14 Externe wissenschaftliche Einrichtungen
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Item Open Access Titannitrid- und Titan-Schichten für die Nano-Elektromechanik(2007) Pritschow, Marcus; Höfflinger, Bernd (Prof. Dr.)Auf dem Gebiet der mikro- und besonders der nanoelektromechanischen Systeme (MEMS/NEMS) gibt es viele neue Entwicklungen. In Kombination mit metallischen Funktionsschichten, die monolithisch in die Metallisierungsebenen von CMOS-Schaltkreisen integriert werden, haben sie großes Potenzial für neue Anwendungen. Entscheidend für diese Integration sind Materialien, die kompatibel zu den CMOS-Fertigungsprozessen sind und gute mechanische und elektrische Eigenschaften besitzen. Aus diesem Grund sind Titan und speziell Titannitrid (TiN) attraktive Werkstoffe. Sie werden hauptsächlich als Diffusionsbarriere in der Aluminium- und Kupfermetallisierung oder als Antireflexionsschicht in der optischen Lithographie eingesetzt. Über die Wechselwirkung unterschiedlicher Herstellbedingungen auf die Materialeigenschaften in mikro- und nanomechanischen Anwendungen ist aber bisher wenig veröffentlicht. In der vorliegenden Arbeit wurde das DC-Magnetron-Sputtern von dünnen Titan- und TiN-Schichten systematisch untersucht. Ein Schwerpunkt war die Fragestellung, wie die Schichtspannung und der spezifische Widerstand über einen weiten Bereich mit den Sputterparametern kontrolliert werden kann. Allgemein wurde festgestellt, dass ein Kompromiss zwischen geforderter Schichtspannung und elektrischem Widerstand der gesputterten Materialien geschlossen werden muss. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein zweistufiger Abscheideprozess entwickelt, der sich als vielversprechend für die Einstellung und Kontrolle der Materialspannungen erwiesen hat. Dieser Prozess wurde zur Fertigung von strukturierten Mikrobalken mit verschiedenen Kombinationen aus Titan und Titannitrid eingesetzt und getestet. Die Möglichkeit, Zugspannungen in reinem Titan zu erzeugen, stellte ein zuverlässiges Mittel zur Kompensation der Druckspannungen des Titannitrids dar. Je nach Verhältnis der Schichtdicken im Zweischichtsystem konnten damit die resultierenden Spannungen zwischen Zug und Druck eingestellt werden. Das ermöglicht Mikroaktuatoren mit maßgeschneiderten elektromechanischen Eigenschaften. Als Beispiel wurden elektrostatische Schalter aus Mikrobalken mit einer Dicke von 100 nm und einer Breite von 500 nm hergestellt, die Grundelemente hochintegrierter elektromechanischer Nanorelais sein können.Item Open Access Membran- und Struktur-Ätzprozesse für großflächige Projektionsmasken in der Nanolithografie(2003) Letzkus, Florian; Höfflinger, Bernd (Prof. Dr. rer. nat.)In der vorliegenden Dissertation wurden neuartige Membran- und Struktur-Ätzprozesse für Loch-masken (Stencilmasken) und Si- bzw. Si3N4-Membranmasken mit strukturiertem Al-Metallabsorber entwickelt. Prozesse von grundsätzlicher Bedeutung für die Herstellung von mikromechanischen Bauteilen und Membranmasken sind erarbeitet worden. Si-Stencilmasken für die Ionen-Projektions-Lithografie (IPL) und Ionen-Projektions-Direkt- Strukturierung (IPDS) von Magnetspeicherschichten wurden in einem 150mm Wafer-Flow-Prozess gefertigt. Ein völlig neuer Ansatz lag dabei in der Verwendung von SOI Wafern als Ausgangsmaterial für die Maskenherstellung. Mit Hilfe der Elektronenstrahllithografie wurde die Lackmaske strukturiert; anschließend die Strukturen mit einem Trockenätzprozess in die SOI Schicht übertragen. Dieser Trockenätzprozess wurde mit einer SF6/C4F8 Gas Chopping Ätz Technik (GCÄT) bis auf die vergrabene Oxidschicht durchgeführt. Sub 200nm Loch- und Linienstrukturen konnten in eine 3µm SOI Schicht maßhaltig und mit einem definierten Öffnungswinkel übertragen werden. Die Möglich-keit einer weiteren Verkleinerung der lateralen Si-Strukturdimensionen in den sub 100nm Bereich über Auffüllprozesse wurde experimentell erprobt und die Anwendung für das ESE (Electrostatic Step Exposure)-Maskenkonzept diskutiert. Mit der GCÄT wurden zudem Si-Ätzprozesse für mikromechanische Anwendungen und Stencilmasken von 10µm-100µm Ätztiefe und komplette Waferdurchätzungen entwickelt. In einen 150nm dicken Al-Absorber konnten auf 150-200nm dicken Si- und Si3N4-Membranen Minimalstrukturen von 150nm realisiert werden. Alle Struktur-Ätzprozesse wurden hinsichtlich Maßhaltigkeit, Profil und Selektivität zur Maskierschicht geprüft und charakterisiert. Für die Si-Membranätzung wurden verschiedene Nassätzprozesse in KOH- und TMAH-Lösungen und Kombinationen aus Trocken- und Nassätzschritten entwickelt. Die verschiedenen Membran-Ätzprozesse wurden systematisch untersucht und mit den bisher vorhandenen Theorien verglichen. Durch eine spezielle Prozessführung bei der Membran-Trockenätzung konnte die Ätzhomogenität um den Faktor 3 verbessert werden. Bei der Nassätzung konnte mit chemischen Zusätzen in TMAH-Lösungen die Ausbeute, Ätzrate und Selektivität zu Dielektrika bzw. Metallschichten erheblich gesteigert werden. Großflächige und strukturierte Si-Membranen mit einem kreisförmigen Durch-messer von 126mm, einer Membrandicke von 1,8µm-3µm und einem Öffnungsgrad von >60% konnten hergestellt werden. 100-200nm dicke Si- und Si3N4-Membranmasken konnten, sowohl mit als auch ohne Al-Absorberstruktur mit Membrangrößen bis zu 125mm2 realisiert werden.Item Open Access Fixed-Pattern-Korrektur von HDRC-Bildsensoren(2006) Schneider, Verena; Höfflinger, Bernd (Prof.)Aufnahmen mit gängigen Bildsensoren sind in sehr hellen Bereichen weiß gesättigt und haben im Dunkeln eine schlechte Kontrastauflösung, so dass sie dort schwarz gesättigt erscheinen. Der in dieser Arbeit untersuchte HDRC-Bildsensor nimmt dagegen einen extremen Helligkeitsbereich von über 7 Dekaden ohne Weißsättigung und mit guter Kontrastauflösung im Dunkeln auf. Bei diesem hohen Umfang von Signalwerten machen sich aber örtliche physikalische und fertigungstechnische Abweichungen der Pixelkennlinien in einem Flächensensor mit z.B. 300 000 Pixel bemerkbar: Bei gleichförmiger Beleuchtung entsteht ein „gesprenkeltes“ Bild. Dieses Fixed-Pattern ist statistisch über dem Sensor verteilt. Die optimalen Korrekturparameter sind abhängig von der Helligkeit und der Temperatur, was insbesondere für den Einsatz dieser Bildsensoren in rauer Umgebung (Produktionsanlagen, Automobil) kritisch ist. Die Korrektur in Echtzeit bei 32 Bildern/Sekunde über den gesamten Helligkeits- und Temperaturbereich dieser HDRC-Bildsensoren war das Ziel dieser Arbeit. Es gibt bereits Verfahren, die das örtliche Rauschen im Hellen korrigieren. Die signifikante Temperaturabhängigkeit wie auch das Verhalten im Dunkeln wurden dagegen noch nicht betrachtet. Erstmals realisiert diese Arbeit eine Methode, die an der Dunkelgrenze sowie durchgängig über den gesamten Dynamikbereich von 7 Dekaden gute Korrekturergebnisse erzielt. Zudem ermöglicht das neue, auf dem physikalischen Modell des Pixels basierte Verfahren, erstmals die Korrektur des örtlichen Rauschens über einen weiten Temperaturbereich. Ergebnisse werden für 0°C bis 80°C vorgelegt. Die Strategie und die Realisierung des Verfahrens basieren auf der Ökonomie und Geschwindigkeit digitaler Speicher- und Rechenverfahren, so dass im Kamerakopf die Korrektur in Echtzeit mit 32 Bilder / Sekunde bei VGA-Auflösung (300 000 Pixel) möglich ist. Ein entsprechender echtzeitfähiger Prototyp wurde in Hardware aufgebaut und bei verschiedenen Temperaturen getestet.Item Open Access Die SOI Scheibe der Mikroelektronik als neue Prozessbasis für nanostrukturierte Silizium Membranmasken(2003) Butschke, Jörg; Höfflinger, Bernd (Prof. Dr. rer. nat.)Vorgestellt wird ein Prozess zur Herstellung von strukturierten Silizium Membranmasken mit hoher Qualität auf Basis von kommerziell verfügbarem SOI Material. Im Gegensatz zum bisherigen mikrosystemtechnischen Konzept, wonach die Membranätzung vor der Strukturierung erfolgt, erlaubt es der neue, mikroelektronische Prozessansatz, dass die überwiegende Zahl an Arbeitsschritten unter Verwendung von in der Halbleiterindustrie üblichen Anlagen durchführt werden kann. Eine Sonderausrüstung ist einzig für die Nassprozesse der Membranätzung erforderlich. Da die Maske nach der Ätzung nicht wieder in die Fertigungslinie zurückkehrt, sind keine speziellen Maßnahmen zur Vermeidung von Kontaminationen erforderlich. Neben Möglichkeiten zur Optimierung des Herstellungsprozesses wird insbesondere auf die Thematik der Kontrolle und Manipulation der Eigenspannung der Membran eingegangen. Ergänzt wird dies durch die Untersuchung unterschiedlicher SOI Materialien hinsichtlich deren mechanischen Eigenschaften. Besonderes Augenmerk wird auf die Lagegenauigkeit, die eng mit dem Themengebiet der mechanischen Spannungen in Verbindung steht, gerichtet. Unter Berücksichtigung der für Masken typischen und durch eine Belichtungsanlage korrigierbaren Größen, konnten Überdeckungsgenauigkeiten zwischen zwei Masken in der Größenordnung von 12nm (3Sigma) in einem Maskenfeld von 50mm × 50mm erreicht werden. Abschließend wird ein Überblick über die Möglichkeiten des Prozesses, der derzeit erreichbaren Minimalstrukturen und der bisher damit hergestellten Produkte gegeben.Item Open Access Aktive Siliziumträger zur Verbesserung der Prüfbarkeit von Multichip-Systemen(2000) Werkmann, Hubert; Hoefflinger, Bernd (Prof. Dr.)Durch vielfältige Einflüsse wird es für elektronische Systeme immer wichtiger, möglichst viel Funktionalität mit möglichst geringen Systemabmessungen zu vereinen. Da eine Integration kompletter Systeme in einem einzigen Halbleiterbaustein oft nicht möglich ist bzw. der Aufbau aus Einzelbauteilen Kostenvorteile bringen kann, wurden in den 90er Jahren Aufbautechniken entwickelt, die die Abmessungen elektronischer Systeme durch die Erhöhung der Packungs- und Verdrahtungsdichte deutlich verringerten. Unter Verwendung ungehäuster Halbleiterbauelemente, die mit minimalen Abständen auf Substrate mit hohen Verdrahtungsdichten montiert wurden, entstanden sogen. Multichip Module (MCM). Substrate aus Silizium bieten hierfür ein Maximum an Packungs- und Verdrahtungsdichte bei sehr gut auf die Anforderungen einer Nacktchipmontage abgestimmten mechanischen Eigenschaften. Ein wesentliches Problem der MCMs stellt der elektrische Test in allen Herstellungsschritten dar. Aufgrund der geringen Abmessungen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen und der großen Flächenausdehnung im Vergleich zu Halbleiterbauelementen sind Kontaktierungsmethoden weder aus dem einen noch dem anderen Bereich einsetzbar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein MCM-Testverfahren entwickelt, das zum Test nutzbare aktive Strukturen in das MCM-Siliziumsubstrat integriert. Über diese Strukturen ist ein Test des unbestückten Substrates sowie die Unterstützung des Tests teilweise oder voll bestückter MCM-Systeme möglich. Die Auswahl der bevorzugten Fertigungstechnologie für die aktiven Strukturen sowie ein Vergleich des vorgeschlagenen Testansatzes mit gängigen Verfahren wurde im Rahmen eines Kostenmodells durchgeführt. Nach einer detaillierten Analyse des neuen Testverfahrens und dessen Vergleich mit korrespondierenden Testansätzen auf Bauteilebene erfolgte die Entwicklung der aktiven Teststrukturen in der durch das Kostenmodell favorisierten Basistechnologie und deren Evaluierung auf einem aktiven MCM-Siliziumsubstrat.