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Geleitwort
6
Vorwort
7
Inhaltsverzeichnis
8
1 Arbeitswelt der Mikrotechnologinnen und Mikrotechnologen
19
1.1 Die Geschichte der Mikrotechnologie
19
1.2 Anwendungsgebiete der Mikrotechnologie
21
1.3 Tätigkeitsbereiche von Mikrotechnologinnen und Mikrotechnologen
23
1.4 Anforderungen an Mikrotechnologinnen und Mikrotechnologen
25
1.5 Die duale Berufsausbildung
28
1.6 Die grundlegenden Ziele der Ausbildung
30
1.7 Die Verantwortung für die Ausbildung
32
1.8 Weiterbildungsmöglichkeiten für ausgebildeteMikrotechnologinnen und Mikrotechnologen
33
1.9 Aufgabenpool
34
2 Werkstoffe in der Mikrosystemtechnik
37
2.1 Einführung
37
2.2 Silicium
41
2.2.1 Herstellung von Reinstsilicium inklusive Kristallzüchtung, Herstellung von elementaremSilicium/Metallurgical Grad Silicon (MGS)
42
2.2.2 Waferherstellung
49
2.2.3 Geometrie der Festkörper
53
2.2.3.1 Kristallgitter
54
2.2.3.2 Kristallfehler
56
2.2.4 Chemisches Verhalten von Silicium und seinen Verbindungen
59
2.3 Verbindungshalbleiter
61
2.4 Metallische Werkstoffe
64
2.4.1 Verschiedene Arten der Metalle
64
2.4.2 Physikalische Eigenschaften
65
2.5 Amorphe Werkstoffe
66
2.5.1 Kunststoffe
66
2.5.1.1 Herstellung von Kunststoffen
68
2.5.1.2 Eigenschaften von Kunststoffen
69
2.5.1.3 Anwendungen von Kunststoffen
70
2.5.2 Keramiken
70
2.5.3 Gläser
71
2.6 Aufgabenpool
72
3 Leitungsvorgänge in ausgewählten Werkstoffen
75
3.1 Spezifischer Widerstand und elektrische Leitfähigkeit
75
3.2 Eigenleitfähigkeit und Störstellenleitung
79
3.3 Bändermodell
81
3.4 Aufgabenpool
83
4 Aufbau und Funktionsweise elektrischer und elektronischer Bauelemente
85
4.1 Elektrische Widerstände
85
4.2 Kondensator
88
4.3 Spulen
93
4.4 Dioden
95
4.5 Bipolare und unipolare Transistoren
101
4.5.1 Bipolare Transistoren
101
4.5.2 Unipolare Transistoren
104
4.6 Speicherzellen
106
4.7 Operationsverstärker (OP)
109
4.8 Solarzellen
112
4.9 Aufgabenpool
114
5 Bedingungen für die Fertigung
117
5.1 Reinraumtechnik
117
5.1.1 Partikel
118
5.1.2 Reinraumklassen
120
5.1.3 Grundlagen Reinraumaufbau
123
5.1.4 Verhalten im Reinraum
126
5.1.5 Reinraumbekleidung
127
5.2 Reinraumluftversorgung und -entsorgung
128
5.2.1 Klimatechnik und ihre Komponenten
129
5.2.2 Prozessfortluftsysteme
132
5.3 Ver- und Entsorgung
133
5.3.1 Reinstmedientechnik
134
5.3.2 Neutralisation
143
5.3.3 Vakuumtechnik
144
5.4 Umgang mit Gefahrstoffen
153
5.5 ESD
156
5.6 Aufgabenpool
158
6 Qualitätsmanagement
161
6.1 Worum geht es beim Qualitätsmanagement?
161
6.1.1 Definitionen
161
6.1.2 Denken in Prozessen und kontinuierliche Verbesserung
162
6.2 Wofür Qualitätsmanagement?
165
6.3 Das QM-System
166
6.3.1 Regelwerk zur Erfüllung der Qualitätsanforderungen
166
6.3.2 Dokumentation des QMS
168
6.3.3 Die Norm als Messlatte
171
6.3.4 Überprüfung der Wirksamkeit durch Audits
174
6.3.5 Zertifizierung eines QMS
177
6.4 QM beim Management von Ressourcen
179
6.4.1 Personelle Ressourcen
179
6.4.2 Prüfmittelüberwachung
181
6.5 QM in der Produktion
183
6.5.1 Prozessplanung
183
6.5.2 Prozessentwicklung
184
6.5.3 Prozesskontrolle
185
6.5.4 Gesamtprozess
185
6.5.5 Lenkung fehlerhafter Produkte
186
6.5.6 Korrekturmaßnahmen und Kundenreklamationen
187
6.6 Q-Werkzeuge zur Vorbeugung
188
6.6.1 Ursache-Wirkungs-Diagramm
188
6.6.2 Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA)
188
6.6.3 Q-Zirkel und Co.
190
6.6.4 5A-Aktion
191
6.7 Q-Werkzeuge zur Datenauswertung
192
6.7.1 Datensammelblatt
192
6.7.2 Histogramm
193
6.7.3 Pareto-Diagramm
193
6.8 Q-Werkzeug zur Prozess-Steuerung: StatistischeProzesssteuerung (SPC)
194
6.9 Aufgabenpool
203
7 Mess- und Prüfverfahren
207
7.1 Messung von Strukturbreiten – Mikroskopie
207
7.1.1 Auge, Lupe
207
7.1.2 Lichtmikroskop
209
7.1.3 Elektronenmikroskop
212
7.1.4 Rasterkraftmikroskop
214
7.1.5 Kristallstrukturanalyse
214
7.2 Messung von Schichtdicken und Oberflächen
215
7.2.1 Profilometer (mechanisch)
215
7.2.2 Schwingquarz
216
7.2.3 Reflexionsspektroskopie
216
7.2.4 Ellipsometrie
219
7.2.5 Interferometrie
219
7.2.6 Profilometer – (optisch)
221
7.3 Weitere Mess- und Prüfverfahren
222
7.3.1 Vierspitzenmessung
222
7.3.2 Röntgenmikroskopie
224
7.4 Aufgabenpool
228
8 Vom Ausgangsstoff zum Endprodukt
231
8.1 Allgemeiner Produktionsablauf
231
8.2 Produktionsablauf der Halbleitertechnik
233
8.3 Produktionsablauf des oberflächenmikromechanischen Beschleunigungssensors
235
8.4 Produktionsablauf des bulk-mikromechanischen Drucksensors
238
8.5 Aufgabenpool
241
9 Wafereingangskontrolle und Spezifikationen
243
9.1 Einleitung
243
9.2 Parameter zur Waferspezifikation
243
9.3 Mechanisch-physikalische Parameter bei der Waferherstellung
244
9.4 Praktisches Anwendungsbeispiel an einem 6?-Si-Wafer (150 mm)
245
9.5 Arten von Wafern in der Produktiom/Halbleiterfertigung
247
9.6 Bogen/Durchbiegung und Stress als kritische Parameter für die Produktion
248
9.7 Leitfähigkeitsüberprüfung nach SPC
251
9.8 Aufgabenpool
253
10 Beschichtungstechnologien
257
10.1 Thermische Oxidation
257
10.1.1 Trockene Oxidation
258
10.1.2 Feuchte Oxidation
259
10.1.3 Lokale Oxidation von Silicium
260
10.2 Beschichtungsverfahren aus der Gasphase
262
10.2.1 Physikalische Gasphasenabscheidung
262
10.2.2 Chemische Gasphasenabscheidung
266
10.2.3 Epitaxie
269
10.3 Galvanik und stromlose Abscheidung
272
10.3.1 Galvanik
272
10.3.2 Außenstromlose Abscheidung
274
10.4 Aufgabenpool
279
11 Photolithographie
281
11.1 Einführung in die Lithographie
281
11.1.1 Moore’s Law, die treibende Kraft
282
11.1.2 Prozessübersicht der Photolithographie
283
11.2 Vorbehandlung
285
11.2.1 Das Spin-On-Verfahren
287
11.2.2 Der Box-Primer-Prozess
287
11.2.3 Single Wafer Hot Plate
288
11.3 Belackung
290
11.3.1 Die Erfindung des Photolacks
290
11.3.2 Positiv- oder Negativlack
290
11.3.3 Bestandteile des Photolacks
291
11.3.4 Beschichtungsverfahren
295
11.4 Belichtung
300
11.4.1 Rehydrieren
300
11.4.2 Absorption von Licht im Lack
301
11.5 Entwicklung
304
11.5.1 Entwicklerprozess
304
11.5.2 UV-Cure
308
11.5.3 Reaktionen beim Entwickeln
309
11.5.4 Kenngrößen der Entwicklung
310
11.6 Spezielle Lacke
312
11.6.1 Dicke Lacke
312
11.6.2 Umkehrlacke – Lift-Off-Prozess
313
11.6.3 Negativlack
315
11.6.4 Deep Ultra Violet Resist
317
11.7 Optik – Grundlagen
319
11.7.1 Beugung am Spalt
320
11.7.2 Auflösung nach Ernst Abbe
321
11.7.3 Tiefenschärfe
322
11.8 Belichtungsverfahren
323
11.8.1 Kontaktbelichtung
323
11.8.2 Proximity-Belichtung
324
11.8.3 Projektionsbelichtung
328
11.8.4 Röntgenlithographie
338
11.9 Aufgabenpool
340
12Ätzprozesse
343
12.1 Einführung in das Thema Ätzen: Geschichtliches
343
12.2 Grundlagen Ätzen
344
12.3 Waferreinigung
346
12.4 Nasschemisches Ätzen
348
12.4.1 Ätzverfahren: Tauch- und Sprühätzen
350
12.4.2 Isotropes Ätzen von Metallen und Silicium (Si)
350
12.4.3 Anisotropes Ätzen von Si
352
12.5 Physikalische Trockenätzverfahren
354
12.5.1 Sputterätzen
356
12.5.2 Ionenstrahlätzen
359
12.5.3 Focused Ion Beam (FIB)
360
12.6 Chemisches Trockenätzverfahren: Plasmaätzen
361
12.7 Physikalisch-chemische Trockenätzverfahren
364
12.7.1 Reaktives Ionenätzen (RIE) und reaktives Ionentiefenätzen(DRIE)
365
12.7.2 Reaktives Ionenstrahlätzen(RIBE)/chemisch unterstütztes Ionenstrahlätzen (CAIBE)
368
12.8 Aufgabenpool
368
13 Dotierung
371
13.1 Anwendung der Dotierung
371
13.1.1 Piezoresistiver Kraftsensor
371
13.1.2 pn-Übergänge
373
13.2 Änderung der elektrischen Leitfähigkeit von Silicium
373
13.3 Dotierstoffe
374
13.4 Dotierprozesse
374
13.4.1 Diffusion
374
13.4.2 Ionenimplantation
390
13.4.3 Legierungsverfahren
395
13.4.4 Zusammenfassung
397
13.5 Aufgabenpool
397
14Fertigstellung mikrotechnischer Produkte
401
14.1Waferbearbeitung
401
14.1.1 Rückseitenmetallisierung
402
14.1.2 Verringerung der Scheibendicke
403
14.1.3 Trennen
403
14.2 Chipmontage und Wafermontage
407
14.2.1 Chipbonden
408
14.2.2 Waferbonden
411
14.3 Drahtbonden
416
14.3.1 Ultraschallbonden
416
14.3.2 Thermokompressionsbonden
418
14.4 Gehäuse
421
14.5Substrat- und Leiterplattentechnik
424
14.5.1 Leiterplattentechnik
425
14.5.2 Keramiksubstrat
429
14.5.3 Dickschichttechnik
430
14.6Montagetechniken und Montagetypen
433
14.6.1 Lead Frame
434
14.6.2 Chip on Board (COB)
435
14.6.3 Ball Grid Array (BGA)
435
14.6.4 Flip Chip (FC)
435
14.6.5 Tape Automated Bonding (TAB)
436
14.7Montageprozess – Löten
437
14.7.1 Montageprozess am Beispiel des Lötens von Bauteilen
438
14.7.2 Lesen eines Phasendiagramms
438
14.7.3 Lot aufbringen
440
14.7.4 Lot schmelzen
441
14.8Qualitätskontrolle
448
14.8.1 Drahtabrisstest = Pulltest
448
14.8.2 Schertest (shear test)
451
14.8.3 Querschliffe (cross section)
453
14. 9 Aufgabenpool
453
15 Prozessintegration
457
15.1 Leuchtdiode
457
15.2 Solarzelle
466
15.3 Bipolarer Transistor
478
15.4 CMOS
481
15.5 Mikro-Scannerspiegel
485
15.6 Aufgabenpool
491
16 Mikrosysteme
493
16.1 Sensoren
493
16.1.1 Beispiele für den Einsatz von Sensoren
493
16.1.2 Kapazitive Sensoren
495
16.1.3 Magnetfeldsensoren
501
16.1.4 Temperatursensoren
503
16.1.5 Piezoresistive Sensoren
506
16.1.6 Sensoren auf der Basis von Frequenzänderungen
514
16.2 Aktoren
516
16.2.1 Definition
517
16.2.2 Festlegung auf einige Begriffe
518
16.2.3 Skalierungsgesetze
519
16.2.4 ElektrostatischesAktorprinzip
521
16.2.5 Piezoelektrisches Aktorprinzip
526
16.2.6 Aktoren auf Basis des Formgedächtnis-Effektes
530
16.2.7 Elektromagnetisches Aktorprinzip
534
16.3 Aufgabenpool
538
17 Optische Mikrosysteme
541
17.1 Lichtemittierende Systeme
541
17.1.1 Leuchtdioden (LEDs)
541
17.1.2 Laserdioden
545
17.1.3 Organische Leuchtdioden
547
17.2 Lichtleitende Systeme
552
17.2.1 Wellenleiter
552
17.2.2 Mikrooptische Ringresonatoren
555
17.2.3 Photonische Kristalle
559
17.3 Lichtmodulatoren
561
17.3.1 Mikrospiegelmatrizen
561
17.3.2 Deformierbare Spiegel
566
17.3.3 Scannerspiegel
570
17.3.4 Scanner-Beugungsgitter
575
17.4 Lichtdetektoren
579
17.4.1 Photodioden
579
17.4.2 CCD-Bildsensoren
585
17.4.3 CMOS-Bildsensoren
588
17.4.4 Mikrobolometer
590
17.5 Aufgabenpool
592
18 Gedruckte Elektronik
595
18.1 Überblick
595
18.2 Warum gedruckte Elektronik?
596
18.3 Funktionsweise grundlegender elektronischer Bau-elemente
603
18.3.1 Überblick
603
18.3.2 Die Diode
603
18.3.3 Der Feldeffekttransistor
606
18.4 Materialien der gedruckten Elektronik
613
18.4.1 Grundvoraussetzungen bei Materialien für gedruckteElektronik
613
18.4.2 Substrat
613
18.4.3 Isolator
614
18.4.4 Halbleiter
616
18.4.5 Leiter
619
18.5 Materialabscheidung
621
18.5.1 Grundlagen
621
18.5.2 Abscheidemethoden
623
18.6 Anwendungsgebiete für gedruckte Elektronik
628
18.7 Aufgabenpool
629
Sachwortverzeichnis
651
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