Εναπόθεση υμενίων Cu και WOₓ με θερμική και θερμαινόμενου νήματος χημική εναπόθεση από ατμό: χαρακτηρισμός και εφαρμογή τους στην μικροηλεκτρονική

Abstract

During the first year of this thesis, the development of a novel home-made system for Chemical Vapor Deposition was fulfilled. It is a Low Pressure Chemical Vapor Deposition system with DLI (Direct Liquid Injection) of precursor equipped with a tungsten wire thus enabling the separate heating of the gas phase. The precursor used was hexafluoroacetyloacetonate Cu(l) trimethylvinylsilane, CupraSelect® which is liquid at room temperature. Using this home-made system, copper thin films were deposited thermally as well as with the aid of the tungsten hot-wire (Hot Wire Chemical Vapor Deposition, HWCVD) for various filament temperatures. The substrates used were W, TiN, SiLK, MPTMS and Low Temperature Oxide (LTO) on Si wafers. To be noted that HWCVD technique for copper deposition is presented for the first time in literature. In addition, the initial stages of Chemical Vapor Deposition were investigated on LTO and SiLK substrates activated with a self-assembled monolayer of 3-mercaptotrimethylsilane (MPTMS). Besides, WOₓ films originating from the tungsten wire without the use of precursor, were deposited via the thermal evaporation technique. All the above samples were characterized with various methods such as SEM, AFM, XPS and XRD whereas the deposition rate and the resistivity were also studied. The presented thesis was accomplished with the applications of copper and tungsten oxide thin films. Therefore, new ways of metallization and copper nanoelectrodes with very high aspect ratio were suggested and developed. Furthermore, nanostructured WOₓ films were studied for applications in chemical sensing and organic light emitting diodes (OLEDs). Finally, hot wire copper nanoparticles were developed for application in organic memories of variable resistance.

Κατά το πρώτο έτος αυτής της διατριβής ολοκληρώθηκε η κατασκευή του πρωτότυπου συστήματος Χημικής Εναπόθεσης από Ατμό. Το συγκεκριμένο είναι ένα σύστημα χημικής εναπόθεσης από ατμό ελαττωμένης πίεσης με DLI (Direct Liquid Injection) του πρόδρομου (precursor) εξοπλισμένο και με ένα νήμα βολφραμίου καθιστώντας ικανή την αυτόνομη θέρμανση της αέριας φάσης. Ο πρόδρομος που χρησιμοποιήθηκε (hexafluoroacetyloacetonate Cu(l) trimethylvinylsilane, CupraSelect®) είναι υγρός σε θερμοκρασία δωματίου και ατμοποιείται σε συγκεκριμένες συνθήκες με τη βοήθεια του συστήματος DLI. Στη συνέχεια με το πρωτότυπο αυτό σύστημα εναποτέθηκαν υμένια χαλκού με θερμικό τρόπο αλλά και υποβοηθούμενα με θερμαινόμενο νήμα βολφραμίου (Θερμαινόμενου Νήματος Χημική Εναπόθεση από Ατμό, ΘΝΧΕΑ) για διάφορες θερμοκρασίες νήματος. Τα υποστρώματα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν W, TiN, SiLK, MPTMS και LTO πάνω σε δισκία Si. Να σημειωθεί ότι με η μέθοδος ΘΝΧΕΑ για χαλκό αναφέρεται για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία. Ακόμη, μελετήθηκαν τα αρχικά στάδια της χημικής εναπόθεσης από ατμό πάνω σε υποστρώματα LTO και SiLK ενεργοποιημένα με ένα αυτό-οργανωμένο στρώμα 3-mercaptotrimethylsilane (MPTMS). Επίσης, εναποτέθηκαν υμένια WOₓ προερχόμενα από το νήμα βολφραμίου χωρίς τη παρουσία αέριου πρόδρομου μέσω της διαδικασίας της θερμικής εξάχνωσης. Όλα τα παραπάνω δείγματα χαρακτηρίστηκαν με διάφορους τρόπους όπως SEM, AFM, XPS και XRD ενώ μελετήθηκε ο ρυθμός ανάπτυξης και η ειδική αντίσταση των δειγμάτων αυτών. Η ολοκλήρωση της παρούσας διδακτορικής διατριβής έγινε με τις εφαρμογές των υμενίων χαλκού και οξειδίου του βολφραμίου. Έτσι, προτάθηκαν και επιτεύχθηκαν νέοι τρόποι επιμετάλλωσης και δημιουργήθηκαν νανοηλεκτρόδια χαλκού με πολύ μεγάλο λόγο μήκους προς πλάτους. Ακόμη, έγινε χρήση των νανοδομημένων υμένιων WOₓ για χημική ανίχνευση καθώς και σε οργανικές διόδους εκπομπής φωτός (OLEDs). Τέλος, νανοσωματίδια χαλκού θερμαινόμενου νήματος αναπτύχθηκαν για εφαρμογή σε οργανικές μνήμες μεταβλητής αντίστασης.