Berlin, Freie University, Diss., 2002. / Dateiformat: zip, Dateien im PDF-Format.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese und Charakterisierung ethylenglykolfunktionalisierter Carboxylate der Münzmetalle sowie deren Verwendung als Präkursoren in der Herstellung von Nanopartikeln und leitfähigen Metallschichten. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Verwendung von Kupfer(II)-carboxylaten zur Herstellung von druckbaren Kupfertinten. Es wird gezeigt, wie zentrale Präkursoreigenschaften durch Variation der Carboxylatreste optimiert werden können. Einen zweiten Schwerpunkt bildet die Herstellung von Kupfernanopartikeln durch thermische Zersetzung ethylenglykolfunktionalisierter Kupfercarboxylate. Der Einsatz von Bis- und Tris(triphenylphosphan)kupfer(I)-carboxylaten ermöglicht hierbei die Herstellung von oxidfreien sphärischen Kupfernanopartikeln sowie von Kupferstäbchen unter einfachen experimentellen Bedingungen. Weitere Arbeiten widmen sich der Verwendung von ethylenglykolfunktionalisierten Silber(I)-carboxylaten zur Synthese von Silbernanopartikeln. Der entwickelte Prozess erlaubt die Herstellung blättchenförmiger Silbernanopartikel bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen. Auch die Herstellung von blättchenförmigen Kupfersulfidpartikeln durch Thermolyse eines ethylenglykolfunktionalisierten Bis(triphenylphosphan)kupfer(I)-thiocarboxylates wird beschrieben. Schließlich wird gezeigt, wie thermolytisch hergestellte Goldnanopartikel an ethylenglykolfunktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren abgeschieden werden können. Der Prozess wurde auf einem Wafer durchgeführt. Die erhaltenen Strukturen ermöglichen eine Verwendung als optischer Sensor.

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.

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.

Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, Cu(Ag)-Dünnschichten als potentiellen Werkstoff für Leiterbahnen in der Mikroelektronik zu untersuchen. Für die Beurteilung dieses Materialsystems wurden vier Schwerpunkte bezüglich der Schichtcharakterisierung definiert: Herstellung, Gefüge, thermomechanische Eigenschaften, Elektromigrationsresistenz. Grundlage sämtlicher Untersuchungen ist eine geeignete Probenpräparation. In Anlehnung an Technologien, die zur Zeit bei der Herstellung von reinen Cu-Leiterbahnen Anwendung finden, erfolgte die Beschichtung der Cu(Ag)-Schichten (Dicke bis 1 µm) galvanisch aus einem schwefelsauren Elektrolyten unter Additiveinsatz auf thermisch oxidierten Siliziumwafern. Hierbei war nicht nur die Abscheidung von ganzflächigen Dünnschichten, sondern auch die Beschichtung auf strukturierte Substrate von Interesse. Die erzeugten Schichtproben werden in ihren Gefügeeigenschaften, vergleichend zu reinen Kupferschichten, charakterisiert. Hierzu zählen Korngrößen und -orientierungen, thermisches Gefügeverhalten, Einbau, Verteilung und Segregation von Silber und Fremdstoffen sowie die elektrischen Eigenschaften. Von grundsätzlicher Bedeutung für das Elektromigrationsverhalten und damit für die Zuverlässigkeit und das Leistungsvermögen sind die thermomechanischen Eigenschaften. Diese werden an ausgedehnten Schichten mit der Substratkrümmungsmessung bis zu Temperaturen von 500°C beschrieben. Die Diskussion des mechanischen Schichtverhaltens umfasst sowohl thermische als auch temporale Charakteristika. Die Untersuchungen geben einen Einblick in die wirkenden Mechanismen des Stofftransports und des Spannungsabbaus. Den Abschluss der Arbeit stellen erste Experimente zum Elektromigrationsverhalten der Cu(Ag)-Dünnschichten dar. Den Kern dieser Analysen bilden Messungen an sog. Blech-Strukturen (Materialdriftexperimente). Hierbei werden geeignete Technologien für die mikrotechnologische Herstellung von derartigen Cu(Ag)-Strukturen vorgestellt. Anhand erster Messungen wird das Elektromigrationsverhalten von Cu(Ag)-Metallisierungen in seinen Grundcharakteristika beschrieben.

Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, Cu(Ag)-Dünnschichten als potentiellen Werkstoff für Leiterbahnen in der Mikroelektronik zu untersuchen. Für die Beurteilung dieses Materialsystems wurden vier Schwerpunkte bezüglich der Schichtcharakterisierung definiert: Herstellung, Gefüge, thermomechanische Eigenschaften, Elektromigrationsresistenz. Grundlage sämtlicher Untersuchungen ist eine geeignete Probenpräparation. In Anlehnung an Technologien, die zur Zeit bei der Herstellung von reinen Cu-Leiterbahnen Anwendung finden, erfolgte die Beschichtung der Cu(Ag)-Schichten (Dicke bis 1 µm) galvanisch aus einem schwefelsauren Elektrolyten unter Additiveinsatz auf thermisch oxidierten Siliziumwafern. Hierbei war nicht nur die Abscheidung von ganzflächigen Dünnschichten, sondern auch die Beschichtung auf strukturierte Substrate von Interesse. Die erzeugten Schichtproben werden in ihren Gefügeeigenschaften, vergleichend zu reinen Kupferschichten, charakterisiert. Hierzu zählen Korngrößen und -orientierungen, thermisches Gefügeverhalten, Einbau, Verteilung und Segregation von Silber und Fremdstoffen sowie die elektrischen Eigenschaften. Von grundsätzlicher Bedeutung für das Elektromigrationsverhalten und damit für die Zuverlässigkeit und das Leistungsvermögen sind die thermomechanischen Eigenschaften. Diese werden an ausgedehnten Schichten mit der Substratkrümmungsmessung bis zu Temperaturen von 500°C beschrieben. Die Diskussion des mechanischen Schichtverhaltens umfasst sowohl thermische als auch temporale Charakteristika. Die Untersuchungen geben einen Einblick in die wirkenden Mechanismen des Stofftransports und des Spannungsabbaus. Den Abschluss der Arbeit stellen erste Experimente zum Elektromigrationsverhalten der Cu(Ag)-Dünnschichten dar. Den Kern dieser Analysen bilden Messungen an sog. Blech-Strukturen (Materialdriftexperimente). Hierbei werden geeignete Technologien für die mikrotechnologische Herstellung von derartigen Cu(Ag)-Strukturen vorgestellt. Anhand erster Messungen wird das Elektromigrationsverhalten von Cu(Ag)-Metallisierungen in seinen Grundcharakteristika beschrieben.