Fertigungstechnik

Fertigungsverfahren

  • Auf der Ebene des Sensorelementes sind Verfahren für

    • Materialaufbringung/-abscheidung,
    • Materialabtrag und
    • Strukturierung erforderlich

  • Verfahren sind zunächst unabhängig davon, ob dem Sensorelement ein struktur- oder materialbasierter Effekt zugrunde liegt, bezüglich:

    • Kontaktierung,
    • Zuleitungen,
    • Elektroden,
    • definierte Größen aktiver Komponenten

  • Bei Betrachtung integrierter Sensoren kommt der Bereich Aufbau- und Verbindungstechnik/Packaging mit weiteren typischen Fertigungsprozessen hinzu

  • System-in-Foil-Technologien für die Materialintegration besonders geeignet

Fertigungsverfahren

Mikrosystemtechnische Sensoren

Mikrosystemtechnische Sensoren integrieren mikroelektronische und senorische/aktorische Komponenten und nutzen dafür (Fertigungs-)Methoden der Mikroelektronik und Halbleitertechnologie.

  • Der klassische Werkstoff (als Substrat und/oder als Funktionsmaterial) der Mikrosystemtechnik ist Silizium.

  • Andere Materialien können z. B. durch die bereits erwähnten Abscheideverfahren eingebracht werden und das Spektrum der umsetzbaren Funktionalitäten und Eigenschaftsprofile erweitern.

  • Aufgrund der geringen Strukturgrößen erfordern Prozesse der Mikrosystemtechnik wie der Mikroelektronik in der Regel Reinräume.

Fertigungsverfahren

Reinräume

  • Wegen der Feinheit der Strukturen ist Schutz vor Verunreinigungen unerlässlich!
  • Ein ruhig sitzender Mensch erzeugt ca. 300000 Partikel/Minute.
  • Verschiedene Arbeitsschritte in der Mikrosystemfertigung bedürfen verschiedene abgetrennte Bereiche

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Fertigungsverfahren

Silizium

Silizium als zentraler Werkstoff

  • Verfügbarkeit: Silizium gibt es wie Sand am Meer
  • Einkristallin und in höchster Reinheit herstellbar
  • Halbleiter, p- und n-Dotierung möglich mit Bor respektive Phosphor oder Arsen, Leitfähigkeitseinstellung
  • Oxidation: Ausbildung von Isolationsschichten & Diffusionssperren
  • Chemisch inert gegenüber vielen Materialien
  • Mit alkalischen Medien anisotrop ätzbar
  • Hohe Wärmeleitfähigkeit
  • Geringe thermische Ausdehnung

Fertigungsverfahren

Wafer-basierte Prozesse

  • Verarbeitung von Silizium geht einher mit Wafer-basierten Prozessen.

  • Dies bedeutet u. a. Batch-Prozesse sowie eine in erster Näherung zweidimensional orientierte Vorgehensweise bei der Herstellung von sensorischen, aktorischen oder elektronischen Komponenten.

  • Die Vergrößerung der Wafer-Fläche bietet Kostenvorteile und hängt ab vom Durchmesser der prozessstabil herstellbaren Si-Einkristalle

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Abb. 1. Historische Vergrößerung des Waferdurchemessers [Prof. Vellekoop, IMSAS]

Fertigungsverfahren

Siliziumprozess

  1. Herstellung des reinen Siliziums (Kristallzucht)
  2. Photolitographische Strukturierung
  3. Ätzen (Abtragen)
  4. Aufdampfen und Sputtern (Auftragen)
  5. Schneiden
  6. (Verpacken)

Fertigungsverfahren

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Abb. 2. Klassifizierung der Fertigungsverfahren

Photolithographie

  • Photolithographie ist die zweidimensionale Strukturierung eines Photolacks (Photoresist) über eine Quelle:

    • gleichmäßige Belichtung durch eine Maske, deren Struktur auf den Photoresist projiziert wird.

  • Je nach Reaktion auf die Belichtung wird zwischen Positiv- und Negativresist differenziert.

    • Die Bezeichnung Positiv- bzw. Negativresist kann bezogen auf die final erzeugte Struktur verstanden werden.
    • Bei Positivresist sind die erzeugten Öffnungen im Resist ein (positives) Abbild der Öffnungen der Maske, ebenso die in Folgeschritten erzeugten Strukturen.

  • Belichtetet Bereiche müssen durch chemischen Entwicklungsvorgang abgetragen werden

  • Dann kann der eigentliche Prozessschritt erfolgen (Auftrag/Abtrag)

  • Der Photolack muss nach dem eigentlichen Prozessschritt wieder entfernt werden (Stripping)

Photolithographie

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Abb. 3. Vergleich (Links) Negativresistverfahren (Rechts) Positivresistverfahren

Photolithographie

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Abb. 4. Prozessschritte der Photolithographie [www.wikipedia.org]

Photolithographie

Substratbeschichtung

  • Das Aufbringen des Photoresist erfolgt in der Regel über Spin Coating.

  • Aus einer Düse wird der Photolack auf den rotierenden Wafer aufgebracht und verteilt sich von innen nach außen

figphotolit3[www.wikipedia.org]

Photolithographie

Belichtung

  • Kontaktbelichtung und Proximitybelichtung (ca. 10-50 μm Abstand Maske-Substrat) bilden Maskenstrukturen in Originalgröße auf das Substrat ab.

  • Projektionsbelichtung erlaubt bei Abbildungsmaßstäben von ca. 1:4-5 gröbere, damit kostengünstigere Masken für identische Strukturgrößen.

  • Nachteil: Schrittweises Verfahren erforderlich, da das Substrat nicht in ei- nem Schritt komplett belichtet wird.

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Photolithographie

Binärmasken

  • Einfachste Variante sind binäre Masken, bestehend aus einem Glassubstrat, auf dem eine Chrom- oder eine opake Molybdänsilizid- Schicht aufgebracht ist (Bezeichnungen COG, OMOG).

  • Die Cr- bzw. MoSi-Schicht ist undurchlässig für das zur Belichtung verwendete Licht. Nach einer Strukturierung, die die Beschichtung lokal entfernt, kann das Licht durch das freigelegte Glas auf das mit Photolack beschichteten Substrat fallen, verbleibendes Cr bzw. MoSi beschattet das Substrat in den übrigen Bereichen (Binärmaske).

  • Die Strukturierung der Cr-/MoSi-Schicht erfolgt in der Regel ebenfalls über Lithographie, meist mittels maskenloser, direktschreibender Verfahren wie Laser- /→Elektronenstrahl-Lithographie.

Phasenmasken

  • Bei Phasenmasken erfolgt die Abbildung einer Struktur auf dem Substrat nicht über eine Abdeckung/Abschattung, sondern über Interferenz in Folge von Phasenverschiebungen.

Photolithographie

  • Die Phasenverschiebungen werden eingestellt, indem z. B. das transparente Substrat der Maske am entsprechenden Ort angeätzt wird.

  • Die Differenz der im Material zurückzulegenden Strecken bewirkt im Zusammenspiel mit der verringerten Wellenlänge/Phasengeschwindigkeit die genutzt Phasenverschiebung.

figphotolit5[www.toppan.co.jp]

Abb. 5. Vergleich (Links) Binärmaske (Rechts) Phasenmaske

Photolithographie

Auflösung

  • Die Wellenlänge des verwendeten Lichts ist ein bestimmender Faktor für die minimal herstellbaren Strukturgrößen (minimum feature size/ critical dimension CD, depth of field DOF, NA: Numerische Apertur, λ: Wellenlänge):
\[\begin{gathered} CD = {k_1}\frac{\lambda }{{NA}} \hfill \\ DOF = {k_2}\frac{\lambda }{{N{A^2}}} \hfill \\ \end{gathered} \]
  • Optisch dichteres Medium (z. B. Wasser) erlaubt anderen Strahlengang zwischen letzter Linse und Substrat, möglicher Nachteil: Einfluss auf DOF ≥ Einfluss auf CD.

Elektronenstrahl-Lithographie

  • Die Elektronenstrahl-Lithographie verwendet anders als die Photolithographie kein Licht, sondern einen Elektronenstrahl zur Belichtung einer dem Photoresist entsprechenden Beschichtung.

  • Es existieren maskenbasierte Verfahren analog der Photolithographie wie auch maskenlose direct write-Verfahren.

  • Die minimale erzielbaren Strukturgrößen sind in der Regel kleiner als bei der Photolithographie.

Sputter-Verfahren

  • Beim Sputtern werden durch Beschuss mit energiereichen Ionen (z. B. Argon-Ionen) aus einem Festkörper, dem Target, Atome herausgerissen, die dann auf einem Substrat abgeschieden werden können.

figsputter1[www.widkipedia.org]

Epitaxie

  • Epitaxie beschreibt das gerichtete Aufwachsen einer Kristallschicht auf einem geeigneten Substrat des gleichen (Homoepitaxie) oder eines anderen Materials (Heteroepitaxie).

  • Epitaxie-Verfahren lassen sich einteilen in

    • Flüssigphasenepitaxie
    • chemische Gasphasenepitaxie (CVD-Verfahren)
    • physikalische Gasphasenepitaxie (PVD-Verfahren)

  • Silizium-Schichten werden in der Regel mit chemischen Gasphasen-Epitaxie-Verfahren hergestellt, Anwendungsbeispiele sind ICs, die nach dem SOI (Silicon-on-Insulator)-Prinzip aufgebaut sind.

  • In der erzeugten Si-Schicht werden die Funktionselemente der ICs durch Dotierung realisiert.

  • Dotierung bedeutet das Einbringen von Fremdatomen in ein Substrat zur Änderung der elektrischen Eigenschaften

Epitaxie

Silizium

  • Erwärmung des Substrats auf ca. 600-1200°C im Vakuum
  • Einbringen von Wasserstoff und gasförmigen Si-Verbindungen in die Vakuumkammer, z. B. Silan, Dichlorsilan, Trichlorsilan.
  • Thermische Zersetzung der Si-Verbindungen in der Umgebung des Substrats, Abscheidung von Si-Atomen auf dessen Oberfläche.
  • Schichtenwachstum in der Ebene energetisch bevorzugt, bis eine komplette Schicht abgeschieden ist.
  • Dotierung kann parallel durchgeführt werden, etwa durch Zugabe gasförmiger Borverbindungen (Diboran, p-Dotierungen) bzw. Phosphor- und Arsenverbindungen (Phosphin, Arsin, n-Dotierung).

Drucksensoren

Si-basierte Sensorik/MEMS

Fertigungsschritte

Piezoresistiver Si-Drucksensor: Herstellung der Funktionsbereiche (Resisitive Sensoren der Wheatstone Messbrücke)

  • Aufbringen des Photoresist z. B. mittels Spin Coating

  • Photolithographie: Belichtung durch Maske

  • Lokale Entfernung des Resist

  • Dotierung in den freigelegten Bereichen über Diffusion (der einfachere, aber schlechter kontrollierbare Prozess) oder Ionenimplantation

  • Entfernen des restlichen Resists

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Drucksensoren

  • Abscheiden einer SiO2- und einer Si3N4-Schicht mittels Low Pressure CVD (LPCVD): Isolationsschicht zur Aufbringung der Leiterbahnen

  • Photolithographie: Kontaktierung der Widerstände

  • Trockenätzen der Si3N4-Schicht mit RIE, Nassätzen der SiO2-Schicht mit Flusssäure (HF)

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Drucksensoren

  • Abscheiden einer Al-Schicht als Basis für die Leiterbahnen durch Aufdampfen (PVD)

  • Strukturierung der Leiterbahnen über Photolithographie

  • Entfernung des überschüssigen Aluminiums mittels Nassätzen

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Drucksensoren

  • Aufbringen einer Isolations- und Passivierungsschicht auf Si3N4-Basis mittels Plasma-Enhanced CVD (PECVD)

  • LPCVD in diesem Schritt nicht möglich wegen Temperaturempfindlichkeit des Al

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Drucksensoren

  • Aufbringen einer rückseitigen Nitridschicht, Vorbereitung als Ätzmaske

  • Lithographie, Trockenätzen der Si3N4-Schicht, Nassätzen der SiO2-Schicht

  • Nassätzen des Siliziums in KOH

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Drucksensoren

  • Öffnen der Passivierungsschicht auf der Vorderseite zur elektrischen Kontaktierung der Sensoren

  • Photolithographie, Trockenätzen der Si3N4-Schicht

  • Alle beschriebenen Prozesse finden auf Wafer-Ebene statt, das heißt, es werden mehrere Chips gleichzeitig verarbeitet.

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Druckverfahren

Gedruckte Sensorik
  • DMS: Herstellung über maskenloses Drucken
  • Erforderliche Komponenten:
    • Isolationsschicht,
    • DMS-Struktur, Verkapselung zum Schutz vor Umwelteinflüssen, mechanischer Beschädigung, etc.
  • Druckverfahren hier:
    • Aerosol Jet-Druck,
    • alternatives maskenloses Verfahren: Inkjet-Druck

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Druckverfahren

Aerosol Jet-Druck

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Abb. 6. Schematische Darstellung Aerosol Jet-Druck (1) Gaseinleitung (2) Aerosolherstellung (3) Düsenverteilung (4) Aufbringung der Tröpfchen [Neotech Services]

Druckverfahren

Inkjet-Druck

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Abb. 7. Schematische Darstellung Tintenstrahl(Inkjet)-Druck: Die Tintentropfen werden durch Ultraschallwellen direkt durch die Düse aufgetragen

Druckverfahren

  • Vergleich der beiden Druckverfahren hinsichtlich:
    • Erzielbare minimale und maximale Strukturgröße
    • Viskosität
    • Art/Material der Partikel/Tinte
    figprint4[iiw.kuleuven.be]

Druckverfahren

Sintern

  • Sintern (Verschmelzung) der gedruckten Struktur ist nach dem Druckvorgang erforderlich!
  • Beispiel Silbertinte:
  • Ofensinterung unter H2, N2, Argon, … (bis 1700°C)
  • Lasersintern (lokaler Energieeintrag)
  • Mikrowellensintern
  • UV Curing
  • Sintern unter Druck (mechanisch)
  • elektrisch Sintern
  • Ziele: Entfernung organischer Bestandteile, Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit, Erhöhung der mechanischen Stabilität.