Entwicklung und Optimierung von Methoden zur thermischen Charakterisierung von Dünnschichten und Bulk-Materialien

Publication date
2024-03-07
Document type
PhD thesis (dissertation)
Author
Metzke, Christoph Thomas
Advisor
Referee
Wenger, Christian
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2024-02-14
Organisational unit
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
Keyword
Scanning thermal microscopy
SThM
Finite-Elemente-Methode
FEM
3-Omega-Methode
Rastersondenmikroskopie
AFM
Thermische Charakterisierung
Dünnschichten
Thin films
Abstract
In den letzten Jahrzehnten vollzog sich in der Mikro- und Nanoelektronik eine enorme Verringerung der Strukturgrößen bis hin zu aktuell wenigen Nanometern. Damit einhergehend spielt die Ableitung der Wärme von kritischen Strukturen eine immer wichtigere Rolle. Es werden daher thermisch gut leitfähige, aber elektrisch isolierende Dünnschichten als Dielektrika benötigt. Gleichzeitig stoßen bestehende Messmethoden zur thermischen Charakterisierung bei kleinen Schichtdicken an ihre Grenzen. Ziel dieser Arbeit ist daher die Verbesserung vorhandener Methoden und die Entwicklung einer neuen Methode zur thermischen Charakterisierung. Im Verlauf der Arbeit können dadurch Dünnschichten aus Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄), Bornitrid (BN) und Aluminiumnitrid (AlN) sowie einige Bulk-Samples aus Oxiden, Kunststoffen und Materialien aus der Natur thermisch charakterisiert werden. Ein Großteil der Arbeit fokussiert sich dabei auf die Scanning Thermal Microscopy (SThM), welche im Rastersondenmikroskop (AFM für engl. Atomic Force Microscope) angewandt wird. Durch eine detaillierte Analyse von Artefakten und die Herleitung geeigneter Messparameter kann SThM in vielen Submodi zuverlässig eingesetzt werden. Ausführliche Simulationen mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) tragen zum Verständnis der Methode bei. Mit der Widerstandsmethode in Kombination mit FEM-Simulationen wird zudem eine neuartige Vorgehensweise präsentiert, welche relativ schnelle thermische Messungen an Dünnschichten mit geringem Budget ermöglicht. Vergleichsmessungen werden mittels der etablierten 3-Omega-Methode präsentiert, wodurch die Ergebnisse der anderen Methoden verifiziert werden können. Zusammenfassend leistet diese Arbeit einen Beitrag zur thermischen Charakterisierung von dünnen Schichten und Bulk-Materialien, indem vorhandene Methoden sukzessive verbessert werden, eine neue Methode entwickelt wird und vielversprechende Dünnschichten thermisch charakterisiert werden.
During the last decades, micro- and nanoelectronics have seen an enormous miniaturization of process sizes, currently down to just a few nanometres. As a result, the heat transfer away from critical structures is playing an increasingly important role. Consequently, thermally well conductive but electrically insulating thin films are needed as dielectrics. At the same time, existing measurement methods for thermal characterization are reaching their limits at small film thicknesses. Therefore, the aim of this work is the improvement of existing methods and the development of a new method for thermal characterization. Within this work, thin films of silicon dioxide (SiO₂), silicon nitride (Si₃N₄), boron nitride (BN) and aluminium nitride (AlN) as well as some bulk samples of oxides, plastics, and natural samples are thermally character-ized. One main part of this work focuses on Scanning Thermal Microscopy (SThM), which is applied in the Atomic Force Microscope (AFM). Through detailed analysis of artifacts and derivation of appropriate measurement parameters, SThM can be applied reliably in many submodes. Extensive simulations using the Finite Element Method (FEM) contribute to the understanding of the method. The “Widerstandsmethode” combined with FEM simulations is also presented as a novel approach that allows relatively fast thermal measurements on thin films with a low budget. Comparative measurements are presented using the established 3-Omega Method, allowing verification of the results of the other methods. In summary, this work contributes to the thermal characterization of thin films and bulk materials by succes-sively improving existing methods, developing a new method, and thermally characterizing promising thin films.
Version
Not applicable (or unknown)
Access right on openHSU
Open access