Defekte in Mikrochips sichtbar machen

Für seinen wissenschaftlichen Beitrag zur 20. Fachtagung „Sensoren und Messsysteme“ am 25. und 26. Juni 2019 in Nürnberg wurde der Maschinenbau-Ingenieur Markus Stöhr von der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (HTWK Leipzig) für das „Beste Poster“ von der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik ausgezeichnet.

In dem Poster beschreibt Stöhr die Weiterentwicklung der sogenannten Spannungsoptik – ein Messverfahren, mit dem sich mechanische Spannungen in lichtdurchlässigen Materialien analysieren lassen. Durch Stöhrs Arbeit ist es nun möglich, Materialfehler von Halbleitern wie Silizium exakter zu bestimmen.

Damit könnten zukünftig geschädigte Siliziumscheiben bereits im Herstellungsprozess besser aussortiert und vorzeitige Defekte in Elektronikbauteilen oder Solarmodulen vermieden werden.

Silizium ist ein wichtiger Materialbestandteil aller Elektronikbauteile – es steckt heute in jeglichen Speichermedien, Sensoren und Solarmodulen. Silizium wird aus Sand gewonnen und zu großen Kristallen geschmolzen.

Aus diesen werden anschließend hauchdünne Scheiben, sogenannte Wafer, gesägt. Seine herausragenden Eigenschaften als Halbleiter gehen mit einer speziellen Materialbeschaffenheit einher: Siliziumkristalle sind anisotrop, verformen sich bei Belastung also in verschiedenen Richtungen unterschiedlich stark. Dieser Umstand macht es bislang schwierig, Verspannungen im Material exakt zu bestimmen.

„Mit spannungsoptischen Messverfahren werden schon seit Jahrzehnten isotrope Materialien wie beispielsweise Glas analysiert. Dabei wird das Material mit einem polarisierten Lichtstrahl durchleuchtet und aus der Brechung des Lichts die Verspannung berechnet. Aber für Silizium und andere Halbmetalle liefert diese klassische Methode bislang nur sehr ungenaue Ergebnisse. Das macht es schwierig zu entscheiden, ob Spannungen und Risse wirklich kritisch sind. Im Rahmen meiner Forschung habe ich die das Berechnungsverfahren der Methode so weiterentwickelt, dass es nun auch für anisotrope Materialien funktioniert“, erklärt Markus Stöhr.

Prof. Stephan Schönfelder von der Fakultät Ingenieurwissenschaften betreut Markus Stöhrs Promotionsvorhaben an der HTWK Leipzig. In Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS forscht er seit Jahren dazu, wie empfindliche Materialien bereits während der Produktion geschädigt werden und wie die Herstellung verbessert werden kann.

„Bauteile aus Silizium – egal ob Mikrochips oder Solarzellen – sind im Endprodukt tief verborgen. Ein frühzeitiger Defekt durch Risse im Material bedeutet oft einen Totalschaden des Smartphones, der PC-Platine oder des Solarmoduls. Wir wollen deshalb Defekte möglichst frühzeitig erkennbar und vor allem im Detail bewertbar machen. Die Auszeichnung bestätigt unsere erfolgreiche Forschungsarbeit im Bereich der Spannungsoptik und motiviert die Promotion von Markus Stöhr umso mehr“, freut sich Schönfelder.

Markus Stöhr (25) studierte an der HTWK Leipzig Maschinenbau. Für seine kooperative Promotion an der HTWK Leipzig und der Technischen Universität Dresden erhält er ein Stipendium des Freistaat Sachsens aus Mitteln des Europäischen Sozialfonds.

Ein Kurzbeitrag zum prämierten Poster ist online unter https://dx.doi.org/10.5162/sensoren2019/P2.6 frei verfügbar. Eine Langversion wird Ende des Jahres im „Journal of Sensors and Sensor Systems“ erscheinen.

Markus Stöhr, HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften
Tel.: +49 341 3076-8941, E-Mail: markus.stoehr@htwk-leipzig.de

Prof. Dr. Stephan Schönfelder, HTWK Leipzig, Fakultät Ingenieurwissenschaften
Tel.: +49 341 3076-4157, E-Mail: stephan.schoenfelder@htwk-leipzig.de

Markus Stöhr, Gerald Gerlach, Thomas Härtling, Stephan Schönfelder (2019): Analysis of Photoelastic Properties of Monocrystalline Silicon, in: 20. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2019, Tagungsband, S. 695–699. https://dx.doi.org/10.5162/sensoren2019/P2.6