Mehanical and thermal characterization of advanced bonded silicon-on-insulator structures

Abstract

The goal of this Master's Thesis is to determine the mechanical strength of unconventional silicon-on-insulator structures and the thermal conductivity of their insulator layers. The insulator layers consist of silicon dioxide coupled with either aluminum nitride, aluminum oxide or aluminum gallium nitride.

The mechanical strength of the SOI structures is determined by measuring their tensile strength with a tensile test, and comparing it to the strength of a Si-SiO2 direct bond, which acts as a measure of sufficient strength for industrial applications. The thermal conductivity of the insulator layer is measured using transient thermoreflectance.

Experiments show that the SOI structures exhibit higher tensile strength than what is typically reported for Si-SiO2 bonds. The weakest link of the structure is not either of the experimental interfaces in the insulator layer, but rather the bonded interface. The thermal conductivity measurements show no reliable results due to compatibility issues between the sample properties and the measurement method.

Tämän diplomityön tarkoitus on selvittää kokeellisten silicon-on-insulator rakenteiden mekaaninen kestävyys, sekä eristekerroksen lämmönjohtavuus. Eristekerros kaikissa rakenteissa koostuu piidioksidista, sekä ohuesta kerroksesta joko alumiininitridiä, alumiinioksidia tai alumiinigalliumnitridiä.

Näiden SOI rakenteiden mekaaninen kestävyys määritetään mittaamalla niiden vetolujuus vetotestillä ja veraamalla sitä Si-SiO2 -liitoksen kestävyyteen, jonka tiedetään olevan riittävän vahva teollista prosessointia varten. Eristekerroksen lämmönjohtavuus mitataan nopealla lämpöreflektanssiin perustuvalla menetelmällä.

Kokeet osoittavat, että työssä tutkitut SOI rakenteet ovat mekaanisesti tyypillisiä Si-SiO2 -liitoksia vahvempia. Rakenteen heikoin kohta ei ole kumpikaan kokeellisen kerroksen rajapinnoista, vaan liitosrajapinta piin ja piidioksidin välissä. Lämmönjohtavuusmittauksiin valittu menetelmä ei ole riittävä tässä työssä valmistettujen näytteiden ominaisuuksille, minkä seurauksena mittaukset eivät tuota luotettavia tuloksia.