Gefährdungspotentiale beim Plasma-Konditionieren von Oberflächen

Plasmaverfahren sind nicht nur zur Abscheidung dienlich, sie stellen auch eine ganz Anzahl von Anwendungen zur Oberflächenbehandlung vor Nachfolgeprozessen zur Verfügung:

  • Veränderung des Ladungszustands
  • Einstellen einer definierten Mikrorauhigkeit
  • Entfernung störender Beläge

Während für die erste Anforderung bereits ein Freistrahlplasma (Corona discharge, atmosphärischer Plasmajet) genügt, muss man bei den anderen beiden auf Prozessabläufe im Hochvakuum zurückgreifen. Die hier erzeugten Gasentladungen bergen aber einige „Stolpersteine“, die es zu beachten gibt.

Zwei Arten der Erzeugung von solchem Plasma sind gebräuchlich:

  • RF (kapazitiv gekoppelt – CCP) mit Elektroden im Inneren der Reaktionskammer
  • Mikrowellenerzeugung (magnetisiert (ECR) oder unmagnetisiert), Einkopplung über z.B. Hohlleiter.

Ein typisches Plasma enthält:

  • Neutrale Moleküle : Dichte ~10¹⁶/cm³
  • Radikale: ~10¹⁴/cm³
  • Elektronen: ~10⁸/cm³
  • Positive Ionen ~10⁸/cm³

Es gibt eine Million mal mehr Radikale als Ionen, da diese eine um Grössen-ordnungen längere Lebensdauer haben.

Sie werden durch Dissoziation, Disproportionierung und Rekombination erzeugt. Sie entstehen bereits bei geringen Energien. Bei der Rekombination wird Energie in Form von UV-Licht freigesetzt.

  • Ionen ätzen nicht direkt, ausser sie sind selbst reaktiv (zB. Cl, F) und das Plasma ist anisotrop.
  • Sie sind im Fall von z.B. Ar nur Stosspartner des Reaktivgases oder physikalische Komponenten des Ätzprozesses.

Die Hauptreaktion wird von den Radikalen getragen. Sie sind ungeladen, sehr reaktiv und binden sich an die Oberflächen, wo dann die chemischen Prozesse ablaufen.

Bei höheren Drücken sind mehr Radikale zu erwarten, als bei niedrigeren, da eine erhöhte Stosswahrscheinlichkeit eine grössere Wechselwirkung zwischen den gasförmigen Komponenten  im Plasma ermöglicht.


Der Mechanismus der Randschicht (Dunkelzone, Sheath):

→ Durch Ausbildung des sog. „Debye-Sheaths“ wird im RF-Plasma bei den gebräuchlichen Frequenzen im (z.B.13.56) MHz Bereich ein hoher Spannungsabfall in Richtung Substrat erzeugt:

  • Ionen werden in diese Richtung beschleunigt und erzeugen Schäden.

Ein Effekt der beim anisotropen RIE Ätzen durchaus erwünscht ist, nicht aber beim Reinigen oder Konditionieren.unbenannt-1rewzwte

DC Sheath Spannung:     

Die Sheath Spannung erhöht sich mit dem RF-Strom und verringert sich mit der Anregungsfrequenz

Spezialfall Mikrowellenplasma:

Im Mikrowellenplasma entsteht das Phänomen des hohen Spannungsabfalls an einer Randschicht nicht, da die Breite und der Spannungsabfall des Sheaths von der Stärke des RF-Stroms (e- die das Sheath passieren) und der Anregungs-frequenz des Plasmas abhängen.

Allgemein gilt:

  • Sehr geringer „self bias“ bei hohen Frequenzen: 2.45 GHz, zB. ECR-Verascher.
  • → Kein Ionenbombardement des Substrates
  • → Kein gerichtetes Plasma, daher isotrope Wirkung, nicht für RIE zur  Strukturierung geeignet, gut für Reinigungszwecke.

Konkrete Anwendung von Plasmaentladungen als Reinigung oder konditionierende Vorbehandlung für Fügeprozesse, bei empfindlichen Substraten oder bereits mit Bauelelement-Strukturen:

Im Fall des elektrodenfrei Magnetron-erzeugten Plasmas mit einer Frequenz von 2.42 GHZ (Quelle ausserhalb des Rezipienten, wie beim Mikrowellenherd) handelt es sich nicht um ein CCP, daher keine Probleme mit Ionenschäden.

Einkopplung von Mikrowellenenergie in sensible Bauelemente:

Bei der üblichen externen Quelle sollte der Leistungs-Peak der eingestrahlten Mikrowellenenergie innerhalb des Rezipienten (Resonanz-Abstimmung des Hohlleiters mit dem Rezipienten notwendig) liegen.

Wenn Bauelemente mit Metallkomponenten in kritischen Längen durch Mikrowellenplasmen behandelt werden, steht die Gefahr des Antenneneffekts, die zu Zerstörung führen kann → z.B. HF-Hybride mit Streifenleitern oder MMIC!

Man beachte: Auch Bonddrähte können als Antenne wirken.

Schäden durch UV-Licht aus der Gasentladung:

  • Die dabei auftretenden Energien müssen durch Analyse des Spektrums der benötigten Gasmischung bestimmt werden.
  • Ar-O2 Mischungen – wie sie z.B. zum Veraschen von Polymeren (z.B. beim Resiststrippen) benutzt werden, emittieren i. A. oberhalb von 400 nm.

Schäden durch thermische Belastung

Hohe Plasmadichten und hohe Elektronentemperaturen können thermische Schäden verursachen, da dann der Wärmeübertrag auf das Substrat relevant wird.

Neue Artikelserie: Prozesse in der Mikro- und Nanotechnologie

 

Nachdem doch ein gewisses Interesse an unseren Posts über Halbleiter-Technologie besteht, haben wir uns entschlossen, eine Serie über die unterschiedlichen  Fertigungsschritte inklusive der dazu gehörenden begleitenden Verfahren in den Blogbereich unserer Seite einzustellen.

Wir werden zunächst die Prozesse und Probleme der leitenden Schichten betrachten:

Abscheidung:

  • PVD:  Kathodenzerstäubung und Aufdampfen

Strukturierung:

Später wird es noch mit Isolierschichten/Dielektrika weitergehen, schliesslich gibt es noch Informationen über Ionen-Implantation und Mikro-Lithografie.

Über Back-Endverfahren: Zusatzprozesse zur Veredelung, Vereinzeln, Die-Bonden, Drahtbonden, Gehäusen etc. wird es eine extra Artikelserie geben.

Z.B. Oberflächenbehandlung mit Plasma-Verfahren …

Hier geht es nicht um irgendwelches trockenpfurziges und formel-geschwängertes Gewabere, das kann man schliesslich in jedem Lehrbuch nachlesen – oder auch nicht, je nach Qualität des literarischen Erzeugnisses. Es sollen vielmehr die Prozesse aus einer „hands-on“ Perspektive gezeigt und die Mechanismen und Probleme anschaulich erklärt werden, samt der maschintechnischen Anforderungen und Lösungen, die eine derart komplexe Technologie mit sich bringt.

Wer dann unbedingt noch Formeln braucht – dem kann ich gerne persönlich auf die Sprünge helfen (konkrete Nachfrage an mich, per email). Da die Prozesse, besonders solche, die Plasma benötigen, allerdings häufig durch die vielen Synergien recht schnell in ein deterministisches Chaos übergehen, helfen einem analytische formale Beschreibungen nur bedingt zum Verständnis der Sachlage. Manchmal wäre eine Alchemistenausbildung vielleicht besser … keine Angst, nur ein Scherzchen.

Aber selbst Computermodelle sind hier oft überfordert, eine echte quantitative Vorhersage zu produzieren.

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Einen Vortrag über den Gesamtherstellungsprozess bieten wir auch an – ebenso ein Wochenend-Seminar.

R.I.P. Europäische Halbleitertechnologie:
“Where have all the good times gone …”

 

Bereits in den Neunziger Jahren des letzten Jahrhunderts wurden verzweifelt millionenschwere staatliche Hilfen an die Elektronik-Industrie vergeben, um den Standort Deutschland zu sichern. Schon damals war dies ein zum Scheitern verurteiltes Unterfangen. Die Firmen und auch diverse öffentliche und private Institute haben die Gelder zwar gerne genommen, doch das hoch gesteckte Ziel konnte zu keiner Zeit erreicht werden. Denkt man an die Firma Siemens, die Mega-Subventionen für die Entwicklung des Megabit-Chips erhalten hatte und letztlich den Prozess von Toshiba kaufte. Dann hatten sie noch Probleme, die fremde Technologie überhaupt zum Laufen zu bekommen. Denkt man an die Programme ProChip, Procar, in die Millionen gepumpt wurden, bevor sie schliesslich gefloppt sind. Oder an die staatlichen Hilfen in Dresden an Infineon oder Quimonda, die enormen Anstrengungen für eine Ansiedlung von AMD. Dann die erfolglose 300mm-Linie in Frankfurt/Oder, die auch mit Landesmitteln gefördert wurde. Alle diese staatlichen Subventionen haben nur dazugeführt, das Sterben ein wenig zu verlangsamen, jedoch wurde es nicht aufgehalten. Nun versucht das Land Baden-Württemberg (der Schwabe wird ja erst nach 40 Jahren gescheit …) mit Hilfsprogrammen über die Platform PRONTO das kärgliche Rest-Knowhow zu bündeln. Auch hier werden wieder Millionen verschwendet, die sicherlich woanders besser eingesetzt werden könnten. Nach dem Ende der Landshuter Halbleiter-Fabrik, ehemals Hitachi, nach dem Untergang von Quimonda in Dresden und der bevorstehenden Insolvenz der Telefunken Chip-Fertigung in Heilbronn sind überhaupt nur noch wenige Halbleiterproduzenten in Deutschland oder generell Europa tätig, mit ein paar Ausnahmen in Osteuropa. Das letzte Fähnlein der Aufrechten ist vom gegenwärtigen Stand der Technologie schon längst abgehängt. Oft leben sie nur noch von der Erfüllung von Uralt-Verträgen mit z.B. der Automobilindustrie. Ausser bei INTEL Ireland überall tote Hose. Aber selbst US-Konzerne geraten langsam in Schieflage:

Wenn sich schon IBM aus der Chipherstellung verabschieden will, welche Chancen haben wir da noch?

Nahezu alles, was irgendwie nach Silizium-Chip aussieht, riecht oder schmeckt, wird in Südost-Asien hergestellt. Das Monopol liegt bei Firmen wie zum Beispiel „Samsung“ oder „Charterd Semiconductor“ in Korea, Taiwan oder Singapore. Die Versorgung der hier in Europa noch bestehenden Produktionsstätten mit Anlagen-Ersatzteilen oder Serviceleistungen wird immer schwieriger. Kein Wunder, der Schwerpunkt der Service-Infrastruktur ist nach der jeweils höchsten Produktionsstättendichte ausgerichtet. Wegen all der Problematik haben auch die letzten Hersteller, die noch in Deutschland produzieren, ebenfalls ihre neuen Fabrikationen nach China verlagert. Bestenfalls wird noch in der Ukraine oder Russland gefertigt. Auch bei der Entwicklung neuen Know-hows geraten wir so ins Hintertreffen, der ehemalige „Think Tank“ Europa mit Deutschland als führendem Mitglied ist bald nur noch ein Aquarium mit dröge herum dümpelnden Goldfischen. Nun stellt sich die Frage: Bei einer so enorm automatisierten Fertigung, wie im Bereich der Silizium Technologie ist der Arbeitslohn wohl nicht der Hauptgrund für die Attraktivität der Fernost-Standorte. Was ermöglicht also diese Billigkonkurrenz aus Asien, welcher Faktor ist hierzulande der sogenannte Kostentreiber, wie man das so schön nennt ? Man muss sich dabei immer vor Augen halten: Chipherstellung folgt den Regeln einer Chemiefabrik, mit allen Problemen bei der Abfallentsorgung und den Sicherheitsvorschriften, die dieses Metier mit sich bringt. Der Verbrauch an toxischen Gasen und anderen giftigen Ausgangsstoffen ist enorm, der Ausstoss an Zwischenprodukten und Abfällen entsprechend gross, eine fachgerechte und gesetzestreue Entsorgung teuer. Das ist natürlich einfacher dort, wo ein Auge (oder auch zwei) zugedrückt werden. Entweder durch autoritäre staatliche Verordnung oder durch monetäre Zuwendungen an die entsprechenden Regulierorgane. Obwohl sich z.B. in China bereits Umdenken breitmacht. Wohin werden die asiatischen CHIP-Giganten dann ziehen? Nordkorea, oder als nächstes auf nach Afrika ? Wenn da nicht der kleine dicke Diktator und Ebola wären … oder politische Unsicherheit und Völkermord an der Tagesordnung !

Andererseits es ist sooo verführerisch: In den Schwellenländern kann man den Menschen noch ungestraft den Dreck vor die Haustür kippen. Der Reiz der Dritten Welt? Indien und Pakistan, bekannt durch ihre Skandale in der Textilproduktion, wären ja auch noch da …