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• 1.1 Wie groß sind in der heutigen Mikroelektronik die kleinsten Strukturen in der Produktion? 22nm
• 1.2 Mit welcher Wellenlänge werden die kleinsten Strukturen in der Mikroelektronik bei der Belichtung derzeit in der Produktion hergestellt? 193nm
• 1.3 Nennen Sie mindestens zwei Mikroelektronik-Komponenten zusammen mit deren Einsatzgebiet aus dem Bereich „Computer & Informationstechnik“. Transistoren (Prozessoren/komplizierte Schaltungen) Diode (Schutzschaltungen, Gleichrichter, Photodioden)
• 1.4 Nennen Sie mindestens zwei Mikrosystemtechnik-Komponenten zusammen mit deren Einsatzgebiet aus dem Bereich „Computer & Informationstechnik“. Schreib/Lesekopf (Festplatten Speicherzugriff) Druckkopf (Drucker) (Cochlea-Implantat)
• 1.5 Nennen Sie mindestens zwei Mikrosystemtechnik-Sensoren zusammen mit deren Einsatzgebiet aus dem Bereich der „Automobilindustrie“. Beschleunigungssensor (Airbag) Drucksensor (Reifendruck) Neigunssensor (Kippen)
• 1.6 Die Herstellung von mikroelektronischen Schaltkreisen und Mikrosystemtechnik Produkten in Siliziumtechnologie erfolgt in der Regel durch zyklische Wiederholung einer bestimmten Prozessabfolge (Technologiekreislauf). Zeichen Sie ein Technologiekreislaufschema und benennen Sie die wesentlichen Prozessschritte innerhalb eines Technologiekreislaufes. Reinigen/Strippen->Schichterzeugung->Lithographie->Strukturübertragung ->Vereinzeln Gehäusen
• 2.1 Silizium hat sich zum Standardmaterial in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik entwickelt. Nennen Sie mindestens drei Gründe, 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
• 2.2 Silizium hat sich zum Standardmaterial in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik entwickelt. Nennen Sie mindestens zwei Gründe, warum sich Silizium in der Mikrosystemtechnik durchgesetzt hat. Keine Ermüdung unter 600°C in Massen verfügbar
• 2.3 In welcher Hauptgruppe (Spalte) und in welcher Periode (Zeile) steht Silizium im Periodensystem? Hauptgruppe 4 Periode 3
• 2.4 Nennen Sie je ein Element, welches in der dritten und der fünften Spalte im Periodensystem steht und welches in der Herstellung von mikroelektronischen Schaltungen verwendet wird. Wofür werden diese Elemente in das Silizium eingebracht. dritte: Bor Fünfte: Phosphor zur Dotierung (p,n)
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• 2.5 Geben Sie größenordnungsmäßig den Schmelz- und den Siedepunkt von Silizium an. Schmelzpunkt: 1415 °C Siedepunkt: 2953°C
• 2.6 Geben Sie die Anzahl der freien Valenzelektronen von Silizium an? 4
• 2.7 Welches Kristallgitter besitzt Silizium, und wie sind die Atome im Kristallgitter angeordnet? Kristallgitter: kubisch-flächenzentriertes Gitter (Tetraeder)Anordnung der äußeren Atome: ¼ ihrer Raumdiagonale verschoben
• 2.8 Welche Energie ist notwendig um bei Silizium ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband zu heben? 1,12 eV
• 2.9 Nennen Sie zwei der wichtigsten Siliziumverbindungen und dazu jeweils zwei typische Anwendungsfelder. SiO2: Stressausgleichsschicht, el/therm. Isolator Si3N4: Ätzmaske, el/therm. Isolation, Passivierung (z.B. thermische Oxidation oder Dotieren durch Diffusion),.....
• 2.10 Wie lautet die Bildungsregel für die Millerschen-Indizes? Was bedeutet ein Querstrich über einer Zahl? 1. Schnittpunkte Ebene mit Achsen in Gitterkonstatenvielfachen 2. Kehrwerte 3. Negative Werte => Oberstrich 4. Durchmultiplizieren mit kleinstem gemeinsamem Nenner
• 2.11 Wo schneidet die (110)-Ebene die x-, y-, z-Achse? x bei 1 y bei 1 z nie
• 2.12 Wo schneidet die (411)-Ebene die x-, y-, z-Achse? x bei 1/4 y bei 1 z bei 1
• 2.13 Benennen Sie die nachfolgend eingezeichneten Kristallebenen (100)(110)(111)(Strich über eins weil minus 100)(200)
• 2.14 Welche „Flats“ kennzeichnen einen p-dotierten Wafer mit (100)-Waferoberfläche? Primaryflat bei 0° Secondary bei 90°
• 2.15 Welche „Flats“ kennzeichnen einen n-dotierten Wafer mit (100)-Waferoberfläche? Primaryflat bei 90° Secondaryflat 180°
• 2.16 Unter welchen Winkeln schneidet die Gruppe aller äquivalenten {111}-Ebenen eine (100)-Waferoberfläche? 35,26° und 90°
• 2.17 Unter welchen Winkeln schneidet die Gruppe aller äquivalenten {111}-Ebenen eine (110)-Waferoberfläche? 54,74°
• 2.18 Welche der genannten Materialkien (Si, Al, Glas, Si3N4) wählen Sie aus, wenn Sie (a) Wärme möglichst effizient ableiten wollen bzw. (b) Wärme möglichst effizient isolieren wollen? Begründen Sie ihre Wahl. Wärmeleitung: Al - Si - Si3N4 - Glas   Grund: absteigender Wärmeleitkoeffizient.
• 2.19 Was ist das Ausgangsmaterial zur Herstellung von hochreinem einkristallinem Silizium? Quarzit (Gestein/Sand mit sehr hohem Quarzgehalt, SiO2)
• 2.20 Was ist der Unterschied zwischen polykristallinem und einkristallinem Silizium? Einkristallin: ermüdungsfrei, keine inneren Spannungen, keine Korngrenzen/Kristallgrenzen, anisotropes Verhalten (mechanisch, KOH-Ätzen usw)
• 2.21 Benennen und beschreiben Sie die Teilprozesse zur Herstellung eines Siliziumkristalls bis zum einkristallinen Siliziumstab? 1. Reduktion zu metallurgischem Sillizium (MGS; C-Elektroden im Lichtbogenofen => Si mit Reinheit von 98%) 2. Erzeugung von Trichlorsilan (HSiCl3): feinmahlen, gasförmiges HCl reagiert bei 600K mit Si zur gasförmigem Trichlorsilan, Destillation (Siedep. 31,8°C) 3. Rückreaktion (Silizium-Abscheidereaktor), CVD: bei 1700K reagiert Trichlorsilan mit H2 zu Si; Abscheidung an dünnem Si-Stab => polykristalliner Si-Stab, EGS mit Reinheit im ppb Bereich 4. Tiegelziehverfahren (aufschmelzen und bei Schutzgas und Rotation & u.U. Dotierstoff mit Impfkristall langsam kontrolliert rausziehen, epitaktisches Wachstum) oder Zonenziehverfahren (Schutzgas, Dotiergas, Länge nach induktiv lokal aufschmelzen, Segregation und epitaktisches Wachstum)
• 2.22 Beschreiben Sie das „Tiegelziehverfahren“. Wie kann beim „Tiegelziehverfahren“ dotiert werden? Si in beheiztem Quarztiegel (SiO2) verflüssigt, Schutzgasatmosphäre , Impfkristall kontrolliert, langsam und unter Rotation herausziehen => einkristalline Fortsetzung. Dotieren: Dotierstoff in Si-Flüssigkeit lösen Problem oft: Quarztiegel-Sauerstoff (Segregationskoeff > 1) Auch Czoralsky-Verfahren genannt
• 2.23 Welche Reinheit weist Metalurgical Grade Silicon (MGS) auf? 98%
• 2.24 Was versteht man unter fraktionierte Destillation und zu welchem Zweck wird sie bei der Siliziumherstellung eingesetzt? Trennung von Stoffen mit verschiedenen Siedepunkten via Verdampfen und Kondensation (HSiCl3, H2, HCl, Verunreinigungen). Trichlorsilan hat Siedepunkt von 31,8 °C was weit von anderen weg ist. => weitere Aufreinigung
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• 2.25 Welche Reinheit weist Electronic Grade Silicon (EGS) auf? einzelne ppb
• 2.26 Wie funktioniert die Reinigung eines Siliziumkristalls durch „Segregation“? Beschreiben Sie darauf aufbauend das „Zonenziehverfahren“ für die Herstellung großer einkristalliner Siliziumstäbe. Wie kann der Siliziumstab beim Zonenziehverfahren dotiert werden? Der Segregationskoeffizientk0 kann aus der atomaren Konzentration der Verunreinigung in der festen Phase cs undder atomaren Konzentration der Verunreinigung in der flüssigen Phase cl berechnet werden: k0 =cs/cl Ist der Segregationskoezient kleiner als eins, so sammeln sich die Verunreinigungen in derflüssigen Phase an.
• 2.27 Was versteht man unter „Zonenreinigen“? Mehrmaliges Zonenziehverfahren, wobei jeweils Reinigung durch Segregation stattfindet (zumindest für Stoffe mit Segregationskoeff. < 1)
• 2.28 Mit welchem Verfahren („Tiegelziehverfahren“ oder „Zonenziehverfahren“) können sehr hochohmige Si-Wafer (ca. 2000 cm) hergestellt werden? Begründen Sie ihre Wahl. vermutlich durch das Zonenziehverfahren, da hier mehrmaliges Aufschmelzen und Erstarren möglich ist, wobei ja jedesmal Segregation genutzt werden kann. Dadurch geringere Konz. an z.B. B und P und somit weniger leitfähig?
• 2.29 Nennen und erläutern sie mindestens drei verschiedene Typen von Wafer-Fehlern. Parallelitätsabweichung (Dicke nicht konstant) Durchbiegung Verwerfung (zwar gleiche Dicke, aber Wellen-Durchbiegung) Fehlorientierung des Flats
• 2.30 Ausbeutebetrachtung: Ein Wafer wird in n 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)
• 2.31 Beschreiben Sie die Funktionsweise einer Diode. Was ist die Raumladungszone und durch welchen Mechanismus entsteht sie? pn-Übergang. Dotieratome 3. HG fangen 1 Elektron ein => Loch entsteht; Lochüberschuss bei beweglichen Ladungsträgern; Löcher sind Majoritätsladungsträger. Ferminiveau gesenkt Dotieratome 5. HG geben 1 Elektron ab => Elektronenüberschuss bei beweglichen Ladungsträgern; Elektronen Majoritäsladungsträger. Ferminiveau erhöht. Majoritätsladungsträger diffundieren in jeweils anderes Gebiet (Thermodynamik) und rekombinieren dort (=> ortsfeste Ionen). Das geht bis das sich einstellende Feld so stark entgegenwirkt dass kein Nettostrom mehr (Driftstrom) --> Raumladungszone. Die Ladungen in der RLZ sind nicht beweglich, darum wirkt sie als Isolator. Je geringer die Dotierung, desto größer die RLZ (Nutzung bei Bipolartransistor: Basis nur schwach dotiert) Durchlassrichtung: p an Pluspol n an Minuspol (angelegte Spannung wirkt Diffusionsspannung entgegen; Abbau der Sperrschicht und ungebremste Diffusion/Stromfluss)
• 2.32 Wie sieht die Kennlinie einer Diode aus? Beschriften Sie die Achsen. rechts exponentiell, wobei 0,7V Diffusionsspannung x Volt, y in A links erst nahe Null bis durchschmohr exponentiell
• 2.33 Beschreiben Sie die Funktionsweise eines Bipolar-Transistors. Zeichen Sie den Aufbau des Transistors und benennen Sie die unterschiedlich dotierten Bereiche. Wo befinden sich Raumladungszonen? Dünne Basis zwischen Emitter und Collektor. U_CE wird so angelegt dass BE-RLZ in Durchlassrichtung und BC-RLZ in Sperrichtung. Da BC-RLZ sperrt fließt zwischen E und C nur der Sättigungssperrstrom der BC-RLZ (der entsteht dadurch dass immer wieder statistisch Minoritätsladungsträger in beiden Seiten generiert werden und z.T. wegen dem Feld der RLZ in die andere Zone gezogen werden). Jetzt wird aber eine zweite Spannung in Durchlassrichtung der BE-RLZ angelegt. Somit wird die Basis mit den Majoritätsladungsträgern des E (also ihren Minoritätsladungsträgern) quasi überschwemmt. Man sorgt dafür dass die Basis so dünn ist, dass die angeschwemmten Minoritätsladungsträgern nicht mit den Majoritätsladungsträgern rekombinieren, sondern bis zur BC-RLZ durchkommen. Dort werden sie vom BC-RLZ-Feld angesaugt und es fließt Strom.
• 2.34 Beschreiben Sie die Funktionsweise eines CMOS-Transistors. Wie ist er aufgebaut? Zeichen Sie den Aufbau des Transistors und benennen Sie die unterschiedlich dotierten Bereiche. Aufbau Gate, Drain, Source statt Basis, Collektor und Emitteranalog zu Bipolar: Drain und Source selbe Dotierung, nur beide stark dotiert; Gate anders dotiertGateoxid: heute high-k-Dielektrika; einige nm dickGateelektrode: i.d.R. PolysiliziumPolarität der Spannungen gleich (Beispiel pnp: Source positiv zu Gate geschalten und nochmal extra positiv zu Drain)vierter Anschluss am Substrat: mit Source verbundenFunktionsweise Gate-Source-Spannung zieht Minoritätsladungsträger des Gate-Materials an, Kondensator lädt sich aufMinoritätsladungsträger rekombinieren, wenn die Spannung groß genug ist gibt es lokal keine Majoritätsladungsträger mehr zum rekombinieren, es entsteht ein Minoritätsladungsträger-leitender Kanal ("Inversionszone") zwischen Drain und Sourceje stärker die GS-Spannung, desto mehr Ladungsträger sind vorhanden und desto größer der Strom der durch U_DS entstehtInversionszone ist keilförmig wegen der Überlagerung mit den Feldern an den einzelnen Diodenübergängen (an Source breiter, an Drain schmäler)
• 2.35 Was ist ein „Fin-FET“? Zeichnen Sie den Aufbau eines „Fin-FET“ und benennen Sie die Anschlüsse. Welche Vorteile bringt ein „Fin-FET“? Definition: FETs, bei denen der Bereich unter der Gateelektrode nicht 2D ist, sondern 3D und nur wenige nm dünn ist und herausragt und von Gateoxid- und Elektrode umschlungen ist. Vorteile: geringere Gatelänge nötig (aktuell 22nm von Intel)kürzere Schaltzeiten (da dünn)weniger Energieweniger Temperaturempfindlichgeringeres Rauschenkleinere Leckströme (GS
• 3.1 Was versteht man unter dem Begriff „Morphologie“ einer Schicht? Welche beiden physikalischen Phänomene 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
• 3.2 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 Zonen definiert durch Ts/Tm < 0,25 < Ts/Tm < 0,45 < Ts/Tm 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
• 3.3 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? Partialdruck/ Temperaturkoeffizient Zone 1: porös/ geringe Haftfestigkeit/ hohe innere Spannungo Oberflächendiffusion reicht nicht aus, um abgeschattete Bereiche auszugleichen nadelförmige Kristallite Zone T: faserförmig/ dichter als Z1o Erhöhte OF-Diffusion teilweiser Ausgleich abgeschatteter Teile Zone 2: säulenartig/ dichter/ erhöhte Haftfestigkeito erhöhte OF-D bestimmt Wachstum stark mito Temperatur ~ Säulendurchmesser Zone 3: restkristallines Gefüge hoher Dichteo Volumendiffusion bestimmt Wachstum
• 3.4 Strukturzonenmodell von Thornton: Warum und wie hängen die Übergangstemperaturen der einzelnen Zonen vom 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
• 3.5 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. b. 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
• 3.6 Nennen Sie mindestens zwei Gründe, welche bei der Erzeugung dünner Schichten zu Spannungen führen. Ausdehnungskoeffizient der Schicht < Substrat und Schicht > SubstratVolumenzunahme während der AbscheidungAusgasen von eingelagerten Prozessgas (H2)
• 3.7 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
• 3.8 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? Umwandlung: Thermische Oxidation (1200°C), Ionenimplantation (RT, Annealing 500-1000°C), Dotierung durch Diffusion (ca. 1200°C) Abscheiden: Aufdampfen (1000-3500°C) Substrat(100-400°C), Sputtern (200-500°C), APCVD (200-500°C), LPCVD (400-1000°C), APCVD (350-1350°C), Spin-on (
• 3.9 Nennen Sie mindestens fünf Kriterien nach denen man die Qualität eines Prozesses oder die Qualität einer Schicht beurteilen kann. Prozesse:DurchsatzQuerempfindlichkeit zu anderen ProzessenGewinnspanne Schichten:Homogenität der DickeReinheit der SchichtKantenbedeckungStöchiometrieel. EigenschaftenAdhäsion

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