last valuedecreases with film thickness, approaching bulk Pd beyond about15 ML. Two contributions were considered to explain the isothermbehaviour: the two first Pd layers heavily constraint by the substrateand the 3D “towers like” relaxed structures growing on the secondpseudomorphic Pd layer.

La miniaturisation nécessaire à l'accroissement des performances des composants microélectroniques est en passe d'atteindre ses limites. Ainsi, une nouvelle approche dite « intégration 3D » semble prometteuse pour outrepasser les limitations observées. Cette nouvelle intégration consiste à empiler les différentes puces qui sont reliées entre elles par des vias appelées Through Silicon Vias (TSV). L'une des clés pour la réalisation de circuits en 3 dimensions est la métallisation des TSVs. Cette dernière nécessite les dépôts d'une barrière et d'une couche d'accroche qui sert à initier le remplissage par électrolyse. Ces travaux s'intéressent plus spécifiquement à la réalisation de la couche d'accroche et au remplissage des TSVs.La couche d'accroche est généralement déposée par pulvérisation, ce qui ne permet pas d'obtenir une couverture de marche satisfaisante pour la réalisation du remplissage. Cette étude propose une solution électrolytique appelée SLE (Seed Layer Enhancement) qui permet de restaurer la continuité de la couche d'accroche déposée par PVD. L'application de ce procédé associé à un traitement de désoxydation de la surface permet l'optimisation de la nucléation du cuivre et donc la réalisation d'une couche de cuivre continue et conforme. Le procédé SLE a été intégré à la séquence de métallisation et a démontré sa capacité à initier un remplissage superconforme. De plus, des tests électriques ont confirmé l'efficacité du procédé SLE une fois intégré. Ces expériences ont ouvert la voie à l'étude du dépôt électrolytique de cuivre direct sur la barrière à la diffusion du cuivre, c'est le procédé Direct On Barrier. Les premiers résultats ont permis de démontrer la possibilité de déposer une couche de cuivre conforme sur des barrières résistives. Le second volet de ces travaux s'intéresse au remplissage par électrolyse des TSVs. Dans ce but, deux électrolytes (d'ancienne et de nouvelle génération) ont été considérés. L'effet des additifs sur le dépôt et leurs actions sur le remplissage superconforme ont été étudiés par voltampérométrie et chronopotentiométrie pour chacune des solutions. Ces analyses ont permis de monter deux mécanismes de remplissage différents principalement dû à l'action de l'additif inhibiteur durant l'électrolyse. Contrairement au cas de l'électrolyte d'ancienne génération inspiré des procédés pour le damascène, l'inhibiteur de l'électrolyte de nouvelle génération s'adsorbe fortement et irréversiblement à la surface du cuivre. Il bloque efficacement la croissance sur les flancs et le haut des TSVs, sans toutefois pouvoir contrarier l'action de l'accélérateur en fond de motif. / Nowadays, 2D integration shows serious limitations when it comes to manufacturing devices with increased functionality and performance. In this context, 3D integration approaches using Through Silicon Vias (TSVs) have been investigated as a promising solution to fabricate tomorrow's microelectronics devices. In this architecture, the key challenge is the metallization of high aspect ratios (>5) TSVs by copper electrochemical deposition (Cu ECD). This metallization sequence includes barrier and seed layer deposition followed copper filling. This study is focused on seed layer deposition and TSV filling. Usually, the seed layer is grown by sputtering based deposition techniques (PVD). This technique suffers from limited sidewall coverage, eventually leading to electrical discontinuity in the features. In this work, an electrolytic process called Seed Layer Enhancement (SLE) has been investigated as a solution to improve copper seed continuity. For this purpose, copper nucleation on the resistive barrier material has been optimized using a specific surface treatment to remove native oxide on samples surface. As a result, the SLE process has been successfully inserted in the metallization sequence, as testified by good electrical performances. These promising results open the route to an alternative solution to PVD using an electrochemical process performed directly on the barrier diffusion layer (Direct On Barrier). On the other hand, two electrolytes (an old and a new generation) have been evaluated as solutions for TSV filling. In each case, the impact of additives on copper deposition and superfilling mechanism were analyzed by voltammetric and chronopotentiometric measurements on rotating disk electrode. This study shows two different filling behaviors, close to damascene electrolyte with the older generation electrolyte, and a bottom-up filling with the last generation. The main difference comes from the action of the inhibiting additive during the filling process. In the case of the last generation electrolyte, the inhibitor adsorbs strongly and irreversibly on the copper surface. Then, a strong inhibition of copper growth occurs on the sides and on the top of the TSVs, but the action of accelerator is still efficient at the pattern bottom.

Anodisation is a surface treatment process, commonly used to form a protective oxide coating on the surface of metals like aluminium. Anodised coatings, being grown out of the base metal have excellent interface strength but are porous and brittle. Porosity of the coating reduces the hardness and the brittle nature of the oxide induces cracking. In practice, the pores are typically filled with organic dye and sealed. Under certain controlled electrochemical conditions, anodisation results in a highly ordered hexagonal porous structure in pure aluminium. In this work, we explore the possibility of using this ordered porous alumina to form a novel metal nanocomposite as a tribological coating. By optimizing the nonporous structure and tuning the electrodeposition process, we uniformly filled the ordered pores with copper. We have measured the hardness of the resulting ordered and aligned nanocomposite. We explore the possibility of using this composite coating for tribological applications by carrying out some preliminary reciprocating wear test. Ordered porous alumina layer is formed by a two-step anodisation process. By optimizing the anodisation conditions, we control the thickness of the coating and the pore size. The interface of the porous structure and aluminium substrate is defined by a non-conducting dense barrier oxide layer. However, to deposit metal into the pores, a conducting path should be established through the barrier layer. One possibility is to etch out the bottom of the pores at the cost of the interface strength and losing out on the main advantage of anodised coatings. To be able to fill metal without this sacrifice, we utilised the dendritic structure in the barrier layer formed by a step-wise reduction of voltage towards the end of anodisation process. Optimisation of this dendritic structure led to uniform deposition of metal into pores, achieved by pulsed electrodeposition. In pulse lectrodeposition, a positive pulse is applied to remove accumulated charge near to the bottom of pores, followed by a negative pulse to deposit metal and a delay to allow diffusion of ions. By optimising the pulse shape and duration, we have achieved uniform growth of metal into pores. Further, monitoring the deposition current helped us to identify and control different phases of growth of the nanowire. The properties of the porous alumina and the nanocomposite were measured by nanoindentation. The deformation characteristics were obtained by observing the indents in a FE-SEM. We find that dendritic modification of interface has very little effect on the hardness of the porous alumina layer. We also found that the porous alumina deformed either by compaction or by forming circumferential and radial cracks. When copper is filled in the nano pores, the hardness increased by 50% and no circumferential cracks were found up to the load of 10 mN for a film thickness of about 1 µm. Coefficient of friction of the coating reciprocated against steel in dry condition is found to be around 0.4. Minimal wear was observed from the SEM images of wear track. In summary, a novel nanocomposite coating with ordered porous alumina as matrix embedded with aligned metal nano rods has been developed. This was achieved by optimally modifying the barrier layer without sacrificing the interfacial strength. Uniform coating has been achieved over an area of 10 mm x 10 mm. The coating is found to have high hardness and high wear resistance.

Die Entwicklung der Mikroelektronik wird durch eine fortschreitende Miniaturisierung der Bauelemente geprägt. Infolge einer Reduzierung der Querschnittflächen von Leitbahnstrukturen erhöht sich die elektrische Leistungsdichte und das Metallisierungssystem bestimmt zunehmend die Übertragungsgeschwindigkeiten. Kupfer repräsentiert hierbei das verbreitetste Leitbahnmaterial und wird vorwiegend mittels elektrochemischer Abscheidung in vergrabene Damaszen-Strukturen eingebracht. Die vorliegende Dissertation beschreibt Möglichkeiten für eine Optimierung von Kupferleitbahnen für höchstintegrierte Schaltkreise. Von besonderem Interesse sind hierbei die Gefügequalität und der Reinheitsgrad. Es erfolgen umfangreiche werkstoffanalytische und elektrochemische Untersuchungen zur Charakterisierung von Depositionsmechanismen, des Einbaus von Fremdstoffen, des Mikrogefüges nach der Abscheidung und der Mikrogefügeumwandlung. In einem abschließenden Forschungsschwerpunkt werden Kupfer-Damaszen-Teststrukturen mit unterschiedlichen Gehalten nichtmetallischer Verunreinigungen hergestellt und entsprechenden Lebensdauerexperimenten unterzogen. Hierdurch gelingt eine Evaluierung des Einflusses jener Verunreinigungen auf die Elektromigrationsbeständigkeit von Kupferleitbahnen. Die Arbeit umfasst daher das gesamte Spektrum von der Grundlagenforschung bis zur Applikation von elektrochemisch abgeschiedenen Kupferdünnschichtmetallisierungen.

The investigations are related to the influence of nonionic polyethoxylated surfactant on Tin- and Tin-Silver depositions. Cyclovoltammetry, electrochemical depositions in Hull cell, with quartz crystal microbalance, impedance spectroscopy, X-ray diffraction, REM and others were used as methods of characterization. / Die Untersuchungen befasssen sich mit dem Einfluss von nichtionischen polyethoxylierten Tenside auf die Zinn- und Zinn-Silber-Abscheidung, die durch Zyklovoltammetrie, Abscheidungen in der Hullzelle, mit der elektrochemischen Quarzmikrowaage, der Impedanzspektroskopie, Röntgendiffraktometrie, Rasterelektronenmikroskopie und Tensiometrie charakterisiert wurden.

This bachelor's thesis deals with problematics of technological procedures and techniques for modification of microelectrodes with nanostructures. Furthermore, it describes a device needed for automated production of nanosensors, their properties and communication with computer. These devices communicate through RS-232 and USB interfaces.

The investigations are related to the influence of nonionic polyethoxylated surfactant on Tin- and Tin-Silver depositions. Cyclovoltammetry, electrochemical depositions in Hull cell, with quartz crystal microbalance, impedance spectroscopy, X-ray diffraction, REM and others were used as methods of characterization. / Die Untersuchungen befasssen sich mit dem Einfluss von nichtionischen polyethoxylierten Tenside auf die Zinn- und Zinn-Silber-Abscheidung, die durch Zyklovoltammetrie, Abscheidungen in der Hullzelle, mit der elektrochemischen Quarzmikrowaage, der Impedanzspektroskopie, Röntgendiffraktometrie, Rasterelektronenmikroskopie und Tensiometrie charakterisiert wurden.

Ziel der Arbeit war es in einem pulvermetallurgischen Ansatz gasverdüste Ti-45Nb-Pulver mittels Heißpressen zunächst zu kompakten Formkörpern zu verpressen und über geeignete Gefügeeinstellung und bestmöglicher Partikelverzahnung maximale Druckfestigkeiten bei gleichzeitig niedrigem E-Modul zu erhalten. In einem nächsten Schritt wurden mittels Heißpressen mit Platzhalterphase definierte Porenanteile in die Formkörper eingebracht und der Einfluss dieser auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Die porösen Strukturen sollen als Knochenersatzmaterial in einem osteoporotischen Knochendefekt dienen. In einem solchen Defekt stellen Druckkräfte den dominierenden Belastungsfall dar. Die mechanische Charakterisierung der im Rahmen der Arbeit erzeugten porösen Formkörper erfolgte daher im Druckversuch. Die Oberfläche eines metallischen Knochenersatzmaterials muss chemisch und topografisch modifiziert werden, um damit Einfluss auf das Gleichgewicht zwischen zellbiologischen Prozessen zum Knochenauf- und -abbau an der Grenzfläche zwischen Implantat und Knochengewebe zu nehmen. Im speziellen Fall von Osteoporose, wo dieses Gleichgewicht nachweislich gestört ist, spielt die Stimulation des Knochenaufbaus eine besondere Rolle. Für Strontiumspezies konnte eine das Knochenwachstum stimulierende Wirkung und die Inhibierung des Knochenabbaus in mehreren Studien gezeigt werden. Ein weiteres Ziel der Arbeit stellte daher die Erzeugung von strontiumhaltigen Hydroxylapatitschichten mittels Elektrodeposition dar. Die erzeugten Schichten wurden strukturell, morphologisch und chemisch charakterisiert. Weiterhin wurden die Sr-Freisetzung aus den Schichten und die zellbiologische Wirkung untersucht. Konzepte zur Abscheidung auf planaren Legierungsoberflächen konnten in einem nächsten Schritt im Rahmen einer Machbarkeitsstudie auf poröse Ti-45Nb Strukturen übertragen werden. / Aim of the work was the production of dense Ti-45Nb material by hot-pressing of gas-atomized Ti-45Nb powder. Maximum compression strength and low Young’s modulus values were obtained by means of a tailored microstructure and improved interlinking of the powder particles. In a next step defined amounts of porosity were introduced by hot-pressing the alloy powder with a space holder phase. The produced porous structures should be used as bone substitute material in an osteoporotic bone defect. Compression is the dominating load in such a defect. Accordingly, compression tests were conducted to assess the mechanical properties. The surface state of metallic bone replacement materials plays an important role regarding the osseointegration of the material into the surrounding bone tissue. A chemical and topographical modification of the surface is necessary to influence the equilibrium between the formation and resorption of bone on the interphase of implant and bone tissue. Especially in case of osteoporosis the stimulation bone formation is essential. Several studies have shown that strontium species have a positive effect on the formation of bone tissue and the inhibition of bone resorption. Therefore, a further aim of the work was the electrodeposition of Sr-containing hydroxyapatite layers and the structural, morphological and chemical characterization of the deposited layers. Furthermore, the release of Sr-species from the layers and the effect on hMSC (human mesenchymal stroma cells) were examined. Originating from studies on planar alloy surfaces, the transfer of the deposition approaches was shown in a proof of concept on the porous Ti-45Nb scaffolds.

In this work, an approach for copper atomic layer deposition (ALD) via reduction of CuxO films was investigated regarding applications in ULSI interconnects, like Cu seed layers directly grown on diffusion barriers (e. g. TaN) or possible liner materials (e. g. Ru or Ni) as well as non-ferromagnetic spacer layers between ferromagnetic films in GMR sensor elements, like Ni or Co. The thermal CuxO ALD process is based on the Cu (I) β-diketonate precursor [(nBu3P)2Cu(acac)] and a mixture of water vapor and oxygen ("wet O2") as co-reactant at temperatures between 100 and 130 °C. Highly efficient conversions of the CuxO to metallic Cu films are realized by a vapor phase treatment with formic acid (HCOOH), especially on Ru substrates. Electrochemical deposition (ECD) experiments on Cu ALD seed / Ru liner stacks in typical interconnect patterns are showing nearly perfectly filling behavior. For improving the HCOOH reduction on arbitrary substrates, a catalytic amount of Ru was successful introduced into the CuxO films during the ALD with a precursor mixture of the Cu (I) β-diketonate and an organometallic Ru precursor. Furthermore, molecular and atomic hydrogen were studied as promising alternative reducing agents.