2011 – 2015

Datum der Promotion: 03.12.2015
Abstract: Die Bedeutung der Nanowissenschaft und deren Umsetzung in der Nanotechnologie, welche ihren Ursprung im Bereich der Mikroelektronik hat, nimmt laufend zu und führt so in vielen Bereichen von Wissenschaft und Technik zu wichtigen neuen Erkenntnissen und Entwicklungen. Die analytischen Verfahren mit Auflösungen im Nanometer-Bereich sind wesentlicher Bestandteil dieses Erfolgs. Einen wichtigen Anteil daran haben die Methoden der Rastersondenmikroskopie (SPM, englisch Scanning Probe Microscopy). Diese bieten eine hohe räumliche Auflösung und zusätzlich die Möglichkeit, elektrische, optische und andere physikalische, chemische oder biologische Eigenschaften von Proben zu analysieren. Alle Methoden der SPM nutzen als wesentliche Elemente zur Analyse der Proben spezielle Sonden mit feinen Spitzen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Sonden für die wichtigen Methoden der elektrischen und der optischen SPM untersucht. Dabei wurden insbesondere neuartige Sonden entwickelt und hergestellt. Als Erstes wurden Sonden für die elektrische SPM untersucht, deren Spitzen einheitlich aus elektrisch leitfähigem Kompositmaterial bestehen, eine optimierte Form aufweisen sowie auf relativ günstige Weise hergestellt werden können. Es wurde ein neuartiger Ansatz zu ihrer Herstellung entwickelt, der auf der Fertigung von Spitzen mittels UV-Nanoimprintlithographie beruht. Dazu wurden spezielle Prägeformen durch Bearbeitung mit dem fokussierten Ionenstrahl hergestellt, dann Spitzen gefertigt und einer Nachbehandlung unterzogen. Weiterhin wurden ausgehend von den Spitzen Demonstratorsonden hergestellt, charakterisiert und für elektrische SPM-Messungen angewendet, wobei sich gegenüber speziellen konventionellen Sonden ein vergleichsweise geringer elektrischer Widerstand sowie eine Verbesserung der erreichbaren Auflösung zeigte. Als Zweites wurden Verbesserungen im Bereich der elektrischen SPM hinsichtlich einer Reduktion der parasitären Kapazitäten und der Transienteneffekte sowie hinsichtlich der Vergleichbarkeit der Messungen an verschiedenen Positionen auf der Probe untersucht. Dazu wurden elektrische Modelle gebildet und davon ausgehend Kapazitäten berechnet. Weiterhin wurden neue geschirmte Sonden, spezielle Halter und eine Fertigungsvorrichtung zur Kontaktierung entwickelt und hergestellt. Die Sonden wurden mikroskopisch und elektrisch charakterisiert sowie für Messungen der lokalen Kapazität und lokaler Strom-Spannungs-Kennlinien angewendet. Dabei wurde eine Reduktion der parasitären Kapazität und des Verschiebungsstroms um bis zu 80 % erreicht. Als Drittes wurden neuartige Sonden im Bereich der optischen SPM untersucht. Zum ersten Mal wurden Sonden mit speziellen Bragg-Strukturen entwickelt, die eine Adaption der zur Untersuchung genutzten elektromagnetischen Felder erlauben. Die Sonden wurden entworfen, hergestellt und anschließend mikroskopisch inspiziert sowie optisch räumlich und spektral aufgelöst analysiert. Dabei zeigte sich im Vergleich zu routinemäßig verwendeten Sonden eine bessere Lokalisierung der elektromagnetischen Felder und eine Verbesserung des Kontrastes bis zu einem Faktor 3,3.

Datum der Promotion: 02.12.2015
Abstract: Fahrzeuge mit batterieelektrischem Antrieb sind ein Baustein zur Steigerung der Energieeffizienz im Bereich der Mobilität. Ein entscheidender Nachteil batterieelektrischer Fahrzeuge ist jedoch die eingeschränkte Reichweite aufgrund der begrenzten Batteriekapazität heutiger Batterietechnologien. Die hohe Effizienz des elektrischen Antriebs führt dazu, dass zusätzliche Energie zur Klimatisierung, insbesondere im Heizfall, der Batterie entnommen werden muss und sich somit die Reichweite weiter verringert. Eine akzeptable Mindestreichweite von Elektrofahrzeugen lässt sich deshalb entweder durch die Installation großer Batteriekapazitäten oder durch die gezielte Nutzung der Abwärme im Sinne eines gesamtenergetisch optimierten Ansatzes sicherstellen. Diese Dissertation fokussiert den zweiten Ansatz, die gezielte Nutzung der Abwärme im elektrischen Antriebsstrang für Klimatisierungszwecke zur Erhöhung der Energieeffizienz. Insbesondere im Heizfall führt dies zu einer Reduzierung des Einflusses der Klimatisierung auf die erzielbare Reichweite. Zentraler Bestandteil der Untersuchungen dieser Arbeit sind hierbei elektrische Antriebsstränge mit integrierten Antriebskomponenten, die aufgrund einer reduzierten Anzahl an Einzelkomponenten zu einer vereinfachten Struktur des Kühlsystems führen. Zur Beantwortung der Fragestellung, wie viel der in das System eingebrachten thermischen Energie zur Klimatisierung verwendet werden kann, liegt ein Schwerpunkt dieser Arbeit in der Bestimmung aller Wärmeströme und Temperaturen der in den Kühlkreislauf eingebundenen Komponenten. Hierfür wurde ein thermisches Modell für Kühlsysteme im Elektrofahrzeug entwickelt, das die Funktionalität einer bestehenden Fahrzyklus-Simulationsumgebung erweitert. Die Komponenten Antrieb, Batterie und Fahrgastzelle wurden hierbei als Cauer-Netzwerke modelliert. Diese Modelle wurden in das Kühlkreislaufmodell eingebunden und die Abbildung des thermischen Verhaltens durch Messungen im Versuchsfahrzeug validiert. Mit dem implementierten Gesamtmodell ist es innerhalb der Fahrzyklus-Simulationsumgebung möglich, die thermische Situation und den Temperaturverlauf von der Fahrgastzelle bis zur Chipebene im Umrichter zu bestimmen, wodurch sowohl die aktiven Temperaturzyklen aus der Eigenerwärmung der Bauteile als auch die passiven Zyklen durch Erwärmung und Abkühlen des Kühlmittels erfasst werden. Die Anwendung der Simulationsumgebung zur Untersuchung der Einflüsse von Kühlsystemtopologie, thermischer Komponentenisolierung sowie verschiedener Heiz- und Kühlsysteme auf Energieeffizienz und thermischen Komfort ist ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit. Für die Bewertung des thermischen Komforts wird in der Arbeit das „Thermische Unbehagen“ als einheitliche Bewertungsgröße für Fahrgastzelle und Antriebskomponenten eingeführt. Die Untersuchungen erfolgen am elektrischen Antriebsstrang und der Fahrgastzelle eines batterieelektrisch angetriebenen Kleinwagens. Betrachtet werden dabei auch der Einfluss des Nutzungsverhaltens und das Potential von thermischer Vorkonditionierung. Anhand der durchgeführten Untersuchungen wird unter anderem gezeigt, wie sich eine thermische Isolierung der Antriebskomponenten auf die für Heizzwecke nutzbaren Antriebsverluste auswirkt und bei welchen Heizsystemen die Antriebsabwärme im Sinne einer maximalen Energieeffizienz optimal genutzt werden kann. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden abschließend für einen Aufwand- zu Nutzen-Vergleich verwendet und daraus das Konzept eines optimierten Systems erarbeitet, im Versuchsfahrzeug umgesetzt und das Potential dieses Systems exemplarisch durch Messungen im Versuchsfahrzeug bestätigt.

Datum der Promotion: 24.07.2015
Abstract: Die Stromerzeugung aus solarer Strahlungsenergie wird durch Solarzellen auf der Basis von multikristallinem Silizium dominiert. Dieses wird im Vergleich zu einkristallinem Silizium kostengünstig in einem Tiegel erstarrt und der Zellwirkungsgrad erreicht trotz der durch Korngrenzen, Versetzungen und Verunreinigungen limitierten Materialqualität Werte von bis zu 20,4% [1]. Dennoch ist die Konversion der Strahlungsenergie zu nutzbarer Energie noch immer kostenintensiver als der Strom aus dem konventionellen, fossil-nuklearen Kraftwerkspaket [2]. Ein vielversprechender Angriffspunkt zur weiteren Reduktion der Stromentstehungskosten ist die Herstellung des multikristallinen Siliziums, bei welcher Verbrauchsmaterialien, wie beispielsweise der Tiegel, aktuell noch nicht mit maximaler Effizienz genutzt werden. Die gerichtete Erstarrung von Silizium im industriellen Maßstab erfolgt in beschichteten Kieselglastiegeln (SiO2), welche in der aktuell eingesetzten Dimension GEN 5 (88 cm x 88 cm x 48 cm, Herstellung von 5 x 5 Säulen) einen Stückpreis von mehreren hundert Dollar besitzen. Nachteilig ist die auf nur eine Erstarrung beschränkte Einsetzbarkeit dieses Tiegels, welche aus der Phasenumwandlung des SiO2 resultiert. Das Kieselglas kristallisiert während des Aufschmelzens des Siliziumrohstoffs und dessen Schmelzhomogenisierung zu Beta-Cristobalit, der kubischen Hochtemperaturmodifikation des SiO2. Nach der Schmelzhomogenisierung wird die Siliziumschmelze innerhalb dieses Tiegels zu einer gerichteten, vom Tiegelboden ausgehenden multikristallinen Erstarrung gebracht. Während des anschließenden Abkühlvorgangs wandelt sich das Beta-Cristobalit in die Tieftemperaturmodifikation Alpha-Cristobalit um, wobei der hiermit verknüpfte Volumensprung in einem Bruch des Tiegels resultiert. Eine Möglichkeit die Kosten weiter zu reduzieren besteht in der Verwendung eines alternativen, mehrmalig einsetzbaren Tiegels aus Siliziumnitrid (Si3N4). Dieses ist bis weit über die eingesetzten Prozessbedingungen hinausmechanisch stabil und besitzt keinen irreversiblen Phasenübergang, welcher die Anzahl der Einsätze aufgrund eines Volumensprungs limitieren könnte. Jedoch existieren einige bislang noch nicht überwundene Herausforderungen, die deren Attraktivität schmälern und einer industriellen Umsetzung im Weg stehen. So wird Siliziumnitrid, welches aktuell noch nicht in einer dem Kieselglas entsprechenden Reinheit hergestellt werden kann, durch das flüssige Silizium benetzt. Hieraus resultiert in der Praxis eine unlösbare Anhaftung zwischen dem erstarrten Silizium und dem Tiegel sowie der Verlust an verwertbarem Kristallmaterial durch eine Rissbildung innerhalb des Siliziums. Zudem wurde der entscheidende Vorteil des Siliziumnitrids – dessen Wiederverwendbarkeit – zwar theoretisch geschlussfolgert, in der Praxis bisweilen jedoch kaum demonstriert. Eine dritte Herausforderung stellt die Materialreinheit des Siliziumnitrids dar. Aus Untersuchungen mit Kieselglastiegeln ist bereits bekannt, dass Verunreinigungen aus dem Tiegelmaterial unerwünscht in das Silizium gelangen und dessen Materialqualität reduzieren können. Als Resultat der gegenüber dem aktuell eingesetzten Kieselglastiegel geringeren Reinheit des Siliziumnitrids werden sinkende Materialqualitäten und Zelleffizienzen erwartet. In der vorliegenden Arbeit wurde das Potential von Tiegeln aus nitridgebundenem Siliziumnitrid (NBSN), einer aufgrund ihrer Herstellung vergleichsweise reinen Keramik hoher Porosität, systematisch evaluiert, wobei die Untersuchungen auf die zentralen Herausforderungen des Siliziumnitrids – dessen Benetzung, dessen Wiederverwendbarkeit sowie die Verunreinigung des Siliziums – fokussiert waren. —Benetzung und Infiltration durch flüssiges Silizium— Aufgrund des im Vergleich zu dem Stand der Technik bereits hohen Verunreinigungsgehalts der Siliziumnitrid-Tiegelkeramiken sollten deren Benetzung und Infiltration verhindert werden ohne das Silizium einer Tiegelbeschichtung, d.h. einer weiteren Verunreinigungsquelle auszusetzen. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit ein Konditionierungsverfahren entwickelt, welches das nitridgebundene Siliziumnitrid derart mit Sauerstoff anreichert, dass die Benetzung und Infiltration durch flüssiges Siliziumverhindert und eine Wiederverwendbarkeit gewährleistet wird. Die Charakterisierung des Siliziumnitrids umfasste dessen Reaktionsverhalten bei der Konditionierung (thermogravimetrische Analyse), die Elementaranalyse von N und O (Trägergasheißextraktion, Infrarot-spektrometrische Detektion) sowie die Untersuchung der Gefügestruktur (Verfahren von Brunauer, Emmett und Teller, Quecksilberporosimetrie, Röntgenbeugung) und des Benetzungsverhaltens in Kontakt mit flüssigem Silizium (Methode des liegenden Tropfens). Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen, dass für die Konditionierung der NBSN Tiegelkeramiken in Abhängigkeit der initialen Mikrostruktur solche Parameter gewählt werden müssen, welche sowohl die geometrische Oberfläche (Einfluss auf Benetzung) als auch das Tiegelvolumen (Einfluss auf Infiltration) ausreichend mit Sauerstoff anreichern. Ein Verschließen der Porenmünder durch das Oxidationsprodukt sollte hierbei vermieden werden, da dieses nicht nur den Kontaktwinkel limitiert, welcher mit dem Flächenanteil der Hohlräume an der geometrischen Oberfläche korreliert, sondern zudem die für eine Vermeidung der Infiltration benötigte Oxidation des Volumens begrenzt. Optimale Ergebnisse konnten nach einer sechsstündigen Konditionierung bei einer Temperatur von 1050 °C unter 20,9 vol.% Sauerstoff erzielt werden. Diese Konditionierung resultiert in einem Gleichgewichtskontaktwinkel von 135°, welcher einer klaren Nichtbenetzbarkeit entspricht, und vermag eine Infiltration des flüssigen Siliziums in das Porenvolumen der NBSN Tiegelkeramiken über die gesamte Dauer eines Kristallisationsversuchs effektiv zu verhindern. —Evaluation derWiederverwendbarkeit— Für die Evaluation derWiederverwendbarkeit wurden zwei verschiedene zylindrische NBSN Tiegelkeramiken konditioniert und bis zu deren Ausfall wiederholt bei der gerichteten Erstarrung von Silizium eingesetzt. Die Herstellung des multikristallinen Siliziums (Kristalldurchmesser 10 cm, Höhe 7,5 cm) erfolgte hierbei nach dem VGF-Verfahren (Vertical Gradient Freeze) in einem widerstandsbeheizten Kristallisationsofen, welcher im Labormaßstab konzipiert ist. Die durchgeführten Experimentserien demonstrieren das Potential der NBSN Tiegel, welche erfolgreich fünf bis sieben mal für die gerichtete Erstarrung eingesetzt werden konnten. Die Wiederverwendbarkeit wurde hierbei durch die Wiederholung der bereits beschriebenen Konditionierung vor jedem Einsatz der Tiegel ermöglicht. Durch die Charakterisierung der Gefügestruktur (Mehrpunkt BET, Quecksilberporosimetrie) und der Elementargehalte an N und O (Trägergasheißextraktion, Infrarot-spektrometrische Detektion) konnte zudem auf die Versagensmechanismen der wiederholt eingesetzten Tiegel geschlossen werden. —Kontamination des Siliziums— Anschließend wurden die so gezüchteten Kristalle herangezogen, um die von den NBSN Tiegelkeramiken ausgehende Kontamination des Siliziums auch bei dem wiederholten Einsatz der Tiegel systematisch zu evaluieren und dem aktuellen Stand der Technik (Kieselglas mit Si3N4 Beschichtung der Tiegelinnenflächen) gegenüberzustellen. Basierend auf den chemischen Analysen von Tiegeln (Emissionsspektralanalyse mit induktiv gekoppeltem Plasma) und Kristallen (Glimmentladungs-Massenspektroskopie, Neutronenaktivierungsanalyse) sowie deren elektrischen Parametern (Vierspitzen Methode, Mikrowellen-detektiertes Photoleitfähigkeitsabklingen) wurden die Mechanismen des Verunreinigungseintrags in das Silizium untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich die von den NBSN Tiegelkeramiken ausgehende Kontamination des Siliziums lediglich für die Elemente B, Al und P von einer Kristallisation des Siliziums in beschichteten Kieselglastiegeln im industriellen Maßstab unterscheidet. Die Verunreinigungskonzentrationen der im Labormaßstab gezüchteten Kristalle nehmen Werte von 10^15^ cm-3 bis 10^17^ cm-3 für B und von 10^15^ cm-3 bis 10^16^ cm-3 für Al und P an. Der dominante Verunreinigungsmechanismus ist ein Eintrag in das schmelzflüssige Silizium, welcher aus einer Diffusion bzw. aus einem Gasphasentransport der Elemente durch die Tiegelkeramiken resultiert. Durch die Aufreinigung und den positiven Einfluss der Konditionierung sinkt der Eintrag der Elemente B, Al und P mit der wiederholten Verwendung der Tiegel. Des Weiteren konnte in der vorliegenden Arbeit ein Zusammenhang zwischen den effektiven Diffusionskoeffizienten der Elemente B und P innerhalb der Tiegelkeramiken, abgeschätzt mittels des ersten Fickschen Gesetzes, und deren Mikrostruktur ermittelt werden. Hinsichtlich der Konzentrationen an Na, Cr, Fe, Co, Ni, Ga, As, Sb und Au entsprechen die Kristalle aus den wiederverwendbaren NBSN Tiegelkeramiken kommerziell erhältlichen, in beschichteten Kieselglastiegeln erstarrten, multikristallinen Siliziumblöcken, d.h. hier wirken die Siliziumnitrid-Tiegelkeramiken trotz ihrer zum Teil erhöhten Verunreinigungsgehalte nicht stärker kontaminierend auf das Silizium, als der Stand der Technik.

Datum der Promotion: 10.03.2015
OPUS FAU Link
Abstract: In recent years, silicon carbide (SiC) became an attractive material and opened new perspectives in power electronics due to its superior material properties. The wide bandgap, high thermal conductivity and high breakdown electric field make SiC a material of choice for power MOSFETs. The incorporation of SiC MOSFETs, for example, in power converters allows to decrease their weight and size. This can be a big advantage for many applications including electric cars. The ability of SiC devices to withstand high temperatures simplifies the thermal management of the electrical systems. However, the commercial use of MOSFETs is currently limited by technological problems which result in low channel mobility and high turn-on voltage. The aim of this thesis was to understand and explain the mechanisms which control the channel mobility in SiC MOSFETs using numerical simulation and to develop a self-consistent simulation methodology for a description of their electrical behavior. For technological progress, development and optimization of semiconductor devices, TCAD simulation became an increasingly important tool of investigation. However, for SiC devices TCAD simulation currently is a big challenge. Most of the simulation models were developed for silicon, and, thus, can not adequately describe the transport properties of SiC devices. Moreover, because of a high density of interface traps at the SiC/SiO2 interface, which strongly degrade the channel mobility of SiC MOSFETs, an accurate interface trap model is of primary importance for the simulation. In the framework of the MobiSiC (Mobility Engineering for SiC Devices) project lateral n-channel 4H-SiC MOSFETs have been fabricated and electrically characterized by current-voltage and Hall-effect measurements. The effects of temperature and bulk potential engineering upon the transport properties in the channel of SiC MOSFETs have been studied. The interpretation of the electrical measurements, i. e. current-voltage characteristics (ID(VG)) as well as sheet carrier density and channel mobility obtained from the Hall-effect measurements (ninv(VG), µ (VG)), has been performed within this work using numerical simulation with Sentaurus Device of Synopsys. For an accurate evaluation of the Hall-effect measurements, a new method for the calculation of Hall factors was developed. It is based on the fact that both Hall factor and mobility depend on the same mechanisms by which the charge carriers are scattered. The method of calculation accounts for all electron scattering mechanisms in the active area of the device. Thus, for the first time, an accurate Hall factor has been calculated for the channel of MOSFETs and applied for the correction of the Hall-effect measurements. Experimental data, for example from Hall-effect measurements, is often used to characterize the density of interface traps. In this work, a new method, which allows a more accurate characterization, is suggested. In the first step, the densities of the interface traps versus trap energy (DIT (ET)) are extracted from the Hall-effect and capacitance-voltage measurements using a conventional method. Afterwards, the extracted DIT (ET) distributions are introduced into Sentaurus Device and optimized numerically to minimize the deviations between the numerically simulated characteristics (ninv(VG), µ (VG), and ID (VG)) and the experimentally measured data. The numerical simulation allows to take into account, for instance, the effects of potential drop along the channel between source and drain as well as the Fermi-Dirac distribution of the electrons. These effects are neglected when the interface trap density is extracted conventionally from the experimental data. Thus, it is expected that the new method produces physically more reasonable results on the DIT (ET) distributions. Based on the experimental and simulated results, origin and nature of the interface defects are discussed. The simulation methodology, in which the method of the Hall factor calculation and the method of the DIT (ET) extraction are accounted for, could consistently describe the temperature dependence as well as the doping dependence of the transport properties of SiC MOSFETs studied in this thesis. On the basis of a good agreement between simulations and measurements, a comprehensive interpretation of the scattering mechanisms in the channel of SiC MOSFETs with different doping concentrations and at different temperatures has been performed. One of the main findings from this work is that a decrease of the interface trap density is not the only factor which can improve the performance of SiC MOSFETs. For example, their performance can be improved significantly by decreasing the doping concentration of the channel. It was also found that the doping concentration of the channel affects the temperature dependence of the channel mobility: At elevated temperatures for highly doped MOSFETs it increases with increasing temperature while for lowly doped ones it decreases.

Datum der Promotion: 10.11.2014
Abstract: Für die direkte Herstellung von mikrooptischen Komponenten oder von Strukturen zur Optimierung des Lichtmanagements in Bauelementen sind Nanoimprintlithographie (NIL) -Verfahren als kostengünstige 3D-Strukturierungsverfahren sehr gut geeignet. Die UV-gestützte Substratkonforme Imprintlithographie (UV-SCIL) ist dabei eines der vielversprechendsten NIL-Verfahren zur industriellen Fertigung der genannten optischen Komponenten. Diese Arbeit zeigt die Entwicklung von UV-SCILPr ägeprozessen, die als industrielle Fertigungsprozesse für optische Komponenten geeignet sind. Dafür wird erstmals ein UV-härtendes, rein organisches Polymer von DELO Industrie Klebstoe, Katiobond OM VE 110707, als Prägelack für UV-SCIL eingesetzt. Damit lässt sich durch die im Vergleich zu allen anderen für UV-SCIL verf ügbaren Prägelacke sehr kurze Belichtungszeit von 20s der Durchsatz des Prägeverfahrens bezogen auf den höchst möglichen bisherigen Durchsatz um 50% steigern. Zur Übertragung der Strukturen von der Polymerschicht in ein Substratmaterial werden Trockenätzprozesse für Silicium und Siliciumoxid entwickelt, bei denen die strukturierte Polymerschicht als Ätzmaskierung dient. Die erreichte Ätzselektivität von Polymer zu Substrat liegt bei allen entwickelten Prozessen jeweils deutlich gröÿer als eins. Hinsichtlich des Einsatzes von UV-SCIL als industrielles Fertigungsverfahren wird in dieser Arbeit zudem die Lebensdauer der PDMS-Prägeformen erstmalig genauer evaluiert und es wird mit einem produktionsnahen Prozess demonstriert, dass mit einer Prägeform 76 Imprints ohne Unterbrechung direkt hintereinander durchgeführt werden können. Es steht somit erstmals ein Richtwert zur Verfügung, der die Lebensdauer einer SCIL-Prägeform im produktionsnahen Einsatz beschreibt. Für Fertigungsprozesse, bei denen zwei Ebenen übereinander geprägt werden müssen, wird auÿerdem für das UV-SCIL-Verfahren die erreichbare Überlagegenauigkeit betrachtet. Die Verschiebung der beiden Ebenen zueinander konnte dabei mit der aktuellen SCIL-Anlage auf weniger als 1µm minimiert werden, was die mechanische Begrenzung der Anlage ist. Darüber hinaus werden in der Arbeit Kapillardrücke untersucht, die als treibende Kräfte hauptverantwortlich für den Prägevorgang sind. Es wird erstmals gezeigt, dass allein durch die Kapillarwirkung die Prägeform teils mit mehr als 2bar in das üssige Polymer gezogen wird. Der letzte Abschnitt dieser Arbeit zeigt die Weiterentwicklung des UV-härtenden Polymers zu einem optisch funktionalen Prägelack, bei dem der Brechungsindex durch Zugabe von geeignet stabilisierten Titandioxid-Nanopartikeln zum Prägelack individuell eingestellt werden kann. Die Brechzahl des Prägelacks kann dabei mit maximal 23wt% Partikelgehalt zwischen 1,54 und auf 1,63 variiert werden. Optische Komponenten mit individuellem Brechungsindex können somit direkt durch Prägen mit UV-SCIL ohne weiteren Prozessschritt hergestellt werden. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit erweitert sich das Anwendungsspektrum für UV-SCIL signikant und sie vereinfacht Prozessentwicklungen für Strukturierungsprozesse mit UV-SCIL zur Herstellung von mikrooptischen sowie photonischen Komponenten.

Datum der Promotion: 21.10.2014
Abstract: –
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 978-3-8440-3357-1 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]

Datum der Promotion: 20.10.2014
Abstract: –

Datum der Promotion: 15.10.2014
Abstract: –

Datum der Promotion: 19.09.2014
OPUS FAU Link
Abstract: The transfer of micro and nano patterns into a photosensitive material has alarge number of technological applications. One of this techniques is knownas optical lithography and is widely used in the fabrication process of integratedcircuits (IC). The exposure, as one of the most important steps of alithography process, has a critical influence on the dimension of the featuresin the fabricated IC. A mask contains the pattern that has to be replicatedinto the photosensitive material, which is coated on the top of a semiconductorwafer. A light source illuminates the mask, where diffraction phenomenaoccur. Then, the diffracted light is guided by means of an optical system tocreate a demagnified image of the mask. Modeling and simulation allow adeeper understanding of the image formation, in particular at small scales inthe range of few wavelengths and below.One of the most important aspects for the image formation is the appropriatemodeling of the light diffraction from the mask. When the mask featuresare larger than the wavelength of light, the scalar diffraction theory (Kirchhoffapproach) yields sufficiently accurate results in the computation of thediffraction spectrum. With feature sizes smaller than or comparable to thewavelength, the scalar approximation exhibits a serious limitation. It does notaccount for the three-dimensional mask geometry and related mask topographyeffects. That is why a rigorous description of the light diffraction fromthe mask is required.The propagation of the light through the mask can be rigorously computedusing the Maxwells equations. The effort to accomplish a highly accurate descriptionof the diffracted field, introduces a huge computational expense. Asa consequence, innovative modeling techniques are challenged to compromiseaccuracy and speed in the computation of the diffracted field, as well as in thecomputation of the imaging. So-called compact mask models speed up themask diffraction spectrum and imaging computation, considering the threedimensionalmask geometry and related mask topography effects. These compactmask models introduce methods to improve the accuracy of the Kirchhoffbasedimaging model. This is done by means of a systematic modification ofthe scalar diffraction spectrum or the mask geometry, in order to yield similarresults as the fully rigorous simulations.In this work, three novel compact mask models are formulated. These approachesare considered in the spatial frequency domain. First, a Jones pupilfunction is introduced in the projector to describe amplitude, phase and polarizationeffects, which are introduced by the mask (pupil filtering model).Second, a correction is performed directly on the scalar diffraction spectrum,to tune the diffraction orders that are captured by the pupil of the opticalprojection system (spectrum correction model). Finally, an artificial neuralnetwork approach is considered. The artificial neural networks are trainedusing the scalar diffraction spectrum as input and the rigorous spectrum astarget. The outcome of this training process is a neural network capable ofreproducing a diffraction spectrum that approximates the rigorous spectrum,which is obtained from electromagnetic field simulations.The proposed compact mask models account for and compensate mask topography-induced effects even at image planes out of focus. This allows to preservethe accuracy of the image computation in lithography simulations, at areasonable computational cost compared to the rigorous mask model.

Datum der Promotion: 26.06.2014
Abstract: –
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 978-3-8440-3495-0 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]

Datum der Promotion: 17.06.2014
Dissertation im Volltext
Abstract: Um das Jahr 2012 wurde die Ionenimplantationstechnologie für die Solarzellendotierung durch starke Kostensenkung konkurrenzfähig. Die Kostensenkung wurde durch den Einsatz von Plasmaimplantationsanlagen ermöglicht, die einen Durchsatz von mehr als 2000 Siliziumscheiben pro Stunde erreichen. Die Ionenimplantation öffnet nun die Tür für die industrielle Fertigung von hocheffizienten Solarzellen. Die vorliegende Arbeit klärt Schlüsselfragen in der Simulation der dazu benötigten Ausheilprozesse. Dies geschieht durch die Entwicklung von Modellen zur Beschreibung der Reaktionskinetik von Versetzungsringen und des Ausheilverhaltens von Phosphor und Bor. Dabei wird wird meist auf Konzepten aufgebaut, die ursprünglich aus der Mikroelektronik stammen, aber bisher nicht auf die Herstellungsbedingungen von Solarzellen angewendet wurden. Im Vergleich zum Standarddotierverfahren von Solarzellen über Diffusion mit POCl3 als Dotiersto ffquelle ist die Ionenimplantation ein erheblich kontrollierterer Prozess. Sie hat jedoch den unvermeidbaren Nachteil der Schädigung des Siliziumsubstrats. In dieser Arbeit wird untersucht, wie Siliziumscheiben mit implantationsinduzierten Versetzungsringen prozessiert werden müssen, um verlustfrei funktionierende Solarzellen zu erhalten. Dazu wurden bestehende Modellierungsans ätze für die Ausheilkinetik von Versetzungsringen zu einem neuen Modell weiterentwickelt. Dies ist das erste Modell, das den Übergang von stapelfehlerbehafteten zu stapelfehlerfreien Versetzungsringen und deren anschließende Auflösung beschreibt. Es konnte erfolgreich auf die charakteristischen Anforderungen der Solarzellenfertigung angewendet werden. Die zwei wichtigsten Dotieratome für die Solarzellenimplantation sind Phosphor und Bor. Zur Beschreibung des Ausheilverhaltens von Phosphor gibt es keine allgemein gültigen Modelle. Das liegt zum einen daran, dass der schnell-diffundierende Phosphor für die Mikroelektronik uninteressant ist, und zum anderen an der Komplexität seines Diffusions- und Segregationsverhaltens. In dieser Arbeit wurde ein vorhersagekräftiges Modell zur Beschreibung des Ausheilverhaltens von Phosphor für die besonderen Anforderungen der Solarzellenprozessierung entwickelt, kalibriert und angewendet. Dabei wurde eine allgemeine Strategie für die effiziente Kalibration von Modellen erarbeitet, die die Diffusion über zwei Arten von Punktdefekten beschreiben. Das Ausheilverhalten von Bor ist dagegen sehr gut verstanden und vorhersagekräftige Modelle existieren. Die Plasmaimplantationsanlagen der Solarzellenindustrie implantieren jedoch nicht atomares Bor, sondern BF3. Die Diffusion von Bor in Anwesenheit von Fluor unterscheidet sich stark von der Diffusion ohne Fluor. In der vorliegenden Arbeit wurde zum ersten Mal ein umfassendes Modell für dieses Problem entwickelt und erfolgreich getestet. Schließlich wurden die neuen Versetzungsring-, Phosphor- und Bormodelle bezüglich ihrer Relevanz für die elektronischen Eigenschaften von Solarzellen untersucht. Insbesondere wurden simulierte Vorhersagen für Versetzungsliniendichten und ihre assoziierten Rekombinationsaktivitäten mit Messungen von Rekombinationsströmen verglichen, die an der Universität Hannover und dem ISFH Hameln durchgeführt wurden. Die erhaltene quantitative Übereinstimmung von Simulation und Experiment ist der erste starke Hinweis darauf, dass Versetzungsringe, und keine anderen Defekte, für die Degradation von Solarzellen durch Implantationsschäden verantwortlich sind. Diese Übereinstimmung bestätigt weiterhin die Gültigkeit des entwickelten Versetzungsringmodells. Durch die Kombination der neuen Prozesssimulationsmodelle mit Bauteilsimulation konnten darüber hinaus mehrere Behauptungen der Literatur überprüft und Hauptfaktoren für die Prozessoptimierung identifiziert werden.

Datum der Promotion: 10.12.2013
Abstract: In dieser Dissertation werden das Wachstumsverhalten sowie die Defektbildung während der Züchtung von Quasi-Mono-Siliciumkristallen in einem Tiegel untersucht. Schwerpunkte liegen dabei auf der Ausbildung des multikristallinen Randwachstums und der Versetzungsentstehung an Keimstößen. Das in einem Laborofen hergestellte Kristallmaterial wird hierfür u.a. hinsichtlich der Kristallorientierung (Laue-Verfahren) und des Defekthaushalts (defektselektives Ätzen) charakterisiert.
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 978-3-8396-0695-7 im Fraunhofer Verlag erschienen.]

Datum der Promotion: 30.10.2013
Dissertation im Volltext
Abstract: In dieser Dissertation wird der Einfluss von Eisenverunreinigungen auf die strukturellen und elektrischen Eigenschaften von multikristallinem Silizium untersucht. Multikristalline Siliziumkristalle wurden nach dem Verfahren der Gerichteten Erstarrung gezüchtet und dabei gezielt mit Eisen kontaminiert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf eisenbedingten Veränderungen der elektrischen Eigenschaften, wie der Ladungsträgerlebensdauer und dem spezifischen Widerstand. Darüber hinaus werden verschiedene lokale Charakterisierungsverfahren angewendet, um die elektrischen Eigenschaften direkt mit der Eisenverunreinigung zu korrelieren.

Datum der Promotion: 30.09.2013
Abstract: http://d-nb.info/1048415457

Datum der Promotion: 24.09.2013
Dissertation im Volltext
Abstract: Miniaturisierung ist sowohl für die Leistungssteigerung als auch für die Kostensenkung von Halbleiterbauelementen von großer Bedeutung und wird daher mit einer enorm hohen Geschwindigkeit betrieben. Gordon Moore leitete daraus eine Schätzung ab, die besagt, dass die Hersteller gezwungen seien, etwa alle zwei Jahre die Dichte der integrierten Schaltungen zu verdoppeln. Und tatsächlich verfolgen die Hauptakteure der Industrie dieses Ziel — bekannt als Moore’s Law — noch heute. Photolithographie, einer der wichtigsten Prozessschritte, hat sich diesem Ziel unterzuordnen. In der Vergangenheit stellte die Einführung neuer Technologiestufen, einschließlich kleinerer Wellenlängen der Beleuchtungssysteme oder höhere numerische Aperturen (NA) der Projektionssysteme, einen relativ einfachen Ansatz dar, Schaltungsstrukturen zu verkleinern. Heute allerdings muss sich die optische Lithographie auf den Einsatz von Argon-basierten Excimer-Laser mit einer Wellenlänge von 193 Nanometer und einer NA von 1,35 beschränken. Die Einführung neuer Lithographie-Generationen, beispielsweiser unter Ausnutzung extrem ultravioletten (EUV) Lichtes, verzögert sich, so dass mit ihr erst in mehreren Jahren zu rechnen ist. Eine weitere Verkleinerung der Bauelemente führt so zu einer deutlichen Verschärfung der Anforderungen an den lithographischen Prozess, da Strukturen mit Abmessungen eines Bruchteiles der zur Verfügung stehenden Wellenlänge abgebildet werden müssen. In dieser Arbeit werden deshalb numerische Methoden entwickelt, die geeignet sind, Prozessbedingungen signifikant zu verbessern und damit Auflösungen jenseits vorheriger Beschränkungen zu erzielen. Der Lithographieprozess kann in folgende Komponenten unterteilt werden: das Beleuchtungssystem, die Photomaske, das Projektionssystem und das Schichtsystem auf der Halbleiterscheibe. Wie in dieser Dissertation gezeigt wird, weist jede dieser Komponenten eine große Anzahl optimierbarer Parameter auf. Um tatsächlich eine Verbesserung der Auflösung zu erzielen, ist jedoch der Einsatz umfassender Simulationswerkzeuge unabdingbar. Deren einzelne Bestandteile werden in dieser Arbeit erörtert. So werden die benötigten Modelle, die den Lithographieprozess beschreiben, vorgestellt und diskutiert. Es wird gezeigt, dass die numerische und algorithmische Umsetzung aus einem Kompromiss zwischen Genauigkeit und Rechenzeit besteht. Beide Kriterien sind entscheidend bei der Entwicklung eines prädiktiven und praktikablen Ansatzes. Eine weitere Komplikation ergibt sich aus der Multi-Skalen- und Multi-Physik-Eigenschaft prädiktiver Prozessmodelle. Obwohl es bisweilen möglich ist, reduzierte Modelle für ein spezielles Optimierungsproblem zu entwickeln, eignet sich ein solches Vorgehen im Allgemeinen nicht für die gleichzeitige Optimierung mehrerer Prozessaspekte. In dieser Arbeit wird daher ein Ansatz untersucht, der die direkte Nutzung exakter Modelle erlaubt. Als Optimierungsverfahren werden dabei evolutionäre Algorithmen (EA) entwickelt und verwendet. EAs bezeichnen probabilistische Verfahren, die evolutionäre Mechanismen wie Selektion, Rekombination und Mutation imitieren und sich durch ein hohes Maß an Flexibilität auszeichnen. Da es zahlreiche EA-Varianten gibt, widmet sich ein Kapitel dieser Arbeit der Diskussion und Untersuchung verschiedener Darstellungsoptionen und genetischer Operatoren. Dabei wird insbesondere die für diese Arbeit getroffene Auswahl motiviert. Der lithographische Prozess umfasst nicht nur eine Vielzahl an Parametern, sondern bedarf auch der Bewertung hinsichtlich verschiedener Kriterien, von denen nicht wenige wechselseitig unvereinbar oder unvergleichbar sind. So sind beispielsweise Herstellbarkeit und Leistungsfähigkeit im Allgemeinen inkommensurabel. Daher wird ein multikriterieller genetischer Algorithmus (GA), der speziell auf die Suche nach Kompromisslösungen zugeschnitten ist, implementiert und untersucht. Die Eigenschaften von Mehrzieloptimierung, insbesondere im Zusammenhang mit evolutionären Algorithmen, werden in dieser Arbeit eingehend diskutiert. Genau so wenig wie andere Optimierer können EAs als universell bezeichnet werden: Sie zeichnen sich zwar durch hohe Flexibilität aus, sind aber anderen Verfahren bei der intensiven Ausnutzung lokaler Informationen oft unterlegen. Eine Kombination evolutionärer und lokaler Suchalgorithmen bietet sich deshalb an. Ein entsprechendes hybrides Verfahren wird in dieser Arbeit entwickelt, und dessen Leistungsfähigkeit wird mit Hilfe einer Reihe von Benchmark-Funktionen demonstriert. Die Mehrzahl lithographischer Optimierungsprobleme ist durch rechenintensive Güteauswertungen charakterisiert. Die Zahl der Auswertungen muss daher auf ein Minimum reduziert werden. Es wird zu dem Zweck ein Ansatz verfolgt, bei dem die Fitnessfunktion durch eine deutlich schneller auszuwertende Ersatzfunktion genähert wird. Dabei kommt ein künstliches neuronales Netz zum Einsatz, das die durch den GA erzeugte Population aus Lösungskandidaten als Trainingsinstanzen nutzt, um so ein Modell der Fitnessfunktion zu erzeugen. Dieses Modell wird dann für eine intensive lokale Suche verwendet, während die globale GA-Suche auf der ursprünglichen, exakten Funktion durchgeführt wird. Die Effizienz und die Machbarkeit dieses Ansatzes wird an einer Reihe von Vergleichstests nachgewiesen. Die für diese Arbeit entwickelten Algorithmen, Frameworks und Programme stehen im Rahmen der Fraunhofer IISB Lithographiesimulationsumgebung Dr.LiTHO als Software-Module zur Verfügung. Der prinzipielle Aufbau der Recheninfrastruktur wird kurz diskutiert, insbesondere im Hinblick auf die entwickelten und verwendeten Verteilungs- und Parallelisierungsverfahren, ohne die praktikable Optimierungsläufe aufgrund der hohen Rechenzeiten nicht möglich wären. Eine Vielzahl von Anwendungsbeispielen zeigt die Vorteile der entwickelten Methoden. In einer Studie werden Beleuchtungsquellen/Photomasken-Optimierungsprobleme formuliert und gelöst. Im Gegensatz zu vergleichbaren Arbeiten, die zumeist auf vereinfachten, effizienten Modellen beruhen, wird hier ein direkter Ansatz verfolgt, der es erlaubt, exakte, in der Lithographiesimulation übliche Modelle zu verwenden. Mehrere Darstellungsvarianten werden vorgestellt und anhand zahlreicher Ergebnisse diskutiert. Die Flexibilität des Ansatzes wird unter anderem durch die Berücksichtigung von Maskentopographieeffekten demonstriert. Es wird ferner gezeigt, dass das Verfahren nicht auf die Auswertung von Luftbildern beschränkt ist, sondern auch andere Komponenten wie Prozessfenster oder Dünnfilmeffekte einbeziehen kann. Weitere Ergebnisse demonstrieren die Erweiterbarkeit des Verfahrens auf zukünftige Techniken zur Verbesserung der Auflösung, zum Beispiel, der Ausnutzung der Projektor-Aberrationskontrolle. Ziel einer weiteren Reihe von Simulationsexperimenten ist die dreidimensionale Maskenoptimierung, in der zusätzlich zur Quellen/Maken-Optimierung auch die Topographie und die Materialeigenschaften der Photomaske optimiert werden. Dabei können deutliche Verbesserungen im Vergleich zu Standardkonfigurationen erzielt werden. Optimierungsergebnisse sowohl für optische als auch für EUV-Lithographie werden präsentiert und diskutiert. Um alle Aspekte des Lithographieprozesses abzudecken, befasst sich der letzte Abschnitt der Arbeit mit dem Schichtsystem auf der Halbleiterscheibe. Als Beispiel wird die antireflektive Beschichtung auf der Unterseite des Photolackes optimiert. Diese Beschichtung wird eingesetzt, um eine Interferenz zwischen einfallendem und rückreflektiertem Licht zu verhindern, die zu stehende Wellen führt. Verschiedene Anordnungen, darunter Einzel- und Zweischichtsysteme, werden untersucht und verbessert. Ziel dieser Studie ist es insbesondere, die Veränderungen des Schichtsystems unter heute häufig verwendeten Mehrfachbelichtungsverfahren exakt zu beschreiben und zu verbessern. Die Dissertation schließt mit einer Diskussion sowohl der verschiedenen Optimierungsstrategien als auch der für diese Arbeit entwickelten Optimierungs- und Simulationsinfrastruktur. Vor- und Nachteile der Methodik werden hervorgehoben und mögliche zukünftige Anwendungen und Erweiterungen vorgestellt.

Datum der Promotion: 11.09.2013
Abstract: –

Datum der Promotion: 05.08.2013
Abstract: Das thermische Laserstrahlseparieren (TLS) ist ein zweistuger Trennprozess für sprödbrüchige Materialien wie Silicium (Si). Im ersten Schritt wird, z. B. mit Hilfe eines Ritzdiamanten eine Solltrennstelle am Rand des zu trennenden Werkstückes hergestellt. Im zweiten Schritt werden mittels laserbasiertem Aufheizen und anschließender rascher Abkühlung mit einem Wasser-Luft-Gemisch lokal mechanische Spannungen im Werkstück induziert. Diese mechanischen Spannungen überschreiten die kritische Bruchfestigkeit des Werkstückes. Damit ist es möglich, ausgehend von der Solltrennstelle einen Riss durch das Werkstück entlang einer zuvor denierten Arbeitslinie zu führen. Die wesentlichen Eigenschaften des TLS sind das Trennen ohne Materialverlust, das sogenannte trennfugenfreie Trennen, eine Trennkante von sehr hoher Qualität und eine hohe Vorschubgeschwindigkeit. TLS bendet sich derzeit noch in der Entwicklung. Diese Arbeit liefert einen wichtigen Beitrag für das grundlegende Verständnis des TLS. Es werden die beiden wesentlichen Bestandteile des TLS – die Rissinitiierung und die Rissausbreitung – am Beispiel von Silicium untersucht. Im Rahmen umfangreicher experimenteller Untersuchungen und begleitender theoretischer Untersuchungen anhand von Simulationen wurden Möglichkeiten zur Optimierung von Rissinitiierung und Rissausbreitung erarbeitet und bewertet. Die Erkenntnisse der grundlegenden Untersuchungen wurden auf die Entwicklung des TLS-Prozesses für die Gröÿenanpassung einkristalliner Siliciumscheiben angewendet. Die erzielten Ergebnisse werden gegenüber dem aktuellen Stand der Technik diskutiert. Damit liefert diese Arbeit einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur industriellen Umsetzung des thermischen Laserstrahlseparierens.

Datum der Promotion: 14.01.2013
Abstract: Die Größenskalierung zur Effizienzsteigerung von mikroelektronischen Schaltkreisen ist in Zukunft nur bedingt möglich. Zur Optimierung der Leistungsfähigkeit von Speichern wird daher die Änderung des zugrundeliegenden physikalischen Prozesses der Informationsspeicherung angestrebt. Bis zur produktiven Einsatzfähigkeit neuer Speicherarten müssen bestehende Speichertypen wie der DRAM weiterentwickelt werden. Die Funktion des DRAM beruht auf der Ladungsspeicherung in einem Kondensator, wobei vor allem das Isolator- sowie das Elektrodenmaterial erforscht werden. Die vorliegende Arbeit zeigt ein grundlegendes Bild über die physikalischen und elektrischen Eigenschaften von ZrO2-basierten Schichten, die über Atomlagenabscheidung hergestellt wurden, als Dielektrikum in planaren Kondensatoren mit TiN als Elektrodenmaterial und bildet die Voraussetzung für die Anwendung dieses Schichtsystems in DRAM Speichern zukünftiger Generationen. Es werden neue Erkenntnisse zum Wachstumsverhalten des ZrO2, zur morphologischen Beschaffenheit sowie zur chemischen Zusammensetzung der Grenzflächen geliefert. Außerdem erfolgt die Analyse des Stromflusses durch die Kondensatoren, wobei das Phänomen der polaritätsabhängigen Leckstromasymmetrie in den symmetrisch aufgebauten Kondensatoren auf ALD Wachstumscharakteristiken zurückgeführt werden kann.
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 978-3-8396-0554-7 im Fraunhofer Verlag erschienen.]

Datum der Promotion: 29.11.2011
Dissertation im Volltext
Abstract: Im Zuge der Entwicklung der Halbleiterfertigung hin zu Strukturgrößen unter 45nm wurden und werden verschiedene neue Techniken entwickelt, um auch weiterhin mit photolithographischen Anlagen arbeiten zu können. Dazu zählen Techniken zur Verbesserung der optischen Auflösung, die Lithographie mit Licht im Bereich des extrem Ultravioletten (EUV) und Doppelstrukturierungen bzw. -belichtungen. Die zunehmend anspruchsvollen Prozessbedingungen, die noch wenig ausgereiften Anlagen, Prozesse und Materialien sowie die dramatisch steigenden Kosten dieser neuen Lithographie- Techniken machen eine akkurate physikalische Modellierung und Simulation des Lithographieprozesses unumgänglich. Insbesondere die Wechselwirkung zwischen dem Licht und Strukturen der Größe einer Wellenlänge und darunter, wie sie bei lithographischen Masken und vorstrukturierten Halbleiterscheiben auftritt, ist von entscheidender Bedeutung für das Auflösungsvermögen. Für die Zukunft der Lithograpiesimulation sind deshalb effiziente Algorithmen, die – anders als viele gegenwärtig eingesetzte Simulationsprogramme – diese Wechselwirkungen berücksichtigen und das elektromagnetischen Feld mitsamt aller Randbedingungen rigoros simulieren, unbedingt notwendig. Die Anforderungen an Geschwindigkeit, Genauigkeit, Effizienz und Flexibilität sind im Allgemeinen jedoch sehr hoch, was Wahl eines geeigneten Algorithmus oft schwierig macht.

In dieser Arbeit wird die am Fraunhofer IISB entwickelte Waveguide-Methode vorgestellt – ein für die Simulation der neuen Lithographietechniken gut geeigneter Algorithmus zur rigorosen Berechnung elektromagnetischer Felder. Neue Ansätze zur Modellierung, Erweiterungen und Optimierungen, die die Leistungsfähigkeit der Waveguide-Methode steigern und die Simulation neuer Anwendungen, wie z.B. die rigorose Simulation von Doppelstrukturierungen oder -beleuchtungen, ermöglichen, werden entwickelt und diskutiert. Ein wichtiges neues Modell, die Wellenleiter-Zerlegungs-Methode führt das Problem der Beugung an einer dreidimensionalen Maske auf das Problem der Beugung an mehreren zweidimensionalen Masken zurück, wodurch die rechnerische Komplexität stark reduziert wird. Es wird gezeigt, dass dadurch bei ausreichender Genauigkeit die Rechenzeiten drastisch reduziert werden können. Dadurch wird die schnelle Simulation großer dreidimensionaler Maskengebiete (> 10 μm × 10 μm bei einer Wellenlänge von 193 nm, oder > 50λ × 50λ) und die extrem schnelle Simulation von Maskengebieten üblicher Größe (> 1 μm × 1 μm bei einer Wellenlänge von 193 nm, oder > 5λ × 5λ). Eine weitere Steigerung der Rechengeschwindigkeit kann durch verteiltes Rechnen erreicht werden, da die Wellenleiter-Zerlegungs-Methode sich durch eine hervorragende Effizienz beim Parallelisieren auszeichnet.

Ein weiteres wichtiges neu entwickeltes Modell ist WaferWaveguide, welches die Waveguide-Methode für die rigorose Simulation der Lichtverteilung an den topographischen Strukturen vorstrukturierter Halbleiterscheiben erweitert. Dies ist insbesondere notwendig für die Simulation von Techniken zur Doppelstrukturierung bzw. -belichtung. Ein flexibler schichtbasierter Ansatz zur Beschreibung der Topographie der Halbleiterscheiben wird entwickelt. Erweiterungen und Optimierungen zur Reduzierung des Rechenaufwands und zur dynamischen Berechnung der Belichtung von ausbleichenden Photolacken werden entwickelt und vorgestellt. Weiterhin wird gezeigt, wie eine parallelisierte Version von WaferWaveguide die Rechenzeit reduzieren kann.

Die Anwendung der Waveguide-Methode und WaferWaveguide wird anhand von Beispielen dargestellt. Der Nutzen der rigorosen elektromagnetischen Simulation von modernen Phasenmasken wird gezeigt. Die von EUV-Masken induzierten Aberrationen und die daraus resultierenden Artefakte in der Abbildung werden untersucht. Die Auswirkungen von Defekten in der Schichtstruktur von EUV-Masken auf das gedruckte Resultat werden analysiert bzgl. der Defektparameter und Prozessbedingungen. Verschiedene Ansätze zur Doppelstrukturierung bzw. -belichtung werden ebenso untersucht wie der Einfluss der Topographie der Halbleiterscheibe auf das Ergebnis des Lithographieprozesses. Die Ergebnisse der Simulationen können dazu verwendet werden, um kritische Prozessparameter zu identifizieren und um negative Auswirkung der Topographie von Wafern zu vermeiden. Anhand des Beispiels von Doppelbelichtungen wird gezeigt, wie die Ergebnisse der Simulationen genutzt werden können, um die besten Prozessbedingungen zu finden.

Datum der Promotion: 28.11.2011
Dissertation im Volltext
Abstract: In heutigen Anwendungen der Leistungselektronik werden vornehmlich Brückenschaltungen basierend auf n-Kanal Leistungsschalter eingesetzt. Für die Ansteuerung von MOS-FET bzw. IGBT Leistungsschaltern deren Source- bzw. Emitterkontakt auf gleitendem Potential liegt, kommen sogenannte High-Side Treiber zum Einsatz. Diese Schaltungen stellen eine galvanisch getrennte Spannungsversorgung sowie Informationsübertragung für die Ansteuerung der Leistungsschalter zu Verfügung. Bei heutigen, konventionellen Lösungen übernehmen fast ausschließlich Transformatoren basierend auf elektro-magnetischer Kopplung die Energie- und Informationsübertragung. In Anwendungen mit geringer Leistungsübertragung kommen auch optoelektronische Übertrager zum Einsatz. Der Trend in der Leistungselektronik führt zu immer höheren zu schaltenden Spannungen, was zwangsläufig zu einer höheren Isolationsfestigkeit der Übertrager führt. Dies kann bei derzeitigen konventionellen Transformatoren nur durch eine voluminöse Bauform erreicht werden. Zudem stellen sie meist das kostenintensivste Bauelement (z.B. teure Wicklung) dieser High-Side Treiber dar. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz der potentialgetrennten Energie- und Informationsübertragung verfolgt. Die galvanische Trennung von primärer Steuerseite und sekundärseitiger Ansteuerung der High-Side Treiber erfolgt über piezoelektrische Transformatoren. Durch den Einsatz von piezoelektrischen Keramiken kann in kompakter Form eine hohe Isolationsfestigkeit pro Volumen erreicht werden. Die Kopplung von Primär- und Sekundärseite erfolgt anstelle einer elektro-magnetischen über eine akustische Welle. Des Weiteren sind sie ohne zusätzliche, äußere Beschaltung kurzschlusssicher und nicht entflammbar.

In der vorliegenden Arbeit wird erstmals die komplette Entwicklung einer High-Side Ansteuerschaltung für Leistungsschalter mit piezoelektrischen Transformatoren aufgezeigt. Zu Beginn werden einige Grundlagen über den piezoelektrischen Effekt gegeben. Nach einer Analyse des elektrischen Ersatzschaltbilds piezoelektrischer Transformatoren, erfolgt die Dimensionierung zweier dickenschwingender Piezotransformatoren. Anschließend wird die Resonanzfrequenz und die Eingangsadmittanz der Piezotransformatoren durch ein finite Elemente Simulationsprogramm bestimmt. Bei der Herstellung der Piezotransformatoren werden unterschiedliche Aufbau- und Verbindungstechniken getestet. Im dritten Teil dieser Arbeit werden verschiedene Topologien von Ansteuerschaltungen für Piezotransformatoren untersucht. Anhand eines besonders effizienten, resonanten Push-Pull Treibers werden die hergestellten Piezotransformatoren hinsichtlich ihres Last- und Resonanzverhaltens, sowie ihrer Effizienz optimiert. Im vierten Teil der Arbeit werden die zuvor gewonnenen Erkenntnisse dazu genutzt, um einen High-Side Treiber für die Ansteuerung von Leistungsschaltern zu entwickeln. Eine elektrische Charakterisierung des gesamten High-Side Treiber schließt dieses Kapitel ab. Eine Zusammenfassung und ein Ausblick auf weitere Forschungs- und Entwicklungsmöglichkeiten werden am Ende der Arbeit gegeben.

Datum der Promotion: 25.11.2011
Dissertation im Volltext
Abstract: Die Halbleiterfertigung ist ein äußerst komplexer Wertschöpfungsprozess, der aufgrund eines schnell wechselnden Marktes und der immensen Investitionskosten unter extremen Kostendruck steht. Um konkurrenzfähig zu bleiben, müssen aktuell jährlich ca. 15 % der Fertigungskosten durch eine erhöhte Anlagen- und Fabrikproduktivität eingespart wer-den. Im Rahmen der Arbeit wurden zum ersten Mal grundlegende Untersuchungen zur Modellierung und Simulation sowie der Optimierung von Halbleiterfertigungsprozessen auf Geräte- bzw. Prozesssequenzebene durchgeführt. Um die Anlagen- und Fabrikproduktivität zu erhöhen und damit implizit Fertigungskosten zu reduzieren, wurden bestehende und bereits eingesetzte logistische Strategien auf die Anlagenebene transferiert, neuartige und innovative Optimierungsstrategien auf Geräte- oder Prozesssequenzebene entwickelt und mit Hilfe der diskreten Simulation untersucht. Schwerpunkte waren die Batchbildung bei flexiblen Fertigungen, Mehrkammerprozessanlagen und eine innovative vorausschauende Stichprobenplanung. In flexiblen Fertigungen kommt es häufig zu logistischen Problemen bei Batchprozessen, da es aufgrund von fehlenden, geeigneten Losen teilweise zu großen Wartezeiten und somit eventuell zu Überschreitungen der Kundenliefertermine kommt. Es wurde im Rahmen der Arbeit ein Konzept entwickelt, welches kleinere Batchgrößen und Füllerscheiben nutzt. Hiermit konnten kürzere Durchlaufzeiten durch das Gesamtsystem (80 – 96 %) realisiert werden, ohne dabei den Durchsatz negativ zu beeinflussen. Der Trend in der Halbleiterfertigung geht aber weiter in Richtung Einzelscheibenprozesse. Als Folge dessen sind Mehrkammerprozessanlagen zu unverzichtbaren Werkzeugen bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen geworden. Bei den Untersuchungen an Mehrkammerprozessanlagen wurde die Integration von Messtechnik, die optimalen Dimensionierung und generell Möglichkeiten zur Steigerung der Produktivität untersucht. Das bei linearen Fertigungslinien bekannte und breit eingesetzte Konzept der Taktzeitanpassung wurde erstmals zur Anwendung bei Mehrkammerprozessanlagen adaptiert, dabei konnten beim Durchsatz Steigerungen von 15 – 23 % erreicht werden. Auf Prozesssequenzebene wurden Untersuchungen zur Stichprobenplanung durchgeführt. Die entwickelte vorausschauende Stichprobenplanung zeigte ein sehr großes Potenzial zur Kostenreduktion durch Einsparungen von Messungen bei Defektdichtemessketten und zur Senkung des Risikos von nicht kotrollierten Anlagen. Bei den untersuchten Anwendungsfällen konnte die Anzahl der benötigten Messungen um 6 – 50 % gegenüber der bisher eingesetzten Stichprobenstrategie reduziert werden, gleichzeitig wurde dabei das Risiko von längeren Fertigungszeiträumen ohne Kontrollmessungen um bis zu 85 % verringert. Generell konnte gezeigt werden, dass die diskrete Ablaufsimulation ein hervorragend geeignetes Werkzeug zur Untersuchung von Halbleiterfertigungsanlagen, –prozessen und deren Optimierung darstellt. Es können logistische Optimierungsstrategien jeglicher Art damit analysiert und bewertet werden.

Datum der Promotion: 21.11.2011
Abstract: Elektronische Schaltungen aus Siliciumcarbid (SiC) können aufgrund der großen Bandlücke des Materials bei Temperaturen oberhalb von 300°C betrieben werden. Dadurch erschließen sich Anwendungen, die bisher nicht mit Schaltkreisen aus Silicium möglich sind. Als wichtigstes Beispiel ist die direkte Integration von Sensoren in heissen Umgebungen mit elektronischen Schaltungen zu nennen. Eine Signalaufbereitung am Einbauort des Sensors oder der Aufbau von Regelschleifen mit direkter Rückkopplung führen dabei zu deutlichen Systemvorteilen. Aufgrund vielfältiger Schwierigkeiten bei der Züchtung von hochwertigen Siliciumcarbid-Kristallen sowie bei der Herstellung der Transistoren gibt es jedoch noch keine kommerziell verfügbaren integrierten Schaltungen. Besonders die Qualität und Zuverlässigkeit des Gateoxids von SiC MOSFETs hat sich in der Vergangenheit als problematisch erwiesen. Erst in den letzten Jahren zeichnet sich ein möglicher Durchbruch von Siliciumcarbid basierten Transistoren ab. Getrieben durch Anwendungen in der Leistungselektronik wurden deutliche Fortschritte bei der Substratherstellung und in der Prozessierung von SiC erzielt. Inzwischen stehen Dioden und Transistoren als einzelne Leistungsbauteile kommerziell zur Verfügung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde jetzt die Machbarkeit auch von integrierten Schaltung aus Siliciumcarbid MOSFETs für den Einsatz in einem sehr weiten Temperaturbereich von -40°C bis 400°C gezeigt. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf dem Nachweis der Zuverlässigkeit des Gateoxids. Als wichtigster Einflussfaktor erwies sich die Haftstellendichte im Übergangsbereich von Siliciumdioxid zu Siliciumcarbid. Bei hohen Temperaturen wurde dabei eine erhöhte Ladungsträgerinjektion in das Gateoxid beobachtet, die mit Haftstellen, hervorgerufen durch Kohlenstoffinterstitien an der Grenzfläche, in Zusammenhang gebracht wird. Dennoch konnte in dieser Arbeit eine hervorragende Stabilität des Gateoxids in integrierten Schaltungen bei sehr hohen Temperaturen erzielt werden. Die extrapolierte Lebensdauer betrug dabei für die maximale im Betrieb auftretende Gatespannung über 10 Jahren bei einer Temperatur von 400°C. Damit konnte eine wichtige Vorraussetzung für den Hochtemperatureinsatz von MOSFETs nachgewiesen werden. Für den Aufbau von integrierten elektronischen Schaltungen wurde der Einsatz von zwei verschiedenen Logikfamilien untersucht und diese gezielt für den sehr weiten Betriebstemperaturbereich ausgelegt. Zu diesem Zweck wurde zunächst das Temperaturverhalten sowohl von n- als auch p-MOSFETs charakterisiert und optimiert. Dabei konnte die absolute Schwellspannung der MOSFETs beider Ladungsträgerarten für alle Betriebstemperaturen auf einen engen Bereich von 0,5V bis 5,8V begrenzt werden. Damit ist sowohl bei sehr hohen als auch bei tiefen Temperaturen mit typischen Logikpegeln von unter 10V ein zuverlässiges Schalten der MOSFETs möglich. Weiterhin weist der p-MOSFET eine für 4H-SiC hohe Ladungsträgerbeweglichkeit auf. Das Verhältnis der Ladungsträgerbeweglichkeiten in den Inversionsschichten des n- und des p-MOSFETs ist dabei oberhalb von 100°C annähernd konstant bei einem Faktor von drei. Für die Auslegung von CMOS Gattern ist es damit möglich durch eine entsprechend Wahl der geometrischen Dimensionen der Kanalbereiche die Transkonduktanz der beiden MOSFET Typen sehr gut aufeinander abzustimmen. Auch für die NMOS Schaltungen gelang es durch die Verwendung von p-implantierten Widerständen ein Konzept für die NMOS Last umzusetzen, das eine sehr gute Abstimmung zum Temperaturverhalten der aktiven n-MOSFET Schalter aufweist. Durch die beschriebenen Maßnahmen konnten im Rahmen dieser Arbeit NMOS und CMOS Gatter auf 4H-SiC realisiert werden, die über einen Temperaturbereich von -40°C bis 400°C ein sehr stabiles Schaltverhalten mit Rauschabständen der Logikpegel von über 0,5V aufweisen. Die Schaltgeschwindigkeit der NMOS Gatter liegt dabei oberhalb von 10kHz während mit CMOS Gattern sogar über 100kHz erzielt werden konnten. Sowohl in NMOS als auch in CMOS Technologie wurden erstmals auch monolithisch integrierte, einflankengetriggerte Flip-Flops auf 4H-SiC aufgebaut und bei 400°C betrieben. Damit gelang es im Rahmen dieser Arbeit die Machbarkeit von komplexen Logikschaltungen auf 4H-SiC für den Einsatz bei hohen Temperaturen zu zeigen. Als Anwendungsbeispiel für die Sensorintegration wurde abschließend der Betrieb eines analogen 4-1 Spannungsmultiplexers bei 400°C und einer Wiederholfrequenz von 1kHz gezeigt. Diese Schaltung besteht aus vier CMOS Transmissionsgattern und ermöglicht es, bis zu vier Sensoren über eine einzige Signalleitung auszulesen. Damit erfüllen die in dieser Arbeit vorgestellten Schaltungen alle Anforderungen, um hochtemperaturtaugliche, integrierte Schaltkreise für Sensoren zur Verfügung zu stellen.
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 978-3-8440-0614-8 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]

Datum der Promotion: 09.08.2011
Dissertation im Volltext
Abstract: In der vorliegenden Arbeit wurden monolithische RC-Elemente für die Leistungselektronik entwickelt, welche den Stand der Technik in Bezug auf Bauelementeigenschaften und erwartete Herstellungskosten übertreffen. Für die Herstellung der RC-Elemente wurden Löcher in einer Siliciumscheibe erzeugt und darauf MIS-Kondensatoren durch Abscheidung verschiedener dielektrischer Schichten und einer Metallisierung aufgebaut. Zunächst wurde eine Modellbildung durchgeführt, um eine optimale Anordnung der Löcher auf der Siliciumscheibe und einen optimalen Lochdurchmesser für eine maximale Vergrößerung der Kapazität bei einer gegebenen Grundfläche zu erreichen. Durch eine Prozesssimulation wurden die geätzten Löcher insbesondere in Hinblick auf die Oberflächenrauhigkeit und die Schichteigenschaften der dielektrischen Schichten in den Löchern untersucht. Darauf aufbauend wurde eine Simulation der elektrischen Eigenschaften der RC-Elemente durchgeführt, um eine Vorhersage der elektrischen Feldverteilung und der Kapazität sowie des Serienwiderstandes der Bauelemente zu erhalten. Für die Herstellung der RC-Elemente wurde ein Prozess entwickelt und die einzelnen Prozessschritte optimiert. Insbesondere wurden die Parameter des Ätzschritts zur Erzeugung von Löchern mit hohem Aspektverhältnis in Siliciumscheiben untersucht. Die Konformität und die Inhomogenität verschiedener erzeugter dielektrischer Schichten wurde bestimmt und mit den elektrischen Eigenschaften der RC-Elemente korreliert. Die elektrische Charakterisierung der RC-Elemente erfolgte anhand der Isolatorkapazität, der Spannungsfestigkeit, des Serienwiderstandes und der Temperaturkoeffizienten der Kapazität und des Serienwiderstandes. Das erfolgversprechendste Ergebnis hinsichtlich der erreichten Kapazität und der Spannungsfestigkeit wurden mit einem dielektrischen Schichtstapel aus 15 nm SiO2 und 508 nm Si3N4 erzielt: Der Wert der Kapazität war hier 1,5 nF/mm2, die Spannungsfestigkeit lag im Breich von 500 V. Damit sind die RC-Elemente geeignet für leistungselektronische Anwendungen. Der Temperaturkoeffizient der Kapazität war hier mit 85 ppm/°C sehr gering gegenüber vergleichbaren diskret aufgebauten RC-Elementen. Weiterhin ermöglicht die niedrige parasitäre Serieninduktivität der RC-Elemente die niederinduktive Ankopplung an einen zu dämpfenden Leistungsschalter.

Datum der Promotion: 29.07.2011
Dissertation im Volltext
Abstract: In dieser Arbeit werden Zinkoxid-Nanopartikel aus der Gasphase für die Herstellung von druckbaren elektronischen Schaltungen untersucht. Zunächst werden die Eigenschaften der im Rahmen des Graduiertenkollegs GRK 1161/1 mit Projektpartnern entwickelten Dispersion der ZnO-Nanopartikel vorgestellt. Ein hoher, vom Dispergierprozess abhängiger Fremdstoffgehalt der Dispersionen wird gemessen. Es folgt die morphologische und elektrische Charakterisierung der mittels Schleuderverfahren auf thermisch oxidierte Siliciumträger aufgebrachten ZnO-Nanopartikelschichten. Diese sind über die Probenfläche homogen und geschlossen. Die ZnO-Schichten werden als Kanalmaterial für einen teilweise gedruckten Dünnfilm-Feldeffekttransistor verwendet. Im Bereich der Prozesstemperatur von 300°C bis 400°C werden funktionierende Transistoren mit einer Sättigungsbeweglichkeit von bis zu 5·10-2cm2/Vs hergestellt. Es wird festgestellt, dass die Prozesstemperaturen einen großen Einuss auf die elektrischen Eigenschaften der Transistoren haben, ohne dass eine Veränderung der morphologischen Eigenschaften der Schichten beobachtet wird. Ein Modell für die Dünnfilm-Feldeffekttransistoren wird vom Modell des JFET bzw. des Langkanal-MOSFET abgeleitet und anhand der gemessenen Kennlinien überprüft. Darüberhinaus werden temperaturabhängige elektrische Messungen durchgeführt. Es wird gezeigt, dass der Ladungstransport in den untersuchten Schichten durch energetische Barrieren an den Korngrenzen limitiert ist, welche von den Ladungsträgern durch thermionische Emission überwunden werden. Die Adsorption von Sauerstoff an den Partikeloberflächen erhöht die energetischen Barrieren und senkt damit den Strom im ausgeschalteten Zustand um bis zu drei Größenordnungen, während die Adsorption von Wassermolekülen einen gegenteiligen Effekt hat. Das Verhalten der ZnO-Nanopartikelschicht wird mit einem Bändermodell beschrieben, das die Oberflächenbelegung der Partikel berücksichtigt. Anhand der Ergebnisse wird die Eignung der ZnO-Partikel aus der Gasphase für druckbare Elektronik bewertet. Die Realisierung der Transistoren mit einem top-Gate wird zur Optimierung der Ladungsträgerbeweglichkeit vorgeschlagen. Für die Herstellung von vollständig gedruckten Bauelementen auf Basis von anorganischen nanopartikulären Materialien werden Indiumzinnoxid und Aluminiumoxid als Basis für flüssig prozessierte Leiter- bzw. Isolatorschichten vorgestellt.

Datum der Promotion: 15.06.2011
Dissertation im Volltext
Abstract: Es wurden Hochvolt n- und p-Kanal-MOS-Transistoren für eine Spannungsklasse von ca. 50V zur Realisierung im Rahmen einer 0,18μm Standard CMOS-Technologie entwickelt. Hierfür wurde anhand der an heutige Bauelemente gestellten Anforderungen ein geeignetes Bauelementgrundkonzept ausgewählt und notwendige zusätzliche Prozessschritte definiert. Optimierungskriterien waren hierbei der Einschaltwiderstand in Bezug zu der erreichbaren Durchbruchspannung, die High-Side-Festigkeit sowie die Langzeitzuverlässigkeit und thermische Belastbarkeit. Bei der Entwicklung der Bauelementarchitektur waren neuartige, durch den Basisprozess vorgegebene Rahmenbedingungen zu erfüllen. Im Vergleich zu älteren Technologiegenerationen standen jedoch auch neuartige Technologiemöglichkeiten zur Verfügung (MeV-Implantation). Zur Erreichung eines kleinstmöglichen Einschaltwiderstandes, der als wichtige elektrische Kenngröße bei der Beschreibung des Bauelementes zählt, wurde die RESURF-Technik verwendet. Ausgehend von der Einfach-RESURF-Technik wurde untersucht, ob eine sukzessive Erweiterung dieser Technik zu Mehrfach-RESURF-Strukturen durch den Einsatz von Hochenergieimplantation mit Implantationsenergien im Bereich von mehreren MeV möglich und gewinnbringend ist. Der Einfluss von nicht angeschlossenen (floatenden) Dotierungsgebieten, die im Driftbereich des Bauelementes im Rahmen einer solchen Erweiterung eingesetzt werden, wurde dabei ebenfalls betrachtet. Der gezielte Einsatz der Hochenergieimplantation innerhalb der RESURF-Technik bietet neben der Herstellung von „vergrabenen” Dotiergebieten zusätzliche Möglichkeiten der Dimensionierung der Hochvolt n-Wanne. Im Vergleich zu einem durch oberflächennahe Implantation und anschließender Eindiffusion bestimmten Dotierungsprofil im Bereich der Driftzone, besteht die Möglichkeit, durch ein in vertikaler Richtung strukturiertes Dotierungsprofil, Einfluss auf Einschaltwiderstand und High-Side-Fähigkeit zu nehmen. Dieser Ansatz zur weiteren Optimierung der elektrischen Kenngrößen wurde innerhalb dieser Arbeit untersucht. Bei großflächigen MOS-Transistoren mit einer Vielzahl periodisch angeordneter Basiszellen haben die geometrische Anordnung der Basiszelle sowie bei Mehrlagenmetallisierung die Anordnung der einzelnen Metalllagen Einfluss auf die elektrischen Kenngrößen. Dieser Einfluss wurde anhand unterschiedlicher geometrischer Anordnungen für die Basiszelle und unterschiedlichen Metallisierungskonzepten diskutiert. Eine Optimierung der elektrischen Kenngrößen ist im Allgemeinen verbunden mit einer gegenüber dem Standardfertigungsprozess erhöhten Anzahl benötigter Fotolithographiemasken. So ist z.B. bei Verwendung einer Mehrfach-RESURF-Technik für die Herstellung der zusätzlichen Dotiergebiete in der Driftzone eine weitere Maske notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wird deshalb eine Möglichkeit aufgezeigt, wie durch den Einsatz von nur einer Maske für die Herstellung verschiedener Dotiergebiete zusätzliche Masken eingespart und damit die Mehrkosten für die Herstellung von Hochvolt-Transistoren minimiert werden können. Der Einsatz einer fortgeschrittenen sub-μ CMOS-Technologie ermöglicht eine Reduzierung der Bauelementgröße. Dies hat zur Folge, dass die Verlustleistungsdichte im Bauelement ansteigt. Thermische Einflüsse limitieren damit zunehmend den sicheren Arbeitsbereich der Bauelemente. Dadurch ergeben sich neue Herausforderungen bezogen auf die Optimierung des sicheren Arbeitsbereiches und der Verlustenergiebelastbarkeit des Bauelementes im dynamischen Betrieb.

Eine Erweiterung der Verlustenergiebelastbarkeit sollte bei großflächigen MOS-Transistoren durch eine Homogenisierung der Temperaturverteilung möglich sein. Diese Möglichkeit wurde innerhalb des letzten Kapitels dieser Arbeit betrachtet. Dabei wurde zunächst untersucht, ob das in den Hochvolt Transistoren sowieso vorhandene Polysilizium-Gate als Temperatursensor für eine zeitaufgelöste Temperaturmessung geeignet ist. Anschließend wurde versucht bei großflächigen MOS-Transistoren durch differenzierte Ansteuerung Einfluss auf die Temperaturverteilung zu nehmen. Dafür wurde das Polysilizium-Gate Netzwerk in einzelne Bereiche mit jeweils separater Gateansteuerung aufgeteilt und innerhalb dieser Bereiche ein Teil des vorhandenen Polysilizium-Gates zusätzlich als Temperatursensor verwendet. Eine Änderung des Temperaturprofils konnte dann durch eine Veränderung der Ansteuerung in den einzelnen Bereichen erreicht werden. Die gute Übereinstimmung von Mess- und Simulationsergebnissen zeigt, dass die Methode der Temperaturmessung mittels Polysilizium-Gate eine geeignete Methode zur zeit- und ortsaufgelösten Bestimmung der Temperatur darstellt. Darüber hinaus lässt sich mithilfe geeigneter Regelungen das Temperaturprofil in thermisch kritischen Betriebszuständen homogenisieren und damit der dynamisch sichere Arbeitsbereich erweitern.

Datum der Promotion: 06.06.2011
Abstract: Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines neuen, modularen Steuerungskonzepts für die Integration und Steuerung von Messtechnik in der Halbleiterfertigung. Der wesentliche Anwendungsbereich ist der Ein- oder der Anbau von Sensoren oder Messköpfen in Produktionsanlagen oder Handhabungsgeräten mit dem Ziel, Messungen während oder kurz nach einem Prozessschritt durchführen zu können. Eine solche zeitnahe Charakterisierung von Produkt- oder Scheibenparametern ist die Basis für weiterführende Methoden zur automatisierten Prozesskontrolle. Viele Integrationsansätze haben die instrumentelle Integration, also den physischen Einbau eines Sensors oder Messkopfs im Fokus. Die ebenso notwendige Software zur Bedienung und Steuerung des Messinstruments auch im komplexen Verbund einer Produktionsanlage spielt häufig eine unter-geordnete Rolle – mit bekannt nachteiligen Auswirkungen auf die zeitgerechte Fertigstellung einer Integration und deren korrekten und vollständigen Funktionsweise, Erweiterbarkeit, Wartbarkeit etc. Im Zentrum dieser Arbeit steht deshalb ein breit anwendbares Steuerungskonzept zur Realisierung von Steuerungssoftware, das flexibel an verschiedene Integrationsszenarien angepasst werden kann. Um ein solches Steuerungskonzept möglichst vollständig entwerfen zu können, werden existierende Lösungsansätze für die Integration von Messtechnik diskutiert und systematisiert. Diese Systematisierung dient als Basis für den ersten Schwerpunkt der Arbeit: den Entwurf der neuen, modularen Softwarearchitektur für die Integration von Messtechnik. Wesentliche Merkmale dieser Architektur sind ihr umfassender Ansatz, ihr modularer Aufbau und ihre Flexibilität. Im zweiten Schwerpunkt der Arbeit wurde das Steuerungskonzept für die Anwendung an einem Messsystem in einer Mehrkammerprozessanlage umgesetzt und die Steuerungssoftware „EasyControl M“ programmiert. Basierend auf den Erfahrungen mit der realisierten Steuersoftware wird das erarbeitete Steuerungskonzept diskutiert, insbesondere im Hinblick auf den geleisteten Implementierungsaufwand, die durchgeführten Tests mit der Steuerungssoftware und das weitere Nutzungspotential. Hervorzuheben ist der im Steuerungskonzept vorgesehene und in der Steuerungssoftware umgesetzte Simulationsmodus, der die schrittweise Implementierung und den Test einzelner Softwarekomponenten erlaubt und die Nutzung der Steuerungssoftware zu Demonstrations- oder Schulungszwecken ermöglicht, ohne dass das zu steuernde Gerät vorhanden sein muss.
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 978-3-8440-0264-5 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]

Datum der Promotion: 31.05.2011
Abstract: –
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 978-3-8440-0352-9 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]

Datum der Promotion: 01.04.2011
Abstract: –
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 978-3-8440-0248-5 in der Reihe „Erlanger Berichte Mikroelektronik“ im Shaker-Verlag erschienen.]

Datum der Promotion: 08.03.2011
Dissertation im Volltext
Abstract: Eine genaue elektromagnetische Feldsimulation der Lichtausbreitung in lithographischen Masken ist heutzutage ein wesentlicher Bestandteil zur Optimierung lithographischer Prozesse. Hierfür gibt es zwei Gründe. Zum einen sind die Anforderungen an die Auflösung der optischen Abbildung gestiegen. Zum anderen verlangt die fortschreitende Miniaturisierung elektronischer Bauteile Auflösungen kleiner als die Wellenlänge des Belichtungsstrahls. Zur Herstellung von lithographischen Masken existieren verschiedene Verfahren, von denen einige Oberflächen mit komplexen Rauhigkeitsstrukturen erzeugen. Diese Strukturen beeinflussen sowohl die Streuung des Belichtungsstrahls als auch das entstehende Bild. Aus diesen Gründen ist eine genaue Simulation der Lichtausbreitung in Masken in einer Größenordnung kleiner als die Wellenlänge des Belichtungsstrahls wichtig um das Verhalten der Belichtung vorhersagen zu können. In der vorliegenden Arbeit wurde die Finite Integration Technik (FIT) zur Modellierung von Lichtausbreitung in lithographischen Masken mit komplexen Strukturen angewendet und geeignet weiterentwickelt. Zu dieser Weiterentwicklung gegenüber der klassischen FIT Methode gehört eine Approximation krummer Interfaces von zweiter Ordnung. Die Stärken dieser Vorgehensweise liegen in der Verwendung strukturierter Gitter, welche eine einfache Gittergenerierung ermöglichen. Des Weiteren ist der Speicherverbrauch, genauso wie bei der klassischen FIT Methode, gering gegenüber nicht orthogonalen oder unstrukturierten Gittern.

Die entwickelte Software, basierend auf der Finite-Integrations-Technik (FIT), wurde verwendet um die Belichtung mit 2-dimesionalen und 3-dimensionalen Masken zu simulieren. Hierbei wurde der Einfluss unterschiedlicher komplexer Masken auf das Nahfeld und die Belichtung untersucht. Unter anderem wurden dabei absorbierenden Phasenschiebermasken mit sowohl unterschiedlichen Rauhigkeitsstrukturen und als auch Masken mit realistischer Oberflächenrauhigkeit simuliert, um den Effekt rechteckiger und zufälliger Oberflächenrauhigkeit auf die Belichtung extrapolieren zu können. Auf Grund der großen Anzahl von Gitterpunkten, die zur Modellierung der 3-dimensionalen Geometrien notwendig sind, wurden zur Simulation parallele Hochleistungsrechner verwendet.

Ein weiteres Forschungsergebnis dieser Arbeit war die Entwicklung eines neuen Algorithmus zur Simulation von Materialien, wie Metallen, welche in einem Teilbereich des optischen Spektrums eine negative Permittivität besitzen. Der vorgeschlagene Ansatz kann als finite difference frequency domain (FDFD) Methode kategorisiert werden. Die Hauptvorteile des Algorithmus gegenüber existierenden wellenlängendispersiven Ansätzen ist, dass keine Approximation von Materialdaten im Frequenzbereich benötigt wird und dass auch bei der Simulation von Metallen keine zusätzlichen Unbekannten benötigt werden.

Datum der Promotion: 14.01.2011
Dissertation im Volltext
Abstract: In dieser Arbeit werden Untersuchungen zu isolierenden, verlustarmen und zugleich kompakten Ansteuerschaltungen mit integrierter Regelung des Laststromes vorgestellt. Im Fokus steht insbesondere die Anwendung von Ansteuerschaltungen in mehrphasigen DC/DC-Wandlern mit hoher Leistungsdichte. Zur Reduzierung der Ansteuerverluste werden zwei neue Möglichkeiten vorgeschlagen. Das erste vorgestellte Verfahren zum Betrieb einer resonanten verlustarmen Ansteuerschaltung unterscheidet sich von den aus der Literatur bekannten Verfahren dadurch, dass zunächst die zur Umladung der Gatekapazität erforderliche Energie vollständig in einer Spule gespeichert wird. Unter Zugrundelegung einiger vereinfachender Annahmen wird es erleichtert, die bei der Umladung einer äquivalenten Gatekapazität entstehenden Ansteuerverluste zu berechnen. Durch die Herleitung einer geeigneten physikalischen Definition wird es möglich, den Wirkungsgrad der resonanten Ansteuerschaltung zu bestimmen. Danach entspricht der Wirkungsgrad einer verlustarmen Ansteuerschaltung dem Verhältnis von prozessierter Leistung zur Summe der prozessierten Leistung plus der hierbei entstehenden Verluste, wobei sich im Ergebnis für eine konventionelle spannungsgesteuerte Ansteuerschaltung ein Wirkungsgrad von 50 % ergibt. Das andere neuartige Verfahren zeichnet sich durch eine stufenweise Gateansteuerung aus. Hierfür zeigen die Berechnungen, dass der Wirkungsgrad dem Verhältnis von Stufenanzahl zu Stufenanzahl plus eins entspricht. Eine dreistufige Ansteuerung hat demnach einen Wirkungsgrad von bereits 75 %. Die Untersuchungen zu isolierenden Koppelelementen beginnen mit einer Betrachtung zum Stand der Technik. Um die hervorragenden Isolationseigenschaften von Standardleiterplattenmaterialien zu nutzen, wird hier ein neuer Ansatz zur galvanisch isolierten Übertragung der Ansteuersignale sowie der zur Umladung benötigten Ansteuerenergie vorgestellt. Dieser basiert auf der Verwendung von leiterplattenintegrierten Kondensatoren und Übertragern. Im direkten Vergleich von induktiven und kapazitiven leiterplattenintegrierten Koppelelementen erwies sich als vorteilhaft, aufgrund seines sehr viel geringeren Flächenbedarfs das induktive Koppelelement zur Übertragung der notwendigen Ansteuerleistung zu nutzen. Das kapazitive Koppelelement hingegen weist Vorteile bei der Übertragung der Ansteuersignale auf. Zum einen erfordert es prinzipbedingt eine deutlich geringere Stromaufnahme. Zum anderen zeigt es deutlich geringere Wechselwirkungen mit den unvermeidbaren parasitären Zuleitungsinduktivitäten, was besonders bei der Übertragung sehr hochfrequenter Signale von Bedeutung ist. Zur störsicheren Übertragung wird die in der Nachrichtentechnik bekannte Manchester Leitungskodierung vorgeschlagen. Zur Umgehung der Trägerrückgewinnung wird in der Arbeit stattdessen ein Verfahren mit separater Übertragung des Trägersignals empfohlen. Bei Betrachtung der verschiedenen dem Stand der Technik entsprechenden Lösungen zur Regelung des Laststroms sowie der dabei verwendeten Verfahren zur Strommessung, kommt die Frage auf, welche Bandbreite für eine galvanisch isolierte Stromerfassung benötigt wird. Anhand des direkten Vergleichs einer Mittelwert-Stromregelung mit einer Spitzenwert-Stromregelung zeigt sich, dass die Spitzenwert-Stromregelung keine den Stromverlauf exakt abbildende Phasenstromerfassung benötigt. Unter der Annahme, dass der Stromsensor ein Tiefpassverhalten erster Ordnung aufweist, ist für diesen in der Anwendung einer Spitzenwert-Stromregelung eine 3-dB-Bandbreite in der Höhe eines Viertels der Schaltfrequenz des zu regelnden DC/DC-Wandlers ausreichend. Hiermit kann ein günstigeres dynamisches Strom-Führungsverhalten erzielt werden, als mit einem Stromsensor vierfacher Bandbreite in der Anwendung einer Mittelwert-Stromregelung. Hierzu bedarf es allerdings einer Korrektur des Stromsollvorgabewertes. Aufgrund der geringen notwendigen Bandbreite wird in dieser Arbeit die Bezeichnung „Low Bandwidth Current Mode Control“ für das modifizierte Stromregelungsverfahren eingeführt. In Kombination mit einer Stromerfassung, welche auf der Auswertung des parasitären Spulenwiderstands beruht, führt das modifizierte Stromregelungsverfahren zu sehr kompakten Lösungen für das Stromsymmetrierungsproblem bei mehrphasigen Hoch-Tiefsetzstellern. Basierend auf den Ergebnissen der vorangegangenen theoretischen Untersuchungen wurde im Rahmen der Arbeit eine isolierende, verlustarme, kompakte Ansteuerschaltung für eine Halbbrückentopologie mit integrierter Regelung des Laststroms entwickelt und realisiert.