Grundlagen der Mikro- und Nanoelektronik Teilgebiet ... Grundlagen der Mikro- und Nanoelektronik Teilgebiet

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  • Grundlagen der Mikro- und Nanoelektronik

    Teilgebiet Nanotechnologie

    26.04.2018 www.tu-ilmenau.deSeite 1

    Fachgebiet Nanotechnologie

    Univ.-Prof. Dr. Heiko Jacobs Leslie Schlag

    Kirchhoffbau Zimmer 3036 Zimmer 3034

    Gliederung der 5 Lehreinheiten

    Vorlesungen / Seminar

    25.04.2018

    26.04.2018

    02.05.2018

    Demo

    03.05.2018 (ZMN)

    09.05.2018 (ZMN)

    Input Anwendung

    Hinweis: Vertiefende Inhalte werden in den Fächern Mikro- und

    Halbleitertechnologie sowie Nanotechnologie ab 5.FS angeboten.

  • Einordung in Drucksensorbeispiel

    Vorlesungsschwerpunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

    Festkörperelektronik

    3 Wochen

    Nanotechnologie

    3 Wochen Elektroniktechnologie

    3 Wochen

    Elektronische

    Schaltungen und

    Systeme

    3 Wochen

    Mikro- und

    nanoelektronische

    Systeme

    3 Wochen

    Entwurf und

    Design

    integrierter

    Schaltungen

    Das System - als eine

    Gesamtheit von

    Elementen

    Entwicklung

    technologischer

    Verfahren

    Charakterisierung

    der Funktion von

    halbleitenden

    Bauelementen

    Aufbau- und

    Verbindungstechnik

    Quelle: P. Krause, MEMS-Kongress, Berlin 2009

  • 26.04.2018 www.tu-ilmenau.deSeite 3

    Zum Einstieg:

    Open Access Video Chip Manufacturing bei Global

    Foundries

    Als Lektüre:

    Intel i5 Chip Herstellung

    https://www.youtube.com/watch?v=d9SWNLZvA8g

    Intel 22nm Technologie erklärt

    https://www.youtube.com/watch?v=YIkMaQJSyP8

    Einstieg in die Halbleitertechnologie

    https://www.youtube.com/watch?v=UvluuAIiA50 https://www.youtube.com/watch?v=d9SWNLZvA8g https://www.youtube.com/watch?v=YIkMaQJSyP8

  • 26.04.2018 www.tu-ilmenau.deSeite 4

    Typisches Beispiel der Mikro- und Nanoelektronik

     Smartphones beinhalten:

    ~460 Millionen Transistoren und mehrere Aktoren/Sensoren auf kleinstem Raum

    ~2,5 Mio.

    Transistoren ~2,5 Mio.

    Transistoren

    ~2,5 Mio.

    Transistoren

    ~450 Mio.

    Transistoren

  • 26.04.2018 www.tu-ilmenau.deSeite 5

    Piezoresistiver

    Drucksensor

    Beispielbilder Halbleitertechnologie

  • 26.04.2018 www.tu-ilmenau.deSeite 6

    Microelectromechanical Systems (MEMS)

    Beschleunigungssensor

    Cantilever

    Beispielbilder Halbleitertechnologie

  • 26.04.2018 www.tu-ilmenau.deSeite 7

    Texas Instruments DLP-Chip (Digital Light Processing)

    DLP Video

    Beispielbilder Halbleitertechnologie

    https://www.youtube.com/watch?v=qOsibeDX8jM

  • 26.04.2018 www.tu-ilmenau.deSeite 8

    10 mm 50 µm

    Optische Mikroskopie

    Elektronenmikroskop (REM, TEM)

    Beispielbilder Halbleitertechnologie

  • 26.04.2018 www.tu-ilmenau.deSeite 9

    Leiterplatte (PCB)

    300mm Wafer

    Hierarchie in der Mikro- und Nanoelektronik

    Si-Chip

    Integrierte Schaltung (IC)

  • 26.04.2018 www.tu-ilmenau.deSeite 10

    Hierarchie in der Mikro- und Nanoelektronik

    Front End of Line: Halbleiterprozesse zur

    Erzeugung von Si-Bauelementen

    Back End of Line: Prozesse zur

    Erzeugung der Verdrahtungsebenen

    Back End: Verkapselung und

    Kontaktierung der einzelnen Chips

    (AVT – Prof. Müller)

    Front End Prozesse sind Teil dieser

    drei Vorlesungen

  • 26.04.2018 www.tu-ilmenau.deSeite 11

    Beispielbilder Halbleitertechnologie

  • 26.04.2018 www.tu-ilmenau.deSeite 12

    Motivation Halbleitertechnologie

    Vergleich Deutsche Jahresgehälter 2018 – Quelle: gehalt.de

    Ärzte 76.666 – 139.246 €

    Ingenieure Halbleiterindustrie 65.316 - 106.900 €

    Ingenieure Maschinenbau 47.464 – 70.632 €

    Juristen 46.011 – 78.691 €

    Ingenieure Energietechnik 35.900 – 56.966 €

    Ingenieure Autoindustrie 35.307 – 56.120 €

  • 26.04.2018 www.tu-ilmenau.deSeite 13

    Erste Grundfragestellung:

    Welche technischen Voraussetzungen sind nötig um

    siliziumbasierte Halbleiterbauelemente herzustellen?

  • 26.04.2018 www.tu-ilmenau.deSeite 14

    Optimale Prozessbedingungen existieren nur in

    Reinräumen

    Einführung in das reine Prozessieren

    Vorlesungsschwerpunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

  • 26.04.2018 www.tu-ilmenau.deSeite 15

    Einführung in das reine Prozessieren

  • Einführung in das reine Prozessieren

    Hauptvoraussetzung:

    Reinheit aller am Prozess beteiligten Komponenten

    Verunreinigungsquelle – Mensch

     verliert mehrere Millionen Partikel pro Minute

    Vergleich verschiedener Kleidungs- und Bewegungsarten

    Kontaminationsquelle Mensch, C. Moschner,

    Reinraumtechnik 1 (2010)

     Zur Vermeidung der Verschmutzung

    müssen im Reinraum immer Haube,

    Handschuhe und Overall getragen

    werden!

    Vorlesungsschwerpunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

  • Einführung in das reine Prozessieren

    Reinraum-Reinheitsklassen nach ISO 14644

    Partikel je m3

    Klass

    e 0,1 µm 0,2 µm 0,3 µm 0,5 µm 1,0 µm 5,0 µm

    ISO 1 10 2

    ISO 2 100 24 10 4

    ISO 3 1.000 237 102 35 8

    ISO 4 10.000 2.370 1.020 352 83

    ISO 5 100.000 23.700 10.200 3.520 832 29

    ISO 6 1.000.000 237.000 102.000 35.200 8.320 293

    ISO 7 352.000 83.200 2.930

    ISO 8 3.520.000 832.000 29.300

    ISO 9 35.200.000 8.320.000 293.000

     Verschmutzung durch alle am Prozess beteiligten

    Komponenten auf ein Minimum reduzieren!

  • 26.04.2018 www.tu-ilmenau.deSeite 18

    Vorlesungsschwerpunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

    Einführung in das reine Prozessieren

    Reinraum ZMN MacroNano TU Ilmenau (Feynmanbau)

  • Einführung in das reine Prozessieren

    Hauptvoraussetzung:

    Reinheit aller am Prozess beteiligten Komponenten

    Verunreinigungsquellen: Anlagen / Wartungsarbeiten im Reinraum

     um Anlagen im Reinraum betreiben zu können, ist es wichtig, dass

    deren Wartung und Betrieb nicht zur Verschmutzung des Reinraums

    beitragen.

    Vorlesungsschwerpunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

    Partikelarmes Prozessieren:

    „Cleanroomhygiene“ Kleidung, Materialien (kein Papier, Stifte,

    Reinigung eingebrachter Gegenstände, glatte Oberflächen,

    Design von Anlagen)

    Material und Konstruktion der Anlagen

    Intern: Ventile, Antriebe, Partikel an inneren OF

    Außen: Glatte Oberflächen, Verkleidungen

  • 26.04.2018 www.tu-ilmenau.deSeite 20

    Reinheit von Medien Einführung in das reine Prozessieren

  • Einführung in das reine Prozessieren

    Hauptvoraussetzung:

    Reinheit aller am Prozess beteiligten Komponenten

    Verunreinigungsquelle – verwendete Substrate / Gase / Flüssigkeiten

     Reinste Prozessmedien

    Lösungsmittel 1ppb

    DI-Wasser < ppt (parts per trillion 10-12 !)

    Gase 99,9999% 6N bis 9N 1ppb

    Materialien wie Metalle (99,9999%)

    Wafer

    Partikelfilter für Gase und Prozessflüssigkeiten

    Vorlesungsschwerpunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

  • Einordung in Drucksensorbeispiel

    Festkörperelektronik

    3 Wochen

    Nanotechnologie

    3 Wochen Elektroniktechnologie

    3 Wochen

    Elektronische

    Schaltungen und

    Systeme

    3 Wochen

    Mikro- und

    nanoelektronische

    Systeme

    3 Wochen

    Entwurf und

    Design

    integrierter

    Schaltungen

    Das System - als eine

    Gesamtheit von

    Elementen

    Entwicklung

    technologischer

    Verfahren

    Charakterisierung

    der Funktion von

    halbleitenden

    Bauelementen

    Aufbau- und

    Verbindungstechnik

    Quelle: P. Krause, MEMS-Kongress, Berlin 2009

    Vorlesungsschwerpunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

  • Funktionsprinzip des Drucksensors

    Vorlesungsschwerpunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

    Video: Bosch Drucksensor

    https://www.youtube.com/watch?v=3MaQejkTHSQ

  • Analyse Aufbau des Drucksensors

    Si

    SiO2 p-Si p-Si

    Piezoresistive Gebiete Isolator / Passivierung

    Membran

    Leiterbahnen

    Si-Substrat

    SiO2 SiO2

    Vorlesungsschwerpunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

  • Technologiefragerunde

    Frage 1:Wie werden in der Halbleitertechnologie Strukturen auf das

    Substrat übertragen?

    Antwort: Fotolithografie, (Nano Imprint, Elektronenstrahllithografie)

     Vorlesung 1 & Demo-Seminar

    Frage 2:Wie kann auf Si-Substrat eine Oxidschicht aufgewachsen werden?

    Antwort: CVD / Thermische Oxidation

     Vorlesung 2 & Demo-Seminar

    Frage 3:Wie werden in der Halbleitertechnologie piezoresistive Gebiete

    in das Si - Subtsrat eingebracht?

    Antwort: Dotieren mit geeigneten