Belichtung in höchster Schärfe

Das Auftragen des Fotolackes a die gereinigte Halbleiterscheibe geschieht am häufigsten durch Zentrifugieren. Durch eine Rotation wird der überschüssige Fotolack entfernt. Ein anderes sehr rationelles Verfahren ist da Zerstäuben des Fotolackes. Die Belichtung erfolgt mit einer Quecksilber-Höchstdruck- oder Xenon-Lampe. Zunächst wurde nur das Kontaktverfahren verwendet, wobei man die Halbleiterscheibe mit dem Fotolack fest an die Fläche der Fotoschablone andrückt. Für ein gutes Auflösungsvermögen benötigt man aber eine außerordentlich hohe Oberflächenebenheit sowohl bei der Scheibe als auch bei der Fotoschablone. Beim Projektionsverfahren (Abb.4) ist man nicht mehr von Unebenheiten der Oberfläche oder zufälligen Verunreinigungen, die den Kontakt stören könnten, abhängig. Auch werden Kratzer auf der Fotolackschicht und Beschädigungen der Fotoschablone vermieden. Die Lebensdauer der Fotoschablone erhöht sich wesentlich.
Vor der Belichtung muss unter einem Justiermikroskop die Arbeitsschablone an die bereits auf der Scheibe vorhandene Struktur angepasst werden. Nach der Belichtung wird der Fotolack zum Beispiel in Natronlauge entwickelt. Durch Trocknen und Nachtempern härtet man die stehen gebliebene Lackmaske und verbessert ihre Haftfestigkeit.

Feiner als Licht

Gegenwärtig werden Verfahren zur Elektronenstrahlbelichtung entwickelt. Hier besteht die Möglichkeit, die Struktur der Schaltkreise noch einmal um das 10-fache zu verkleinern. Der Vorteil liegt in der viel kürzeren Wellenlänge der Elektronenstrahlen. Der Elektronenstrahl lässt sich daher auf einen sehr kleinen Fleck konzentrieren.
Nachteilig ist dagegen die gegenseitige Abstoßung der Elektronen. Sie zwingt bei einem auf feingebündelten Elektronenstrahl zu sehr schwachen Strahlstromstärken, die andererseits lange Belichtungszeiten erfordern. Auch verliert man den Vorteil der herkömmlichen Schablonentechnik, bei der alle Schaltkreise auf einer Halbleiterscheibe gleichzeitig belichtet werden. Es wurden zwei elektronenoptische Bilderzeugungsverfahren entwickelt:

Rasterstrahlverfahren

Der Elektronenstrahl wird beim Rasterstrahlverfahren (vgl. Abb. 5) zeilenweise überein begrenztes Bildfeld bewegt. Die feine Bündelung des Elektronenstrahls ist aber nur über ein sehr kleines Bildfeld aufrecht zu erhalten (maximal 2 mm x 2 mm). Die Bearbeitung großer Arbeitsfelder erfolgt ähnlich dem Prinzip des Fotorepeaters. So wird die Halbleiterscheibe erst durch eine Kombination von elektrischen und mechanischen Verschiebungen voll überdeckt. Dabei muss der Elektronenstrahl entsprechend der Struktur hell und dunkel getastet werden. Als besonders vorteilhaft erweist sich die Möglichkeit, die vom
Rechner aufbereiteten Daten direkt in die Elektronenstrahl-Bearbeitungsanlage einzugeben, ohne eine Herstellung von Zwischennegativen und Schablonen vornehmen zu müssen. So können Entwicklungsmuster von Schaltkreisen sehr schnell angefertigt und erprobt werden. Aber auch die direkte Herstellung der Fotoschablonen ist möglich. Ein wesentlicher Nachteil des Verfahrens liegt in sehr großen Bestrahlungszeiten, die sich mit einer Erhöhung des Auflösungsvermögens weiter vergrößern, da bei geringerem Strahldurchmesser der Strahlstrom sinkt und die Zeilenzahl sich erhöht. Damit ist das Verfahren in der Form für die Produktion nicht mehr rentabel.

Projizierende Elektronenstrahlen

Als elektronenoptische Projektionsverfahren haben zwei Varianten Erfolgsaussichten (vgl. Abb. 6): Bei der Bildprojektion verwendet man ein umgekehrtes Projektionselektronenmikroskop. Die Vorlage (Schablone) wird mit Elektronenstrahlen beleuchtet, verkleinert und auf das Substrat abgebildet. Die Abbildungstiefe ist kleiner als beim Rasterelektronenstrahlverfahren.
Dafür dauert die „Belichtung" nur Millisekunden, da höhere Strahlstromstärken angewendet werden können. Bei einer Abart des Verfahrens ist auch eine rechnergesteuerte Elektronenstrahlstrukturierung möglich. Ein anderes Verfahren benutzt Emissionsschablonen. Dabei wird eine Katode maskiert. Dann können Elektronen nur aus den Fenstern emittieren (abstrahlen), die mit Hilfe von Magnetfeldern gebündelt und auf dem Lack 1:1 abgebildet werden.

Jedes Halbleiterbauelement besteht aus kleinen fest umgrenzten Gebieten, in denen die Stromleitung entweder durch Elektronen (n-Leitung) oder durch Löcher (p-Leitung) erfolgt. Diese Leitungsmechanismen entstehen erst durch besondere Zusätze von Fremdstoffen (Dotierungsmaterialien) in das Ausgangsmaterial (Silizium), Zum Beispiel wird die p-Leitung durch Bor und die n-Leitung durch Arsen oder Phosphor hervorgerufen (Abb. 1). Diese Stoffe gelangen durch Diffusion aus einer angereicherten Dampfatmosphäre in die Siliziumscheibe, die auf 1000 bis 1200 °C erhitzt ist. Die Diffusion ist ein selbständiger Austauschprozess an der Grenze von unterschiedlichen Stoffen, wobei ein Stoff in den anderen eindringt. Sie wird durch die innere Wärmebewegung hervorgerufen. Im gleichen Medium bewirkt die Diffusion den Ausgleich von Konzentrationsunterschieden. Auf diese Weise verteilen sich auch aufgelöste Zuckerteilchen im Kaffee oder Geruchsstoffe in der Luft, selbst wenn keine Strömungsvorgänge vorhanden sind. Der kristalline Körper nimmt die Stoffe der Umgebung nur sehr schwer auf, aber er ist in einem geringen Maße doch „porös". Jeder Einkristall enthält immer noch Leerstellen; bei höheren Temperaturen können Atome ihre Plätze wechseln; kleine Atome lassen sich auf Zwischengitterplätzen unterbringen. Der Vorgang ist aber langwierig und kann auch bei geringen Eindringtiefen Stunden dauern.
Nach der Fotolithographie und dem Ätzen sind bestimmte Teile der Oberfläche mit Siliziumdioxid (Si0₂) bedeckt, andere dagegen nicht. Im Diffusionsofen (Abb.2) werden die Stoffe zur Dotierung als Gase über die stark erhitzten Siliziumscheiben geführt. Dabei diffundieren sie in die Bereiche der Scheiben, die nicht mit Si0₂ belegt sind. Dieser Prozess vollzieht sich meist in zwei Schritte (Abb. 3). Zunächst erfolgt eine Vorablagerung einer hauchdünnen hochdotierten Schicht, zum Beispiel als Bor- oder Phosphorsilikatglas, danach erst die Tiefendiffusion der Dotierungsstoffe. Die Dotierungsmaterialien können bei Zimmertemperatur fest, flüssig oder gasförmig sein. Bei automatisch gesteuerten Anlagen werden gasförmige Dotierungsstoffe bevorzugt eingesetzt.
 

Bei dem modernen Verfahren der Ionenimplantation führen viele Vorteile wie bessere Steuerung der Dotierung und exaktere Verteilung der Dotierungsstoffe zu wesentlich günstigeren Eigen schaffen der Halbleiterbauelemente (Abb.4). Die Dotierungsionen werden in der Ionenquelle durch eine elektrische Gasentladung erzeugt, mit Hilfe eines elektrostatischen Feldes beschleunigt und auf die Halbleiterscheibe gerichtet. Ein zwischengeschalteter Massentrennungsmagnet sorgt für das Ausblenden unerwünschter Fremdionen und damit für einen hohen Reinheitsgrad. Um eine gleichmäßige Dotierung über di gesamte Scheibenfläche zu erzielen, wird der Ionenstrahl zeilenweise über die Scheibe geführt. Durch Masken (Abb.5) aus Si02, wie bei der Diffusionstechnologie, oder aus Metall können stellenweise die Ionen abgebremst und an einem Eindringen gehindert werden. Eine Dotierung findet dann nur in de Fenstergebieten der Maske statt, in denen die Halbleiteroberfläche freiliegt. Durch die Stoßprozesse tritt jedoch eine leichte Störung der Kristallstruktur ein, die aber durch eine nachfolgende Wärmebehandlung wieder ausgeheilt wird.

Nachdem durch Dotierung eine Vielzahl von Transistoren entstanden ist, müssen diese noch untereinander verschaltet werden. Dazu dienen Leitbahnen aus Aluminium von 1 bis 1,5 µm Dicke. Sie verbinden die Einzelbauelemente untereinander und mit Flächen (Bondflächen), die über Drahtbrücken den Kontakt zu den Gehäuseanschlüssen ermöglichen. Zunächst wird auf die Gesamtfläche der Scheibe eine Aluminiumschicht aufgedampft. Durch ein fotolithographisches Ätzverfahren werden die Leitbahnen herausgelöst. Das Ergebnis ist eine Scheibe, die eine große Zahl von fertigen Schaltkreisen enthält. Danach muss die Scheibe noch mit einem automatischen Vielfachsonden - fester geprüft werden. Auf alle Bondflächen eines Schaltkreises, die als Kontaktflächen für eine elektrische Verbindung nach außen dienen, werden feine Meßspitzen abgesenkt, die mit einer rechnergestützten Meßeinrichtung verbunden sind. Ein automatischer Vorschub des Meßtisches ermöglicht das exakte Anfahren der einzelnen Schaltkreise auf der Scheibe. Fehlerhafte Schaltkreise werden durch rote Tintenpunkte gekennzeichnet. Der Zyklus I (Scheibenprozesse) ist damit beendet, und es beginnt der Zyklus II (Montageprozesse).

Zunächst muss die Scheibe in Einzelschaltkreise zerteilt werden. n Die Halbleiterscheibe wird dazu mit einer Diamantspitze rasterweise zwischen den Schaltkreisen geritzt und auf eine elastische Unterlage geklebt. Beim Verbiegen der Unterlage durch Überrollen mit einer Walze zerbricht die Scheibe in einzelne Plättchen (Chips), die jeweils einen Schaltkreis enthalten. Die Kristallplättchen müssen auf dem Gehäuseboden oder einem vergoldeten Trägerstreifen, der eine Kontaktfläche für den Chip und alle Anschlussfahnen enthält befestigt werden (Chipbonden). Das Plättchen kann mit leitendem oder nichtleitendem Kleber angeklebt, auf dem Trägerstreifen mit zwischen gelegter 10 µm dicker Goldfolie angelötet oder im Keramikgehäuse mit Glaslot angeglast werden. Danach werden die Enden der Drahtbrücken einerseits mit den Bondflächen des Halbleiterplättchens und andererseits mit den Anschlussfahnen des Trägerstreifen verschweißt (Drahtbonden). Das kann durch Thermokompressio erfolgen (Abb. 6). Unter dem Einfluss von hohem Druck wird ein dünner Golddraht auf eine heiße Kontaktfläche von 300 °C gedrückt. Dagegen ist das Ultra schallbonden (Abb.7) ein goldsparendes Verfahren. Durch ein rüsselförmiges Werkzeug (Sonotrode), das mit 20 bis 50 kHz schwingt (Ultraschall) wird die Oxidschicht des verbindenden Aluminiumdrahtes abgescheuert und der Draht in die Aluminium Kontaktfläche hinein gerieben. Einen entscheidenden Fortschritt stellen programmgesteuerte Drahtbonder dar, die 1000 Schaltkreise je Stunde und mehr verarbeiten können und einen Mikroprozessor enthalten. Es entfällt die mühselige Bedienung handgeführter Bonder und die ständige Beobachtung durch ein Mikroskop. Als Gehäuseformen haben sich keramische Steckgehäuse aus einer Kapsel und einem Deckel und andererseits eine Kunststoffumspritzung des Trägerstreifens bewährt. Kunststoffgehäuse ermöglichen eine ökonomische Massenproduktion Keramikgehäuse sind hermetisch dicht und werden bei hoher Klimabeanspruchung eingesetzt. Nach dem Verschließen des Keramikgehäuses bzw. der Plastumhüllung und Vereinzelung des umhüllten Trägerstreifens endet der Zyklus II. Als letzte Arbeitsgänge folgen die Endmessung vor allem der elektrischen Werte und nach visueller Kontrolle die Endkennzeichnung des Bauelementes, das dann verpackungsbereit ist.

Die bisherige Entwicklung der Mikroelektronik führte zu immer höheren Leistungsgrößen, sinkenden Kosten und durch neue Gebrauchswerteigenschaften zu immer weiteren Einsatzbereichen. Ohne die Mikroelektronik hätte man zur Steigerung der Leistungsfähigkeit der elektronischen Einrichtungen Masse und Volumen der Geräte ständig vergrößern müssen. Auch die Zahl der Kontaktstellen, die eine beträchtliche Ausfallrate aufweisen, hätte sich erhöht. Durch die Anwendung der Mikroelektronik sinkt die Zahl der Steckkontakte und Lötstellen erheblich und führt so zu einer steigenden Zuverlässigkeit. Die starken Erschütterungen, wie sie in Fahrzeugen und Flugzeugen auftreten, beeinträchtigen bei der geringen Masse und guten mechanischen Stabilität kaum die hohe Zuverlässigkeit der Schaltkreise. Umfangreiche Geräte benötigen zur schnellen Verarbeitung der Informationsmengen eine erhöhte Schaltgeschwindigkeit. Das gelang hauptsächlich durch verkleinerte Bauelemente im Schaltkreis. Damit sank auch der Leistungsverbrauch je Bauelement, der sonst bei erhöhter Bauelementezahl zu einem hohen Energieverbrauch geführt hätte. Die physikalischen Grenzen einer Verkleinerung sind noch nicht erreicht und ergeben sich nur aus dem augenblicklichen Stand der Technologie. Die Verkleinerung führte auch zu einer erheblichen Kostensenkung, die die heutige Verbreitung der Mikroelektronik überhaupt erst ermöglichte. Dazu trug ebenfalls die ständige Verbesserung aller technologischen Prozesse bei, zum Beispiel die Automatisierung der Montage.
Eine weitere Kostenminderung ergibt sich durch die vereinfachte Geräteentwicklung und Wartung. Durch den Einsatz hochintegrierter Schaltungen können 80 Prozent der Entwicklungszeit eingespart und der Fertigungsaufwand bis zu 70 Prozent gesenkt werden. Ein neuer Arbeitsplatz in der Mikroelektronik setzt etwa vier Arbeitsplätze in der Anwenderindustrie frei. Kundenschaltkreise, die ganz nach Wunsch gefertigt werden, eröffnen dem Anwender neue Möglichkeiten. Das erfordert aber eine gute Zusammenarbeit von Bauelementeherstellern und -anwendern. So könnten die kundenspezifischen Schaltkreise mehr und mehr von den Anwendern selbst entworfen werden, während sich die Hersteller stärker auf die Standardschaltkreise konzentrieren.
Weitere Fortschritte Das Hauptziel der Weiterentwicklung mikroelektronischer Bauelemente bleibt weiterhin, die Anzahl der Transistoren auf der Chipfläche zu erhöhen. Damit könnte der Preis einer Speicherzelle von heute 5 · 10^-2 Pfennig auf 5 · 10^-3 Pfennig verringert werden. Dabei spielt die Leistung der Fotolithographie eine große Rolle, die von der kleinsten erreichbaren Streifenbreite, aber auch von der Überdeckungsgenauigkeit (bei der Anwendung mehrerer Schablonen) abhängig ist. Gerade die Überdeckungsgenauigkeit wird bei dem hohen Auflösungsvermögen der modernen Elektronenstrahllithographie zu einem großen Problem, die besonders von der mechanischen Präzision der Einrichtungen abhängt. Neben den VLSI-Schaltkreisen mit hohem Integrationsgrad wird die Hauptmenge der Schaltkreise nur einen geringen Integrationsgrad von 10² bis 10⁴ Transistoren aufweisen (MSI und LSI).
Aber diese können auch aus der Weiterentwicklung Nutzen ziehen, indem diese billiger, schneller und leistungsärmer werden. Bei der zunehmenden Kostensenkung in der Herstellung von Schaltkreisen ragen die Kosten für die Forschung und den Entwurf besonders heraus. Hier gilt es in Zukunft, die elektronische Rechentechnik stärker zu nutzen. Dazu kann die Mikroelektronik ebenfalls herangezogen werden. Dabei hilft die Mikroelektronik selbst, die Mikroelektronik weiter zu entwickeln.

Dr. Karl-Heinz Niklowitz in JU + TE Heft 6/1982

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist

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