Seite 2: Auferstanden aus der Schmelze

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Ordnung im Kristallgitter schafft das Czochralski-Verfahren (Bild 3): Dabei taucht ein Impfkristall mit der gewünschten Gitterausrichtung in knapp über seinen Schmelzpunkt erhitztes Silizium. Zieht man ihn ganz langsam und unter kontinuierlicher Drehung wieder aus der Schmelze, setzt das erstarrende Silizium die Struktur des Impflings perfekt fort. Es entsteht ein bis zu 2 m hoher Zylinder mit durchgehender Kristallstruktur. Im Fachjargon heißt dieser Einkristall Ingot (Bild 4).

Der Ingot hat bereits den Durchmesser der Wafer – also derzeit bis zu 30 cm. Eine eingeschliffene Nut oder Abflachung entlang der Längsachse des Ingots hilft, die Siliziumscheiben später reproduzierbar auszurichten. Wie von einer Wurst schneidet danach ein 0,2 mm feiner mit Diamanten besetzter Draht 0,8 mm dünne Scheiben – die Wafer – herunter (Bild 5). Weil der mit rund 36 km/h – dem Tempo eines sportlichen Radlers – sausende Draht die Kristallstruktur an der Oberfläche leicht verletzt, wird danach geätzt und geschliffen.

Ein Laserbeschrifter brennt den Wafern eindeutige Barcodes ein. Damit die empfindlichen Siliziumscheiben nicht so leicht zerbrechen, rundet man ihre Kanten ab. Rotierende Tücher polieren die Wafer auf Hochglanz. Sie sind danach glatter als jeder Spiegel: Wäre der Wafer so groß wie ein Fußballfeld, hätte er gerade einmal Höhenunterschiede von 1 mm.

Abschließend kann man den Wafer noch für spezielle Produktionstechniken vorbereiten (Bild 7). Bei gestrecktem Silizium (alias Strained Silicon) zerrt eine dünne Zwischenschicht aus Silizium-Germanium (SiGe) am Kristallgitter der finalen Si-Schicht. Der so erzwungene größere Atomabstand erhöht die Beweglichkeit der Ladungsträger und ermöglicht flinkere Transistoren. Bei Silicon on Insulator (SOI) isoliert eine dünne Oxidschicht den Wafer von den darauf sitzenden Transistoren.

Einfamilienhaus pro Kilo

Wegen der immensen Anforderungen an die Reinheit und die geringe Reaktionsfreude von Silizium und Siliziumdioxid ist die Wafer-Herstellung energieintensiv und teuer. Zudem kommen unfreundliche Chemikalien wie Wasserstoffperoxid, Salzsäure und Flusssäure oder das erwähnte Trichlorsilan zum Einsatz. Viele Prozesse erfordern zudem Hochvakuum oder eine schützende Edelgasatmosphäre.

Quarzsand kostet lediglich 4 Cent pro Kilogramm; sauberes Polysilizium bereits 50 US-Dollar. Der Chiphersteller kauft die noch nackten Wafer schließlich für bis zu 200 US-Dollar pro Stück. Umgerechnet aufs Kilogramm sind das etwa 4000 US-Dollar. Die nun folgenden Prozessschritte treiben die Kosten pro Kilogramm Chip auf den Gegenwert eines Einfamilienhauses.

Flächenauftrag

Direkt auf den noch nackten Wafer kommen zuunterst die Transistoren. Es folgen Verdrahtungsebenen und schließlich die Anschlüsse zur Außenwelt. Alles in allem erfordert das mehrere hundert Arbeitsschritte. Im Folgenden konzentrieren wir uns auf die wichtigsten und interessantesten davon. Auch unsere Grafik überspringt der Übersichtlichkeit halber diverse Zwischenlagen und so manchen Teilschritt. Jedem einzelnen davon sind zahlreiche Doktorarbeiten gewidmet.

Für die Konstruktion eines Transistors hat der Halbleiterfertiger drei verschiedene Techniken zur Verfügung: Er kann durch Ätzen Material entfernen (Bilder 9a bis 9c) oder durch Kristallzucht, Bedampfen oder Galvanisierung neue Schichten auftragen (Bilder 11a bis 11c). Außerdem lassen sich – etwa durch Hitzeeinwirkung oder den Beschuss mit Fremdatomen – die (Halbleiter-)Eigenschaften des Materials verändern (Bilder 10a bis 10c).

Letzteren Vorgang nennt man Dotieren. Dabei werden Fremdatome wie Bor, Arsen und Phosphor in das Silizium-Kristallgitter eingebaut. Weil diese eine andere Anzahl frei beweglicher Elektronen besitzen als Silizium, ändert sich in den dotierten Bereichen die Gesamtkonzentration an freien Ladungsträgern. Gemessen an der Anzahl der Si-Atome reichen schon sehr wenige Fremdatome für die gewünschten Effekte aus: Ein Verhältnis von 1 zu 1000 wäre eine extrem starke Dotierung. Für manche Bauteile reicht bereits 1 Atom pro 1 Milliarde Gitteratome.

Eine kleine Jonglage mit auf den ersten Blick abschreckenden Zahlen offenbart, warum es bei der Wafer-Herstellung auf extreme Reinheit ankommt und wieso die Halbleiterhersteller an den Grenzen der Physik operieren: Ein Silizium-Kristall besteht aus 5·10²² Atomen pro cm³. Das klingt zwar nach sehr viel, doch ein würfelförmiger Ausschnitt mit 20 nm Kantenlänge eines Transistors besteht aus nur 400.000 Atomen – gerade einmal 70 bis 80 entlang einer Kante. Selbst bei einer starken Dotierung von 1:10.000 dürften in dem Würfel lediglich ein paar Dutzend Fremdatome stecken – minimale Schwankungen in der Fertigung verändern die Materialeigenschaften dramatisch.

Das ist umso problematischer, weil sowohl bei der Dotierung als auch beim Ätzen und dem Schichtaufbau immer der ganze Wafer flächig beackert wird. Das entspricht einem Bauunternehmer, der ein ganzes Stadtviertel aus dem Flugzeug planiert, mit Beton übergießt oder beregnet, um ein paar Einfamilienhäuser hochzuziehen. Das bearbeitet ohne Frage eine gewaltige Fläche in einem Rutsch, erzeugt aber keine feinen Strukturen.

Feinarbeit

Die sind die Spezialität der Lithografie (Bilder 8a bis 8c). Dabei handelt es sich im Wesentlichen um dasselbe Verfahren, mit dem man früher Schwarzweißbilder auf Zelluloid gebannt hat: Eine Optik lenkt das von einer Szene (respektive einer Vorlage alias Maske) einfallende Licht auf lichtempfindlichen Fotolack und verkleinert die Szene dabei. Das Licht verändert lokal die chemische Struktur des Lacks. Eine Entwicklerchemikalie löst die veränderten Bereiche wieder ab, an den unbelichteten Stellen bleibt der Lack stehen.

In der Fotografie hält der verbliebene Lack bei der Wiedergabe das Licht zurück. In der Halbleiterindustrie fungiert er als Schutzmaske für die drei bereits erwähnten Basistechniken. Genau genommen übernimmt er in vielen Prozessschritten nicht selbst diese Aufgabe, sondern dient nur als Hilfsmittel, um eine härtere Maskierung zu erzeugen. Für das Funktionsprinzip spielt das aber keine Rolle.