Grundlagen der Mikro- und Nanoelektronik Teilgebiet Nanotechnologie

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1 Grundlagen der Mikro- und Nanoelektronik Teilgebiet Nanotechnologie Fachgebiet Nanotechnologie Univ.-Prof. Dr. Heiko Jacobs Leslie Schlag Kirchhoffbau Zimmer 3036 Zimmer 3034 Vorlesung Seite 65

2 Nachtrag zur Hausaufgabe Schlüsseltechnologie: Czochralski Verfahren Details zu diesem Verfahren in Mikro- und Halbleitertechnologie Seite 66

3 Wdh: Technologiefragerunde 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

4 Festkörperelektronik 3 Wochen Nanotechnologie 3 Wochen Elektroniktechnologie 3 Wochen Einordung in Drucksensorbeispiel 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

5 Analyse Aufbau des Drucksensors Piezoresistive Gebiete Isolator / Passivierung Leiterbahnen p-si p-si Si Si-Substrat Membran

6 Themengebiet 1: Fotolithografie

7 Themengebiet 1: Fotolithografie Grundprinzip: Übertragung einer vorgegebenen Form durch Änderung der chemischen Bindungen in einer organischen Opferschicht durch den Einfluss des Lichtes Aufschleudern (Spin-Coater) Soft-Bake (Hotplate) Belichten (Mask Aligner) Entwickeln (Developer) Rotation Temperatur Optische Effekte Chem. Löslichkeit

8 Fotolack Aufschleudern Spin Coating Themengebiet 1: Fotolithografie Seite 72

9 Fotolack Aufschleudern Spin Coating Dispense Ramp up / Spreading Themengebiet 1: Fotolithografie Forming Drying dw/dt > 0 dw/dt = 0 Aus Fluidmechanik Nicht-Newtonscher Fluide lässt sich mit Hilfe der Zentrifugal- und Scherkraft herleiten und nähern: 1 mit cps Stoffmengenverhältnis Polymer/Lösungsmittel n - kinematische Viskosität w - Umdrehungen / s h - dynamische Viskosität r - Dichte

10 Fotolack Aufschleudern Spin Coating Themengebiet 1: Fotolithografie 1 mit Experimentell lässt sich bestimmen: mit a als Verdampfungsfaktor des Lösungsmittels w - Umdrehungen / s h - dynamische Viskosität Lacke werden standardmäßig als Kombination aus dynamischer Viskosität und Dicke d in µm bei 5000 RPM gelistet. Beispiele: AZ ,8 µm bei 5000 RPM ECI ,7 µm bei 5000 RPM

11 Themengebiet 1: Fotolithografie Belichtungstechniken Kontaktbelichtung Proximitybelichtung (Abstandsbelichtung) Projektionsbelichtung modernere Projektionsbelichtung Seite 75

12 Themengebiet 1: Fotolithografie Compromise Depth of Focus and Resolution Resolution sin( ) Aperture Large Aperture Large Depth of focus Depth of focus Resolution Aperture Depth of focus Depth of focus Numerical Aperture and depth of focus

13 Themengebiet 1: Fotolithografie Zeiss Waferstepper Optik 193nm

14 Lichtquellen Themengebiet 1: Fotolithografie

15 Lichtquellen - Übung Themengebiet 1: Fotolithografie Aufgabe: Berechnen Sie die minimale Strukturbreite und die Tiefenschärfe für die i-linie der Quecksilberdampflampe wenn für die numerische Apertur 0,7 und für k und k2 = 0,5 angenommen werden kann! n für Quarzglas 1,46 n sin sin Lösung: dmin ca. 1µm und DOF = +/- 544nm

16 Themengebiet 1: Fotolithografie Optische Tricks / andere Quellen Immersionslithografie n sin EUV-Lithografie (extreme ultra violet) 13,5 nm Röntgenlithografie Elektronen- und Ionenstrahllithografie Seite 80

17 Beispiel Ebeam + Ätzen Themengebiet 1: Lithografie Seite 81

18 Themengebiet 1: Fotolithografie Lacksysteme Bei Positivlacken wird der bereits verfestigte Lack durch Belichtung wieder löslich für entsprechende Entwicklerlösungen. Negativlack polymerisiert durch Belichtung und einem nachfolgenden Ausheizschritt nach der Entwicklung bleiben die belichteten Bereiche stehen Seite 82

19 Entwicklung (Develop) Themengebiet 1: Fotolithografie Novolak (Phenolharze)

20 Entwicklung (Develop) Negativlack

21 Themengebiet 1: Fotolithografie Mehrfachbelichtungen Seite 85

22 Themengebiet 1: Fotolithografie typische Fragen Frage 1:Geben Sie an, welche physikalischen Größen die Lackdicke beim Aufschleudern beeinflussen! Antwort: Umdrehungszahl der Schleuder, Viskosität des Fotolacks, Stöchiometrie Lösungsmittel/Polymer Frage 2: Nennen Sie drei Belichtungsarten der Fotolithografie! Antwort: Kontakt, Abstand, Projektion Frage 3:Was sind die Einflussgrößen auf die minimale Strukturbreite und was hat eine Änderung dieser zur Folge? Antwort: Wellenlänge (je kleiner desto minimaler), Numerische Apertur (sollte groß sein, ist aber nicht unendlich optimierungsfähig) Vorlesungsschwerpunkte: Vorlesungsschwerunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

23 Themengebiet 1: Fotolithografie Exkurs: Maskenherstellung CAD / CAM Maskendesign mit Hilfe konventioneller CAD Tools Compiler Prüfung / Übersetzung in maschinentypischen Code Schreiben der Maske Cr Bedampfen / Lift-Off Metallbedampfung und anschließendes Lösen der Lackschicht Entwickeln des Ebeam Resists Schreiben der Strukturen mit Hilfe der Elektronenstrahl- Lithografie Vgl. λ=0.0336å bei Beschleunigungsspannung Vc=120kV

24 Themengebiet 2: Hochtemperaturprozesse

25 Analyse Aufbau des Drucksensors In Themengebiet 1 wurde vermittelt, wie mit Hilfe einer Photoresistschicht Strukturen auf das Substrat übertragen werden können. Piezoresistive Gebiete Isolator / Passivierung Leiterbahnen p-si p-si Si Si-Substrat Membran In Komplex 2 werden nun Hochtemperaturprozesse zum Aufwachsen des und zur Dotierung der piezoresitiven Gebiete des Si-Substrates betrachtet.

26 Wo wird Oxid benutzt? Wo noch? -Ätzmaske -Diffusionsmaske -Passivierung Seite 90

27 Thermische Oxidation des Siliziums Themengebiet 2: Hochtemperaturprozesse Merke: Jede Si-Oberfläche bildet ein natürliches Oxid Wachstumsrate wird bestimmt durch die Temperatur und durch die Feuchtigkeit Reinheit des Oxids ist abhängig von den Verunreinigungen im Reaktor Oxidationsart Trocken Nass Reaktionsgleichung 2 2 Eigenschaften Wachstumsraten 900 C 1000 C 1100 C Hohe Dichte Hohe Durchbruchspannung 19 nm / h 50 nm / h 120 nm / h Hohe Wachstumsrate 100 nm / h 400 nm / h 630 nm / h Vorlesungsschwerunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

28 Aufbau des Reaktors Themengebiet 2: Hochtemperaturprozesse Je nach Oxidationsart, werden die Einströmventile mit oder ohne Bubbler angesteuert

29 Ablauf der Trockenen Oxidation Themengebiet 2: Hochtemperaturprozesse Prozessabfolge Einschleusen der Wafer Verschließen des Reaktors / Evakuieren Einfluss O2 / Reaktionsbeginn Abkühlen des Reaktors Ausschleusen der Wafer T = 600 C ca. 10 min um Bruch zu vermeiden Heizrampe 5 10 K / min C Kühlrampe 5 10 K / min T = 600 C ca. 10 min um Bruch zu vermeiden

30 Ablauf der nassen Oxidation Themengebiet 2: Hochtemperaturprozesse Prozessabfolge Einschleusen der Wafer Verschließen des Reaktors / Evakuieren Einfluss O2 u. H2O Bubbler / Reaktionsstart Abkühlen des Reaktors Ausschleusen der Wafer T = 600 C ca. 10 min um Bruch zu vermeiden Heizrampe 5 10 K / min C Kühlrampe 5 10 K / min T = 600 C ca. 10 min um Bruch zu vermeiden

31 Themengebiet 2: Hochtemperaturprozesse Ablauf der Reaktion an der Phasengrenze Transportgasstrom Transportgasstrom Adsorption Sorptions- und Diffusionsschicht Desorption OF Diffusion Reaktion / Absorption Substrat

32 Massenumsatz an der Phasengrenze Themengebiet 2: Hochtemperaturprozesse Merke: 55% des Oxids wachsen auf dem Substrat, 45% in das Substrat!

33 Massenumsatz an der Phasengrenze Themengebiet 2: Hochtemperaturprozesse Seite 97

34 Deal-Grove Modell Themengebiet 2: Hochtemperaturprozesse Beschreibung für das diffusionsbasierte Schichtwachstum von thermischem Siliziumdioxid auf einer reinen Siliziumoberfläche. Die für den Oxidationsprozess notwendige Zeit t für eine bestimmte Schichtdicke d berechnet sich wie folgt: D (thick-ox) =const. (D t) 1/2 B die parabolische B/A die lineare Wachstumsrate D (thin-ox) =const. t Seite 98

35 Bestimmung der Oxidationszeit Themengebiet 2: Hochtemperaturprozesse Weitere Einflussfaktoren auf Oxidwachstum: Kristallorientierung Dotierung Seite 99

36 Exkurs: Oxidätzen Exkurs: Oxidätzen Wir wissen nun, wie wir die Passivierung auf dem Substrat erzeugen können. Aber wie lässt sie sich strukturieren? Prozessabfolge: Si Belacken Fotolack Si Nach Belichten und Entwickeln Lack Lack Si Lack Fotolack Lack Lack Ablösen des Lacks mit Aceton / DI Spülen Lack Ätzschritt Lack Lack Si Si Lack Lack

37 Exkurs: Oxidätzen Einziges geeignetes Ätzmittel für Glas Flusssäure HF Exkurs: Oxidätzen Arbeiten mit Flusssäure erfordern höhere Sicherheitstechnische Vorrausetzungen! Gefahren: - Starkes Kontaktgift - Sofortige Resorption der Haut Verätzungen bis in tiefe Gewebsschichten / bis auf Knochen möglich - Verzögerung des Schmerzes um bis zu 6 Stunden - Schädigung des Nervensystems Faustregel: Eine Handtellergroße Verätzung mit 40% HF verläuft tödlich! HF ätzt mit hoher Rate BOE (buffered oxide etch, Ammoniumflourid NH 4 F+ HF) > kontrollierteres Ätzen

38 Themengebiet 2: HT Oxidation typische Fragen Frage 1: Welche Größen haben Einfluss auf die Oxiddicke? Antwort: Temperatur und Feuchtigkeit Frage 2: Vergleichen Sie zwei bestimmte Arten der thermischen Oxidation und zeigen Sie spezifische Vorteile! Oxidationsart Trocken Nass Reaktionsgleichung 2 2 Eigenschaften Hohe Dichte Hohe Durchbruchspannung Hohe Wachstumsrate Frage 3: Beschreiben Sie kurz den Ablauf der Oxidation an der Phasengrenze! Antwort: Transport, Adsorption, Bildung der Sorptions- und Diffusionsschicht, Oberflächen Diffusion, Reaktion/Absorption, Desorption der Restmoleküle Vorlesungsschwerpunkte: Vorlesungsschwerunkte: Schlüsseltechnologien zur Herstellung

39 Einführung in das reine Prozessieren Hausaufgabe bis nächsten Mittwoch Einteilung der Technologien Video: Dotieren Waferherstellung Lithografie Hochtemperaturprozesse Plasmaprozesse Nasschemie Bitte anschauen!