Nosper 3_1 Mikrosystemtechnik im KFZ
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[Bosch] Aufbau des reinen Silizium-Kristallgitters im Wafer 3_1 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Elektrische Leitfähigkeit σ Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ 3_2 Nosper Der n-dotierte Halbleiter Ein Fremdatom der V - Hauptgruppe liefert ein zusätzliches Elektron: Donator [Osten] Der negativ dotierte Halbleiter 3_3 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Der p-dotierte Halbleiter Ein Fremdatom der III - Hauptgruppe hinterlässt ein Loch: Akzeptor [Osten] Der positiv dotierte Halbleiter 3_4 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Bosch] PN-Übergang ohne äußere Spannung 3_5 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper PN-Übergang mit äußerer Spannung 3_6 [Bosch] Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Diskrete aktive Bauelemente -Dioden -Halbleiterwiderstände -Transistoren -Thyristoren Integrierte Schaltungen (IC) -Analogschaltungen -Digitalschaltungen -Mischformen (Mixed Signal) Optoelektonische Bauelemente -Fotowiderstand -Fotodiode -Fotoelement -Laserdiode -Fototransistor -Charge-Coupled-Device Mikromechanische Sensoren (Beispiele) -Drucksensor -Beschleunigungssensor -Drehrate-/Drehwinkelsensoren -Durchflusssensoren -Temperatursensoren -Weg-/Winkelsensoren (Hall-Sensor) -Gassensoren [Bosch] Halbleiterbauelemente ( Beispiele) 3_7 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Bosch] Fertigungsverfahren NPN Transistor Mikrosystemtechnik im KFZ 3_8 Nosper Bestandteile eines Chips Feste Bindungen: - Polykristallines Silizium („Poly-Si“) - Aluminium bzw. Kupfer Schaltbare Verbindungen: - Dotiertes Silizium („n-Si“ , „p-Si“) Isolation: - Silizium-Dioxid (SiO2) [Steininger] Bestandteile eines Chips 3_9 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Der MOS-Transistor Poly-Silizium (Kontakte) Metall (früher) Silizium-Dioxid (Isolator) Oxid n-dotiertes Si Silizium p-dotiertes Si [Steininger] Fertigungsverfahren Aufbau eines MOS-Transistors Mikrosystemtechnik im KFZ 3_10 Nosper n-Kanal Enhancement MOSFET [Steininger] Fertigungsverfahren Funktionsweise MOSFET 3_11 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Modell n-Kanal FET ● bei logisch 1 ist der Schalter geschlossen ● bei logisch 0 ist der Schalter offen [Steininger] Fertigungsverfahren Schaltzustände MOSFET Mikrosystemtechnik im KFZ 3_12 Nosper ● Bewirkt gleichmäßige Dotierung über dem gesamten Wafer (Grunddotierung) ¾ CZ-Verfahren: Zugabe des Dotierstoffes zur Schmelze ¾ FZ-Verfahren: Zugabe des Dotierstoffes zum Schutzgas [Zengerle] Dotierung bei Kristallziehen 3_13 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper ● Diffusion: ¾ zufällige Teilchenbewegung ¾ führt zum Ausgleich eines Konzentrationsunterschiedes. ● Transport der Dotieratome erfolgt im Festkörper über Fehlstellen oder Zwischengitterplätze [Zengerle] Fertigungsverfahren Diffusion Mikrosystemtechnik im KFZ 3_14 Nosper ● Erstes Fick‘sches Gesetz: ¾ D = Diffusionskonstante [m²/s] ¾ J = Teilchenstrom [Teilchen/(m²s)] ● Zweites Fick‘sches Gesetz: J = −D ⋅ dN dx dN dJ d 2N =− = D⋅ 2 dt dx dx ● Diffusionsgleichung muss mit entsprechenden Rand- und Anfangswertbedingungen gelöst werden ¾ Technisch bedeutsame Randbedingungen sind… ■ Diffusion aus unerschöpflicher Quelle ■ Diffusion aus erschöpflicher Quelle (Quelle wird verbraucht) [Zengerle] Fick´sche Gesetze der Diffusion 3_15 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Silicon surface Unerschöpfliche Quelle [Osten] Fertigungsverfahren Erschöpfliche Quelle Diffusion aus erschöpflicher und unerschöpflicher Quelle Mikrosystemtechnik im KFZ 3_16 Nosper ● Diffusionskonstante ist stark temperaturabhängig ● Diffusionsprozess kann daher thermisch aktiviert bzw. thermisch „eingefroren“ werden [Zengerle] Fertigungsverfahren Diffusions-Ofen Mikrosystemtechnik im KFZ 3_17 Nosper Einbringen der Dotierstoffe ● Gase oder Flüssigkeiten ¾ Prozessgase (PH3, B2H6) sind extrem gefährlich (toxisch, brennbar) ¾ Verdampfen aus flüssiger Quelle ¾ Bubbler mit BBr3 oder Phosphorylchlorid POCL3 + Trägergas ● Feststoffe ¾ Dotierstoffscheibe wird zwischen die Wafer gestellt [Osten] Fertigungsverfahren Einbringen der Dotierstoffe Mikrosystemtechnik im KFZ 3_18 Nosper Wafer vor dem Einschieben in einen Diffusionsofen [Bosch] 3_19 Diffusions-Ofen Mikrosystemtechnik im KFZ Fertigungsverfahren Nosper Maskierung ● Diffusionskonstante des Dotierstoffes im Maskierungsmaterial muss um mehrere Größenordnungen kleiner sein als in Si ● SiO2 hat für die meisten Elemente einen weit kleineren Diffusionskoeffizienten und eignet sich häufig als Maskierung [Zengerle] Fertigungsverfahren Dotierstoff DSiO2 [cm²/s] DSiO2/DSi Sb 5.3 x 10-14 1.6 x 10-1 P 5.4 x 10-14 2.8 x 10-2 B 4.4 x 10-16 1.6 x 10-4 Ga 1.0 x 10-9 1.7 x 10+2 Maskierung Mikrosystemtechnik im KFZ 3_20 Nosper Vor- und Nachteile thermischer Diffusion ● Vorteil: ¾ Günstiger Prozess (Batchgröße typisch 50 Wafer) ● Nachteile: ¾ maximal erreichbare Dotierprofiltiefen: einige Mikrometer ¾ Herstellung homogen dotierter Schichten ist problematisch (Prozess beruht auf Konzentrationsgradienten) ¾ Herstellung niedrig dotierter Schichten ist problematisch (nur geringe Konzentrationsgradienten) [Bosch] Vor- und Nachteile thermischer Diffusion 3_21 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Dotierung über Ionenimplantation [Osten] Fertigungsverfahren [Osten] Fertigungsverfahren Billard mit Atomen 3_22 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Dotierung über Ionenimplantation 3_23 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Was sind Ionen ? + - Atom - . Anzahl der Protonen = Ordnungszahl + 1,5...20 fm + x 30 000 1 Pikometer (pm) = 10-12 m 1 Femtometer (fm) = 10-15 m 50...300 pm Was sind Ionen ? 3_24 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Osten] Fertigungsverfahren ++ ElektronenAnlagerung - - Geladene Atome [Osten] Fertigungsverfahren - +++ - Ionisierung + - - - +++ Positives Ion - Negatives Ion Ionen Mikrosystemtechnik im KFZ 3_25 Nosper Wie erzeugt man Ionen ? Stoß mit schnellem Elektron - ++ + - - e- ++ + - - - e- - e- [Osten] Wie erzeugt man Ionen ? 3_26 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Gasentladungs-Plasma Elektrische Leistung + + + + + + (z.B. Mikrowelle) Verdünntes Gas (Vakuum ca. 10-3 mbar) Temperatur der Elektronen: > 10 000 oC + fest [Osten] Fertigungsverfahren flüssig gasförmig Erzeugung von Ionen Mikrosystemtechnik im KFZ + Plasma: Der vierte Aggregatzustand der Materie Plasma 3_27 Nosper d Vakuum < 10-3 mbar Ionenquelle Target + U - Spannungsversorgung [Osten] Wie beschleunigt man Ionen ? 3_28 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper ● Ionenimplantation = Standard-Dotiermethode der Mikroelektronik ● Ermöglicht viele Freiheitsgrade ¾ alle Materialien ¾ (jede Tiefe) ¾ unabhängig von Thermodynamik (Diffusion) [Zengerle] Fertigungsverfahren Ionenimplantation 1 Mikrosystemtechnik im KFZ 3_29 Nosper ● Ionisierung der Dotierstoffe, Beschleunigung und Einschießen in den Kristall (Typische Ionenenergie: 10 – 400 keV) ● Abbremsen der Ionen erfolgt durch physikalische Prozesse ¾ Stöße (dominiert bei niedriger Energie) ¾ Elektronische Wechselwirkung (dominiert bei hoher Energie) ● Eindringverhalten abhängig von ¾ Energie der Ionen ¾ Masse der Ionen ¾ Masse der Substratatome ¾ Substratstruktur (Kristallorientierung) ● Schädigung des Kristallgitters ¾ Abbau durch Annealing 700 – 1000°C [Zengerle] Fertigungsverfahren Ionenimplantation 2 3_30 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper ● Streuprozesse werden statistisch behandelt (Mittelung) ● „Birnenförmiger“ Einwirkungsbereich wird beschrieben durch ¾ mittlere projizierte Reichweite RP ¾ Streubreite ∆RP ¾ laterale Abweichung ∆RL Dotierprofil ist näherungsweise gaußförmig ¾ Maximale Dotierdichte bei RP ¾ Streubreite ∆RP [Zengerle] Fertigungsverfahren Streubirne bei der Ionenimplantation 3_31 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper ● In amorphen Festkörpern ist die Statistik des Abbremsens voll erfüllt. ● In kristallinen Materialien ergibt sich eine zusätzliche Schwierigkeit: Durch die regelmäßige Anordnung der Atome in kristallinen Materialien ergeben sich bevorzugte Richtungen, in denen implantierte Ionen Kanäle sehen, entlang derer ein tiefes Eindringen möglich ist. ● Dieser Effekt wird als Channeling bezeichnet. ● Er hängt stark von der Kristallqualität ab und ist nicht kontrollierbar. [Osten] Fertigungsverfahren [Osten] Fertigungsverfahren Channeling Mikrosystemtechnik im KFZ Implantation in amorphes Material Mikrosystemtechnik im KFZ 3_32 Nosper 3_33 Nosper [Zengerle] Störphänomene bei der Ionenimplantation 1 3_34 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper ● Channeling: Tunnel in den „Kanälen“ des Einkristalls ¾ entlang bestimmter Kristallrichtungen („Kanäle“) können sich die Ionen mit wesentlich weniger Energieverlust ausbreiten ¾ Reichweite der Ionen in solchen „Kanälen“ kann bis zu einer Größenordnung größer sein [Zengerle] Fertigungsverfahren Störphänomene bei der Ionenimplantation 2 3_35 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper ● Kritischer Winkel Ψ liegt zwischen circa 3° und 7° ● Channeling ist i.a. schlecht reproduzierbar ¾ störender Nebeneffekt ¾ sollte unterbunden werden ● Möglichkeit zum Unterbinden des Channeling ¾ Herausdrehen des Kristalls aus Einschusswinkel um 7° bis 10° ¾ Implantation bei höherer Temperatur → Gitterschwingungen verengen Kanäle ¾ Abscheidung einer amorphen Oberflächenstreuschicht → Diffuse Streuung des Ionenstrahls ¾ Einschuss einer Amorphisierungsdosis - oberflächennahe Kristallordnung wird zerstört - diffuse Streuung des Ionenstrahls [Zengerle] Störphänomene bei der Ionenimplantation 3 3_36 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Osten] Fertigungsverfahren Amorphe Oberflächenstreuschicht Mikrosystemtechnik im KFZ 3_37 Nosper ● Erhöhte Diffusion durch Bestrahlung (radiation enhanced diffusion) ¾ Ionenbeschuss erzeugt Leerstellen im Kristallgitter ¾ Diffusionskoeffizient nimmt daher mit Dosisleistung zu ¾ Effekt: Diffusion von Fremdatomen tritt bereits bei weit geringeren Temperaturen als gewöhnlich auf ● Thermische Diffusion während Ausheil- und Aktivierungsprozessen ¾ Jeder Hochtemperaturschritt in der Prozessfolge führt zu einer Verwaschung der Dotierprofile aufgrund „ungewollter“ Diffusion [Zengerle] Fertigungsverfahren Abweichungen von berechneten Dotierprofilen 3_38 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper ● Dotierprofile bei der Ionenimplantation haben steilere Flanken ● Dotierprofil kann mit Einschussenergie variiert werden ● Maximum der Dotierkonzentration liegt „vergraben“ ● Exakte Kontrolle der Dotierkonzentration durch die Integration über den Ionenstrom möglich ● Niedertemperaturprozess ermöglicht Maskierung durch Photoresist ● Implantationszeiten im Bereich von Sekunden bis Minuten ermöglichen vernünftigen Durchsatz ● Massenseperator stellt Reinheit des Dotierstoffes sicher [Zengerle] Vorteile der Ionenimplantation Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ 3_39 Nosper ● Nur in oberflächennahen Bereichen anwendbar (bis circa 1 µm) ● Annealing kann i.a. Versetzungen, Defekte und amorphe Bereiche verursacht durch Strahlenschäden nicht vollständig beheben [Zengerle] Fertigungsverfahren Nachteile der Ionenimplantation Mikrosystemtechnik im KFZ 3_40 Nosper ● Elektrische Aktivierung der Dotierstoffe ¾ Dotieratome auf Zwischengitterplätzen müssen in das reguläre Gitter eingebaut werden ¾ Atome aus der 5. Hauptgruppe einfacher als aus der 3-ten ¾ P, B und Sb lassen sich zu fast 100% aktivieren Ausheilen (Annealing) = langes Tempern bei hohen Temperaturen [Zengerle] Notwendigkeit des Ausheilens (Annealing) 3_41 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Dotierung durch Diffusion Dotierung durch Implantation ● Ofen ● Temperatur: 950 – 1.300°C ● Dotiergas ● Vakuum ● Raumtemperatur ● Ionen hoher Geschwindigkeit Maske Silizium ● Dotierprofil: Gauß ● Maximalkonzentration in Tiefe t ● Dotierprofil nach Diffusionsgleichung ● Maximalkonzentration auf Oberfläche [Zengerle] Fertigungsverfahren Silizium Vergleich Diffusion & Implantation Mikrosystemtechnik im KFZ 3_42 Nosper ● oberflächennahe Dotierung ¾ bis in circa 1 µm Tiefe ● Geringe Dotiermengen sind exakt dosierbar ¾ z.B. Herstellung hochohmiger Widerstände in engen Toleranzen ● Erzeugen spezieller Dotierprofile ¾ z.B. abrupte p/n-Übergänge ¾ z.B. p+ -Ätzstopp (z.B. Bor-Implantation) [Zengerle] Anwendungen der Ionenimplantation 3_43 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Bei der Herstellung von HL-Bauelementen (insbesondere IC) werden abwechselnd Leiter-, HL- und Isolationsschichten erzeugt. Die gängigen Isolatoren sind: SiO2 Herstellung durch thermische Oxidation Si3N4 Polymere [Deininger] Isolatoren in der HL-Technologie 3_44 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper - Ionen Dickoxid ● Maskierung (Diffusion, Implantation) Implantierte Ionen Leiterbahn Dickoxid ● Isolation (Metall-Leiterbahnen) |U| > |UT| Gateoxid ● Steuerung (Gateoxid) Passivierung ● Passivierung [Deininger] Fertigungsverfahren Funktion von Oxid-Schichten Mikrosystemtechnik im KFZ 3_45 Nosper ● Das Wachstum von SiO2 auf Si spielt wegen der hohen Güte der Grenzschicht eine große Rolle in der Halbleiterindustrie ● Das Siliziumoxid ist ein sehr wichtiger Werkstoff in der Mikrostrukturtechnik Aus ihm werden hergestellt: ● Ätzstoppschichten ● Haftschichten ● Ätzmaskierschichten ● Stressausgleichschichten ● Isolierschichten ● Freitragende Membrane ● Dielektrische Schichten ● Opferschichten ● Passivierungsschichten ● Diffusionsbarrieren Die thermische Oxidation ist das wichtigste Verfahren zur Herstellung von SiO2 [Zengerle] Thermische Oxidation von Silizium 3_46 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Trockene Oxidation mit Sauerstoff Si + O2 → SiO2 T = 800 – 1200 °C ● Sehr gute Qualität des Oxides ● Leider geringe Aufwachsraten ● Eigenschaften von bei 800°C hergestelltem Oxid: ¾ elektrisch stark belastbar (Durchbruchfeldstärke 550 V / µm) ¾ starke innere Druckspannungen [Zengerle] Fertigungsverfahren Prozessvarianten der thermischen Oxidation 1 3_47 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Nasse Oxidation mit angefeuchtetem Sauerstoff Si + 2H2O → SiO2 + H2 T = 900 – 1100 °C ● H2O –Molekühl ist kleiner als O2 –Molekühl und diffundiert leichter durch die Grenzschicht → höhere Reaktionsrate ● Verunreinigung des Oxides mit Wasser: → Durchbruchfeldstärke ist geringer Feuchtoxid wird aufgrund des schnelleren Schichtwachstums Zur Erzeugung dickerer Schichten eingesetzt [Zengerle] Prozessvarianten der thermischen Oxidation 2 3_48 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper ursprüngliche Siliziumoberfläche Prozessgase O2 Silizium 1 2 2. Diffusion des Sauerstoffes / Wasser durch das bereits gebildete Oxid dis zur Grenzschicht 3 H2O 0,55 d 1. Diffusion des Sauerstoffes / Wasser bis zur Oxidoberfläche 3. Chemische Reaktion an der Grenzschicht 0,45 d Oxiddicke d Oxidationsreaktion nur an der Grenzschicht zwischen Si und SiO2 LOCOS: Local Oxidation of Silicon → 45% des SiO2 in den Kristall hinein → 55% des SiO2 nach Außen → Si3N4 als Maskierung → wirkt als Diffusionssperre [Zengerle] Fertigungsverfahren Teilprozesse bei der thermischen Oxidation 3_49 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper ursprüngliche Siliziumoberfläche Prozessgase Silizium ● Als Ergebnis der thermischen Oxidation erhält man amorphes SiO2 ¾ also kein kristallines SiO2 = Quarz O2 1 2 ¾ außerdem besitzt das Si viele nicht abgesättigte Bindungen 3 H2O 0,55 d ● Aufgrund des Entstehungsprozesses ist die Schicht oft frei von Defekten („Pinholes“) 0,45 d Oxiddicke d ● Bei der thermischen Oxidation von 100 nm Schichtdicke wird 45 nm an Siliziumschichtdicke verbraucht (55 nm wachsen scheinbar außen auf) ● Maximal herstellbare Schichtdicke mit thermischer Oxidation: ca. 2 µm [Zengerle] Ergebnis der thermischen Oxidation 3_50 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Wachstumsraten thermisch oxidiertes Silizium (100) 3_51 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Oxidationsofen 3_52 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Beispiel eines Oxidationsofens 3_53 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Fertigungsverfahren [Zengerle] Fertigungsverfahren Oxidationsofen Mikrosystemtechnik im KFZ 3_54 Nosper [Zengerle] Erzeugung dünner Schichten 3_55 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Schichterzeugung durch Aufdampfen 3_56 [Zengerle] Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Aufdampfen Teilprozess 1 3_57 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Fertigungsverfahren Aufdampfen Teilprozess 1 Mikrosystemtechnik im KFZ 3_58 Nosper [Zengerle] Aufdampfen Teilprozess 2 3_59 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Fertigungsverfahren Aufdampfen Teilprozess 3 Mikrosystemtechnik im KFZ 3_60 Nosper Grundlegender Aufbau einer Aufdampfanlage ● Wesentliche Merkmale: Schwingquarz ¾ Vakuumsystem drehbarer Substrathalter beheizte Substrate ¾ Verdampfungsquelle aufheizbarer Rezipient ¾ „Shutter“ (schwenkbare Blende) für die genaue Steuerung der Prozesszeit Heizung für Rezipient Dampfstrom ¾ Schwingquarz zur onlineSchichtdickenmessung ¾ Drehbare Substrathalterung (variiert Winkel des Substrats für bessere Kantenbedeckung) ¾ Heizung des Rezipienten Vakuumpumpe Verdampfungsquelle schwenkbare Blende Typische Batchgröße: 10 Wafer [Zengerle] Grundlegender Aufbau einer Aufdampfanlage 3_61 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Verdampfen aus „Schiffchen“ ● Elektrischer Strom durch „Schiffchen“ geschmolzenes Material Dampf Schiffchen (Wolfram) ● Ohm‘scher Widerstand führt zu Erhitzung Halterung und elektr. Kontaktierung ● „Schiffchen“ z.B. aus Wolframblech TM,Wolfram = 3.140°C Isolierung ● löchriger Deckel vermindert Spritzer aus dem Tiegel [Zengerle] Fertigungsverfahren Widerstandsheizung Verdampfen aus Schiffchen 3_62 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Verdampfen aus „Glühwendel“ ● Stabförmiges Verdampfungsgut wird in Glühwendel eingeschoben und aufgeschmolzen Dampf geschmolzenes Material Halterung und elektr. Kontaktierung ● Flüssiges Verdampfungsgut breitet sich schnell über die ganze Glühwendel aus Isolierung ● Gefahr von Spritzern Widerstandsheizung ● Nur für Laborgebrauch geeignet [Zengerle] Verdampfen aus Glühwendel 3_63 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Elektronenstrahlverdampfer ● Elektronenstrahl wird auf eine kleine Zone des Verdampfungsgutes fokussiert ¾ Verdampfungsgut wird lokal aufgeschmolzen ¾ Keine Verunreinigung der Schicht durch Abdampfen von den Wandungen wie beim „Schiffchen“ oder bei der Glühwendel ¾ sehr hohe Temperaturen können erzielt werden Dampf lokal geschmolzenes Verdampfungsgut ungeschmolzenes Verdampfungsgut Wasserkühlung Ablenkmagnet Elektronenstrahl [Zengerle] Fertigungsverfahren Anode Glühkathode Elektronenstrahlverdampfer 3_64 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Sputtern (Kathodenzerstäuben) (1) ○ Ar-Ion ● Metall-Atom Kathode Target Plasma Substrat Anode Heizung/ Kühlung Vakuumpumpe [Zenglere] Fertigungsverfahren Gasregelsystem Sputtern 1 3_65 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Sputtern (Kathodenzerstäuben) (2) ● Ionen werden in einem Plasma erzeugt ¾ Ionen eines Inertgases, z.B. Ar+ ¾ erfordert Partialdruck des Inertgas im Bereich einiger Pa ● Beschleunigung der Ionen im elektrischen Feld ● Aufprall der Ionen auf abzuscheidendes Schichtmaterial (Target) ¾ Bombardement des Targets mit hochenergetischen Ionen (meist Ar+) ¾ Atomares Herausschlagen der Target-Atome z.B. Ti, Au, Pt, Al etc. ¾ Target-Atome schlagen sich als feine „Stäube“ auf Substrat nieder (Kathodenzerstäuben) [Zengerle] Fertigungsverfahren Sputtern 2 Mikrosystemtechnik im KFZ 3_66 Nosper [Zengerle] Sputteranlagen / Sputterverfahren 3_67 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Vorteile/Nachteile Sputtern gegenüber Aufdampfen 3_68 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Chemical Vapor Deposition 3_69 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] CVD Teilprozesse (1-3) 3_70 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Chemische Reaktion zwischen den Partnern CVD Teilprozesse (4-7) 3_71 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Grenzschicht Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ [Zengerle] 3_72 Nosper [Zengerle] Zusammenfassung CVD Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ [Zengerle] LPCVD I Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ 3_73 Nosper 3_74 Nosper [Zengerle] Epitaxie 3_75 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Epitaxie Verfahren 3_76 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Homo-Epitaxie von Silizium (1) • Reaktionsgase:SiCl4; SiHCl3; SiH2Cl2 • Temperaturen:~ 1.000°C • Typische Raten:~ 0,5 µm/min bis mehrere µm/min • Prozessgas zerfällt aufgrund der hohen Temperaturen in Si (Niederschlag auf Substrat) und Gase (Cl2; HCL; ...) - Meist Zugabe von Dotiergasen (Phosphin, Diboran, ...) • Anlagerung der Atome - Keimstellen bevorzugt (d.h. an Ecken & Kanten von unvollständigen Kristallebenen wird bevorzugt angelagert bevor neue Kristallebenen angefangen werden) [Zengerle] Fertigungsverfahren Homo-Epitaxie von Silizium 1 Mikrosystemtechnik im KFZ 3_77 Nosper Homo-Epitaxie von Silizium (1) • Entscheidende Prozessparameter - Temperatur - Konzentration des Reaktionsgases - Gasführung im Reaktor (z.B. APCVD) - Kristallorientierung des Wirtskristalls - Zustand der Substratoberflächen Unwahrscheinlich - Oberfläche muss frei von Fremdschichten sein Beste Position Zweitbeste Position Drittbeste Position - meist werden Ätzprozesse zum Freiätzen vorgeschaltet [11] Fertigungsverfahren Homo-Epitaxie von Silizium 1 3_78 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Hetero-Epitaxie • Aufbau von Fremdschichten gleicher Gitterkonstante auf Wirtskristall • Besondere Bedeutung: SOI-Technik: Silicon On Insulator wie z.B. einkristallines Silizium auf Saphir - Isolator zur elektrischen Entkoppelung der Bauelemente - Hochdotierte Epitaxieschichten als Ätzstoppschicht [Zengerle] Hetero-Epitaxie 3_79 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Einführung - Ablauf der Lithographie Resist Substrat Resist aufbringen Strahlung Maske Belichtung Entwicklung Ätzen Dotieren Schichtabscheiden Strukturübertragung Resist entfernen [12] Fertigungsverfahren Ablauf der Lithographie 3_80 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Einführung – Bedeutung der Lithographie • Lithographie – Prozess kommt in jedem Zyklus vor ⇒ Die Lithographie ist das Herzstück der Mikrostrukturierung ⇒ Einteilung nach Wellenlängen •Optische Lithographie ( = Photolithographie ) •Elektronenstrahl Lithographie •Ionenstrahl Lithographie •Röntgenlithographie • Minimale Größe der lateralen Strukturen wird maßgeblich bestimmt durch die Wellenlänge • Optische Lithographie ist Standardverfahren [Brenner] Bedeutung der Lithographie 3_81 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Einführung –Bedeutung der Lithographie Zentrale Bedeutung in der Mikroelektronik: • Minimale Auflösung der lateralen Struktur (Linienbreite) ⇒ Wellenlänge der verwendeten Strahlung • Verkleinerung der Gate-Länge eines Transistors ⇒ Mehr Transistoren / Fläche [12] Fertigungsverfahren Bedeutung der Lithographie II 3_82 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Moore´s Law: Verdoppelung der Transistoren alle zwei Jahre [12] Fertigungsverfahren Moore´s Law 3_83 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Was ist ein Resist? • strahlungsempfindliches Polymer • selektiv strukturierbar • resistent gegen weitere, folgende Strukturierungsprozesse • Unterscheidung in Positiv-und Negativ – Resists radiation resist substrate positive - resist [12] Fertigungsverfahren negative - resist Resist 3_84 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Masken in der optischen Lithographie Chrommaske • Quarzglasplatte mit einer strukturierter Chromschicht (Absorber) • Kosten einer Chrommaske: • 30 €/cm2für Strukturen > 5µm • 75 €/cm2 für Strukturen 1 –5 µm ⇒ Maske für 4“-Wafer: circa 500 – 2500 € Herstellung • Resist auf chrombeschichtete Quarzplatte (Maskenblank) • Resist mit E -Beam oder Patterngenerator strukturieren • Resist entwickeln • Chrom (nasschemisch) ätzen • Resist strippen [Brenner] Masken in der Lithographie 3_85 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Belichtungsverfahren Schattenprojektion Abbildende Projektion Lichtquelle KontaktBelichtung ProximityBelichtung optisches Licht Maske Proximityabstand [12] Objektiv Resistbeschichtetes Substrat Substrathalter Belichtungsverfahren der Lithographie 3_86 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Fertigungsverfahren Kontakt - Belichtung • Maske liegt auf Wafer / wird angepresst ⇒ Geringe Abbildungsfehler ⇒ Strukturen im Sub-µ-Bereich sind möglich Bestrahlung • Full-Wafer-Verfahren ⇒ Hoher Durchsatz • Verschmutzung der Maske • Maskendefekte durch Staubteilchen sind unvermeidbar [12] Fertigungsverfahren Kontakt Belichtung 3_87 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Proximity - Belichtung • Kein direkter Kontakt zwischen Maske und Substrat ⇒ Höhere Maskenlebensdauer Bestrahlung ⇒ Geringere Strukturauflösung • Proximitygap:10 µm ≤g ≤30 µm. g b • Full-Wafer-Verfahren: ⇒ Hoher Durchsatz • Standardverfahren in der Mikrostrukturtechnik [12] Fertigungsverfahren Proximity Belichtung 3_88 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Alignment • Bei Strukturübertragung durch mehrere Masken auf mehrere aufeinanderfolgende Schichten müssen die Masken zum Substrat mit (Sub-)Mikrometergenauigkeit justiert werden • Justage im Mask – Aligner • Substrat und Maske sind in x, y und φ beweglich • Die erste Maske wird am Flat ausgerichtet• • Die folgenden Masken werden mit 2 Mikroskopen auf die vorhandenen Strukturen mit Hilfe von Alignment - Strukturen justiert • automatische Justage und Belichtung in der Produktion [12] Fertigungsverfahren Alignment 3_89 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Alignment der ersten Maske Alignment - Strukturen auf der ersten Make • Ausrichtung von Maske zu Wafer den Strukturen auf dem Wafer • 3 Freiheitgrade in der Ebeneh • „Flat–Alignment“der ersten Maske nicht sehr exakt aber im „Normalfall“ unkritisch [12] Fertigungsverfahren Alignment der ersten Maske 3_90 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Alignment der zweiten Maske erste Maske [12] Fertigungsverfahren zweite Maske Alignment der zweiten Maske 3_91 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Alignment - Strukturen bei Photomasken Maske 1 Maske 2 Maske 3 Doppelbelichtung 1 + 2 Doppelbelichtung 1 + 2 + 3 [12] Fertigungsverfahren Alignment – Strukturen bei Photomasken 3_92 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Ablauf einer Photolithographie • Reinigung der Wafer ⇒ Entfernen von Schmutzpartikeln Standard –Prozedur: Aceton – Isopropanol –DI – Wasser, dann Trockenschleudern und Ausheizen ( T ~ 115°C) [Brenner] Ablauf einer Photolithographie 3_93 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Ablauf einer Photolithographie • Reinigung der Wafer • HMDS –Beschichtung (Hexamethyldisilazan) Der Resist haftet nicht oder nur schlecht auf Si, SiOH oder SiO2 ⇒ Verbesserung der Haftung von Resist zu Substrat [Brenner] Ablauf einer Photolithographie II 3_94 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Ablauf einer Photolithographie • Reinigung der Wafer • HMDS –Beschichtung (Hexamethyldisilazan) • Resist aufbringen (Spin –Coating) ⇒ Aufschleudern des Resists Resist dispensieren bei U = 800 rpm Resist dicke definieren bei U = 4000 rpm [12] Fertigungsverfahren Ablauf einer Photolithographie III 3_95 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Ablauf einer Photolithographie • Reinigung der Wafer • HMDS –Beschichtung (Hexamethyldisilazan) • Resist aufbringen (Spin –Coating) • Softbake ⇒ Austreiben des Lösungsmittels • Hotplate: T = 90°C, t = 45 sec • Ofen: T = 90-100°C, t = 20 min [Brenner] Ablauf einer Photolithographie IV 3_96 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Ablauf einer Photolithographie • Reinigung der Wafer • HMDS –Beschichtung (Hexamethyldisilazan) • Resist aufbringen (Spin –Coating) • Softbake • Alignment und Belichten Parameter: Belichtungszeit, Energiedosis und Wellenlänge ⇒ Proximity-, Kontakt- oder abbildende Belichtung [Brenner] Ablauf einer Photolithographie V 3_97 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Ablauf einer Photolithographie • Reinigung der Wafer • HMDS –Beschichtung (Hexamethyldisilazan) • Resist aufbringen (Spin –Coating) • Softbake • Alignment und Belichten • Entwickeln ⇒ Entwickeln in speziellem Entwickler (vom Anbieter des Photoresists, z.B. Kodak) Parameter: Entwicklungsdauer ( Standard: ca. 50 sec ) • Überentwicklung führt zu schlechten Kanten • Unterentwicklung führt zu Rückständen des zu entfernenden Resists [Brenner] Ablauf einer Photolithographie VI 3_98 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Ablauf einer Photolithographie • Reinigung der Wafer • HMDS –Beschichtung (Hexamethyldisilazan) • Resist aufbringen (Spin –Coating) • Softbake • Alignment und Belichten • Entwickeln • Postbake ⇒ Austreiben des restlichen Lösungsmittels ⇒ Stabilisierung und Aushärtung der Polymer - Matrix • Hotplate: T = 115°C, t=45 sec • Ofen: T = 115 - 130°C, t = 20 min [Brenner] Ablauf einer Photolithographie VII 3_99 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Ablauf einer Photolithographie • Reinigung der Wafer • HMDS –Beschichtung (Hexamethyldisilazan) • Resist aufbringen (Spin –Coating) • Softbake • Alignment und Belichten • Entwickeln • Postbake • Strukturierungsprozesse • Resist entfernen (Strippen) ⇒ Wafer in Aceton (1 ~ 5 min), Isopropanol, DI - Wasser ⇒ oder: Wafer ins O2 - Plasma (Veraschen) [Brenner] Ablauf einer Photolithographie VIII 3_100 Fertigungsverfahren Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Strukturübertragung / Ätzen Substrat mit Bearbeitungsrückständen oder Verschmutzungen Reinigen / Strippen der Maske des letzten Zyklus Ätzen: Abtragung der Oberfläche eines Festkörpers mit chemischen Reagenzien oder Teilchen hoher Kinetischer Energie Je nach Komplexität bis zu 100 Zyklen Schichtabscheidung Lithographie Strukturübertragung (1) Strukturübertragung (2) [14] Fertigungsverfahren Ätzen Mikrosystemtechnik im KFZ 3_101 Nosper Wichtige Merkmale • Bewertungskriterien - Isotrope / Anisotropie - Selektivität • Kategorisierung - Physikalische Verfahren - Chemische Verfahren [14] Fertigungsverfahren Wichtige Merkmale des Ätzens 3_102 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Isotropie / Anisotropie Ätzprofile: 1: isotropes Ätzprofil 2: anisotropes Ätzprofil 3: anisotropes Ätzprofil [14] Fertigungsverfahren Isotropie / Anisotropie 3_103 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Selektivität Verhältnis der Ätzraten zweier Materialien: • Anwendung Maskierung - Material 1 = zu ätzendes Material - Material 2 = maskierendes Material S = R1 / R2 • Anwendung Ätzstopp - Material 1 = zu ätzendes Material - Material 2 = Material an dem Ätzung stoppen soll • Ätzraten und Selektivitäten sind abhängig von - zu ätzenden Materialien - Konzentrationen und Temperaturen des Ätzmediums [14] Fertigungsverfahren Selektivität S 3_104 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Chemisches & Physikalisches Ätzen Chemisches Ätzen: • Materialabtrag durch chemischen Angriff und Auflösen des Materials • Sehr selektiv • Isotropes Ätzprofil • Kleinste laterale Struktur: circa 2µm Physikalisches Ätzen: • Materialabtrag durch Impuls der auftreffenden Teilchen • Unselektiv • Anisotropes Ätzprofil [14] Fertigungsverfahren chemisches und physikalisches Ätzen 3_105 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Nasschemisches Ätzen von SiO2 • Ätzprozess in 3 Stufen 3. Diffusion der 1. Diffusion des 2. Chemische Reaktion Reagens an die an der Oberfläche, dabei Reaktionsprodukte Überführung des zu in die Umgebung Oberfläche ätzenden Stoffes in eine lösliche Verbindung [14] Fertigungsverfahren Nasschemisches Ätzen von SiO2 3_106 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Ätzlösung für dünne Schichten Material Ätzlösung Ätzrate [nm / min] SiO2 Gepufferte Flusssäure: 113 g NH4F 28 ml HF 170 ml H2O 100 - 250 bei 25°C Poly - Si 26 ml HNO3 1 ml HF 33ml CH3COOH 150 Au KI - I2 - Ätze: 4g KI 1g I2 40 ml H2O 500 - 1000 Cr 1 ml (1g NaOH, 2ml H2O) 3 ml (1g K3Fe(CN)6, 3ml H2O) 25 - 100 [14] Fertigungsverfahren Ätzlösungen für dünne Schichten 3_107 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Trockenätzen • Materialabtrag durch ein gasförmiges Ätzmedium • Grundsätzliches - Erzeugung reaktiver Teilchen - Transport bzw. Beschleunigung der Teilchen zum Substrat - Ätzung der Substratoberfläche - Abtransport der Reaktionsprodukte • Trockenätztechnik in verdünnter Gasatmosphäre - reagierende Teilchen haben senkrecht zur Oberfläche gerichtete - Bewegungen (ermöglicht Anisotropie) [14] Fertigungsverfahren Trockenätzen 3_108 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Potentielle Reaktionspartner 1.Inerte Ionen (z. B.: Ar+): - mechanische Wirkung Sputtern 2.Reaktive Ionen (z. B.: CF3+): - chemische Wirkung 3.Reaktive Radikale (z. B.: F*, O*, CF3*): - chemische Wirkung • Ätzgeschwindigkeit, die Selektivität und Anisotropie sind durch die Wahl geeigneter Verfahrensparameter einstellbar [14] Fertigungsverfahren Potentielle Reaktionspartner 3_109 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Plasmaätzen (PE, Plasma Etching) • Im Plasma entstehen durch Elektronenstoß reaktive Radikale • Anlagengeometrie und geringere Hochfrequenzamplitude erzeugen jedoch nur eine beschleunigende Spannung von einige 10 V: Gaseinfluß Elektrode Plasma Substrate Vakuumsystem - starker chemischer Angriff durch reaktive Radikale - schwacher physikalischer Angriff durch Ionen [14] Fertigungsverfahren Plasmaätzen 3_110 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Sputterätzen große Elektrode • Elektrodenkonfiguration Argon - Elektrodenabstand ca. 1 –5 cm - Unterschiedlich große Flächen - Wafer auf Bodenelektrode in direktem Kontakt mit Plasma • Plasma Dunkelräume Substrat Plasma kleine Elektrode Ätzmaske Energie der auftretenden Atome ca. 100 - 1000 eV Kondensator - Inertgas (typisch Argon) bei Druck: 0.5 –10 Pa - Gasentladung auf mittleren Bereich zwischen Platten beschränkt größerer Spannungsabfall an kleinerer Elektrode • Spannungsabfall ~ (Flächenverhältnis)-4 • Elektroden laden sich negativ auf (vgl. self-bias) zur Pumpe - Positive Ionen werden auf Elektroden hin beschleunigt • primär auf kleine Elektrode (höherer Spannungsabfall) • aber auch auf gegenüberliegende Elektrode (Abtrag Kontamination) Sputterätzen 3_111 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [10] Fertigungsverfahren Ionenstrahlätzen Magnetfeldspule Anode Substrat Ar Substrathalter Kathode Plasma Ionenstrahl Vakuumsystem Neutra- Beschleunigungsgitter lisation Quelle: Büttgenbach [14] Fertigungsverfahren Ionenstrahlätzen 3_112 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Technologien der Mikromechanik 3_113 Fertigungsverfahren Mikromechanik Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Mit der Bulk-Mikromechanik herstellbare Strukturen Maske aufsetzen Ätzen Maske entfernen a b c Oberflächen-Mikromechanik (Prozessschritte) Oberflächen-Mikromechanik (Strukturdetails) [Bosch] Prozessschritte der Mikromechanik 3_114 Fertigungsverfahren Mikromechanik Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Unterschiede BMM/OMM 3_115 Fertigungsverfahren Mikromechanik Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Beispiele Oberflächenmikromechanik I 3_116 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Fertigungsverfahren Mikromechanik Beispiele Oberflächenmikromechanik II 3_117 Fertigungsverfahren Mikromechanik Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Vergleich der Mikrotechnologien 3_118 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Fertigungsverfahren Mikromechanik Vergleich Bulk-MM und Oberflächen-MM 3_119 Fertigungsverfahren Mikromechanik Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Oberflächenmikromechanik 3_120 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Fertigungsverfahren Mikromechanik [Zengerle] Opferschichttechnologie 3_121 Fertigungsverfahren Mikromechanik Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Materialkombination Opferschicht / Strukturschicht 3_122 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Fertigungsverfahren Mikromechanik [Zengerle] Prozessfolge Opferschichttechnologie 3_123 Fertigungsverfahren Mikromechanik Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Prozessfolge Opferschichttechnologie II 3_124 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Fertigungsverfahren Mikromechanik [Zengerle] Probleme der Oberflächenmikromechanik 3_125 Fertigungsverfahren Mikromechanik Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Probleme der Oberflächenmikromechanik II 3_126 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Fertigungsverfahren Mikromechanik [Zengerle] Probleme der Oberflächenmikromechanik III 3_127 Fertigungsverfahren Mikromechanik Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Sticking (Kleben) 3_128 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Fertigungsverfahren Mikromechanik [Zengerle] Vermeidung des Sticking 3_129 Fertigungsverfahren Mikromechanik Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Technologien der Mikromechanik 3_130 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Fertigungsverfahren Mikromechanik [Zengerle] Monolithische Integration bei der OMM 3_131 Fertigungsverfahren Mikromechanik Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Monolithische Integration bei der OMM II 3_132 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Fertigungsverfahren Mikromechanik [Zengerle] Fertigungsverfahren Mikromechanik [Zengerle] Fertigungsverfahren Mikromechanik Oberflächenmikromechanischer Beschleunigungssensor für die Airbagauslösung Mikrosystemtechnik im KFZ Oberflächenmikromechanischer Beschleunigungssensor mit kapazitivem Abgriff Mikrosystemtechnik im KFZ 3_133 Nosper 3_134 Nosper [Bosch] Bulk-Mikromechanischer Drehratesensor 3_135 Fertigungsverfahren Mikromechanik Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Struktur des Drehratesensors 3_136 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Fertigungsverfahren Mikromechanik [Zengerle] Oberflächenmikromechanischer Drehratesensor 3_137 Fertigungsverfahren Mikromechanik Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Zengerle] Struktur des Drehratensensors 3_138 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Fertigungsverfahren Mikromechanik [Zengerle] Oberflächenmikromechanischer Luftmassensensor 3_139 Fertigungsverfahren Mikromechanik Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Fertigungsprozess des Wafers 3_140 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Allgemeines [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Allgemeines 3_141 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Chip-Test im Waferverbund [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Test im Waferverbund 3_142 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Vereinzeln der Substrate (Dicing) [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Vereinzeln der Substrate (Dicing) 3_143 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Zersägen des Wafers [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Sägen Mikrosystemtechnik im KFZ 3_144 Nosper Laserschneiden [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Laserschneiden 3_145 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Elektronenstrahlschneiden [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Elektronenstrahlschneiden 3_146 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Wasserstrahlschneiden [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Wasserstrahlschneiden Mikrosystemtechnik im KFZ 3_147 Nosper Chipkontaktierung [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Chipkontaktierung 3_148 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Mechanische Kontaktierung: Die-Bonden [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Mechanische Kontaktierung: Die-Bonden 3_149 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Kleben der Chips [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Kleben 3_150 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Vor- und Nachteile Kleben [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Vor- und Nachteile Kleben 3_151 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Löten der Chips [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Löten Mikrosystemtechnik im KFZ 3_152 Nosper Vor- und Nachteile Löten [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Vor- und Nachteile Löten 3_153 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Auflegieren: Eutectic-Die-Bonden [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Auflegieren: Eutectic-Die-Bonden 3_154 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Drahtbonden [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Drahtbonden 3_155 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Drahtbonden [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Drahtbonden 3_156 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Prüfverfahren der Drahtbondverbindungen I [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Drahtbondverbindungen I 3_157 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Prüfverfahren der Drahtbondverbindungen II [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Drahtbondverbindungen II 3_158 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Drahtbonden II [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Drahtbonden II 3_159 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Drahtbonden III [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Drahtbonden III 3_160 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Simultanes Bonden [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Simultanes Bonden 3_161 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Tape-Automated-Bonding Flip-Chip-Montage [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Tape-Automated-Bonding/Flip-Chip-Montage 3_162 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Einhäusungstechniken ● Um die kontaktierten Chips vor Umwelteinflüssen zu schützen, werden sie mit Gehäusen versehen. Dieses wird als Einhäusung oder auch Housing bezeichnet. ● Verschiedene Einsatzbereiche mit unterschiedlichen Anforderungen → unterschiedliche Techniken und Materialien für das Gehäuse. ● ICs sind meist in mehreren Bauformen mit unterschiedlichen Gehäusematerialien auf dem Markt, die sich elektrisch nicht unterscheiden. [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Einhäusungstechniken 3_163 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Moulding (Umspritzen) ● Moulding, oder auch Molding ist das am weitesten verbreitete Verfahren zur Einhäusung der fertigen Chips. ● Es ist einfach und billig. ● Wie beim normalen Kuststoffspritzguss werden hier die Chips mit Kunststoffen umspritzt. [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Moulding (Umspritzen) 3_164 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Ceramic-Housing [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Ceramic-Housing 3_165 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Gehäusetypen [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Gehäusetypen 3_166 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Zusammenfassung ● Die Chips der Mikroelektronik werden im Waferverbund hergestellt ● Anschließend müssen die Bauelemente aus dem Verbund gelöst und entweder in Gehäusen oder ungehäust montiert werden. Synonym werden dafür häufig die Begriffe Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT), Zyklus II und Packaging verwendet. ● Dazu gehören folgende Produktiosschritte: ¾ Elektrischer Test der Chips im Waferverbund ¾ Separieren der Chips durch Sägen, Lasern oder Ritzen ¾ Mechanische Montage der Chips auf einem Substrat ¾ Elektrische Verbindung der Chips mit dem Substrat ¾ Einhäusung der Chips ¾ Endtest der Bauelemente [Osten] Fertigungsverfahren Mikromechanik Zusammenfassung 3_167 Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper Klausurvorbesprechung Behandelte Themen: • Eigenschaften von Silizium • Kristallstruktur von Silizium • Reinraumtechnik • Herstellung von Rohsilizium • Herstellung von reinem Polysilizium • Herstellung von Einkristallen • Herstellung von Wafern •Dotierverfahren • Diffusion • Ionenimplantation • Oxidation • Erzeugung dünner Schichten • PVD • CVD • Lithographie • Ätzen • isotrop • anisotrop •Bulk-Mikromechanik • Oberflächenmikromechanik • Mikromechanische Sensoren im Kraftfahrzeug • Zyklus II Klausurvorbesprechung Mikrosystemtechnik im KFZ Nosper
