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Ziel dieser Arbeit war es, das Potenzial von p-tert-Butyltetramercaptotetrathiacalix[4]aren (H4(MTC[4])) zum Aufbau von mehrkernigen Komplexen mit weichen Metallionen mit d10-Elektronenkonfiguration zu untersuchen. H4(MTC[4]) bietet im Vergleich zum bekannteren p-tert-Butylcalix[4]aren erweiterte Bindungsmöglichkeiten für Metallionen an den Thioetherbrücken. Die Funktion der Metallionen Cu(I) und Zn(II) in biologischen Systemen lieferte die anfängliche Inspiration, jedoch erschien auch die Untersuchung anderer Metalle wie Nickel, Silber und Gold in Verbindung mit (MTC[4])4- Liganden lohnenswert, da diese Metalle durch ihre jeweils bevorzugten Koordinationsgeometrien neue Strukturen und Koordinationsmöglichkeiten an H4(MTC[4]) aufzeigen könnten. In Experimenten mit Kupfer(I)-Ionen konnten der Kupferkomplex [(Ph3PCu)4(MTC[4])] sowie das Hexamer [Cu4(MTC[4])]6 hergestellt und charakterisiert werden. [Cu4(MTC[4])]6 weist eine einzigartige, supramolekulare, hohle Cu24S48-Käfigstruktur auf. Die [Cu4(MTC[4])]-Einheiten werden durch Cu2S2-Motive verknüpft, die extrem kurze Cu···Cu-Abstände aufweisen. Durch NMR-Experimente wurde gezeigt, dass die Hohlräume von [Cu4(MTC[4])]6 in Lösung Acetonitril und Methan aufnehmen können. In Experimenten mit Silber(I)-Ionen wurden die Molekülstrukturen der Silberkomplexe [(Ph3PAg)2AgH(MTC[4])], [(Ph3PAg)4AgCl(MTC[4])] und [(Ph3PAg)4(MTC[4])] bestimmt. Diese zeigen, dass H4(MTC[4]) gegenüber Silber- und Kupferionen ein ähnliches Koordinationsverhalten aufweist. In Experimenten mit Gold(I)-vorläufern war es möglich, zu steuern, wie viele Metallionen ein einzelnes Molekül H4(MTC[4]) koordiniert. Die Komplexe [(Ph3PAu)2H2(MTC[4])], [(Me3PAu)3H(MTC[4])] und [(Me3PAu)4TlCl(MTC[4])] wurden synthetisiert. Diese bieten teilweise durch vorhandene freie Thiolfunktionen Potenzial für die Synthese heterometallischer Komplexe. / It was the aim of this work, to assess the potential of p-tert-Butyltetramercaptotetrathiacalix[4]arene (H4(MTC[4])) to create multinuclear complexes with soft metal ions of d10 electron configuration. In contrast to the more known p-tert-Butylcalix[4]aren, H4(MTC[4]) offers extended possibilities for the coordination of metal ions at the thioether groups. While this work was initially inspired by the function of Cu(I) and Zn(II) ions in biological systems, the metal ions, which were incorporated into the Calixarene, were soon expanded by Ni(II), Ag(I) and Au(I) ions. Through their different preferred coordination geometries, these metal ions could yield new information about coordination modes of H4(MTC[4]). In experiments with copper(I) ions the complex [(Ph3PCu)4(MTC[4])] and the hexamer [Cu4(MTC[4])]6 were synthesized and characterized. [Cu4(MTC[4])]6 consists of a unique, supramolecular hollow Cu24S48 cage structure. The [Cu4(MTC[4])] units are connected by Cu2S2 motivs, which display extraordinary short Cu···Cu distances. An investigation by NMR spectroscopy indicated that the cavities of [Cu4(MTC[4])] in solution can hold acetonitrile or methane molecules. In experiments with silver(I) ions, the molecular structures of the compounds [(Ph3PAg)2AgH(MTC[4])], [(Ph3PAg)4AgCl(MTC[4])] and [(Ph3PAg)4(MTC[4])] were determined. In these compounds H4(MTC[4]) exhibits a similar coordination behaviour towards Ag(I) ions as it does towards Cu(I) ions. In experiments with gold(I) precursors it was possible to control how many gold(I) ions were coordinated by H4(MTC[4]). The complexes [(Ph3PAu)2H2(MTC[4])], [(Me3PAu)3H(MTC[4])] and [(Me3PAu)4TlCl(MTC[4])] were synthesized and studied. Due to their free thiol functions, they are potential precursors for the synthesis of heterometallic complexes.

The factors governing electronic transport properties of copper and gold atomic-size contacts are theoretically examined in the present work. A two-terminal conductor using crystalline electrodes is adopted. The non-equilibrium Green’s function combined with the density functional tight-binding method is employed via gDFTB simulation tool to calculate the transport at both equilibrium and non-equilibrium conditions. The crystalline orientation, length, and arrangement of electrodes have very weak influence on the electronic characteristics of the considered atomic wires. The wire width is found to be the most effective geometric aspect determining the number of conduction channels. The obtained conductance oscillation and linear current-voltage curves are interpreted. To analyze the conduction mechanism in detail, the transmission channels and their decomposition to the atomic orbitals are calculated in copper and gold single point contacts. The presented results offer a possible explanation for the relation between conduction and geometric structure. Furthermore, the results are in good agreement with available experimental and theoretical studies. / In der vorliegenden Arbeit werden die wesentlichen Faktoren, die die elektronischen Transporteigenschaften von Kontaktstrukturen atomarer Größe aus Kupfer bzw. Gold bestimmen, theoretisch untersucht. Untersuchungsgegenstand ist eine leitfähige Struktur zwischen zwei kristallinen Elektroden. Um Transportberechungen sowohl unter Gleichgewichts- als auch unter Nicht-Gleichgewichts-Bedingungen durchführen zu können, wird die Simulations-Software gDFTB, die auf dem Nicht-Gleichgewichts-Green-funktionenformalismus in Kombination mit der Dichtefunktional-Tight-Binding-Methode beruht, eingesetzt. Die elektronischen Eigenschaften der betrachteten atomaren Drähte werden nur sehr schwach von ihrer kristallinen Orientierung, ihrer Länge und der Elektrodenanordnung beeinflusst. Als effektivster geometrischer Faktor wurde der Leiterquerschnitt gefunden, weil dieser die Anzahl der Leitungskanäle bestimmt. Darüber hinaus werden die erhaltenen Leitfähigkeitsoszillationen und die linearen Strom-Spannungs-Kennlinien erklärt. Für eine detaillierte Analyse des Leitungsmechanismus werden bei den Ein-Atom-Kontakten aus Kupfer und Gold die Übertragungskanäle und ihre Aufspaltung in Atomorbitale betrachtet. Die präsentierten Ergebnisse bieten eine mögliche Erklärung für den Zusammenhang zwischen Leitfähigkeit und geometrischer Struktur. Die Resultate zeigen eine akzeptable Übereinstimmung mit den verfügbaren experimentellen und theoretischen Studien.

The factors governing electronic transport properties of copper and gold atomic-size contacts are theoretically examined in the present work. A two-terminal conductor using crystalline electrodes is adopted. The non-equilibrium Green’s function combined with the density functional tight-binding method is employed via gDFTB simulation tool to calculate the transport at both equilibrium and non-equilibrium conditions. The crystalline orientation, length, and arrangement of electrodes have very weak influence on the electronic characteristics of the considered atomic wires. The wire width is found to be the most effective geometric aspect determining the number of conduction channels. The obtained conductance oscillation and linear current-voltage curves are interpreted. To analyze the conduction mechanism in detail, the transmission channels and their decomposition to the atomic orbitals are calculated in copper and gold single point contacts. The presented results offer a possible explanation for the relation between conduction and geometric structure. Furthermore, the results are in good agreement with available experimental and theoretical studies. / In der vorliegenden Arbeit werden die wesentlichen Faktoren, die die elektronischen Transporteigenschaften von Kontaktstrukturen atomarer Größe aus Kupfer bzw. Gold bestimmen, theoretisch untersucht. Untersuchungsgegenstand ist eine leitfähige Struktur zwischen zwei kristallinen Elektroden. Um Transportberechungen sowohl unter Gleichgewichts- als auch unter Nicht-Gleichgewichts-Bedingungen durchführen zu können, wird die Simulations-Software gDFTB, die auf dem Nicht-Gleichgewichts-Green-funktionenformalismus in Kombination mit der Dichtefunktional-Tight-Binding-Methode beruht, eingesetzt. Die elektronischen Eigenschaften der betrachteten atomaren Drähte werden nur sehr schwach von ihrer kristallinen Orientierung, ihrer Länge und der Elektrodenanordnung beeinflusst. Als effektivster geometrischer Faktor wurde der Leiterquerschnitt gefunden, weil dieser die Anzahl der Leitungskanäle bestimmt. Darüber hinaus werden die erhaltenen Leitfähigkeitsoszillationen und die linearen Strom-Spannungs-Kennlinien erklärt. Für eine detaillierte Analyse des Leitungsmechanismus werden bei den Ein-Atom-Kontakten aus Kupfer und Gold die Übertragungskanäle und ihre Aufspaltung in Atomorbitale betrachtet. Die präsentierten Ergebnisse bieten eine mögliche Erklärung für den Zusammenhang zwischen Leitfähigkeit und geometrischer Struktur. Die Resultate zeigen eine akzeptable Übereinstimmung mit den verfügbaren experimentellen und theoretischen Studien.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Übertragung der aus der Siliziumtechnologie bekannten Präzision der Strukturierung und die Zuverlässigkeit der Verbindungstechnologie auf andere Materialien wie Kupfer und PMMA. Diese Untersuchung ist auf die Entwicklung der Teiltechnologien Strukturierung und Integration fokussiert und konzentriert sich insbesondere auf die Kombination von Mikrostrukturierung und dreidimensionalen Aufbautechniken einschließlich vertikaler fluidischer Durchkontaktierungen bei den Materialien Silizium, Kupfer und Kunststoff (PMMA). Eine begleitende Charakterisierung und messtechnische Bewertung gestattet die Weiterentwicklung während der Experimentedurchführung und erweitert den Stand der Wissenschaft hinsichtlich der genannten Kombinationen. / The work describes the transfer of well known high precisive and reliable micro technologies for patterning and packaging of Silicon to new materials like Copper and PMMA. This investigation is focused on special patterning technologies and system integration aspects. Furthermore the development of material-dependent micro patterning technologies and multi layer packaging techniques including vertical fluidic interconnects using materials like Silicon, Copper, and PMMA (polymer) is shown. An accompanying characterization and measurement-based evaluation enables the ongoing development while performing experimental analysis. At least a higher state of the art for these complex combinations is reached.

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.

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.

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-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.

All cells maintain essential metal nutrients at optimal levels by metal homeostasis. P-type ATPases, a crucial superfamily of integral membrane proteins, are involved in the active transport of metal ions across biological membranes driven by the motive force of ATP- hydrolysis. The PIB-type ATPase subfamily, also called CPx-ATPases, fulfills a key role in heavy metal homoeostasis among the most widespread species from bacteria to human. In humans, the defect in copper transporters is the direct cause of severe neurological and hepatic disorders such as Wilson and Menkes diseases, therefore, understanding the molecular function of these pumps is of paramount importance in human health. Cu+-ATPases have two transmembrane metal binding sites (TM-MBS) and three cytosolic domains, namely the actuator (A-domain) and phosphorylation and nucleotide-binding domain (PN), and regulatory N-terminal heavy metal binding domain (HMBD). Here, we have studied the Legionella pneumophila CopA (LpCopA) and its isolated cytosolic domains to improve our understanding of the functional interaction of the protein domains during metal transport relate this to the known structure of this ATPase. To elucidate how cytosolic ligands (Cu+ and nucleotide) stimulate the interactions among the cytosolic domains and may transmit conformational changes to the TM-MBS, the interactions among recombinant isolated cytosolic domains were first examined biochemically by co-purification and spectroscopically by circular dichroism, time-resolved fluorescence and site-directed fluorescent labeling assays. The Cu+-dependent interaction between the A-domain and HMBD has been postulated as a mechanism for activating the ATPase cycle. This question was addressed here by studying copper-dependent interactions between the isolated expressed domains. Spectroscopic evidence is provided that an HMBD-A complex is formed in the presence of Cu+ which binds with 100-200 nM affinity to the recombinant HMBD. In contrast, the A-domain interacts with the PN domain in a nucleotide-dependent fashion. This molecular recognition is required for the dephosphorylation step in the catalytic cycle. The interaction was investigated in more detail by the use of a decameric peptide derived from the PN-binding interface of the A-domain and carrying the conserved TGE-motif involved in dephosphorylation. Its binding to the isolated PN domain in a weakly nucleotide-dependent manner, is demonstrated here by stopped-flow fluorescence spectroscopy. Several ATPase assays were modified to assess the functionality of the PN-domain and full length LpCopA. The peptide was found to reduce the catalytic turnover of full length LpCopA. This agrees with the expected slowing down of the reformation of the PN-A-domain interaction since the peptide occupies their binding interface. Thus, the synthetic peptide provides a means to study specifically the influence of PN-A-domain interactions on the structure and function of LpCopA. This was done by time-correlated single photon counting (TCSPC) method. The time-dependent Stokes shift of the environmentally sensitive fluorophore BADAN which was covalently attached to the conserved CPC-motif in the TM-MBS was measured. The data indicate that the interior of the ATPase is hydrated and the mobility of the intra-protein water varies from high to low at C382 at the “luminal side” and C384 at the “cytosolic side” of the TM-MBS, respectively. This finding is consistent with the recent MD simulation of LpCopA, bringing the first experimental evidence on a luminal-open conformation of E2~P state. The A-domain-derived decapeptide, although binding to the cytosolic head piece, induces structural changes also at the TM-MBS. The peptide-stabilized state (with a disrupted PN-A interface) renders the C384 environment more hydrophobic as evidenced by TCSPC. Taken together, the data from cytosolic domain interactions, ATPase assays and of time-dependent Stoke shift analyses of BADAN-labeled LpCopA reveal the presence of hydrated intramembraneous sites whose degree of hydration is regulated by the rearrangement of cytosolic domains, particularly during the association and dissociation of the PN-A domains. Copper affects this arrangement by inducing the linkage of the A-domain to the HMBD. The latter appears to play not only an autoinhibitory but also a chaperone-like role in transferring Cu+ to the TM-MBS during catalytic turnover.