Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Skript
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Inhaltsverzeichnis
Vorbereitung auf die Module ............................................................................................................... 3
1.
2.
3.
Literaturempfehlungen ........................................................................................................... 4
Räumlichkeiten ...................................................................................................................... 5
Wafertransfer.......................................................................................................................... 6
Laufzettel ............................................................................................................................................. 7
A.
Reinraumtechnik ......................................................................................................................... 8
1.
2.
B.
Theorie ................................................................................................................................... 8
Modul A1-1: Reinraum und Technik ................................................................................... 11
Dünnschichttechnik .................................................................................................................. 13
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
C.
Theorie ................................................................................................................................. 13
1.1.
PVD - Physical Vapor Deposition (allgemein) ........................................................... 13
1.2.
CVD - Chemical Vapor Deposition (PECVD/ LPCVD/ LTO) .................................. 18
1.3.
Schichterzeugung durch Umwandlung....................................................................... 21
1.4.
Galvanik ..................................................................................................................... 23
Fragen zu der Prozessgruppe Dünnschichttechnik .............................................................. 25
Modul B1-1: PVD-Prozess: Sputtern .................................................................................. 26
Modul B1-2: PVD-Prozess: Aufdampfen ............................................................................ 30
Modul B2-1: CVD-Prozess: PECVD/ LPCVD/ LTO .......................................................... 34
Modul B3-1: Schichterzeugung durch Umwandlung .......................................................... 37
Modul B4-1: Galvanik ......................................................................................................... 40
Optische Lithographie .............................................................................................................. 44
1.
2.
3.
4.
5.
D.
Theorie ................................................................................................................................. 44
1.1.
Maskenherstellung...................................................................................................... 44
1.2.
Lithographie ............................................................................................................... 45
Fragen zu der Prozessgruppe optische Lithographie: .......................................................... 48
Modul C1-1: Masken ........................................................................................................... 49
Modul C2-1a: Lithographie: Resist ..................................................................................... 51
Modul C2-1b: Lithographie: Exposure ................................................................................ 56
Ätzen ......................................................................................................................................... 60
1.
Theorie ................................................................................................................................. 60
1.1.
Ätzen dünner Schichten .............................................................................................. 60
1.2.
KOH ätzen .................................................................................................................. 61
1.3.
Ätzen von Silizium ..................................................................................................... 62
1.4.
Trockenätzverfahren ................................................................................................... 67
1.5.
Silizium-Tiefenätzen .................................................................................................. 68
2.
Fragen zu der Prozessgruppe Ätzen..................................................................................... 69
3.
Modul D1-1: Nasschemisches Ätzen ................................................................................... 70
4.
Modul D2-1: Trockenätzen: Sputter-Ätzen und Silizium-Tiefenätzen ................................ 74
E.
Packaging & AVT ..................................................................................................................... 78
1
Reinraumlaborkurs 1
1.
2.
3.
4.
5.
F.
WS 14/15 & SS 15
Theorie ................................................................................................................................. 78
1.1.
Vereinzelung, anodisches- und eutektisches Bonden ................................................. 78
1.2.
Kontaktierungsverfahren (Drahtbonden) ................................................................... 80
Fragen zu der Prozessgruppe Packaging & AVT ................................................................. 81
Modul E1-1: Vereinzelung und Eutektisches Bonden ......................................................... 82
Modul E1-2: Anodisches Bonden und Kleben .................................................................... 86
Modul E2-1: Kontaktierungsverfahren: Draht-Bonden ....................................................... 89
Messtechnik .............................................................................................................................. 90
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Theorie ................................................................................................................................. 90
1.1.
Allgemeine Grundlagen ............................................................................................. 90
1.2.
Schichtdickenmessung ............................................................................................... 93
1.3.
Elektrischer Widerstand dünner Schichten ................................................................. 97
1.4.
Rasterelektronenmikroskop (REM).......................................................................... 100
Fragen zu der Prozessgruppe Messtechnik ........................................................................ 109
Modul F1-1: Charakterisierung eines Temperatursensors ................................................. 110
Modul F2-1: Schichtdickenvermessung / Strukturvermessung ......................................... 113
Modul F3-1: Schichtwiderstand und Haftfestigkeit einer Schicht ..................................... 116
Modul F4-1: Rasterelektronenmikroskop REM ................................................................ 119
Literaturverzeichnis ......................................................................................................................... 121
2
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Vorbereitung auf die Module
Bearbeiten Sie für die persönliche Vorbereitung vor jedem Modul die Theorie zu dem jeweiligen
Themengebiet. Die jeweiligen Theorieabschnitte geben Ihnen einen grundsätzlichen Einblick und
Einstieg in das entsprechende Themengebiet und sind eine gute Wiederholung eines Großteils des
Inhaltes der Vorlesung „MST Technologien & Prozesse“. Dies ersetzt jedoch nicht die ausführliche
Einarbeitung in die einzelnen Themen unter Zuhilfenahme verschiedener Literaturquellen. Hierzu
sind zu den einzelnen Kapiteln verschiedene Literaturempfehlungen angegeben.
Nach dem Studium dieses Skriptes und ergänzender Literatur sollten Sie in der Lage sein, das
Kolloquium und den Eingangstest zu Beginn jedes Moduls gut zu bestehen. Sowohl Kolloquium,
als auch Eingangstest dienen einerseits zur Überprüfung ihrer Vorbereitung und ob sie ein gewisses
Grundverständnis mitbringen, andererseits dienen sie der Verständnisvertiefung und der aktiven
Auseinandersetzung mit der Materie. Zum jeweiligen Modulthema wird ein Eingangstest zur
schriftlichen Beantwortung ausgeteilt. Die Beantwortung der Fragen fließt direkt in die Benotung
des Reinraumpraktikums ein. Weiter werden im Laufe des Moduls vom Betreuer Fragen gestellt
und von Ihnen beantwortet. Sollten Sie die Fragen nicht direkt beantworten können, wird der
Betreuer die Antworten bis zu einem gewissen Maße mit Ihnen gemeinsam herleiten.
Die in diesem Skript zu Beginn jeder großen Prozessgruppe (A-F) gestellten Fragen sollen Ihnen
helfen, einen Gesamtüberblick innerhalb eines jeden Komplexes zu bekommen und die jeweilige
Technologie einzuordnen. Das Wissen daraus sollte bei jedem zu dieser Prozessgruppe gehörendem
Modul abrufbar sein. Hierbei geht es nicht um Details, sondern um das Gesamtverständnis.
Durch eine gewissenhafte Vorbereitung erzielen Sie nicht nur eine möglichst gute Note im
Eingangstest, durch vertieftes Wissen und modulübergreifendes Verständnis erreichen Sie
bestmöglichen Lernerfolg und haben dabei noch mehr Spaß beim Praktikum.
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Reinraumlaborkurs 1
1.
WS 14/15 & SS 15
Literaturempfehlungen










R. Zengerle, MST Technologien & Prozesse, Skript zur Vorlesung
W. Menz, J. Mohr, Mikrosystemtechnik für Ingenieure, Wiley VCH Verlag GmbH
L. Bergmann, C. Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 6, de Gruyter
S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Wiley VCH Verlag GmbH
S. Büttgenbach, Mikromechanik, Teubner Studienbücher
W. Pupp, Vakuumtechnik, Grundlagen und Anwendungen; Hanser 1991
C.H. Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie, Wiley VCH Verlag GmbH
N. Kanani, Galvanotechnik, Hanser;
J.W. Dini, Electrodeposition, Noyes Publications
S. Linder, Präferentielles Ätzverhalten zur Isolation von Dotierzonen für SiliziumLeistungshalbleiter, Diplomarbeit ETH Zürich, 1990
 L. J. Van derPauw, „ A method of measuring specific resistivity and Hall effect of discs of
arbitrary shape”, Philips Res. Rep. 13, pp. 1-9, 1959.
 M. Cornils, O. Paul, Beyond van der Pauw: Sheet resistance determination from arbitrarily
shaped planar four-terminal devices with extended contacts, in Proceedings of the 21st IEEE
Conference on Microelectronic Test Structures (ICMTS), March 24-27, Edinburgh, UK,
pp. 23-28, 2008.
Nutzen Sie auch das Internet als große Bibliothek zum Recherchieren nach einzelnen Themen.
Hinterfragen und vergleichen Sie in diesem Fall aber mehrere Quellen, um sicher zu gehen, dass die
Informationen auch korrekt und wissenschaftlich sind. Bitte denken Sie stets daran, dass eine
Referenz auf wikipedia.org nicht als wissenschaftlich angesehen werden kann und
Internetreferenzen stets mit Datum der URL-Abfrage referenziert werden.
4
Reinraumlaborkurs 1
2.
Räumlichkeiten
Reinraum: http://www.imtek.de/rsc/content/reinraum.php
01
02
03
04
05
06
CVD
AVT/ Messtechnik
PVD/ Dry Etch
Nasschemie
Photolithographie
Analytik/ Messtechnik
07
08
09
MS
U
Praktikum 1
Praktikum 2
AVT/ Vereinzeln
Materialschleuse
Umkleide
Abbildung 1: Raumaufteilung Reinraum IMTEK
5
WS 14/15 & SS 15
Reinraumlaborkurs 1
3.
WS 14/15 & SS 15
Wafertransfer
Machen sie sich vor jedem Modul bewusst, wie der Wafertransfer in dem entsprechenden Modul
abläuft. Dazu gehört auch, zu verstehen aus welchem Modul die Wafer kommen und in welches
Modul die Wafer später überführt werden. Im Reinraum steht ein Regal mit den Materialen des
Reinraumlaborkurses 1. Jedes Modul hat ein eigenes Fach, in dem die E = Eingangsboxen,
M = Modulboxen und A = Ausgangsboxen des jeweiligen Moduls stehen. In der Regel
transferieren sie zusammen mit ihrem Betreuer zu Beginn des Moduls die erforderlichen Wafer aus
den Eingangsboxen in die Modulbox (Waferpinzette verwenden), die sie, zusammen mit dem
dazugehörigen Waferlaufzettel während der Praktikumseinheit mit sich führen. Sorgen sie in der
Modulbox für eine räumliche Trennung von unterschiedlich prozessierten, manchmal schwer bis
gar nicht zu unterscheidenden Wafern, um eine Verwechslung vorzubeugen! Am Ende des Moduls
transferieren sie die Wafer in die entsprechende Ausgangsbox bzw. in die Eingangsbox eines
anderen Moduls. Achtung: in einigen Waferboxen befinden sich Wafer mit lichtempfindlichen
Resists. Diese Boxen dürfen nur im Gelblichtbereich geöffnet werden.
Beispiel:
Reinraumlaborkurs 1
Modul B1-2: Aufdampfen
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Pro Gruppe:
1 Si mit Umkehrlack
1 Si blank  Ti + Au
1 Si blank  Au
Modul:
16 Umkehrlack aus C2-1b
32 Si blank
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
E
E
Modul B1-2 Modul B1-2
Si-Wafer blank
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Si-Wafer blank
E
A
Modul B1-2
M
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
2 Si blank
1 Si Umkehrlack (Lift-Off)
1 Si mit Ti + Au
1 Si mit Au
Modul B1-2
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
1 Si Umkehrlack
(Wafer für Lift-Off)
Modul B1-2
E
Modul D1-1
Lift-Off Wafer
Lift-Off Wafer
Abbildung 2: Grafische Darstellung des Wafertransfers von Modul B1-2
Zu Beginn des Moduls B1-2 entnehmen sie mit ihrem Betreuer 2 Si-Wafer blank und 1 Si-Wafer
mit Umkehrlack aus den entsprechenden Eingangsboxen und transferieren diese Wafer in die
Modulbox. Die Modulbox und der dazugehörige Waferlaufzettel werden sie während des Moduls
mit sich führen. Am Ende des Moduls geben sie die beiden bedampften Si-Wafer in die
Ausgangsbox des Moduls B1-2 und den bedampften Wafer mit Umkehrlack (Lift-Off Wafer) in die
Eingangsbox des Moduls D1-1. Die Modulbox und der von ihnen in den entsprechenden Feldern
ausgefüllte Waferlaufzettel werden zurück in das Fach von Modul B1-2 gestellt.
6
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Laufzettel
Jeder einzelne Prozess-Schritt, egal an welchem Gerät, wird auf einem so genannten Laufzettel
festgehalten.
Der Vollständigkeit halber ist im Folgenden das offizielle Dokument des Reinraum-Service-Center
(RSC) zur Erstellung eines Laufzettels mit Hilfe von Word-Vorlagendateien, abgedruckt.
Im Praktikum werden die Laufzettel ausschließlich per Hand und nicht mit Hilfe der Dateien
ausgefüllt
Erstellen eines Waferlaufzettels (WLZ)
1. Zur Erstellung eines Laufzettels zuerst das File WLZ-Copy öffnen und unter einem neuen
Namen (WLZ_05-xyz) abspeichern. Bitte nur als Word-File abspeichern (nicht *.rtf oder
andere Formate, da sonst die Formatierung, Kopf- und Fußzeilen, etc. verändert werden).
Bitte keine Veränderungen am Format vornehmen, da Verknüpfung mit anderen Tabellen
bestehen. WLZ Nummer wird vom RSC vergeben.
2. Ausfüllen der Felder im Kopf:
1. WLZ-Nummer wird vom RSC eingetragen.
2. Projekttitel und Projektnummer wie in der Projektliste aufgeführt. Prozess:
prozessbezogener Untertitel für aktuellen Laufzettel innerhalb des Projektes.
3. Projektleiter wie in der Projektliste aufgeführt. Er / Sie ist der Ansprechpartner für alle
auftauchenden Fragen.
4. Geplantes Prozessende und verantwortlicher Technologe wird vom RSC eingetragen;
ebenso die nächsten vier Felder.
5. Name des WLZ-Erstellers und Datum eintragen.
6. Prüfung des Laufzettels durch Projektleiter bestätigen.
7. Prüfung durch RSC.
3. Schritt 1 (WLZ Erstellung) und Schritt 2 (Prozessstart) sind Standardschritte für jeden
Laufzettel.
4. In Schritt 3 (Messtechnik) werden die Wafergeometrie-Daten bestimmt. Dieser kann
gestrichen werden, falls kein Interesse an den Daten besteht.
5. Neue Schritte einfügen: Cursor nach dem letzten Schritt vor das Paragraphenzeichen setzen
und über Menüpunkt Einfügen  Datei den jeweiligen Prozessschritt aus der Liste der
Standardprozesse auswählen.
6. Schritte löschen: In der Tabelle die gesamte Zeile markieren und löschen. Zum Beispiel mit
dem Cursor auf die linke Seite des Blattes vor die betreffende Zeile gehen und mit der
rechten Maustaste das Menü öffnen; Zeile löschen anwählen.
7. Einzelne Schritte entsprechend den Anforderungen editieren und überarbeiten.
8. Das Dokument mit dem Schritt WLZ_End abschließen.
7
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
A. Reinraumtechnik
1.
Theorie
Die wichtigsten Informationen über den grundsätzlichen Aufbau und die Funktionsweise von
Reinräumen, sowie deren Reinraum-Klassen und Standards entnehmen Sie bitte dem Skript zur
Vorlesung „MST Technologien & Prozesse“ von R. Zengerle.
Informationen zur technischen Infrastruktur am IMTEK







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
Zwei Laborgebäude mit 45 Labors und 100 Büros
Ein Technologiegebäude mit einem Reinraum Qualität 10.000, im Arbeitsbereich 100 mit 5
Reinraum-Fingern
Werkstätte für Mechanik, Elektronik und Haustechnik
Technische Anlagen
Reinstwasseranlage mit 5 m³/h Produktion, Wasserqualität 18 MOcm (Tabelle 1, Bild 1)
Zuluftanlage für den Reinraum max. 2 x 50.000m³/h (Tabelle 1, Bild 8)
Abluftanlage für den Reinraum mit Wärmerückgewinnung, korrosiv 2 x 40.000m³/h und
Lösemittelabluft 2 x 15.000 m³/h
 Umluftanlage für den Reinraum 5 x 8000 m³/h
 Zuluftanlage für Technikräume 25.000 m³/h
 Abluft Technikräume, korrosiv 2 x 25.000 m³/h und Lösemittelabluft 2 x 4.000 m³/h
 Im Reinraum Überdruck von 10 Pa, in der Photolithographie 15 Pa
 Reinraumdecke mit Filter-Ventilator-Einheiten (FFU), Luftgeschwindigkeit ca.
30 m³/s, Luftaustausch von 30-60 cm³/h
 Neutralisation für zwei Labor- und ein Technikgebäude, Aufbereitung ca. 20 m³/h
(Tabelle 1, Bild 3-Bild 5)
 Raumtemperatur im Reinraum 22°C +-0,5°C, Photolithographie Feuchte 45 %
 Kälteversorgung: zwei Absorptionskältemaschinen mit 800 kW und 500 kW Kälteleistung und Wärmerückgewinnung (Tabelle 1, Bild 2)
 Für die zwei Laborgebäude jeweils zwei Zuluftanlagen mit je 30.000 m³/h und zwei
Abluftanlagen mit je 35.000 m³/h und Wärmerückgewinnung
Elektroanlagen
 zwei Transformatoren mit je 800 kVA
 SV-Anlage
 EIB für Licht, Jalousien
Leittechnik für alle Gebäude
 Gefahrenmeldeanlage
 Gasüberwachungsanlage (Detektion)
 Brandmeldeanlage
 Gasversorgungsüberwachungsanlage
 Überwachung aller technischen Anlagen
8
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Tabelle 1: Anlagen am IMTEK
Bild 1: DI-Wasseraufbereitung
Bild 2: Kältezentrale
Bild 3: -/-
Bild 4: -/-
Bild 3-5: Neutralisationsanlage
Diese Bilder zeigen die wichtigsten Komponenten der
„Neutra“ mit dem Dosierkabinett NaOH und HCL, das
Pumpenkabinett (im Hintergrund in Bild 5) und dem
Neutralisationstank.
Bild 5: -/-
9
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Bild 6: Brennbare Gase
Bild 7: Inerte Gase
Bild 8: Luftaufbereitung Umluft Reinraum für
einen Reinraumfinger
Bild 9: Abluftventilator korrosiv, mit Gitter
um Ventilator
Bild
10:
Lösemittel
Abluftventilator
Bild 11: Raumgroße Filtereinheiten
verschiedener
Filterstufen
für
Primärluftfilterung
10
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Bild
12:
doppelstöckige
Primärluftaufbereitung
(Reinigung,
Entkeimung, Luftfeuchtigkeit, ...)
2.
Modul A1-1: Reinraum und Technik
Ziele
Das Institut für Mikrosystemtechnik an der Fakultät für angewandte Wissenschaften der Universität
Freiburg bildet die Studenten mit einem sehr breiten und fundierten Studium aus: Zu dieser breiten
Ausbildung, die einen enormen Umfang von wissenschaftlichen Disziplinen enthält, gehört auch ein
praktischer Einblick in die Technik hinter der Theorie.
Sie als zukünftige Ingenieure sollen verstehen lernen, wie aufwendig es zumeist in der Praxis ist,
am Schreibtisch entstandene Ideen in die Tat, sprich im Reinraum umzusetzen. Dabei gibt es auch
viele Parameter zu beachten, die nichts direkt mit Ihrem Produkt zu tun haben, sondern Dinge, die
sich zuerst einmal auf der Ebene der Basis- oder Betriebstechnik eines Reinraums abspielen.
Dieses Modul soll durch Verständnisvermittlung ein entsprechendes Verhalten im Reinraum und
einen entsprechenden Umgang mit der Technik und bei der Prozessierung (Material, Ressourcen,
Kontamination, Abfälle, etc.) schulen.
Sie erfahren, welch ein technischer als auch finanzieller Aufwand betrieben werden muss, einen
Reinraum zu betreiben und Prozessmedien wie Stickstoff, Druckluft, DI-Wasser, etc. ständig zur
Verfügung zu stellen. Sie werden kennen lernen, was mit den Abfällen aus den Digestorien passiert
und damit die Wichtigkeit eines verantwortungsvollen Umgangs mit Ressourcen und Anlagen
erkennen. Sie werden ein Verständnis für die komplexen Zusammenhänge hinter den Anlagen und
den richtigen Einsatz und Anschluss an die Versorgungstechnik (z.B. Kühlwasser) bekommen. Die
Zahl der Fehler, die sich auf das gesamte Institut auswirken können und die aus Unkenntnis oder
Unachtsamkeit immer wieder gemacht werden, soll möglichst gering gehalten werden und so den
reibungslosen Ablauf des Reinraumbetriebs gewährleisten. Passen Sie gut auf, denn viele von Ihnen
werden spätestens während der Bachelor-, Master- oder Doktorarbeit im Reinraum zu tun haben.
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Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Ort
Gebäude 104 außerhalb des Reinraums
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
Material: Bringen Sie Papier und Stift für Notizen mit.
Der Ablauf dieses Moduls
Sie werden zur DI-Wasseranlage und zum Stickstofftank gehen. Sie werden die Anlagen näher
kennen lernen und anschließend verstehen, warum man die Anschlüsse für DI-Wasser nicht so
selbstverständlich benutzen sollte wie einen normalen Wasserhahn. Es wird oft nicht bedacht,
welche Kosten das zur Verfügung stellen von DI-Wasser oder Prozessgasen bereitet.
Sie werden durch das Gebäude (Besuchergang, Bypack, Plenum) geführt und bekommen die
Funktion, den Aufbau, etc. des Technologiegebäudes erklärt. Versuchen Sie dabei die
Zusammenhänge zu verstehen und ein Gefühl für die Technik und die Abläufe zu bekommen. Auch
ein Bewusstsein für den Wert und die Werterhaltung (= Verhalten im Reinraum) ist eine wichtige
Grundlage für eine gute Forschungsarbeit und gute Forschungsergebnisse bei der Vielzahl an
unterschiedlichen Prozessen der verschiedenen Lehrstühle.
Sie werden die Funktion der „Neutra“-Anlage sowie deren Wartungsaufwand kennen lernen, falls
die Dinge in den falschen Abguss geleert bzw. falsch entsorgt wurden. Denken Sie immer daran:
Abfall muss teuer entsorgt werden und verursacht immense Kosten.
Sie werden den Kühlwasserkreislauf und dessen Funktionsweise kennen lernen.
Sie werden weiterhin mit Ihrem Betreuer einen so genannten Laufzettel korrekt und vollständig
ausfüllen und dessen Sinn für zum Beispiel Abrechnung und Prozessnachverfolgung näher kennen
lernen.
Auswertung
Für dieses Modul ist kein Praktikumsprotokoll anzufertigen. Jedoch wird der von Ihnen ausgefüllte
Fragenkatalog eingesammelt, korrigiert und archiviert. Sollte sich bei der Korrektur herausstellen,
dass Sie nur körperlich bei diesem Modul anwesend waren, so fließt dies natürlich in die Note mit
ein.
Fragen zu Reinraum und Technik
Am Ende dieses Moduls erhalten sie einen Fragenkatalog, den Sie sofort ausfüllen und abgeben
müssen. Die Informationen erhalten Sie während des Moduls.
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Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
B. Dünnschichttechnik
1.
Theorie
1.1.
PVD - Physical Vapor Deposition (allgemein)
Grundsätzlich wird zwischen zwei Verfahren unterschieden:
1. Aufdampfen (Evaporation)
2. Kathodenzerstäuben (Sputtern)
Zur Herstellung sehr dünner, präzise dotierter einkristalliner Halbleiterschichten wird immer
häufiger auch die Molekularstrahlepitaxie eingesetzt.
Aufdampfen
Beim Aufdampfen wird das Beschichtungsmaterial durch Erhitzen in die Dampfphase überführt,
aus der es sich sowohl am kühleren Substrat als auch an den Innenwänden des Rezipienten
niederschlägt. Eine Aufdampfanlage besteht prinzipiell aus einer Verdampfungsquelle, einer Blende
zum Abdecken der Quelle und einem (oftmals beheizbaren) Substrathalter. Das Aufdampfen findet
im Ultrahochvakuum statt, d.h. es gibt keinen Einbau von Restgasatomen in die Schicht.
Die einfachsten Verdampfungsquellen sind widerstands- oder induktiv geheizte Drähte, so genannte
Schiffchen (Au; hier am IMTEK) oder Tiegel aus z.B. Wolframblech (Schmelzpunkt von Wolfram:
3410 °C) an die eine Wechselspannung angelegt wird. Der Vorteil liegt in der einfachen Regelung,
da man nur den Heizstrom konstant halten muss. Der Nachteil liegt darin, dass die Temperatur im
Tiegel mit dem Füllgrad schwankt. Gering befüllte oder leere Schiffchen brennen sehr leicht durch.
Frisch gefüllte Schiffchen sollten vor dem eigentlichen Prozess vorgeglüht werden, damit die meist
in kleinen „Perlen“ vorliegenden Materialien zu einer homogenen Masse verschmolzen werden.
Des weiteren gibt es Elektronenstrahlverdampfer, bei denen zum Erhitzen des zu verdampfenden
Materials ein Elektronenstrahl mit Hilfe von Magneten in den entsprechenden Tiegel gelenkt wird
(Ge, Ti, Cr, Al, Ni; hier am IMTEK). Der Vorteil des Elektronenstrahlverdampfens liegt in der
geringen Verunreinigung der abgeschiedenen Schichten. Zudem lassen sich sehr hohe und dicke
Schichten in einem Arbeitsgang erreichen. Al hat mit 400 nm/min eine hohe Abscheiderate.
Nachteilig ist der hohe apparative Aufwand und die ionisierende Strahlung, die das Substrat
schädigen kann. Im Halbleitersubstrat entstehen Strahlenschäden aufgrund von Störungen im
Kristallgitter. Schädigungen im Oxid stammen großteils von der Erzeugung von Ladungen durch
ionisierende Strahlung. Aufgrund der Isolator-Eigenschaften des Oxids können generierte Ladungen
nicht oder nur ungenügend abgeleitet werden und führen zu lokalen Aufladungen.
Für die einzelnen chemischen Elemente sind sehr unterschiedliche Temperaturen (1000 °C bis
3000 °C) notwendig. Die Temperatur des Verdampfungsmaterials muss zwischen der Schmelz- und
der Siedetemperatur liegen. Der Druck des Gases muss kleiner sein als der Dampfdruck des
Materials.
Verdampfen von Legierungen führt in der Regel immer zur Fraktionierung. Dies bedeutet, dass eine
der Komponenten stärker als die anderen verdampft und abgelagert wird, z.B. durch die
13
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
unterschiedlichen Schmelzpunkte der in einer Legierung beteiligten Materialien. Problemlösung: je
Legierungskomponente eine unabhängige Verdampfungsquelle verwenden. Durch kontrollierte
gleichzeitige Verdampfung aller Quellen wird die Legierung stöchiometrischen richtig direkt auf
dem Substrat erzeugt. Zudem wird beim Aufdampfen von Legierungen zunächst die Komponente
mit dem höheren Dampfdruck bevorzugt verdampft.
Der Prozess des Aufdampfens ist stark gerichtet. Es gibt eine schlechte Kantenabdeckung.
Abbildung 3: Schematischer Aufbau einer Aufdampfanlage [1]
Sputtern
Im Wesentlichen unterscheidet man zwischen zwei Sputterverfahren.
Sputtern mit einer Gleichspannung (DC-Sputtern): Das Target muss elektrisch leitfähig sein und es
können nur Metalle oder Halbleiter gesputtert werden.
Sputtern mit einer hochfrequenten Wechselspannung (RF-Sputtern oder AC-Sputtern): Hier können
alle Materialien gesputtert werden.
Beim Sputtern wird ein Edelgas (Ar) in einem Vakuum (~10-3 mbar) durch eine Hochspannung
zwischen zwei Elektroden zu einem Plasma ionisiert (siehe Abb. M1-1). Das abzuscheidende
Metall wird als Kathode (Sputtertarget) geschaltet und das Substrat und der Rezipient als Anode.
Elektrisch verhält sich die Anordnung aus Plasma und Elektroden wie eine Kapazität. Die Kapazität
zwischen Kathode und Plasma ist kleiner als die Kapazität zwischen Plasma und Anode. Daher
werden die positiv geladenen Ar-Ionen durch die Spannung die am CK-Plasma (bis zu 1 kV) abfällt
zur Kathode hin beschleunigt, wodurch einzelne Atome aus dem Target herausgeschlagen werden.
Bei einer kinetischen Energie von 500 eV werden z.B. im Mittel 1.45 Ni-Atome durch ein ArgonIon aus dem Target herausgeschlagen.
Aufgrund der höheren Abscheideraten hat sich die Magnetronsputtertechnik durchgesetzt. Ein
Magnetfeld erhöht die Verweildauer und damit den Ionisationsgrad der Elektronen im Plasma.
Zusätzlich werden die Sekundärelektronen durch das Magnetfeld auf die geerdete kathodennahe
Rezipientenwand abgelenkt. Dadurch wird zusätzlich verhindert, dass die Elektronen das Substrat
zu stark aufheizen.
14
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Durch Umpolen der Sputterspannung erreicht man ohne Target, dass das Substrat geätzt und
gereinigt wird (Sputterätzen). Sputterätzen wird eingesetzt, um ein Substrat vor dem Sputtern z.B.
von einer Oxidschicht zu befreien. Zusätzlich besteht die Möglichkeit weitere Gase in den
Rezipienten einzuspeisen. Dann spricht man vom reaktiven Sputtern. Das Reaktionsgas verbindet
sich auf dem Substrat mit dem Targetmaterial. Verwendet man z.B. Sauerstoff, so scheidet man das
entsprechende Metalloxid anstatt des reinen Metalls ab. In der Mikrotechnik wird das reaktive
Sputtern zur Herstellung von Aktorschichten benutzt, z.B. zur Herstellung von piezoelektrischen
PZT (Blei-Zirkonat-Titanat)- Schichten oder magnetoresistiven Terfenol-Schichten.
Da der Rezipient gasdicht, ausgasfrei, elektrisch abschirmend und korrosionsbeständig sein muss,
wird überwiegend Edelstahl als Material eingesetzt.
Das Vakuum wird über ein zweistufiges Pumpsystem erzeugt. Eine Drehschieber-Pumpe erzeugt
ein Vorvakuum, und eine Turbomolekular-Pumpe (Saugvermögen 1000 l/s) das Endvakuum.
Abbildung 4: Schematischer Aufbau einer Sputteranlage [1]
Der Vorteil des Sputterns gegenüber dem Aufdampfen liegt darin, dass nahezu alle Materialien
gesputtert werden können. Zudem gibt es keine Fraktionierung beim Sputtern von Legierungen. Der
Sputterprozess ist ein ungerichteter Prozess mit hoher Energie und homogener Winkelverteilung.
Somit ergibt eine gesputterte Schicht eine Schicht größerer Dichte und besserer Kantenabdeckung.
Der Nachteil liegt in der aufwendigeren Prozesstechnologie.
Typische Probleme bei Metallisierungen
Metallschichten werden meist zur Herstellung von Leiterbahnen zur elektrischen Verbindung
einzelner Funktions- und Bauelemente verwendet. Aluminium ist hierbei das Standardmaterial
wegen der guten Leitfähigkeit, der guten Haftung, der einfachen Strukturierbarkeit, der einfachen
Abscheidbarkeit und nicht zuletzt den gegenüber Gold geringeren Kosten. Mit Aluminium sind drei
typische Probleme verbunden.
15
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Hillocks
 Bei höheren Prozesstemperaturen können Spitzen aufwachsen, die später oxidieren und
somit die Leitfähigkeit vermindern oder zu sonstigen Schäden führen können.
Spikes
 Al ist in Si löslich
 Si-Löcher werden mit Al gefüllt
 Spitzen ragen in das Substrat hinein
 Durchbruch von pn Übergängen
Elektromigration
 Bei hohen Stromdichten kann parallel zum Strom auch Material abtransportiert werden.
 Hohe Stromdichten treten insbesondere an Schwachstellen in Leiterbahnen auf.
 Der Materialabtransport dünnt diese Stellen noch stärker aus. Damit wird die Schwachstelle
noch schwächer (Effekt verstärkt sich selbst).
 Die Elektromigration führt langfristig zum Versagen der Leiterbahnen.
Plasma (für das Modul B1-1)
Als Plasma bezeichnet man in der Physik ein vollständig oder teilweise ionisiertes Gas, das zu
einem nennenswerten Anteil freie Ladungsträger wie Ionen oder Elektronen enthält und als
nunmehr elektrisch leitendes Medium eine Reihe von Eigenschaften besitzt, die es von Gasen,
Flüssigkeiten oder festen Körpern deutlich unterscheidet. Irving Langmuir war einer der ersten
Wissenschaftler, der mit Plasma arbeitete und diesen ionisierten Gasen den Namen „Plasma“ gab.
Der Begriff Plasma (griech.: das Formbare) schließt sich zum einen den griechischen Philosophen
an, die die Elemente Erde (fest), Wasser (flüssig), Luft (gasförmig) und Feuer (Plasma) kannten.
Zum anderen trifft die Bezeichnung des Zustandes als vierter Aggregatzustand auch aus moderner
Sicht zu, weil bei den im Plasma herrschenden hohen Temperaturen die Atome in positive Ionen
und negative Elektronen zerfallen und damit die Zerlegung der Materie in ihre Bestandteile
fortgesetzt wird.
Lift-off Technik (für das Modul B1-2)
Eine Möglichkeit, Schichten zu strukturieren, ist der so genannte Lift-off-Prozess. Diese Technik
setzt sich aus drei grundlegenden Schritten zusammen.
Als erstes wird ein spezieller Lift-off Resist (Umkehrlack / image reversal resist) aufgebracht und
mittels Belichtung (lithographisch) in chemisch lösliche und unlösliche Bereiche strukturiert.
Anders als im Falle eines Positiv-Resists, ist das Bild der belichteten und entwickelten
Lackstrukturen gegenüber der Maske negativ, wobei die Lackkanten nach innen geneigt sind
(wichtig). Trotz des negativen Bildes darf dieser Lack nicht mit einem Negativ-Resist verwechselt
werden.
Als zweites wird die eigentliche Funktionsschicht ganzflächig auf den entwickelten und so
strukturierten Resist aufgebracht. Dies können beispielsweise aufgedampfte Halbleiter- oder
Metallschichten sein. Die nach innen geneigten Lackkanten ermöglichen eine perfekte Trennung
zwischen den Schichten am Lack gegenüber den Schichten am Substrat (Abbildung 5.a).
16
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Als drittes wird die auf den Lack abgeschiedene und haftende Schicht dadurch entfernt, dass der
Lift-off Resist mittels Lösungsmitteln (Aceton) vom Substrat gelöst wird. Die an den blanken
Stellen auf dem Substrat abgeschiedene Schicht bleibt erhalten (Abbildung 5.b).
Abbildung 5: Lift-off a) Angriff des Lösungsmittels b) Lack strippen [2]
Der Umkehrlack
Die häufig verwendeten Positiv-Photolacke (z. B. AZ 1500-Serie) bestehen aus zwei Komponenten,
wobei Novolakharz als Kunststoffmatrix und Diazonaphtochinon (DQN) als photoaktive
Komponente agieren.
Die belichtete und entwickelte Struktur (Wolf-Umwandlung) stellt ein getreues Bild der Struktur auf
der Maske dar.
Da die Lichtintensität mit der Dicke des Lackes abnimmt (sog. Bulkeffekt), werden die oberen
Lackschichten stärker als die unteren Schichten entwickelt. Im Endeffekt wird die Lackstruktur am
Substrat breiter als an der Lackoberfläche, wodurch eine leichte geneigte Lackkante (typische
Neigung 75° - 85°) entsteht.
Der Umkehr-Photolack beinhaltet außer Novolak und DQN eine zusätzliche Komponente, welche
Aminogruppen enthält (z.B. Monazolin). Beim Belichten durch die Maske kommt es in den
belichteten Lackbereichen, entsprechend dem Positiv-Photolack, zur Wolf’schen Umwandlung
(Abbildung 6).
In einem zweiten Schritt werden die belichteten Substrate auf einer Heizplatte (hotplate) bei
Temperaturen über 110 °C ausgeheizt (Abbildung 6.2). In den belichteten Bereichen reagieren die
Spaltungsprodukte mit Monazolin. Dadurch wird der Resist photounempfindlich und gegenüber
dem Entwickler resistent. Der so präparierte Resist wird anschließend noch einmal ohne Maske
belichtet (Flutbelichtung). Bei diesem Schritt wird DQN in dem Bereich, der während der ersten
Belichtung abgedeckt war, zu Carben und Keten gespalten (Wolf’sche Umwandlung) (Abbildung
6.3). Dieser Bereich verhält sich wie ein Positiv-Lack und wird beim Entwickeln gelöst (Abbildung
6.4). Es entsteht eine Struktur, die ein Negativ-Bild der Maskenstruktur darstellt. Die Lackkante
weist dabei eine inverse, für die Lift-off Technik unentbehrliche Neigung auf.
17
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Abbildung 6: Lift-off Technologie; 1) Belichten, 2) Tempern, 3) Flutbelichten, 4) Entwickeln [1]
1.2.
CVD - Chemical Vapor Deposition (PECVD/ LPCVD/ LTO)
Bei einem CVD-Prozess bildet sich ein Festkörper oder eine Schicht durch eine chemische
Reaktion in einem Reaktionsgas aus einer oder mehreren flüchtigen Verbindungen. Die Reaktion
erfolgt an der Oberfläche des Substrates und wird durch zugeführte Energie angeregt:



thermisch: Induktions-, Strahlungs-, oder Widerstandsheizung des Substrats
elektrisch: Plasma
optisch: Laser, Einsatzgebiet z.B. Maskenreparatur
Bei APCVD und LPCVD erfolgt die Aktivierung der Reaktion thermisch durch Wärme, bei
PECVD durch Wärme und Elektronenstoß im Plasma der Niederdruckentladung.
Neben der Schicht entstehen bei der Reaktion flüchtige Nebenprodukte. Häufig wird das
Reaktionsgas mit einem Trägergas verdünnt. Das Gasgemisch wird außerhalb der Reaktionskammer
auf die für die Reaktion notwendige Temperatur gebracht und kondensiert dann innerhalb der
Reaktionskammer an der Substratoberfläche. Die überflüssigen gasförmigen Reaktionsprodukte
werden aus der Reaktionskammer herausgeführt.
Die Merkmale des CVD-Prozesses sind Prozessdruck, Prozesstemperatur, Gase (Reaktionsgas,
Trägergas (H2), Spülgas (N2)), Gasdurchflüsse, Abscheiderate, Homogenität der Schichtdicke,
Defekt- und Partikelfreiheit, Toxizität und Korrosivität der Reaktionsgase und Abgase (vergleiche
Abbildung 7).
18
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Abbildung 7: Wichtige Baugruppen einer CVD-Anlage [1]
Typische CVD Schichten
SiO2 (z.B. Zwischenschicht für Nitrid): Si aus der Gasphase
 LPCVD Low Pressure CVD:
 LTO (Low Temperature Oxide)
■ Temperatur: 430 °C; Aufwachsrate: 1-2 µm pro Std.
■ Silane sind explosiv, schwere Handhabung
 TEOS (Tetra-Ethyl-Oxi-Silan) (kein Si-Verbrauch aus Wafer)
■ Temperatur: 750 °C; Aufwachsrate: 100 nm pro min
■ Therm. Zersetzung von Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate unter O2 Einwirkung
 HTO (High Temperature Oxide)
■ Temperatur: 920 °C
 PECVD Plasma Enhanced CVD
 Temperatur: 280 °C
Si3N4 (z.B. als Passivierung, Membranen, Ätzmaske)
 LPCVD: Temperatur: 730 °C; Aufwachsrate: 10 nm - 50 nm
 PECVD: Temperatur: 280 °C
Poly-Silizium (z.B. freitragende Membranstrukturen, Widerstandsschichten)
 LPCVD: Temperatur: 615 °C, Abscheidung von polykristallinen Si-Schichten
SiC (sehr widerstandsfähig, Ätzmaske, Passivierung, schwer zu ätzen)
 LPCVD
Weitere Schichten
 BSG (borosilicate glass)
 PSG (phosphosilicate glass)
 BPSG (borophosphosilicate glass)
Wichtige CVD-Verfahren der Mikrotechnik
APCVD Atmospheric Pressure CVD oder Normaldruckverfahren
 Druck: Atmosphärendruck
 Temperatur: über 1000 -1300 °C
 Aufwachsrate: 20 nm pro Minute
 gezielte Aufheizung der Substrate „kalte“ Reaktorwände
 Herstellung von Poly-Silizium-Impfkristallen für das Si-Kristallziehen
 Epitaxie von Silizium-Wafern
19
Reinraumlaborkurs 1
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LPCVD: Low Pressure CVD oder Niederdruckverfahren
 Druck: bei p = 0,01 bis 10 mbar
 Temperatur: zwischen 500-1000 °C,
 heiße Substrate und Reaktorwände
 Abscheidung von Poly-Silizium;
 Abscheidung von Siliziumdioxid (SiO2) und Siliziumnitrit (Si3N4)
Vorteile:
 Diffusionskoeffizient groß durch den niedrigen Druck
 reaktionslimitierte Prozessführung
 Wafer können sich dicht nebeneinander befinden (typischer Abstand 2 bis 5 mm)
 homogenere Schichten mit besserer Kantenabdeckung als APCVD
Nachteile:
 geringe Aufwachsrate aufgrund der Temperatur
 Verarmung an Reagenzien in Strömungsrichtung, dies muss mit der Temperatur kompensiert
werden
PECVD: Plasma Enhanced CVD
 Wie der Name schon sagt, wird bei der PECVD der Prozess durch ein Plasma unterstützt.
Das Plasma bewirkt ein Aufbrechen der Bindungen des Reaktionsgases und zersetzt es in
Radikale. Diese schlagen sich auf dem Substrat nieder und bewirken dort die chemische
Abscheide-Reaktion. Dadurch kann eine höhere Abscheiderate bei geringerer
Abscheidetemperatur als mit nicht Plasma unterstützter CVD erreicht werden.



Druck >1 mbar
Temperatur: 200 - 500 °C
Aufwachsrate: 20 nm – 70 nm pro Minute
 geheizte Substrate, kalte Reaktorwände
 Abscheidung von Dielektrika (dotiertes und undotiertes SiO2, Si3N4, SiOxNy)
Vorteile aufgrund der niederen Temperaturen:
 es können Passivierungen, Ätzstoppschichten und Isolationsschichten nach oder zwischen
Metallisierungen abgeschieden werden.
 mechanische Spannungen in der abgeschiedenen Schicht, die durch unterschiedliche
thermische Ausdehnungskoeffizienten von Schicht zu Schicht induziert werden, sind kleiner.
Nachteile:
 Die gerichtete Bewegung führt zu Abschattungseffekten bei der Abscheidung und damit zu
einer schlechteren Kantenbedeckung als bei LPCVD.
 Unter ungünstigen Bedingungen können Reaktionen im Gasraum (Plasma) erfolgen und zu
Partikelbildung führen.
20
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Beispiel: Mechanismus der PECVD-Abscheidung
 Die Elektronen im Plasma erzeugen reaktive Spezies (Radikale) durch Ionisation,
Dissoziation und Anregung des Reaktionsgases. Die Radikale wandern zum geheizten
Substrat, reagieren und scheiden sich ab.
 Die Vorgänge an der Oberfläche, einschließlich der Desorption von Reaktionsnebenprodukten, werden durch den Beschuss mit geladenen Teilchen beeinflusst.
 Die positiv geladenen Teilchen werden zum kapazitiv gekoppelten Substrat beschleunigt.
Wdh.: Plasma
Als Plasma bezeichnet man in der Physik ein vollständig oder teilweise ionisiertes Gas, das zu
einem nennenswerten Anteil freie Ladungsträger wie Ionen oder Elektronen enthält und als
nunmehr elektrisch leitendes Medium eine Reihe von Eigenschaften besitzt, die es von Gasen,
Flüssigkeiten oder festen Körpern deutlich unterscheidet. Irving Langmuir war einer der ersten
Wissenschaftler, der mit Plasma arbeitete und diesen ionisierten Gasen den Namen „Plasma“ gab.
Der Begriff Plasma (griech.: das Formbare) schließt sich zum einen den griechischen Philosophen
an, die die Elemente Erde (fest), Wasser (flüssig), Luft (gasförmig) und Feuer (Plasma) kannten.
Zum anderen trifft die Bezeichnung des Zustandes als vierter Aggregatzustand auch aus moderner
Sicht zu, weil bei den im Plasma herrschenden hohen Temperaturen die Atome in positive Ionen
und negative Elektronen zerfallen und damit die Zerlegung der Materie in ihre Bestandteile
fortgesetzt wird.
1.3.
Schichterzeugung durch Umwandlung
Thermische Oxidation
Die thermische Oxidation ist das wichtigste Verfahren zur Herstellung von SiO2. Das Wachstum
von SiO2 auf Si spielt wegen der hohen Güte der Grenzschicht eine große Rolle in der
Halbleiterindustrie.
Der Anwendungsbereich liegt in Ätzstoppschichten, Ätzmaskierschichten, Isolierschichten,
Dielektrische Schichten, Passivierungsschichten, Haftschichten, freitragende Membranstrukturen,
Opferschichten, usw.
Die Oxidation von Si erfolgt mit O2. In „normaler“ Raumluft wächst eine ca. 2 nm dicke
Oxidschicht auf, das sog. „native oxide“. Für größere Schichtdicken muss die Temperatur erhöht
werden. Dafür gibt es das Verfahren der thermischen Oxidation. Die dazu verwendete Anlage ist ein
thermischer Oxidationsofen, der aus einem Quarzrohr mit drei Heizzonen und Einlassanschlüssen
für:
1. nur O2,
2. O2 leicht mit H2 angefeuchtet und
3. O2 getrennt von H2,
besteht.
21
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Bei der thermischen Oxidation wird zwischen der „trockenen Oxidation“ und der „nassen
Oxidation“ unterschieden. Die genaue Funktionsweise ist ausführlich in der bekannten Literatur
sowie in [1] beschrieben.
Folgend einige der wichtigsten Eckpunkte:
Bei der trockenen Oxidation ergibt sich eine sehr gute Qualität des Oxides, die Aufwachsrate ist
gering und die Prozesstemperatur liegt zwischen 800 °C und 1200 °C. Die so entstandene
Oxidschicht ist elektrisch stark belastbar (Durchbruchfeldstärke 550 V/µm), weißt aber eine starke
innere Druckspannung auf.
Bei der nassen Oxidation mit angefeuchtetem O2 kommt es zu Verunreinigungen des Oxids durch
Wasser. Die Durchbruchfeldstärke ist geringer als bei der trockenen Oxidation. Die
Prozesstemperatur liegt zwischen 900 °C und 1100 °C.
Bei der nassen Oxidation durch Verbrennung von O2 und H2 wird das Wasser durch
Knallgasverbrennung im Ofen erzeugt. Das sehr reine Wasser führt zu einem guten Oxid mit
geringen Verunreinigungen, das mit hoher Rate aufwächst. Nasse Verfahren werden wegen ihrer
schnellen Schichtwachstumsrate zum Abscheiden dickerer Schichten verwendet. Die Oxidation
endet, wenn der Abstand zwischen der Oxidoberfläche und dem Silizium mit interner Oxidation zu
groß wird. Die ungefähr erreichbare Oxiddicke liegt bei 2 µm.
Dotierung
Das Dotieren ist die gezielte Verunreinigung eines kristallinen Ausgangsmaterials mit geringern
Mengen von Fremdatomen, welche die (elektrischen) Eigenschaften stark ändern.
In der Mikroelektronik geht es um ein gezieltes beeinflussen der Leitfähigkeit oder um das
Erzeugen von p/n Übergängen.
In der Mikromechanik stellt man so hoch dotierte Stellen als Ätzstoppstrukturen her. Die Ätzrate
wird durch die Dotierung beeinflusst und dotierte Strukturen lassen sich selektiv freilegen.
n-Dotierung
 Dotieratome der 5. Hauptgruppe (P, Sb, As) werden in das Siliziumgitter eingebracht
 Außenelektron des Donators steht quasi freibeweglich zur Verfügung
 n-Leiter (negative charge) oder n-Typ Silizium
p-Dotierung
 Dotieratome aus der 3. Hauptgruppe (B, Al, Ga, In) fangen Elektronen ein (Akzeptoren)
 Elektronenleerstelle (Loch) wird erzeugt; Löcher sind frei bewegliche, fehlende negative
Ladungen
 p-Leiter (positive charge) oder p-Typ Silizium
Übersicht über die Dotierverfahren (näheres finden Sie in der entsprechenden Literatur/Vorlesung)
 Dotierung beim Kristallziehen
 Epitaxie
 Diffusion
 Ionenimplantation
 Legieren
22
Reinraumlaborkurs 1
1.4.
WS 14/15 & SS 15
Galvanik
Unter der Technologie Galvanotechnik versteht man die chemische und elektrochemische
Abscheidung von metallischen Niederschlägen (Überzügen) auf Gegenständen.
Es gibt die Möglichkeit galvanische Abscheidungen nach verschiedenen Kriterien einzuteilen,
1. nach den ablaufenden chemischen bzw. elektrochemische Prozessen: Abscheidung mit Hilfe
von elektrischem Strom, oder Abscheidung mit Hilfe chemischer Reduktionsmittel
(stromloses Galvanisieren), Abscheidung mit Hilfe von unterschiedlich edlen Metallen
(Sudabscheidung).
2. nach dem Verwendungszweck und Auftrag der abgeschiedenen Metallschicht: Erzeugen von
elektrischer Leitfähigkeit, Lötfähigkeit, Korrosionsschutz, Aufbau plastischer Strukturen =
Galvanoplastik (LIGA), Erzeugen dekorativer Oberflächen, Reinigen (Raffination) und
Darstellen von Metallen.
In der Mikrosystemtechnik spielt die Mikrogalvanik beim LIGA-Verfahren eine grundsätzliche
Rolle. Da die Aufwachsraten beim Sputtern und Aufdampfen im Gegensatz zur Mikrogalvanik sehr
gering sind, verwendet man die galvanische Abscheidung alternativ auch gerne dazu, um z.B.
dreidimensionale Strukturen aus Metall zu erzeugen, die Schichtdicke von Leiterbahnen an den
Stellen zu verstärken, wo später elektrische Kontaktierungen erfolgen sollen. Dieses Verfahren kann
jedoch nicht immer angewandt werden, da für die Galvanik bestimmte Voraussetzungen gegeben
sein müssen: Kontaktierungsmöglichkeit, elektrische Leitfähigkeit, chemische Stabilität der
Substrate den Elektrolyten gegenüber, d.h. das zu beschichtende Substrat muss eine Reihe von
Anforderungen erfüllen.
Im Verfahren der elektrochemischen Abscheidung wird durch ein elektrolytisches Bad Strom
geführt. Am Pluspol (Anode, verbraucht sich = geht als Metallkation in Lösung) befindet sich das
Metall, das aufgebracht werden soll (z.B. Nickel, Kupfer, Zinn usw.), am Minuspol (Kathode) der
zu veredelnde Gegenstand. Der elektrische Strom löst dabei Metallkationen von der
Verbrauchselektrode ab und lagert sie durch Reduktion auf der Ware (Kathode) ab. So wird der zu
veredelnde Gegenstand allseitig mit Metall beschichtet. Je länger sich der Gegenstand im Bad
befindet, umso stärker wird die Metallschicht.
Grundlage für das Auslegen galvanischer Beschichtungen ist das Faraday’sche Gesetz. Aus ihm
ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen der Galvanisierzeit und der Schichtdicke:
t 
  d  A z  F
M  I 
(1)
mit d: Schichtdicke, A: Galvanisierfläche, I: Stromstärke, F: Faraday-Konstante, M: molare Masse,
ρ: Dichte, z: Teilchenzahl, η: Stromausbeute
23
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Abbildung 8: Schematische Darstellung einer Galvanisieranlage [3]
Machen Sie sich an Hand der Literatur mit den folgenden Begriffen vertraut:
 Grundlagen der elektrochemischen Abscheidung
 Faraday-Gesetz
 Redoxreaktion
 pH-Wert
 Übergangsmetall
 elektrochemisches Potential
 chemische Eigenschaften von Metallen
24
Reinraumlaborkurs 1
2.
WS 14/15 & SS 15
Fragen zu der Prozessgruppe Dünnschichttechnik












In welcher Größenordnung liegen dünne Schichten?
Was ist der prinzipielle Unterschied zwischen „dünner Schicht“ und „Bulk-Material“?
Klassifizieren Sie grob die Erzeugung dünner Schichten.
Was ist der prinzipielle Unterschied zwischen PVD, CVD und thermischer Oxidation?
Nennen Sie die Hauptunterschiede zwischen Sputtern und Aufdampfen.
(Stichworte: gerichtet, ungerichtet; Teilchengeschwindigkeit; Abscheideraten; Vorteile,
Nachteile des jeweiligen PVD-Prozesses?)
Wodurch entstehen in Schichten innere Spannungen. Welche Konsequenzen hat dies für das
ganze Substrat?
Zählen Sie Kriterien auf, die man bei der Erzeugung dünner Schichten beispielsweise
erreichen möchte. Denken Sie dabei an bestimmte Eigenschaften, die die Schicht erfüllen
soll.
Durch welche Verfahren kommt es zu einer „Schichterzeugung durch Umwandlung“?
Nennen Sie die entscheidenden Parameter für die Haftfestigkeit.
Beschreiben Sie kurz die Funktion eines Primers (mechanisch / chemisch).
Welche nasschemischen Beschichtungsverfahren kennen Sie, um Schichten mit
Eigenschaften zu erzeugen, wie sie mit PVD- und CVD-Verfahren nicht hergestellt werden
können?
Was heißt Epitaxie (Unterschied: Homo-, Hetero)?
25
Reinraumlaborkurs 1
3.
WS 14/15 & SS 15
Modul B1-1: PVD-Prozess: Sputtern
Ziele
Dünne metallische Schichten werden überwiegend durch PVD-Verfahren, wie Aufdampfen und
Sputtern (Kathodenzerstäubung) erzeugt. Gesputterte Schichten zeigen eine gute Haftfestigkeit auf
den unterschiedlichsten Substraten. Im Praktikum kommt eine Sputteranlage zum Einsatz, die
sowohl mit Gleichspannung (DC) als auch mit Wechselspannung (RF) arbeiten kann.
Informieren Sie sich über das Thema Dünnschichttechnik:
 Definition
 Eigenschaften dünner Schichten
 Verfahren zur Erzeugung dünner Schichten
 Ziel des durchzuführenden Versuchs
Informieren Sie sich ausführlich über den Einsatzbereich, die Funktionsweise und die Vor- und
Nachteile des Sputterns:
 Komponenten einer Sputteranlage
 Sputterarten
 Eigenschaften der erzeugten Schichten
 Mittlere freie Weglänge der Teilchen in einer Sputteranlage
 etc.
Gewinnen Sie einen Eindruck der Hauptunterschiede zum Aufdampfen (nur ein paar Stichpunkte
zum Verständnis), denn die Anlagen sehen sich von außen relativ ähnlich.
In diesem Zusammenhang ist es wichtig, mit dem Begriff „Plasma“ umgehen zu können.
Beschäftigen Sie sich deshalb auch mit dem Thema „Plasma“. Beachten Sie dabei folgende
Schwerpunkte:
 Vorkommen (natürlich, künstlich)
 Eigenschaften von Plasmen
 Technische Plasma-Anwendungen
 Klassifizierung von Plasmen
 Erzeugung von Plasmen
 Methoden der Energiezufuhr (Thermische Anregung, Strahlungsanregung, Anregung durch
elektrostatische Felder, Anregung durch elektromagnetische Felder, Pinch-Effekt)
Ort
Gebäude 104 Reinraum 02 PVD und 06 Analytik/ Messtechnik
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
26
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Der Ablauf dieses Moduls
Reinigung der Wafer:
 Reinigung der Wafer (1 Keramik-, 2 Siliziumwafer) für das anschließende Prozessieren in
der Sputteranlage
 Aceton (Ultraschall), 3 min
 Isopropanol (Ultraschall), 3 min
 Spülen in DI-Wasser (QDR-Bad)
 Trocknen (Rinser Dryer)
 Substrate sind bereits in der Sputteranlage
An der Sputteranlage (Gerät 331 – Leybold – Univex500) im Raum 07:
Die Anlage ist bereits vom Vorgänger evakuiert und startbereit.
 Schematische Zeichnung der Sputteranlage gemeinsam erarbeiten und Komponenten
benennen.
 Funktionsprinzip einer Sputteranlage erarbeiten.
 Der Betreuer wird mit Ihnen hinter die Sputteranlage gehen und Ihnen die Rückseite der
Anlage (z.B. Versorgungsleitungen, Vakuumpumpe, etc.) erklären.
-6
 Evakuierzeit: mindestens 2 h (Rezipient sollte bereits auf ca. 3 x 10 mbar evakuiert sein)
 Prozessierung:
 Wafer sind bereits eingebaut in die Kammer
 Steuersoftware ist bereits programmiert
 Sputtern starten:
 (1) W-Ti sputtern (10 nm):
Anmerkung: Das Verhältnis W:Ti ist 90:10 im Target, wobei Titan als Haftvermittler und
Wolfram als Diffusionsbarriere dienen.
Während des Sputterns das Vakuum und das Plasma beobachten (Diskussion Plasma).
 Blendenstellung (geschlossen unter W-Ti-Target = weißer Strich muss auf W-Ti-Target
zeigen) und Targetwahl (W-Ti = Leuchte bei RF Targets) überprüfen
 Schieberventil auf Zwischenstellung (SCHIEBER ZWISCHENSTELLUNG)
 Gaseinlass (Argon) am Massflow-Controller (Tylan) einstellen (zuerst VALVE, dann
Wert: „30“; Druck 7 x 10-3 mbar)
 RF Spannungsversorgung einschalten (Hauptschalter)
 Leistung einstellen (100 W); Schalter auf „W“, RF ON
 Überprüfen ob Plasma brennt; eventuell den Gasstrom erhöhen, falls Plasma nicht
zündet
 Gegen Blende sputtern (ca. 30 s)
 Blende öffnen und gleichzeitig Programm starten (Schaltfläche „Prozess starten“)
-1
 Substrate mit W-Ti besputtern (Aufwachsrate: ca. 6 nm min ; falls mehrere
Waferpositionen aktiviert wurden, werden diese automatisch nacheinander prozessiert)
 Blende schließen (nach Prozessierung des letzten Wafers)
 RF Spannungsversorgung abschalten
 (2) Ni sputtern (200 nm):
Anmerkung: Nickel dient als Termistor-Schicht.
Blendenstellung (geschlossen unter Nickel Target = weißer Strich muss auf Nickel
Target zeigen) und Targetwahl (Nickel = Leuchte bei DC Targets) überprüfen
27
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Software auf neuen Prozess programmieren
Kammerdruck und Gasfluß kontrollieren (Wert: „30“; Druck: 7 x 10-3 mbar)
 DC Spannungsversorgung einschalten (Hauptschalter)
 Leistung einstellen (250 W); Schalter auf „W“, DC ON
 Überprüfen ob Plasma brennt; eventuell den Gasstrom erhöhen, falls Plasma nicht
zündet
 Gegen Blende sputtern (ca. 30 s);
 Blende öffnen und gleichzeitig Programm starten (Schaltfläche „Prozess starten“)
-1
 Substrate mit Ni besputtern (Aufwachsrate: ca. 46 nm min ; falls mehrere
Waferpositionen aktiviert wurden, werden diese automatisch nacheinander prozessiert)
 Blende schliessen nach Prozessierung des letzten Wafers
 DC Spannungsversorgung und Gaseinlass abschalten, Schiebeventil ganz öffnen
 Nach ca. 5 min (Abkühlphase): BELÜFTEN (Stickstoff vorher am Gastableau öffnen!)
 Nach Öffnen der Türe Stickstoff abstellen.
Nach dem Entladen der Substrate:
 Besputterte Substrate begutachten. Dabei ist auf folgende Merkmale zu achten
 Wafernummern abgleichen und notieren
 Homogenität, Fehlstellen, Interferenzmuster
 Oberflächenstruktur
 Glanz, „Spiegeln“
 Farbe
 Maschinenbuch ausfüllen und Werte eintragen
 Waferlaufzettel ausfüllen
 Einblick in die Anlage nehmen und die nun sichtbaren Komponenten gemeinsam erarbeiten.
 Anlage für die nachfolgende Gruppe wieder in Betrieb nehmen:
 Die gereinigten Wafer aus Waferbox nehmen, einschleusen und richtig positionieren.
 Wafernummern und Waferpositionen notieren und für die nachfolgende Gruppe hinterlegen.
 Waferlaufzettel für die eingebauten Wafer aktualisieren
 Maschinenbuch aktualisieren
 Evakuierung starten
 Resp. die Evakuierung, falls noch eine Gruppe danach kommt
 Sputteranlage evakuieren (HOCHVAKUUM)
 Beginn des Evakuierungsvorgangs kontrollieren (Druckabfall beobachten)


28
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Wafertransfer
Reinraumlaborkurs 1
Modul B1-1: Sputtern
Pro Gruppe:
2 Si blank
1 Keramik blank
Modul:
32 Si blank
16 Keramik blank
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
E
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Modul B1-1
Si-Wafer blank
2 Si blank
1 Keramik blank
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
M
Modul B1-1
2 Si Nickel
1 Keramik Nickel
E
Modul C2-1a
Vorprozessierte
Wafer
E
Modul B1-1
Si-Wafer blank
Keramik-Wafer blank
Abbildung 9: Grafische Darstellung des Wafertransfers von Modul B1-1
Auswertung der Versuche
Entsprechend den IMTEK-Protokoll-Vorgaben.
http://intern.imtek.de/content/studenten/download.php
29
Reinraumlaborkurs 1
4.
WS 14/15 & SS 15
Modul B1-2: PVD-Prozess: Aufdampfen
Ziele
Dünne metallische Schichten werden überwiegend durch PVD-Verfahren wie Aufdampfen und
Sputtern erzeugt.
Informieren Sie sich über das Thema Dünnschichttechnik
 Definition
 Eigenschaften dünner Schichten
 Verfahren zur Erzeugung dünner Schichten
 Ziel des durchzuführenden Versuchs
Informieren Sie sich auch über die Funktionsweise, Vor- und Nachteile und den Einsatzbereich des
Aufdampfens
 Komponenten und Aufbau einer Aufdampfanlage
 Verdampfungsquellen
 mittlere freie Weglänge der Teilchen in einer Aufdampfanlage
 Eigenschaften der erzeugten Schichten
 etc.
Informieren Sie sich auch über die Funktionsweise, Vor- und Nachteile und den Einsatzbereich des
Lift-Off-Prozesses
 Photolacke, Umkehrlack
 Entwicklungsverfahren
Gewinnen Sie einen Eindruck der Hauptunterschiede zum Sputtern (nur ein paar Stichpunkte zum
Verständnis), denn die Anlagen sehen sich von außen relativ ähnlich.
Ort
Gebäude 104 Reinraum 03 PVD und 08 Praktikum [Lift-off]
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
30
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Der Ablauf dieses Moduls
An der großen Aufdampfanlage im Raum 03
Diese ist bereits von Vorgänger evakuiert und in Betrieb, die Wafer sind eingeschleust. Die
Evakuierzeit beträgt mindestens 1 h, sonst ist die Schicht zu unrein. (Wissen Sie warum?)
Das Aufdampfen in unten aufgeführter Reihenfolge starten. Achtung: Für unterschiedliche Metalle
müssen unterschiedliche Leistungen eingestellt werden. Die optimale Aufdampfrate von Ti liegt bei
2 Ǻ/s, von Au bei 5 Ǻ/s. Eine Folie mit einem Graphen, der den Ablauf des Aufdampfens beschreibt
liegt vor Ort und kann angesehen werden.




1 Silizium-Wafer (AZ 5214, Umkehrlack, strukturiert mit Fingerstruktur = Dry1-Maske),
zum Aufdampfen von Ti (20 nm) und Au (50 nm) zum Lift-off
1 Silizium-Wafer (blank, ohne Resist) zum Aufdampfen von Ti (20 nm) und Au (50 nm).
Wafer für Modul F3-1 Schichtwiderstandsmessung und anschließendem Haftfestigkeitstest
mit Scotchband.
1 Silizium Wafer (blank, ohne Haftvermittlungsschicht, ohne Resist) zum Aufdampfen von
Au (50 nm). Wafer für Modul F3-1 Haftfestigkeitstest mit Scotchband.
Druck in der Aufdampfanlage und Temperatur der Kryopumpe zum Prozessbeginn notieren.
Aufdampfen Titan/Chrom:
 Mit Hilfe der Software alle Waferpositionen, die mit Ti bedampft werden sollen und die
Verdampfungsquelle (E-Beam) auswählen. Einstellen der Sollschichtdicke in kÅ.
 Überprüfen der voreingestellten Prozessparameter an der INFICON Steuereinheit.
 Spannungsquelle für Elektronenstrahl einschalten (ca. 11 kV)
 Drücken der Schaltfläche „Prozess starten“
 Das Glühen des Metalls durch das Fenster beobachten – AUGEN SCHÜTZEN!
 Die Werte für Schichtdicke, Vakuum und Aufdampfrate beobachten und für jeden Wafer
protokollieren.
 Nach Prozessende Spannungsquelle für den Elektronenstrahl ausschalten.
Aufdampfen Gold:
 Mit Hilfe der Software alle Waferpositionen, die mit Gold bedampft werden sollen und die
Verdampfungsquelle (thermisch) auswählen. Einstellen der Sollschichtdicke.
 Überprüfen der voreingestellten Prozessparameter an der INFICON Steuereinheit.
 Stromversorgung für die thermische Verdampfungsquelle (Schiffchen) einschalten.
 Drücken der Schaltfläche „Prozess starten“
 Das Glühen des Metalls durch das Fenster beobachten – AUGEN SCHÜTZEN!
 Die Werte für Schichtdicke, Vakuum und Aufdampfrate beobachten und für jeden Wafer
protokollieren.
 Nach Prozessende Stromversorgung für die thermische Verdampfungsquelle ausschalten.
31
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Prozess beenden und Wafer ausschleusen:
 Anlage belüften. Die Kryopumpe bleibt eingeschaltet, wird jedoch durch ein Ventil vom
Rezipienten getrennt. (Wissen Sie warum?)
 Zum Ausschleusen der Wafer wird das Karussell über die Software gesteuert.
 Bedampfte Substrate entladen und begutachten. Dabei ist auf folgende Merkmale zu achten
 Wafernummern abgleichen und notieren
 Homogenität, Fehlstellen, Interferenzmuster
 Oberflächenstruktur
 Glanz, „Spiegeln“
 Farbe
 Laufzettel und Maschinenlaufzettel ausfüllen und Werte eintragen
 Komponenten der Anlage zusammen mit Betreuer erarbeiten
 Anlage nach Entnahme der Wafer evakuieren, gegebenenfalls vorher Wafer für die
nachfolgende Gruppe einschleusen. (Wieso?)
Anlage für die nächste Gruppe vorbereiten:
 Die vorbereiteten Wafer einschleusen, die Wafernummern, Positionen und eventuell
vorherige Prozessschritte für die nachfolgende Gruppe notieren.
 Aufdampfanlage evakuieren (Taste „HiVac“)
Lift-off (Standard Lift-off-Prozess):
 Wafer mit Fingerstrukturen in Waferträger
 Qualität des Acetons und des Isopropanols überprüfen (Sichtprüfung)
 3 unabhängige Acetonbehälter zur restlosen Entfernung des abzulösenden Lackes und der
darauf liegenden Metallisierung. Eine vollständige Entfernung des Lackes in nur einem Bad
ist nicht möglich, da das erste Bad durch die große Menge des gelösten Lackes und durch
Metallfragmente schnell verunreinigt wird.
 Isopropanolbehälter zum Entfernen des Acetons
 DI-Wasser-Brause
 Trockenschleudern
Begutachtung der Fingerstrukturen unter Mikroskop:
 Sie bekommen einer Einweisung in den korrekten Umgang mit einem Mikroskop.
 Was können Sie unter dem Mikroskop erkennen? Welche Schlussfolgerungen zeihen Sie
daraus?
 Suchen Sie nach Strukturen zur Qualitätsprüfung, ob der Prozess erfolgreich war.
32
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Wafertransfer
Reinraumlaborkurs 1
Modul B1-2: Aufdampfen
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Pro Gruppe:
1 Si mit Umkehrlack
1 Si blank  Ti + Au
1 Si blank  Au
Modul:
16 Umkehrlack aus C2-1b
32 Si blank
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
E
E
Modul B1-2 Modul B1-2
Si-Wafer blank
Si-Wafer blank
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
2 Si blank
1 Si Umkehrlack (Lift-Off)
E
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
1 Si mit Ti + Au
1 Si mit Au
A
Modul B1-2
M
Modul B1-2
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
E
1 Si Umkehrlack
(Wafer für Lift-Off)
Modul B1-2
Modul D1-1
Lift-Off Wafer
Lift-Off Wafer
Abbildung 10: Grafische Darstellung des Wafertransfers von Modul B1-2
Auswertung der Versuche
Entsprechend den MST-Protokoll-Vorgaben.
http://intern.imtek.de/content/studenten/download.php
33
Reinraumlaborkurs 1
5.
WS 14/15 & SS 15
Modul B2-1: CVD-Prozess: PECVD/ LPCVD/ LTO
Ziele
In diesem Modul lernen Sie die „plasma enhanced chemical vapor deposition“, die „low pressure
chemical vapor deposition“ und das „low temperature oxide“-Verfahren näher kennen. Informieren
Sie sich dazu im Vorfeld ausführlich über die Funktionsweise, Vor- und Nachteile:
 von CVD-Prozessen (allgemein)
 des PECVD-Prozesses
 des LPCVD-Prozesses
 Oxidabscheidung SiO2: Si aus der Gasphase
 LTO (Low Temp. Oxide)
 TEOS (Ttra-Ethyl-Silan) (kein Si-Verbrauch aus Wafer)
 HTO (High Temp. Oxid)
 Schichtdickenbestimmung der Oxidschicht
 mit Hilfe einer Farbtafel
 durch ein Ellipsometer
In diesem Zusammenhang ist es wichtig, mit dem Begriff „Plasma“ umgehen zu können.
Beschäftigen Sie sich deshalb auch mit dem Thema „Plasma“. Beachten Sie dabei folgende
Schwerpunkte:
 Vorkommen (natürlich, künstlich)
 Eigenschaften von Plasmen
 Technische Plasma-Anwendungen
 Klassifizierung von Plasmen
 Erzeugung von Plasmen
 Methoden der Energiezufuhr (Thermische Anregung, Strahlungsanregung, Anregung durch
elektrostatische Felder, Anregung durch elektromagnetische Felder, Pinch-Effekt)
Ort
Gebäude 104 Reinraum 01 CVD
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
Der Ablauf dieses Moduls
Die Maschinen für die LPCVD dürfen nur von den RSC-Mitarbeitern bedient/manipuliert werden.
Diese Maschinen sind gut eingefahren und sehr kritisch in der Bedienung. Hinzu kommt, dass diese
Prozesse den Zeitrahmen eines Moduls bei weitem überschreiten. Deswegen überwiegt bei diesem
Modul das Anschauen der Maschinen und die Erklärung der theoretischen Arbeitsweise. Die
Theorie wird innerhalb des Moduls von Betreuer und Studenten gemeinsam erarbeitet.
Zur Übung ist während des ganzen Moduls auf den sorgfältigen und korrekten Umgang mit den
Wafern zu achten, d.h. Wafer nur mit Waferpinzette greifen oder zurecht rücken, sich nicht über
Wafer oder Waferbox beugen, nicht in Richtung Wafer sprechen, usw. Der Wafer spiegelt durch die
plane Oberfläche wortwörtlich jede kleinste Verschmutzung wieder. Machen Sie nach dem Modul
die Probe.
34
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Mikroskop: 1 Wafer mit Oxid als Ätzmaske (noch nicht Si- tiefengeätzt)
Mit den Prozessen dieses Moduls wird zum Beispiel die Ätzmaske für das Ätzen (Modul D1-1)
prozessiert.
 Sie werden in den korrekten Umgang mit einem Mikroskop eingewiesen.
 Dieser Wafer ist bereits vorbereitet für Model D1-1. Eine mittels Trockenätzen strukturierte
Oxidschicht ist die Maskierschicht für das nasschemische Ätzen.
 Der Wafer soll unter dem Mikroskop betrachtet werden.
 Notizen machen, was unter dem Mikroskop zu sehen ist:
 Maskierschicht
 Geöffnete Maskierschicht
 Farbunterschiede
Mikroskop: Wafer (Si- tiefengeätzt)
 Dieser Wafer wurde bereits geätzt und enthält die typischen Strukturen.
 Der Wafer soll unter dem Mikroskop betrachtet werden.
 Notizen machen, was unter dem Mikroskop zu sehen ist:
 Maskierschicht
 Unterätzte Maskierschicht
 Strukturen
 Farbunterschiede
PECVD-Anlage: Wafer prozessieren
 Funktionsprinzip der Anlage erarbeiten
 Details aus der Praxis, auf die Sie hinweisen können, sind z. B.:
 Der Mass Flow Controller (MFC) wird immer mit Stickstoff gespült.
 Die Druckeinheiten sind in Torr (mmHg) angegeben.
 Die Anlage verwendet Lachgas.
 3 Wafer (blank, vor jeder Abscheidung muss eine Reinigung erfolgen (Caro, < 3 h vor der
Abscheidung)
 aus Waferbox nehmen und mit den Schichtdicken bezeichnen
 Wafer mit Stickstoff abblasen oder komplett reinigen
 SiO2-Prozessierung nach vorprogrammierten Rezepten: Ergebnis ist jeweils 1 Wafer mit
90 nm, 128 nm und 200 nm
 Plasma durch das Sichtfenster beobachten und beschreiben
 Das Thema Plasma besprechen
 Welches Gas, wie es zündet, wie es am Brennen gehalten wird, etc.
LPCVD-/ LTO-Anlage:
 Es werden die Anlagen für LPCVD und LTO von der Weißraumseite aus, also von vorne,
gezeigt:
 Funktionsprinzip einer LTO-Anlage erarbeiten
 Funktionsprinzip einer LPCVD-Anlage erarbeiten
 Es werden die Anlagen für LPCVD und LTO von der Grauraumseite aus, also von der
Rückseite, gezeigt.
35
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Wafer vermessen:
 2 Wafer LPCVD Nitrid (bereits vorbereitet)
 2 Wafer LTO (bereits vorbereitet)
 3 Wafer PECVD SiO2
 1 Wafer (noch nicht tiefengeätzt, aber strukturiert mit Oxid als Maskierschicht für das
nasschemische Ätzen, wie es z.B. in Model D1-1 stattfindet)
Per Farbtafel
 Schichtdicke mit bloßem Auge und der am Ellipsometer vorliegenden Farbtafel ermitteln.
Wie kommen die unterschiedlichen Farben zustande?
 Kann man die Schichtdicke mit dieser Methode eindeutig bestimmen?
Per Ellipsometer
 Im Handbuch des Ellipsometers kann man zusammen mit dem Betreuer nachschauen,
welche Werte/Einstellungen man in der Software vornehmen kann.
 Die Schichtdicke am Ellipsometer vermessen und mit den per Farbtafel ermittelten Werten
vergleichen. Hier ist eine automatisierte Mehrpunktmessung in Matrixanordnung möglich.
Zusätzlich eine Messung am Rand des Wafer vornehmen.


Alle Messwafer für die nächste Gruppe reinigen und in die Waferbox zurückstellen.
Ergebnis der Messungen notieren, skizzieren, vergleichen, begründen.
Wafertransfer
Reinraumlaborkurs 1
Modul B2-1: CVD
Pro Gruppe:
3 Si blank
Messwafer
Modul:
48 Si blank
Messwafer: 1 Si mit Oxid
2 Wafer LPCVD
1 Wafer tiefengeätzt
2 Wafer LTO
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
E
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Modul B2-1
M
Si-Wafer blank
3 Si blank
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Modul B2-1
A
3 Wafer PECVD SiO2
Modul B2-1
E
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Modul B2-1
Si-Wafer blank
Modul B2-1
Messwafer
A
Modul B2-1
Abbildung 11: Grafische Darstellung des Wafertransfers von Modul B2-1
Auswertung der Versuche
Entsprechend den MST-Protokoll-Vorgaben: http://intern.imtek.de/content/studenten/download.php
36
Reinraumlaborkurs 1
6.
WS 14/15 & SS 15
Modul B3-1: Schichterzeugung durch Umwandlung
Ziele
In diesem Modul lernen Sie die beiden großen Verfahrensgebiete für die „Schichterzeugung durch
Umwandlung“ kennen. Zudem lernen Sie den so genannten HF-Dip kennen. Mit diesem Dip
können dünne Oxidschichten, wie sie durch Reaktion mit dem Luftsauerstoff entstehen, vor der
Weiterprozessierung entfernt werden. Informieren Sie sich dazu im Vorfeld ausführlich über die
Funktionsweise und die Unterschiede dieser beiden grundsätzlichen Verfahren:
 Die Thermische Oxidation (Oxidationsofen)
 Trockene Oxidation
 Feuchte Oxidation
 Die Dotierung (Diffusionsofen)
 Erschöpfliche und unerschöpfliche Quellen
 HF-Dip
 Wirkungsweise
 Umgang mit HF
Ort
Gebäude 104 Reinraum 01 CVD und 04 Nasschemie [HF-DIP]
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
Der Ablauf dieses Moduls
Kennenlernen des Oxidationsofens:
 Es wird Ihnen der Oxidationsofen gezeigt
 Von der Weißraumseite, also von vorne
 Von der Grauraumseite
 Teilprozesse der thermischen Oxidation skizzieren
 Die beiden Varianten der Oxidation finden im gleichen Ofen statt, trotzdem gibt es
Unterschiede. Welche?
Zur Übung ist während des ganzen Moduls auf den sorgfältigen und korrekten Umgang mit den
Wafern zu achten, d.h. Wafer nur mit Waferpinzette greifen oder zurecht rücken, sich nicht über
Wafer oder Waferbox beugen, nicht in Richtung Wafer sprechen, usw.. Der Wafer spiegelt durch die
Plane Oberfläche wortwörtlich jede kleinste Verschmutzung wieder. Machen Sie nach dem Modul
die Probe.
Kennenlernen eines Diffusionsofens:
 Dotierung durch Diffusion (dazu stehen zwischen den einzelnen Wafern bspw. BorScheiben, dies entspricht einer Diffusion aus unerschöpflicher Quelle)
 Diffusion aus (un-)erschöpflicher Quelle wird besprochen
 Schematische Zeichnung der Anlage erarbeiten
 ("Profil")-Skizzen
37
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Wafer vermessen:
 3 Wafer im Oxidationsofen feuchtoxidiert (bereits vorbereitet)
Per Farbtafel:
 Schichtdicke mit bloßem Auge und der am Ellipsometer vorliegenden Farbtafel ermitteln.
Wie kommen die unterschiedlichen Farben zustande?
 Kann man die Schichtdicke mit dieser Methode eindeutig bestimmen?
Per Ellipsometer:
 Im Handbuch des Ellipsometers kann man zusammen mit dem Betreuer nachschauen,
welche Werte/Einstellungen man in der Software vornehmen kann.
 Die Schichtdicke am Ellipsometer vermessen und mit den per Farbtafel ermittelten Werten
vergleichen. Hier ist eine automatisierte Mehrpunktmessung in Matrixanordnung möglich.
Zusätzlich eine Messung am Rand des Wafer vornehmen.
 Alle Wafer für die nächste Gruppe reinigen und in die Waferbox zurückstellen.
 Ergebnis der Messungen notieren, skizzieren, vergleichen, begründen.
HF–DIP Raum Nr. 04, hinterer Bereich, Digestorium
In diesem Modulteil soll Ihnen in einem einfachen, aber sehr anschaulichen Versuch die Wirkung
von HF-Säure demonstriert werden. Dazu wird ein Wafer zuerst unbehandelt und dann HF-gedippt
in DI-Wasser getaucht und dann jeweils das Benetzungsverhalten des DI-Wassers auf dem Wafer
beobachtet.
Dieser Versuch wird durch den Betreuer durchgeführt und muss in aller Ruhe stattfinden, da jeder
Schritt sehr bedacht sein muss.
 Einsatz von HF wird erklärt.
 Sie werden über HF und die Gefahren aufgeklärt
 Die Montur wird vom Betreuer komplett angelegt (nur der Betreuer führt diesen Versuch
durch. Halten Sie in eigenem Interesse ausreichenden Abstand.)
38
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Wafertransfer
Reinraumlaborkurs 1
Modul B3-1: Umwandlung
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Modul:
4 Si blank
3 Si mit FOX - 70 nm
- 200 nm
- 520 nm
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
E
Modul B3-1
Pro Gruppe:
1 Si blank
3 Si mit FOX
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
M
1 Si Wafer blank
Modul B3-1
RSC
1 Si nach HF-Dip
Modul B3-1
Si-Wafer blank
Modul B3-1
FOX-Wafer
RSC:
Wöchentlich 4 Wafer
Lauge / Entwickler
WLZ 10 P-B3-1
Abbildung 12: Grafische Darstellung des Wafertransfers von Modul B3-1
Auswertung der Versuche
Entsprechend den MST-Protokoll-Vorgaben
http://intern.imtek.de/content/studenten/download.php
39
Reinraumlaborkurs 1
7.
WS 14/15 & SS 15
Modul B4-1: Galvanik
Ziele
In diesem Modul lernen Sie ein Verfahren kennen, mit dem in relativ kurzer Zeit Schichten
aufgeschieden werden können. Es handelt sich hierbei um die Mikro-Galvanik, mit welcher im
Gegensatz zum Sputtern und Aufdampfen in kürzerer Zeit dickere Schichten hergestellt werden
können.
Ort
Gebäude: 104, Reinraum Materialschleuse
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
Vorbereitung auf das Modul
In diesem Modul wird die elektrolytische Abscheidung von Zinn zur Verstärkung einer Leiterbahn
an den Stellen verwendet, wo später - wie im Theorieteil bereits erwähnt - eine elektrische
Kontaktierung vorgenommen werden soll. Dazu stehen Ihnen bereits vorgefertigte Wafer zur
Verfügung. Auf diesen Wafern befindet sich eine aufgesputterte Nickelschicht, die nasschemisch
strukturiert wurde. Die mäanderartigen Strukturen mit jeweils einem Bondpad an beiden Enden,
stellen einen Nickeltemperatursensor dar. Die Nickelschicht hat eine Schichtdicke von ca. 200 nm.
Die Bondflächen sollen auf 6 µm verstärkt werden, damit danach die elektrische Kontaktierung
über Drähte, auf diesen so hergestellten Bondpads, mit verschiedenen Verfahren wie Löten oder
Ultraschallbonden erfolgen kann.
Dazu wird eine Lösung von Zinnmethansulfonat als Elektrolyt verwendet. Dieser Elektrolyt enthält
Sn2+-Ionen und Methansulfonatanionen (CH3SO3)1- in dissoziierter Form. Legt man das zu
beschichtende Substrat auf negatives Potential und eine Zinnelektrode auf positives Potential, so
wird das im Elektrolyt gelöste Zinn durch Aufnahme zweier Elektronen an der Kathode neutralisiert
und scheidet sich auf dem Substrat ab. Gleichzeitig werden durch diesen Strom in der Anode aus
dem kompakten Metall Zinnionen herausgelöst, so dass die Konzentration an Zinnionen im
Elektrolyten konstant bleibt.
Abbildung 13: Der elektrolytische Tank [1]
40
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Die Mikro-Galvanik zur Herstellung der Kontaktpads wird in einem temperierbaren,
chemikalienbeständigen Glasbecken durchgeführt.
Damit genügend Sn-Ionen zum Substrat gelangen, sowie um eine homogene Temperaturverteilung
im Bad zu erzielen, wird der Elektrolyt mit Hilfe eines Rührers und einer Heizplatte kontinuierlich
durchmischt und temperiert.
Der Glasbehälter ist mit einem Kunststoffdeckel verschlossen. Der Deckel enthält den
Substrathalter, der die Wafer zum galvanisieren aufnimmt. Der Wafer wird am vollen Umfang mit 8
Federkontaktstiften kontaktiert und mit dem Deckeloberteil fest gehalten. Der elektrische Kontakt
zum Wafer muss nach der Montage über den Durchgangswiderstand der Sonden untereinander
überprüft werden.
Im Praktikum wird ein Elektrolyt
Betriebsparametern verwendet:


folgender
Elektrolyt:
 Zinn:
20 g/l
Betriebsparameter:
 pH-Wert:
 Temperatur T:
 Stromdichte j = I/A:
 Teilchenzahl z:
 Stromausbeute η:
<1
ca. 25 °C, RT
10 mA/cm2
2
98 %
Zusammensetzung
und
mit

Elektrische Kontaktierung:
 Kontaktgeometrie:
Kreuzförmiger Stempel
 Kontaktmaterial:
Gold
 Kontaktierung:
Über Federvorspannung, Kontaktkraft ca. 10 mN

Zinn:
 Dichte ρ:
 Molare Masse M:
7,28 g/cm3
118,69 g/mol
Substrat:
 Galvanisierfläche A:
420 Bondpads a 2 mm²

41
folgenden
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Der Ablauf dieses Moduls











Schauen Sie sich den Wafer kurz unter dem Mikroskop an, um sich mit den Strukturen
vertraut zu machen.
Berechnen sie die Galvanisierzeit für eine Schichtdicke von 6 µm (Lackdicke ca. 6,5 µm)
und bestimmen sie die Gesamtmasse, die an Zinn abgeschieden wird.
Wafer 1 min. bzw. 30 s nacheinander in einer Lösung aus Benetzungslösung und 10 %-iger
Salzsäure vorbehandeln, um organische Rückstände und vorhandenes Nickeloxid zu
entfernen
Wafer in DI-Wasser 1 min. spülen, dabei Wafer auf und ab bewegen
Wafer in den Halter einpassen und befestigen
 Durchgangswiderstand zwischen den Sonden mit dem Multimeter überprüfen
 Widerstandsabhängigkeit der Bondpads auf dem Wafer ermitteln
Halter mit Wafer in das Galvanikbad einhängen
Galvanisierstrom einstellen, Stoppuhr betätigen
Galvanisieren
Halter aus der Galvanik nehmen und über dem Bad erstmals abspülen, Wafer ausbauen
Wafer reinigen und trocknen
 Wafer 5 min. in DI-Wasser spülen
 Lack strippen, reinigen (Standardprozess inkl. Trocknen)
Qualitätskontrolle
 Homogenität der Bondpads mit dem Mikroskop charakterisieren
 Vermessen der Höhe der Bondpads im Profilometer
42
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Wafertransfer
Reinraumlaborkurs 1
Modul B4-1: Galvanik
Pro Gruppe:
1 Si Ni-struk. + Lack + Maske
1 SiO2 Ni-struk. + Lack + Maske
Modul:
16 Si
16 SiO2
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
E
A
Modul B4-1
Modul B4-1
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Si-Wafer
M
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
1 Si Ni-struk.
1 SiO2 Ni-struk.
Modul B4-1
1 Si Ni-struk.
1 SiO2 Ni-struk.
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
E
A
Modul B4-1
Modul B4-1
SiO2-Wafer
Abbildung 14: Grafische Darstellung des Wafertransfers von Modul B4-1
Auswertung der Versuche:
Entsprechend den MST-Protokoll-Vorgaben
http://intern.imtek.de/content/studenten/download.php
43
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
C. Optische Lithographie
1.
Theorie
1.1.
Maskenherstellung
Die Fotolithografie ist einer der wichtigsten Prozessschritte in der Mikrotechnik und dient der
Übertragung einer zweidimensionalen Ausgangsstruktur in die Funktionsschichten. Zur
Strukturübertragung auf die Substrate werden Fotomasken aus UV-durchlässigen Gläsern mit einer
Chrom-Beschichtung benutzt. Die Strukturierung der Chrom-Schicht selbst wird wieder durch eine
Lithografie vorgenommen. Dabei kommen überwiegend Elektronenstrahlbelichter zum Einsatz.
Diese übertragen die Struktur zeilenweise auf die chrom- und lackbeschichtete Glasmaske. Diese
Lackschicht wird entwickelt und die Struktur durch Ätzen auf die Chromschicht übertragen.
Standarddatenformat für die Maskenschreiber ist das GDS II. Für die Erstellung der Fotomasken
sind also folgende Schritte notwendig:
 Erstellen der Maskenstruktur mittels CAD
 Übertragen der CAD-Daten auf einen Maskenschreiber
 Maskenlithografie
 Chromschicht der Maske strukturieren
 Fotolack entfernen, Maske reinigen
 Kopieren der Originalmaske ergibt die eigentliche Arbeitsmaske
Chrom
Abbildung 15: Beispiel für eine Dunkel- und Hellfeldmaske
44
Reinraumlaborkurs 1
1.2.
WS 14/15 & SS 15
Lithographie
Unter Lithografie versteht man in der Mikrosystemtechnik und Mikroelektronik die Prozessfolge,
die ein Muster von einer Maske auf die Substratoberfläche überträgt.
Prozessfolge der Lithographie










Clean (Reinigung der Substratoberfläche)
Pre Bake (Ausheizen der Substrate (Entfernen von Wasserresten))
Priming (Haftvermittler aufbringen (HMDS, Hexamethyldisilazan))
Resist Coating (Fotolack aufschleudern (Spincoating, ein Teil des Lösemittels verdampft))
Soft Bake (Austreiben von 70 bis 80 % des Lösemittels)
Expose (Belichten (Maskaligner, Stepper))
Develop (Entwickeln)
Hard Bake (restliches Lösemittel wird entfernt)
Prozessierung
Strip (nach der Übertragung der Struktur in die Funktionsschicht wird der Fotolack entfernt)
Priming / Haftvermittlung
Zur Verbesserung der Lackhaftung auf den Substraten, meist mit Oberflächen aus Si oder SiVerbindungen, wird diese Oberfläche silanisiert. Die Substrate werden bei ca. 119 °C HMDS
(Hexamethyldisilazan)-Dämpfen ausgesetzt, oder mit flüssigem HMDS besponnen und bei ca.
115 °C getempert. Bei der Temperatur wird HMDS in Si(CH3)-Komponenten zerlegt. Das Si bindet
sich danach mit der Si-, Si-Nitrid- oder Si-Oxid-Oberfläche, der Fotoresist mit der Methylgruppe
(CH3). Damit wird die Resisthaftung auf der Substratoberfläche durch die monomolekulare
Verankerungsschicht verstärkt.
Resist
Je nachdem, ob der Resist sich an den belichteten Stellen im Entwicklungsbad löst oder nicht löst,
unterscheidet man Positiv- und Negativlacke (Abb. C2-1). Aufgrund der höheren spektralen
Empfindlichkeit werden heute überwiegend Positivlacke eingesetzt. Ausnahmen sind die LIGA
Technik und die Deep UV Lithografie, wo auch Negativlacke zum Einsatz kommen.
Als weitere Gruppe gibt es die so genannten Umkehrlacke (image reversal resist). Dieser Resist
wird bei der Belichtung in chemisch lösliche und unlösliche Bereiche strukturiert. Anders als im
Falle eines Positiv-Resists, ist das Bild der belichteten und entwickelten Lackstrukturen gegenüber
der Maske negativ, wobei die Lackkanten nach innen geneigt sind (wichtig für die Lift-off-Technik,
siehe bei B1-2 Aufdampfen). Trotz des negativen Bildes darf dieser Lack nicht mit einem NegativResist verwechselt werden.
Chemisches Verhalten und Resistarten sind ausführlich in der Literatur zu finden.
45
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Abbildung 16: Lithographie mit Positiv- und Negativlack [1]
Belichtung
Die Übertragung der Maskendaten auf den Wafer erfolgt entweder durch eine 1:1 Projektion mit
UV-Licht (Hg-Dampf Hochdrucklampe, Excimer-Laser) im Mask-Aligner (Kontakt- oder
Proximitybelichtung) oder durch eine Projektion eines Reticles im Step and Repeat – Verfahren
(siehe Abb. 17-a). Im Praktikum wird mit einem Mask-Aligner (MA6) der Firma Karl Suss
belichtet (siehe Abb. 17-b).
a)
b)
Abbildung 17: a) Step and Repeat Strukturübertragung; b) MA6 der Firma Karl Suss
46
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Entwicklung
Bei der Entwicklung werden die Bereiche gelöst, in denen durch die UV-Strahlung die
Polymerketten des Fotoresists zerstört wurden (Positivlack), bzw. es werden die Bereiche gelöst, in
denen durch fehlende UV-Strahlung keine ausreichende Vernetzung des Polymers stattgefunden hat
(Negativlack).
Aufnahme der Fotolack-Schleuderkurve (für Modul C2-1a)
Die Weißlichtinterferometrie basiert auf den Reflexionseigenschaften optisch dünner Schichten
(Vielstrahlinterferenz). Das reflektierte Spektrum weist eine Modulation der Intensität in
Abhängigkeit der Wellenlänge auf (Abb. 18). Die Berechnung solcher Spektren erfolgt auf Basis
der Matrixmethode, kann aber auch rein geometrisch optisch hergeleitet werden (Farben dünner
Plättchen).
Abbildung 18: Reflexionsspektrum eines Schichtsystems bestehend aus BK7 Substrat - SiO2 0,5 µm - Photolack 1 µm
und 2 µm -Luft
Die Auswertung der gemessenen Kurve erfolgt durch einen Vergleich mit einer berechneten Kurve
nach obigen Verfahren, bei welcher die Parameter der gesuchten Dicke und Brechzahl derart variiert
werden, bis gemessene und berechnete Kurve bestmöglich übereinstimmen. Dieser „Fit“ erfolgt
nach dem Verfahren der minimalen Fehlerquadrate(„least square fit“). Hierzu ist eine geeignete
Auswahl der Startparameter erforderlich.
Das Weißlichtinterferometer basiert auf einem herkömmlichen Mikroskop, in dessen Strahlengang
eine Strahlteilung eingebaut ist. Das hier aus dem Strahlengang herausgeführte Licht wird in eine
Faser eingekoppelt und über diese zu einem Spektrometer geleitet. Das hier erhaltene
wellenlängenabhängige Intensitätssignal wird dem Personal Computer übermittelt und mit Hilfe des
47
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
oben beschriebenen Verfahren ausgewertet. Der Vorteil im Vergleich zu mechanischen
Profilometern ist der große Messbereich bei einer sehr guten vertikalen Auflösung von einigen
Nanometern. Ergebnis dieser Messung ist die gesuchte Schichtdicke und gegebenenfalls die
Brechzahl der Schicht.
2.
Fragen
zu
Lithographie:








der
Prozessgruppe
optische
Welche Arten der Lithographie gibt es?
Beschreiben Sie grob den Ablauf einer Lithographie?
Welche Strahlungsquellen werden verwendet und in welchem Wellenbereich?
Wodurch wird die minimale Strukturbreite bestimmt, die man durch eine Lithografie
übertragen kann (Faktoren)?
Welche Möglichkeiten gibt es, die Strukturauflösung einer Lithografie zu verbessern?
Welche Belichtungsverfahren (Strukturübertragung auf Resist) gibt es, beschreiben Sie
Funktion und Vor- und Nachteile?
Stellen Sie die Eigenschaften von Negativ- und Positivresiste tabellarisch gegenüber.
Wie funktioniert ein Resist chemisch?
48
Reinraumlaborkurs 1
3.
WS 14/15 & SS 15
Modul C1-1: Masken
Ziele
In diesem Modul lernen Sie den Aufbau, die Herstellung, die Arten und den Umgang mit
Lithographiemasken in der Praxis kennen. Informieren Sie sich dazu im Vorfeld ausführlich über
1. Maskentypen
2. verwendete Materialien für Maske und Absorberstruktur
3. Maskenherstellungsverfahren (Strukturierung der Absorberschicht)
4. Belichtungsverfahren (um den Resist mittels Maske zu strukturieren)
5. Lithographieverfahren und die Auswirkungen/Anforderungen an die Maske
6. Resist-Typen (Positiv-/ Negativresist, Umkehrlack: Konzentration weniger auf die Chemie,
als auf die Unterschiede beim Belichten, also, was stehen bleibt)
Ort
Seminarraum (wird kurzfristig festgelegt – i.d.R. Geb. 103, 2. OG, Raum 014)
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
Der Ablauf dieses Moduls
Masken skizzieren:
Skizzieren Sie die Masken für folgende sich wiederholende Struktur (Vorbereitung für das MaskenTool). Hinweis: Die Leiterbahnen werden unterschiedlich „prozessiert“.
Abbildung 19: Leiterbahnkreuz mit Durchkontaktierungen
49
Reinraumlaborkurs 1





WS 14/15 & SS 15
Trägersubstrat: Si-Wafer mit Haftvermittlerschicht
Layer 1: AU-Leiterbahnen a und b (je 100 µm breit, prozessiert werden sollen diese durch
Aufdampfen und mittels Lift-off-Technik, also mit Umkehrlack)
Layer 2: Isolierschicht mit Durchkontaktierungen (diese sollen geätzt werden; zu
berücksichtigen ist, dass die Durchkontaktierungen durch das Ätzen größer ausfallen können
also die vorgegebene Dimension auf der Maske, sie können also auf der Maske etwas
kleiner ausfallen)
Layer 3: Al-Leiterbahnen c und d (je 100 µm breit; Schicht wird gesputtert, die Leiterbahnen
sollen durch Ätzen entstehen; Annahme: es steht nur Negativ-Lack zur Verfügung)
Layer 4: Passivierungsschicht zum Schutz der Leiterbahnen (die Strukturen sollen durch
Ätzen entstehen, die Zwischen-Kontakte sollen frei bleiben; Annahme: es steht nur PositivLack zur Verfügung)
50
Reinraumlaborkurs 1
4.
WS 14/15 & SS 15
Modul C2-1a: Lithographie: Resist
Ziele
Unter Lithografie versteht man in der Mikrosystemtechnik und Mikroelektronik die Prozessfolge,
die ein Muster von einer Maske auf die Substratoberfläche überträgt. In diesem Modul lernen Sie
die verschiedenen Resist-Typen und die Prozess-Schritte des Belackens in der Praxis kennen. Damit
werden in diesem Modul die Wafer für die Belichtung vorbereitet, die in Modul C2-1b stattfindet.
Informieren Sie sich im Vorfeld ausführlich über:
 Resist-Typen (Positiv-/ Negativrestist, Umkehrlack)
 die Resistchemie (Änderung der Molekülstruktur durch die Belichtung, etc.)
 SU-8
 die einzelnen Prozesspunkte (bis zu dem Punkt, an dem der Wafer zum Belichten bereit ist)
 Funktionsweise Weißlichtinterferometer
Ort
Gebäude 104 Reinraum 05 Photolithographie
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
Der Ablauf dieses Moduls
Praktikumsablauf :



Vorübung: Belacken von 4-5 Wafern zum Üben
Schleuderkurve: Belacken von 5 Wafern mit unterschiedlicher Geschwindigkeit
Für Belichtung: Belacken der 5 Wafer für das Belichtungsmodul C2-1b
Equipment:






HMDS-Hotplate (Haftvermittler, priming)
Hotplate (softbake, hardbake)
Spincoaters (coating)
Pipette
Waferpinzette
Waferlaufzettel
Vorbereitungen:


HMDS Hotplate vorheizen: Gerät gleich zu Beginn einschalten (Vorheizen): Rezept 1
wählen und auf Start drücken, da erst dann das Aufheizen beginnt
Hotplates vorheizen (100 °C)
51
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Vorbereitung der Pipetten mit Resists (Betreuer):


Volumen pro Step hängt von der Pipettenspitze ab
Es gibt Pipettenspitzen mit maximalen Volumen: 12,5 ml, 25 ml, 50 ml
Der Bedarf an Resist beträgt ca.:
 AZ 1518:
 Menge: 30 ml + Reserve; ((5 + 5 + 5) Wafer * 2 ml +Reserve)
 Pipettenspitzen: 25er (25 ml)
 Pipetteneinstellung: 4
 AZ 5214: 2 ml (1 Wafer * 2ml + Reserve)
 Pipettenspitze: 12,5er (12,5 ml)
 Pipetteneinstellung: 4
Vorübung: Handling von Pipette und Spincoater





Testbelackungen von 4-5 Wafern zum Erlernen des Umgangs mit der Pipette (1 Wafer
durch den Betreuer, anschließend jeder Student einen Wafer)
 Spincoater programmieren: Bei 4000 U/min aufschleudern
 2 ml AZ 1518 Resist luftblasenfrei in der Mitte des rotierenden Wafer
Softbake auf Hotplate 50 s @ 100 °C
Visuelle Qualitätskontrolle
 Wie ist der erste optische Eindruck der Belackung (Luftblasen, Schlieren, Homogenität,
Partikeleinschlüsse, Randbereich)?
Wafer zurück in den Carrier (zur späteren Reinigung durch das Reinraumpersonal)
Prozessierte und unprozessierte Wafer im Carrier getrennt gruppieren und nach Reihenfolge
der Bearbeitung einsortieren
Durchführung (Belacken):
Vorbereitung von 10 Wafer (5 Wafer für die Schleuderkurve und 5 Wafer für die weitere
Prozessierung)
Zur Verbesserung der Lackhaftung auf den Substraten mit Oberflächen aus Si oder SiVerbindungen, wird diese Oberfläche mit Haftvermittler beschichtet. Die Substrate werden bei ca.
119 °C HMDS (Hexamethyldisilazan)-Dämpfen ausgesetzt, oder mit flüssigem HMDS besponnen
und bei ca. 115 °C ausgeheizt. Das HMDS besitzt sowohl eine Silizium-, als auch eine
Methyl(CH3)-Komponente. Das Si bindet sich mit der Si-, Si-Nitrid- oder Si-Oxid-Oberfläche, der
Fotoresist mit der Methylgruppe (CH3). Damit wird die Resisthaftung auf der Substratoberfläche
durch die monomolekulare Verankerungsschicht verstärkt.
 Das HMDS kurz vor der Verwendung der Wafer aufbringen.
Für die Schleuderkurve: Belacken von insgesamt 5 (blank-)Wafern
 Rotierende Wafer mit dem 2 ml Resist AZ 1518 belacken (coating)
 5 Schleuderdrehzahlen 30 s @ 5000, … , 1000 U/min in 1000 U/min Schritten, jeweils 1
Wafer verwenden.
52
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Rezept (Programmierung zusammen mit den Studenten):


1. Schritt
 n = 800 rpm
 ta = 200 ms (Beschleunigungszeit)
 tb = 5 s (Bearbeitungszeit für Lackauftrag)
2. Schritt
 n = [5000, 4000, 3000, 2000, 1000] rpm
 ta = 1500 ms (Beschleunigungszeit)
 tb = 30 s (Schleuderzeit)
 Erwartete Resistdicke: 1,8 µm bis 2,1µm @ 4000 U/min
 Ausheizen (Softbake) auf der Hotplate 50s @ 100 °C
 Visuelle Qualitätskontrolle
 Wafer zurück in Wafercarrier stellen, (gruppieren und sortieren)
Für die Belichtung in Modul C2-1b:
3 nickelbeschichtete Wafer, (1 Keramik-, 2 Si-Wafer für Mäanderstruk. Modul C2-1b)
kein HMDS aufbringen (warum?)
 Rotierenden Wafer mit 2 ml Resist AZ 1518 belacken (kein Lift-off fähiger Resist
Datenblatt im Reinraum vorhanden)
 Rezept 4
 Schleuderdrehzahl: 40 s @ 4000 U/min (2 µm)
 Ausheizen (Softbake) bei 50 s @ 100 °C
 Visuelle Qualitätskontrolle
 Wafer in schwarze Waferbox stellen
Info für die Studenten: Diese Wafer werden in Modul C2-1b mit der Mäandermaske belichtet für
das anschließende Ätzen der Nickelschicht.







1 Silizium-Wafer mit Nickelmäanderstruktur (für Bondpadstruktur Modul C2-1b)
Silizium-Wafer mit Nickelmäanderstruktur
Rotierenden Wafer mit dem 2 ml Resist AZ 1518 belacken
 Rezept 4
 Schleuderdrehzahl: 40 s @ 4000 U/min (2 µm)
 Ausheizen (Softbake) bei 50 s @ 100 °C
Visuelle Qualitätskontrolle
Wafer in schwarze Waferbox stellen
Info für die Studenten: Dieser Wafer wird in Modul C2-1b mit der Bondpadmaske strukturiert damit
das anschließende Aufgalvanisieren einer Zinnschicht stattfinden könnte. Dieser Wafer wird nach
Modul C2-1b jedoch gestrippt und wieder in die Eingangsbox von Modul C2-1a gegeben.
53
Reinraumlaborkurs 1



WS 14/15 & SS 15
1 blank-Wafer (für Fingerstruktur Modul C2-1b; korrekte Belichtung)
 Rotierenden Wafer mit dem 2 ml Resist AZ 5214 E belacken (Lift-off fähiger Resist
Umkehrlack, Datenblatt im Reinraum vorhanden)
 Rezept 4 für 1,6 µm – 1,7 µm Resistdicke
 Ausheizen (Softbake) bei 50 s @ 110 °C
Visuelle Qualitätskontrolle
Wafer in schwarze Waferbox stellen
Info für die Studenten: Bei der Lithographie Modul C2-1b werden unterschiedliche
Belichtungszeiten gewählt, um die Auswirkungen einer Unter- bzw. Überbelichtung zu zeigen. Die
korrekt belichteten Fingerstrukturen werden mittels Lift-off-Prozess weiterprozessiert.
Weisslichtinterferometer:
 Am Weisslichtinterferometer (Raum Nr. 05) werden die Schichtdicken der 5 Wafer welche
mit unterschiedlichen Geschwindigkeit belackt wurden vermessen:
 Vor der Messung kalibrieren.
 Substratparameter eingeben bzw. auswählen
 Für die Schleuderkurve (Lackdicke über Drehzahl Spincoater) die 5 verschiedenen
Wafer an sinnvollen Punkten messen. (Vorschlag von Ihnen zu sinnvollen Punkten)
 Überprüfen, ob Zieldicken der einzelnen Resistschichten erreicht wurden
 Streuung der Messwerte einer Mehrfachmessung am identischen Punkt aufnehmen.
54
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Wafertransfer
Reinraumlaborkurs 1
Modul C2-1a: Litho
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Modul C2-1a
Vorprozessierte
Wafer
1. Gruppe
E
M
C2-1a: 08:00 h - 11:00 h
C2-1b: 14:00 h - 17:00 h
E
Modul:
4 Si blank (Testbel.)
5 Si blank (Schleuder.)
2 Si Nickel
1 Ker. Nickel
1 Si Nickelmäander
1 Si blank (Umkehrlack)
8 Si blank (Testbel.)
10 Si blank (Schleuder.)
32 Si Nickel
16 Ker. Nickel
16 Si Nickelmäander
16 Si blank (Umkehrlack)
Die Modulboxen werden im
Modul C2-1a und C2-1b
verwendet. Nach absolvieren
von Modul C2-1a muss die Box
in das Regal von Modul C2-1b
gestellt werden !
Modul C2-1
4 Si Testbelackung (nur C2-1a)
5 Si Schleuderkurve (nur C2-1a)
2 Si Nickel
1 Keramik Nickel
1 Si Nickelmäander
1 Si für Umkehrlack (Lift-Off)
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Pro Gruppe:
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Modul C2-1a
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
E
Modul C2-1a
Si-Wafer blank
2. Gruppe
Si-Wafer blank
M
Die Wafer unbedingt wie in der
Beschreibung auf der
Waferbox aufgeführt in die Box
einordnen um Verwechslungen
auszuschleißen !
C2-1a: 11:00 h - 14:00 h
C2-1b: 17:00 h - 20:00 h
Modul C2-1
4 Si Testbelackung (nur C2-1a)
5 Si Schleuderkurve (nur C2-1a)
2 Si Nickel
1 Keramik Nickel
1 Si Nickelmäander
1 Si für Umkehrlack (Lift-Off)
Achtung! Waferboxen
nur im Gelblichtbereich öffnen
Abbildung 20: Grafische Darstellung des Wafertransfers von Modul C2-1a
Am Ende von Modul C2-1a stellen sie die Modulbox mit allen belackten Wafern direkt in das
Fach von Modul C2-1b!
Auswertung der Versuche:
Entsprechend den MST-Protokoll-Vorgaben.
http://intern.imtek.de/content/studenten/download.php
55
Reinraumlaborkurs 1
5.
WS 14/15 & SS 15
Modul C2-1b: Lithographie: Exposure
Ziele
Unter Lithografie versteht man in der Mikrosystemtechnik und Mikroelektronik die Prozessfolge,
die ein Muster von einer Maske auf die Substratoberfläche überträgt. In diesem Modul lernen Sie
die Prozess-Schritte der Belichtung und die Nachprozessierung in der Praxis kennen. Durch die
Belichtung wird der Lack strukturiert. Im sich anschließenden Entwicklungsprozess werden die
löslichen Komponenten entfernt. Die für die Belichtung notwendigen Vorbereitungen (Belackung
der Wafer) werden im Modul C2-1a durchgeführt.
Informieren Sie sich im Vorfeld ausführlich über:
 die Wellenlängen, mit denen belichtet werden kann (z.B. g-line, i-line)
 Auswirkungen von zu kurzen oder zu langen Belichtungszeiten
 den prinzipiellen Aufbau eines Mask-Aligners
 Vor- und Nachteile der verschiedenen Belichtungsverfahren (Kontakt-, Proximity-,
Projektionsbelichtung)
 die einzelnen Prozesspunkte der Lithographie
 sowie über die oben genannten Themen aus Modul C2-1a
Ort
Gebäude 104 Reinraum 08 Praktikum
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
Der Ablauf dieses Moduls









Kennenlernen des Equipments:
Maskaligner (exposure)
Erklärung und Bedienung
Entwickler (developing)
Erklärung und Bedienung
Hotplates
Erklärung und Bedienung
Waferpinzette & Carrier
Erklärung und Bedienung
56
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Sich wiederholende Schritte beim Belichten

Schritt 1: Maske einbauen
 Einbau der Nickelmäandermaske (für Flatalignment)
 Maske aus Schutzverpackung herausnehmen (evtl. Kontrolle und reinigen)
 Maske richtig herum einbauen (Absorberschicht nach unten, Richtung Wafer)
 Maske mit Optik des Maskenaligners alignen

Schritt 2: Wafer laden
 Einbau des Si-Test-Wafers.
 Si-Test-Wafer auf den Chuck laden und grob ausrichten (Flat muss an Stiften anliegen)

Schritt 3: Alignment (Justage durchführen)
 Der MA6 soll von Ihnen abwechselnd bedient werden. Beispielfolien zum Zeigen der
wesentlichen Alignmentstrukturen sind vor Ort.
 Flatalignment
■ Der Vorgang des Flatalignment/der Justage wird Schritt für Schritt erläutert und dann
von Ihnen abwechselnd selbst durchführt.
■ Lineares Ausrichten Y mit einem Objektiv, Rotation mit einem oder zwei Objektiven
(Splitscreen). Lineares Ausrichten X (Zentrieren) durch symmetrisches Bild mit 2
Objektiven
 Ausrichten auf Alignmentstrukturen (Bondpadmaske auf Ni Mäander)
■ Alignmentstrukturen
von Maske und strukturierter Schicht müssen in
Übereinstimmung gebracht werden
■ Feinalignment mit Optik

Schritt 4: Belichten (Exposure)
 Durch das Einwirken des UV-Lichts werden die für die Resists spezifischen Reaktionen
aktiviert. (Belichtungszeiten, siehe unten)
 Belichtungszeit einstellen und Starten (Exposure)
 Der Wafer wird in den Belichter gefahren und die Blende automatisch geöffnet

Schritt 5: Entwickeln im Sprühentwickler
 Bei der Entwicklung werden die Bereiche gelöst, in denen durch die UV-Strahlung die
Polymerketten des Fotoresists zerstört wurden (Positivlack), bzw. es werden die
Bereiche gelöst, in denen durch fehlende UV-Strahlung keine ausreichende Aushärtung
des Polymers stattgefunden hat (Negativlack).
 Wichtig: Vakuum kontrollieren und Schutzbrille tragen!
 Wafer einlegen und mittels des Lochs oben im Entwickler die Zentrierung sicherstellen
 Klappe schließen, Programm auswählen (Betreuer) und starten

Schritt 6: Hardbake auf der Hotplate
 Nach dem Entwickeln wird restliches Lösemittel ausgebacken & Resistschicht gefestigt.
57
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Prozessierung der Wafer:
Vier Wafer werden mit zwei unterschiedlichen Masken belichtet. Die Wafer wurden im
vorangegangenen Modul C2-1a mit zwei unterschiedlichen Lacken mittels Spincoating beschichtet.
Vier Wafer mit einem dünnflüssigen Positivlack AZ 1518 und ein Wafer mit dem Umkehrlack
AZ 5214 für einen Lift-Off Prozess.
Sie können entsprechend der Datenblätter (im Reinraum) der Resists die Belichtungszeiten selbst
heraussuchen.
Die Belichtungszeiten beziehen sich auf eine Leistung von 9 W/cm².
Umkehrlack für den Lift-off: Fingerstrukturmaske = Dry1-Maske (für das Aufdampfen)
 1 Si-Wafer blank (mit Umkehrlack, 1,7 µm, AZ 5214):
 Flatalignment
 Belichtung: 0,8 s (evtl. länger falls Lampe schon älter ist)
 Reversal Bake 120 s @ 115 °C
 Flutbelichtung 20 s
 Sprühentwickler: AZ 5214: Prog. D
 Kein weiterer „bake“
Ätzschutzschicht für die Nickelmäander: Mäanderstrukturmaske
 3 Wafer Nickel flächig (2 Si-Wafer, 1 Keramik) (mit Positivlack, 2 µm, AZ 1518):
 Flatalignment
 Belichtungszeit: 2,8 s (evtl. länger falls Lampe schon älter ist)
 Sprühentwickler: AZ 1518: Prog. P*
 Hardbake auf der Hotplate (115 °C, 50 s)
* Beispiel Prog. P:



Entwickler (AZ 726 MIF für AZ 1518) (45 s bei ca. 150 U/min)
Spülen mit DI-Wasser (ca. 30 s bei 150 und 2000 U/min)
Trockenschleudern (ca. 40 s bei 4000 U/min)
Nachprozessierung der Wafer

Qualitätskontrolle unter dem Mikroskop
 Ergebnis mit der Maske vergleichen
 Resistkanten begutachten
 Vergleich mit Umkehrlack, umgekehrter Hell-/ Dunkelkontrast
 Mäanderstrukturen: Vergleich zwischen Keramikwafer und Siliziumwafer
 Bondpadstrukturen begutachten - Alignment korrekt?
58
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Wafertransfer
Abbildung 21: Grafische Darstellung des Wafertransfers von Modul C2-1b
Auswertung der Versuche
Entsprechend den MST-Protokoll-Vorgaben
http://intern.imtek.de/content/studenten/download.php
59
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
D. Ätzen
1.
Theorie
1.1.
Ätzen dünner Schichten
Im Gegensatz zur Mikroelektronik, wo sich Plasmaätzverfahren zur Strukturierung durchgesetzt
haben, werden in der Mikrosystemtechnik zur dreidimensionalen Formgebung und aufgrund der
größeren lateralen Strukturabmessungen der Mikrosysteme noch verstärkt anisotrope und isotrope
nasschemische Ätzverfahren eingesetzt.
Abbildung 22: Ätzen dünner Schichten: Isotropie, Anisotropie und Unterätzung [1]
Das nasschemische Ätzen dünner Schichten erfolgt entweder durch das Besprühen des zu ätzenden
Materials oder durch das komplette Eintauchen in ein Ätzbad. Dieser Ätzvorgang ist im
Allgemeinen isotrop, das bedeutet: unabhängig von der Richtung (im Gegensatz zum anisotropen
Ätzen). Man erhält als Ätzprofil, solange nicht überätzt wird, einen Viertelkreis. Von Überätzen
spricht man, wenn der Ätzvorgang nicht beendet wird, nachdem die zu ätzende Schicht in einer
Richtung vollständig abgetragen ist. Maskierschichten werden immer unterätzt, d.h. sie werden
untergraben. Dies im Verhältnis umso mehr, je länger überätzt wird. Die Selektivität dieses
Ätzverfahrens ist typischerweise sehr hoch, d.h. es wird nur oder zur Hauptsache das Material
geätzt, das man ätzen möchte.
60
Reinraumlaborkurs 1
1.2.
WS 14/15 & SS 15
KOH ätzen
Teil 3: Ätzen von Silizium (Wagon-Wheel, Gräben, Brücken)
Das anisotrope Ätzverhalten von (100)-Silizium soll mit Hilfe des im Anhang angegebenen
Maskendesigns untersucht werden. Als Substrate werden 4“-Silizium Wafer verwendet, die
beidseitig mit einem 300 nm dicken thermischen Oxid und einem 100 nm dicken LPCVD Nitrid
beschichtet sind. Diese Maskierschicht wird mittels reaktiven Ionenätzens (RIE) strukturiert. Die
Oxid-Nitrid-Maskierschicht wird in den geöffneten Bereichen mittels RIE bis zum Siliziumsubstrat
entfernt. Der Photolack, der abschließend gestrippt wird, dient dabei als Maskierung für das Nitrid
bzw. das Oxid. Da der Photolack in der RIE ebenfalls geätzt wird, muss seine Dicke entsprechend
seiner Ätzrate so gewählt werden, dass nach der vollständigen Strukturierung der Nitrid- und
Oxidschicht noch eine hinreichend dicke Photolackschicht bestehen bleibt. Die einzelnen
Prozessschritte sind in folgender Abbildung nochmals zusammengefasst:
Abbildung 23: Anisotropes Si-Ätzen mit Nitrid- /Oxidmaske
Diese Wafer mit strukturierter Maskierschicht werden mit 30 %-KOH Ätzlösung bei einer
Temperatur zwischen 70 °C und 75 °C strukturiert. Da die Ätzrate des Nitrids deutlich niedriger ist
61
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
als diejenige des Siliziums (1 µm/h in <100>-Richtung), wird im Wesentlichen das Silizium geätzt,
während die Maske erhalten bleibt. Lediglich das Oxid mit einer Ätzrate von ca. 1-60 nm/min kann
bei längeren Ätzzeiten entfernt werden. Da die Ätz-Abfolge im nächsten Praktikum ausführlich
behandelt wird, wird das KOH-ätzen hier nur theoretisch durchgesprochen aber nicht durchgeführt
werden.
1.3.
Ätzen von Silizium
Im Bereich der Silizium-Mikromechanik aber auch bei mikroskopischen Anwendungen, bei denen
präzise V-Gräben für die Ausrichtung von Lichtleitfasern benötigt werden, kommen anisotrope
Ätzverfahren von Silizium zum Einsatz. Hierbei wird die Tatsache genutzt, dass die
Ätzgeschwindigkeit der {111}-Ebenen von Silizium in bestimmten anisotropen Ätzlösungen im
Vergleich zu anderen Kristallebenen stark reduziert ist (in KOH werden {100}-Ebenen ca. 300 mal
schneller als {111}-Ebenen geätzt). Diese Ebenen wirken ätzbegrenzend und werden daher beim
Design verschiedener 3-dimensionaler Strukturen in Silizium genutzt.
Beim (100)-Silizium schneiden vier Scharen von {111}-Ebenen die Oberfläche. Dabei verlaufen die
Schnittkanten entlang der <110>-Richtungen. Wie in Abbildung 16: dargestellt, wird bei einer
quadratischen Öffnung in der Maskierschicht, deren Kanten parallel zu den <100>-Richtungen
verlaufen, der Boden der entstehenden Ätzgrube durch eine {100}-Ebene gebildet. Die Ätzgrube
wird dabei von vier {111}-Ebenen begrenzt, die unter 54,7° gegenüber der Oberfläche geneigt sind
(Abb. 2a). Wird lange genug geätzt, so laufen die {111}-Ebenen in einem Punkt zusammen und
man erhält gemäß Abb. 1a eine auf dem Kopf stehende Pyramide als Ätzgrube. Die Tiefe der
Ätzgrube ist dabei durch die Größe der Öffnung in der Maskierschicht fest vorgegeben.
62
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Abbildung 24: KOH Ätzen von Silizium Ätzgruben bei verschiedenen Öffnungen in der Maskierschicht beim
anisotropen Ätzen von (100)-Silizium. [4]
63
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
An konkaven Ecken der Maskierschicht begrenzen die langsam ätzenden {111}-Kristallebenen die
entstehende Ätzgrube, während konvexe Ecken von den schnell ätzenden Kristallebenen definiert
und unterätzt werden. Das Ätzverhalten von (100)-Silizium an konvexen Ecken ist in Abb. 25 bei
Verwendung unterschiedlicher Ätzlösungen dargestellt. Die Kanten der Maske verlaufen dabei
parallel zur <110>-Richtung. Die konvexen Kanten werden stärker angegriffen als die
begrenzenden {111}-Ebenen.
Abbildung 25: Ätzverhalten von Silizium an konvexen Ecken in unterschiedlichen Ätzlösungen (links: 2 m KOH,
rechts: 4 m KOH). [5]
Je nach Zusammensetzung der Ätzlösung ändert sich die Ätzgeschwindigkeit der einzelnen
Kristallebenen zueinander, so dass die Unterätzung der konvexen Ecken durch unterschiedliche
Ebenen begrenzt wird.
64
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Abbildung 26: Kompensation von konvexen Ecken und zeitlicher Verlauf der Ätzung.
Die Unterätzrate als Funktion der Kristallrichtung kann experimentell z.B. mit Hilfe der WagonWheel-Methode bestimmt werden. Die Maskierschicht (z.B. SiO2 oder Si3N4) des Silizium-Wafers
wird mit einer wagenradähnlichen Maskierschicht strukturiert. Bei der anisotropen Ätzung stellt
sich in Abhängigkeit der Kristallrichtung der einzelnen Stege eine unterschiedliche laterale
Unterätzung ein. Diese Unterätzung wird dabei gemäß Abb. 26 in einem Radius Ri übersetzt, der
deutlich größer als die Unterätzung Ui ist. Das entstehende makroskopische Rosettenmuster bei
Verwendung einer KOH-Ätzlösung ist in Abb. 27 dargestellt. Als praktikabel hat sich bei diesen
Messungen erwiesen, die Maskenunterätzung auf den Abtrag in <100>-Richtung zu normieren. In
Abb. 19. sind die Messgrößen schematisch dargestellt. Über die Unterätzung von konvexen Kanten
kann ferner die Genauigkeit der Justierung (siehe z.B. Feld 4CD) sowie Daten für die
Kompensation von konvexen Ecken gewonnen werden.
65
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Abbildung 27: Laterale Unterätzung [1]
Um die Ätzraten in verschiedene Kristallrichtungen bestimmen zu können, müssten eigentlich
Wafer mit unterschiedlicher Ausrichtung verwendet werden. Da kommerziell im Wesentlichen
(100)- und (110)-Siliziumwafer erhältlich ist, kann mit diesen Wafern lediglich die Unterätzrate bei
verschieden ausgerichteten Ätzmasken bestimmt werden.
Die am häufigsten verwendeten Ätzlösungen für das anisotrope Ätzen von Silizium sind
Kaliumhydroxyd (KOH) und EDP, eine Mischung aus Ethylendiamin, Brenzkatechin und Wasser.
66
Reinraumlaborkurs 1
1.4.
WS 14/15 & SS 15
Trockenätzverfahren
Mit den wachsenden Anforderungen an die Feinheit der Mikrostrukturen kommen heutzutage
plasmaunterstützte Ätzverfahren zum Einsatz, die man als Trockenätzverfahren bezeichnet. Das zu
ätzende Material wird mittels eines Ätzgases abgetragen, wobei man zwischen einem rein
chemischen, rein physikalischen und daraus gemischten Ätzprozessen unterscheiden muss.
Die ätzaktiven Teilchen, die in einem Plasma erzeugt werden, können sein:
+
 Inerte Ionen (z.B. Ar )
+
 Reaktive Ionen (z.B. CF3 )
 Reaktive Radikale (z.B. F*, O*, CF3*)
Prinzipiell kann man zwischen zwei grundsätzlichen Verfahren unterscheiden:
 1. Methode, bei denen das Plasma in einer von der Vakuumkammer separaten Kammer
erzeugt wird und aus der die Ionen dann extrahiert und auf das zu bearbeitende Substrat
gelenkt werden:
 Beispiel für chemisches Trockenätzverfahren: Barrelätzen
 Beispiel für physikalisches Trockenätzverfahren: Ionenstrahlätzen
 2. Methode, bei denen das Plasma in der Vakuumkammer, in der sich auch das Substrat
befindet, erzeugt wird:
Beispiel für chemisches Trockenätzverfahren: Plasmaätzen
Beispiel für physikalisches Trockenätzverfahren: Sputterätzen
Die Verfahren Barrelätzen, Plasmaätzen, reaktives Ionenätzen, Sputterätzen und Ionenstrahlätzen
sind anschaulich in [1] beschrieben. Zwei Beispiele:
Abbildung 28: Silizium Ätzen Sputterätzen vs. Barrelätzen
67
Reinraumlaborkurs 1
1.5.
WS 14/15 & SS 15
Silizium-Tiefenätzen
Silizium-Tiefenätzen (ASE: Advanced Silicon Etching; DRIE: Deep Reactive Ion Etching) ist ein
Prozess zur Strukturierung von Silizium mit hohen Aspektverhältnissen.
Hierzu kommen vorwiegend RIE-Anlagen/ICP-Ätzanlagen mit Plasmaquellen (ECR-, ICPQuellen), die die Erzeugung sehr dichter Plasmen gestatten, zum Einsatz. Für Silizium wird
beispielsweise Cl2 und SF6 (auch mit Zusätzen) verwendet. Ein spezielles Tiefenätzverfahren für Si
wurde bei der Robert Bosch GmbH entwickelt und patentiert und an STS (UK) und Plasmatherm
(USA) zum Bau von Fertigungsanlagen lizenziert. Der Prozess basiert auf einem alternierenden
Ätzen und Passivieren der Strukturen. Als weiteres Stichwort wäre hier noch „HARMST“ (High
Aspect Ratio MicroSystem Technology) zu nennen. Das Ätzen findet ohne wesentliche Unterätzung
anisotrop und unabhängig von der Kristallrichtung statt. DRIE ermöglicht die dreidimensionale
Strukturierung von Silizium mit einer Vielzahl von Freiheitsgraden.
Erzielbare Eckdaten:
 Das Aspektverhältnis (Verhältnis Höhe zu Breite) liegt bei bis zu 30:1
 Seitenwandprofil: 90° ± 2°
 Die minimale Strukturbreite beträgt ca. 1 µm
 Die maximale Ätztiefe ist nicht begrenzt: Die Durchätzung von Wafern ist möglich
 Die Ätzrate beträgt bis 10 µm/min
 Die Oberflächenrauhigkeit der Seitenwände liegt unter 10 nm. Diese nimmt mit der Ätzrate
zu
 Die wichtigsten Anwendungsgebiete:
 Sensoren und Aktoren
 mikrofluidische Systeme
 mikrooptische Komponenten
 mikromechanische Komponenten
 Mikro-Abformwerkzeuge aus Silizium, in denen Polymere, Metallpulver oder
Keramikpulver per „injection molding“ zu Komponenten abgeformt werden können.
Wdh.: Plasma
Als Plasma bezeichnet man in der Physik ein vollständig oder teilweise ionisiertes Gas, das zu
einem nennenswerten Anteil freie Ladungsträger wie Ionen oder Elektronen enthält und als
nunmehr elektrisch leitendes Medium eine Reihe von Eigenschaften besitzt, die es von Gasen,
Flüssigkeiten oder festen Körpern deutlich unterscheidet. Irving Langmuir war einer der ersten
Wissenschaftler, der mit Plasma arbeitete und diesen ionisierten Gasen den Namen „Plasma“ gab.
Der Begriff Plasma (griech.: das Formbare) schließt sich zum einen den griechischen Philosophen
an, die die Elemente Erde (fest), Wasser (flüssig), Luft (gasförmig) und Feuer (Plasma) kannten.
Zum anderen trifft die Bezeichnung des Zustandes als vierter Aggregatzustand auch aus moderner
Sicht zu, weil bei den im Plasma herrschenden hohen Temperaturen die Atome in positive Ionen
und negative Elektronen zerfallen und damit die Zerlegung der Materie in ihre Bestandteile
fortgesetzt wird.
68
Reinraumlaborkurs 1
2.
WS 14/15 & SS 15
Fragen zu der Prozessgruppe Ätzen









In welche beiden Verfahren wird das Ätzen hauptsächlich unterteilt?
Was sind die wichtigsten Merkmale bezüglich der Bewertungskriterien und der
Kategorisierung?
Was bedeuten die Begriffe: Isotropie/ Anisotropie/ Selektivität?
Was ist der Unterschied zwischen dem physikalischen und dem chemischen Ätzverfahren?
Was sind Ätzstoppschichten? Wie können diese in Silizium erzeugt werden?
Wie ist die Ätzzeit beim nasschemischen Ätzen definiert, also welche Zeiten müssen hier
berücksichtigt werden?
Was versteht man unter "Sticking" und wie wird es vermieden?
Warum könnte sich Ihrer Meinung nach die Zeit bis zum Ätzen mit KOH (deutliche
Blasenbildung) mit der Zeitspanne verlängern, die vergangen ist, seit die Maskierschicht der
Wafer mittels RIE strukturiert wurde?
Geben Sie eine beliebige, mindestens 5-eckige Maskenöffnung vor und zeichnen Sie die
dazugehörige Grabenform nach genügend langer Ätzung mit KOH.
69
Reinraumlaborkurs 1
3.
WS 14/15 & SS 15
Modul D1-1: Nasschemisches Ätzen
Ziele:
In diesem Module lernen Sie eine Methode kennen, mit der eine dreidimensionale Formgebung in
der Mikrosystemtechnik erzielt werden kann. Im Gegensatz zur Mikroelektronik, wo sich
Plasmaätzverfahren zur Strukturierung durchgesetzt haben, werden in der Mikrosystemtechnik zur
dreidimensionalen Formgebung und aufgrund der größeren lateralen Strukturabmessungen der
Mikrosysteme noch verstärkt anisotrope und isotrope nasschemische Ätzverfahren eingesetzt.
In diesem Modul lernen Sie ein isotropes Ätzverfahren kennen. Im Praktikum werden Sie Nickel
und selektiv Gold ätzen. Machen Sie sich im Vorfeld über nasschemische Ätzverfahren und grob
über die dabei ablaufende Chemie vertraut (zu finden in jedem Buch zur anorganischen Chemie);
ebenso über die Elemente Nickel und Gold. Es wird darauf ankommen, dass Sie den Ätzprozess
aufmerksam beobachten und ein Gefühl bekommen, um mittels Sichtkontrolle das richtige Ätzende
festzustellen.
Im zweiten Teil werden Sie einen anisotrop geätzten Wafer betrachten (dreidimensionale Strukturen
in Silizium). Dabei sollen Sie die speziellen Eigenschaften beim Ätzen von Silizium kennen lernen.
Machen Sie sich dazu bereits im Vorfeld mit dem anisotropen Ätzen von Silizium mittels KOH
vertraut.
Ort
Gebäude: 104, Reinraum, Nasschemie
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
Versuchsdurchführung
Teil 1: Ätzen dünner Schichten
 Das isotrope Ätzen einer Nickelschicht erfolgt in einem Becherglas. Damit die Ätzlösung
die ungeschützte Nickelschicht flächig benetzt und dadurch die Schicht homogen geätzt
wird, werden die Substrate vor dem Ätzen in einem Benetzungsbad, welches die
Oberflächenspannung reduziert vorbehandelt.
Verwendete Lösungen:
 Zusammensetzung des Benetzungsbades:
 18%ige Salzsäure

Ätzbad :
 Ansatzvolumen: 1,6 l, ausreichend für ein großes Becherglas
 Chemikalien: 160 ml konz. Schwefelsäure, 182 g Ammoniumperoxodisulfat
 Zusammensetzung: 25 % Schwefelsäure, 0,5 mol/l Oxidationsmittel
70
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Ablauf des Ansatzes:
 1,6 l Wasser vorlegen, vorsichtig und langsam unter Rühren die 160 ml Schwefelsäure
einrühren. Danach Lösung abkühlen.
 182 g Ammoniumperoxodisulfat in ein geeignetes Gefäß abfüllen.
 Beide Chemikalien erst kurz vor der Benutzung miteinander im Arbeitsgefäß
vermischen/auflösen.
Standzeit der Ätze:
 Unter günstigen Bedingungen kann eine Ätze fast einen gesamten Arbeitstag, d.h. 4
Gruppen bedienen
 Bei ca. 45°C sollte die Ätzung ca. 40-60s dauern, wird diese anfängliche Zeit im Laufe der
Versuche deutlich überzogen (z.B. 2 min), sollte die Ätze gewechselt werden
Ätzen unter dem Abzug durchführen! Schutzbrille, Schürze und Handschuhe benutzen!
Vorbereitung:
 Beim Ätzen unbedingt Brille tragen
 Kurze Einführung zu den verwendeten Chemikalien
Ätzen:

Ihr Betreuer wird Ihnen den Ablauf in diesem Modul anhand eines Keramik-Wafers zeigen,
auf denen eine Nickelschicht aufgesputtert wurde. Auf dieser Nickelschicht wurde bereits
ein Lack strukturiert und entwickelt. Es handelt sich hierbei um Temperatur-Chips
bestehend aus einer Mäanderstruktur. Anhand des ersten Durchganges mit dem KeramikWafer können Sie die notwendige Ätzzeit sehr gut bestimmen, um diese dann auch bei den
Silizium-Wafern anzuwenden, die sie selbst ätzen werden.
1. Ansicht der vorbereiteten Wafer unter dem Mikroskop
2. Kurzer Dip in 18%iger, Salzsäure, ca. 10 s
3. Probe 1 min in DI-Wasser spülen und danach sofort nass ins Ätzbad.
4. Stoppuhr starten
5. Probe im Ätzbad ätzen (Richtwert: min. 40 Sekunden, wobei Sie die genaue Ätzzeit
selbst bestimmen sollen!)
6. Oberfläche beobachten
7. Wafer herausnehmen sobald an den Ätzstellen das Nickel vollständig entfernt ist.
8. Stoppuhr stoppen, Zeit notieren
9. Kurzes DI-Dip im großen Becken
10. Probe 2 min in DI-Wasser spülen
11. Trockenblasen mit Stickstoff
12. Kontrolle der Ätzung am Mikroskop, falls noch Fehlstellen vorhanden, noch einmal
ätzen
Strippen (wird evtl. nicht durchgeführt):
 Sobald die Wafer ordentlich geätzt sind, können diese gestrippt werden
 5 min US, Strippaceton
 5 min US, Waschaceton
 5 min US, Isopropanol
71
Reinraumlaborkurs 1




WS 14/15 & SS 15
5 min DI-Spülung
Trockenschleudern, evtl. mit N2 Unterstützung
Kontrolle unter dem Mikroskop
Verpacken in die Box
Nachdem Sie nun mit dem Betreuer den Keramik-Wafer durchgearbeitet haben, werden zwei von
Ihrer Gruppe jeweils einen Silizium-Wafer ätzen. Beachten Sie, dass der Kontrast hier lange nicht
so deutlich ist, wie beim Keramik-Wafer, so dass Sie die mit dem Keramik-Wafer ermittelte Ätzzeit
einhalten sollten. In jedem Fall sollten Sie die Ätzung vor dem Strippen unter dem Mikroskop
betrachten. Ein Wafer wird nach der ermittelten Ätzzeit geätzt, der andere wird absichtlich überätzt.
Teil 2: selektives Ätzen von dünnen Schichten
 Das selektive isotrope Ätzen einer Goldschicht wird am Beispiel der Fingerstrukturen
gezeigt. Die in Modul B1-2 (Aufdampfen) vorbereiteten Wafer sind mit einer dünnen
Schicht Titan (20 nm) und einer Schicht Gold (50 nm) versehen. Mittels Lift-off wurde diese
Metallisierung strukturiert.
Verwendete Lösungen:

Zusammensetzung des Ätzbades:
 11,42 g Jod (I2)
 49,8 g Kaliumjodid (KJ)
 in einem Liter Wasser lösen. Dazu Rührfisch in eine UV-beständige Flasche geben und
Salze unter ständigem Rühren in H2O dest. lösen.
Ätzen unter dem Abzug durchführen!
Schutzbrille und Handschuhe benutzen
Vorbereitung:
 Beim Ätzen unbedingt Brille tragen
 Kurze Einführung zu den verwendeten Chemikalien
Ätzen:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Ansicht der vorbereiteten Wafer unter dem Mikroskop
Stoppuhr starten
Probe 2 min im Ätzbad ätzen
Unter Weißlicht den Wafer mit DI-Wasser abspülen, Beobachten!
Trockenblasen mit Stickstoff
Kontrolle der Ätzung am Mikroskop. Falls Fehlstellen vorhanden, noch einmal ätzen.
72
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Wafertransfer
Reinraumlaborkurs 1
Modul D1-1: Nassätzen
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
E
Pro Gruppe:
2 Si + Litho
1 Ker. + Litho
1 Si Umkehrlack (Lift-Off)
Modul:
32 Si + Litho
16 Ker. + Litho
16 Si Umkehrlack (Lift-Off)
Modul D1-1
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
A
Si-Wafer
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Modul D1-1
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
E
Modul D1-1
Si-Wafer
Keramik-Wafer
M
1 Ker. + Litho
2 Si + Litho
1 Si Umkehrlack
Modul D1-1
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
1 Ker. Ni.-struk
2 Si Ni-struk.
1 Si Lift-Off
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
A
Modul D1-1
E
Modul D1-1
Lift-Off Wafer
Abbildung 29: Grafische Darstellung des Wafertransfers von Modul D1-1
Auswertung der Versuche
Teil 1 und 2: Berechnen Sie die Schichtdicke des Nickels anhand der gemessenen Ätzzeit und
Ätzrate von Nickel bzw. Gold. Beschreiben Sie, was beim nasschemischen isotropen Ätzen passiert
und warum das Nickel vom Substrat gelöst wird, bzw. wie Gold selektiv geätzt wird. Machen Sie
für
Ihr
Protokoll
Bilder
von
den
Strukturen.
Protokoll:
http://intern.imtek.de/content/studenten/download.php
73
Reinraumlaborkurs 1
4.
WS 14/15 & SS 15
Modul D2-1: Trockenätzen: Sputter-Ätzen und
Silizium-Tiefenätzen
Ziele
In diesem Modul lernen Sie die verschiedenen Trockenätzverfahren kennen. Informieren Sie sich
dazu im Vorfeld ausführlich über die Funktionsweise und die Unterschiede der folgenden
Verfahren:
 Barrelätzen
 Plasmaätzen
 Sputterätzen
 RIE
 und werfen Sie einen Blick auf die weiteren möglichen Trockenätzverfahren
Beschäftigen Sie sich weiterhin mit dem Thema „Plasma“. Beachten Sie dabei folgende
Schwerpunkte:
 Vorkommen (natürlich, künstlich)
 Eigenschaften von Plasmen
 Technische Plasma-Anwendungen
 Klassifizierung von Plasmen
 Erzeugung von Plasmen
 Methoden der Energiezufuhr (Thermische Anregung, Strahlungsanregung, Anregung durch
elektrostatische Felder, Anregung durch elektromagnetische Felder, Pinch-Effekt)
Ort
Gebäude: 104, Reinraum PVD/ Dry Etch 003
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
Der Ablauf dieses Moduls
Für das Silizium-Tiefenätzen kann man für die Prozessierung des Wafers entweder eine strukturierte
Lackschicht oder eine strukturierte Oxidschicht verwenden. In diesem Modul wird der Weg über die
Oxidschicht angewandt. Die Strukturierung der Oxidschicht findet im ersten Teil dieses Modules
statt, wobei hier wiederum eine strukturierte Lackschicht notwendig ist (diese Reihenfolge ist hier
deshalb so gewählt, um Ihnen auch die Möglichkeit der Erzeugung einer Oxidmaske zu zeigen).
Teil 1: Plasma-Ätzen / RIE
Nachdem Sie sich Gedanken über die Unterschiede zwischen Plasma-Ätzen und RIE gemacht
haben und den vorbereiteten Wafer unter dem Mikroskop betrachtet haben, werden Sie an der
Anlage RIE Multiplex von STS einen feuchtoxidierte Silizium-Wafer (Oxidschichtdicke ca.
500 nm), der für Sie bereits belackt und mit der „Dry1“-Maske (Fingerstrukturen) strukturiert ist,
prozessieren. Bitte beachten Sie an der Anlage, dass der Notaus-Schalter sehr ungünstig angebracht
74
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
ist und der Schalter nicht durch Versehen betätigt wird. Mit Ihrem Betreuer schleusen Sie den Wafer
in der Anlage ein. Mit den vorgegebenen Rezepten läuft die Anlage vollautomatisch durch, wobei
natürlich auch Rezepte denkbar wären, deren Prozessdauer von der konkreten Analyse der im
Plasma vorhandenen Stoffe abhängt. Dies kann z.B. mittels des Gerätes PlasmaScope durchgeführt
werden.
Die Abfolge der RIE:
 Wafer auf den „Spatulaarm“ legen,
 Schleuse schließen,
 SW run betätigen,
 Schleuse wird auf Basisdruck abgepumpt,
 Wafer wird gemapt
 Wafer wird durch das „gate valve“ in die Prozesskammer eingeschleust,
 Wafer wird geclampt,
 das Rezept wird initialisiert (geladen) ,
 defaultmäßig wird auf Basisdruck gepumpt, mit Argon gespült und wieder gepumpt um
Feuchtigkeit aus der Atmosphäre vom Einschleusvorgang zu evakuieren.
 Die Gase werden eingeleitet
 Helium backside cooling wird aktiv geschalten
 der Druck über das „butterfly valve“ eingeregelt,
 wenn alles stabil ist, wird das RF-Plasma gezündet und über eine „matching unit“ die
reflektierte Leistung auf null gezogen.
 Prozesszeit läuft rückwärts ab.
 Danach wieder Spülen mit Argon um Restgase zu evakuieren
 Wafer wird aus der Prozesskammer ausgeschleust
 Spülung mit N2 in der Schleuse und Belüftung auf Atmosphäre.
Bitte beobachten Sie während des Prozesses die Anzeige des Gerätes PlasmaScope, und diskutieren
die Daten.
Damit Sie sich die Strukturen in der Oxidschicht unter dem Mikroskop anschauen können, muss
zuvor noch der Lack entfernt werden. Hier lernen Sie nun noch ein Verfahren kennen, mit dem Lack
ohne Lösungsmittel entfernt werden kann. Dazu bedienen Sie sich des Plasmaveraschers System
One 106 von Matrix.
In dieser Anlage wird der Photoresist im wahrsten Sinne des Wortes „verascht“. Photolack besteht
aus Kohlenstoffverbindungen (Polymeren), die in einem Sauerstoffplasma bei einer Temperatur von
ca. 220 °C verbrannt werden.
Nach dem Veraschungsprozess schauen Sie sich nun den Wafer unter dem Mikroskop an.
Teil 2: Silizium-Tiefenätzen
Mit dem nun so vorbereiteten Wafer werden Sie an der Anlage ICP Multiplex von STS den
Silizium-Tiefenätzprozess durchführen. Dazu schleusen Sie wieder mit Ihrem Betreuer den Wafer in
die Anlage ein. Mit dem vorgegebenen Rezept (Shallow Etch E) läuft die Anlage auch hier wieder
vollautomatisch durch:
75
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Die Abfolge in der ICP:

















Wafer auf den „Spatulaarm“ legen,
Schleuse schließen,
SW run betätigen,
Schleuse wird auf Basisdruck abgepumpt,
Wafer wird gemapt
Wafer wird durch das „gate valve“ in die Prozesskammer eingeschleust,
Wafer wird geclampt,
das Rezept wird initialisiert (geladen) ,
defaultmäßig wird auf Basisdruck gepumpt, mit Argon gespült und wieder gepumpt um
Feuchtigkeit aus der Atmosphäre vom Einschleusvorgang zu evakuieren.
Die Gase werden eingeleitet
Helium backside cooling wird aktiv geschalten
der Druck über das „butterfly valve“ eingeregelt,
wenn alles stabil ist, wird RF gezündet und über eine „matching unit“ die reflektierte
Leistung auf null gezogen.
Prozesszeit (20 Minuten) läuft rückwärts ab, Besonderheit beim ASE (Advanced Silicon
Etch) Prozess ist das Umschalten zwischen Etch and passivate z.B. 9 sek. Etch mit SF6,
5 sek. Pass. mit C4F8.
Danach wieder Spülen mit Argon um Restgase zu evakuieren
Wafer wird aus der Prozesskammer ausgeschleust
Spülung mit N2 in der Schleuse und Belüftung auf Atmosphäre.
Während der Prozessierung schauen Sie sich bitte das bereit gelegte Anschauungsmaterial an.
Nachdem der Wafer fertig prozessiert ist, schauen Sie sich diesen unter dem Mikroskop an.
Der Wafer wird im Laufe des Praktikums weiter prozessiert. So wird der Wafer zum anodischen
Bonden verwendet so dass die SiO2-Maske entfernt werden muss. Machen Sie sich hierzu
Gedanken, wie dies erfolgen könnte.
ACHTUNG: Bitte im Waferlaufzettel UND auf der Waferbox die genaue Wafernummer des Wafers
notieren!
76
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Wafertransfer
Reinraumlaborkurs 1
Modul D2-1: PVD Ätzen
Pro Gruppe:
Modul:
1 Si FOX, Lack, Dry1 Maske 32 Si FOX, Lack, Dry1 Maske
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
E
A
Modul D2-1
Modul D2-1
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Si-Wafer FOX Dry1
M
1 Si FOX
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Modul D2-1
1 Si FOX
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
A
E
Modul D2-1
Modul D2-1
Si-Wafer FOX Dry1
Abbildung 30: Grafische Darstellung des Wafertransfers von Modul D2-1
Auswertung der Versuche
Entsprechend den MST-Protokoll-Vorgaben
http://intern.imtek.de/content/studenten/download.php
77
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
E. Packaging & AVT
1.
Theorie
1.1.
Vereinzelung, anodisches- und eutektisches Bonden
Die einzelnen Bauelemente oder Chips werden in der Mikrostrukturtechnik im so genannten
Batchprozess gefertigt, d.h. sie befinden sich am Ende der Herstellung alle gemeinsam auf einem
Substrat. Die Vereinzelung der Chips erfolgt im Anschluss durch Sägen mit einer speziellen
Diamant-Säge, durch das Schneiden mit einem Laser oder im einfachsten Fall durch Anritzen und
Brechen des Substrates. Einen so gewonnenen einzelnen, ungehausten Chip nennt man „Die“. Die
Aufbau- und Verbindungstechnik beschäftigt sich mit den sich daran anschließenden Schritten:
Montage, Kontaktierung und Gehäusung.
Die Herstellung komplexer Systeme kann durch Zusammenfügen mehrerer jeweils separat
strukturierter Substrate erfolgen. Fügepartner sind z. B. Si-Si, Si-Glas, Quarz-Quarz, Si-Quarz,
Metall-Metall, Metall-Glas.
Für das Diebonden von Chips auf ein Substrat (Leiterplatte, Keramiksubstrat...) werden das Kleben,
Löten oder eutektische Bonden eingesetzt.
Verklebungen mit mikrostrukturierten Substraten sind so komplex, dass bereits leichte
Nachjustagen zu Verschmierungen der feinen Strukturen führen können und so Bauteile schnell
unbrauchbar machen.
Packaging und AVT sind keine zu vernachlässigenden Gebiete, immerhin stecken bis zu 90 % des
Aufwandes der Herstellung eines mikrosystemtechnischen Produktes in diesen „Back-End“Prozessen.
Vereinzelung und Verkapselung:
Das Vereinzeln kann durch Anritzen mit einem Diamant und anschließendes Brechen entlang einer
Kante, oder durch Sägen mit einer Diamanttrennscheibe erfolgen. Die Trennkante wird so gelegt,
dass die elektrische Verbindung der Chips untereinander, die für die niederohmige Stromzufuhr bei
der Galvanik notwendig war, aufgetrennt wird
Das Sägen wird mit einer konventionellen Chipsäge durchgeführt. Vorher wird der Wafer mit Hilfe
eines Metallrahmens einseitig mit einer ca. 70 µm dicken Kunststofffolie verklebt. Die Folie hat die
Aufgabe zu verhindern, dass man in den Vakuumchuck sägt sowie dass die Chips nicht durch das
Sägeblatt weggeschleudert werden. Die Chipsäge hat eine automatische Positionierung in der x,yund z-Achse sowie in einer Drehachse, so dass nach der Eingabe der Chipabstände (Pitch) in x, y,
das Sägen automatisch erfolgt. Als weitere Parameter werden Sägetiefe und
Vorschubgeschwindigkeit an der Säge eingestellt.
78
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Die Kapselung industriell gefertigter Temperatursensoren erfolgt nach dem Vereinzeln. Dazu
werden die Sensoren vor der Kontaktierung mit thermisch leitfähigen Kleber in ein Gehäuseteil
geklebt, danach elektrisch kontaktiert und abschließend hermetisch durch das zweite Gehäuseteil
verschlossen. Alternativ können die Sensoren auch durch einen Schutzlack, wie z.B.
Polyurethanlack oder Photolack vor Feuchtigkeit, mechanischer Beanspruchung und elektrischen
Kurzschlüssen geschützt werden. Die elektrischen Anschlüsse zu den Bondpads werden
üblicherweise durch dünne Golddrähte (20 µm) oder in unserem Fall über konventionelles Löten
hergestellt.
Anodisches Boden
Anodisches Boden ist die wichtigste Methode zur Verbindung von Halbleitern und Glassubstraten.
Ein Anwendungsbeispiel ist die transparente Deckelung von Strukturen in Si-Wafern mit PyrexGlas.
Die Wafer werden in engen Kontakt gebracht und chemisch verbunden. Der enge Kontakt entsteht
dabei durch elektrostatische Kräfte, die durch Migration von Natrium-Ionen im Glas bei erhöhten
Temperaturen und angelegter Gleichspannung hervorgerufen werden. Damit dieses Verfahren
funktioniert, müssen die Oberflächen poliert und frisch gereinigt sein. Um Silizium auf Silizium
bonden zu können, wird eine ca. 4 µm starke Pyrexschicht als Zwischenschicht aufgesputtert.
Die Verbindungen sind hermetisch dicht, haften sehr gut und besitzen eine gute thermische und
chemische Beständigkeit.
Eutektisches Bonden
Eutektisches Bonden benutzt man, um Si-Chips mit kleinen Flächen auf Metall- oder
Keramikwerkstoffen zu befestigen. Die Verbindung erfolgt meist über eine Au-Si-Verbindung. Der
Si-Chip wird bei ca. 400 °C mit reibender Bewegung auf das mit Gold beschichtete Substrat
gedrückt. Die Goldatome diffundieren in das Si bis der eutektische Punkt erreicht wird und sich
dadurch eine flüssige Zwischenschicht bildet. Diese erstarrt sobald die Temperatur wieder unter den
eutektischen Punkt fällt, bzw. wenn eine der beiden Substanzen verbraucht ist. Zum Bonden von Si
auf Si wird das System Al/Si verwendet. Die Arbeitstemperatur liegt dann bei 600 °C.
Die Verbindungen sind mechanisch fest und besitzen eine gute thermische und chemische
Beständigkeit.
Nachteilig kann sich die hohe Arbeitstemperatur auswirken, da wegen der unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten mechanische Spannungen induziert werden. Deshalb kann
dieses Verfahren für große Chipflächen nicht angewendet werden.
79
Reinraumlaborkurs 1
1.2.
WS 14/15 & SS 15
Kontaktierungsverfahren (Drahtbonden)
Packaging und AVT sind keine zu vernachlässigenden Gebiete, immerhin stecken bis zu 90 % des
Aufwandes der Herstellung eines mikrosystemtechnischen Produktes in diesen „Back-End“Prozessen.
Das Prinzip des Drahtbondens ist die Verbindung zwischen Chip und Chipträger mit Hilfe eines
sehr feinen Drahtes aus Aluminium oder Gold. Dieser Bonddraht wird von der Anschlussfläche des
Chips, meist spezielle Bondpads, zur Anschlussfläche des Substrates gezogen und "verschweißt".
Dabei werden hauptsächlich die beiden Unterverfahren „Thermosonicbonden“ und
„Ultrasonicbonden“ angewendet.
Ultrasonicbonden (Wedge-Wedge-Bonden):
Das Ultrasonicbonden bezeichnet die Kontaktiermethode, bei der der Bonddraht mit Hilfe von
Ultraschall auf den vorgesehenen Anschlusspads mikroverschweißt wird. Durch den Ultraschall
wird die oberste Oxidschicht des Aluminiums abgetragen, so dass der Draht gut haften kann. Die
thermische Belastung für das Bauteil ist gering. Beim Ultrasonicbonden werden folgende Arten
unterschieden:
Dünndrahtbonden:
Hierbei wird meist ein Draht aus 99 % Aluminium und circa 1 % Silizium der Dicke 17 µm bis
100 µm verwendet.
Dickdrahtbonden:
Das Drahtmaterial beim Dickdrahtbonden besteht aus 99.99 % Aluminium. Die Drahtstärke beträgt
100 µm bis 500 µm.
Der Prozess des Wedge-Wedge-Bonden läuft schematisch wie folgt ab:
Das Ende des Bonddrahtes an der Nadelspitze wird auf die zu kontaktierende Fläche ("Bondpad")
gepresst.
Die erste elektrische Verbindung entsteht, indem der Draht mittels eines kurzen Ultraschallpulses
mikroverschweißt wird.
Anschließend wird die Nadel zum zweiten Kontaktierungsort bewegt, wobei Bonddraht durch die
Nadelspitze nachgeführt wird. Dort wird er ebenfalls angepresst und mit einem Ultraschallpuls
verbunden, der den Draht diesmal zudem noch durchtrennt.
Die elektrische Verbindung ist nun hergestellt und der Bondvorgang wird durch Entfernen der
Nadel abgeschlossen.
Thermosonicbonden:
Das Thermosonicbonden bezeichnet eine Kontaktiermethode, bei der ein Draht (meist aus Gold)
mit Hilfe von Temperatur und Ultraschall mikroverschweißt.
80
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Thermokompressionsbonden (Ball-Wedge-Bonden):
Durch eine hohe Temperatur (ca. 500 °C) wird die Drahtspitze (z.B. über einen Lichtbogen)
aufgeschmolzen. Es bildet sich ein Kügelchen (engl. "ball"), welches auf das Substrat gepresst wird.
Man nennt diese Form "Nailhead". Der Prozess des Thermokompressionsbondens verläuft analog
zum Wedge-Wedge-Verfahren, wobei hier eine Kapillare anstelle einer Nadel verwendet wird,
wodurch der Draht senkrecht (und nicht schräg) zugeführt wird. Das andere Ende wird abgequetscht
und bildet einen Wedge (Stitch). Man benötigt Golddraht für das Thermokompressionsbonden, denn
Aluminium hat nicht die nötige Oberflächenspannung für die Bildung eines Nailheads.
2.
Fragen zu der Prozessgruppe Packaging & AVT











Was versteht man unter Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) und warum ist dieses
Thema so wichtig?
Was ist das besondere an der Mikromechanik-AVT im Gegensatz zur Mikroelektronik-AVT?
Was ist eine monolithische Integration? Was ist der Vorteil davon? Auf was ist bei der
Herstellung bzw. Prozessierung zu achten?
Welches sind die wichtigsten Verbindungstechniken? Beschreiben Sie jedes Verfahren in
eigenen Worten so, dass die Hauptunterschiede der Techniken zu erkennen sind.
Welches sind die gängigsten Kontaktierungsverfahren? Beschreiben Sie jedes Verfahren in
eigenen Worten so, dass die Hauptunterschiede der Techniken zu erkennen sind.
Welche Aufbautechniken sind bekannt? Beschreiben Sie jedes Verfahren in eigenen Worten
so, dass die Hauptunterschiede der Techniken zu erkennen sind.
Welche Aufgabe hat die Verbindungstechnik neben der reinen mechanischen Befestigung?
Wie funktioniert das Ritzen und Brechen von Siliziumscheiben, Glas und Aluminiumoxid?
(Fliesenleger und Glaser nutzen das Prinzip auch)
Erklären Sie das Sägen von Wafern mit einem Diamantblatt
Warum kann Silizium schneller geschnitten werden als Glas oder Aluminiumoxid?
Welche physikalischen Eigenschaften sind relevant?
81
Reinraumlaborkurs 1
3.
Modul E1-1:
Bonden
Vereinzelung
WS 14/15 & SS 15
und
Eutektisches
Ziele
In diesem Modul lernen Sie einen Teil der verschiedenen Verbindungstechniken als auch die
Methoden zum Vereinzeln mehrerer auf einem Substrat untergebrachten Chips in der Praxis kennen.
Informieren Sie sich dazu im Vorfeld mit Hilfe der Zusatzfragen ausführlich über die Aufgaben der
Verbindungstechnik, die auftretenden Probleme und deren Lösung.
 Beschäftigen
Sie sich dann eingehend mit den Funktionsprinzipien und
Verbindungsabläufen der folgenden Verbindungstechniken:
 Anodisches Bonden
 Silicon Direct Bonding
 Kleben
 Eutektisches Bonden
 Löten
Ort
Gebäude: 104, 09 AVT/Vereinzeln, 08 Praktikum, 05 Photolithographie und 02 AVT
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
Der Ablauf dieses Moduls
Im Verlauf dieses Modules werden vereinzelte Gold- und Siliziumchips benötigt. Da die
Vereinzelung dieser Chips jedoch relativ unspektakulär ist und zudem nicht für jeden ModulDurchlauf ein ganzer Wafer benötigt wird, soll für die Demonstration der Säge ein bis dahin fertig
prozessierter Wafer mit Ni-Temperatursensoren vereinzelt werden.
Da das Sägen eines Wafers jedoch ca. 1 Stunde dauert, werden zuerst die bereits vereinzelten Goldund Siliziumchips in die jeweiligen Anlagen eingeschleust:
Im Praktikumsraum:
 Die Gold- als auch die Siliziumchips in den Chiphalter bzw. in das Reinigungskörbchen
geben (in den Chiphalter können alle Chips gleichzeitig gestellt werden, im Körbchen muss
man darauf achten, dass sich die Chips nicht berühren).
 Lack zuerst im Acetonbad (grob) lösen, dann im Acetonbad (fein) und weiter im
Isopropanolbad reinigen. Anschließend in den QDR.
 Mit Stickstoff trocken blasen
 Nun sollen die Chips eutektisch gebondet werden.
In der Photolithographie:
 Folgende Versuche zum eutektischen Bonden werden durchgeführt:
 Im Ofen bei 400 °C (als Unterlage dient ein im Ofen bereitgelegter Wafer)
 Die im Ofen gelagerten Gewichte sollen nachfolgend mit einer bereitgelegten Zange an
der Schraube gefasst und vorsichtig auf den Chip-Verbund gestellt werden.
82
Reinraumlaborkurs 1




WS 14/15 & SS 15
ACHTUNG: Heiß!!! Dieser Vorgang sollte nicht zu lange dauern, damit der Chip von
beiden Seiten gleichmäßig erwärmt wird.
Si-Chip in den Ofen legen, dann Au-Chip auf Si-Chip legen, dann das Gewicht auf den
Verbund stellen.
Au-Chip in den Ofen legen, dann Si-Chip auf Au-Chip legen, dann das Gewicht auf den
Verbund stellen.
Außerhalb des Ofens den Au-Chip auf den Si-Chip legen und den Verbund in den Ofen
legen, dann das Gewicht auf den Verbund stellen.
Ofen schließen und Stoppuhr starten.
Im Anodischen Bonder:
In diesem Fall wird der anodische Bonder verwendet, da die Chips mit einem viel höheren Druck
zusammengepresst werden können, als man es mit Gewichten im Ofen durchführen könnte. Die
eigentliche Funktion des anodischen Bonders, das Anlegen einer Spannung für einen anodischen
Bond, wird hier nicht verwendet; lediglich Temperatur und Anpressdruck. Da das Gerät nicht für
einzelne Chips ausgelegt ist, wird wieder ein Wafer als Unterlage verwendet. Bauartbedingt ist es
bei diesem Gerät so, dass der obere Chuck als eine Mittelelektrode und eine ringförmige
Flächenelektrode ausgelegt ist, die auch zum Zusammenpressen der Chips verwendet wird. Aus
diesem Grund muss man zwei Chips am Rand der Waferunterlage anordnen, dass man einen
gleichmäßigen Druck auf die Chips bekommt. Nachdem die Chips angeordnet sind, kann mit dem
Einschleusen begonnen werden und das Gerät gestartet werden.
 Während die Chips in den Geräten sind, können Sie nun zu den Vereinzelungsverfahren
übergehen. Wie oben bereits erwähnt, wurden die soeben eingeschleusten Chips mittels
Sägen vereinzelt. Zur Demonstration der Säge soll nun jedoch ein real prozessierter Wafer
vereinzelt werden, zumal die zu vereinzelnden Temperatursensoren für weitere Module
Verwendung finden:
In der Photolithographie:
 Wafer mit Temperatursensor muss für den Sägeprozess geschützt werden
 Den Wafer mit dem Resist AZ 1518 belacken
 Schleuderdrehzahl 4000 rpm für 30 sec. (Programm 4)
 Ausheizen bei 100 °C für 50 sec.
Im Sägeraum:
 Sägen der Strukturen:
 Vor dem Sägen der Strukturen muss der Wafer auf einem Film-Frame fixiert werden.
 Einweisung Film-Frame-Mounter:
■ Heizen vom Table,
■ Ausrichten vom Wafer,
■ Auflegen vom Haltering (Erläutern der Funktion der Haltestifte),
■ Aufspannen der Folie (auf Luftblasen achten!),
■ Evakuieren und Verkleben.
 Die eingesetzte Folie hat eine Dicke von 80 µm. Beim anschließenden Vereinzeln wird
ca. 10 µm in die Folie gesägt. Funktion der Folie erklären.
 Sägefolie auf Rahmenmaß zuschneiden
 Rahmen in Wafersäge einsetzen (auf Justierstifte achten, Folie nach unten!)
83
Reinraumlaborkurs 1







WS 14/15 & SS 15
Sägeprogramm kontrollieren (Offset in x, y, Nullpunkt)
Wafer justieren, Justage im Mikroskop kontrollieren
Sägeprogramm starten
Während die Säge nun die Chips vereinzelt, lernen Sie nun anhand des zweiten Wafers
noch folgende weiteren Vereinzelungsverfahren kennen:
Vereinzeln mit Wafer-Ritzer, Fa. Süss:
■ Wafer auf Vakuumchuck legen, Flat ausrichten und ansaugen
■ Wafer mittig auf Chipzwischenräume in x, y ausrichten, dazu Justiermarken auf dem
Wafer benutzen
■ Kontrolle der Justage (Die Bondpads dürfen von der Diamantspitze nicht berührt
werden!)
■ Diamantnadel absetzen (Kontrolle, ob Nadel auf Wafer liegt, Nadelauflagekraft nicht
verändern)
■ Scriben, immer von hinten nach vorne auf den Bediener zu durchziehen, nie
umgekehrt!
Achten Sie bitte darauf, dass die Schnitte nicht „kreuz und quer“ auf dem Wafer
gemacht werden, da ein Teil dieses Wafers noch zum Ritzen von Hand benötigt wird.
Von Hand ritzen mit Lineal und Diamantscriber:
■ Lineal zum Waferflat ausrichten, Hand-Scriber andrücken und ohne abzusetzen von
hinten nach vorne durchziehen
■ Dies durch jeden Student wiederholen lassen, dabei Lineal im Chipraster versetzen
■ Wafer um 90° drehen und orthogonal im Chipraster ritzen.
■ Wafer auf den PMMA-Block legen, Ritzlinie zur PMMA-Blockkante ausrichten
■ Mit zweitem PMMA-Block fixieren
■ Mit drittem Block unter leichtem Druck eine Chipzeile abbrechen, danach Streifen in
Chips vereinzeln.
Vergleich der unterschiedlichen Möglichkeiten, Diskussion der Vor- bzw. Nachteile des
Scribens und des Sägens.
Vereinzelte Chips aus der Säge nehmen und das Ablösen der Chips von der Folie erklären.
Nach ca. 1,5 - 2 Stunden können dann auch die Chips aus den jeweiligen Geräten genommen und
begutachtet werden. Hier können Sie nun vorsichtig versuchen, den Bond auseinander zu brechen,
um zu sehen, wie stark der Bond ist (ACHTUNG: Schnittgefahr!). Diskutieren Sie die Ergebnisse.
84
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Wafertransfer
Reinraumlaborkurs 1
Modul E1-1: Sägen, Eutek.
Pro Gruppe:
Si Chips
Au Chips
1 Wafer mit T-Sensoren
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Modul:
Si Chips
Au Chips
16 Wafer mit T-Sensoren
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
E
M
Modul E1-1
1 Wafer zum Sägen
Modul E1-1
Si-Wafer zum Sägen
Modul E1-1
Si Chips
Modul E1-1
Au Chips
Abbildung 31: Grafische Darstellung des Wafertransfers von Modul E1-1
Auswertung der Versuche
Entsprechend den MST-Protokoll-Vorgaben
http://intern.imtek.de/content/studenten/download.php
85
Reinraumlaborkurs 1
4.
WS 14/15 & SS 15
Modul E1-2: Anodisches Bonden und Kleben
Ziele
In diesem Modul lernen Sie einen Teil der verschiedenen Verbindungstechniken in der Praxis
kennen. Informieren Sie sich dazu im Vorfeld mit Hilfe der Zusatzfragen ausführlich über die
Aufgaben der Verbindungstechnik, die auftretenden Probleme und deren Lösung.
Beschäftigen Sie sich dann eingehend mit den Funktionsprinzipien und Verbindungsabläufen der
folgenden Verbindungstechniken:
 Glas Sealing
 Anodisches Bonden
 Silicon Direct Bonding
 Kleben
 Eutektisches Bonden
 Löten
Beim anodischen Bonden geht es in diesem Modul nicht nur darum, tatsächliche Strukturen zu
Deckeln – für das das anodische Bonden häufig in der MST angewendet wird – als auch darum,
gezielte Störstellen auf einem Substrat einzubauen, um zu sehen, mit welchen Problemen man zu
kämpfen haben kann. Im Vergleich zum anodischen Bonden sollen Sie auch noch die Methode des
Klebens versuchen und die dabei auftretenden Schwierigkeiten kennen lernen. Zum Thema Kleben
in der Mikrofertigung sei die gleichnamige Broschüre „Kleben in der Mikrofertigung – Kleine
Verbindungen für große Innovationen“ des Fraunhofer IFAM empfohlen.
Ort
Gebäude: 104, 08 Photolithographie und 02 AVT
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
Versuchsdurchführung
Für diesen Versuch stehen Ihnen insgesamt zwei mit der „Dry1“-Struktur (Fingerstruktur) versehene
Silizium Wafer zur Verfügung (auf einem befindet sich noch die Oxid-Maske aus dem
Siliziumtiefenätz-Modul, auf dem anderen wurde diese entfernt), die mittels einem
Trockenätzprozess (dem Siliziumtiefenätzen) hergestellt wurden.
Zum Deckeln mittels anodischem Bonden steht ihnen zudem ein Pyrex-Wafer zur Verfügung und
für den Versuchsteil „Kleben“ mehrere Pyrex-Chips. In diesem Versuch werden Sie nun einmal eine
„Dry1“-Struktur (Fingerstruktur) mittels anodischem Bonden deckeln. Die andere „Dry 1“-Struktur
(Fingerstruktur) wird jeder von Ihnen selbst mittels Klebeverfahren versuchen, an einzelnen von
Ihnen ausgewählten Stellen zu deckeln.
86
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Ablauf:








Beide Wafer vor dem Versuch in Aceton grob, Aceton fein, Isopropanol, QDR reinigen und
trocken schleudern.
Im Sägeraum werden Sie auf dem Wafer, der in den anodischen Bonder kommt, mittels
eines Diamantritzers vorsichtig einen kleinen Defekt einritzen. Machen Sie sich hierbei
Gedanken, ob Sie hierfür den Wafer mit der Oxidschicht oder den Wafer ohne Oxidschicht
benötigen!
Danach schleusen Sie diesen Wafer in den anodischen Bonder ein. Da wir nur Teststrukturen
ohne Justagemarken verwenden, reicht es für diesen Versuch aus, die Justage ohne BA6
durchzuführen.
Der Ablauf am anodischen Bonder:
 Strukturierten Wafer auf Halterung legen
 Spacer (100 µm) auflegen
 Pyrex-Wafer auflegen
 Mit Klammern befestigen
 Waferverbund in Maschine einfahren
 Rezipient wird evakuiert
 Chucks werden auf 360 °C beheizt
 Erste Fixation wird mittels eine Mittenelektrode durchgeführt, hierbei wird eine
Spannung von 2000 V für 1 Minuten angelegt. Ca. 2 cm im Durchmesser werden so
mittig gebondet
 Spacer werden entfernt
 Das flächige Bonden wird mittels einer Flächenelektrode durchgeführt, wobei hier eine
Spannung von 1000 V aufgebracht bei einem Strom von 10 mA. Zu Beginn bricht die
Spannung erst einmal ein. Mit der Zeit steigt die Spannung. Der Prozess endet, wenn bei
konstanter Spannung 8 % von Imax erreicht wird.
 Danach werden die Chucks abgekühlt
 Ab 200 °C können die Wafer aus der Maschine gefahren werden
In der Zeit, während der Prozess im Bonder läuft, kann der erster Ihrer Gruppe mit dem
Klebeversuch anfangen. Gehen Sie dazu in den AVT-Raum an den so genannten DieBonder.
Nehmen Sie nun den zweiten mit „Dry1“ strukturierten Wafer (Fingerstruktur) und führen
mittels des Klebeverfahrens Deckelungsversuche einzelner Strukturen am sogenannten DieBonder durch. Dazu stehen Ihnen gesägte Glas-Chips zur Verfügung. Bitte halten Sie die
Prozessendzeit des anodischen Bonders im Auge.
Nachdem der erste Wafer aus dem anodischen Bonder genommen wurde, können die
restlichen Klebeversuche durchgeführt werden.
Im Anschluss betrachten Sie den anodisch gebondeten Wafer und Ihre Klebeversuche unter
dem Mikroskop und diskutieren die Ergebnisse
87
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Wafertransfer
Reinraumlaborkurs 1
Modul E1-2: Anod. Bonden Pro Gruppe:
1 Pyrex Wafer
1 Si tief. Oxidmaske, Dry 1
1 Si tief., Dry 1
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
E
Modul:
16 Pyrex Wafer
16 Si tief. Oxidmaske, Dry 1
16 Si tief., Dry 1
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Modul E1-2
A
Pyrex-Wafer
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
E
Modul E1-2
M
Modul E1-2
1 Pyrex Wafer
1 Si tief. Oxidma., Dry 1
1 Si tief., Dry 1
Si-Wafer tief.
Modul E1-2
1 Pyrex Wafer
1 Si tief. Oxidma., Dry 1
1 Si tief., Dry 1
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
E
Modul E1-2
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
A
Modul E1-2
Modul E1-2
Pyrex Chips
Si-Wafer tief. Oxid
Abbildung 32: Grafische Darstellung des Wafertransfers von Modul E1-2
Auswertung der Versuche
Entsprechend den MST-Protokoll-Vorgaben
http://intern.imtek.de/content/studenten/download.php
88
Reinraumlaborkurs 1
5.
Modul E2-1:
Bonden
WS 14/15 & SS 15
Kontaktierungsverfahren:
Draht-
Ziele
In diesem Modul lernen Sie kennen, wie man in der Mikrosystemtechnik, wie auch in der
Mikroelektronik, die elektrische Verbindung von Mikro zu Makro realisieren kann. Informieren Sie
sich dazu im Vorfeld mit Hilfe der Zusatzfragen ausführlich über die Aufgaben der
Verbindungstechnik, die auftretenden Probleme und deren Lösung.
Beschäftigen Sie sich dann eingehend mit den Funktionsprinzipien und Verbindungsabläufen der
folgenden Kontaktierungsverfahren:
 Drahtbonden
 Tape-Automated-Bonding (TAB)
 Flip-Chip-Technik
Hier werden Sie nun selbst das Wedge-Wedge-Bonden an einem halbautomatischen Bonder
anwenden. Für diesen Versuch stehen Ihnen speziell gefertigte Chips zur Verfügung, die Ihnen zum
Bonden keine Probleme bereiten sollten und sie somit brauchbare Bondverbindungen herstellen
können. Auch wenn Sie mit den speziellen Chips kaum Probleme haben werden, ist das Bonden
keine triviale Aufgabe, speziell im Hinblick auf die Prozessierung der dafür notwendigen
Bondpads, einmal im Hinblick auf Haftfestigkeit und zum anderen auch die
Materialverträglichkeiten. Zum Vergleich können Sie in diesem Versuch auch einen Bondversuch
an einem, während des Praktikums gefertigten Nickeltemperatursensor, durchführen.
Ort
Gebäude: 104, Reinraum 02 AVT
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
Der Ablauf dieses Moduls







Chip am Die-Bonder in Leadframe justieren und aufkleben
Kleber im Trockenschrank aushärten
Bondversuch durchführen, wobei jeder aus Ihrer Gruppe selbst das Wedge-Wedge Bonden
ausprobieren soll
Bonds unter dem Stereo-Mikroskop anschauen
Durchgang testen
Bondversuch auf Temperatursensor des Praktikums
Mit Pinzette testweise vorsichtig an den Bonddrähten ziehen
Auswertung der Versuche
Entsprechend den MST-Protokoll-Vorgaben
http://intern.imtek.de/content/studenten/download.php
89
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
F. Messtechnik
1.
Theorie
Messen
Man darf den Werten eines Messgerätes nicht blind vertrauen. Es ist immer zu überprüfen, ob das
Ergebnis der Messung plausibel ist. Fehlerquellen müssen minimiert werden. Um ein optimales
Messergebnis zu erhalten, ist es unabdingbar, das Messgerät vor der Messung zu kalibrieren.
Behandlung von Messfehlern:
Bei den verschiedenen Messverfahren kommt es unumgänglich zu Messfehlern und
Ungenauigkeiten. Dies liegt keineswegs an einem eventuell „schlampigen“ Messen, als vielmehr an
der Messmethode (Möglichkeiten und Grenzen) oder der Mikrostruktur (siehe „Schichtdicke“) an
sich. Im Endeffekt ist das Messen ein statistisches Verfahren, je mehr Einzelmessungen oder
Messpunkte vorliegen, umso genauer kann eine Messung werden.
Messtechnik
Die Auswahl der passenden Messtechnik ist entscheidend für haltbare Messergebnisse. Die
Verwendung einer bestimmten Messmethode ist dem Substrat, dem Schichtmaterial und dem
gewünschten Ergebnis anzupassen.
Man unterscheidet bei den Methoden zur Messung dünner Schichten a) zerstörende und b)
zerstörungsfreie Messmethoden.
a) Zerstörende Methoden verändern die zu messende Schicht irreversibel.
b) Zerstörungsfreie Methoden tun dies nicht. Sie dienen u.a. zur Messung während der
Schichtherstellung zur Steuerung des Prozesses, um bestimmte Parameter einzuhalten.
1.1.
Allgemeine Grundlagen
Die Widerstandsthermometer sind genormt. Für Nickel gilt die Norm DIN 43760. Diese Norm
besagt, dass der Nennwert des Widerstandes R0 bei 0 °C, 100 Ω beträgt. Dieser Widerstandswert
wird in der Bezeichnung des Thermometers mit aufgenommen. Also würde Ni-1000 ein
Widerstandsthermometer mit einem Nennwert von 1000 Ω bei 0 °C bezeichnen. In dieser Norm
wird der zulässige Temperaturbereich zu –60 °C ... +250 °C festgelegt. Zusätzlich werden in der
Norm noch die Toleranzklassen A und B definiert.
Industriell gefertigte Sensoren werden auf Einhaltung des Nennwertes innerhalb der Toleranzklasse
einzeln getrimmt. Dazu wird, z.B. mit einem Laser so lange gezielt Material abgetragen, bis der
Widerstand der Einzelelemente innerhalb der Toleranzklassen liegt.
90
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
NTC:
NTC-Widerstände (negative temperature coefficient) werden auch Heißleiter genannt. Wie der
Name bereits andeutet handelt es sich hierbei um stromleitende Materialien, die bei hohen
Temperaturen Strom besser leiten als bei tiefen Temperaturen. Dem gleichbedeutend ist, dass mit
steigender Temperatur der elektrische Widerstand sinkt. Die Heißleiter weisen folglich einen
negativen Temperaturkoeffizienten auf. Das Gegenteil von Heißleitern sind Kaltleiter (PTCWiderstände) die weiter unten erläutert werden.
Industrielle Heißleiter bestehen meist aus polykristallinen Halbleitern sinterfähiger Metalloxide.
Der Widerstand solcher Heißleiter lässt sich in einem sehr weiten Bereich beispielsweise durch
Mischverhältnis verschiedener Metalloxide einstellen. In der Mikrosystemtechnik werden als PTC
Materialien typischerweise klassische Halbleiter wie z.B. Silizium oder Germanium eingesetzt.
Typische Anwendungen für Heißleiter sind beispielsweise die Begrenzung von Einschaltströmen.
Ein Heißleiter in der Zuleitung eines elektrischen Geräts ist vor dem Einschalten im Normalfall kalt
und leitet somit schlecht. Nach dem Einschalten erwärmt sich der Widerstand sukzessive durch den
Stromfluss schnell und verliert so seinen hohen Anfangswiderstand. Eine weitere typische
Anwendung liegt als Temperatursensoren in Widerstandsthermometern (siehe Praktikumsversuch)
oder als Temperaturkompensation elektronischer Schaltungen vor.
PTC:
PTC-Widerstände (positive temperature coefficient) sind auch als Kaltleiter bekannt. Sie
bezeichnen stromleitende Materialien, die den Strom in einem gewissen Temperaturbereich bei
tiefen Temperaturen besser leiten als bei hohen Temperaturen. Der elektrische Widerstand nimmt
also bei Temperaturerhöhung zu.
Allseits bekannt dürfte dieser Effekt bei allen Metallen sein, die einen positiven
Temperaturkoeffizienten besitzen (siehe Glühwendel). Der Temperaturkoeffizient von Metallen ist
allerdings recht gering und weitgehend linear.
Als elektronische Bauteile sind Kaltleiter meistens aus halbleitenden, polykristallinen Keramiken
gefertigt (zum Beispiel BaTiO3), die in einem bestimmten Temperaturbereich eine Sperrschicht an
den Korngrenzen aufbauen. Typische Anwendungen hier sind selbst regelnde Heizelemente, selbst
rückstellende Sicherungselemente (z.B. Kabeltrommeln) und aber auch Temperatursensoren in
Widerstandsthermometern.
Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit in Metallen:
In Metallen existieren frei bewegliche Elektronen als Ladungsträger. Bei Anlegen eines äußeren
elektrischen Feldes erfolgt ein gerichteter Ladungstransport, es fließt ein Strom. Die Elektronen
können aufgrund der noch vorhandenen (positiven) Ionenrümpfe, die das Gitter bilden, nicht völlig
ungestört durch den Festkörper wandern. Sie werden auf ihrem Weg durch die Gitterschwingungen,
auch Phononen genannt, und durch vorhandene Gitterdefekte behindert. Die Dynamik der
Gitterschwingungen, die die Beweglichkeit der Elektronen also maßgeblich beeinflusst, ist stark
temperaturabhängig. Mit wachsender Temperatur schwingen die Atome stärker um ihre Ruhelage,
der Widerstand wächst (Abbildung 33).
91
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Abbildung 33: Temperaturabhängigkeit des Widerstands eines Metalls am Beispiel von Kupfer
Bei Zimmertemperatur und darüber beobachtet man das aus der „Schulphysik“ bekannte lineare
Verhalten des Widerstandes als Funktion der Temperatur. Bei tiefen Temperaturen wird aufgrund
der sich ändernden Elektron-Phonon-Wechselwirkung eine Widerstandsänderung beobachtet, die
proportional der 5. Potenz der Temperatur ist. Bei sehr tiefen Temperaturen sind die
Gitterschwingungen eingefroren, die Elektronen werden nur noch am nicht perfekten Gitteraufbau,
also an Störstellen gestreut. Der Widerstand wird temperaturunabhängig. Deshalb mündet die R(T)Kurve bei T = 0 in den endlichen Restwiderstand R0. Der spezifische elektrische Widerstand ergibt
sich nach der Matthiesen-Regel aus dem temperaturunabhängigen spezifischen Restwiderstand ρ0
und einem temperaturabhängigen Teil ρ (T) zu ρ = ρ0 + ρ (T).
Supraleiter:
Supraleiter sind Materialien, die beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur fast sprunghaft
ihren elektrischen Widerstand verlieren und Magnetfelder bis zu einer bestimmten Stärke aus ihrem
Inneren verdrängen. Bei Temperaturen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt tritt bei fast allen
Metallen und auch vielen anderen Materialien Supraleitung auf. Je nach ihrem Verhalten im
Magnetfeld unterscheidet man drei Typen von Supraleitern, wobei die beiden ersteren verschiedene
physikalische Ursachen haben, die dritte Art jedoch eine materialwissenschaftliche Notation ist.
Intensiv geforscht wird seit 1986 an der Hochtemperatursupraleitung. Der bekannteste Vertreter ist
hierbei das Yttriumbariumkupferoxid, das auch als YBaCuO, YBCO oder 123 bezeichnet wird, mit
92
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
der Formel YBa2Cu3O7-δ. Auf Grund der Komplexität der Zusammenhänge und dem erforderlichen
physikalischen Grundwissen soll an dieser Stelle nicht näher auf die Supraleitung eingegangen
werden. Vielmehr soll sie zur Vervollständigung der knappen Theorie dienen.
Charakterisierung eines Temperatursensor
Die vorliegenden Temperatursensoren wurden in Dünnschichttechnik aus Nickel gefertigt. Dieser
Nickel- Widerstand nutzt den Zusammenhang zwischen elektrischem Widerstand von Metallen und
der Temperatur aus (siehe Gleichung 1):
R(T) = R(T = 0 °C) · (1 + α · T), α = Temperaturkoeffizient
(2)
Bei bekanntem Temperaturkoeffizienten kann durch Messen des elektrischen Widerstandes die
Temperatur bestimmt werden.
Durch den Einsatz der Dünnschichttechnik wird nicht nur die Baugröße der Sensoren gering
gehalten, sondern durch die gleichzeitige Bearbeitung einer Vielzahl von Sensoren (Prozessierung
im Batch) erzielt man zudem niedrige Herstellungskosten. Niedrige Kosten, wie sie für einen
breiten Einsatz im Auto, in Haushaltsgeräten, in der Verfahrens- und Automatisierungstechnik
notwendig sind.
Die Temperatursensoren wurden hergestellt, indem auf den Wafern in einem ersten
Fertigungsschritt eine ca. 300 nm dicke Nickelschicht durch Sputtern aufgebracht wurde. Diese
gesputterte Nickelschicht wurde anschließend mit Hilfe einer Fotolithografie durch nasschemisches,
isotropes Ätzen so strukturiert, dass sich ein Widerstand der Schicht von ergibt.
Danach wurden Bondpads zur elektrischen Kontaktierung des Temperatursensors nach außen mit
Hilfe einer galvanischen Abscheidung von Zinn erzeugt.
In Praktikum werden die Sensoren charakterisiert. Um den Temperatursensor zu bestimmen, wird
die Widerstandsänderung über der Temperatur aufgenommen. Weitere Messungen zur
Charakterisierung der Messeigenschaften, wie Auflösung und Wiederholgenauigkeit kommen
hinzu.
1.2.
Schichtdickenmessung
Schichtdicke
Was bedeutet überhaupt „Schichtdicke“: Es ist in der Mikrostrukturtechnik keineswegs so, dass es
die Dicke einer Schicht ist, die man misst. In den wenigsten Fällen sind die aufgebrachten
Schichten, seien es Resiste oder sonstige Layer, planparallel zu der Substratoberfläche und
gleichmäßig dick über die gesamt Oberfläche. Die Schichtdicke von Resisten zum Beispiel nimmt
zum Rand hin ab. Gleichzeitig kann es direkt an den Rändern selbst zu starken Überhöhungen
kommen.
93
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Messung der Schichtdicke
Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, die Schichtdicke zu vermessen:
 Profilometer
 Elektrisches Verfahren
 Interferenzverfahren
 Ellipsometrie
 Schwingquartzmethode
 Mikrowägung
Für die Wahl der richtigen Messmethode sind die Schichteigenschaften entscheidend:
Ist die Schicht transparent oder nicht, ist sie leitfähig oder dielektrisch, in welcher Größenordnung
liegt die Schichtdicke, welchen (negativen) Einfluss könnte die Messung auf die Schicht haben…
Profilometer
Die Messung der Schichtdicke über eine mechanische Profilometrie (Tastschnitt, Profiler), wie in
Abb. 34 dargestellt. Dazu wird eine Metallspitze mit Hilfe einer Feder, die eine geringe
Anpresskraft von ca. 0.1 mN erzeugt, zeilenförmig über die zu untersuchende Oberfläche geführt.
Die Topographie der Oberfläche führt zu einem Ausschlag der Spitze. Dieser Ausschlag wird
elektronisch gemessen, kompensiert und angezeigt.
Abbildung 34: Funktionsweise des Profilometers
Elektrisches Verfahren
Für elektrisch leitende Schichten, deren spezifischer Widerstand p und Geometrie bekannt ist, kann
die Schichtdicke durch die Messung des Widerstandes R bestimmt werden. d = R * (A / p)
Analog können dielektrische Schichten über eine Kapazitätsmessung bestimmt werden.
Interferenzverfahren (optisches Verfahren)
Siehe auch bei Weißlichtinterferometer C2-1a. Die Dicke transparenter Schichten mit dem
Brechungsindex n kann mittels einer Interferenzmessung bestimmt werden. Bei der
Zweistrahlinterferenz wird die Interferenz zwischen dem auf der Schichtoberfläche und dem auf der
Substratoberfläche reflektierten Strahl beobachtet und die durch die Interferenz erzeugten
Intensitätsmaxima abgezählt. Diese Maxima entstehen durch die Gangunterschiede der beiden
Strahlen.
94
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Weiterhin gibt es auch noch das Vielstrahl-Interferenzverfahren, das eine höhere Messgenauigkeit
erzielt.
Die Weißlichtinterferometrie ist ein Verfahren, welches die Interferenz breitbandiger
elektromagnetischer Strahlung, hier weißes Licht, ausnutzt. Für das Auftreten von
Intereferenzerscheinungen ist die Wegdifferenz entscheidend. Die Wegdifferenz zweier oder
mehrerer kohärenter Wellen gleicher Wellenlänge ist der Gangunterschied. Beträgt der
Gangunterschied zweier Wellen genau eine halbe Wellenlänge löschen sich die beiden Teilwellen
aus. Beträgt er ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge, addieren sich die Intensitäten der
beiden Teilwellen. Die Kohärenzlänge ist der maximale Weglängenunterschied, den zwei
Lichtstrahlen, die derselben Quelle entstammen, haben dürfen, damit bei ihrer Überlagerung noch
ein Interferenzmuster entsteht. Die Kohärenzlänge bezeichnet den Gangunterschied der beiden
Teilstrahlen.
Wird die Synchronität der einzelnen Wellenlängen bzw. Frequenzanteile verzerrt oder gestört,
spricht man von Dispersion. Da diese in praktisch allen transmissiven optischen Elementen
auftaucht und das Weißlichtinterferometer empfindlich reagiert, lässt sich dieses Gerät zur
Dispersionsmessung einsetzen.
Ein Weißlichtinterferometer arbeitet mit Licht geringer Kohärenzlänge. Daher entstehen
Interferenzen nur bei auf wenige Mikrometer gleichen Weglängen im Referenz- und Objektstrahl.
Es kann als ein Messgerät zum berührungslosen Messen von Werkstücken mit hoher räumlicher
Auflösung in der Tiefe verwendet werden. Auf glatten Flächen können Genauigkeiten im Bereich
von wenigen Nanometern erreicht werden, auf rauen Flächen ist die Genauigkeit durch die
Oberflächenrauhigkeit begrenzt.
Ellipsometer (optisches Verfahren)
Ein Ellipsometer ist ein Instrument zur schnellen und zerstörungsfreien Bestimmung von
Brechungsindex und Schichtdicke von transparenten Schichten zwischen 1 nm und einigen
Mikrometern. Dazu wird die Änderung des Polarisationszustandes eines monochromatischen
Lichtstrahls bei Vielfachreflexion an der Vorder- und Rückseite der dünnen Schicht gemessen.
Die Theorie hierzu geht weit über die Erwartungen, die wir derzeit an Sie stellen wollen, hinaus. Sie
können aber bei näherem Interesse viele Informationen mit ausführlichen Beschreibungen in der
Literatur und im Internet finden.
95
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Abbildung 35: Ellipsometer
Schwinquarzmethode
Diese Methode finden Sie vor allem bei „in situ“-Messungen, also bei Messungen während des
Prozesses zur Prozesskontrolle (zum Bsp. während des Aufdampfens, um die bereits aufgedampfte
Schichtdicke zu kennen).
Das Verfahren beruht auf der Änderung der Resonanzfrequenz eines Schwingquarzes. Dieser hat
die Form eines Plättchens, dessen genaue Fläche bekannt ist. Das Plättchen wird während des
Prozesses mitbeschichtet und ändert aufgrund der Fremdmasse seine Frequenz. Diese
Frequenzänderung wird gemessen und daraus die Schichtdicke berechnet. Es können
Massenbelegungen bis in die Größenordnung von 10-8 g/cm2 nachgewiesen werden. Die
Messgenauigkeit wird begrenzt durch die Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz des
Schwingquarzes.
Mikrowägung
Die Schichtdicke wird aus der gemessenen Masse, der Dichte und der Fläche berechnet.
96
Reinraumlaborkurs 1
1.3.
WS 14/15 & SS 15
Elektrischer Widerstand dünner Schichten
Eine Möglichkeit dünne Schichten zu charakterisieren, ist die Messung ihres Schichtwiderstandes.
Im Folgenden sind die grundlegenden Zusammenhänge zwischen dem Schichtwiderstand, dem
Material der Schicht und deren Geometrie erklärt.
Der Zusammenhang zwischen elektrischem Widerstand R [Ω] und Geometrie eines Leiters ergibt
sich allgemein zu:
R
L
L

A
bd
(3)
mit dem spezifischen Widerstand  [Ωm], der Leiterlänge L [m] und dem Leiterquerschnitt A . Für
einen rechteckigen Leiterquerschnitt ist A = bd mit der Breite b des Leiters und dessen Dicke d.
Eine einfache Methode den elektrischen Widerstand von Kristallen und dünnen Schichten zu
bestimmen ist die Vierspitzen-Methode. Im Gegensatz zur klassischen Zweispitzen-Methode (siehe
Abbildung 36), wie sie bei der Widerstandsmessung in einem Multimeter zur Anwendung kommt,
wird dabei die Probe über vier Spitzen kontaktiert, was eine Trennung von Mess- und
stromführenden Spitzen ermöglicht. Über die beiden äußeren Spitzen wird Strom eingeprägt,
während der Spannungsabfall über die beiden inneren Spitzen „stromlos“ gemessen werden kann.
Dies ermöglicht die Kompensation von parasitären Widerständen, die sonst den Messwert
verfälschen würden. Widerstandskompensation ist bei der Messung sehr kleiner Widerstände
notwendig, bei denen der zu messende Widerstand in der Größenordnung des Ausgangwiderstandes
des Amperemeters liegt und Thermospannungen die Messung verfälschen.
Abbildung 36: Links: Klassische Zweispitzenmessung. Der Strom wird dabei über dieselben Kontakte eingeprägt,
über die auch der Spannungsabfall gemessen wird. Rechts: Vierspitzenmessung zur stromlosen Messung der Spannung
U bei einem äußerlich eingeprägten Strom I0.
97
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Bei dünnen Schichten wird der Flächenwiderstand (Sheet Resistance oder auch Quadratwiderstand)
RS [Ω] anstelle des spezifischen Widerstandes verwendet. Für eine quadratische Oberfläche ist L = b
und Formel (3) vereinfacht sich zu:
RS 

(4)
d
Somit kann über die Messung des Schichtwiderstandes bei bekanntem spezifischem Widerstand die
Dicke einer Schicht bestimmt werden.
Wird bei der Vierspitzen-Messung über die äußeren Elektroden ein konstanter Strom I eingeprägt
und der Spannungsabfall U zwischen den beiden inneren Spitzen gemessen, so erhält man den
Schichtwiderstand gemäß dem um den Korrekturfaktor κ erweiterten Ohmschen Gesetz:
RS   
U
.
I
(5)
Theoretisch lässt sich der geometrische Korrekturfaktor  für die im Praktikum benutzte
Leiterbahn- und Spitzengeometrie aus den Äquipotentiallinien zu
  
  4,53
 ln 2 
 
(6)
bestimmen, da die Leiteroberfläche eine Symmetriefläche ist und das Problem sich elektrostatisch
durch die Potentialverteilung zwischen positiver und negativer Ladung berechnen lässt. Für die
unterschiedlichsten Spitzenanordnungen und Leitergeometrien ist der Korrekturfaktor in der
Literatur dokumentiert.
98
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Die Messung des Widerstandes von dünnen Schichten erfolgt im Praktikum über eine
Vierpunktmessung (siehe Abbildung 36) mit Hilfe eines sogenannten Probers.
Abbildung 37: Grundlegender Aufbau eines Probers für die Vierspitzenmessung.
Der Prober besteht aus einem x,y,z-Tisch, einer zentralen Steuer- und Anzeigeeinheit sowie einer
Halteplatte auf der unterschiedliche Sonden (Probes) befestigt werden können. Zur
Widerstandsmessung werden vier Elektroden aus Wolfram im Abstand von jeweils 1,0 mm
zueinander als Sonden eingesetzt.
Schichtwiderstandsmessung nach van der Pauw
Bei der Schichtwiderstandsmessung nach van der Pauw wird von einem beliebig geformten Gebiet
ohne Löcher ausgegangen. Zwischen zwei Kontakten wird ein Strom eingeprägt und dieabfallende
Spannung über den beiden anderen Kontakte gemessen.
B
C
D
A
Abbildung 38: Beliebig geformte Messfläche ohne Loch, die an den Punkten A, B, C und D kontaktiert wird.
99
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Durch Permutation der Kontaktierung werden so verschiedene Spannungs-Strom-Verhältnisse
bestimmt. Van der Pauw konnte zeigen, dass folgender Zusammenhang gilt:
R AB ,CD 
R



  exp     BC , DA   1
exp    
RS 
RS 


(7)
Der Widerstand RAB,CD wird über die Messung der Spannung UCD bei eingeprägtem Strom IAB
bestimmt. Analog zu diesem Vorgehen kann RBC,DA bestimmt werden. Die Lösung von Gleichung
(7) ist nur numerisch möglich. Bei einer Messfläche mit mindestens einer Symmetrieachse
bezüglich der Messkontakte kann die Vereinfachung RBC,DA = RAB,CD vorgenommen werden. Dies
ermöglicht eine analytische Lösung von Gleichung (7).
Die Schichtwiderstandsmessung nach van der Pauw ist nur für punktförmige Kontakte exakt. Für
ausgedehnte Kontaktflächen kann eine erweiterte Variante nach Paul verwendet werden. Im
Praktikum werden stattdessen Strukturen vermessen, bei denen der Einfluss der Ausdehnung der
Kontaktflächen gering ist.
Bestimmung der Haftfestigkeit
Eine Methode zur Untersuchung der Haftfestigkeit einer Schicht ist der „Tesatest“.
Dieser Test mit (wieder ablösbaren) Klebebändern erlaubt eine qualitative (aber nicht quantitative)
Aussage über die Haftfestigkeit einer Schicht. (Beispiel: Au auf Si-Wafer: schlechte Haftung; mit
Ti-Zwischenschicht (30-50 nm): gute Haftung).
1.4.
Rasterelektronenmikroskop (REM)
Zur Rasterelektronenmikroskopie verwendet man die Welleneigenschaften von schnellen
Elektronen. Nach Durchlaufen einer Beschleunigungsspannung von 3-30 kV besitzen die
Elektronen kinetische Energie, denen eine bestimmte Wellenlänge zugeordnet ist, die kleiner ist als
die von sichtbarem Licht. Bilder die mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen wurden,
stellen Abbildungen der Objektoberfläche dar und zeichnen sich im Vergleich zu Bildern, die mit
lichtoptischen Durchlichtmikroskopen erzeugt werden, durch eine höhere Schärfentiefe aus. Mit
Lichtmikroskopie kann ein maximaler theoretischer Vergrößerungsfaktor von ca. 2000:1 erreicht
werden. Für Rasterelektronenmikroskope beträgt der maximale theoretische Vergrößerungsfaktor
ca. 500.000:1.
100
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Abbildung 39: Rasterelektronenmiksroskop am Lehrstuhl für Prozesstechnologie, IMTEK
Da schnelle Elektronen eine sehr viel kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht haben und die
Auflösung eines Mikroskops durch die Wellenlänge begrenzt ist, kann mit einem
Elektronenmikroskop eine deutlich höhere Auflösung (etwa 0,1 nm, de Broglie) erreicht werden als
mit einem Lichtmikroskop (etwa 200 nm, Ernst Abbe).
Tabelle 2: Einstellung der Auflösung über die Beschleunigungsspannung [6]
Als Rasterelektronenmikroskop (REM) (englisch "Scanning Electron Microscope" (SEM))
bezeichnet man ein Elektronenmikroskop, bei dem ein Elektronenstrahl zeilenweise über das zu
untersuchende Objekt geführt wird und Wechselwirkungen der Elektronen mit dem Objekt zur
Erzeugung eines Bildes des Objekts genutzt werden.
101
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Abbildung 40: Elektronenwechselwirkungen in der Probe [8]
Die optische Säule, der Bereich des Rasterelektronenmikroskops in dem sich die
Elektronenerzeugung und –optik befindet, und die Probenkammer werden für die Bilderzeugung bis
zum Erreichen eines Hochvakuums evakuiert. Hierdurch werden Wechselwirkungen zwischen
Elektronen und Fremdatomen oder –molekülen innerhalb des Mikroskops minimiert.
Treffen die in der Elekronenquelle erzeugten Primärelektronen auf das Probenmaterial werden
durch eine Vielzahl von Interaktionsmechanismen unterschiedliche Signale emittiert. Zur
Bilderzeugung werden vor allem Sekundärelektronen und rückgestreute Primärelektronen für
Strukturanalysen sowie Augerelektronen und charakteristische Röntgenstrahlung für
Materialanalysen verwendet. Bei der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) werden
transmittierte Primärelektronen zur Bilderzeugung verwendet.
Sekundärelektronen (SE) entstehen durch inelastische Streuung der Priumärelektronen an
Probenatomen. Der Kontrastmechanismus bei Sekundärelektronen basiert darauf, dass in erhabenen
Teilen des Objekts mehr SE das Objekt verlassen und somit mehr SE den entsprechenden Detektor
(Everhart-Thornley-Detektor) erreichen, so dass diese Bereiche heller erscheinen. Das Volumen, in
dem detektierbare SE generiert werden, ist aufgrund ihrer geringen Energie von einigen eV
102
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
vergleichsweise klein, daher erlauben SE-Bilder eine sehr hohe Auflösung (wenige nm).
Zurückgestreute Elektronen (BSE von engl. „Backscattered Electrons“) entstehen durch elastische
Streuung der Primärelektronen an Atomkernen des Probenmaterials. Durch ausreichend starke
Wechselwirkungen werden die Primärelektronen hierbei reflektiert. Die BSE haben im Vergleich zu
den SE eine höhere Energie (einige keV) und werden in größeren Probenvolumina generiert. In
BSE-Bildern erscheinen tief liegende Bereiche des Objekts dunkel. Des Weiteren weisen BSEBilder einen Materialkontrast auf. Schwere Elemente (hohe Ordnungszahl) im Probenmaterial
führen zu einer stärkeren Rückstreuung als leichte Elemente, so dass entsprechende Bereiche hell
erscheinen.
Charakteristische Röntgenstrahlung zeichnet sich durch eine elementabhängige Energie aus. Bei
der „Energiedispersiven Röntgenstrahlanalyse“ (EDX von engl. „Energy Dispersive X-Ray
Analysis“) wird diese detektiert, wodurch die stoffliche Zusammensetzung des Probenmaterials
analysiert werden kann.
Abbildung 41: Informationsherkunft in der Probe bei verschieden Elektronenarten
Aufbau und Bestandteile
Ein Rasterelektronenmikroskop besteht aus mehreren Komponenten mit verschiedenen Aufgaben.
Eine Elektronenquelle (Kathode) liefert hierbei die notwendigen Elektronen, die dann über eine
Anode beschleunigt werden. Dieser Elektronenstrahl wird über Blenden und magnetische Linsen
geformt und über eine Ablenkeinheit über die Probenoberfläche gerastert.
103
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Abbildung 42: Schematischer Aufbau eines REM [8]
Strahlerzeugung, Formung und Lenkung
Zur Erzeugung des Primärelektronenstrahls wird eine Elektronenquelle eingesetzt. Dies ist aus
Kostengründen meist ein haarnadelförmig gebogener Draht aus Wolfram, eine so genannte
Glühkathoden. Diese werden durch Anlegen einer Spannung erhitzt und emittieren Elektronen.
Alternativ kann man Lanthanhexaboridkristalle (LaB6) zur Elektronenerzeugung oder eine
Feldemmissionskanone verwenden. Ein Vergleich der Effektivität und Qualität der Quellen ist in
Abbildung 43 dargestellt.
104
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Abbildung 43: Erreichbare Auflösungen in Abhängigkeit von Elektronenquelle und Beschleunigungsspannung [8]
Für die Bündelung der an der Glühkathode entstandenen Elektronenwolke wird ein Wehneltzylinder
verwendet. Dessen Wand liegt auf einem negativen Potential von einigen 100 V. Im Austrittsbereich
befindet sich ein kleines Loch, durch das die Elektronen die Möglichkeit haben zur Anode
beschleunigt zu werden. Das Potential zwischen Kathode und Anode beträgt typischerweise
8 bis 30 kV, wodurch sich ein elektrisches Feld ausbildet und durch das die Elektronen beschleunigt
werden.
Mit Hilfe von Blenden und Magnetspulen wird der Elektronenstrahl geformt und fokussiert. Dieser
Primärelektronenstrahl wird dann zeilenweise über die Oberfläche des Objekts geführt (Rastern).
Zur Anordnung und Reihenfolge der einzelnen Bauelemente kann es geräteabhängig Unterschiede
geben, das Prinzip einen geformten Elektronenstrahl definiert über eine Probenoberfläche zu rastern
ist jedoch immer gleich.
Detektoren
Trifft der Elektronenstrahl auf das Objekt sind verschiedene Interaktionen möglich, deren Detektion
Informationen über die Beschaffenheit des Objekts geben können. Für die Detektion der
unterschiedlichen von der Probe emittierten Signale werden unterschiedlichen Detektoren benötigt.
So werden Sekundärelektronen beispielsweise durch einen Everhart-Thornley-Detektor, wie in
Abbildung 44 dargestellt, detektiert. Die Intensität des detektierten Signals an dem Punkt, auf den
der Elektronenstrahl fokussiert ist, wird als Grauwert in dem entsprechenden Pixel auf dem
Bildschirm dargestellt. Nach einer kurzen Zeit wird der Elektronenstrahl zum nächsten Punkt
bewegt und die Messung wiederholt. So wird die Objektoberfläche zeilenweise analysiert.
105
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Abbildung 44: Signalweg von der Probenoberfläche zu einem auswertbaren Signal
(mit Szintillatorkristall und Photomultiplier) [8]
Arten der Rasterelektronenmikroskopie
Bei der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) durchstrahlen die Elektronen das
Probenmaterial, das zu diesem Zweck entsprechend dünn sein muss. Je nach Ordnungszahl der
Atome, aus denen die Probe besteht, der Höhe der Beschleunigungsspannung und der gewünschten
Auflösung kann die sinnvolle Probendicke von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern
reichen. Je höher die Ordnungszahl und je niedriger die Beschleunigungsspannung sind, desto
dünner muss die Probe sein.
Bei der Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM) von Scanning Transmission Electron
Microscopy) wird der Primärelektronenstrahl über die Probe gerastert, und die durchgelassenen
Elektronen detektiert und einem Punkt auf der Probenoberfläche zugeordnet.
Achtung: Die Doppelbedeutung der Abkürzungen REM und SEM ist unglücklich. Sie bezeichnen
einerseits die „Rasterelektronenmikroskopie“ beziehungsweise englisch „Scanning Electron
Microscopy“, unabhängig davon, ob die zur Bestrahlung verwendeten Primärelektronen (bei der
STEM) oder die in der Probe erzeugten Sekundärelektronen zur Bilderzeugung verwendet werden.
Andererseits werden sie aber auch zur Bezeichnung der Sekundärelektronenmikroskopie (bei der
immer gerastert wird) verwendet. Auch die Bezeichnungen „Rasterelektronenmikroskopie“ und
„Scanning Electron Microscopy“ sind Homonyme und bezeichnen sowohl die STEM wie auch die
Sekundärelektronenmikroskopie.
106
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Probenaufbereitung und Anforderungen an die Proben
Nichtleitende Proben müssen besonders im Rasterelektronenmikroskop (REM) zur Verhinderung
einer elektrostatischen Aufladung mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen werden, zumeist
Gold oder aufgedampftes Graphit.
Für die Transmissionselektronenmikroskopie müssen die Proben in mehreren Schritten auf max.
1 µm Dicke gebracht werden. Zum Schneiden solcher Probenscheiben wird ein sogenanntes
Mikrotom verwendet.
Die aufwändige Vorbereitung der Proben kann zu Artefakten führen - Strukturen, die nur durch die
Vorbereitung entstanden sind, und nichts mit dem eigentlichen Objekt zu tun haben. Dies erschwert
die Auswertung der Bilder erschwert. Darüber hinaus können im TEM die Materialeigenschaften
von denen kompakter Proben abweichen, durch den überproportionalen Anteil oberflächennaher
Bereiche am Analytvolumen. Ein weiteres Problem ist die Schädigung der Proben durch den
Elektronenstrahl, beispielsweise durch Erwärmung oder Wegstoßen ganzer Atome nach Kollision
mit den schnellen Elektronen, aber auch Einschuss von Fremdatomen aus dem Vakuum in die
Probe.
Da die Proben im Vakuum betrachtet werden müssen, kann kein lebendes Material untersucht
werden. Die Technik ist aber schon soweit gereift, dass es möglich ist, feuchte Proben bzw. nicht
vorbehandeltes Material im REM zu betrachten (so genannte Environmental Scanning Electron
Microscopes, ESEM). Bei genauer Kenntnis der technischen Parameter im REM ist auch
weitgehend zerstörungsfreies Arbeiten möglich.
Glossar aus [6]:

BSE Back Scattered Electron
Diese Abkürzung bezeichnet Rückstreuelektronen. Dabei handelt es sich um Elektronen aus
dem Primärelektronenstrahl, die durch mehrfach elastische Streuung wieder an der Oberseite
der Probe heraustreten.

CTEM Conventional Transmission Electron Microscopy
Bei dieser Mikroskopieart wird die Probe durchleuchtet und das Bild als Ganzes auf einen
Leuchtschirm (Szintillator) projiziert.

EBIC Electron Beam Induced Current
Die auf einem P-N-Übergang fokussierten Elektronen erzeugen Elektronen-Loch-Paare.
Diese sind als induzierter Strom messbar. Anwendung findet dieses Verfahren vorwiegend
im Bereich der Halbleitercharakterisierung.

EBSP Electron Backscattered Patterns (Elektronenrückstreu-Bilder)
Bei Kristallen: Abhängig vom Winkel entstehen unterschiedliche Muster im Bild der
Rückstreuelektronen.
107
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15

EDS Energiedissipative Spektroskopie
Die Energieverteilung der Röntgenstrahlen, die bei der Elektronenmikroskopie entsteht wird
gemessen und erlaubt Rückschlüsse auf das Element, das diese ausgesandt hat.

EELS Elektronenenergieverlustspektroskopie
Die Energie der Elektronen nach einer unelastischen Streuung ist von dem Material sowie
dem Elektron abhängig, mit dem das Primärelektron interagiert hat. Mit einem
"magnetischen Prisma" wird eine Elektronenwellenlänge (entspricht der Energie eines
Elektrons) herausgefiltert und deren Intensität gemessen. Diese Messung gibt Aufschluss
über die Zusammensetzung der Probe.

ESEM Environmental Scanning Electron Microscope
Bei dieser Bauweise wird der Probenraum bei leichtem Vakuum gehalten, während der Rest
der Anlage unter Hochvakuum steht. So können auch feuchte Proben gemessen werden. Der
Elektronenstrahl legt nur wenige Millimeter in Luft zurück.

FESEM Feldelektronenrastermikroskop
Diese Abkürzung beschreibt ein Rasterelektronenmikroskop mit Feldemissionskathode.
Diese Mikroskope sind in der Regel hochauflösend.

MKXDP Micro-Kossel-X-ray Diffraction Patterns (Kossel Aufnahmen)
Bei Kristallen: Berylliumbeschichtetes Fenster lässt keine Elektronen, wohl aber
Röntgenstrahlen durch.

PEELS Parallel Electron Backscattered Patterns
Weiterentwicklung der EELS. Vermeidet zu geringe Signale beim Scan der einzelnen
Wellenlängen.

REM Rasterelektronenmikroskopie
Ob es sich dabei um Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) oder um
Sekundärelektronenmikroskopie handelt, ist nicht klar definiert. Im Sprachgebrauch ist aber
in der Regel letzteres gemeint.

SACP Selected-Area Electron Channelling Patterns
(Elektronen-Channelling Bilder nach der Feinbereichsmethode) Bei Kristallen:
Unterschiedliche Eindringtiefe sorgt für Kontrast im Sekundärelektronenbild.

SE Sekundärelektron
Sekundärelektronen können aufgrund unelastischer Wechselwirkungen aus der Probe
herausgeschlagen werden. Sie haben nur wenig Energie und werden von der Probe stark
absorbiert, so dass sie nur in den oberen 5 -10 nm austreten.
108
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15

SEM deutsch: Sekundärelektronenmikroskopie
Zur Bilderstellung werden Sekundärelektronen (SE), die am Eintrittspunkt des dünnen
Elektronenstrahls austreten, eingefangen. Die Probe wird nicht durchleuchtet, sondern vom
Elektronenstrahl zeilenförmig abgefahren (gerastert).

SEM englisch: Scanning Elektron Microscopy
Zu Deutsch: Rasterelektronenmikroskopie (REM). Ob es sich dabei um
Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) oder um
Sekundärelektronenmikroskopie handelt, ist nicht klar definiert. Im Sprachgebrauch ist aber
in der Regel letzteres gemeint.

STEM Scanning Transmission Electron Microscopy
Bei dieser Methode wird die Probe nur von einem dünnen Strahl durchleuchtet und
zeilenweise abgerastert. Das Bild wird, ähnlich wie beim Fernseher, zeilenweise auf dem
Szintillator aufgebaut.
2.
Fragen zu der Prozessgruppe Messtechnik






Was muss generell beim Messen (Vorbereitung, Durchführung, Ergebnis) beachtet werden
und was muss man sich über die Aussagekraft der gemessenen Werte bewusst sein?
Wie würden Sie die folgenden Begriffe definieren: wahre, scheinbare und mittlere
Schichtdicke. Welchen der drei Schichtdicken-Ergebnisse würden Sie als Ihren Ist-Wert
nehmen und mit dem geforderten Soll-Wert abgleichen, um entsprechend zu entscheiden
und Sie mit der erzielten Schichtdicke zufrieden sind?
Welche Messverfahren gibt es zur Schichtdickenmessung? Beschreiben Sie die
Grundprinzipien dieser Verfahren.
Welche Messverfahren gibt es zur Oberflächenanalytik? Nennen Sie die beiden
grundsätzlichen Methoden (bezogen auf die Auswirkung auf die Probe)?
Welche Messverfahren gibt es zur Untersuchung der Topographie und der kristallinen
Struktur?
Welche Messverfahren gibt es zur Untersuchung mechanischer und physikalischer
Eigenschaften von dünnen Schichten?
109
Reinraumlaborkurs 1
3.
WS 14/15 & SS 15
Modul F1-1: Charakterisierung eines
Temperatursensors
Ziele
In diesem Modul lernen Sie, wie man an einen Temperatursensor charakterisiert. Im Praktikum wird
ein einfacher Widerstandsthermometer (= Thermistor) verwendet. Der Widerstand ist eine auf
Pyrexglas gesputterte Nickelschicht, die strukturiert wurde und nun die Form eines Mäanders hat.
Der Thermistor ändert seine Leitfähigkeit mit der Änderung der Temperatur.
Informieren Sie sich dazu im Vorfeld ausführlich über
 Leitfähigkeitsverhalten von Metallen und Halbleitern in Abhängigkeit von der Temperatur
 PTC (positiver Temperatur-Koeffizient)
 NTC (negativer Temperatur-Koeffizient)
 Verschaltung des Versuchs-Aufbaus (Multimeter, Verkabelung, etc.)
Ort
Gebäude 102 LS Woias KVM Raum 01059
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
Ablauf dieses Moduls
Zur Aufnahme der Kennlinien der Sensoren wird ein Ofen zur Erzeugung der unterschiedlichen
Temperaturen verwendet. Die Messung des Widerstandes erfolgt durch ein Multimeter. Um den
Wert von R0 zu bestimmen, werden die Chips zu Beginn in Eis auf 0 °C gekühlt und der
Widerstand gemessen. Danach wird in einer Schrittweite von 5 °C, ausgehend von 30 °C ...100 °C
die Widerstandkurve der einzelnen Sensoren aufgenommen.
Um die Messgenauigkeit (Linearität) der Chips zu bestimmen werden die Sensoren nacheinander
auf eine Temperatur von 60 °C eingestellt, der Widerstand gemessen, wieder auf 0 °C gekühlt und
wieder auf 60 °C erhitzt und das 10 mal wiederholt. Die Genauigkeit ist dann die
Standardabweichung dieser Messreihe.
Zur näherungsweisen Erfassung der Ansprechzeit (Dynamik), wird ein auf 60 °C temperierter Chip
schnell auf 0 °C in Eis abgekühlt und die Widerstandsänderung über der Zeit per Oszilloskop
aufgenommen.
Vorbereitungen



Erwärmen Sie einen Behälter mit DI-Wasser auf 60 °C
Bereiten Sie einen zweiten Behälter mit DI-Eiswasser vor
Bereiten Sie angelötete Sensoren vor, falls es während des Moduls zu lange dauern sollte.
110
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Kontaktierung der Temperatursensoren

Löten der Anschlussdrähte an jeweils 2 Chips der unterschiedlichen Substrate unter einem
Abzug (möglichst schnell und zuverlässig löten, da sich sonst die Bondpads ablösen
könnten).
Temperatursensoren charakterisieren

Aufnahme von R0, Eiswasser, an Multimeter ablesen
Kennlinien der Sensoren aufnehmen (im Ofen):
 Ofen kann nach Einweisung durch Studenten gesteuert werden
 Sensoren in den Ofen hängen und mit den Multimetern kontaktieren
 Ofentür schließen
 Aufnahme von RRT, Raumtemperatur, an Multimeter ablesen
 Aufnahme von R(T), T = 30 °C ... 100 °C; dazu Ofen auf 100°C einstellen und in 5 °C
Schritten jeweils Widerstandswerte an den Multimetern ablesen.
Messen der Wiederholgenauigkeit/Linearität eines Sensors:
 Einen Sensor aussuchen und zum Kühlen in das DI-Eis-Wasser tauchen bis sich der
Strom/Widerstand nicht mehr ändert, Strom notieren.
 Sensor in das 60 °C warme DI-Wasser tauchen bis sich der Strom/Widerstand nicht mehr
ändert, Strom notieren.
 Kühlen und heizen 10 mal wiederholen
 Das Ganze mit den anderen Sensoren wiederholen
 Unterschiedliches Verhalten der Sensoren mit den unterschiedlichen Substraten beobachten
und diskutieren (NTC- bzw. PTC-Verhalten)
Aufnahme der Ansprechzeit eines Sensors:
 Die Aufnahme der Ansprechzeit erfolgt mit dem Oszilloskop, da sie Ansprechzeit des
Sensors mit ca. 250 ms sehr kurz ist. Wie könnte man die Sensoren-„Träger“ designen?
 Die Studenten sollen den Messaufbau verkabeln. Das Oszilloskop misst nur Spannungen.
Strom auf den festen Wert 1 mA einstellen.
 Sensor in Eiswasser tauchen bis sich der Strom/Widerstand nicht mehr ändert.
 Sensor in das 60 °C warme DI-Wasser tauchen bis sich der Strom/Widerstand nicht mehr
ändert.
 Kühlen und heizen 10 mal wiederholen.
 Das Ganze mit den anderen Sensoren wiederholen.
 Werte des Oszilloskops notieren.
111
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Widerstands-Heizen anstatt Widerstand-Messen:
 Spannung am Netzteil sukzessive erhöhen, beginnend in 100 mV Schritten, und den Strom
durch den Sensor messen. Achtung: Der Sensor wird sehr heiß!
 Endpunkt der Messung ist die Leistungsaufnahme, bei der Sensor (Mäander) zerstört wird.
Wahrscheinlicher ist allerdings, dass der Schmelzpunkt des Lötzinns (180 °C) überschritten
wird und die Drähte sich ablösen. Die Bondpads sollten halten.
 Diskutieren Sie kurz die Funktion von sich selbst rückstellenden Sicherungselementen und
von selbst regelnden Heizelementen.
Wafertransfer
Reinraumlaborkurs 1
Modul F1-1: Charakterisierung
Pro Gruppe:
T-Sensoren auf versch. Substraten
Modul:
T-Sensoren auf versch. Substraten
Modul F1-1
T-Sensorchips
4 Substrate
Abbildung 45: Grafische Darstellung des Wafertransfers von Modul F1-1
Auswertung der Versuche
Entsprechend den MST-Protokoll-Vorgaben
http://intern.imtek.de/content/studenten/download.php
112
Reinraumlaborkurs 1
4.
WS 14/15 & SS 15
Modul F2-1: Schichtdickenvermessung /
Strukturvermessung
Ziele
In diesem Modul lernen Sie eine Auswahl der Möglichkeiten der Schichtdickenmessung und
Strukturvermessung kennen. Die Wahl der Messmethode hängt stark von der zu untersuchenden
Schicht ab.
Informieren Sie sich dazu im Vorfeld ausführlich über die Funktionsweise und die Unterschiede der
folgenden Messtechniken:
 Profilometer
 Tiefenschärfe (Mikroskop)
 Interferenzverfahren (Weißlichinterferometer)
 Ellipsometrie
 Mikrowägen
 Schwingquartzmethode
Ort
Gebäude 104 Reinraum 02 AVT
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
Der Ablauf dieses Moduls
Folgende Wafer stehen Ihnen zur Verfügung:
 1 Wafer mit 15 nm Nickelschicht
 1 Glaswafer mit 15 nm Nickelschicht
 1 Wafer mit Lackschicht, 2 µm, AZ1518
 Si-Wafer mit geschlossener Oxidschicht (entstanden im PECVD-Modul)
 1 Si-Wafer mit geöffneter Oxidschicht (noch nicht tiefengeätzt, aber strukturiert mit
Maskierschicht für Modul D1-1)
 1 Wafer Si-tiefengeätzt
 5 x Si verschiedener Dicke
 1 Wafer mit Temperatursensoren (zum Vermessen der Leiterbahnbreite und -Höhe)
Schichten/ Strukturen optisch erkennen:
 Mit bloßem Auge
 Mit Mikroskop:
 untersch. Kontrastarten
 untersch. Beleuchtungsarten
 Welches Material, was für Schichten kann man sehen/ erkennen?
 Welche Strukturen sind zu erkennen?
113
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Schichtdickenmessung:
Um eine Schicht zu messen, gibt es viele verschieden Möglichkeiten. Welche Methode man
verwendet, hängt von verschiedenen Faktoren ab.
Überlegen Sie sich bei jedem Wafer, mit welchen Geräten Sie die Schichtdicke oder Strukturtiefe
vermessen können. Begründen Sie dies und führen Sie die Messung mit Ihrem Betreuer zusammen
durch.
 Per Profilometer/ Tastschnittgerät Raum 02
 über Tiefenschärfe (tiefengeätzt mit Si-Tiefenätzstruktur) Raum 03
 Weißlichtinterferometer Raum 05
 per Ellipsometrie Raum 02
 per Mikrowägen Raum 04
 Schwingquarzmethode
Strukturvermessung (Breite und Höhe):
 Vermessen Sie die Temperatursensoren und vergleichen Sie die Ergebnisse.
 per Profilometer/ Tastschnittgerät Raum 02
 per Mikroskopraster Pixelzählen am Mikroskop Raum 02
Auswertung der Versuche:
 Entsprechend den MST-Protokoll-Vorgaben.
 Vergleichen Sie die Mess-Ergebnisse, etc.
Wafertransfer
Reinraumlaborkurs 1
Modul F2-1: Schichtdicke
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
Pro Gruppe = Modul:
1 Si mit 15 nm Nickel
1 Si mit 2 µm Az1518
1 Si mit geschloss. Oxidschicht
1 Si mit geöffneter Oxidschicht
1 Si tiefengeätzt
1 Wafer mit Temperatur-Sensoren
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
M
M
Modul F2-1
Modul F2-1
Var. Waferdicke
Wafer
belackt/unbelackt
Modul F2-1
Messwafer
Abbildung 46: Grafische Darstellung des Wafertransfers von Modul F2-1
114
Reinraumlaborkurs 1
Abbildung 47: Farbtafel der SiO2-Schichten
Auswertung der Versuche
Entsprechend den MST-Protokoll-Vorgaben
http://intern.imtek.de/content/studenten/download.php
115
WS 14/15 & SS 15
Reinraumlaborkurs 1
5.
WS 14/15 & SS 15
Modul F3-1: Schichtwiderstand und Haftfestigkeit
einer Schicht
Ziele
In diesem Modul lernen Sie, wie man an einem Vierspitzen-Messplatz (Prober) einen
Schichtwiderstand misst. Weiter lernen Sie, wie alternativ zur Vierspitzenmethode mit Hilfe von
Teststrukturen nach der van der Pauw Messmethode der Schichtwiderstand bestimmt werden kann.
Informieren Sie sich dazu im Vorfeld ausführlich über die Funktionsweise eines Vierspitzen-Probers
und der Messmethode nach van der Pauw.
Des Weiteren werden Sie die Haftfestigkeit einer Schicht qualitativ untersuchen und die Wirkung
einer haftvermittelnden Schicht kennenlernen.
Ort
Gebäude 104 Reinraum 08 Praktikum
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
Ablauf dieses Moduls
Folgende Wafer stehen Ihnen zur Verfügung:
 1 Glas-Wafer mit Ni-Schicht (300 nm)
 1 Glas-Wafer mit Al-Schicht (300 nm, gesputtert)
 1 Si-Wafer mit Au-Schicht (50 nm, aufgedampft)
 1 Si-Wafer mit Ti-Au Schicht (20 nm - 50 nm)
 1 Strukturierter Si-Wafer mit Cr-Schicht (20 nm, aufgedampft) und Au-Kontaktpads
Messung des Schichtwiderstandes
Vierspitzen-Messplatz (Prober):
 Einweisung der Studenten
 Positionieren der Spitzen mittig auf dem Substrat in x, y
Achtung:
Vor Aufsetzen oder Entfernen der Messspitzen darauf achten, dass der Stromgeber abgeschaltet ist,
da ansonsten die Messspitzen durch Funkenüberschlag zerstört werden.





Absetzen der Spitzen (Stromgeber ausschalten!). LED des Edge-Sensors kontrollieren. ZAchse bei Bedarf nachstellen (Auf geringen Anpressdruck achten!)
Einstellen des Stromes (µA Bereich)
Messen des Spannungsabfalls U
Berechnen des Schichtwiderstandes RS
Schichtwiderstand in der Mitte der Substrate mit dem Prober messen
116
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Ausmessen von RS an verschiedenen Stellen eines ausgewählten Substrates (13 Punkte
Messung, Abb. 25), Schichthomogenität berechnen
Abbildung 48: Anordnung der Messpunkte auf dem Wafer
van-der-Pauw-Messmethode und Erweiterungen:
Anhand von Struktur (g) in Abbildung 49 wird der Schichtwiderstand der Chromschicht bestimmt.
Hierzu werden zunächst je nach Methode zwei, drei, oder vier Widerstände Rij,kl = Ukl / Iij durch
Einprägen eines Stromes Iij zwischen den Kontaktpads i und j und Messen der resultierenden
Spannung Ukl zwischen den Kontaktpads k und l bestimmt. Der Schichtwiderstand kann dann mit
Hilfe von Gleichung (7), (8), oder (9) berechnet werden.
A
B
D
B
A
B
C
A
D
A
B
D
A
C
C
B
C
A
B
D
C
D
D
C
B
C
A
D
Abbildung 49: Teststrukturen zur Messung des Schichtwiderstands nach van der Pauw [Struktur (g)], bzw. nach Paul
[Strukturen (a)-(f)].
117
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Haftfestigkeitstests:
Tesafilmtest (oder Scotchband, klares Band verwenden, vom Rand her abziehen)
 1 Si-Wafer mit Au-Schicht (50 nm, aufgedampft)
 1 Si-Wafer mit Ti-Au Schicht (20 nm - 50 nm)
Wafertransfer
Reinraumlaborkurs 1
Modul F3-1: Schichtwid./Haftfest.
Pro Gruppe = Modul:
1 Glas mit Nickel
1 Si mit Au
1 Si mit Ti + Au
Si mitmit
Al Al
1 Glas
1 R-Test Wafer
Reinraumlaborkurs 1 SS 2010
M
Modul F3-1
Messwafer
Modul F3-1
Wafer Au
Wafer Ti + Au
Abbildung 50: Grafische Darstellung des Wafertransfers von Modul F3-1
Auswertung der Versuche
 Berechnung der Schichtdicke über die Messdaten der Vierspitzenmessung
 Diskussion der Schichthomogenität, die aus den Messdaten der Vierspitzenmessung
hervorgeht. Darstellung der Schichtdicke in einem 3D-Plot.
 Berechnung der Schichtdicke über die Messdaten zur van-der-Pauw Messung
Entsprechend den MST-Protokoll-Vorgaben
http://intern.imtek.de/content/studenten/download.php
118
Reinraumlaborkurs 1
6.
WS 14/15 & SS 15
Modul F4-1: Rasterelektronenmikroskop REM
Ziele
In diesem Modul lernen Sie die Arbeit mit einem Rasterelektronenmikroskop und die
Probenvorbereitung in der Praxis kennen.
Informieren Sie sich dazu im Vorfeld ausführlich über
 die Funktion eines REM
 Bereiche und Grenzen des „Mikroskopierens“ (Auflösung, untersuchbare Materialien, etc.)
 Effekte und Einflüsse der Messung (Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl) auf die Probe
Ort
Gebäude 103 LS für Prozesstechnologie Raum 01 019
Treffpunkt: Im Eingangsbereich vor dem Reinraum
Der Ablauf dieses Moduls








Vorstellung des REM
Das Bedienungsfeld und das DOS-Benutzermenü
Die Monitore (mit Markierungen)
Die Elektronenstrahlquelle
Die Vakuumkammer (an Studenten: warum Vakuum?)
Die Vakuumpumpe
Der Stickstoffbehälter
Der Probentisch mit den kleinen Probentellern (mit Leitpaste)
Mikroskopieren mit dem REM
Das erste Objekt wir vom Betreuer in das REM eingebracht und untersucht. Sie sollen die Schritte
des Betreuers verfolgen und dies ab dem zweiten Objekt selbst tun. Der Betreuer erklärt Ihnen
deshalb genau seine Arbeit am REM, also was und warum er dies gerade macht.
Die Schritte:
 Auswahl der zu untersuchenden Objekte.
 Belüften der Kammer, in der das Objekt untersucht werden soll, da diese im Ruhezustand
immer evakuiert ist.
 Handschuhe anziehen und die auf dem Probentisch fixierten Proben in die Halterung
einsetzen. Fixierung mit der dafür vorgesehen Schraube. Die Kammer sollte dabei immer
nur kurz geöffnet sein, um das Eindringen von Luftfeuchtigkeit zu minimieren.
 Bei hohen Proben darauf achten, dass diese unter keinen Umständen an den Detektor stoßen
dürfen. Dafür gibt es eine Markierung am Monitor. Die Probe darf dazu einen
Arbeitsabstand von 10 mm nicht unterschreiten.
 Vakuumpumpe einschalten. Das Erreichen des nötigen Vakuums wird durch eine LED
signalisiert. Sie bekommen die Minisputteranlage gezeigt (während einer der
Evakuierzeiten).
 Hochspannung (5 kV bis max. 15 kV) einschalten, dann den Filamentstrom.
119
Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Das Mikroskopieren findet immer von kleiner nach großer Vergrößerung statt. Dabei ist es die
Aufgabe, je Objekt mind. 3 scharfe und aussagekräftige Bilder unterschiedlicher Vergrößerungen zu
machen und unter sinnvollen Dateinamen im entsprechenden Ordner auf der ZIP-Diskette zu
speichern. In das Protokoll gehören alle vorgenommen Einstellungen und Werte zu dem jeweiligen
Bild.
Um optimale Bilder zu erhalten oder den Fokus einfach und schnell zu finden, gibt es verschiedene
Betriebsarten, zwischen denen man während des Mikroskopierens wechseln kann: TV-Modus,
Slow-Scan, kleines Fokusfenster, Gammakorrektur, Split-Screen, Intensitätverteilungskurve, etc.
Abschalten des REMs zum Probentausch: Hochspannung aus, Filamentstrom aus, TV-Modus ein,
Spot-Size default, Vergrößerung auf 100, Belüftung der Kammer.
Um den Unterschied des Detektierens von rückgestreuten Primärelektronen (aus tieferen Schichten)
und Sekundärelektronen (aus den oberen Atomlagen) zu demonstrieren, eigenen sich besonders die
Pyramidenstrukturen des tiefengeätzen Wafers.
Dieser tiefengeätzte Wafer enthält außerdem eine so genannte Wagon-Wheel-Struktur, wie sie im
Modul mit dem nasschemischen Ätzen entsteht. Die Wagon-Wheel-Methode dient zur
experimentellen Bestimmung der Ätzrate in Abhängigkeit von der Kristallrichtung. Dabei stellt sich
je nach Kristallrichtung der einzelnen Stege eine unterschiedliche laterale Unterätzung ein. Dies
kann man unter dem REM sehr gut betrachten.
Auswertung der Versuche
Entsprechend den MST-Protokoll-Vorgaben.
http://intern.imtek.de/content/studenten/download.php
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Reinraumlaborkurs 1
WS 14/15 & SS 15
Literaturverzeichnis
[1] R. Zengerle, MST Technologien & Prozesse, Skript zur Vorlesung
[2] F. Völklein, T. Zetterer, Praxiswissen Mikrosystemtechnik -Grundlagen- TechnologienAnwendungen ; 2. Auflage, Vieweg+Teubner Verlag, 2006
[3] R. Brück, N. Rizvi, A. Schmidt, Angewandte Mikrotechnik, LIGA – Laser –
Feinwerktechnik, 2001, Carl-Hanser Verlag, Seite 51
[4] L. Bergmann, C. Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 6, de Gruyter
[5] S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Wiley VCH Verlag GmbH
[6] A. Kwade, I. Kampen, Mikroskopie und Partikelmessung im Mikro- und Nanometerbereich
[7] S. L. Flegler, K.L. Klomparens, Elektronenmikroskopie: Grundlagen—Methoden—
Anwendungen, Spektrum, 1995
[8] W. Rehbach, Grundlagen der Abbildung und Analyse im Rasterelektronenmikroskop,
RWTH Aachen
121

Modul 1: Einleitung Modul 2: Rahmenbedingungen

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