Zielgruppe: Halbleitertechniker, Materialwissenschaftler, Vakuumtechniker, Hobbyisten der Dünnschichttechnologie.
Abstract
Der Vortrag stellt die Aktivitäten von FAFO, einem privaten Labor in München, vor, das sich der Entwicklung von Halbleitertechnologien widmet, insbesondere der Dünnschichtabscheidung. Es werden zwei Hauptmethoden der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) – thermische Verdampfung und Sputtern – detailliert erläutert, einschließlich der theoretischen Grundlagen, erforderlichen Vakuumsysteme und praktischen Umsetzung für Hobbyisten. Die Referenten demonstrieren die Funktionalität ihrer selbst erworbenen und modifizierten Gerätschaften, darunter mehrere Edwards Auto 306 Systeme, für die Herstellung von Kondensatoren und Schottky-Dioden. Der Schwerpunkt liegt auf der Erzielung präziser, dünner Schichten unter Vakuumbedingungen, der Automatisierung von Prozessen mittels Modbus und der Bewältigung technischer und sicherheitsrelevanter Herausforderungen beim Betrieb von Altgeräten. Das langfristige Ziel von FAFO ist die Herstellung von Transistoren.
Wichtigste Punkte & Zeitstempel
0:27 Einführung FAFO: FAFO ist ein vor etwa zwei Jahren gegründetes Labor in München, das von rund einem Dutzend Personen betrieben wird. Es fungiert als Hackerspace für Halbleiterentwicklung und zugehörige Technologien und verfolgt einen strukturierten Tech-Tree-Ansatz für die Technologieentwicklung.
2:55 Hintergrund & Haftungsausschluss: Die Referenten sind keine Wissenschaftler, sondern Computer-Nerds und teilen ihre praktischen Erfahrungen und Lernprozesse, nicht als formelle Vorlesung oder Sicherheitstraining.
3:48 Relevanz von Dünnschichten: Dünnschichten sind entscheidend für die Mikrochipherstellung, ermöglichen leitende und isolierende Spuren, Widerstände, Kondensatoren, Transistoren sowie Sensoren, Solarzellen, Antireflexbeschichtungen und dekorative Oberflächen.
5:34 Methoden der Abscheidung: Die grundlegenden Abscheidungsmethoden umfassen chemische (nicht-dampfbasierte wie Tauch- und Schleuderbeschichtung, Galvanisierung), chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und Atomlagenabscheidung (ALD). Der Vortrag konzentriert sich auf die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD).
6:33 Vorteile von PVD: PVD ermöglicht präzisere und dünnere Schichten, minimiert Oxidation im Vakuum, ist relativ sicher und sauber im Umgang mit Chemikalien und bietet hohes Automatisierungspotenzial.
8:38 Thermische Verdampfung (Theorie): Bei der thermischen Verdampfung wird ein Material (z.B. Aluminium) in einem Wolframschiffchen im Vakuum durch hohen Strom erhitzt. Einzelne Atome lösen sich von der Oberfläche und bewegen sich geradlinig zum kälteren Substrat, wo sie kondensieren und eine Schicht bilden. Die Winkelverteilung der verdampften Partikel führt zu einer Kosinusverteilung auf der Substratoberfläche, die durch Rotation des Substrats ausgeglichen werden kann.
12:07 Grundlagen des Vakuums: Druckeinheiten (Bar, Millibar, Torr, Hektopascal) werden erläutert. Für PVD-Prozesse sind Vakua im Bereich von 10⁻² bis 10⁻⁶ mbar erforderlich, um eine freie Weglänge der Partikel von >1 Meter zu gewährleisten.
14:12 Vakuumpumpen: Um das erforderliche Vakuum zu erreichen, werden primäre (mechanische Drehschieberpumpen bis 10⁻² mbar) und sekundäre Hochvakuumpumpen (Öldiffusionspumpen für keine beweglichen Teile, aber Brandgefahr; Turbomolekularpumpen für keine Brandgefahr, aber Explosionsrisiko) kaskadiert eingesetzt.
16:00 Vakuumkomponenten:KF-Flansche (Klein-Flansche) sind gängige, O-Ring-basierte Dichtungen für den Hochvakuumbereich. Ein typisches Vakuumsystem umfasst eine Vakuumkammer, zwei Pumpenstufen, Manometer (Pirani- und Ionisations-Vakuummeter), Ventile (Absperr-, Vorvakuumventile) und elektrische Durchführungen.
19:06 Schichtdickenüberwachung (QCM): Eine Quarzkristallmikrowaage (QCM) misst die Resonanzfrequenzänderung eines beschichteten Quarzkristalls, um die Schichtdicke zu bestimmen, basierend auf der Sauerbrey-Gleichung.
22:05 Erwerb und Inbetriebnahme von Altgeräten: FAFO erwarb ein "King Edwards" Thermoverdampfersystem (70er/80er Jahre, Öl-Diffusionspumpe, Glasglocke) und ein Edwards Auto 306 (80er Jahre, frontladend, elektronisch gesteuert, Turbopumpe, Elektronenstrahlverdampfung). Es werden Tipps zum Kauf (Sicherheitsaspekte, Transport, Zustand der Elektronik), Laden und zur Inbetriebnahme (Elektrik, Wasserkühlung, Ölwechsel, schrittweiser Test) von Gebrauchtgeräten gegeben.
30:16 Liftoff-Prozess: Der Liftoff-Prozess ermöglicht die Strukturierung von Dünnschichten: Zuerst wird eine Fotomaske auf das Substrat aufgebracht, partiell entfernt, dann wird das Material abgeschieden, und schließlich die verbleibende Maske gelöst, wodurch das Material auf der Maske "abgehoben" wird. Dies kann sogar mit einem Marker ("Edding") als Maske erfolgen, wodurch FAFO Strukturgrößen von 1.5 µm erreichte.
33:09 Elektronenstrahlverdampfung (EBAM): Das Edwards Auto 306 ermöglicht EBAM, bei der ein Elektronenstrahl das Quellmaterial selektiv erhitzt und verdampft, ohne das gesamte System zu erwärmen. Dies erlaubt auch die Abscheidung nichtmetallischer Materialien wie SiO2 (Glas). Sicherheitswarnungen bezüglich der Hochspannung (Kilovolt-Bereich) werden betont.
36:12 Probleme der thermischen Verdampfung: Hohe Temperaturen können Materialreaktionen verursachen und die Haftung beeinträchtigen. Die Line-of-Sight-Abscheidung führt zu ungleichmäßiger Beschichtung an Stufen oder Gruben. Die Abscheiderate ist schwer präzise zu kontrollieren.
37:07 Sputtern (Theorie): Beim Direktstrom-Sputtern wird in einer Vakuumkammer Argon-Gas eingeführt und durch Anlegen einer Gleichspannung ein Plasma erzeugt. Positiv geladene Argon-Ionen werden zum negativ geladenen Target (Kathode) beschleunigt, schlagen Atome aus dem Target, die dann auf dem Substrat abgeschieden werden. Magnetrone werden zur Plasmakontrolle eingesetzt. Dieser Prozess ermöglicht eine gleichmäßigere Beschichtung unebener Oberflächen.
39:51 Anwendungen des Sputterns: Standardtechnik zur Vorbereitung nichtleitender Proben (z.B. Haare, Insekten) für die Rasterelektronenmikroskopie (REM), Herstellung von Festplatten-Plattern und LCD-Transistoren.
Sputterätzen: Umkehren der Polarität zur Substratreinigung.
RF-Sputtern: Einsatz von Hochfrequenz-Wechselstrom zur Abscheidung nichtleitender Materialien.
Reaktives Sputtern: Zugabe von reaktiven Gasen (z.B. Sauerstoff, Stickstoff) zur Bildung von Oxiden oder Nitriden.
42:53 Zweite Sputter-Maschine (Edwards Auto 306): FAFO betreibt ein weiteres Edwards Auto 306, das für Sputtern ausgerüstet ist, mit zwei Sputterköpfen (DC/RF) und zwei Massenflussreglern (MFCs) zur präzisen Gaseinspeisung.
43:17 Sicherheit beim Sputtern: RF-Sputtern birgt hohe Risiken durch Hochfrequenzleistung (erfordert strenge Sicherheitsprotokolle, Verriegelungen). Explosionsgefahr besteht bei der Kompression von reinem Sauerstoff in Vakuumpumpen, die mit Kohlenwasserstoff-Pumpölen betrieben werden. Asphyxierungsgefahr bei inertem Gas.
44:46 Gasmanagement: Massenflussregler (MFCs) sind präzise, automatische Ventile zur Steuerung der Gasmenge im Vakuum. FAFO nutzt eine eigene Steuerungsinfrastruktur auf Basis von Modbus über RS485/UDP, implementiert in Rust, mit einer HMI im Windows 98-Stil.
Kondensator: Ein Parallelplattenkondensator wurde mit Aluminium und SiO2 (als Dielektrikum) hergestellt. Berechnete 35 nF, gemessen 80 nF; Abweichung deutet auf Kalibrierungs- oder Materialprobleme hin.
Schottky-Diode: Durch Abscheidung von Aluminium auf n-dotiertem Silizium wurde eine Schottky-Diode erzeugt. Die IV-Kurve zeigte Diodenverhalten, aber die genaue Lokalisierung des Schottky-Kontakts war aufgrund parasitärer Effekte unklar.
53:00 Zukünftige Ziele: FAFO plant die Herstellung kleiner Transistoren, wobei die sichere Handhabung von Ätzchemikalien und die Entwicklung lithografischer Prozesse die nächsten großen Herausforderungen darstellen.
53:57 Fragen und Antworten: Diskussionen über die Reinheit von Aluminiumfolie, die Herstellung dotierter Oberflächen mittels Diffusion (historische Methoden), und die Möglichkeit der Abscheidung von Titannitrid (TiN) mittels Sputtern.
Glossar
ALD (Atomlagenabscheidung): Eine Dünnschichtabscheidemethode, bei der die Schicht schrittweise in einzelnen Atomschichten aufgebaut wird, typischerweise unter Verwendung von Gasvorläufern.
Anode: Der positive Pol einer Elektrode, zu dem in einem Plasma oder einer Diode Elektronen oder negativ geladene Ionen fließen.
Argon-Gas: Ein Edelgas, das häufig in Vakuumanwendungen und beim Sputtern als Prozessgas verwendet wird, da es nicht reaktiv ist.
Asphyxierung: Erstickung durch Sauerstoffmangel.
Austrittsarbeit (Work Function): Die minimale Energie, die benötigt wird, um ein Elektron von einer Festkörperoberfläche zu entfernen. Relevant für Schottky-Barrieren.
Bandtheorie: Ein physikalisches Modell, das das Verhalten von Elektronen in Festkörpern beschreibt und zur Erklärung von Materialeigenschaften wie Leitfähigkeit verwendet wird.
Bell Jar (Glasglocke): Ein glockenförmiger Vakuumbehälter, der oft in Labor-Vakuumsystemen verwendet wird, um den Prozess sichtbar zu machen.
CVD (Chemische Gasphasenabscheidung): Eine Abscheidungsmethode, bei der reaktive Gase in eine Kammer eingebracht werden und auf dem Substrat chemisch reagieren, um eine feste Schicht zu bilden.
Dielektrikum: Ein elektrischer Nichtleiter, der in einem elektrischen Feld Polarisierungseffekte zeigt und elektrische Energie speichern kann (z.B. in einem Kondensator).
Direktstrom-Sputtern (DC Sputtering): Eine Form des Sputterns, bei der eine Gleichspannung angelegt wird, um ein Plasma zu erzeugen und Ionen zum Target zu beschleunigen.
Dotiertes Silizium: Silizium, das mit Verunreinigungen (Dotiermitteln) versehen wurde, um seine elektrische Leitfähigkeit zu verändern, z.B. n-dotiert (mit Überschuss an freien Elektronen).
Dotierung (Dopant): Ein Fremdatom, das in ein Halbleitermaterial eingebracht wird, um dessen elektrische Eigenschaften gezielt zu verändern.
Durchführung (Feedthrough): Eine Komponente, die es ermöglicht, elektrische Signale, Flüssigkeiten oder mechanische Bewegungen in ein Vakuum zu leiten, ohne das Vakuum zu beeinträchtigen.
EBAM-Verdampfung (Elektronenstrahlverdampfung): Eine PVD-Methode, bei der ein Elektronenstrahl verwendet wird, um ein Targetmaterial lokal zu erhitzen und zu verdampfen.
Edding: Eine umgangssprachliche Bezeichnung für einen permanenten Marker, hier als einfacher Fotomasken-Ersatz verwendet.
Edwards Auto 306: Ein spezifisches Modell eines kommerziellen Dünnschichtabscheidesystems von Edwards Vacuum, das im Vortrag verwendet wird.
ESC (Electronic Speed Controller): Eine elektronische Schaltung zur Steuerung der Drehzahl eines Elektromotors, z.B. in Hobbyanwendungen.
FAFO: Ein privates Labor in München, das sich der Entwicklung von Halbleitertechnologien widmet, Akronym steht umgangssprachlich für "Fuck Around and Find Out".
Feature Size (Strukturgröße): Die kleinste geometrische Dimension, die in einem mikroelektronischen Bauteil erzeugt werden kann.
Fediverse: Ein dezentralisiertes Netzwerk von Social-Media-Plattformen, die über offene Protokolle miteinander kommunizieren können (z.B. Mastodon).
Film Thickness Monitor (Schichtdickenmessgerät): Ein Gerät, das während des Abscheidungsprozesses die Dicke der aufgetragenen Dünnschicht überwacht.
Fotomaske (Photomask): Eine Schablone, die in der Lithografie verwendet wird, um ein Muster auf einem Substrat zu erzeugen.
Fotolack (Photoresist): Ein lichtempfindliches Material, das in der Lithografie verwendet wird, um Muster zu erzeugen.
Galvanisierung (Electroplating): Ein elektrochemisches Verfahren zur Abscheidung einer Metallschicht auf einem leitenden Substrat.
Hektopascal (hPa): Eine Druckeinheit, die dem Millibar entspricht (1 hPa = 1 mbar), häufig in der Meteorologie verwendet.
HF (Flusssäure): Eine hochkorrosive Säure (Fluorwasserstoffsäure), die zur Ätzung von Siliziumdioxid verwendet wird.
HMI (Mensch-Maschine-Schnittstelle): Eine Benutzerschnittstelle, die die Interaktion zwischen einem Menschen und einer Maschine oder einem System ermöglicht.
Ionenimplantation: Eine Technik, bei der Ionen eines Dotiermittels in ein Halbleitermaterial beschleunigt werden, um dessen elektrische Eigenschaften zu verändern.
Ionisierungs-Vakuummeter (Ion Gauge): Ein Vakuummeter, das den Druck misst, indem es Gasmoleküle ionisiert und den resultierenden Ionenstrom misst.
Integrierte Schaltung (Integrated Circuit): Eine Mikroelektronikschaltung, die aus zahlreichen miteinander verbundenen elektronischen Bauelementen auf einem einzigen Halbleiterchip besteht.
IV-Kurve (Strom-Spannungs-Kennlinie): Eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen Strom (I) und Spannung (V) in einem elektronischen Bauteil.
Kathode: Der negative Pol einer Elektrode, zu dem in einem Plasma oder einer Diode positiv geladene Ionen fließen. Beim Sputtern ist das Target die Kathode.
Ken Thompson: Ein Pionier der Informatik, bekannt als einer der Hauptentwickler des Unix-Betriebssystems.
KF (Klein-Flansch): Ein standardisiertes Vakuumflanschsystem, das eine einfache und schnelle Verbindung von Vakuumkomponenten mittels O-Ringen und Spannringen ermöglicht.
Kilovolt (kV): Eine Maßeinheit für elektrische Spannung, entsprechend 1000 Volt.
Kondensator (Capacitor): Ein passives elektronisches Bauelement, das elektrische Energie in einem elektrischen Feld speichern kann.
Kosinusverteilung (Cosine Distribution): Beschreibt die Winkelverteilung von Atomen, die von einer Oberfläche verdampfen, wobei die meisten Atome senkrecht zur Oberfläche austreten.
Leckventil (Leak Valve): Ein präzises Ventil, das verwendet wird, um kontrollierte Mengen Gas in eine Vakuumkammer einzulassen.
Liftoff-Prozess (Abhebeprozess): Eine mikrofabrikatorische Technik zur Strukturierung von Dünnschichten, bei der das Material auf einer Opferschicht abgeschieden und dann zusammen mit dieser entfernt wird.
Lithografie: Eine Technik zur Übertragung von Mustern auf ein Substrat, die in der Halbleiterfertigung weit verbreitet ist.
Magnetron: Eine Vorrichtung, die ein Magnetfeld verwendet, um das Plasma während des Sputterprozesses zu konzentrieren und zu stabilisieren, wodurch die Effizienz erhöht wird.
Massenflussregler (MFC): Ein Gerät, das den Massenfluss eines Gases präzise misst und regelt, unabhängig von Druckschwankungen.
Mean Free Path (Mittlere freie Weglänge): Die durchschnittliche Strecke, die ein Teilchen in einem Gas zurücklegt, bevor es mit einem anderen Teilchen kollidiert. Im Vakuum ist sie sehr lang.
Millibar (mbar): Eine Druckeinheit, oft verwendet im Vakuumbereich, entspricht einem Tausendstel Bar.
Modbus: Ein serielles Kommunikationsprotokoll, das häufig in der Industrie zur Steuerung und Überwachung von Geräten verwendet wird.
N-dotiertes Silizium: Siehe Dotiertes Silizium.
Öldiffusionspumpe: Eine Hochvakuumpumpe, die Öl in einem Heizelement verdampft und die Dampfstrahlen verwendet, um Gasmoleküle aus der Vakuumkammer zu transportieren.
PVD (Physikalische Gasphasenabscheidung): Eine Gruppe von Vakuumabscheidetechniken, bei denen ein festes Quellmaterial verdampft und in einer Gasphase als Dünnschicht auf ein Substrat abgeschieden wird.
Pirani-Vakuummeter: Ein thermisches Vakuummeter, das den Druck misst, indem es die Wärmeableitung eines geheizten Drahtes im Vakuum bewertet.
Plasma: Der vierte Aggregatzustand der Materie, bei dem ein Gas aus ionisierten Atomen und freien Elektronen besteht.
Quarzkristallmikrowaage (QCM): Siehe Film Thickness Monitor.
Q3K: Ein Referent des Vortrags, bekannt für seine Beteiligung an verschiedenen Internetprojekten und Beiträgen zum Fediverse.
Rasterelektronenmikroskop (REM / SEM): Ein Elektronenmikroskop, das Oberflächenstrukturen durch Abtasten der Probe mit einem fokussierten Elektronenstrahl abbildet.
Reaktives Sputtern: Eine Sputtertechnik, bei der zusätzlich zum Edelgas ein reaktives Gas (z.B. Sauerstoff, Stickstoff) in die Vakuumkammer eingelassen wird, um eine chemische Verbindung auf dem Substrat abzuscheiden (z.B. Oxide, Nitride).
RF-Sputtern (Radiofrequenz-Sputtern): Eine Sputtertechnik, die Hochfrequenz-Wechselstrom verwendet, um nichtleitende Targetmaterialien zu sputtern.
Roughing Pump (Vorvakuumpumpe): Eine mechanische Vakuumpumpe, die den Anfangsdruck in einer Vakuumkammer auf ein Niveau reduziert, bei dem Hochvakuumpumpen effizient arbeiten können.
RPM (U/min): Umdrehungen pro Minute, eine Maßeinheit für die Drehzahl.
RS485: Eine Standardschnittstelle für serielle Datenkommunikation, die häufig in industriellen Steuerungssystemen verwendet wird.
Rust: Eine moderne Programmiersprache, die für Sicherheit und Leistung bekannt ist.
Sauerbrey-Gleichung (Zer Equation): Eine Gleichung, die die Beziehung zwischen der Frequenzänderung eines Quarzkristalls und der Masse der auf seiner Oberfläche abgeschiedenen Schicht beschreibt.
Schleuderbeschichtung (Spin Coating): Eine Technik zur Abscheidung dünner, gleichmäßiger Schichten von Flüssigkeiten auf einem rotierenden Substrat.
Schottky-Barriere: Eine Potentialbarriere, die sich an der Grenzfläche zwischen einem Metall und einem Halbleiter bildet und die Eigenschaften einer Schottky-Diode bestimmt.
Schottky-Diode: Ein Halbleiterbauelement, das eine Metall-Halbleiter-Sperrschicht (Schottky-Barriere) anstelle eines pn-Übergangs verwendet, um einen schnellen Diodeneffekt zu erzielen.
Siliziumdioxid (SiO2): Ein Isoliermaterial, das häufig in der Halbleiterfertigung als Dielektrikum oder Passivierungsschicht verwendet wird (Glas).
Standardkubikzentimeter pro Minute (sccm): Eine Einheit zur Messung des Gasflusses bei Standardbedingungen (0°C, 1 atm).
Sublimation: Der direkte Übergang eines Stoffes vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand, ohne die flüssige Phase zu durchlaufen.
Substrat: Das Ausgangsmaterial oder die Oberfläche, auf der eine Dünnschicht abgeschieden oder ein Bauelement gefertigt wird.
Sputterätzen (Sputter Etching): Eine Methode, bei der Ionen auf eine Substratoberfläche geschossen werden, um Material abzutragen, oft zur Reinigung oder Strukturierung.
Sputtercoating (Sputtern/Kathodenzerstäubung): Eine PVD-Methode, bei der Ionen auf ein Targetmaterial (Kathode) treffen und Atome herausschlagen, die sich dann als Dünnfilm auf einem Substrat ablagern.
Sputtertarget: Das Quellmaterial (Kathode), aus dem beim Sputtern Atome herausgeschlagen und auf dem Substrat abgeschieden werden.
Strukturgröße: Siehe Feature Size.
Tech Tree: Eine visuelle Darstellung von Technologien und ihren Abhängigkeiten, ähnlich denen in Computerspielen, zur Planung der Entwicklungsschritte.
Thermische Verdampfung: Eine PVD-Methode, bei der ein Material durch Erhitzen im Vakuum verdampft wird und auf einem Substrat kondensiert.
Thin Film (Dünnfilm): Eine Materialschicht mit einer Dicke im Nanometer- bis Mikrometerbereich.
Titannitrid (TiN): Eine keramische Verbindung, die für ihre Härte, Korrosionsbeständigkeit und goldähnliche Farbe bekannt ist und häufig als Schutzschicht auf Werkzeugen verwendet wird.
Tumble Lock: Eine umgangssprachliche Bezeichnung für ein spezielles Schließsystem oder eine Schlosstechnik.
Turbomolekularpumpe: Eine Hochvakuumpumpe, die schnell rotierende Schaufeln verwendet, um Gasmoleküle durch Impulsübertragung aus der Vakuumkammer zu fördern.
U/min (RPM): Siehe RPM.
UDP: User Datagram Protocol, ein Verbindungsloses Kommunikationsprotokoll in Computernetzwerken.
Ultrahochvakuum (UHV): Ein Vakuumzustand mit sehr niedrigem Druck (typischerweise < 10⁻⁷ mbar), bei dem die mittlere freie Weglänge von Gasmolekülen sehr lang ist.
Unfi: Ein Internetphänomen oder ein Typ von humoristischen Beiträgen.
Vakuum-Pumpe-Mayonnaise: Umgangssprachliche Bezeichnung für vakuumpumpenöl, das durch Wasserkontamination emulgiert und milchig-trüb geworden ist.
Valves (Röhren/Ventile): Elektronenröhren, eine ältere aktive elektronische Komponente, die hier in einem alten Hochspannungsnetzteil zum Einsatz kommt. Auch Ventile (mechanisch) im Vakuumkontext.
Void Linux: Eine unabhängige Linux-Distribution, die für ihre Einfachheit und Rolling-Release-Modell bekannt ist.
Wolframschiffchen (Tungsten Boat): Ein kleines, schiffchenförmiges Tiegel aus Wolfram, das in der thermischen Verdampfung zum Halten und Erhitzen des Quellmaterials verwendet wird.