Halbleitertechnologie von A bis Z

Alles über Halbleiter und die Waferfertigung

1. Wafervereinzelung und Oberflächenveredelung

Der Einkristallstab wird zunächst auf den gewünschten Durchmesser abgedreht und bekommt dann, je nach Kristallorientierung und Dotierung, einen oder zwei Flats. Der größere Flat dient dazu, die Wafer in der Fertigung exakt ausrichten zu können. Der zweite Flat dient zur Erkennung des Scheibentyps (Kristallorientierung, p-/n-Dotierung), ist aber nicht immer vorhanden. Bei Wafern ab 200 mm Durchmesser werden an Stelle der Flats sogenannte Notches verwendet. Dabei handelt es sich um eine winzige Einkerbungen am Scheibenrand, die ebenfalls eine Ausrichtung der Wafer ermöglicht, aber sehr viel weniger kostbare Fläche des Wafers beansprucht.

Flat und Notch

Sägen

Mit einer Innenlochsäge, deren Schnittkante mit Diamantsplittern besetzt ist, wird der Einkristallstab in dünne Scheiben zersägt. Die Innenlochsäge bietet eine hohe Genauigkeit beim Sägen ohne Unebenheiten hervorzurufen. Bis zu 20 % des Kristallstabs gehen beim Sägen der Scheiben auf Grund der Dicke des Sägeblatts verloren. Heutzutage wird jedoch immer öfter das sogenannte Drahtsägen angewandt, bei dem mehrere Wafer auf einmal aus dem Stab geschnitten werden können. Dabei wird ein langer Draht, welcher mit einer Suspension aus Siliciumcarbidkörnern und einem Trägermittel wie Glykol oder Öl benetzt wird, über rotierende Walzen geführt. Der Siliciumkristall wird in das Drahtgitter abgelassen und so zu Wafern vereinzelt. Der Draht bewegt sich im Gegenschritt mit ca. 10 m/s und ist typischerweise 0,1–0,2 mm dick.

Innenloch- und Drahtsäge

Diamantlochsäge Drahtsäge

Nach dem Sägen besitzen die Scheiben eine aufgeraute Oberfläche und, auf Grund der mechanischen Belastung, Gitterschäden im Kristall. Zum Veredeln der Oberfläche durchlaufen die Scheiben mehrere Prozessschritte.

Läppen

Mit körnigen Schleifmitteln (z.B. Aluminiumoxid) werden 50 µm (0,05 mm) der Scheibenoberfläche auf einer rotierenden Stahlscheibe abgetragen. Die Körnung wird dabei stufenweise verringert, jedoch wird die Oberfläche auf Grund der mechanischen Behandlung erneut geschädigt. Die Ebenheit nach dem Läppen beträgt ca. 2 µm.

Scheibenrand abrunden

In späteren Prozessen dürfen die Scheiben keine scharfen Kanten besitzen, da aufgebrachte Schichten ansonsten abplatzen können. Dazu wird der Rand der Scheiben mit einem Diamantfräser abgerundet.

Abrunden des Waferrands

Ätzen

In einem Tauchätzschritt, mit einer Mischung aus Fluss-, Essig- und Salpetersäure, werden noch einmal 50 µm abgetragen. Da es sich hierbei um einen chemischen Vorgang handelt, wird die Oberfläche nicht geschädigt. Kristallfehler werden endgültig behoben.

Polieren

Dies ist der letzte Schritt zum fertigen Wafer. Am Ende des Polierschrittes besitzen die Wafer noch eine Unebenheit von weniger als 3 nm (0,000003 mm). Dazu werden die Scheiben mit einem Gemisch aus Natronlauge (NaOH), Wasser und Siliciumdioxidkörnern behandelt. Das Siliciumdioxid entfernt weitere 5 µm von der Scheibenoberfläche, Die Natronlauge entfernt Oxid und beseitigt Bearbeitungsspuren der Siliciumdioxidkörner.

2. Historische Entwicklung der Wafergröße

Die Herstellung von integrierten Schaltkreisen auf Siliciumwafern begann Mitte der 1960-er Jahre auf Scheiben, mit einem Durchmesser von 25 mm. Heutzutage werden in modernen Halbleiterfertigungen Wafer mit einem Durchmesser von 150–300 mm eingesetzt. Ab 2013 wollen die ersten Chiphersteller auf Wafer mit einem Durchmesser von 450 mm umsteigen, die Waferfläche beträgt dann mehr als das 300-fache der winzigen 1-Zoll-Wafer vor gut 50 Jahren.

Mit größeren Wafern steigt der Durchsatz in der Herstellung von Chips erheblich, wodurch die Kosten in der Fertigung entsprechend gesenkt werden können. So können bei identischer Strukturgröße mehr als doppelt so viele Chips auf einem 300 mm Wafer hergestellt werden, wie es auf einem 200 mm Wafer der Fall ist.

Typische Daten von Wafern:

Typ [mm] Durchmesser [mm] Dicke [µm] 1. Flat [mm] Durchbiegung [µm]
150 150 ± 0,5 ~700 55 - 60 25
200 200 ± 0,5 ~800 Notch 35
300 300 ± 0,5 ~900 Notch 45

Wafergrößen in der Übersicht: 25, 38, 51, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 450 [mm] (maßstabsgetreu)

Wafergrößen von 25 bis 450 mm

Beim Übergang zu einer Wafergröße von 450 mm ergeben sich zahlreiche Probleme, die es zu meistern gilt. So muss u.a. die Durchbiegung beachtet werden, damit sich die übereinander gelagerten Wafer während des Transports nicht berühren. Ebenso müssen Auflageflächen von Waferhandler in Fertigungsanlagen neu gestaltet werden.

Durch Schichtspannungen können sich größere Wafer wesentlich leichter verformen. Auf Grund der Materialkosten und der zu beachtenden Eigenfrequenz der Wafer, können diese jedoch nicht einfach dicker gemacht werden können.

Auch ermöglicht ein größerer Wafer nicht automatisch eine billigere Produktion, da auch eine größere Fläche bearbeitet werden muss. Im Vergleich zu 300-mm-Wafern müssen die Energiekosten pro cm2 um den Faktor 2,25 gesenkt werden, um die Fertigungskosten auf einem ähnlichen Niveau zu halten. Da die Herstellung der Wafer mehr als doppelt so lange dauert, ist auch die Wahrscheinlichkeit größer, dass sich Fehler ins Kristallgitter einbauen.

Und auch die Bearbeitung der Wafer stellt eine große Herausforderung dar, da alle Prozesse auf eine deutlich größere Fläche angepasst werden müssen.

3. Warum Wafer rund sind

Oft stellt sich die Frage wieso Wafer rund sind, wo Mikrochips doch rechteckig sind. Dadurch ergibt sich auf dem Wafer immer ein Verschnitt, also eine Fläche, auf der keine vollständigen Chips Platz finden, und die am Ende der Halbleiterfertigung verworfen werden muss.

Nach Erläuterung der beiden Herstellungsverfahren - dem Kristallziehverfahren und dem Zonenziehen - kann diese Frage leicht beantwortet werden.

Ein Siliciumwafer für die Mikrochipherstellung muss als Einkristall vorliegen. Dies ist nur mit den genannten Verfahren möglich, und diese liefern prinzipbedingt eine kreisrunde Form.

Auch wenn es technisch möglich wäre, die runden Siliciumkristalle nachträglich in eine eckige Form zu bringen (z. B. mittels sägen), so bietet die runde Form der Siliciumwafer trotz rechteckiger Mikrochips dennoch einige Vorteile.

  • Das Begradigen der runden Siliciumstäbe bedeutet zusätzlichen Stress für das Material und würde zwangsläufig zu Kristallfehlern führen, die sich auf die Qualität der Chips auswirken würde.
  • Runde Wafer sind wesentlich stabiler. Eckige Wafer könnten kaum ohne Beschädigung transportiert und bearbeitet werden.
  • Eine gleichmäßige Bearbeitung während der Chipfertigung mit radialsymmetrischen Prozessen (CMP, Spin-on, Ätzen) ist wesentlich einfacher.
  • Ein schmaler Randbereich müsste auch bei rechteckigen Wafern immer verworfen werden, da die Scheiben während der Bearbeitung gehalten werden müssen. Abgeschiedene Schichten würden abplatzen und so zusätzliche Partikel verursachen, wenn diese bis an den äußersten Rand reichen.

Mit zunehmender Wafergröße nimmt der Verschnitt auch immer weiter ab.

Rechteckige Wafer findet man hingegen bei der Fertiung von Solarzellen. Zumeist finden hier polykristalline Wafer Anwendung, die in rechteckigen Formen gegossen werden können. Die Fertigung ist verhältnismäßig einfach, so dass auch eckige Wafer bearbeitet werden können. Meist werden die Ecken zusätzlich abgeschrägt.