Die Wärmeleitfähigkeitswerte von dünnen Schichten und den dazwischenliegenden, wenigen Nanometer dicken Grenzflächen können bei vielen Materialien stark von den Werten desselben Materials mit größerer Ausdehnung abweichen. In der Mikroelektronik und der Werkzeugtechnik sind Dünnschichten und deren Fähigkeit Wärme abzuleiten von großer Bedeutung. Für die Charakterisierung solcher Dünnschichtsysteme benötigt man spezielle Messverfahren, wie z.B. die Time-Domain Thermoreflectance (TDTR) Methode. Im Rahmen des Projektes wurden einerseits Kenntnisse zu Wärmeleitfähigkeitswerten der oben genannten Systeme generiert, andererseits wurde die kommerziell erwerbliche TDTR (PicoTR, Netzsch Gerätebau GmbH) Methode hinsichtlich der Auswertbarkeit optimiert und erweitert. Letzteres führte zu einem halb-automatisierten Auswertetool, das Operator-verursachte Unsicherheiten minimiert.
In enger Kooperation mit Netzsch Gerätebau GmbH Deutschland und Netzsch Japan K.K. wurden die Reproduzierbarkeit der Messdaten für z.B. halbleitende und metallische Dünnschichten für die Mikroelektronik analysiert, die neu entwickelte Auswertemethodik überprüft und auch die aus der Auswertung resultierenden Messunsicherheiten quantifiziert. Auch die Modularität der TDTR Methode und die messbaren Schichtdicken wurden im Zuge des Projekts erweitert und die Genauigkeit dieser Erweiterungen mithilfe von Sensitivitäts-Studien verifiziert. Die TDTR Methodik an sich basiert auf dem Prinzip der Thermoreflektion, bei der eine optisch reflektierende Schicht aus Metall mit bekannter Temperaturabhängigkeit ihrer Reflexionsfähigkeit zur Temperaturbestimmung der mit einem Heiz- (Pump) und einem Mess- (Probe)-Laserpuls bestrahlten Oberfläche eingesetzt wird. Im Projekt wurde eine optimal reflektierende und zuverlässig bei erhöhter Temperatur einsetzbare Metallschicht aus Molybdän hergestellt.
In Zusammenarbeit mit Ceratizit Austria wurden Untersuchungen der Veränderung der thermischen Leitfähigkeit von Hartmetallen in deren Einsatzumfeld durchgeführt. Solche Hartmetalle werden für Metallbearbeitungswerkzeuge wie Bohrer und Fräser eingesetzt, deren Schnittkanten im Einsatz hoher mechanischer Last und Temperatur ausgesetzt sind, wobei Defekte im Hartmetall entstehen. Es wurde untersucht, wie die Ansammlung dieser Defekte die Fähigkeit von Hartmetall beeinflusst, die bei der Metallbearbeitung entstehende Wärme ableiten. Je höher die Anzahl der auf Laborproben aufgebrachten mechanischen Lastzyklen bei 800°C war, desto niedriger ist die Wärmeleitfähigkeit des Hartmetalls.
Wirkungen und Effekte
Die neue Messmethode ist Basis für die Entwicklung hinsichtlich der Wärmeleitung und Zuverlässigkeit verbesserten Legierungen und Verbunden.
Durch das Projekt und dem damit verbundenen Know-how und Methodik-Aufbau kann am MCL nun die Messung der Wärmeleitfähigkeiten von Dünnschichten als Auftragsmessung angeboten werden. Dies geschieht über das neu entwickelte Auswertetool, das sowohl weniger Unsicherheit in der Analyse aufweist sowie eine quantifizierte Fehleranalyse liefert.
Projektkoordination (Story)
Dr. Barbara Kosednar-Legenstein
Laboratory Manager Microelectronics
Materials Center Leoben Forschung GmbH
T +43 (0) 3842 45922-49
barbara.legenstein(at)mcl.at
IC-MPPE / COMET-Zentrum
Materials Center Leoben Forschung GmbH
Roseggerstrasse 12
8700 Leoben
T +43 (0) 3842 45922-0
mclburo(at)mcl.at
www.mcl.at
Projektpartner
• Montanuniversität Leoben, Österreich
• Ceratizit Austria GmbH, Österreich
• NETZSCH-Gerätebau GmbH, Deutschland
• NETZSCH Japan K.K.