Oberflächen- und Dünnschicht-Technologie

Die Oberflächentechnologien werden in der Praxis nicht nach anwendungsspezifischen, sondern nach verfahrenstechnischen Gesichtspunkten unterschieden. Man kann diese Verfahren in zwei große Gruppen einteilen:

Die Oberflächenbearbeitung mit Laserstrahlen ist ein rasch wachsendes Gebiet mit vielen realisierten und vielen potentiellen Anwendungen in den verschiedensten Bereichen der Technik, wie beispielsweise in der Mikromechanik, der Metallkunde, der Halbleitertechnik, der integrierten Optik und der chemischen Verfahrenstechnik.

Bei den zu besprechenden Ionenstrahlverfahren werden Atome oder Moleküle ionisiert, in einem elektrischen Feld auf Energien zwischen etwa 30 und 300 keV beschleunigt, in einen Festkörper geschossen und im allgemeinen in diesen implantiert. Eine solche Implantation ist für nahezu beliebige Kombinationen von Ion und Substrat möglich, z.B. Bor oder Phosphor in Silicium, Beryllium oder Tellur in Galliumarsenid, Platin oder Stickstoff in Eisen. Die Eindringtiefe der Ionen hängt außer von ihrer Energie und Masse auch von der Masse der Atome des Substrats ab. So betragen die mittleren Reichweiten von Phosphorionen von 10 keV und 1 MeV in Silicium 14 nm bzw. 1176 nm, und die entsprechenden Werte für die (leichteren) Borionen 38 nm bzw. 2323 nm. Durch Ionenimplantation ist es möglich, praktisch alle Eigenschaften der Festkörperoberfläche und des oberflächennahen Bereiches zu verändern.

Elektronenstrahlverfahren haben in den letzten zwei Jahrzehnten eine erhebliche industrielle Bedeutung auf den Gebieten Schmelzen, Verdampfen und Wärmebehandeln von Materialien, Mikrobearbeitung von Oberflächen und strahlenchemische Umwandlung von Schichten erlangt. Alle diese Verfahren nutzen die einzigartigen Eigenschaften von Elektronenstrahlen, nämlich

Bisher war im Zusammenhang mit Beschichtungs- und Ätzprozessen vorwiegend von Niederdruckplasmen die Rede, die durch Gleichspannung oder Hochfrequenzspannung im kHz- und im MHz-Bereich erzeugt werden. Seit einigen Jahren nimmt die Bedeutung von durch Mikrowellen im GHz-Bereich erzeugten Plasmen ständig zu, weil diese gegenüber z.B. MHz-Plasmen höhere Ionendichten und damit kürzere Prozeßdauern zu erreichen gestatten. Hinzu kommt, daß Geräte mit Mikrowellenanregung keine Abstimmeinheiten (z.B. Π-Filter für MHzGeneratoren) benötigen und eine platzsparende, kostengünstige Bauweise ermöglichen. Im Teil I dieser Monographie (S. 129) wurde bereits im Zusammenhang mit der Technik des Ionenplattierens eine der ersten Anwendungen eines Mikrowellenplasmas beschrieben [5.1]. In der letzten Zeit hat sich dieses Arbeitsgebiet ganz beträchtlich ausgeweitet, und es stehen jetzt auch kommerzielle Plasmasysteme mit Mikrowellenanregung für die verschiedensten Techniken zur Verfügung. So zum Beispiel für

Die einzigartigen Eigenschaften von Diamant lassen Diamantschichten für viele technische Anwendungen in der Mikroelektronik und der Optoelektronik sowie als Oberflächenschutz in der chemischen Verfahrenstechnik und der Maschinenindustrie interessant erscheinen. Während die Herstellung von Industriediamanten in Autoklaven nach dem Hochdruck-Hochtemperatur (HPHT)-Prozeß, den Hall u.a. [6.1] bei General Electric entwickelten, schon seit den 60er Jahren zum Stand der Technik gehört, konnten auf dem Gebiet der DiamantfilmHerstellung, für die der HPHT-Prozeß nicht geeignet ist, erst in allerletzter Zeit bemerkenswerte Fortschritte erzielt werden.

Unter den Mikrotechnologien haben zweifellos die Verfahren der Halbleitertechnik und der Mikroelektronik die größte Bedeutung, und unter diesen wiederum die Silicium-Planartechnik. Die Silicium-Chip-Technologie [7.1–7.8] ist daher auch der Hauptgegenstand des vorliegenden Kapitels. In den letzten Jahren sind jedoch die Technologien der Mikroelektronik auch auf andere Gebiete übertragen und dabei zum Teil weiterentwickelt worden. Beispiele sind der Bau mikromechanischer und mikrothermischer Maschinen, mikrooptischer Basiselemente und integrierter optoelektronischer Schaltkreise. Die hier entwickelten Mikrotechnologien werden vielfach unter dem Begriff „Micro Machining“ oder Mikromechanik [7.9] zusammengefaßt und damit gegen das Gebiet der Mikroelektronik abgegrenzt. Über diese äußerst interessanten Entwicklungen soll später in Abschn. 7.8 ein Überblick gegeben werden. Wir beginnen jetzt mit der Silicium-Technologie, die die gemeinsame Grundlage von Mikroelektronik und Mikromechanik ist.

Diese Verfahren umfassen mechanische, thermische und thermochemische Methoden, die im folgenden besprochen und mit den modernen, in diesem Buch behandelten Methoden verglichen werden sollen.