(2 Punkt/Point) Erkla ̈ren Sie das ”Mooresche Gesetz” anhand einer Skizze.
Verdoppelung der Anzahl der Transistoren in einer integrierten Schaltung mit minimalen Komponentenkosten in
regelmäßigen Abstände
(3 Punkte/Points) Nennen Sie 6 Parallelen zwischen Mikrosystemtechnik und IC industry
Disruptive technologie
Batch Processing
Techologien wie Lithografie und Ätzen
Design und Simulation statt tril and error
Standardisierung
Strategisches planen
Aufbau einer fertigungsinfrastruktur
mehr funktionen durch systemkonzepte
(4 Punkte/Points) Nennen und erkla ̈ren Sie vier Grundregeln, die bei der Verarbeitung von einkristallinem Silizium Wafern beachtet werden mu ̈ssen.
Minimierung der Kristalldefektdichte (während Wachstumsphase) -> Minimierung Spannungskonzentration
-
Minimierung der Teile, die Spannung oder Reibung ausgesetzt sind -> Vermeiden der Induktion kristallographischer
Defekte
Minimierung mechanischer Bearbeitung wie Schleifen, Polieren, Sägen etc...
Beschichten zum Schutz vor Korrosion und Mechanik: (Si-) Karbid, (Si-) Nitrid, Diamant
(3 Punkte/Points) Wie wird ein Siliziumkristall im Czochralski-Verfahren gezogen? Notieren Sie die wichtigsten Punkte, auch anhand einer Skizze.
1. Schmelzen des gereinigten oder dotierten Siliziums (Si): Das gereinigte oder dotierte Silizium wird erhitzt, bis es vollständig geschmolzen ist.
2. Eintauchen des Impfkristalls: Ein Impfkristall, der an einem Metallstab befestigt ist, wird in die Siliziumschmelze getaucht. Die Unterseite des Impfkristalls wird dabei so weit erhitzt, dass sie aufschmilzt.
3. Kristallwachstum durch Erstarrung: Durch langsame Abkühlung beginnt die Schmelze an der Grenzfläche zwischen der Schmelze und dem Impfkristall zu erstarren, was zum Kristallwachstum führt.
4. Herausziehen des Kristalls mit Rotation: Der Kristall wird unter gleichzeitiger Rotation des Metallstabs langsam aus der Schmelze herausgezogen. Dies fördert ein gleichmäßiges Kristallwachstum.
5. Dotierung bei 1415°C: Während des Prozesses wird das Silizium bei einer Temperatur von 1415°C mit den Dotierungselementen Bor (B), Phosphor (P) und Arsen (As) versehen.
6. Herausziehen mit kontrollierter Geschwindigkeit: Der Kristall wird mit einer Geschwindigkeit von 1-3 mm pro Minute herausgezogen, um einen Durchmesser von 200-300 mm zu erreichen.
(4 Punkte/Points) Listen Sie vier Eigenschaften Siliziums auf, die es zu einem geeigneten Material fu ̈r die Mikrosystemtechnik machen und setzen Sie diese in Kontext durch einen Vergleich mit anderen Materialien.
Hoher E-Modul: 2*E5 MPa, vergleichbar mit rostfreiem Stahl (2.1E5 MPa)
niedrige Dichte: 2.3g/cm^3 -> vergleichbar mit Aluminium (2.7g/cm^3)
Knoop-Härte 850, höher als Fe, Ni, meiste Glasmaterialien, vergleichbar mit Quarz
Geringe thermische Ausdehnung: 2*E-6/°C, 8x kleiner als Stahl und 10x kleiner als Aluminium
(2 Punkte/Points) Warum wird bei der Herstellung von Silizium-Einkristallen die Zonenschmelzmethode eingesetzt? Wie funktioniert diese?
• Die Zonenschmelzmethode wird eingesetzt, um hochreine Silizium-Einkristalle zu erzeugen. Diese Einkristalle sind essentiell für die Herstellung von Halbleiterbauelementen, da sie frei von Verunreinigungen und Defekten sein müssen.
1. Ausgangsmaterial:
• Das Verfahren beginnt mit einem polykristallinen, gereinigten Siliziumstab. Dieser Stab besteht aus vielen kleinen Kristallen, die in unterschiedlichen Orientierungen zueinander angeordnet sind.
2. Induktives Aufschmelzen:
• Ein Ende des Siliziumstabs wird durch Induktion erhitzt, wodurch eine Schmelzzone entsteht. Die Induktion ermöglicht eine präzise Kontrolle der Temperatur und damit der Schmelze.
3. Kontakt mit dem Impfkristall:
• Ein Einkristall, der als Impfkristall dient, wird an die Schmelzzone herangeführt. Dieser Impfkristall bestimmt die Kristallstruktur, die sich in der Schmelzzone bildet.
4. Monokristallines Erstarren:
• Die Schmelze beginnt zu erstarren, wobei sich die Atome in der Struktur des Impfkristalls anordnen. So wächst der Siliziumstab als monokristalliner Einkristall weiter.
5. Bewegung der Schmelzzone:
• Eine Spule wird entlang des Stabes bewegt, wodurch die Schmelzzone kontinuierlich durch den Stab wandert. Dabei wird immer nur ein kleiner Abschnitt des Stabs aufgeschmolzen und anschließend wieder kristallisiert.
6. Verunreinigungstrennung:
• Verunreinigungen im Siliziumstab haben andere Schmelzpunkte als das reine Silizium. In der Schmelze befinden sie sich in einer energetisch günstigeren Umgebung als im Festkörper.
• Aufgrund dieser Eigenschaften wandern die Verunreinigungen mit der Schmelzzone mit und sammeln sich am Ende des Siliziumstabs.
7. Abscheidung der Verunreinigungen:
• Sobald die Schmelzzone das Ende des Stabs erreicht, haben sich die meisten Verunreinigungen dort angesammelt. Dieser verunreinigte Bereich kann dann abgeschnitten und entfernt werden.
(2 Punkte/Points) Erkla ̈ren und skizzieren Sie die Nutzung von ”Flats”, um die unterschiedlichen Kristallorientierungen von Siliziumwafern zu beschreiben.
Flats sind gerade Kanten an der Seite eines Wafers. Sie dienen zur Unterscheidung von Kristallstruktur und Dotierung
und zur Positionierung in Produktionsanlagen.
o
Größter Flat: zur exakten Ausrichtung in der Fertigung
Zweiter Flat: zur Erkennung des Scheibentyps
(1 Punkt/Point) Nennen Sie zwei Methoden um Siliziumkristalle in Wafer zu zerteilen.
Zerteilen mit Diamant-beschichteter Schneidklinge (Innenlochtrennen)
Zerteilen mit Diamant- beschichteten Schneiddrähten (Drahtsägen)
Von der Produktion bis hin zur charakterisierung wie läuft der prozess für einen ALL-SI MEms lautsprecher ab
1. Herstellung der Struktur:
• Der Lautsprecher wird auf einem Siliziumchip mithilfe von Mikrostrukturierungstechniken (Bulk-Mikrobearbeitung) hergestellt.
• Silizium-Aktuatoren werden so angeordnet, dass sie durch elektrostatische Kräfte Luft verdrängen und Schall erzeugen.
2. Anordnung der Aktuatoren:
• Die Aktuatoren sind in einer speziellen Konfiguration angeordnet, um eine effiziente Raumnutzung und eine gezielte Steuerung zu ermöglichen.
• Halbe Aktuatoren werden an den Rändern eingesetzt, um den Platz auf dem Chip optimal zu nutzen.
3. Fertigungsschritte:
• Verschiedene Ätz- und Beschichtungsprozesse werden verwendet, um die notwendigen Strukturen und Bewegungsfreiräume auf dem Chip zu erzeugen.
• Der Chip wird abschließend mit einer Deckschicht versehen und in ein Gehäuse integriert.
4. Charakterisierung und Test:
• Der fertige Lautsprecher wird auf einer Trägerplatine montiert und seine Leistungsfähigkeit (Schalldruckpegel, Verzerrungen) wird gemessen und mit Modellvorhersagen verglichen.
Wie wird ein Silicon wafer gefertigt
• Quarzsand wird als Rohmaterial verwendet und in einem Lichtbogenverfahren mit Kohlenstoffelektroden geschmolzen.
2. Reinigung:
• Das geschmolzene Silizium wird durch fraktionierte Destillation gereinigt, um Verunreinigungen zu entfernen.
3. Kristallisation:
• Das gereinigte Silizium kristallisiert zu polykristallinem Silizium.
4. Einzelkristallziehen:
• Anschließend wird das polykristalline Silizium in einem Prozess, wie z.B. dem Czochralski-Verfahren, zu einem Einkristall gezogen, der dann weiterverarbeitet wird.
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