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- 3.10 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. 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
- 3.11 Was bedeutet LOCOS und wie funktioniert es? LOCOS = „Local Oxidation of Silicon“Si3N4 wird als Maskierung verwendet, diese wirkt als Diffusionssperre. (Oxidwachstum wird verhindert)
- 3.12 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. 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
- 3.13 Was versteht man unter Dotierung ganz allgemein? Gezielte Verunreinigung eines kristallinen Ausgangsmaterials mit geringen Mengen von Fremdatomen, welche die (el.) Eigenschaften stark verändern.
- 3.14 Was ist n- bzw. p-Dotierung? Nennen Sie mindestens einen Dotierstoff für ein p- und 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),
- 3.15 Zählen Sie mindestens drei Dotierverfahren auf. Dotierung beim Kristallziehen Epitaxie Diffusion Ionenimplantation Legieren
- 3.16 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? 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 Verlauf = „komplementäre Errorfunktion“ Eindringtiefe = Diffusionslänge = WURZEL(Dt)
- 3.17 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? 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
- 3.18 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)
- 3.19 Welche Eigenschaften muss die Maskierung bei der Diffusion aufweisen? Welches Material wir am häufigsten zur Maskierung bei der Diffusion verwendet? Der Diffusionskoeffizient muss für die Diffusion des Gases in die Maske viel geringer sein, als für das Substrat. Siliziumnitrid (LOCOS)
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- 3.20 Beschreiben Sie die bei der Dotierung durch Ionenimplantation auftretenden Teilprozesse. Zeichnen Sie eine Implantationsanlage mit den wichtigsten Komponenten. Ionisierung der DotierstoffeBeschleunigung Einschießen in den Kristall Annealing
- 3.21 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? Gaußfunktionmittlere Eindringtiefe 10 nm – 1000 nmStreubirne = Birnenförmiger Einwirkungsbereich der Streuung. Beschrieben durch die mittlere Reichweite, Streubreite und laterale Abweichung.
- 3.22 Was versteht man unter „Channeling“ und mit welchen Methoden kann man es 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
- 3.23 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
- 3.24 Weshalb benötigt man nach der Dotierung durch Ionenimplantation einen Annealing-Schritt? Bei welchen Temperaturen wird das Annealing durchgeführt? Da die eingeschossenen Ionen meist auf beliebigen Zwischengittern im Wirtskristall landen, müssen sie durch Tempern in das reguläre Gitter eingebaut werden. Außerdem muss das "zerschossene" Gitter ebenfalls rekristalisieren
- 3.25 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. Photoresist Barrelätzen mit Sauerstoff, Veraschen um Sauerstoffplasma Bessere Vernetzung des Resists durch Temperatureinwirkung aufgrund des Energiebeschusses
- 3.26 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
- 3.27 Warum ist das Aufdampfen von Legierungen problematisch und wie löst man es trotzdem? Unterschiedliche Dampfdrücke der verschiedenen Legierungskomponenten Fraktionierung im Tiegel -> Änderung der SchichtzusammensetzungBehebung:Unabhängig kontrollierbare Verdampfungsquellen pro Legierungskomponente
- 3.28 Welche Verdampfungsquellen werden beim Aufdampfen eingesetzt? Resistiv: Aufdampfschiffchen, (Aufdampfspirale) Induktiv: Induktionsspule um Tiegel Elektronenstrahlverdampfer
- 3.29 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 möglichhöhere AbscheideratenAbscheiderate besser kontrollierbar über ElektronenstromUHV (10^-6) => kein Einbau von Restgasatomen Aufbau: Elektronenstrahlquelle, Glühkathode mit Beschleunigungsanode, Ablenkmagnet, Lokal aufgeschmolzenes Verdampfungsgut auf gekühlter Oberfläche. Damit Elektronenstrahlquelle nicht verunreinigt wird befindet sie sich unter dem Reservoir
- 3.30 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 SchichtmaterialAufprall, Stoßkaskade, Herausschlagen von AtomenHerausgeschlagene Teilchen fliegen zum Substrat (im Mittel 4eV)Targetatome scheiden sich staubartig ab
- 3.31 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 in ihrer Winkelverteilung: Sputtern gibt bessere Kantenbedeckung
- 3.32 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
- 3.33 Was sind die Vor- bzw. Nachteile des Sputterns 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
- 3.34 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)
- 3.35 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 Bessere Qualität: heterogene CVD
- 3.36 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? 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 a) Reaktionslimitierte Prozessführung: Oberflächenreaktion (4.)b) Transport- oder diffusionslimitiere Prozessführung: Diffusionsvorgänge (2./ 6.)
- 3.37 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? 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)]
- 3.38 Heterogene CVD Prozesse: Geben Sie die Parameter an, von denen die Rate des Schichtwachstums im reaktionslimitierten Regime abhängt. Rate der Oberflächenreaktion (R), Anfangsoberfläche (R0), Aktivierungsenergie (Ea), Thermische Energie (kT)
- 3.39 Heterogene CVD Prozesse: Welche Varianten der Energiezufuhr kennen Sie bei CVD Prozessen? Führen Sie diese Unterschiede auf die unterschiedlichen Prozesslimitierungen (reaktionslimitiert bzw. prozesslimitiert) zurück. Thermische Energiezufuhr (Induktions-, Strahlungs-, oder Widerstandsheizung des Substrats) Elektrische Energiezufuhr (Plasma Enhanced) Optische Energiezufuhr (Laser-assisted)
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- 3.40 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. 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
- 3.41 Erläutern Sie die Teilschritte des Spin-Coatings sowie die wesentlichen Einflussparameter für die erzielte Schichtdicke bei dem Prozess. 1. Montage des Substrat auf Chuck2. Aufbringen des Mediums im Überschuss3. Vorschleudern (ca. 800rpm)4. Schleudern bei hoher Drehzahl (4000rpm)5. Entfernen und Trocknen des SubstratsEinflussparameter: Drehzahl, Viskosität des Lackes
- 3.42 Erläutern Sie die Teilschritte des Langmuir-Blodgett-Beschichtungsverfahrens sowie die wesentlichen Einflussparameter für die erzielte Schichtdicke bei dem Prozess. 1. Tropfen der Lösung auf Wasseroberfläche2. Gelöste Moleküle verteilen und orientieren sich gleichmäßig3. Aufnahme des Films durch eintauchen eines Substrats4. Stabilisierung der gesamten Polymerschicht durch UV oder chemische AktivierungDie Anzahl der Eintauchungen definiert die Schichtdicke.
- 4.1 Resisttechnik: Was ist ein Resist? Was unterscheidet einen Positv-Resist und einen Negativ-Resist? Resist = strahlungempfindliches Polymer-> Selektiv strukturierbar-> Resistent gegen weitere folgende StrukturierungsprozessePositiv - Resist: die unbelichteten Bereiche bleiben stehen, die belichteten B. werden beim Entwickeln aufgelöst.Negativ - Resist: die belichteten Bereiche bleiben stehen, die unbelichteten B. werden beim Entwickeln aufgelöst Positivr. Negativr. Min. Strukturbereite < 0,5 μm Ca. 2 μm Aspektverhältnis Gut Mäßig Lift-off möglich Nicht möglich Staubpartikel Kaum Einfluss Bewirken Löcher Kosten teuer günstiger
- 4.2 Resisttechnik: Aus was besteht ein Einkomponenten-Resist? Was passiert im Einkomponenten-Negativ-Resist und Einkomponenten-Positiv-Resist durch die UV-Belichtung? Einkomponentenresist: Polymergerüst oder Photoempfindliche Komponente in Polymergerüst (denke die Komponente ist teil des Polymers)LömiPositiv: Aufbrechen von Bindungen, Verringerung molekulargewicht, erhöhte Löslichkeit. Z.B. PMMA Negativ: Absorption durch Photokomponente induziert Vernetzungsreaktion, dadurch diese Bereiche nicht mehr lösbar. Z.B. SU8
- 4.3 Resisttechnik: Welche Komponenten weist ein Mehrkomponenten-Resist auf? Was geschieht im Resist durch die UV-Belichtung? Komponenten LömiPhotoaktive Komponente (z.B. DNQ)Matrixbildner (z.B. Novolak)=> Diazo-Novolak-Resist. Bestrahlung => vorher hydrophobe photoaktive Komponente wird z.B. hydrophil (Wolffsche Umwandlung) => Aufnahme von hydrophilem Entwickler möglich (z.B. NaOH)
- 4.4 Resisttechnik: Erläutern Sie die Begriffe „Lift-Off-Prozess“ und „Image Reversal“. Lift-Off-Prozesses "Strukturierung von Metallen ohne Ätzung".1. Strukturierung von Photoresist2. Ganzflächige Metallabscheidung3. Entwicklung des Photoresists (Metall auf Photoresist wird mitentfernt)4. Metall auf Substrat bleibt stehen Image Reversal:Resist wird zweimal belichtet und zwischen den Belichtungen chemisch so modifiziert,dass zuerst belichtete Struktur bei der zweiten Belichtung unlöslich ist. Dadurch verhältsich der Positivresist wie ein hochauflösender Negativresist.
- 4.5 Welche Arten von Strahlung verwendet man in der Lithographie? Dabei werden sämtliche Strahlungsarten, wie Licht-, Röntgen- und Teilchenstrahlung, zurStrukturierung des Resists genutzt.
- 4.6 Mit welcher Wellenlänge werden derzeit die Wafer in der Mikroelektronik belichtet? Wie klein sind die kleinsten damit herstellbaren Strukturen? 193nm, 22nm
- 4.7 Welche Arten von Masken werden in der optischen Lithographie eingesetzt und wie sind diese aufgebaut? Beschreiben Sie, wie eine Maske hergestellt wird. Chrommaske: Quarzglasplatte mit einer strukturierten Chromschicht (Absorber)Lightfield: Strukturen sind lichtundurchlässig, der Rest durchlässig.Darkfield: Strukturen sind lichtdurchlässig, der Rest undurchlässig.
- 4.8 Nennen Sie die drei Projektionsverfahren für die optische Belichtung. Proximity, Kontakt, abbildende Belichtung
- 4.9 Welche physikalischen Größen und welcher physikalische Effekt limitiert die Auflösung bei der „Proximity-Belichtung“? Was sind die Vor- und Nachteile der Proximity-Belichtung gegenüber der Kontaktbelichtung? Wellennatur des Lichts -> Intensitätverteilung gemäß der "Frenel'schen Beugung" bmin = WURZEL ( λ *dprox ) bmin = minimale Strukturbreite λ = Wellenlänge des Lichts dprox = Proximityabstand weitere Projektionsverfahren: 1. Kontakt-Belichtung2. Abbildende Projektion
- 4.10 Nennen Sie die Vor- und Nachteile der Kontaktbelichtung. Vorteil hohe Auflösunghoher Durchsatz (full wafer)Nachteil MaskenverschmutzungMaskendefekte durch Staubteilchenhohe Ebenheit gefordert
- 4.11 Welche Seite der Maske muss bei der Kontakt- und Proximity-Belichtung dem Wafer zugewandt sein. Begründen Sie ihre Aussage. Cr-Seite zum Wafer, da somit kürzere Distanz der Beugenden Cr-Schicht zum Substrat und höhere Auflösung
- 4.12 Was versteht man unter einer phasenschiebenden Maske und was bringt diese? Drehung der Phase des Lichts, das durch benachbarte Schlitze der Maske hindurchtritt, um180°. In den Schattenbereich gebeugtes Licht zweier benachbarter Spaltöffnungeninterferiert destruktiv. Verbesserter Bildkontrast bzw. verbesserte Auflösung.
- 4.13 Was versteht man unter dem „Tri-Level-Prozess“ und welchen Vorteil bringt dieser? Prozess für Belichtungsverfahren, bei denen die zu belichtende Resistdicke nur sehr dünn sein darf (Abbildende Projektion wegen Tiefenschärfe, EUV wegen Absorption und Tiefenschärfe) und dennoch gute Auflösung gefordert ist Prinzip: obere dünne Resistschicht, untere dünne Resistschicht ("Transferschicht", Hardmask,z.B. Si3N4) und 1 Planarisierungsschicht darunterPlanarisierungsschicht => Ebenheitsanforderung der geringen Tiefenschärfe erfülltObere dünne Resistschicht: wird belichtet, und dient dazu die Transferschicht zu strukturierenPlanarisierungsschicht anisotrop gegen Transferschicht (und anfangs obersten Resist) ätzen
- 4.14 Was versteht man und Immersionslithographie und welchen Vorteil bringt diese? Lithografie, bei der eine Flüssigkeit zwischen Maske und Substrat mit n> 1 ist, dadurch reduzierte Beugung und erhöhte Auflösung
- 4.15 Welche Wellenlänge wird wahrscheinlich für die Belichtung der nächsten Generation elektronischer Schaltungen eingesetzt? 13,5 (EUV)
- 4.16 Zeichnen Sie den prinzipiellen Aufbau einer EUV-Belichtungsanlage und benennen Sie die wichtigsten Komponenten. XXXXX XXXX
- 4.17 Nenne Sie drei Schwierigkeiten bei der Entwicklung der EUV-Belichtung, welche für die Verzögerung des Einsatzes verantwortlich sind. hochernergetische Strahlung wir in sämtlichen Materialien absorbiert. Deshalb masken und Optiken über Reflektion. -> Wärmeausdehnung durch Absorption Die Güte der Masken und der erforderlichen Schutzfilme (pellicle), die Qualität der lichtempfindlichen Schichten (resist) sowie generell die Erhöhung der Leistung der Lichtquelle