Lehrstuhl für Intelligente Mikrosysteme. Praktikum Dünnschicht- und Bauelementetechnologie

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1 Praktikum Dünnschicht- und Bauelementetechnologie

2 Übersicht Montag, Vormittag: Sicherheitseinweisung Bauelementegrundlagen Nachmittag: Reinraumführung/1. Fototechnik Dienstag-Dienstag Bauelementeprozessierung Mittwoch-Freitag, Messung Kontrolle im Rasterelektronenmikroskop 2

3 Sicherheitseinweisung Gefahrstoffe Was sind Gefahrstoffe? Gefahrstoffe sind Stoffe oder Zubereitungen, die Lehrstuhl für Intelligente Mikrosysteme sehr giftig, giftig, gesundheitsschädlich, ätzend, explosionsgefährlich, leichtentzündlich, entzündlich, krebserzeugend, fruchtschädigend erbgutverändernd sind oder sonstige chronisch schädigende Eigenschaften besitzen. 3

4 Sicherheitseinweisung Kleidung Welche Kleidung ist im Allgemeinen im Labor zu tragen? Baumwollkittel (geschlossen, mindestens knielang) Feste, geschlossene Schuhe Lange, schwer entflammbare Hose Schutzbrille ggf. Haargummi Achtung: Kleidung, die mit ätzenden, infektiösen oder toxischen Stoffen verunreinigt oder getränkt wurde, muss sofort ausgezogen werden! Bei starker Verätzung ist die Notdusche zu benutzen! 4

5 Sicherheitseinweisung Arbeitsregeln Was ist bei der Arbeit im Praktikum zu beachten? Der Aufenthalt in Praktikumsräumen ist nur den Praktikumsteilnehmern erlaubt Es darf nur unter Aufsicht experimentell gearbeitet werden Rauchen, Essen und Trinken im Labor ist verboten Taschen und Jacken außerhalb des Labors abstellen Nach allen chemischen Arbeiten sind die Hände zunächst mit kaltem, dann mit warmen Wasser und Seife gründlich zu reinigen Schwangerschaften sind der Praktikumsleitung zu melden. 5

6 Sicherheitseinweisung Chemikalien I Was ist beim Umgang mit Chemikalien zu beachten? Benetzte Körperstellen sind sofort gründlich abzuwaschen, u. U. ist die Notdusche zu benutzen. Für Chemikalien dürfen keine Behälter benutzt werden, die üblicherweise zur Aufbewahrung von Nahrungsmitteln bestimmt sind. Alle Behälter, auch Spritzflaschen und solche, in denen Chemikalien nur für kurze Zeit aufbewahrt werden sollen, müssen deutlich und dauerhaft mit dem Namen der Substanz, evtl. mit Formel und Gefahrensymbol entsprechend der Verordnung über gefährliche Arbeitsstoffe gekennzeichnet sein. 6

7 Sicherheitseinweisung Chemikalien II Flüssigkeiten dürfen zum Durchmischen der Flüssigkeiten nicht mit Stopfen verschlossen werden. Zum Durchmischen vorsichtig mit einem Glasstab umrühren. Beim Verdünnen konzentrierter Säuren ist Vorsicht geboten. Konzentrierte Säuren dürfen nur in einem dünnen Strahl unter Rühren in Wasser gegossen werden. Niemals umgekehrt verfahren! Siedeverzüge sind zu vermeiden. Sie entstehen bei der plötzlichen Aufhebung einer Hemmung, unter der es möglich war, dass eine Flüssigkeit, ohne zu sieden, über den Siedepunkt erhitzt wurde. Es sind daher vor dem Erhitzen immer einige Siedesteine einzubringen 7

8 Sicherheitseinweisung Gefahrensymbole Kennzeichnung gefährlicher Chemikalien durch Symbole 8

9 Sicherheitseinweisung Sicherheitseinrichtungen Welche Sicherheitseinrichtungen sind im Labor vorhanden? Notdusche Feuerlöscher Löschdecke Löschsand Not-Aus Telefon (Notruf) Entsorgungsstellen Erste-Hilfe-Material Notausgänge 9

10 Sicherheitseinweisung Augendusche Nach einer Augenverletzung mit Chemikalien: ausgiebiges Spülen der Augen mit Wasser ärztliche Hilfe aufsuchen 10

11 Sicherheitseinweisung Notdusche Nach einer großflächigen Kontamination mit Chemikalien: ausgiebiges Spülen der verätzten Köperfläche ärztliche Hilfe aufsuchen 11

12 Sicherheitseinweisung Flusssäure I Welche Gefahren birgt Flusssäure? Flusssäure ist extrem gefährlich; Fluoridion dringt durch mehrere Lagen Gewebe; schwere, langsam heilende Verätzungen Schmerz tritt verzögert auf (Minuten bis Stunden) durch resorptive Giftwirkung schwere Komplikationen: gestörter Säure/Basehaushalt, Gerinnungsstörungen, Schmerzmittel (auch Morphine) fast wirkungslos handtellergroße Verätzung mit konz. Flusssäure (40%) in aller Regel tödlich (resorptive Giftwirkung) gefährlichste Chemikalie im Reinraum; nur unter Abzug o.ä. zu benutzen bei HF Verätzungen: mind. 30min mit Wasser Spülen, dann spezielles Gegenmittel (Calciumgluconat) Arzt aufsuchen 12

13 Sicherheitseinweisung Flusssäure II Was tun bei Flusssäureverätzungen? gefährlichste Chemikalie im Reinraum nur unter Abzug o. ä. benutzen Rettungsset mit Neutralisation bereithalten und nutzen bei HF Verätzungen: mind. 30min mit Wasser Spülen, dann spezielles Gegenmittel (Calciumgluconat) Notfalltransport Krankenhaus 13

14 Sicherheitseinweisung Flusssäure III Beispiele 14

15 Sicherheitseinweisung Reinraum I Wie verhalte ich mich in einem Reinraum? nicht essen/trinken kein Makeup nicht Rauchen (30 min vor Eintritt) kein Kaugummi wenn möglich keine Kontaktlinsen tragen grundsätzlich Reinraumkleidung tragen zu jeder Zeit Handschuhe tragen! niemals das Gesicht berühren; passiert dies (Achtung Säuren!) doch sofort neue Handschuhe anziehen niemals in die Innenseite eines Becherglases fassen 15

16 Sicherheitseinweisung Reinraum II Wie verhalte ich mich in einem Reinraum? beim Arbeiten nicht sprechen (wenn möglich) Arbeitsplatz immer sauber hinterlassen Bechergläser immer beschriften immer die benötigte Schutzkleidung tragen niemals Chemikalien in den Vorratsbehälter zurückschütten Im Fall eines Alarms: sofort den Reinraum verlassen, ohne Ausziehen etc. NIEMALS ALLEINE ARBEITEN!!! 16

17 Sicherheitseinweisung Reinraum III Wie verhalte ich mich in einem Reinraum? Overall, Haarnetze, Überschuhe, Bartnetze und Handschuhe müssen jederzeit getragen werden keine Bleistifte benutzen alle nicht benötigten Unterlagen außerhalb des Reinraums belassen Versuchen Sie, nicht zu niesen, husten Nach Möglichkeit nicht in Richtung der Probe atmen Jeglichen Hautkontakt mit Oberflächen im Reinraum vermeiden nicht mit den Handschuhen ins Gesicht fassen Handschuhe nur am unteren Ende anfassen nicht unnötig im Servicebereich aufhalten Arbeitsplatz am Ende sauber 17

18 Sicherheitseinweisung Lehrstuhl für Intelligente Mikrosysteme Schutzausrüstung anlegen Anziehen: immer von oben nach unten! Ausziehen: von unten nach oben (außer Überschuhe)! 1. Schürze prüfen 2. Schürze umbinden 3.Maske aufsetzen 4. Maske einstellen 5. Sitz prüfen 6. Handschuhe über Schürze ziehen 18

19 Sicherheitseinweisung Schutzausrüstung ablegen Anziehen: immer von oben nach unten! Ausziehen: von unten nach oben (außer Überschuhe)! 1.Hanschuhe abwaschen 2. Handschuhe mit Reinraumtüchern reinigen 3. Handschuhe aufhängen 4, Maske abnehmen 5. Maske ablegen 6. Schürze aufhängen 19

20 Dünnschicht- und Bauelementetechnologie

21 Elektronenenergie Lehrstuhl für Intelligente Mikrosysteme Bohrsches Atommodell Valenzelektronen 21

22 Elektronenenergie Vom Atom zum Festkörper Lehrstuhl für Intelligente Mikrosysteme Leitungsban d Valenzelektronen Valenzband Einzelnes Atom: Zwei Atome: Festkörper: Bohr sches Atommodell Materiewellen (De Broglie) Wechselwirkung bewirkt Aufspaltung der Energieterme Pauli-Prinzip Riesige Anzahl von Wechselwirkungen Kontinuierliche Energie-Bänder 22

23 Elektronenenergie Lehrstuhl für Intelligente Mikrosysteme Bändermodell verschiedener Festkörper Leitungsband leer Überlappende, teilweise gefüllte Bänder Leitungsband fast leer Valenzband teilweise gefüllt E G ~ 8eV E G < 2,5eV Valenzband fast voll Valenzband voll 1-wertig 2-wertig Isolator Halbleiter Metall 23

24 Bändermodell - Ladungstransport Lehrstuhl für Intelligente Mikrosysteme Alle Zustände besetzt: Kein Ladungstransport Keine Leitung Zustände teils besetzt: Ladungstransport Gute Leitung Keine Zustände besetzt: Kein Ladungstransport Keine Leitung 24

25 Bändermodell Silizium Aufbau Lehrstuhl für Intelligente Mikrosysteme 25

26 Bändermodell Silizium Bindung Lehrstuhl für Intelligente Mikrosysteme 26

27 Bändermodell Silizium T=0 T = 0 Leitungsband Valenzband Leitungsband Valenzband 27

28 Bändermodell Silizium T>0 T > 0 Leitungsband + Valenzband - Leitungsband Valenzband 28

29 Zustandsdichte und Teilchenzahl DOS(Density of States) #Zustände Energie Volumen die Zustandsdichte gibt die Anzahl der besetzbaren Zustände (diese resultieren im Kristall aus den vier Wellenfunktionen, die die vier Valenzelektronen des Si beschreiben. Da es in einem cm 3 ca Si- Atome gibt: 4 x = cm 3 = Gesamtanzahl der Zustände) pro Energie und Volumen wieder in der Bandlücke gilt also DOS = 0! die Fermiverteilung gibt an, ob diese Zustände besetzt sind Anzahl der Elektronen: n de DOS E f E 29

30 Fermi-Dirac-Verteilung I E pot ~ h Lehrstuhl für Intelligente Mikrosysteme E E E F 0 1/ /2 1 f(e, T) f(e, T) T = 0 T > 0 30

31 Fermi-Dirac-Verteilung II Fermiverteilung: f E 1 E E F exp 1 kb T Lehrstuhl für Intelligente Mikrosysteme ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Elektron bei der Energie befindet, wenn es dort Zustände gibt, die besetzt werden können in der Bandlücke existieren keine Zustände (im Kristall) f(e) 1 0 E F : T > 0 : T = 0 E E L E obwohl hier die Wahrscheinlichkeit ein Elektron aufzufinden > 0 ist kein Elektron, da kein Zustand f(e) E F E V 31

32 Zustandsdichte und Teilchenzahl undotierter HL Bändermodell Zustandsdichte Fermiverteilung (Besetzungs- Wahrscheinlichkeit) Zustandsdichte * Fermiverteilung Trägerdichte (Boltzmann- Näherung) E Leitungsband E E E E kt ds/de*f n (E) A ~ N L n 0 E G E F E F E F E F E F f p (E) 0 Valenzband kt A ~ N v f n (E) ds/de*f p (E) p 0 Ort ds/de 0 1/2 1 n 0 p 0 32

33 Dotierte Halbleiter Einbau geeigneter Fremdatome in Si Wirtsgitter führt zu Elektronen oder Löcher Überschuss: N - Leitung 5 wertige Donatoren (z.b. P) bewirken Überschuss an Elektronen P - Leitung 3 wertige Donatoren (z.b. B) bewirken Überschuss an Löchern Elektronen: Majoritätsträger Löcher: Majoritätsträger Löcher in der Minderheit: Minoritätsträger Elektronen: Minoritätsträger 33

34 Dotierung Elemente V. Hauptgruppe T > 0 Leitungsband - + Valenzband Leitungsband + Valenzband 34

35 Dotierung Elemente III. Hauptgruppe T > 0 Leitungsband + - Valenzband Leitungsband - Valenzband 35

36 Zustandsdichte und Teilchenzahl n-dotierter HL Bändermodell Zustandsdichte Fermiverteilung (Besetzungs- Wahrscheinlichkeit) Zustandsdichte * Fermiverteilung Trägerdichte (Boltzmann- Näherung) E E E E E Leitungsband kt ds/de*f n (E) A ~ N L n 0 E G E F E F E F E F E F f p (E) 0 f n (E) A ~ N V p 0 Valenzband kt ds/de*f p (E) Ort ds/de 0 1/2 1 n 0 p 0 36

37 Bändermodell n-hl vs. p-hl Lehrstuhl für Intelligente Mikrosysteme E n - Halbleiter E p - Halbleiter E G E D E G E F 0 E F E A x x 37

38 Übersicht - Dotierung Donatoren (N D ) Akzeptoren (N A ) Wertigkeit 5 3 Beispiel P, As, Sb B, Al, In, Ga Majoritätsträger Minoritätsträger Elektronen Löcher Löcher Elektronen Leitungstyp n Leitung p Leitung Ortsfeste Ionen-Ladung positiv (+q) negativ (-q) 38

39 MOS-Transistor Funktionsprinzip U GS >U Th U DS >U DS,Sat Gate Source Drain I D U DS,Sat =U DS =U GS -U Th n + Δ L n + U GS L RLZ Gateoxid Bulk p-silizium W U DS 39

40 Struktur I Aufbau: erfordert nur wenige Masken, keine Dotierung schnelle Herstellung erlaubt schnelle Untersuchung der Substratqualität (Ladungsträgerbeweglichkeit), Kontakte (Widerstände), usw. 40

41 Was unterscheidet den Pseudo-MOSFET vom MOSFET? Pseudo-MOSFET hat keine Dotierung Struktur II Drain Source Drain Pseudo-MOSFET hat Commmon Gate Pseudo- Schaltverhalten, da sich je nach angelegter Gatespannung ein Kanal aus Löchern (negatives Gate) oder ein Kanal aus Elektronen (pos. Gate) ausbildet Gate 41

42 Fotolithographie Ablauf Belichten Maske positiv Entwickeln negativ Fotolack Silizium Silizium Silizium Positivlacke: Negativlacke: MOS-Technik: hohe Auflösung und hohe Reproduzierbarkeit, begrenzte thermische Stabilität robust, thermisch stabil, begrenzte Strukturgenauigkeit (Lack quillt) fast ausschließlich Positivlacke, auf Grund der notwendigen hohen Auflösung 42

43 Fotolithographie Prozessschritte UV Licht HMDS Fotolack Maske 1) Aufbringen Haftvermittler (Hexamethyldisilazan) 2) Spin coat 3) Soft bake 4) Ausrichten und Belichten 5) Post-exposure bake 6) Develop 7) Hard bake 8) Lackmaß bestimmen 43

44 Kontaktbelichtung - Anlagenansicht Lehrstuhl für Intelligente Mikrosysteme Süss Microtec MA 4 minimale Strukturauflösung 800 nm 0,2-0,6 Millionen 44

45 Kontaktbelichtung - Anlagenansicht Lehrstuhl für Intelligente Mikrosysteme Süss Microtec MA 4 minimale Strukturauflösung 800 nm 0,2-0,6 Millionen 45

46 Versuchsdurchführung Herstellung der Mesa-Struktur 1. Mesa-Definition Erstellen der nötigen Fototechnik nasschemische Strukturierung (H 2 O, HNO 3 and gepufferte HF) ergänzend Strukturierung in einer reaktiven Ionenätzanlage (SiCL 4 /N 2 -Plasma) 46

47 Versuchsdurchführung 2. Kontaktdefinition 1. Verfahren: Ätzen 2. Verfahren Lift-off Abschliessend wird die Rückseite (Gatekontakt) metallisiert 47

48 Elektrische Charakterisierung Anschlüsse Wie wird der Pseudo-MOSFET kontaktiert? 48

49 Elektrische Charakterisierung Welche Transferkennlinien sind zu erwarten? Kennlinien 49

50 Elektrische Charakterisierung Kennlinien Welche Ausgangskennlinien sind zu erwarten? 50

51 Versuchsauswertung Anforderungen Was gehört in die Versuchsauswertung? Beschreibung des Versuchsziels Beschreibung des Versuches Beschreibung der Versuchsdurchführung Beschreibung der ermittelten Messergebnisse Auswertung der Messergebnisse 51