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Chips aus dem RUB-Labor

Chips aus dem RUB-Labor

Elektroingenieure optimieren Verfahren für die Produktion von Mikroelektronik

von Julia Weiler  

14. Juli 2014

 

Feiner strukturiert, schneller arbeitend und energiesparender. So sollten elektronische Bauteile der Zukunft beschaffen sein. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Lehrstuhl Werkstoffe und Nanoelektronik optimieren die Produktionsverfahren, um diese Ziele zu erreichen. Das Team um Prof. Dr. Ulrich Kunze beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit Chips, die auf den Halbleitermaterialien Silizium und Galliumarsenid basieren. Die Herstellung ist ein vielstufiger Prozess – viele Stellschrauben also für die Optimierung. Einige, aber längst nicht alle Stationen der Produktionskette sind hier beschrieben.

Strukturen auf dem Chip vorzeichnen: Maske für die UV-LithografieMit dem Diamant-Ritzgerät unterteilen die Forscher den Wafer in kleine Chips.Im Oxidationsofen wandeln die Ingenieure zum Beispiel einen Teil des Siliziumchips in Siliziumdioxid um.Mit dem „Mask Aligner“ richten die Ingenieure die Maske über dem Chip aus und belichten diesen durch die Maske hindurch.Mit dem Ultraschallbonder stellen die Wissenschaftler den Kontakt zwischen der Mikroelektronik und der makroskopischen Welt her.Daten eines RasterkraftmikroskopsIhor Petrov und Oliver Kreiter in der typischen Reinraumkluft am ElektronenmikroskopBei der Fotolithografie sind lichtempfindliche Substanzen im Einsatz. Weißes Licht würde sie schädigen; gelbe Folien verhindern das.In diesen Chipcarrier setzen die Ingenieure den fertig strukturierten Chip ein.Über schnelles Reiben und Erhitzen „klebt“ der Ultraschallbonder Drähte an den Kontaktflächen des Chips fest.Ein elektronisches Bauteil aus der RUB-ProduktionSelbst gebaute AufdampfanlageDie verschiedenen Labore des Reinraumtrakts benötigen eine Versorgung mit unterschiedlichen Gasen.Im Reinraum kommen verschiedene Chemikalien zum Einsatz.Mit dieser Anlage dampfen die Ingenieure Metalle auf den Chip auf, zum Beispiel auf den späteren Kontaktflächen.

Mit dem Wafer geht es los

Abb. 1

Um den Chip zu strukturieren, tragen die Ingenieure zunächst verschiedene Schichten auf. © RUBIN, Grafik: Bruno Bauch

Die Produktion eines winzigen elektronischen Bauteils beginnt mit einem sogenannten Wafer, zum Beispiel aus Silizium. Die RUB-Forscher ritzen den Wafer ein und brechen ihn in kleinere Stücke, die Chips. In vielen Schritten lassen sie anschließend eine feingliedrige elektronische Landschaft darauf entstehen. Dazu strukturieren sie zunächst den Silizium-Chip selbst; sie „gravieren“ Strukturen in das Material ein. Anschließend bauen die Ingenieure weitere Schichten auf der Oberfläche des Chips auf. So erhält dieser ein Netz an stromleitenden und isolierenden Strukturen.

Den Chip strukturieren

In einem mehrstufigen Prozess ätzen die Ingenieure Strukturen in die Oberfläche des Silizium-Chips. Dazu lassen sie zunächst bei hohen Temperaturen in einem Ofen bestimmte Gase über den Chip strömen, wodurch sich das Silizium an der Oberfläche in Siliziumdioxid umwandelt. Anschließend tragen die Forscher einen lichtempfindlichen Lack auf der Siliziumdioxidschicht auf, „Photoresist“ genannt.

Strukturen mit Masken definieren

Abb. 2

In einem mehrstufigen Prozess zeichnen die Forscher Strukturen auf den Schichten vor und ätzen diese in den Chip hinein.
© RUBIN, Grafik: Bruno Bauch

Um die Strukturen, die aus der Siliziumdioxidschicht herausgearbeitet werden sollen, „vorzuzeichnen“, nutzen die Ingenieure eine Maske aus Glas und Chrom. Die Masken stellt das RUB-Team selbst mit einem speziellen Gerät, dem „Laser Pattern Generator“, her – und zwar im saubersten Labor des Reinraumtrakts. Dieses ist ganz mit gelben Folien verkleidet, weil das Gelblicht den lichtempfindlichen Substanzen nichts anhaben kann.

Strukturen per Fotolithografie erzeugen

Durch die Maske hindurch bestrahlen die Wissenschaftler den Chip mit UV-Licht. Der verchromte Teil der Maske lässt das Licht nicht durch. Durch die Aussparungen in der Chromschicht dringt die UV-Strahlung jedoch auf den Fotolack und belichtet diesen. So übertragen die Ingenieure das Muster der Maske auf den Lack. Anschließend tauchen sie den Chip in eine Entwicklerlösung. Das wäscht den Fotolack an allen nicht belichteten Stellen ab und legt die darunter liegende Siliziumdioxidschicht frei. Es folgt ein spezieller Ätzprozess, zum Beispiel mithilfe eines Plasmas: An allen Stellen, an denen die Siliziumdioxidschicht nicht mehr durch Fotolack geschützt ist, wird sie entfernt. Gleichzeitig greift das Plasma auch das darunter liegende Silizium an und erzeugt somit eine Struktur auf der Oberfläche des Chips.

Der Ätzprozess wirkt nur auf bestimmte Teile der Siliziumoberfläche, weil einige Bereiche noch durch den belichteten Fotolack und die darunter liegende Siliziumdioxidschicht geschützt sind. Diese Schutzschicht entfernen die Forscher mit einem Lösungsmittel, das wie Nagellackentferner wirkt.

Leitende Elemente auf dem Chip aufbauen

Abb. 3

Schichten auftragen, Strukturen definieren und Material entfernen: Diese Schritte wechseln sich immer wieder ab, sodass eine ganze Landschaft aus leitenden und isolierenden Strukturen auf dem Chip entsteht.  © RUBIN, Grafik: Bruno Bauch

Um leitende Strukturen auf dem Chip aufzubauen, ist ebenfalls ein mehrstufiger Prozess erforderlich, allerdings mit einer etwas anderen Reihenfolge. Zunächst bringen die Forscher eine Schicht „Photoresist“ auf den strukturierten Chip auf. Anschließend zeichnen sie mittels Fotolithografie (siehe oben) Strukturen auf dem Fotolack vor; es entstehen belichtete und nicht belichtete Bereiche. Durch Eintauchen in eine Entwicklerlösung werden alle belichteten Bereiche des Fotolacks entfernt. Zurück bleibt ein Muster aus unbelichtetem Fotolack.

Im nächsten Schritt dampfen die Ingenieure Metallschichten, zum Beispiel aus Titan und Gold, auf den Chip auf. Mit Aceton lösen sie dann den unter der Metallschicht liegenden Fotolack ab. Dabei reißt dieser die darüber liegende Metallschicht mit herunter. Die Goldschicht bleibt also nur an den Stellen des Chips erhalten, an denen kein Fotolack vorhanden war. Auf diesem Weg erzeugen die Ingenieure zum Beispiel Kontaktflächen auf dem Chip. An diese können sie Drähte anbringen und somit den Kontakt zur makroskopischen Welt herstellen.

Kleinere Strukturen mit Elektronenstrahl-Lithografie

Mit der UV-Lithografie lassen sich nur grobe Strukturen im Mikrometerbereich erzeugen. Feinere Strukturen müssen am Elektronenmikroskop hinzugefügt werden, das dazu eine spezielle Schreibfunktion besitzen muss. Die funktioniert allerdings wesentlich langsamer als die Fotolithografie. Daher macht es Sinn, grobe Strukturen zunächst mittels UV-Licht einzuzeichnen und die Detailarbeit mit dem Elektronenmikroskop zu erledigen.

Von der Mikroebene in die makroskopische Welt

Die Mikroelektronik muss in einer makroskopischen Welt funktionieren. An die winzigen Strukturen auf dem Chip müssen die Ingenieure Drähte anschließen. Das erfolgt am Ultraschallbonder, der die Drähte über schnelles Reiben und Erhitzen auf den dafür vorgesehenen Kontaktflächen „festklebt“.

Um einen Eindruck vom Wissenschaftleralltag im Reinraum zu bekommen, schauen Sie auch in folgenden Beitrag: http://rubin.rub.de/de/unterwegs-mit

Winzige Chips

Die Chips, die die RUB-Forscher aus hochwertigen Materialien herstellen, sind typischerweise 4,5 mal 5,2 Quadratmillimeter groß.

Silizium-Ofen

Im „Silizium-Ofen“ können die Temperaturen bis zu 1.400 Grad erreichen.

Hauchdünner Fotolack

Der Fotolack auf der Siliziumdioxidschicht ist gerade einmal einen Mikrometer dick.

Sensibles Gerät

Das Gerät zur Maskenproduktion ist sehr sensibel. Interne Regulationsmechanismen halten die Temperatur um ± 0,1 Grad Celsius konstant.

UV-Lithografie

Mit der UV-Lithografie können die Ingenieure Strukturen im Mikrometerbereich auf dem Chip entstehen lassen.

Ein viertel Gramm Gold

Bei einem Aufdampfprozess wird etwa ein viertel Gramm Gold „verbraucht“; das meiste schlägt sich auf den Wänden der Anlage nieder, nur etwa 50 Mikrogramm erreichen den Chip.

Elektronenstrahl-Lithografie

30 Nanometer klein können die Strukturen sein, die das Elektronenmikroskop auf den Wafer schreibt.

Geduldsarbeit

Wenn der Draht im Ultraschallbonder reißt, muss er wie bei einer Nähmaschine neu eingefädelt werden. Das kann eine zeitaufwendige Aufgabe sein.

Kontakt zum Fachbereich

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Kunze
Lehrstuhl für Werkstoffe und Nanoelektronik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Ruhr-Universität Bochum
44780 Bochum
Tel. 0234/32-22300
E-Mail: ulrich.kunze@rub.de

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