Seit der Erfindung des integrierten Schaltkreises im Jahr 1950 schreitet die Miniaturisierung der Bauelemente kontinuierlich voran. Kleinere Bauelemente bedeuteten niedrigere Kosten, geringeren Energieverbrauch und höhere Geschwindigkeit. Früher oder später wird dieser Miniaturisierungsprozess an seine Grenzen stoßen und bereits jetzt ist zu erkennen, dass grundlegende Elemente Schwachstellen aufweisen.
Um die daraus resultierenden Herausforderungen zu bewältigen, wurden bereits verschiedene Ansätze entwickelt. Manche beinhalten die Verbesserung von bestehenden Technologien, während andere die Entwicklung von neuen Bauelementen beziehungsweise Fertigungsverfahren erfordern. Je nach Ansatz können die Kosten einen Nachteil darstellen, was die Einführung der Technologien in die Industrie erschwert. Eine Fertigungsanlage kann Investitionen in der Höhe von zwei Mrd. US Dollar erfordern. Es ist daher unwahrscheinlich, dass eine Industrie bereit ist, mittelfristig in die Entwicklung von Technologien zu investieren, die nicht zu ihrer Anlage kompatibel sind.
Dreidimensionale Integration gibt die Möglichkeit die Miniaturisierung der Halbleiterbauelemente voranzuführen und gleichzeitig den Energieverbrauch zu verringern und die Geschwindigkeit zu erhöhen. Es gibt eine Vielzahl an unterschiedlichen Ansätzen für die Herstellung eines dreidimensionalen Bauelements. Die meist verbreitetste Methode ist eine Durchkontaktierung durch das Silizium (through silicon via, TSV), um eine elektrische Verbindung in der dritten Dimension zu ermöglichen. Der Aufbau eines TSV ist vor allem wegen seiner Größe eine Herausforderung. Zu den notwendigen Schritten zählen das Ätzen von Strukturen mit einem großem Höhe zu Breite Verhältnis, Waferdünnung, und mehrere Schichtabscheidungen. Ein besonderes Problem, das TSVs mit sich bringen, ist die mechanische Stabilität des Aufbaus und ihr Einfluss auf ihre Umgebung. Solche großen metallischen Strukturen inmitten der Silizium-Schaltung sind während des Betriebs der Fertigung stressanfällig.
In dieser Arbeit wurde eine ausführliche mechanische Analyse von TSVs durch Simulationen durchgeführt. Die mechanischen Auswirkungen der TSVs auf ihre Umgebung wurden auf Makroebene untersucht. Anschließend wurde die Durchkontaktierung lokal analysiert. Abschließend wurden die makrostrukturellen Effekte, die zum Aufbau von Spannungen im Schichtsystem von TSVs während der Metallabscheidung führen, untersucht. Das Hauptziel war eine umfassende Charakterisierung der mechanischen Stabilität von TSVs vorzunehmen, welche die Auswirkungen auf den Silizium-Schaltkreis bis zur Herstellung der TSVs beinhaltet. Eine Reihe von Simulationstechniken und Modelle wurden entwickelt und als Mittelpunkt dieser Arbeit vorgestellt.