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F A C H H O C H S C H U L E    W E D E L

 

Fachrichtung Physikalische Technik

 

Praktikum und Seminararbeit

Mikrosystemtechnik

 

Thema:

Testmasken für Kondensatorstrukturen

 

 

Eingereicht von:



Udo Becker
Breiter Weg 98
22880 Wedel

Matthias Pirsch
Dorfstr. 124
22889 Tangstedt

Erarbeitet im:

8. Semester

Abgegeben am:

22. Januar 1997

Referent:

Prof. Dr. Michael Anders

 

Inhalt

Inhalt   Anfang

1. Einleitung

Unsere Aufgabe bestand darin, Masken herzustellen, mit deren Hilfe man Isolatormaterialien testen und bewerten kann. Hintergrund dieser Arbeit ist es, systematisch Parameter zu ermitteln, die den Herstellungsprozeß von Masken und Bauteilen erleichtern. Das vorrangige Interesse unserer Aufgabenstellung ist die quantitative Dokumentation eines Maskenherstellprozesses.

Die von uns herzustellenden Masken sollen so beschaffen sein, daß mit ihnen für drei unterschiedliche Dielektrika Kondensatorstrukturen mit einer Kapazität von ca. 10 pF angefertigt werden können. Um die gewünschte Kapazität zu erhalten soll eine Isolatorschichtdicke von ca. 200 nm aufgebracht werden. Als Isolatormaterialen sind Siliziumdioxid (SiO2), Siliziummonoxid (SiO) und Bariumtitanat (BaTiO3) vorgesehen. Es ist selbstverständlich auch möglich, Strukturen mit anderen Isolatormaterialien herzustellen, deren Kapazität jedoch einen anderen Wert hat.

Als Substrat wird ein 3,5 " x 3,5 " Glasträger verwendet. Die Masken sollen jedoch auf einer Fläche von 20 mm x 20 mm untergebracht werden, wobei wir für jedes Dielektrikum mehrere Kondensatoren realisieren. Als Material für die Masken ist Chrom mit einer Schichtdicke von 100 nm üblich.

Für variable Verfahren der späteren Strukturherstellung ist ebenfalls vorgesehen, sowohl positive als auch negative Masken zur Verfügung zu stellen.

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2. Entwurf

2.1. Vorbemerkungen

Zur Herstellung von Kondensatorstrukturen wählten wir einen Dreimaskenprozeß, für den die notwendigen Masken entworfen und angefertigt werden sollen. In der Maske für die untere Leiterschicht (Maske 1) wird die Struktur der Leiterbahnen festgelegt. Darüber wird das Isolatormaterial aufgebracht, für dessen Strukturierung eine relativ einfache großflächige Form genügt (Maske 2). Die eigentliche Kondensatorstruktur und die Struktur der Leiterbahnen für die Verdrahtung werden in der oberen Leiterschicht festgelegt (Maske 3).

Die Kapazität eines Kondensators kann mit folgender Formel berechnet werden:


mit:
A = Fläche der Kondensatorplatten
d = Abstand Kondensatorplatten (d = 200 nm)
er = Dielektrische Konstante des Isolators
e0 = Dielektrische Konstante im Vakuum ( e0 = 8,854 10-12 F/m)


Formel 2.1. Kapazität eines Kondensators


Neben der Geometrie der Struktur ist also noch die Dielektrische Konstante des Isolators für die Kapazität verantwortlich. Sie hat für die uns vorgegebenen Materialien sehr unterschiedliche Werte:

Isolatormaterial

Dielektrische Konstante er

SiO2

4,5

SiO

5,8

BaTiO3

@ 2000


Tabelle 2.1.
Dielektrische Konstanten (
American Institute of Physics Handbook, McGraw-Hill Book Company New York, third Edition 1982, S. 9-11 + 9-121)


Um eine möglichst sinnvolle Anordnung der Kondensatoren in der Struktur zu erhalten haben wir drei Randbedingungen beachtet:

  1. Die einzelnen Kondensatoren sollen radial auf dem Substratträger angeordnet sein um eventuelle Differenzen in der Isolatorschichtdicke bestimmen zu können.

  2. Es sollen möglichst viele Kondensatoren zur Verfügung stehen.

  3. Für eine externe Verdrahtung sollen kurze Bondwege ermöglicht werden.

Im Anhang befinden sich die Vorlagen unseres Entwurfes, mit denen die Masken hergestellt wurden. Die Zeichnungen wurden mit Auto-CAD erstellt.

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2.2. extern verdrahtbare Kondensatoren

Für die Anordnung der Leiterbahnen auf Maske 1 wählten wir eine sternförmige Struktur, auf der die Kondensatoren radial angeordnet werden können. An den Enden der Leiterbahnen sind Kontaktflächen zum Bonden vorgesehen (Æ 800 m).

Bei gleichbleibender Isolatorschichtdiche d für jedes Isolatormaterial ist es unumgänglich, unterschiedliche Flächen der Kondensatorplatten vorzusehen. Wir wählten auf der unteren Maske für die Leiterbahnen (Maske 1) eine Leiterbahnbreite von 200 m für die Kondensatoren mit SiO2 und SiO bzw. 20 m für die Kondensatoren mit BaTiO3. Für jedes Isolatormaterial stehen jeweils drei Leiterbahnen zur Verfügung, insgesamt befinden sich also neun Leiterbahnen auf Maske 1. Nach Formel 2.1. ergeben sich die Abmessungen für die Kondensatorflächen, die auf der oberen Maske (Maske 3) realisiert werden müssen.

Isolatormaterial

Kondensatorfläche A [m x m]

SiO2

200 x 251

SiO

200 x 195

BaTiO3

20 x 5,6


Tabelle 2.2. Kondensatorflächen für externe Verdrahtung


Die Forderung nach möglichst vielen extern zu verdrahtenden Kondensatoren haben wir insofern abgeschwächt, als daß es möglich sein sollte, die einzelnen Kondensatoren mit dem bloßen Auge zu erkennen. Es wurde deshalb einen Abstand von ca. 1 mm zwischen den Kondensatoren vorgesehen. Wir haben auf jeder Leiterbahn sechs Kondensatoren untergebracht, so daß je Isolatormaterial 18 Kondensatoren mit externer Verdrahtung zur Verfügung stehen.

Kurze Bondwege wurden durch das wechselseitige Hinausführen der Anschlußleitungen der Kondensatorplatten (Maske 3) erreicht. Die hinausgeführten Anschlüsse auf dieser Maske haben eine Leiterbahnbreite von 100 m, die Kontaktflächen sind mit einem Durchmesser von 400 m aufgrund der begrenzten Fläche kleiner als auf Maske 1, jedoch für Bondprozesse noch ausreichend groß.

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2.3. Kondensatoren in der Mitte

Für Messungen, die es nicht notwendig machen, den Kondensator in eine elektrische Schaltung zu integrieren, bieten sich die in der Mitte der Struktur befindlichen kreisförmigen Kondensatorplättchen an.

Isolatormaterial

Æ der Kondensatorfläche [m]

SiO2

253

SiO

223

BaTiO3

12


Tabelle 2.3. Kondensatorflächen in der Mitte der Struktur

Insgesamt befinden sich in der Mitte der Struktur je 19 Kondensatorflächen für SiO2 und BaTiO3 sowie 23 Kondensatorflächen für SiO. Diese Kondensatorflächen befinden sich über einer durchgängigen Leiterflächen mit einem Durchmesser von 4,5 mm (Maske 1). Auf den Kontaktflächen für SiO2 und für SiO kann an einem Spitzenmeßplatz beispielsweise die Durchbruchspannung des Kondensators bestimmt werden. Die Fläche der Kondensatoren für BaTiO3 werden wahrscheinlich zu klein für diese Messung sein, wir haben uns aber dafür entschieden, sie trotzdem auf der Maske zu realisieren um hieraus eventuell Grenzen des Auflösungsvermögens der Prozesse zu ermitteln.

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2.4. Justierung der Masken

Bei der Herstellung der Struktur mit Hilfe der Masken muß gewährleistet sein, daß die Masken bei der Belichtung des Photolackes sehr genau in ihre Position über die darunterliegende Schicht gebracht werden können. Aus diesem Grund befinden sich an den Ecken der Maske 1 kreuzförmige Strukturen mit einer Bahnbreite von 50 m und einer Gesamtabmessung von 2 mm x 2 mm. In diese Kreuze lassen sich die versetzten Dreiecke auf den Masken 2 und 3 einpassen.

Diese Justierungshilfen befinden sich auf den Masken an jeweils drei Ecken, wodurch ein Verdrehen der Masken verhindert wird. An der vierten Ecke befindet sich eine Beschriftung der Masken (Maske 1, Maske 2, Maske 3). Mit dieser Beschriftung soll eine Benutzung der Masken von der Rückseite verhindert werden, sie soll beim Auflegen der Masken auf eine Struktur immer lesbar sein.

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2.5. Fertige Struktur

Zur Veranschaulichung, wie eine mit den von uns entworfenen Masken hergestellt Struktur aufgebaut ist, soll die Abbildung 2.1. dienen. Die Seitenlänge der Struktur beträgt 20 mm, die Darstellung ist stark überhöht.

 

Abbildung 2.1. Fertige Struktur

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3. Photovorlagen

3.1. Herstellung der Photovorlagen

Die Herstellung der Photovorlagen erfolgte in drei Verkleinerungsschritten, um von der Größe der DIN A4 Computerausdrucke mit einer Abmessung von 198 mm x 198 mm auf die Maskengröße von 20 mm x 20 mm zu kommen.

 

Abmessung [mm2]

Maske

Material

Belichtungsart

Belichtungszeit

Original

198 x 198

M1, M2, M3 positiv

Laserdruckergrafik auf Kopierpapier

   

1. Verkleinerung

108 x 108

M1, M2, M3
positiv

Copyproof
CPN (schwarz) /
CPP (weiß)

Reprokamera
Blende 22
4 x 500 W

3,5 s

2. Verkleinerung

59 x 59

M1, M2
positiv

Copyproof
CPN (schwarz) /
CPF 0,10 (transp.)

Reprokamera
Blende 22
4 x 500 W

2 s

M3
positiv

Copyproof
CPN (schwarz) /
CPF 0,10 (transp.)

Reprokamera
Blende 22
4 x 500 W

1,5 s

M1, M2, M3
negativ

Kodak SO-343

Kontaktbelichtung
4 x 150 W

2s

Endgröße

20 x 20

M1, M2, M3
positiv /
negativ

Kodak SO-343

Durchlichtaufnahme
Blende 8

5 min


Tabelle 3.1. Parameter der Photovorlagen-Herstellung

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3.2. Probleme bei der Photovorlagen-Herstellung

Bei unserer Arbeit stellte sich heraus, daß der verwendete Kodak-Film schon länger in der Schule gelagert wurde. Hieraus ergaben sich Probleme bei der Entwicklung und Belichtung. Selbst bei sehr langen Belichtungszeiten (bis zu 50 min in einem Versuch) wurde auf der Reprokamera keine ausreichende Schwärzung für die negativen Vorlagen bei der zweiten Verkleinerung erreicht. Auch eine Vergrößerung der Blende brachte keine brauchbaren Ergebnisses, da die Struktur dann unscharf wurde. Deshalb entschieden wir uns für eine Kontaktbelichtung der negativen Vorlagen mit Hilfe der positiven Vorlagen der zweiten Verkleinerung. Dies brachte jedoch ebenfalls bei der negativen Maske 1 eine leichte Schwärzung in den dünnen Linien, die sich bei der Photolackbelichtung und -entwicklung als problematisch herausstellte. Also entschieden wir uns am Ende unserer Arbeit die Vorlage für die negative Maske 1 nochmals mit inzwischen eingetroffenem neuem Filmmateriel (Agfa RA711p) zu fertigen. Wir konnten sehr deutlich feststellen, daß für eine gute Schwärzung frisches Filmmaterial unbedingt erforderlich ist.

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3.3. Nachfertigung der negativen Vorlage für Maske 1

Wie sich bei der Chrommasken-Herstellung herausstellte war die Qualität der negativen Photovorlage für Maske 1 nicht ausreichend, so daß wir diese nochmals herstellten. Hierbei gingen wir von der zweiten Verkleinerung aus und verkleinerten diese zweimal mit der Reprokamera, da sich auf diese Weise eine genauere Größenanpassung an die schon vorhandenen Masken erreichen ließ als mit dem Durchlichtverfahren.

 

Abmessung [mm2]

Maske

Material

Belichtungsart

Belichtungszeit

Original

59 x 59

M1 positiv

Copyproof
CPF 0,10 (transp.)

   

1. Verkleinerung

39 x 39

M1 positiv

Copyproof
CPN (schwarz) /
CPP (weiß)

Reprokamera
Blende 22
4 x 500 W

2 s

Endgröße

20 x 20

M1 negativ

Agfa RA711p

Reprokamera
Blende 22
4 x 500 W

3 s


Tabelle 3.2. Parameter der Nachfertigung der Photovorlage für negative Maske 1

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4. Chrommasken

4.1. Schichtherstellung

Die Herstellung der Chromschichten erfolgte in der Sputteranlage. Vorher müssen die Glasträger jedoch mit Substratreiniger 1 und 2 gereinigt und mit Methanol abgezogen werden. Die Sputteranlage wird dann in ca. einer Stunde auf einen Enddruck von ca. 2 10-5 mbar gepumpt. Anschließend wird Argon eingeleitet, so daß sich ein Druck von 1 10-1 mbar einstellt. In dieser Atmosphäre wird jeder Glasträger über einer Glimmentladung (Glimmstrom ca. 1 A) zehn Minuten gereinigt. Jetzt kann der Prozeßdruck von 5 10-3 mbar einstellt werden. Vor Beginn der Schichtherstellung sollte das Chromtarget ca. 10 min saubergesputtert werden. Die Schichten wurden mit einer Leistung von 250 W aufgesputtert, wobei die Sputterrate ca. 0,6 nm/s betrug. Das Erreichen der gewünschten Schichtdicke von 100 nm wurde mit einem Schwingquarz überwacht.

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4.2. Belackung

Als Photolack wurde Positiv-Photoresist AR-P 312 verwendet. Der Lack wurde bei 5000 U/min in 7 s aufgeschleudert. Bei der Nachfertigung der negativen Maske 1 erhöhten wir die Geschwindigkeit auf 7000 U/min , wobei eine glattere Lackschicht mit weniger Versprenklungen und Schlieren entstand. Vor der Belichtung wurde die Lackschicht für 30 min auf einer Heizplatte bei 90 C vorgebacken und anschließend einige Minuten abgekühlt.

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4.3. Belichtung

Die Belichtungszeiten des Photolackes variierten sehr stark für die unterschiedlichen Masken. Bei den positiven Masken war die Belichtung unproblematisch, für die negativen Masken mit sehr dünnen Strukturen mußten jedoch sehr lange Belichtungszeiten gewählt werden. Dies lag daran, daß die dünnen hellen Linien auf geschwärtztem Hintergrund z.T. unscharf und mit einem leichten Grauschleier überdeckt waren. Bei der negativen Maske 1 stellte sich sogar heraus, das durch die dünnen Linien erst dann eine ausreichende Belichtung erreicht wurde, als auch in den geschwärzten Bereichen des Filmes merklich Licht den Lack erreichte. Dies führte zu deutlichen Löchern in der Maske, so daß wir uns dafür entschieden, diese Photovorlage wie schon in 3.3. beschrieben nochmals mit neuem Filmmaterial herzustellen.

Vorlage

Maske

Belichtungszeit

positiv

M1, M2, M3

1 min

negativ

M1

25 min

M1 Nachfertigung

3 min

M2

3 min

M3

15 min


Tabelle 4.1.
Belichtungszeiten Photolack

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4.4. Entwicklung

Als Entwickler diente 0,1 normale Natronlauge (entspricht 1 g NaOH auf 250 ml H2O), die möglichst frisch angesetzt sein sollte. Bei der Entwicklung sollte das Substrat wie auch beim nachfolgendem Ätzprozeß in der Lösung gleichmäßig geschwenkt werden. Die Entwicklungszeit betrug ein bis zwei Minuten. Am Ende der Entwicklung ist an den belichteten Stellen wieder deutlich die metallisch glänzende Chromschicht zu erkennen. Nach der Entwicklung wurden die Substrate nochmals im Wärmeofen bei 90 C für 30 min nachgebacken.

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4.5. Ätzprozeß

Das Ätzmittel zum Chromätzen muß ebenfalls angesetzt werden. Hierfür werden 25 g Amonium-Cer-IV-Nitrat in 130 ml H2O gelöst, 7 ml 60 %-ige Per-Chlor-Säure hinzugegeben und die Lösung auf 170 ml mit H2O aufgefüllt. Das Ende des Atzprozesses ist ebenfalls gut erkennbar. Es wurde eine Ätzrate von etwas mehr als 100 nm/min erreicht. Liegt die Ätzrate deutlich niedriger, so ist das Ätzmittel verbraucht und sollte neu angesetzt werden. Die verbliebenen Lackreste können mit dem Remover AR 300-70 sehr schnell und sauber entfernt werden.

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5. Zusammenfassung

In dieser Zusammenfassung wollen wir noch einmal die wichtigsten Punkte ansprechen, die uns bei unserer Arbeit Probleme bereiteten und auf die nachfolgen Gruppen ein besonderes Augenmerk richten sollten.

Bei der Photovorlagenherstellung mußten wir feststellen, daß für einwandfrei geschwärzte Filme frisches Filmmaterial unbedingt erforderlich ist. Die Arbeit mit der Reprokamera ist insofern problematisch, als daß durch Staubpartikel, die sich in der Kamera befinden, kleine Löcher in der Schwärzung des Filmes entstehen. Aus diesem Grund konnten kaum einwandfrei geschlossenen Flächen erstellt werden. Die einzelnen Belichtungsschritte müssen so gewählt werden, daß mit der später hergestellten Maske eine Kontaktbelichtung möglich ist.

Im Reinraum ist sauberes Arbeiten Grundvorraussetzung für zufriedenstellende Ergebnisse. Insbesondere beim Umgang mit Pinzetten, an denen sich oft Reste verschiedener Lösungen befinden, sollte dies bedacht werden. Zur Herstellung einer festhaftenden und fehlerlosen Chromschicht muß die Reinigung der Substrate sehr sorgfältig vorgenommen werden. Für die Entwicklungs- und Ätzprozesse sollten immer möglichst frisch angesetzte Lösungen verwendet werden.

Rückblickend betrachtet haben wir bei dieser Arbeit einen guten praktischen Einblick in verschiedene Prozesse der Mikrosystemtechnik erhalten. Wir hoffen, daß die von uns hergestellten Masken in der Fertigung von Strukturen als positiv bewertet werden und daß die Arbeit nachfolgender Gruppen durch unsere Ergebnisse erleichtert wird.

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Anhang

A.1. Vorlage Maske 1

Gesamtabmessung

20 mm x 20 mm

Struktur-Æ

20 mm

Leiterbahnbreite

SiO2

200 m

SiO

200 m

BaTiO3

20 m

Kontaktflächen-Æ

800 m

Innenkreis-Æ

4,5 mm


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A.2. Vorlage Maske 2

Gesamtabmessung

20 mm x 20 mm

Struktur-Æ

18 mm


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A.3. Vorlage Maske 3

Gesamtabmessung

20 mm x 20 mm

Struktur-Æ

17,5 mm

Kondensatorflächen mit Außenkontakt

SiO2

251 m x 200 m

SiO

195 m x 200 m

BaTiO3

5,6 m x 20 m

Leiterbahnenbreite

100 m

Kontaktflächen-Æ

400 m

Kondensatorflächen in der Mitte Æ

SiO2

253 m

SiO

223 m

BaTiO3

12 m


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13. August 2000, Udo Becker