Sensorik und Sensortechnik at Technische Universität Wien

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Welche Anforderungen gibt es für einen Fotoresist?

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Was sind die Hauptbestandteile von Fotoresist?

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Wie funktioniert der Liftoff-Prozess?

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Wie kann man eine Maske für Fotolithographie herstellen?

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Erkläre den Prozessablauf in der Fotolithografie

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Was ist der Fotoresist SU-8 und worin liegen die Vorteile?

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Was bedeutet PVD und welche Arten gibt es?

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Was ist das Prinzip des Aufdampfens?

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Was bedeutet Sputtern und wie funktioniert der Prozess?

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Wie funktioniert das Sputtern von Legierungen?

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Welche Sputterverfahren gibt es?

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Was bedeutet Lithografie, welche Arten gibt es in der Mikrosystemtechnik und wie ist eine lithographische Strukturdefinition allgemein aufgebaut?

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Sensorik und Sensortechnik

Welche Anforderungen gibt es für einen Fotoresist?

  • chem. und therm. Beständigkeit
  • hohe Sensitivität
  • gute Haftung auf untersch. Materialien
  • gute (restlose) Entfernbarkeit
  • hohe Strukturauflösung
  • gute Maßhaltigkeit 
  • selektive Ablösbarkeit vom Untergrund


Sensorik und Sensortechnik

Was sind die Hauptbestandteile von Fotoresist?

  1. Bindemittel (~20%): meist Novolack (Phenolharz) verwendet, bestimmt therm. Eigenschaften des Resists, wenn es aus langkettigen Molekülen besteht = thermisch Stabiler, dafür niedrige Entwicklungsrate, bei kleinen Molekülen andersherum
  2. Sensibilisator (~10%): Polymere Diazoverbindung, die je nach Bindungstyp Wellenlängenbereich und Lichtempfindlichkeit der Fotoreaktion des Lackes bestimmt
  3. Lösemittel (~70%): Bestimmt Viskosität, es wird meist PGMEA verwendet. Nach Softbake reduziert sich Anteil an Lösemittel in der Lackschicht auf 2 - 5%.

Sensorik und Sensortechnik

Wie funktioniert der Liftoff-Prozess?

Ziel ist die Strukturierung von metallischen Dünnfilmen ohne Ätzung

  1. Strukturierung von Fotoresist
  2. Grenzflächige Metallabscheidung
  3. Entwickeln des Fotoresist -> Metall auf Fotoresist wird entfernt
  4. Metall auf Substrat bleibt stehen

Wichtig: Steile oder negative Flanken nach Innen

Sensorik und Sensortechnik

Wie kann man eine Maske für Fotolithographie herstellen?

Ausgangsmaterial meist Quarzglasplatte, die mit einer dünnen Chromschicht und einem strahlungsempfindlichen Film beschichtet ist. Das gewünschte Muster wird mittels Elektronenstrahl, Laser oder Patterngenerator in Resistschicht übertragen und entwickelt. Die dadurch freigelegten Bereiche der Chromschicht werden anschließend nasschemisch strukturiert und danach der Fotoresist entfernt.

  • Patterngenerator: heute kaum noch verwendet, Struktur wird mit Hilfe einer hoch beweglichen Blende gestaltet.
  • E-Beam: fokussierter Elektronenstrahl wird computergesteuert über Maske gescannt und belichtet Resist wie gewünscht

Sensorik und Sensortechnik

Erkläre den Prozessablauf in der Fotolithografie

  1. Reinigen und trocknen des Substrats
    • durch Aceton und gegebenfalls Flusssäure zur Entfernung grober Partikel und organischen Verunreinigungen
    • Aufheizen zu Entfernung von H2O
    • Haftermittlerauftragung (HMDS), um Oberfläche hydrophob zu machen.
  2. Resistaufschleudern, wobei der Wafer durch Unterdruck auf eine Drehscheibe gepresst wird und danach bei Rotation der Resist aufgetragen wird. Die Rotation schafft dabei eine sehr homogene Verteilung, Dicke der Schicht wird durch Schleuderzahl und -dauer bestimmt. Oft wird der Rand, der sich meist zu einem Wall aufstaut, bei dem Prozess entfernt
  3. Softbake: Ausbacken der Resistschicht bei ~100°C auf Hotplatte oder im Ofen. Verbessert Haftung, Vermeidet Maskenverschmutzung ...
    1. Zwischen Softbake und Belichtung muss Resist rehydrieren. Dabei wird eine relative Luftfeuchte von 40-50% genutzt
  4. Belichtung: Je nach Art: optische Lithografie, Elektronenstrahllithografie, Röntgenstrahllithografie
  5. Post Exposure Bake: Temperatur meist über Erweichungstemperatur des Resists -> Beendet Fotorekation bei Positivresist, bei Negativresist wird es erst mal initiiert, Relaxation besonders dicker Resistschichten
  6. Entwickeln des Photoresist: Nichtentwickelte Schicht wird abgetragen, bei Positivresist durch gering konzentrierte Laugen, bei Negativresist durch Xylol
    1. Sprühentwicklung: Substrat bei Rotation langsam und über lange Zeit eingesprüht, anschließend Spülung mit deionisiertem Wasser Vorteil: Prozess ist konstant
    2. Tauchentwicklung: Eine Horde von Wafern wird für eine bestimmte Zeit in ein temperiertes Entwicklerbad getaucht, werden dabei entweder bewegt oder von Flüssigkeit umspült, Vorteil: Hoher Durchsatz
  7. Postbake: Temperaturschritt, der Resiststruktur stabiler gegen nachfolgende Prozesse machen soll
  8. Ablösen der Lackmaske: Durch stark basische Ätzlösung, Trockenätzen mit Sauerstoff oder Lösungsmittel

Sensorik und Sensortechnik

Was ist der Fotoresist SU-8 und worin liegen die Vorteile?

SU-8 ist ein epoxiebasierter Negativresist, der mit herkömmlichen UV-Fotolithografieausrüstung Strukturen mit bis zu zwei Millimeter Höhe ermöglicht. Des weiteren ermöglicht er ein hohes Aspekverhältnis, was die hohen Strukturen ermöglicht. Auch besitzt er eine hohe chem. Resistenz, was eine Verwendung als Ätzmaske ermöglicht.

Vorteile:

  • Gute Haftung auf Silizium und Glas bei kleinen und oder niedrigen Strukturen
  • Biologisch Kompatibel
  • kosten und zeiteffizient

Problem: 

  • Wegen hohem Volumenschwund im Postbake sind keine großflächigen Strukturen möglich
  • Sehr viskos -> Handling ist kritisch


Sensorik und Sensortechnik

Was bedeutet PVD und welche Arten gibt es?

PVD = physical vapor deposition

-> Physikalische Verfahren, bei denen dünne Schichten aus der Dampfphase abgeschieden werden. Dabei werden erforderliche Ausgangsmaterialien der Schichten durch physikalische Vorgänge in Dampfphase aus der festen Phase.

Arten:

  • Thermisches Verdampfen
  • Sputern (Zerstäubung)
  • Laserstrahlverdampfen
  • Molekularbeamepitaxie

Sensorik und Sensortechnik

Was ist das Prinzip des Aufdampfens?

Quelle mit Aufdampfmaterial wird soweit erhitzt, bis Material hinreichend hohen Dampfdruck erreicht. Meist erst als Schmelze. Der Dampf verbreitet sich und kondensiert an kalter Berandung und auch am Substrat. Prozess dabei im Vakuum bei 10^-6 mbar, freie Weglänge >> Entfernung zw. Aufdampfquelle und Substrat -> kleine Stoßwhs. Kin. Energie der Teilchen mit 0,1-0,5 eV sehr gering.

Sensorik und Sensortechnik

Was bedeutet Sputtern und wie funktioniert der Prozess?

Atome werden aus Target durch energiereiche Ionen herausgeschlagen und schlagen sich am Substrat nieder.

  1. In inertem Gas (Ag) mit Druck 0.2-10Pa wird durch Gasentladung Plasma erzeugt, wodurch Kationen (Ar+) entstehen
  2. Durch Spannung zw. Plasma und Sputtertarget werden Ionen zum Target hin beschleunigt mit kin Energie~10eV
  3. Kationen wechselwirken mit Target über elast. und inelast. Stöße
    1. inelast. Stöße produzieren Sekundärionen, die Plasma werden
    2. elast. Stöße geben kin. Energie an Oberfläche ab -> Stoßkaskade -> Bindung kann gebrochen werden und Atom Festköper verlassen, dazu werden  10-30eV gebraucht, je höher Energie, desto höher Sputtereffizienz, bei 10keV Maximum, danach sinkt es wieder. Effizienz der Stoßkaskade hängt dabei auch von Massenverhältnis ab
  4. herausgeschlagenen Atome fliegen Richtung Substrat, auf Weg dorthin viele Kollisionen mit Atomen im Prozessgases. Teilchen geben Teil der Energie ab, Winkelverteilung wird breiter
  5. Teilchen treffen auf Substrat und schlagen sich dort nieder, durch hohe Winkelverteilung wird Oberseite, aber auch Seitenflächen beschichtet.

Sensorik und Sensortechnik

Wie funktioniert das Sputtern von Legierungen?

Beim Sputtern von Legierungen wird bevorzugt Legierungskomp. mit größerem Sputteryield abgetragen -> an Oberfläche Verarmung dieser Komponente, bis die beiden Sputterraten gleich sind, dann Zusammensetzung der aufgesputterten Schicht gleich der Ausgangslegierung. Durch niedrige Temp. am Target kaum Nachdiffundieren der verarmten Komponente. Beim Aufdampfen weißt Oberfläche gleiche Zusammensetzung auf, wie im Volumensinneren des Ausgangsstoffes.

Sensorik und Sensortechnik

Welche Sputterverfahren gibt es?

  • DC-Sputtern: Gasentladung durch Gleichspannung erzeugt, Target muss leitfähig sein, ansonsten würde es sich aufladen und Gasentladung unterbrochen werden -> nur für Metalle und Halbleiter
  • AC-Sputtern: hochfrequentes el. Feld über Kondensator an Elektroden, Gleichspannungsanteil wird so abgeblockt. Ionen können ab 100kHz nicht mehr folgen -> nehmen keine Energie auf. Elektronen im Gegensatz schon, verbleiben länger im Plasma -> mehr Ionisation -> höhere Plasmarate, Druck kann bei gleicher Sputterrate um e-1 - e-2 Pa gesenkt werden; Beschleunigung der Ionen von Plasma zum Target durch Aufladung dieses der auftreffenden Elektronen
    • +: Isolatoren können gesputtert werde
    • +: Substrat heizt sich weniger auf
    • +: 10mal höhere Sputterraten als beim DC-Sputtern
    • -: größerer apparativer Aufwand nötig
  • Magnetronsputtern: Hinter Kathode (Target) Permanentmagnet, durch Magnetfeld bewegen sich Elektroden zw. Stößen nicht mehr gradlinig sondern auf Zykloiden -> länger im Bereich des Targets -> mehr Gasatome ionisiert. Wirksam, wo Feldlinien parallel zur Oberfläche -> höhere Ionenzahl führt zu einer höheren Sputterrate
  • Reaktives Sputtern: Obwohl bei Sputterprozess vielmehr Substanzen zugänglich als beim Aufdampfen, wobei es eine Reihe von Stoffen sich nur ungenügend niederschlägt. Erweiterung gelingt durch weiteres Gas im Plasma, das mit Targetatomen in Gasphase reagiert und sich als Verbindung abscheidet. Häufig genutzt für Oxide, Nitride, Oxinitride und Carbide, kann mit anderen Verfahren kombiniert werden

Sensorik und Sensortechnik

Was bedeutet Lithografie, welche Arten gibt es in der Mikrosystemtechnik und wie ist eine lithographische Strukturdefinition allgemein aufgebaut?

Lithografie kommt aus dem Griechischen und bedeutet Steingeschrieben, ursprünglich für Erzeugung einer Grafik mittels Steindrucks verwendet, in dem nur die Farben dunkel oder hell vorkommen, im tech. Sinn bedeutet es die Definition einer 2D planaren Geometrie mit dem digitalen Farbwerten belichtet und nichtbelichtet.


Arten: 

  • Röntgenlithografie
  • Fotolithografie


Strukturdefinition:

  • Gereinigter Wafer im Ausgangszustand
  • Belackung
  • Belichtung des Lackes
  • Spezifische Prozessschritte wie Ätzen, Implantieren
  • Entfernen des Fotolackes

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