Dünnschichttechnik

Bei der Dünnschichttechnologie werden Materialien (dünne Schichten üblicherweise unter 1 µm) durch verschiedene Verfahren auf das Substrat (in der Regel Silizium-Wafer) aufgebracht, um anschließend bearbeitet bzw. strukturiert zu werden.

Die Abscheidung der Schichten erfolgt meist durch Bedampfen oder Sputtern, auch Chemical vapor deposition (CVD).

Die Strukturerzeugung kann durch die in der Halbleiterfertigung üblichen Verfahren (Masken, Lithografie) oder besonders auch Elektronenstrahl-Bearbeitung erfolgen.

Mittels Elektronenstrahl wird oft auch ein Abgleich von Widerständen vorgenommen, wodurch sich höchste Genauigkeiten erreichen lassen (0,1 %).

Abgrenzung

Sogenannte Dünne Schichten (<1 µm) werden in vielen Bereichen (Optik, Katalysatoren, ICs, zylindrische Widerstände, Kondensatorfolien, Verpackung) eingesetzt - der Begriff Dünnschicht-Technologie wird jedoch üblicherweise nur für ebene elektronische Bauteile und Schaltkreise aus „Dünnen Schichten“ auf Isolator-Substraten angewendet.

Die sogenannte Dickschichttechnologie verwendet ebenfalls Isolator-Substrate, Widerstände und Leiterbahnen werden jedoch mittels gedruckter und gebrannter sog. Glasfritten (Pulvergemisch aus Metall und Glas) hergestellt.

Verfahren

Die Qualität einer Dünnschicht hängt von drei Faktoren ab:

• vom physikalischen Zustand der Oberfläche des Substrates (Oberflächenrauheit)
• von der Aktivierungsenergie für Oberflächen- und Volumendifussion der Schichtatome
• von der Bindungsenergie zwischen absorbierten Atom und Substratoberfläche

PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition)

Es gibt zwei Gruppen von PVD-Verfahren: dem Aufdampfen und dem Sputtern. Beide Verfahren beruhen auf rein physikalischen Wirkungsverfahren.

Aufdampfen

Beim Aufdampfen wird das aufzutragende Material erhitzt und die durch Wärmezufuhr herausgelösten Teile gelangen auf das Substrat, wo sie in die Oberfläche diffundieren. Dabei muss der Raum zwischen Aufdampfort und Substrat möglichst Materiefrei (d. h. Vakuum) sein, damit die herausgelösten Teile, ohne von anderen Atomen abgelenkt, zum Substrat gelangen können. Das Aufdampfen selbst geschieht in Aufdampfschiffchen, Aufdampfspiralen, Induktionsspulen oder durch den Beschuss mit einer Elektronenkanone. Um die Schichtdicke auf dem Substrat messen zu können, werden in der Regel Schwingquarzzangen benutzt.

Sputterndeposition

Beim Sputtern (auch Kathodenzerstäuben genannt) werden durch Ionenbeschuß Teilchen von der Oberfläche abgetragen. Durch dieses Verfahren kann die Oberfläche z. B. von Oxiden oder Wasser, die durch die Herstellung, Verarbeitung oder Lagerung in das Material gelangt sind, gereinigt werden.

In der Dünnschichttechnik wird dieser physikalisch Vorgang auch genutzt um Material von Target zu zerstäubt, d. h. es in die Gasphase zu überführen. Das entstandene gasfömige Material wird anschließend auf das zu beschichtene Substrat geführt und kondensiert dort. Dieses Beschichtungsverfahren wird Sputterdeposition genannt und hat gegenüber dem Aufdampfen den Vorteil, auch Legierungen im "gleichen Verhältnis" auf den Wafer zu übertragen. Dabei muss allerdings beachtet werden, dass unterschiedliche Materialien unterschiedliche Sputterkoeffizineten besitzen, sich also unterschiedlich gut zerstäuben lassen.

Ionenplattieren

Das Ionenplattieren (engl. ion plating) ist ein vakuumbasiertes und plasmagestütztes PVD-Verfahren für Metalle und Metallverbindungen. Dabei wird verdampftes Metall (z. B. durch Bogenentladung) in ein Plasma geführt. Dort ionisiert ein Teil der Matalldampfwolke und wird in Richtung des Substrates beschleunigt. Die Metallionen bilden an der Substratoberfläche eine Schicht aus, die am Anfang zusammen mit dem Substratmaterial durch den ständigen Beschuss durch Metallionen rückgesputtert wird.

Clusterstrahltechnik (ICBD)

Clusterstrahltechnik (engl. ionized cluster beam deposition, ICBD) ist ein modifiziertes Aufdampfverfahren. Der zum Verdampfen verwendet Tigel wird dabei geschlossen gehalten. Das Erhitzen des Verdampfungsmaterials erzeugt ein Überdruck im abgeschlossenen Tigel. Wird dieser Dampf durch eine Düse abgelassen, so kommt es durch eine adiabatische Expansion zu einer plötzlichen Abkühlung. Es bilden sich neutralen Atomhaufen (Cluster), die beim Auftreffen auf der Substratoberfläche sich teilweise auflösen und über die Oberfläche verteilt abscheiden.

CVD-Verfahren (chemical vapor deposition)

Prozessparameter:

• Substrattemperatur
• Wachstumsrate
• Prozessdruck
• Verunreinigungen
• Thermische Nachbehandlung

Reaktion mit Unterstützung von Katalysatoren

APCVD (Atmospheric Pressure CVD)

Arbeitstemperatur: 1000 - 1300 °C Druck: 1 bar Aktivierungsenergie: thermisch aktiviert Zweck: Poly-Si abscheiden für Leiterbahnen, Gateoxid, Epitaxie von Si Wafern

LPCVD (Low Pressure CVD)

Arbeitstemperatur: 500- 1000°C Druck: 0,01 - 10 mbar Aktivierungsenergie: thermisch aktivierter Prozeß Zweck: Leiterbahnen, Gateoxid Si₃Ni₄

PECVD (Plasma Enhanced CVD)

Arbeitstemperatur: 200 -500°C Druck: 1mbar Aktivierungsenergie: plasma + thermisch

Zweck: SiO₂ abscheiden => Dielektrikum Si₃N₄ => Passivierung

Plasmapolymerisation

Bei der Plasmapolymerisation bilden durch ein Plasma angereget gasförmige Monomere eine hochvernetzte Schichten auf einem Substrat.

Galvanische Verfahren

LIGA - Verfahren

• Lithographie
• Galvanik

Anwendungen

• Dünnschicht-Solarzellen (amorphe Silizium-Schichten)
• Widerstandsnetzwerke und hochpräzise Einzelwiderstände
• Dehnungsmessstreifen
• Fotowiderstände
• Platin-Temperaturmesswiderstände
• Medizintechnik
• Halbleiter
• EPIGAP
• hochpräzise Membrane, z.B. für Mikrodrucksensoren