Processing and investigation of thin films with incorporated carbon species for possible application as low-k materials

Herstellung und Untersuchung von dünnen kohlenstoffhaltigen Filmen und ihre mögliche Anwendung als Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante

  • In this thesis the detailed investigations concerning processing and stability of thin films including carbon species and their possible application as materials of a low dielectric constant (low k) are presented. In order to gather a complex information regarding the chemical, morphological and dielectric properties of the produced layer a combination of the spectroscopy: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), microscopy: atomic force microscopy (AFM) and electrical characterization: capacitance-voltage technique (CV) have been applied. The films deposited by means of variety of techniques have been described, ranging from evaporation, through spraying and dropping to spin-coating. Regarding the possible low-k application, a considerable attention has been paid to the hybrid organic-inorganic 3-aminopropyl-trimethoxysilane (APTMS) based composite materials enriched with carbon species coming from the following dopants:In this thesis the detailed investigations concerning processing and stability of thin films including carbon species and their possible application as materials of a low dielectric constant (low k) are presented. In order to gather a complex information regarding the chemical, morphological and dielectric properties of the produced layer a combination of the spectroscopy: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), microscopy: atomic force microscopy (AFM) and electrical characterization: capacitance-voltage technique (CV) have been applied. The films deposited by means of variety of techniques have been described, ranging from evaporation, through spraying and dropping to spin-coating. Regarding the possible low-k application, a considerable attention has been paid to the hybrid organic-inorganic 3-aminopropyl-trimethoxysilane (APTMS) based composite materials enriched with carbon species coming from the following dopants: C60 fullerenes, [6,6]-phenyl-C61-butyric acid (PCBM), copper phthalocyanine (CuPc), and tris(dimethylvinylsilyloxy)-POSS (POSS). In the following thesis progressive steps leading to gradual decreasing of the resulting permittivity of the hybrid material is presented. As revealed by the performed investigations, the replacement of C60 within the APTMS based matrix by its better soluble derivative PCBM allows the increase of the concentration of the carbon species within the composite films. The introduction of POSS as an additional dopant gave the opportunity of increasing the resistance of the produced material against the ambient influence. With the excess of the POSS concentration an original fractal-shaped cluster formation has been observed. Finally, the dispersion of the properly chosen low concentration of CuPc and POSS molecules within the APTMS based matrix led to the fabrication of homogenous layer with an ultra-low dielectric constant of 1.8.show moreshow less
  • In dieser Arbeit werden detaillierte Untersuchungen zur Herstellung und Stabilität von dünnen kohlenstoffhaltigen Filmen und ihre mögliche Anwendung als Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante (low k) präsentiert. Um komplexe Informationen über die chemischen, morphologischen und dielektrischen Eigenschaften der erzeugten Schichten zu erhalten, wurde eine Kombination verschiedener Methoden angewendet. Dabei kamen spektroskopische (Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie: XPS, Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie: NEXAFS und Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie: FTIR), mikroskopische (Rasterkraftmikroskopie: AFM) und elektrische (Kapazitäts-Spannungs-Messungen: CV) Charakterisierungsmethoden zum Einsatz. Die Filme wurden mit verschiedenen Techniken aufgetragen: Verdampfung, Sprüh- und Tropfverfahren sowie Spin Coating. Bezüglich der möglichen low-k-Anwendung wurden hybride organisch-anorganische kohlenstoffhaltige Verbundwerkstoffe untersucht. Die Filme basieren auf 3-Aminopropyltrimethoxysilan (APTMS), das mit denIn dieser Arbeit werden detaillierte Untersuchungen zur Herstellung und Stabilität von dünnen kohlenstoffhaltigen Filmen und ihre mögliche Anwendung als Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante (low k) präsentiert. Um komplexe Informationen über die chemischen, morphologischen und dielektrischen Eigenschaften der erzeugten Schichten zu erhalten, wurde eine Kombination verschiedener Methoden angewendet. Dabei kamen spektroskopische (Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie: XPS, Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie: NEXAFS und Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie: FTIR), mikroskopische (Rasterkraftmikroskopie: AFM) und elektrische (Kapazitäts-Spannungs-Messungen: CV) Charakterisierungsmethoden zum Einsatz. Die Filme wurden mit verschiedenen Techniken aufgetragen: Verdampfung, Sprüh- und Tropfverfahren sowie Spin Coating. Bezüglich der möglichen low-k-Anwendung wurden hybride organisch-anorganische kohlenstoffhaltige Verbundwerkstoffe untersucht. Die Filme basieren auf 3-Aminopropyltrimethoxysilan (APTMS), das mit den folgenden Dotierungen angereichert wurde: C60 Fulleren, Phenyl-C61-Buttersäure-methylester (PCBM), Kupfer-Phthalocyanin (CuPc) und Tris (dimethylvinylsilyloxy)-POSS (POSS). Die vorliegende Dissertation stellt progressive Optimierungsschritte dar, mit denen eine allmähliche Verringerung der resultierenden Dielektrizitätskonstante des Hybrid-Materials erreicht wurde. Wie die durchgeführten Untersuchungen zeigen, erlaubt die Substitution von C60 in der APTMS Matrix durch sein besser lösliches Derivat PCBM die Erhöhung der Konzentration der Kohlenstoffspezies innerhalb der Schichten. Die Einführung von POSS als zusätzliche Dotierung führte zu einer Erhöhung der Resistenz des produzierten Materials gegen Umgebungseinflüsse. Jedoch wurden dabei ab bestimmten POSS-Konzentrationen (im Bereich von 0.3 %) Überladungen der Matrix mit dem Dotierstoff festgestellt, was sich in der Bildung fraktaler Strukturen widerspiegelte. Letztendlich erzielte die Kombination relativ niedriger Konzentration von CuPc und POSS-Molekülen (im Bereich von 0.1 %), die innerhalb der APTMS Matrix dispergiert wurden, die besten Ergebnisse und es konnten homogene Schichten mit einer ultra-niedrigen Dielektrizitätskonstante von 1.8 hergestellt werden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Klocek Jolanta
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-24358
Referee / Advisor:Prof. Dr. rer. nat. habil Dieter Schmeißer
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2011
Date of final exam:2012/02/20
Release Date:2012/03/20
Tag:3-Aminopropyltrimethoxysilan; Kapazität-Spannungs-Charakteristik; Low-k-Materialien; Rasterkraftmikroskopie; Röntgen-Photoelektronenspektroskopie
3-Aminopropyltrimethoxysilane; Atomic force microscopy; Capacitance–voltage characterization; Low-k materials; X-ray photoelectron spectroscopy
GND Keyword:Röntgen-Photoelektronenspektroskopie; Rasterkraftmikroskopie
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Angewandte Physik und Halbleiterspektroskopie
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Angewandte Physik / Sensorik
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