Technologien der Elektronik (FMT) Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik (ME) ET (FMT) / ET (ME)

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1 Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Technische Universität Dresden Praktikum Modul Versuch Technologien der Elektronik (FMT) Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik (ME) ET (FMT) / ET (ME) Dünnschichttechnik 1. Versuchsziele 2. Grundlagen 2.1. Vakuumerzeugung und Druckmessung 2.2. Grundverfahren der Physikalischen Dampfabscheidung 2.3. Verfahren zur Herstellung strukturierter Schichten 3. Versuchsziel 3.1. Versuchsdurchführung 3.2. Aufgaben zum Protokoll 3.3. Schwerpunkte bei der Versuchsvorbereitung Verantwortlicher Hochschullehrer: Prof. Dr.-Ing. habil. K.-J. Wolter Versuchsbetreuer / Labor: Dipl.-Ing. C. Nobis / MIE 222 Erstellt: Dipl.-Ing. C. Nobis Geändert: / M. Müller

2 Praktikum: Plasmagestützte Physikalische Dampfabscheidung (PE-PVD) 1. Versuchsziele: - Aufbau und Funktion von Vakuumbeschichtungsanlagen, insbesondere von Magnetron-Sputteranlagen - Vakuumerzeugung und Vakuummessung - Herstellung dünner metallischer Schichten mittels Magnetronsputtern für die Elektronik/Mikroelektronik - Charakterisierung von metallischen Dünnschichten (chemisch und funktional) 2. Grundlagen: Die Grundverfahren der Physikalischen Dampfabscheidung (PVD) sind das Verdampfen (thermisches und Elektronenstrahlverdampfen), das Katodenzerstäuben (Sputtering mittels Ionenstrahl oder DC- bzw. HF-Plasma) und die Abscheidung mittels Bogenentladung (Arcing) bzw. Laserstrahl (PLD pulsed laser deposition). Diese Verfahren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass eine Vielzahl von Beschichtungsmaterialien abgeschieden, eine hohe Schichtreinheit erreicht und gezielte Änderungen der Schichteigenschaften ausgeführt werden können. In Abhängigkeit vom Werkstoff und dem Beschichtungsverfahren können Dünnschichten im Bereich von ca. 1 nm bis zu mehreren 100 µm abgeschieden werden. Diese Verfahren haben in allen Bereichen der Technik eine sehr breite Anwendung gefunden, insbesondere jedoch in - der Mikroelektronik (z.b. Metallisierung von Halbleiterbauelementen) - der Elektrotechnik/Elektronik (z.b. Dünnschichtwiderstände, Kontaktwerkstoffe, Mikrowellenbauelemente) - der Mikrosystemtechnik (z.b. für Druck- und Temperatursensoren, Schaltbzw. Kontaktelemente, Leitbahnen, Isolationsschichten) - der Optik (Antireflexionsschichten, Spiegel) - dem Maschinenbau (z.b. für die Oberflächenvergütung) und - der Konsumgüterindsutrie (z.b. für dekorative Schichten) 2.1 Vakuumerzeugung und Druckmessung: In der Vakuumtechnik ist i.a. eine Einteilung in vier Druckbereiche sinnvoll Grobvakuum, Feinvakuum, Hochvakuum und Ultrahochvakuum. In vielen technischen Bereichen ist es ausreichend, sich in einem bestimmten Vakuumbereich zu befinden. Müssen sehr gute (tiefe) Vakua erreicht werden, ist ein stufenweises Abpumpen erforderlich. Dazu werden i.r. mehrere Pumpentypen benötigt. Bild 1 zeigt einen Überblick über die einzelnen Druckbereich und illustriert verschiedene Anwendungen. Mit Verringerung des Druckes verkleinert sich die vorhandene Teilchenanzahl auf ca Teilchen/cm 3 im Ultrahochvakuum bei etwa 10-7 Pa. Das bedeutet eine mittlere freie Weglänge, die ein Teilchen ohne Zusammenstoss mit einem anderen zurück legen kann, von etwa 10 5 cm. Bei dem für die plasmagestützte Herstellung dünner Schichten in der Halbleitertechnologie typischen Druckbereich von Pa ergibt sich ein Wert für die mittlere freie Weglänge zwischen 1 und 10 4 cm.

3 Grobvakuum Feinvakuum Hochvakuum Ultrahochvakuum Pa Pressen bzw. Hebezeuge Elektrische Vakuumgeräte Vakuumformung Fotoemission Vakuumschmelzen Halbleitertechnologie Elektronenmikroskopie Kosmos vakuumgestütztes Ausgasen Oberflächenanalytik Teilchenbeschleuniger Herstellung dünner Schichten Bild 1: Überblick über die relevanten Vakuumdruckbereiche Die Vakuumerzeugung wird für den Bereich der Halbleitertechnologie in erster Linie durch eine Kombination von mechanischer Feinvakuumpumpe zur Erzeugung eines Vorvakuums für die nachgeschaltete Hochvakuumpumpe realisiert. Es wird unterschieden zwischen Pumpenkombinationen, die einen hohen Gasfluss verkraften müssen und solchen, bei denen nicht der Gasfluss sondern die Güte des Basisvakuums (erreichbarer Enddruck mit allen Beschichtungskomponenten) den entscheidenden Einfluss auf das Beschichtungsergebnis hat. In Bild 2 sind die Arbeitsbereiche der in Frage kommenden Vakuumpumpen angegeben. Drehschieberpumpe Rootspumpe Turbomolekularpumpe Kryopumpe (Öl)Diffusionspumpe Ionengetterpumpe Bild 2: Arbeitsbereiche ausgewählter Vakuumpumpen Pa

4 Die am häufigsten verwendete Pumpenkombination besteht aus Drehschieber- und Turbomolekularpumpe. Die Drehschieberpumpe erzeugt am Ausgang der Turbomolekularpumpe ein Feinvakuum von ca. 1 Pa. Bei einem Kompressionsgrad von 10 9 erreicht die Turbomolekularpumpe einen theoretischen Enddruck von 10-9 Pa. Dieser Enddruck kann verbessert werden, wenn einerseits der Kompressionsgrad weiter erhöht und/oder andererseits der Druck am Ausgang der Turbomolekularpumpe weiter verringert werden kann. Beides ist jedoch technisch relativ aufwendig. Hinzu kommt, dass der Enddruck in einer Vakuumkammer entscheidend von Größe und Art der inneren Oberflächen (Bauteile, Beschichtungseinheit, Substrathalterung etc.) abhängt. Ausgehend davon sind in Beschichtungskammern Basisdrücke zwischen 10-4 und 10-6 Pa die Regel. Jeder Pumpentyp hat ein spezifisches Pumpverhalten gegenüber unterschiedlichen Gasen. Turbomolekularpumpen beispielsweise besitzen gegenüber Kryopumpen ein wesentlich geringeres Saugvermögen von Wasserdampf. Bestimmt nun gerade der Wasserdampfpartialdruck den Gesamtdruck in einer Vakuumanlage, sind natürlich Pumpen mit einem hohen Saugvermögen für Wasserdampf im Vorteil. Gelingt es andererseits aber durch eine gute Konditionierung der Vakuumkammer (z.b. durch Heizen der Kammer auf über 100 C) diesen Partialdruck drastisch zu verringern, wäre dann wieder der Einsatz anderer Pumpen denkbar und vielleicht auch sinnvoll (z.b. wegen eines hohen Gasflusses während der Beschichtung). Bei der Auswahl des jeweiligen Pumpensystems spielen die Langzeitstabilität (Rhythmus von Wartungs- und evtl. Reparaturarbeiten) und die Betriebskosten eine weitere entscheidende Rolle. Hier besitzt die Kryopumpe noch deutliche Nachteile, da sie nur eine bestimmte Gasmenge adsorbieren kann. Diese wird erst nach einer sog. Regenerierung wieder freigesetzt. Während dieser Zeit sind keine Arbeiten an der Beschichtungskammer möglich. Ebenso ungeeignet ist dieser Pumpentyp für den Durchsatz größerer Gasmengen, wie das z.b. bei den PE-CVD- und auch RIE- Prozessen der Fall ist. Hier hat sich eine Kombination von Drehschieber- bzw. Rootspumpe mit einer Turbomolekularpumpe (Bild 3) als günstig erwiesen. Die Turbo Bild 3: Querschnitt durch eine Turbomolekularpumpe

5 Molekularpumpe ist eine sog. kinetische Vakuumpumpe. Sie arbeitet nach dem Prinzip der Impulsübertragung. Durch eine sehr hohe Geschwindigkeit des Rotors, die im Bereich der Geschwindigkeit der Molekel sein muss, werden diesen Impulse in Pumprichtung übertragen. Pumpen mit einem vergleichbaren Wirkprinzip sind die Diffusionspumpen und Strahlpumpen. Die Druckmessung muss sich mit ähnlichen Problemen wie bei der Vakuumerzeugung auseinandersetzen. Bis heute gibt es kein Vakuummeßsystem, dass über alle vier Vakuumbereiche den Druck bestimmen kann. Es müssen auch hier verschiedene Messprinzipien Anwendung finden. Bild 4 gibt einen Überblick über die wichtigsten Messverfahren und ihre Messbereiche. Membran-Vakuummeter Kompressions-Vakuummeter Wärmeleit-Vakuummeter (Pirani-Vakuummmeter) Stoßionisations-Vakuummeter Penning-Vakuummeter Bayard-Alpert-Vakuummeter Bild 4: Auswahl von Vakuummessverfahren Pa Die Druckmessung beim Wärmeleitvakuummeter beruht auf der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes eines dünnen Drahtes und der Varianz der Wärmeabführung von der Anzahl der den Draht umgebenden Gasteilchen durch Konvektion (stochastische Bewegung der Gasteilchen). Je geringer die Konvektion desto größer die Temperatur und damit der Widerstand des Drahtes. Das Stoßionisations-Vakuummeter nutzt die Proportionalität zwischen der Stoßionisation von Gasmolekeln durch Elektronen und dem Druck. Beim Penning-Vakuummeter wird die Stoßionisation durch eine Glimmentladung und beim Bayard-Alpert- Vakuummeter durch eine Glühkatode erreicht Grundverfahren der Physikalischen Dampfabscheidung Mit dem Begriff PVD verbinden sich alle Beschichtungsverfahren, bei denen unter Einwirkung von Energie (Wärme- oder Teilchenstrahlung) Metalle, Legierungen bzw. chemische Verbindungen im Hochvakuum oder Ultrahochvakuum abgeschieden werden. Dazu zählen: - Aufdampfen mittels direktem oder indirektem Heizen - Elektronenstrahlverdampfen - Ionenplattieren - Magnetron-Sputtern - Vakuumbogenverdampfung - Laserablation Allen gemeinsam ist, dass ein Teilchenstrom erzeugt wird, der sich entsprechend den geometrischen Verhältnissen in der Vakuumkammer und nach einer bestimmten, der

6 Teilchenquelle spezifischen Strahlungscharakteristik ausbreitet und auf einem, in der Regel ebenen Substrat kondensiert. Es entsteht eine dünne Schicht, die außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts aufwächst. Somit besitzt diese nicht die Eigenschaften des ursprünglichen Materials. Darüber hinaus werden die dünnen Schichten in Abhängigkeit von den jeweiligen Verfahren und den Verfahrensbedingungen bzw. der Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberfläche mit teilweise sehr unterschiedlichen Eigenschaften abgeschieden. Das Wissen um dieses Wechselverhältnis versetzt den Anwender in die Lage, funktionale Eigenschaften zu variieren. An dieser Stelle soll aufgrund der Komplexität des Zusammenhangs von Verfahren, Herstellungsbedingung und Schichteigenschaft nur ein Verfahren, und zwar das Magnetronsputtern behandelt und experimentelle Arbeiten durchgeführt werden. Beim Magnetronsputtern wird zwischen einem sogenannten Target (Katode) und einer Anode ein Plasma gezündet (Glimmentladung). Um eine hohe Plasmadichte und damit einen hohen Ionenstrom zu erreichen, wird zur Unterstützung des elektrischen Feldes der magnetische Fluss eines Permanentmagneten überlagert. So bewegen sich die bei der Glimmentladung generierten Elektronen auf spiralförmigen Bahnen (Zykloiden) zwischen beiden Elektroden und können damit aufgrund ihrer relativ hohen kinetischen Energie eine größere Anzahl von Atomen ionisieren. Bild 5 zeigt den schematischen Aufbau einer solchen Plasmaquelle für den Fall von planaren Rechteck- bzw. Ringplasmatrons. anode cathode electron ring current and plasma ring permanent magnet pole shoe Bild 5: Schematische Darstellung eines Rechteck- (links) bzw. eines Ringplasmatron (rechts) Das Niederdruck-Plasma besteht in der Regel aus Edelgasionen (meist Argonionen) und Elektronen. Die Ionen werden aufgrund der Potentialverhältnisse auf das Target (dt. Ziel) beschleunigt und zerstäuben das Targetmaterial. Das zu beschichtende Substrat befindet sich dann auf der vom Target aus gesehen gegenüberliegenden Seite (in Bild 5 nicht dargestellt oben). Das Target verlassen in der Regel neutrale Teilchen. Sie besitzen eine kinetische Energie zwischen 1 und 5 ev. Bild 6 zeigt diesen Vorgang schematisch. Die Teilchen verlassen das Target und in Abhängigkeit vom Abstand des zu beschichtenden Substrates vom Target kondensiert der Teilchenstrom auf dem Substrat. Das Target besitzt eine Strahlcharakteristik, die die Schichtdickenverteilung auf dem Substrat mitbestimmt. Der Teilchenstrom wird durch den Zerstäubungskoeffizienten (auch Sputterkoeffizient) bestimmt, der wiederum eine Funktion der Energie der Edelgasionen, deren Einfallswinkelverteilung und der Zusammensetzung bzw. der chemischen Bindungsverhältnisse im Targetmaterial ist. Da der Sputterprozeß rein physikalisch erfolgt, sind keine Grenzen bzgl. der Auswahl des Targetmaterials vorhanden. Einzig allein Vakuumtauglichkeit wird vorausgesetzt.

7 reflected ion emission of electron incident ions sputtered atom or ion target surface * structural and chemical changes * implantation of bombarding ions * ionization of target atoms Bild 6: Schematische Darstellung des Sputterprozesses Wichtige Beschichtungsparameter sind die umgesetzte Leistung während des Sputterprozesses, der Gasdruck oder der Gasfluss in der Vakuumkammer, der Abstand zwischen Target und Substrat und die Substrattemperatur. Das Hochvakuum sollte möglichst treibmittelfrei erzeugt werden (kein Einsatz von Diffusionspumpen). Die Schichteigenschaften werden im Wesentlichen durch die reale Mikrostruktur bestimmt. Diese wiederum kann in bestimmten Grenzen durch die genannten Beschichtungsparameter variiert werden. Thornton hat ein Modell hierzu entwickelt, welches in Bild 7 dargestellt ist. Transition structure Columnar grains Porous structure Recrystallized grain structure Zone II Zone III Zone I Zone T Argon pressure in mtorr Substrate temperature (T/T M ) Bild 7: Strukturmodell vom magnetrongesputterten Dünnschichten (Mikrostruktur als Funktion des Argondruckes und der Substrattemperatur ; T M : Schmelztemperatur des abgeschiedenen Materials) Vereinfacht ausgedrückt, ist es durch Wahl des Argondruckes und der Substrattemperatur möglich, das Schichtgefüge von feinen stängelförmigen Kristalliten mit einer hohen Defektdichte hin zur einem polykristallinen mit relativ gleichmäßigen und großen Kristalliten (Körnern) zu verändern.

8 Das Magnetronsputtern zeichnet sich insbesondere durch folgende Kriterien aus: - gute Schichtadhäsion - nahezu zum Target identische Schichtzusammensetzung - relativ niedrige Abscheidetemperaturen - sehr große Breite der abscheidbaren Materialien 2.3 Verfahren zur Herstellung strukturierten Schichten Zur Herstellung von Leiterbahnen, Widerstandsnetzwerken oder bspw. Kondensatorflächen ist eine Strukturierung der Dünnschichten erforderlich. Im folgenden Überblick sind bekannte Strukturierungsverfahren aufgeführt: Strukturierungsmethode Wirkprinzip Anwendung Wechselmaskentechnik strukturierte Metallmaske zur Hybridschaltkreise mit kleiner örtlichen Ausblendung des Bauelementedichte; Teilchenstromes Waferbumping für Flip-Chip Haftmaskentechnik Lift-Off-Technik ganzflächige Beschichtung fotolithografische und nass- bzw. trockenchemische Strukturierung Herstellung einer Haftmaske ganzflächige Beschichtung Anlösen und Entfernen der Haftmaske Programmierter Abtrag numerisch gesteuerter linearer Abtrag gesteuerte Kondensation Herabsetzen der Haftung durch Antiadhäsiva (z.b. Öl) auf bestimmten Flächen Konatktierung Hybridschaltkreise mit kleiner Bauelementedichte Strukturierung von Dünnschichten und systemen, Herstellung von metallischen Leitbahnen (z.b. bei SAW Bauelementen) Widerstandsabgleich Dünnschichtwiderständen Folienkondensatoren bei 3. Versuchsziel Das Praktikum wird an einer Hochvakuumbeschichtungsanlage vom Typ B63 CS durchgeführt. Diese Anlage ist u.a. mit einer Kryopumpe ausgerüstet. Das Basisvakuum kann 1 x 10-4 Pa erreichen. In der Vakuumkammer befinden sich eine HF-Ionenätzquelle zur physikalischen Reinigung der Substratoberfläche und drei sog. DC Magnetrons zur Abscheidung von unterschiedlichen Metallen, wie z.b. WTi, CrNi, Cu, Al, AlSi1 oder Ta. Ziel des Praktikums ist es, eine Teststruktur durch DC Magnetronsputtern und anschließende Lift-Off Strukturierung herzustellen. Die Teststruktur ist mit optischen Mitteln zu bewerten (Defektanalyse). Der Einfluß von Blenden über dem Magnetron auf die Schichtdickenverteilung ist zu diskutieren. 3.1 Versuchsdurchführung 1. Eingangstest/Diskussion zu offenen Fragestellungen

9 2. Bekanntmachung mit der Arbeitsweise einer Hochvakuumbeschichtungsanlage. Bedienungsanleitung liegt vor. Demonstration der notwendigen Bedienungsabläufe. 3. Einbau des zu beschichtenden Substrates. Evakuierung der Anlage. Druckmessung. Messung der Restgaszusammensetzung. Bestimmung der Partialdrücke. 4. Physikalische Reinigung der Substratoberfläche mittels HF-Ionenätzen 5. Abscheidung einer WTi-Haftvermittler- und Diffusionsbarrierenschicht 6. Lift-Off Strukturierung (Herstellung der Teststruktur) 7. Charakterisierung der Teststruktur und Messung der Dicke der abgeschiedenen Schicht mit dem Phasenkontrastverfahren 8. Mehrfache Wiederholung der Schichtdickenmessung und anschließende Fehlerdiskussion (Grenze des Phasenkontrastverfahrens) 9. Vergleich und Diskussion der Ergebnisse. 3.2 Aufgaben zum Protokoll 1. Die technologischen Abläufe sind in Form eines Fließschemas darzustellen 2. Darstellung der Ergebnisse zur Defektbestimmung der Dünnschichten 3. Auswertung der Schichtdickenbestimmung mit dem Phasenkontrastverfahren 3.3 Schwerpunkte bei der Versuchsvorbereitung 1. Verschaffen Sie sich einen Überblick über die Methoden zur Vakuummessung und Vakuumerzeugung 2. Welche Verfahren zur Physikalischen Dampfabscheidung (PVD) gibt es? Wo liegen die Unterschiede? 3. Wie kann Keimbildung und Schichtwachstum bei der PVD erklärt werden? 4. Was ist eine Quellencharakteristik? 5. In welchen Eigenschaften unterscheiden sich dünne Schichten besonders von kompakten Materialien? 6. Wie beeinflusst eine Oberflächenverunreinigung die Haftfestigkeit dünner Schichten? 7. Welche Strukturierungsverfahren dünner Schichten gibt? 8. Mit welchen Verfahren können die Schichtdicken ermittelt werden?