Dünnschichttechnologie

Bei der Dünnschichttechnologie werden Materialien (dünne Schichten üblicherweise unter 1 µm) durch verschiedene Verfahren auf das Substrat (zum Beispiel als Entspiegelung bei Brillengläsern oder auf Silizium-Wafern) aufgebracht, oder um anschließend bearbeitet bzw. strukturiert zu werden.

Die Abscheidung der Schichten erfolgt meist über Verfahren der physikalischen (PVD, z. B. thermisches Verdampfen oder Sputtern) und chemischen Gasphasenabscheidung (CVD).

Die Strukturerzeugung kann durch die in der Halbleiterfertigung üblichen Verfahren (Masken, Lithografie) oder besonders auch Elektronenstrahlbearbeitung erfolgen.

Mittels Elektronenstrahl wird oft auch ein Abgleich von Widerständen vorgenommen, wodurch sich höchste Genauigkeiten erreichen lassen (0,1 %).

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Abgrenzung

Sogenannte Dünne Schichten (<1 µm) werden in vielen Bereichen (Optik, Katalysatoren, ICs, zylindrische Widerstände, Kondensatorfolien, Verpackung) eingesetzt. Der Begriff Dünnschicht-Technologie wird jedoch üblicherweise nur für ebene elektronische Bauteile und Schaltkreise aus „Dünnen Schichten“ auf Isolator-Substraten angewendet.

Die sogenannte Dickschichttechnologie verwendet ebenfalls Isolator-Substrate; Widerstände und Leiterbahnen werden jedoch mittels gedruckter und gebrannter sog. Glasfritten (Pulvergemisch aus Metall und Glas) hergestellt. Dünnschichttechnologie umfasst demgegenüber nicht nur additive Prozesse wie Sputtern, sondern auch subtraktive Prozesse wie Ätzen oder sog. „Lift-off“-Verfahren. Auch auf die Bedeutung der Reinigungsverfahren sei hingewiesen.

Additive Verfahren

Die Qualität einer Dünnschicht hängt von drei Faktoren ab:

• vom physikalischen Zustand der Oberfläche des Substrates (Oberflächenrauheit)
• von der Aktivierungsenergie für Oberflächen- und Volumendifussion der Schichtatome
• von der Bindungsenergie zwischen adsorbierten Atom und Substratoberfläche

Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)

PVD-Verfahren beruhen im Gegensatz zu CVD-Verfahren auf rein physikalischen Wirkungsverfahren.

Thermisches Verdampfen

Beim thermischen Verdampfen wird das aufzutragende Material erhitzt und verdampft. Die verdampften Atome oder Moleküle bewegen sich in Richtung des Substrats, an dessen Oberfläche sie kondensieren (Schichtbildung). Um die Abscheidung von qualitativ hochwertigen und homogenen Schichten zu gewährleisten, ist es notwendig den Raum zwischen Verdampfer und Substrat möglichst materiefrei (d. h. Vakuum) zu halten. Wechselwirkungen (meist Stöße) der Teilchen mit Restgasatomen können diese binden oder so streuen, dass die Reproduzierbarkeit der Beschichtung nicht gewährleistet werden kann.

Das Aufdampfmaterial wird in Schiffchen (etwa aus Molybdän oder Wolfram), in Einsätze aus etwa Aluminiumoxid, Molybdän, Grafit in einem gekühlten Kupfertiegel bereitgestellt. Das Aufdampfen selbst geschieht oft durch Stromdurchfluss durch ein Schiffchen (Widerstandsverdampfer) oder Wolfram-Aufdampfspiralen, Induktionsheizung oder durch direkten Elektronenbeschuss mit einer Elektronenkanone. Um die Schichtdicke auf dem Substrat messen zu können, werden häufig Schwingquarzen benutzt.

Sputterdeposition

Beim Sputtern (auch Kathodenzerstäuben genannt) werden durch Ionenbeschuss Teilchen von der Oberfläche abgetragen. Durch dieses Verfahren kann die Oberfläche z. B. von Oxiden oder Wasser, die durch die Herstellung, Verarbeitung oder Lagerung in das Material gelangt sind, gereinigt werden.

In der Dünnschichttechnik wird dieser physikalische Vorgang auch genutzt, um Material von Target zu zerstäuben, d. h. es in die Gasphase zu überführen. Das entstandene gasfömige Material wird anschließend auf das zu beschichtende Substrat geführt und kondensiert dort. Dieses Beschichtungsverfahren wird Sputterdeposition genannt und hat gegenüber dem Aufdampfen den Vorteil, auch Legierungen im "gleichen Verhältnis" auf den Wafer zu übertragen. Dabei muss allerdings beachtet werden, dass unterschiedliche Materialien unterschiedliche Sputterkoeffizienten besitzen, sich also unterschiedlich gut zerstäuben lassen.

Ionenplattieren

Das Ionenplattieren (engl. ion plating) ist ein vakuumbasiertes und plasmagestütztes PVD-Verfahren für Metalle und Metallverbindungen. Dabei wird verdampftes Metall (z. B. durch Bogenentladung) in ein Plasma geführt. Dort ionisiert ein Teil der Metalldampfwolke und wird in Richtung des Substrates beschleunigt. Die Metallionen bilden an der Substratoberfläche eine Schicht aus, die am Anfang zusammen mit dem Substratmaterial durch den ständigen Beschuss durch Metallionen rückgesputtert wird.

Clusterstrahltechnik (ICBD)

Clusterstrahltechnik (engl. ionized cluster beam deposition, ICBD) ist ein modifiziertes Aufdampfverfahren. Der zum Verdampfen verwendet Tiegel wird dabei geschlossen gehalten. Das Erhitzen des Verdampfungsmaterials erzeugt ein Überdruck im abgeschlossenen Tiegel. Wird dieser Dampf durch eine Düse abgelassen, so kommt es durch eine adiabatische Expansion zu einer plötzlichen Abkühlung. Es bilden sich neutralen Atomhaufen (Cluster), die beim Auftreffen auf der Substratoberfläche sich teilweise auflösen und über die Oberfläche verteilt abscheiden.

Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)

Hauptartikel: Chemische Gasphasenabscheidung (inkl. Varianten)

Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist eine Gasphasenreaktion (meist an oder in der Nähe der Substratoberfläche). Dabei werden die Reaktionsgase gleichzeitig in die Reaktionskammer mit dem zu beschichtenden Substrat geleitet. Die meist vorgeheizten Gase werden durch das beheizte Substrat thermisch aktiviert und reagieren miteinander. Dabei wird das erwünschte Material abgeschieden und chemisch gebunden (Chemisorption).

Neben unzähligen CVD-Varianten, die sich in Arbeitsdruck und anderen Prozessparametern unterscheiden, existieren noch einige Beschichtungsverfahren die mehr oder weniger stark modifizierte CVD-Verfahren darstellen:

Plasmapolymerisation

Bei der Plasmapolymerisation bilden durch ein Plasma angereget gasförmige Monomere eine hochvernetzte Schichten auf einem Substrat.

Atomlagenabscheidung

Die Atomlagenabscheidung (engl. atomic layer deposition, ALD) ist ein stark verändertes CVD-Verfahren, bei der die Reaktion bzw. Sorption an der Oberfläche selbständing nach der vollständigen Belegung der Oberfläche stoppt. Diese selbstbegrenzende Reaktion wird in mehreren Zyklen (mit dazwischenliegenden Spülschritten) durchlaufen, so sind sehr gute Aspektverhältnise und exakte Schichtdicken erreichbar.

Galvanische Verfahren

• LIGA-Verfahren
  • Lithographie
  • Galvanik

Anwendungen

• Dünnschicht-Solarzellen (amorphe Silizium-Schichten)
• Widerstandsnetzwerke und hochpräzise Einzelwiderstände
• Dehnungsmessstreifen
• Fotowiderstände
• Platin-Temperaturmesswiderstände
• Medizintechnik
• Halbleiter
• hochpräzise Membrane, z. B. für Mikrodrucksensoren