The use of short columns, higher carrier gas velocity and fast temperature programs in Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography coupled to Time-of- Flight Mass Spectrometry (GC x GC/TOFMS) technique is expected to increase the speed of analysis up to several orders of magnitude when compared to conventional gas chromatography (GC) or gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS). A systematic evaluation of the GC x GC/TOFMS configuration for high-speed applications has received little attention in the literature. The feasibility of High Speed Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography coupled to Mass Spectrometry (High speed GC x GC/MS) for complex mixtures has been investigated in this thesis. A particular focus was placed on comparing conventional scanning quadrupole mass spectrometry (qMS) with a newly available non-scanning time-of-flight instruments (TOFMS). Experiments were carried out using GC/qMS, GC x GC/qMS, GC/TOFMS and GC x GC/TOFMS both in normal (slow) and fast temperature rates coupled with high frequency modulation in GC x GC. Initially a complex mixture consists of 24 semivolatile compounds was used as the analyte for the above purpose. In the initial experiments parameters like acquisition rate and duty cycle for qMS were determined to evaluate the effectiveness of the instrument for fast analysis. The practical duty cycle value obtained for the qMS was only about 18 % for single ion and one compound at a dwell time of 10 ms in SIM mode. In both high-speed GC/qMS and high-speed GC x GC/qMS techniques only about 40 % of the components in the complex mixture were found to be well separated. The acquisition rate of scanning instruments like qMS is incompatible for fast eluting peaks in high speed GC. TOFMS that has an acquisition rate of several hundred spectra per second offer the potential to define the fast GC peaks accurately. The high quality spectra from TOFMS also enable deconvolution of coeluting peaks in the complex mixtures. The advantage of the automated spectral deconvolution is demonstrated for the identification of the coeluting peaks in the complex mixtures. Coelution of peaks is also observed with highspeed GC/TOFMS technique. The high-speed GC x GC/TOFMS was also tested with two different analyte system ??? A pesticide mixture and platformate (an aromatic mixture) to evaluate the suitability for high-speed analysis of complex mixtures. A poor resolution was observed for the pesticide mixture in the two-dimensional plane and it appeared, as there was nearly no orthogonal separation in the second dimension. The platformate mixture displayed a better two-dimensional separation. Chromatographic peak resolution is not really a primary requirement for locating and identifying the coeluting compounds in high-speed GC x GC/TOFMS technique. However, it was observed that the high-speed GC x GC/TOFMS too faced problem to unscramble the mass spectra of those compounds with similar structure and sharing the same unique masses.

The use of short columns, higher carrier gas velocity and fast temperature programs in Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography coupled to Time-of- Flight Mass Spectrometry (GC x GC/TOFMS) technique is expected to increase the speed of analysis up to several orders of magnitude when compared to conventional gas chromatography (GC) or gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS). A systematic evaluation of the GC x GC/TOFMS configuration for high-speed applications has received little attention in the literature. The feasibility of High Speed Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography coupled to Mass Spectrometry (High speed GC x GC/MS) for complex mixtures has been investigated in this thesis. A particular focus was placed on comparing conventional scanning quadrupole mass spectrometry (qMS) with a newly available non-scanning time-of-flight instruments (TOFMS). Experiments were carried out using GC/qMS, GC x GC/qMS, GC/TOFMS and GC x GC/TOFMS both in normal (slow) and fast temperature rates coupled with high frequency modulation in GC x GC. Initially a complex mixture consists of 24 semivolatile compounds was used as the analyte for the above purpose. In the initial experiments parameters like acquisition rate and duty cycle for qMS were determined to evaluate the effectiveness of the instrument for fast analysis. The practical duty cycle value obtained for the qMS was only about 18 % for single ion and one compound at a dwell time of 10 ms in SIM mode. In both high-speed GC/qMS and high-speed GC x GC/qMS techniques only about 40 % of the components in the complex mixture were found to be well separated. The acquisition rate of scanning instruments like qMS is incompatible for fast eluting peaks in high speed GC. TOFMS that has an acquisition rate of several hundred spectra per second offer the potential to define the fast GC peaks accurately. The high quality spectra from TOFMS also enable deconvolution of coeluting peaks in the complex mixtures. The advantage of the automated spectral deconvolution is demonstrated for the identification of the coeluting peaks in the complex mixtures. Coelution of peaks is also observed with highspeed GC/TOFMS technique. The high-speed GC x GC/TOFMS was also tested with two different analyte system ??? A pesticide mixture and platformate (an aromatic mixture) to evaluate the suitability for high-speed analysis of complex mixtures. A poor resolution was observed for the pesticide mixture in the two-dimensional plane and it appeared, as there was nearly no orthogonal separation in the second dimension. The platformate mixture displayed a better two-dimensional separation. Chromatographic peak resolution is not really a primary requirement for locating and identifying the coeluting compounds in high-speed GC x GC/TOFMS technique. However, it was observed that the high-speed GC x GC/TOFMS too faced problem to unscramble the mass spectra of those compounds with similar structure and sharing the same unique masses.

Ruthenium und sein elektrisch leitfähiges Rutheniumdioxid sind viel versprechende Kandidaten als Elektrodenmaterial in MIM (Metall-Isolator-Metall-)Kondensatoren mit Dielektrika hoher Permittivität der nächsten Generation von DRAM-Speichern, als Metall-Gate-Elektroden in p-Kanal-MOS-Transistoren mit Dielektrika hoher Permittivität, oder als Keimschicht für das direkte elektrochemische Abscheiden von Kupfer-Verbindungsleitungen. Die ALD (Atomic Layer Deposition) wächst Materiallagen mit weniger als einem Zehntel Nanometer Dicke, indem sie gasförmige Reaktanden abwechselnd, getrennt durch spülende Pulse, in die Reaktionskammer einleitet. Dadurch wird mit jeder zyklischen Wiederholung idealerweise selbstbeendender Gas-Festkörper-Reaktionen stets die gleiche Materialmenge abgeschieden, bis eine gewünschte Schichtdicke erreicht ist. Wie sich die Oberfläche aufgrund der Materialabscheidung während der ALD verändert, kann mit der in-situ SE (Spektroskopische Ellipsometrie) beobachtet werden. Die Ellipsometrie misst die Änderung eines Polarisationszustands bzgl. Amplitude und Phase, nachdem ein einfallender Lichtstrahl von einer (schichtbedeckten) Oberfläche reflektiert und/ oder durch diese transmittiert wurde. Die ellipsometrischen Daten stehen im direkten Zusammenhang mit optischen Materialparametern und sind somit physikalisch interpretierbar – oder sie werden in eindimensionale strukturelle Größen, wie die Schichtdicke übersetzt. In dieser Arbeit wurden Schichten aus Ruthenium und Rutheniumdioxid aus dem Präkursor ECPR, [(Ethylcyclopentadienyl)(Pyrrolyl)Ruthenium(II)], und molekularem Sauerstoff per ALD gewachsen. Die chemischen Teilreaktionen wurden während der ALD von Ruthenium und Rutheniumoxid auf frisch abgeschiedenen Schichtoberflächen per in-situ SE, on-site QMS (Quadrupol-Massenspektrometrie) und XPS (Röntgen-Photoelektronenspektroskopie) ohne Vakuumunterbrechung untersucht. Weiterhin wurden Experimente zum Schichtwachstum auf frisch abgeschiedenen Schichten sowie einer Ausgangssubstratoberfläche per in-situ und Echtzeit SE durchgeführt, wobei die folgenden Prozessparameter variiert wurden: die jeweilige Reaktanden Dosis, die Spülpulsdauern, die Substrattemperatur und der Prozessdruck. / Ruthenium and its conductive dioxide are promising candidates as electrodes in MIM (metal-insulator-metal) capacitors with high-k dielectrics of next generation DRAM (dynamic random access memory) devices, as metal-gate electrodes in pMOS-Transistors with high-k dielectrics, and as seed layer for direct electrochemical plating of copper interconnects. ALD (atomic layer deposition) grows material layers with less than a tenth of a nanometer thickness, pulsing gaseous reactants alternately into the reaction chamber, separated by purging pulses. Hence, every cyclic recurrence of ideally self-limiting gas-solid reactions deposits a fixed material amount, until the desired film thickness is achieved. So, the surface’s chemical composition changes through material deposition during ALD, observable by in-situ SE (spectroscopic ellipsometry). Ellipsometry measures the polarization state’s change in amplitude and phase, reflecting an incident light beam from and/ or transmitting it through a (film covered) surface. The ellipsometric data can be directly related to optical material parameters and are thus physically interpretable – or they are translated into one-dimensional structural values, like film thickness. In this work, ruthenium and ruthenium dioxide films were grown from ECPR, [(ethylcyclopentadienyl)(pyrrolyl)ruthenium(II)], and molecular oxygen. Reaction mechanisms during the ALD of ruthenium and ruthenium dioxide were studied on the as-deposited film surface by in-situ SE, on-site QMS (quadrupole mass spectrometry), as well as XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) without vacuum break. Additionally, film growth experiments were performed on the as-deposited film and the initial substrate surface by in-situ and real-time SE, varying the process parameters: reactant doses, purging times, substrate temperature and total pressure.

Ruthenium und sein elektrisch leitfähiges Rutheniumdioxid sind viel versprechende Kandidaten als Elektrodenmaterial in MIM (Metall-Isolator-Metall-)Kondensatoren mit Dielektrika hoher Permittivität der nächsten Generation von DRAM-Speichern, als Metall-Gate-Elektroden in p-Kanal-MOS-Transistoren mit Dielektrika hoher Permittivität, oder als Keimschicht für das direkte elektrochemische Abscheiden von Kupfer-Verbindungsleitungen. Die ALD (Atomic Layer Deposition) wächst Materiallagen mit weniger als einem Zehntel Nanometer Dicke, indem sie gasförmige Reaktanden abwechselnd, getrennt durch spülende Pulse, in die Reaktionskammer einleitet. Dadurch wird mit jeder zyklischen Wiederholung idealerweise selbstbeendender Gas-Festkörper-Reaktionen stets die gleiche Materialmenge abgeschieden, bis eine gewünschte Schichtdicke erreicht ist. Wie sich die Oberfläche aufgrund der Materialabscheidung während der ALD verändert, kann mit der in-situ SE (Spektroskopische Ellipsometrie) beobachtet werden. Die Ellipsometrie misst die Änderung eines Polarisationszustands bzgl. Amplitude und Phase, nachdem ein einfallender Lichtstrahl von einer (schichtbedeckten) Oberfläche reflektiert und/ oder durch diese transmittiert wurde. Die ellipsometrischen Daten stehen im direkten Zusammenhang mit optischen Materialparametern und sind somit physikalisch interpretierbar – oder sie werden in eindimensionale strukturelle Größen, wie die Schichtdicke übersetzt. In dieser Arbeit wurden Schichten aus Ruthenium und Rutheniumdioxid aus dem Präkursor ECPR, [(Ethylcyclopentadienyl)(Pyrrolyl)Ruthenium(II)], und molekularem Sauerstoff per ALD gewachsen. Die chemischen Teilreaktionen wurden während der ALD von Ruthenium und Rutheniumoxid auf frisch abgeschiedenen Schichtoberflächen per in-situ SE, on-site QMS (Quadrupol-Massenspektrometrie) und XPS (Röntgen-Photoelektronenspektroskopie) ohne Vakuumunterbrechung untersucht. Weiterhin wurden Experimente zum Schichtwachstum auf frisch abgeschiedenen Schichten sowie einer Ausgangssubstratoberfläche per in-situ und Echtzeit SE durchgeführt, wobei die folgenden Prozessparameter variiert wurden: die jeweilige Reaktanden Dosis, die Spülpulsdauern, die Substrattemperatur und der Prozessdruck.:1 Einleitung I Theoretischer Teil 2 Ruthenium in der Mikroelektronik 2.1 Eigenschaften 2.2 Verwendung 3 Atomlagenabscheidung 3.1 Definition 3.2 Ablauf 3.3 Hauptmerkmale 3.4 Weit verbreitete Irrtümer 3.5 Vorteile und Grenzen 4 Massenspektrometrie 4.1 Definition 4.2 Verwendung 4.3 Aufbau und Funktionsweise von Massenspektrometern 4.4 Massenspektrometrische Methodik 5 Ellipsometrie 5.1 Definition 5.2 Vorteile und Grenzen 5.3 Physikalische Grundlagen 5.4 Messprinzip 5.4.1 Bestimmen ellipsometrischer Rohdaten 5.4.2 Interpretieren ellipsometrischer Spektren 5.4.3 Optisches Modellieren II Praktischer Teil 6 Chemische Reaktionen bei der thermischen Atomlagenabscheidung von Ruthenium und Rutheniumoxid 6.1 Vorbemerkungen 6.2 Untersuchungsmethoden 6.3 Beobachtungen mit Auswertung 6.3.1 Prozessgasanalyse per Quadrupol-Massenspektrometrie 6.3.2 In-situ und Echtzeit Spektroskopische Ellipsometrie 6.3.3 Röntgen-Photoelektronenspektroskopie ohne Vakuumunterbrechung 6.4 Formulieren vermuteter Teilreaktionen für das Ru Schicht-auf-Schicht Wachstum 6.4.1 Sauerstoff-Puls 6.4.2 Präkursor (ECPR)-Puls 6.4.3 ALD-Zyklus 6.5 Schlussfolgerungen für die ALD von Rutheniumoxid 6.6 Zwischenfazit und Ausblick 7 Spektroskopische Ellipsometrie in-situ und in Echtzeit während der thermischen Atomlagenabscheidung 7.1 Vorbemerkungen 7.2 Datenaufnahme 7.2.1 Messtechnische Eckdaten 7.2.2 Echtzeit-Begriff bei der Atomlagenabscheidung 7.2.3 Nasschemisches Vorbehandeln zum Zwecke definierter Ausgangssubstrate 7.2.4 Temperieren der Substrate 7.3 Interpretieren ellipsometrischer Spektren 7.4 Optisches Modellieren zur Datenauswertung 7.5 Fehlerabschätzung 8 Prozessentwicklung der thermischen Atomlagenabscheidung von Ruthenium 8.1 Vorbemerkungen 8.2 Untersuchungsmethoden 8.2.1 Schichtherstellung 8.2.2 Schichtcharakterisierung 8.3 Kennlinien der thermischen Ru-ALD 8.3.1 Zyklenanzahl 8.3.2 ECPR-Puls 8.3.3 Sauerstoff-Puls 8.3.4 Spülpulse 8.3.5 Substrattemperatur 8.3.6 Prozessdruck 8.4 Formulieren einer optimierten ALD-Prozesssequenz 8.5 Schichteigenschaften 9 Zusammenfassung und Ausblick III Anhang A Theoretische Grundlagen verwendeter Messtechnik B Parametereinflüsse im monomolekularen Wachstumsmodell C Weitere Abbildungen / Ruthenium and its conductive dioxide are promising candidates as electrodes in MIM (metal-insulator-metal) capacitors with high-k dielectrics of next generation DRAM (dynamic random access memory) devices, as metal-gate electrodes in pMOS-Transistors with high-k dielectrics, and as seed layer for direct electrochemical plating of copper interconnects. ALD (atomic layer deposition) grows material layers with less than a tenth of a nanometer thickness, pulsing gaseous reactants alternately into the reaction chamber, separated by purging pulses. Hence, every cyclic recurrence of ideally self-limiting gas-solid reactions deposits a fixed material amount, until the desired film thickness is achieved. So, the surface’s chemical composition changes through material deposition during ALD, observable by in-situ SE (spectroscopic ellipsometry). Ellipsometry measures the polarization state’s change in amplitude and phase, reflecting an incident light beam from and/ or transmitting it through a (film covered) surface. The ellipsometric data can be directly related to optical material parameters and are thus physically interpretable – or they are translated into one-dimensional structural values, like film thickness. In this work, ruthenium and ruthenium dioxide films were grown from ECPR, [(ethylcyclopentadienyl)(pyrrolyl)ruthenium(II)], and molecular oxygen. Reaction mechanisms during the ALD of ruthenium and ruthenium dioxide were studied on the as-deposited film surface by in-situ SE, on-site QMS (quadrupole mass spectrometry), as well as XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) without vacuum break. Additionally, film growth experiments were performed on the as-deposited film and the initial substrate surface by in-situ and real-time SE, varying the process parameters: reactant doses, purging times, substrate temperature and total pressure.:1 Einleitung I Theoretischer Teil 2 Ruthenium in der Mikroelektronik 2.1 Eigenschaften 2.2 Verwendung 3 Atomlagenabscheidung 3.1 Definition 3.2 Ablauf 3.3 Hauptmerkmale 3.4 Weit verbreitete Irrtümer 3.5 Vorteile und Grenzen 4 Massenspektrometrie 4.1 Definition 4.2 Verwendung 4.3 Aufbau und Funktionsweise von Massenspektrometern 4.4 Massenspektrometrische Methodik 5 Ellipsometrie 5.1 Definition 5.2 Vorteile und Grenzen 5.3 Physikalische Grundlagen 5.4 Messprinzip 5.4.1 Bestimmen ellipsometrischer Rohdaten 5.4.2 Interpretieren ellipsometrischer Spektren 5.4.3 Optisches Modellieren II Praktischer Teil 6 Chemische Reaktionen bei der thermischen Atomlagenabscheidung von Ruthenium und Rutheniumoxid 6.1 Vorbemerkungen 6.2 Untersuchungsmethoden 6.3 Beobachtungen mit Auswertung 6.3.1 Prozessgasanalyse per Quadrupol-Massenspektrometrie 6.3.2 In-situ und Echtzeit Spektroskopische Ellipsometrie 6.3.3 Röntgen-Photoelektronenspektroskopie ohne Vakuumunterbrechung 6.4 Formulieren vermuteter Teilreaktionen für das Ru Schicht-auf-Schicht Wachstum 6.4.1 Sauerstoff-Puls 6.4.2 Präkursor (ECPR)-Puls 6.4.3 ALD-Zyklus 6.5 Schlussfolgerungen für die ALD von Rutheniumoxid 6.6 Zwischenfazit und Ausblick 7 Spektroskopische Ellipsometrie in-situ und in Echtzeit während der thermischen Atomlagenabscheidung 7.1 Vorbemerkungen 7.2 Datenaufnahme 7.2.1 Messtechnische Eckdaten 7.2.2 Echtzeit-Begriff bei der Atomlagenabscheidung 7.2.3 Nasschemisches Vorbehandeln zum Zwecke definierter Ausgangssubstrate 7.2.4 Temperieren der Substrate 7.3 Interpretieren ellipsometrischer Spektren 7.4 Optisches Modellieren zur Datenauswertung 7.5 Fehlerabschätzung 8 Prozessentwicklung der thermischen Atomlagenabscheidung von Ruthenium 8.1 Vorbemerkungen 8.2 Untersuchungsmethoden 8.2.1 Schichtherstellung 8.2.2 Schichtcharakterisierung 8.3 Kennlinien der thermischen Ru-ALD 8.3.1 Zyklenanzahl 8.3.2 ECPR-Puls 8.3.3 Sauerstoff-Puls 8.3.4 Spülpulse 8.3.5 Substrattemperatur 8.3.6 Prozessdruck 8.4 Formulieren einer optimierten ALD-Prozesssequenz 8.5 Schichteigenschaften 9 Zusammenfassung und Ausblick III Anhang A Theoretische Grundlagen verwendeter Messtechnik B Parametereinflüsse im monomolekularen Wachstumsmodell C Weitere Abbildungen