Elektromigration in Gold und Silber Nanostrukturen

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94 5. Ergebnisse und Diskussion: Goldleiterbahnen dem Modell von Mayadas und Shatzkes [186]) nachgewiesen, dass sich die elektrische Leitfähigkeit in polykristallinen Nanoleiterbahnen aufgrund einer verstärkten Streuung innerhalb der Korngrenzen verringert. Untersuchungen hierzu sind in der Literatur für sub-100 nm Leiterbahnen aus Kupfer oder Gold zu finden. [187–189]. Die verstärkte Streuung der Leitungselektronen erklärt die bevorzugte Bildung von Poren innerhalb von Korngrenzen. Bei den Untersuchungen an den polykristallinen Leiterbahnen wurde weiterhin ein ausgeprägtes Ausheilverhalten beobachtet, welches sich in einer Abnahme des Wider- standes nach der Thermalisierung zu Beginn der Elektromigrationsmessungen bemerk- bar macht und bereits in der Literatur beschriebenen wurde [174]. Zur Demonstration dieses Ausheilverhaltens wurde eine Leiterbahn gezielt mit einer Stromstärke belastet, welche über einen Zeitraum von Stunden nicht zu sichtbaren Elektromigrationsschädi- gungen führt. Für sechs aufeinander folgende Messungen mit gleicher Stromstärke wurde die Änderung des Widerstandes R(0) sowie die Temperaturerhöhung berechnet. Während der Widerstand R(0) annähernd konstant geblieben ist, hat sich die Tem- peraturerhöhung um ca. 10 % abgeschwächt. Als Erklärung kommt eine Änderung des linearen Temperaturkoeffizienten aufgrund der Elektromigration in Frage [24]. Die bis- lang in der Literatur angegebenen Änderungen des linearen Temperaturkoeffizienten liegen allerdings nur in einer Größenordnung von einem Prozent und können damit den hier beobachteten Effekt nicht erklären. Der Zusammenhang des Ausheilverhaltens und der Temperaturerhöhung sollte daher in nachfolgenden Arbeiten detaillierter untersucht werden. Neben der Untersuchung der Elektromigrationseffekte in den Goldleiterbahnen wurde auch detailliert der Einfluss der in-situ Messungen auf das Widerstands- und das Elektromigrationsverhalten hin untersucht. So konnte eindeutig der Einfluss des Elek- tronenstrahls auf den Widerstand mit Hilfe von periodischen Widerstandsänderungen der Leiterbahnen korrekt zugeordnet werden [169]. Qualitativ wird gezeigt, dass eine zusätzliche Wärmeentwicklung aufgrund der Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit der Leiterbahn und dem Substrat zu beobachten ist. Dies ist bedeutsam für alle elektro- nenoptischen in-situ Untersuchungen des elektrischen Widerstands, da eine Beeinflus- sung der Messergebnisse durch den Elektronenstrahl berücksichtigt werden muss. Abgesehen von diesem direkten Effekt des Elektronenstrahls, welcher Einfluss auf die in-situ Bestimmung des Widerstandes nimmt, kommt es weiterhin zu einer Kon- tamination der Leiterbahnen mit Kohlenstoff. Dies ist vor allem für die in dieser Ar- beit hauptsächlich untersuchten polykristallinen Leiterbahnen von Bedeutung, da der Kohlenstoff Einfluss auf die morphologischen Änderungen innerhalb der Leiterbahnen nimmt. So wird durch den Kohlenstoff ein Kornwachstum (im wesentlichen hervorgeru- fen durch die erhöhte Temperatur der Leiterbahnen aufgrund Joul’scher Wärme) stark
5.5 Abschließende Diskussion: Polykristalline Goldleiterbahnen 95 beeinträchtigt. Eine Quantifizierung dieses Effektes ist extrem schwierig, da die Depo- sitionsrate von vielen Faktoren abhängig ist (Arbeitsdruck des Elektronenmikroskops, Vorbehandlung der Probe und des Substrats, Vorhandensein von Lackresten, Bestrah- lungsdauer), die insgesamt dafür sorgen, dass der Effekt nicht reproduzierbar ist. Qua- litativ kommt es aufgrund des Kohlenstoffs zu einem geringeren Ausheilverhalten und Kornwachstum und damit verbunden zu einer geringeren Widerstandsabnahme zu Be- ginn der Messungen. Trotz des Kohlenstoffeinflusses kommt es in den Leiterbahnen zu dem oben beschriebenen Ausheilverhalten zu Beginn der Elektromigrationsmessungen. Neben einem anfänglich starken Ansteigen des Widerstands aufgrund der Joul’schen Erwärmung der Leiterbahnen nimmt der Widerstand (bei nicht zu hohen Stromstärken) nach der Ther- malisierung wieder ab. Dies deutet auf die Bildung von leitfähigen Pfaden innerhalb der Leiterbahnen hin, die vermutlich dafür sorgen, dass die einzelnen Körner elektrisch besser miteinander verbunden sind. Dieser Effekt ist besonders eindrucksvoll bei der ”re- versiblen” Elektromigration zu beobachten, wo Widerstandsabnahmen bis zu 10 % des Gesamtwiderstandes der Leiterbahn gemessen werden konnten. Die Widerstandsabnah- me ist umso erstaunlicher, da gleichzeitig die Porenfläche während dieser Experimente kontinuierlich zunahm. Dies zeigt, dass einzelne Poren nur bedingt Einfluss auf das Widerstandsverhalten einer Leiterbahn besitzen.
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Für meine Eltern Es geht nichts ü
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ii Abstract Electromigration is the
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iv Inhaltsverzeichnis 5.1.6 Weitere
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2 1. Einleitung 1 µm Hügel Poren
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4 1. Einleitung Abb. 1.3: Kupfermet
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6 1. Einleitung Abb. 1.4: Schematis
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8 1. Einleitung Silber [47-49], Gol
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10 1. Einleitung zwischen dem Wider
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12 2. Grundlagen Metallionen über
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14 2. Grundlagen elektrisches Feld
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16 2. Grundlagen Abb. 2.3: Die fün
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18 2. Grundlagen a b + + Hügel Hü
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Seite 120 und 121: 110 7. Zusammenfassung und Ausblick
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Seite 124 und 125: 114 Literatur Literatur [1] P. S. H
Seite 126 und 127: 116 Literatur [29] H.-U. Schreiber,
Seite 128 und 129: 118 Literatur [56] P. S. Ho, J. Phy
Seite 130 und 131: 120 Literatur [82] G. Schneider, M.
Seite 132 und 133: 122 Literatur [108] H. Landolt, R.
Seite 134 und 135: 124 Literatur [136] T. O. Ogurtani,
Seite 136 und 137: 126 Literatur [163] T. Michely, M.
Seite 138 und 139: 128 Literatur [190] M. Hartmann, Un
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Seite 144 und 145: Tabellarischer Lebenslauf Name: Bur
Seite 146 und 147: Vorträge / Poster Im folgenden sin
Seite 148: Veröffentlichungen Wesentliche Tei
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