MST-Techno (Fach) / Dünnschichttechnik (Lektion)

dünne Schichten

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• Was versteht man unter dem Begriff „Morphologie“ einer Schicht? Welche beiden physikalischen Phänomene sind für die Qualität der Schicht entscheidend? Morphologie = Aufbau und Organisationsprinzip einer Schicht 2 Entscheidende Physikalische Phänomene: Oberflächendiffusion und Abschattungseffekte infolge Rauigkeit Genau genommen wird Qualität bestimmt von: Beweglichkeit der Teilchen (Energie und Temperatur); Bindungstyp/energie; Einfallsrichtung/Rauhigkeit. Wird bestimmt durch T, p und den Prozess (Teilchenenergie und Startrichtung)
• Strukturzonenmodell von Movchan und Demchishin: Skizzieren Sie das Strukturzonenmodell nach Movchan und Demchishin. Welche physikalische Größe bildet die Achsen? Erläutern Sie die einzelnen Strukturzonen. Welche Schichteigenschaften weisen die einzelnen Zonen auf? Achsengröße: T/Tm; KEINE DRUCKBERÜCKSICHTIGUNG; aufgedampfte Schichten Zone 1: nadelförmige Kristallite, Oberflächendiffusion kann Abschattung nicht ausgleichen, Verbreiterung nach oben, porös, geringe Haftfestigkeit und Dichte, innere Spannungen Zone 2: säulenförmige Struktur, Oberflächendiffusion nimmt stark zu, wachsender Durchmesser mit T, dichter, höhere Haftfestigkeit Zone 3: Volumendiffusion, Rektristallisation und Temperatur hoch genug für epitaktisches Wachstum
• Strukturzonenmodell von Thornton: Skizzieren Sie das Strukturzonenmodell nach Thornton. Welche physikalischen Größen bilden die beiden Achsen? Welche Schichteigenschaften betrachtet Thornton in seinem Modell? Erläutern Sie die einzelnen Strukturzonen. Welche Schichteigenschaften weisen die einzelnen Zonen auf? physikal. Achsen: T/Tm und Partialdruck zur Atmosphäre Zone 1:Oberflächendiffusion reicht nicht aus um abgeschattete Bereiche auszugleichenAn Keimstellen wachsen nadelförmige KristalliteKristallite verbreitern sich durch Einfangen weiterer AtomeSchicht ist porösSchicht hat geringe HaftfestigkeitSchicht hat hohe innere Spannungen Zone T:Erhöhte OberflächendiffusionAdsorbierte Atome können Wirkungder Abschattung zum TeilausgleichenFaserförmige SchichtstrukturSchicht ist dichter als bei Zone 1 Zone 2:Oberflächendiffusion nimmt stark zuund bestimmt das Wachstum stark mitSchicht hat säulenartige StrukturMit wachsender Substrattemperaturnimmt der Durchmesser der Säulen zuSchicht ist dichterHaftfestigkeit wächst Zone3 Wachstum wird durch Volumendiffusion bestimmtRekristallisiertes Gefüge mit hoher Dichte Geeigneter Temperaturbereich für epitaktisches Wachstum von Halbleitern durch Aufdampfen, Sputtern, CVD
• Strukturzonenmodell von Thornton: Warum und wie hängen die Übergangstemperaturen der einzelnen Zonen vom Partialdruck ab? Hoher Druck mehr Stöße => weniger Energie für Oberflächendiffusion mehr Stöße => isotropere Richtungsverteilung (kann Abschattung z.T. ausgleichen, aber wird überwogen) => scheinbar niedrigere Temperatur Niederer Druck (beim Sputtern) erhöhtes Ionenbombardement => Keimdichte steigt erhöhtes Ionenbombardement => Energieübertrag auf Adatome => beweglicher => dichter gepackte Kristallite mit großem Durchmesser
• 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 ergibt. 3
• Nennen Sie mindestens zwei Gründe, welche bei der Erzeugung dünner Schichten zu Spannungen führen. unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeff Volumenzunahme bei Abscheidung Volumenabnahme durch Ausdampfen von Prozessgas nach Herstellung unterschiedliche Gitterkonstanten von Kristalliten oder Mismatch (Polysilizium)
• Nennen Sie Mindestens drei physikalische Parameter, welche die Haftfestigkeit einer dünnen Schicht beeinflussen. Wie funktionieren dagegen „Chemische Haftvermittler“? Abscheidedruck und Abscheidetemperatur, Rauigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizienten, Bindungsenergie (physikal.?) Chem. HV: verwenden2 versch.  bifunktionelle Moleküle (einmal mit 1 Bindungsgruppe für Schicht und 1 für HV) (und einmal 1 Gruppe für Substrat und 1 für HV)
• Nennen Sie mindestens acht verschiedene Verfahren zur Herstellung dünner Schichten (Dünnschichttechnik). Ordnen Sie diese Verfahren thematisch zusammengehörenden Klassen zu. Bei welchen typischen Temperaturen (Größenordnung) werden die Verfahren durchgeführt? Thermische Oxidation (800-1200°C), Ionenimplantation (RT), Dotieren durch Diffusion (ca. 1200°C), Aufdampfen (1000-3500°C; Substrat 100-400°C), Sputtern (ca. 200-500°C), APCVD (hoch, abh. von Reaktion ca. 350-1300°C), LPCVD (hoch, abh. von Reaktion ca. 400-1000°C), PECVD (200-500°C), Epitaxie (hoch, 1000°C bei Si, T/Tm > 0,45) , Langmuir-Blodgett (RT) Schichtumwandlung vs. Schichtabscheidung CVD, PVD und sonstige
• Nennen Sie mindestens fünf Kriterien nach denen man die Qualität eines Prozesses oder die Qualität einer Schicht beurteilen kann. Prozess Ausbeute Durchsatz Kosten Querempfindlichkeit zu anderen Prozessen Schicht: Haftfestigkeit Kantenbedeckung homogenität (Dicke) chem. Reinheit Stöchiometrie Selektivität beim Ätzen Elektrische Eigenschaften Innere Spannungen
• 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. Trocken: Si + O2 --> SiO2 (800-1200°C) Nass: Si + H2O --> SiO2 + H2 (900-1100°C) 1. Diffusion zur Oberfläche 2. Diffusion durch bereits gebildete Oxidschicht 3. chemische Reaktion an Grenzschicht
• Was bedeutet LOCOS und wie funktioniert es? local oxidation of silicon dünne SiO2-Schicht als Stressausgleich (z.B. LPCVD) Si3N4 als Diffusionsbarriere abscheiden Photoithografie nasschemisches Ätzen von Si3N4 und SiO2 Resist entfernen thermische Feuchtoxidation Si3N4 nasschemisch entfernen SiO2-HV-Schicht ggf. mit Litho selektiv entfernen (oder kurz ätzen), oder drauf lassen.
• 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 und die Qualität der Oxide. Trocken: Si + O2 --> SiO2 (800-1200°C) Nass: Si + H2O --Y SiO2 + H2 (900-1100°C) (Wasserdampf über O2-Bubbler hinzugefügt) Feucht: geringere Qualität (Durchbruchfeldsträke wegen eingelagertem Wasser) & höhere Aufwachsrate. Beide: hohe Spannungen
• Was versteht man unter Dotierung ganz allgemein? = gezielte Verunreinigung eines Ausgangsmaterial mit geringen Mengen (typisch Prozent- bis Promillebereich) Fremdmaterials zur Veränderung der Eigenschaften (v.A. elektrisch)
• Was ist n- bzw. p-Dotierung? Nennen Sie mindestens einen Dotierstoff für ein p- und n-dotiertes Silizium. n: Dotierstoff 5. HG, erhöhtes Ferminiveau, geben Elektron ab, Elektronenüberschuss. Z.B. Phosphor p: Dotierstoff 3. HG, erniedrigtes Ferminiveau, fangen ein Elektron ein und erzeugen so Löcher als Majoritätsladungsträger. Z.B. Bor
• Zählen Sie mindestens drei Dotierverfahren auf. Ionenimplantation, Diffusion, Legieren, Epitaxie, Kristallziehen,
• Erläutern Sie die Diffusion aus einer unerschöpflichen Quelle und skizzieren Sie den Konzentrationsverlauf des Dotierstoffs im Innern des Siliziumkristalls zu verschiedenen Zeitpunkten. Welcher charakteristischen Funktion entspricht dieser Verlauf? Dotierprofil genügt Diffusionsgleichungen (muss) und Löslichkeitsgrenze Konzentration bei x=0 am konstant und am höchsten, abfallend nach innen, immer geringerer Konzentrationsgradient, daher mit Zeit immer langsamer (Teilchenstrom), daher nur Wirtschaftlich bis wenige (2) µm keine aprupten Übergänge möglich Form Dotierprofil: Fehlerfunktion Dotierstoff-Hinzugabe z.B. durch Prozessgase in "Oxidationsofen"
• Erläutern Sie die Diffusion aus einer erschöpflichen Quelle und skizzieren Sie den Konzentrationsverlauf des Dotierstoffs im Innern des Siliziumkristalls zu verschiedenen Zeitpunkten. Welcher charakteristischen Funktion entspricht dieser Verlauf? Muss auch Diffusionsgl. genügen Gauss-Profil Gesamtkonzentration konstant, immer mehr abflachen, immer langsamer da Konzentrationsgradient sinkt, höchste Konz immer bei x0, an Löslichkeitsgrenze gebunden, keine aprupte Übergänge, Einbringen der Dotierstoffe z.B. durch Aufschleudern & Trockenn einer Dotieremulsion oder nach vorheriger Ionenimplantation
• Erläutern Sie die Vor- und Nachteile der thermischen Diffusion. Vorteile günstig (Batch-Prozess im Gegensatz zu Ionenimplantation Nachteile Löslichkeitsgrenze nicht überschreitbar geringe erreichbare Tiefen (einige µm, so 2) aprupte Übergänge nicht machbar, immer oben am stärksten dotiert niedrig-dotierte Schichten problematisch (Zeit)
• Welche Eigenschaften muss die Maskierung bei der Diffusion aufweisen? Welches Material wir am häufigsten zur Maskierung bei der Diffusion verwendet? Die Diffusionskonstante für das Dotiermittel muss in Maskierung sehr viel kleiner sein als die des Substratmaterials. Am häufigsten: SiO2 (Dotieren usw.), aber auch öfters Si3N4 (gut z.B. bei KOH oder thermischer Oxidation)
• Beschreiben Sie die bei der Dotierung durch Ionenimplantation auftretenden Teilprozesse. Zeichnen Sie eine Implantationsanlage mit den wichtigsten Komponenten. Teilprozesse Ionisation Dotierstoff Beschleunigung zum Substrat Abbremsen (el. WW(v.a. hohe energien) und Stöße, Streuung) Annealing (Einbau ins Gitter und Strahlenschäden ausheilen) Anlage Ionenquelle und Beschleunigungselektode in Blendenform Massenseparator (Kurve, hinten Blende) Beschleunigungsstrecke Quadrupollinse (fokussiert Strahl) xy-Ablenksystem Neutralstrahlfalle (leicht gekrümmt, wie Massenseparator) Substrat
• Welche Funktion beschreibt bei der Ionenimplantation das Dotierprofil in die Tiefe des Substrats? Zeichen Sie das Dotierprofil und beschriften Sie die Achsen. Im welchem Bereich liegt größenordnungsmäßig die mittlere Eindringtiefe und was versteht man unter der Streubirne? Gauss-Funktion Dotierprofil: Gauss-Funktion (N(x) über x) wobei Peak = mittlere Reichweite und mittlere Streubreite best. Abstand dazu. Laterale Abweichung nicht darstellbar. Mittlere Eindringtiefe: bis ca. 1µm Streubirne = Einwirkungsbereich der Ionen eines Aufschalgpunktes, das aufgrund lateraler Abweichung und Streubreite 3Dimensional die Form einer Birne hat
• Was versteht man unter „Channeling“ und mit welchen Methoden kann man es verhindern? in manche Kristallrichtungen können Ionen gleicher Energie tiefer Eindringen als bei anderer Orientierung (in diesen Richtungen existieren "Kanäle") --> schlecht reproduzierbar Gegenmaßnahmen: Streuoxid aufbringen Oberfläche amorphisieren bei erhöhter Temperatur dotieren (Kanäle verengen sich) Substrat um 3-7° verdrehen
• Erläutern Sie die Vor- und Nachteile der Ionenimplantation. Vorteile Temperatur relativ niedrig => Resist verwendbar! (nachher halt veraschen) schärfere Übergänge möglich Sättigungskonzentration kann überschritten werden Tiefe der maximalen Konzentration über Ionenenergie einstellbar exakte Kontrolle der Dotierkonzentration möglich (Ionenstrom leichter zu kontrollieren als thermische Effekte bei Diffusion) geringe T => Maskierung über Photoresist möglich zwar kein Batch-Prozess, aber hohe Einzelgeschwindigkeit => Durchsatz ok Nachteile geringe Reichweite von max. 1µm Schädigung der Kristallstruktur => Strahlenschäden nicht vollständig durch Annealing (ca. 500-1000°C) behebbar
• Weshalb benötigt man nach der Dotierung durch Ionenimplantation einen Annealing-Schritt? Bei welchen Temperaturen wird das Annealing durchgeführt? Grund: Strahlenschäden des Gitters abbauen Dotieratome ins Gitter einbauen Temperatur: 500-1000 °C. Amorphe Bereiche lassen sich schon ab 500 Grad ausheilen, kristalline erst ab 700°C. Darum macht man die dotierten Bereiche oft extra amorph, z.B. durch Si-ionenbeschuss
• Mit welchem Material kann bei der Implantation kostengünstig eine Maskierung erfolgen? Mit welchem Prozess kann die Maskierung nach der Implantation wieder entfernt werden. Begründen Sie, warum dieser Prozess erforderlich ist. Maskierung: Photoresist Entfernen Maskierung: Veraschen im Sauerstoffplasma (Barrelätzen Sauerstoffplasma) Grund: nötig, da durch Ionenbeschuss erhöhte Temperaturen und somit Removen von Photoresist nicht möglich
• Beschreiben Sie die drei Teilprozesse beim Aufdampfen. Verdampfen (Material zwischen Schmelz-und Siedepunkt bringen via Induktionsheizung , Widerstandsheizung (Schiffchen, Glühwendel) oder Elektronenstrahl. Im Hochvakuum (10-6 mbar) Transport zum Substrat (Hochvakuum => kaum Stöße => geradlinig => anisotrope Abscheidung. Teilchenenergie 0,2eV (wenig) Kondensation auf kühlem Substrat (100-400°C, Teilchen sucht energetisch günstigen Ort, wobei unbelegte Stellen günstiger als Stellen mit schon abgeschiedenem Material sind =>inselartiges Wachstum)
• Warum ist das Aufdampfen von Legierungen problematisch und wie löst man es trotzdem? Unterschiedliche Dampdrücke der Legierungsbestandteile => unterschiedliche Verdampfungsraten => andere Schichtzusammensetzung Lösung: getrennte Verdampfungsquellen
• Welche Verdampfungsquellen werden beim Aufdampfen eingesetzt? Resistiv: Aufdampfschiffchen, (Aufdampfspirale) Induktiv: Induktionsspule um Tiegel Elektronenstrahlverdampfer
• Welche Vorteile hat das Elektronstrahlverdampfen und wie funktioniert es. Zeichen Sie eine Aufdampfanlage mit Elektronenstrahlverdampfer und begründen Sie die Platzierung der Elektronenquelle. Vorteile: nur lokale Erhitzung => weniger Verunreinigungen, viel höhere Temperaturen möglich höhere Abscheideraten Abscheiderate besser kontrollierbar über Elektronenstrom UHV (10^-6) => kein Einbau von Restgasatomen Aufbau: Elektronenstrahlquelle unter Abscheidematrial (damit nicht vollgedampft wird). Glühkathode mit Beschleunigungsanode Ablenkmagnet lokal aufgeschmolzenes Verdampfungsgut auf gekühlter Unterlage Grund: wird nicht beschichtet und zerstört
• Skizzieren Sie den Aufbau einer DC-Sputter-Anlage und nennen Sie die Teilprozesse beim Aufbringen einer dünnen Schicht. Aufbau: Substrat auf Anode, Schichtmaterial auf Kathode (je el. isolierend durch Wand kontaktiert), Gaseinlass, Vakuumpumpe. Substrathalter kühl- und heizbar. Teilprozesse Gasentladung (inerte Ionen und Elektronen erzeugt) Beschleunigung von Ionen auf Target mit Schichtmaterial Aufprall, Stoßkaskade, Herausschlagen von Atomen Herausgeschlagene Teilchen fliegen zum Substrat (im Mittel 4eV) Targetatome scheiden sich staubartig ab
• In welcher Hinsicht unterscheiden sich die auf das Substrat auftreffenden Atome des abzuscheidenden Materials beim Sputtern und beim Aufdampfen? In ihrer mittleren kinetischen Energie: Aufdampfen 0,2 eV und Sputtern ca. 4 eV in ihrer Winkelverteilung: Sputtern erfolt im Feinvakuum (10-1 bis 100 mbar, d.h. 1-10 Pa)
• 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 leitfähiger Materialien, einfacher Aufbau. z.B. Leiterbahnen) AC Sputtern,(sputtern aller Materialien, z.B. Al, SiOx) Sputterätzen,(Vorreinigung Substrate, Erzeugung Kondensationskeime, Ätzen) Bias-Sputtern,(Substrat auf niedererem Potential als Plasma gebracht => leichtes Ionenbombardement => erhöhte Schichtqualität und Kantenbedeckung) Reaktives Sputtern,(1 Komponente vom Target, 1 Komponente aus Prozessgas, z.B. Aluminiumoxid, TiN) Magnetron-Sputtern.(Magnetfeld erhöht Verweildauer der Elektronen im Plasma und somit Ionisierungsgrad und Abscheiderate.
• Was sind die Vor- bzw. Nachteile des Sputterns gegenüber dem Aufdampfen? Vorteile besser kontrollierbare Abscheiderate jedes Material ist abscheidbar keine Fraktionierung (Sputtern ist unselektiv), d.h. Target und Schicht selbe Zusammensetzung bessere Kantenbedeckung und Dichte wegen a) höherer Energie und somit Beweglichkeit b) homogenere Winkelverteilung wegen höherem Druck Nachteile aufwändigere Anlagentechnik mehr Prozessgaseinschlüsse (höherer Druck) teure Targets geringere Batchgröße
• Woher kommt die Gleichspannung beim AC Sputtern? Skizzieren Sie einen Querschnitt der Anlage und erklären Sie die Funktionsweise der für den AC-Sputterprozess wichtigsten Komponenten bzw. Maßnahmen. Herkunft GS: Elektronen können Feld folgen, Ionen nicht => Elektronen gehen in Wand über und laden sie im Vgl. zum Plasma negativ auf. Skizze und Funktionsweise: Targetfläche klein, Substratelektrode mit ganzem Rezipient verbunden(Verhältnis abfallender Spannungen = inverses Verhältnis Flächen hoch 4) => höhere mittlere Grenzschichtspannung = höhere Ionenenergie und Sputterausbeute (= self-bias) Koppelkondensator => Gleichspannungen werden abgeblockt (d.h. die mittleren Spannungen von Kathode und Anode bleiben erhalten)
• Was ist der Unterschied zwischen homogener CVD und heterogener CVD? Welches Verfahren liefert die bessere Schichtqualität? Homogen: Reaktion findet nicht an Substratoberfläche statt, Produkt diffundiert zur Oberfläche und scheidet sich dort ab Heterogen: Reaktion findet an Substratoberfläche statt Schlechtere Qualität: homogene CVD (Dichte, Defekte, Adhäsion)
• Skizzieren und erläutern Sie die sieben Teilschritte beim heterogenen CVD Abscheideprozess. Was limitiert (a) bei niedriger Temperatur die Abscheiderate und (b) was limitiert bei hoher Temperatur die Abscheiderate? Teilschritte erzwungene Konvektion zur Grenzschicht Diffusion durch Grenzschicht Adsorption an Oberfläche Oberflächenreaktion (Radikalbildung, Diffusion, Einbau, bildung flüchtiger NebenProdukte) Desorption flüchtiger Nebenprodukte Diffusion durch Grenzschicht Abtransport erzwungene Konvektion Abscheidelimitierung T niedrig: Reaktionsgeschwindigkeit T hoch: Transport bzw. Diffusion
• 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? Prozessparameter transportlimitiert Massenfluss (Geschwindigkeit und somit Diffusionlänge, R proportional Wurzel v) Prozessgaszusammensetzung (Konzentrationsgradient) Druck (Beeinflussung Diffusionskonstante, aber auch Konzentrationsgradient)
• Heterogene CVD Prozesse: Geben Sie die Parameter an, von denen die Rate des Schichtwachstums im reaktionslimitierten Regime abhängt. Temperatur, sonst doch nix oder? Denk noch Aktivierungsenergie der Reaktion (Boltzmann Faktor oben)
• Heterogene CVD Prozesse: Welche Varianten der Energiezufuhr kennen Sie bei CVD Prozessen? Führen Sie diese Unterschiede auf die unterschiedlichen Prozesslimitierungen (reaktionslimitiert bzw. prozesslimitiert) zurück. Varianten thermisch Plasma optisch
• 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 Limitierungen zurück. APCVD Diffusionslimitiert, d.h. Waferoberflächen müssen optimal "angeströmt" werden => Pancake-Reaktor (Niedertemperaturprozesse) oder Barrelreaktor mit Querschnittsausgleich (Hochtemperaturprozesse) Anströmung => keine Verarmung und kleinere Diffusionsgrenzschicht LPCVD Reaktionslimitiert => können dicht gepackt werden, da Reaktionsgeschwindigkeit unabhängig vom Transport dennoch wohl nicht zu 100% reaktionslimitiert, es wird die verarmung entlang Strömungsstrecke berücksichtigt indem hinten höhere Temperatur eingestellt (3 Zonenofen) Ein Prozess ist wohl nich 100% nur Reaktions- oder Diffusionslimiitert
• Erläutern Sie die Teilschritte des Spin-Coatings sowie die wesentlichen Einflussparameter für die erzielte Schichtdicke bei dem Prozess. Montage auf Vakuumchuck Belacken (Sprüh,..) Vorschleudern 800rpm (verteilenn) Schleudern 4000 rpm (Schidi einstellen) Softbake (Lömi entfernen) u.U. Randentlackung (wenn Wulste) Einfluss Schichtdicke Viskosität (T, Lömi-Gehalt, ...) Drehzahl Zentrifugal- und Scherkraft-GG ergibt Schidi

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