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Dieser Artikel beschreibt die Dünnschichttechnik zur Herstellung elektronischer Schaltungen Dünne Schichten beschreibt a
Dünnschichttechnologie
Die Dünnschichttechnik, selten auch Dünnschichttechnologie genannt, beschäftigt sich mit der Herstellung und Bearbeitung von dünnen Schichten unterschiedlicher Materialien, wie metallische, dielektrische und halbleitende Werkstoffe. Die Dicke solcher Schichten liegt typischerweise im Bereich weniger Mikrometer bis zu wenigen Nanometern.
Die Abscheidung der Schichten erfolgt meist ganzflächig auf einem Substrat mit Verfahren der physikalischen (PVD, z. B. thermisches Verdampfen oder Sputtern) und chemischen Gasphasenabscheidung (CVD). Anschließend können weitere Bearbeitungen der Schichten erfolgen, dazu gehören unter anderem Nachbehandlungen, wie das Tempern, Rekristallisieren oder Dotieren der Schicht, als auch der gezielte Materialabtrag, beispielsweise mithilfe des chemisch-mechanischen Polierens. Vor allem bei der Fertigung von Produkten für die Halbleiterelektronik (wie integrierte Schaltkreise oder auch Dünnschichtsolarzellen) und der Mikrosystemtechnik (Sensoren, Aktoren) werden die Schichten auch strukturiert, das heißt, das Schichtmaterial wird an einigen Stellen gezielt entfernt. Die Strukturerzeugung kann durch die in der Halbleitertechnik übliche Fotolithografie oder direkt per Laser- oder Elektronenstrahlbearbeitung 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 Dünnschichttechnik wird jedoch üblicherweise nur für ebene elektronische Bauteile und Schaltkreise aus „dünnen Schichten“ auf Substraten, wie einem Wafer oder einer Leiterplatte, angewendet.
Die sogenannte Dickschichttechnik verwendet ebenfalls Isolator-Substrate; Widerstände und Leiterbahnen werden jedoch mittels gedruckter und gebrannter sog. Glasfritten (Pulvergemisch aus Metall und Glas) hergestellt. Dünnschichttechnik umfasst demgegenüber nicht nur additive Prozesse wie Sputtern, sondern auch subtraktive Prozesse wie Ätzen. Auch auf die Bedeutung der Reinigungsverfahren sei hingewiesen.
Additive Verfahren
Als additiv werden Verfahren bezeichnet, bei denen Schichten großflächig oder strukturiert (z. B. Lift-off-Verfahren) auf einem Substrat aufgebracht werden. Dies geschieht in der Regel durch die chemische Reaktion oder Kondensation von gasförmigen Stoffen auf der Substratoberfläche. Weiterhin sind auch Verfahren zur Abscheidung aus der flüssigen Phase weit verbreitet.
Die Qualität einer Dünnschicht hängt von drei Faktoren ab:
- vom physikalischen Zustand der Oberfläche des Substrates (Oberflächenrauheit)
- von der Aktivierungsenergie für Oberflächen- und Volumendiffusion der Schichtatome
- von der Bindungsenergie zwischen adsorbiertem Atom und Substratoberfläche
Die wichtigsten Verfahrensgruppen werden im Folgenden kurz beschrieben.
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist eine Gasphasenreaktion (meist an oder in der Nähe der Substratoberfläche). Dabei werden die Reaktionsgase gleichzeitig in die Reaktionskammer mit dem zu beschichtenden Substrat geleitet. Die überwiegend vorgeheizten Gase werden durch das beheizte Substrat thermisch aktiviert und reagieren miteinander. Dabei wird das erwünschte Material abgeschieden und chemisch gebunden (Chemisorption).
Neben unzähligen CVD-Varianten, die sich in Arbeitsdruck und anderen Prozessparametern unterscheiden, existieren noch einige Beschichtungsverfahren, die mehr oder weniger stark modifizierte CVD-Verfahren darstellen:
- Plasmapolymerisation: Dabei bilden durch ein Plasma angeregte gasförmige Monomere eine hochvernetzte Schicht auf einem Substrat.
- Atomlagenabscheidung: Die Atomlagenabscheidung ist ein stark verändertes CVD-Verfahren, bei der die Reaktion bzw. Sorption an der Oberfläche selbständig nach der vollständigen Belegung der Oberfläche stoppt. Diese selbstbegrenzende Reaktion wird in mehreren Zyklen (mit dazwischenliegenden Spülschritten) durchlaufen, so sind sehr gute Aspektverhältnisse und exakte Schichtdicken erreichbar.
Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)
PVD-Verfahren beruhen im Gegensatz zu CVD-Verfahren auf rein physikalischen Wirkungsverfahren, in der Regel handelt es sich dabei um einen Materialdampf der an der Substratoberfläche kondensiert. Man unterscheidet:
- Thermisches Verdampfen: Beim thermischen Verdampfen wird das erhitzt, bis es mit einer geeigneten Aufdampfrate verdampft. Dabei existieren je nach eingesetztem Verdampfer (induktiv, Widerstands- oder Elektronenstrahlverdampfer) drei „Unterverfahren“. Um die Abscheidung von qualitativ hochwertigen und homogenen Schichten zu gewährleisten, 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 Reproduzierbarkeit der Beschichtung nicht gewährleistet werden kann. Zur Messung und Regelung der Aufdampfrate und Schichtdicke werden häufig Schwingquarze verwendet (alternativ auch ).
- 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 physikalische Vorgang auch genutzt, um Material vom Target zu zerstäuben, d. h., es in die Gasphase zu überführen. Das entstandene gasförmige 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 Sputterkoeffizienten besitzen, sich also unterschiedlich gut zerstäuben lassen. Die Schichtdicke wird oft über Zeitabschaltung gesteuert.
- Ionenplattieren: Das Ionenplattieren 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 Metalldampfwolke 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.
- ICB-Technik (engl. ionized cluster beam deposition, ICBD): ICB-Technik ist ein modifiziertes Aufdampfverfahren. Der zum Verdampfen verwendete Tiegel wird dabei geschlossen gehalten. Das Erhitzen des Verdampfungsmaterials erzeugt einen Überdruck im abgeschlossenen Tiegel. Wird dieser Dampf durch eine Düse abgelassen, so kommt es durch eine adiabatische Expansion zu einer plötzlichen Abkühlung. Es bilden sich neutrale Atomhaufen (engl. cluster), die sich beim Auftreffen auf der Substratoberfläche teilweise auflösen und über die Oberfläche verteilt abscheiden.
- Molekularstrahlepitaxie (engl. molecular beam epitaxie, MBE)
Galvanische Verfahren
Neben den Abscheidungen aus der Gasphase gibt es auch zahlreiche Abscheidungsverfahren aus der flüssigen Phase. Eine der wichtigsten Verfahrensgruppen ist die Galvanotechnik (kurz: Galvanik). Sie umfasst alle Verfahren zur elektrochemische Abscheidung von elektrisch leitfähigen Schichten (in der Regel Metalle) auf einem Substrat. Dazu wird das Substrat ein elektrolytisches Bad getaucht und mit einer elektrischen Spannung belegt. In dem entstehenden elektrischen Stromkreis fließt ein elektrischer Strom, der im Elektrolyt vorrangig durch die Bewegung von positiven Metallionen gebildet wird. Die gelösten Metallionen bewegen sich bei angelegter Spannung zum Minuspol (Kathode), dem zu beschichtenden Substrat, und scheiden sich dort ab.
Als Substrate können eine Vielzahl von Materialien verwendet werden. Die wichtigste Voraussetzung ist jedoch eine zumindest geringe elektrische Leitfähigkeit an der Oberfläche. Aus diesem Grund wird bei nicht leitenden Substraten, wie beispielsweise Kunststoffen, zunächst mit anderen Verfahren eine dünne leitfähige Schicht aufgetragen (vgl. z. B. Kunststoffmetallisierung). Die Oberflächenleitfähigkeit hat zudem Einfluss auf die Homogenität der Abscheidung. Allgemein ist die erzielte Schichtdicke abhängig von verwendeten Stromstärke und der Prozessdauer sowie der Badzusammensetzung. Über Badzusätze kann zudem die Abscheidung in Löchern und Gräben beeinflusst werden. Dies wird beispielsweise in der Halbleitertechnik bei der Abschneidung der Kupferleitbahnen eingesetzt, hier wird über spezielle Badzusätze die Abscheidung der Kupferschicht am Boden und Ecken von Kontaktlöchern beschleunigt bzw. die Abscheidung an der Oberseite behindert.
Sol-Gel-Verfahren
Aus kolloiddispersen Lösungen können durch nasschemische Beschichtungsverfahren und anschließende Härtung anorganische und hybridpolymere Schichten hergestellt werden. Der zugrunde liegende Sol-Gel-Prozess ist als Teil der chemischen Nanotechnologie zu verstehen.
Anwendungen
- Dünnschicht-Solarzellen (amorphe Silizium-Schichten)
- Widerstandsnetzwerke und hochpräzise Einzelwiderstände
- Dehnungsmessstreifen
- Fotowiderstände
- Platin-Temperaturmesswiderstände
- Medizintechnik
- Halbleiter
- Membranen, z. B. für Mikro-Drucksensoren, Kondensator- und Elektret-Mikrofone
- LCDs
Weblinks
Autor: www.NiNa.Az
Veröffentlichungsdatum:
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Dicke solcher Schichten liegt typischerweise im Bereich weniger Mikrometer bis zu wenigen Nanometern Die Abscheidung der Schichten erfolgt meist ganzflachig auf einem Substrat mit Verfahren der physikalischen PVD z B thermisches Verdampfen oder Sputtern und chemischen Gasphasenabscheidung CVD Anschliessend konnen weitere Bearbeitungen der Schichten erfolgen dazu gehoren unter anderem Nachbehandlungen wie das Tempern Rekristallisieren oder Dotieren der Schicht als auch der gezielte Materialabtrag beispielsweise mithilfe des chemisch mechanischen Polierens Vor allem bei der Fertigung von Produkten fur die Halbleiterelektronik wie integrierte Schaltkreise oder auch Dunnschichtsolarzellen und der Mikrosystemtechnik Sensoren Aktoren werden die Schichten auch strukturiert das heisst das Schichtmaterial wird an einigen Stellen gezielt entfernt Die Strukturerzeugung kann durch die in der Halbleitertechnik ubliche Fotolithografie oder direkt per Laser oder Elektronenstrahlbearbeitung erfolgen Mittels Elektronenstrahl wird oft auch ein Abgleich von Widerstanden vorgenommen wodurch sich hochste Genauigkeiten erreichen lassen 0 1 AbgrenzungSogenannte dunne Schichten lt 1 µm werden in vielen Bereichen Optik Katalysatoren ICs zylindrische Widerstande Kondensatorfolien Verpackung eingesetzt Der Begriff Dunnschichttechnik wird jedoch ublicherweise nur fur ebene elektronische Bauteile und Schaltkreise aus dunnen Schichten auf Substraten wie einem Wafer oder einer Leiterplatte angewendet Die sogenannte Dickschichttechnik verwendet ebenfalls Isolator Substrate Widerstande und Leiterbahnen werden jedoch mittels gedruckter und gebrannter sog Glasfritten Pulvergemisch aus Metall und Glas hergestellt Dunnschichttechnik umfasst demgegenuber nicht nur additive Prozesse wie Sputtern sondern auch subtraktive Prozesse wie Atzen Auch auf die Bedeutung der Reinigungsverfahren sei hingewiesen Additive VerfahrenAls additiv werden Verfahren bezeichnet bei denen Schichten grossflachig oder strukturiert z B Lift off Verfahren auf einem Substrat aufgebracht werden Dies geschieht in der Regel durch die chemische Reaktion oder Kondensation von gasformigen Stoffen auf der Substratoberflache Weiterhin sind auch Verfahren zur Abscheidung aus der flussigen Phase weit verbreitet Die Qualitat einer Dunnschicht hangt von drei Faktoren ab vom physikalischen Zustand der Oberflache des Substrates Oberflachenrauheit von der Aktivierungsenergie fur Oberflachen und Volumendiffusion der Schichtatome von der Bindungsenergie zwischen adsorbiertem Atom und SubstratoberflacheSiehe auch Schichtwachstum Die wichtigsten Verfahrensgruppen werden im Folgenden kurz beschrieben Chemische Gasphasenabscheidung CVD Hauptartikel Chemische Gasphasenabscheidung Die chemische Gasphasenabscheidung CVD ist eine Gasphasenreaktion meist an oder in der Nahe der Substratoberflache Dabei werden die Reaktionsgase gleichzeitig in die Reaktionskammer mit dem zu beschichtenden Substrat geleitet Die uberwiegend vorgeheizten Gase werden durch das beheizte Substrat thermisch aktiviert und reagieren miteinander Dabei wird das erwunschte Material abgeschieden und chemisch gebunden Chemisorption Neben unzahligen CVD Varianten die sich in Arbeitsdruck und anderen Prozessparametern unterscheiden existieren noch einige Beschichtungsverfahren die mehr oder weniger stark modifizierte CVD Verfahren darstellen Plasmapolymerisation Dabei bilden durch ein Plasma angeregte gasformige Monomere eine hochvernetzte Schicht auf einem Substrat Atomlagenabscheidung Die Atomlagenabscheidung ist ein stark verandertes CVD Verfahren bei der die Reaktion bzw Sorption an der Oberflache selbstandig nach der vollstandigen Belegung der Oberflache stoppt Diese selbstbegrenzende Reaktion wird in mehreren Zyklen mit dazwischenliegenden Spulschritten durchlaufen so sind sehr gute Aspektverhaltnisse und exakte Schichtdicken erreichbar Physikalische Gasphasenabscheidung PVD Hauptartikel Physikalische Gasphasenabscheidung PVD Verfahren beruhen im Gegensatz zu CVD Verfahren auf rein physikalischen Wirkungsverfahren in der Regel handelt es sich dabei um einen Materialdampf der an der Substratoberflache kondensiert Man unterscheidet Thermisches Verdampfen Beim thermischen Verdampfen wird das erhitzt bis es mit einer geeigneten Aufdampfrate verdampft Dabei existieren je nach eingesetztem Verdampfer induktiv Widerstands oder Elektronenstrahlverdampfer drei Unterverfahren Um die Abscheidung von qualitativ hochwertigen und homogenen Schichten zu gewahrleisten ist es notwendig den Raum zwischen Verdampfer und Substrat moglichst materiefrei d h Vakuum zu halten Wechselwirkungen meist Stosse der Teilchen mit Restgasatomen konnen diese binden oder so streuen dass die Reproduzierbarkeit der Beschichtung nicht gewahrleistet werden kann Zur Messung und Regelung der Aufdampfrate und Schichtdicke werden haufig Schwingquarze verwendet alternativ auch Sputterdeposition Beim Sputtern auch Kathodenzerstauben genannt werden durch Ionenbeschuss Teilchen von der Oberflache abgetragen Durch dieses Verfahren kann die Oberflache z B von Oxiden oder Wasser die durch die Herstellung Verarbeitung oder Lagerung in das Material gelangt sind gereinigt werden In der Dunnschichttechnik wird dieser physikalische Vorgang auch genutzt um Material vom Target zu zerstauben d h es in die Gasphase zu uberfuhren Das entstandene gasformige Material wird anschliessend auf das zu beschichtende Substrat gefuhrt und kondensiert dort Dieses Beschichtungsverfahren wird Sputterdeposition genannt und hat gegenuber dem Aufdampfen den Vorteil auch Legierungen im gleichen Verhaltnis auf den Wafer zu ubertragen Dabei muss allerdings beachtet werden dass unterschiedliche Materialien unterschiedliche Sputterkoeffizienten besitzen sich also unterschiedlich gut zerstauben lassen Die Schichtdicke wird oft uber Zeitabschaltung gesteuert Ionenplattieren Das Ionenplattieren ist ein vakuumbasiertes und plasmagestutztes PVD Verfahren fur Metalle und Metallverbindungen Dabei wird verdampftes Metall z B durch Bogenentladung in ein Plasma gefuhrt Dort ionisiert ein Teil der Metalldampfwolke und wird in Richtung des Substrates beschleunigt Die Metallionen bilden an der Substratoberflache eine Schicht aus die am Anfang zusammen mit dem Substratmaterial durch den standigen Beschuss durch Metallionen ruckgesputtert wird ICB Technik engl ionized cluster beam deposition ICBD ICB Technik ist ein modifiziertes Aufdampfverfahren Der zum Verdampfen verwendete Tiegel wird dabei geschlossen gehalten Das Erhitzen des Verdampfungsmaterials erzeugt einen Uberdruck im abgeschlossenen Tiegel Wird dieser Dampf durch eine Duse abgelassen so kommt es durch eine adiabatische Expansion zu einer plotzlichen Abkuhlung Es bilden sich neutrale Atomhaufen engl cluster die sich beim Auftreffen auf der Substratoberflache teilweise auflosen und uber die Oberflache verteilt abscheiden Molekularstrahlepitaxie engl molecular beam epitaxie MBE Galvanische Verfahren Hauptartikel Galvanotechnik Neben den Abscheidungen aus der Gasphase gibt es auch zahlreiche Abscheidungsverfahren aus der flussigen Phase Eine der wichtigsten Verfahrensgruppen ist die Galvanotechnik kurz Galvanik Sie umfasst alle Verfahren zur elektrochemische Abscheidung von elektrisch leitfahigen Schichten in der Regel Metalle auf einem Substrat Dazu wird das Substrat ein elektrolytisches Bad getaucht und mit einer elektrischen Spannung belegt In dem entstehenden elektrischen Stromkreis fliesst ein elektrischer Strom der im Elektrolyt vorrangig durch die Bewegung von positiven Metallionen gebildet wird Die gelosten Metallionen bewegen sich bei angelegter Spannung zum Minuspol Kathode dem zu beschichtenden Substrat und scheiden sich dort ab Als Substrate konnen eine Vielzahl von Materialien verwendet werden Die wichtigste Voraussetzung ist jedoch eine zumindest geringe elektrische Leitfahigkeit an der Oberflache Aus diesem Grund wird bei nicht leitenden Substraten wie beispielsweise Kunststoffen zunachst mit anderen Verfahren eine dunne leitfahige Schicht aufgetragen vgl z B Kunststoffmetallisierung Die Oberflachenleitfahigkeit hat zudem Einfluss auf die Homogenitat der Abscheidung Allgemein ist die erzielte Schichtdicke abhangig von verwendeten Stromstarke und der Prozessdauer sowie der Badzusammensetzung Uber Badzusatze kann zudem die Abscheidung in Lochern und Graben beeinflusst werden Dies wird beispielsweise in der Halbleitertechnik bei der Abschneidung der Kupferleitbahnen eingesetzt hier wird uber spezielle Badzusatze die Abscheidung der Kupferschicht am Boden und Ecken von Kontaktlochern beschleunigt bzw die Abscheidung an der Oberseite behindert Sol Gel Verfahren Hauptartikel Sol Gel Schicht Aus kolloiddispersen Losungen konnen durch nasschemische Beschichtungsverfahren und anschliessende Hartung anorganische und hybridpolymere Schichten hergestellt werden Der zugrunde liegende Sol Gel Prozess ist als Teil der chemischen Nanotechnologie zu verstehen AnwendungenDunnschicht Solarzellen amorphe Silizium Schichten Widerstandsnetzwerke und hochprazise Einzelwiderstande Dehnungsmessstreifen Fotowiderstande Platin Temperaturmesswiderstande Medizintechnik Halbleiter Membranen z B fur Mikro Drucksensoren Kondensator und Elektret Mikrofone LCDsWeblinksCommons Dunnschichttechnologie Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien