Halbleiter

Die Einteilung von Halbleitern erfolgt anhand ihrer chemischen Zusammensetzung in Elementhalbleiter und Verbindungshalbleiter. Außerdem lassen sich Halbleiter anhand ihrer Bandlücke, Kristallstruktur und nach dem Anwendungsbereich klassifizieren. Wichtige Anwendungsbereiche sind Speicher- und Logikhalbleiter, Leistungshalbleiter, sowie optische und sensorische Halbleiter.

Elementhalbleiter

  • Silizium
  • Germanium
  • Selen und Tellur
  • Kohlenstoff

Verbindungshalbleiter

  • SiC – hohe Spannung und hohe Hitze (Leistungselektronik)
  • GaN – schnelle Schaltvorgänge bei niedrigem Energieverbrauch (Netzteile)
  • GaAs – hohe Elektronenbeweglichkeit (Hochfrequenztechnik)
  • InP – Verarbeitung von Infrarotlicht (Datenübertragung)
  • CdTe, CIGS (Dünnschicht-Solarzellen)

Rohstoffversorgung

  • SiC Herstellung im Energieintensiven PVT Verfahren aus Quarzsand und Kohlenstoff
  • Gallium (Ga) und Indium (In) fallen bei der Aluminium- und Zinkgewinnung an

Wertschöpfungskette

Halbleiter können anhand ihrer Wertschöpfung grob in die Substratherstellung und Bearbeitung, das Frontend und Chip-Desing, sowie das Backend und Packaging unterteilt werden.

  1. Substratherstellung (Wafer) und Bearbeitung
  2. Epitaxie
  3. Frontend und Chip-Design
  4. Backend und Packaging

Reine Verbindungen von Elementhalbleiter oder Verbindungshalbleitern müssen erzeugt werden und daraus ein Einkristall gezüchtet werden. Während sich Silizium aus der flüssigen Phase ziehen lässt, können Verbindungshalbleiter aus der Gasphase (PVT) hergestellt werden. Ein zusätzliches Tempern kann im Anschluss die Qualität des Kristalls verbessern. Es folgt das Sägen und die Kantenbearbeitung. Anschließend folgt das oberflächliche Schleifen, Sägen und die Kantenbearbeitung. Verunreinigung werden entfernt und der Wafer durch Ätzen auf die gewünschte Dicke reduziert. Der letzte Schritt ist eine Polierung der Waferoberfläche und ein finaler Reinigungsschritt. Das fertige Produkt wird auf die Qualität hin untersucht und für den Weitertransport verpackt.

Waferherstellung

Die Herstellung von Verbindungshalbleitern unterscheidet sich fundamental von der klassischen Siliziumtechnologie. Durch die Verbindung von zwei oder mehr Elementen entstehen Verbindungen, die empfindlicher auf Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Atmosphäre, Verunreinigungen oder mechanische Belastungen empfindlicher reagieren als reine Elementhalbleiter. Dementsprechend ist die Waferherstellung aufwendiger und anspruchsvoller, was in höheren Substratpreisen resultiert. Eine ebenfalls angespannte Rohstoffsituation macht die Produktion von Verbindungshalbleitern schwer prognostizierbar.

Am Anfang jeder Waferherstellung steht die Kristallherstellung, was bei Silizium durch eine Verflüssigung und das Ziehen eines Kristalls (Czochralski-Verfahren) ermöglicht wird. Verbindungshalbleiter werden oft unter hohem Druck in einem Reaktor synthetisiert. Bei Verbindungshalbleitern haben sich die Verfahren Liquid Encapsulated Czochralski (LEC) und Vertical Gradient Freeze (VGF) etabliert. Eine thermische Nachbehandlung (Tempern) ist vor allem bei Verbindungshalbleitern wichtig um Spannungen im Kristall zu reduzieren, die Verbindungen zu homogenisieren und Defekte zu reduzieren.

Nach der Kristallherstellung erfolgt das Schleifen des zylindrischen Ingots auf den gewünschten Waferdruchmesser. An dieser Stelle werden anhand der Kundenspezifikation Notches oder Flats in den Kristall eingearbeitet, um eine Orientierung in der späteren Prozessierung zu ermöglichen. Anschließend erfolgt das Drahtsägen mit hochpräzisen Diamantsägen in hauchdünne Scheiben (Wafer). Als weiteren mechanischen Schritt schließt sich das Kantenverunden an, was äußere Spannung auf den Wafer reduziert und ein besseres Handling ermöglicht. Ein Reinigungsschritt ist hier wichtig, um organischen oder metallischen Verunreinigungen aus der Bearbeitung zu entfernen und anschließende Ätzbäder nicht zu verunreinigen. Bei Verbindungshalbleitern gibt es ebenfalls eine erhöhte Gefahr durch die Entstehung von giftigen Arsenwasserstoff (Arsin) und Phosphorwasserstoff (Phosphin). Nach dem ersten Reinigen erfolgt eine Lasermarkierung der Wafer, um eine Rückverfolgung in den nachfolgenden Prozesschritten zu ermöglichen.

Das Damageätzen wird die Dicke des Wafers deutlich reduziert, um Spannungen und Störungen im Kristall aus dem Sägeprozess abzubauen. Dies legt unbeschädigte Kristallschichten frei, die im anschließenden Polierprozess bearbeitet werden. In mehreren aufeinanderfolgen Schritten von grob bis fein werden die Wafer im Reinraum mit chemisch reaktiven Polierschlämmen (Slurries) unter mechanischen Druck bearbeitet (CMP). Das Ergebnis sind atomar glatte, absolut ebene und spiegelnde Oberflächen, die die Grundlage für eine spätere Mirkostrukturieren dienen. Hierbei können Wafer einseitig oder doppelseitig poliert werden. Aller Überreste aus der Polierung müssen in der Endreinigung durch hochreine Ätzbäder entfernt werden. Ebenfalls findet in der Endreinigung eine Trockung der Wafer statt und es wird ggf. eine schützende Schicht auf die Wafer aufgebracht, um sie vor einer weiteren Degradation zu schützen. Als finaler Schritt erfolgt die Qualitätskontrolle durch die Inspektion, wo die Wafer auf Oberflächenfehler, Partikelkontamination und geometrische Maßhaltigkeit geprüft werden.

  1. Kristallherstellung und Temperung
  2. Durchmesser schleifen und Drahtsägen
  3. Kantenverrunden und Reinigungsätzen
  4. Lasermarkieren und Damageätzen
  5. Polieren
  6. Endreinigung
  7. Inspektion

Wafereigenschaften

  • Globale Dickenvariation (TTV)
  • Globale Ebenheitsabweichung (TIR)
  • Durchbiegung (Bow)
  • Krümmung (Warp)