Untersuchung des Galvanischen Abscheidungsprozesses - IFA · PDF fileInstitut für Mikroproduktionstechnik - AML SS 2013 Seite 2 Inhalt Formelzeichen

Allgemeines Messtechnisches Labor

Untersuchung des Galvanischen

Abscheidungsprozesses

2013

100 µm100 µm

Institut für Mikroproduktionstechnik - AML SS 2013 Seite 2

Inhalt Formelzeichen .......................................................................................................... 3 1. Allgemeines ............................................................................................................. 4 1.1 Ziele ......................................................................................................................... 4 1.2 Organisatorisches .................................................................................................... 4 1.3 Verhalten im Reinraum und Sicherheitshinweise ...................................................... 4 2. Galvanik ................................................................................................................... 5 2.1 Grundlagen .............................................................................................................. 5 2.1.2 Prinzip der galvanischen Abscheidung ..................................................................... 5 2.1.2 Abscheidung bei Gleichstrom und Pulsstrom ........................................................... 6 2.1.3 FARADAY`sche Gesetze ............................................................................................ 8 2.1.4 Schichtdickenverteilung ............................................................................................ 8 2.2 Strukturierung dünner Schichten ............................................................................ 10 3. Versuchsdurchführung ........................................................................................... 12 3.1 Probenvorbereitung ................................................................................................ 12 3.2 Beschichtung ......................................................................................................... 12 4. Auswertung ............................................................................................................ 13 4.1 Berechnung der Prozessgrößen ............................................................................ 13 4.1.1 Mittlere Stromstärke und mittlere Stromdichte ........................................................ 13 4.1.2 Abgeschiedene Schichthöhe .................................................................................. 13 4.1.3 Abscheiderate ........................................................................................................ 13 4.2 Diskussion der Ergebnisse ..................................................................................... 14 4.3 Erstellen des Protokolls .......................................................................................... 14 5. Anlagen- und Gerätebeschreibungen ..................................................................... 15 5.1 Galvanikzeile des IMPT .......................................................................................... 15 5.2 Profilometer „Dektak 3 ST“ ..................................................................................... 16 6. Allgemeine Verhaltensregeln im Reinraum ............................................................ 18 7. Literaturverzeichnis ................................................................................................ 19


Formelzeichen a .................................................... Abscheiderate A ................................................... Fläche AHalterung .......................................... elektrisch leitende Fläche der Waferhalterung AK .................................................. Kathodenfläche AStruktur ............................................ elektrisch leitende Fläche der Strukturen auf der ...................................................... Waferoberfläche e .................................................... Elementarladung, e=1,602176565*10

-19C

F .................................................... FARADAY-Konstante, F=96487 C/mol. Sie entspricht ...................................................... der Ladung eines Mols einfach geladener Ionen h .................................................... Höhe hi_vorher ....................................................................... i-ter Messwert der vor der galvanischen Abscheidung ...................................................... bestimmten Schichthöhe hi_nachher ..................................................................... i-ter Messwert der nach der galvanischen Abscheidung ...................................................... bestimmten Schichthöhe hm .................................................. mittlere Schichthöhe der galvanisch abgeschiedenen ...................................................... Schicht hm_vorher ..................................................................... Mittelwert der vor der galvanischen Abscheidung ...................................................... bestimmten Schichthöhe hm_nachher .................................................................. Mittelwert der nach der galvanischen Abscheidung ...................................................... bestimmten Schichthöhe I ..................................................... Stromstärke ia .................................................... anodische Pulsstromdichte Ia .................................................... anodische Komponente des Pulsstroms idc ................................................... Gleichstomkomponente der Stromdichte Idc .................................................. Gleichstomkomponente ik .................................................... kathodische Pulsstromdichte Ik .................................................... kathodische Komponente des Pulsstroms im ................................................... mittlere Stromdichte Im ................................................... mittlere Stromstärke m ................................................... Masse M ................................................... Molare Masse n .................................................... abgeschiedene Stoffmenge N ................................................... Anzahl der Messungen NA ................................................................................. Avogadro-Konstante, NA = 6,0221367 x 10

23 mol

-1

t ..................................................... Zeit ta .................................................... anodische Pulszeit tges ................................................. Gesamte Abscheidezeit tk .................................................... kathodische Pulszeit tp .................................................... Pausenzeit V ................................................... Volumen z .................................................... Anzahl der pro Ion übertragenen Elektronen

ρ .................................................... Dichte


1. Allgemeines

1.1 Ziele Im Rahmen dieses Versuches soll ein Wafer galvanisch strukturiert werden. Anhand der Messdaten sind die theoretische Schichthöhe zu bestimmen und mit der gemessenen Schichthöhe zu vergleichen. Ferner gilt es die Schichtdickenverteilung über der Waferoberfläche zu beurteilen.

1.2 Organisatorisches Die Durchführung des Versuches erfolgt in Gruppen zu je sechs Teilnehmenden im Reinraumlabor des Instituts für Mikroproduktionstechnik (IMPT). Treffpunkt am

Versuchstag ist der Projektraum des IMPT, An der Universität 2, 30823 Garbsen (Produktionstechnisches Zentrum Hannover), Gebäude 8113, 1. Etage. Datum und Zeit sind durch Aushang am Anschlagbrett des IMPT, An der Universität 2, 30823 Garbsen (Produktionstechnisches Zentrum Hannover), Gebäude 8113, 1. Etage bekanntgegeben. Am Versuchstag besteht sowohl vor als auch während des Versuches die Möglichkeit Fragen bzgl. des Skript-Inhaltes und zur Versuchsdurchführung zu stellen. Des Weiteren ist von den Teilnehmenden selbstständig der Hinweis hervorzubringen, wenn Verständnisschwierig-keiten bei der deutschen Sprache bestehen. Für jede Gruppe finden direkt nach der Durchführung des Versuches ein Testat sowie eine Nachbesprechung statt. Die Inhalte des Testates beziehen sich auf den Umfang dieses Skriptes. Wird von einem Versuchsteilnehmenden das Testat nicht bestanden, darf er es einmal wiederholen. Erweisen sich seine Kenntnisse abermals als unzureichend, hat er das AML am IMPT nicht bestanden. Weisen mehr als die Hälfte der AML-Gruppemitglieder beim Testat mangelnde Kenntnisse auf, ist das AML am IMPT für die gesamte Gruppe als nicht bestanden zu werten. Eine Wiederholung des Versuches ist im darauf folgenden Jahr möglich. Im Anschluss an das Testat findet ferner eine Nachbesprechung statt, in der die Ergebnisse diskutiert und Hinweise zur Auswertung gegeben werden. Pro Gruppe ist eine gemeinsame Versuchsbeschreibung und -auswertung zu erstellen, auf der jeweils die Namen und E-Mail-Adressen aller Gruppenmitglieder zu vermerken sind. Die Auswertung ist spätestens zwei Wochen nach der Versuchsdurchführung in Papierform oder digital per E-Mail abzugeben.

1.3 Verhalten im Reinraum und Sicherheitshinweis Der Versuch wird in einem Reinraumlabor durchgeführt. Um zu vermeiden, dass gleichzeitig ablaufende Prozesse für Forschungsvorhaben durch Verunreinigungen beeinträchtigt werden, sind die Regeln für das Verhalten im Reinraum zu beachten (siehe Kap.6). Die Durchführung des Versuches erfolgt an der Nassbank im Reinraum des IMPTs, an der mit Chemikalien gearbeitet wird. Zur Gewährleistung der eigenen Sicherheit ist es deshalb unbedingt erforderlich, die Anweisungen der Versuchsleiter genauestens zu befolgen. Ansprechpartnerin bei Fragen: Dipl.-Ing. (FH) Anja Wienecke, Tel. 762-2395, e-Mail: [email protected]


2. Galvanik 2.1 Grundlagen Galvanisch abgeschiedene Schichten sind weit verbreitet im Bereich der Mikrotechnologie. Mikrosensoren und -aktoren enthalten bspw. galvanisch herstellte Leiterbahnen aus Kupfer, Sensorschichten aus einer Nickel-Eisen-Legierung oder magnetische Flussführungen aus Cobald-Eisen-Legierungen. Die Qualität und damit die Funktionalität dieser Schichten werden entscheidend durch die Prozessbedingungen während der Abscheidung bestimmt. Neben der Elektrolytzusammensetzung haben u. a. die Stromstärke (Vorwärts- und Rückwärtsstrom) und die Abscheidedauer Einfluss auf die Schichtzusammensetzung, Abscheiderate und Oberflächenbeschaffenheit.

2.1.1 Prinzip der galvanischen Abscheidung

a) b) Abb. 1: a) Aufbau einer Metall/Metallionenelektrode am Beispiel eines Kupferstabes, der in einen Elektrolyten taucht, b) Vorgänge an der Phasengrenze [3] Beim Eintauchen eines Metalls/einer Metallelektrode in eine Elektrolytlösung kommt es zur Ausbildung einer Potenzialdifferenz und Einstellung eines elektro-chemischen Gleichgewichtes. Diese Erscheinung ist darauf zurückzuführen, dass Metallionen ihre Gitterplätze verlassen und in Form positiver Ionen in den Elektrolyten wandern (Abb. 1a). Dort werden sie von Wassermolekülen umlagert (Hydrathülle). In unmittelbarer Umgebung der Metallelektrode besteht nun ein Überschuss an positiven hydratisierten Metallionen. Simultan dazu baut sich ein negativer Ladungsüberschuss im Inneren der Metallelektrode auf in Folge der zurückgelassenen Elektronen. Durch diese Ladungstrennung zwischen Metall und Elektrolytlösung bildet sich eine elektrische Potenzialdifferenz aus. Auf Grund der wirkenden elektrostatischen Anziehung wird ein Teil der gebildeten hydratisierten Metallionen an der Oberfläche des gegenüber der Elektrolytlösung negativ geladenen Metalls zurückgehalten. An der Phasengrenze zwischen Metall und Elektrolytlösung kommt es zur Ausbildung einer elektrochemischen Doppelschicht (Abb. 1b). Einige der Metallionen nehmen wieder Elektronen auf und werden zurück in das Metall eingebaut. Es stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen den in Lösung gehenden Metallionen und jenen, die wieder in das Metallgitter eingebaut werden ein: Me ↔ Mez++z e- Wird dieser Gleichgewichtszustand gestört, indem mittels eines Drahtes der Metlallelektrode die „überschüssigen“ Elektronen entzogen werden, verlassen immer mehr Metallionen die Metallelektrode und wandern ins Elektrolytinnere (anodische Metallauflösung). Werden nun


umgekehrt über eine Spannungsquelle der Metallelektrode Elektronen zugeführt, so werden an der Grenzfläche Metall/Elektrolyt immer mehr Metallionen entladen und in die Elektrodenoberfläche eingebaut (kathodische Metallabscheidung). Zur galvanischen Metallabscheidung wird nun eine elektrische Spannung zwischen zwei in einen Elektrolyten tauchenden Metallelektroden angelegt. Es kommt zum Elektronenfluss. Elektronen fließen von der Anode über den äußeren Verbindungsdraht zur Kathode. Die Anode geht dabei in Lösung. An der Kathode werden die „ankommenden“ Elektronen von den sich im Elektrolyten befindlichen Metallionen aufgenommen, welche sich dann auf der Oberfläche der Kathode abscheiden (Abb. 2). Anode (Oxidation): Me → Mez++z e- Kathode (Reduktion): Mez++z e- → Me

Abb. 2: Schema zur galvanischen Cu-Abscheidung [5] Da die Elektronen zur Entladung der Metallionen durch eine externe Spannungsquelle geliefert werden wird das galvanische Metallisierungsverfahren auch als „Metallabscheidung mit Fremdstrom“ bezeichnet. Entscheidend für den Prozess der elektrochemischen Metallabscheidung sind nun der Antransport und die Nachlieferung der positiv geladenen Metallionen aus dem Inneren der Elektrolytlösung zur Kathode. Hauptsächlich erfolgt dieser Transport durch Migration, Konvektion und Diffusion.

2.1.2 Abscheidung bei Gleichstrom und Pulsstrom Die galvanische Abscheidung von Metallen kann mittels Gleichstrom oder Pulsstrom erfolgen. Sollen „reine“ Metalle abgeschieden werden, wird häufig das Gleichstromverfahren angewendet, bei dem ein konstanter Strom zwischen der Anode und Kathode fließt (Abb. 3a). Beim Abscheiden von Legierungen hingegen ist das Pulsstromverfahren weit verbreitet. Beim Pulsstromverfahren wird ein sich zeitlich verändernder Gleichstrom verwendet. Am häufigsten werden rechteckförmige Strom-Zeit-Funktionen eingesetzt (Abb. 3b-d). Hierbei lassen sich zwei Varianten unterscheiden:


1. Unipolare Strompulse, welche aus einfachen oder einem Gleichstrom überlagerten Rechteckpulsen bestehen. Der Strom wird nur kathodisch geschaltet (� einfacher und überlagerter Rechtecktpulsstrom, Abb. 3b und c) 2. Bipolare Strompulse, bei denen die Strompulse sowohl kathodisch als auch anodisch geschaltet werden (� Umkehrpulsstrom). Die abzuscheidende Schicht wird dabei periodisch kathodisch aufgebaut und teilweise durch die dazwischen wirkenden anodischen Strompulse wieder abgebaut, Abb. 3d.

a) b)

c) d) Abb. 3: Strom-Zeit-Funktionen und ihre charakteristischen Größen bei der Metallabscheidung: a) Gleichstrom, b) einfache Rechteckpulse, c) überlagerte Rechteckpulse, d) Umkehrpulse [1] „k“ kennzeichnet Bereiche, in denen die Strommengen die kathodische Metallabscheidung bewirken „a“ kennzeichnet Bereiche, in denen die Strommengen, die anodische Auflösung der abgeschiedenen Metallschicht bewirken. Bei den einfachen und überlagerten Rechteckpulsen sind zwei aufeinander folgende Strompulse durch eine Strompause voneinander getrennt. Bei den Umkehrpulsen kommen zwischen den kathodischen Strompulsen neben Strompausen auch anodische Strompulse vor. Zum Vergleich des Pulsstroms mit dem Gleichstromverfahren wird die mittlere Stromdichte bestimmt, welche formal mit der Stromdichte bei der Abscheidung mit Gleichstrom übereinstimmt (Tab. 1). Um bei der Abscheidung mittels Pulsstromverfahren ähnlich große Stromdichten wie beim Gleichstromverfahren zu erzielen, sind in Abhängigkeit der Puls- und Pausenzeiten wesentlich höhere kathodische Pulsströme erforderlich. Tabelle 1: Berechnung der mittleren Stromdichte (Gl. 2.1.2-1 – 2.1.2-8)

Stromform Mittlere Stromdichte Mittlere Stromstärke Gleichstrom Pulsstrom unipolar Einfache

Rechteckpulse Überlagerte Rechteckpulse

Idc Ik

Ik

Idc

Ik

Ia

tk tp

tk tp tk

tp ta


bipolar Umkehrpulse

ia: anodische Pulsstromdichte Ia: anodische Komponente des Pulsstroms idc: Gleichstomkomponente der Stromdichte Idc: Gleichstomkomponente ik: kathodische Pulsstromdichte Ik: kathodische Komponente des Pulsstroms im: mittlere Stromdichte Im: mittlere Stromstärke ta: anodische Pulszeit tk: kathodische Pulszeit tp: Pausenzeit

2.1.3 FARADAYsche Gesetze 1. FARADAYsches Gesetz Beim Stromdurchgang durch einen Elektrolyten sind die an den Elektroden umgesetzten Stoffmengen n der geflossenen Ladungsmenge Q proportional [3] (Gl. 2.1.3-1) 2. FARADAYsches Gesetz Zur elektrolytischen Abscheidung von 1 mol eines Stoffes werden jeweils ganzzahlige Vielfache einer Ladungsmenge von F=96.487 C (FARADAY-Konstante) benötigt [2]

(Gl. 2.1.3-2)

Mit und (Gl. 2.1.3-3 und 2.1.3-4)

folgt bzw. (Gl. 2.1.3-5 und 2.1.3-6) I: Stromstärke t: Zeit n: abgeschiedene Stoffmenge m: Masse M: Molare Masse z: Anzahl der pro Ion übertragenen Elektronen F: FARADAY-Konstante (Grundkonstante: 96487 C/mol). Sie entspricht der Ladung eines Mols einfach geladener Ionen

(Gl. 2.1.3- 7)

2.1.4 Schichtdickenverteilung Die Dicke der galvanisch abgeschiedenen Schicht wird durch die Stromlinienverteilung zwischen Anode und Kathode bestimmt (Abb. 4). Entscheidend sind dabei geometrische Faktoren wie Form, Größe und Anordnung der beiden Elektroden sowie deren Oberflächenmorphologie/Rauheit. Die elektrischen Feldlinien verlaufen im Allgemeinen nicht parallel sondern konzentrieren sich bevorzugt an den vorspringenden Kanten und Ecken der


Elektroden. Folglich kommt es dort verstärkt zur Metallauflösung bzw. –abscheidung. Um ein gleichmäßiges galvanischen Aufwachsen zu realisieren gibt es u. a. die folgenden Möglichkeiten:

- Spezielle Elektrolytzusätze mit „Einebnungspotenzial“ - Zweckmäßige Anordnung der Anode - Einsatz zusätzlicher Anoden: Hilfsanoden (Abb. 5)

Abb. 4: Stromlinienverlauf Abb. 5: Schichtdickenverteilung ohne und mit Hilfsanode zwischen Anode und Kathode


2.2 Strukturierung dünner Schichten Zur Strukturierung dünner Schichten kommen verbreitet drei Verfahren zum Einsatz: - Ätztechnik - Lift-Off-Technik - Galvanische Abformung Bei der Ätztechnik (Abb. 6) wird das Substrat zunächst vollständig mit dem zu strukturierenden Material beschichtet. Anschließend wird ein Fotolack aufgebracht, der durch partielle Belichtung mit Hilfe einer Maske und folgender Entwicklung strukturiert wird. Bei Einsatz eines Negativ-Fotoresists bleiben nach dem Entwicklungsschritt die Bereiche stehen, auf die zuvor durch die Maske Licht aufgetroffen ist. Die unbelichteten Bereiche werden hingegen durch die Entwicklerflüssigkeit gelöst. Das so präparierte Substrat kann dann entweder physikalisch durch z. B. Ionenbeschuss oder chemisch durch eine Ätzlösung behandelt werden. Die Bereiche, die nicht durch den Fotolack geschützt sind, werden angegriffen und abgetragen. Im letzten Schritt wird der Fotolack mittels Lösemittel entfernt. Die darunterliegende Schicht liegt nun entsprechend strukturiert vor. Bei der Strukturierung von dünnen Schichten mit dem sogenannten Lift-Off-Verfahren werden die Substrate zunächst mit einer Fotolackschicht versehen. Jene wird ebenso wie bei der Ätztechnik durch Belichtung und Entwicklung strukturiert. Anschließend erfolgt eine ganzflächige Schichtabscheidung des zu strukturierenden Materials. Mit Hilfe eines Lösemittels kann nun der eigentliche „Lift-Off-Schritt“ durchgeführt werden, indem durch Lösen des Fotoresists auch das sich darauf abgeschiedene Schichtmaterial „abgehoben“ wird. Nur an den Stellen, wo kein Fotolack war, bleibt das Schichtmaterial auf dem Substrat haften. Die dritte Form der Strukturierung dünner Schichten ist die Galvanische Abformung. Hierzu wird zunächst analog wie bei der Ätztechnik vorgegangen, indem eine elektrisch leitende Schicht ganzflächig abgeschieden und anschließend ein Fotoresist aufgebracht und durch Belichten und Entwickeln strukturiert wird. Die auf diese Weise erhaltene Resistform kann folgend durch die galvanische Abscheidung von Metallen aufgefüllt werden, d. h. an den Stellen, an denen der Fotoresist durch den Entwickler herausgelöst wurde (hier besteht Kontakt zur elektrisch leitenden Startschicht), kann galvanisch eine Metallschicht aufgebracht werden. An den durch den Fotoresist bedeckten und daher nicht leitenden Stellen wächst hingegen keine Schicht auf. Im letzten Schritt wird der Fotoresist wiederum mittels Lösemittel entfernt.


Abb. 6: Strukturierung dünner Schichten

Ätztechnik Lift-Off-Technik Galvanische Abformung

Substrat

Aufbringen eines Schicht-materials (Startschicht)

Aufbringen von Fotoresist

Maske auflegen und justieren

Belichten mit UV -Licht

Entwickeln mit speziellem Lösemittel

Fotolithographieprozess im

Gelblichtbereich d. Reinraumes

Ätzen (links) Beschichten (mitte) Galvanik (rechts)

Fotoresist entfernen (Strippen)

Ätzen der Startschicht (rechts) durch Ion Beam

Etching


3. Versuchsdurchführung 3.1 Probenvorbereitung Die Probenvorbereitung ist nicht Teil der Versuchsdurchführung im Rahmen des AML. Sie wird vorab vom wissenschaftlichen oder technischen Personal des Instituts für Mikroproduktionstechnik durchgeführt. Als Proben werden Keramik-Wafer (∅ 4 Zoll) eingesetzt, welche mit einer gesputterten elektrisch leitenden Startschicht (Höhe ca. 250 nm) versehen sind. Jene sorgt später bei der galvanischen Abscheidung für den elektrischen Kontakt zur Waferhalterung und damit zur Spannungsquelle. Auf dieser Startschicht wurde anschließend eine Lackschicht aufgebracht und fotolithografisch strukturiert. Zum Einsatz kam hierzu der Positivlack AZ® 40 XT.

3.2 Beschichtung Vor Beginn der galvanischen Abscheidung ist die Lackhöhe mittels Profilometer an drei repräsentativen Stellen am Rand sowie in der Mitte des Wafers zu bestimmen. Tabelle 2: Schichthöhe vor der Abscheidung: hi_vorher Messung N

Schichthöhe: Mitte

Schichthöhe: Rand

1

2

3

Anschließend wird der Wafer mit deionisiertem Wasser benetzt und in das Galvanikbad eingebaut. Nach dem Einstellen der erforderlichen Parameter wird der Prozess gestartet. Die folgenden Parameter sind je nach gewähltem Abscheideverfahren zu dokumentieren: Tabelle 3: Zu dokumentierende Parameter Material: Gleichstrom Pulsstrom Idc Stromstärke Ik Kathodische Komponente des

Stroms tges Gesamtzeit der Abscheidung Ia Anodische Komponente des

Stroms tk Kathodische Pulszeit ta Anodische Pulszeit tp Pausenzeit tges Gesamtzeit der Abscheidung Nach der galvanischen Abscheidung wird der Wafer durch intensives Spülen vom Elektrolyten befreit und getrocknet. Im Anschluss wird die Strukturhöhe am Rand sowie in der Mitte des Wafers abermals mittels Profilometer vermessen. Tabelle 4: Schichthöhe nach der Abscheidung: hi_nachher Messung N

Schichthöhe: Mitte

Schichthöhe: Rand

1

2

3


4. Auswertung

4.1 Berechnung der Prozessgrößen

4.1.1 Mittlere Stromstärke und mittlere Stromdichte Gemäß des gewählten Abscheideverfahrens ist nach Tabelle 1 die mittlere Stromstärke sowie die mittlere Stromdichte zu berechnen.

(Gl. 4.1.1-1) Die Kathodenfläche AK setzt sich dabei im Wesentlichen aus zwei Komponenten zusammen: 1.: Strukturen auf der Waferoberfläche: 42 Rechteck-Strukturen mit einer Fläche von AStruktur=39mm pro Rechteck 2.: Elektrisch leidende Fläche auf der Waferhalterung entweder AHalterung=11.786mm

2 oder

AHalterung=0mm2

4.1.2 Abgeschiedene Schichthöhe Aus den gemessenen Schichthöhen ist jeweils für die Wafer-Mitte und den Wafer-Rand ein Mittelwert für die Schichthöhe vor- und nach der Abscheidung zu berechnen:

∑=

=N

i

vorhervorherm hN

h1

__

1 bzw. (Gl. 4.1.1-2)

∑=

=N

i

nachherinachherm hN

h1

__

1 (Gl. 4.1.1-3)

Anschließend wird aus den gemittelelten Werten die tatsächlich abgeschiedene Schichthöhe in der Wafer-Mitte und am Wafer-Rand bestimmt: (Gl. 4.1.1-4)

4.1.3 Abscheiderate Mit Hilfe der abgeschiedenen Schichthöhe können nun die Abscheideraten a für die Wafer-Mitte und den Wafer-Rand ermittelt werden:

ges

m

t

ha =

(Gl. 4.1.1-5)

4.1.4 Theoretische Masse der abgeschiedenen Schicht und theoretische Schichtdicke Ausgehend von der elektrisch leitenden Kathodenfläche AK ist die Masse sowie die Schichtdicke zu ermitteln, die sich auf Grund der geflossenen Ladungsmenge Q theoretisch auf dem Wafer abgeschieden hätte.


Bei der Berechnung können die folgenden Vereinfachungen zu Grunde gelegt werden: - Bei Legierungen ist entsprechend der theoretischen Legierungszusammensetzung von einer „Misch-Dichte“ bzw. einer „Misch-Molaren Masse“ auszugehen: z. B. bei NiFe der Zusammensetzung 81/19

bzw. (Gl. 4.1.3-1)

(Gl. 4.1.3-2)

- An der Kathode werden nur zweiwertige Ionen entladen, so dass z=2

Ausgehend von den FARADAYschen Gesetzen (Gl. 2.1.3-6) und mit:

bzw. (Gl. 4.1.3-3 und 4.1.3-4) ergibt sich für die abgeschiedene Masse:

(Gl. 4.1.3-5) und für die theoretische Schichthöhe

(Gl. 4.1.3-6)

(Gl. 4.1.3-7)

(Gl. 4.1.3-8) Die theoretische Schichtdicke ist mit den gemessenen Werten für die Wafer-Mitte und dem Wafer-Rand zu vergleichen.

4.2 Diskussion der Ergebnisse Im Rahmen der Ergebnisdiskussion sind die eigenen Versuchsergebnisse zu betrachten und zur Beantwortung der folgenden Fragen heranzuziehen. a) Warum unterscheiden sich die Höhen der abgeschiedenen Schichten in der Wafer-Mitte und am Rand?

b) Welche Möglichkeiten gibt es zur Vergleichmäßigung der Schichtdicke über dem Wafer? Erläutern Sie eine der Möglichkeiten.

c) Welcher Zusammenhang besteht zwischen der mittleren Stromstärke und der Abscheiderate?

d) Woher resultieren Unterschiede in den Abscheideraten unterschiedlicher Materialien? e) Welche Vor- und Nachteile hat die galvanische Schichtabscheidung gegenüber PVD-(Physical Vapour Deposition)-Verfahren wie z. B: Sputtern?

4.3 Erstellen des Protokolls Für das Protokoll ist eine Versuchsbeschreibung zu erstellen. Weiterhin ist die Auswertung gemäß 4.1 und 4.2 durchzuführen. Das Protokoll sollte mit einer Fehlerbetrachtung


schließen, in der sich kritisch mit der eigenen Versuchsdurchführung auseinandergesetzt wird.


5. Anlagen- und Gerätebeschreibungen

5.1 Galvanikzeile des IMPT Das IMPT verfügt im Reinraum über neun Galvanikbäder zur Abscheidung der folgenden Materialien:

- Cobald-Eisen für die Legierungszusammensetzung 40% Cobalt : 60% Nickel - Nickel-Eisen für die Legierungszusammensetzung 45% Nickel : 55% Eisen - Nickel-Eisen für die Legierungszusammensetzung 81% Nickel : 19% Eisen - Nickel - Kupfer - Gold

Der grundsätzliche Aufbau zur galvanischen Abscheidung kann den folgenden Abbildungen entnommen werden.

Abb. 8: Galvanikzelle in der Abb. 9: Kathodenhalterung [5] Nassbank des IMPT [5] 1: Aufbewahrungsbehälter, Pumpe, Zu- und Ablauf 2: Ein/Aus-Schalter der Pumpe und des Paddels 3: Eingabeboard der Spannungsquelle 4: Galvanikbecken mit Anode und Paddel. Der Elektrolyt wird bei den meisten Galvanikzellen des IMPT im Aufbewahrungsbehälter gelagert und so vor Verdampfungsverlusten geschützt. Im Aufbewahrungsbehälter besteht ferner die Möglichkeit den Elektrolyten vorzuheizen. Durch die Pumpe wird der Elektolyt von dort aus über den Filter in das oben gelegene Galvanikbecken gefördert, wobei der Filter Schwebstoffe aus dem Elektrolyten zurückhält. Das Paddel in der Galvanikzelle sorgt für die erforderliche Durchmischung des Elektrolyten und damit für die entsprechende „Nachlieferung“ von Metallionen zur Kathode. Über den Überlauf gelangt der Elektrolyt zurück in den Aufbewahrungsbehälter. Zur galvanischen Abscheidung wird der Wafer in die Kathodenhalterung (Abb. 9) eingelegt und fixiert. Über das Kathodenblech besteht die elektrische Verbindung zwischen der Startschicht auf dem Wafer zur Spannungsquelle. Die Halterung wird anschließend in das Galvanikbecken getaucht und der Prozess gestartet.

1

2

4

2

3


5.2 Profilometer „Dektak 3ST“ Zur Schichtdickenbestimmung wird auf dem Substrat eine Stufe zwischen unbeschichtetem und beschichtetem Material mit einer Abtastnadel abgefahren und die Messung elektronisch ausgewertet. Die Messeinrichtung besteht aus dem eigentlichen Messgerät und einem PC mit Handhabungs- und Messprogramm. An dem Messgerät müssen manuell die Probenpositionierung, Beleuchtungsstärke und Bildschärfe eingestellt werden. Hierzu gibt es folgende Drehregler und Handräder (vgl. Abb. 10): An der Gerätefront befindet sich ein kleiner Drehregler für die Helligkeit und ein großer für die Bildschärfe (mit diesem wird die Messeinrichtung mit Messspitze, Videokamera und Lampe vertikal verfahren). Unterhalb des Probentellers befinden sich zwei kleine Einstellräder für die horizontale Probenpositionierung und ein großes Rad zur Einstellung des Neigungswinkels der Probenebene. Der Probenteller selbst ist drehbar gelagert.

Abb. 10: Bedienelemente am DEKTAK-Profilometer Vermessung Die Probe wird mit der zu vermessenden Seite nach oben auf den Probenteller gelegt und mittels der Handräder unter der Nadel positioniert. Die Nadel kann hierzu mit dem Bildschärferegler vertikal verfahren werden, bis ein Bild der Probe zu erkennen ist. Gegebenenfalls ist die Beleuchtungsstärke nachzuregeln. Auf dem Monitor ist nun der Abtastbereich mit eingeblendetem Fadenkreuz abgebildet. Zur Ausrichtung der Abtastnadel wird anschließend im Menüpunkt <Stylus> < Stylus Down> angeklickt (oder Taste F3). Dadurch wird von oben die Abtastnadel auf die Probe abgesenkt. Nun ist das Fadenkreuz auf die Nadelspitze auszurichten. Dazu wird im Menüpunkt <Setup> <Stylus reticle> <Align> angeklickt. Das sich öffnende Fenster ist mit <OK> zu bestätigen. Das weiße Kreuz muss mit der Maus auf der Nadelspitze positioniert werden. Dies ist abschließend mit <Yes> zu bestätigen. Die rechte Seite des Fadenkreuzes markiert jetzt die Abtastrichtung der Nadel. Es ist zu beachten, dass das Bild auf dem Monitor um 90° zur Lage der Probe gedreht ist. (D. h., dass eine Verschiebung der Probe nach vorne das Bild nach links bewegt, eine Verschiebung der Probe nach rechts das Bild nach unten wandern lässt.) Der Objektträger ist so zu positionieren, dass eine geeignete Stufe im Verfahrweg der Nadel liegt. Im Menüpunkt <Scan programs> <Scan routine> kann mit einem Mausklick auf die <Scan parameters> die Parameter eingestellt werden (wichtig: Stylus Force: 9 mg, Soft


touch). Unter dem Menüpunkt <Run> kann jetzt mit <Run Single Scan> (F4) die Messung durchgeführt werden. Auf dem Monitor wird in einem Diagramm die vertikale Nadelbewegung über dem Verfahrweg aufgezeichnet. Zu beachten ist, dass die Probenebene zum Verfahrweg geneigt ist. Zwar ist das Auswertungsprogramm in der Lage, einen gewissen Neigungswinkel zu kompensieren, doch sollte darauf geachtet werden, dass die Probe einigermaßen waagerecht liegt. Der Neigungswinkel der Probe kann per Handrad verstellt werden (s. o.). Dabei wird die Kurve durch Drehen des Rades im Uhrzeigersinn nach oben, entgegen dem Uhrzeigersinn nach unten gedreht. Um ggf. an anderer Stelle zu messen, kann unter dem Menü <Display> mit <Sample Positioning> die Videodarstellung auf dem Bildschirm aktiviert und die Probe neu positioniert werden. Auswertung Nach durchgeführter Messung erscheint auf dem Bildschirm ein Diagramm mit der über der Messstrecke aufgenommenen Messkurve. Vor der eigentlichen Auswertung muss erst die Referenzebene bestimmt und die Kurve ausgerichtet werden. Hierzu werden mittels der Cursortasten rechts und links ein Mess- und ein Referenzbalken so verschoben, dass die gewünschte Ebene markiert wird. Um zwischen Referenz- und Messbalken hin und her zu schalten, können die Funktionstasten F6 und F7 benutzt werden. Über die Funktion <Level> (F8) wird die markierte Ebene als Referenz auf Null gesetzt. Für die Auswertung der Messung werden mit Mess- und Referenzbalken die zu vermessende Stufe markiert. Die Breite der Balken kann mit den Cursortasten auf und ab eingestellt werden. Das Programm ermittelt dann jeweils die Mittelwerte über dem eingestellten Bereich. Der ermittelte Abstand zwischen den markierten Ebenen wird im rechten unteren Teil des Bildschirms ausgegeben. Dabei wird neben der Stufenhöhe (Vert_D) auch die Position der Bezugsbalken (Horiz_D) angezeigt. Die Ausgabe erfolgt in Ångström (10 Å = 1 nm). Technische Spezifikationen DEKTAK 3ST Vertikaler Messbereich 100 Å bis 1310 kÅ Vertikale Auflösung 1 Å/65 kÅ, 10 Å/655 kÅ, 20 Å/1310 kÅ Länge des Messbereiches 50 *10-6 m bis 50 *10-3 m Messgeschwindigkeit Langsam, Mittel, Schnell Messzeit 3 Sekunden bis 50 Sekunden Software-Nivellierung 2-Punkt-Programmierung oder Cursornivellierung Messbühnenhöhenverstellung Manuell Messspitze (Standard) Diamant, 2,5 *10-6 m Radius Auflagedruck 1 mg bis 40 mg (programmierbar) Maximale Probendicke 45 mm Probenbühnendurchmesser 165 mm Ablage vom X/Y-Nullpunkt +/-76 mm Maximales Probengewicht 0,5 kg Aufwärmzeit 15 min. für maximale Stabilität Temperaturbereich 21°C ± 3°C Vergrößerungsfaktor 35- bis 200-fach


6. Allgemeine Verhaltensregeln im Reinraum 1. Das Betreten des Reinraums ist nur für geschultes Personal erlaubt. Die Schulung

umfasst das allgemeine Verhalten im Reinraum, sowie das Verhalten im Notfall.

2. Der Personalverkehr in den Reinraum ist auf ein Minimum zu beschränken. Eine sorgfältige Arbeitsplanung ist erforderlich: Alle Arbeitsmittel werden vorher zusammengestellt, alle benötigten Medienanschlüsse in den Technikräumen werden vor dem Betreten des Reinraums geöffnet usw.

3. Das Anlegen bzw. Ablegen der Reinraumkleidung ist strikt nach vor Ort gegebener Anweisung durchzuführen. Wird Reinraumkleidung beschädigt bzw. kontaminiert, so ist diese sofort in der Schleuse zu wechseln.

4. Auf das Tragen von Mundschutz und Handschuhen kann nur in Ausnahmefällen verzichtet werden.

5. Die Reinraumkleidung darf nur im Reinraum und in der Schleuse getragen werden. Die in dem Reinraum integrierten Technikräume dürfen nicht vom Reinraum aus betreten werden. Für das Arbeiten in den Technikräumen muss der Reinraum ordnungsgemäß verlassen werden. Der Zutritt erfolgt dann von außerhalb des Reinraums.

6. Die Mitnahme von Nahrung, Rauchwaren und sonstigen persönlichen Gegenständen ist zu unterlassen. Aus Gründen des Produktschutzes und der Arbeitssicherheit ist auf das Tragen von Schmuck zu verzichten. Das Auftragen von Partikel abgebenden Kosmetika ist zu vermeiden.

7. Alle Materialien, Werkzeuge, Geräte, Transportbehälter etc. dürfen nur über die Schleuse in den Reinraum gebracht werden, vorher sind diese Gegenstände gründlich zu reinigen. Zettel sind in Klarsichtfolien einzubringen.

8. Das Personal darf nur an den Arbeitsplätzen arbeiten, an denen es eingewiesen wurde. Diese Anweisung ist zwingend einzuhalten, da sonst die Arbeitssicherheit gefährdet wird.

9. Alle schnellen Bewegungen sollten im Reinraum vermieden werden.

10. Sprechen, Husten und Niesen dürfen nie in Richtung des kritischen Arbeitsbereiches erfolgen.

11. Muss die Nase geputzt werden, so darf dies nur in der Schleuse mit Einwegtaschentüchern erfolgen.

12. Die Kommunikation mit außen hat über die beiden Telefone zu erfolgen. Sie sollte nicht über die Schleuse stattfinden.

13. Bei momentaner Nichtbeschäftigung oder bloßer Überwachungstätigkeit möge sich das Personal möglichst weit vom kritischen Bereich aufhalten.

14. Eingriffe in den kritischen Arbeitsbereich haben möglichst so zu erfolgen, dass sich die Hände oder Arme nicht zwischen Filterdecke und dem zu schützenden Objekt aufhalten.

15. Ein direkter Kontakt der behandschuhten Hand mit dem Objekt ist nach Möglichkeit zu vermeiden, es sollte Werkzeug verwendet werden.


7. Literaturverzeichnis [1] Kanani, Nasser (2009): Galvanotechnik. Grundlagen, Verfahren und Praxis einer

Schlüsseltechnologie. 2. Aufl. München: Hanser.

[2] Kuballa, Manfred; Kranz, Joachim (2000): Chemie. 1. Aufl. Berlin: Cornelsen Scriptor (Pocket Teacher Abi).

[3] Chemie. Physikalische Chemie, Chemie und Umwelt ; Lehrbuch für die Sekundarstufe II ; Gymnasium / Gesamtschule (1995). Unter Mitarbeit von Wolfram Felber. 1. Aufl., 1. Dr. Berlin: Volk und Wissen.

[4] Lummer, Christin (2012): Galvanische Abscheidung von weichmagnetischen NiFe-Schichten. Masterthesis. Hochschule Wismar und Leibniz Universität Hannover

[5] http://www.chemieunterricht.de/dc2, 19.01.2013

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Untersuchung des Galvanischen Abscheidungsprozesses - IFA · PDF fileInstitut für Mikroproduktionstechnik - AML SS 2013 Seite 2 Inhalt Formelzeichen