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Parallelen zur Mikroelektronik
Wie schon erwähnt, schöpft die Mikrostrukturtechnik aus dem gewaltigen Technologievorrat, der im Rahmen einer über Jahrzehnte erfolgreichen Mikroelektronik erarbeitet, verbessert und schließlich fast zur Perfektion gebracht wurde. Bei einem eingehenden Studium der Verfahren der Mikrostrukturtechnik und der Mikrosystemtechnik ist es daher unerlässlich, zunächst die Methoden der Mikroelektronik kennen zu lernen. In den folgenden Abschnitten werden zum einen die Fertigungskonzepte der Mikroelektronik erläutert, zum anderen die zukünftigen Entwicklungsrichtungen in Bezug auf die Fertigungstechnologie als auch auf das Produkt, den integrierten Schaltkreis (Integrated Circuit=IC), diskutiert. Die Aufbau- und Verbindungstechnik, ebenso wie die Reinraumtechnik, sind im Rahmen dieser Entwicklung überhaupt erst als eigenständige Technologiebereiche geschaffen worden. Sie sind unverzichtbare Bestandteile einer Schaltkreisfertigung und sollen ebenfalls in den einführenden Kapiteln behandelt werden. Die Techniken, derer sich die Mikrosystemtechnik bedient, werden in späteren Kapiteln wieder aufgegriffen und dort im Detail diskutiert.
2.1 Herstellung von Einkristallscheiben
Das Grundmaterial für die Mikroelektronik, wie auch für einen überwiegenden Teil der Mikrosystemtechnik, ist das Silizium. Im ersten Falle sind die elektronischen Eigenschaften des Silizium-Einkristalls ausschlaggebend, im zweiten Falle die mechanischen, optischen und chemischen. Obwohl Silizium einer der am meisten untersuchten Werkstoffe ist – die Veröffentlichungen darüber gehen in die Zehntausende –, waren die besonderen mechanischen Parameter darüber fast in Vergessenheit geraten, bis die berühmte Veröffentlichung von K. E. Petersen mit dem Titel „Silicon as a Mechanical Material“ 1982 einer breiten Öffentlichkeit vor Augen führte, welche Möglichkeiten im Silizium-Einkristall stecken und wie man diese in der Silizium-Mikromechanik für industrielle Produkte nutzbar machen könnte. Diese Arbeit wird von vielen Wissenschaftlern als der Beginn der Mikrosystemtechnik angesehen.
Tab. 2.1-1 Vergleich der physikalischen Eigenschaften verschiedener Einkristalle mit Edelstahl
Silizium hat seitdem eine breite Verwendung als Konstruktionswerkstoff für Mikrosysteme gefunden, zum einen wegen der oben erwähnten Eigenschaften, zum anderen aber auch, weil es zu erschwinglichen Preisen in der Halbleiterindustrie zur Verfügung stand. In der Zwischenzeit ist die Silizium-„Monokultur“ einer breiten Werkstoffpalette, die von Metallen über Keramik bis zu den Polymeren reicht, gewichen. In der Tabelle 2.1-1 werden einige physikalische Eigenschaften des Siliziums aufgelistet und anderen geläufigen Werkstoffen gegenübergestellt (siehe auch Tab. 4.3-1).
Allgemein sind Halbleiter Festkörper, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen denen der Metalle (8 · 10−2 S·cm−1) und denen der Dielektrika (10−12 S·cm−1) liegt. Die Leitfähigkeit lässt sich im Halbleiter durch geeignete Fremddotierung um Zehnerpotenzen verändern und ist zudem stark von der Temperatur abhängig. Der Leitungsmechanismus ist grundsätzlich unterschiedlich zu dem der Metalle. Während sich beim Metall stets genügend viele Elektronen im Leitfähigkeitsband befinden und so einen hohen Stromtransport gewährleisten, müssen beim Halbleiter die Elektronen durch thermische Stöße (oder andere Maßnahmen von außen) in das Leitfähigkeitsband gehoben werden. Man kann also vereinfachend sagen: Bei der metallischen Leitung bewirken thermische Stöße der Elektronen mit dem Gitter und untereinander eine Reduzierung der Leitfähigkeit, während beim Halbleiter diese thermischen Stöße erst eine (wenn auch gegenüber den Metallen geringere) Stromtransportfähigkeit ermöglichen. Daraus ergibt sich die Faustformel: Erwärmt man einen Halbleiter, nimmt der spezifische Widerstand ab, erwärmt man ein Metall, so nimmt er zu.
Obwohl es eine Vielzahl von Werkstoffen gibt, die zu den Halbleitern gezählt werden können, sind die meisten in technischer Hinsicht bedeutungslos. Halbleiter werden in Element- und Verbindungshalbleiter unterschieden. Zu den Elementhalbleitern gehören Bor (B), Diamant (C), Silizium (Si), Germanium (Ge), Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (Te). Beispiele für Verbindungshalbleiter sind die binären Verbindungen Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) und Cadmiumsulfid (CdS). Es gibt aber auch eine Vielzahl ternärer Halbleiter, wie Hg1-x Cdx Te oder Ga1-x Alx As, und schließlich auch quarternäre Systeme, wie Ga1-x Inx As1-y Py.
Wenn auch die oben genannten Halbleiter für spezielle Anwendungen eingesetzt werden können, ist doch Silizium – auch in absehbarer Zukunft – der bestimmende Halbleiterwerkstoff für die Mikroelektronik. Kein anderer Halbleiter vereinigt in sich ähnlich ausgezeichnete physikalische, mechanische und chemische Eigenschaften. Insbesondere die Tatsache, dass Silizium ein Oxid bildet (SiO2), das besondere physikalische und chemische Qualitäten besitzt, hat diesem Halbleiterwerkstoff zu seiner bevorzugten Stellung in der Halbleitertechnik verholfen.
Die meisten Verbindungshalbleiter sind wegen ihrer Eigenschaften, aber auch aufgrund ihrer begrenzten Verfügbarkeit, der hohen Kosten und ihrer aufwendigeren Technologie auf spezielle Anwendungen begrenzt, allerdings bildet GaAs eine Ausnahme. Wegen seiner speziellen elektronischen Bandstruktur hat es einen breiten Einsatz in der Optoelektronik, für Mikrowellenschaltungen und spezielle Sensoranwendungen gefunden. Als mechanischer Werkstoff findet GaAs in einigen wenigen Fällen Anwendung, in denen der gegenüber Silizium niedrigere E-Modul von GaAs nutzbar gemacht wird. Die technologischen Schwierigkeiten bei der Darstellung hochreiner GaAs-Einkristalle lassen allerdings das Silizium in seiner Führungsrolle unangefochten.
Andere Verbindungshalbleiter, wie InSb, PbS, PSe, PbTe, CdS, CdSe und CdTe, werden wegen ihrer photoelektrischen Eigenschaften, bei denen Silizium nicht konkurrenzfähig ist, verwendet.
2.1.1 Herstellung von Silizium-Einkristallen
Da Silizium nicht nur in der Mikroelektronik, sondern auch in der Mikrosystemtechnik das meistverbreitete Grundmaterial ist, soll hier auf die technische Gewinnung des äußerst reinen Materials und das „Ziehen“ des fast perfekten Einkristalls eingegangen werden. In diese Entwicklungen wurde im Laufe der letzten Jahrzehnte ein enormer Aufwand investiert. Das Ergebnis ist ein Einkristall, der in seiner chemischen und kristallographischen Reinheit jeden „natürlichen“ irdischen Werkstoff bei weitem übertrifft. Dazu muss man sich klar machen, dass in einer kommerziell erhältlichen Einkristallscheibe auf etwa 10 Milliarden Siliziumatome nur ein ungewolltes Schwermetallatom kommt. Der besondere Erfolg liegt aber nicht nur in der Tatsache, dass man ein derart hochreines Material im Prinzip herstellen kann, sondern es auch in großen Mengen zu industriegerechten Preisen auf dem Markt anbieten kann.
Die Fertigungsschritte, die zu einer Einkristall-Siliziumscheibe oder zu einem Silizium-„Wafer“ führen, werden in die folgenden Prozessgruppen aufgeteilt:
- Aufbereitung und Reinigung des Rohmaterials,
- Herstellung von hochreinem, polykristallinem Silizium,
- Ziehen der Einkristalle,
- mechanische Bearbeitung der einkristallinen Siliziumstäbe.
Aus dem Rohmaterial Quarzsand wird durch Reduktion Rohsilizium gewonnen. Obwohl 25% der Erdkruste aus SiO2 bestehen und dieses Material in fast unbegrenzter Menge zur Verfügung stehen sollte, sind die Anforderungen in Bezug auf Verunreinigungen, insbesondere durch Arsen, Phosphor und Schwefel, derart streng, dass nur wenige Fundstellen ausgebeutet werden können. Dieser Reduktionsprozess ist der energieintensivste in der gesamten Prozesskette. Dabei müssen 13 kWh pro kg Silizium aufgebracht werden. Die Gewinnung erfolgt in Lichtbogenöfen mit Kohleelektroden nach folgender Gesamtformel:
(2.1)
Der Vorgang des Aufschließens ist wesentlich komplizierter, als es sich aufgrund der Gesamtformel darstellt, da sich in verschiedenen Tiefen des Reaktionsofens und bei unterschiedlichen Temperaturen verschiedene Zwischenprodukte bilden. Das so gewonnene Silizium hat einen Reinheitsgrad von etwa 99% und wird „Metallurgic Grade Silicon“ (MG-Si) genannt. Die Verunreinigungen bestehen überwiegend aus Aluminium und Eisen, die durch das Graphit miteingebracht werden. Nur etwa 2% der Siliziumproduktion werden von der Halbleiterindustrie angefordert, der weitaus größere Anteil geht in die Metallverhüttung oder in andere Silizium- oder Silikonprodukte.
Die weitere Reinigung des Siliziums für elektronische Anwendungen erfolgt durch fraktionierte Destillation. Dazu muss das MG-Si in eine flüssige Form überführt werden. Das geschieht durch eine Reaktion mit HCl. Dabei entsteht Trichlorsilan (SiHCl3) mit einem Siedepunkt von 31,8°C. Die Reaktionsgleichung lautet:
(2.2)
Bei der...
