Solid state dewetting phenomena of aluminum thin films on single crystalline sapphire

Hieke, Stefan Werner; Dehm, Gerhard; Schneider, Jochen Michael; Scheu, Christina

doi:HT019639937

Solid state dewetting phenomena of aluminum thin films on single crystalline sapphire

Hieke, Stefan Werner^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M. Sc. Stefan Werner Hieke

ImpressumAachen 2017

Umfang(XII, 110, xi Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Scheu, Christina (Thesis advisor)^RWTH* ; Schneider, Jochen Michael (Thesis advisor)^RWTH* ; Dehm, Gerhard (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-12-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-222956
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/720965/files/720965.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
ESEM (frei) ; TEM (frei) ; aluminum (frei) ; environmental scanning electron microscopy (frei) ; in situ microscopy (frei) ; orientation relationship (frei) ; solid state dewetting (frei) ; thin films (frei) ; transmission electron microscopy (frei) ; triple junction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Dünnschichttechnik wird in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt. Sie spielt vor allem in der Mikroelektronik eine große Rolle, wo Aluminium (Al) und Kupfer beispielweise als Leiterbahnen verwendet werden. Durch die zunehmende Miniaturisierung von Schaltkreisen werden immer dünnere Filme benötigt. Das zunehmende Verhältnis von Oberfläche zu Volumen macht dünne Schichten bei erhöhten Temperaturen anfällig gegenüber Entnetzung. Tritt Entnetzung unterhalb des Schmelzpunktes auf, wird sie als Festphasenentnetzung bezeichnet. In dieser Arbeit wird das Festphasenentnetzungsverhalten von Al-Dünnschichten auf einkristallinen (0001) orientierten α-Al2O3 (Saphir) Substraten beschrieben. Es handelt sich um bikristalline Schichten, bei denen die dichtest gepackten Ebenen und Richtungen parallel zueinander sind, wobei zwei Zwillingsvarianten auftreten. Zum anderen wurden tetrakristalline Filme untersucht, bei denen zusätzlich Körner, die um 30° rotiert sind (ebenfalls verzwillingt), vorhanden sind. Das Entnetzungsverhalten der Schichten sowie begleitende Veränderungen der Mikrostruktur während des Auslagerns bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes von Al (660°C) sind der zentrale Aspekt dieser Arbeit. Die Oberflächendiffusion ist durch das natürliche Oxid unterdrückt. Der Schwerpunkt des ersten Teils der Arbeit liegt auf der Texturveränderung sowie auf dem Kornwachstumsverhalten der tetrakristallinen Filme, die mittels großflächiger Elektronen-rückstreubeugungsuntersuchungen quantitativ analysiert wurden. Die Bildung von Hohlräumen sowie deren Wachstum mit zunehmender Glühzeit wurden durch eine ausführliche Aufsichtsstudie mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) gezeigt. Hochenergetische Korngrenzen wurden als Ausgangspunkte für die Hohlraumbildung identifiziert. Die Hohlräume bildeten sich durch das Entnetzen der Al-Dünnschicht unterhalb des kontinuierlichen Oberflächenoxids. Als Hauptdiffusionswege wurden Korngrenzen sowie Grenzflächen identifiziert. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Bildung der Hohlräume und deren Wachstums-mechanismen im Detail behandelt. Die ideale Hohlraumform kann mittels einer inversen Wulff Konstruktion eines Al Kristalles beschrieben werden. Das sich ausbildende Hexagon wird mit abwechselnden kurzen und langen Facetten gebildet. Rastertransmissionselek-tronenmikroskopieuntersuchungen (STEM) von Querschnitten der Al|Hohlraum Bereiche zeigen atomare Grenzflächen zwischen dem sich zurückziehenden Film und dem Hohlraum. Eine gleichmäßige Umverteilung des Materials in die Umgebung sorgt für einen gleichmäßigen Anstieg der Filmdicke. Hindernisse können das Zurückziehen des Filmes blockieren (Pinning) und damit der Grund für die Ausbildung unregelmäßiger Hohlräume sein. An der Dreiphasengrenzfläche Al|Oberfläche|Hohlraum sammelt sich Material an und bildet einen Rand mit deutlich erhöhter Filmdicke. An der Dreiphasengrenzfläche zum Substrat wächst ein Saphirkeil. Die Dicke des Oberflächenoxides nimmt mit zunehmender Zeit zu. Das Oxid bedeckt jedoch auch nach dem Auslagern sowohl den Film als auch den Hohlraum. Durch die erhöhte Temperatur wird eine Phasenumwandlung des ursprünglich amorphen Oxides hin zu γ-Al2O3 bedingt, wie durch STEM und Elektronenenergie-verlustspektroskopieuntersuchungen gezeigt werden konnte. Die γ-Al2O3 Oberflächenschicht weist hierbei eine Orientierungsbeziehung zu der darunterliegenden Al-Dünnschicht auf. Im dritten Teil der Arbeit werden die Dynamiken des Festphasenentnetzungsmechanismus im Detail untersucht. Um den Einfluss von Korngrenz- sowie Textureffekten auf das Entnetzungsverhalten weiter zu reduzieren, wurden hierfür die bikristallinen Al Dünnschichten eingesetzt. Glühexperimente wurden in-situ in einem dedizierten SEM durchgeführt. Hierbei wurde der diskontinuierliche Wachstumsmechanismus anhand individueller Hohlräume direkt beobachtet. Experimente in reduzierender Atmosphäre zeigten eine spontane Entnetzung, die durch die Reduzierung des Oberflächenoxides und damit erneute Aktivierung der schnellen Oberflächendiffusion erklärt werden kann. In oxidierender Atmosphäre entstehen die Hohlräume, deren Form mit zunehmender Zeit von der hexagonalen Form abweicht. Die Komplexität des Hohlraumwachstums wird durch den Einfluss von Pinning erklärt. Die weitere Veränderung der Mikrostruktur sowie das Zusammenspiel und die Ausbildung von Pinning, Finger-Instabilitäten sowie Facetten-Instabilitäten als Funktion der Zeit wird in diesem Kapitel quantitativ beschrieben. Die erstmalige, zeitlich aufgelöste in-situ Beobachtung des Festphasenentnetzungsverhaltens definierter Al-Dünnschichten ermöglicht die Untersuchung von Thesen, die anhand von ex-situ Experimenten aufgestellt wurden. Diese Arbeit zeigt, wie durch das Zusammenspiel von in-situ und ex-situ Methoden bei hoher Ortsauflösung dynamische Prozesse in der Materialwissenschaft aufgeklärt werden können.

Thin film technology is used in a variety of applications, whereas a major application field is microelectronics, e.g. with aluminum (Al) and copper thin films as interconnect materials. Miniaturization leads to decreasing film thickness in thin film devices and consequently high surface to volume ratio. Such thin films may degrade at elevated temperatures via dewetting. The process can occur at temperatures below the melting point and is termed in this case solid state dewetting. This PhD thesis focuses on the solid state dewetting behavior of tetra- and bicrystalline Al thin films on single crystalline (0001) oriented α-Al2O3 (sapphire) substrates. Bicrystalline films have the close-packed planes and directions parallel to each other and possess two twin variants resulting in the orientation relationships (OR) OR I a/b. Tetracrystalline films have additionally grains, 30° rotated relative to OR I a/b, which occur also in two twin variants OR II a/b. The films were annealed below the melting point of Al (660°C) to investigate the solid state dewetting behavior and the accompanying microstructural evolution phenomena. The native oxide served as a surface diffusion suppression layer. In the first part of the thesis the texture evolution and the grain growth of tetracrystalline Al thin films was quantitatively analyzed using large scale electron backscatter diffraction measurements. A detailed scanning electron microscopy plan-view study revealed the formation of faceted voids and their growth behavior with increasing annealing time. High energy grain boundaries were identified as initial points for the void formation. The retraction of the Al thin film below a continuous oxide membrane was found as the underlying dewetting mechanism. Al diffuses primarily via grain boundaries and interfaces. The void formation and the void growth mechanism within the tetracrystalline films are discussed in the second part of the thesis. The ideal void shape, a hexagon with alternating short and long facets, is described by an inverse equilibrium crystal shape of Al. Site-specific scanning transmission electron microscopy (STEM) investigations of cross sections of the Al|void region revealed atomically sharp interfaces between the retracting Al film and the void. Al is uniformly distributed to the surrounding leading to a homogenous increase in the thickness of the Al film over several µm. Obstacles led to pinning and a subsequently anisotropic retraction of the Al thin film and irregular void shapes. Due to pinning, rim growth at the Al|surface|void triple junction and epitaxial ridge growth at the Al|substrate|void triple junction occurred. The covering surface oxide membrane was increasing in thickness with time, whereby it was still covering both, the film and the void, continuously. A temperature induced phase transformation of the initial amorphous to γ-Al2O3 was confirmed by high resolution STEM and electron energy loss spectroscopy. The γ-Al2O3 surface oxide possesses an orientation relationship with the underlying Al thin film. The dynamics of the solid state dewetting mechanisms are reported in the third part of the thesis. For this studies, the bicrystalline Al thin film system was used to further reduce grain boundary and texture effects interfering with the solid state dewetting phenomena. In-situ annealing experiments within an environmental scanning electron microscopy enabled for the first time the direct observation of the discontinuous void growth mechanism, as indicated from the ex-situ annealing experiments. Annealing in reducing atmosphere led to a partial removal of the surface oxide and a spontaneous film rupture due to the available surface diffusion path. Experiments in oxidizing atmosphere confirmed that void formation via solid state dewetting occurs below the oxide membrane, but is sluggish due to the suppressed surface diffusion. With increasing annealing time, the void shape deviates from the idealized hexagonal shape due to the increasing complexity of the Al film retraction caused by pinning. The evolution and the interplay of pinning, fingering instabilities, faceting instabilities and straight facets were investigated as a function of time. The time-dependent observation of the solid state dewetting behavior of defined Al thin films on sapphire in-situ allows to manifest the mechanism, postulated from the ex-situ experiments. This thesis demonstrates the potential of combining in-situ and ex-situ techniques at high spatial resolution to reveal dynamic phenomena in material science.

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