Frei applizierbare MOSFET-Sensorfolie zur Dehnungsmessung

• Flexible MOSFET Strain Sensor Skin

Kizilirmak, Gökhan; Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2007)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Kurzfassung

Während die Integrationsdichte von Halbleiterchips rasant fortgeschritten ist und fortschreitet, fällt der Miniaturisierungsgrad in der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) vergleichsweise schwach aus. Ein Ansatz zur Erhöhung der AVT-Packungsdichte ist die Verwendung biegsamer Chips. Schlüssel zu einer sicheren Biegsamkeit ist die Fähigkeit, bruchsichere dünne Chips mit funktionstüchtigen Halbleiterbauelementen zu fertigen. Durch die Kombination von gedünnten Chips und flexiblen Polymersubstraten eröffnet sich insbesondere die Möglichkeit der Entwicklung von dicht gepackten Sensorfolien, also an dreidimensionale Oberflächen applizierbaren Sensorarrays. Diese Arbeit begreift sich als ein Beitrag zur Untersuchung von dünnen CMOS-Chips sowohl hinsichtlich der Bruchsicherheit als auch hinsichtlich des elektrischen Verhaltens von MOSFETs. Die dabei gewonnen Kenntnisse wurden für die Entwicklung einer MOSFET-Sensorfolie angewandt. Zu diesem Zweck wurden zunächst unter Berücksichtigung der Piezoresistivitätstheorie ein Testchip und ein Dehnungsmesschip entworfen. Die integrierten Testchips wurden Biegeversuchen unterworfen, um die piezoresistiven Koeffizienten von Inversionskanälen zu extrahieren. In einem nächsten Schritt wurden die Testchips auf 65 µm gedünnt und deren Bruchgrenze experimentell bestimmt. Durch schonende Dünnungsverfahren konnte zum ersten Mal eine Bruchgrenze von 350 MPa (Zug) erreicht werden. Zudem wurden Biegeversuche mit den gedünnten Chips durchgeführt. Ein Einfluss der Dünnung auf die piezoresistiven Koeffizienten konnte durch die Messergebnisse ausgeschlossen werden. Zur Verwendung auf Sensorfolien wurden Dehnungsmesschips auf bis zu 10 µm gedünnt Es wurde eine Abnahme des Betrags des Drainstroms um bis zu 5% aufgrund der Dünnung beobachtet. Im Anschluss darauf wurden die Dehnungmesschips auf Trägerfolien montiert und kontaktiert. Hierbei wurde eine deutlichere Abnahme (bis 20%) des Drainstrombetrags festgestellt. Als Ursache wird die Selbsterwärmung der MOSFETs bewirkt durch den erhöhten thermischen Widerstand des Sensorfolienaufbaus vermutet. In Torsionsversuchen wurde die Funktonstüchtigkeit der Sensorfolien nachgewiesen. Die dabei beobachtete Abnahme des Scherkoeffizienten um über 60% im Vergleich zu dickeren Chips, wird wiederum auf die Selbsterwärmung der MOSFETs zurückgeführt, da der Scherkoeffizient mit der Temperatur betragsmäßig sinkt.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik [611510]