Herstellung von Halbleitern und Chips

Inhaltsverzeichnis: Herstellung von Reinst-Silicium; Lithografie; Moderne Belichtungsverfahren; Chipfertigung

Herstellung von Reinst-Silicium

Das „Halbmetall“ Silicium ist das meistbenutzte Basismaterial für Halbleiter. Die englische Bezeichnung ist „Silicon“ (wie in „Silicon Valley“).
Silicium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste. Es kommt nicht in reiner Form vor, sondern als Silicat oder Oxid, beispielsweise besteht Sand hauptsächlich aus Siliciumdioxid.

Silicium wird aus Quarzsand oder Quarzkies im Schmelz-Reduktionsofen bei Temperaturen von etwa 2000 °C gewonnen.
Wird das Rohsilicium in einem energieaufwändigen Verfahren bis zu einer Reinheit von mindestens 99,99 % gereinigt, kann es für Solarzellen verwendet werden. Für Transistoren und Chips ist eine noch höhere Reinheit von 99,9999999 % nötig, dies entspricht weniger als einem Fremdatom pro 1 Milliarde Siliciumatomen.

Leitfähigkeit von Silicium

Die Leitfähigkeit von reinem Silicium (Reinheit 10^-9) ist etwa 100 mal geringer als Leitungswasser und 10¹¹ mal geringer als Kupfer, aber 10⁹ mal höher als Glas. Wegen dieser Zwischenstellung wird Silicium als „Halbleiter“ bezeichnet.

Wie können Sie sich eine Reinheit von 10^-9 vorstellen?
Stellen Sie sich ein Fußballfeld von 105 x 68 Meter vor, dessen gesamte Fläche mit Ziegelsteinen von 25 x 12 x 6 cm ausgelegt ist. Das sind 420 x 565 = 237300 Ziegel in der ersten Lage. Probieren Sie zu schätzen: Wie hoch muss ein Stapel von 10⁹ = 1 Milliarden Ziegelsteinen sein?
Es wären 4214 Schichten, multipliziert mit 0,06 Meter ergibt einen Stapel wäre 250 Meter hoch! Und in diesem Stapel dürfte höchstens ein einziger defekter Ziegelstein sein, um eine Reinheit von 10^-9 einzuhalten!

Wie wird eine so hohe Reinheit erreicht?

Eins der gebräuchlichen Verfahren ist das Zonenschmelzverfahren. Eine Stab aus Silicium steht senkrecht in einem Schutzgasbehälter. Mit einer Induktionsheizung wird ein schmaler Ring des Siliciumstabes geschmolzen, siehe rechtes Bild. Die Oberflächenspannung verhindert, dass geschmolzenes Silicium austritt. Die Schmelzzone wird langsam abwechselnd auf und ab durch den Stab bewegt. In der Schmelze sammeln sich leichtere Fremdatome in der Schmelzzone oben und schwerere Fremdatome unten und wandern mit der geschmolzenen Zone auf und ab. Die Fremdatome sammeln sich allmählich an den oberen und unteren Enden des Stabes. Die Enden werden abgeschnitten. Mehr dazu: Reinigungsverfahren.

Die Siliciumstäbe werden in Scheiben, sogenannte „Wafer“ geschnitten. Diese sind typisch einen Millimeter dick und haben einen Durchmesser von 300 bis 450 mm. Auf einem Wafer entstehen viele gleichartige Chips, siehe Bild. Die Chip-Rohlinge werden ausgeschnitten, geprüft und mit Anschlüssen und einem Gehäuse versehen.

Dotierung

Das Hinzufügen eines genau bemessenen Anteils von bestimmten Fremdatomen nennt man „Dotierung“. Durch Dotierung kann die Leitfähigkeit von reinem Silicium auf das Millionenfache vergrößert werden. Je nach Art der Fremdatome unterscheidet man die „n-Dotierung“ und die „p-Dotierung“.

Bei einer n-Dotierung werden chemisch fünfwertige Atome in einen Halbleiter eingefügt, z. B. Phosphor, Arsen und Antimon. Nur vier von den fünf Valenzelektronen können Bindungen mit den benachbarten Silicium-Atomen aufbauen, das fünfte Valenzelektron bleibt ungebunden zurück und steht als ein „freier“ Ladungsträger für den elektrischen Strom zur Verfügung.

Bei einer p-Dotierung werden chemisch dreiwertige Atome in einen Halbleiter eingefügt, z. B. Bor, Aluminium, Gallium oder Indium. Drei Valenzelektronen der Dotierungsatome binden sich an umliegende Silicium-Atome, das vierte Silicium-Atom findet keine Bindung. An den dreiwertigen Atomen bleiben „Löcher“ oder „Defektstellen“ in den Bindungen zurück. Jedes Loch stellt einen freien Platz für benachbarte Valenzelektronen dar, der relativ leicht besetzt werden kann. Wenn ein Valenzelektron aus einer anderen Bindung in die Defektstelle springt, ist das Loch an eine neue Stelle weiter gewandert. Die „Löcher“ können wie freie, einfach positiv geladene Ladungsträger betrachtet werden.

In üblichen n- oder p-Dotierungen wird ein Fremdatom auf etwa 1 bis 10 Millionen Halbleiter-Atome eingebracht.

Grenzschicht

Wo ein n-dotierter und ein p-dotierter Halbleiter zusammenstoßen, strömen die überschüssigen Elektronen aus dem n-Halbleiter in den p-Halbleiter und füllen dort die „Löcher“ auf. Es entsteht ein etwa 0,001 mm dünner Bereich ohne Ladungsträger, der als „Grenzschicht“ oder „Raumladungszone“ bezeichnet wird. Wegen des Fehlens von Ladungsträgern kann kein Strom durch diesen Bereich fließen.
Legt man allerdings Spannung unterschiedlicher Polarität an den p-n-Kristall an, funktioniert dieser als Diode und lässt Strom nur in einer Richtung durch. Mehr dazu: Leiter, Isolatoren, Halbleiter, wie eine Diode funktioniert.

Drei unterschiedlich dotierte Schichten, sei es in der Reihenfolge n-p-n oder p-n-p, bilden einen Transistor und funktionieren als Verstärker oder als Schalter. Einige Milliarden davon stecken in einer CPU.

Foto-Lithografie

Die Fotolithografie dient in einer Druckerei dazu, Fotos auf Druckplatten zu übertragen. In der Elektrotechnik werden damit Leiterplatten gefertigt. In der Halbleitertechnik werden damit Strukturen auf Halbleiter-Wafern erzeugt.
Das Halbleitermaterial wird mit einem lichtempfindlichen säurefesten Lack (Fotoresist) beschichtet, danach wird der Fotolack mit einer Schablone stellenweise belichtet. Anschließend wird der Lack „entwickelt“: Der Lack an den von Licht getroffenen Bereichen ist nun löslich und wird weggespült, das darunter befindliche Halbleitermaterial (die Funktionsschicht) wird dabei freigelegt. Mehrere alternative Bearbeitungsschritte sind jetzt möglich:

An den freiliegenden Stellen werden Dotierungsatome in den Halbleiter eingebaut,
An den freiliegenden Stellen wird das Halbleitermaterial weggeätzt, bis ein „Graben“ entsteht (dreidimensionale Stapelung),
An den freiliegenden Stellen wird Kupfer oder Silber abgeschieden, um Leiterzüge zu bilden,
…

Anschließend wird der restliche Fotolack entfernt. Im nächsten Schritt wird das Halbleitermaterial erneut mit einem Fotolack beschichtet und mit einem anderen Muster belichtet. Diese Schritte werden hunderte Male wiederholt, bis der gewünschte Chip fertig ist.

Moderne Belichtungsverfahren

Die sogenannte „Strukturbreite“ von integrierten Schaltungen ist ein Maß dafür, wie schmal die Strompfade und anderen Strukturen eines Chips sein können. Sie konnte von 3000 nm (1980) auf 1000 nm (1990) verringert werden. Für eine weitere Vergrößerung der Packungsdichte war das sichtbare Licht nicht geeignet: Die Strukturbreite kann nicht kleiner werden als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge von 640 nm (Rot) bis 430 nm (Violett). Die Fotolithografie wechselte zu Ultraviolettem Licht mit immer kürzeren Wellenlängen: „Nahes UV“ (380 – 315 nm), „Mittleres UV“ (315 – 280 nm), „Fernes UV“ (280 – 200 nm) und „Vakuum-UV“ (200 – 100 nm). Gegenwärtig wird mit „Extrem Ultraviolett“ (EUV, 121 – 10 nm) belichtet. Das Problem: Licht dieser Wellenlänge kann man nicht mit Linsen aus Glas bündeln. Man verwendet Spiegel mit einer Form ähnlich Parabolspiegeln.

Die Firma Carl Zeiss SMT GmbH liefert Belichtungseinheiten für EUV, so groß wie ein Wohnmobil zum Stückpreis von 120 Millionen Euro. Durch Verdampfen von winzigen Zinntropfen mit einem Laserstrahl wird Extremes Ultraviolettlicht der Wellenlänge 13,5 nm erzeugt. Ein Spiegel, hergestellt aus 100 Schichten, fokussiert das UV-Licht. Hätte der Spiegel die Fläche von Deutschland, dürfte die größte Unebenheit auf dem Spiegel maximal 0,1 mm hoch sein. Das Verfahren ist äußerst schwierig..

Marktführer (2021) ist der niederländische Konzern ASML. Die Ingenieure haben 25 Jahre für die Entwicklung der EUV-Technologie gebraucht. Eine Belichtungsmaschine für den 5-nm-Fertigungsprozess kostet 150 Millionen Euro und wird mit drei Jumbo-Ladungen ausgeliefert.
ASML testet bereits den Nachfolger: Die Belichtungsmaschine mit „High-NA“ Technologie soll 350 Millionen Euro kosten und im Jahr 2025 in Serie gehen.

Für noch kleinere Strukturen wird man zu Elektronenstrahlen, Ionenstrahlen oder Röntgenstrahlen (10 nm – 0,01 nm) wechseln müssen. Womit könnte ein Röntgenstrahl präzise gebündelt werden? Mit einem Spiegel dürfte es schwierig werden – die Röntgenstrahlung wird den Spiegel eher durchdringen als daran reflektiert zu werden. Theoretisch könnte man ein Synchrotron (Teilchenbeschleuniger) benutzen.

Transistoren pro Chip:
1969: 1000
1990: 1,2 Millionen
2000: 42 Millionen
2020: 16 Milliarden

Chipfertigung

Im Bild: Der Transistor 2N2222 außen und innen

Ein kleiner Microchip mit 48 Pin. Der Microchip in der Mitte ist mit feinen Golddrähten mit den rundherum angeordneten 48 Kontakten verbunden („gebondet“). Die bunte Färbung entsteht, weil die Strukturen kleiner sind als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts.

HWG01