Einer Forschungsgruppe der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gelang in Kooperation mit Wissenschaftlern der europäischen Synchrotronstrahlungsquelle (ESRF) in Grenoble, Frankreich, eine überraschende Entdeckung zum Wachstumsverhalten von Kupfer - einem wichtigen Bestandteil moderner elektronischer Bauelemente. Das von Professor Olaf Magnussen, Direktor am Institut für Experimentelle und Abgewandte Physik, geführte Team fand heraus, dass bei Abscheidung aus Lösung kleinste Zusätze von Chloridionen die Struktur der wachsenden Schicht und damit ihre Eigenschaften entscheidend beeinflussen.

Diese Ergebnisse, die in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurden, werden Ingenieurinnen und Ingenieuren in der Halbleiterindustrie bei der Verbesserung von Hightech Beschichtungsprozessen in der Mikrochip-Produktion helfen.

Kupfer ist aufgrund seiner überlegenen elektrischen Eigenschaften das Material der Wahl, wenn es um die elektrische Verdrahtung in moderner Unterhaltungselektronik wie Handys oder Laptops geht. Die technische Herstellung der Kupferschichten auf Leiterplatten wie auch der ultrakleinen Verbindungen auf den Mikrochips selber geschieht in Lösung. Dabei werden Kupferionen über eine angelegte Spannung entladen.

In ihren Experimenten untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit Hilfe der brillanten Röntgenstrahlung der ESRF, wie sich die Atome bei dieser elektrochemischen Abscheidung im Detail an die wachsende Oberfläche anlagern. Dabei beobachteten sie, dass die Kupferschichten mit steigender Spannung glatter aufwuchsen. „Dies war tatsächlich eine große Überraschung“, erklärt Magnussen. „Andere Metalle, wie zum Beispiel Gold, wachsen zu höheren Spannungen hin rauer auf und dies wird auch durch die derzeit vorherrschende Theorie so vorhergesagt.“

Letztendlich konnten die Forscher das anomale Verhalten von Kupfer mit der atomaren Anordnung in einer Schicht aus Chloridionen erklären, die sich auf der Oberfläche befindet. Abgeschiedene Kupferatome müssen sich auf der Oberfläche einen Weg durch diese Schicht bahnen und werden bei höheren Spannungen, bei denen das Chlorid schwächer gebunden ist, deutlich beweglicher.

Da der störungsfreie Betrieb von Mikrochips von qualitativ hochwertigen elektrischen Verbindungen abhängt, wird intensiv untersucht, wie das Wachstum besser kontrolliert und die Eigenschaften des abgeschiedenen Kupfers optimiert werden können. „Die Leute in der Industrie wissen seit langem, dass man etwas Chlorid in der Lösung haben muss, um gute Filme zu erhalten, aber niemand weiß wirklich warum“, betont Magnussen. Die neuen Ergebnisse könnten dieses Rätsel endlich lösen und helfen, die Herstellungsprozesse für Kupferverdrahtungen in der Halbleiterindustrie zu verbessern.

Die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel hat als Forschungsuniversität im Norden Deutschlands eine ausgewiesene internationale Expertise im Bereich Nanowissenschaften. Dazu gehört auch Forschung mit Synchrotronstrahlung. In einer Reihe von Forschungsverbünden, die durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert werden, entwickeln Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler neue Methoden und Instrumente. Die ESRF ist eine durch 19 Nationen geförderte europäische Forschungseinrichtung, die brillante Synchrotronstrahlung für innovative Forschung zur Verfügung stellt und nutzt.