Siliciumverarbeitung: Herstellung von Microchips

Letzte vollständige inhaltliche Aktualisierung: April 2008

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In diesem Abschnitt werden die Verfahren zur Verarbeitung der Wafer zu Microchips dargestellt. Da für die Elektroindustrie Einkristalle benötigt werden, ist nur monokristallines Silicium als Ausgangsstoff geeignet. Die Wafer verfügen aufgrund der mechanischen Belastungen durch den Sägeprozess über Schäden in der Gitterstruktur und eine aufgeraute Oberfläche. Diese Mängel gilt es zunächst zu beseitigen.

Dazu wird der Wafer zunächst mit einem Schleifmittel mit abnehmender Körnung bis auf 0,002 mm begradigt. Die dabei auftretende mechanische Belastung verursacht eine weitere Schädigung der Oberfläche. Weiterhin werden die Kanten abgerundet, da später aufgetragene Schichten andernfalls abplatzen könnten. Das folgende Tauchätzen begradigt abschließend und nicht-mechanisch die Oberfläche. Dabei werden durch den Sägevorgang verursachte Fehler im Kristall völlig entfernt und weitere 0,05 mm der Waferhöhe abgetragen. Der letzte Schritt ist die chemisch-mechanischen Politur (CMP), beispielsweise mit einer mit Siliciumdioxidpartikeln (Durchmesser rund 10 bis 200 nm) versetzten Natronlaugenlösung. Die mikroskopischen Unebenheiten können so bis auf 0,3 nm (0,000003 mm; ein bis zwei Atomlagen) beseitigt werden.

Nach dem Sägen und der Glättung der Oberfläche, welche meist noch beim Siliciumhersteller durchgeführt werden, erfolgt die Herstellung der Schaltstrukturen der Mikrochips. Zunächst erfolgt die Oxidation der Oberfläche: Die Wafer werden, parallel zueinander stehend, in einem Quarzrohr langsam auf etwa 1000 °C erhitzt. Dann strömt Wasserdampf über die Wafer und reagiert an der Oberfläche zu Siliciumdioxid (sogenannte naße thermische Oxidation). Dieses fungiert später als Isolator zwischen den aktiven Gebieten (z. B. Transistoren). Diese Oxidation ist verhältnismäßig einfach durchzuführen. Für andere Halbmetalle wie Germanium ist sie wesentlich aufwendiger. Abgesehen von der breiten Verfügbarkeit von Silicium ist die einfache Prozessierung und die günstigen elektrischen Eigenschaften der Materialkombination Silicium und Siliciumdioxid wesentliche Gründe für die Verwendung dieses Elements.

Anschließend wird n-dotiertes Polysilicium auf die Siliciumoxidschicht abgeschieden und Fotolack aufgetragen. Dieser wird durch eine Maske belichtet. Je nach Lack werden bei der Entwicklung entweder die belichteten oder die unbelichteten Teile mit Hilfe von Natronlauge entfernt. Der verbleibende Lack dient als Ätzmaske: Da die Säure dem verbliebenen Fotolack nichts anhaben kann, schützt er das darunterliegende polykristalline Silicium, während es an den ungeschützten Stellen weggeätzt wird. Anschließend wird der Fotolack entfernt. Bei der nun folgenden n-Dotierung des monokristallinen Siliciums schützen wiederum die polykristallinen die darunterliegenden monokristallinen Bereiche. Eine verhältnismäßig dicke Siliciumdioxid-Schicht isoliert und planarisiert die bisher geschaffene Oberfläche. Wieder wird eine breite Schicht Fotolack aufgetragen. Diesmal werden lediglich Kontaktpunkte belichtet. Diese werden bis zum jeweils n-dotierten Silicium zu Kontaktlöchern geätzt. Auf dem gesamten Wafer wird nun Aluminium oder Kupfer als Leiter bis in die Kontaktlöcher abgeschieden und durch einen weitere Fotolack-/Ätz-Prozess zu Leiterbahnen geätzt.

Damit ist der Herstellungsprozess des Mikrochips abgeschlossen. Abhängig von der Größe des einzelnen Microchips und Wafers können aus einem Wafer mehrere Dutzend Mikrochips hergestellt werden. Als Einstieg in eine ausführlichere Darstellung sei der kostenlos im Internet erhältliche Aufsatz Halbleitertechnologie von A bis Z empfohlen.

Letzte vollständige inhaltliche Aktualisierung: April 2008

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