Thermo-mechanische und mikrostrukturelle Charakterisierung von Kupfer-Durchkontaktierungen im Silizium (Through Silicon Vias)

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

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.