Oberflächenanalytische Untersuchungen von technischen Kupferoberflächen zur Aufklärung der Oxidationsstufen und des Schichtwachstums mittels optischer und Photoelektronenspektroskopie

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden das Wachstum und die Zusammensetzung von Oxidschichten auf technischen Kupferoberflächen untersucht. Dabei stand neben dem Oxidwachstum selbst auch die Entwicklung eines Messverfahrens im Fokus, wel-ches im fertigungsnahen Umfeld eingesetzt werden kann. Die technischen Kupfer-proben wurden bei 150 °C bzw. 175 °C oxidiert und mit Augerelektronen- (AES) und UV-Vis Spektroskopie untersucht. Zur Ermittlung der Oxidschichtdicke wurden mit den gemessenen UV-Vis Spektren und den Referenzwerten der AES Partial Least Square (PLS) Regressionsmodelle entwickelt, welche in einem Bereich bis zu 45 nm, mit einer Genauigkeit von etwa 3 nm, eine Vorhersage der Oxidschichtdicke ermöglichen. [1] Das aufgestellte Modell wurde im Folgenden von einem Laborverfahren zu einem in-line fähigen Messverfahren für industrielle Zwecke weiterentwickelt. Dazu wurden der Aufbau und die Messmethode geändert. Das Zweistrahlspektrometers wurde dabei durch ein hyperspektralen Aufbau ersetzt, welcher die gesamte Oberfläche einer Pro-be im Prozess selbst vermessen kann und die Information der Oxidschichtdicke an jedem Punkt der Probe in Echtzeit zur Verfügung stellt. Die Genauigkeit des Laborauf-baus wurde auch mit der adaptierten Messmethode erhalten. [2] Die in den gemesse-nen UV-Vis Spektren enthaltenen Informationen zur Oxidationsstufe der Oxidschich-ten, konnten durch Multivariate Kurvenauflösung (MCR, englisch für Multivariate Cur-ve Resolution) aufgelöst werden. Auf Basis der AES und UV-Vis-spektroskopischen Informationen, kann das Oxidationsverhalten von Kupfer beschrieben werden. Die Ergebnisse geben Aufschluss über die vorliegende Schichtdicke und die entspre-chende Oxidationsstufe. Die Abweichungen der errechneten Verhältnisse lagen bei den Messmethoden dabei zwischen 3,0 % und 17,2 %, je nach Oxidschichtdicke. [3] Das nach der nativen Oxidation, detektierte lineare Wachstumsverhalten der Oxid-schicht im Bereich von 150 °C bis 175 °C steht im Einklang mit der Literatur. Neben der Untersuchung der Oxidschichtdicke, wurde herausgefunden, dass sich organische Verunreinigungen signifikant auf das Oxidationsverhaltens auswirken. Daher wurde das Messverfahren auch auf die Detektion von organischen Verunreini-gungen untersucht. Die erzielte Genauigkeit lag dabei bei etwa 3 at.-% bei einem messbaren Bereich bis etwa 60 at.-%.