Moderne Produktionsprozesse der Elektrotechnik, Elektronik und Mikrosystemtechnik Entwurf - Optimierung - Technologietransfer

Prof. Dr. Hans Eigler Prof. Dr. Wolfgang Beyer

Mit 233 Bildern, 45 Tabellen und 348 Literaturstellen

expertUP vertag

Inhaltsverzeichnis Vorwort Formelzeichen, Abkürzungen, Bezeichnungen, Akronyme

1 1.1. 1.2 1.3 1.4 1.5 2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.2.1 2.1.2.2 2.1.2.3 2.1.3 2.1.3.1 2.1.3.2 2.1.3.3 2.1.3.4 2.1.3.5 2.1.3.6 2.1.4 2.1.4.1 2.1.4.2 2.1.4.3 2.1.4.4 2.1.4.5 2.1.4.6 2.1.5 2.1.5.1 2.1.5.2 2.1.5.3 2.1.6 2.1.6.1 2.1.6.2 2.1.6.3

Begriffsbestimmung und Systematik der Technologie Produktionsprozeß, Technologischer Prozeß und die Technologie Das technologische System Verfahrenssystematik Selbständigkeit der Technologie der Elektrotechnik, Elektronik und Mikrosystemtechnik Moderne Produktionsprozesse, moderne Technologie Physikalische Prozesse der allgemeinen Technologie Reinigen und Bearbeiten im Vakuum oder in einer anderen kontrollierten Atmosphäre, Übersicht und Grundlagen Verfahrensübersicht Modellieren mit der kinetischen Gastheorie und der Thermodynamik irreversibler Prozesse Aufgabe und Methode der kinetischen Gastheorie Gleichgewichtssysteme '. Nichtgleichgewichtssysteme und Transportvorgänge Thermisches Aufdampfen im Vakuum Einordnung des Verfahrens , Verdampfen Anzahl der Moleküle, die auf die Substratoberfläche auftreffen Phänomenologische Beschreibung der Kondensation, Adsorption und Desorption Molekülstrahlepitaxie Emissionsdiagramm und Schichtdickenverteilung, Bedampfungsquellen Beschuß von Festkörperoberflächen mit Ionen, Elektronen und Fotonen.... Einführung Gasentladungen , Erzeugung freier Ionen und lonenstrahlen Oberflächenmodifikation durch Sputtern, Grundlagen Schichtabtragung lonenunterstütztes Schichtwachstum Oberflächenmodifikation durch Ionenimplantation Überblick Ionenimplantation Strahlenschäden Oberflächenmodifikation durch thermische Diffusion Physikalische Grundlagen und Modellierung der Diffusion Lösungen der 2. Fickschen Gleichung, das Diffusionsprofil Eindiffusion von P, B, As, Au in Si und Si0 2

1 1 5 7 11 14 17 17 17 18 18 20 22 23 23 24 25 27 29 30 34 34 35 37 41 43 45 53 53 54 58 59 59 61 64

2.1.6.4 2.1.7 2.1.7.1 2.1.7.2 2.1.7.3

2.1.7.4 2.2 2.2.1. 2.2.2 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 2.2.3 2.2.3.1 2.2.3.2 2.2.3.3 2.2.3.4 2.2.3.5 2.2.4 2.2.4.1 2.2.4.2 2.2.4.3 2.2.4.4 2.2.4.5 2.2.4.6 2.2.4.7 2.2.4.8 2.2.5 2.2.5 1 2.2.5.2 2.2.5.3 2.2.5.4 2.2.6 2.2.6.1 2.2.6.2 2.2.6.3 2.2.6.4 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.2.1 2.3.2.2 2.3.2.3 2.3.3 2.3.3.1

Abweichungen vom Fickschen Gesetz und Einfluß technologischer Faktoren Thermisches Behandeln Übersicht über konventionelle und nichtkonventionelle Methoden Thermisches Behandeln im Vakuum und in anderen Medien mit längerem Verweilen bei hoher Temperatur Ausheilen von Strahlenschäden und anderen Gitterdefekten in Si und anderen Halbleitern und von Zuständen an der Si-Si02-Grenzfläche nach konventionellen Methoden; Bum in bei Si-Bauelementen Kurzzeitwärmebehandlung Prozesse beim Verbinden von Werkstoffen Überblick Preßschweißen Mechanismen, Arten des Preßschweißens Einzelheiten der Prozesse beim Verbinden im festen Zustand Ausführungsformen des Preßschweißens Schmelzschweißen Übersicht Hauptprozesse beim Schmelzschweißen Gasschweißen Lichtbogenschweißen Elektronenstrahl- und Laserschweißen Löten Überblick Grundlegende Prozesse, Adhäsion, freie Oberflächenenergie, Kohäsion .... Erstes Stadium beim Löten, das Benetzen Wechselwirkung zwischen Lot und Werkstück, Diffusion und Lösen beim Löten Lote und Flußmittel Beeinflussung des Lötens durch Ultraschall Löten von Metall, Glas, Keramik Besonderheiten des Lötens bei SMD Kleben Übersicht Klebstoffe Klebverbindungen Herstellen der Klebverbindungen Mechanisches Verbinden Übersicht Preßverbindungen Wickelverbindungen Klemm- und Steckverbindungen Mechanische Formgebung Begriffsbestimmung und Systematik, Anwendung Formschaffende Prozesse Überblick über die Verfahren Formschaffen aus dem flüssigen Zustand Formschaffen aus dem festen Zustand Formverändernde Prozesse Überblick über die Verfahren

67 73 73 75

76 76 78 78 79 79 82 83 93 93 93 98 99 104 108 108 110 111 116 118 122 122 123 127 127 128 130 133 135 135 137 142 144 152 152 153 153 153 158 161 161

2.3.3.2 2.3.3.3 2.3.3.4 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5

Umformen Zerteilen Spanen Prozesse der nichttraditionellen Formgebung Überblick Autogenes Brennschneiden Plasmaschneiden Laserschneiden Wasserstrahlschneiden

3

Chemische, elektrochemische und elektrophysikalische Prozesse der allgemeinen Technologie Chemisches Abscheiden aus der Gasphase Überblick Thermodynamik und Kinetik des Abscheidens Thermodynamische Beziehungen für die Prozeßmodellierung Kinetik der Schichtbildung und Prozeßgleichung Einkristallschichten Amorphe und polykristalline leitende und dielektrische Schichten Fotochemisches Abscheiden Metallisieren und Herstellen dielektrischer Schichten durch Einbrennen von Pasten, Siebdruck Überblick Zusammensetzung der Pasten Siebdruck Einbrennen der Pasten Katodisches und außenstromloses Abscheiden von Metallen Überblick Chemische und physikalische Grundlagen Beispiele für katodisches oder außenstromloses Abscheiden dünner Metallschichten Katodisches Abscheiden auf Metallen Arten des außenstromlosen Abscheidens auf Metallen Metallisieren von Dielektrika, besonders von Kunststoffen Korrosionsschutz durch metallische Deckschichten Galvanoplastik Herstellen von Deckschichten unter Beteiligung des Substrats Überblick Passivieren, chemische und anodische Oxidation von Metallen Phosphatieren, Chromatieren Thermische Oxidation von Silizium Fotomasken- und Lacktechnik, Ätzen von Metallen und Halbleitern, feine Strukturen Überblick Ätz- und Elektroplattiermasken nach fotolithografischen und Siebdruckverfahren Zwei Grundverfahren der Lithografie, Fotomasken, Belichtungseinrichtungen und erreichbare Strukturbreiten Fotoemulsionen, Fotolacke und Strahlenlacke, Eigenschaften und Verarbeitung, neuere Entwicklungen

3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.2.1 3.1.2.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.3.1 3.3.3.2 3.3.3.3 3.3.3.4 3.3.3.5 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4. 3.5 3.5.1 3.5.2. 3.5.2.1 3.5.2.2

162 175 179 185 185 185 186 187 189

191 191 191 193 193 197 200 206 209 211 211 211 212 213 214 215 215 220 220 220 224 225 228 229 229 229 233 234 236 236 236 236 240

3.5.2.3 3.5.2.4 3.5.2.5 3.5.2.6 3.5.2.7 3.5.2.8 3 5.3

3.6 3.7

Hartmasken Arbeitsgänge des fotolithografischen Prozesses für Fotolacke Bildprojektion mit Elektronen und Elektronenstrahllithgrafie Röntgenlithografie lonenlithografie Siebdruckmethode Ätzen bei der Fertigung von Erzeugnissen der Elektrotechnik, Elektronik und Mikrosystemtechnik Übersicht Formteilätzen EC-Bearbeitung Naßätzen von Metallfilmen Naß- und Gasätzen von Halbleitern Einfaches Plasmaätzen und kombinierte Trockenätzverfahren Chemisches und elektrolytisches Entzundern Chemisches Reinigen der Oberfläche des Werkstücks/Substrats von Staub Fettschichten und Bearbeitungsrückständen Übersicht Entfetten durch Bildung einer Emulsion, wäßrige Reiniger Entfernen von Fett un d Öl mit organischen Lösungsmitteln Reinigen von polaren Verunreinigungen, lose haftendem Staub und Bearbeitungsrückständen Elektrophorese ED-Bearbeitung

280 280 282

4 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.2.1 4.2.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.3.1 4.5.3.2

Spezielle Fertigungsprozesse Herstellen magnetischer Kreise Überblick Werkstoffe für magnetische Kreise und ihre Eigenschaften Herstellen von gewickelten Kreisen Herstellen von geschichteten Kreisen Herstellen von magnetischen Dünnschichtspeichern Herstellen von Spulen Überblick Wickeln von Spulen Wickeln von Runddraht Wickeln von Flachdraht und Folie Isolation der Wicklungen Tränken der Wicklungen Herstellen von Federn Herstellen von Leiterplatten Überblick Herstellung durchkontaktierfer Leiterplatten mit Kupferoberfläche Überblick über Montagemethoden Herstellen monolithischer Schaltkreise Überblick Planartechnik Isoliertechniken Überblick ._. Isolation durch einen in Sperrichtung betriebenen pn-Übergang

287 287 287 288 289 290 292 292 292 293 293 294 295 296 299 300 300 304 309 312 312 316 317 317 318

3.5.3.1 3.5.3.2 3.5.3.3 3.5.3.4 3.5.3.5 3.5.3.6 3.5.3.7 3.5.4 3.5.4.1 3.5.4.2 3.5.4.3 3.5.4.4

249 250 254 257 257 258 259 259 259 260 264 267 271 275 275 275 277 278

4.5.3.3. 4.5.3.4 4.5.4 4.5.5 4.5.5.1 4.5.5.2 4.5.5.3 4.6 4.6.1 4.6.2 4.7 4 7.1 4.7.2 4.7.2.1 4.7.2.2 4.7.2.3 4.7.2.4 4.7.2.5 4.7.2.6 4.7.2.7 4.7.3 4.7.4 4.7.5 4.7.5.1 4.7.5.2 4.8 4.8.1 4.8.2 4.8.2.1 4.8.2.2 4.8.2.3 4.8.3 4.8.3.1 4.8.3.2 4.8.3.3 4.8.3.4 5 5.1 5.11 5.1.2 5.2

6 6.1

Lokale Oxidation und Mischisolationstechnik Dielektrische Isolation Planarisieren und Metallisierung Beispiele von Typprozessen SBC-Prozeß nSGT-Prozeß CMOS-Prozeß Dreidimensionale Mikrostrukturen Neue Dimension in der Technologie Das LIGA-Verfahren Verdrahtungs- und Verbindungstechnik Überblick Verdrahtungsarten Einführung Frei- und Zweckverdrahtung Bündelverdrahtung Kanalverdrahtung Formkabelverdrahtung Verdrahtung mit Bandleitungen Flexible gedruckte Verdrahtung Vorbereitung der Leiter zur Herstellung von elektrisch leitenden Verbindungen und Anschlüssen Verbindungstechnik für Lichtwellenleiter Einzel-und Simultanverdrahtung von Halbleiterkristallen Montage des Kristalls auf einen Träger Verdrahten Schutz gegen klimatische Einflüsse Überblick Schutz und Verschließen von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltunngen Einführung Schutz der Oberfläche und der pn-Übergänge von Halbleiterbauelementen durch dünne Schichten Verschließen elektronischer Bauelemente Schutz von Geräten Einführung Spritzen metallischer Überzüge Spritzen nichtmetallischer Überzüge Beschichten mit Kunststoffpulver Entwurf technologischer Prozesse und Systeme Problemstellung und Lösungsmodell Entwurfsszenarium Eine typische Entwurfsprozedur (allgemeiner EntwurfsalgorithmusJ Umstände und Bedingungen des Entwurfs technologischer Prozesse und seine Besonderheiten in der Elektrotechnik und Elektronik Gestaltung der Prozesse der Teilefertigung und Montage Besonderheiten der Fertigung von Erzeugnissen der Elektrotechnik/Elektronik

319 319 320 323 323 323 325 327 327 327 329 329 331 331 333 334 335 336 337 337 340 343 345 345 347 351 351 351 351 352 353 356 356 357 359 360 361 361 362 366 372 377 377

6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.3.1 6.2.3.2 6.2.3.3 6.2.4 6.2.4.1 6.2.4.2 6.2.4.3 6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.5 6.4.6 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.6 6.6.1 6.6.2 6.6.3

Zeitliche Gliederung des Fertigungsprozesses Überblick Zeitelemente Durchlaufzeit eines Einzelteils Bestandteile der Durchlaufzeit Optimale Losgröße Möglichkeitgen zur Verkürzung der Durchlaufzeiten Durchlaufzeit eines Erzeugnisses Ablaufplanung Balkendiagramm Netzplan Fertigungsarten Fertigungstypen Überblick Werkbankfertigung Werkstattfertigung Reihen- und Fließfertigung Gruppenfertigung Baustellenfertigung Fertigungsverfahren gegliedert nach der Beteiligung menschlicher Arbeit... Manuelle Fertigung Mechanisierte Fertigung Automatisierte Fertigung Fertigungsplanung und Produktmodell Überblick Entwicklungen zur rechnergestützten Fertigungsvorbereitung "Elektroanlage" Rechnergestützte Fertigungsvorbereitung "Verdrahten"

410 415

7 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4

Auswahl der Verfahren und Synthese von Verfahrensfolgen Aufgaben und Modelle für die Automatisierung Möglichkeiten für die Auswahl der Verfahren, Synthesemethoden Überblick Verwendung von Typlösungen Generierende Methoden der Verfahrensauswahl Entscheidungsvorbereitung nach der Zielbaummethode

421 421 424 424 424 426 428

8

Mathematische Modellierung technologischer Prozesse und Systeme Aufgaben und Arten mathematischer Modelle, Modellebenen Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Stabilität technologischer Prozesse und Systeme Aufsuchen optimaler Bedingungen für den technologischen Prozeß Das Optimierungsmodell Empfindlichkeitsanalyse, Bestimmung der Empfindlichkeit und Genauigkeit Aufgabenstellung Kennzeichnung der Empfindlichkeitstheorie Bestimmung der Empfindlichkeitskoeffizienten und der Genauigkeitskoeffizienten; Parametermaßketten und Parameterfortpflanzungsgesetz Statistische Analyse

8.1 8.2 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.2.1 8.3.2.2 8.3.2.3 8.3.3

379 379 380 382 382 384 386 388 388 388 389 393 393 393 394 395 401 402 403 403 403 403 409 409

431 431 435 436 436 439 439 440 442 445

8.3.4 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.4.4 8.4.5 8.4.6 8.4.6.1 8.4.6.2 8.4.6.3 8.4.6.4 8.4.7 8.5 8.5.1 8.5.2 8.5.3 8.5.4 8.5.5 8.5.6 8.5.7 8.6 8.6.1 8.6.2 8.6.3

Durchgängige Optimierung im technologischen System Modellieren auf der Makroebene, Versuchsplanung Versuchsplanung und Verschiedenartigkeit der Experimente Polynomansätze udn Normierung von Polynomen Experimente nach klassischen ungesättigten Versuchsplänen Vollständige fakatorielle Versuchspläne vom Typ 2 k VFV) Teilweise faktorielle Versuchspläne (TFV) Statistische Prüfung des Experimentes Kennzeichnung der Methode Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Versuche Signifikanz der Koeffizienten Adäquatheitstest Zahlenbeispiel und Algorithmus für einen vollständigen faktoriellen Versuchplan Modellieren auf der Metaebene, Bedienungsmodelle Technologischer Prozeß als Bedienungssystem Struktur eines Bediensystems Wahrsheinlichkeitstheoretische Beschreibung des Forderungsstromes Nichtstationäre Ströme, Ströme mit Nachwirkung Bedienungszeit Stochastische Beschreibung der Wirkungsweise eines Bedienungssystems Beispiele für die Anwendung der Bedienungstheorie Abschätzung der Prozeßdynamik, Zuverlässigkeit Formulierung der Aufgabe Untersuchung von Zustandsänderungen mit Hilfe der Empfindlichkeitstheorie Untersuchung von Zustandsänderungen mit Hilfe von Korrelationsfunktionen

446 448 448 450 452 453 455 457 457 457 458 460 461 465 465 466 467 469 471 472 478 482 4482 483 484

Literaturverzeichnis

489

Glossar

507

Sachwortverzeichnis

537

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