Dünnschichttechnologie
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Bei der Dünnschichttechnologie werden Materialien (dünne Schichten üblicherweise unter 1 µm) durch verschiedene Verfahren auf das Substrat (zum Beispiel als Entspiegelung bei Brillengläsern oder auf Silizium-Wafern) aufgebracht, oder um anschließend bearbeitet bzw. strukturiert zu werden.
Die Abscheidung der Schichten erfolgt meist über Verfahren der physikalischen (PVD, z. B. thermisches Verdampfen oder Sputtern) und chemischen Gasphasenabscheidung (CVD).
Die Strukturerzeugung kann durch die in der Halbleiterfertigung üblichen Verfahren (Masken, Lithografie) oder besonders auch Elektronenstrahlbearbeitung erfolgen.
Mittels Elektronenstrahl wird oft auch ein Abgleich von Widerständen vorgenommen, wodurch sich höchste Genauigkeiten erreichen lassen (0,1 %).
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[Bearbeiten] Vorteile der Dünnschichttechnik
[Bearbeiten] 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.
[Bearbeiten] 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 adsorbierten Atom und Substratoberfläche
[Bearbeiten] Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)
PVD-Verfahren beruhen im Gegensatz zu CVD-Verfahren auf rein physikalischen Wirkungsverfahren.
[Bearbeiten] Thermisches Verdampfen
Beim theremischen Verdampfen wird das aufzutragende Material erhitzt und verdampft. Die verampften Atome oder Moleküle bewegen sich in Richtung des Substrats, an dessen Oberfläche sie kondensieren (Schichtbildung). Für die Abscheidung von qualitativhochwertigen und homogenen Schichten zu gewärleisten, ist es notwendig den Raum zwischen Verdampfer und Substrat möglichst Materiefrei (d. h. Vakuum) zu halten. Wechselwirkungen (meist Stöße) der Teilchen mit Restgasatomen können diese binden oder so streuen, dass die Repoduzierbarkeit der Beschichtung nicht gewährleistet werden kann.
Das Aufdampfmaterial wird in Schiffchen (etwa aus Molybdän oder Wolfram), in Einsätze aus etwa Aluminiumoxid, Molybdän, Grafit in einem gekühlten Kupfertiegel bereitgestellt. Das Aufdampfen selbst geschieht oft durch Stromdurchfluss durch ein Schiffchen (Wiederstandsverdampfer) oder Wolfram-Aufdampfspiralen, Induktionsheizung oder durch direktem Elektronenbeschuss mit einer Elektronenkanone. Um die Schichtdicke auf dem Substrat messen zu können, werden häufig Schwingquarzen benutzt.
[Bearbeiten] Sputterdeposition
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 zerstäuben, d. h. es in die Gasphase zu überführen. Das entstandene gasfömige Material wird anschließend auf das zu beschichtende 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.
[Bearbeiten] 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.
[Bearbeiten] 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.
[Bearbeiten] Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
Prozessparameter:
- Substrattemperatur
- Wachstumsrate
- Prozessdruck
- Verunreinigungen
- Thermische Nachbehandlung
Reaktion mit Unterstützung von Katalysatoren
[Bearbeiten] 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
[Bearbeiten] LPCVD (low pressure CVD)
Arbeitstemperatur: 500- 1000 °C Druck: 0,01 - 10 mbar Aktivierungsenergie: thermisch aktivierter Prozess Zweck: Leiterbahnen, Gateoxid Si3Ni4
[Bearbeiten] PECVD (plasma enhanced CVD)
Arbeitstemperatur: 200 -500 °C Druck: 1 mbar Aktivierungsenergie: plasma + thermisch
Zweck: SiO2 abscheiden => Dielektrikum Si3N4 => Passivierung
[Bearbeiten] Plasmapolymerisation
Bei der Plasmapolymerisation bilden durch ein Plasma angereget gasförmige Monomere eine hochvernetzte Schichten auf einem Substrat.
[Bearbeiten] Atomlagenabscheidung
Die Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD) ist ein stark verändertes CVD-Verfahren, bei der die Reaktion bzw. Sorption an der Oberfläche selbständing nach der vollständigen Belegung der Oberfläche stoppt. Sie wird in mehreren Zyklen aufgetragen, so ist es möglich sehr gute Aspektverhältnise und exakte Schichtdicken zu erzeugen.
[Bearbeiten] Galvanische Verfahren
[Bearbeiten] LIGA - Verfahren
[Bearbeiten] Anwendungen
- Dünnschicht-Solarzellen (amorphe Silizium-Schichten)
- Widerstandsnetzwerke und hochpräzise Einzelwiderstände
- Dehnungsmessstreifen
- Fotowiderstände
- Platin-Temperaturmesswiderstände
- Medizintechnik
- Halbleiter
- hochpräzise Membrane, z. B. für Mikrodrucksensoren
