Oberflächen- Und Dünnschicht-Technologie: Teil II: Oberflächenmodifikation Durch Teilchen Und Quanten

ISBN-13: 9783540530121 / Niemiecki / Miękka / 1991 / 286 str.

Rene A. Haefer

Opis

Viele Hochtechnologie-Anwendungen, an denen mikroelektronische, optische, optoelektronische und magnetische Bauelemente beteiligt sind, beruhen auf oft einzigartigen physikalischen Eigenschaften dunner Schichten. Beschichtungen zum Schutz gegen Verschleiss, Korrosion und Hochtemperaturoxidation verfugbarer und preiswerter Grundwerkstoffe erlauben den rationellen Einsatz von Material, eine kostengunstige Fertigung und sparsamen Energieverbrauch. Durch eine geeignete Oberflachenveredelung kann die Gebrauchsdauer von Werkzeugen und Bauteilen betrachtlich erhoht werden. Bisher fehlte eine Darstellung der fur die industrielle Praxis wichtigen Oberflachentechnologien in zusammenfassender Form. Um zu einer solchen Darstellung zu gelangen, erschien es angesichts der Vielzahl dieser Technologien zweckmassig, sie in zwei grosse Gruppen zu unterteilen: I. Methoden zum Auftragen von Schichten auf ein Substrat; II: Methoden zur Modifizierung der Oberflache eines Werkstuckes durch geeignete Behandlungsverfahren. Im vorliegenden zweiten Teil der (entsprechend dieser Einteilung) auf zwei Bande angelegten Monographie werden die Methoden der zweiten Gruppe, d.h. die Modifikationsverfahren dargestellt."

Spis treści

1 Oberflächenmodifikation — ein Überblick.- 1.1 Einleitung.- 1.2 Laserstrahl-Verfahren.- 1.2.1 Einige Charakteristika.- 1.2.2 Laserstrahl-Behandlung von Metallen.- 1.2.3 Laserstrahl-Behandlung von Halbleitern.- 1.2.4 Laserinduzierte chemische Grenzflächen-Reaktionen.- 1.2.5 Beschichtungstechniken mit Lasern.- 1.2.6 Materialabtragung mit Lasern.- 1.2.7 Feinbearbeitung mit Laserstrahlen.- 1.3 Ionenstrahl-Verfahren.- 1.3.1 Einige Charakteristika.- 1.3.2 Ionenstrahltechniken.- 1.3.3 Ionenimplantation in Halbleiter.- 1.3.4 Ionenimplantation in Metalle.- 1.3.5 Ionenimplantation in Isolatoren und Polymere.- 1.3.6 Ionenstrahltechnik und dünne Schichten.- 1.4 Elektronenstrahl-Verfahren.- 1.4.1 Thermische Verfahren.- 1.4.2 Nicht-thermische Verfahren.- 1.4.3 Beschichtung und Feinbearbeitung mit Elektronenstrahlen.- 1.4.4 Ultraviolett- und Synchrotronstrahlung als Alternativen.- 1.5 Plasma-Verfahren.- 1.6 Diamantschichten-Herstellung als Anwendung der Plasma- und der Ionenstrahltechnik.- 1.7 Mikrotechnologien als Anwendung von Methoden der Oberflächenund Dünnschicht-Technologie.- 1.8 Konventionelle Verfahren der Oberflächenmodifikation.- 2 Modifizierung von Oberflächen durch Laserstrahl-Verfahren.- 2.1 Überblick.- 2.2 Laser für die Materialbearbeitung.- 2.2.1 Festkörperlaser.- 2.2.2 CO2-Molekülgas-Laser.- 2.2.3 Excimer-Laser.- 2.2.4 Gütegeschaltete (Q-Switch-)Laser.- 2.2.5 Strahlführung und Fokussierung.- 2.3 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Werkstoff.- 2.3.1 Absorption der Laserstrahlung bei niedrigen Intensitäten I < Ic.- 2.3.2 Theoretische Beschreibung der Bearbeitungsprozesse bei I < Ic.- 2.3.3 Anomale Absorption der Laserstrahlung bei hohen Intensitäten I > Ic.- 2.3.4 Abhängigkeit der kritischen Intensität von der Einwirkungsdauer tp.- 2.3.5 Material-abtragende Bearbeitung.- 2.3.6 Wirkungsgrad der abtragenden Laserbearbeitung.- 2.3.7 Laserinduzierte Schockwellen.- 2.4 Laserinduzierte chemische Reaktionen an Oberflächen.- 2.4.1 Pyrolytische und photolytische Reaktionen.- 2.4.2 Laserinduzierte chemische Abscheidung aus der Gasphase (LCVD).- 2.4.3 Weitere laserinduzierte chemische Reaktionen an der gas/fest-Grenzfläche.- 2.4.3.1 Materialabtragung, Ätzung.- 2.4.3.2 Materialsynthese.- 2.4.3.3 Dotieren mit Fremdatomen.- 2.4.3.4 Oxidieren, Nitrieren und Carburieren.- 2.4.3.5 Reduktion.- 2.4.4 Laser-unterstütztes elektrochemisches und chemisches Plattieren und Ätzen.- 2.4.5 Laserinduzierte fest/fest-Reaktionen an Grenzflächen.- 2.4.5.1 Materialabscheidung.- 2.4.5.2 Materialabtragung: Ablation.- 2.4.5.3 Materialsynthese.- 2.4.5.4 Dotierung.- 2.5 Anwendungen in der Materialbearbeitung.- 2.5.1 Umwandlungshärten von Randschichten.- 2.5.2 Härten durch Umschmelzen.- 2.5.3 Laser-Legieren.- 2.5.4 Laser-Plattieren.- 2.5.5 Laser-Glasieren (Laser Glazing).- 2.5.6 Schockhärten durch laserinduzierte Detonationswellen.- 2.5.7 Weitere Laserstrahlverfahren.- 2.6 Anwendungen in der Elektronik- und Dünnschicht-Technologie.- 2.6.1 Strukturieren von Substraten.- 2.6.2 Abgleichen elektronischer Bauelemente: Trimmen.- 2.6.3 Strukturieren elektronischer Bauelemente durch Laserstrahlschneiden.- 2.6.4 Kontaktieren und Verbinden von Bauelementen mittels Laserstrahlen.- 2.6.5 Laser-Feinbearbeitung im ?m-Bereich.- 2.6.6 Ausheilen von Dotierungsschäden in Halbleitern und Rekristallisation.- 2.6.7 Laser-Plasma-Verfahren zur Herstellung dünner Schichten und Schichtstrukturen.- 2.6.7.1 Charakteristika des Verfahrens.- 2.6.7.2 Ergebnisse und Anwendungen.- 3 Modifizierung von Oberflächen durch Ionenstrahl-Verfahren.- 3.1 Einleitung.- 3.2 Grundlagen der Ionenimplantation.- 3.2.1 Allgemeine Phänomene.- 3.2.2 Implantationsprofil.- 3.2.2.1 Konzentrationsverteilung der implantierten Ionen.- 3.2.2.2 Ionen-Reichweite.- 3.2.2.3 Channeling-Effekt.- 3.2.3 Strahlenschäden.- 3.2.3.1 Reichweiteverteilung der Strahlenschäden.- 3.2.3.2 Bildung von amorphen Schichten.- 3.2.4 Sputtering während der Ionenimplantation.- 3.2.5 Ionenstrahlmischen (Atomic Mixing, Ion Beam Mixing).- 3.2.5.1 Mechanismen des Ionenstrahlmischens.- 3.2.5.2 Experimente zum Ionenstrahlmischen.- 3.2.6 Ionenstrahlverfahren und Implantationsanlagen.- 3.2.6.1 Übersicht über die Ionenstrahlverfahren.- 3.2.6.2 Strukturen der entstehenden Randschichten.- 3.2.6.3 Implantationsanlagen.- 3.3 Implantation von Ionen in Halbleiter.- 3.3.1 Integrierte Schaltkreise.- 3.3.1.1 Überblick.- 3.3.1.2 Dotieren durch Ionenimplantation.- 3.3.1.3 Vergrabene Schichten (Buried Layers).- 3.3.2 Ausheilen von Strahlenschäden in Halbleitern (Annealing).- 3.3.2.1 Aktivierung implantierter Dotieratome.- 3.3.2.2 Kurzzeit-Ausheilverfahren für Silicium.- 3.3.2.3 Ausheilen von Verbindungshalbleitern.- 3.4 Implantation von Ionen in Metalle.- 3.4.1 Einleitung.- 3.4.2 Modifizierung der Zusammensetzung und der Struktur.- 3.4.2.1 Verdünnte feste Lösungen.- 3.4.2.2 Übersättigung, Legierungen, chemische Verbindungen und strukturelle Phasenänderungen.- 3.4.2.3 Amorphe metallische Phasen.- 3.4.3 Anwendungen der Ionenimplantation auf Metalle.- 3.4.3.1 Vor- und Nachteile der Ionenstrahlmethode.- 3.4.3.2 Verschleißminderung.- 3.4.3.3 Korrosion in wäßriger Lösung.- 3.4.3.4 Hochtemperaturoxidation.- 3.4.3.5 Katalyse.- 3.4.3.6 Ionenimplantation zur Simulation der Strahlenschäden in Reaktormaterialien.- 3.4.3.7 Ionenstrahltechniken zur Erhöhung der Adhäsion dünner Schichten.- 3.5 Ionenimplantation in Isolatoren und Polymere.- 4 Modifizierung von Oberflächen durch Elektronenstrahl-Verfahren.- 4.1 Einleitung.- 4.2 Wirkungen des Elektronenstrahls auf die Materie.- 4.3 Vergleich der Wechselwirkung von Elektronen- und Laserstrahlen mit einem Target.- 4.4 Thermische Elektronenstrahlverfahren.- 4.4.1 Theoretische Grundlagen.- 4.4.2 Elektronenstrahlanlagen.- 4.4.3 Übersicht über die thermischen Elektronenstrahlverfahren.- 4.5 Nichtthermische Elektronenstrahlverfahren.- 4.5.1 Elektronenstrahl-induzierte nichtthermische Reaktionen.- 4.5.2 Strahlenchemische Reaktionen in organischen Substanzen.- 4.5.3 Elektronenstrahl-härtbare Beschichtungsmaterialien.- 4.5.4 Elektronenbeschleuniger.- 4.5.4.1 Elektronenbeschleuniger mit Scanningsystem.- 4.5.4.2 Beschleuniger mit linearer Kathode.- 4.5.4.3 Bestrahlung unter Inertgas.- 4.5.5 Strahlendosis und erforderliche Strahlspannung.- 4.6 Anwendungen von strahlenchemischen Wirkungen der Elektronenstrahlen.- 4.6.1 Allgemeines.- 4.6.2 Elektronenstrahlhärten von Beschichtungen auf starren, ebenen Substraten.- 4.6.3 Elektronenstrahlhärten von Beschichtungen auf Formteilen.- 4.6.4 Elektronenstrahlhärten von Beschichtungen auf flexiblen Substraten.- 4.6.5 Pfropfpolymerisation durch Elektronenbestrahlung.- 4.6.6 Vernetzen und Vulkanisieren mittels Elektronenstrahlen.- 4.6.7 Depolymerisation von Kunststoffen und Sterilisation mittels Elektronenstrahlen.- 4.6.8 Strahlenhärtung von Beschichtungen mit ultraviolettem Licht.- 5 Modifizierung von Oberflächen durch Plasma-Verfahren.- 5.1 Einleitung.- 5.2 Erzeugung von Mikrowellen-Plasmen.- 5.3 ECR-Mikrowellen-Ionenquellen.- 5.4 Anwendungen der Plasmatechnik.- 5.4.1 Herstellung dünner Schichten mittels Mikrowellenplasmen.- 5.4.2 Ätzen und Abtragen durch Mikrowellenplasmen.- 5.4.2.1 Reaktive Trockenätzverfahren.- 5.4.2.2 Lochwandreinigung von Multilayer-Leiterplatten.- 5.4.2.3 Ultrareinigung von Keramik- und anderen Substraten.- 5.4.2.4 Qualitätskontrolle von integrierten Schaltungen.- 5.4.2.5 Mikroanalyse durch Plasma-Veraschung.- 5.4.2.6 Plasma-Sterilisation.- 5.4.3 Oberflächenmodifikation von Polymeren durch Plasmen.- 5.4.3.1 Wirkungen eines Plasmas auf Polymere.- 5.4.3.2 Anwendungen der Plasma-Oberflächenaktivierung von Polymeren.- 5.4.4 Plasmabehandlung von Metalloberflächen.- 6 Diamantschichten-Herstellung als Anwendung der Plasma- und der Ionenstrahltechnik.- 6.1 Zur Entwicklung des Arbeitsgebietes.- 6.2 Wachstum der Diamantschichten.- 6.4 Über die Rolle des Wasserstoffes bei der CVD-Diamant-Abscheidung.- 6.4 Diamant-Abscheidung durch Ionenstrahl-Technik.- 6.5 Eigenschaften und Anwendungen von Diamantschichten.- 6.5.1 Chemische Eigenschaften.- 6.5.2 Thermische Eigenschaften.- 6.5.3 Mechanische Eigenschaften.- 6.5.4 Elektronische und optische Eigenschaften.- 6.5.5 Diamant als Substrat für elektronische Schaltungen.- 6.5.6 Diamant als Grundmaterial für elektronische Schaltungen.- 7 Mikrotechnologien als Anwendung von Methoden der Oberflächen- und Dünnschicht-Technologie.- 7.1 Einleitung.- 7.2 Herstellung von Siliciumscheiben.- 7.3 Dotierung von Halbleitern.- 7.4 Schichttechnik.- 7.4.1 Epitaktische Silicium-Schichten.- 7.4.2 Thermische SiO2-Schichten.- 7.4.3 Durch CVD abgeschiedene SiO2-Schichten.- 7.4.4 Phosphorglas-Schichten.- 7.4.5 Siliciumnitrid-Schichten.- 7.4.6 Polysilicium-Schichten.- 7.4.7 Silicid-Schichten.- 7.4.8 Metallschichten in integrierten Schaltkreisen.- 7.4.8.1 Materialien für die Metallisierung.- 7.4.8.2 Leiterbahnen zwischen den Bauelementen.- 7.4.8.3 Ohmsche und Schottky-Kontakte.- 7.4.8.4 Aluminium-Silicium-Kontakte.- 7.4.8.5 Platin-Silicium-Kontakte.- 7.5 Lithographie.- 7.5.1 Übersicht.- 7.5.2 Photolithographie.- 7.5.2.1 Photoresists.- 7.5.2.2 Kontaktbelichtung und Proximity-Belichtung.- 7.5.2.3 Projektionsbelichtung.- 7.5.3 Elektronenstrahl-Lithographie.- 7.5.3.1 Auflösungsgrenze, Elektronenresists.- 7.5.3.2 Elektronenstrahl-Schreibgeräte.- 7.5.3.3 Elektronenstrahl-Projektionsgeräte.- 7.5.4 Röntgenstrahl-Lithographie.- 7.5.4.1 Maskentechnik, Röntgenresists und Auflösungsgrenze.- 7.5.4.2 Röntgenstrahlquellen.- 7.5.5 Ionenstrahl-Lithographie.- 7.5.5.1 Auflösungsgrenze und Ionenresists.- 7.5.5.2 Ionenstrahl-Projektionsgeräte.- 7.5.5.3 Ionenstrahl-Schreibgeräte.- 7.6 Ätztechnik.- 7.6.1 Physikalisches Ätzen.- 7.6.2 Plasma-unterstütztes chemisches Ätzen.- 7.6.3 Plasma-unterstützte chemisch-physikalische Ätzverfahren.- 7.6.3.1 Plasmaätzen (PE) im Parallelplattenreaktor.- 7.6.3.2 Reaktives Ionenätzen (RIE).- 7.6.3.3 Reaktives Ionenätzen im transversalen Magnetfeld (MERIE).- 7.6.3.4 Ionenstrahlätzen (IBE) und reaktives Ionenstrahlätzen (RIBE).- 7.6.4 Ätzgase für bestimmte Materialien.- 7.6.4.1 Chemische Ätzreaktionen bei den Plasmaverfahren.- 7.6.4.2 Ätzgase und Parameter des Ätzprozesses.- 7.6.4.3 Zum Vakuumpumpstand.- 7.7 Anwendungen in der MOS-Technologie.- 7.8 Weitere Mikrotechnologien.- 7.8.1 Überblick.- 7.8.2 Anisotropes Ätzen von monokristallinem Silicium.- 7.8.3 Anwendungen der geätzten Profile in der Sensorik.- 7.8.4 Herstellung und Anwendungen von Miniaturdüsen.- 7.8.5 Mikromaschinen mit beweglichen Teilen.- 7.8.6 Herstellung von hochauflösenden optischen Gittern.- 7.8.7 Anwendungen in der integrierten Optoelektronik.- 7.8.7.1 Optoelektronischer Filter.- 7.8.7.2 Integrierte Laser.- 7.8.7.3 Mikrostruktur-Effekte.- 8 Anhang: Die konventionellen Verfahren des Randschichthärtens von Metallen.- 8.1 Mechanische Verfahren.- 8.2 Thermische Verfahren zum Randschichthärten.- 8.2.1 Transformationshärten von Oberflächen.- 8.2.2 Leistungsdichte und Einhärtetiefe.- 8.2.3 Induktionshärten.- 8.2.4 Flammhärten.- 8.2.5 Hochfrequenz-Impulshärten.- 8.2.6 Vergleich mit dem Elektronen- und dem Laserstrahl-Härten.- 8.3 Thermochemische Diffusionsverfahren.- 8.3.1 Einleitung.- 8.3.2 Carburieren.- 8.3.2.1 Carburier-Verfahren.- 8.2.3.2 Eigenschaften und Anwendungen der Einsatzhärte-(Carburier-) Schichten.- 8.3.3 Nitrieren.- 8.3.3.1 Nitrier-Verfahren.- 8.3.3.2 Eigenschaften und Anwendungen der Nitrierschichten.- 8.3.4 Carbonitrieren (Nitrocarburieren).- 8.3.4.1 Carbonitrier-Verfahren.- 8.3.4.2 Eigenschaften und Anwendungen der Carbonitrierschichten.- 8.3.5 Borieren.- 8.3.5.1 Borier-Verfahren.- 8.3.5.2 Eigenschaften und Anwendungen der Borierschichten.- 8.3.6 Silicierschichten.- 8.3.7 Aluminieren.- 8.3.8 Chromieren.- 8.3.9 Zink-Diffusionsschichten.- 8.3.10 Abschließende Bemerkungen.- Literatur.