Grundlagen der Mikro- und Nanoelektronik Teilgebiet Nanotechnologie

Transkript

1 Grundlagen der Mikro- und Nanoelektronik Teilgebiet Nanotechnologie Fachgebiet Nanotechnologie Univ.-Prof. Dr. Heiko Jacobs Leslie Schlag Kirchhoffbau Zimmer 3036 Zimmer 3034 Gliederung der 5 Lehreinheiten Vorlesungen Input Demo Seminar Anwendung Hinweis: Vertiefende Inhalte werden in den Fächern Mikro- und Halbleitertechnologie sowie Nanotechnologie ab 5.FS angeboten Seite 1

2 Einordung in Drucksensorbeispiel Festkörperelektronik 3 Wochen Nanotechnologie 3 Wochen Elektroniktechnologie 3 Wochen Elektronische Schaltungen und Systeme 3 Wochen Mikro- und nanoelektronische Systeme 3 Wochen Quelle: P. Krause, MEMS-Kongress, Berlin 2009 Charakterisierung der Funktion von halbleitenden Bauelementen Entwicklung technologischer Verfahren Aufbau- und Verbindungstechnik Entwurf und Design integrierter Schaltungen Das System - als eine Gesamtheit von Elementen

3 Einstieg in die Halbleitertechnologie Zum Einstieg: Open Access Video Chip Manufacturing bei Global Foundries Seite 3

4 Hierarchie in der Mikro- und Nanoelektronik Leiterplatte (PCB) Integrierte Schaltung (IC) 300mm Wafer Si-Chip Seite 4

5 Typisches Beispiel der Mikro- und Nanoelektronik ~450 Mio. Transistoren ~2,5 Mio. Transistoren ~2,5 Mio. Transistoren ~2,5 Mio. Transistoren Smartphones beinhalten: ~460 Millionen Transistoren und eine Vielzahl Sensoren auf kleinstem Raum Seite 5

6 Beispielbilder Halbleitertechnologie Piezoresistiver Drucksensor Seite 6

7 Microelectromechanical Systems (MEMS) Beispielbilder Halbleitertechnologie Cantilever Beschleunigungssensor Seite 7

8 Texas Instruments DLP-Chip (Digital Light Processing) Beispielbilder Halbleitertechnologie DLP Video Seite 8

9 Seite 9 Beispielbilder Halbleitertechnologie

10 Optische Mikroskopie Beispielbilder Halbleitertechnologie Elektronenmikroskop (REM, TEM) 10 mm 50 µm Seite 10

11 Motivation Halbleitertechnologie Vergleich vorauss. Deutsche Jahresgehälter 2016 Quelle: gehalt.de Ärzte Ingenieure Halbleiterindustrie Juristen Ingenieure Energietechnik Ingenieure Autoindustrie Ingenieure Maschinenbau Seite 11

12 Erste Grundfragestellung: Welche technischen Voraussetzungen sind nötig um siliziumbasierte Halbleiterbauelemente herzustellen? Seite 12

13 Einführung in das reine Prozessieren Optimale Prozessbedingungen existieren nur in Reinräumen Seite 13

14 Seite 14 Einführung in das reine Prozessieren

15 Einführung in das reine Prozessieren Reinraum-Reinheitsklassen nach ISO Partikel je m 3 Klass e 0,1 µm 0,2 µm 0,3 µm 0,5 µm 1,0 µm 5,0 µm ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO ISO Verschmutzung durch alle am Prozess beteiligten Komponenten auf ein Minimum reduzieren!

16 Reinraum ZMN MacroNano TU Ilmenau Einführung in das reine Prozessieren Seite 16

17 Einführung in das reine Prozessieren Hauptvoraussetzung: Reinheit aller am Prozess beteiligten Komponenten Verunreinigungsquelle Mensch verliert mehrere Millionen Partikel pro Minute Vergleich verschiedener Kleidungs- und Bewegungsarten Zur Vermeidung der Verschmutzung müssen im Reinraum immer Haube, Handschuhe und Overall getragen werden! Kontaminationsquelle Mensch, C. Moschner, Reinraumtechnik 1 (2010)

18 Einführung in das reine Prozessieren Hauptvoraussetzung: Reinheit aller am Prozess beteiligten Komponenten Partikelarmes Prozessieren: Cleanroomhygiene Kleidung, Materialien (kein Papier, Stifte, Reinigung eingebrachter Gegenstände, glatte Oberflächen, Design von Anlagen) Material und Konstruktion der Anlagen Intern: Ventile, Antriebe, Partikel an inneren OF Außen: Glatte Oberflächen, Verkleidungen Verunreinigungsquellen: Anlagen / Wartungsarbeiten im Reinraum um Anlagen im Reinraum betreiben zu können, ist es wichtig, dass deren Wartung und Betrieb nicht zur Verschmutzung des Reinraums beitragen.

19 Reinheit von Medien Einführung in das reine Prozessieren Seite 19

20 Einführung in das reine Prozessieren Hauptvoraussetzung: Reinheit aller am Prozess beteiligten Komponenten Verunreinigungsquelle verwendete Substrate / Gase / Flüssigkeiten Reinste Prozessmedien Lösungsmittel 1ppb DI-Wasser < ppt (parts per trillion 10-12!!!!!!!!!!!!!) Gase 99,9999% 6N bis 9N 1ppb Materialien wie Metalle (99,9999%) Wafer Partikelfilter für Gase und Prozessflüssigkeiten

21 Aus Grundlagen der Elektronik ist bekannt: Aufbau MOSFET Gate Source Metall Drain SiO2 n+ n+ p-si Die weiteren Grundfragestellungen: Welche Technologien fließen in die Produktion eines bestimmten Halbleiterbauelements ein? Welche Prozesse sind nötig um Siliziumbasierte Halbleitertechnologie zu betreiben?

22 Si-Wafer Si-Scheibe

23 SiO2-Schicht Oxidation

24 Photoresist Lack-Schicht

25 Fotomaske Foto-Maske

26 Belichtung mit UV Belichtung

27 Entwickeln Entwicklung

28 SiO2-Ätzen Oxid-Ätzen

29 Resist entfernen Lackentfernung

30 Dotieren mit Phoshor (Diffusion) bei 1000 C Dotierung

31 Entfernen der SiO2-Maske Oxid-Ätzen

32 Oxidation Oxidation (Feldoxid)

33 Lack-Schicht

34 Foto-Maske

35 Belichtung

36 Entwicklung

37 Oxid ätzen Oxid-Ätzen

38 Feldoxid Lackentfernung

39 Gateoxid wachsen Oxidation (Gateoxid)

40 Lack-Schicht

41 Foto-Maske

42 Belichtung

43 Entwicklung

44 Gateoxid strukturieren Oxid-Ätzen

45 Lackentfernung

46 Al- Metallisierung Source / Drain Metall-Abscheidung

47 Lack-Schicht

48 Foto-Maske

49 Belichtung

50 Entwicklung

51 Metall-Ätzen

52 Lackentfernung

53 Tempern zur Herstellung niedriger Kontaktwiderstände

54 Gateelektrode metallisieren Metall-Abscheidung (Gate-Metall)

55 Lack-Schicht

56 Foto-Maske

57 Belichtung

58 Entwicklung

59 Gatemetall ätzen Metall-Ätzen

60 Gate fertig Lackentfernung

61 Passivierung Passivierung

62 Schon fertig Source Drain n-si Gate n-si p-si

63 Technologiefragerunde nach Flowchart Frage 1:Wie werden in der Halbleitertechnologie Strukturen auf das Substrat übertragen? Antwort: Fotolithografie, (Nano Imprint, Elektronenstrahllithografie) Vorlesung 2 & Demo-Seminar Frage 2: Wie kann auf Si-Substrat eine Oxidschicht aufgewachsen werden? Antwort: CVD / Thermische Oxidation Vorlesung 2 & Demo-Seminar Frage 3:Wie werden in der Halbleitertechnologie piezoresistive Gebiete in das Si - Subtsrat eingebracht? Antwort: Dotieren mit geeigneten Dotierstoffen Vorlesung 3 & Demo-Seminar

64 Einführung in das reine Prozessieren Einteilung der Technologien Waferherstellung Lithografie Hochtemperaturprozesse Nasschemie Plasmaprozesse Hausaufgabe bis Morgenmittag Video: Herstellung von Si-Wafern Bitte anschauen!