Für den Aufbau von 3D-integrierten Mikrosystemen gilt es bestehende Prozessabläufe zu adaptieren und neue Teilprozesse zu integrieren. Dementsprechend muss zunächst Wissen über die Prozessführung und das Materialverhalten gesammelt werden. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich dabei auf das Annealingverhalten von Through-Silicon-Via-Strukturen (TSVs). Im Fokus der Untersuchungen stehen vor allem thermo-mechanische Spannungen, welche sich bei diesem Fertigungsschritt ausbilden. Vom Materialverhalten des Kupfers ausgehend, wird ein hypothetisches Ablaufmodell zur Spannungsentwicklung während des Annealing entwickelt. Experimentalreihen werden von der TSV-Prozessführung abgeleitet, um die getroffenen Annahmen zu überprüfen. In diesem Zusammenhang dienen die Charakterisierung von Testchipkrümmung sowie der Kupferprotrusion vor und nach dem Annealing zur Überprüfung der getroffenen Annahmen und weisen ein zeit- und temperaturabhängiges Verhalten auf. EBSD-Messungen zeigen, dass diese Beobachtungen maßgeblich auf die Umstrukturierung der Kupfermikrostruktur zurückzuführen sind. Ausgehend vom Ablaufmodell und von der experimentellen Charakterisierung können wichtige Randbedingungen für Berechnungen erkannt und festgelegt werden. So wird abschließend ein FE-Modell zur Simulation der thermo-mechanischen Spannungen nach dem Annealing vorgestellt. Die Simulationsergebnisse werden durch µ-Raman-Spektroskopie-Messungen validiert. Zusammengefasst liefert diese Arbeit nicht nur wichtige materialtechnische Erkenntnisse über den Ablauf des TSV-Annealing, sondern stellt zusätzlich eine Berechnungsmethodik vor, welche als Werkzeug für die Prozessoptimierung genutzt werden kann.
1 3D-Integration für System-in-Package
1.1 Einleitung
1.2 Prozessentwicklung für Schlüsseltechnologien der 3D-Integration
1.3 Zielstellung und Struktur der Arbeit
2 TSVs als Schlüsseltechnologie der 3D-Integration
2.1 Herstellung von TSVs
2.1.1 TSV-Prozessführung und deren Grenzen
2.1.2 Hypothese zum thermo-mechanischen Verhalten beim TSV-Annealing
2.2 Mechanische und strukturelle Charakterisierung des TSV-Systems
2.2.1 Optische Oberflächenanalyse
2.2.2 Elektronenrückstreubeugung (EBSD)
2.2.3 Mikro-Raman-Spektroskopie (µRS)
2.3 Finite Elemente Modellierung des TSV-Herstellungsprozesses
3 Experimentelle Charakterisierung des TSV-Annealing
3.1 Einfluss von Annealingtemperatur und -dauer
3.1.1 Versuchsparameter
3.1.2 Ergebnisse der optischen Oberflächenanalysen
3.1.3 Ergebnisse EBSD
3.2 Entwicklung der Chipkrümmung während des Annealing
3.2.1 Versuchsparameter
3.2.2 Ergebnisse Thermo-Moire
3.3 Einfluss von Elektrolytchemie und Kupfer-Overburden
3.3.1 Versuchsparameter
3.3.2 Ergebnisse der optischen Oberflächenanalyse
3.3.3 Ergebnisse EBSD
3.4 Messung mechanischer Spannungen mit µRS
3.4.1 Versuchsparameter
3.4.2 Ergebnisse µRS
3.5 Zusammenfassung und Diskussion der Versuchsreihen
4 Finite Elemente Modellierung des TSV-Annealing
4.1 Modellvalidierung
4.1.1 Simulationsparameter
4.1.2 Ergebnisse und Vergleich zu µRS
4.2 Einflussfaktoren des TSV-Annealing
4.3 Zusammenfassung FEM-Betrachtungen
5 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht systematisch das thermo-mechanische Verhalten von Kupfer-Through-Silicon-Via (TSV)-Strukturen während des Fertigungsschritts des Annealing. Ziel ist es, ein Modell für die Spannungsentwicklung zu validieren, welches als Werkzeug für die Prozessoptimierung von 3D-integrierten Mikrosystemen dienen kann.
- Thermo-mechanische Charakterisierung von TSV-Strukturen
- Einfluss von Prozessparametern wie Temperatur und Dauer auf die Kupfermikrostruktur
- Analyse der Kupferprotrusion und Chipkrümmung mittels EBSD und optischer Messverfahren
- Validierung von FE-Simulationsmodellen durch Mikro-Raman-Spektroskopie
Auszug aus dem Buch
2.2.1 Optische Oberflächenanalyse
Ein leistungsfähiges und zerstörungsfreies Verfahren zur Charakterisierung von Oberflächen ist die optische 3D-Profilometrie. Basierend auf dem konfokalen Messprinzip können hochaufgelöste und schnelle Messungen durchgeführt werden. Dabei beleuchtet eine Lichtquelle das Objekt und das reflektierte Licht gelangt über eine Lochblende auf den Detektor. Bei der Vermessung von Oberflächen und Objekten misst ein Sensor erhöhte Lichtintensität, wenn sich das Objekt im Fokus befindet. Außerhalb des Fokus wird keine Intensität detektiert (Konfokalsensor).
Bei der Verwendung chromatischer Sensoren wird ebenfalls mit einem konfokalen Prinzip gearbeitet. Dazu wird die Funktion der Lochblende durch ein Objektiv mit hoher chromatischer Aberration übernommen. Unterschiedliche Höhen können dann durch ein Spektrometer über Farbunterschiede erfasst werden. Dies ermöglicht eine Darstellung von Objekten in verschiedenen Entfernungen, ohne dass eine Abtastung der optischen Achse benötigt wird. Je nach Auswertung können nach der Messung Flächentopografien oder Höhenprofile ausgewertet werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 3D-Integration für System-in-Package: Einleitung in die technologischen Herausforderungen der Miniaturisierung und Vorstellung der 3D-Integration als Lösungsansatz.
2 TSVs als Schlüsseltechnologie der 3D-Integration: Detaillierte Beschreibung der TSV-Herstellungsprozesse sowie Erläuterung der mechanischen und strukturellen Charakterisierungsmethoden.
3 Experimentelle Charakterisierung des TSV-Annealing: Systematische Untersuchung des Einflusses von Prozessparametern auf die Kornstruktur, Krümmung und Spannungsentwicklung der Kupfer-TSVs.
4 Finite Elemente Modellierung des TSV-Annealing: Modellierung der thermo-mechanischen Spannungen und deren Validierung durch experimentelle Daten.
5 Zusammenfassung: Rekapitulation der wichtigsten Erkenntnisse und Ableitung von Empfehlungen für die TSV-Herstellung.
Schlüsselwörter
TSV, 3D-Integration, Kupfer-Annealing, thermo-mechanische Spannungen, Mikro-Raman-Spektroskopie, Chipkrümmung, EBSD, Kupferprotrusion, Finite-Elemente-Methode, Mikrostruktur, System-in-Package, Halbleiterfertigung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Dissertation im Kern?
Die Arbeit befasst sich mit der thermo-mechanischen Charakterisierung von Kupfer-Durchkontaktierungen (TSVs) im Silizium-Substrat während des Annealing-Prozesses.
Welche zentralen Themenbereiche werden behandelt?
Die Arbeit deckt die Fertigung von TSVs, die experimentelle Analyse von Spannungs- und Mikrostrukturänderungen sowie die Finite-Elemente-Simulation dieser Vorgänge ab.
Was ist das primäre Forschungsziel?
Ziel ist es, ein Modell für die Spannungsentwicklung zu entwickeln und zu validieren, um als Werkzeug für die Prozessoptimierung von 3D-Systemen zu dienen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewandt?
Zum Einsatz kommen unter anderem die konfokale 3D-Profilometrie, EBSD-Analysen, Mikro-Raman-Spektroskopie sowie die Finite-Elemente-Methode (FEM).
Was wird im Hauptteil der Arbeit detailliert untersucht?
Der Fokus liegt auf den Einflüssen von Prozessparametern wie Temperatur, Dauer, Elektrolytchemie und Kupfer-Overburden auf die Qualität und Zuverlässigkeit der TSVs.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind TSV, Kupfer-Annealing, thermo-mechanische Spannungen, Mikrostruktur und 3D-Integration.
Was besagt die Hypothese zum thermo-mechanischen Verhalten?
Die Arbeit geht davon aus, dass durch das Annealing mechanische Spannungen in den TSV-Strukturen abgebaut werden, was unter anderem zu Protrusionseffekten und Chipkrümmungen führt.
Welche Bedeutung hat die Mikro-Raman-Spektroskopie für die Arbeit?
Sie dient als zerstörungsfreies Verfahren zur Messung lokaler mechanischer Spannungen in der Silizium-Peripherie der TSVs und ermöglicht die Validierung der FE-Simulationsmodelle.
- Citar trabajo
- Peter Sättler (Autor), 2015, Thermo-mechanische und mikrostrukturelle Charakterisierung von Kupfer-Durchkontaktierungen im Silizium (Through Silicon Vias), Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/321671
