Schichtabscheidung via PVD: Der Teufel steckt im Detail …

Das Grundprinzip, nach dem Schichten mit PVD-Abscheidung erzeugt werden können, wurde bereits erklärt.

Der Teufel steckt aber, wie immer im Detail – das macht auch den Unterschied zwischen Theorie und Praxis aus.

  • Zuerst muss man sich darüber im Klaren sein, wofür die Schicht oder auch ein Gefüge aus Einzellagen zum Einsatz kommen soll.
  • Das Mass an Anforderungen an den Prozess und damit auch die benötigte Anlagentechnik wird wesentlich davon bestimmt.
  • Es gibt sehr unterschiedliche Anwendungen für PVD-Schichten, für die eine Optimierung des Grundprozesses Vorraussetzung ist.
  1. Hilfs-Layer – nicht permanent oder permanent auf dem Substrat
  2. Veredelungs-Layer als Finish
  3. Schicht als Schritt in einer Prozessfolge
  4. Schichtgefüge aus mehreren Lagen unterschiedlichen Materials, die unmittelbar hintereinander aufgebracht werden

Alle Schichten können auch reaktiv erzeugt werden, d.h. dem Sputtergas wird eine chemisch wirksame Komponente beigefügt, z.B. N oder O.

Anforderungen im Einzelnen:

Hilfslayer sind häufig Opferschichten, die als vorrübergehende Abdeckung/Schutz oder Haftvermittler für weitere Prozessschritte dienen. Deren wichtige Eigenschaften liegen meistens im optischen Bereich, und einer genügenden Dichtigkeit bereits bei dünnen Lagen. Häufig ist es z.B. irrelevant, welchen elektrischen Widerstand sie aufweisen.

  • Gute Haftung zum Untergrund
  • Dichtigkeit gegenüber einem Ätzreagenz
  • optische Dichte, Reflektivität
  • Entfernbarkeit, ohne Reste und Schädigung des Substrates
  • Anlagenparameter die das stabile Abscheiden von sehr dünnen Lagen im nm-Bereich erlauben

Veredelungs-Schichten sollen ihre gewünschten Eigenschaften im optischen und mechanischen Bereich aufweisen – z.B. Antireflexions-Vergütungen oder härtende und passivierende Überzüge. Es ist der häufigste Anwendungbereich für reaktiv abgeschiedene Schichten, z.B. TiN oder WC. Auch dekorative Layer für Schmuck fallen in diese Kategorie.

Charakteristika:

  • Dichtigkeit gegenüber korrosiven Einflüssen
  • Gute Haftung zum Untergrund
  • optische Dichte,
  • Reflektivität,
  • Farbe
  • Niedrige Schichtspannung
  • Abriebfestigkeit
  • Einstellbare Textur

Schichtabscheidung als Einzelschritt einer Prozessfolge, um eine Komponente des späteren Produkts zu generieren. Der einfachste Fall ist die oben erwähnte Finish-oder Vergütungs-Schicht.

Meistens werden aber mehrere Lagen auch unterschiedlichen Materials aufgebracht, die dann noch strukturiert werden. Diese Anwendung des PVD-Abscheidens ist einer der Kernprozesse im Halbleiter-Herstellungsverfahren, wobei PVD hier zur Deposition von leitenden Schichten verwendet wird. Deren Merkmale und Herausforderungen werden in dieser Artikelserie auch den Schwerpunkt bilden. Als Material für solche Schichtsysteme kommen in erster Linie alle für den Gesamtprozess verträglichen Metalle in Frage.

Einfachste Anordnung: Metalllage auf oxidierter Oberfläche oder einem anderen Isolator, sie wird dann strukturiert, um ein Leitbahnnetz zu erzeugen.

Regelfall: Metallschicht, die strukturiert werden und dann über Vias in einer isolierenden Zwischenlage zu einer weiteren Metalllage elektrischen Kontakt herstellen soll (z.B: Metall 1/2 bei einem CMOS – Prozess).

Schichtgefüge: Elektrisch verbindende Diffusionsbarriereschicht, die zwischen Halbleitermaterial und der ersten Leitbahnschicht eingebracht wird. Sie verhindert das unerwünschte Durchlegieren zwischen Metall und Halbleiter, da Si und das häufig verwendete Aluminium eine gegeseitige Löslichkeit besitzen. Bei hoher Stromdichte in z.B. Kontaktlöchern wird führt dieser Effekt zu Kontaktloch-Elektromigration, welche Kurzschlüsse verursachen kann.

Auf diese wird dann die eigentliche Leitbahnschicht aufgebracht.

Chrakteristische Merkmale solcher Schichten:

  • Gute Haftung zum Untergrund
  • Niedriger elektrischer Schichtwiderstand
  • Schichtdicken im Bereich von 10nm-1 µm.
  • Homogenität der Schichtdicke: Leiterbahnen dürfen z.B. nicht unterschiedliche Dicken aufweisen. Nachfolgende Strukturierungsprozesse brauchen ebenfalls gleichmässige Schichtstärken.
  • Stabilität der Schicht gegenüber thermischen und mechanischen Nachfolgeprozessen. Gefügestabilität: Fliess- bzw. Migrationsverhalten z.B. bei nachfolgenden Temperprozessen.
  • Niedrige Schichtspannung, bei falschen Parametern kann Ablösung erfolgen.
  • Leichte Entfernbarkeit ohne Reste zu hinterlassen, für nachfolgende Ätzprozesse wichtig.
  • Bei Diffusionsbarrieren ist ein wesentliches Merkmal die Dichtigkeit gegenüber Materialwanderung. Für solche Schichten muss häufig reaktiv abgeschieden werden, um ein Material mit der notwendigen Textur zu erzeugen. Hier finden sich häufig Verbindungen, wie sie schon bei den Veredelungsschichten erwähnt wurden.
  • Anpassung der Abscheidungsparameter an Substrate mit Topographie, z.B. das Verfüllen von Gräben und Löchern ohne Lunker.  Oder genug Seitenwandbedeckung ohne Abschatteffekte bei Lines&Spaces.

Im Folgenden werden die einzelnen technischen Methoden und deren Probleme und Randbedingungen ausführlicher beschrieben. Auch auf Anforderungen an die Anlagentechnik wird eingegangen.

large-gear-sphere-rotation
Animation:taffgoch

Jeder Einzelschritt muss sich harmonisch einfügen, sonst funktioniert die Prozessgesamtheit nicht.

 

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 …