SB_19101NLP

2018
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Herstellung von
Kupfermetallisierungen auf
Leistungsbauelementen
mittels kaltaktiven
Atmosphärenplasmas

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.101N
Inhaltsverzeichnis
1 WISSENSCHAFTLICH- TECHNISCHE UND WIRTSCHAFTLICHE PROBLEMSTELLUNG ..... 11
2 DURCHGEFÜHRTE ARBEITEN UND ERGEBNISSE IM BERICHTSZEITRAUM .................. 12
2.1 Arbeitspaket 1: Evaluierung des plasmabasierten Cu-Auftrags auf
unstrukturierten Wafern; Nachbehandlung und Charakterisierung von Cu-
Schichten; Definition von Anforderungen ......................................................12
2.1.1 Theoretische Hintergründe des Plasmas ........................................................... 13
2.1.2 Beschaffenheit der verwendeten Pulverpartikel ............................................... 25
2.1.3 Die Partikel nach dem Aufprall - Splatformation ............................................... 27
2.1.4 Analyse des Plasmastrahls ................................................................................. 34
2.1.5 Anlagenaufbau und Prozessgestaltung ............................................................. 40
2.1.6 Nachbehandlung und Charakterisierung von Cu-Schichten ........................... 49
2.1.7 Elektrische Leitfähigkeit der Kupferschicht ...................................................... 60
2.1.8 Zusammenfassung der Beschichtungsergebnisse .......................................... 62
2.2 Erarbeitung eines für Folgeprozesse kompatiblen
Strukturierungsverfahrens für den selektiven plasmabasierten Cu-Auftrag
...........................................................................................................................63
2.2.1 Einteilung der Isolationswerkstoffe .................................................................... 63
2.2.2 Anforderungen an die Isolationswerkstoffe ...................................................... 65
2.2.3 Verwendete Anlagen ............................................................................................ 71
2.2.4 Verwendete Isolationswerkstoffe und Substrate .............................................. 73
2.2.5 Applikation der Isolationswerkstoffe .................................................................. 78
2.2.6 Auswertung und Fazit der Isolationswerkstoffe ............................................... 88
2.2.7 Hauptversuche mit erwärmten Substraten ........................................................ 96
2.2.8 Hauptversuche ohne erwärmte Substrate ....................................................... 102
2.2.9 Auswertung und Ergebnisse ............................................................................. 103
2.2.10 Bewertung der verwendeten Werkstoffe .......................................................... 110
2.2.11 Optimierung der Flanken und Aspektverhältnisse ......................................... 113
2.2.12 Zusammenfassung der Strukturierungskonzepte .......................................... 147
2.3 Herstellung von strukturierten Cu-Schichten auf Wafern mit
Leistungsbauelementen; Charakterisierung insbesondere der elektrischen
Eigenschaften................................................................................................. 151
2.3.1 Testwaferbeschichtung mit Aluminium-Metallisierung, nicht reduziert ....... 161
2.3.2 Testwaferbeschichtung mit Aluminium-Metallisierung, reduziert ................ 163
2.3.3 Beschichtung der Test-IGBTs mit den ausgewählten Parametern ............... 165
2.3.4 Testwaferbeschichtung mit Nickel-Gold-Metallisierung, nicht reduziert ..... 166
2.3.5 Testwaferbeschichtung mit Nickel-Gold-Metallisierung, reduziert ............... 167

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.101N
2.4 Aufbau und Charakterisierung von Leistungsmodulen mit Cu-metallisierten
Leistungsbauelementen ................................................................................ 173
2.4.1 Ultraschall-Wedge-Wedge-Bonden ................................................................... 173
2.4.2 Bondvorversuche ............................................................................................... 176
2.4.3 Bonden mit 150 µm Kupferdraht ....................................................................... 181
2.4.4 Bonden mit 300 µm Kupferdraht ....................................................................... 183
2.4.5 Pulltestergebnisse .............................................................................................. 186
2.4.6 Zusammenfassung der Bondergebnisse ......................................................... 189
2.5 Qualifizierung und Zuverlässigkeitsuntersuchungen ................................. 190
2.6 Fazit und Zusammenfassung des Projektes ................................................ 196
3 VERWENDUNG DER ZUWENDUNG ....................................................................... 198
4 DURCHFÜHRENDE FORSCHUNGSSTELLEN .......................................................... 199
4.1 Personaleinsatz Lehrstuhl FAPS .................................................................. 199
4.2 Personaleinsatz Fraunhofer ISIT ................................................................... 199
4.3 Gerätebeschaffung......................................................................................... 199
4.4 Leistungen Dritter .......................................................................................... 200
4.5 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ....................... 200
5 PLAN ZUM ERGEBNISTRANSFER IN DIE WIRTSCHAFT ........................................... 201
6 WISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHER UND WIRTSCHAFTLICHER NUTZEN .................. 203
6.1 Innovativer Beitrag ......................................................................................... 203
6.2 Industrielle Anwendungsmöglichkeiten ....................................................... 203
6.3 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgestellten Transferkonzepts .... 204
7 DANKSAGUNG .................................................................................................. 205
8 LITERATURVERZEICHNIS ................................................................................... 206

Seite 11 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.101N
1 Wissenschaftlich- technische und wirtschaftliche
Problemstellung
Der Einsatz von Kupfer als Drahtbondmaterial wirkt sich direkt positiv auf die Erhöhung
des Wirkungsgrades, die Steigerung der Zuverlässigkeit und die Kompaktheit
leistungselektronischer Systeme aus. Um Kupfer als Drahtbondmaterial einsetzen zu
können, muss das Aluminium als heute üblicherweise verwendete Bauelemente-Metallisierung
durch Kupfer verstärkt werden. Hier bietet sich der Fertigungsprozess,
Bauelemente additiv mittels eines thermischen Atmosphärenplasmas zu verkupfern,
an. Die durch neuartige Fertigungslösungen erzielte Steigerung der Leistungsfähigkeit
und Robustheit der leistungselektronischen Systeme lässt sich auf dreifache
Weise nutzen:
Eine engere Auslegung der Halbleiterflächen führt zu geringerem Platzbedarf
und reduzierten Kosten. Alternativ lässt sich das Modul mit unverändertem
Halbleiterinventar auch bei hohen Temperaturen einsetzen. Dies schafft eine
bessere räumliche Integration auch unter eingeschränkten Bauraum-verhältnissen
in harscher Umgebung.
Die robustere Aufbautechnik ermöglicht es, mit der gleichen Halbleiterfläche
höhere Ströme zu schalten und damit die Leistungsdichte zu steigern.
Ein weiterer Vorzug der Kupfer-Bonddraht-Technik besteht in der bei den Modulherstellern
erprobten Anlagentechnik, mit der unter Anwendung etablierter
Design-Prinzipien die gewohnte Flexibilität einer Drahtbond-Kontaktierung
weiter genutzt werden kann.

Seite 12 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.101N
2 Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse im
Berichtszeitraum
2.1 Arbeitspaket 1: Evaluierung des plasmabasierten Cu-
Auftrags auf unstrukturierten Wafern; Nachbehandlung und
Charakterisierung von Cu-Schichten; Definition von
Anforderungen
Plasmaspritzen, oder auch Plasmasprühen, ist nach DIN EN 657 als ein thermisches
Spritzverfahren definiert. Bei Verfahren dieser Art erfolgt das Aufbringen von Schichten
mittels besonderer Geräte oder Anlagen durch Aufschmelzen oder Anschmelzen,
Zerstäuben und Aufspritzen eines Spritzwerkstoffes mit hoher Geschwindigkeit auf die
gereinigte und vorbehandelte Bauteiloberfläche. [1]
Im Rahmen derselben Norm werden thermische Spritzverfahren nach der Energiequelle
hin eingeteilt, welche zum Aufbringen der thermischen Energie verwendet wird.
[2]
Abbildung 1: Einteilung der thermischen Spritzverfahren nach DIN EN 657 [2]
Bei diesen Verfahren wird das Beschichtungsmaterial, welches auch als Spritzzusatz
bezeichnet wird, entweder in Form eines feinen Pulvers, in Drahtform, als Stabmaterial
oder Suspension zugeführt. Die Zuführung selbst erfolgt über einen Fördermechanismus,
wie Beispielsweise einen Pulverförderer in Kombination mit Fördergasen. [3]
Während des Prozesses erfahren die Partikel des Beschichtungsmaterials zusätzlich
zu der Erwärmung auch eine Beschleunigung durch den vorhandenen Gasstrom,

Seite 13 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.101N
wodurch das Material auf das Substratmaterial gespritzt wird. Beim Aufprall des Beschichtungsmaterials
auf das Substrat deformieren die Partikel auf Grund ihrer kinetischen
Energie. Die verformten Partikel wiederum erstarren durch den Kontakt mit dem
Substrat, dessen Temperatur sich unterhalb der Schmelztemperatur des Spritzwerkstoffes
findet. Idealerweise kommt es bei diesem Vorgang des Auftreffens und Erstarrens
zu einem Verbund beider Materialien. Dieser Verbund wird, je nach Verfahren
und Werkstoff aus einer Kombination von mechanischer Verklammerung,
physikalischer Adhäsion und Diffusion gebildet. [3] Auch überlagern sich die Einzelnen
Partikel untereinander, wodurch es zur Schichtbildung kommt. Die Schichteigenschaften
sind hierbei maßgeblich beeinflusst von der Temperatur und Geschwindigkeit der
Spritzpartikel im Moment des Auftreffens auf das Substrat. [4]
2.1.1 Theoretische Hintergründe des Plasmas
Der Zustand eines Stoffes kann über die drei klassischen Aggregatszustände beschrieben
werden. Unter ausreichender Druck- und Temperaturerhöhungen ändert
sich dieser Aggregatszustand, es kommt zum Phasenübergang [5]. Wird ein Stoff weit
über seinen gasförmigen Zustand hinaus erhitzt, beginnen die Atome und Moleküle in
einem kontinuierlichen Prozess zu Elektronen und Ionen zu zerfallen [6]. Damit derartige
Vorgänge vonstattengehen, muss die thermische Energie mindestens im Bereich
der Ionisationsenergie der atomaren Teilchen liegen. Durch die Ladungstrennung wird
diese Materie elektrisch leitfähig und kann in Folge dessen durch Magnetfelder beeinflusst
werden [7]. Zusammen mit der erhöhten Kraft-Wechselwirkung zwischen den
geladenen Teilchen, ergibt sich ein neues Materieverhalten, welches allgemeinhin als
Plasma bezeichnet wird. Um jedoch den Plasmazustand auch auf mikroskopischer
Ebene zu beschreiben, reicht die reine Annahme der Ionisation nicht aus [8].
Quasineutralität
Um das allgemeine Verhalten von Plasma und die wirkenden Einflussfaktoren besser
zu verstehen, wird mit verschiedenen Ansätzen gearbeitet. Wird das Plasma in seiner
Gesamtheit betrachtet, wäre davon auszugehen, dass sich aufgrund der starken
Coulomb-Kraftwechselwirkungen zwischen den Ladungsträgern, über Zeit wieder ein
neutraler Zustand ausbildet. Im Mittel der zeitlichen und räumlichen Ausdehnung verhält
sich das Plasma ladungsneutral oder auch quasineutral [9]. Es gilt in Näherung:
n e − Z i n i
n e
≪ 1 (2.1)
mit: ne,i Ladungsdichte Elektronen (e), Ladungsdichte Ionen (i)
Zi
ganzzahliger Faktor der Ionenladung

Seite 14 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.101N
Wird das Plasma jedoch auf mikroskopischer Ebene betrachtet wird deutlich: Im
Plasma liegt ein Zustand der Ladungstrennung der Teilchen vor, welcher zeitlich und
räumlich charakterisiert werden kann.
Plasmafrequenz
Die zeitliche Ladungstrennung innerhalb eines definierten Plasmas kann durch die sogenannte
Plasmafrequenz ausgedrückt werden. Durch die herbeigeführte Ladungstrennung
im Plasma, werden die aufgrund ihrer geringeren Masse beweglicheren
Elektronen räumlich von den Ionenladungen getrennt. Es bildet sich gemäß des Gaußschen
Gesetzes ein elektrisches Feld aus und eine rückwirkende Kraft wird auf die
freien Elektronen ausgeübt. Aus dieser Schwingung ergibt sich die Eigenfrequenz, mit
der die negativen Ladungsträger gegen die Ionen schwingen [6]. Diese ist wie folgt
beschrieben:
ω pe = √ e2 n e
ε 0 m e
(2.2)
mit:
e = Elementarladung
me = Elektronenmasse
ε0 = elektrische Feldkonstante
In nicht magnetisiertem Plasma ist die Plasmafrequenz gleichbedeutend mit der
Grenzfrequenz, unterhalb welcher elektromagnetische Wellen vom Plasma reflektiert
werden (Plasma-cut-off) [10]. Mit einem Überschreiten der Plasmafrequenz, welche
von der Elektronendichte ne des Plasmas abhängt ist es möglich, dass elektromagnetische
Strahlung in das Plasma eindringt und kein abschirmender Effekt mehr stattfindet
[7]. Die Grenzfrequenz bezeichnet stets die kürzeste Reaktionszeit der Teilchen
im Plasma auf elektrische Felder und impliziert daher die Elektronen-Plasmafrequenz,
welche aufgrund der geringeren Masse der Teilchen über der Frequenz der trägeren
Ionen liegt [6].
Debye-Länge
Die maximale räumliche Distanz zwischen den Teilchen, die für ein Aufrechterhalten
des Plasmazustandes benötigt wird, wird auch als Debye-Länge bezeichnet. Wird einzelnes
geladenes Teilchen (z.B. Elektron) in einer Wolke geladener Teilchen über Zeit
betrachtet, fällt auf, dass im unmittelbaren Bereich um dieses Teilchen eine erhöhte
Dichte von Ladungsträgern, welche zu dem Teilchen entgegengesetzt geladen sind,
vorhanden ist. Das Teilchen erfährt eine Abschirmung nach außen [6]. Durch erhöhte
Wärmeenergie der Teilchen im Plasma ist das abschirmende Coulombpotential ΦC