Zschech, EhrenfriedSchmeißer, DieterSchneider, GerdKutukova, KristinaKristinaKutukova2023-12-192023-12-192023urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-62567https://publica.fraunhofer.de/handle/publica/45816310.26127/BTUOpen-6256The motivation of this thesis was to control crack steering into regions of engineered 3D-nanopatterned structures with high fracture toughness and to determine the local critical energy release rate for crack propagation in 3D-nanopatterned systems. On-chip copper interconnect structures of advanced microchips, insulated by organosilicate glasses, were chosen as an example system to study fracture on small scale, since this is a well-defined 3D- nanopatterned system and since a high mechanical robustness is requested for microchips. An experiment for in-situ high-resolution 3D imaging of the fracture behavior of 3D-nanopatterned structures and of the kinetics of microcrack propagation in solids was designed and applied, combining a miniaturized micromechanical test and high-resolution X-ray imaging. Particularly, a miniaturized piezo-driven double cantilever beam test set-up (micro- DCB) was integrated in a laboratory X-ray microscope, and nano X-ray computed tomography was applied for high-resolution 3D imaging of the microcrack evolution in the on-chip interconnect stack of microchips manufactured in the 14 nm technology node. The measured geometry of the microcrack at several loading steps during the micro-DCB test and the subsequent data analysis based on linear elastic fracture mechanics and the Euler-Bernoulli beam model were the basis for the development and application of a new methodology to determine the critical energy release rate for crack propagation in sub- 100 nm regions of a processed wafer quantitatively. It was experimentally proven that specially designed metallic guard ring structures at the rim of the microchips dissipate energy in such a way that the microcrack propagation is efficiently slowed down and eventually stopped, i.e. they are effective to prevent mechanical damage of microchips. It was demonstrated that it is possible to steer the microcrack in a controlled way by tuning the fracture mode mixity locally at the crack tip. The established concept for a controlled crack propagation provides the basis for further fundamental studies of the fracture behavior of nanoscale materials and structures. The results have significant effects for the understanding of fracture mechanics at small scales, e.g. in microchips, but also in other nanopatterned materials, e.g. in bio-inspired, hierarchically structured engineered materials. The experimental results gathered at realistic microelectronic products provide valuable information to control the crack path in on-chip interconnect stacks for design-for-reliability in semiconductor industry and to manufacture mechanically robust microchips in leading-edge technology nodes. The experimental study of controlled microcrack steering into regions with high fracture toughness provides knowledge for the design of guard ring structures in microchips to stop the propagation of microcracks, e.g. generated during the wafer dicing process.Die Motivation dieser Arbeit bestand darin, Risse in Bereiche von 3D- Nanostrukturen mit hoher Bruchzähigkeit zu lenken und die lokale kritische Energiefreisetzungsrate für die Rissausbreitung in 3D-Nanostrukturen zu bestimmen. On-chip Kupfer-Leitbahnstrukturen, die durch Organosilikatgläser isoliert sind, wurden als Beispielsystem für die Untersuchung des Bruchverhaltens in kleinen Bereichen ausgewählt, da dies ein gut definiertes 3D- nanostrukturiertes System ist und weil für Mikrochips eine hohe mechanische Robustheit gefordert wird. Ein Experiment für die hochauflösende in-situ 3D-Abbildung von 3D- Nanostrukturen und der Kinetik der Mikrorissausbreitung in Festkörpern wurde entwickelt und angewendet, wobei ein miniaturisierter mikromechanischer Test und hochauflösende Röntgenabbildung kombiniert wurden. Speziell wurde ein miniaturisierter Doppel- Cantilever-Beam-Testaufbau (Mikro-DCB) in ein Labor-Röntgenmikroskop integriert, und Nano-Röntgen-Computertomographie wurde zur hochauflösenden 3D- Abbildung der Mikrorissentwicklung im on-chip Leitbahnsystem von Mikrochips, die im 14 nm- Technologieknoten hergestellt wurden, angewendet. Die für mehrere Belastungsschritte während des Mikro-DCB-Tests gemessene Mikrorissgeometrie und die anschließende Datenanalyse auf Basis der linear-elastischen Bruchmechanik und des Euler- Bernoulli-Balkenmodells waren die Grundlage für die Entwicklung und Anwendung einer neuen Methodik zur quantitativen Ermittlung der kritischen Energiefreisetzungsrate für Rissausbreitung in sub-100-nm-Regionen eines prozessierten Wafers. Experimentell wurde nachgewiesen, dass sogenannte „guard ring“-Strukturen an der Peripherie der Mikrochips Energie so dissipieren, dass die Mikrorissausbreitung wirksam verlangsamt und schließlich gestoppt wird, d.h. sie verhindern eine mechanische Schädigung der Mikrochips. Es wurde gezeigt, dass es möglich ist, den Mikroriss durch Überlagerung der Bruchmoden an der Rissspitze kontrolliert zu steuern. Das aufgestellte Konzept zur kontrollierten Rissausbreitung bildet die Basis für weitere grundlegende Studien zum Bruchverhalten nanoskaliger Materialien und Strukturen. Die Ergebnisse tragen zum besseren Verständnis der Bruchmechanik in kleinen Skalen bei, z. B. in Mikrochips, aber auch in anderen nanostrukturierten Materialien, z. B. in bioinspirierten, hierarchisch strukturierten technischen Werkstoffen. Die experimentellen Ergebnisse, die an mikroelektronischen Produkten erhalten wurden, liefern wertvolle Informationen zur Kontrolle der Rissausbreitung in on-chip Leitbahnsystemen zur Herstellung mechanisch robuster Mikrochips in fortgeschrittenen Technologieknoten. Die Experimente zur kontrollierten Ausbreitung von Mikrorissen in Bereiche mit hoher Bruchzähigkeit liefern Informationen für das Design von „guard ring“-Strukturen in Mikrochips, um die Ausbreitung von Mikrorissen, die z. B. während des Vereinzelns des Wafers erzeugt wurden, zu stoppen.enBruchmechanikFracture mechanicsIn-situ-RissausbreitungOn-Chip-Interconnect-StacksRöntgenmikroskopieSchutzringstrukturenGuard ring structuresIn-situ crack propagationOn-chip interconnect stacksX-ray microscopyRissausbreitungMikrorissBruchverhaltenNanostrukturiertes MaterialChipDDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaftendoctoral thesis