Traitement et fabrication des plaquettes de silicium. Qu’est-ce qu’un semi-conducteur ? Une plaquette de silicium est le matériau de substrat essentiel dans l’industrie des semi-conducteurs. Composée de silicium monocristallin de haute pureté, elle sert de base à la fabrication de produits tels que les circuits intégrés, les MEMS, les capteurs, les dispositifs de puissance et les dispositifs optoélectroniques.
1. Was ist die Bearbeitung von Siliziumwafern?
Ein Siliziumwafer (Silicon Wafer) ist das wichtigste Substratmaterial der Halbleiterindustrie. Er wird aus hochreinem monokristallinem Silizium hergestellt und dient als Grundlage für die Fertigung von integrierten Schaltungen (IC), MEMS-Bauelementen, Sensoren, Leistungshalbleitern und optoelektronischen Komponenten.
Die Herstellung von Siliziumwafern umfasst folgende Hauptprozesse:
Waferherstellung (Wafer Manufacturing)
Ausgehend von Polysilizium:
- Polysilizium-Reinigung (Polysilicon Refining)
- Einkristallzüchtung (Crystal Growth)
- Ingot-Herstellung (Ingot Manufacturing)
- Wafersägen (Wafer Slicing)
- Schleifen (Grinding)
- Polieren (Polishing)
- Reinigung (Cleaning)
- Inspektion (Inspection)
Das Ergebnis ist ein halbleitertauglicher Siliziumwafer.
2. Herstellungsprozess von Siliziumwafern
SCHRITT 1: Einkristallzüchtung (CZ- oder FZ-Verfahren)
CZ-Verfahren (Czochralski-Verfahren)
Das weltweit am häufigsten eingesetzte Kristallzuchtverfahren.
Geeignet für:
- 200 mm (8 Zoll) Wafer
- 300 mm (12 Zoll) Wafer
Kristallreinheit:
- Über 99,999999999 %
- (11N–12N Reinheit)
FZ-Verfahren (Float-Zone-Verfahren)
Einsatzgebiete:
- Leistungshalbleiter
- IGBT-Bauelemente
- SiC-Substrate
Vorteile:
- Niedriger Sauerstoffgehalt
- Höherer spezifischer Widerstand
SCHRITT 2: Ingot-Bearbeitung
Nach der Herstellung des zylindrischen Silizium-Ingots erfolgen:
- Außendurchmesserschleifen
- Flat-Bearbeitung (Orientierungsfläche)
- Notch-Bearbeitung
- Maßkalibrierung
Standarddurchmesser:
- 150 mm (6 Zoll)
- 200 mm (8 Zoll)
- 300 mm (12 Zoll)
SCHRITT 3: Wafersägen
Verwendete Technologie:
- Diamantdrahtsäge (Diamond Wire Saw)
Typische Waferdicken:
- 725 μm (8 Zoll)
- 775 μm (12 Zoll)
Anforderungen:
- Gleichmäßige Dicke
- Minimale Verformung (Warp)
- Geringe Bearbeitungsschädigung
SCHRITT 4: Kantenbearbeitung (Edge Grinding)
Ziel:
Vermeidung von Waferbruch in nachfolgenden Fertigungsprozessen.
Kantenformen:
- Rounded Edge
- Bevel Edge
Vorteile:
- Höhere mechanische Festigkeit
- Verbesserte Prozesssicherheit
SCHRITT 5: Doppelseitiges Schleifen (Double Side Grinding)
Kontrollparameter:
- Ebenheit (Flatness)
- Dicke (Thickness)
Erreichbare Präzision:
- Unter ±1 μm
SCHRITT 6: Chemisch-Mechanisches Polieren (CMP)
CMP (Chemical Mechanical Polishing) zählt zu den wichtigsten Endbearbeitungsprozessen der Waferfertigung.
Kombination aus:
- Chemischem Ätzen
- Nanometrischen Schleifpartikeln
Ergebnis:
- Ultraglatte Spiegeloberfläche
Oberflächenrauheit:
- Ra < 0,2 nm
3. Waferprozesse in der Halbleiterfertigung
Front-End-Prozesse
- Oxidation
- Photolithographie
- Ätzen
- Ionenimplantation
- PVD-Beschichtung
- CVD-Beschichtung
- CMP-Planarisierung
Bildung der Transistorstrukturen.
Back-End-Prozesse
- Metallisierung
- Passivierungsschicht
- Wafertest
- Dicing (Vereinzelung)
- Packaging
- Endprüfung
4. CNC-Präzisionsbearbeitung für Halbleiteranlagen
Obwohl Siliziumwafer selbst nicht mittels CNC gefertigt werden, basieren moderne Halbleiteranlagen auf hochpräzisen CNC-gefertigten Komponenten.
Typische Anlagen:
- Lithographieanlagen
- Ätzanlagen
- CVD-Anlagen
- PVD-Anlagen
- CMP-Anlagen
- Inspektionssysteme
Typische CNC-Bauteile:
- Vakuumkammern
- Wafer-Stages
- Endeffektoren
- Roboterarme
- Vakuum-Chucks
- Präzisionsvorrichtungen
- Gas Distribution Plates (GDP)
Verwendete Werkstoffe:
- Aluminium 6061 / 7075
- Edelstahl SUS304
- Edelstahl SUS316L
- PEEK
- POM
- PTFE
- Aluminiumoxid-Keramik
- Zirkonoxid-Keramik
5. Qualitätsparameter für Siliziumwafer
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| TTV | Total Thickness Variation |
| Bow | Wafer-Durchbiegung |
| Warp | Wafer-Verzug |
| Flatness | Ebenheit |
| Roughness | Oberflächenrauheit |
| Particle | Partikelkontamination |
| Oxygen Content | Sauerstoffgehalt |
| Resistivity | Elektrischer Widerstand |
Anforderungen moderner Fertigungsprozesse:
- Ebenheit im Nanometerbereich
- Oberflächenkontrolle auf atomarer Ebene
- Ultrareine Fertigungsumgebung
6. Hauptanwendungsbereiche
Halbleiterindustrie
- CPU
- GPU
- KI-Prozessoren
- Speicherbausteine
Leistungselektronik
- IGBT
- MOSFET
- SiC-Leistungshalbleiter
Optoelektronik
- CMOS-Bildsensoren
- CCD-Sensoren
- Micro-LED
MEMS-Technologie
- Beschleunigungssensoren
- Gyroskope
- Drucksensoren
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