Cu-Dünnschicht-Kristallstrukturanalysen bei hohen Temperaturen

Cu-Dünnschichten werden in verschiedenen elektronischen Geräten genutzt. Die Kristallstruktur, Textur und andere Eigenschaften müssen dabei zur Leistungssteigerung dieser Geräte gut verstanden werden. Solche Geräte werden häufig während des Herstellungsprozesses hohen Temperaturen ausgesezetzt. Dabei ist das Grundverständnis für die Strukturänderungen bei diesen Temperaturwechseln überaus wichtig. Die Röntgenbeugung ist eine der Analysetechniken, die zur Untersuchung der Kupferstruktur genutzt wird und die Analysen können zusätzlich in Hochtemperaturumgebungen ausgeführt werden.

Abbildung 1 zeigt die Beugungsprofile unter streifendem Einfall von In-Plane (Cu (220)) und konventionellen Out-of-Plane (Cu (222)) Daten, die mithilfe eines 197 nm dicken Kupferfilms auf einem Si-Schichtträger ermittelt wurden. Die Probentemperatur betrug zwischen 27 und 800°C in einer Stickstoffatmosphäre. Veränderungen der Peakpositionen mitsamt der Peakweite wurden bei wechselnder Probentemperatur beobachtet. Die Daten wurden am SmartLab Diffraktometer mithilfe des Anton Paar DHS1100 Heiztisches gesammelt.


Abbildung 1: In-Plane (links) und Out-of-Plane (rechts) Röntgenbeugungsdaten.

Die Gitterparameter und FWHM bei verschiedenen Temperaturen wurden mithilfe dieser Scans bestimmt (Abbildung 2 und 3).


Abbildung 2: Gitterparameter

Abbildung 3: FWHM

Die Analyseergebnisse der Gitterparameter zeigen, dass das Cu-Gitter bei Raumtemperatur Spannungen aufweist. Mit zunehmender Temperatur expandiert das Cu-Gitter zunächst vertikal, mit abnehmender Spannung um 400°C. Die Expansion des Gitters nimmt dabei bis zu einer Temperatur von 800°C zu. Sobald die Temperatur wieder verringert wird, nimmt die Spannung innerhalb des Gitters ebenfalls wieder zu, da der thermische Koeffizienzparameter von Si kleiner ist als der von Cu. Bei Rückkehr zur Raumtemperatur sind die Spannungen innerhalb des Gitters größer als vor dem Hitzeexperiment.

Die FWHM Analyseergebnisse zeigen, dass sich die Kristallqualität der Cu-Schicht mit zunehmender Temperatur verbessert, sich jedoch mit abnehmender Temperatur ebenfalls verringert. Bei Raumtemperatur wird die strukturelle Ordnung in Out-of-Plane Richtung noch mehr als vor Durchführung des Hitzeexperimentes gestört.


Das SmartLab ist das modernste hochauflösende Diffraktometer auf dem Markt. Vermutlich die auffälligste Neuerung ist die SmartLab Guidance Software, die dem Benutzer mit einem intelligenten Interface ausstattet um durch alle Feinheiten eines Experiments zu führen, beinahe so als hätte man einen Kristallographiexperten direkt an seiner Seite. Read more about SmartLab...