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Academic year: 2022

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Volltext

(1)

Wafer

Grundlage der ICs

(2)

Gliederung

• Was ist ein Wafer?

• Material und Verwendung

• Herstellung

• Größe und Ausbeute

• Quellen

(3)

Was ist ein Wafer?

Ein Wafer ist eine flache, runde Scheibe mit einer Dicke von 1mm aus einem Halbleiter‐

material, welches die Basis für alle Integrierten

Schaltungen bildet (ICs).

(4)

Materialien

• Monokristallines Silizium

• Polykristallines Silizium

• Silizium auf Isolator

• Siliziumcarbid

• Galliumarsenid

• Indiumphosphid

(5)

Monokristallines Silizium

• Eigenschaften:

– Durchgehendes, einheitliches und homogenes  Kristallgitter

• Verwendung:

– Halbleiter – Solarzelle:

Höherer Wirkungsgrad

Höhere Kosten

(6)

Polykristallines Silizium

• Eigenschaften:

– Besteht aus vielen Einzelkristallen mit  unterschiedlicher Größe und Form

– Durch Korngrenzen klar voneinander abgegrenzt

• Verwendung:

– Solarzelle

(7)

Polykristallines Silizium

(8)

Silizium auf Isolator

• Eigenschaften:

– Bezeichnung „SOI“

– Kürzere Schaltzeiten

– Geringere Leistungsaufnahmen

– Keine Streuspannungen, Leckströme – Sehr gute elektrische Isolation

– Je nach Isolator weitere Eigenschaften: Beispiel  bei Saphir hohe Strahlenresistenz

(9)

Silizium auf Isolator

• Verwendung

– Halbleiter: CPU Bereich – AMD, Freescale, IBMs – Stromsparende Halbleiter

– Silizium‐on‐Saphir: Satellitenbau, durch den  Strahlenschutz

(10)

Siliziumcarbid

• Eigenschaften

– Silizium mit Anreicherung von Kohlenstoff – Besonders anfällig für ultraviolette Strahlung – Temperaturresistent bis 600°C 

• Verwendung

– Varistoren

– Blaue LEDs (Wellenlänge 460‐470nm)

(11)

Galliumarsenid

• Eigenschaften

– Höhere Transitfrequenzen als Silizium HL – Geringeres Rauschen

– Geringere Leistungsaufnahme

(12)

Galliumarsenid

• Verwendung

– High‐Electron‐Mobility Transistor (Transistoren für  hohe Frequenzen)

– Rauscharme Hochfrequenzverstärker

– Sattelitenkommunikation, Radaranlagen – Gunndiode (Mikrowellenerzeugung)

(13)

Indiumphosphid

• Eigenschaften

– Künstlich hergestellte Verbindung

– Hohe Elektronenbeweglichkeit im Gitter – Besitzt eine direkte Bandlücke

• Verwendung

– Basismaterial für photonische Kristalle (Laser, LED) – ICs mit Taktfrequenzen über 1 THz

(14)

Herstellung

• Ausgangsstoff ist Quarz

• Bei Raumtemperatur oxidiert Silizium

• Dieser Sauerstoff muss wieder entfernt  werden

• Erhitzung auf 1460°C unter Zugabe von  Kohlenstoff

Si0

2

+ 2C = Si + 2CO

(15)

Herstellung

• Weitere Zugabe von Eisen zur Verhinderung  der Bildung von Siliziumkarbid

• 1. Reinigung: Trichlorsilan‐Prozess

– Zugabe von Chlorwasserstoff – Erhitzung auf 300°C

– Bildung von Trichlorsilan

Si + 3HCL = SiHCL3 + H2

(16)

Herstellung

• 1. Reinigung: Trichlorsilan‐Prozess:

– Das Trichlorsilan ist nun gasförmig und wird  abgeführt

– Prozess muss umgekehrt werden um gereinigtes  Silizium erhalten

– Erhitzung auf 1100°C

SiHCL3 + H2 = Si + 3HCL

(17)

Herstellung

• 2. Reinigung: Zonenreinigung

– Um Siliziumstäbe wird eine Spule gelegt mit  hochfrequenten Wechselstrom (im Vakuum)

– Schmelzung des Silizium – Fremdstoffe gelangen  auf den Boden

– Oberflächenspannung von Silizium verhindert  dass es selbst herausfließt

– Mehrfache Anwendung des Verfahrens

(18)

Herstellung

• Am Ende des Verfahrens hat man Silizium mit 

einem Reinheitsgrad von 1 Fremdatom in 1 

Mrd. Siliziumatomen

(19)

Herstellung

• Kristallziehverfahren nach Czochralski:

– Erhitzung knapp über dem Schmelzpunkt – Zugabe der Dotierstoffe

– Langsames Drehen und Ziehen des Kristalls – Entgegengesetztes Drehen des Tiegels

– Wachstumsrate 2‐25 cm/h

(20)

Herstellung

(21)

Herstellung

(22)

Herstellung

• Ingot wird nun mittels Innenlochsäge in  Scheiben geschnitten

• Materialverlust ca. 20%

• Läppen:

– Körniges Schleifen des Wafers

– Körnung wird mit jedem Durchgang verringert – Abtragung von rund 50 µm

(23)

Herstellung

• Abrunden des Scheibenrandes

– Vermeidung dass aufgebrachte Schichten  abplatzen können

• Ätzen

– Mischung aus Fluss‐, Essig‐ und Salpetersäure – Endgültige Beseitigung von Kristallfehlern

– Abtragung von rund 50 µm

(24)

Herstellung

• Polieren:

– Letzter Schritt in der Herstellung – Behandlung mit Natronlauge und 

Siliziumdioxidkörnern 

– Körner tragen rund 5 µm ab

– Natronlauge entfernt das Oxid und beseitigt  Bearbeitungsspuren

(25)

Größe und Ausbeute

(26)

Größe und Ausbeute

(27)

Quellen

• http://de.wikipedia.org/wiki/Wafer

• http://www.halbleiter.org

• http://www.halbleiter‐scout.de

• http://www.itwissen.info

Referenzen

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