MST Technologien und Prozesse (Fach) / MST Technologien und Prozesse (Lektion)

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• Warum wird durch „laminar Flow“ die Kontamination der Wafer mit Partikel reduziert? Wie groß ist die Strömungsgeschwindigkeit beim laminar Flow? Partikel werden mit Stömungslinien von oben (Filterdecke) nach unten (Doppelboden) mittransportiert  eine Querausbreitung wird verhindertv = 0,45 ± 0,05 m/s
• Nennen Sie Vor- und Nachteile der „Turbulenten Mischströmung“ gegenüber dem „Laminar Flow“ zur Herstellung einer guten Reinraumklasse Vorteile: preiswerterNachteile: Verweildauer partikelbelasteter Luft größer > schlechtere Reinraumklasse
• Nennen Sie mindestens 4 Beispiele für reinraumgerechtes Verhalten ReinraumkleidungHautkontakt mit Prozessmedien/-geräten, Substraten vermeidenWafer  staubdichte WaferboxenSprechen vermeiden bzw. von Substrat/ Prozessmedien/ -geräten abwendenKeine schleifenden/ spannende/ reibende Materialbearbeitung
• Nennen Sie die typischen Parameter sowie deren Spezifikation für die Temperatur und Luftfeuchte in einem MST-Reinraum. US-Class 10-100 im Arbeitsbereich/ US-Class 100-1000 im ReinraumTemperatur:o Arbeitsbereich: 22 ± 0,5 °Co Lithographie: 22 ± 0,1 °CLuftfeuchtigkeit: 45 ± 5 %
• In welche Druckbereiche lässt sich Vakuum unterteilen (Nennen Sie bitte Bezeichnung und Druckbereich).                      Druck [mbar]Grob               103 - 100Fein               100 – 10-3Hoch             10-3 – 10-7Ultrahoch         < 10-7
• Nennen und erläutern Sie einen Ansatz für die vereinfachte Berechnung der Geschwindigkeit von Gasmolekülen als Funktion der Temperatur (Modell von Krönig).   1/2mc²=3/2kT nach c aufgelöst wobei k=Bolzmannkonstante, c=Geschwindigkeit, T=Temperatur, m=Masse des Teilchens
• Erläutern Sie den Begriff der „Mittlere freie Weglänge“ λ. Wie hängt λ qualitativ vom Druck und vom Wirkungsquerschnitt des Teilchens ab? „Der mittlere zwischen zwei Stößen zurückgelegte Weg eines Teilchens“, λ = 1 / WURZEL (2 d2 pn) d = Durchmesser eines Teilchenspn = Teilchendichte Je geringer der Druck/ Teilchendichte, desto länger der Weg. Je kleiner der Wirkungsquerschnitt, desto länger der Weg.
• Nennen Sie die Größenordnung der mittleren freien Weglänge von Wasserstoff H2 bei Normalbedingungen λ = 125 nm Bei Normalbedingung (1000 mbar; 0°C)
• Wie ist die Knudsen - Zahl Kn definiert? Erläutern Sie die Strömungstypen sowie den dominierenden physikalischen Effekte, welcher bei dem betreffenden Strömungstyp den Durchfluss der Teilchen durch ein Rohr limitiert (a) für eine Knudsenzahl Kn < 10 Knudsenzahl = Verhältnis von „Mittlere freie Weglänge“ und charakteristische Geometrieparameter (z.B. Rohrquerschnitt) a) Kn < 10-2 : viskose Strömung (laminar oder turbulent)  viskose Reibung limitiert denDurchfluss b) Knudsenströmung, Strömung wird von Viskosität und Anlagendimensionen bestimmt c) Kn > 0,5: molekulare Strömung; Adsorption und Desorption dominieren
• Wenn Atome auf eine Oberfläche treffen, so bleiben Sie mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit haften. Erläutern Sie welche Kräfte (a) bei der Physiosorption wirken bzw. (b) bei der Chemisorption wirken. Erläutern Sie die Begriffe anhand eines Diag 1. Van-der-Waals Kräfte Physiosorption kovalente Bindung Chemisorptiona. Adsorptionsenergie Physiosorption http://img818.imageshack.us/img818/7829/vandervaal.png Ea = Aktivierungsenergie fürs ChemisorptionQc = durch Adsorption verursachte Wärmeb. Aktivierungsenergie muss überwunden werden ChemisorptionChemisorption (20 mal) > Physiosorption
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• Wie lange dauert es (ungefähre Größenordnung) bis sich bei normalen Umgebungsbedingungen eine Monolage an Luftmolekühlen auf einer Oberfläche bildet? Bei Umgebungsbedingungen ca. 4 ns (also ns Bereich)
• Eine Schicht Luftmoleküle auf Fläche: In welchen Druckbereich müssen Sie vorstoßen, damit der Prozess etwa 1 Sekunde (statt 4 ns) dauert? Um in den Bereich 1 Sekunde zu kommen ist ein Druck von 10-6 mbar erforderlich
• Skizzieren und erläutern Sie das Funktionsprinzip einer Öl-Diffusionspumpe 1. In einem Siedegefäß wird Öl erhitzt.2. Die Dämpfe steigen hoch, werden durch eine Düse beschleunigt und nehmen dabei durch Diffusion aus dem auszupumpenden Gefäß Gasmoleküle mit3. Der Dampf wird am Kühlmantel kondensiert, das Gas von der Vor(vakuum)pumpeabgesaugt http://img259.imageshack.us/img259/455/vacuumpumpe.png
• Skizzieren und erläutern Sie das Funktionsprinzip einer Molekularpumpe Übertragt mit sehr schnell bewegten Flächen Impulse auf Gasmoleküle und fördert sie dadurch in einen Raum höheren Drucks. http://img818.imageshack.us/img818/5861/molekularpumpe.png
• Skizzieren und erläutern Sie das Funktionsprinzip einer Kryopumpe Kühlen der Wand des Vakuumbehälters auf extrem niedrige Temperaturen Gasmoleküle werden in fester Form durch Kondensation niedergeschlagen http://img4.imageshack.us/img4/6921/kryopumpe.png
• Was versteht man unter dem Begriff „Morphologie“ einer Schicht? Welche beiden physikalischen Phänomen sind für die Qualität der Schicht entscheidend? Morphologie: Gestalt, Form und Organisationsprinzip der Schicht1. Physikalischer Zustand der Oberfläche (Rauigkeit)2. Aktivierungsenergie für Oberflächendiffusion und Volumendiffusion
• Skizzieren Sie das Strukturzonenmodell von Thornton. Welche physikalischen Größen bilden die beiden Achsen? Welche Schichteigenschaften betrachtet Thornton in seinem Modell? Erläutern Sie die einzelnen Strukturzonen. Welche Schichteigenschaften lieg Partialdruck/ TemperaturkoeffizientZone 1: porös/ geringe Haftfestigkeit/ hohe innere Spannungo Oberflächendiffusion reicht nicht aus, um abgeschattete Bereiche auszugleichen nadelförmige KristalliteZone T: faserförmig/ dichter als Z1o Erhöhte OF-Diffusion teilweiser Ausgleich abgeschatteter TeileZone 2: säulenartig/ dichter/ erhöhte Haftfestigkeito erhöhte OF-D bestimmt Wachstum stark mito Temperatur ~ SäulendurchmesserZone 3: restkristallines Gefüge hoher Dichteo Volumendiffusion bestimmt Wachstum http://img546.imageshack.us/img546/8820/thornton.png
• Strukturzonenmodell von Thornton: Warum und wie hängen die Übergangstemperaturen der einzelnen Zonen von dem Partialdruck ab? Übergangstemperaturen steigen mit wachsendem Druck, wegen folgender Effekte: Effekt 1:Atome geben durch Kollisionen einen Teil ihrer kinetischen Anfangsenergie an dieumgebenden Gase ab -> weniger Energie für OberflächenmigrationGegenteiliger Effekt 2:Bei hinreichender Druckerhöhung sind die Stöße der Atome so stark, dass es zu unterschiedlichen Auftreffwinkeln kommt.  Wirkung der Abschattung wird geringer
• Geben Sie für die nachfolgend dargestellten Kantenbedeckungstypen (b), (c) und (d) an, wie die beiden Prozessparameter „Oberflächenbeweglichkeit“ und „Mittlere Freie Weglänge“ λ gewählt werden müssen, damit sich die dargestellte Kantenbedeckung a. Unbeschichtete Kanteb. Idealfall einer konform beschichteten Kante durch hohe Oberflächenbeweglichkeit c. Ungleichmäßig bedeckte Kante durch geringe Oberflächenbeweglichkeit bei hoher mittlerer freien Weglänge λ >> hd. Ungleichmäßig bedeckte Kante durch geringe Oberflächenbeweglichkeit bei niedrigermittlerer freien Weglänge λ << h
• Nennen Sie mindestens 2 Gründe, welche bei der Erzeugung dünner Schichten zu Spannungen führen. Ausdehnungskoeffizient der Schicht < Substrat und Schicht > SubstratVolumenzunahme während der AbscheidungAusgasen von eingelagerten Prozessgas (H2)
• Nennen Sie mindestens drei physikalische Parameter, welche die Haftfestigkeit einer dünnen Schicht beeinflussen? Wie funktionieren dagegen „Chemische Haftvermittler“? 1. Prozesstemperatur2. Prozessdruck3. Art der AdhäsionswechselwirkungChemische Haftvermittler:Trägermoleküle mit zwei oder mehr Liganden:1. Ligand -> Haftung zu 1. Material2. Ligand -> Haftung zu 2. MaterialTrägermolekül hält Liganden zusammen
• Nennen Sie mindestens 7 verschiedene Verfahren zur Herstellung dünner Schichten (Dünnschichttechnik). Ordnen Sie diese Verfahren thematisch zusammengehörigen Klassen zu. http://img513.imageshack.us/img513/9901/duennschichten.png
• Nennen Sie mindestens 5 Kriterien nach denen man die Qualität eines Prozesses oder die Qualität einer Schicht bewerten kann. Prozesse:DurchsatzQuerempfindlichkeit zu anderen ProzessenGewinnspanne Schichten:Homogenität der DickeReinheit der SchichtKantenbedeckungStöchiometrieel. EigenschaftenAdhäsion
• Nennen Sie eine mögliche Reaktionsgleichung für die thermische Oxidation von Silizium. In welchem Temperaturbereich läuft dieser Prozess ab? Beschreiben Sie die Teilprozesse bei der „thermischen Oxidation“ auf molekularer Ebene und nennen Sie den G Si + O2 -> SiO2T = 800 – 1200°C1. Diffusion O2/ H2O bis zur Oxidoberfläche2. Diffusion O2/ H2O durch bereits gebildete Oxid bis zur Grenzschicht3. Chemische Reaktion an der GrenzschichtOxidationsreaktion nur an der Grenzschicht zwischen Si und SiO2
• Was bedeutet LOCOS und wie funktioniert das? LOCOS = „Local Oxidation of Silicon“Si3N4 wird als Maskierung verwendet, diese wirkt als Diffusionssperre. (Oxidwachstum wird verhindert)
• Erläutern Sie bei der thermischen Oxidation die Unterschiede zwischen einer „Feuchtoxidation“ und einer „Trockenoxidation“. Nennen Sie dabei die Reaktionsgleichungen, die Prozesstemperaturen und vergleichen Sie die Wachstumsraten. Trockenoxidation                                           FeuchtoxidationMit Sauerstoff: Si + O2 -> SiO2      mit Wasser: Si + 2H2O -> SiO2 + 2H2T = 800 – 1200°C                                          T = 900 – 1100°Cgeringe Aufwachsraten       höhere Aufwachsraten da H2O kleiner als O2Sehr gute Qualität des Oxides:-> elektrisch stark belastbar-> starke innere Druckspannung                                                 Verunreinigung des Oxides mit Wasser:                                                 -> Durchbruchfeldstärke ist geringer
• Was versteht man unter Dotierung ganz allgemein? Gezielte Verunreinigung eines kristallinen Ausgangsmaterials mit geringen Mengen von Fremdatomen, welche die (el.) Eigenschaften stark verändern.
• Was ist n- bzw. p-Dotierung? Nennen Sie mindestens einen typischen Dotierstoff für ein p- oder n- dotiertes Silizium. n (negative charge): Dotieratome der 5ten HG geben ein Elektron ab (Donatoren), daElektronenüberschuss z.B. P (Phosphor), As (Arsen)) p (positive charge) : Dotieratome der 3ten HG fangen ein Elektron ein (Akzeptoren), daElektronenleerstelle z.B. B (Bohr), Al (Aluminium),
• Welche Auswirkungen haben Goldatome, welche in das Silizium Kristallgitter eingebaut sind? Nahe Bandmitte > Minoritätsträgerlebensdauer
• Zählen Sie mindestens 4 Dotierverfahren auf. Dotierung beim Kristallziehen Epitaxie Diffusion Ionenimplantation Legieren
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• Erläutern Sie die Diffusion aus einer unerschöpflichen Quelle und skizzieren Sie den Konzentrationsverlauf des Dotierstoffes im Inneren des Siliziumkristalls zu verschiedenen Zeitpunkten. Welcher charakteristischen Funktion entspricht dieser Verlauf Dotierstoff wird in konstanter Konzentration außerhalb des Kristalls angeboten und ist die gesamte Prozessdauer über konstantDotierstoff dringt durch Diffusion in das Innere ein, die Konzentration fällt nach innen ab http://img851.imageshack.us/img851/609/dotierung.pngVerlauf = „komplementäre Errorfunktion“ Eindringtiefe = Diffusionslänge = WURZEL(Dt)
• Erläutern Sie die Diffusion aus einer erschöpflichen Quelle und skizzieren Sie den Konzentrationsverlauf des Dotierstoffes im Inneren des Siliziumkristalls zu verschiedenen Zeitpunkten. Welcher charakteristischen Funktion entspricht dieser Verlauf? Dünne Schichten mit Dotieratomen werden auf der Oberfläche des Kristalls aufgebracht. Sie diffundieren solange in den Kristall, bis der Dotierstoff aufgezehrt ist. Die Konzentration der Dotierstoffe sinkt an der Oberfläche laufend ab. Gaußförmiges Profil http://img513.imageshack.us/img513/1954/limitedsource.pngEindringtiefe = Diffusionslänge = WURZEL(Dt)
• Erläutern Sie die Vor- und Nachteile der thermischen Diffusion. Vorteil:Günstig (Batchgröße: 50 Wafer) Nachteile:geringe Tiefe der DotierprofileErzeugung homogen dotierter Schicht schwierig (abhängig von Konzentrationsgradient) Erzeugung niedrig dotierter Schichten schwierig (benötigt geringeren Konzentrationgradienten)
• Beschreiben Sie die bei der Dotierung durch Ionenimplantation auftretenden Teilprozesse. Ionisierung der DotierstoffeBeschleunigung und Einschießen in den Kristall
• Welche Funktion beschreibt das Dotierprofil in z-Richtung, wie groß ist die typische mittlere Eindringtiefe und was versteht man unter der Streubirne? Gaußfunktionmittlere Eindringtiefe 10 nm – 1000 nmStreubirne = Birnenförmiger Einwirkungsbereich der Streuung. Beschrieben durch die mittlere Reichweite, Streubreite und laterale Abweichung.
• Was versteht man unter „Channeling“ und mit welchen Methoden kann man das Verhindern? Channeling = Bildung von Tunneln in den Kanälen des EinkristallsMaßnahmen:-> Herausdrehen des Kristalls aus Einschußwinkel (7° b is 10°)-> Implantation bei höherer T. > Gitterschwingungen verengen Kanäle
• Erläutern Sie die Vor- und Nachteile der Ionenimplantation. Vorteile:o Erzeugung von praktisch allen gewünschten Dotierprofilen („auch vergrabene“)o Exakte Kontrolle der Dotierkonzentration durch Integration über den Ionenstromo Niedrigtemperaturprozess ermöglicht Maskierung durch Photoresisto Vernünftiger Durchsatzo Reinheit der Dotierstoffe durch Massenseperator Nachteileo nur oberflächennah anwendbaro Annealing kann nicht alle durch Strahlungsschäden verursachte Fehler vollständig behebeno Sehr teure Anlage
• Weshalb benötigt man nach der Dotierung durch Implantation einen Annealing-Schritt? Da die eingeschossenen Ionen meist auf beliebigen Zwischengittern im Wirtskristall landen, müssen sie durch Tempern in das reguläre Gitter eingebaut werden.
• Beschreiben Sie die drei Teilprozesse beim Aufdampfen. 1. Thermisches Verdampfen von Material (1.000 – 3.500°C)2. Transfer der Dampfteilchen zum Substrat3. Kondensation auf kühlem Substrat (100 – 400°C) und den Wänden des Rezipienten
• Warum ist das Aufdampfen von Legierungen manchmal problematisch und wie löst man es trotzdem? Unterschiedliche Dampfdrücke der verschiedenen Legierungskomponenten Fraktionierung im Tiegel -> Änderung der SchichtzusammensetzungBehebung:Unabhängig kontrollierbare Verdampfungsquellen pro Legierungskomponente
• Nehmen wir an ein Wafer wird unter dem Winkel Φ zum Verdampfer in die Anlage eingebaut und die zu bedampfende Oberfläche ist zur Waferoberfläche um den Winkel θ geneigt. Um welchen Faktor ist die Schichtdicke der zu bedampfenden Oberfläche http://img31.imageshack.us/img31/3557/schwingquarz.png
• Skizzieren Sie den Aufbau einer Sputteranlage und nennen Sie 4 Teilprozesse beim Aufbringen einer dünnen Schicht durch Sputtern. 1. Ionen werden in einem Plasma erzeugt2. Beschleunigung der Ionen im elektrischen Feld3. Aufprall der Ionen auf abzuscheidendes Schichtmaterial (Target)4. Herausgeschlagene Teilchen fliegen vom Target zum Substrat http://img263.imageshack.us/img263/4568/spattern.png
• In welcher Hinsicht unterscheiden sich die auf das Substrat auftreffenden Atome des abzuscheidenden Materials beim Sputtern und beim Aufdampfen? Gegenüber der thermischen Verfahren haben die Atome eine 10 bis 100 fach höhere kinetische Energie (E~v²). -> Höhere Haftfestigkeit
• Erläutern Sie kurz und prägnant die Bedeutung der nachfolgenden Prozessvarianten des Sputterns und nennen Sie jeweils ein typisches Einsatzgebiet für: DC-Sputtern, AC-Sputtern, Sputterätzen, Bias-Sputtern, Reaktives Sputtern, Magnetron-Sputtern DC-Sputtern:Sputtern mit GleichspannungTarget muss elektrisch leitfähig sein, also z.B. Metalle und Halbleiter AC-Sputtern:Sputtern mit WechselspannungFür alle Materialien Sputterätzen:Vor dem Start des Beschichtungsprozess wird die Polarität der Spannung umgedreht und das Substrat abgesputtertGute Reinigung/ reduzierte Kontamination/ entfernt mehrere Atomlagen von Oberfl. Bias-Sputtern:AC-Sputtern mit überlagerter, externer Gleichspannung. Substratträger wird auf niedrigeres Potenzial als Plasma gelegtIonen bombardieren auch das Substrat und tragen schlechthaftende Atome und Atome des Inertgases ab Reaktives-Sputtern:Abscheidung von chemischen Verbindungen möglich. Eine Komponente vom Target, die andere vomProzessgasz.B. Al2O3 Target = Al; Prozessgas = O2 Magnetron-Sputtern:Magnetisches Feld erhöht Verweildauer der Elektronen im Plasma-> mehr Stöße mit Prozessgas-> höherer IonisierungsgradAbscheiderate um einen Größenordnung höher
• Was sind die Vorteile bzw. Nachteile des Sputtern gegenüber dem Aufdampfen? Vorteileo besser kontrollierbar + integrierte Reinigung des Substratso alle Materialien können gesputtert werdeno keine Fraktionierung aufgrund geringer Selektivität der Ioneno höhere Dichte und gute Kantenbedeckung Nachteile:o stärkere Gaseinschlüsse durch höhere Prozessdrückeo aufwendigere Anlagentechniko Targets sehr teuer
• Skizzieren und erläutern Sie 7 Teilschritte bei einem heterogenen CVD Abscheideprozess. Was limitiert a.) bei niedriger Temperatur die Abscheiderate und b.) was limitiert bei hoher Temperatur die Abscheiderate? 1. Transport der Reaktanden durch erzwungene Konvektion in die Abscheide-Region2. Transport der Reaktanden durch Diffusion durch die Grenzschicht hindurch zurSubstratoberfläche3. Adsorption der Reaktanden an der Substratoberfläche4. Oberflächenreakion: Dissoziation der Moleküle, Oberflächendiffusion der Radikale, Einbau der Radikale in den Festkörperverband, Bildung der flüchtigen Reaktionsnebenprodukte5. Desorption der flüchtigen Reaktionsnebenprodukte6. Transport der Reaktionsnebenprodukte mittels Diffusion durch Grenzschicht7. Abtransport der Reaktionsnebenprodukte durch erzwungene Konvektion http://img337.imageshack.us/img337/1739/cvdv.pnga) Reaktionslimitierte Prozessführung: Oberflächenreaktion (4.)b) Transport- oder diffusionslimitiere Prozessführung: Diffusionsvorgänge (2./ 6.)
• Heterogene CVD Prozesse: Die Rate des Schichtwachstums im transportlimitierten Regime wird häufig über eine Betrachtung der Prandl’schen Grenzschicht hergeleitet. Von welchen Prozessparametern hängt das Schichtwachstum ab? Sofern Sie darüber hinaus Φ = Massendurchfluss der ReaktandenL = Abmessung des Substrattellersη = Viskositätρ = Dichteu = Geschwindigkeit des ReaktandenD = DiffusionskoeffizientΔc =Kontentrationsunterschied zwischen der Oberfläche und der Konzentrationüber der prandtl’schen Grenzschicht Φ = 3/2 * D * Δc * WURZEL [( ρ*u) / (η*L)]
• Heterogene CVD Prozesse: Geben Sie die Parameter an, von denen die Rate der Schichtwachstums im reaktionslimitierten Regime abhängt. Sofern Sie darüber hinaus die Gleichung angeben können, erhalten sie 2 Bonuspunkte. Rate der Oberflächenreaktion (R), Anfangsoberfläche (R0), Aktivierungsenergie (Ea), Thermische Energie (kT)   R = R0eEa/(k*t)
• Heterogene CVD Prozesse: Welche Varianten der Energiezufuhr kennen Sie bei CVD Prozessen? Thermische Energiezufuhr (Induktions-, Strahlungs-, oder Widerstandsheizung des Substrats) Elektrische Energiezufuhr (Plasma Enhanced) Optische Energiezufuhr (Laser-assisted)
• Heterogene CVD Prozesse: Erläutern Sie die grundlegenden Unterschiede bezüglich der Anordnung der Wafer im Reaktor bei einem LPCVD Prozess und einem APCVD Prozess. Führen Sie diese Unterschiede auf die verschiedenen Arten der Reaktionslimitierungen z LPCVD: Aufgrund hoher Diffusionskonstante überwiegt die reaktionslimitierte Prozessführungdichtes Stapeln der Wafer ist möglich ohne Einfluss auf Rate des Schichtwachstums APCVD: Aufgrund geringem Diffusionskoeffizienten überwiegt diffusionlimitierte Prozessführung -> für homogene Schichten müssen Wafer so angeordnet werden, dass gleichmäßig Reaktanden zugeführt werden

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