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MST Technologien und Prozesse (Subject) / MST Technologien und Prozesse (Lesson)

MST Technologien und Prozesse

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  • Ende der 50-er Jahre hat ein bekannter Mann einen Vortrag gehalten, der heute als eine der Wurzeln der Mikrosystemtechnik betrachtet wird. Wie hieß dieser Mann? Richard Feynman
  • Ende der 50-er Jahre hat ein bekannter Mann einen Vortrag gehalten, der heute als eine der Wurzeln der Mikrosystemtechnik betrachtet wird. Nennen Sie drei Anwendungen, die er vorhergesagt hat? Miniaturisierung des Personal Computers, Verwendung von Bits, auch das innere von Materialien soll genutzt werden, Globale Kommunikation (zB. Email)
  • Ende der 50-er Jahre hat ein bekannter Mann einen Vortrag gehalten, der heute als eine der Wurzeln der Mikrosystemtechnik betrachtet wird. Nennen Sie drei der Technologien, die er für die Fertigung von Mikrosystemen skizziert bzw. vorhergesagt hat. Ideen zum Schreiben: E-Beam Lithograhpy; UV-Lithograhpy; Reactive Ion Etcing Ideen zum Vervielfältigen: Basic steps of Hot-Embossing
  • Wie groß sind die betreffenden Strukturen sowie die Rastermaße um bei den nachfolgenden „Speichermedien“ eine Informationseinheit (ein „Bit“) darzustellen? Wie viele Atome werden bei den betreffenden Medien für die Darstellung eines Bits benötigt                                  DVD 1,5P  DNA 1,5PStrukturgröße (1 Bit)  0,40 μm   0,003 μmRastermaß (1 Bit)      0,74 μm   0,003 μmAtomzahl (1 Bit)            109          50
  • Was sind in der heutigen Mikroelektronik die kleinsten Strukturbreiten (z.B. für eine elektrische Leiterbahn) die als Standard bei elektrischen Schaltkreisen einsetzt werden? 60 nm / (entspricht ca. 200 Atomen)
  • Nennen Sie mindestens 2 Mikrosystemtechnik-Komponenten zusammen mit den dazugehörigen Anwendungsbeispielen in der Medizin. Biosensor  „Smart Pill“ > (Mechanischer Chirurg) Retinastimulator mit Mikrokontaktfolie und Empfangsstruktur> Retina Implantat (EPI- RET) (Sehvermögen wiederherstellen) (Mini)Mikrofon > Hörgeräte
  • Nennen Sie mindestens 2 Mikrosystemtechnik-Komponenten zusammen mit deren Einsatzgebiet aus dem Bereich „Computer & Informationstechnik“ Schreib-Leseköpfe > Festplatten; CD oder DVD PlayerTintendruckköpfe > DruckerDMD-Chip > Beamer
  • Nennen Sie mindestens 3 Mikrosystemtechnik-Sensoren zusammen mit deren Einsatzgebiet aus dem Bereich der „Automobilindustrie“ Reifendrucksensor > ReifenBeschleunigungssensor > AirbagMikromechanischer Drehraten-Sensor > ESP
  • Die Herstellung von Mikrosystemtechnik Produkten in Siliziumtechnologie erfolgt in der Regel durch zyklische Widerholung einer bestimmten Prozessabfolge (Technologiekreislauf). Zählen Sie die wesentlichen Prozessschritte innerhalb eines Technologiekr 1. Reinigen / Strippen der Maske des letzten Zyklus2. Schichterzeugung3. Lithographie4. Strukturübertragung 15. Strukturübertragung 2
  • Silizium hat sich zum Standardmaterial in der Mikroelektronik und der Mikrosystemtechnik entwickelt. a. Nennen Sie mindestens 3 Gründe dafür, warum sich Silizium in der Mikroelektronik durchgesetzt hat. 1. In Massen verfügbar2. Extrem gut erforscht3. Preiswert/ in extrem gut kontrollierter Qualität herstellbar (Einkristall)4. Variation elektrischer Eigenschaften
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  • b. Nennen Sie mindestens 2 weitere Gründe, warum sich Silizium auch in der Mikrosystemtechnik etabliert hat. 1. Absolut elastisch aber trotzdem sehr stabil2. Dreidimensionale Strukturierung (Ätzen)3. Kombination Mechanik und Elektronik (monolithische Integration (CMOS)4. Geräteplattform durch ME schon etabliert
  • In welcher Hauptgruppe (Spalte) und in welcher Periode (Zeile) steht Silizium im Periodensystem? Hauptgruppe: 4 Periode: 3
  • Nennen Sie die Elemente, die a. über & unter Silizium bzw. Über Si: Kohlenstoff (C) und unter Si Germanium (Ge)
  • b. links & rechts von Silizium stehen Links: Aluminium (Al) Rechts:Phosphor (P)
  • Nennen Sie die nachfolgenden, chemischen Daten von Silizium: Schmelzpunkt, Siedepunkt, Atomordnungszahl, Anzahl der Valenzelektronen Schmelzpunkt: 1415°CSiedepunkt: 2680°C Atomordnungszahl: 14Anzahl der Valenzelektronen: 4
  • Welches Kristallgitter besitzt Silizium und wie sind die äußeren Atome im Kristallgitter angeordnet? Kristallgitter: kubisch-flächenzentriertes Gitter (Tetraeder)Anordnung der äußeren Atome: ¼ ihrer Raumdiagonale verschoben
  • Nennen Sie drei der wichtigsten Siliziumverbindungen und dazu jeweils zwei typische Anwendungsfelder. SiO2 (Quarz/ Seesand)o Opferschichto Ätzstopp-/ Isolations-/ Passivierungs-/ Haft-/ Stressausgleich-/ ÄtzmakierschichtSi3N4 (Siliziumnitrid)o Maskierung (Ätzen/ Ionenimplantation)o Elektrische IsolationsschichtSiC (Siliziumcarbid)o Schleifmittel (Enorme Härte)o Maskierung/ Isolationsschicht
  • Wie lautet die Bildungsregel für die sogenannten „Millerschen Indices“? Achsenabschnitte bestimmen (Vielfache der Gittervektoren a1,a2,a3) (1 ∞ ∞)Kehrwerte bilden (1 0 0)KW mit kleinsten gemeinsamen Nenner multiplizieren  ganzzahlige Werte h,k,l (1 0 0)
  • Benennen Sie die nachfolgend eingezeichnete Kristallebene http://img718.imageshack.us/img718/3938/ebenen.png (1 0 0) (2 0 0) (1 1 0) (1 1 1) ( nicht1 0 0)
  • Welche „Flats“ kennzeichnen einen p-dotierten Wafer mit (100) Waferoberfläche? 90° (Primary zu Sekundary)
  • Welche .Flats. kennzeichnen einen n-dotierten Wafer mit (100) Waferoberfläche? 180° (P zu S)
  • Unter welchen Winkeln schneidet die Gruppe aller äquivalenten {111} Ebenen eine (100) Waferoberfläche? {1 0 0} schneidet {1 1 1} bei 54,74°
  • Unter welchen Winkeln schneidet die Gruppe aller äquivalenten {111} Ebenen eine (110) Waferoberfläche? {1 1 0} schneidet {1 1 1} bei 35,26°/ 90°
  • Welches Gesetz beschreibt im eindimensionalen Fall den Zusammenhang zwischen der Längenänderung eines Materials und der dafür notwendigen mechanischen Spannung (nennen Sie bitte Name und Formel). Hook'sches Gesetz o = E * delta l / l0 E = Elastizitätsmodul; Schreibschrift o = Zug-/ Druckspannung
  • Nennen Sie jeweils Richtwerte für den Elastizitätsmodul und die Bruchspannung von Silizium. Bruchspannung Si= 7 GPa ; E = 130 – 190 GPa (109 N/m2)
  • Erläutern Sie welche physikalischen Effekte man unter den folgenden Begriffen versteht: (a) Piezoeffekt, (b) Elektrostriktion, (c) Piezoresistivität. Welche dieser Eigenschaften liegen bei Silizium vor? a) Mechanische Spannung verursacht eine el. Spannungb) Elektrische Spannung erzeugt eine mechanische Spannung/ Deformationc) Mechanische Spannung verursacht el. WiderstandänderungSilizium: c)
  • Vervollständigen Sie die nachfolgende Formel zur Berechnung der Wärmestromdichte jQ und führen Sie dabei die thermische Leitfähigkeit λ ein: jQ = jQ = -λ dT/dx mit dem Temperaturgradienten dT/dx
  • Vergleichen Sie die thermische Leitfähigkeit λSi von Silizium ganz grob mit den thermischen Leitfähigkeiten der folgenden Materialien: (a) Aluminium, (b) Glas, (c) Silizium Nitrid (Si3N4) Glas < Si3N4 < Si < Al  1          2,5     150  230
  • Welche der genannten Materialien (Si, Al, Glas, Si3N4) wählen Sie, wenn Sie (a) Wärme möglichst effizient ableiten wollen bzw. (b) Wärme möglichst effektiv isolieren wollen? (a) Al (b) Glas
  • Vervollständigen Sie die nachfolgende Formel zur Berechnung der Länge l eines Materials in Abhängigkeit von der Temperatur und führen Sie dabei den linearen Ausdehnungskoeffizienten α ein: l = lo ... l = l0 (1+ αΔT)
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  • Vergleichen Sie den linearen Temperaturausdehnungskoeffizienten αSi Silizium ganz grob mit den entsprechenden Koeffizienten der folgenden Materialien: (a) Aluminium, (b) Glas.      Si        <     Glas    <       Al 2,5 *10-6      3 * 10-6      25 *10-6
  • Welche der genannten Materialkombinationen erzeugt bei Temperaturänderungen die geringsten mechanischen Spannungen? Kombination: Silizium und Glas
  • Was ist der „Thermoelektrische Effekt“ und wie kommt er zustande? thermoelektrische Effekt = Auftreten einer elektrischen Potenzialdifferenz an der Kontaktfläche zweier verschiedener MaterialienEffekt kommt zustande durch den Elektronenübergang vom Material mit geringererAustrittsarbeit in das Material mit höherer AustrittsarbeitKontaktspannung = Differenz der Ferminiveaus der beiden Materialien
  • Wie können Sie erreichen, dass aufgrund des „Thermoelektrischen Effektes“ dauerhaft ein Strom fließt? Stromfluss durch Bildung eines geschlossenen Rings mit insgesamt 2 Kontaktstellen wobei beiden Kontaktstellen auf verschiedene Temperaturniveaus gebracht werden
  • Welche Energie ist notwendig um bei Silizium ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband zu heben? Welcher Wellenlänge des Lichtes entspricht in etwa diese Energie? Energie: 1,12 eV λ = 1107 nm
  • Erläutern Sie, warum Silizium-Membrane im Bereich von 1 μm bis 20 μm Dicke bei Betrachtung im Durchlicht unterschiedliche Farben haben? Silizium absorbiert sichtbares LichtAbsorptionsspektrum abhängig von λunterschiedliche Eindringtiefe für unterschiedliche λ (Farben)
  • Wie funktioniert die Reinigung eines Siliziumkristalls durch „Segregation“? Beschreiben Sie darauf aufbauend das „Zonenziehverfahren“ für die Herstellung großer einkristalliner Siliziumstäbe. Die Löslichkeit vieler Verunreinigungen unterscheidet sich in der flüssigen und festen Phase k = C(s)/C(l) (k=Segregationskoeffizient, C(s) Konzentration in der festen Phase, C(l) Konzentration in flüssiger Phase) Polykristalliner Si-Stab wird zonenweise aufgeschmolzen; durch einen Impfkristall wird der Stab einkristallin und in der aufgeschmolzenen Zone werden Verunreinigungen nach oben "ausgespült". Bei einem Segregationskoeffizienten von k < 1 sammeln sich die Verunreinigungen in der flüssigen Phase
  • Identifizieren Sie aus der Lage von „primary flat“ und „secondary flat“ die Dotierung und die Kristallorientierung des dargestellten Wafers. http://img171.imageshack.us/img171/8624/flatk.png p(1 1 1) flat unten n(1 1 1) flat unten und links unten 45° p(1 0 0) flat unten und bei 90° n(1 0 0) flat unten und bei 180°
  • Nennen und erläutern Sie mindestens 3 verschiedene Typen von Waferfehlern a) Parallelitätsabweichung Wafer hat nicht überall die gleiche Dickeb) Durchbiegung (Bow) Wafer ist gewölbt, keine plane Oberfläche; kann nicht mehr flach aufliegenc) Verwerfung (Warp) Wafer „wellenförmig“d),e) Kombination aus a) – c)
  • Ausbeutebetrachtung: Ein Wafer wird in Prozessschritten hergestellt. Jeder einzelne Prozessschritt wird mit einer Ausbeute Ysi beherrscht. Wie berechnet sich die Gesamtausbeute an fehlerfrei prozessierten Wafern? Gesamtausbeute = Produkt aus Ausbeute der Einzelschritte (in Prozent) Y = ∏i=1n  Ys,i
  • Ausbeutebetrachtung: z sei die typische Anzahl fehlerhafter Transistoren auf einem Chip mit insgesamt n Transistoren. Geben Sie die Formel zur Berechnung der Ausbeute korrekter Chips an. Yc=e-z     (1-YE)n = (1-z/n)n  mit n gegen unendlich -> e-z mit z=typische Anzahl der fehlerhaften Transistoren auf einem Chip mit n Transistoren.
  • Ausbeutebetrachtung: D sei die Fehlerdichte pro Flächenelement. GebenSie die Formel zur Berechnung der Ausbeute korrekter Chips in Abhängigkeit der Chipfläche Ac an. Yc = e-DAc, folgt aus D = z/Ac, nach z auflösen und in Yc = e-z einsetzen
  • Geben Sie zwei Gründe dafür an, warum bei einer definierten Fehlerdichte D pro Flächenelement ein kleiner Chip kostengünstiger ist als ein großer. Bei D = konst.  Yc ~ e-Acje kleiner Ac ist, desto höher ist die Ausbeute korrekter ChipsWeniger Materialverbrauch, wenn nur kleine Chips kaputt sind.
  • Eine Reduktion der Ausbeute ist üblicherweise verbunden mit auftretenden Fehlern. Nennen Sie mindestens zwei der üblichen Fehlerquellen zusammen mit deren Auswirkungen. Partikelbehaftete Störungen führen zu Kurzschlüssen, fehlender oder ungewollter Maskierung und undefinierten Oberflächen , z.B. verschlechtern monomolekulare Oxidschichten die elektrische Kontaktierung
  • Was macht einen Reinraum aus bzw. welche Parameter werden extrem gut kontrolliert? Nennen Sie mindestens 4 Parameter. Kontrolle der Umweltparameter:1. Partikelbelastung2. Raumtemperatur3. Luftfeuchtigkeit4. Luftdruck5. Spektrale Zusammensetzung des Lichts6. Sterilität
  • Zählen Sie die Ihnen bekannten nationalen bzw. internationalen Standards für Reinraumklassen auf. US Federal Standard 209b (foot3)DIN EN ISO 14644VDI-Standard 2083
  • Nennen Sie ein Zahlenbeispiel für die erlaubte Partikelkonzentration für eine Reinraumklasse und einen Reinraum-Standard Ihrer Wahl. weniger als 100 Partikel der Größe 0,1 μm PRO m³ in der ReinraumklasseDIN EN ISO 14644 Klasse 2
  • Skizzieren Sie einen typischen vertikalen Aufbau eines Reinraums (Schnitt in vertikaler Richtung). http://img526.imageshack.us/img526/6449/reinraum.png Der größte Teil der Luft wird nur umgewälzt, da Konditionierung der Außenluft am meistenEnergie kostet.
  • Skizzieren Sie einen typischen Grundriss eines Reinraums (Schnitt in vertikaler Richtung). http://img401.imageshack.us/img401/4450/reinraum2.pngAnlagen sind außerhalb des Weißraums > Partikelqullen und Wartungsbedürftigkeit
  • Nennen Sie mindestens 2 Möglichkeiten, wie sich die Auswirkungen der Partikelbelastung auf die prozessierten Wafer in einem Reinraum reduzieren lassen. stetiger Austausch der partikelreichen mit partikelarmer Luft (aufbereitet) Verlagerung von partikelerzeugenden Anlagen/ Prozesse in dem Grauraum Prozessführung in Flüssigkeit, Vakuum

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