Halbleiterfertigung

50 Jahre mit Moore’s Law

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In den 50er Jahren nutzten US-Forscher der Bell Labs sein Verfahren, um Germanium-Kristalle zu züchten und bildeten so die Brücke zur Silizium-Herstellung. Als Halbleiter kann das Element Silizium, je nachdem mit welchen gezielten Verunreinigungen es kombiniert wird, sowohl leitend als auch nicht leitend sein.

Von feinem Quarzsand zum Silikon-Wafer

Silizium ist zweithäufigste Element in der Erdkruste. Bis daraus aber ein Halbleiter-Bauelement wird, sind viele Einzelschritte nötig. Das verwendete Silizium, das aus einer Quelle wie etwa feinstem Quarzsand stammen kann, darf nur eine einzige Verunreinigung pro einer Milliarde Atome enthalten.

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Um aus diesem Material die dünnen Wafer herzustellen, aus denen Prozessoren gefertigt werden, wird das hochreine Silizium in einem Behälter aus Quarz knapp oberhalb seines Schmelzpunkts von 1414 °C in einer Schutzatmosphäre zum schmelzen gebracht. Ein Stab mit einem Impfkeim genannten Startkristall taucht in die flüssige Masse und wird unter exakt kontrollierten Bedingungen wieder herausgezogen.

Die Geschwindigkeit des Prozesses ist dabei ebenso wichtig wie die Temperatur der Schmelze und die Rotationsgeschwindigkeit des Behälters um den Stab. Die aus diesem Prozess entstehenden Kristallblöcke hatten zu Zeiten der ersten Halbleiterproduktionen noch 1 oder 2 Zoll Durchmesser (etwa 25,4 bzw. 50,8mm). Aktuell arbeitet man mit 12 Zoll (300mm), ein Umstieg auf Wafer mit 18 Zoll (450mm) Durchmesser ist noch 2015 geplant.

Ein kompletter durch diesen Prozess entstandener Block - auch Ingot genannt - wiegt etwa 100kg und ist mehrere Zehntausend Dollar wert. Er wird in dünne Scheiben, die Wafer, zerschnitten und in dieser Form an die Halbleiterhersteller geliefert.

Die Scheiben sind poliert und haben absolut glatte Oberflächen. In einem Lithografie genannten Schritt werden extrem kleine Muster präzise auf dem Wafer aufgebracht. Dazu wird zunächst ein lichtempfindlicher Fotolack flächig auf dem sich in einem Vakuum drehenden Wafer verteilt. Anschließend belichtet man das vorgezeichnete Muster mit UV-Licht und einem hochpräzisen Linsensystem. Das Muster jedes Prozessors wird so einzeln auf dem Wafer abgebildet.

An den Stellen, an denen der Lack dem UV-Licht ausgesetzt war, wird er ausgehärtet. Nicht ausgehärtete Bereiche werden in einem nass-chemischen Prozess entfernt. An den nun lackfreien Stellen setzen sich Ionen (positiv oder negativ geladene Atome) ab, mit denen der Hersteller den Wafer „beschießt“. Dieser „Dotierung“ oder „Doping“ genannte Prozess bringt kontrolliert Unreinheiten in das Silizium ein, was nötige Halbleitereigenschaften mit sich bringt.

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