Was ist ein Silizium-Wafer?

Silizium ist ein graues, sprödes, vierwertiges, chemisches Element. Es macht 27,8 % der Erdkruste aus und ist neben Sauerstoff das am häufigsten vorkommende Element in der Natur. Einige der häufigsten Materialien, die Silizium enthalten, sind unter anderem Quarz, Achat, Feuerstein und gewöhnlicher Strandsand. Es ist der Hauptbestandteil von Baumaterialien wie Zement, Ziegel und Glas. Silizium ist auch das gängigste Material für die Herstellung von Halbleitern und Mikrochips. Ironischerweise leitet Silizium selbst Elektrizität nicht sehr gut; es kann jedoch Dotierstoffe aufnehmen, um den spezifischen Widerstand genau zu steuern.

Bevor ein Halbleiter gebaut werden kann, muss Silizium zu einem Wafer werden. Dies beginnt mit dem Wachstum eines Siliziumblocks. Ein Silizium-Einkristall besteht aus Atomen, die in einem dreidimensionalen periodischen Muster angeordnet sind, das sich durch das gesamte Material zieht. Ein Polysiliziumkristall besteht aus vielen kleinen Einkristallen mit unterschiedlichen Ausrichtungen, die allein nicht für Halbleiterbauelemente verwendet werden können.

Herstellung einer Siliziumscheibe

Die Zeit, die für das Wachstum eines Siliziumblocks benötigt wird, hängt von vielen Faktoren ab. Mehr als 75 % aller einkristallinen Siliziumwafer werden nach dem Czochralski-Verfahren (CZ) hergestellt. Für die Herstellung von CZ-Ingots werden Stücke aus unbearbeitetem polykristallinem Silizium benötigt. Diese Stücke werden zusammen mit kleinen Mengen bestimmter Elemente der Gruppen III und V, den so genannten Dotierstoffen, in einen Quarzschmelztiegel gegeben. Die hinzugefügten Dotierstoffe verleihen dem gezüchteten Barren die gewünschten elektrischen Eigenschaften. Die gebräuchlichsten Dotierstoffe sind Bor, Phosphor, Arsen und Antimon. Je nach Dotierstoff wird der Ingot zu einem P- oder N-Typ (Bor: P-Typ; Phosphor, Antimon, Arsen: N-Typ).

Ingot-Wachstum

Um einen Ingot zu züchten, wird das Silizium zunächst auf 1420 °C erhitzt, also über den Schmelzpunkt von Silizium. Nachdem die Kombination aus polykristallinem Material und Dotierstoff verflüssigt wurde, wird ein Silizium-Einkristall, der Keim, auf der Schmelze positioniert, wobei er die Oberfläche kaum berührt. Der Keim hat die gleiche Kristallorientierung wie der fertige Barren. Um eine gleichmäßige Dotierung zu erreichen, drehen sich der Impfkristall und der Tiegel mit geschmolzenem Silizium in entgegengesetzte Richtungen. Sobald das System die richtigen Bedingungen für das Kristallwachstum erreicht hat, hebt sich der Impfkristall langsam aus der Schmelze. Das Wachstum beginnt mit einem schnellen Ziehen des Keimkristalls. Dadurch wird die Anzahl der Kristalldefekte im Impfkristall zu Beginn des Wachstumsprozesses minimiert.

Danach wird die Ziehgeschwindigkeit verringert, damit der Durchmesser des Kristalls zunehmen kann. Wenn der gewünschte Durchmesser erreicht ist, werden die Wachstumsbedingungen stabilisiert, um den Durchmesser zu erhalten. Wenn der Keim langsam über die Schmelze gehoben wird, bewirkt die Oberflächenspannung zwischen dem Keim und der Schmelze, dass ein dünner Siliziumfilm am Keim haftet und dann abkühlt. Während des Abkühlens orientieren sich die Atome im geschmolzenen Silizium an der Kristallstruktur des Keims.

Slicing

Wenn der Ingot vollständig ausgewachsen ist, wird er auf einen groben Durchmesser geschliffen, der etwas größer ist als der Zieldurchmesser des endgültigen Siliziumwafers. In den Ingot wird eine Kerbe oder Abflachung geschnitten, um seine Ausrichtung zu kennzeichnen. Nachdem der Ingot eine Reihe von Prüfungen bestanden hat, wird er in Scheiben geschnitten. Aufgrund der Härte des Siliziums werden die Siliziumscheiben mit einer Diamantsäge sorgfältig geschnitten, so dass sie etwas dicker sind als die Zielvorgaben. Die Diamantsäge trägt auch dazu bei, Schäden an den Wafern, Dickenschwankungen sowie Verformungen und Verwerfungen zu minimieren.

Nach dem Schneiden der Wafer beginnt der Läppprozess. Durch das Läppen des Wafers werden Sägemarken und Oberflächendefekte auf der Vorder- und Rückseite des Wafers entfernt. Außerdem wird der Wafer dadurch dünner und die durch das Schneiden des Wafers entstandene Spannung wird abgebaut. Nach dem Läppen werden die Siliziumscheiben einem Ätz- und Reinigungsprozess unterzogen. Natriumhydroxid oder Essig- und Salpetersäure beseitigen mikroskopisch kleine Risse und/oder Oberflächenschäden, die während des Läppens entstanden sein könnten. Ein kritisches Kantenschleifverfahren wird durchgeführt, um die Kanten abzurunden, wodurch die Bruchwahrscheinlichkeit in den verbleibenden Fertigungsschritten und später bei der Verwendung der Wafer durch die Gerätehersteller drastisch verringert wird.

Nach dem Abrunden der Kanten werden die Kanten je nach den Spezifikationen des Endverbrauchers häufig einem zusätzlichen Polierschritt unterzogen, wodurch die allgemeine Sauberkeit verbessert und die Bruchwahrscheinlichkeit um bis zu 400 % verringert wird.

Reinigung

Der letzte und wichtigste Schritt im Fertigungsprozess ist das Polieren der Wafer. Dieser Prozess findet in einem Reinraum statt. Reinräume haben ein Bewertungssystem, das von Klasse 1 bis Klasse 10.000 reicht. Die Einstufung entspricht der Anzahl der Partikel pro Kubikfuß. Diese Partikel sind für das bloße Auge nicht sichtbar, und in einer unkontrollierten Atmosphäre, z. B. in einem Wohnzimmer oder Büro, würde die Partikelzahl wahrscheinlich 5 Millionen pro Kubikfuß betragen. Um diesen Reinheitsgrad aufrechtzuerhalten, müssen die Mitarbeiter Reinraumanzüge tragen, die ihren Körper von Kopf bis Fuß bedecken und keine Partikel aufnehmen oder weiterleiten. Außerdem stehen sie unter einem Ventilator, der alle kleinen Partikel wegbläst, die sich vor dem Betreten des Raums angesammelt haben könnten.

Polieren

Die meisten erstklassigen Siliziumwafer durchlaufen zwei bis drei Polierstufen, wobei immer feinere Schlämme oder Poliermittel verwendet werden. In den meisten Fällen werden die Wafer nur auf der Vorderseite poliert, mit Ausnahme von 300-mm-Wafern, die beidseitig poliert werden. Durch das Polieren wird eine Hochglanzoberfläche erzeugt. Durch das Polieren wird auch festgelegt, welche Seite für die Herstellung der Bauelemente verwendet wird. Diese Oberfläche muss frei von Topografie, Mikrorissen, Kratzern und Restbeschädigungen sein.

Der Polierprozess erfolgt in zwei Schritten, nämlich dem Abtragen des Materials und dem abschließenden chemisch-mechanischen Polieren (CMP). Bei beiden Verfahren werden Polierpads und Polierschlämme verwendet. Beim Abtragen des Materials wird eine sehr dünne Siliziumschicht entfernt, die notwendig ist, um eine schadensfreie Waferoberfläche zu erhalten. Bei der abschließenden Politur wird dagegen kein Material entfernt. Während des Abtrags bildet sich ein Schleier auf der Oberfläche des Wafers, so dass ein zusätzlicher Polierschritt den Wafer auf Hochglanz bringt.

Nach dem Polieren durchlaufen die Siliziumwafer eine abschließende Reinigungsphase, bei der eine lange Reihe von Reinigungsbädern verwendet wird. Bei diesem Verfahren werden Oberflächenpartikel, Metallspuren und Rückstände entfernt. Oft wird die Rückseite geschrubbt, um auch die kleinsten Partikel zu entfernen.

Verpackung

Nach dem letzten Reinigungsschritt werden die Wafer nach Spezifikationen sortiert und unter Hochintensitätslicht oder Laserscannern untersucht. Dadurch werden unerwünschte Partikel oder andere Defekte aufgespürt, die während der Herstellung entstanden sein könnten. Alle Wafer, die die richtigen Spezifikationen erfüllen, werden in Kassetten verpackt und mit Klebeband versiegelt. Die Wafer werden in einem vakuumversiegelten Plastikbeutel mit einer luftdichten Folienhülle versandt. Dadurch wird sichergestellt, dass beim Verlassen des Reinraums keine Partikel oder Feuchtigkeit in die Kassette gelangen.