Copper-based multi-level metallization systems in today’s ultralarge-scale integrated electronic circuits require the fabrication of diffusion barriers and conductive seed layers for the electrochemical metal deposition. Such films of only several nanometers in thickness have to be deposited void-free and conformal in patterned dielectrics. The envisaged further reduction of the geometric dimensions of the interconnect system calls for coating techniques that circumvent the drawbacks of the well-established physical vapor deposition. The atomic layer deposition method (ALD) allows depositing films on the nanometer scale conformally both on three-dimensional objects as well as on large-area substrates. The present work therefore is concerned with the development of an ALD process to grow copper oxide films based on the metal-organic precursor bis(tri-n-butylphosphane)copper(I)acetylacetonate [(nBu3P)2Cu(acac)]. This liquid, non-fluorinated β-diketonate is brought to react with a mixture of water vapor and oxygen at temperatures from 100 to 160°C. Typical ALD-like growth behavior arises between 100 and 130°C, depending on the respective substrate used. On tantalum nitride and silicon dioxide substrates, smooth films and self-saturating film growth, typical for ALD, are obtained. On ruthenium substrates, positive deposition results are obtained as well. However, a considerable intermixing of the ALD copper oxide with the underlying films takes place. Tantalum substrates lead to a fast self-decomposition of the copper precursor. As a consequence, isolated nuclei or larger particles are always obtained together with continuous films. The copper oxide films grown by ALD can be reduced to copper by vapor-phase processes. If formic acid is used as the reducing agent, these processes can already be carried out at similar temperatures as the ALD, so that agglomeration of the films is largely avoided. Also for an integration with subsequent electrochemical copper deposition, the combination of ALD copper and ruthenium proves advantageous, especially with respect to the quality of the electroplated films and their filling behavior in interconnect structures. Furthermore, the ALD process developed also bears potential for an integration with carbon nanotubes. / Kupferbasierte Mehrlagenmetallisierungssysteme in heutigen hochintegrierten elektronischen Schaltkreisen erfordern die Herstellung von Diffusionsbarrieren und leitfähigen Keimschichten für die galvanische Metallabscheidung. Diese Schichten von nur wenigen Nanometern Dicke müssen konform und fehlerfrei in strukturierten Dielektrika abgeschieden werden. Die sich abzeichnende weitere Verkleinerung der geometrischen Dimensionen des Leitbahnsystems erfordert Beschichtungstechnologien, die vorhandene Nachteile der bisher etablierten Physikalischen Dampfphasenabscheidung beheben. Die Methode der Atomlagenabscheidung (ALD) ermöglicht es, Schichten im Nanometerbereich sowohl auf dreidimensional strukturierten Objekten als auch auf großflächigen Substraten gleichmäßig herzustellen. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Entwicklung eines ALD-Prozesses zur Abscheidung von Kupferoxidschichten, ausgehend von der metallorganischen Vorstufe Bis(tri-n-butylphosphan)kupfer(I)acetylacetonat [(nBu3P)2Cu(acac)]. Dieses flüssige, nichtfluorierte β-Diketonat wird bei Temperaturen zwischen 100 und 160°C mit einer Mischung aus Wasserdampf und Sauerstoff zur Reaktion gebracht. ALD-typisches Schichtwachstum stellt sich in Abhängigkeit des gewählten Substrats zwischen 100 und 130°C ein. Auf Tantalnitrid- und Siliziumdioxidsubstraten werden dabei sehr glatte Schichten bei gesättigtem Wachstumsverhalten erhalten. Auch auf Rutheniumsubstraten werden gute Abscheideergebnisse erzielt, jedoch kommt es hier zu einer merklichen Durchmischung des ALD-Kupferoxids mit dem Untergrund. Tantalsubstrate führen zu einer schnellen Selbstzersetzung des Kupferprecursors, in dessen Folge neben geschlossenen Schichten während der ALD auch immer isolierte Keime oder größere Partikel erhalten werden. Die mittels ALD gewachsenen Kupferoxidschichten können in Gasphasenprozessen zu Kupfer reduziert werden. Wird Ameisensäure als Reduktionsmittel genutzt, können diese Prozesse bereits bei ähnlichen Temperaturen wie die ALD durchgeführt werden, so dass Agglomeration der Schichten weitgehend verhindert wird. Als besonders vorteilhaft für die Ameisensäure-Reduktion erweisen sich Rutheniumsubstrate. Auch für eine Integration mit nachfolgenden Galvanikprozessen zur Abscheidung von Kupfer zeigen sich Vorteile der Kombination ALD-Kupfer/Ruthenium, insbesondere hinsichtlich der Qualität der erhaltenen galvanischen Schichten und deren Füllverhalten in Leitbahnstrukturen. Der entwickelte ALD-Prozess besitzt darüber hinaus Potential zur Integration mit Kohlenstoffnanoröhren.

Four cluster models for a copper(I)oxide (111) surface have been designed, of which three were studied with respect to their applicability in density functional calculations in the general gradient approximation. Formic acid adsorption on these systems was modelled and yielded four different adsorption structures, of which two were found to have a high adsorption energy. The energetically most favourable adsorption structure was further investigated with respect to its decomposition and a few reactions with adsorbed H and OH species using synchronous transit methods to estimate reaction barriers and single point energy calculations for the reaction energy.

Abstract Climate change and global warming are currently widely discussed topics, both of which potentially impact all the nations and industries. Carbon dioxide (CO2) and other green house gases (GHG) are seen as a major challenge. This doctoral dissertation aims to conduct techno-economic calculations on the possibilities of reducing the industrial use of fossil raw materials in Northern Finland. This doctoral dissertation analyses industrial CO2 emissions from five complementary perspectives: identifying significant potential industrial plants, analysing the replacement of fossil raw materials with wood biomass, considering combining different industrial sectors, the potential of biogas as industrial raw material, and estimating the economic significance of moisture in wood fuel. The study started by analysing all the relevant 262 regional environmental permits to find the significant industrial users of synthesis gas in the studied region. Processes used by each identified case were analysed carefully to identify the most potential change possibilities. Economic calculations were conducted for these cases using true production volumes. The aim was to reach solutions that were economically sound. Five industrial sites were identified as potential cases for replacing raw materials of synthesis gas or hydrogen with renewable alternatives. These sites include the Rautaruukki steel mill, Eka Chemicals’ hydrochloric acid plant, Kemira’s formic acid plant, Kemira’s hydrogen peroxide producing plant, and Talvivaara mining’s hydrogen plant. The main implications of this dissertation include providing tips for industrial managers, regional decision makers and legislators. Managers of companies with high energy consumption and/or high usage of fossil raw materials in their products can benefit from the results of this dissertation the most. Managers should conduct similar calculations, as in this study, by using exact figures relevant to their processes and raw materials. This doctoral dissertation also suggests finding new solutions for replacing fossil raw materials by combining two different industrial sectors, e.g. steel and chemical industries. Regional decision makers may utilise the calculations presented in this doctoral dissertation when developing regional strategies. / Tiivistelmä Ilmaston muutos ja globaali lämpeneminen ovat tällä hetkellä laajasti keskusteltuja aiheita, ja ne vaikuttavat kaikkiin maihin ja kaikkiin teollisuuden aloihin. Hiilidioksidi (CO2) ja muut kasvihuonekaasut nähdään suurena haasteena. Tämä väitöskirja pyrkii teknistaloudellisten laskelmien avulla tutkimaan mahdollisuuksia vähentää fossiilisten raaka-aineiden käyttöä Pohjois-Suomen alueella. Tämä väitöskirja analysoi teollisia CO2-päästöjä viidestä toisiaan täydentävästä näkökulmasta: identifioimalla merkittäviä teollisia tuotantolaitoksia, analysoimalla fossiilisten raaka-aineiden korvaamista puubiomassalla, tutkimalla erilaisten teollisten tuotantolaitosten yhdistämistä, tutkimalla biokaasun käyttöä mahdollisena teollisuuden raaka-aineena ja arvioimalla kosteuden taloudellista merkitystä puupolttoaineessa. Tutkimus alkoi analysoimalla kaikki alueen identifioidut 262 ympäristölupaa, jotta merkittävät synteesikaasun käyttäjät tulisivat esille. Jokaisen löydetyn tapauksen tuotantoprosessit analysoitiin huolellisesti, jotta potentiaalisimmat muutosmahdollisuudet huomioitaisiin. Teknistaloudellisia laskelmia tehtiin näille tapauksille käyttämällä todellisia tuotantolukuja. Tarkoituksena oli löytää taloudellisesti kannattavia vaihtoehtoja. Viisi teollista tuotantolaitosta identifioitiin tapauksiksi, joissa synteesikaasun tai vedyn raaka-aine voitaisiin korvata uusiutuvilla raaka-ainevaihtoehdoilla. Nämä tuotantolaitokset olivat Rautaruukin terästehdas, Eka Chemicalsin kloorivetyhapon tuotantolaitos, Kemiran muurahaishappotehdas, Kemiran vetyperoksiditehdas ja Talvivaaran kaivoksen vedyn tuotantolaitos. Tärkeimmät implikaatiot tästä väitöskirjatyöstä sisältävät pohdittavia ajatuksia teollisille toimijoille, alueellisille päätösten tekijöille ja lainsäätäjille. Korkean energian kulutuksen ja/tai suurten fossiilisten raaka-ainekäyttöjen yhtiöissä päätöksentekijät voivat hyödyntää parhaiten tämän väitöskirjan tuloksia. Päätöksentekijät voisivat käyttää esimerkkeinä tämän väitöskirjan laskelmia tehdessään omia analyyseja, jolloin heidän tulisi käyttää tarkkoja lukuja yritystensä prosesseista ja raaka-ainekäytöistä. Tämä väitöskirja ehdottaa myös etsimään uusia ratkaisuja fossiilisten raaka-aineiden korvaamisessa yhdistämällä tuotannollisesti erilaisia teollisia sektoreita esimerkiksi teräksen ja kemian tuotteiden valmistuksen. Alueelliset päätösten tekijät voivat hyödyntää väitöskirjassa esitettyjä laskelmia alueellisten strategioiden kehitystyössä.

Copper-based multi-level metallization systems in today’s ultralarge-scale integrated electronic circuits require the fabrication of diffusion barriers and conductive seed layers for the electrochemical metal deposition. Such films of only several nanometers in thickness have to be deposited void-free and conformal in patterned dielectrics. The envisaged further reduction of the geometric dimensions of the interconnect system calls for coating techniques that circumvent the drawbacks of the well-established physical vapor deposition. The atomic layer deposition method (ALD) allows depositing films on the nanometer scale conformally both on three-dimensional objects as well as on large-area substrates. The present work therefore is concerned with the development of an ALD process to grow copper oxide films based on the metal-organic precursor bis(tri-n-butylphosphane)copper(I)acetylacetonate [(nBu3P)2Cu(acac)]. This liquid, non-fluorinated β-diketonate is brought to react with a mixture of water vapor and oxygen at temperatures from 100 to 160°C. Typical ALD-like growth behavior arises between 100 and 130°C, depending on the respective substrate used. On tantalum nitride and silicon dioxide substrates, smooth films and self-saturating film growth, typical for ALD, are obtained. On ruthenium substrates, positive deposition results are obtained as well. However, a considerable intermixing of the ALD copper oxide with the underlying films takes place. Tantalum substrates lead to a fast self-decomposition of the copper precursor. As a consequence, isolated nuclei or larger particles are always obtained together with continuous films. The copper oxide films grown by ALD can be reduced to copper by vapor-phase processes. If formic acid is used as the reducing agent, these processes can already be carried out at similar temperatures as the ALD, so that agglomeration of the films is largely avoided. Also for an integration with subsequent electrochemical copper deposition, the combination of ALD copper and ruthenium proves advantageous, especially with respect to the quality of the electroplated films and their filling behavior in interconnect structures. Furthermore, the ALD process developed also bears potential for an integration with carbon nanotubes. / Kupferbasierte Mehrlagenmetallisierungssysteme in heutigen hochintegrierten elektronischen Schaltkreisen erfordern die Herstellung von Diffusionsbarrieren und leitfähigen Keimschichten für die galvanische Metallabscheidung. Diese Schichten von nur wenigen Nanometern Dicke müssen konform und fehlerfrei in strukturierten Dielektrika abgeschieden werden. Die sich abzeichnende weitere Verkleinerung der geometrischen Dimensionen des Leitbahnsystems erfordert Beschichtungstechnologien, die vorhandene Nachteile der bisher etablierten Physikalischen Dampfphasenabscheidung beheben. Die Methode der Atomlagenabscheidung (ALD) ermöglicht es, Schichten im Nanometerbereich sowohl auf dreidimensional strukturierten Objekten als auch auf großflächigen Substraten gleichmäßig herzustellen. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Entwicklung eines ALD-Prozesses zur Abscheidung von Kupferoxidschichten, ausgehend von der metallorganischen Vorstufe Bis(tri-n-butylphosphan)kupfer(I)acetylacetonat [(nBu3P)2Cu(acac)]. Dieses flüssige, nichtfluorierte β-Diketonat wird bei Temperaturen zwischen 100 und 160°C mit einer Mischung aus Wasserdampf und Sauerstoff zur Reaktion gebracht. ALD-typisches Schichtwachstum stellt sich in Abhängigkeit des gewählten Substrats zwischen 100 und 130°C ein. Auf Tantalnitrid- und Siliziumdioxidsubstraten werden dabei sehr glatte Schichten bei gesättigtem Wachstumsverhalten erhalten. Auch auf Rutheniumsubstraten werden gute Abscheideergebnisse erzielt, jedoch kommt es hier zu einer merklichen Durchmischung des ALD-Kupferoxids mit dem Untergrund. Tantalsubstrate führen zu einer schnellen Selbstzersetzung des Kupferprecursors, in dessen Folge neben geschlossenen Schichten während der ALD auch immer isolierte Keime oder größere Partikel erhalten werden. Die mittels ALD gewachsenen Kupferoxidschichten können in Gasphasenprozessen zu Kupfer reduziert werden. Wird Ameisensäure als Reduktionsmittel genutzt, können diese Prozesse bereits bei ähnlichen Temperaturen wie die ALD durchgeführt werden, so dass Agglomeration der Schichten weitgehend verhindert wird. Als besonders vorteilhaft für die Ameisensäure-Reduktion erweisen sich Rutheniumsubstrate. Auch für eine Integration mit nachfolgenden Galvanikprozessen zur Abscheidung von Kupfer zeigen sich Vorteile der Kombination ALD-Kupfer/Ruthenium, insbesondere hinsichtlich der Qualität der erhaltenen galvanischen Schichten und deren Füllverhalten in Leitbahnstrukturen. Der entwickelte ALD-Prozess besitzt darüber hinaus Potential zur Integration mit Kohlenstoffnanoröhren.

Four cluster models for a copper(I)oxide (111) surface have been designed, of which three were studied with respect to their applicability in density functional calculations in the general gradient approximation. Formic acid adsorption on these systems was modelled and yielded four different adsorption structures, of which two were found to have a high adsorption energy. The energetically most favourable adsorption structure was further investigated with respect to its decomposition and a few reactions with adsorbed H and OH species using synchronous transit methods to estimate reaction barriers and single point energy calculations for the reaction energy.:1 Introduction 1.1 Preliminary Work 1.2 Known Reactions and Issues 1.3 Overview of Reactions and Species involved in Formic Acid Decomposition 2 Theoretical Background 2.1 The Schrödinger-Equation 2.2 Density Functional Theory 2.3 Exchange-Correlation Functionals 2.4 The Self-Consistent-Field Procedure 2.5 Geometry Optimization and Transition State Searches 2.6 Kinetics 3 Computational Details 3.1 Synchronous Transit Schemes 3.2 Transition State Searches using Eigenvector Following 4 Model System 5 Results and Discussion 5.1 Geometry of the Cu2O cluster structures 5.2 Adsorption of formic acid 5.3 Decomposition and Reaction Paths 5.3.1 Vibrational Analysis of the adsorbed Formic Acid Molecule 5.3.2 Reaction Modelling using Linear Synchronous Transit 5.3.3 Transition State Searches using Eigenvector Following 6 Summary and Outlook

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.