In der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum von Ta- und TaN-Schichten auf Si- und SiO_2-Substraten untersucht Die Schichten werden dabei unter technologienahen Bedingungen mittels Magnetron-Sputtern abgeschieden. Die Untersuchungen erfolgen hauptsächlich mit winkelaufgelöster röntgenstrahlungsangeregter Photoelektronenspektroskopie (ARXPS). Die Analysen erfolgen in situ, ohne Unterbrechung des Ultrahochvakuums, um die Deposite vor Oxidation und Kontamination zu schützen. Zur zerstörungsfreien Tiefenprofilanalyse wird ein Quantifizierungsalgoritmus beschrieben und angewandt. Für die Kombination Ta/Si wird die Bildung einer zunächst unvollständigen TaSi_2-Schicht, danach das Aufwachsen von Ta auf diese Zwischenschicht beobachtet. Für die Kombination Ta/SiO_2 wird eine Reduktion des SiO_2-Substrates bei gleichzeitigem Aufwachsen von Ta-Oxiden beobachtet. Auf dem durchmischten Schichtstapel wächst danach Ta auf. Für die Kombination TaN/Si wird die Bildung einer Si-N-Zwischenschicht bei gleichzeitigem Wachsen einer TaN-Schicht beobachtet. Für die Kombination TaN/SiO_2 wird das Aufwachsen einer TaN-Schicht ohne Ausbilung von Zwischenschichten beobachtet. Das Wachstumsverhalten des Ta/Si-Systems wird zusätzlich mit in situ Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie untersucht. Es wurden Untersuchungen zur thermischen Stabilität von abgeschiedenen Schichten an den Systemen Ta/Si und TaN/SiO_2 durchgeführt. Als mögliche Alternative zur winkelaufgelösten XPS wurden Untersuchungen mittels synchrotronstrahlungsangeregter Photoelektronenspektroskopie bei variierter Anregungsenergie durchgeführt.

Aufgrund der höheren elektrischen Leitfähigkeit und des größeren Widerstandes gegen Elektromigration im Vergleich zum Aluminium wird seit einigen Jahren Kupfer als Leitbahnmaterial in der Mikroelektronik eingesetzt. Da Kupfer jedoch eine hohe Beweglichkeit in den für die Halbleitertechnologie relevanten Werkstoffen aufweist, sind zur Verhinderung einer Diffusion effektive Barrieren notwendig. Dabei muss die u. a. geforderte hohe thermische Stabilität der Barrierematerialien auch im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung der mikroelektronischen Bauelemente und damit der Reduzierung der Barriereschichtdicken sichergestellt sein. Im Rahmen der Arbeit wurden mittels Magnetron-Sputtern neben Ta- und TaN-Einfachschichten sowie Ta-TaN-Mehrfachschichten auch Ta-Si-N-Einfachschichten jeweils mit und ohne Cu-Metallisierung sowohl auf blanke als auch auf thermisch oxidierte Si-Scheiben abgeschieden. Die Dicken der Barriereeinzelschichten und die der Cu-Schichten betrugen 10 nm bzw. 50 nm. Die Beurteilung der Barrierestabilität sowie die Charakterisierung der Ausfallmechanismen erfolgten nach Wärmebehandlungen durch den kombinierten Einsatz von Röntgenstreumethoden, spektroskopischen sowie mikroskopischen Analyseverfahren. In Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung und damit von der Mikrostruktur im Ausgangszustand finden für die zwischen Kupfer und SiO2 abgeschiedenen Diffusionsbarrieren unterschiedliche Prozesse während thermischer Belastungen statt. Bei den mehrstufigen Ta-TaN-Barrieren setzt bereits bei T = 300 °C eine Umverteilung von Stickstoff ein, die bei T = 500 °C in der Bildung von Ta2N-Kristalliten resultiert. Im Fall der Ta-Si-N-Barrieren führt die vorhandene Cu-Metallisierung zu einer an der Cu/Barriere-Grenzfläche beginnenden Kristallisation. Dabei hängen sowohl deren Einsatzzeitpunkt während einer bei konstanter Temperatur durchgeführten Wärmebehandlung als auch das entstehende Kristallisationsprodukt von der Barrierezusammensetzung ab. Im Zuge der Kristallisation erfolgt die vollständige Zerstörung der ursprünglichen Schichtintegrität, so dass Kupfer in unmittelbaren Kontakt zum SiO2-Substrat gelangt. Der sensitive Nachweis einer Cu-Diffusion durch die Barriere erfolgte einerseits durch die Charakterisierung von Cu/Barriere/SiO2/Si-Systemen mit Hilfe spurenanalytischer Methoden und andererseits durch die Untersuchung von Proben mit geändertem Aufbau. Durch Abscheidung der Barrieren zwischen Kupfer und Silizium ist mittels Röntgenbeugung die nach Diffusion von Cu-Atomen ins Substrat einsetzende Bildung von Cu3Si detektierbar. Mit den kritischen Temperaturen für die Bildung dieses Kupfersilizids erfolgte die vergleichende Bewertung der thermischen Stabilitäten der Barrieren. Werden die dünnen Ta-basierten Schichten zusätzlich bezüglich ihres spezifischen elektrischen Widerstandes beurteilt, so stellt sich eine Ta56Si19N25-Diffusionsbarriere als am geeignetsten für den Einsatz in Cu-Metallisierungssystemen heraus. Die mikrostrukturellen Untersuchungen gestatten Aussagen zu den Versagensmechanismen der einzelnen Barrieren. Für die Ta-TaN-Mehrfachschichten wird durch die einsetzende Stickstoffumverteilung und die sich anschließende Ta2N-Bildung bereits frühzeitig die stabile Mikrostruktur der TaN-Schicht zerstört. Während für Ta-Si-N-Schichten mit einem N-Gehalt von bis zu 25 at.% eine Cu-Diffusion ins Substrat erst nach vorzeitiger Barrierekristallisation beobachtet wird, erfolgt sie im Fall der stickstoffreichen Ta-Si-N-Barrieren in einem Zustand, für den mittels Röntgenbeugung eine Kristallisation noch nicht nachweisbar ist. Die Untersuchung der Abhängigkeit der sich während des Cu-Schichtwachstums bzw. einer nachträglichen Wärmebehandlung ausbildenden Cu-Texturkomponenten von der chemischen Zusammensetzung der Unterlage erfolgte mittels röntgenographischer Texturanalyse. Zur Diskussion der beobachteten Vorzugsorientierungen wurde das Modell des zweidimensionalen Kornwachstums in dünnen Schichten herangezogen.

Aufgrund der höheren elektrischen Leitfähigkeit und des größeren Widerstandes gegen Elektromigration im Vergleich zum Aluminium wird seit einigen Jahren Kupfer als Leitbahnmaterial in der Mikroelektronik eingesetzt. Da Kupfer jedoch eine hohe Beweglichkeit in den für die Halbleitertechnologie relevanten Werkstoffen aufweist, sind zur Verhinderung einer Diffusion effektive Barrieren notwendig. Dabei muss die u. a. geforderte hohe thermische Stabilität der Barrierematerialien auch im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung der mikroelektronischen Bauelemente und damit der Reduzierung der Barriereschichtdicken sichergestellt sein. Im Rahmen der Arbeit wurden mittels Magnetron-Sputtern neben Ta- und TaN-Einfachschichten sowie Ta-TaN-Mehrfachschichten auch Ta-Si-N-Einfachschichten jeweils mit und ohne Cu-Metallisierung sowohl auf blanke als auch auf thermisch oxidierte Si-Scheiben abgeschieden. Die Dicken der Barriereeinzelschichten und die der Cu-Schichten betrugen 10 nm bzw. 50 nm. Die Beurteilung der Barrierestabilität sowie die Charakterisierung der Ausfallmechanismen erfolgten nach Wärmebehandlungen durch den kombinierten Einsatz von Röntgenstreumethoden, spektroskopischen sowie mikroskopischen Analyseverfahren. In Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung und damit von der Mikrostruktur im Ausgangszustand finden für die zwischen Kupfer und SiO2 abgeschiedenen Diffusionsbarrieren unterschiedliche Prozesse während thermischer Belastungen statt. Bei den mehrstufigen Ta-TaN-Barrieren setzt bereits bei T = 300 °C eine Umverteilung von Stickstoff ein, die bei T = 500 °C in der Bildung von Ta2N-Kristalliten resultiert. Im Fall der Ta-Si-N-Barrieren führt die vorhandene Cu-Metallisierung zu einer an der Cu/Barriere-Grenzfläche beginnenden Kristallisation. Dabei hängen sowohl deren Einsatzzeitpunkt während einer bei konstanter Temperatur durchgeführten Wärmebehandlung als auch das entstehende Kristallisationsprodukt von der Barrierezusammensetzung ab. Im Zuge der Kristallisation erfolgt die vollständige Zerstörung der ursprünglichen Schichtintegrität, so dass Kupfer in unmittelbaren Kontakt zum SiO2-Substrat gelangt. Der sensitive Nachweis einer Cu-Diffusion durch die Barriere erfolgte einerseits durch die Charakterisierung von Cu/Barriere/SiO2/Si-Systemen mit Hilfe spurenanalytischer Methoden und andererseits durch die Untersuchung von Proben mit geändertem Aufbau. Durch Abscheidung der Barrieren zwischen Kupfer und Silizium ist mittels Röntgenbeugung die nach Diffusion von Cu-Atomen ins Substrat einsetzende Bildung von Cu3Si detektierbar. Mit den kritischen Temperaturen für die Bildung dieses Kupfersilizids erfolgte die vergleichende Bewertung der thermischen Stabilitäten der Barrieren. Werden die dünnen Ta-basierten Schichten zusätzlich bezüglich ihres spezifischen elektrischen Widerstandes beurteilt, so stellt sich eine Ta56Si19N25-Diffusionsbarriere als am geeignetsten für den Einsatz in Cu-Metallisierungssystemen heraus. Die mikrostrukturellen Untersuchungen gestatten Aussagen zu den Versagensmechanismen der einzelnen Barrieren. Für die Ta-TaN-Mehrfachschichten wird durch die einsetzende Stickstoffumverteilung und die sich anschließende Ta2N-Bildung bereits frühzeitig die stabile Mikrostruktur der TaN-Schicht zerstört. Während für Ta-Si-N-Schichten mit einem N-Gehalt von bis zu 25 at.% eine Cu-Diffusion ins Substrat erst nach vorzeitiger Barrierekristallisation beobachtet wird, erfolgt sie im Fall der stickstoffreichen Ta-Si-N-Barrieren in einem Zustand, für den mittels Röntgenbeugung eine Kristallisation noch nicht nachweisbar ist. Die Untersuchung der Abhängigkeit der sich während des Cu-Schichtwachstums bzw. einer nachträglichen Wärmebehandlung ausbildenden Cu-Texturkomponenten von der chemischen Zusammensetzung der Unterlage erfolgte mittels röntgenographischer Texturanalyse. Zur Diskussion der beobachteten Vorzugsorientierungen wurde das Modell des zweidimensionalen Kornwachstums in dünnen Schichten herangezogen.

Im Fokus der vorliegenden Arbeit lag die Untersuchung polykristalliner TiO2:Ta-Schichten, hergestellt mittels Gleichstrom-Magnetron-Sputtern durch Verwendung reduzierter keramischer Targets und anschließender thermischer Nachbehandlung im Vakuum der zunächst nichtleitfähigen amorphen Precursorschichten. Es wurden die physikalischen Zusammenhänge, welche die strukturellen, elektrischen und optischen Eigenschaften der kristallinen TiO2:Ta-Schichten beeinflussen analysiert und dabei eine empfindliche Abhängigkeit vom Sauerstofffluss während der Abscheidung festgestellt. Es zeigte sich, dass die Verringerung der kinetischen Energie der Plasmateilchen beim Magnetron-Sputtern durch die Erhöhung des Gesamtdruckes vorteilhaft ist, um das Wachstum des gegenüber Rutil besser leitfähigen Anatas in Verbindung mit dem für niedrige Widerstände notwendigen Sauerstoffdefizit zu realisieren. Bei einem Gesamtdruck von 2 Pa abgeschiedene polykristalline TiO2:Ta-Schichten haben einen spezifischen Widerstand von 1,5·10-3 Ωcm, eine hohe Ladungsträgermobilität (≈8 cm2V-1s-1) und einen geringen Extinktionskoeffizienten von 0,006. Die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes vom Sauerstoffdefizit in der TiO2:Ta-Schicht wurde unter dem Gesichtspunkt der Ladungsträgeraktivierung sowie der Bildung von Ti-Fehlstellen diskutiert, welche vermutlich zur Kompensation und Lokalisierung von freien Elektronen beitragen. Darüber hinaus wurde zur effizienteren Gestaltung der thermischen Nachbehandlung die konventionelle Vakuumtemperung erstmalig erfolgreich durch die Blitzlampentemperung ersetzt. / The work is focused on understanding the physical processes responsible for the modification of the structural, electrical and optical properties of polycrystalline TiO2:Ta films formed by vacuum annealing of initially not conductive amorphous films deposited by direct current magnetron sputtering. It is shown that the oxygen deficiency of amorphous and annealed TiO2:Ta films, respectively, is critical to achieve low resistivity and high optical transmittance of the crystalline films. Increasing the total pressure during magnetron sputter deposition is shown to be beneficial to achieve the desired oxygen deficient anatase growth, which is discussed in terms of energetic particle bombardment. Polycrystalline anatase TiO2:Ta films of low electrical resistivity (1,5·10-3 Ωcm), high free electron mobility (≈8 cm2V-1s-1), and low extinction (0,006) are obtained in this way at a total pressure of 2 Pa. The dependence of the polycrystalline film electrical properties on the oxygen content is discussed in terms of Ta dopant electrical activation as well as transport limiting processes taking into account the formation of Ti-vacancies. In addition, the conventional vacuum annealing has been successfully substituted by the flash lamp annealing in the millisecond range.

<p> As a possible alternative for growing seed layers required for electrochemical Cu deposition of metallization systems in ULSI circuits, the atomic layer deposition (ALD) of Cu is under consideration. To avoid drawbacks related to plasma-enhanced ALD (PEALD), thermal growth of Cu has been proposed by two-step processes forming copper oxide films by ALD which are subsequently reduced. </p> <p> This talk, given at the 8th International Conference on Atomic Layer Deposition (ALD 2008), held in Bruges, Belgium from 29 June to 2 July 2008, summarizes the results of thermal ALD experiments from [(^<i>n</i>Bu₃P)₂Cu(acac)] precursor and wet O₂. The precursor is of particular interest as it is a liquid at room temperature and thus easier to handle than frequently utilized solids such as Cu(acac)₂, Cu(hfac)₂ or Cu(thd)₂. Furthermore the substance is non-fluorinated, which helps avoiding a major source of adhesion issues repeatedly observed in Cu CVD. </p> <p> As result of the ALD experiments, we obtained composites of metallic and oxidized Cu on Ta and TaN, which was determined by angle-resolved XPS analyses. While smooth, adherent films were grown on TaN in an ALD window up to about 130°C, cluster-formation due to self-decomposition of the precursor was observed on Ta. We also recognized a considerable dependency of the growth on the degree of nitridation of the TaN. In contrast, smooth films could be grown up to 130°C on SiO₂ and Ru, although in the latter case the ALD window only extends to about 120°C. To apply the ALD films as seed layers in subsequent electroplating processes, several reduction processes are under investigation. Thermal and plasma-assisted hydrogen treatments are studied, as well as thermal treatments in vapors of isopropanol, formic acid, and aldehydes. So far these attempts were most promising using formic acid at temperatures between 100 and 120°C, also offering the benefit of avoiding agglomeration of the very thin ALD films on Ta and TaN. In this respect, the process sequence shows potential for depositing ultra-thin, smooth Cu films at temperatures below 150°C. </p>

Summary (english): The thesis investigates the potential of thin films of Ta, Ti and W and their nitrides to suppress copper induced interactions in the contact area to silicon. Possible interactions between Cu and gaseos or solid materials within preparation and lifetime of an integrated circuit are summarized. The degradation mechanisms to be expected are the solution of Cu in Si and the formation of Cu3Si. Thin conductive diffusion barriiers are needed to suppress this mechanisms. The requirements on these barriers are discussed. The most important criterion, their resistivity, is determined by the place of application. The resitivity has to be lower than 100 mOhmcm for contacts and lower than 2000 mikroOhmcm for vias. The materials to be separated by a diffusion barrier can pass it by diffusion or the diffusion barrier can be destroyed by reaction (reactive diffusion). Therefore one can distinguish in passive and sacrificial barriers. The thin films were prepared by magnetron sputtering in Ar or Ar/N2 mixture. The films were characterized with respect to composition, phase/structure as well as their resulting electrical, optical, and mechanical properties. The appearance of new phases correlates with changes in process parameters like target voltage and condensation rate. All films - except for a small process window for amorphous/nanocrystalline WNx films - are polycrystalline. The influence of annealing steps in different ambients is investigated. Amorphous/nanocrystalline WNx films do recrystallize during annealing. For a direct contact of Cu to Si a sufficient energy supply during Cu depotsition or during following annealing (T> 200 °C) results in the formation of Cu3Si. The potential of diffusion barriers of different thicknesses and nitrogen contents to suppress this reaction is investigated for annealing steps up to 650 °C. The characterization is performed by analytical methods, sheet resistance measurements as well as leakage current measurements (pn, np and schottky diodes). A diffusion barrier is able to suppress the Cu3Si formation, until itself is consumed by silicidation or intermetallic phase formation. The metal nitrides are more stable, since the present metal nitrogen bonding has to be broken before these reactions can start. With the failure of a diffusion barrier a Cu Si contact occurs with the consequence of copper silicide formation. The silicidation can be either homogeneous (on a large area) or in the form of crystallites several mikrometers in diameter. The distance between the crystallites is up to several 100 mikrometers. It is shown, that results of a barrier evaluation can be paradox if different methods are applied to the same sample. The diffusion of Cu accross a barrier into Si can be shown using analytical methods, already before the formation of Cu3Si. However, the leakage current of pn or schottky diodes is not or not unequivocal modified by this diffusion. The leakage current does not change before the diodes are shorted by the Cu3Si formation. The results of parallel prepared references with Al metallization show, that the diffusion barriers are more stable in a Cu metallization than in an Al metallization. / Zusammenfassung (detusch): Die Arbeit beschreibt das Potential von Schichten des Ta, Ti, W und ihrer Nitride zur Unterdrückung kupferinduzierter Degradationen im Kontakt zu Silicium. Mögliche Wechselwirkungen zwischen Cu und den im Herstellungsprozess sowie der Lebensdauer von Schaltkreisen präsenten Gasen und Feststoffen werden zusammengestellt. Für das System Cu-Si sind als Degradationsmechanismen die Lösung von Cu und die Cu3Si Bildung zu erwarten. Die Anforderungen an die zur Unterdrückung der Degradationen notwendigen leitfähigen Diffusionsbarrieren werden diskutiert. Ihr spezifischer elektrischer Widerstand als wichtigstes Kriterium für die Integration wird vom Einsatzort bestimmt. Er muss für Kontakte unter 100 mOhm cm und für Vias unter 2000 mikroOhmcm liegen. Diffusionsbarrieren können von den zu trennenden Materialien durch Diffusion überwunden oder durch Reaktion (reaktive Diffusion) aufgezehrt werden. Damit kann in passive und Opferbarrieren unterschieden werden. Die Schichtherstellung erfolgt mit dem Verfahren der Magnetronzerstäubung in Ar oder Ar/N2 Atmosphäre. Sie werden hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Phase/Struktur sowie resultierender elektrischer, optischer und mechanischer Eigenschaften charakterisiert. Das Auftreten neuer Phasen korreliert mit Verlaufsänderungen einfach zugänglicher Prozessparameter wie Targetspannung und Kondensationsrate. Alle Schichten mit Ausnahme eines engen Prozessfensters für amorphes/nanokristallines WNx sind polykristallin. Der Einfluss von Temperungen in verschiedenen Medien wird untersucht. Amorphe/nanokristalline WNx Schichten rekristallisieren während Temperung. Für direkten Kontakt Cu zu Si führt ausreichende Energiezufuhr schon während der Abscheidung oder während nachfolgender Temperung (T> 200 °C) zur Cu3Si Bildung. Das Potential der Diffusionsbarrieren zur Unterdrückung dieser Reaktion wird für unterschiedliche Dicken und Stickstoffgehalte nach Temperungen bis maximal 650 °C untersucht. Dazu werden analytische Methoden, Schichtwiderstandsmessungen und Sperrstromdichtemessungen an pn, np und Schottkydioden eingesetzt. Die Diffusionsbarrieren können die Cu3Si Bildung unterdrücken, bis sie selbst durch Silicierung und/oder intermetallische Phasenbildung aufgezehrt sind. Die Nitride der Metalle sind thermisch stabiler, weil Metall Stickstoff Bindungen erst aufgebrochen werden müssen. Mit dem Versagen der Barrieren treffen Cu und Si zusammen - mit der Folge der Kupfersilicidbildung. Sie kann grossflächig oder in Form mikrometergrosser und einige 100 mikrometer voneinander entfernt liegender Kristallite stattfinden. Für beide Degradationsmechanismen kann gezeigt werden, dass eine Barrierebewertung für unterschiedliche Methoden paradoxe Ergebnisse liefern kann. Die Cu Diffusion über die Diffusionsbarriere in das Si kann mit analytischen Methoden schon vor der Cu3Si Bildung nachgewiesen werden. Der Sperrstrom von pn oder Schottkydioden wird dadurch nicht bzw. nicht eindeutig verändert. Er reagiert erst, wenn sie durch Cu3Si Wachstum kurzgeschlossen sind. Ergebnisse parallel präparierter Referenzen mit Al Metallisierung belegen, dass die Diffusionsbarrieren gegen Cu gleich oder besser wirken als gegen Al.

The thesis investigates the potential of thin films of Ta, Ti and W and their nitrides to suppress copper induced interactions in the contact area to silicon. Possible interactions between Cu and gaseos or solid materials within preparation and lifetime of an integrated circuit are summarized. The degradation mechanisms to be expected are the solution of Cu in Si and the formation of Cu3Si. Thin conductive diffusion barriiers are needed to suppress this mechanisms. The requirements on these barriers are discussed. The most important criterion, their resistivity, is determined by the place of application. The resitivity has to be lower than 100 mOhmcm for contacts and lower than 2000 mikroOhmcm for vias. The materials to be separated by a diffusion barrier can pass it by diffusion or the diffusion barrier can be destroyed by reaction (reactive diffusion). Therefore one can distinguish in passive and sacrificial barriers. The thin films were prepared by magnetron sputtering in Ar or Ar/N2 mixture. The films were characterized with respect to composition, phase/structure as well as their resulting electrical, optical, and mechanical properties. The appearance of new phases correlates with changes in process parameters like target voltage and condensation rate. All films - except for a small process window for amorphous/nanocrystalline WNx films - are polycrystalline. The influence of annealing steps in different ambients is investigated. Amorphous/nanocrystalline WNx films do recrystallize during annealing. For a direct contact of Cu to Si a sufficient energy supply during Cu depotsition or during following annealing (T> 200 °C) results in the formation of Cu3Si. The potential of diffusion barriers of different thicknesses and nitrogen contents to suppress this reaction is investigated for annealing steps up to 650 C. The characterization is performed by analytical methods, sheet resistance measurements as well as leakage current measurements (pn, np and schottky diodes). A diffusion barrier is able to suppress the Cu3Si formation, until itself is consumed by silicidation or intermetallic phase formation. The metal nitrides are more stable, since the present metal nitrogen bonding has to be broken before these reactions can start. With the failure of a diffusion barrier a Cu Si contact occurs with the consequence of copper silicide formation. The silicidation can be either homogeneous (on a large area) or in the form of crystallites several mikrometers in diameter. The distance between the crystallites is up to several 100 mikrometers. It is shown, that results of a barrier evaluation can be paradox if different methods are applied to the same sample. The diffusion of Cu accross a barrier into Si can be shown using analytical methods, already before the formation of Cu3Si. However, the leakage current of pn or schottky diodes is not or not unequivocal modified by this diffusion. The leakage current does not change before the diodes are shorted by the Cu3Si formation. The results of parallel prepared references with Al metallization show, that the diffusion barriers are more stable in a Cu metallization than in an Al metallization. (copying allowed) new: pdf version 1.4 / Die Arbeit beschreibt das Potential von Schichten des Ta, Ti, W und ihrer Nitride zur Unterdrückung kupferinduzierter Degradationen im Kontakt zu Silicium. Mögliche Wechselwirkungen zwischen Cu und den im Herstellungsprozess sowie der Lebensdauer von Schaltkreisen präsenten Gasen und Feststoffen werden zusammengestellt. Für das System Cu-Si sind als Degradationsmechanismen die Lösung von Cu und die Cu3Si Bildung zu erwarten. Die Anforderungen an die zur Unterdrückung der Degradationen notwendigen leitfähigen Diffusionsbarrieren werden diskutiert. Ihr spezifischer elektrischer Widerstand als wichtigstes Kriterium für die Integration wird vom Einsatzort bestimmt. Er muss für Kontakte unter 100 mOhm cm und für Vias unter 2000 mikroOhmcm liegen. Diffusionsbarrieren können von den zu trennenden Materialien durch Diffusion überwunden oder durch Reaktion (reaktive Diffusion) aufgezehrt werden. Damit kann in passive und Opferbarrieren unterschieden werden. Die Schichtherstellung erfolgt mit dem Verfahren der Magnetronzerstäubung in Ar oder Ar/N2 Atmosphäre. Sie werden hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Phase/Struktur sowie resultierender elektrischer, optischer und mechanischer Eigenschaften charakterisiert. Das Auftreten neuer Phasen korreliert mit Verlaufsänderungen einfach zugänglicher Prozessparameter wie Targetspannung und Kondensationsrate. Alle Schichten mit Ausnahme eines engen Prozessfensters für amorphes/nanokristallines WNx sind polykristallin. Der Einfluss von Temperungen in verschiedenen Medien wird untersucht. Amorphe/nanokristalline WNx Schichten rekristallisieren während Temperung. Für direkten Kontakt Cu zu Si führt ausreichende Energiezufuhr schon während der Abscheidung oder während nachfolgender Temperung (T > 200 °C) zur Cu3Si Bildung. Das Potential der Diffusionsbarrieren zur Unterdrückung dieser Reaktion wird für unterschiedliche Dicken und Stickstoffgehalte nach Temperungen bis maximal 650 C untersucht. Dazu werden analytische Methoden, Schichtwiderstandsmessungen und Sperrstromdichtemessungen an pn, np und Schottkydioden eingesetzt. Die Diffusionsbarrieren können die Cu3Si Bildung unterdrücken, bis sie selbst durch Silicierung und/oder intermetallische Phasenbildung aufgezehrt sind. Die Nitride der Metalle sind thermisch stabiler, weil Metall Stickstoff Bindungen erst aufgebrochen werden müssen. Mit dem Versagen der Barrieren treffen Cu und Si zusammen - mit der Folge der Kupfersilicidbildung. Sie kann grossflächig oder in Form mikrometergrosser und einige 100 mikrometer voneinander entfernt liegender Kristallite stattfinden. Für beide Degradationsmechanismen kann gezeigt werden, dass eine Barrierebewertung für unterschiedliche Methoden paradoxe Ergebnisse liefern kann. Die Cu Diffusion über die Diffusionsbarriere in das Si kann mit analytischen Methoden schon vor der Cu3Si Bildung nachgewiesen werden. Der Sperrstrom von pn oder Schottkydioden wird dadurch nicht bzw. nicht eindeutig verändert. Er reagiert erst, wenn sie durch Cu3Si Wachstum kurzgeschlossen sind. Ergebnisse parallel präparierter Referenzen mit Al Metallisierung belegen, dass die Diffusionsbarrieren gegen Cu gleich oder besser wirken als gegen Al. (Kopiermöglichkeit) neu: PDF-Version 1.4

Im Fokus der vorliegenden Arbeit lag die Untersuchung polykristalliner TiO2:Ta-Schichten, hergestellt mittels Gleichstrom-Magnetron-Sputtern durch Verwendung reduzierter keramischer Targets und anschließender thermischer Nachbehandlung im Vakuum der zunächst nichtleitfähigen amorphen Precursorschichten. Es wurden die physikalischen Zusammenhänge, welche die strukturellen, elektrischen und optischen Eigenschaften der kristallinen TiO2:Ta-Schichten beeinflussen analysiert und dabei eine empfindliche Abhängigkeit vom Sauerstofffluss während der Abscheidung festgestellt. Es zeigte sich, dass die Verringerung der kinetischen Energie der Plasmateilchen beim Magnetron-Sputtern durch die Erhöhung des Gesamtdruckes vorteilhaft ist, um das Wachstum des gegenüber Rutil besser leitfähigen Anatas in Verbindung mit dem für niedrige Widerstände notwendigen Sauerstoffdefizit zu realisieren. Bei einem Gesamtdruck von 2 Pa abgeschiedene polykristalline TiO2:Ta-Schichten haben einen spezifischen Widerstand von 1,5·10-3 Ωcm, eine hohe Ladungsträgermobilität (≈8 cm2V-1s-1) und einen geringen Extinktionskoeffizienten von 0,006. Die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes vom Sauerstoffdefizit in der TiO2:Ta-Schicht wurde unter dem Gesichtspunkt der Ladungsträgeraktivierung sowie der Bildung von Ti-Fehlstellen diskutiert, welche vermutlich zur Kompensation und Lokalisierung von freien Elektronen beitragen. Darüber hinaus wurde zur effizienteren Gestaltung der thermischen Nachbehandlung die konventionelle Vakuumtemperung erstmalig erfolgreich durch die Blitzlampentemperung ersetzt.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Elektrische Leitfähigkeit 2.2 Dielektrische Funktion und optische Eigenschaften 2.3 Transparente leitfähige Oxide 2.3.1 Elektrische Eigenschaften 2.3.2 Optische Eigenschaften 2.4 Titandioxid 2.4.1 Eigenschaften und Herstellung 2.4.2 Transparentes leitfähiges Anatas 3 Experimentelle Methoden 3.1 Grundlagen der Schichtabscheidung mittels Magnetron-Sputtern 3.1.1 Wechselwirkungsprozesse im Magnetronplasma 3.1.2 Kinetik der Teilchen im Plasma 3.1.3 Schichtbildung 3.1.4 Teilreaktive Abscheidung von TiO2 3.2 Versuchsaufbau und Durchführung 3.2.1 Magnetronsputteranlage 3.2.2 Durchführung der Beschichtung 3.3 Thermische Nachbehandlung 3.3.1 Ultra-Kurzzeittemperung kleiner 20 ms mittels Blitzlampen 4 Charakterisierungsmethoden 4.1 Schichtzusammensetzung und -struktur 4.1.1 Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie 4.1.2 Röntgenbeugung 4.1.3 Transmissionselektronenmikroskopie 4.1.4 Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie 4.1.5 Positronen-Annihilations-Spektroskopie 4.2 Elektrische Eigenschaften 4.2.1 Hall-Messung 4.2.2 4-Spitzen-Methode 4.3 Optische Eigenschaften 4.3.1 Spektrale Photometrie 4.3.2 Spektrale Ellipsometrie 4.3.3 Modellanalyse 5 Ergebnisse/Diskussion 5.1 Synthese von Sauerstoff-verarmtem Anatas 5.1.1 Abscheidung des amorphen Precursormaterials 5.1.2 Thermisch induzierte Kristallisation mittels Ofentemperung 5.1.3 Diskussion 5.1.4 Schlussfolgerungen 5.2 Elektrische Eigenschaften TiO2-basierter TCO 5.2.1 Ladungsträgeraktivierung und elektrischer Transport 5.2.2 Einschub zur Morphologie der Anatasschichten 5.2.3 Diskussion 5.2.4 Schlussfolgerungen 5.3 Optische Eigenschaften TiO2-basierter TCO 5.3.1 Einfluss des Temperprozesses 5.3.2 Bestimmung der dielektrischen Funktion und optischer Materialeigenschaften mittels Modellanalyse 5.3.3 Abhängigkeit der optischen Eigenschaften von der Ladungsträgerdichte 5.3.4 Diskussion 5.3.5 Schlussfolgerungen 5.4 Ultra-Kurzzeit-Kristallisation mittels Blitzlampen 5.4.1 Korrelation zwischen Abscheidungs - und FLA-Prozess 5.4.2 Einschub zur Kristallisationskinetik 5.4.3 Morphologie 5.4.4 Optoelektronische Eigenschaften 5.4.5 Diskussion 5.4.6 Schlussfolgerungen 6 Zusammenfassung & Ausblick / The work is focused on understanding the physical processes responsible for the modification of the structural, electrical and optical properties of polycrystalline TiO2:Ta films formed by vacuum annealing of initially not conductive amorphous films deposited by direct current magnetron sputtering. It is shown that the oxygen deficiency of amorphous and annealed TiO2:Ta films, respectively, is critical to achieve low resistivity and high optical transmittance of the crystalline films. Increasing the total pressure during magnetron sputter deposition is shown to be beneficial to achieve the desired oxygen deficient anatase growth, which is discussed in terms of energetic particle bombardment. Polycrystalline anatase TiO2:Ta films of low electrical resistivity (1,5·10-3 Ωcm), high free electron mobility (≈8 cm2V-1s-1), and low extinction (0,006) are obtained in this way at a total pressure of 2 Pa. The dependence of the polycrystalline film electrical properties on the oxygen content is discussed in terms of Ta dopant electrical activation as well as transport limiting processes taking into account the formation of Ti-vacancies. In addition, the conventional vacuum annealing has been successfully substituted by the flash lamp annealing in the millisecond range.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Elektrische Leitfähigkeit 2.2 Dielektrische Funktion und optische Eigenschaften 2.3 Transparente leitfähige Oxide 2.3.1 Elektrische Eigenschaften 2.3.2 Optische Eigenschaften 2.4 Titandioxid 2.4.1 Eigenschaften und Herstellung 2.4.2 Transparentes leitfähiges Anatas 3 Experimentelle Methoden 3.1 Grundlagen der Schichtabscheidung mittels Magnetron-Sputtern 3.1.1 Wechselwirkungsprozesse im Magnetronplasma 3.1.2 Kinetik der Teilchen im Plasma 3.1.3 Schichtbildung 3.1.4 Teilreaktive Abscheidung von TiO2 3.2 Versuchsaufbau und Durchführung 3.2.1 Magnetronsputteranlage 3.2.2 Durchführung der Beschichtung 3.3 Thermische Nachbehandlung 3.3.1 Ultra-Kurzzeittemperung kleiner 20 ms mittels Blitzlampen 4 Charakterisierungsmethoden 4.1 Schichtzusammensetzung und -struktur 4.1.1 Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie 4.1.2 Röntgenbeugung 4.1.3 Transmissionselektronenmikroskopie 4.1.4 Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie 4.1.5 Positronen-Annihilations-Spektroskopie 4.2 Elektrische Eigenschaften 4.2.1 Hall-Messung 4.2.2 4-Spitzen-Methode 4.3 Optische Eigenschaften 4.3.1 Spektrale Photometrie 4.3.2 Spektrale Ellipsometrie 4.3.3 Modellanalyse 5 Ergebnisse/Diskussion 5.1 Synthese von Sauerstoff-verarmtem Anatas 5.1.1 Abscheidung des amorphen Precursormaterials 5.1.2 Thermisch induzierte Kristallisation mittels Ofentemperung 5.1.3 Diskussion 5.1.4 Schlussfolgerungen 5.2 Elektrische Eigenschaften TiO2-basierter TCO 5.2.1 Ladungsträgeraktivierung und elektrischer Transport 5.2.2 Einschub zur Morphologie der Anatasschichten 5.2.3 Diskussion 5.2.4 Schlussfolgerungen 5.3 Optische Eigenschaften TiO2-basierter TCO 5.3.1 Einfluss des Temperprozesses 5.3.2 Bestimmung der dielektrischen Funktion und optischer Materialeigenschaften mittels Modellanalyse 5.3.3 Abhängigkeit der optischen Eigenschaften von der Ladungsträgerdichte 5.3.4 Diskussion 5.3.5 Schlussfolgerungen 5.4 Ultra-Kurzzeit-Kristallisation mittels Blitzlampen 5.4.1 Korrelation zwischen Abscheidungs - und FLA-Prozess 5.4.2 Einschub zur Kristallisationskinetik 5.4.3 Morphologie 5.4.4 Optoelektronische Eigenschaften 5.4.5 Diskussion 5.4.6 Schlussfolgerungen 6 Zusammenfassung & Ausblick

Lithium Cesium Tantalum (LCT) pegmatites are important resources for rare metals like Cesium, Lithium or Tantalum, whose demand increased markedly during the past decade. At present, Cs is known to occur in economic quantities only from the two LCT pegmatite deposits at Bikita located in Zimbabwe and Tanco in Canada. Host for this Cs mineralisation is the extreme rare zeolite group mineral pollucite. However, at Bikita and Tanco, pollucite forms huge massive, lensoid shaped and almost monomineralic pollucite mineralisations that occur within the upper portions of the pegmatite. In addition, both pegmatite deposits have a comparable regional geological background as they are hosted within greenstone belts and yield a Neoarchean age of about 2,600 Ma. Furthermore, at present the genesis of these massive pollucite mineralisations was not yet investigated in detail. Major portions of Western Australia consist of Meso- to Neoarchean crustal units (e.g., Yilgarn Craton, Pilbara Craton) that are known to host a large number of LCT pegmatite systems. Among them are the LCT pegmatite deposits Greenbushes (Li, Ta) and Wodgina (Ta, Sn). In addition, small amounts of pollucite were recovered from one single diamond drill core at the Londonderry pegmatite field. Despite that, no systematic investigations and/or exploration studies were conducted for the mode of occurrence of Cs and especially that of pollucite in Western Australia. In the course of the present study nineteen individual pegmatites and pegmatite fields located on the Yilgarn Craton, Pilbara Craton and Kimberley province have been visited and inspected for the occurrence of the Cs mineral pollucite. However, no pollucite could be detected in any of the investigated pegmatites. Four of the inspected LCT-pegmatite systems, namely the Londonderry pegmatite field, the Mount Deans pegmatite field, the Cattlin Creek LCT pegmatite deposit (Yilgarn Craton) and the Wodgina LCT pegmatite deposit (Pilbara Craton) was sampled and investigated in detail. In addition, samples from the Bikita pegmatite field (Zimbabwe Craton) were included into the present study in order to compare the Western Australian pegmatites with a massive pollucite mineralisation bearing LCT pegmatite system. This thesis presents new petrographical, mineralogical, mineralchemical, geochemical, geochronological, fluid inclusion and stable and radiogenic isotope data. The careful interpretation of this data enhances the understanding of the LCT pegmatite systems in Western Australia and Zimbabwe. All of the four investigated LCT pegmatite systems in Western Australia, crop out in similar geological settings, exhibit comparable internal structures, geochemistry and mineralogy to that of the Bikita pegmatite field in Zimbabwe. Furthermore, in all LCT pegmatite systems evidences for late stage hydrothermal processes (e.g., replacement of feldspars) and associated Cs enrichment (e.g., Cs enriched rims on mica, beryl and tourmaline) is documented. With the exception of the Wodgina LCT pegmatite deposit, that yield a Mesoarchean crystallisation age (approx. 2,850 Ma), all other LCT pegmatite systems gave comparable Neoarchean ages of 2,630 Ma to 2,600 Ma. The almost identical ages of the LCT pegmatite systems of the Yilgarn and Zimbabwe cratons suggests, that the process of LCT pegmatite formation at the end of the Neoarchean was active worldwide. Nevertheless, essential distinguishing feature of the Bikita pegmatite field is the presence of massive pollucite mineralisations that resulted from a process that is not part of the general development of LCT pegmatites and is associated with the extreme enrichment of Cs. The new findings of the present study obtained from the Bikita pegmatite field and the Western Australian LCT pegmatite systems significantly improve the knowledge of Cs behaviour in LCT pegmatite systems. Therefore, it is now possible to suggest a genetical model for the formation of massive pollucite mineralisations within LCT pegmatite systems. LCT pegmatites are generally granitic in composition and are interpreted to represent highly fractionated and geochemically specialised derivates from granitic melts. Massive pollucite mineralisation bearing LCT pegmatites evolve from large and voluminous pegmatite melts that intrude as single body along structures within an extensional tectonic setting. After emplacement, initial crystallisation will develop the border and wall zone of the pegmatites, while due to fractionated crystallisation immobile elements (i.e., Cs, Rb) become enriched within the remaining melt and associated hydrothermal fluids. Following this initial crystallisation, a relatively small portion (0.5–1 vol.%) of immiscible melt or fluid will separate during cooling. This immiscible partial melt/fluid is enriched in Al2O3 and Na2O, as well as depleted in SiO2 and will crystallise as analcime. In addition, this melt might allready contains up to 1–2 wt.% Cs2O. However, due to the effects of fluxing components (e.g., H2O, F, B) this analcime melt becomes undercooled which prevents crystallisation of the analcime as intergranular grains. Since this analcime melt exhibits a lower relative gravity when compared to the remaining pegmatite melt the less dense analcime melt will start to ascent gravitationally and accumulate within the upper portion of the pegmatite sheet. At the same time, the remaining melt will start to crystallise separately and form the inner portions of the pegmatite. This crystallisation is characterised by still ongoing fractionation and enrichment of incompatible elements (i.e., Cs, Rb) within the last crystallising minerals (e.g., lepidolite) or concentration of these incompatible elements within exsolving hydrothermal fluids. As analcime and pollucite form a continuous solid solution series, the analcime melt is able to incorporate any available Cs from the melt and/or associated hydrothermal fluids and crystallise as Cs-analcime in the upper portion of the pegmatite sheet. Continuing hydrothermal activity and ongoing substitution of Cs will then start to shift the composition from Cs-analcime composition towards Na-pollucite composition. In addition, if analcime is cooled below 400 °C it is subjected to a negative thermal expansion of about 1 vol.%. This contraction results in the formation of a prominent network of cracks that is filled by late stage minerals (e.g., lepidolite, quartz, feldspar and petalite). Certainly, prior to filling, this network of cracks enhances the available conduits for late stage hydrothermal fluids and the Cs substitution mechanism within the massive pollucite mineralisation. Furthermore, during cooling of the pegmatite, prominent late stage mineral replacement reactions (e.g., replacement of K-feldspar by lepidolite, cleavelandite, and quartz) as well as subsolidus self organisation processes in feldspars take place. These processes are suggested to release additional incompatible elements (e.g., Cs, Rb) into late stage hydrothermal fluids. As feldspar forms large portions of pegmatite a considerable amount of Cs is released and transported via the hydrothermal fluids towards the massive pollucite mineralisation in the upper portion of the pegmatite. Consequently, the initial analcime can accumulate enough Cs in order to shift its composition from the Cs-analcime member (>2 wt.% Cs2O) towards the Na-pollucite member (23–43 wt.% Cs2O) of the solid solution series. The timing of this late stage Cs enrichment is interpreted to be quasi contemporaneous or immediately after the complete crystallisation of the pegmatite melt. However, much younger hydrothermal events that overprint the pegmatite are also interpreted to cause similar results. Hence, it has been demonstrated that the combination of this magmatic and hydrothermal processes is capable to generate an extreme enrichment in Cs in order to explain the formation of massive pollucite mineralisations within LCT pegmatite systems. This genetic model can now be applied to evaluate the potential for occurrences of massive pollucite mineralisations within LCT pegmatite systems in Western Australia and worldwide. / Lithium-Caesium-Tantal-(LCT) Pegmatite repräsentieren eine bedeutende Quelle für seltene Metalle, deren Bedarf im letzten Jahrzehnt beträchtlich angestiegen ist. Im Falle von Caesium sind zurzeit weltweit nur zwei LCT-Pegmatitlagerstätten bekannt, die abbauwürdige Vorräte an Cs enthalten. Dies sind die LCT-Pegmatitlagerstätten Bikita in Simbabwe und Tanco in Kanada. Das Wirtsmineral für diese Cs-Mineralisation ist das extrem selten auftretende Zeolith-Gruppen-Mineral Pollucit. In den Lagerstätten Bikita und Tanco bildet Pollucit dagegen massive, linsenförmige und fast monomineralische Pollucitmineralisationen, die in den oberen Bereichen der Pegmatitkörper anstehen. Zusätzlich befinden sich beide Lagerstätten in geologisch vergleichbaren Einheiten. Die Nebengesteine sind Grünsteingürtel die ein neoarchaisches Alter von ca. 2,600 Ma aufweisen. Die Bildung derartiger massiver Pollucitmineralisationen ist bis jetzt noch nicht detailliert untersucht worden. Große Bereiche von Westaustralien werden von meso- bis neoarchaischen Krusteneinheiten (z.B. Yilgarn Kraton, Pilbara Kraton) aufgebaut, von denen auch eine große Anzahl an LCT-Pegmatitsystemen bekannt sind. Darunter befinden sich unter anderem die LCT-Pegmatitlagerstätten Greenbushes (Li, Ta) und Wodgina (Ta, Sn). Zusätzlich wurden kleine Mengen an Pollucit in einer einzigen Kernbohrung im Londonderry Pegmatitfeld angetroffen. Ungeachtet dessen, wurden in Westaustralien bis jetzt keine systematischen Untersuchungen und/oder Explorationskampagnen auf Vorkommen von Cs und speziell der von Pollucit durchgeführt. Im Verlauf dieser Studie wurden insgesamt neunzehn verschiedene Pegmatitvorkommen und Pegmatitfelder des Yilgarn Kratons, Pilbara Kratons und der Kimberley Provinz auf das Vorkommen des Minerals Pollucit untersucht. Allerdings konnte in keinem der untersuchten LCT-Pegmatitsystemen Pollucit nachgewiesen werden. Von vier der untersuchten LCT-Pegmatitsystemen, dem Londonderry Pegmatitfeld, dem Mount Deans Pegmatitfeld, der Cattlin Creek LCT-Pegmatitlagerstätte (Yilgarn Kraton) und der Wodgina LCT-Pegmatitlagerstätte (Pilbara Kraton) wurden detailliert Proben entnommen und weitergehend untersucht. Zusätzlich wurden die massiven Pollucitmineralisationen im Bikita Pegmatitfeld beprobt und in die detailierten Untersuchungen einbezogen. Der Probensatz aus dem Bikita Pegmatitfeld dient als Referenzmaterial mit dem die Pegmatitproben aus Westaustralien verglichen werden. Die vorliegende Arbeit fasst die wesentlichen Ergebnisse der petrographischen, mineralogischen, mineralchemischen, geochemischen und geochronologischen Untersuchungen sowie der Flüssigkeitseinschlussuntersuchungen und stabilen und radiogenen Isotopenzusammensetzungen zusammen. Alle vier der in Westaustralien untersuchten LCT-Pegmatitsysteme kommen in geologisch ähnlichen Rahmengesteinen vor, weisen einen vergleichbaren internen Aufbau, geochemische Zusammensetzung und Mineralogie zu dem des Bikita Pegmatitfeldes in Simbabwe auf. Weiterhin konnten in allen LCT-Pegmatitsystemen Hinweise für späte hydrothermale Prozesse (z.B. Verdrängung von Feldspat) nachgewiesen werden, die einhergehend mit einer Anreicherung von Cs verbunden sind (z.B. Cs-angereicherte Säume um Glimmer, Beryll und Turmalin). Mit der Ausnahme der Wodgina LCT-Pegmatitlagerstätte, in der ein mesoarchaisches Kristallisationsalter (ca. 2,850 Ma) nachgewiesen wurde, lieferten die Altersdatierungen in den anderen LCT-Pegmatitsystemen übereinstimmende neoarchaische Alter von 2,630 Ma bis 2,600 Ma. Diese fast identischen Alter der LCT-Pegmatitsysteme des Yilgarn und Zimbabwe Kratons suggerieren, dass die Prozesse, die zur LCT-Pegmatitbildung am Ende des Neoarchaikums führten, weltweit aktiv waren. Ungeachtet dessen stellt das Vorhandensein von massiver Pollucitmineralisation das Alleinstellungsmerkmal des Bikita Pegmatitfeldes dar, welche sich infolge eines Prozesses gebildet haben der nicht Bestandteil der üblichen LCT-Pegmatitentwicklung ist und sich durch eine extreme Anreicherung an Cs unterscheidet. Die neuen Ergebnisse die in dieser Studie von den Bikita Pegmatitfeld und den Westaustralischen LCT-Pegmatitsystemen gewonnen wurden, verbessern das Verständnis des Verhaltens von Cs in LCT-Pegmatitsystemen deutlich. Somit ist es nun möglich, ein genetisches Modell für die Bildung von massiven Pollucitmineralisationen in LCT-Pegmatitsystemen vorzustellen. LCT-Pegmatite weisen im Allgemeinen eine granitische Zusammensetzung auf und werden als Kristallisat von hoch fraktionierten und geochemisch spezialisierten granitischen Restschmelzen interpretiert. Die Bildung von massiven Pollucitmineralisationen ist nur aus großen und voluminösen Pegmatitschmelzen, die als einzelner Körper entlang von Störungen in extensionalen Stressregimen intrudieren möglich. Nach Platznahme der Schmelze bildet die beginnende Kristallisation zunächst die Kontakt- und Randzone des Pegmatits, wobei infolge von fraktionierter Kristallisation die immobilen Elemente (v.a. Cs, Rb) in der verbleibenden Restschmelze angereichert werden. Im Anschluss an diese erste Kristallisation entmischt sich nach Abkühlung eine sehr kleine Menge (0.5–1 vol.%) Schmelze und/oder Fluid von der Restschmelze. Diese nicht mischbare Teilschmelze/-fluid ist angereichert an Al2O3 und Na2O sowie verarmt an SiO2 und kristallisiert als Analcim. Zusätzlich kann diese Schmelze bereits mit 1–2 wt.% Cs2O angereichert sein. Aufgrund der Auswirkung von Flussmitteln (z.B. H2O, F, B) wird allerdings der Schmelzpunkt dieser Analcimschmelze herabgesetzt und so die Kristallisation des Analcims als intergranulare Körner verhindert. Da diese Analcimschmelze im Vergleich zu der restlichen Schmelze eine geringere relative Dichte besitzt, beginnt sie gravitativ aufzusteigen und sich in den oberen Bereichen des Pegmatitkörpers zu akkumulieren. Währenddessen beginnt die restliche Schmelze separat zu kristallisieren und die inneren Bereiche des Pegmatits zu bilden. Diese Kristallisation ist einhergehend mit fortschreitender Fraktionierung und der Anreicherung von inkompatiblen Elementen (v.a. Cs, Rb) in den sich als letztes bildenden Mineralphasen (z.B. Lepidolit) oder der Konzentration der inkompatiblen Element in die sich entmischenden hydrothermalen Fluiden. Da Analcim und Pollucit eine lückenlose Mischungsreihe bilden, ist die Analcimschmelze in der Lage, alles verfügbare Cs von der Restschmelze und/oder assoziierten hydrothermalen Fluiden an sich zu binden und als Cs-Analcim im oberen Bereich des Pegmatitkörpers zu kristallisieren. Fortschreitende hydrothermale Aktivität und Substitution von Cs verschiebt dann die Zusammensetzung des Analcims von der Cs-Analcim- zu Na-Pollucitzusammensetzung. Zusätzlich erfährt der Analcim bei Abkühlung unter 400 °C eine negative thermische Expansion von ca. 1 vol.%. Diese Kontraktion führt zu der Bildung des markanten Rissnetzwerkes das durch späte Mineralphasen (z.B. Lepidolit, Quarz, Feldspat und Petalit) gefüllt wird. Vor der Mineralisation allerdings, erhöht dieses Netzwerk an Rissen die verfügbaren Wegsamkeiten für die späten hydrothermalen Fluide und begünstigt somit den Cs-Substitutionsmechanismus in der massiven Pollucitmineralisation. Weiterhin kommt es bei der Abkühlung des Pegmatits zu späten Mineralverdrängungsreaktionen (z.B. Verdrängung von K-Feldspat durch Lepidolit, Cleavelandit und Quarz), sowie zu Subsolidus-Selbstordnungsprozessen in Feldspäten. Diese Prozesse werden weiterhin interpretiert inkompatible Elemente (z.B. Cs, Rb) in die späten hydrothermalen Fluide freizusetzen. Da Feldspäte große Teile der Pegmatite bilden, kann somit eine beträchtliche Menge an Cs freigeben werden und durch die späten hydrothermalen Fluide in die massive Pollucitmineralisation in den oberen Bereichen des Pegmatitkörpers transportiert werden. Infolgedessen ist es möglich, dass genügend Cs frei gesetzt werden kann, um die Zusammensetzung innerhalb der Mischkristallreihe von Cs-Analcim (>2 wt.% Cs2O) zu Na-Pollucit (23–43 wt.% Cs2O) zu verschieben. Die zeitliche Einordnung dieser späten Cs-Anreicherung wird als quasi zeitgleich oder im direkten Anschluss an die vollständige Kristallisation der Pegmatitschmelze interpretiert. Es kann allerdings nicht vernachlässigt werden, dass auch jüngere hydrothermale Ereignisse, die den Pegmatitkörper nachträglich überprägen, ähnliche hydrothermale Prozesse hervorrufen können. Somit konnte gezeigt werden, dass es durch Kombination dieser magmatischen und hydrothermalen Prozessen möglich ist, genügend Cs anzureichern, um die Bildung von massiven Pollucitmineralisationen in LCT-Pegmatitsystemen zu ermöglichen. Dieses genetische Modell kann nun dazu genutzt werden, um das Potential von Vorkommen von massiven Pollucitmineralisationen in LCT-Pegmatitsystemen in Westaustralien und weltweit besser einzuschätzen.

Lithium Cesium Tantalum (LCT) pegmatites are important resources for rare metals like Cesium, Lithium or Tantalum, whose demand increased markedly during the past decade. At present, Cs is known to occur in economic quantities only from the two LCT pegmatite deposits at Bikita located in Zimbabwe and Tanco in Canada. Host for this Cs mineralisation is the extreme rare zeolite group mineral pollucite. However, at Bikita and Tanco, pollucite forms huge massive, lensoid shaped and almost monomineralic pollucite mineralisations that occur within the upper portions of the pegmatite. In addition, both pegmatite deposits have a comparable regional geological background as they are hosted within greenstone belts and yield a Neoarchean age of about 2,600 Ma. Furthermore, at present the genesis of these massive pollucite mineralisations was not yet investigated in detail. Major portions of Western Australia consist of Meso- to Neoarchean crustal units (e.g., Yilgarn Craton, Pilbara Craton) that are known to host a large number of LCT pegmatite systems. Among them are the LCT pegmatite deposits Greenbushes (Li, Ta) and Wodgina (Ta, Sn). In addition, small amounts of pollucite were recovered from one single diamond drill core at the Londonderry pegmatite field. Despite that, no systematic investigations and/or exploration studies were conducted for the mode of occurrence of Cs and especially that of pollucite in Western Australia. In the course of the present study nineteen individual pegmatites and pegmatite fields located on the Yilgarn Craton, Pilbara Craton and Kimberley province have been visited and inspected for the occurrence of the Cs mineral pollucite. However, no pollucite could be detected in any of the investigated pegmatites. Four of the inspected LCT-pegmatite systems, namely the Londonderry pegmatite field, the Mount Deans pegmatite field, the Cattlin Creek LCT pegmatite deposit (Yilgarn Craton) and the Wodgina LCT pegmatite deposit (Pilbara Craton) was sampled and investigated in detail. In addition, samples from the Bikita pegmatite field (Zimbabwe Craton) were included into the present study in order to compare the Western Australian pegmatites with a massive pollucite mineralisation bearing LCT pegmatite system. This thesis presents new petrographical, mineralogical, mineralchemical, geochemical, geochronological, fluid inclusion and stable and radiogenic isotope data. The careful interpretation of this data enhances the understanding of the LCT pegmatite systems in Western Australia and Zimbabwe. All of the four investigated LCT pegmatite systems in Western Australia, crop out in similar geological settings, exhibit comparable internal structures, geochemistry and mineralogy to that of the Bikita pegmatite field in Zimbabwe. Furthermore, in all LCT pegmatite systems evidences for late stage hydrothermal processes (e.g., replacement of feldspars) and associated Cs enrichment (e.g., Cs enriched rims on mica, beryl and tourmaline) is documented. With the exception of the Wodgina LCT pegmatite deposit, that yield a Mesoarchean crystallisation age (approx. 2,850 Ma), all other LCT pegmatite systems gave comparable Neoarchean ages of 2,630 Ma to 2,600 Ma. The almost identical ages of the LCT pegmatite systems of the Yilgarn and Zimbabwe cratons suggests, that the process of LCT pegmatite formation at the end of the Neoarchean was active worldwide. Nevertheless, essential distinguishing feature of the Bikita pegmatite field is the presence of massive pollucite mineralisations that resulted from a process that is not part of the general development of LCT pegmatites and is associated with the extreme enrichment of Cs. The new findings of the present study obtained from the Bikita pegmatite field and the Western Australian LCT pegmatite systems significantly improve the knowledge of Cs behaviour in LCT pegmatite systems. Therefore, it is now possible to suggest a genetical model for the formation of massive pollucite mineralisations within LCT pegmatite systems. LCT pegmatites are generally granitic in composition and are interpreted to represent highly fractionated and geochemically specialised derivates from granitic melts. Massive pollucite mineralisation bearing LCT pegmatites evolve from large and voluminous pegmatite melts that intrude as single body along structures within an extensional tectonic setting. After emplacement, initial crystallisation will develop the border and wall zone of the pegmatites, while due to fractionated crystallisation immobile elements (i.e., Cs, Rb) become enriched within the remaining melt and associated hydrothermal fluids. Following this initial crystallisation, a relatively small portion (0.5–1 vol.%) of immiscible melt or fluid will separate during cooling. This immiscible partial melt/fluid is enriched in Al2O3 and Na2O, as well as depleted in SiO2 and will crystallise as analcime. In addition, this melt might allready contains up to 1–2 wt.% Cs2O. However, due to the effects of fluxing components (e.g., H2O, F, B) this analcime melt becomes undercooled which prevents crystallisation of the analcime as intergranular grains. Since this analcime melt exhibits a lower relative gravity when compared to the remaining pegmatite melt the less dense analcime melt will start to ascent gravitationally and accumulate within the upper portion of the pegmatite sheet. At the same time, the remaining melt will start to crystallise separately and form the inner portions of the pegmatite. This crystallisation is characterised by still ongoing fractionation and enrichment of incompatible elements (i.e., Cs, Rb) within the last crystallising minerals (e.g., lepidolite) or concentration of these incompatible elements within exsolving hydrothermal fluids. As analcime and pollucite form a continuous solid solution series, the analcime melt is able to incorporate any available Cs from the melt and/or associated hydrothermal fluids and crystallise as Cs-analcime in the upper portion of the pegmatite sheet. Continuing hydrothermal activity and ongoing substitution of Cs will then start to shift the composition from Cs-analcime composition towards Na-pollucite composition. In addition, if analcime is cooled below 400 °C it is subjected to a negative thermal expansion of about 1 vol.%. This contraction results in the formation of a prominent network of cracks that is filled by late stage minerals (e.g., lepidolite, quartz, feldspar and petalite). Certainly, prior to filling, this network of cracks enhances the available conduits for late stage hydrothermal fluids and the Cs substitution mechanism within the massive pollucite mineralisation. Furthermore, during cooling of the pegmatite, prominent late stage mineral replacement reactions (e.g., replacement of K-feldspar by lepidolite, cleavelandite, and quartz) as well as subsolidus self organisation processes in feldspars take place. These processes are suggested to release additional incompatible elements (e.g., Cs, Rb) into late stage hydrothermal fluids. As feldspar forms large portions of pegmatite a considerable amount of Cs is released and transported via the hydrothermal fluids towards the massive pollucite mineralisation in the upper portion of the pegmatite. Consequently, the initial analcime can accumulate enough Cs in order to shift its composition from the Cs-analcime member (>2 wt.% Cs2O) towards the Na-pollucite member (23–43 wt.% Cs2O) of the solid solution series. The timing of this late stage Cs enrichment is interpreted to be quasi contemporaneous or immediately after the complete crystallisation of the pegmatite melt. However, much younger hydrothermal events that overprint the pegmatite are also interpreted to cause similar results. Hence, it has been demonstrated that the combination of this magmatic and hydrothermal processes is capable to generate an extreme enrichment in Cs in order to explain the formation of massive pollucite mineralisations within LCT pegmatite systems. This genetic model can now be applied to evaluate the potential for occurrences of massive pollucite mineralisations within LCT pegmatite systems in Western Australia and worldwide.:Contents Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v Versicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi 1. Introduction 1 1.1. Motivation and Scope of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Structure of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. Fundamentals 7 2.1. The Alkali Metal Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1. Distribution of Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2. Mineralogy of Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.3. Geochemical Behaviour of Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.4. Economy of Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2. Pollucite – (Cs,Na)2Al2Si4O12×H2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1. Crystal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2. Analcime–Pollucite–Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.3. Formation of Pollucite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.4. Pollucite Occurences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3. Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.1. General Characteristics of Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.2. Controls on Pegmatite Formation and Evolution . . . . . . . . . . . . . 40 2.3.3. Pegmatite Age Distribution and Continental Crust Formation . . . . . . 43 3. Geological Settings of Archean Cratons 47 3.1. Zimbabwe Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.1.1. Tectonostratigraphic Subdivision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.2. Tectonometamorphic Evolution of the Northern Limpopo Thrust Zone . 49 3.1.3. Pegmatites within the Zimbabwe Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.1.4. Masvingo Greenstone Belt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.1.5. Geological Setting of the Bikita Pegmatite District . . . . . . . . . . . . 58 3.2. Yilgarn Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.1. Tectonostratigraphic Framework and Geological Development . . . . . 62 3.2.2. Tectonic Models for the Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.2.3. Pegmatites within the Yilgarn Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.2.4. Geological setting of the Londonderry Pegmatite Field . . . . . . . . . . 76 3.2.5. Geological Setting of the Mount Deans Pegmatite Field . . . . . . . . . 85 3.2.6. Geological Setting of the Cattlin Creek Pegmatite Deposit . . . . . . . . 91 3.3. Pilbara Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.3.1. Tectonostratigraphic Framework and Geological Development . . . . . 99 3.3.2. Tectonic Model for the Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.3.3. Pegmatites within the Pilbara Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.3.4. Geological Setting of the Wodgina Pegmatite District . . . . . . . . . . 106 4. Fieldwork and Sampling of Selected Pegmatites and Pegmatite Fields 115 4.1. Bikita Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.2. Londonderry Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.2.1. Londonderry Feldspar Quarry Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.2.2. Lepidolite Hill Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.2.3. Tantalite Hill Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.3. Mount Deans Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.3.1. Type I – Flat Lying Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.3.2. Type II – Steeply Dipping Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.4. Cattlin Creek Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.5. Wodgina LCT-Pegmatite Deposit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.5.1. Mount Tinstone Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.5.2. Mount Cassiterite Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5. Petrography and Mineralogy 139 5.1. Quantitative Mineralogy by Means of Mineral Liberation Analysis . . . . . . . . 141 5.2. Mineralogical and Petrographical Characteristics of Individual Mineral Groups . 141 5.2.1. Feldspar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 5.2.2. Quartz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 5.2.3. Mica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.2.4. Pollucite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 5.2.5. Petalite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.2.6. Spodumene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.2.7. Beryl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.2.8. Tourmaline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 5.2.9. Apatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5.2.10. Ta-, Nb- and Sn-oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5.3. Reconstruction of the General Crystallisation Sequence . . . . . . . . . . . . . 162 6. Geochemistry 165 6.1. Major Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 6.2. Selected Minor and Trace Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.3. Fractionation Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 6.4. Rare Earth Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 7. Geochronology 193 7.1. 40Ar/39Ar-Method on Mica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 7.1.1. Bikita Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 7.1.2. Mount Deans Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.1.3. Londonderry Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.1.4. Cattlin Creek Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.1.5. Wodgina Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 7.2. Th-U-Total Pb Monazite Dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 7.2.1. Monazite Ages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 7.3. U/Pb Dating of Selected Ta-, Nb- and Sn-Oxide Minerals . . . . . . . . . . . . 203 7.3.1. Bikita Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 7.3.2. Londonderry Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 7.3.3. Mount Deans Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 7.3.4. Cattlin Creek Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 7.3.5. Wodgina Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 8. Fluid Inclusion Study 211 8.1. Bikita Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 8.2. Wodgina Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 8.3. Carbon Isotope Analysis on Fluid Inclusion Gas of Selected Mineral Phases . . 212 9. Stable and Radiogenic Isotopes 217 9.1. Whole Rock Sm/Nd-Isotopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 9.1.1. New Whole Rock Sm/Nd Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 9.2. Lithium Isotope Analysis on Selected Mineral Phases . . . . . . . . . . . . . . . 220 9.2.1. New Lithium Isotope Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 10.Discussion 227 10.1. Regional Geological and Tectonomagmatic Development . . . . . . . . . . . . 227 10.1.1. Constraints from Field Evidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 10.1.2. Petrographical and Mineralogical Constraints . . . . . . . . . . . . . . 229 10.1.3. Geochemical Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 10.1.4. Isotopic Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 10.1.5. Constraints from Fluid Inclusion Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 10.1.6. Geochronological Constrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 10.2. Massive Pollucite Mineralisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 10.2.1. Unique Characteristics of Massive Pollucite Mineralisations . . . . . . . 243 10.2.2. New Concepts for the Formation of Massive Pollucite Mineralisations . . 252 10.3. Genetic Model for the Formation of Massive Pollucite Mineralisations within LCT Pegmatite Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 11.Summary and Conclusions 267 References 273 Lists of Abbreviations 309 General Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Mineral Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 List of Figures 311 List of Tables 315 Appendix 317 A. Legend for Topographic Maps 319 B. Sample List 323 C. Methodology 331 C.1. Quantitative Mineralogy by Means of Mineral Liberation Analysis . . . . . . . . 331 C.2. Geochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 C.3. 40Ar/39Ar-Method on Mica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 C.4. Th-U-Total Pb Monazite Dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 C.5. U/Pb Dating of Selected Ta-, Nb- and Sn-Oxide Minerals . . . . . . . . . . . . 336 C.6. Fluid Inclusion Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 C.7. Whole Rock Sm/Nd-Isotopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 C.8. Lithium Isotope Analysis on Selected Mineral Phases . . . . . . . . . . . . . . . 338 D. Data – Mineral Liberation Analysis 341 E. Data – Geochemistry 345 F. Data – Geochronology 349 G. Data – Stable and Radiogenic Isotopes 353 / Lithium-Caesium-Tantal-(LCT) Pegmatite repräsentieren eine bedeutende Quelle für seltene Metalle, deren Bedarf im letzten Jahrzehnt beträchtlich angestiegen ist. Im Falle von Caesium sind zurzeit weltweit nur zwei LCT-Pegmatitlagerstätten bekannt, die abbauwürdige Vorräte an Cs enthalten. Dies sind die LCT-Pegmatitlagerstätten Bikita in Simbabwe und Tanco in Kanada. Das Wirtsmineral für diese Cs-Mineralisation ist das extrem selten auftretende Zeolith-Gruppen-Mineral Pollucit. In den Lagerstätten Bikita und Tanco bildet Pollucit dagegen massive, linsenförmige und fast monomineralische Pollucitmineralisationen, die in den oberen Bereichen der Pegmatitkörper anstehen. Zusätzlich befinden sich beide Lagerstätten in geologisch vergleichbaren Einheiten. Die Nebengesteine sind Grünsteingürtel die ein neoarchaisches Alter von ca. 2,600 Ma aufweisen. Die Bildung derartiger massiver Pollucitmineralisationen ist bis jetzt noch nicht detailliert untersucht worden. Große Bereiche von Westaustralien werden von meso- bis neoarchaischen Krusteneinheiten (z.B. Yilgarn Kraton, Pilbara Kraton) aufgebaut, von denen auch eine große Anzahl an LCT-Pegmatitsystemen bekannt sind. Darunter befinden sich unter anderem die LCT-Pegmatitlagerstätten Greenbushes (Li, Ta) und Wodgina (Ta, Sn). Zusätzlich wurden kleine Mengen an Pollucit in einer einzigen Kernbohrung im Londonderry Pegmatitfeld angetroffen. Ungeachtet dessen, wurden in Westaustralien bis jetzt keine systematischen Untersuchungen und/oder Explorationskampagnen auf Vorkommen von Cs und speziell der von Pollucit durchgeführt. Im Verlauf dieser Studie wurden insgesamt neunzehn verschiedene Pegmatitvorkommen und Pegmatitfelder des Yilgarn Kratons, Pilbara Kratons und der Kimberley Provinz auf das Vorkommen des Minerals Pollucit untersucht. Allerdings konnte in keinem der untersuchten LCT-Pegmatitsystemen Pollucit nachgewiesen werden. Von vier der untersuchten LCT-Pegmatitsystemen, dem Londonderry Pegmatitfeld, dem Mount Deans Pegmatitfeld, der Cattlin Creek LCT-Pegmatitlagerstätte (Yilgarn Kraton) und der Wodgina LCT-Pegmatitlagerstätte (Pilbara Kraton) wurden detailliert Proben entnommen und weitergehend untersucht. Zusätzlich wurden die massiven Pollucitmineralisationen im Bikita Pegmatitfeld beprobt und in die detailierten Untersuchungen einbezogen. Der Probensatz aus dem Bikita Pegmatitfeld dient als Referenzmaterial mit dem die Pegmatitproben aus Westaustralien verglichen werden. Die vorliegende Arbeit fasst die wesentlichen Ergebnisse der petrographischen, mineralogischen, mineralchemischen, geochemischen und geochronologischen Untersuchungen sowie der Flüssigkeitseinschlussuntersuchungen und stabilen und radiogenen Isotopenzusammensetzungen zusammen. Alle vier der in Westaustralien untersuchten LCT-Pegmatitsysteme kommen in geologisch ähnlichen Rahmengesteinen vor, weisen einen vergleichbaren internen Aufbau, geochemische Zusammensetzung und Mineralogie zu dem des Bikita Pegmatitfeldes in Simbabwe auf. Weiterhin konnten in allen LCT-Pegmatitsystemen Hinweise für späte hydrothermale Prozesse (z.B. Verdrängung von Feldspat) nachgewiesen werden, die einhergehend mit einer Anreicherung von Cs verbunden sind (z.B. Cs-angereicherte Säume um Glimmer, Beryll und Turmalin). Mit der Ausnahme der Wodgina LCT-Pegmatitlagerstätte, in der ein mesoarchaisches Kristallisationsalter (ca. 2,850 Ma) nachgewiesen wurde, lieferten die Altersdatierungen in den anderen LCT-Pegmatitsystemen übereinstimmende neoarchaische Alter von 2,630 Ma bis 2,600 Ma. Diese fast identischen Alter der LCT-Pegmatitsysteme des Yilgarn und Zimbabwe Kratons suggerieren, dass die Prozesse, die zur LCT-Pegmatitbildung am Ende des Neoarchaikums führten, weltweit aktiv waren. Ungeachtet dessen stellt das Vorhandensein von massiver Pollucitmineralisation das Alleinstellungsmerkmal des Bikita Pegmatitfeldes dar, welche sich infolge eines Prozesses gebildet haben der nicht Bestandteil der üblichen LCT-Pegmatitentwicklung ist und sich durch eine extreme Anreicherung an Cs unterscheidet. Die neuen Ergebnisse die in dieser Studie von den Bikita Pegmatitfeld und den Westaustralischen LCT-Pegmatitsystemen gewonnen wurden, verbessern das Verständnis des Verhaltens von Cs in LCT-Pegmatitsystemen deutlich. Somit ist es nun möglich, ein genetisches Modell für die Bildung von massiven Pollucitmineralisationen in LCT-Pegmatitsystemen vorzustellen. LCT-Pegmatite weisen im Allgemeinen eine granitische Zusammensetzung auf und werden als Kristallisat von hoch fraktionierten und geochemisch spezialisierten granitischen Restschmelzen interpretiert. Die Bildung von massiven Pollucitmineralisationen ist nur aus großen und voluminösen Pegmatitschmelzen, die als einzelner Körper entlang von Störungen in extensionalen Stressregimen intrudieren möglich. Nach Platznahme der Schmelze bildet die beginnende Kristallisation zunächst die Kontakt- und Randzone des Pegmatits, wobei infolge von fraktionierter Kristallisation die immobilen Elemente (v.a. Cs, Rb) in der verbleibenden Restschmelze angereichert werden. Im Anschluss an diese erste Kristallisation entmischt sich nach Abkühlung eine sehr kleine Menge (0.5–1 vol.%) Schmelze und/oder Fluid von der Restschmelze. Diese nicht mischbare Teilschmelze/-fluid ist angereichert an Al2O3 und Na2O sowie verarmt an SiO2 und kristallisiert als Analcim. Zusätzlich kann diese Schmelze bereits mit 1–2 wt.% Cs2O angereichert sein. Aufgrund der Auswirkung von Flussmitteln (z.B. H2O, F, B) wird allerdings der Schmelzpunkt dieser Analcimschmelze herabgesetzt und so die Kristallisation des Analcims als intergranulare Körner verhindert. Da diese Analcimschmelze im Vergleich zu der restlichen Schmelze eine geringere relative Dichte besitzt, beginnt sie gravitativ aufzusteigen und sich in den oberen Bereichen des Pegmatitkörpers zu akkumulieren. Währenddessen beginnt die restliche Schmelze separat zu kristallisieren und die inneren Bereiche des Pegmatits zu bilden. Diese Kristallisation ist einhergehend mit fortschreitender Fraktionierung und der Anreicherung von inkompatiblen Elementen (v.a. Cs, Rb) in den sich als letztes bildenden Mineralphasen (z.B. Lepidolit) oder der Konzentration der inkompatiblen Element in die sich entmischenden hydrothermalen Fluiden. Da Analcim und Pollucit eine lückenlose Mischungsreihe bilden, ist die Analcimschmelze in der Lage, alles verfügbare Cs von der Restschmelze und/oder assoziierten hydrothermalen Fluiden an sich zu binden und als Cs-Analcim im oberen Bereich des Pegmatitkörpers zu kristallisieren. Fortschreitende hydrothermale Aktivität und Substitution von Cs verschiebt dann die Zusammensetzung des Analcims von der Cs-Analcim- zu Na-Pollucitzusammensetzung. Zusätzlich erfährt der Analcim bei Abkühlung unter 400 °C eine negative thermische Expansion von ca. 1 vol.%. Diese Kontraktion führt zu der Bildung des markanten Rissnetzwerkes das durch späte Mineralphasen (z.B. Lepidolit, Quarz, Feldspat und Petalit) gefüllt wird. Vor der Mineralisation allerdings, erhöht dieses Netzwerk an Rissen die verfügbaren Wegsamkeiten für die späten hydrothermalen Fluide und begünstigt somit den Cs-Substitutionsmechanismus in der massiven Pollucitmineralisation. Weiterhin kommt es bei der Abkühlung des Pegmatits zu späten Mineralverdrängungsreaktionen (z.B. Verdrängung von K-Feldspat durch Lepidolit, Cleavelandit und Quarz), sowie zu Subsolidus-Selbstordnungsprozessen in Feldspäten. Diese Prozesse werden weiterhin interpretiert inkompatible Elemente (z.B. Cs, Rb) in die späten hydrothermalen Fluide freizusetzen. Da Feldspäte große Teile der Pegmatite bilden, kann somit eine beträchtliche Menge an Cs freigeben werden und durch die späten hydrothermalen Fluide in die massive Pollucitmineralisation in den oberen Bereichen des Pegmatitkörpers transportiert werden. Infolgedessen ist es möglich, dass genügend Cs frei gesetzt werden kann, um die Zusammensetzung innerhalb der Mischkristallreihe von Cs-Analcim (>2 wt.% Cs2O) zu Na-Pollucit (23–43 wt.% Cs2O) zu verschieben. Die zeitliche Einordnung dieser späten Cs-Anreicherung wird als quasi zeitgleich oder im direkten Anschluss an die vollständige Kristallisation der Pegmatitschmelze interpretiert. Es kann allerdings nicht vernachlässigt werden, dass auch jüngere hydrothermale Ereignisse, die den Pegmatitkörper nachträglich überprägen, ähnliche hydrothermale Prozesse hervorrufen können. Somit konnte gezeigt werden, dass es durch Kombination dieser magmatischen und hydrothermalen Prozessen möglich ist, genügend Cs anzureichern, um die Bildung von massiven Pollucitmineralisationen in LCT-Pegmatitsystemen zu ermöglichen. Dieses genetische Modell kann nun dazu genutzt werden, um das Potential von Vorkommen von massiven Pollucitmineralisationen in LCT-Pegmatitsystemen in Westaustralien und weltweit besser einzuschätzen.:Contents Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v Versicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi 1. Introduction 1 1.1. Motivation and Scope of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Structure of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. Fundamentals 7 2.1. The Alkali Metal Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1. Distribution of Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2. Mineralogy of Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.3. Geochemical Behaviour of Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.4. Economy of Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2. Pollucite – (Cs,Na)2Al2Si4O12×H2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1. Crystal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2. Analcime–Pollucite–Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.3. Formation of Pollucite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.4. Pollucite Occurences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3. Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.1. General Characteristics of Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.2. Controls on Pegmatite Formation and Evolution . . . . . . . . . . . . . 40 2.3.3. Pegmatite Age Distribution and Continental Crust Formation . . . . . . 43 3. Geological Settings of Archean Cratons 47 3.1. Zimbabwe Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.1.1. Tectonostratigraphic Subdivision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.2. Tectonometamorphic Evolution of the Northern Limpopo Thrust Zone . 49 3.1.3. Pegmatites within the Zimbabwe Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.1.4. Masvingo Greenstone Belt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.1.5. Geological Setting of the Bikita Pegmatite District . . . . . . . . . . . . 58 3.2. Yilgarn Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.1. Tectonostratigraphic Framework and Geological Development . . . . . 62 3.2.2. Tectonic Models for the Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.2.3. Pegmatites within the Yilgarn Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.2.4. Geological setting of the Londonderry Pegmatite Field . . . . . . . . . . 76 3.2.5. Geological Setting of the Mount Deans Pegmatite Field . . . . . . . . . 85 3.2.6. Geological Setting of the Cattlin Creek Pegmatite Deposit . . . . . . . . 91 3.3. Pilbara Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.3.1. Tectonostratigraphic Framework and Geological Development . . . . . 99 3.3.2. Tectonic Model for the Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.3.3. Pegmatites within the Pilbara Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.3.4. Geological Setting of the Wodgina Pegmatite District . . . . . . . . . . 106 4. Fieldwork and Sampling of Selected Pegmatites and Pegmatite Fields 115 4.1. Bikita Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.2. Londonderry Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.2.1. Londonderry Feldspar Quarry Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.2.2. Lepidolite Hill Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.2.3. Tantalite Hill Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.3. Mount Deans Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.3.1. Type I – Flat Lying Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.3.2. Type II – Steeply Dipping Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.4. Cattlin Creek Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.5. Wodgina LCT-Pegmatite Deposit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.5.1. Mount Tinstone Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.5.2. Mount Cassiterite Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5. Petrography and Mineralogy 139 5.1. Quantitative Mineralogy by Means of Mineral Liberation Analysis . . . . . . . . 141 5.2. Mineralogical and Petrographical Characteristics of Individual Mineral Groups . 141 5.2.1. Feldspar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 5.2.2. Quartz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 5.2.3. Mica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.2.4. Pollucite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 5.2.5. Petalite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.2.6. Spodumene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.2.7. Beryl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.2.8. Tourmaline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 5.2.9. Apatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5.2.10. Ta-, Nb- and Sn-oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5.3. Reconstruction of the General Crystallisation Sequence . . . . . . . . . . . . . 162 6. Geochemistry 165 6.1. Major Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 6.2. Selected Minor and Trace Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.3. Fractionation Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 6.4. Rare Earth Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 7. Geochronology 193 7.1. 40Ar/39Ar-Method on Mica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 7.1.1. Bikita Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 7.1.2. Mount Deans Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.1.3. Londonderry Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.1.4. Cattlin Creek Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.1.5. Wodgina Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 7.2. Th-U-Total Pb Monazite Dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 7.2.1. Monazite Ages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 7.3. U/Pb Dating of Selected Ta-, Nb- and Sn-Oxide Minerals . . . . . . . . . . . . 203 7.3.1. Bikita Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 7.3.2. Londonderry Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 7.3.3. Mount Deans Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 7.3.4. Cattlin Creek Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 7.3.5. Wodgina Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 8. Fluid Inclusion Study 211 8.1. Bikita Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 8.2. Wodgina Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 8.3. Carbon Isotope Analysis on Fluid Inclusion Gas of Selected Mineral Phases . . 212 9. Stable and Radiogenic Isotopes 217 9.1. Whole Rock Sm/Nd-Isotopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 9.1.1. New Whole Rock Sm/Nd Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 9.2. Lithium Isotope Analysis on Selected Mineral Phases . . . . . . . . . . . . . . . 220 9.2.1. New Lithium Isotope Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 10.Discussion 227 10.1. Regional Geological and Tectonomagmatic Development . . . . . . . . . . . . 227 10.1.1. Constraints from Field Evidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 10.1.2. Petrographical and Mineralogical Constraints . . . . . . . . . . . . . . 229 10.1.3. Geochemical Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 10.1.4. Isotopic Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 10.1.5. Constraints from Fluid Inclusion Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 10.1.6. Geochronological Constrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 10.2. Massive Pollucite Mineralisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 10.2.1. Unique Characteristics of Massive Pollucite Mineralisations . . . . . . . 243 10.2.2. New Concepts for the Formation of Massive Pollucite Mineralisations . . 252 10.3. Genetic Model for the Formation of Massive Pollucite Mineralisations within LCT Pegmatite Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 11.Summary and Conclusions 267 References 273 Lists of Abbreviations 309 General Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Mineral Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 List of Figures 311 List of Tables 315 Appendix 317 A. Legend for Topographic Maps 319 B. Sample List 323 C. Methodology 331 C.1. Quantitative Mineralogy by Means of Mineral Liberation Analysis . . . . . . . . 331 C.2. Geochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 C.3. 40Ar/39Ar-Method on Mica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 C.4. Th-U-Total Pb Monazite Dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 C.5. U/Pb Dating of Selected Ta-, Nb- and Sn-Oxide Minerals . . . . . . . . . . . . 336 C.6. Fluid Inclusion Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 C.7. Whole Rock Sm/Nd-Isotopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 C.8. Lithium Isotope Analysis on Selected Mineral Phases . . . . . . . . . . . . . . . 338 D. Data – Mineral Liberation Analysis 341 E. Data – Geochemistry 345 F. Data – Geochronology 349 G. Data – Stable and Radiogenic Isotopes 353