Zusammenfassung (.pdf)

Grundlagen
Mechatronik Mikrotechnik Mikrosystemtechnik (Elektronik,Mechanik,Optik,Fluidik)
Vorteile: Kostenreduktion(Batchfertigung, alles in einem), Zuverlässigkeit(Keine Verbindungen, zentral), Funktionalität(Et und Mech,
Selbsttest), Baugrösse(wartungsfrei, leicht, kompakt, kleine therm. und mech. Trägheit)
BSP: Hard Disk Drive Köpfe, Inkjet Druckköpfe, Schrittmacher, in-vitro Diagnostik, Hörgeräte, Drucksensoren, chem. Sensoren,
Biochip Druckkopf, Beschleunigungsmesser, Spektrometer, Gyroskop, Schalter, Fingerabdrucksensor, Mikropumpe, Magnetkopf,
Barometer, Mikrotiterplatte
3 2 1
Der Festkörper und seine Energiebänder: Pauliprinzip: Elektronen,welche sich inder Nähe von einander aufhalten,
können sich nicht im selben Enegergiezustand befinden.
Metalle = teilweise gefülltes Leitungsband
Herstellung von Silizium:
Halbleiter(Isolatoren)= leeres Leitunsband
Halbleiter: Widerstand nimmt expontiell
mit Temperatur zu
Metall:R nimmt linear mit T zu
Bandgap: Absorbtion (EnergergieMetallurgisches Silicium: 98% rein
2. MGS wird gemahlen und bei 300°C mit Gas (HCL) versetzt
=>TCS (Trichlorosilan) gasförmig
3. CVD (chemical vapor deposition) aus TCS wir EGS
=>es wird fest
Czochralski (CZ, Tiegelziehverfahren) Si-Einkristall(Impfkristall) wächst unter
dem Drehen langsam aus dem geschmolzenen Si (d -300mm, schnell und
günstig)(Verunreinigungen vom Tiegel. Die Wachstumsrate bestimmt die Kristallfehler-Dichte und Verteilung und die Dotierung
Zonenziehverfahren Herstellung der Wafer

Strukturierungsprozess Funktionsschichten(Leiterbahn, Widerstand, Dielektrika, sensitive Schicht, Aktoren) Hilfsschichten(Isolation,
Schutz, Haftvermittlung, Opferschicht, Maskierschicht, Hartmaske)
Aufwachsen auf/aus dem Substrat (Thermische Oxidation, Chemische- Physikalische Gasphasenabscheidung CVD PVD, Auftragen als
Suspension und Aufschmelzen) Organische Schichten (Zentrifugieren, Aufsprühen, Eintauchen)
Siliziumoxid: Silizium bildet bei höheren Temperaturen eine gasdicht, chemisch äusserst beständige Schicht. Diese spielen in der
Mikroelektronik und in der Mikrostrukturtechnik eine wichtige Rolle. Bei der thermischen Oxidation reagieren die Siliziumatome mit
dem Sauerstoff. Mit zunehmender Schichtdicke wird der Prozess langsam. Unter Wasserdampf geht es schnell.
Photolithographie: Schichtabscheidung (PVD,CVD), Substratvorbehandlung, Belackung - SpinCoating, Trocknung – Pre-SoftBake,
Belichtung – Exposure, Entwicklung, Härten – Post-Hard-Bake, Strukturieren – Ätzen-Dotieren, Lackentfernung – Strippen
Spin-Coating (Viskosität, Temperatur, Alter, Umdrehung, Feuchte) Strukturübertragung (Negativ Resist(Belichtetes Bleibt) Positives
Resist (Belichtetes geht)) Kontaktbelichtung(Weniger Brechungsfehler, Abnützung der Maske, braucht Zeit)
Proximitbelichtung(Masken schonender, schneller, verbreiteter, mehr Brechungsfehler) UV-Licht spaltet Sauerstoff(Stickstoff als
Vorbeugung) Fresnellinse ist top Muster-Transfer Dotieren
Additiv: Dotieren(Ionenbeschuss), Schichtwachstum(galvanisches Abschneiden,lokales Oxidieren,lift-off(mit Opferschicht)
Schichtwachstum Lift-off Technik
Vakuumtechnik
Vakuumtechnik ist die Gesamtheit der tech. Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung luftverdünnter Räume und ihrer Anw.
Grobvakuum (Lebensmittelindustrie, Staubsauger, Glühllampen), Feinvakuum (Niederdruckgasentladungslampe), Hochvakuum
(Elektronenröhre, Teilchenbeschleuniger) Ultrahochvakuum(Teilchenbeschleuniger, Halbleitertechnik)
Mittlere freie Weglänge bei Normalbedingungen (mit λ ~ einige nm):
• In makroskopischen Kavitäten (> 200 nm) verhalten sich Gase typisch, d.h. es gibt viele Stösse miteinander bis zum
Zusammentreffen mit der Wand
• In nanoskopischen Kavitäten (50 .. 200 nm) sind Stösse mit der Wand etwas häufiger als Zusammenstösse mit anderen
Gasmolekülen
Mittlere freie Weglänge im Feinvakuum (mit λ ~ einige cm .. m):
• Stösse mit der Wand sind wesentlich häufiger als Zusammenstösse mit anderen Gasmolekülen, d.h. eine gerichtete Bewegung der
Teilchen wird dadurch möglich (z.B. für physikal. Aetzverfahren)
Gasdynamik:

• Die Berechnung der Zustandsgrössen (Druck p, Dichte ρ, Temperatur T und Geschwindigkeit v) eines strömenden Gases ist
Aufgabe der Gasdynamik
• Wichtigstes Kriterium für die Gasdynamik in der Vakuumtechnik ist die Kenntnis der Knudsenzahl Kn, mit ..
- d = charakterist. Abmessung der Vakuumbauteile (Rohrdurchmesser, Rezipient, ..)
- λ = mittlere freie Weglänge
Wobei gilt für:
• Kn < 0,01: Viskose Strömung (typ. bei Grobvakuum)
• Kn < 0,5: Knudsen Strömung (typ. bei Feinvakuum)
• Kn > 0,5: Molekulare Strömung (typ. bei Hochvakuum)
Evakuierung eines Rezipienten:
• erfolgt mittels Vakuumpumpe (Pumpleistung)
• via eine Rohrleitung (Strömungswiderstand)
• Wichtige Grössen sind
- der Druckgradient Δp
- der Gasfluss Φ
- das Saugvermögen S
- die Saugleistung Q
sowie:
- die Restgaszusammensetzung
- die Desorption / Ausgasen von Materialien im Rezipienten
Sorption & Desorption (auf einer festen Oberfläche):
• Moleküle bzw. Atome aus einer Gas- oder Dampfphase können auf einer festen Oberfläche festgehalten (= Adsorption) werden
• Moleküle bzw. Atome aus einer Gas- oder Dampfphase können auch in einen Körper, wie z.B. Substrat oder auch Gefässwände,
eindiffundieren (= Absorption):
Vorvakuum-Erzeugung (10^-2mbar) Ultrahochvakuum-Erzeugung
- Membranpumpen - Turbomolekularpumpen
- Drehschieberpumpen - Kryopumpen
- Oeldiffusionspumpen - Ionengetterpumpen
- Drehkolben-(Roots-)pumpen - Titansublimationspumpen
Reinraum-Labortechnik
Was ist Reinraumtechnik?
- Reinraumtechnik schützt Produkte, Prozesse und das Personal vor schädlichen Auswirkungen von Verunreinigungen
(Kontamination).
- Reinraumtechnik wird definiert als die Kette aller technischen und betrieblichen Massnahmen, um jede schädigende Art von
Verunreinigung auszuschliessen.
- Reinraumtechnik verlangt die Beherrschung sowohl der Luftreinheit am Arbeitsplatz wie auch der Oberflächenreinheit der
Arbeitsflächen und der Produkte.
- Sie ist heutzutage ein Schlüsselelement moderner Entwicklungs- & Fertigungsprozesse in Forschungslabors und mannigfaltigen
Industriezweigen sowie im Gesundheitswesen.
• Wozu werden Reinräume benötigt?
- Reduktion von partikelförmigen Fremdkörpern in/auf (assemblierten) Produkten
- Prävention vor Oberflächendefekten durch Ablagerungen von Staub, VOC, o.ä.
- Elimination von schadensverursachenden Verunreinigungen durch organische / infektiöse Stoffe.

Bevor vom mit den Arbeiten beginnen kann, muss man sich entsprechen kleiden. Dies passiert in einer Schleuse vor dem Reinraum.
Dabei wird ein Mantel mit Kapuze angezogen, dieser deckt die Haare und den Oberkörper ab. So bleibt nur noch das Gesicht frei.
Über die Schuhe kommen Überzüge, sie halten den Dreck an den Schuhen, so dass kein neuer in den Raunraum kommt.
Eintritt in den Reinraum
Der Eintritt in den Reinraum erfolgt durch die Umziehschleuse. Sie sorgt dafür, dass kein Durchzug entsteht und dadurch Staub in
den Reinraum gelangt. Im Umziehraum herrscht ein leichter Überdruck gegenüber dem Aussenbereich und im Reinraum herrscht
Überdruck gegenüber dem Umziehraum. Dies verhindert den Eintritt von Staub nach innen. Nach dem Eintritt werden über die
Hände Handschuhe angezogen, sie schützen einerseits die Hände vor den Chemikalien und anderseits die Wafer vor Schmutz und
Schweiss der Hände. Beim Anziehen ist darauf zu achten, dass man die Fingerspitzen der Handschuhe nicht berührt, da diese später
den Wafer mit berühren und so verschmutzen könnten. Das Anziehen des Handschuhes wird einfacher, wenn man ihn zuerst
aufbläst.
Was einem im Reinraum sofort auffällt, ist ein schwacher Gelbstich im Licht. Dieser wird je nach Fotoapparat auch auf den Bildern
wiedergegeben. Dieser entsteht durch die gefilterte Beleuchtung des Raumes. Da im Reinraum mit einem Photoresistlack gearbeitet
wird, welcher mit Ultraviolett-Licht (Wellenlänge 400-500 nm) belichtet wird, gilt es diesen Lichtanteil aus der Beleuchtung
herauszufiltern. So wird ein unbeabsichtigtes Beleuchten des Lackes verhindert.
Arbeitsschritte
Eine Zusammenstellung der zu absolvierenden Arbeitsschritte beim Herstellen einer Photodiode ist im Anhang wiedergegeben. Da
es zeitlich für uns nicht möglich war, eine Photodiode von Anfang an zu erstellen, wurden die Wafer für uns vorbereitet. Dabei
wurden alle Schritte bis und mit 3h für uns erledigt. Im Nachfolgenden sind die von uns durchgeführten Schritte aufgelistet.
Ätzen von Aluminium (Schritt 3i)
In diesem Schritt wird mit Hilfe von Aluetch die nicht benötigte Aluminiumschicht vom Wafer weggeätzt. Dabei werden die Stellen,
welche mit dem belichteten Photoresist bedeckt sind nicht abgetragen. Dieser Vorgang wird im Ultraschallbad durchgeführt,
welches auf 42 °C erwärmt ist. Um den Wafer möglichst schonend zu behandeln, wird er in einem Drei-Bein eingespannt und so
eingetaucht. Nach etwa 60 Sekunden wird der Wafer wieder aus dem Aluetch gezogen. Danach wird der Wafer mit deionisiertem
Wasser gründlich gewaschen und danach mit Stickstoff getrocknet. Dadurch wird sichergestellt, dass der Vorgang des Ätzens sauber
beendet wird.
Strippen (Schritt 3j)
Jetzt gilt es, das belichtete Photoresist zu entfernen. Dies geschieht mit Aceton. Anschliessend wird der Wafer wieder mit
deionisiertem Wasser und Stickstoff gereinigt und getrocknet. Durch diesen Schritt ist die Herstellung der ersten Schicht
abgeschlossen.
Abscheidung Photoresist (Schritt 4a)
Für den Aufbau der zweiten Schicht wird zuerst der ganze Wafer mit dem positiven Photoresist überzogen. Dies passiert im
Spincoater bei einer Geschwindigkeit von ca 4000rpm. Nach ungefähr 60 Sekunden ist das Photoresist gleichmässig verteilt und der
Spincoater schaltet sich automatisch wieder ab.
Vortrocknen Photoresist (Schritt 4b)
Dieser Arbeitsschritt wird auch Prebake genannt. Dabei wird der Wafer in einem der Härter bei 90 °C während rund 60 Sekunden
getrocknet. Danach muss der ganze Wafer komplett getrocknet sein.
Belichtung (Schritt 4c)
Das Belichten erfolgt auf einem Mask-Aligner durchgeführt. Dazu wird der Wafer auf einer Schublade positioniert und in das Gerät
eingeschoben. Mit der Hilfe von drei Stellschrauben kann nun die Maske auf dem Wafer platziert werden. Dazu muss ein Kreuz
zwischen vier Quadrate positioniert werden. Diese Kontrollpunkte sind auf dem ganzen Wafer verteilt und müssen mit dem Mask-
Aligner überprüft und korrigiert werden. Wenn die Ausrichtung stimmt, wird der das Beleuchten gestartet. Dazu schiebt sich der
Mask-Aligner nach vorne und beleuchtet den Wafer während ca. 60 Sekunden. Danach kann die Schublade wieder herausgezogen
werden und der Wafer entnommen werden. Nach dem Belichten erfolgt ein Härten des Photoresists zwischen den beiden
Heizplatten bei 110 °C.
Entwicklung (Schritt 4d)
Durch das Eintauchen des Wafers in die Entwicklerlösung (Developer Az 351) für etwa 45 Sekunden löst sich der belichtete Anteil
des Photoresits. Jener Teil, der nicht belichtet wurde, hält der Entwicklerlösung stand. Nach einiger Zeit sieht man, wie sich in der
Lösung das Photoresist in Form von roten Partikeln löst. Nach dem Entwickeln wird der Wafer wieder gereinigt und mit Stickstoff
getrocknet.
Abscheidung von Aluminium (Schritt 4e)
Im Sputter wird auf den Wafer eine 100Å dicke Aluminiumschicht aufgetragen. Die Schwierigkeit dabei ist, das Heizen im richtigen
Moment zu unterbrechen und so eine nicht zu dicke Schicht zu erzeugen. Auch das Wiederherstellen des Umgebungsdruckes nach
dem Sputtern erfordert Erfahrung und Feingefühl.
Strippen (Schritt 4f)
Als letzter Schritt gilt es nun, das restliche Photoresist mit dem darauf aufgedampften Aluminium zu lösen. Dabei bleibt das
Aluminium, welches direkt auf dem Wafer ist haften. Dieser Vorgang wird auch Lift-Off genannt und passiert in Aceton. Sobald der
Wafer frei vom Photoresist ist, wird er noch ein letztes Mal gewaschen und mit Stickstoff getrocknet.
Endkontrolle
Die Endkontrolle erfolgt auf der einen Seite visuelle mit dem Mikroskop. Dabei können Risse in den Schichten, Schmutzpartikel oder
auch Kurzschlüsse schnell erkannt werden. Die Funktionalität des Wafers wird im Anschluss mit einem Multimeter gemacht. Dabei
wird die Spannung gemessen, welche bei einer Bestrahlung des Wafers mit Licht auftritt.