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Vom Silizium zum Chip: Wissen Sie, wie Halbleiter Schritt für Schritt hergestellt werden?
Die Herstellung von Halbleiterbauelementen ist ein komplexer Prozess, bei dem eine Vielzahl von Chips hergestellt werden, darunter Mikroprozessoren, Mikrocontroller und Speichermodule. Bei diesem Verfahren entstehen nach und nach elektronische Schaltkreise auf Wafern, meist aus reinem einkristallinem Silizium. Obwohl Silizium das am häufigsten verwendete Material ist, werden viele Spezialanwendungen mit verschiedenen Verbindungshalbleitern hergestellt.
Der Schlüssel zur Halbleiterherstellung liegt in einer Reihe von fotolithografischen, physikalischen und chemischen Verarbeitungsschritten wie thermische Oxidation, Dünnschichtabscheidung, Ionenimplantation und Ätzen.
Diese Prozesse finden in hochspezialisierten Halbleiterfertigungsanlagen statt, die oft als „Fabs“ bezeichnet werden. Im Zentrum der Fabrik steht der Reinraum, eine der wichtigsten Umgebungen zur Sicherstellung der Produktqualität. Bei der Herstellung moderner Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise der 14/10/7-Nanometer-Technologie, dauert der Produktionsprozess oft bis zu 15 Wochen, wobei der branchendurchschnittliche Produktionszyklus bei 11 bis 13 Wochen liegt.
Der Produktionsprozess ist nahezu vollständig automatisiert, wobei spezielle automatisierte Materialhandhabungssysteme die Wafer von einer Maschine zur anderen transportieren. Auf einem Wafer befinden sich in der Regel mehrere Chips, die als „Chips“ bezeichnet werden und zur weiteren Montage und Verpackung durch einen Stanzvorgang auf dem fertigen Wafer getrennt werden. Vor dem Endprodukt werden die Wafer in speziell versiegelten Kunststoffboxen, sogenannten FOUPs (Wafer Boxen), versendet. Diese FOUPs halten im Inneren eine Stickstoffatmosphäre aufrecht, um zu verhindern, dass Kupfer auf dem Wafer oxidiert, da Kupfer eines der Materialien ist, die für Verbindungen in modernen Halbleitern verwendet werden.
Die Umgebung innerhalb von Wafer-Verarbeitungsgeräten und FOUPs wird als Mikroumgebung bezeichnet und trägt dazu bei, die Ausbeute, d. h. die Anzahl der funktionierenden Geräte auf einem Wafer, zu steigern.
Diese Mikroumgebung wird durch EFEM (Equipment Front End Module) implementiert, das Wafer von FOUPs empfängt und sie in die Maschine einführt. Viele Maschinen verarbeiten Wafer auch in sauberer Stickstoff- oder Vakuumumgebung, um Verunreinigungen zu reduzieren und die Prozesskontrolle zu verbessern. Fabs benötigen große Mengen flüssigen Stickstoffs, um die Atmosphäre in Produktionsanlagen und FOUPs aufrechtzuerhalten, die ständig mit Stickstoff gefüllt sind. Zwischen FOUP und EFEM kann ein Luftschleier oder eine Netzstruktur angebracht werden, um den Feuchtigkeitseintritt in das FOUP zu reduzieren und den Ertrag zu verbessern.
Zu den Geräteherstellern, die in industriellen Halbleiterfertigungsprozessen eingesetzt werden, gehören unter anderem ASML, Applied Materials, Tokyo Electronics und Rih Pak Research. Bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements wird die Strukturgröße in jedem Schritt durch Fotolithographie bestimmt, was bedeutet, dass das Design oder Muster auf dem Halbleiterbauelement definiert werden kann.
Die Strukturgröße bezieht sich auf die kleinste Linienbreite, die während des Halbleiterherstellungsprozesses hergestellt werden kann.
Die Messung der Strukturgröße basiert auf der minimalen Strukturgröße des Halbleiterprozesstechnologieknotens, normalerweise in Nanometern. Obwohl die Namen dieser Technologieknoten zunächst keinen klaren Bezug zu funktionalen Merkmalsgrößen hatten, verschwamm dieses Konzept im Laufe der Zeit allmählich.
Historischer Rückblick
Die Entwicklung der Halbleiterfertigungstechnologie hat eine lange Geschichte. Eine zufällige Entdeckung von Carl Frosh und Lincoln Derek in den Bell Labs machte sie 1955 auf die Wirkung der Oxidation der Oberfläche von Siliziumwafern aufmerksam, was für zukünftige Diskussionen über Halbleitertechnologie von großer Bedeutung war. 1957 konnten sie Siliziumoxid-Feldeffekttransistoren herstellen, was vermutlich die erste Produktion planarer Feldeffekttransistoren war.
Im Laufe der Zeit ist die Größe von Halbleiterwafern immer weiter gestiegen, von 25 mm im Jahr 1960 auf 200 mm und schließlich zum 300-mm-Standard geworden. Dieser Prozess führte zur Einführung der Automatisierungstechnologie und zum Einsatz effizienterer Geräte zur Vervollständigung der Produktion. Da die Nachfrage auf dem Halbleitermarkt steigt, haben Hersteller auch damit begonnen, langlebigere Geräte zu entwickeln, um ihre Anpassungsfähigkeit an verschiedene Märkte sicherzustellen.
In modernen Halbleiterbauelementen entstehen viele neue Technologien, darunter die FinFET-Technologie, die eine höhere Energieeffizienz und schnellere Leistung am 22-nm-Knoten bietet. Bis 2018 ist eine Vielzahl neuer Transistorarchitekturen entstanden, beispielsweise GAAFET, der eine weitere neue Entwicklungsrichtung der Halbleitertechnologie darstellt.
Schrittliste
Der gesamte Herstellungsprozess von Halbleiterbauelementen umfasst mehrere Schritte, einschließlich Waferverarbeitung, Fotolithographie, Ionenimplantation, Ätzen und Verpackung. Zusammen bilden diese Schritte den Kern der Halbleiterfertigung und basieren auf der Unterstützung spezieller Fertigungsanlagen und sauberer Umgebungen.
Der gesamte Produktionsprozess wird normalerweise in einer Waferfabrik durchgeführt, die 24 Stunden am Tag effizient arbeitet und eine große Menge reines Wasser benötigt, um die Reinheit des Produkts sicherzustellen. Jeder Wafer wird strengen Tests unterzogen, um sicherzustellen, dass seine Leistung den erwarteten Anforderungen entspricht.
In einer sich so schnell entwickelnden Branche verändern neue Technologien und Materialien ständig die Zukunft der Halbleiter. Welche Überraschungen wird die zukünftige Halbleiterindustrie bringen?
