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 27.04.2016 28.04.2016 04.05.2016 Input Demo Seminar 11.05.2016 12.05.2016 Anwendung Hinweis: Vertiefende Inhalte werden in den Fächern Mikro- und Halbleitertechnologie sowie Nanotechnologie ab 5.FS angeboten. 26.04.2016 Seite 1 www.tu-ilmenau.de
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
Einstieg in die Halbleitertechnologie Zum Einstieg: Open Access Video Chip Manufacturing bei Global Foundries 26.04.2016 Seite 3 www.tu-ilmenau.de
Hierarchie in der Mikro- und Nanoelektronik Leiterplatte (PCB) Integrierte Schaltung (IC) 300mm Wafer Si-Chip 26.04.2016 Seite 4 www.tu-ilmenau.de
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 26.04.2016 Seite 5 www.tu-ilmenau.de
Beispielbilder Halbleitertechnologie Piezoresistiver Drucksensor 26.04.2016 Seite 6 www.tu-ilmenau.de
Microelectromechanical Systems (MEMS) Beispielbilder Halbleitertechnologie Cantilever Beschleunigungssensor 26.04.2016 Seite 7 www.tu-ilmenau.de
Texas Instruments DLP-Chip (Digital Light Processing) Beispielbilder Halbleitertechnologie DLP Video 26.04.2016 Seite 8 www.tu-ilmenau.de
26.04.2016 Seite 9 www.tu-ilmenau.de Beispielbilder Halbleitertechnologie
Optische Mikroskopie Beispielbilder Halbleitertechnologie Elektronenmikroskop (REM, TEM) 10 mm 50 µm 26.04.2016 Seite 10 www.tu-ilmenau.de
Motivation Halbleitertechnologie Vergleich vorauss. Deutsche Jahresgehälter 2016 Quelle: gehalt.de Ärzte 70.165-130.000 Ingenieure Halbleiterindustrie 45.910-74.602 Juristen 41.975-63.568 Ingenieure Energietechnik 38.400-65.500 Ingenieure Autoindustrie 35.307-56.120 Ingenieure Maschinenbau 28.799-44.999 26.04.2016 Seite 11 www.tu-ilmenau.de
Erste Grundfragestellung: Welche technischen Voraussetzungen sind nötig um siliziumbasierte Halbleiterbauelemente herzustellen? 26.04.2016 Seite 12 www.tu-ilmenau.de
Einführung in das reine Prozessieren Optimale Prozessbedingungen existieren nur in Reinräumen 26.04.2016 Seite 13 www.tu-ilmenau.de
26.04.2016 Seite 14 www.tu-ilmenau.de Einführung in das reine Prozessieren
Einführung in das reine Prozessieren Reinraum-Reinheitsklassen nach ISO 14644 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 1 10 2 ISO 2 100 24 10 4 ISO 3 1.000 237 102 35 8 ISO 4 10.000 2.370 1.020 352 83 ISO 5 100.000 23.700 10.200 3.520 832 29 ISO 6 1.000.000 237.000 102.000 35.200 8.320 293 ISO 7 352.000 83.200 2.930 ISO 8 3.520.000 832.000 29.300 ISO 9 35.200.000 8.320.000 293.000 Verschmutzung durch alle am Prozess beteiligten Komponenten auf ein Minimum reduzieren!
Reinraum ZMN MacroNano TU Ilmenau Einführung in das reine Prozessieren 26.04.2016 Seite 16 www.tu-ilmenau.de
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)
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.
Reinheit von Medien Einführung in das reine Prozessieren 26.04.2016 Seite 19 www.tu-ilmenau.de
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
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?
Si-Wafer Si-Scheibe
SiO2-Schicht Oxidation
Photoresist Lack-Schicht
Fotomaske Foto-Maske
Belichtung mit UV Belichtung
Entwickeln Entwicklung
SiO2-Ätzen Oxid-Ätzen
Resist entfernen Lackentfernung
Dotieren mit Phoshor (Diffusion) bei 1000 C Dotierung
Entfernen der SiO2-Maske Oxid-Ätzen
Oxidation Oxidation (Feldoxid)
Lack-Schicht
Foto-Maske
Belichtung
Entwicklung
Oxid ätzen Oxid-Ätzen
Feldoxid Lackentfernung
Gateoxid wachsen Oxidation (Gateoxid)
Lack-Schicht
Foto-Maske
Belichtung
Entwicklung
Gateoxid strukturieren Oxid-Ätzen
Lackentfernung
Al- Metallisierung Source / Drain Metall-Abscheidung
Lack-Schicht
Foto-Maske
Belichtung
Entwicklung
Metall-Ätzen
Lackentfernung
Tempern zur Herstellung niedriger Kontaktwiderstände
Gateelektrode metallisieren Metall-Abscheidung (Gate-Metall)
Lack-Schicht
Foto-Maske
Belichtung
Entwicklung
Gatemetall ätzen Metall-Ätzen
Gate fertig Lackentfernung
Passivierung Passivierung
Schon fertig Source Drain n-si Gate n-si p-si
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
Einführung in das reine Prozessieren Einteilung der Technologien Waferherstellung Lithografie Hochtemperaturprozesse Nasschemie Plasmaprozesse Hausaufgabe bis Morgenmittag Video: Herstellung von Si-Wafern Bitte anschauen!