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.

Die Aufklärung des kooperativen Materialtransports während des Sinterns von Metallen zielt auf eine verbesserte Vorhersage und theoretische Beschreibung des Sinterprozesses ab. Dem kooperativen Materialtransport wird in der Literatur ein signifikanter Beitrag zur Gesamtschwindung zugeschrieben. Lose oder gepresste Pulverschüttungen weisen unter Wärmebehandlung eine Volumenabnahme auf. Neben der Zentrumsannäherung und dem Wachstum der Sinterkontakte rührt diese Schwindung von spannungsbedingten Relativbewegungen der Partikel in Form von Translationen und insbesondere von Rotationen her. Die Sinterprozesse wurden bereits seit den 1940er Jahren für Zwei-Teilchen-Modelle, sowie für 1- und 2-dimensionale Versuchsanordnungen ausführlichen Analysen unterzogen. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich aber nur bedingt auf 3-dimensionale Proben übertragen. Berechnungen der Gesamtschwindung basieren auf dem Zwei-Teilchen-Modell auf und berücksichtigen den kooperativen Materialtransport nur in unzureichendem Maße, so dass eine Diskrepanz zwischen berechneter und an realen Sinterkörpern beobachteter Schwindung auftritt. In dieser Arbeit wurde der kooperative Materialtransport im Sinteranfangsstadium (bis 1050°C) am Modellsystem Kupfer mittels Synchrotron-Computertomographie an 3-dimensionalen Proben untersucht. Die Tomographie bietet als erste Methode die Möglichkeit, Partikelbewegungen in 3-dimensionalen Proben über mehrere Sinterschritte hinweg zerstörungsfrei zu untersuchen und quantitative Daten zu erhalten. Auf diese Weise konnten die Bewegungen eines jeden Partikels in-situ über den Sinterverlauf verfolgt werden. Zur Bestimmung der Orientierungsänderung der sphärischen Partikel war es notwendig, die Partikel mittels Focused Ion Beam mit Markierungen zu versehen. Die Detektion und Auswertung der Partikelbewegung erfolgte über eine eigens entwickelte Analysesoftware basierend auf photogrammetrischen Methoden. Diese Software erlaubt es, Aussagen über Rotationsgeschwindigkeit und Rotationswinkel der Partikel sowie über die Dichte, Zentrumsannäherung, Änderung der Koordinationszahl und Gesamtgröße zu treffen. Neben der bereits in der Literatur dargestellten Rotation der Partikel in Bezug auf dessen Kontaktpartner konnte zusätzlich eine Eigenrotation um den eigenen Schwerpunkt festgestellt werden. Es wurde ein neues Modell entwickelt, das neben Diffusionsmechanismen auch Korngrenzengleiten zulässt und damit Eigenrotationen ermöglicht. / The investigation of the cooperative material transport of metals during sintering aims to improve the theoretical descriptions of the sintering process. In literature the cooperative material transport is ascribed to have a significant contribution to the total shrinkage. Loose or pressed powder packed beds show a volume shrinkage during heat treatment. This shrinkage is caused by centre approach and the growth of sintering necks but also results of particle movements like translations and particularly rotations. The sintering process was investigated in detail since the 1940’s on the basis of the two particle model as well as on 1- and 2- dimensional test arrangements. The obtained data can be transferred to 3-dimensional specimens only to a limited extent. Calculations of the total shrinkage are based on the two particle model and do hardly consider the cooperative material transport. That is why there is a difference between calculated and measured shrinkage in real sinter compacts. In this study the cooperative material transport was investigated in the initial sintering stage (up to 1050°C) in the model system copper. These measurements were conducted on 3-dimensional samples using synchrotron computed tomography. Tomography offers for the first time the opportunity to investigate particle movements in 3-dimensional samples non-destructively during several sintering steps to obtain quantitative data. Using this method it was possible to track the particle movements during the sintering process in-situ. To determine orientation rearrangements of spherical particles it was necessary to mark each particle by focused ion beam with a borehole. The detection and analysis of particle movements was carried out by custom image analysis software using photogrammetric methods. This software is able to determine the rotation speed and angle of particles, the local density, the centre approach, the change of the coordination number and the total size of a specimen. Beside the in literature described particle rotation in relation to contact partners an additional intrinsic rotation around the centre of mass of a particle was discovered. A new model was developed which permits not only diffusion mechanisms but also grain boundary sliding and therefore allows intrinsic rotations.

Diese Dissertation unter dem Titel Experimentelle Bestimmung der elektronischen Eigenschaften anwendungsrelevanter Grenzflächen organischer Halbleiter mittels Photoelektronenspektroskopie wurde am Leibniz Institut für Festkürper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden am Institut für Festkörperforschung (IFF) unter der Betreuung von Prof. Dr. B. Büchner angefertigt. Zur wissenschaftlichen Untersuchung kamen hierbei zwei Typen anwendungsrelevanter Grenzflächen. Zum einem wurde der Einfluss einer Elektrodenpräparation unter Normalbedingungen mittels ex-situ Reinigungsverfahren im Vergleich zu insitu präparierten Kontakten auf das elektronische Verhalten des organischen Halbleiters Sexithiophen an Grenzflächen zu metallischen Substraten studiert. Als Substratmaterialien kamen hierbei die Metalle Silber, Palladium, Gold und Platin zum Einsatz. In einer zweiten Studie wurden die Grenzflächen der organischen Halbleiter Sexithiophen und Kupfer(II)- Phthalocyanin in Kontakt zu dünnen Filmen des Übergangsmetalloxides La0.7Sr0.3MnO3 untersucht. Auch hier wurde eine vergleichende Untersuchung für ex-situ und in-situ gereinigte La0.7Sr0.3MnO3-Kontakte durchgeführt. Die hierzu verwendeten Filme wurden im IFW Dresden am Institut für Metallische Werkstoffe (IMW) hergestellt. Auch im Rahmen dieser Untersuchungen stand der Einfluss von Sauerstoff auf das elektronische und chemische Verhalten an den Grenzflächen im Vordergrund.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der galvanischen Legierungsabscheidung für die Systeme Cu-Pb, Ag-Pb und Au-Pb. Es konnte nachgewiesen werden, dass es zur Bildung stark übersättigter Mischkristalle kommt, deren Struktur- und Gefügeeigenschaften direkte Abhängigkeiten von den Abscheidebedingungen zeigen. Es treten für die Einzelsysteme Unterschiedlichkeiten auf, die in direkten Zusammenhang mit dem Gitteraufbau der Matrixelemente gebracht werden können. Besonderes Interesse verdient die Härte der Schichten, die im Vergleich zu schmelzmetallurgischen Legierungen um Größenordnungen höher liegt. Bei Wärmebehandlung unter Schutzgas- oder Sauerstoffatmosphäre sind Cu-Pb-Schichten durch Erholungsvorgänge und Ag-Pb-Schichten durch eine partielle Rekristallisation gekennzeichnet. Bei innerer Oxydation des Bleis kommt es im System Cu-Pb zu einer signifikanten Härtesteigerung, während im System Ag-Pb kein Einfluss auf die Härte beobachtet werden kann.

Electroless plating is a metal deposition technique widely used in the coating industry. It is the method of choice to plate substrates with complex geometries and nonconductive surfaces, such as polymers and ceramics, since it is based on a chemical reduction in solution rather than on an external electrical energy source like the electroplating method. Among others, examples of well-established applications are the electroless deposition of decorative metal coatings such as gold and silver, wear and corrosion resistant nickel coatings, particularly to coat drive shafts, rotors, and bathroom fixtures, as well as the electroless deposition of copper in electronic devices as diffusion barriers and conductive circuit elements. In the academic research, electroless plating is extensively used thanks to its low cost, simple equipment and versatility that allow rapid prototyping. Two common applications are the coating of small particles and the selective plating of flat surfaces. Metal coated ceramic particles are of enormous interest in many scientific fields, e.g. fluorescent diagnostics in biochemistry, catalysis, and fabrication of photonic crystals. Metal coated ceramic nanoparticles and microparticles are also gaining attention as potential candidates in the fabrication of higher quality metal matrix Composites, which is one of the applications addressed by this work. Metal coated ceramic particles are easier to integrate in metal matrix composites, avoiding aggregation caused by the low wettability of the particles by the matrix metal, and are potentially shielded from oxidation and undesired chemical reactions that take place at the interface between the particles and the metal Matrix. Electroless plating is an autocatalytic process, meaning that the deposited metal atoms catalyze the deposition of further metal. In order to achieve the first stable metal seeds on a surface, the latter has to be functionalized. Without this functionalization the metal ions in the electroless plating bath are not reduced or are simply reduced to metal nanoparticles in solution. The traditional activation step for nonconductive surfaces is performed by immersion of the substrate in palladium based solutions, which is very time-consuming and extremely expensive. In particular for nanoparticles, previous work showed that at least 1015 Pd atoms/cm2 are required for a uniform activation of a surface, meaning that in the case of nanoparticles with a surface area of about 100 m2/g are necessary 6.4 g of palladium for each gram of substrate. Assuming a price of about 150 €/g (laboratory scale) for palladium nanoparticles and palladium precursors used for surface activation, it results that the activation of 1 g of nanoparticles costs around 1000 €. Such costs are suboptimal considering the typical production scale, and therefore alternative functionalization methods are desired. In this work, new organic-based functionalization methods based on (3-mercaptopropyl)triethoxysilane to functionalize oxide particles, 3-aminopropylphosphonic acid to activate carbide particles and a substrate-independent method based on the bioinspired polydopamine are developed and investigated in detail, together with the respective electroless plating baths, which often have to be specifically tailored regarding the different reactivity of the different molecules and substrates. Furthermore, in the fabrication of metallic patterns on substrates by electroless plating, new, simple, and cost-effective activation and metal deposition processes are desired. In this work, two new methods are presented, one based on the printing of (3-mercaptopropyl)triethoxysilane by microcontact printing, the other based on the capillary force lithography of polymethylmethacrylate.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Darmstadt.

Elektrische Verbindungen in der Elektroenergietechnik sind aus technologischen und konstruktiven Gründen beim Zusammenschalten von Betriebsmitteln in Schaltanlagen und auf den Übertragungswegen bei Kabeln und Freileitungen notwendig. Als elektrischer Kontakt wird die Berührung zweier stromführender Leiter verstanden. Eine Verbindungsart, die häufig bei Stromschienen eingesetzt wird, ist die Schraubenverbindung. Um eine Lebensdauer dieser Verbindung von üblicherweise 50 Jahren und mehr zu gewährleisten, ist es notwendig, die Alterung abhängig von der Zeit und der Temperatur zu kennen. Neben dem Kraftabbau und den chemischen Reaktionen / Fremdschichtbildung bei Verbindungen mit Kupfer- oder Aluminiumleitern ist die Interdiffusion bei Bimetallverbindungen und bei Verbindungen mit beschichteten Kontaktpartnern von Bedeutung. In dieser Arbeit wurde der Kraftabbau bei Schraubenverbindungen mit Stromschienen aus Cu-ETP (Werkstoff-Nr. CW004A) und CuAg0,1P (Werkstoff-Nr. CW016A) im Temperaturbereich zwischen 105 °C und 160 °C untersucht. Es wurde die Kraft und der Widerstand an stromdurchflossenen Verbindungen abhängig von der Zeit bis zu 2,4 Jahren gemessen. Des Weiteren wurde der Einfluss von verschiedenen federnden und nicht federnden Elementen im Verbindungssystem auf den Kraftabbau untersucht. Es wurde eine statische Mindestverbindungskraft bestimmt, der Kraftabbau bis zu einer Lebensdauer von 50 Jahren berechnet und daraus eine Grenztemperatur für diese Verbindungsart bestimmt. Neben dem Kraftabbau wurde die Alterung durch Interdiffusion an Schraubenverbindungen mit verzinnten und versilberten Cu-ETP Stromschienen im Temperaturbereich zwischen 115 °C und 140 °C untersucht. Es wurde an stromdurchflossenen und im Wärmeschrank gelagerten Verbindungen der Verbindungswiderstand abhängig von der Zeit bis zu 2 Jahren gemessen. Die Langzeitversuche wurden durch mikroskopische Untersuchungen ergänzt, in denen die Dicke der sich gebildeten intermetallischen Phasen gemessen und bewertet wurde. Ergänzend zu den Langzeituntersuchungen wurden aktuelle Erkenntnisse zu den chemischen Reaktionen / Fremdschichtbildung auf Kupfer-, Silber- und Zinnoberflächen zusammengestellt und bewertet. / Electrical joints are necessary for technological and design reasons to connect electric equipment and to realize the transmission of electrical energy by cables and overhead lines. The contact between two current-flown electrical conductors is called electrical joint. One joint type often used is the bolted joint. To allow a lifetime of this joint of 50 years and longer it is necessary to know the ageing depend on time and temperature. In addition to ageing by force reduction and the chemical reactions / impurity layers at joints with copper und aluminium conductors, the interdiffusion has a great influence at bi-metal joints and joints with plated conductors. In this work the force reduction was analysed at bolted joints with bus bars made of Cu-ETP (material number CW004A) and CuAg0.1P (material number CW016A) in a temperature range between 105 °C and 160 °C. The joint force and the joint resistance were measured time-depended at current-flown joints up to 2.4 years. Furthermore the influence on the force reduction by different resilient und non-resilient elements in the joint system was tested. There was a minimum static joint force appointed and the force reduction calculated to a lifetime of 50 years. Out of these results a category temperature for these joints was defined. Additionally the ageing due to interdiffusion at bolted joints with tin and silver plated Cu-ETP bus bars was analysed at the temperatures 115 °C and 140 °C. At joints aged by current-flown and in the heating cabinet the joint resistance was measured time-dependent up to 2 years. These long-term tests were supplemented by microscopic examinations. The thickness of the grown intermetallic compounds was measured and stated. Additional to the long-term tests the topical knowledge to chemical reactions / impurity layers at copper, silver and tin surfaces was composed and stated.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit neuartigen Kupfer(I)- und Ruthenium(II)-komplexen und deren Verwendung als CVD-/ALD-Precursoren. Die Synthese Lewis-Basen-stabilisierter Kupfer(I)-β-Diketonat- bzw. -Carboxylat-Komplexe des Typs [LnMX] (M = Cu(I), X = Acetylacetonat, Iminopentenolat, Carboxylat; L = Phosphan PR3, Phos-phit P(OR)3; R = einbindiger, organischer Rest) standen hierbei im Vordergrund. Verbin-dungen des Typs [(PR3)MX] dienten als Ausgangsverbindungen zur Darstellung einkerni-ger Komplexe mit σ Donorliganden. Durch die Wahl der Lewis-Base sowie des β-Diketonato- bzw. Carboxylato-Fragmentes war es möglich, Einfluss auf die Eigenschaften der erhaltenen Komplexe zu nehmen. Somit waren auch die Untersuchung der thermischen Eigenschaften sowie das Abscheideverhalten der Komplexe während der MOCVD zu ana-lysieren. Thermogravimetrische Untersuchungen bzw. MOCVD-Versuche liessen Rück-schlüsse auf die Eignung der Komplexe des Typs [(PR3)MX] zur Abscheidung elementa-ren Kupfers zu. Des Weiteren wurde die Eignung von Ruthenium-Komplexen des Typs RuX2 (X = substituierte Cyclopentadienyle, 2,4-Dimethylpentadienyl, 4-Methylpent-3-en-2-on-yl) zur Erzeugung von elementaren bzw. oxidierten Rutheniums während MOCVD-Versuchen untersucht. Vorhergehende thermische Untersuchungen an den synthetisierten Komplexen liessen erste Rückschlüsse auf deren Eigenschaften zu. Da der Dampfdruck der für CVD-Zwecke eingesetzten Precursoren besonders interessant ist, wurden diese für die verwendeten Ruthenium-Komplexe bestimmt und sowohl untereinander als auch mit Lite-raturwerten verglichen. Ausgewählte Ruthenium-Komplexe wurden zur Erzeugung metal-lischer oder oxidischer Schichten während MOCVD-Versuchen eingesetzt.

In der vorliegenden Arbeit werden M(II)-Formiat-Komplexe mit M=Cu, Ni, Zn beschrieben. Das themogravimetrische Verhalten dieser Komplexe wird vorgestellt. TG-MS-Untersuchungen geben erste Hinweise auf das Metallisierungsverhalten obiger Spezies. Die Charakterisierung der entsprechenden Komplexe erfolgte durch die Elementaranalyse, IR-Spektroskopie sowie in einzelnen Fällen durch die Einkristallröntgendiffraktometrie.