Halbleiter-Guide (Teil 1)

Halbleiter Guide Teil 1 BETA
Hiermit möchte ich meinen Halbleiter Guide beginnen. Ziel ist es auf möglichst leicht verständliche Art das Hintergrundwissen rund um Mikrochips zu vermitteln. Dieser erste Teil ist ausdrücklich eine BETA Version da ich zuerst auch euer Feedback benötigt um zu sehen ob es auch wirklich verständlich genug ist. Ich werde ab und zu auch auf Themen in Wikipedia verweisen, immer dann wenn ich finde das tiefere Einsichten zu einem Punkt von Wikipedia entsprechend genau dargestellt werden. Es ist schon so ein erheblicher Aufwand dies zu schreiben. Daher bitte ich hierfür um Verständnis.
Inhalte des ersten Teils:
1.Was ist ein Wafer?
2.Wie wird ein Wafer hergestellt?


1. Was ist ein Wafer?:


Ein Wafer ist in der Halbleitertechnik eine runde Scheibe aus zum Beispiel monokristalinem Silizium, auf der die einzelnen Chips zusammen Prozessiert werden. Es hat sich im Laufe der Entwicklungen eine runde Form durchgesetzt da einige Prozesse es erfordern, dass der Wafer sehr schnell (bis zu 40.000UPM) gedreht werden muss. Jede andere Form würde hier für eine größere Unwucht sorgen.
Wafer sind genau genommen jedoch bis zu einem Durchmesser von 6 Zoll (150mm) auch nicht ganz Rund. Sie tragen das sogenannte Orientierungsflat. Das ist eine Stelle an der die runde Scheibe abgeflacht wird um im Prozess später eine Orientierung zu haben wo bei dem Wafer oben und unten ist. Das ist gerade bei den lithographischen Schritten nicht unerheblich. Dazu jedoch in einem späteren Teil mehr.
Kommen wir nun zu einem Bild wo Wafer dargestellt sind. Es handelt sich um ein Bild aus Wikipedia was somit öffentlich zur Verfügung gestellt wurde.



Hier seht ihr Wafer in den Durchmessern (von oben nach unten):
·2 Zoll (50mm)
·4 Zoll (100mm)
·6 Zoll (150mm)
·8 Zoll (200mm)
Das Flat tragen die Wafer bis 6 Zoll, darüber bei 8 und 12 Zoll gibt es nur noch eine kleine „Notch“ (zu Deutsch Nut) als Orientierung. Das hat wieder mit der Unwucht beim drehen zu tun. Da das Flat ja immer größer wird je größer der Wafer ist. Auch können so mehr Chips pro Wafer untergebracht werden. Man erkennt die einzelnen Chips auch recht gut auf diesem Bild. Bei dem 2 Zoll Wafer sieht man zudem recht gut links und rechts die Testmuster. Das sind Stellen die man auf einem Wafer einbringt um im Prozess zerstörende Test machen zu können. Zum Beispiel Kratztests um die Haftung einer Schicht zu bestimmen.


2. Wie wird ein Wafer hergestellt?:

Vorab, ich stelle hier nur den Weg für das gängigste Material Silizium vor.
Es fängt alles mit Quarzsand an welchen es reichlich auf der Erde gibt. Somit ist hier keine Knappheit zu erwarten. Es wird wohl davor zu Problemen bei Prozessen kommen bevor uns das Rohmaterial ausgeht. Quarzsand ist eigentlich nichts weiter als ein verunreinigtes Siliziumoxid (SiO2).

Dieser Sand (SiO2) wir mit Kohlenstoff (C) in einem elektrischen Lichtbogenofen bei etwa 1460°C verbrannt, was knapp über dem Schmelzpunkt von Silizium (Si, 1413°C) liegt.
Es entstehen dabei die Produkte Si und Kohlenmonoxid (CO).
Es gilt folgende Reaktionsgleichung:

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Das so entstandene Silizium ist das Rohsilizium. Es ist noch stark verunreinigt mit ca. 2-4% Fremdstoffen. Darunter zum Beispiel Kohlenstoff (C), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Bor (B) und Phosphor (P). Um diese Verunreinigungen zu entfernen wird das Rohsilizium einer chemischen Reinigung unterzogen. Dazu wird meistens der Trichlorsilan-Prozess angewendet. Hierbei wird das Rohsilizium mit Hilfe von Chlorwasserstoff (HCl) in Trichlorsilan umgewandelt.
Es gilt folgende Reaktionsgleichung:

​

Nun wird das Gas fraktionell destilliert um die Verunreinigungen zu entfernen. Dies geht deshalb recht einfach da die meisten Stoffe die nun auch mit HCl verbunden sind bei einer höheren Temperatur kondensieren. Einige dieser Verbindungen sind im Folgenden kurz ohne weitere Erklärung mit ihrer Siedetemperatur aufgelistet:

• BCl3, 12°C
• SiHCl3, 32,8°C
• CCl4, 76°C
• PCl3, 76°C
• GeCl4, 83°C
• AsCl3, 132°C
• AlCl3, 188°C
• SbCl3, 283°C

Dabei sind Bor, Phosphor und Kohlenstoff die am meisten vertretenen Verunreinigungen. Nach dieser Destillation wird der Trichlorsilan-Prozess umgekehrt mit einer weiteren Reaktion, dabei scheidet sich das nun reine Silizium an einem Stab ab der fortan als Siliziumseele bezeichnet wird.
Es gilt hierfür die folgende Reaktionsgleichung:

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Weitere neben Reaktionen wie die Dissoziation werden nicht weiter betrachtet an dieser Stelle.

Das nun an der Siliziumseele polykristallin abgeschiedene Si hat immer noch geringfügige Verunreinigungen. Größtenteils Reste aus dem Trichlorsilan-Prozess. Diese werden im Verfahren der sogenannten Zonenreinigung entfernt. Die Seele wird dazu in eine Vakuumkammer eingebaut. Aus an der Kammer fährt eine große Spule langsam vorbei, eine sogenannte Induktionsheizung die durch Wirbelströme im Si dieses zum Schmelzen bringt (1413°C). Aus der Schmelze gasen nun die Verunreinigungen in das Vakuum aus. Nach diesem Schritt ist das Si nun endgültig sauber genug aber immer noch polykristallin. Nun gibt es zwei Verfahren es in die monokristalline Form zu bringen. Tas Tiegelziehverfahren nach Czochralski und das tiegelfreie Zonenziehverfahren.

• Tiegelziehen:
  Das Polysilizium wird in einen Quarztiegel gegeben. Darunter darf man sich eine große Schüssel vorstellen die aus Quarz besteht. Im Tiegel wird das Si mittels Induktion geschmolzen und kurz auf ca. 1440°C erhitzt im Kristallkeime in der Schmelze zu zerstören. Danach wird die Temperatur bei 1425°C gehalten. Nun wird von oben an einem Stab befestigt der Impfkristall welcher die Kristallausrichtung vorgibt eigetaucht und unter ständigem drehen zieht der Stab langsam nach oben. So entsteht abhängig von Drehzahl und Ziehgeschwindigkeit ein mehr oder weniger dicker, runder Silizium Monokristall. In der Schmelze können zudem Dotierstoffe gelöst werden um eine Grunddotierung zu erzeugen. Es muss jedoch beachtet werden, dass die Konzentration der Dotierstoffe im Stab von oben nach unten zunimmt. Diesem Gefälle entsprechend muss der Stab dann aufgeteilt werden. Die Orientierung des Kristalls ist danach so wie der Impfkirstall es vorgegeben hat. Zu den gängigen Ausrichtungen und den Modellen zur sinnvollen Darstellung möchte ich im zweiten Teil des Guides kommen.

• Das tiegelfreie Zonenziehen:
  Die polykristalline Siliziumseele wird erneut in eine Kammer mit Induktionsheizung gebaut. An der Oberseite wird die Seele abgeschmolzen und von oben der Impfling an einer Stange eingesetzt. Dann drehen sich die Selle und der Impfling gegenläufig um zu garantieren das es zu jeder Zeit komplett geschmolzen war. Die Heizung fährt von oben nach unten. Während dieses Prozesses können der Kammer die Dotierstoffe zugesetzt werden. Bei diesem Verfahren variiert die Konzentration von außen nach innen. Sie nimmt dabei nach innen ab. Deshalb ist dieses Verfahren eher unüblich da es für die späteren Prozesse besser ist auf einem Wafer dieselbe Konzentration zu haben.
  Als nächstes müssen die nun entstandenen Stäbe gesägt werden um die einzelnen Wafer zu erhalten. Hier gibt es heute nur noch ein Verfahren. Die Stäbe werden mit einer Drahtsäge komplett in einem Schritt getrennt. Dies ist die wirtschaftlichste Methode. Im Anschluss daran haben sie eine sehr raue Oberfläche. Da man aber eine möglichst ebene und glatte Oberfläche benötigt muss noch nachgearbeitet werden.
  Zuerst werden die Scheiben geläppt. Danach folgt noch ein Polierschritt und dann ist der Wafer an sich fertig.

Das wäre alles zum ersten Teil des Guides. Im zweiten Teil werde ich die Unterschiede der Kristallausrichtungen erläutern und auf den ersten wichtigen Prozess eingehen.

Version 1.0
11.01.2009 / 15:20

 

Ein Wafer ist das Teil aus dem die Chips später heraus gesägt werden. Ergo einen Zusammenkunft mehrerer Hundert Chips als eine scheibe um Prozesse wirtschaftlich durchführen zu können.