Untersuchung elektrochemischer Prozesse für Anwendungen in der Mikro- und Optoelektronik

Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation wurden verschiedene elektrochemische Prozesse untersucht und auf deren Anwendbarkeit für die Herstellung mikroelektronischer sowie mikrooptischer Bauelemente geprüft. Dies waren unter anderem die anodische Oxidation von Silizium in alkalischen Lösungen, der elektrochemische Ätzstopp sowie die galvanische Abscheidung von Kupfer auf dünnen Siliziumwafern. Es wurden sowohl Experimente als auch Computersimulationen durchgeführt. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag auf der Erzeugung und Ätzung anodischer Oxide auf (100) Silizium in heißer TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) Lösung. Das Silizium wurde anodisch oxidiert und das gebildete Oxid anschließend alkalisch geätzt, ohne einen Badwechsel durchzuführen. Dabei wurden unter anderem der Einfluss der Zeit sowie der angelegten Spannung auf die Bildung des anodischen Oxids untersucht. Es kam eine abgewandelte Form der Zyklovoltammetrie unter Verwendung von Rechtecks-, Trapez- und Dreiecksspannungspulsen zur Anwendung. Wichtige Informationen über den Bildungsmechanismus der erzeugten Oxide lieferte dabei der Stromverlauf während der Oxidation. Aus der Form der Stromkurven während der Oxidätzung konnten zudem Rückschlüsse auf die Gleichmäßigkeit des Oxids gezogen werden. Der Stromverlauf konnte auch stochastisch simuliert werden. Weiters wurde eine Methode für eine elektrochemische in situ Oxiddickenbestimmung gefunden. Ein weiterer Teil der Arbeit befasst sich mit der anodischen Oxidation von Silizium mit dem Ziel der Erzeugung von Oxidstrukturen für optische Anwendungen. Es wurden Oxiddicken optisch und elektrochemisch bestimmt und mit Aufnahmen unter dem Elektronenmikroskop verglichen. Weiters wurden hochpräzise lateral veränderliche Dünnschichten aus anodischem Oxid auf Siliziumwafern erzeugt, die den Effekt der Keilinterferenz aufwiesen. Dazu wurde ein lateraler Stromfluss am Wafer eingeprägt und der lineare Zusammenhang zwischen angelegter Spannung und Oxiddicke ausgenützt. Die durch Keilinterferenz hervorgerufenen Farbverläufe wurden untersucht und konnten anhand von Ergebnissen optischer Dickenmessungen simuliert werden. Der verwendete Prozess wäre dazu geeignet, präzise mikrooptische Bauelemente, wie zum Beispiel Mikrolinsen und Mikroprismen auf Siliziumwafern kostengünstig und reproduzierbar herzustellen. Ein wichtiger Bestandteil dieser Dissertation sind Untersuchungen zum elektrochemischen Ätzstopp als Dünnungsprozess für Leistungshalbleiter, insbesondere für IGBTs (engl.: Insulated Gate Bipolar Transistor). Bei diesen Bauelementen ist es von großer Bedeutung, dass die Dickenvariation der Wafer nach der Dünnung auf die Zieldicke möglichst klein ist, um die Chipfläche zu minimieren. Hier spielten dreidimensionale Finite-Elemente Simulation zur Untersuchung der Spannungsverteilung über den Chip während der elektrochemischen Ätzung eine entscheidende Rolle. Anhand dieser Ergebnisse konnte ein funktionierender elektrochemischer Dünnungsprozess entwickelt und experimentell demonstriert werden. Parasitäre Effekte, die einen präzisen Ätzstopp erschweren, wurden ebenfalls näher untersucht und beschrieben. Es konnte gezeigt werden, dass für einen funktionierenden elektrochemischen Ätzstopp auf manchen Leistungshalbleitern die Art der Kontaktierung einzelner Siliziumchips von entscheidender Bedeutung ist. Mit Hilfe der elektrochemischen Abscheidung von Kupfer wurden Dickschichten aus Kupfer-Kohlenstofffaser Verbundmaterial auf Waferebene hergestellt. Diese Schichten können die thermischen Eigenschaften von Leistungshalbleitern verbessern, indem sie Wärme besser zwischenspeichern und ableiten als Silizium. Bei der angewendeten Methode wurde eine Schüttung aus vorverkupferten Kohlenfasern mit Hilfe von Pulsgalvanik elektrochemisch verfüllt. Es konnte experimentell und rechnerisch gezeigt werden, dass eine vollständige Verfüllung nur mit extrem langsamen Abscheideraten gelingen kann. Um dies zu umgehen wurde ein alternativer Prozess erarbeitet und erprobt, bei dem durch Sedimentation von Kohlenstofffasern der Verbundwerkstoff schichtweise erzeugt werden kann.

This thesis focuses on the research of electrochemical processes, which are supposed to be useful for the fabrication of microelectronic and microoptic semiconductor devices. Among these processes are: the anodic oxidation of silicon in alkaline solutions, the electrochemical etch stop (ECES) and the electrochemical deposition of copper on thin silicon wafers. Several experiments and numerical simulations have been carried out. The first part of this work deals with the investigation of the creation and etching of anodic oxides in tetra-methyl-ammonium-hydroxide (TMAH). (100) Silicon wafers were anodically oxidized in TMAH and the grown oxide was removed without changing the electrolyte. The influences of the anodization time and the voltage on the oxide growing rates were analyzed by using a method which is similar to cyclovoltammetry. The used voltage pulses had trapezoid, triangular and square shapes. This new method provided valuable information on the building mechanisms of anodic oxides by measuring the passivation current as a function of time and of the applied potential. The shapes of the current curves provided details on the uniformity and the thickness of the oxide. This could be proofed by stochastic simulations. A model for an in-situ electrochemical oxide thickness measurement method was developed. The second part of this thesis addresses the anodic oxidation as a manufacturing process for the fabrication of thick oxide structures for optical applications. Anodic oxide thicknesses were electrochemically and optically determined and compared with pictures from scanning electron microscopy (SEM). Furthermore high-precise, laterally varying thin films of anodic oxide on silicon wafers were produced. These films showed the optical phenomenon of wedge interference. The oxide films have been generated by applying a lateral current on silicon wafers and by taking advantage of the linear dependence of the oxid thickness on the applied voltage between the silicon and the electrolyte. The color gradients, which were caused by wedge interference, were analyzed and simulated by using data from optical thickness measurements. This new technique could be suitable as a cheap and reproducible manufacturing process for precise optical components as microlenses and microprisms. An important part of this thesis focuses on the investigation of the electrochemical etch stop as a thinning process for power-semiconductor devices, especially for insulated gate bipolar transistors (IGBTs). The thickness of these devices determines the electrical properties and it is highly important, that the thickness variations after grinding are as low as possible in order to minimize the chip area. Finite elements simulations were applied to identify the potential distribution across single chips during electrochemical etching. As a result of this simulation, an efficient electrochemical wafer thinning process for IGBTs could be developed and experimentally demonstrated for the first time. Parasitic effects, which hinder the precision of the electrochemical etching were also specified. It could be demonstrated, that appropriate contact structures of the chips are of fundamental importance for a stable process. Thick layers of copper-carbon compounds were created on wafer level by utilizing the electrochemical deposition of copper. Such layers are able to improve the thermal properties of power semiconductors because of their elevated thermal conductivity and their heat capacity compared with silicon. The applied method made use of pulse plating for filling up a thick ballasting of carbon fibers. It was demonstrated, that only very slow deposition rates lead to an adequate filling of the voids. To avoid such slow deposition rates, an alternative process was suggested. This process uses the sedimentation of carbon fibers and layer by layer creates a carbon-copper compound which disposes of much higher deposition rates.