Lehrbuch Mikrotechnologie (eBook)

Geleitwort 6
Vorwort 7
Inhaltsverzeichnis 8
1Arbeitswelt der Mikrotechnologinnen und Mikrotechnologen 19
1.1Die Geschichte der Mikrotechnologie 19
1.2 Anwendungsgebiete der Mikrotechnologie 21
1.3Tätigkeitsbereiche von Mikrotechnologinnen und Mikro­technologen 23
1.4Anforderungen an Mikrotechnologinnen und Mikrotechnologen 25
1.5Die duale Berufsausbildung 28
1.6Die grundlegenden Ziele der Ausbildung 30
1.7Die Verantwortung für die Ausbildung 32
1.8 Weiterbildungsmöglichkeiten für ausgebildeteMikrotechnologinnen und Mikrotechnologen 33
1.9 Aufgabenpool 34
2 Werkstoffe in der Mikrosystemtechnik 37
2.1Einführung 37
2.2Silicium 41
2.2.1 Herstellung von Reinstsilicium inklusive Kristallzüchtung, Herstellung von elementaremSilicium/Metallurgical Grad Silicon (MGS) 42
2.2.2Waferherstellung 49
2.2.3 Geometrie der Festkörper 53
2.2.3.1Kristallgitter 54
2.2.3.2Kristallfehler 56
2.2.4Chemisches Verhalten von Silicium und seinen Verbindungen 59
2.3Verbindungshalbleiter 61
2.4Metallische Werkstoffe 64
2.4.1Verschiedene Arten der Metalle 64
2.4.2Physikalische Eigenschaften 65
2.5Amorphe Werkstoffe 66
2.5.1Kunststoffe 66
2.5.1.1Herstellung von Kunststoffen 68
2.5.1.2Eigenschaften von Kunststoffen 69
2.5.1.3Anwendungen von Kunststoffen 70
2.5.2Keramiken 70
2.5.3Gläser 71
2.6Aufgabenpool 72
3 Leitungsvorgänge in ausgewählten Werkstoffen 75
3.1Spezifischer Widerstand und elektrische Leitfähigkeit 75
3.2Eigenleitfähigkeit und Störstellenleitung 79
3.3Bändermodell 81
3.4Aufgabenpool 83
4Aufbau und Funktionsweise elektrischer und elektronischer Bauelemente 85
4.1Elektrische Widerstände 85
4.2Kondensator 88
4.3Spulen 93
4.4Dioden 95
4.5Bipolare und unipolare Transistoren 101
4.5.1Bipolare Transistoren 101
4.5.2Unipolare Transistoren 104
4.6Speicherzellen 106
4.7Operationsverstärker (OP) 109
4.8Solarzellen 112
4.9Aufgabenpool 114
5 Bedingungen für die Fertigung 117
5.1Reinraumtechnik 117
5.1.1Partikel 118
5.1.2Reinraumklassen 120
5.1.3Grundlagen Reinraumaufbau 123
5.1.4Verhalten im Reinraum 126
5.1.5Reinraumbekleidung 127
5.2Reinraumluftversorgung und -entsorgung 128
5.2.1Klimatechnik und ihre Komponenten 129
5.2.2Prozessfortluftsysteme 132
5.3Ver- und Entsorgung 133
5.3.1Reinstmedientechnik 134
5.3.2Neutralisation 143
5.3.3Vakuumtechnik 144
5.4Umgang mit Gefahrstoffen 153
5.5ESD 156
5.6Aufgabenpool 158
6Qualitätsmanagement 161
6.1Worum geht es beim Qualitätsmanagement? 161
6.1.1Definitionen 161
6.1.2Denken in Prozessen und kontinuierliche Verbesserung 162
6.2Wofür Qualitätsmanagement? 165
6.3Das QM-System 166
6.3.1Regelwerk zur Erfüllung der Qualitätsanforderungen 166
6.3.2Dokumentation des QMS 168
6.3.3Die Norm als Messlatte 171
6.3.4 Überprüfung der Wirksamkeit durch Audits 174
6.3.5Zertifizierung eines QMS 177
6.4QM beim Management von Ressourcen 179
6.4.1Personelle Ressourcen 179
6.4.2 Prüfmittelüberwachung 181
6.5QM in der Produktion 183
6.5.1Prozessplanung 183
6.5.2Prozessentwicklung 184
6.5.3Prozesskontrolle 185
6.5.4Gesamtprozess 185
6.5.5Lenkung fehlerhafter Produkte 186
6.5.6Korrekturmaßnahmen und Kundenreklamationen 187
6.6Q-Werkzeuge zur Vorbeugung 188
6.6.1Ursache-Wirkungs-Diagramm 188
6.6.2Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) 188
6.6.3 Q-Zirkel und Co. 190
6.6.4 5A-Aktion 191
6.7Q-Werkzeuge zur Datenauswertung 192
6.7.1Datensammelblatt 192
6.7.2Histogramm 193
6.7.3Pareto-Diagramm 193
6.8 Q-Werkzeug zur Prozess-Steuerung: StatistischeProzesssteuerung (SPC) 194
6.9Aufgabenpool 203
7Mess- und Prüfverfahren 207
7.1Messung von Strukturbreiten – Mikroskopie 207
7.1.1Auge, Lupe 207
7.1.2Lichtmikroskop 209
7.1.3Elektronenmikroskop 212
7.1.4Rasterkraftmikroskop 214
7.1.5Kristallstrukturanalyse 214
7.2Messung von Schichtdicken und Oberflächen 215
7.2.1Profilometer (mechanisch) 215
7.2.2Schwingquarz 216
7.2.3 Reflexionsspektroskopie 216
7.2.4Ellipsometrie 219
7.2.5Interferometrie 219
7.2.6Profilometer – (optisch) 221
7.3Weitere Mess- und Prüfverfahren 222
7.3.1Vierspitzenmessung 222
7.3.2Röntgenmikroskopie 224
7.4Aufgabenpool 228
8Vom Ausgangsstoff zum Endprodukt 231
8.1Allgemeiner Produktionsablauf 231
8.2Produktionsablauf der Halbleitertechnik 233
8.3 Produktionsablauf des oberflächenmikromechanischen Beschleunigungssensors 235
8.4 Produktionsablauf des bulk-mikromechanischen Drucksensors 238
8.5Aufgabenpool 241
9Wafereingangskontrolle und Spezifikationen 243
9.1 Einleitung 243
9.2 Parameter zur Waferspezifikation 243
9.3 Mechanisch-physikalische Parameter bei der Waferherstellung 244
9.4 Praktisches Anwendungsbeispiel an einem 6?-Si-Wafer (150 mm) 245
9.5 Arten von Wafern in der Produktiom/Halbleiterfertigung 247
9.6Bogen/Durchbiegung und Stress als kritische Parameter für die Produktion 248
9.7Leitfähigkeitsüberprüfung nach SPC 251
9.8 Aufgabenpool 253
10Beschichtungstechnologien 257
10.1Thermische Oxidation 257
10.1.1Trockene Oxidation 258
10.1.2Feuchte Oxidation 259
10.1.3Lokale Oxidation von Silicium 260
10.2Beschichtungsverfahren aus der Gasphase 262
10.2.1Physikalische Gasphasenabscheidung 262
10.2.2Chemische Gasphasenabscheidung 266
10.2.3Epitaxie 269
10.3Galvanik und stromlose Abscheidung 272
10.3.1Galvanik 272
10.3.2Außenstromlose Abscheidung 274
10.4Aufgabenpool 279
11Photolithographie 281
11.1Einführung in die Lithographie 281
11.1.1Moore’s Law, die treibende Kraft 282
11.1.2Prozessübersicht der Photolithographie 283
11.2 Vorbehandlung 285
11.2.1Das Spin-On-Verfahren 287
11.2.2Der Box-Primer-Prozess 287
11.2.3Single Wafer Hot Plate 288
11.3Belackung 290
11.3.1Die Erfindung des Photolacks 290
11.3.2Positiv- oder Negativlack 290
11.3.3Bestandteile des Photolacks 291
11.3.4Beschichtungsverfahren 295
11.4Belichtung 300
11.4.1Rehydrieren 300
11.4.2Absorption von Licht im Lack 301
11.5Entwicklung 304
11.5.1Entwicklerprozess 304
11.5.2UV-Cure 308
11.5.3Reaktionen beim Entwickeln 309
11.5.4Kenngrößen der Entwicklung 310
11.6Spezielle Lacke 312
11.6.1Dicke Lacke 312
11.6.2Umkehrlacke – Lift-Off-Prozess 313
11.6.3Negativlack 315
11.6.4Deep Ultra Violet Resist 317
11.7Optik – Grundlagen 319
11.7.1Beugung am Spalt 320
11.7.2Auflösung nach Ernst Abbe 321
11.7.3Tiefenschärfe 322
11.8Belichtungsverfahren 323
11.8.1Kontaktbelichtung 323
11.8.2Proximity-Belichtung 324
11.8.3Projektionsbelichtung 328
11.8.4Röntgenlithographie 338
11.9Aufgabenpool 340
12Ätzprozesse 343
12.1 Einführung in das Thema Ätzen: Geschichtliches 343
12.2 Grundlagen Ätzen 344
12.3 Waferreinigung 346
12.4Nasschemisches Ätzen 348
12.4.1Ätzverfahren: Tauch- und Sprühätzen 350
12.4.2Isotropes Ätzen von Metallen und Silicium (Si) 350
12.4.3 Anisotropes Ätzen von Si 352
12.5 Physikalische Trockenätzverfahren 354
12.5.1Sputterätzen 356
12.5.2Ionenstrahlätzen 359
12.5.3 Focused Ion Beam (FIB) 360
12.6 Chemisches Trockenätzverfahren: Plasmaätzen 361
12.7 Physikalisch-chemische Trockenätzverfahren 364
12.7.1 Reaktives Ionenätzen (RIE) und reaktives Ionentiefenätzen(DRIE) 365
12.7.2 Reaktives Ionenstrahlätzen(RIBE)/chemisch unterstütztes Ionenstrahlätzen (CAIBE) 368
12.8 Aufgabenpool 368
13Dotierung 371
13.1Anwendung der Dotierung 371
13.1.1Piezoresistiver Kraftsensor 371
13.1.2pn-Übergänge 373
13.2Änderung der elektrischen Leitfähigkeit von Silicium 373
13.3Dotierstoffe 374
13.4Dotierprozesse 374
13.4.1Diffusion 374
13.4.2Ionenimplantation 390
13.4.3Legierungsverfahren 395
13.4.4Zusammenfassung 397
13.5 Aufgabenpool 397
14Fertigstellung mikrotechnischer Produkte 401
14.1Waferbearbeitung 401
14.1.1 Rückseitenmetallisierung 402
14.1.2Verringerung der Scheibendicke 403
14.1.3Trennen 403
14.2Chipmontage und Wafermontage 407
14.2.1Chipbonden 408
14.2.2 Waferbonden 411
14.3Drahtbonden 416
14.3.1 Ultraschallbonden 416
14.3.2 Thermokompressionsbonden 418
14.4Gehäuse 421
14.5Substrat- und Leiterplattentechnik 424
14.5.1 Leiterplattentechnik 425
14.5.2 Keramiksubstrat 429
14.5.3 Dickschichttechnik 430
14.6Montagetechniken und Montagetypen 433
14.6.1 Lead Frame 434
14.6.2 Chip on Board (COB) 435
14.6.3 Ball Grid Array (BGA) 435
14.6.4 Flip Chip (FC) 435
14.6.5 Tape Automated Bonding (TAB) 436
14.7Montageprozess – Löten 437
14.7.1 Montageprozess am Beispiel des Lötens von Bauteilen 438
14.7.2 Lesen eines Phasendiagramms 438
14.7.3 Lot aufbringen 440
14.7.4 Lot schmelzen 441
14.8Qualitätskontrolle 448
14.8.1 Drahtabrisstest = Pulltest 448
14.8.2 Schertest (shear test) 451
14.8.3 Querschliffe (cross section) 453
14. 9 Aufgabenpool 453
15Prozessintegration 457
15.1Leuchtdiode 457
15.2Solarzelle 466
15.3Bipolarer Transistor 478
15.4CMOS 481
15.5Mikro-Scannerspiegel 485
15.6 Aufgabenpool 491
16Mikrosysteme 493
16.1Sensoren 493
16.1.1Beispiele für den Einsatz von Sensoren 493
16.1.2Kapazitive Sensoren 495
16.1.3Magnetfeldsensoren 501
16.1.4Temperatursensoren 503
16.1.5Piezoresistive Sensoren 506
16.1.6Sensoren auf der Basis von Frequenzänderungen 514
16.2Aktoren 516
16.2.1Definition 517
16.2.2Festlegung auf einige Begriffe 518
16.2.3Skalierungsgesetze 519
16.2.4 ElektrostatischesAktorprinzip 521
16.2.5Piezoelektrisches Aktorprinzip 526
16.2.6 Aktoren auf Basis des Formgedächtnis-Effektes 530
16.2.7Elektromagnetisches Aktorprinzip 534
16.3Aufgabenpool 538
17Optische Mikrosysteme 541
17.1Lichtemittierende Systeme 541
17.1.1Leuchtdioden (LEDs) 541
17.1.2Laserdioden 545
17.1.3Organische Leuchtdioden 547
17.2Lichtleitende Systeme 552
17.2.1Wellenleiter 552
17.2.2Mikrooptische Ringresonatoren 555
17.2.3Photonische Kristalle 559
17.3Lichtmodulatoren 561
17.3.1Mikrospiegelmatrizen 561
17.3.2Deformierbare Spiegel 566
17.3.3Scannerspiegel 570
17.3.4Scanner-Beugungsgitter 575
17.4Lichtdetektoren 579
17.4.1Photodioden 579
17.4.2CCD-Bildsensoren 585
17.4.3CMOS-Bildsensoren 588
17.4.4Mikrobolometer 590
17.5Aufgabenpool 592
18 Gedruckte Elektronik 595
18.1 Überblick 595
18.2 Warum gedruckte Elektronik? 596
18.3 Funktionsweise grundlegender elektronischer Bau-elemente 603
18.3.1 Überblick 603
18.3.2 Die Diode 603
18.3.3 Der Feldeffekttransistor 606
18.4 Materialien der gedruckten Elektronik 613
18.4.1 Grundvoraussetzungen bei Materialien für gedruckteElektronik 613
18.4.2 Substrat 613
18.4.3 Isolator 614
18.4.4 Halbleiter 616
18.4.5 Leiter 619
18.5 Materialabscheidung 621
18.5.1 Grundlagen 621
18.5.2 Abscheidemethoden 623
18.6Anwendungsgebiete für gedruckte Elektronik 628
18.7Aufgabenpool 629
Sachwortverzeichnis 651

Vorwort (S. 6-7)

Dieses Lehrbuch ist das Ergebnis der Zusammenarbeit von Lehrkräften an Berufsschulen in Berlin, Dortmund, Dresden, Erfurt, Heilbronn, Itzehoe und Regensburg, Dr. Claudia Kalisch (Universität Magdeburg) und Sabine Globisch (VDI/VDE Innovation + Technik GmbH). Die Idee zu diesem Lehrbuch entstand in den vom BMBF zwischen 2002 und 2007 geförderten Aus- und Weiterbildungsnetzwerken für die Mikrosystemtechnik. Im Jahr 2009 trafen sich die Herausgeber erstmals, um das Projekt „Lehrbuch Mikrotechnologie“ zu starten. In den folgenden zahlreichen Workshops wurde die Gesamtkonzeption entwickelt und mit den Autorinnen und Autoren abgestimmt. Seit Einführung des Ausbildungsberufs im Jahr 1998 nutzen die Lehrkräfte und Ausbilderinnen und Ausbilder Hochschullehrbücher und Skripte sowie selbst aufbereitete Materialen für den Unterricht.

Das hier vorliegende Lehrbuch bietet Inhalte zu den 13 Lernfeldern der theoretischen Ausbildung, wobei wichtige und typische Arbeitsprozesse erstmals vollständig dargestellt werden. Gleichwohl soll das Lehrbuch nicht die Funktion eines Kompendiums übernehmen. Der inhaltliche Schwerpunkt liegt insbesondere auf den Themen der Prozesstechnologien der beiden Ausbildungsschwerpunkte Mikrosystemtechnik (MST) und Halbleitertechnik (HLT). Ausgehend von der Arbeitswelt der Mikrotechnologinnen und Mikrotechnologen (Kapitel 1) werden in den nachfolgenden Kapiteln 2 bis 4 wesentlichen Grundlagen zu Werkstoffen, Leitungsvorgängen und elektronischen Bauelementen betrachtet.

Die Kapitel 5 bis 7 bieten relevante Grundlagen für Fertigung, Qualitätssicherung und Prüfverfahren. In den nachfolgenden Kapiteln 8 bis 13 werden typische Prozesstechnologien vorgestellt und die Kapitel 14 bis 18 beleuchten Produktionsabläufe und Anwendungsfelder, die breit genutzt werden und teilweise Schnittstellen zu anderen Technologien darstellen. Dieser Überblick der 18 Kapitel macht die thematische Breite und Tiefe der Mikrotechnologie deutlich, weswegen sich die Herausgeber dazu entschlossen haben, Fachautorinnen und Fachautoren aus Hochschulen, Forschungseinrichtungen und Ausbildungsinstitutionen zur Mitarbeit einzuladen und sie insbesondere durch didaktisch-methodische Aufbereitung zu unterstützen.

Das Layout des Buches soll zum Selbststudium einladen, Piktogramme und Symbole dienen der Benutzer führung. Die Herausgeber haben sich darauf verständigt, die Schreibweise zentraler Fachbegriffe der Schreibweise in der Fachwelt anzupassen. Die Arbeitsaufgaben am Ende eines jeden Kapitels unterstützen die Lernkontrolle. Entsprechend finden sich die Lösungen auf der Webseite www.lehrbuch-mikrotechnologie.de.

Der Dank der Herausgeber gilt allen Fachautorinnen und Fachautoren für eine Vielzahl konstruktiver, fachlicher Diskussionen und ihrer Arbeit an den Manuskripten sowie allen Personen und Organisationen für das Material, das sie freundlicherweise für dieses Buch zur Verfügung gestellt haben. Für die unermüdliche Bildrechterecherche und die Unterstützung, die sie der Autorenschaft gewährten, sei Claudia Brandt, Daniel Wunderlich, Janina Lehmann und Iris Eckardt gedankt sowie Oliver Knebusch für den Entwurf der Piktogramme. Schließlich danken die Herausgeber Vassilen Iotzov für den wirklich umfassenden Service bei Layout, Grafik und Satz sowie Christine Fritzsch und Katrin Wulst vom Verlag für Rat, Tat und Geduld.

Berlin, August 2011
Die Herausgeber