Table Of ContentSabine Globisch et al.
Lehrbuch
Mikrotechnologie
für Ausbildung, Studium und Weiterbildung
Globisch et al.
Lehrbuch Mikrotechnologie
Autoren
Dr. Ralf Bandorf, Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Kapitel 7, 10
Christian Beckhaus, Sensor Dynamics Itzehoe GmbH, Kapitel 6
Alexander Beer, X-FAB Semiconductor Foundries AG, Kapitel 8
Jana Bödige, ELMOS Semiconductor AG Dortmund; Fachhochschule Dortmund, Informations- und
Kommunikationstechnik mit dem Schwerpunkt Mikrosystemtechnik, Kapitel 2, 5
Robert Gärtner, Bosch Solar Energy AG, Kapitel 15
Holger Gerdes, Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Kapitel 7, 10
Dominik Heimann, Bosch Solar Energy AG, Kapitel 15
Katrin Hilbrich, iris-GmbH, Kapitel 14
Dr.-Ing. Maren Ramona Kirchhoff, Volkswagen AG, Kapitel 8, 15
Michael Krehbiel, Städtische Berufsschule 1 für Metall- und Elektrotechnik Regensburg, Kapitel 3, 4
Dr.-Ing. Monika Leester-Schädel, TU Braunschweig, Institut für Mikrotechnik, Kapitel 1, 13, 16
Eugen Lenschmidt, TÜV NORD Bildung GmbH & Co. KG Bildungszentrum Dortmund,
Fachbereich Mikrotechnologie, Kapitel 9
Claus Mähner, Vishay Semiconductor GmbH, Kapitel 15
Dr. Hans-Christian Petzold, Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT, Kapitel 6
Prof. Dr.-Ing. Lutz Rissing, Institut für Mikroproduktionstechnik, Leibniz Universität Hannover, Kapitel 12
Dr.-Ing. Christine Ruffert, Institut für Mikroproduktionstechnik, Leibniz Universität Hannover, Kapitel 12
Dr. Ulrich Sander, Lise-Meitner-Schule Berlin, Kapitel 7
Dr. Harald Schenk, Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme, Kapitel 15, 17
Dr. Klaus Schmidt, PolyIC GmbH & Co. KG, Kapitel 18
David Seidl, OSRAM Opto Semiconductors GmbH, Kapitel 15
Martin Stoll, X-FAB Semiconductor Foundries AG, Kapitel 15
Michaela Weber, OSRAM Opto Semiconductors GmbH, Kapitel 15
Andreas Wilmer, TÜV NORD Bildung GmbH & Co. KG Bildungszentrum Dortmund,
Fachbereich Mikrotechnologie, Kapitel 9
Dr. -Ing. Marc C. Wurz, Leibniz Universität Hannover, Institut für Mikroproduktionstechnik, Kapitel 12
Uwe Ziller, Vishay Siliconix Itzehoe GmbH, Kapitel 11
Thomas Zollner, OSRAM Opto Semiconductors GmbH, Kapitel 15
Sabine Globisch et al.
Lehrbuch Mikrotechnologie
für Ausbildung, Studium und Weiterbildung
mit 809 Bildern, 106 Tabellen, 292 Aufgaben und
einem umfangreichen Internetangebot
Fachbuchverlag Leipzig
im Carl Hanser Verlag
Herausgeber
Sabine Globisch, VDI/VDE Innovation + Technik GmbH
Sabine Deus, Andreas-Gordon-Schule Erfurt, Staatliche Berufsbildende Schule 4
Gerald Eckardt, Andreas-Gordon-Schule Erfurt, Staatliche Berufsbildende Schule 4
Markus Herber, Robert-Bosch-Berufskolleg der Stadt Dortmund, Fachbereich Mikrotechnologie
Dr. Claudia Kalisch, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Lehrstuhl für Technische Bildung und ihre Didaktik
Oliver Knebusch, Regionales Berufsbildungszentrum des Kreises Steinburg AöR, Fachbereich Mikrotechnologien
Michael Krehbiel, Städtische Berufsschule 1 für Metall- und Elektrotechnik Regensburg
Marcus Reißer, Wilhelm-Maybach-Schule, Technisches Schulzentrum Heilbronn
Dr. Ulrich Sander, Lise-Meitner-Schule Berlin, Oberstufenzentrum Chemie, Physik und Biologie
Gunter Sandrock, Berufliches Schulzentrum für Elektrotechnik Dresden
Norbert Schwarz, Lise-Meitner-Schule Berlin, Oberstufenzentrum Chemie, Physik und Biologie und
Zentrum für Mikrosystemtechnik Berlin (ZEMI)
www.lehrbuch-mikrotechnologie.de
Gefördert mit Mitteln des BMBF
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
ISBN 978-3-446-42560-6
E-Book-ISBN 978-3-446-42974-1
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt.
Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten.
Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein
anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Sys-
teme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden.
Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag
© 2011 Carl Hanser Verlag München
www.hanser.de
Lektorat: Christine Fritzsch
Herstellung: Katrin Wulst
Satz, Illustrationen und grafische Gestaltung: vi audiovisual productions, Vassilen Iotzov
Coverconcept: Marc Müller-Bremer, München
Coverrealisierung: Stephan Rönigk
Drucken und Binden: DZA Druckerei zu Altenburg
Printed in Germany
Geleitwort
Die Mikrotechnologie ist eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Zahlreiche technische und technologi-
sche Entwicklungen und Anwendungen wurden durch sie überhaupt erst möglich. Ihr Einfluss auf die Verwen-
dung von Werkstoffen, auf die Bearbeitungstechniken und schließlich auf die Entwicklung innovativer Produkte
und Produktionsprozesse ist umfassend. Die Mikrotechnologie treibt die effiziente Ressourcennutzung an und
ermöglicht die Integration intelligenter Funktionen auf kleinstem Raum in Produkten und Prozessen. Sie bringt
wirtschaftlichen Fortschritt nicht nur durch einen sparsameren Energie- und Ressourcenverbrauch in Produktion
und Transport, sondern bewirkt auch hochwertige Innovationen in zahlreichen Branchen.
Insbesondere diese Produktinnovationen haben Einfluss auf unseren Lebensalltag, auf Wohnen und Mobilität, auf
Wissen und Kommunikation, auf Gesundheit und Freizeit. Sie verändern unsere heutige Gesellschaft und stellen
sie vor neue Herausforderungen. Dabei sind die Potenziale der Mikrotechnologie noch längst nicht ausgeschöpft.
Ihr Einsatz eröffnet ganz neue Dimensionen für die Kooperation zwischen Mensch und Technik.
Unsere Lebenserwartung ist gestiegen, womit auch ein selbstbestimmtes Lebens bis ins hohe Alter an Bedeutung
gewonnen hat. Altersgerechte Assistenzsysteme sind bereits heute ein breites Einsatzgebiet für die Mikrotechno-
logie. Auch in der Gesundheitsversorgung – beispielsweise bei multifunktionalen „intelligenten“ Implantaten oder
in der minimalinvasiven Chirurgie – spielen mikrotechnologische Anwendungen eine immer größere Rolle.
Schon seit einiger Zeit helfen mikrotechnologische Systeme auch im Auto, wenn es darum geht, die menschliche
Wahrnehmung der Fahrsituation zu ergänzen und hierzu gezielt zu informieren. Eine Vernetzung solcher Infor-
mationen mit der Umwelt ist die Grundlage moderner Verkehrsleitsysteme, mit denen wir den Anforderungen an
unsere Mobilität auch in Zukunft gerecht werden können.
Auch in unserer Arbeitswelt helfen Anwendungen der Mikrotechnologie bereits heute. Mobile elektronische Endge-
räte und Überwachungseinheiten können Prozesse nicht nur überwachen, sondern auch steuernd eingreifen.
Wir können in den kommenden Jahren noch zahlreiche Innovationen erwarten. Deshalb ist der Bedarf an jungen
Menschen sehr groß, die Interesse und Neugierde für die Mikrotechnik mitbringen und ihre berufliche Zukunft
darin sehen.
Dieses Lehrbuch ist eine Einstiegshilfe in das sehr spannende und vielfältige Berufsfeld Mikrotechnologie. Den
Leserinnen und Lesern wünschen wir viel Erfolg in der Ausbildung, im Studium, bei der Weiterbildung und nicht
zuletzt in der sich dynamisch entwickelnden Praxis.
Bonn, August 2011
Carmen Gehring
Referat 524 – Demographischer Wandel; Mensch-Technik-Kooperation
Bundesministerium für Bildung und Forschung
Vorwort
Dieses Lehrbuch ist das Ergebnis der Zusammenarbeit von Lehrkräften an Berufsschulen in Berlin, Dortmund,
Dresden, Erfurt, Heilbronn, Itzehoe und Regensburg, Dr. Claudia Kalisch (Universität Magdeburg) und Sabine
Globisch (VDI/VDE Innovation + Technik GmbH). Die Idee zu diesem Lehrbuch entstand in den vom BMBF
zwischen 2002 und 2007 geförderten Aus- und Weiterbildungsnetzwerken für die Mikrosystemtechnik. Im Jahr
2009 trafen sich die Herausgeber erstmals, um das Projekt „Lehrbuch Mikrotechnologie“ zu starten. In den
folgenden zahlreichen Workshops wurde die Gesamtkonzeption entwickelt und mit den Autorinnen und Autoren
abgestimmt.
Seit Einführung des Ausbildungsberufs im Jahr 1998 nutzen die Lehrkräfte und Ausbilderinnen und Ausbilder
Hochschullehrbücher und Skripte sowie selbst aufbereitete Materialen für den Unterricht. Das hier vorliegende
Lehrbuch bietet Inhalte zu den 13 Lernfeldern der theoretischen Ausbildung, wobei wichtige und typische Arbeits-
prozesse erstmals vollständig dargestellt werden. Gleichwohl soll das Lehrbuch nicht die Funktion eines Kompen-
diums übernehmen. Der inhaltliche Schwerpunkt liegt insbesondere auf den Themen der Prozesstechnologien der
beiden Ausbildungsschwerpunkte Mikrosystemtechnik (MST) und Halbleitertechnik (HLT).
Ausgehend von der Arbeitswelt der Mikrotechnologinnen und Mikrotechnologen (Kapitel 1) werden in den
nachfolgenden Kapiteln 2 bis 4 wesentlichen Grundlagen zu Werkstoffen, Leitungsvorgängen und elektronischen
Bauelementen betrachtet. Die Kapitel 5 bis 7 bieten relevante Grundlagen für Fertigung, Qualitätssicherung und
Prüfverfahren. In den nachfolgenden Kapiteln 8 bis 13 werden typische Prozesstechnologien vorgestellt und die
Kapitel 14 bis 18 beleuchten Produktionsabläufe und Anwendungsfelder, die breit genutzt werden und teilweise
Schnittstellen zu anderen Technologien darstellen.
Dieser Überblick der 18 Kapitel macht die thematische Breite und Tiefe der Mikrotechnologie deutlich, weswegen
sich die Herausgeber dazu entschlossen haben, Fachautorinnen und Fachautoren aus Hochschulen, Forschungs-
einrichtungen und Ausbildungsinstitutionen zur Mitarbeit einzuladen und sie insbesondere durch didaktisch-me-
thodische Aufbereitung zu unterstützen.
Das Layout des Buches soll zum Selbststudium einladen, Piktogramme und Symbole dienen der Benutzer führung.
Die Herausgeber haben sich darauf verständigt, die Schreibweise zentraler Fachbegriffe der Schreibweise in der
Fachwelt anzupassen. Die Arbeitsaufgaben am Ende eines jeden Kapitels unterstützen die Lernkontrolle. Entspre-
chend finden sich die Lösungen auf der Webseite www.lehrbuch-mikrotechnologie.de.
Der Dank der Herausgeber gilt allen Fachautorinnen und Fachautoren für eine Vielzahl konstruktiver, fachlicher
Diskussionen und ihrer Arbeit an den Manuskripten sowie allen Personen und Organisationen für das Material,
das sie freundlicherweise für dieses Buch zur Verfügung gestellt haben. Für die unermüdliche Bildrechterecherche
und die Unterstützung, die sie der Autorenschaft gewährten, sei Claudia Brandt, Daniel Wunderlich, Janina
Lehmann und Iris Eckardt gedankt sowie Oliver Knebusch für den Entwurf der Piktogramme. Schließlich danken
die Herausgeber Vassilen Iotzov für den wirklich umfassenden Service bei Layout, Grafik und Satz sowie Christine
Fritzsch und Katrin Wulst vom Verlag für Rat, Tat und Geduld.
Berlin, August 2011 Die Herausgeber
Inhaltsverzeichnis
1 Arbeitswelt der Mikrotechnologinnen und Mikrotechnologen ............................................... 18
1.1 Die Geschichte der Mikrotechnologie ................................................................................................ 18
1.2 Anwendungsgebiete der Mikrotechnologie ....................................................................................... 2 0
1.3 Tätigkeitsbereiche von Mikrotechnologinnen und Mikro technologen ......................................... 2 2
1.4 Anforderungen an Mikrotechnologinnen und Mikrotechnologen ................................................ 2 4
1.5 Die duale Berufsausbildung ................................................................................................................. 2 7
1.6 Die grundlegenden Ziele der Ausbildung .......................................................................................... 2 9
1.7 Die Verantwortung für die Ausbildung .............................................................................................. 3 1
1.8 Weiterbildungsmöglichkeiten für ausgebildete Mikrotechnologinnen und
Mikrotechnologen ................................................................................................................................. 3 2
1.9 Aufgabenpool ......................................................................................................................................... 33
2 Werkstoffe in der Mikrosystemtechnik .......................................................................................... 3 6
2.1 Einführung ............................................................................................................................................. 3 6
2.2 Silicium .................................................................................................................................................... 4 0
2.2.1 Herstellung von Reinstsilicium inklusive Kristallz üchtung, Herstellung von
elementarem Silicium/Metallurgic al Grad Silicon (MGS) ................................................. 41
2.2.2 Waferherstellung ....................................................................................................................... 4 8
2.2.3 Geometrie der Festkörper ....................................................................................................... 5 2
2.2.3.1 Kristallgitter .............................................................................................................................. 5 3
2.2.3.2 Kristallfehler .............................................................................................................................. 5 5
2.2.4 Chemisches Verhalten von Silicium und seinen Verbindungen ........................................ 5 8
2.3 Verbindungshalbleiter ........................................................................................................................... 6 0
2.4 Metallische Werkstoffe .......................................................................................................................... 6 3
2.4.1 Verschiedene Arten der Metalle ............................................................................................. 6 3
2.4.2 Physikalische Eigenschaften .................................................................................................... 64
2.5 Amorphe Werkstoffe ............................................................................................................................. 6 5
2.5.1 Kunststoffe ................................................................................................................................. 6 5
2.5.1.1 Herstellung von Kunststoffen .................................................................................................. 6 7
8 Inhaltsverzeichnis
2.5.1.2 Eigenschaften von Kunststoffen .............................................................................................. 68
2.5.1.3 Anwendungen von Kunststoffen ............................................................................................ 6 9
2.5.2 Keramiken ................................................................................................................................. 6 9
2.5.3 Gläser ......................................................................................................................................... 70
2.6 Aufgabenpool ......................................................................................................................................... 71
3 Leitungsvorgänge in ausgewählten Werkstoffen .......................................................................... 7 4
3.1 Spezifischer Widerstand und elektrische Leitfähigkeit ..................................................................... 7 4
3.2 Eigenleitfähigkeit und Störstellenleitung ............................................................................................ 7 8
3.3 Bändermodell ......................................................................................................................................... 8 0
3.4 Aufgabenpool ......................................................................................................................................... 82
4 Aufbau und Funktionsweise elektrischer und elektronischer Bauelemente .......................... 8 4
4.1 Elektrische Widerstände ....................................................................................................................... 8 4
4.2 Kondensator ............................................................................................................................................ 8 7
4.3 Spulen ...................................................................................................................................................... 9 2
4.4 Dioden ..................................................................................................................................................... 9 4
4.5 Bipolare und unipolare Transistoren ................................................................................................... 100
4.5.1 Bipolare Transistoren ............................................................................................................... 100
4.5.2 Unipolare Transistoren ............................................................................................................ 103
4.6 Speicherzellen ......................................................................................................................................... 105
4.7 Operationsverstärker (OP) ................................................................................................................... 108
4.8 Solarzellen ............................................................................................................................................... 111
4.9 Aufgabenpool ......................................................................................................................................... 113
5 Bedingungen für die Fertigung ....................................................................................................... 116
5.1 Reinraumtechnik .................................................................................................................................... 116
5.1.1 Partikel ....................................................................................................................................... 117
5.1.2 Reinraumklassen ...................................................................................................................... 119
5.1.3 Grundlagen Reinraumaufbau ................................................................................................. 122
5.1.4 Verhalten im Reinraum ........................................................................................................... 125
5.1.5 Reinraumbekleidung ............................................................................................................... 126
5.2 Reinraumluftversorgung und -entsorgung ........................................................................................ 127
5.2.1 Klimatechnik und ihre Komponenten .................................................................................. 128
5.2.2 Prozessfortluftsysteme ............................................................................................................. 131
5.3 Ver- und Entsorgung ............................................................................................................................. 132
Inhaltsverzeichnis 9
5.3.1 Reinstmedientechnik ............................................................................................................... 133
5.3.2 Neutralisation ........................................................................................................................... 142
5.3.3 Vakuumtechnik ........................................................................................................................ 143
5.4 Umgang mit Gefahrstoffen ................................................................................................................... 152
5.5 ESD .......................................................................................................................................................... 155
5.6 Aufgabenpool ......................................................................................................................................... 157
6 Qualitätsmanagement ........................................................................................................................ 160
6.1 Worum geht es beim Qualitätsmanagement? .................................................................................... 160
6.1.1 Definitionen .............................................................................................................................. 160
6.1.2 Denken in Prozessen und kontinuierliche Verbesserung ................................................... 161
6.2 Wofür Qualitätsmanagement? ............................................................................................................. 164
6.3 Das QM-System ..................................................................................................................................... 165
6.3.1 Regelwerk zur Erfüllung der Qualitätsanforderungen ........................................................ 165
6.3.2 Dokumentation des QMS ....................................................................................................... 167
6.3.3 Die Norm als Messlatte ............................................................................................................ 170
6.3.4 Überprüfung der Wirksamkeit durch Audits ....................................................................... 173
6.3.5 Zertifizierung eines QMS ........................................................................................................ 176
6.4 QM beim Management von Ressourcen ............................................................................................ 178
6.4.1 Personelle Ressourcen ............................................................................................................. 178
6.4.2 Prüfmittelüberwachung .......................................................................................................... 180
6.5 QM in der Produktion .......................................................................................................................... 182
6.5.1 Prozessplanung ......................................................................................................................... 182
6.5.2 Prozessentwicklung .................................................................................................................. 183
6.5.3 Prozesskontrolle ....................................................................................................................... 184
6.5.4 Gesamtprozess .......................................................................................................................... 184
6.5.5 Lenkung fehlerhafter Produkte .............................................................................................. 185
6.5.6 Korrekturmaßnahmen und Kundenreklamationen ............................................................ 186
6.6 Q-Werkzeuge zur Vorbeugung ............................................................................................................ 187
6.6.1 Ursache-Wirkungs-Diagramm ............................................................................................... 187
6.6.2 Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) .............................................................. 187
6.6.3 Q-Zirkel und Co. ...................................................................................................................... 189
6.6.4 5A-Aktion .................................................................................................................................. 190
6.7 Q-Werkzeuge zur Datenauswertung ................................................................................................... 191
6.7.1 Datensammelblatt .................................................................................................................... 191
