Dünnschichttechnik

Bei der Dünnschichttechnologie werden Materialien (dünne Schichten üblicherweise unter 1 µm) durch verschiedene Verfahren auf das Substrat aufgebracht, 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 %).

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:

1. vom physikalischen Zustand der Oberfläche des Substrates (Oberflächenrauheit)
2. von der Aktivierungsenergie für Oberflächen- und Volumendiffusion der Schichtatome
3. von der Bindungsenergie zwischen adsorbiertem Atom und Substratoberfläche

Siehe auch: Schichtwachstum

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: Dabei bilden durch ein Plasma angeregte gasförmige Monomere eine hochvernetzte Schicht auf einem Substrat.
• Atomlagenabscheidung (engl. atomic layer deposition, ALD): Die Atomlagenabscheidung ist ein stark verändertes CVD-Verfahren, bei der die Reaktion bzw. Sorption an der Oberfläche selbständig nach der vollständigen Belegung der Oberfläche stoppt. Diese selbstbegrenzende Reaktion wird in mehreren Zyklen (mit dazwischenliegenden Spülschritten) durchlaufen, so sind sehr gute Aspektverhältnisse und exakte Schichtdicken erreichbar.

Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)

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

• Thermisches Verdampfen: Beim thermischen Verdampfen wird das Aufdampfmaterial erhitzt bis es mit einer geeigneten Aufdampfrate verdampft. Dabei existieren je nach eingesetztem Verdampfer (induktiv, Widerstands- oder Elektronenstrahlverdampfer) drei „Unterverfahren“.
  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. Zur Messung und Regelung der Aufdampfrate und Schichtdicke werden häufig Schwingquarze verwendet (alternativ auch optisches Monitoring).

• 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 vom Target zu zerstäuben, d. h. es in die Gasphase zu überführen. Das entstandene gasförmige 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. Die Schichtdicke wird oft über Zeitabschaltung gesteuert.

• Ionenplattieren (engl. ion plating): Das Ionenplattieren 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 (engl. ionized cluster beam deposition, ICBD): Clusterstrahltechnik ist ein modifiziertes Aufdampfverfahren. Der zum Verdampfen verwendete Tiegel wird dabei geschlossen gehalten. Das Erhitzen des Verdampfungsmaterials erzeugt einen 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 neutrale Atomhaufen (Cluster), die sich beim Auftreffen auf der Substratoberfläche teilweise auflösen und über die Oberfläche verteilt abscheiden.

• Molekularstrahlepitaxie (engl. molecular beam epitaxi, MBE)

Galvanische Verfahren

• LIGA-Verfahren
  • Lithographie
  • Galvanik

Sol-Gel Verfahren

Hauptartikel: Sol-Gel-Schicht

Aus kolloiddispersen Lösungen können durch nasschemische Beschichtungsverfahren und anschließende Härtung anorganische und hybridpolymere Schichten hergestellt werden. Der zugrunde liegende Sol-Gel-Prozess ist als Teil der chemischen Nanotechnologie zu verstehen.

Anwendungen

• Dünnschicht-Solarzellen (amorphe Silizium-Schichten)
• Widerstandsnetzwerke und hochpräzise Einzelwiderstände
• Dehnungsmessstreifen
• Fotowiderstände
• Platin-Temperaturmesswiderstände
• Medizintechnik
• Halbleiter
• Membranen, z. B. für Mikro-Drucksensoren, Kondensator- und Elektret-Mikrofone