Elektromigration in Gold und Silber Nanostrukturen

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56 4. Ergebnisse und Diskussion: Vorbetrachtungen zu den in-situ Messungen zeigt Probe vier bei gleicher Korngröße einen um ca. 7 % kleineren Stromdichteexpo- nenten (bezogen auf den niedrigeren Wert) als Probe fünf. Dies deutet darauf hin, dass sich unbestrahlte Leiterbahnen bei gleicher Stromdichte stärker erwärmen als bestrahlte Leiterbahnen. Gleichzeitig wurde beobachtet, dass der Anfangswiderstand R(0) unbe- strahlter Leiterbahnen höher ist als der Anfangswiderstand bestrahlter Leiterbahnen. Dieser Effekt hat im Vergleich zum Einfluss der Korngröße aber nur eine geringere Aus- wirkung auf den Stromdichteexponenten. 4.2 Einfluss des Elektronenstrahls auf die Elektromigrations- messungen im REM In der Literatur ist der Einfluss der in-situ REM-Untersuchungen auf das Elektromi- grationsverhalten der Leiterbahnen nur unzureichend charakterisiert. In dieser Arbeit wird daher untersucht, ob und welchen Einfluss diese Untersuchungsmethode auf die Messergebnisse besitzt. Dabei werden zwei verschiedene Einflussgrößen voneinander un- terschieden: zum einen ein Einfluss durch die Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit der Leiterbahn und zum anderen der Einfluss von (Kohlenstoff-) Verunreinigungen, wie sie bei elektronenmikroskopischen Verfahren unvermeidlich auftreten [170]. 4.2.1 Einfluss des Elektronenstrahls Zunächst soll ein direkter Einfluss des Elektronenstrahls auf die in-situ gewonnenen Wi- derstandsdaten untersucht werden. Die in dieser Arbeit verwendeten REM-Aufnahmen wurden generell, falls nicht anders angegeben, mit einer Beschleunigungsspannung von 10 kV bei einer Stromstärke des Elektronenstrahls von ca. IStrahl ≃ 1·10 −10 A aufgenom- men. Jedes auftreffende Elektron besitzt somit eine Energie von ca. 10 keV . Ein Teil dieser Elektronen verbleibt in der Probe, während ein weiterer Teil elastisch zurückge- streut wird. Weiterhin kommt es zu inelastischen Stößen, durch welche Sekundärelek- tronen mit einer Energie im Bereich von wenigen 10 eV aus der Probe austreten (siehe z. B. [156,157]). Der resultierende Energieeintrag in die Probe kann die in-situ Mes- sungen beeinflussen. Ob dies der Fall ist, und mit welcher Stärke eine Beeinflussung der Messwerte stattfindet, wurde exemplarisch bei einigen Elektromigrationsmessungen untersucht. Abb. 4.4 zeigt eine REM-Aufnahme des typischen Layouts der Leiterbahnen für ein in-situ Elektromigrationsexperiment. Um eine Videosequenz aufzuzeichnen, wird zunächst ein Messrahmen gesetzt, welcher durch das schwarze Rechteck in Abb. 4.4 b) angedeutet ist. Der Elektronenstrahl beginnt oben links und rastert mit einer vorgege- benen Geschwindigkeit eine Zeile nach rechts ab (weißer Pfeil). Anschließend wird der
4.2 Einfluss des Elektronenstrahls auf die Elektromigrationsmessungen im REM 57 a I + b 1 µm U + U - Abb. 4.4: Typische Messkonfiguration für die in-situ Widerstandsmessungen an den Goldleiterbahnen (siehe auch Abb. 3.3). Teilbild a) zeigt die Leiterbahn inklusive der Stromzuführungen und Spannungsabgriffe. Teilbild b) zeigt die Leiterbahn mit einem Messrahmen, wie er üblicherweise für die Videoaufzeichnung verwendet wird (entnommen aus [171]). Strahl nach links zurückgelenkt und beginnt mit der nächsten Zeile. Dieses Vorgehen ist schematisch durch den schwarzen Pfeil angedeutet. In dieser Art erhält man innerhalb von zum Beispiel fünf Sekunden eine komplette Aufnahme innerhalb des Messrahmens. Wie aus Abb. 4.4 b) ersichtlich, befindet sich der Elektronenstrahl in diesem Beispiel ca. die Hälfte der Zeit auf dem Substrat und die andere Hälfte auf der Leiterbahn. Abb. 4.5 zeigt das Widerstandsverhalten einer Leiterbahn, die (wie in Abb. 4.4 ge- zeigt) in-situ mit dem REM abgerastert wurde. Man erkennt eine Widerstandsoszillation zu Beginn des Experiments im Zeitraum von 220 s bis 400 s. Der Widerstand steigt - wie bereits in Kap. 4.1.2 erläutert wurde - im Verlauf dieser Zeitspanne an. Ab ca. 350 s ist die Leiterbahn mit dem Substrat thermalisiert und der Widerstand erreicht einen konstanten Wert. Weiterhin erkennt man Widerstandsoszillationen mit einer kleinen Amplitude bis 250 s und einer größeren Amplitude ab 250 s. Die Ausschnittsvergröße- rung in Abb. 4.5 zeigt die Oszillationen nach der Thermalisierung mit dem Substrat. Sie besitzen eine Periode von fünf Sekunden und eine mittlere Amplitude δR = 4, 6 ·10 −4 Ω mit einer Standardabweichung von 5 · 10 −5 Ω. Das Zeitintervall der Oszillationen entspricht der Aufnahmezeit innerhalb eines Mess- rahmens; d. h. die periodische Widerstandsänderung ist mit dem Elektronenstrahl direkt korreliert. Der Pfeil in Abb. 4.5 kennzeichnet eine Änderung in der Periodizität. Die Auf- nahmezeit pro Fenster wurde hier von 2,5 auf 5 Sekunden erhöht. Im Detail steigt der Widerstand der Leiterbahn an, sobald diese vom Elektronenstrahl getroffen wird. Der I -
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ii Abstract Electromigration is the
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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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