Mikrosystemtechnik im KFZ

Transkript

1 1939 pn-übergabe in Halbleitern (W. Schottky) 1948 Erfindung des Transistors (J.Barden, W.H. Brattain, W. Shockley) 1954 Entdeckung des piezoresistiven Effekts in Halbleitern (C.S. Smith) 1958 Herstellung der ersten integrierten Halbleiterschaltung (J.S. Kilby) 1962 Siliziumwafer mit integrierten mit Piezowiderständen als Verformungskörper (O.N. Tufte, P.W. Champman, D. Long) 1965 Oberflächenmikromechanik: resonanter beschleunigungsempfindlicher Feldeffekttransistor (H.C. Nathanson, R.A. Wickstorm) 1967 anisotropes Tiefenätzen in Silizium (H.A. Waggener und Mitarbeiter, R.M. Finne, D.L. Klein) 1968 Entwicklung des anodischen Bondens (D.I. Pomerantz) 1973 Integration von Siliziumdrucksensoren mit bipolarer Signalverarbeitungselektronik (Fa. Integrated Transducers) 1977 erster kapazitiver Beschleunigungssensor aus Silizium (Standford University) 1979 Mikrosystem auf einer Siliziumscheibe: Gaschromatograph zur Luftanalyse (S.C. Terry, J.H. Jerman, J.B. Angell) 1983 Druckmessumformer mit digitalem Sensorsignalprozessor (Fa. Honeywell) 1985 Entwicklung der LIGA- Technologie (W. Ehrenfeld u. Mitarbeiter) 1986 Entwicklung des Silizium-Direktbondens (M. Shimbo u. Mitarbeiter) 1988 kommerzielle Nutzung des Silizium-Direktbondens: 1000 Drucksensoren auf einer 100mm-Si-Scheiben (Fa. Nova Sensor) 1988 frei bewegliche mikromechanische Strukturen (R.S. Muller sowie W.S.N. Trimmer mit Mitarbeitern) 1992 oberflächennahe Mikromechanik: SCREAM- Prozess (N.C. MacDonald, Cornell University Ithaca 1993 Projektionsdisplay: 768*576 Spiegelarray (Fa. Texas Instruments) 1994 erster kommerzieller Beschleunigungssensor in Oberflächenmechanik (Fa. Analog Devices) [2] Stationen der Entwicklung der Mikrosystemtechnik 2_1

2 [5] Elementarzelle eines Kristallgitters 2_2 [5] Elementarzellen der drei kubischen Raumgitter 2_3

3 Raumgitter α, β, γ 90 a b c α=β=90 γ 90 a b c α=β=γ=90 a b c β=γ=90 α=60 b = c α=β=γ 90 a = b = c α=β=γ=90 a = b c α=β=γ=90 a = b = c triklines Gitter monoklines Gitter orthorhombisches Gitter hexagonales Gitter trigonales (rhomboedrisches Gitter) tetragonales Gitter kubisches Gitter [1] Gittertypen mit Merkmalen 2_4 [dtv Lexikon] Darstellung der Gittertypen 2_5

4 [5] Tetraedrische Bindung eines Si-Atoms 2_6 [5] Si-Kristall und GaAs-Kristall als Überlagerung zweier verschobener kfz-gitter 2_7

5 [9] Miller sche Indizes (Beispielrechnung) 2_8

6 (100) (200) (100) (110) (111) (111) (112) (233) [5] Beispiele für die Beschreibung verschiedener Ebenen durch die Miller schen Indizes 2_9 Material Dichte [g / cm³] Härte [GPa] E - Modul [Gpa] Zugfestigkeit [GPa] Silizium 2,32 8,5-11 (100) 129,5 (110) 168,0 (111) 186,5 2,8-6,8 Quarz 2,20 8,2 87 0,5-0,7 Edelstahl 7,9-8,2 5, ,5-1,5 [7] Physikalische Eigenschaften im Vergleich 2_10

7 [Zengerle] Technologiekreislauf in der Mikrosystemtechnik 2_11

8 [7] Reinraumklassen nach US 2_12 Partikel / ft³ Reinraumklasse nach Fed.: Standard 209b VDI 2083 [8] Partikelgröße in Mikrometer Reinraumklassen nach VDI 2_13

9 Gas exhaust Air intake Presserized ceilling Filter Process Equipment Elevated floor Doppelboden [7] Prinzip eines Reinraums (Querschnitt) 2_14 Umkleideraum Personalschleuse Reinraumfinger Reinraumfinger Reinraumfinger Materialschleuse Grauraum Anlagen Prinzip eines Reinraums (Draufsicht) 2_15

10 Luftwechsel bei verschiedenen Reinraumklassen: Je geringer die Partikelbelastung sein muss, desto häufiger muss die Luft ausgetauscht werden. Laminare Verdrängungsströmung und turbulente Mischströmung werden häufig miteinander Kombiniert (Kostenreduktion) Reinraumklasse Volumenstrom Luftwechsel nach US-FS 209 [m³/h m²] [Anzahl /h]] Alle Angaben sind grobe Richtwerte [Zengerle] Luftwechsel bei verschiedenen Reinraumklassen 2_16 Schmutz im Reinraum Art der Verunreinigung Quelle verursachtes Problem Staub Mensch, Luft, Abrieb von Anlagen Abschattung während Lithographie Molekular Öl, alter Fotolack Haftung ionisch Hautkontakt, Salz, Wasser elektrisch wirksam Atomar Schwermetalle aus Abrieb und Ätzen elektrisch wirksam Die größte Schmutzquelle im Reinraum ist der Mensch! Durch nicht reinraumgerechtes Verhalten kann die Güte des Reinraums um bis zu zwei Klassen gesenkt werden! [Zengerle] Schmutzquellen im Reinraum 2_17

11 Reinraumgerechtes Verhalten Partikel Emission eines Menschen bei verschieden Tätigkeiten: Bewegungsart Emission von Partikeln > 0.5 µm pro Minute Straßenkleidung Einteilige Schutzkleidung mit Kopf- und Nassenbedeckung Sitzen ohne Bewegung 0,3 * ,7 * 10 4 Kopfbewegung 0,6 * * 10 4 Bewegung des Körpers 1 * * 10 4 Langsames gehen 3 * * 10 4 Schnelles gehen 6 * * 10 4 Möglichst langsam und kontrolliert bewegen [Zengerle] Reinraumgerechtes Verhalten (1) 2_18 - Kleidung: Keine Kosmetika, insbesondere keinen Puder Spezielle Reinraumkleidung verringert Verschmutzung durch Menschen Hautkontakt zu Prozessmedien, Substraten und Prozessgeräten vermeiden Unterhandschuhe und Überhandschuh tragen - Sprechen:... Vermeiden, falls doch dann vom Substrat, Prozessgerät, Prozessmedium abwenden - Aufbewahren der Substrate Wafer ausschließlich in speziellen, staubdichten Waferboxen transportieren und aufbewahren Waferboxen nur unter Reinraumbedingungen öffnen Falls offener Transport nicht vermeidbar ist, sollten Substrate nur mit der Schokoladenseite nach unten transportiert werden [Zengerle] Reinraumgerechtes Verhalten (2) 2_19

12 - Schreiben Keine Stifte verwenden, die Abtrieb erzeugen (Bleistifte...) Kein normales Papier verwenden ( Eintippen in Terminals, Folien, Reinraumpapier - Allgemein Jegliche Art von schleifender, spannender oder reibender Materialbearbeitung unterlassen Kein Brechen von Silizium Wafer Möglichst nur Nichtraucher einstellen [Zengerle] Reinraumgerechtes Verhalten (3) 2_20 [Zengerle] Foto Reinraum 2_21

13 [6] Siliziumwafer 2_22 Wafer-Durchmesser (cm) [6] Waferdurchmesser 2_23

14 Der Weg vom Sand zum Silizium - Wafer Polysiliziumbroken 2 Silizium - Einkristall 3 polierte Scheiben (Wafer) versch. & 4 Scheibe in Verpackungshorde 5 Bauelemente [6/9] Der Weg vom Sand zum Silizium-Wafer 2_24 [6] Bergkristall 2_25

15 Reaktionsgleichung:SiO C Si + 2 CO Strom Elektroden Rohstoffe Gas Abstich flüssiges Silizium [6] Reduktion von Siliziumdioxid im Niederschachtofen 2_26

16 Reaktionsgleichung: Si + 3 HCL SiHl 3 + H 2 Roh - Silizium (gemahlen) Staubfilter Abtriebskolonne Auftriebskolonne Tankvorlagen Wirbel- schicht- Reaktor Hcl H 2 Kondensation Vorlage- Tank Vorratstank Trichlorsilan [6] Wirbelschichtreaktor 2_27

17 Reaktionsgleichung: H 2 + SiHCl 3 Si + 3 HCl Siliziumdünnstab (Seele) Quarzglocke pollykristallines Silizium Vorheizer Hitzeschild (wassergekühlt) Graphit Restgase SiHCl 3 + H 2 Stromversorgung [6] Polyabscheidung / Siemensprozess 2_28

18 Impfkristall Antrieb Einkristall Schutzgas Quarztiegel Heizwicklung Graphittiegel Antrieb [6] Tiegel-Verfahren nach Czochralski (CZ-Verfahren) 2_29

19 Durch langsames Herausziehen unter Rotation erstarrt die Schmelze am Impfling zu monokristallinen Silizium. Der gesamte Vorgang dauert bis zu drei Tage. [Osten] Monokristallines Silizium 2_30

20 Antrieb polykristallines Silizium Induktionsspule Impfkristall Hochfrequenzgenerator Schmelzzone Einkristall Antrieb [Osten] Zonenziehverfahren / Float Zone Verfahren (FZ) 2_31

21 Winkel - Lage Zustellsystem Vorschub Siliziumkristall Antrieb Innenlochsägeblatt Innenlochsäge Si - Kristall Rotation Blattkern Schneidkante mit Diamantenbelag [Osten] Innenlochsägen 2_32

22 Hauptwalzen Drahtzuführung Drahtabführung Arbeitstisch Siliziumstab [6] Drahtsägen 2_33 [Osten] Verrunden des Wafers 2_34

23 obere Läppscheibe Siliziumscheiben Läuferscheibe untere Läppscheibe [8] Läppen der Wafer 2_35 a) d) b) c) LTV e) f) a: Parallelitätsabweichung (Keiligkeit,Taper, totale Dickenvariation TTV) b: Durchbiegung (Bow) c: Verwerfung (Warp) d und e: Beispiele von Kombinationen aus a bis c f: Welligkeit (lokale Dickenvariation LTV), bezogen auf ein Teilgebiet der Größe f f [Osten] Geometrische Formabweichungen des Wafers 2_36

24 Trägerplatte Siliziumscheiben Polierteller Poliermittelzulauf Antrieb [Osten] Polieren der Wafer 2_37 Polierte Wafer 2_38

25 Zusammenfassung: Einkristallines Silizium -Gewinnung von Rohsilizium Reduktion im Niederschachtofen Reinigung im Wirbelschichtofen Umwandlung in Trichlorsilan Polyabscheidung (Siemensprozess) Polykristallines Reinstsilizium -Einkristallines Silizium Zonenziehen (FZ-Verfahren) oder Tiegelziehverfahren (CZ-Verfahren) Einkristalline Si-Blöcke Zusammenfassung: Waferherstellung -Mechanische Bearbeitung: - Grobzerteilung -Schleifen - Orientierung (Flat) - Scheibensägen Innenlochsäge Drahtsäge - Planschleifen und Verrunden - Laserbeschriftung - Läppen -Chemische Bearbeitung - Reinigen -Ätzen - Tempern - Intrinsisches Gettern - Extrinsisches Gettern - Rückseitenbeschichtung mit Poly Silizium - Polieren - Endreinigung - Verpackung zum Versand Zusammenfassung 2_39