Kornfeind, N. (2008). Determination of diffusion profiles in copper/carbon metal matrix composites and silicon wafers with Time-of-Flight SIMS [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/179777
Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Arbeit richtet sich auf die Untersuchung von Diffusionsvorgängen in Dünnschicht Systemen. Hierzu verwenden wir ausschließlich TOFSIMS )Time of Flight - Sekundär Ionen Massen Spektrometrie) als analytisches Verfahren, um Tiefenprofile der zu untersuchenden Proben aufzuzeichnen. Die Arbeit untersucht zwei verschiede Schichtsysteme. Der erste Teil konzentriert sich auf dünne Natriumschichten auf Siliziumwafern. Der zweite Teil der Arbeit untersucht Kupfer- Kohlenstoff Systeme mit eingelagerten Titan, Bor, Chrom und Molybdän Zwischenschichten, bzw. Kombinationen davon. Diese dienen als Modellsysteme für so genannte MMCs (Metal-Matrix-Composites). Im ersten Teil der Arbeit werden die Proben durch das Aufspinnen einer wässrigen Natrium Lösung auf einen glatten Siliziumwafer erzeugt. Es werden zwei verschiede Lösungen untersucht, einerseits Natriumcarbonat andererseits Natriumacetat. Zunächst wird geklärt ob die aufgebrachten Schichten das Natrium homogen auf der Waferoberfläche verteilen und weiters ob der Probenherstellungsprozess, reproduzierbare Ergebnisse liefert. Die Proben werden anschließend einer Temperatur Behandlung unterzogen. Hier wird die Frage beantwortet: Bei welcher Temperatur dringt das Natrium durch die Oberfläche in den Siliziumfestkörper ein und wie tief dringt das Natrium in einer gegebenen Zeit vor? Zweck dieser Voruntersuchungen soll es sein, ein Standardtestverfahren zu entwickeln mit dem es möglich ist die absolute Natriumkontamination in Relation zur Lebensdauer von Logiktransistoren zu setzten. Die vorliegende Arbeit soll einen ersten Schritt in diese Richtung setzten und untersuchen ob sich Spinnen und Temperaturbehandlung zur Herstellung von passenden Proben eigenen. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von Temperaturbehandlung auf die Adhäsionseigenschaften von Kupferschichten auf Kohlenstoffsubstraten, welche durch das Einbringen von Bor, Bor/Chrom, Bor/Titan bzw. Bor/Molybdän Zwischenschichten modifiziert wurden. Der Einfluss der Zwischenschichten auf die Diffusionsprofile und auf die mechanischen Eigenschaften wird untersucht. Ein potentielles Anwendungsgebiet dieser Materialien finden wir in der Elektronikindustrie, bei der Herstellung von elektronischen Komponenten, wo sie als Wärmesenken eingesetzt werden können. Die Sekundär Ionen Massen Spektrometrie zeichnet sich durch extrem gute Nachweisgrenzen aus und ist deshalb eine ausgezeichnete Methode um in den beiden vorliegenden Probenklassen Diffusionsprofile aufzuzeichnen, in denen selbst kleinste Stoffkonzentrationen nachgewiesen werden können. Alle Messungen wurden auf dem neuen ION-TOF5 TOF-SIMS Instrument des CD-Labors für Oberflächen und Grenzflächenanalytik auf der TU Wien durchgeführt.
The work at hand focuses on the investigation of diffusion processes in thin layer systems. For this we exclusively use TOF-SIMS (Time of Flight - Secondary Ion Mass Spectrometry) as an analytical method to log depth-profiles of the given specimens. It focuses on two distinct kinds of thin layer systems. The first part of the work focuses on thin sodium layers on even silicon wafers. In the second part we investigate copper - carbon systems with intermediate titanium, boron, chromium and molybdenum layers respectively combinations thereof, which serve as model systems for so called metal matrix composites (MMC). The sodium/silicon specimens were manufactured by the means of spin-coating (a sodium solution on a flat silicon wafer). Two distinct solutions were investigated, sodium carbonate and sodium acetate. First of all we had to clarify if the sodium is homogeneously distributed over the wafer, which is not the case. Secondly we had to confirm, that the sample manufacturing process yields repeatable results, which was not the case either. The specimens were subsequently subject to a thermal treatment, with the aim to drive the sodium from the surface into the bulk and to answer the following question: What temperature is required to penetrate the surface and enter the silicon bulk? We find that a simple temperature treatment is not an appropriate method to measure diffusions profiles. The binding energy of the sodium ions in our solutions is much higher than the activation energy of the diffusion process as a result we obtain unfit profiles. The aim of this pilot survey is to develop a standard operation that allows us to make a correlation between sodium contaminations on silicon wafers and durableness of logic transistors. The work at hand is a first step in that direction, it clarifies if spin-coating and temperature conditioning are suited to manufacture proper specimens. The second part of the work focuses on the influence of temperature conditioning on the adhesion properties of copper films on carbon surfaces, which were coated by the above mentioned interlayers. Further, we investigate how the placement of intermediate boron/chromium, boron/titanium and boron/molybdenum affects the diffusion profiles and the adhesion properties of the system. We compare three different thicknesses of intermediate layers and four different materials (B, Cr, Ti, Mo) that are placed between a glassy carbon substrate and a copper coating. A potential field of application for these materials is the electronic industry, where this kind of materials can be used as heat sinks in electronic devices. Secondary Ion Mass Spectrometry features extraordinary good detection limits and high depth resolution, therefore it is an excellent method to find even smallest concentrations of contaminations, in the presented case. All the depth profiles were obtained with the new ION-TOF5 instrument of the CD-laboratory for surface and interface analytics at the Vienna University of Technology.
