Materialforschung für mikroelektronische Komponenten
Bei der Materialforschung für mikroelektronische Komponenten geht es um optimierte Schichtaufbauten in Halbleiterchips, die man durch Spannungsmanagement erzeugen kann, um das Berechnen der Rissausbreitung in extrem dünnen Schichten sowie um das Bestimmen von Grenzflächeneigenschaften durch das Kombinieren von Experiment und Simulation.
Optimierte Schichtaufbauten in Halbleiterchips
Ein wesentliches Qualitäts- und Ausbeuterisiko in der Produktion mikroelektronischer Systeme stellen Fehlermoden, ausgelöst durch thermomechanische Effekte während der Bauteilprozessierung oder in der Applikation dar. Das gilt insbesondere für neuartige 3D-integrierte Systeme. Solche Systeme benutzen häufig neuartige elektrische Verbindungstechnologien im Halbleiterchip wie Through Silicon Vias (TSV). Bei der Herstellung der dafür notwendigen Schichtsysteme, welche aus dünnen Schichten sehr unterschiedlicher Materialien (z.B. SiN, SiO2, Al, Cu,W) bestehen, entstehen mechanische Spannungen.
Besonders bei strukturierten Oberflächen und TSV‘s sind diese Spannungen signifikant hoch und können Schädigungen hervorrufen. Die Charakterisierung der Struktur und Eigenspannungen in den Bauteilen erfolgt ortsaufgelöst mittels der sogenannten nano-Strahl-Röntgenanalyse (nano-XRD) und Raman. Mittels Nano-XRD können mit einer Ortsauflösung von 100nm die Spannungen, Kristallstruktur und Orientierung bestimmt werden. Um Spannungen in nicht kristallinen Materialien zu untersuchen, wurde die sogenannte Ionenstrahl-Abtragsmethode verwendet.
Alle Methoden wurden durch FE-Simulationen begleitet, um einerseits auf den Spannungszustand im ungestörten System rückzurechnen und anderseits präzise Materialmodelle für die Simulation zu erhalten. Mit der FE-Simulation stehen dann Werkzeuge zur physikalisch begründeten Design- und Prozessregeln für zukünftige Produkte zur Verfügung.
Kontakt: Stefan Defregger
Rissausbreitung in dünnen Schichten
Das Verstehen der von Rissausbreitung und Risswachstum in multi-Material-Verbänden ist ein Schlüssel zur Beschreibung der Zuverlässigkeit von mikroelektronischen Systemen. Zur Beschreibung wurde am MCL in den letzten Jahren das sogenannte "Configurational Forces" Konzept weiterentwickelt und für die Anwendung an Schichtsystemen angepasst. Das Konzept selbst wurde in den 1960ern von Eshelby entwickelt und erlaubt den Einfluss von plastischen Materialeigenschaften auf die Bruchausbreitung zu studieren. Dafür wird ein Energie-Moment Transfer Tensor zur Beschreibung von Triebkräften auf unterschiedlichste Materialdefekte angewendet. Diese können Versetzungen, Stapelfehler, Korngrenzen oder Poren sein. Im Rahmen einer Zusammenarbeit des MCL mit Prof. Simha und Prof. Kolednik wurde das Konzept auf die Anwendung in heterogenen Materialien erweitert in welchen Eigenspannungen und Plastizität vorkommen können. Als Ergebnis können risstreibende Kräfte als Funktion der Materialparameter und der Architektur berechnet werden.
Kontakt: Werner Ecker
Bestimmung von Grenzflächeneigenschaften
Grenzflächen sind oft die Schwachpunkte in Schichtweise aufgebauten Bauteilen. Zur Bestimmung der Grenzflächenenergien bzw. der Bruchfestigkeiten werden unterschiedlichste Methoden eingesetzt und nach analytischen Formeln ausgewertet. Am MCL wurden gemeinsam mit dem Erich Schmid Institut nun die Methoden so weiterentwickelt, dass wesentlich präzisere und sicherere Kennwerte bestimmt werden können. Als Beispiele wurde zur Charakterisierung von Laminaten der sogenannte 4-Punkt-Biegeverfahren eingesetzt. Dies basiert auf die Ablenkung von Rissen im Laminat unter Biegebeanspruchung bei der schwächsten Grenzschicht. Die Bestimmung der Grenzflächenenergie basiert nun auf der Optimierung der Beschreibung der Messkurven mittels Simulation durch die Anpassung von kohäsiv-Elementen. Damit kann man Effekte wie Reibung der Probe beim mechanischen Testen und Plastizität in der Probe berücksichtigen und damit zu aussagekräftigen Parametern kommen.
Kontakt: Werner Ecker
