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.

Fractalirium: Plasmaleuchten

Sogenante IFS (iterated function system)  Fraktale liefern schöne, ätherische Flammenmuster und feurige Wirbel, wie sie auch in den Gasentladungen von Plasmen sichtbar werden.

Wer denkt bei den grazilen Gebilden schon daran, dass diese Art Algorithmus auch beim simplen Kochstern, Sierpinski-Dreieck oder dem Barnsley-Farn Anwendung findet?

Interessiert? Ich gebe gerne Auskunft zur Mathematik hinter der Kunst.

Gasentladungen sind oft vielfarbig, je nach Gasart und Energie, was man sich in den bunten Leuchtreklamen a‘ la Las Vegas zunutze macht. LED sind nicht halb so magisch! Das Phänomen des Plasma-Farbenspiels sieht man auch bei der einfachen Glühprobe einer unberkannten Substanz in der Bunsen-Flamme: Auch Verbrennungsvorgänge erzeugen Plasmen.

plasma
Argon mit Neon ergibt dieses Farbspektrum: Suspiria @scrano 2016
spring
Neon und Quecksilber enthalten auch grüne Banden, Natrium liefert gelb: Springtime @scrano 2016
merruby
Neon enthält viel zartrosa und rote Banden. Rubyfruit Jungle @scrano 2015
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Ganz in Blau: Wasserstoff mit Argon. La Nuit @scrano 2013

Titelbild: Plasma Dew Drops @scrano 2014

Until Hell Freezes over …

Eiswürfel in der Hölle … je nach thermodynamischen Modell wird es für ihn ungemütlich. Ice cube in Hell ©scrano 2013
Eiswürfel in der Hölle … je nach thermodynamischen Modell
wird es für ihn ungemütlich. Ice cube in Hell ©scrano 2013

… bis die Hölle zufriert, ein Ausspruch, der sinngemäss dem St.Nimmerleins-Tag gleicht. Andererseits, die Hölle der alten Griechen oder Römer war eher ein kalter, feuchter und dunkler Ort. Im 9. Kreis der Hölle aus Dante’s Inferno steht der Satan sogar festgefroren, zu Eis erstarrt und gefesselt – also:

  • Die Sache mit der Höllenglut ist wohl nur feuriger Sündenpredigerei geschuldet … und der Vorstellung des hinkenden Schmiedegottes Hephaistos in seiner Schmiede unter dem Ätna sowie des römischen Glaubens, die phlegräischen Feldern bei Neapel wären der Eingang zum Hades (nicht so sehr wegen der Hitze, eher auf Grund des Schwefel-Gestanks und der durch Gase hervorgerufenen „Stöhnlaute“).

Trotzdem lohnt sich folgende physikalische Spassbetrachtung (thermodynamisches Problem „Hölle“ – sozusagen).

Während der Abschlussklausur in Physikalischer Chemie an der University of Washington wurde tatsächlich diese Frage gestellt:

Bonus Frage: Ist die Hölle exothermisch – (gibt Hitze ab) or endothermisch – (absorbiert Hitze)?

Die meisten Studenten argumentierten mit Boyle’s Gasgesetz (Zustandsgleichung idealer Gase), oder einer Variation (Gas dehnt sich bei Erwärmung aus, und kontrahiert bei Abkühlung etc.).

Ein Student allerdings gab sich richtig Mühe:

Zuerst muss man die genaue Masse der Hölle und deren zeitliche Veränderung kennen. Also müssen wir die Gleichung für das thermodynamische Gleichgewicht aufstellen und eine Rate bestimmen, in der Seelen in die Hölle gestürzt werden oder daraus wieder entkommen. Gehen wir in Vereinfachung davon aus, dass keine Seele die Hölle verlässt, wenn sie erst einmal dort ist. Wieviel Seelen in die Hölle kommen – dazu muss man sich die Eingangsbedingungen der unterschiedlichen Religionen für diese Art jenseitigem Straflager ansehen. Da es viele Glaubensgemeinschaften gibt, die fest überzeugt sind, dass alle Andersgläubigen in die Hölle kommen, und es etliche solche Gruppen gibt, kann man schlussfolgern, dass wohl alle Seelen in die Hölle kommen. Berücksichtigt man die Entwicklung von Geburts-und Sterberaten, bedeutet das ein exponentielles Ansteigen der Seelenzahl in der Hölle.

Ziehen wir jetzt Boyle’s Gasgesetz heran, um die Volumenveränderung der Hölle abzuschätzen: Damit die Temperatur in der Hölle konstant bleibt, muss sie proportional zur Seelenzahl expandieren. Dadurch ergeben sich drei Möglichkeiten:

  1. Eine isotherme Ausdehnung ins Unendliche, wenn Expansion und Zuwachs an Seelen gleich sind.
  2. Ist die Expansionsrate kleiner als die „Seelenzufur“, werden Druck und Temperatur im Orcus solange zunehmen bis die Hölle im wahrsten Sinn des Wortes „losbricht“.
  3. Expandiert nun die Hölle schneller als die Nachschubquote an Seelen, dann wird die Temperatur fallen, bis der Gefriepunkt erreicht ist.

Welches ist nun der realistische Fall?

Wenn wir als Entscheidungskriterium die Tatsache wählen, dass im Erstsemester meine Annäherungsversuche an eine gewisse Mitstudentin mit den Worten abgeschmettert wurden: „Eher schneit es in der Hölle, als ich Dir meine Telefonnummer gebe …“ und berücksichtigen, dass ich hier immer noch keinen Erfolg hatte:

Variante 3 kann wohl ausgeschlossen werden – also kann man davon ausgehen, dass im Fall der Hölle entweder ein Gleichgewicht oder ein exothermer Vorgang zugrunde liegt.

Der Student erzielte die einzige Eins in dieser Klausur und der Professor stellte die originelle Lösung in Web.

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Herrscher einer Eis-Hölle: Satan nach William Blake.

The night, the i-Phone died – reboot!

und zwei 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 …
blaeh2
Stadium 2 – Mindbending, ganz ohne Uri Geller …
blaeh
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!

Nachtrag, heute 23.1.2017 → Samsung Statement zum S7 Problem

und weiter stellt sich nun die Frage: Was tun, wenn’s brennt …

Feuer in Samsung Werk für Smartphone-Batterien, ausgelöst durch Akkubrand – 9.2.2017.

Ausserdem e-Bike Akkus, die schon ein Parkhaus, Wohnhaus- und Fahrradgeschäft abgefackelt haben.

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.

 

 

Plasmatechnologie in der Praxis:
PVD – Depositionsverfahren für ultradünne Schichten

PVD = Physical Vapor Deposition a.k.a Sputtern oder Kathodenzerstäubung

Grundprinzip einer PVD-Anlage und Grundzüge des Verfahrens

Bei solchen Anlagen wird mit Hilfe der Kathodenzerstäubung eine Beschichtung auf ein Substrat aufgebracht. Bei diesem physikalischen Vorgang wird Material von einem sogenannten Target mit Hilfe von energiereichen Edelgas-Ionen durch Beschuss herausgelöst (vaporisiert). Dann wird es aus der Gasphase wieder auf Substrate abgeschieden. Es lassen sich sehr dünne, reine Filme und auch mehrlagige Beschichtungen erzeugen. Bevorzugtes Material sind Metalle aller Art, aber auch Halbleiter und Isolatoren kommen in Frage. Durch das Einbringen reaktiver Gase in das eigentliche Sputtergas sind auch chemische Prozesse wie Oxidation und Nitrierung während des Abscheidevorgangs möglich.

Wie funktioniert PVD in der technischen Anwendung und wie kann man es sich eine Anlage für socleh Prozesse einfach vorstellen?

Denken wir an die leicht antiquierte Elektronenröhre, wie es sie aus Glas noch heute gibt. Deren Dioden-Anordnung stellt im Wesentlichen das Grundkonzept eine Sputteranlage sowohl im Gleichstrom- als auch im Wechselfeldbetrieb (RF) dar. Eine negative Elektrode (Kathode) liefert die energiereichen Elektronen, welche die Atome des Sputtergases durch Stoss ionisieren. Hierzu braucht man eine Hochspannungsquelle, damit die Austrittsarbeit für die Elektronen aus der Kathode überwunden wird, und eine Gasentladung  (Plasma) gezündet werden kann. Daher richtet sich die Höhe der sogenannten „Zündspannung“ nach dem Targetmaterial (Isolatoren und Halbleiter haben eine höhere Austrittsarbeit als Metalle). Haben die Elektronen durch Stösse die Gasatome ionisiert, werden diese aufgrund ihrer positiven Ladung auf das Target (Kathode) beschleunigt, wo sie Material erodieren können. Dieses wird quasi feinst zerstäubt und landet schliesslich auf dem zu beschichtenden Trägermaterial.

Um eine höhere Einschlagsdichte der positiven Sputtergasionen und damit auch eine grössere Erosionsrate zu erzielen konzentriert man die Stosselektronen zusätzlich mit Hilfe von Magnetfeldern in der Nähe des Targets. Damit erhält man gleichzeitig eine vordefinierte „Einschlagszone“ der Ionen. Eine solche Targetanordnung mit Magneten nennt man Magnetron-Target.

Bei zu hohen Austrittarbeiten greift man auf ein alternatives Verfahren, das sogenannte RF-Sputtern zurück. Davon aber später.

Wie in der Elektronenröhre können die Stossprozesse der Elektronen mit den Gasatomen nur in einem verdünnten Medium stattfinden, d.h. bei geringem Gasdruck. Um Verunreinigungen der Schichten zu verhindern, wird vor Verwendung des Sputtergases die „Röhre“ evakuiert, um reaktive Bestandteile der Atmosphäre zu entfernen.  Da bei sehr dünnen Schichten eine hohe chemische Reinheit unbedingt erwünscht ist, sind die Anforderungen an das erzeugte Vakuum entsprechend hoch – ein Hochvakuum, eben.

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PVD-Prozess: Elektronen treten aus der Kathode aus, werden zum Substrat beschleunigt. Argon-Atome werden von den Elektronen ionisiert zu Ar+. Sie werden zum Target gezogen und tragen dort Material ab. Dieses landet auf dem Substrat.

Damit ein Abscheide-Prozess nach oben dargstellter Methode überhaupt stattfinden kann, benötigt man also folgende Komponenten:

  • einen Edelstahlbehälter (Rezipient, Prozesskammer) mit vakuumdichten Anschlüssen und der Möglichkeit, eine Spannung anzulegen.
  • Ein Pumpsystem mit dem man diesen Behälter evakuieren und während des Prozesses einen gewünschten Sputtergas-Druck (eventuell über ein Drosselventil) stabil halten kann
  • Sputtergasversorgung, aus dem über ein Regelsystem Gas definiert in den Behälter eingeleitet werden kann.
  • Eine Spannungsquelle zur Erzeugung der Sputtergasionen.
  • Halte- und Kühlvorrichtung für Substrat
  • Halte- und Kühlvorrichtung für Target
Schema einer PVD-Anlage
Schema einer PVD-Anlage

Die Wahl von Edelstahl für einen Rezipienten beruht auf folgenden Faktoren: Elektrisch leitend, nicht magnetisch, chemische und thermische Stabilität, gut mechanisch bearbeitbar, Oberfläche polierbar, leicht zu reinigen.

Sputtergase sind normalerweise Edelgase, da sie nicht mit dem Substrat- oder Targetmaterial chemisch reagieren. Ausserdem können sie wieder aus Target und Substrat desorbiert werden. Edelgase besitzen ein höheres Atomgewicht, daher sind sie als Mittel zum Erodieren von Material gut wirksam. Argon ist das am häufigsten verwendete Sputtergas.

Der auch als Rezipient bezeichnete Edelstahlbehälter besitzt verschiedene Durchlässe für:

  • Zugang durch eine große Öffnung (Tür) für die Wartung
  • Schleuse für das Belade-und Entladevorrichtung
  • Große Öffnung für den Anschluss des Pumpssystems
  • Durchführung für eine Messröhre eines Vakuummesssystems (Kontrolle und Regelung des Vakuumzustandes)
  • Anschluss für das Belüftungsgas
  • Anschluss für das Sputtergas
  • Durchführung für die Target-Halterung
  • Durchführungen für bewegliche Komponenten (z.B.: Sputterblenden, bewegliche Substrathalter)
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Kontrolleinheit Turbopumpe
Turbomolekularpumpe - Aussenseite
Turbomolekularpumpe – Antriebs-Aussenseite

Das Pumpsystem für eine Hochvakuumsanlage besteht meistens aus zwei Stufen:

  • einer Pumpe, die ein Vorvakuum erzeugt. Dies kann entweder eine Drehschieberpumpe (Öl) oder ein Trockenläufer (ölfreie Wälzkolbenpumpe) sein.
  •  einer zusätzlichen Pumpe, die über eine Art Kompressorstufe das Hochvakuum erzeugt.
    1. Turbomolekularpumpe (verdichtet mit hoher Drehzahl und feinen Rotorblättern, wassergekühlt) inklusive eines Turbocontrollers (Regelung der Drehzahl). Gasmoleküle werden „angeschubst“ und in Richtung der Vorpumpe gedrängt und abgesaugt.
    2. Kryopumpe  (Stirlingmotor mit Helium als Wärmetauscher, das auf 4 Kelvin gekühlt wird). Gasmoleküle werden „verlangsamt“ und „ausgefroren“.
    3. Meissnerfalle, eine schlichtere Variante der Kryopumpe: Ein Gefäss aus dem Kühllamellen in die Prozesskammer ragen, wird mit flüssigem Stickstoff befüllt – keine echte Pumpe, eine Zusatzvorrichtung bei Einsatz von Turbopumpen.
    4. Sorptions- und Getterpumpen binden Gasmoleküle an eine reaktive Oberfläche, aktiv (Ionengetter) oder passiv (Sorption)
  • einem Absperr-/Drosselventil, das die Hochvakuumpumpen von der Prozesskammer abschotten kann, bzw zur Regelung der Abpumpleistung.
  • Hochvakuumspumpen können im Allgemeinen zerstörungsfrei erst ab einem gewissen Unterdruck arbeiten.
Mass flow controller
Mass flow controller für die Sputtergasdosierung
venzil1
Belüftungs- und Einlassventile
ventil2
Drosselventil VAT zur Turbopumpe

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Versorgung des Edelstahlbehälters mit verschiedenen Gasen:

Die verwendeten hochreinen Gase befinden sich in Edelstahlflaschen unter hohen Druck. Am Auslass der Flaschen befinden sich zwei Manometer, das erste zeigt den Druck der Flasche (z.B.: 100 bar) an, das zweite kontrolliert den über einen Druckminderer reduzierten Vordruck (z.B.: 6 bar).

  • Zum Belüften des Behälters wird meist reiner Stickstoff verwendet. Über ein Nadelventil (mechanisches Ventil mit Mikrometerschraube fein dosierbar) kann der Behälter schonend ohne Druckstoss belüftet werden.
  • Das Sputtergas (meist Argon) wird über polierte Edelstahlrohre an eine Gasregeleinheit (mass flow controller) herangeführt. Mit Hilfe dieser Regeleinheit kann ein definierter Gasfluss zur  Prozzesskammer hergestellt werden.

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Zur Erzeugung eines Plasmas benötigen wir eine Spannungsquelle:

  • Gleichstrom-Spannungsquellen, übliche Leistungen 500W bis zu 18KW bei Spannungen von mehreren hundert Volt. Die Kathode wird an das Target (Material, das abgetragen werden soll) und die Anode an das Substrat (Träger, auf den das abgetragene Material deponiert werden soll) angeschlossen.
  • RF-Generatoren mit den freien Frequenzen von 13,56 MHz oder einem Vielfachen. Es wird ein hochfrequentes Wechselfeld zwischen dem Target und dem Substrat angelegt. Die Leistungen betragen bis zu mehreren kW. Dieses Verfahren wird meist bei isolierenden Materialien, bzw. solchen mit hohen Austrittsarbeiten verwendet, oder bei geringen Sputterdrücken.
    • Die Elektronen für die Stossionisation des Sputtergases kommen dann z.B. von den leitfähigen Teilen des Substrathalters/Substrats, sie werden im Hochfrequenzfeld hin-und herbeschleunigt, was ihre Wechselwirkungswahrscheinlichkeit mit dem Gas erhöht.
    • Die entstehenden Gasionen sind zu träge, um der Polumkehr des Feldes zu folgen, sie landen schliesslich auf dem durch eine zusätzliche Gleichspannung negativ aufgeladenen Target, wo sie das Material erodieren.
    • Da das gesamte RF-System einen kapazitiv gekoppelten Schwingkreis darstellt, muss es jedoch, damit auch die Leistung am Target ankommt, wie ein Radiosender elektrisch abgeglichen werden (kapazitive Impedanz). Dies bewerkstelligt eine sogenannte Matchbox mit RCL-Gliedern, der Abgleich funktioniert wie beim Dampfradio über regelbare Dreh-Luftkondensatoren.

Wichtig für das Beschichtungsergebnis ist die Lagerung und Befestigung der Substrate:

  • Es gibt daher unterschiedliche Substratbefestigungsvarianten mit oder ohne Temperierungsmöglichkeit. Um grössere Mengen an Substraten zu beschichten kommen auch Horden oder Batches zur Anwendung, die meistens unter dem Target verfahren werden, um eine gleichmässigere Abscheidung zu ermöglichen.
  • Auch die Abscheidetemperatur beeinflusst sehr stark die Schichteigenschaften (z.B. Dichte, Spannung, spezifischer Widerstand, Korngrössen, Reflektivität, Brechungsindex). Deshalb wird heute die Substrataufnahme meist thermisch kontrolliert, um stabil reproduzierbare Schichten mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen.

 Unbewegliche Substrathalter

  • Mechanische Halterung: Ein Ring drückt das Substrat am Rande gegen den Substrathalter (clamping)
  • Diese Substrathalter können meist temperiert werden (elektrisch geheizt werden)
  • Temperaturkontrolle: Zwischen dem Substrathalter und dem Substrat befindet sich ein inertes Gas (z.B.:Argon), das für den Energietransport sorgt.
  • Resultat der mechanischen Halterung ist die nicht vollständige Bedeckung des  Substrats (Randausschluss)
  • Elektrostatische Halterung: Über ein elektrostatisches Feld von mehreren tausend Volt wird das Substrat gehalten. Die Temperierung verläuft analog der mechanischen Halterung
  • Vorteil : Abscheidung vollständig auf dem gesamten Substrat.

Bewegliche Substrathalter – Drehteller oder verfahrbare Paletten mit Ablagetaschen für die Substrate.

  • Ablage ohne definierte Halterung mit nur geringer Fixierung: Die Substrate liegen in einer Vertiefung und haben keinen ganzflächigen Kontakt zum Halter. Eine Temperierung des Substrathalters ist nur in kleinen Temperaturbereichen möglich.

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf PVD-Abscheidung mit Hilfe einer Magnetron-Sputteranalge. Es kommen einfache Rundtargets zum Einsatz.

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Ausgebautes abgebranntes Target: Kupferner Halte-Einsatz mit Anschlüssen für HV und Kühlwasser. Einsätze verbrauchter Targets werden durch Neubelegung recycled.

Aufbau, Haltevorrichtung und Kühlung der Targets

  • Das Target, also das zu sputternde Material, wird bei einem Rundtarget auf als dünne Scheibe vollflächig auf eine Kupferhalteplatte gelötet. Diese Kupferhalteplatte wird dann über Teflon- bzw. Keramik und O-Ringe zur Kammer hin isoliert montiert. Sie ist mit der Spannungsversorgung elektrisch (Kathode) z.B.: über ein Kupferband verbunden.
  • Andere Bauformen: Bei Klemm-Targets von High-Volume Beschichtungsanlagen werden dickere Barren des Beschichtungsmaterials werdet.
  • Immer kommt Material von sehr hoher Reinheit zum Einsatz: In der Halbleiterherstellung ist es 5N-Qualität = 99.999 % rein.

Nicht nur die Substrat-, auch die Targetkühlung ist notwendig, da dieses durch den Beschluss mit Ionen stark erhitzt wird. Eine gute Kühlung wird durch den Wasserfluss innerhalb der Kühlkanäle in den Kupferhalteplatten erreicht.

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Zerlegtes Target: Es besteht aus einer Kupferhalteplatte mit Wasserkanal (rechts) mit den beiden Wasseranschlüssen. Über das Wasser wird die beim Sputtervorgang erzeugte Wärme abgeführt. Auf der linken Seite des Bildes ist das Magnetjoch mit dem Mittelmagneten sowie den kleinen Magneten am Rand zu sehen. Nun wird auch verständlich, warum wir in der Mitte des Targets keinen Materialabtrag haben.
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In diesem Bild sieht man das Targetmaterial. Diese Seite ist der Prozesskammer zugewandt. Durch die Magnetronanordnung erzeugter Sputtergraben mit blindem Fleck in der Mitte. Diese ungleichmässige Erosion der Sputtermaterials führt zu einer geringen Nutzung der Gesamtfläche und einem vorzeitigen Verschleiss des Targets.
Auf diesem Bild ist im oberen Teil des Bildes die Kupferhalteplatte zu sehen. Im unteren Bereich ist gut das Sputtermaterial erkennbar, das über ein spezielles Indiumlot mit der Kupferplatte verbunden ist.
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Abgebranntes Target, mit durchgesputtertem Erosionsgraben.

Wenn man das Target, das nur eine realtiv geringe Dicke hat, nicht rechtzeitig austauscht, kann durch das Material durchgesputtert werden, und man erreicht das Bondmaterial oder gar das Kupfer der Halteplatte. In diesem Fall sind die abgeschiedenen Schichten wertlos, da kontaminiert.

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Eingebautes und angeschlossenes Target. Es ist über einen O-Ring und einer Teflonscheibe mit der Prozesskammer verbunden. Der Wasseranschluß erfolgt über zwei Schnellkupplungen. Der Hochspannunganschluß erfolgt über ein Kupferband an der Aussenseite (im Vordergrund).
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Neuere Sputteranlagen für Massenproduktion und großem Substratdurchmesser setzen eine verbesserte Bauform ihrer Targets ein: In diesem Fall ist die Nutzung des Targets mit Hilfe von vier Magnet-Anordnungen wesentlich höher.

Es gibt Magnetrontargets auch als keilförmige „Segmenttargets“ oder noch exotischere Varianten, wie die bereits erwähnte Barrenform. Zusätzlich kann das statische Magnetfeld für eine noch bessere Nutzung des Targets durch ein sweep-Elektromagnetfeld ersetzt werden.

Eine Anlage mit Drehteller erfordert eine Zusatzmassnahme für eine gleichmässige Abscheidung. Wegen einer radial abhängigen Dicke der Beschichtung muss dies ausgeglichen werden. Hierfür nimmt man an den zunächst ungleichmässigen Schichten eine Dickenmessung vor (Mapping) und errechnet aus den Werten eine Ausgleichsblende für das Target – die sogenannte Uniformityblende.

Diese wird zwischen dem Target und dem Substrat eingebracht.

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Uniformity-Blende: Der Ausschnitt wird bestimmt durch unterschiedliche Abtragsraten am Target. Der größere Ausschnitt im oberen Bildbereich zeigt zum Tellerrand, der untere kleinere Ausschnitt zeigt zur Drehachse des Teller. Somit wird die unterschiedliche Deposition bedingt durch die Drehung kompensiert.

Der Nachteil einer solchen Anordnung ist die Deposition des Materials auf dieser Blende, was bei genügend hoher Dicke wegen der Spannung dazu führt, dass es  abplatzt und die Blende gereinigt werden muss, da sonst ein Partikelproblem nicht zu vermeiden ist.

Alle Targets können über verfahrbare Schutzblenden abgedeckt werden, damit sie sich nicht beim Sputtern gegeseitig kontaminieren dazu kommt noch ein Dunkelfeld-Schild, der verhindert dass im Innenraum des Targets ein Plasma brennt. Zum Schluss braucht man noch eine sogenannte Vorsputterblende, die bei aktivem Target vor dieses gefahren wird um eine Vorreinigung zu ermöglichen.

Wie läuft so eine Prozessfolge konkret ab, wie kann man nun ein Plasma sicher erzeugen und den Abscheideprozess stabil halten?

  • Die Prozesskammer wird abgepumpt:
    1. Die Vorpumpe ist eingeschaltet und pumpt die eingeschaltete Turbopumpe ab und den Rezipienten ab.
    2. Die Ventile der Gasversorgung sind geschlossen.
    3. Bei Erreichen des Vordrucks in Prozesskammer und Turbopumpe wird das Kammerventil zur Turbopumpe geöffnet. Nun muss gewartet werden, bis das gewünschte Basisvakuum erreicht ist.
  • Alle Schutzblenden sind vor die inaktiven Targets gefahren, die Vorsputterblende steht auf „geschlossen“
  • Einlass des Sputtergases (z.B.: Argon) mit einem vordefinierten Fluss.
  • Anlegen einer DC-Spannung an Anode und Kathode. Alternativ: Aktivierung des RF-Generators. Ist genug Gas vorhanden und die Zündspannung erreicht, ensteht die Plasma-Entladung, was durch ein kleines Sichtfenster in der Kammer optisch kontrolliert werden kann. Je nach Gas-Sorte entsteht ein unterschiedlich farbiges Leuchten, wie bei einer Aurora Borealis.
  • Durch Beobachtes der Strom/Spannungswerte am Target lässt sich die Sputterleistung ablesen.
  • Um das Target zu reinigen wird eine gewisse Menge Material bei geschlossener Blende abgetragen.
  • Schliesslich fährt der Substrateller los, die Vorsputterblende öffnet sich, die Beschichtung startet.
  • Die Dicke kann über eine feste Abscheidezeit oder die Anzahl der Tellerumdrehungen eingestellt werden.

Um nicht ständig ein neues Basisvakuum herstellen zu müssen, dies kann bei anspruchsvollen Prozessen über Nacht andauern, arbeitet man bei industriellen Anlagen mit einem Zwei-Kammersystem:

  1. Der eigentlichen Prozesskammer mit dem (Ultra)-Hochvakuum.
  2. Einer Belade-(Transfer)Kammer mit Ladevorrichtungen und kleinem Volumen, die schnell evakuiert werden kann. Hier werden die Substrate eingebracht und wieder entnommen. Diese Station erreicht mindestens Feinvakuum, arbeitet meistens aber auch schon mit einem Hochvakuum geringer Stufe. Schliesslich erledigt ein Robotsystem in der Transferkammer die Beförderung der Substrate in die Prozesskammer, die mit der Ladestation durch eine Schleuse verbunden ist.
  3. Der Verlust an Vakuumsgüte ist also durch das Beladen der Anlage mit Substraten sehr gering, eine schnelle Prozessierung von Losen daher möglich.

Soviel zu den Grundlagen der „PVD-Beschichtung“ – weiter geht es mit „Der Teufel steckt im Detail und was ist ein Bias?“, den nächsten Teilen unserer Serie.

Ausserdem geht es noch um Substravorbehandlung und Targetkonditionierung …

 

Statistik ist kein Hexenwerk!

Ich glaube nur der Statistik, die ich selbst gefälscht habe …

Sir Winston Churchill

An dieser Aussage erkennt man die allgemeine Skepsis gegenüber solchen Datenanalysen. Die Ursache für Churchills Kritik liegt aber weniger in der mathematischen Behandlung als vielmehr bereits in der Art der Erhebung der Grunddaten begründet. So kann durch z.B. die Auswahl der Stichprobe bei einer Befragung absichtlich oder unabsichtlich eine Beinflussung des Ergebnisses erfolgen.

Bei der folgenden Auswertung der gesammelten Daten besteht eine Quelle an Unsicherheit hauptsächlich bei nichtmetrischen Merkmalen. Bei sogenannten variablen Grössen wird normalerweise bereits bei der Messung*** und Aufzeichnung nur ein geringer Manipulationsspielraum zugelassen.

Bei attributiven (nichtmetrischen, beschreibenden) Grössen, die man zuerst kategorisieren muss, um sie in eine Zählstatistik, zu wandeln, damit man daraus eine Verteilungsfunktion ableiten kann, stellt sich dieses Problem u.U. gleich zweimal: Einmal bei der Erfassung und dann bei der Einteilung in Kategorien (z.B. Klassenbreiten).

Es gibt zwar Anwendungs-Regeln für solche Verfahren, aber ähnlich wie bei Messverfahren, die von Personen*** durchgeführt werden, der Einfluss des Analysten ist trotzdem nicht auszuschliessen. Daher mus hier besondere Achtsamkeit herrschen, um nicht Artefakten aufzusitzen.

Für Interessierte:

Ich biete Statistik-Kurse besonders für Ingenieure und Techniker in der Produktion und natürlich im Qualitätsmanagement an.

***normalerweise: d.h. bei durch Messmaschinen und vom Prüfer unabhängig gewonnene Daten. Hier reicht ein Nachweis der Kalibrierung und Maschinenfähigkeit der Messapparatur. Anderfalls muss die Unsicherheit der Messgrösse durch eine geeignete MessSystemAnalyse (MSA), nach z.B. GRR, zuvor überprüft und immer wieder verifiziert werden.

Immer an der Wand lang:
RIE-Ätzen von Al-Metallisierungen auf Chips

 

Ein paar Ausführungen zum Thema Aluminium-Trockenätzen

  • Das Ätzermantra: Seitenwandpassivierung

Zur Verwendung bei Mikrostrukturierungsprozessen kommt das sogenannte reaktive Ionenätzen-(RIE-Ätzung) Verfahren bzw. dessen Weiterentwicklung, das ICP (inductive couples plasma)-Verfahren. Bei dieser Technik werden meist Chlor und Bor-Trichlorid bei Unterdruck durch ein hochfrequentes Wechselfeld angeregt. Es bilden sich reaktive Ionen und Radikale, die dann mit Hilfe eines zusätzlichen elektrischen Feldes auf das Substrat beschleunigt werden (ähnlich den Vorgängen in einer Elektronenröhre). Die Ionen führen zu einer anisotropen Ätzung („in Vorwärtsrichtung“, während die Radikale beim Kontakt mit dem Oberflächenmaterial zu einer isotropen Ätzung (lateral) führen. Die Prozessdrücke befinden sich meist im Bereich von 3-10 mT. Damit wir überhaupt Aluminium bzw. dessen Legierungen mit Hilfe einer Plasma-Trockenätzanlage strukturieren können benötigen wir einen möglichst ätzresistenten Photoresist, der bei ~110 °C ausgeheizt wurde ( besser nutzt man ein DUV-Verfahren) und der während des Ätzens seine Form nicht verändert.

  • DUV (deep UV -Verfahren)

Hierbei wird der Photoresist bis zu 200 °C unter UV-Bestrahlung ausgeheizt, sodass der Photoresist keinerlei Lösungsmittel mehr in sich trägt und eine gewisse Nachvernetzung der Polymere stattfindet.

Beim Trockenätzen erfolgt also sowohl ein physikalischer als auch chemischer Angriff. Die „Kunst“ besteht nun darin, die Struktur im Photoresist möglichst genau ins darunterliegende Material, bei uns Aluminium, zu übertragen, ohne den Photoresist zu stark abzutragen, sonst würde die Resistmaske nicht bis zum Ende der Ätzung ausreichen, aber dennoch so viel Polymeranteil in das Prozessgas zu verbringen, dass dieser durch Rückdeposition eine geschlossene Seitenwand zur Passivierung der freigelegten Strukturen aufbauen kann.

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Das REM-Photo zeigt eine abgelackte Metallstruktur

In diesem Fall war die Seitenwandpassivierung an verschiedenen Stellen nicht geschlossen, so dass eine laterale Anätzung stattfinden konnte.

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Dieses REM-Photo zeigt den Extremfall einer nicht ausreichenden Seitenwandpassivierung. Man sieht eine vom Prozessgas (Chlor) schwammartig zerfressene Leiterbahn.  Teile der nach dem Trockenätzen übriggebliebenen Photoresistmaske liegen noch auf den Strukturen. .

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Dieses REM-Photo zeigt einen Extremfall:  Eine „BRÜCKE“, wie ich so ein Gebilde nenne, die auch dadurch entstanden ist, dass die Seitenwandpassivierung nicht ausgereicht hat.

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Dieses REM-Photo zeigt den Bruch einer AlSiCu-Leiterbahn, die auf einer Ti/TiN-Barriere sitzt. Auf der AlSiCu-Leiterbahn ist eine dünne Antireflektions-Schicht zu sehen.  Der nach dem Ätzen übriggebliebene Photoresist bildet die Decklage, Wie jedem REM-Präparator bekannt ist, zieht sich das duktile AlSiCu-Material leider gummiartig, während wir bei der Kante des Photoresists eine glatte Bruchfläche finden. Deutlich ist der seitliche Angriff der Chemie auf das Metall zu sehen. Es sind keinerlei Polymer-Seitenwände an den Rändern der Leiterbahn vorhanden.

  • Herausforderung Korrosion

Gerade bei Aluminium-Legierungen, die Kupferspuren enthalten ist ein Problem die Korrosion, wegen der Bildung mikroskopischer Lokalelemente. Sobald das Substrat ausserhalb der Prozesskammern der Ätzanlage mit der Luftfeuchte in Verbindung kommt, beginnt die Korrosion schlagartig, wenn noch aggressive Bestandteile der Ätzchemie vorhanden sind. Dies betrifft vor allem unzureichend abgelackte Metallstrukturen, da in den Polymerresten winzige „Taschen“ von Chlorgas gefangen sein können.

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In den beiden REM-Bildern sind Leitbahnen zu sehen, bei denen der stehengebliebene Lack der Ätzmaske noch nicht entfernt wurde.  Die Folge ist heftige Korrosion, weil die übriggebliebene Seitenwandpassivierung nicht dicht genug ist, um einen Angriff durch Feuchte und Chlorrückstände zu verhindern. Dennoch sind solche Untersuchungen sehr wichtig, um die Restresistdicke auf den Leiterbahnen zu bestimmen und den Ätz-Prozess zu charakterisieren.

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Durch geschickte Schrittfolgen, Optimieren des Chloranteils im Prozessgas, restefreies Ablacken und eine spezielle Nachbehandlung ist es jedoch möglich, Angriffsursachen vorab zu minimieren, sodass nur geringe Korrosion entsteht.

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Trotz aller Bemühungen um Restefreiheit und zusätzlichen „post treatment“ Massnahmen lässt sich eine Mikro-Korrosion nicht immer ganz vermeiden.

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PVD-Abscheidung: Vorbedingungen

Allgemeine Vorkonditionierung der PVD-Anlage

Doch nun zunächst zu Randbedingungen, die für alle Schichten innerhalb einer Halbleiter-Fertigungsprozessfolge gelten:

Am Allerwichtigsten ist die Abscheidung von möglichst partikelfreien Schichten in einer sauberen Prozesskammer !! Diese Sauberkeit muss über eine möglichst lange Zeit gewährleistet sein und ist ein Haupkriterium für die Uptime (Verfügbarkeit) der Anlage –> Reinigungszyklen.

Öffnen z. B.: Handlingsproblemen, Substratbruch oder Target-tausch bedingt immer Reinigungsmassnahmen:

  • Anlage von Substratbruch befreien und Rezipient mittels Hausvakuum aussaugen.
  • Prozesskammer mit möglichst partikelfreien Tuch, in Isopropanol getränkt, dort  reinigen, wo wir glatte Oberflächen haben.
  • Kammerteile, die mit einer besonderen Haftschicht gegen Abplatzen (z.B. eine besondere grobe Aluminiumschicht, wie von der Firma Cleanpart) ausgerüstet sind, nur vorsichtig absaugen! Ansonsten generieren wir Partikel ! Zur Erinnerung: Diese Haftschicht gleicht mechanische Spannungen zwischen den Kammerteilen und dem zu sputternden Material aus, das auch hierhin abgeschieden werden kann, nicht nur auf das Substrat.
  • Dichtungsringe, O-Ringe auch mit Isopropanol reinigen.

Während des Betriebes kann es von großem Vorteil sein, die Transfer-Kammer, in der Substrate eingeschleust werden, nur langsam zu belüften. Denn 100% partikelfrei klappt in der Praxis nicht, und wenn wir schnell belüften, werden noch verbliebene Partikel aufgewirbelt und landen auf den Substraten.

Targets sind Verbrauchsmaterial und müssen regelmässig gewechselt werden:

Neues Target eingebaut, was nun ?

Target vorbereiten zur Deposition, der sogenannte Reinigungs- und Konditionierungsrun:

Das Targetmaterial, eine bis zu 5mm dicke Scheibe, wird meist mit einem temperaturfesten Indiumlot auf die Halteplatte gelötet. Nach dem Lötvorgang wird der überstehende Targetrand abgeschliffen, so dass die Kupferhalteplatte mit dem Targetmaterial bündig abschliesst. Danach reinigt der Targetlieferant das komplette Target und schweisst es vakkumdicht in Folie ein. In diesem Zustand bleibt das Target beliebig lang verwendbar.

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Eingeschweisstes Target bei Lieferung.

Nach dem mechanischen Einbau des Targets und Verbindung mit seinen Anschlüssen, Wasservor- und Rücklauf sowie elektrischer Kontakte, muss das Targetmaterial erst einmal freigesputtert werden. Die Targetoberfläche ist meist durch, wenn auch sehr dünne Beläge, von Feuchtigkeit und/oder Oxid kontaminiert.

Beim DC-Sputtern erhöht man langsam die Leistung von 20% auf 100% in 10%-Schritten mit einer Zeitvorgabe von jeweils 2 Minuten. Es ist darauf zu achten, dass das Plasma stabil brennt und nicht flackert. Erst wenn es schwankungsfrei brennt, sollte die Leistung erhöht werden.

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Polierte Oberfläche eines frisch eingebauten Targets

Nach diesem „Freisputtern“ bietet das Target eine saubere Oberfläche ohne Beläge.

Es muss jedoch noch konditioniert werden. Diese Massnahme hat das Ziel, die sich anfangs sehr stark ändernde Abtragsrate in einen gleichmässigen „Abbrand“ überzuführen. Erst dadurch erhält man eine zeitlich homogene Depositionsrate. Ein sehr gutes Indiz für ein konditioniertes Target ist das stabile Strom/Spannungs-Verhältnis, dass während des Sputterns kaum schwankt. Bei unserer Anlage werden ca. 2 Stunden sputtern bei 90% der Leistung benötigt.

U/I-Kurven während der Konditionierung:

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Auf diesen Plots ist zu erkennen, wie die Spannung auf einen stabilen Wert sinkt, während der Strom steigt und dann bei einem nahezu festen Wert verbleibt. Es bildet sich bei dem Vorgang eine Kornstruktur auf der Targetoberfläche aus. Ein neues, unkonditioniertes Target hat dagegen eine fein geschliffene, ja fast polierte Oberfläche.

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Angesputtertes Target nach Konditionierung: Graben und freigelegte Kornstruktur. Die Körnigkeit der Oberfläche hat auch Einfluss auf die Struktur der abgeschiedenen Schicht.

Durch das Einfahren bildet sich auch der für Magnetrontargets typische Erosionsgraben im Targetmaterial. Während des Targetlebens wird dieser Erosionsgraben immer tiefer, bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Targetmaterial durchbrochen wird und das Indiumlot zum Vorschein kommt. Dies ist jedoch zu vermeiden, da es zu Kontamination führt. Hilfreich dafür ist ein funktionierender Betriebsstundenzähler, der bei einem richtig voreingestellten Limit eine Warnmeldung zum rechtzeitigen Targettausch anzeigt.

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Damit alles läuft, wie geschmiert: Vorbehandlung von Substraten …

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.