The night, the i-Phone died – reboot!

und viele Nachträge

… frei nach Boney M. oder Paper Lace

„et tu Brute …?“ – Nicht nur bei Apple – Galaxy Note 7 hat auch Blähungen und einen bombigen Charme.

Im September letzten Jahres habe ich die Urfassung dieses Posts eingestellt, und musste seither laufend aktualisieren:

I-Phone 3 GS, plötzlich im letzten Sommer:

Stadium 1 - Pop Up display ist wohl anders gemeint …
iphone 3GS Stadium 1 – Pop Up display ist wohl anders gemeint …
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Stadium 2 – Mindbending, ganz ohne Uri Geller …
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iphone 3GS Power Pack  – ready to blow up! Wie ein mini-Airbag, die stammen auch von Explosivstoffen ab – Landminen „Claymore style“.

Da denkt man nix Böses und legt sein altes i-phone 3GS abends auf den Nachttisch, und am Morgen danach … eine Blähung wie nach dem Genuss von Bohnen „Western Style“. Es war zwar nur noch als i-Pod eingesetzt – z.B. im Auto oder beim Sport – aber immerhin.

Subaru warnt eindringlich davor, solche Lithium-Gel Pack (Lipo=Lithium Polymer) bestückten Geräte im Auto (z.b. am Autoradio hängende usb-devices, wie mein altes Smartphone) zurückzulassen, wegen Brandgefahr. Na ja, Lithium ist ein Alkali-Metall wie Natrium oder Kalium und brennt an Luft oder bei Wassereinwirkung besser als Phosphor, was auch dem Entstehen entzündlicher Gase geschuldet ist – wenn also der Beutel platzt … dann gibt es schlimmstenfalls ein Wildfyre, wie neulich bei Cersei in „Game of Thrones“, nur im Kleinmassstab. So schön grün leuchtet es auch nicht … LiPos enthalten zwar nur wenig metallisches Lithium, im Gegesatz zu Li-Metall Batterien (nicht rechargeable), dafür bringt der „thermal runaway“ auch genug Energie für grössere Brände, eben auch wegen der Gase, und der Gefahr der „Ansteckung“ noch intakter Zellen in der Nähe des defekten Packs.

Also – fachgerecht entsorgen, und solche Zeitbomben nicht unbeaufsichtigt vor sich hin ticken lassen. Mein i-Phone war immer funktionstüchtig und bis zuletzt ohne Mucken oder merkbare Akku-Probleme (Hitzentwicklung) in Gebrauch.

Dass hier nicht nur Apple betroffen ist, sondern Li-Akkus generell mit Vorsicht zu geniessen sind, zeigt das Video der EMPA.

Tja, und nun hat es eben auch Samsung erwischt: Immer mehr Power für immer mehr (unnütze) Spielereien – und extra dünn und billig soll es auch noch sein! Da braucht man sich nicht wundern, dass die gegenwärtige Polymerakku-Technologie das nicht leisten kann, ohne Restrisiko (Fertigungsprobleme, vielleicht auch ein Design, das die Grenzen ausreizt und leichter zu Kurzschlüssen führt).

Und jetzt die Krönung: Manche der neuen drahtlosen Kopfhörer für Smartphones nutzen auch Li-Polymer-Akkus. Also hat man dann einen Satz heisse Ohren, sozusagen …? Gut die Dinger in den Ohrstöpseln sind klein … aber trotzdem.

In Hörgeräten werden jedenfalls NiMH Akkus verwendet, wenn überhaupt. Da gilt es wohl medizinische Zulassungen zu beachten. Bei  „in ear“ Kopfhörern – kein grosser Unterschied – anscheinend und unglaublicherweise nicht ? Ich habe deswegen vor solchen mini-Funk-Earphones immer etwas zurückgeschreckt – trotz des nervigen Kabelsalats der üblichen Kopfhörer.

Mit gefahrlosem blauen Dunst ist es auch vorbei, nun ist die e-Zigarette ebenfalls ein echter Knaller?

Tja, ist es das, was wir dann beim e-Auto unterm Hintern haben – den elektrischen Stuhl ? Ich dachte, den hätte der olle Edison erfunden, um den Wechselstrom zu verteufeln, aber jetzt funktioniert er sogar mit Gleichstrom …lol!

Zumindest kann es ein heisser Stuhl werden …!

Und wenn nichts mehr geht, dann das!

Trauriges Logbuch:

Langsam wächst sich das zu einer Epidemie aus.

Für Autos würde ich mir die Wasserstoff-Brennstoffzelle (schon seit den späten 1960iger Jahren im Gespräch) als Alternativstromquelle wünschen – klingt vielleicht gefährlicher als Akku, ist aber letzlich sicherer und Li ist auch kein unerschöpflicher Rohstoff.

In der Weltraumfahrt ein alter Hut und als sehr zuverlässig bewährt, für die Marine als geräuschloser U-Boot Antrieb im Einsatz, sogar als Blockkraftwerk für dezentrale Stromversorgung geeigntet, sind Brennstoffzellen wahre Alleskönner und der Schreck der E-Grosskonzerne.

Durch den ungerechtfertigten Akku-Hype für die e-Mobiliät (eine Sackgasse!) sind sie leider wieder in Gefahr in der Versenkung zu verschwinden.

Ach ja, zuletzt noch ein Kuriosum:

Falls einem die Blähakkus arges Kopfzerbrechen bereiten, vielleicht hilft ja das:

Bläh-Aspirin C nach Aufenthalt in einem feuchten Rucksack und anschliessender Hitzebhandlung im parkenden Auto.
Bläh-Aspirin C nach Aufenthalt in einem feuchten Rucksack und anschliessender „Hitzebhandlung“ im parkenden Auto. Nur gut, dass dieser Aufblas-Effekt nicht zur Entzündung führt.

 

Picket Fences … ?

Jeder Prozessingenieur , der mit Halbleitertechnologie befasst ist, kennt das Problem, doch Beiträge sind selten im Internet zu finden.

Die Sprache ist von den sogenannten „fences“ oder auch „crowns“, die als Rückstände nach der Strukturierung vom Metall oder Dieelektrikumsschichten zu sehen sind.

FencesBild 1: besonders dichte zusammenhängende Seitenwände an den Leiterbahnen

Wie kommen diese Gebilde zustande, und woraus bestehen sie? Gefährden solche Reste das Prozessergebnis?

Fences oder Crowns sind die übriggebliebene Seitenwandpassivierung¹, die beim Trockenätzen im Plasma für die lateral nahezu verlustfreie Übertragung des Lackmasses ins Ätzmass ins Metall sorgt (im idealen Fall).

Um die Ätzmaske zu entfernen, folgt ein durchaus gründlicher Ablackschritt – warum bleiben trotzdem solche Gebilde nach dem „Resist-Strip“ noch übrig?

Sie bestehen zu einem sehr großen Anteil des Lackes, also Polymere, die mit den Bestandteilen der zu ätzenden Schicht (z.B. AlSiCu), des eingesetzten Gase (z.B. Chlor und Bortrichlorid), des angeätzten Untergrundes (z.B. Siliziumoxid oder Siliziumnitrid) sowie ihrer möglichen Kombinationen.

Mit dem einfachen „Ablacken“, einem Trockenätzvorhang , bei dem der überwiegende Anteil des Prozessgases Sauerstoff ist, werden lediglich die reinen Polymere verascht, nicht jedoch die „Fences“, weil sie weitaus ätzresistenter sind.

Sollte sich unter der zu ätzenden Schicht noch eine sogenannte Diffusions-Barriere, oder eine Haftvermittlungslage (meist Titan/Titiannitrid) befinden, die auch geätzt werden muss, entstehen besonders widerstandsfähige Seitenwände bzw. „Fences“.

Wie lassen sich diese „fences“ entfernen ?

Eine chemische Auflösung dieser „fences“ ist kaum möglich. Was bleibt, ist die Praxis, mithilfe einer alkalischen Lösung, die Zwischenräume der „fences“ und des Metalls zu unterkriechen, eine Art lift-off der Reste.  Einer der Hersteller für solche Reinigungschemikalien ist die Firma EKC Technology, die mehrere Produkte, je nach Anwendungsfall zur Verfügung stellt. Diese Plasmaätz-nachbehandlungsmittel bestehen aus Wasser, Alkanolamin, Katechol und Hydroxylamin. Sie sind gesundheitlich nicht ganz unbedenklich. Bitte hierzu das jeweilige Sicherheitdatenblatt beachten !

fences nach Nassbehandlung

Bild 2: Abgeschälte Seitenwände bzw. Polymerreste

Aber auch dieser nasschemische „Reinigungsschritt“  hat seine Tücken. Diese Produkte besitzen einen pH-Wert über 11 und können die korrosionsanfälligen Materialien wie Aluminiumverbindungen wie z. B. AlSiCu-,  oder Titannitrid- und Titan-Wolframschichten anätzen. Die genauen Prozessparameter sind zu beachten und für den jeweiligen Prozess zu optimieren. Wird dies nicht berücksichtigt, so kann der Fall eintreten, dass die Reste zwar entfernt wurden, das CD-Mass jedoch stark gelitten hat, weil das Metall ebenfalls angeätzt wurde.

Deshalb folgende Empfehlung:

Nach dem Einsatz dieses Lösungsmittels, einer IPA-Spülung, um die Reaktion zu stoppen und einer anschliessenden Wassernachbehandlung sind meist die „fences“ entfernt. Sollten es jedoch besonders hartnäckige „fences“  sein und auf der Waferoberfläche noch haften, hilft ein zusätzliches Sauerstoffplasma im Ablacker.

restefrei nach Nassbehandlung und O2-Schritt

Bild 3: Saubere Strukturen (Leiterbahnen) selbst auf topographisch schwierigem Untergrund.

Als ein gutes Inspektionstool für die Mikrostrukturierung hat sich ein CD-SEM erwiesen, mit dem man sowohl das CD-Mass als auch die Restefreiheit kontrollieren kann.

¹Seitenwandpassierung ist ein essentielles Merkmal der Mikrostrukturierungsprozesse mittel RIE-Ätzen. Sie verbessert die Anisotropie des Vorgangs durch Schutz der während der Ätzung freigelegten Seitenwände mittels Polymeren, die durch den gleichzeitigen Abtrag der Resistmaske entstehen.

PVD: Wie erreicht man Schichthomogenität?

Schichthomogenität, die sogenannte „uniformity“ ist unerlässlich für alle Anwendungen von PVD.

Ziel einer guten „uniformity“ ist es, auf einem Substrat nur geringfügige Schwankungen bezüglich der Schichtdicke bzw. des Schichtwiderstandes oder auch optischer Parameter zu erhalten.

Eine einfache einzusehende Voraussetzung ist es, dass das Target größer ist als das zu besputternde Substrat. Bei einem z.B. 6 “ Substrat sollte das Target eine Größe von 8 “ haben. Der Grund dafür sind Randeffekte beim Abtrag durch die Sputtergasionen und die Raumwinkeleigenschaften des erodierten Materials in Bezug auf das Substrat. Hier spielt auch die Anordnung der Magnete im Targethalter bei einer Magnetron-PVD-Anlage eine Rolle. Der Einsatz eines Substrathalters für mehrere Substrate, z.B. einer beweglichen Palette oder eines Drehtellers, hat ebenfalls eine sehr grosse Auswirkung auf die angestrebte Schichthomogenität.

Die Uniformity hängt von vielen weiteren Prozessparametern ab:

  • Abstand Targetoberfläche zu Substratoberfläche
  • Gasfluß (z.B.: Argon)
  • Prozessdruck
  • Leistung
  • Verweildauer von Substraten unter dem Target bei beweglichen Substrathaltern
  • Prozesszeit: Zu kurze Abscheidezeiten begünstigen Inhomogenitäten
  • festes oder variables Magnetfeld bei Magnetrontargets
  • Bias – (schon wieder der … Joker und Alptraum von Beschichtern, das gibt einen extra Artikel)

Bei beweglichen Substrathaltern für sogenannte Batch-Anlagen, wie sie in der Produktion eingesetzt werden, müssen vor allem für Drehteller einige Korrekturen vorgenommen werden:

Die Schichtdicke weist wegen der radial abhängigen Deposition einen Gradienten auf, auch andere Parameter können betroffen sein, z.B. bei reaktiver Abscheidung von optischen Schichten auch der Brechungsindex etc.

Abhilfe schafft eine Blende vor dem Target, welche diese Abhängigkeit kompensiert. Diese ist für jedes Targetmaterial resp. dazugehörigen Prozessparametern  individuell anzufertigen und zu kennzeichnen – Verwechslung, z.B. nach Reinigung, führt zu Qualitätsproblemen.

Da die Form etwas anspruchsvoll ist, muss der Blendenauschnitt berechnet werden:

Als erstes ist die Schichtdickenverteilung auf dem Substrat ohne Blende aufzunehmen und zu dokumentieren. Dies kann durch die Belegung mit Schwingquarzen geschehen, die eine sehr genaue Dickenmessung zulassen. Diese Daten stellen den Input eines speziell dafür ausgelegten Algorithmus dar, der zunächst in erster Näherung eine Ausschnittsform berechnet. Nun erfolgt eine zweite Abscheidung mit der Roh-Blende, und identischen Prozessparametern, wie bei der ersten Abscheidung. Anhand der Basisform der Blende und der neuen Verteilung der Schichtdicken lässt sich nun berechnen, wie die Blende weiterbearbeitet werden muss, damit eine noch gleichmässigere Abscheidung zustande kommt. Durch mehrere solche Durchläufe iteriert man sich schliesslich zum optimalen Blendenausschnitt.

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Schichtdicke ohne Blende
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Schichtdicke mit Blende

Das Target sollte für solche Korrekturmassnahmen gut konditioniert und nicht schon am Ende seiner Lifetime angekommen sein. Ideal wäre es, wenn alle Korrektur-Runs in kurzem Zeitabstand hintereinander standfinden würden, so dass der unterschiedliche Abbrand des Target zu vernachlässigen ist.

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Die spezielle Form der Blende, am unteren Rand schmale, und auf der gegenüberliegenden Seite große Öffnung, ist bedingt durch die Rotation der Substrate unter dem Target (radial abhängige Geschwindigkeit). Die schmale Aussparung zeigt zur Achse des Drehtellers, wo die Winkelgeschwindigkeit geringer ist, als am äusseren Rand und mehr Material abgeschieden wird.

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Wie wir gesehen haben, ist eine Uniformityblende von großem Nutzen, um die Schichthomogenität zu optimieren. Doch wie immer, gibt es auch Schattenseiten. Über die Zahl der Abscheidungen wächst das Material auf der Blende stetig an, und führt dazu, dass es, wenn es zu dick geworden ist, und ggf. auch noch hohen mechanischen Stress in sich trägt, abplatzt und zu einer Partikelquelle wird.

Neben den Radialblenden gibt es noch sogenannte Kollimatoren, die dazu dienen, dass erodiertes Target-Material nur aus einem bestimmten Raumwinkel zur Abscheidung  auf das Substrat gelangt. Kollimatoren sind nützlich zum Verfüllen von Löchern oder Gräben, ohne dass an deren Seitenwänden ein übermässiges Schichtwachstum entsteht. Eine Variante besteht aus einer Art Röhre mit darin befindlichen Wabenstrukturen. Auch bei ihnen besteht die Gefahr der Partikelgenerierung, sie müssen daher, wie Radialblenden entweder  mit einer spannungsausgleichenden Haftschicht überzogen oder sehr häufig gereinigt werden.

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