Messung der Festigkeit von dünnen monokristallinen Silizium Wafern

Monokristallines Silizium ist ein zentrales Material in der Halbleiterindustrie, wo es beispielsweise in Mikroprozessoren, Sensoren und Solarzellen eingesetzt wird. Mechanische Belastungen während der Herstellung und des Einsatzes führen in Kombination mit sprödem Werkstoffverhalten zu einem gewissen Versagensrisiko. Um dieses zu minimieren ist die Kenntnis von Festigkeitskennwerten wesentlich. Ziel dieser Arbeit ist die quantitative Bestimmung der Festigkeit dünner Wafer aus einem Silizium Einkristall. Nach einer Vereinzelung der Rohwafer in kleinere Teilstücke wurden diese mittels biaxialen Festigkeitsmessungen geprüft. Zur Interpretation des Bruchgeschehens werden fraktographische Analysen herangezogen. Da die konventionellen Modelle zur Auswertung nicht die elastische Anisotropie der Einkristalle berücksichtigen, wurde zusätzlich eine Finite-Elemente-Simulation erstellt. Eine Fragestellung bezieht sich auf die Übertragbarkeit von Festigkeitswerten zwischen unterschiedlichen Festigkeitstest und Belastungsszenarien: Lässt sich beispielsweise das Weibullkonzept mit der enthaltenen Volumsextrapolation oder Oberflächenextrapolation konsistent anwenden. Zusätzlich wird untersucht, inwiefern die Richtung der Schleifriefen, welche durch das Polierverfahren auf den Waferoberfächen erzeugt werden, einen signifikanten Einfluss auf die Festigkeit haben könnte. Diese Kenntnisse stellen eine Grundlage für die Bewertung einkristalliner spröder Werkstoffe dar und könnten in zukünftige Bauteildesigns in erhöhter mechanischer Zuverlässigkeit münden.