Development and characterization of inkjet printed graphene passivation layers for semiconductor applications

Abstract

In the course of this thesis, a method to protect insulated gate bipolar transistors (IGBT) from Na ion penetration is investigated, with the aim of ensuring an extension in lifetime. Graphene is considered an effective barrier element when deposited on the semiconductor device via inkjet printing, a cost-ecient and precise depositioning method, that is already established in chip production. Eight different inks, consisting of single to multilayer graphene sheets dispersed in various organic solvents, are studied regarding relevant parameters for inkjet printing such as viscosity, surface tension, density and speed of sound to find suitable candidates. Moreover, present graphene types (pristine graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide) and flake sizes are determined. Homogeneous graphene sheet distribution is analysed by looking at coffee stain ink behaviour. Three inks are selected for further tests after modifying their properties with rheological additives and ethyl cellulose. Surface compatibility to materials used in IGBTs (AlSiCu, borophosphosilicate glass (BPSG) and n-doped Si) is investigated by determining their surface free energy, including dispersive and polar components. Printing tests of dots and squared structures on each substrate give insights about graphene layer formation in respect of continuous coverage. Analysis methods include optical microscopy, scanning electron microscopy, RAMAN-spectroscopy, drop shape analysis and rotational rheometry.

Im Zuge dieser Arbeit wurde eine Methode zum Schutz von Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (englisch insulated-gate bipolar transistor; IGBT) vor eindringenden Na Ionen analysiert, um eine längere Lebensdauer des Transistors zu gewährleisten. Graphen gilt als effektives Barrierematerial bei Abscheidung auf Halbleiterbauteilen mittels Tintenstrahldruck, eine Methode, welche aufgrund ihrer Kosteneffzienz und Präzision bereits in der Chipherstellung verwendet wird. Die Charakterisierung von acht unterschiedlichen Tinten, bestehend aus ein- bis mehrlagigem Graphen dispergiert in verschiedenen organischen Lösungsmitteln, wird in Bezug auf druckrelevante Parameter wie Viskosität, Oberflächenspannung, Dichte und Schallgeschwindigkeit orgenommen um geeignete Kandidaten herauszufiltern. Weiters wird die vorliegende Graphenart (reines Graphen, Graphenoxid, reduziertes Graphenoxid) und die Plättchengrösse bestimmt. Zudem wird die homogene Graphenverteilung hinsichtlich ausgeprägtem "coffee staining" analysiert. Letztlich werden drei Tinten ausgewählt, um nach Zugeben von rheologischen Additiven und Ethylzellulose weitere Tests zu absolvieren. Oberflächenkompatibilität mit in IGBTs verwendeten Materialien (AlSiCu, Borphosphatsilicatglas (BPSG), n-dotiertes Si) wird bezogen auf deren freie Oberflächenenergie und der jeweiligen dispersiven und polaren Anteile festgestellt. Informationen über zusammenhängende Schichtformation werden über tropfenförmige, beziehungsweise quadratische Testdrucke auf allen Substraten bezogen. Optische Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Raman-Spektroskopie, Tropfenkonturanalyse und Rotationsrheologie stellen die zur Analyse verwendeten Methoden dar.