Download pdf - Grundlagen der Mikro- und Nanoelektronik Teilgebiet ... · Grundlagen der Mikro- und Nanoelektronik Teilgebiet Nanotechnologie 26.04.2018 Seite 1 Fachgebiet Nanotechnologie Univ.-Prof

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 WochenElektroniktechnologie

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


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


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


Piezoresistiver

Drucksensor

Beispielbilder Halbleitertechnologie


Microelectromechanical Systems (MEMS)

Beschleunigungssensor

Cantilever



Texas Instruments DLP-Chip (Digital Light Processing)

DLP Video


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


10 mm 50 µm

Optische Mikroskopie

Elektronenmikroskop (REM, TEM)



Leiterplatte (PCB)

300mm Wafer

Hierarchie in der Mikro- und Nanoelektronik

Si-Chip

Integrierte Schaltung (IC)


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




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 €


Erste Grundfragestellung:

Welche technischen Voraussetzungen sind nötig um

siliziumbasierte Halbleiterbauelemente herzustellen?


Optimale Prozessbedingungen existieren nur in

Reinräumen

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!



Reinraum-Reinheitsklassen nach ISO 14644

Partikel je m3

Klass

e0,1 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!




Reinraum ZMN MacroNano TU Ilmenau (Feynmanbau)


Hauptvoraussetzung:


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.


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


Reinheit von Medien Einführung in das reine Prozessieren


Hauptvoraussetzung:


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


Einordung in Drucksensorbeispiel

Festkörperelektronik

3 Wochen

Nanotechnologie

3 WochenElektroniktechnologie

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


Funktionsprinzip des Drucksensors


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

SiO2SiO2


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 Dotierstoffen

Vorlesung 2 & Demo Seminar

Frage 4: Wie lassen sich Membranen in Si-Grundsubstrat übertragen?

Antwort: Gezieltes Ätzen

Vorlesung 3 & Demo Seminar


Hausaufgabe bis Morgenmittag


Video: Herstellung von Si-Wafern

Bitte anschauen!


Waferherstellung

Lithografie

Hochtemperaturprozesse

Nasschemie

Plasmaprozesse

Einteilung der Technologien

Themengebiet 1: Fotolithografie



Grundprinzip: Übertragung einer vorgegebenen Form durch Änderung der

chemischen Bindungen in einer organischen Opferschicht durch den

Einfluss des Lichtes

Aufschleudern

(Spin-Coater)

Soft-Bake

(Hotplate)

Belichten

(Mask Aligner)

Entwickeln

(Developer)

Rotation Temperatur Optische Effekte Chem. Löslichkeit





Fotolack Aufschleudern – Spin Coating



Dispense Ramp up /

Spreading

dw/dt > 0

Forming

dw/dt = 0

Drying

Aus Fluidmechanik Nicht-Newtonscher Fluide lässt sich mit

Hilfe der Zentrifugal- und Scherkraft herleiten und nähern:

cPS – Stoffmengenverhältnis Polymer/Lösungsmittel

n - kinematische Viskosität w - Umdrehungen / s

h - dynamische Viskosität r - Dichte

𝑑𝑓𝑖𝑙𝑚 ∝𝜒𝑃𝑆3 ⋅ 𝑣

1 − 𝜒𝑃𝑆)𝜔 3 2

1 3

𝜈 =𝜂

𝜌mit




𝑑𝑓𝑖𝑙𝑚 ∝𝜒𝑃𝑆3 ⋅ 𝜐

1 − 𝜒𝑃𝑆)𝜔 3 2

1 3

𝜈 =𝜂

𝜌mit

w - Umdrehungen / s

h - dynamische Viskosität

Experimentell lässt sich bestimmen:

𝑑𝑓𝑖𝑙𝑚 ∝ 𝜂 1 3 ⋅ 𝜔−𝛼 mit a als Verdampfungsfaktor

des Lösungsmittels

Lacke werden standardmäßig als

Kombination aus dynamischer

Viskosität und Dicke d in µm bei

5000 RPM gelistet.

Beispiele:

AZ 1518 1,8 µm bei 5000 RPM

ECI 3007 0,7 µm bei 5000 RPM



Kontaktbelichtung

Proximitybelichtung

(Abstandsbelichtung)

Projektionsbelichtung

modernere

Projektionsbelichtung


Belichtungstechniken

Numerical Aperture and

depth of focus

sin(Q)Kompromiss

Tiefenschärfe und Auflösung

Qgroßes

Apertur groß

Q

Aperture

Depth of focus Depth of focus

Auflösung

Q

Aperture

Depth of focus Depth of focus



Zeiss Waferstepper Optik 193nm

Themengebiet 1: FotolithografieLichtquellen


Immersionslithografie

EUV-Lithografie (extreme ultra violet) 13,5 nm

Röntgenlithografie

Elektronen- und Ionenstrahllithografie

Optische Tricks / andere Quellen


𝑑min = 𝑘𝜆

n sin𝛩


Beispiel Ebeam + Ätzen

Themengebiet 1: Lithografie


Lacksysteme

Negativlack polymerisiert durch Belichtung

und einem nachfolgenden Ausheizschritt,

nach der Entwicklung bleiben die belichteten

Bereiche stehen.

Bei Positivlacken wird der bereits

verfestigte Lack durch Belichtung wieder

löslich für entsprechende Entwickler-

lösungen.



Themengebiet 1: FotolithografieEntwicklung (Develop)

Novolak (Phenolharze)


Entwicklung (Develop)

Umbacklack


Mehrfachbelichtungen


Vorlesungsschwerunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

Frage 1:Geben Sie an, welche physikalischen Größen die Lackdicke beim

Aufschleudern beeinflussen!

Antwort: Umdrehungszahl der Schleuder, Viskosität des Fotolacks, Stöchiometrie

Lösungsmittel/Polymer

Frage 2:Nennen Sie drei Belichtungsarten der Fotolithografie!

Antwort: Kontakt, Abstand, Projektion

Frage 3:Was sind die Einflussgrößen auf die minimale Strukturbreite und

was hat eine Änderung dieser zur Folge?

Antwort: Wellenlänge (je kleiner desto minimaler), Numerische Apertur (sollte

groß sein, ist aber nicht unendlich optimierungsfähig)

Themengebiet 1: Fotolithografie – typische Fragen



Exkurs: Maskenherstellung

CAD / CAM Maskendesign

mit Hilfe

konventioneller

CAD Tools

CompilerPrüfung /

Übersetzung in

maschinen-

typischen CodeSchreiben der

Maske

Schreiben der

Strukturen mit Hilfe

der Elektronenstrahl-

Lithografie

Vgl. λ=0.0336Å bei

Beschleunigungs-

spannung Vc=120kV

Entwickeln des

Ebeam Resists

Cr Bedampfen /

Lift-Off

Metallbedampfung

und anschließendes

Lösen der

LackschichtVorlesungsschwerpunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

Hausaufgabe bis Morgenmittag


Video: Herstellung von Si-Wafern

Bitte anschauen!


Waferherstellung

Lithografie


Nasschemie

Plasmaprozesse



Vorlesung 2







Nachtrag zur Hausaufgabe

Schlüsseltechnologie: Czochralski – Verfahren

Details zu diesem Verfahren in Mikro- und Halbleitertechnologie 1

Themengebiet 2: Hochtemperaturprozesse


In Themengebiet 1 wurde vermittelt, wie mit Hilfe einer Photoresistschicht

Strukturen auf das Substrat übertragen werden können.

In Komplex 2 werden nun Hochtemperaturprozesse zum Aufwachsen des SiO2

und zur Dotierung der piezoresitiven Gebiete des Si-Substrates betrachtet.


Si

SiO2p-Si p-Si


Membran

Leiterbahnen

Si-Substrat



Wo noch?

-Ätzmaske

-Diffusionsmaske

-Passivierung


Wo wird ein Oxid verwendet?



Thermische Oxidation des Siliziums

Merke: Jede Si-Oberfläche bildet ein natürliches Oxid

Wachstumsrate wird bestimmt durch die Temperatur und durch die Feuchtigkeit

Reinheit des Oxids ist abhängig von den Verunreinigungen im Reaktor

Oxidationsart Trocken Nass

Reaktionsgleichung 𝑆𝑖 + 𝑂2 → 𝑆𝑖𝑂2 𝑆𝑖 + 2𝐻2𝑂 → 𝑆𝑖𝑂2 + 2𝐻2

EigenschaftenHohe Dichte

Hohe Durchbruchspannung

Hohe Wachstumsrate

Wachstumsraten

900°C

1000°C

1100°C

19 nm / h

50 nm / h

120 nm / h

100 nm / h

400 nm / h

630 nm / h


Aufbau des Reaktors


Je nach Oxidationsart, werden die

Einströmventile mit oder ohne Bubbler

angesteuert


Ablauf der trockenen Oxidation

Prozessabfolge

Einschleusen

der Wafer

Verschließen

des Reaktors /

Evakuieren

T = 600°C

ca. 10 min

um Bruch zu

vermeiden

Heizrampe

5 – 10 K / min


-

-

Abkühlen des

Reaktors

Kühlrampe

5 – 10 K / min

Einfluss O2 /

Reaktions-

beginn

800 – 1200°C

Ausschleusen

der Wafer

T = 600°C

ca. 10 min

um Bruch zu

vermeiden


Ablauf der nassen Oxidation

Prozessabfolge

Einschleusen

der Wafer

Verschließen

des Reaktors /

Evakuieren

T = 600°C

ca. 10 min

um Bruch zu

vermeiden

Heizrampe

5 – 10 K / min


Abkühlen des

Reaktors

Kühlrampe

5 – 10 K / min

Einfluss O2 u.

H2O Bubbler /

Reaktionsstart

800 – 1200°C

Ausschleusen

der Wafer

T = 600°C

ca. 10 min

um Bruch zu

vermeiden


Ablauf der Reaktion an der Phasengrenze


Transportgasstrom Transportgasstrom

Substrat

Sorptions- und DiffusionsschichtAdsorption

OF Diffusion Reaktion /

Absorption

Desorption


Massenumsatz an der Phasengrenze


Merke: 55% des Oxids wachsen auf dem Substrat, 45% in das Substrat!




Massenumsatz an der Phasengrenze


Beschreibung für das diffusionsbasierte Schichtwachstum von

thermischem Siliziumdioxid auf einer reinen Siliziumoberfläche.

Die für den Oxidationsprozess notwendige Zeit t für

eine bestimmte Schichtdicke dSiO2 berechnet sich wie folgt:

B die parabolische

B/A die lineare Wachstumsrate

Deal-Grove Modell Themengebiet 2: Hochtemperaturprozesse


D (thick-ox) =const. · (D · t)1/2

D (thin-ox) =const. · t




Bestimmung der Oxidationszeit

Weitere Einflussfaktoren auf Oxidwachstum:

Kristallorientierung

Dotierung

Exkurs: Oxidätzen

Exkurs: Oxidätzen


Wir wissen nun, wie wir die Passivierung auf dem Substrat erzeugen

können. Aber wie lässt sie sich strukturieren?

Prozessabfolge:

SiO2

Si

SiO2

SiO2

Si

SiO2

Fotolack

Fotolack

SiO2

Si

SiO2

Lack Lack

LackLack Lack

Belacken Nach Belichten

und Entwickeln

SiO2

Si

SiO2

Lack Lack

LackLack Lack

Ätzschritt

SiO2SiO2

SiO2

SiO2

Si

SiO2

SiO2SiO2

SiO2

Ablösen des Lacks mit

Aceton / DI Spülen

Exkurs: Oxidätzen

Exkurs: Oxidätzen


Einziges geeignetes Ätzmittel für Glas Flusssäure HF

Arbeiten mit Flusssäure erfordern höhere Sicherheitstechnische Vorrausetzungen!

Gefahren:

- Starkes Kontaktgift

- Sofortige Resorption der Haut Verätzungen bis in tiefe Gewebsschichten / bis

auf Knochen möglich

- Verzögerung des Schmerzes um bis zu 6 Stunden

- Schädigung des Nervensystems

Faustregel: Eine Handtellergroße Verätzung mit 40% HF verläuft tödlich!

Problem: HF ätzt mit hoher Rate

- BOE (buffered oxide etch, Ammoniumflourid NH4F + HF)

kontrolliertes Ätzen


Frage 1: Welche Größen haben Einfluss auf die Oxiddicke?

Antwort: Temperatur und Feuchtigkeit

Frage 2: Vergleichen Sie zwei bestimmte Arten der thermischen Oxidation

und zeigen Sie spezifische Vorteile!

Frage 3: Beschreiben Sie kurz den Ablauf der Oxidation an der

Phasengrenze!

Antwort: Transport, Adsorption, Bildung der Sorptions- und Diffusionsschicht,

Oberflächen Diffusion, Reaktion/Absorption, Desorption der Restmoleküle

Themengebiet 2: HT Oxidation – typische Fragen


Oxidationsart Trocken Nass

Reaktionsgleichung 𝑆𝑖 + 𝑂2 → 𝑆𝑖𝑂2 𝑆𝑖 + 2𝐻2𝑂 → 𝑆𝑖𝑂2 + 2𝐻2

EigenschaftenHohe Dichte

Hohe Durchbruchspannung

Hohe Wachstumsrate


Si

SiO2

p-Si p-Si


Membran

Leiterbahnen

Si-Substrat

SiO2SiO2


Frage: Wie lassen sich Piezoresistive Gebiete in das Si-Substrat einbringen?

Antwort: Dotieren


Wiederholung des Grundwissens aus GL der Elektronik


Welche Dotierstoffe können verwendet werden um Silizium negativ zu

dotieren?

Antwort: Phosphor, Arsen (V.HG)

Welche Dotierstoffe können verwendet werden um Silizium positiv zu

dotieren?

Antwort: Bor, Ga (III.HG)

Welcher Nutzen resultiert aus einer n- Dotierung des p-Grundsubstrates?

Antwort: Gezielte Implementierung eines p-n-Übergangs


Dotieren


- Ist die gezielte Einbringung von Fremdatomen in einen Festkörper zur

Änderung der elektronischen Eigenschaften

𝑛𝑖2 = 𝑛 ⋅ 𝑝

Massenwirkungsgesetz


Dotieren


Bänderdiagramm für p- und n- Halbleiter, p-n-Übergang

𝑑𝑅𝐿𝑍 =1

𝑒2𝜀𝑠𝑖𝜀0𝛥𝐸𝐹

1

𝑁𝐴+

1

𝑁𝐷


- die physikalischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials sollen nicht

beeinflusst werden (keine Eigendefektbildung)

- Kontrolle der Dotierstoffkonzentration soll in einem weiten Bereich möglich

sein

- lokale Dotierung soll möglich sein

- geringe Kosten

- geringe Prozessdauer und Batch Prozessierung

- hohe Reproduzierbarkeit

- Kompatibilität zu anderen technologischen

Prozessen

Diffusionsmechanismen


Anforderungen an Dotierverfahren


Dotierverfahren


Während der Kristallzucht

Einbringen von Fremdmaterial vor dem Schmelzen

Beispiel: Bor wird als Pulver den Si-Pellets beigemischt p-Si Wafer

Diffusion

Thermisches Einbringen des Dotierstoffs in den Wafer

Beispiel: POCl3 wird bei 800°C über Bubbler in Ofen transportiert

Legierung

Ionenimplantation

Kernumwandlung



Thermisches Einbringen des Dotierstoffs in den Wafer

Beispiel: POCl3 wird bei 800°C über Bubbler in Ofen transportiert

Diffusion


Diffusion


1. Fick´sches Gesetz (eindimensionaler Fall)

Teilchenstromdichte J ist proportional zum

Konzentrationsgradienten dc/dx entgegen der Diffusionsrichtung

Proportionalitätskonstante ist Diffusionskoeffizient D

2. Fick´sches Gesetz (eindimensionaler Fall)

Sollte der fließende Teilchenstrom aus 1. nicht stationär sein, bedingt

eine zeitliche Änderung auch eine Änderung der Konzentrations-

änderung an einem bestimmten Ort. (Fluss Ab- oder Zunahme aus

erschöpflicher Quelle)




Diffusionskonstanten


Schritt 1:

Erzeugung von Ionen in einer

Quelle

Schritt 2:

Beschleunigung

Schritt 3:

Massenseparation

Schritt 4:

Nachbeschleunigung

Schritt 5:

Ablenkung / Implementierung



Ionenimplantation


(D Dosis, j Stromdichte, t Zeit, e Elementarladung, A Fläche)

(1 cm2, 1s)



Ionenimplantation


Diffusion vs.

Implantation


Einteilung Demo-Seminar


Gruppe 1 Gruppe 2 Gruppe 3 Gruppe 4 Gruppe 5 Gruppe 6

03.05.2018 12:45 Uhr Foyer ZMN

09.05.2018 10:45 Uhr Foyer ZMN

Hausaufgabe bis nächsten Mittwoch


Video: Dotieren

Bitte anschauen!


Waferherstellung

Lithografie


Plasmaprozesse

Nasschemie



Vorlesung 3 & Seminar







Si

SiO2

p-Si p-Si


Membran

Leiterbahnen

Si-Substrat

SiO2SiO2


Si-Membran mit trapezförmigem Flanken lässt sich nur durch spezielles

Ätzverfahren herauspräparieren.

Themengebiet 3: Ätzverfahren



Einteilung der Ätzverfahren


Nach Reagenz / Ätzmittel

Nasschemisch Trocken/Plasma

Nach Orientierung

Isotrop Anisotrop

Zusätzlich können Ätzmittel eine Selektivität gegenüber bestimmten Stoffen

aufweisen Bsp. aus VL 2: HF ätzt SiO2, jedoch kaum Si

Frage: Welche Kombination aus Reagenz und Isotropie wird sich eignen

zur trapezförmigen Membranherstellung?

Antwort: Anisotropes Nasschemisches Ätzen


Einteilung der Ätzverfahren




Anisotropes Nasschemisches Ätzen


Wodurch entsteht die Anisotropie?

Silizium Kristallstruktur

(Diamantgitter sp3)

zwei ineinander liegende KFZs Millersche Indizes und Netzebenen




Wie viele freie Bindungen besitzen Atome der (h k l) Ebene?

(1 0 0)

3 freie Bindungen(1 1 0)

2 freie Bindungen

(1 1 1)

1 freie Bindung

Daraus resultiert eine richtungsabhängige Ätzrate für

Bindungsangreifende Ätzmittel!




Nachweis der richtungsabhängigen Ätzrate durch Wagenrad Testmasken

Kristallorientierte Abhängigkeit der

Ätzrate (50% KOH-Lösung 78°C)

Rosetten-Muster auf dem Wafer




Was sind geeignete Ätzmittel um eine Si-Membran heraus zu ätzen?

KOH / H2O

KOH / H2O / IPA (Iso-Propanol)

EDP (Ethyldiamin, Pyrocatechol)

NH2(CH2)2NH2, C6H4(OH)2

TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid)

(CH3)4NOH

Hydrazin N2H4

Typischerweise alkalische Ätzmittel (OH-)




Vergleich der Ätzmittel

Ätz-Reaktion

𝑆𝑖 + 4𝑂𝐻− → 𝑆𝑖 𝑂𝐻 4 + 4𝑒−

K+ bildet mit e- metallische Reste in der Ätzlösung

Problem für Hochintegrierte Schaltungen – Verunreinigungen

Deshalb organische lösliche Ätzmittel TMAH und EDP

Drucksensor wird in Funktion durch Verunreinigungen nicht gestört!




Typische Ätzprofile bei Kristallorientierung

Erzeugung inverspyramidaler

Strukturen in (100)-Si

Erzeugung senkrechter

Gräben in (110)-Si

(111) Ebenen wirken Ätzlimitierend!


Einbindung in Flow Chart


Substrat nach Diffusion des

Dotierstoffs

Si

SiO2

p-Si p-Si

SiO2SiO2

Si

SiO2

p-Si p-Si

SiO2SiO2

Si

SiO2

p-Si p-Si

SiO2SiO2

KOH

KOH Ätzen

Fertigätzen bis zur Zieldicke

Si

SiO2

p-Sip-Si

SiO2SiO2

Bestimmung der Ätzrate mit Profilometer

KOH

Frage 1: Wie können Ätzverfahren in der Halbleitertechnologie klassifiziert

werden?

Antwort: Nach Ätzmittel (Nasschemisch, Trocken/Plasma), nach Isotropie (Isotrop,

Anisotrop) und nach Selektivität (Bsp. HF ätzt SiO2 aber kaum Si)

Frage 2: Erklären Sie die Ursache des Anisotropen Ätzverhaltens des Si-

Substrats!

Antwort: Kristallgitter (2x KFZ um ¼a verschoben) führt zu unterschiedlicher

Anzahl freier Bindungen je nach Orientierung Orientierungsabhängige Anzahl

an Reaktionspunkten Beeinflusst die Ätzrate

Frage 3: Zeichnen Sie die KOH-Ätzprofile für folgende Substratquerschnitte:

Themengebiet 3: Ätzverfahren – typische Fragen


(110)-Si

SiO2 SiO2

(100)-Si

SiO2 SiO2

(111)(111)


Versuch 1 Fotolithografie

Versuch 2 Nasschemisches Ätzen von Si

Versuch 3 Thermische Oxidation / Dotieren

Versuch 4Führung durch

Versorgung / Maintenance / Labore Versuch 5

Versuch 6

Demo-Seminar


Einteilung Demo-Seminar


Gruppe 1 Gruppe 2 Gruppe 3 Gruppe 4 Gruppe 5 Gruppe 6

03.05.2018 12:45 Uhr Foyer ZMN

09.05.2018 10:45 Uhr Foyer ZMN

Demo-Seminar


Im Rahmen dieser Einführungsveranstaltung werden in den

nachfolgenden 2 Terminen nun die Technologien dieser Vorlesung

demonstriert!

Hinweise zum Demo-Seminar:

Bitte pünktlich 15 min früher da sein (wegen Umziehen)

- Bitte ungeschminkt

- ohne Haargel

- ohne Haarspray

- ohne Haarwachs erscheinen

- Keine Kontaktlinsen

- Taschen und Jacken bitte vorher in den Spinden im Keller des

ZMN verstauen!


Übungsseminar







Spin Coating - Übung

Dispense Ramp up /

Spreading

dw/dt > 0

Forming

dw/dt = 0

Drying

Aufgabe 1a: Berechnen Sie die kinematische und dynamische Viskosität

des AZ 1518, wenn das Verhältnis Polymer/Lösungsmittel 1:1 ist!




𝑑𝑓𝑖𝑙𝑚 ∝𝜒𝑃𝑆3 ⋅ 𝑣

1 − 𝜒𝑃𝑆)𝜔 3 2

1 3

𝜈 =𝜂

𝜌mit





1 − 𝜒𝑃𝑆)𝜔 3 2

1 3

𝜈 =𝜂

𝜌mit

w - Umdrehungen / s

h - dynamische Viskosität

Experimentell lässt sich bestimmen:

𝑑𝑓𝑖𝑙𝑚 ∝ 𝜂 1 3 ⋅ 𝜔−𝛼 mit a als Verdampfungsfaktor

des Lösungsmittels

Lacke werden standardmäßig als

Kombination aus dynamischer

Viskosität und Dicke d in µm bei

5000 RPM gelistet.

Beispiele:

AZ 1518 1,8 µm bei 5000 RPM

ECI 3007 0,7 µm bei 5000 RPM



Spin Coating - Übung

Dispense Ramp up /

Spreading

dw/dt > 0

Forming

dw/dt = 0

Drying

Aufgabe 1b: Wie lässt sich aus AZ 1518 ein AZ 1513 herstellen?

Berechnen Sie den entscheidenden Parameter!





1 − 𝜒𝑃𝑆)𝜔 3 2

1 3

𝜈 =𝜂

𝜌mit


Themengebiet 1: FotolithografieLichtquellen - Übung

Aufgabe 2: Berechnen Sie die minimale Strukturbreite und die

Tiefenschärfe

a) für die i-Linie der Quecksilberdampflampe

b) einen Ar2 Excimer Laser

wenn für die numerische Apertur 0,7 bzw. 0,2 und für k und k2 = 0,5

angenommen werden kann! n für Quarzglas 1,46

𝑑min = 𝑘𝜆

n sin𝛩𝐷𝑂𝐹 = 𝑘2

𝜆

𝑛 sin𝛩 2



Aufgabe 3: Erklären Sie den Ablauf der Oxidation / Dotierung an der

Oberfläche eines Siliziumswafers!


Ablauf der Reaktion an der Phasengrenze


Transportgasstrom Transportgasstrom

Substrat

Sorptions- und DiffusionsschichtAdsorption

OF Diffusion Reaktion /

Absorption

Desorption


Aufgabe 4: Gegeben ist ein SOI Wafer (Bild) mit Si (100) als Device-

Layer.

a) Welche Prozessschritte sind nötig, um die Device-Si-Schicht des

SOI Wafers in verschiedene Domänen (elektrisch isolierte Streifen) zu

strukturieren?

b) Wie lässt sich anschließend das SiO2 strukturieren?

Zeichnen Sie alle relevanten Prozessschritte, sodass erkenntlich

wird, wie sich die Wafer-Oberfläche mit jedem Prozessschritt ändert!

Querschnitt SOI Wafer

SiO2

Si

Si - Substrat


Lösung Aufgabe 4a:

Schritt 1 – Fotolack aufschleudern + Ausheizen

SiO2

Si

Si - Substrat


Lösung Aufgabe 4a:

Schritt 2 – Fotolack belichten

SiO2

Si

Si - Substrat


Lösung Aufgabe 4a:

Schritt 3 – Fotolack entwickeln

SiO2

Si

Si - Substrat


Lösung Aufgabe 4a:

Schritt 4 – KOH Ätzen

SiO2

Si

Si - Substrat

𝑆𝑖 + 4𝑂𝐻− → 𝑆𝑖 𝑂𝐻 4 + 4𝑒−


Lösung Aufgabe 4a:

Schritt 5: Resist entfernen – fertige Struktur

SiO2

Si

Si - Substrat

SiO2


Lösung Aufgabe 4b:

Schritt 1: Oxidätzen – (I) Si wirkt als Ätzmaske oder (II) zusätzlicher

Fotoresist wird aufgebracht

(I) (II)

Si

Si - Substrat

SiO2


Lösung Aufgabe 4b:

Schritt 2: Resist entfernen und fertig

Si

Si - Substrat


Prozessbezeichnung Praktikum Drucksensor

Projekt/BgA-Thema Technologiepraktikum

Verantwortlicher/Tel./FG ZMN/IMN

Bemerkung

Datum Name Ablaufplanung Soll Ist

Erstellung 28.04.15 Albrecht Prozessstart

Freigabe Fertigstellung

Substrate Art, Größe Zahl Bemerkung

Silicium <100> orientiert, einseitig

poliert, 380 µm dick,

3“

1 Vorprozessiert

2,1 µm SiO2

110 nm Poly-Si, n-dotiert

Maskenname Typ Größe Bemerkung

Maske 1 Folienmaske 4“ Poly-Silicium

Maske 2 Folienmaske 4“ Schutzmetallisierung

Maske 3 Folienmaske 4“ Kontakte

Maske 4 Folienmaske 4“ Membranen

Exkurs: Flow Chart Drucksensorpraktikum EI_MNE / MNT

Drucksensor-/Technologiepraktikum umfasst eigentlich 6 x 3h Versuche



Praktikum 0 Oxidation der Ausgangswafer und Ellipsometrie

Praktikum 1 Strukturierung Poly-Si durch Plasmaätzen nach Maskierung

Nr. 1 Prozess: Lithografie

Vorgaben: Belackung

Positivlack ARP 3510

Anlage: Spin-Coater Convac

Lackauftrag: ca. 2 ml im Stand mit Pipette auf Sensorseite (poliert)

Formieren: 5 s bei 800 rpm, Abschleudern: 25 s bei 6000 rpm

Tempern

Anlage: Hotplate

Temperatur: 115°C

Zeit: 60 s

Belichtung

Anlage: Justier- und Belichtungsgerät JuB

Maske 1 „Poly-Silicium“

a) Substrat ausrichten b) Maske ausrichten c) Justierung

Belichtungszeit: 15 s

Entwicklung

in Glasschale

Alkalischer Entwickler AR300-35

15 s Bad 1, 15 s Bad 2

Spülen in DI-Wasser 30 s

Trockenschleudern

Anlage: Schleuder auf Nassbank

Ausheizen

Anlage: Hotplate

Temperatur: 115°C, Zeit: 300s

Messungen: Visuelle Kontrolle unter Mikroskop

Bemerkung:

Bearbeitung: Datum: Name: Gebucht:

Nr. 1 Prozess: Plasmaätzen Poly-Si

Vorgaben: Anlage: Plasmaätzer (Parallelplattenreaktor, 13,56 MHz)

Gas: SF6 40 sccm

Druck: 0,2 mbar

Leistung: 50 W

Zeit : 2 min

Vorderseite und unmaskierte Rückseite ätzen

Messungen: Kontrolle des Ergebnisses unter Mikroskop

Bemerkung:


Nr. 2 Prozess: Resist entfernen

Vorgaben: Absprühen

in Glasschale mit Spitzflasche unter Abzug, besser:

in Zentrifuge (um Polymerfilme zu lösen und abzuschleudern)

mit Aceton und Isopropanol (Zugabe während Rotation)

nach Bedarf: Abziehen mit Wattestäbchen

Trockenschleudern


mit Isopropanol und anschließend mit DI-Wasser absprühen (während Rotation)

Messungen: Kontrolle auf vollständige Lackentfernung unter Mikroskop

Bemerkung:


1 2

3

Nr. 1 Prozess: Cr-Ätzen

Vorgaben: Ätzer: Honeywell Cr-Etch 3144 Puranal

in Schale unter Abzug mit leichter Waferbewegung

Zeit: ca. 3 min

Spülen

in DI-Wasser (im Spülbecken) über 60 s

Trockenschleudern


Messungen:

Bemerkung:


Nr. 2 Prozess: Lack entfernen


in Glasschale unter Abzug

mit Aceton und Isopropanol

Trockenschleudern



Messungen:

Bemerkung:


Praktikum 2: Aufbringen der Chrom-Schutzmetallisierung durch ganzflächiges Bedampfen und Cr-Ätzen nach

Maskierung

Nr. 1 Prozess: Cr-Bedampfung

Vorgaben: Ausheizen (unmittelbar vor der Bedampfung)

Anlage: Hotplate

Temperatur: 115°C

Zeit: 300s

Cr-Bedampfung auf Sensorseite (poliert)

Anlage: B30 (Elektronenstrahlverdampfung)

Prozesskammerbasisdruck: < 9*10-5 mbar

Temperatur: RT

Schichtdicke: 200 nm

Messungen: Schichtdickenmessung mit Schwingquarzsensor

Bemerkung: 10 min Abkühlen vor der Belüftung

Erden des Probenhalters vor der Entnahme



Vorgaben: Belackung



Lackauftrag mit Pipette ca. 2 ml im Stand auf Sensorseite (poliert)


Tempern

Anlage: Hotplate

Temperatur: 115°C

Zeit: 60 s

Belichtung


Maske 2 „Schutzmetallisierung“



Entwicklung

in Glasschale

Alkalischer Entwickler

15 s Bad 1, 15 s Bad 2

Spülen in DI-Wasser 30 s Vorlesungsschwerpunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

4

5

6

7


Nr. 1 Prozess: Lift-Off

Vorgaben: in Glasschale unter Abzug mit Aceton

Trockenschleudern



Messungen:

Bemerkung:


Nr. 1 Prozess: Aluminium-Bedampfung

Vorgaben: Al-Bedampfung auf Sensorseite (poliert)

Anlage: B30 (thermische Verdampfung)

Prozesskammerbasisdruck: < 9*10-5 mbar

Temperatur: RT

Schichtdicke: 200 nm

Messungen: Schichtdickenmessung mit Schwingquarzsensor

Bemerkung: 10 min Abkühlen vor der Belüftung

(Erden des Probenhalters nicht notwendig, da kein Elektronenstrahl)


Praktikum 3: Versuche zur Lithografie

Praktikum 4: Aluminiumbedampfung nach Maskierung und Lift-off

Nr. 1 Prozess: HF-Dip

Vorgaben: HF-Dip

Anlage: Nassbank, HF-Bad 5%

Temperatur: RT

Zeit: 10 s

Spülen


Trockenschleudern


Tempern

Anlage: Hotplate

Temperatur: 115°C

Zeit: 30s

Messungen:

Bemerkung: Nur durch Laboranten durchzuführen!!! Schwere Verätzungsgefahr

beim Umgang mit HF!!!



Vorgaben: Belackung



Lackauftrag mit Pipette ca. 2 ml im Stand auf Vorderseite (poliert)


Tempern

Anlage: Hotplate

Temperatur: 115°C

Zeit: 60s

Belichtung


Maske 3 „Kontakte“ (auf Sensorseite)


Belichtungszeit: 15s

Entwicklung

In Glasschale Vorlesungsschwerpunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

8

9

10

11


Nr. 1 Prozess: Oxid-Ätzen

Vorgaben: HF-Bad 5%

Temperatur: RT

Zeit: 20 min

Spülen


Trockenschleudern


Messungen: Kontrolle der geätzten Oberflächen auf hydrophobes Verhalten

Bemerkung: Nur vom Laboranten durchzuführen!!! Schwere Verätzungsgefahr

beim Umgang mit HF!!!


Nr. 2 Prozess: Lack entfernen


In Glasschale unter Abzug mit (!) Schutzfolie

(die Schutzfolie würde sonst das Aluminium mit abreißen, sie löst sich selbstständig

im Acetonbad)

mit Aceton und Isopropanol

Trockenschleudern


Mit Isopropanol und anschließend mit DI-Wasser absprühen (in Rotation)

Messungen:

Bemerkung:


Nr. 3 Prozess: Schutzbelackung

Vorgaben: Vorbehandlung

Anlage: Hotplate

Temperatur: 150°C

Zeit: 60s

Teststrukturen mit Folie abdecken

Belackung

Anlage: Spin-Coater Convac (rechts)

Schutzlack SX AR-PC 5000/19 (KOH-beständig)

Lackauftrag mit Pipette ca. 2 ml auf Sensorseite (poliert)

Formieren: 5s bei 500 rpm, Abschleudern: 25s bei 1000 rpm

Teststrukturen freilegen / Folie abziehen

Tempern

Praktikum 5: Vorbereitung des anisotropen Rückseitenätzens nach Maskierung


Vorgaben: Vorbehandlung:

Anlage: Exikkator

HMDS (Hexamethyldisilazane) in Schälchen

Wafer auf Hotplate erwärmen (3 min bei 115°C) und heiß (!) einbringen

Belackung Positivlack ARP 3510


Lackauftrag mit Pipette ca. 2 ml auf Vorderseite (poliert)

Formieren: 800 rpm, Abschleudern: 6000 rpm

Tempern

Anlage: Hotplate

Temperatur: 115°C

Zeit: 60 s

Vorbehandlung:

Anlage: Exikkator

HMDS (Hexamethyldisilazane) in Schälchen

Wafer auf Hotplate erwärmen (3 min bei 115°C) und (!) heiß einbringen

Belackung Positivlack ARP 3510


Lackauftrag mit Pipette ca. 2 ml auf Rückseite (unpoliert)

Formieren: 800 rpm, Abschleudern: 6000 rpm

Tempern

Anlage: Hotplate

Temperatur: 115°C

Zeit: 60 s

Belichtung


Maske 4 „Membranen“ (auf Rückseite)



Entwicklung

In Glasschale

Alkalischer Entwickler

15 s Bad 1, 15 s Bad 2

Spülen in DI-Wasser 30 s Vorlesungsschwerpunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

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15


Praktikum 6: Herstellung der Membran durch anisotropes Rückseitenätzen nach Maskierung:

Nr. 1 Prozess: KOH-Ätzen

Vorgaben: Poly-Si-Ätzen

Anlage: Ätzbad KOH auf Nassbank

KOH 25%

Temperatur: 90°C

Zeit: 200 min

Spülen

in DI-Wasser (im Spülbecken)

Zeit: ca. 60 s

Messungen: Kontrolle der Ätztiefe unter Mikroskop anhand der Teststrukturen

Bemerkung: Vor dem Praktikum auf ca. 90% Ätztiefe vorätzen.

Im Praktikum fertig ätzen.


Nr. 2 Prozess: Schutzlack entfernen

Vorgaben: Unter Abzug

Eventuell Remover AR 300-70 benutzen

Temperatur: 40°C

Spülen

in DI-Wasser (im Spülbecken)

Zeit: ca. 60 s

Trockenblasen

mit Druckluft

Messungen:

Bemerkung:



16

17

Der Prozessablauf zeigt, dass

jeder Technologieschritt aus

mehreren Teilprozessen besteht!


Die weiteren Grundfragestellungen:

Welche Technologien fließen in die Produktion eines

bestimmten Halbleiterbauelements ein?

Welche Grundprozesse sind nötig um Siliziumbasierte

Halbleitertechnologie zu betreiben?


Aus Grundlagen der Elektronik ist bekannt:

Aufbau MOSFET

Gate

p-Si

SiO2

n+ n+

MetallSource Drain

Si-Scheibe

Si-Wafer

Flow Chart – Herstellung Transistor


Oxidation

SiO2-Schicht



Lack-Schicht

Photoresist



Foto-Maske

Fotomaske



Belichtung

Belichtung mit UV



Entwicklung

Entwickeln



Oxid-Ätzen

SiO2-Ätzen



Lackentfernung

Resist entfernen



Dotierung

Dotieren mit Phosphor (Diffusion) bei 1000°C



Oxid-Ätzen

Entfernen der SiO2-Maske



Oxidation (Feldoxid)

Oxidation



Lack-Schicht



Foto-Maske



Belichtung



Entwicklung



Oxid-Ätzen

Oxid ätzen



Lackentfernung

Feldoxid



Oxidation (Gateoxid)

Gateoxid wachsen



Lack-Schicht



Foto-Maske



Belichtung



Entwicklung



Oxid-Ätzen

Gateoxid strukturieren



Lackentfernung



Metall-Abscheidung

Metallisierung Source / Drain



Lack-Schicht



Foto-Maske



Belichtung


Entwicklung



Metall-Ätzen



Lackentfernung



Tempern zur Herstellung niedriger Kontaktwiderstände



Metall-Abscheidung (Gate-Metall)

Gateelektrode metallisieren



Lack-Schicht



Foto-Maske



Belichtung



Entwicklung



Metall-Ätzen

Gatemetall ätzen



Lackentfernung

Gate fertig



Passivierung

Passivierung



p-Si

n-Si n-Si

Source Drain

Gate

Schon fertig

