Oberflächen- und Dünnschicht-Technologie

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1 Rene A. Haefer 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Oberflächen- und Dünnschicht-Technologie Teil II Oberflächenmodifikation durch Teilchen und Quanten Mit 120 Abbildungen und 12 Tabellen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo Hong Kong Barcelona Budapest 1991

2 Inhaltsverzeichnis 1 Oberflächenmodifikation - ein Überblick Einleitung Laserstrahl-Verfahren Einige Charakteristika Laserstrahl-Behandlung von Metallen Laserstrahl-Behandlung von Halbleitern Laserinduzierte chemische Grenzflächen-Reaktionen Beschichtungstechniken mit Lasern Materialabtragung mit Lasern Feinbearbeitung mit Laserstrahlen Ionenstrahl-Verfahren Einige Charakteristika lonenstrahltechniken Ionenimplantation in Halbleiter Ionenimplantation in Metalle Ionenimplantation in Isolatoren und Polymere Ionenstrahltechnik und dünne Schichten Elektronenstrahl-Verfahren Thermische Verfahren Nicht-thermische Verfahren Beschichtung und Feinbearbeitung mit Elektronenstrahlen Ultraviolett-und Synchrotronstrahlung als Alternativen Plasma-Verfahren 14 : 1.6 Diamantschichten-Herstellung als Anwendung der Plasma- und ] der Ionenstrahltechnik Mikrotechnologien als Anwendung von Methoden der Oberflächen- '. und Dünnschicht-Technologie 15 j 1.8 Konventionelle Verfahren der Oberflächenmodifikation 16 2 Modifizierung von Oberflächen durch Laserstrahl-Verfahren Überblick Laser für die Materialbearbeitung Festkörperlaser CO 2 -Molekülgas-Laser Excimer-Laser 22

3 Inhaltsverzeichnis Gütegeschaltete (Q-Switch-)Laser Strahlführung und Fokussierung Wechselwirkung zwischen Strahlung und Werkstoff Absorption der Laserstrahlung bei niedrigen Intensitäten I < I c Theoretische Beschreibung der Bearbeitungsprozesse bei 1< I c Anomale Absorption der Laserstrahlung bei hohen Intensitäten I> I c Abhängigkeit der kritischen Intensität I c von der Einwirkungsdauer t p Material-abtragende Bearbeitung Wirkungsgrad der abtragenden Laserbearbeitung Laserinduzierte Schockwellen Laserinduzierte chemische Reaktionen an Oberflächen Pyrolytische und photolytische Reaktionen Laserinduzierte chemische Abscheidung aus der Gasphase (LCVD) Weitere laserinduzierte chemische Reaktionen an der gas/fest-grenzfläche Materialabtragung, Ätzung Materialsynthese Dotieren mit Fremdatomen Oxidieren, Nitrieren und Carburieren Reduktion Laser-unterstütztes elektrochemisches und chemisches Plattieren und Ätzen Laserinduzierte fest/fest-reaktionen an Grenzflächen Materialabscheidung Materialabtragung: Ablation Materialsynthese Dotierung Anwendungen in der Materialbearbeitung Umwandlungshärten von Randschichten Härten durch Umschmelzen Laser-Legieren Laser-Plattieren Laser-Glasieren (Laser Glazing) Schockhärten durch laserinduzierte Detonationswellen Weitere Laserstrahlverfahren Anwendungen in der Elektronik-und Dünnschicht-Technologie Strukturieren von Substraten Abgleichen elektronischer Bauelemente: Trimmen Strukturieren elektronischer Bauelemente durch Laserstrahlschneiden Kontaktieren und Verbinden von Bauelementen mittels Laserstrahlen Laser-Feinbearbeitung im um-bereich Ausheilen von Dotierungsschäden in Halbleitern und Rekristallisation Laser-Plasma-Verfahren zur Herstellung dünner Schichten und Schichtstrukturen Charakteristika des Verfahrens Ergebnisse und Anwendungen 66

4 Inhaltsverzeichnis XI 3 Modifizierung von Oberflächen durch lonenslrahl-verfahren Einleitung Grundlagen der Ionenimplantation Allgemeine Phänomene Implantationsprofil Konzentrationsverteilung der implantierten Ionen Ionen-Reichweite Channeling-Effekt Strahlenschäden Reichweiteverteilung der Strahlenschäden Bildung von amorphen Schichten Sputtering während der Ionenimplantation Ionenstrahlmischen (Atomic Mixing, Ion Beam Mixing) Mechanismen des Ionenstrahlmischens Experimente zum Ionenstrahlmischen lonenstrahlverfahren und Implantationsanlagen Übersicht über die lonenstrahlverfahren Strukturen der entstehenden Randschichten Implantationsanlagen Implantation von Ionen in Halbleiter Integrierte Schaltkreise Überblick Dotieren durch Ionenimplantation Vergrabene Schichten (Buried Layers) Ausheilen von Strahlenschäden in Halbleitern (Annealing) Aktivierung implantierter Dotieratome Kurzzeit-Ausheilverfahren für Silicium Ausheilen von Verbindungshalbleitern Implantation von Ionen in Metalle Einleitung Modifizierung der Zusammensetzung und der Struktur Verdünnte feste Lösungen Übersättigung, Legierungen, chemische Verbindungen und strukturelle Phasenänderungen Amorphe metallische Phasen Anwendungen der Ionenimplantation auf Metalle Vor- und Nachteile der Ionenstrahlmethode Verschleißminderung Korrosion in wäßriger Lösung Hochtemperaturoxidation Katalyse Ionenimplantation zur Simulation der Strahlenschäden in Reaktormaterialien Ionenstrahltechniken zur Erhöhung der Adhäsion dünner Schichten Ionenimplantation in Isolatoren und Polymere 111

5 XII Inhaltsverzeichnis 4 Modifizierung von Oberflächen durch Elektronenstrahl-Verfahren Einleitung Wirkungendes Elcktronenstrahls auf die Materie Vergleich der Wechselwirkung von Elektronen- und Laserstrahlen mit einem Target Thermische Elektronenstrahlverfahren Theoretische Grundlagen Elektronenstrahlanlagen Übersicht über die thermischen Elektronenstrahlverfahren Nichtthermische Elektronenstrahlverfahren Elektronenstrahl-induzierte nichtthermische Reaktionen Strahlenchemische Reaktionen in organischen Substanzen Elektronenstrahl-härtbare Beschichtungsmaterialien Elektronenbeschleuniger Elektronenbeschleuniger mit Scanningsystem Beschleuniger mit linearer Kathode Bestrahlung unter Inertgas Strahlendosis und erforderliche Strahlspannung Anwendungen von strahlenchemischen Wirkungen der Elektronenstrahlen Allgemeines Elektronenstrahlhärten von Beschichtungen auf starren, ebenen Substraten Elektronenstrahlhärten von Beschichtungen auf Formteilen Elektronenstrahlhärten von Beschichtungen auf flexiblen Substraten Pfropfpolymerisation durch Elektronenbestrahlung Vernetzen und Vulkanisieren mittels Elektronenstrahlen Depolymerisation von Kunststoffen und Sterilisation mittels Elektronenstrahlen Strahlenhärtung von Beschichtungen mit ultraviolettem Licht Modifizierung von Oberflächen durch Plasma-Verfahren Einleitung Erzeugung von Mikrowellen-Plasmen ECR-Mikrowellen-Ionenquellen Anwendungen der Plasmatechnik Herstellung dünner Schichten mittels Mikrowellenplasmen Ätzen und Abtragen durch Mikrowellenplasmen Reaktive Trockenätzverfahren Lochwandreinigung von Multilayer-Leiterplatten Ultrareinigung von Keramik-und anderen Substraten Qualitätskontrolle von integrierten Schaltungen Mikroanalyse durch Plasma-Veraschung Plasma-Sterilisation Oberflächenmodifikation von Polymeren durch Plasmen

6 Inhaltsverzeichnis XIII Wirkungen eines Plasmas auf Polymere Anwendungen der Plasma-Oberflächenaktivierung von Polymeren Plasmabehandlung von Metalloberflächen Diamantschichten-Herstellung als Anwendung der Plasmaund der Ionenstrahltechnik Zur Entwicklung des Arbeitsgebietes Wachstum der Diamantschichten Über die Rolle des Wasserstoffes bei der CVD-Diamant-Abscheidung Diamant-Abscheidung durch Ionenstrahl-Technik Eigenschaften und Anwendungen von Diamantschichten Chemische Eigenschaften Thermische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Elektronische und optische Eigenschaften Diamant als Substrat für elektronische Schaltungen Diamant als Grundmaterial für elektronische Schaltungen Mikrotechnologien als Anwendung von Methoden der Oberflächenund Dünnschicht-Technologie Einleitung Herstellung von Siliciumscheiben Dotierung von Halbleitern 172 ] 7.4 Schichttechnik 173 i Epitaktische Silicium-Schichten 174 < Thermische SiO 2 -Schichten 178 i Durch CVD abgeschiedene SiO 2 -Schichten 181 j Phosphorglas-Schichten Siliciumnitrid-Schichten 182 j Polysilicium-Schichten Silicid-Schichten 185 j Metallschichten in integrierten Schaltkreisen Materialien für die Metallisierung 186 I Leiterbahnen zwischen den Bauelementen Ohmsche und Schottky-Kontakte Aluminium-Silicium-Kontakte Platin-Silicium-Kontakte Lithographie Übersicht Photolithographie Photoresists Kontaktbelichtung und Proximity-Belichtung Projektionsbelichtung Elektronenstrahl-Lithographie Auflösungsgrenze, Elektronenresists 194

7 XIV Inhaltsverzeichnis Elektronenstrahl-Schreibgeräte Elektronenstrahl-Projektionsgeräte Röntgenstrahl-Lithographie Maskentechnik, Röntgenresists und Auflösungsgrenze Röntgenstrahlquellen Ionenstrahl-Lithographie Auflösungsgrenze und Ionenresists Ionenstrahl-Projektionsgeräte Ionenstrahl-Schreibgeräte Ätztechnik Physikalisches Ätzen Plasma-unterstütztes chemisches Ätzen Plasma-unterstützte chemisch-physikalische Ätzverfahren Plasmaätzen (PE) im Parallelplattenreaktor Reaktives lonenätzen (RIE) Reaktives Ionenätzen im transversalen Magnetfeld (MERIE) lonenstrahlätzen (IBE) und reaktives Ionenstrahlätzen (RIBE) Ätzgase für bestimmte Materialien Chemische Ätzreaktionen bei den Plasmaverfahren Ätzgase und Parameter des Ätzprozesses Zum Vakuumpumpstand Anwendungen in der MOS-Technologie Weitere Mikrotechnologien Überblick Anisotropes Ätzen von monokristallinem Silicium Anwendungen der geätzten Profile in der Sensorik Herstellung und Anwendungen von Miniaturdüsen Mikromaschinen mit beweglichen Teilen Herstellung von hochauflösenden optischen Gittern Anwendungen in der integrierten Optoelektronik Optoelektronischer Filter Integrierte Laser Mikrostruktur-Effekte Anhang: Die konventionellen Verfahren des Randschichthärtens von Metallen Mechanische Verfahren Thermische Verfahren zum Randschichthärten Transformationshärten von Oberflächen Leistungsdichte und Einhärtetiefe Induktionshärten Flammhärten Hochfrequenz-Impulshärten Vergleich mit dem Elektronen-und dem Laserstrahl-Härten Thermochemische Diffusionsverfahren 245

8 Inhaltsverzeichnis XV Einleitung Carburieren Carburier-Verfahren Eigenschaften und Anwendungen der Einsatzhärte-(Carburier-) Schichten Nitrieren Nitrier-Verfahren Eigenschaften und Anwendungen der Nitrierschichten Carbonitrieren (Nitroearburieren) Carbonitrier-Verfahren Eigenschaften und Anwendungen der Carbonitrierschichten Borieren Borier- Verfahren Eigenschaften und Anwendungen der Borierschichten Silicierschichten Aluminieren Chromieren Zink-Diffusionsschichten Abschließende Bemerkungen 258 Literatur 259 Sachverzeichnis 283