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Norbert Gerhardt
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1 Übersicht über die Vorlesung 4.1 I. Einleitung II. Physikalische Grundlagen der Optoelektronik III. Herstellungstechnologien III.1 Epitaxie III.2 Halbleiterquantenstrukturen III.3 Prozessierung IV. Halbleiterleuchtdioden IV. Optik in Halbleiterbauelementen V. Laserdioden VI. Betrieb von Leucht- und Laserdioden VII. Modulation/Optische Messtechnik VIII. Lasertechnik IX. Nichtlineare Optik

2 4.2 III.3 Prozessierung von Halbleiterbauelementen Lithografie Abscheidung Dotierung Strukturierung Packaging Bsp.: LEDs

3 Prozessierung von Halbleiterbauelementen 4.3 Lithografie Abscheidung Dotierung Strukturierung Packaging Bsp.: Laser mit Modulator

4 Herstellungstechnologien 4.4 III.3.1 Lithografie

5 Grundprinzipien der Lithografie 4.5 Abb. Verschiedene Belichtungsverfahren bei der optischen Lithografie 3 verschiedene Belichtungsverfahren werden eingesetzt für optische Lithographie. Sie unterscheiden sich hinsichtlich erreichbarer Auflösung, Kantenschärfe und Haltbarkeit der optischen Maske.

6 Aufbringen des Fotolacks 4.6 Abb.: Bild einer Lackschleuder (engl. spin coater) (links) Abb. : Verschiedene Phasen beim Spin coating Prozess (unten) Eine dünne homogene Schicht wird durch Spin-Coating einfach abgeschieden. Dieses Verfahren ist Standard fürs Aufbringen von Lacken für Lithographie.

7 Positiv- und Negativ-Prozesse 4.7 Abb.: Schema bei der Photolithografie Parameter: Wellenlänge Belichtungszeit Belichtungsintensität Belichtungsdosis Pre- und Postbakezeiten Pre- und Postbaketemperaturen Entwicklungszeit Nach dem Entwickeln können entweder die belichteten oder die unbelichteten Bereiche stehenbleiben, je nach Wahl des Lacks (positiv/negativ) bzw. der Belichtungsparameter.

8 Wie reagieren Lacke auf UV-Belichtung? 4.8 Zerhacken von Kohlenstoffketten führt zu erhöhter Löslichkeit im Entwickler Vernetzung beim Postbake und damit geringere Löslichkeit im Entwickler

9 Typischer einfacher Belichter 4.9 Mikroskop zur Justage Maskenhalterung Justage der Probe Steuerung fürs Ansaugen Regler Belichtungsdauer

10 Eine optische Maske 4.10 Allgemeiner Aufbau: Metall (nichtdurchsichtig, z.b. Chrom) auf Glas (durchsichtig)

Strukturgrößen hängen sowohl von der Belichtungswellenlänge

11 Das Problem mit der Wellenlänge k1λ Strukturgröße = NA 4.11 NA = n sin θ Die mit optischer Litho erreichbaren Strukturgrößen hängen sowohl von der Belichtungswellenlänge als auch vom verwendeten Maskenkonzept ab. Research University founded 1825

stärkere Kontraste und damit kleinere Strukturen im Lack erzeugt

12 Der Trick mit der Phase des Lichts 4.12 Normale (binäre) Maske Phase Shifted Maske Mit Phasenmasken werden stärkere Kontraste und damit kleinere Strukturen im Lack erzeugt unter geschickter Verwendung von Zwischenschichten. Diese machen konstruktive und destruktive Interferenz.

13 4.13 Wie wird eine (normale binäre) Maske gemacht? 1. Glasscheibe mit Metallschicht 2. Elektronenstrahllack 3. Belichten durch Abrastern mit e 4. Entwickeln 5. Ätzen der ungeschützten Bereiche 6. Ablösen vom Lack Maskenschreiben mit Elektronenstrahl- Lithographie dauert lange, weil es ein serielles Verfahren ist. Elektronenstrahlschreiber (oder auch Elektronenmikroskop)

14 Große Flächen und feine Strukturen: Aneinanderstückeln 4.14 Einzelnes Schreibfeld (100µmx100µm) Gesamtes Layout (bis Pizza-Größe) Typische Patchwork -Probleme (Stichingfehler)!

15 Warum Reinraum? 4.15 Je nach Strukturgröße und Wafergröße sind besondere Anforderungen an die Partikel in der Luft gestellt, um einen fehlerfreien Prozess zu garantieren.

16 Herstellungstechnologien 4.16 III.3.2. Abscheidung (nicht-epitaktisch)

17 Herstellungstechnologien 4.17

18 Thermisches Verdampfen 4.18 Vakuum Kühlung Substrat (kopfüber) Schwingquartz Wolframschiffchen Viel Strom (~100A)

19 Thermisches Verdampfen 4.19 Warum braucht man Vakuum?

20 Verdampfen mit Elektronenkanone 4.20 Der Siedepunkt des abzuscheidenden Materials setzt Grenzen bei der thermischen Verdampfung. Mit Elektronenstrahlverdampf ung lassen sich typischerweise höhere Temperaturen realisieren. Siedepunkt des Materials bestimmt Verfahren

21 Sputtern (Gas im Plattenkondensator) 4.21 DC-Sputtern RF-Sputtern Magnetron-Sputtern

22 Galvanisieren / Oxidieren 4.22 Billig Ohne Vakuum Gut fürs Grobe

23 Herstellungstechnologien 4.23 III.3.3 Strukturierung

24 Lift-Off 4.24 Abheben des auf die Lackstrukturen aufgebrachten Materials. Direkt auf das Substrat abgeschiedene Materialien bleiben haften.

25 4.25

26 Nassätzen 4.26

27 Nassätzen kann anisotrop sein 4.27 Normalerweise 2stufiger Prozess: Oxidieren der Oberfläche Lösen des Oxids Anisotropie kann helfen, Materialien in allen drei Raumrichtungen in eine gewünschte Form zu bringen.

28 Trockenätzen 4.28 Plasmaätzen Sandstrahlen mit Atomen

29 Trockenätzen 4.29 Was es sonst noch alles gibt Reactive Ion Etching RIE PE RIE+PE ICP-RIE Ion Beam Etching IBE-RIBE-CAIBE Plasma etching Inductive Chemical coupled assisted ion- Plasma beam etching Grundidee: Moleküle bekommen kinetische Energie (physikalische Komponente) Moleküle gehen Bindungen ein (chemische Komponente)

30 4.30

Vergleich der Ätzverfahren 4.31 Zur Erreichung von gewünschten Flankenprofilen ist eine genaue Abstimmung der physikalischen und der chemischen Komponente des Ätzprozesses wichtig.

31 Vergleich der Ätzverfahren 4.31 Zur Erreichung von gewünschten Flankenprofilen ist eine genaue Abstimmung der physikalischen und der chemischen Komponente des Ätzprozesses wichtig. Wichtige Randbedingungen für die Herstellung von optoelektronischen Komponenten ist, dass es nicht zu einer Schädigung des Kristallgitters kommen darf, was die optischen und elektrischen Eigenschaften verschlechtern würde.

32 Herstellungstechnologien 4.32 III.3.4 Packaging

33 Elektrische Anschlüsse: Ball-Bonds 4.33

34 Elektrische Anschlüsse: Wedge-Bonds 4.34

stattdessen verwendet man lieber Flip-Chip Bonding (kopfüber die Probe auf metallische

35 Elektrische Anschlüsse 4.35 Einfaches Bonden ist für kommerzielle Komponenten heutzutage weitgehend out; stattdessen verwendet man lieber Flip-Chip Bonding (kopfüber die Probe auf metallische Kontekte Pressen). Wichtiger Grund sind die geringen elektrischen Bandbreiten, die über dünne lange Bonddrähte übertragen werden können. Mein Name ist Bond Wedge Bond

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