Beschreibung des mittels Bildsegmentierung bestimmten Inselwachstums metallischer Schichten durch den Formalismus der Ratengleichungen

Abstract

Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist es, die Nukleation von Blei und Zinn (nukleirende Schicht) auf Kupfer, Silber sowie auf Kupfer-Silber-Legierungen (Basisschicht) zu untersuchen. Dazu werden konventionelle Mikroskop-Objektträger durch DC-Magnetron-Sputtern mit einer 1 μm dicken Basisschicht beschichtet, auf der nominal 10nm der nukleirenden Schicht deponiert werden. Durch Rasterelektronenmikroskopie wird überprüft, ob für die verschiedenen Materialkombinationen aus nukleirender Schicht und Basisschicht Inselwachstum der nukleirenden Schicht vorliegt. Bei Inselwachstum wird eine softwarebasierte Auswertung von Oberflächenbildern vorgenommen, durch welche die Inseldichte und die Größen der Inseln vermessen werden. Im Zuge dessen wird eine standartisierte Klassifizierung von Elektronenmikroskopie-Aufnahmen zur Bestimmung der Inseldichten und -größen vorgestellt.Durch Variation der Substrattemperatur während der Beschichtung wird die Temperaturabhängigkeit der Inseldichte analysiert. Der untersuchte Temperaturbereich entspricht den homologen Temperaturen TH der nukleirenden Schicht von 0,705 bis 0,904. Für Blei wird weiters die Depositionsrate der nukleirenden Schicht variiert. Außerdem wird untersucht, welchen Einfluss eine Änderung der Zusammensetzung der Basisschicht auf die Inseldichte hat.Die experimentell ermittelten Inseldichten werden in die Ratengleichungen eingesetzt, welche das Inselwachstum theoretisch beschreiben. Aus der Abhängigkeit der Inseldichte von Substrattemperatur und Beschichtungsrate wird mittels eines Programmes auf Kondensationsregime und Wachstumsmodus der nukleirenden Schicht geschlossen und offene Parameter werden bestimmt. Dazu zählen die Bindungsenergie der Inseln, die Desorptionsenergie der nukleirenden Schicht und die kritische Keimgröße. Weiters wirddurch energiedispersive Röntgenspektroskopie der Anteil der nukleirenden Schicht an der Probe ausgewertet.Bei der Nukleation von Blei wird sowohl auf Kupfer als auch auf Silber für den gesamten betrachteten Temperaturbereich Inselwachstum beobachtet. Eine Mischung von Kupfer und Silber führt zur Reduktion der Inseldichte von Blei im Vergleich zu den Reinkomponenten. Bei der Nukleation von Zinn wird nur bei TSn H = 0, 705 Inselwachstum auf Silber beobachtet. Auf Kupfer tritt im betrachteten Temperaturbereich kein Inselwachstum von Zinn auf.

The aim of this diploma thesis is to investigate the nucleation of lead and tin (nucleating layer) on copper, silver, and copper-silver alloys (base layer). For this purpose, conventional microscope glass slides are coated with a 1 μm thick base layer by DC magnetron sputtering. A nucleating layer with nominal thickness of 10nm is deposited onto the base layer. Scanning electron microscopy is used to verify whether island growth of lead or tin occurs for the different material combinations of nucleating and base layers. If island growth is observed, a software-based evaluation of surface images is carried out to calculate the island density and size. For this purpose, a standardized classification of electron microscopy images for determining island densities and sizes is presented.By varying the substrate temperature during the sputter deposition, the temperature dependence of the island density is analyzed. The temperature range examined corresponds to the homologous temperatures TH of the nucleating layer from 0.705 to 0.904. For lead, the deposition rate of the nucleating layer is also varied. In addition it is investigated, if the composition of the base layer influences the island density.The experimentally determined island densities are inserted into the rate equations that theoretically describe island growth. Based on the dependence of the island density on substrate temperature and deposition rate, the condensation regime and growth mode of the nucleating layer are assessed. Furthermore, essential parameters are determined, including the binding energy of the islands, the desorption energy of the nucleating layer and the critical nucleus size. The proportion of the nucleating layer in the sample is then evaluated by energy-dispersive X-ray spectroscopy.For the nucleation of lead, island growth is observed on both copper and silver for the entire temperature range considered. A mixture of copper and silver leads to a reduction in island density of lead compared to the pure components. For the nucleation of tin, island growth on silver is observed only at TSn H = 0.705. No island growth of tin is observed on copper in the total temperature range considered.