Thermo-mechanical behaviour of thick copper metallizations for power electronics

Titel in Übersetzung: Thermo-mechanisches Verhalten von dicken Kupferschichten für Leistungselektronik

Stephan Bigl

    Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

    363 Downloads (Pure)

    Abstract

    Kupferschichten stellen für mikroelektronische Bauelemente einen zentralen Bestandteil dar. Durch die steigenden funktionellen Anforderungen im Bereich der Leistungselektronik werden Kupfermetallisierungen nicht nur zur elektrischen Kontaktierung benötigt, sondern auch als aktive Wärmesenken. Innerhalb der elektrischen Schaltzyklen werden große Energiedichten über solche Metallisierungen abgeführt und führen aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zur großen mechanischen Spannungen. Bei zyklischen Schaltimpulsen kann die akkumulierte Plastische Verformung letztendlich zum Versagen des Bauteils führen. In der vorliegenden Arbeit wurden Kupferschichten im Dickenbereich von 5-20 µm auf Silizium-Substraten hinsichtlich ihres thermo-mechanischen Verhaltens untersucht. Dabei wurde ein spezielles Laser-Zykliersystem entwickelt welches die Cu-Si Proben innerhalb von Zehntelsekunden auf Temperaturen bis zu 400°C erwärmt und dadurch zyklisch thermo-mechanische Spannungen in die Kupferschichten einbringt. Durch eine neuartige Charakterisierungsmethode, die ortsspezifisch die topographische (Atomkraftmikroskop), sowie die kristallographische (Elektronenrückstreudiffraktion) Mikrostrukturevolution der thermo-mechanisch belasteten Kupfermetallisierungen abbildet, war es möglich wichtige Einflussparameter genauer zu untersuchen. Kosteneffiziente Abscheideprozesse, wie das Electroplating, führen zu anorganischen Verunreinigungen im ppm Bereich. Metallisierungen mit erhöhten Schwefel und Chlorid-Gehalt zeigten beim thermo-mechanischen zyklieren ein marginales Kornwachstum und ein stabiles Sigma=3 Zwillingsnetzwerk, welches mit einer sehr lokalen Rauhigkeitsentwicklung („glatt“ im Korninneren, „rau“ an den Korngrenzen) verbunden war. Außerdem führten die Verunreinigungen zur Absenkung der Porenbildungsenergie, welches im weiteren thermo-mechanischen Belastungsfall zur Rissinitiierung und schlussendlich zum Versagen der Metallisierung führen würde. Quantitative Untersuchung des Verunreinigungseinflusses in Bezug auf das lokale mechanische Verhalten zeigte, dass die anorganischen Elemente (S, Cl) durch Temperprozesse nach der Schichtabscheidung bevorzugt an die Korngrenzen segregieren und somit lokal eine harte Schicht ausbilden. Lokale Nanoindentation zeigte, dass die Härte im Korninneren zwischen einer reinen bzw. verunreinigten Kupferschicht keine Unterschiede aufweist, aber durch die segregierten Verunreinigungen an den Zwillingen und Großwinkelkorngrenzen zu einer um den Faktor ~1.5 höheren Härte führte. Die thermo-mechanischen Untersuchungen mittels der neuen Laser-Zyklieranlage zeigten, dass aufgrund der höheren Heiz/Kühlraten und somit höheren Material-Dehnraten in den Kupferschichten, eine Beschleunigung vieler mikrostrukturelle Prozesse zu beobachten war. Kornwachstum und Rauhigkeitszunahme waren in Bezug auf das thermische zyklieren signifikant größer als mit niedrigeren Dehnraten bei gleicher Zyklenzahl und gleichem Temperaturbereich. Die quantitative Auswertung der Oberflächenschädigung mit Hilfe einer neuen Auswertemethode zeigte, dass eine 1/hschicht Abhängigkeit der Ermüdungsschädigung für dickere Kupferfilme (≥ 5 µm) vorlag. Dies steht im starken Kontrast zu den dünnen Schichten (≤ 5 µm) wo das Maß der thermomechanischen Schädigung proportional zur Schichtdicke ist. Außerdem wurde ein Übergang von einer orientierungsunabhängigen Oberflächenschädigung (5µm) zu einer orietierungsabhängigen Oberflächenschädigung für dickere Filme (10 und 20 µm) beobachtet. Auf dünneren Substraten mit konstanter Kupferschichtdicke (5 µm) wurde eine starke Beschleunigung der Schicht-Ermüdung bzw. mikrostrukturellen Evolution festgestellt. Bei einer Substratdicke von 323 bzw. 220 µm war die ermittelte Filmoberflächen-Rauigkeit nach 750 thermischen Zyklen um einen Faktor drei bzw. fünf höher als bei Standardwafern (725µm).
    Titel in ÜbersetzungThermo-mechanisches Verhalten von dicken Kupferschichten für Leistungselektronik
    OriginalspracheEnglisch
    QualifikationDr.mont.
    Betreuer/-in / Berater/-in
    • Clemens, Helmut, Beurteiler B (intern)
    • Kiener, Daniel, Beurteiler A (intern)
    PublikationsstatusVeröffentlicht - 2017

    Bibliographische Notiz

    gesperrt bis null

    Schlagwörter

    • Kupferschichten
    • thermo-mechanische Belastung
    • Kornwachstum
    • Porenbildung
    • thermisches Laserzyklieren

    Dieses zitieren