Studentische Arbeiten

Moderne Herstellungsverfahren in der Halbleiterindustrie gewährleisten die Herstellung komplexer Mikrostrukturen für integrierte Schaltungen (IC) und Mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS). Allerdings gibt es Bestrebungen zur Realisierung von Anwendungen, welche ein erhöhtes Maß an Komplexität mit sich bringen. Es müssen neue wirtschaftliche Fertigungsverfahren für die gesteigerten Anforderungen entwickelt werden. Diese Masterarbeit dokumentiert den Erstellungsprozess einer Fertigungssequenz zur Herstellung freistehender dreidimensionaler Siliciumstrukturen. Zu diesem Zweck wird ausschließlich die Fertigungsanlage RIE Oxford am Zentrum für Mikro- und Nanotechnologie (ZMN) genutzt. Verwendete Prozessgase zur Erzeugung von Plasmen sind SF6, O2, CHF3, Ar und N2. Das reaktive Ionenätzen umfasst isotrop ätzende (SF6, N2) und anisotrop ätzende Prozesse (O2 und Ar, O2), sowie Materialabscheidungen, welche in der entwickelten Fertigungssequenz zur Anwendung kommen. Um das Ziel der Aufgabenstellung zu erreichen, wurde eine neue Lithografiemaske mit speziellen Strukturen entworfen und gefertigt. Ihre kleinsten Strukturen weisen eine Breite von 1 [my]m auf. In Versuchen wurden aus diesen Maskenstrukturen freistehende, sich in drei Ebenen überlagernde Balken herausgearbeitet. Die erzeugten freistehenden Strukturen weisen eine Breite von 2.5 [my]m und eine Höhe von 4 [my]m auf. Ein wichtiger Schwerpunkt der Experimente ist die Untersuchung der Polymerabscheidung mit Hinblick auf deren Eignung als Passivierungsschicht sowie der Einfluss auf das Strukturprofil. Des Weiteren beschreibt diese Masterarbeit den Einsatz und die Bedienung des Laserinterferometers der RIE Oxford. Mit ihm ist die Kontrolle und Überwachung der Ätzraten, der Schichtdicken und der Prozessendpunkte während der Prozessierung möglich. Abschließend wurden Regeln zur Gestaltung von Maskenstrukturen und Näherungsformeln zum Berechnen der Strukturabmessungen erstellt. Die Regeln und Formeln basieren auf den experimentell ermittelten Ergebnissen.

Am Fachgebiet Mikromechanische Systeme wird Entwicklungsarbeit zu integriert optischen Interferometern basierend auf Siliziumoxinitrid auf Silizium geleistet. Im Rahmen des Forschungsprogramms OptiMi wird ein Konzept für ein optisches Mikrotrackersystem entwickelt. Die Interferometerstrukturen und deren Aufbautechnologie werden im Hinblick auf parallele, kostengünstige Fertigung mit etablierten Mikrotechnologien entworfen. Die optomechanische Kopplung zwischen Glasfasern und integrierten Wellenleitern stellt dabei sowohl unter technologischen als auch unter funktionellen Gesichtspunkten eine Herausforderung dar. In der vorliegenden Arbeit wird die Kopplung zunächst theoretisch analysiert. Relevante Einflussgrößen sollen anschließend herausgearbeitet werden. Darauf aufbauend werden gegenwärtige Konzepte auf Realisierbarkeit untersucht und bewertet. Die passive Justage mittels anisotrop geätzter V-Gruben zur Ausrichtung der Wellenleiterstirnflächen kommt dabei als technologisch etabliertes, beherrschbares Verfahren in Frage. Im praktischen Teil der Arbeit werden die theoretisch ermittelten Koppeleigenschaften der Stirnflächenkopplung messtechnisch überprüft. Hinsichtlich der Herstellung koppelbarer Stirnflächen optischer Güte kann der Prozess des Wafersägens mit Diamanttrennschreiben systematisch optimiert werden. Ein weiterer Abschnitt betrachtet die Aufbautechnik, die Herausforderungen und die Bedingungen des Klebeprozesses zur justierten Fixierung der Koppelanordnung. Abschließend gibt der Autor eine Zusammenfassung der Ergebnisse sowie einen Ausblick auf fortführende Arbeiten und alternative Konzepte.

Zur Metallisierung von Mikro- und Nanostrukturen wird das Sputtern als bevorzugtes Verfahren eingesetzt. Es ermöglicht im Unterschied zum Aufdampfen eine bessere Kantenbedeckung. Bei steigenden Aspektverhältnissen, der zu beschichtenden Strukturen verschlechtert sich die Schichtkonformität auch beim Sputtern. An der neu angeschafften Anlage "CS 400 S" soll der Einfluss der Sputterparameter auf die Kantenbedeckung untersucht werden. Das Ziel der Arbeit ist die Identifikation der optimalen Sputterparameter, um eine möglichst gute Kantenbedeckung zu erreichen. Zur Messung dieser findet im Vorfeld der statistischen Versuchsplanung die Zielgrößendefinition statt. Dabei werden zwei Auswertungsmethoden vorgestellt, welche im Laufe der Arbeit entwickelt wurde: Einzelbild- und Kantenbildauswertung. Als Zielgröße wird der Varianzkoeffizient der Schichtdicke verwendet. Dieser kann zwischen verschiedenen Versuchen, mit unterschiedlichen Schichtdicken an der Waferoberfläche, gut verglichen werden. Im Vorfeld der Experimente ist die Herstellung von Strukturen zur Beschichtung notwendig. Hierfür wurden Gräben im DRIE-Prozess und im Cryoprozess geätzt. Der Cryoprozess muss dazu erst optimiert werden, um das gewünschte Rechteckprofil zu erhalten. Dazu sind mehrere Versuche notwendig in denen die Ätzparameter dem Ätzprofil angepasst werden. In einem Vorversuch werden die Abscheideraten bestimmt. Anschließend wird der Einfluss der Prozessparameter Sputterleistung, Sputterdruck und Substrattemperatur auf die Kantenbedeckung untersucht. Nach der ersten Versuchsreihe wird der Einfluss der Substrattemperatur nicht weiter betrachtet, weil die entstandene Schicht matt weiß erscheint und damit nicht mehr als Reflexionsschicht geeignet ist. Der Parameter Sputterdruck besitzt bei beiden Auswertungsmethoden einen höheren Einfluss als die Sputterleistung auf den Varianzkoeffizienten. Die Schwankung über den Parameterraum des Drucks beträgt etwa 10 15% vom Mittelwert des Varianzkoeffizienten. Die Leistung schwankt um etwa 5% um den Mittelwert des Varianzkoeffizienten. Die Kantenbildauswertung ist gut zur genauen Analyse des Schichtverlaufs geeignet. Der periodische Schichtverlauf bei DRIE geätzten Proben kann mit dieser genau nachvollzogen werden. Weiterhin wird der Einfluss des schrägen Sputterns mit einem 20˚ Adapter untersucht. Durch diesen wird die Kantenbedeckung vor allem im Bereich der unteren Seitenwand stark verbessert. Insbesondere wird die Kantenbedeckung im Aspektverhältnisbereich zwischen 1,5 und 2,5 verbessert. Die angewendete Methodik zur Analyse der gesputterten Schichten mit der statistischen Versuchsplanung kann auch auf weitere Zielgrößen erweitert werden.

In plasmabasierten Trockenätzprozessen hängt die Ätzrate stark von den Prozessparametern wie z. B. dem Zustand der Prozesskammer oder der Last - die zu ätzende, nicht maskierte Fläche - ab. Demzufolge erschwert sich die Festlegung des Prozessendes durch eine aus der Ätztiefe und der Ätzrate bestimmten Prozesszeit wegen der oftmals nur unzureichend ermittelbaren Ätzrate. Endpunktdetektionssysteme ermöglichen mittels geeigneter Messinstrumente die In-situ-Prozessüberwachung und -kontrolle von Trockenätzprozessen. Die Anforderungen an Endpunktdetektionssysteme unterscheiden sich je nach Einsatzbereich. In Forschung und Entwicklung ist der Anspruch an Flexibilität deutlich höher als in der Produktion, da die überwachten Prozesse häufig wechseln. - In der Diplomarbeit werden die wesentlichen Ergebnisse der Arbeiten an einer Anlage für das reaktive Ionenätzen mit zwei Endpunktdetektionssystemen vorgestellt. Das Messprinzip des verwendeten Monochromators basiert auf der optischen Emissionsspektroskopie und das des Laserinterferometers auf der Interferenz an dünnen Schichten. Im Rahmen der Arbeit wurden beide Systeme in Betrieb genommen und die Prozessführung mit Endpunktdetektion für ausgewählte Prozesse etabliert. Die Dokumentation fasst die notwendigen Informationen zur Bedienung beider Endpunktdetektionssysteme zentral zusammen. Bei den untersuchten Prozessen handelt es sich um das Siliciumdioxid- und Siliciumnitridmaskierungsätzen, das Siliciumtiefenätzen und die Abscheidung amorpher Kohlenstoffschichten (DLC). - Eine verlässliche Endpunktdetektion erfordert eine möglichst vollständige Charakterisierung des Plasmaprozesses, der Substrate und des Prozessergebnisses. Die für die Charakterisierung verwendete Methodik wird beschrieben und die daraus abgeleiteten Schlussfolgerungen, welches Endpunktdetektionssystem für welchen Prozess geeignet ist und wie dies zu konfigurieren ist, werden dargelegt. Die angewendete Methodik zur Analyse der Prozesse im Hinblick auf eine Endpunktdetektion erwies sich als vielseitig einsetzbar, denn sie erlaubt nicht nur die Untersuchung der Bearbeitungsschritte selbst, sondern auch die der vorbereitenden Schritte der Kammerreinigung und Vorkonditionierung, welche einen definierten Zustand der Prozesskammer herstellen. Mit den daraus ermittelten Ergebnissen wurden neue Empfehlungen für die Anwendung dieser vorbereitenden Schritte erarbeitet.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung eines Bimorph Cantilevers aus Silicium und SU-8 mit einer nanostrukturierten Zwischenschicht aus Silicon Grass. Dazu wurden theoretische Untersuchungen zur analytischen Beschreibung des mechanischen, thermostatischen und thermodynamischen Verhaltens von Cantilevern mit dicken Schichten unter dem Einfluss der Siliciumnadeln durchgeführt. Mit Hilfe der analytischen Modelle wurden Cantilever aus Silicium und SU-8 mit einem optimalen Schichtdickenverhältnis für eine größtmögliche Deflektion entwickelt. Ebenso wurde der positive Einfluss der nanostrukturierten Zwischenschicht auf die dynamischen Eigenschaften von Cantilevern unter der Voraussetzung kleiner Abmessungen (Länge unter 300m) herausgearbeitet. - Neben der theoretischen Betrachtung wurde ein komplexer Prozessablauf zur Herstellung der Cantilever entworfen und erfolgreich in die Praxis umgesetzt. Diese Aufgabe umfasst auch das Design entsprechender Lithografiemasken und die Abstimmung der Einzelprozesse auf die Anforderungen der Cantilever. Es konnte gezeigt werden, dass die experimentell ermittelten Eigenschaften der hergestellten Cantilever eine gute Übereinstimmung mit denen der analytischen Berechnungen aufweisen. Außerdem konnten die Grenzen der Gültigkeit des vereinfachten thermischen Modells an Hand des thermostatischen und -dynamischen Verhaltens der Cantilever aufgezeigt und damit die Vorhersage deren Anwendbarkeit bestätigt werden.