Halbleiterproduktion erklärt – Der lange Weg zum Chip

Halbleiter sind aus unserer technologischen Welt nicht mehr wegzudenken. Sie sind die unsichtbaren Helden hinter fast jeder elektronischen Anwendung, die wir täglich nutzen – ob in Smartphones, Computern oder in Fahrzeugen. Diese kleinen, unscheinbaren Bauteile stecken in nahezu allen modernen Geräten und ermöglichen den Fortschritt in zahlreichen Branchen. Sie stehen im Zentrum der Digitalisierung und bilden die Grundlage für die immer weiter wachsende Vernetzung unserer Welt.

Die Herstellung von Halbleitern ist jedoch alles andere als einfach. Der Prozess erfordert höchste Präzision und modernste Technologien. Unternehmen auf der ganzen Welt investieren große Summen in Forschung und Entwicklung, um leistungsfähigere und energieeffizientere Chips zu produzieren. Gleichzeitig stehen sie vor der Herausforderung, diese Bauteile immer weiter zu miniaturisieren und dennoch die Leistung zu steigern. Aus diesem Grund werfen wir einen genaueren Blick auf die komplexen Prozesse, die hinter der Entstehung dieser Bauteile stehen, sowie auf die Technologien, die ihre Weiterentwicklung vorantreiben.

Halbleiterherstellung: Wie aus Quarzsand ein Mikrochip wird

• Was macht Halbleiter so wichtig in der Elektronik?

• Siliziumwafer-Herstellung: Vom Sand zur Hochtechnologie

• Kristallzüchtung per Czochralski-Verfahren

• Fotolithografie: UV-Licht trifft auf Mikrotechnik

• Wie formt das Ätzverfahren die Chip-Strukturen?

• Dotierung: Feinabstimmung der elektrischen Eigenschaften

• Warum ist Oxidation entscheidend für Halbleiter?

• Metallisierung: Leitbahnen für elektronische Verbindungen

• Test und Packaging: Funktion und Schutz sicherstellen

• Packaging von Halbleitern

Was macht Halbleiter so wichtig in der Elektronik?

Halbleiter sind Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Leitern und Isolatoren liegt, was sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil moderner Elektronik macht. Sie ermöglichen es, den Stromfluss gezielt zu steuern, was für die Funktion vieler elektronischer Bauteile wie Transistoren, Dioden und Schaltkreise entscheidend ist. Das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial ist Silizium, aber auch Materialien wie Galliumarsenid kommen zum Einsatz, insbesondere in speziellen Anwendungen.

Siliziumwafer-Herstellung: Vom Sand zur Hochtechnologie

Wo fängt denn die Reise eines Halbleiters überhaupt an? Silizium wird aus Quarzsand gewonnen, einem der häufigsten Rohstoffe der Erde. Der Gewinnungsprozess besteht aus mehreren Schritten:

1. Abbau von Quarzsand: Silizium kommt in der Natur nicht in reiner Form vor, sondern vor allem in Form von Siliziumdioxid (SiO₂), das in Quarzsand enthalten ist. Der Abbau erfolgt in Sandgruben, durch Nassabbau oder durch den Abbau von Quarzgestein.
2. Reduktion im Lichtbogenofen: Quarzsand wird in einem speziellen Schmelzprozess in einem Lichtbogenofen auf sehr hohe Temperaturen erhitzt. Dabei wird Siliziumdioxid zusammen mit Kohlenstoff reduziert, um metallisches Silizium zu gewinnen. Der Kohlenstoff (meist in Form von Koks oder Kohle) reagiert mit dem Sauerstoff im Siliziumdioxid, wobei Kohlenmonoxid (CO) entsteht und reines Silizium zurückbleibt.
3. Reinigung des Rohsiliziums: Das so gewonnene Silizium ist noch nicht rein genug für die Elektronikindustrie. Um es auf die notwendige Reinheit zu bringen, wird es in einem weiteren Verfahren, dem Siemens-Verfahren, gereinigt. Dabei wird Rohsilizium in Silan- oder Trichlorsilanverbindungen umgewandelt, die destilliert und dann wieder zu hochreinem Silizium zurückgeführt werden.
4. Kristallisation: Um Silizium für die Halbleiterindustrie verwenden zu können, muss es in einer kristallinen Form vorliegen. Dies geschieht durch das Czochralski-Verfahren oder das Float-Zone-Verfahren, bei denen große Einkristalle gezogen werden. Diese Einkristalle werden später in dünne Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten.

Kristallzüchtung per Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren) ist ein technisches Verfahren zur Herstellung von Einkristallen, insbesondere von hochreinem Silizium, das in der Halbleiterindustrie für die Produktion von Mikrochips und Solarzellen verwendet wird. Es wurde 1916 von dem polnischen Wissenschaftler Jan Czochralski entwickelt.

Der Züchtungsprozess von Siliziumwafern, der vor allem durch das CZ-Verfahren erfolgt, ist ein hochpräziser und mehrstufiger Prozess, der speziell darauf ausgerichtet ist, hochreines, kristallines Silizium für die Herstellung von Halbleitern zu erzeugen. Im Detail sieht der Prozess wie folgt aus:

1. Schmelzen des Rohsiliziums

Der Züchtungsprozess beginnt mit der Aufbereitung von hochreinem Silizium, das in einem Quarztiegel auf etwa 1.400 Grad Celsius erhitzt wird, um es zu schmelzen. Das Rohsilizium, das in den Schmelztiegel eingebracht wird, muss extrem rein sein (mindestens 99,9999 % Reinheit), um die Anforderungen der Halbleiterindustrie zu erfüllen.

2. Einführen des Seed-Kristalls

Um den eigentlichen Züchtungsprozess zu starten, wird ein kleiner Einkristall aus Silizium, der sogenannte Seed-Kristall, vorsichtig in die Siliziumschmelze eingetaucht. Der Seed ist ein perfekt ausgerichteter Siliziumkristall, der als Vorlage für den späteren Kristall dient. Das Silizium in der Schmelze beginnt, sich an der Kristallstruktur des Seeds zu orientieren.

3. Herausziehen und Drehen

Sobald der Seed in die Schmelze getaucht ist, wird er langsam herausgezogen, während der Tiegel und der Seed-Kristall gegenläufig rotieren. Diese Rotationsbewegung sorgt für ein gleichmäßiges Kristallwachstum. Das Silizium lagert sich gleichmäßig an den Seed-Kristall an, und ein größerer Einkristall beginnt zu wachsen. Die Ziehgeschwindigkeit und die Temperatur des Schmelzofens werden während des gesamten Prozesses präzise gesteuert, um eine gleichmäßige Kristallstruktur zu gewährleisten. Der entstandene Kristall, auch "Ingot" genannt, kann mehrere Meter lang sein und einen Durchmesser von bis zu 300 mm erreichen.

4. Regulierung des Kristalldurchmessers

Der Durchmesser des gezogenen Einkristalls wird durch die Ziehgeschwindigkeit und die Temperatur an der Grenzfläche zwischen dem Seed-Kristall und der Schmelze reguliert. Durch langsames Ziehen erhält man einen dickeren Kristall, während ein schnelleres Ziehen zu einem dünneren Kristall führt. Typische Durchmesser von Siliziumingots liegen heute bei 200 mm (8 Zoll) bis 300 mm (12 Zoll), abhängig von den Anforderungen der Halbleiterindustrie.

5. Abkühlung und Bearbeitung

Nach Abschluss des Züchtungsprozesses wird der Silizium-Einkristall langsam abgekühlt, um Spannungen und Defekte im Material zu vermeiden. Nach der Abkühlung wird der Ingot in dünne Scheiben geschnitten. Diese Scheiben sind die sogenannten Wafer, die als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Halbleiterchips dienen. Die Wafer sind typischerweise 200 bis 300 mm im Durchmesser und nur wenige hundert Mikrometer dick.

Fotolithografie: UV-Licht trifft auf Mikrotechnik

Die Fotolithografie ist ein zentraler Prozess in der Herstellung von Mikrochips und Halbleitern. Sie ermöglicht es, feinste Strukturen auf Siliziumwafern zu erzeugen, die zur Herstellung von Transistoren, Leiterbahnen und anderen elektronischen Komponenten verwendet werden. Dieser Prozess ähnelt der traditionellen Fotografie, nur dass dabei Licht verwendet wird, um mikroskopisch kleine Muster auf die Oberfläche eines Wafers zu übertragen. Die Rolle von UV-Licht ist hierbei entscheidend, da es die Belichtung des Fotolacks (Photoresist) ermöglicht, um so die gewünschten Strukturen zu erstellen.

Ablauf der Fotolithografie:

1. Aufbringen des Fotolacks: Zunächst wird der Siliziumwafer mit einer dünnen Schicht aus Fotolack (Photoresist) beschichtet. Dieser Lack ist lichtempfindlich und reagiert auf UV-Licht. Es gibt zwei Arten von Fotolack:
• Positiver Fotolack: Bei Belichtung wird der belichtete Bereich löslich und kann entfernt werden.
• Negativer Fotolack: Hier wird der belichtete Bereich unlöslich und bleibt auf dem Wafer erhalten.
2. Belichtung mit UV-Licht: Ein Photomasken-Schablone, die das gewünschte Muster darstellt, wird auf den Wafer gelegt oder projiziert. Anschließend wird der Wafer mit UV-Licht bestrahlt. Dieses Licht hat eine extrem kurze Wellenlänge, wodurch es möglich ist, sehr feine Strukturen zu erzeugen – viel feiner, als es mit sichtbarem Licht möglich wäre. Die Photomaske wirkt wie eine Schablone (Stencil), indem sie das UV-Licht nur an bestimmten Stellen durchlässt, während andere Bereiche blockiert werden.
3. Entwicklung des Fotolacks: Nach der Belichtung wird der Wafer in eine Entwicklerlösung getaucht. Bei positivem Fotolack werden die belichteten Bereiche entfernt, während bei negativem Fotolack die unbelichteten Bereiche weggeätzt werden. Dadurch entsteht das gewünschte Muster auf der Oberfläche des Wafers.
4. Ätzprozess: In einem anschließenden Schritt wird das darunterliegende Material, das nicht vom Fotolack bedeckt ist, durch chemisches oder trockenes Ätzen entfernt. So können die Strukturen, die durch den Fotolack geschützt sind, bestehen bleiben.
5. Entfernung des Fotolacks: Nachdem der Ätzprozess abgeschlossen ist, wird der verbliebene Fotolack entfernt, sodass die neu geformten Strukturen auf dem Wafer übrig bleiben. Diese Strukturen können anschließend in weiteren Schritten mit verschiedenen Materialien, wie Metall oder Oxiden, beschichtet werden, um elektronische Bauelemente zu erzeugen.

Das UV-Licht spielt in der Fotolithografie eine entscheidende Rolle, da es die notwendige Energie liefert, um den Fotolack zu belichten und somit das gewünschte Muster auf den Wafer zu übertragen. Je kürzer die Wellenlänge des UV-Lichts, desto feinere Strukturen können erzeugt werden. Heute wird vor allem Deep UV-Licht (DUV) mit einer Wellenlänge von 193 nm verwendet. Für noch kleinere Strukturen ist extreme UV-Lithografie (EUV) im Einsatz, die eine Wellenlänge von nur 13,5 nm nutzt. Zum Vergleich, das sichtbare Licht liegt bei Wellenlängen von 400 bis 780 nm.

Wie formt das Ätzverfahren die Chip-Strukturen?

Das Ätzverfahren ist ein kritischer Schritt in der Halbleiterfertigung und wird nach der Fotolithografie eingesetzt, um das auf dem Wafer aufgebrachte Schaltungsmuster in das Material zu übertragen. Dabei werden die ungeschützten Bereiche des Wafers entfernt, während die mit Fotolack bedeckten Bereiche intakt bleiben. Es gibt zwei Hauptarten des Ätzens: nasses Ätzen und trockenes Ätzen. Beide Verfahren haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile und werden je nach Anforderungen der Strukturierung eingesetzt.

1. Nassätzen

Beim Nassätzen wird der Wafer in eine flüssige chemische Lösung getaucht, die das Material der ungeschützten Bereiche des Wafers chemisch auflöst. Dabei ist es besonders wichtig, dass die Ätzlösung nur die freigelegten Teile des Wafers angreift, während die mit Fotolack bedeckten Bereiche geschützt bleiben.

Schritte des nassen Ätzens:

• Chemische Reaktion: Die freiliegenden Bereiche reagieren mit der Ätzlösung, was zu einer kontrollierten Materialabtragung führt. Typische Ätzlösungen für Silizium sind beispielsweise Lösungen aus Flusssäure (HF) oder Kaliumhydroxid (KOH).
• Isotropisches Ätzen: Nasses Ätzen ist in der Regel isotrop, was bedeutet, dass das Material gleichmäßig in alle Richtungen abgetragen wird. Dadurch können die geätzten Strukturen an den Rändern leicht abgerundet sein. Dies ist vorteilhaft für Anwendungen, bei denen keine extrem feinen oder vertikalen Kanten erforderlich sind.
• Selektivität: Nasses Ätzen ist oft hochselektiv gegenüber bestimmten Materialien, d. h., es ätzt das gewünschte Material deutlich schneller als andere, unerwünschte Materialien. Dies ist hilfreich, wenn nur eine Schicht eines mehrschichtigen Wafers geätzt werden soll.

2. Trockenätzen (Plasmaätzen)

Das trockene Ätzen (auch Plasmaätzen oder reaktives Ionenätzen – RIE genannt) verwendet ionisierte Gase, um das Material des Wafers zu entfernen. Dies geschieht in einer Vakuumkammer, in die ein Gas (z. B. Chlor oder Fluorverbindungen) eingeleitet und mittels eines elektrischen Feldes zu einem Plasma angeregt wird. Die erzeugten Ionen greifen das Material an und entfernen es durch physikalische oder chemische Prozesse.

Schritte des trockenen Ätzens:

• Plasmaerzeugung: Das Gas wird in einem Vakuum durch ein starkes elektrisches Feld ionisiert. Die dabei entstehenden reaktiven Ionen und Radikale bombardieren die freigelegten Teile des Wafers und lösen dort Material ab.
• Anisotropisches Ätzen: Das trockene Ätzen ist in der Regel anisotrop, was bedeutet, dass die Ätzung vorwiegend in vertikaler Richtung erfolgt. Dies ermöglicht die Erzeugung von scharfen, senkrechten Kanten und ist daher ideal für feinste Strukturen und hohe Präzision.
• Chemische und physikalische Komponenten: Trockenes Ätzen kann sowohl auf rein physikalischer Basis (Ionen bombardieren das Material und tragen es mechanisch ab) als auch auf chemischer Basis (reaktive Ionen reagieren mit dem Material) erfolgen. Oft wird eine Kombination aus beiden Ansätzen genutzt, um eine präzise und kontrollierte Ätzung zu erreichen.

3. Selektivität und Präzision

Die Wahl des Ätzverfahrens hängt stark von der benötigten Präzision und der Art des verwendeten Materials ab. Beispielsweise wird für die Ätzung komplexer Mikroschaltungen auf einem Siliziumwafer oft das trockene Ätzen bevorzugt, da es sehr feine Strukturen und scharfe Kanten ermöglicht. Gleichzeitig muss die Selektivität des Ätzverfahrens berücksichtigt werden, also die Fähigkeit, bestimmte Materialien schneller zu ätzen als andere.

Dotierung: Feinabstimmung der elektrischen Eigenschaften

Sobald die Strukturen im Rahmen des Ätzverfahrens auf den Chip aufgebracht wurden, erfolgt die Dotierung. Sie ist ein essenzieller Prozess in der Halbleitertechnik, der die elektrischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien wie Silizium gezielt verändert. Durch das Einbringen von Fremdatomen in das Halbleitermaterial wird die Leitfähigkeit erhöht oder angepasst, wodurch Halbleiterbauelemente wie Transistoren, Dioden und Solarzellen erst funktionsfähig werden. Die Dotierung bildet die Grundlage für die Steuerung des Stromflusses in Halbleitern.

Halbleiter ohne Dotierung

Ein ungedotetes Halbleitermaterial, wie zum Beispiel reines Silizium, hat bei Raumtemperatur eine relativ geringe elektrische Leitfähigkeit. Dies liegt daran, dass nur wenige Elektronen durch thermische Anregung in das Leitungsband gelangen und somit zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen. Ein Halbleiter kann je nach Temperatur entweder wie ein Isolator oder wie ein Leiter funktionieren, doch um eine präzise Steuerung des Stromflusses zu ermöglichen, wird das Material dotiert.

Dotierung: Grundprinzip

Bei der Dotierung werden gezielt Atome anderer Elemente, sogenannte Dotanten, in das Halbleitermaterial eingebracht. Diese Dotanten ändern die Zahl der freien Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) im Material, was die Leitfähigkeit des Halbleiters beeinflusst. Dabei gibt es zwei Haupttypen der Dotierung:

1. n-Dotierung (negativ-dotierter Halbleiter)

Bei der n-Dotierung wird das Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, mit Elementen der 5. Hauptgruppe des Periodensystems dotiert, wie Phosphor, Arsen oder Antimon. Diese Atome haben fünf Valenzelektronen, während Silizium nur vier hat. Wenn ein Phosphoratom (mit fünf Valenzelektronen) ein Siliziumatom ersetzt, bindet es vier seiner Elektronen an die umliegenden Siliziumatome, während das fünfte Elektron „frei“ bleibt. Dieses freie Elektron kann sich im Kristallgitter bewegen und trägt zur elektrischen Leitfähigkeit bei.

• Freie Elektronen sind die Hauptladungsträger in einem n-dotierten Halbleiter.
• Der Halbleiter besitzt nach der Dotierung mehr Elektronen im Leitungsband und daher eine höhere elektrische Leitfähigkeit.
• Das „n“ in n-Dotierung steht für „negativ“, da die freien Elektronen negativ geladen sind.

2. p-Dotierung (positiv-dotierter Halbleiter)

Bei der p-Dotierung wird das Halbleitermaterial mit Elementen der 3. Hauptgruppe wie Bor, Aluminium oder Gallium dotiert. Diese Atome haben nur drei Valenzelektronen. Wenn beispielsweise ein Boratom (mit drei Valenzelektronen) ein Siliziumatom ersetzt, fehlt ihm ein viertes Elektron, um die Bindungen im Kristallgitter vollständig zu vervollständigen. Dadurch entsteht eine Elektronenlücke oder „Loch“, die als positiver Ladungsträger betrachtet wird. Diese Löcher können sich bewegen, indem benachbarte Elektronen in die Lücke springen.

• Löcher sind die Hauptladungsträger in einem p-dotierten Halbleiter.
• Ein p-dotierter Halbleiter hat eine erhöhte Anzahl von Löchern im Valenzband, was die elektrische Leitfähigkeit verbessert.
• Das „p“ in p-Dotierung steht für „positiv“, da die Löcher als positive Ladungsträger wirken.

3. Kombination von n- und p-Dotierung: Die pn-Übergänge

In den meisten Halbleiterbauelementen, wie Dioden und Transistoren, werden sowohl n-dotierte als auch p-dotierte Regionen kombiniert, um den Stromfluss zu steuern. Der Übergang zwischen einem n-dotierten und einem p-dotierten Bereich wird als pn-Übergang bezeichnet. Dieser Übergang hat besondere elektrische Eigenschaften, die es ermöglichen, den Stromfluss nur in eine Richtung zuzulassen (z. B. in Dioden) oder den Stromfluss zu steuern (z. B. in Transistoren).

Techniken zur Dotierung

Die Dotierung eines Halbleiters erfolgt typischerweise durch zwei Hauptverfahren:

• Diffusion: Bei diesem Verfahren wird der Wafer in eine Umgebung gebracht, die Dotieratome enthält, und bei hoher Temperatur „gebacken“. Die Dotieratome diffundieren in das Halbleitermaterial und lagern sich an den Gitterstellen ab.
• Ionenimplantation: Hierbei werden die Dotieratome als Ionen beschleunigt und mit hoher Energie in den Halbleiter eingebracht. Dieser Prozess ermöglicht eine sehr präzise Steuerung der Dotierkonzentration und -tiefe.

Nach der Dotierung folgt oft ein Tempern, ein thermischer Prozess, der dazu dient, die Dotieratome in das Kristallgitter des Halbleitermaterials zu integrieren und Defekte zu heilen, die durch die Dotierung entstanden sind.

Warum ist Oxidation entscheidend für Halbleiter?

Haben die Wafer ihre Dotierung erfolgt mit Oxidation und Isolierung von Halbleiterschichten die nächsten Bearbeitungsschritte. Diese Prozesse spielen eine entscheidende Rolle bei der elektrischen Isolation zwischen verschiedenen Schichten eines Mikrochips und dem Schutz der aktiven Schaltkreise. Besonders das thermische Siliziumdioxid (SiO₂) ist von großer Bedeutung, da es als Isolationsschicht, als Schutzschicht und als Teil der Transistorstruktur dient.

Oxidation von Halbleitern

Die Oxidation bezieht sich auf den Prozess, bei dem die Oberfläche des Halbleitermaterials – üblicherweise Silizium – in Siliziumdioxid (SiO₂) umgewandelt wird. Dies geschieht in speziellen Hochtemperaturöfen, in denen das Silizium in einer sauerstoffreichen Umgebung erhitzt wird. Dabei entsteht eine dünne, dichte Schicht aus Siliziumdioxid.

Schritte der thermischen Oxidation:

1. Waferaufbereitung: Der Siliziumwafer wird gereinigt und vorbereitet, um Verunreinigungen zu entfernen und die Qualität der Oxidschicht zu gewährleisten.
2. Temperaturerhöhung: Der Wafer wird auf Temperaturen zwischen 900 und 1200°C erhitzt, um die Oxidation zu beschleunigen.
3. Zufuhr von Sauerstoff oder Wasserdampf: Das Oxidationsmedium wird in den Ofen eingeleitet. Es gibt zwei Hauptarten der Oxidation:
• Trockene Oxidation: Hier wird reiner Sauerstoff verwendet. Diese Methode erzeugt eine dichte, aber relativ dünne Oxidschicht und wird häufig für Gate-Oxide verwendet.
• Nasse Oxidation: Wasserdampf wird verwendet, um schnellere Oxidationsraten zu erzielen. Diese Methode erzeugt dickere Oxidschichten und wird oft für Isolationszwecke verwendet.
4. Kühlung und Kontrolle der Schichtdicke: Die Oxidschicht wird auf die gewünschte Dicke gebracht und der Wafer abgekühlt. Die Dicke der Oxidschicht kann je nach Anwendungszweck zwischen einigen Nanometern und mehreren Mikrometern liegen.

Isolierung von Schichten in Halbleitern

Neben der Oxidation gibt es verschiedene weitere Isolierungstechniken, um die verschiedenen Schichten eines Halbleiters voneinander zu trennen. Dies ist notwendig, um Kurzschlüsse zu vermeiden und eine präzise Steuerung des Stromflusses zu ermöglichen.

• Dielektrische Materialien: Neben SiO₂ werden auch andere dielektrische Materialien wie Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Polyimide verwendet, um verschiedene Schichten zu isolieren. Diese Materialien haben eine hohe dielektrische Festigkeit und verhindern, dass Strom zwischen verschiedenen leitfähigen Schichten fließt.
• Interlayer-Dielektrikum (ILD): Dies ist eine spezielle Schicht, die verwendet wird, um verschiedene Metallisierungsebenen in modernen Mikrochips voneinander zu isolieren. Sie dient als Isolator zwischen den Metallverbindungen, die auf verschiedenen Ebenen des Chips verlaufen, und verhindert Kurzschlüsse.
• Passivierungsschichten: Am Ende des Herstellungsprozesses wird eine Passivierungsschicht aufgebracht, die die gesamte Oberfläche des Wafers schützt. Diese Schicht besteht häufig aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid und schützt den Chip vor äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit, Staub oder chemischen Verunreinigungen.

Metallisierung: Leitbahnen für elektronische Verbindungen

Das Aufbringen der Leitungen im Rahmen der Metallisierung erfolgt in mehreren Schritten, die darauf abzielen, eine dünne Metallschicht präzise auf die Oberfläche des Halbleiterwafers zu bringen. Hier sind die wichtigsten Schritte:

1. Oxidschicht und Grabenstruktur

Bevor die Metallisierung beginnt, wird auf dem Silizium-Wafer oft eine Isolationsschicht aus Siliziumdioxid (SiO₂) aufgetragen. In diese Schicht werden durch einen Fotolithografie-Prozess winzige Gräben und Löcher (Vias) geätzt, die später die leitenden Bahnen und Verbindungen zwischen den Schichten aufnehmen sollen.

2. Abscheidung der Metallschicht

Es gibt mehrere Verfahren, um die Metallschichten (meist Kupfer oder Aluminium) in die geätzten Gräben und Vias zu bringen:

• Sputterdeposition (Sputtern)

Hierbei wird ein Metalltarget mit Ionen beschossen, sodass Metallatome herausgelöst und auf die Wafer-Oberfläche abgeschieden werden. Diese Technik ist weit verbreitet, wenn eine dünne und gleichmäßige Schicht aufgetragen werden soll. Beim Sputtern gelangen die Metallatome in die Gräben und Vias, allerdings füllen sie diese nicht vollständig aus.

• Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)

Dieses Verfahren verwendet gasförmige chemische Verbindungen, die auf die Wafer-Oberfläche gebracht werden. Durch chemische Reaktionen an der Oberfläche entstehen dünne Metallfilme. CVD eignet sich besonders für das Beschichten komplexer Strukturen und zur Herstellung sehr dünner Schichten.

• Galvanische Abscheidung (Elektroplattierung)

Kupfer wird in modernen Chips oft durch galvanische Abscheidung aufgebracht. Hierbei wird der Wafer in eine elektrolytische Lösung getaucht, die Kupferionen enthält. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung lagern sich die Kupferionen auf der Wafer-Oberfläche ab und füllen die Gräben und Vias vollständig aus. Dieses Verfahren ist besonders effizient bei der Herstellung feiner Leiterbahnen und Verbindungen.

• CMP

Nach der Metallabscheidung sind die Gräben und Vias gefüllt, aber es befindet sich oft überschüssiges Metall auf der Oberfläche. Um die Oberfläche zu glätten und überschüssiges Material zu entfernen, wird das Chemical Mechanical Polishing (CMP) eingesetzt. Dieses Verfahren schleift und poliert die Oberfläche mechanisch und chemisch, bis eine gleichmäßige Schicht entsteht.

• Schutzschichten und Passivierung

Nach der Metallisierung wird oft eine Schutzschicht (Passivierung) aufgetragen, um die Metallleitungen vor Umwelteinflüssen und mechanischen Schäden zu schützen. Diese Schichten bestehen typischerweise aus Oxiden oder Nitriden.

Test und Packaging: Funktion und Schutz sicherstellen

Nachdem ein Halbleiterchip durch verschiedene Produktionsschritte wie Fotolithografie, Ätzen, Dotierung und Metallisierung gefertigt wurde, sind Test und Verpackung die letzten, aber entscheidenden Phasen im Herstellungsprozess. Diese Schritte stellen sicher, dass die Halbleiterbauelemente fehlerfrei funktionieren und in der realen Anwendung zuverlässig arbeiten.

Test von Halbleitern

Der Testprozess ist essenziell, um sicherzustellen, dass die Chips, die von der Fertigungsanlage kommen, die geforderten Spezifikationen erfüllen. Hierbei wird jeder Chip auf verschiedene Parameter hin überprüft, um Funktions- und Qualitätsfehler auszuschließen. Zu den typischen Tests gehören:

• Wafer-Level-Tests (Sortierung auf Wafer-Ebene)

Der erste Test erfolgt noch auf Wafer-Ebene, bevor der Wafer in einzelne Chips (Dies) geschnitten wird. Hierbei kommen spezielle Testgeräte zum Einsatz, die die elektrischen Verbindungen des Chips überprüfen, um sicherzustellen, dass alle Schaltkreise korrekt funktionieren. Dabei werden die wichtigen elektrischen Parameter wie Spannungen, Ströme und Taktraten gemessen. Chips, die bereits hier Defekte aufweisen, werden als unbrauchbar markiert und später nicht weiterverarbeitet.

• Final Test (Endtest)

Nach dem Zuschneiden und dem Packaging des Chips folgt ein weiterer Test, der sogenannte Final Test. Hierbei wird der Chip unter möglichst realen Betriebsbedingungen geprüft. Es wird kontrolliert, ob er bei verschiedenen Temperaturen, Spannungen und Belastungen die geforderten Spezifikationen einhält. Dies stellt sicher, dass die Chips auch unter den unterschiedlichen Einsatzbedingungen stabil arbeiten.

Packaging von Halbleitern

Nachdem die Tests abgeschlossen und die Chips als funktionsfähig bewertet wurden, beginnt das Packaging. Es schützt den empfindlichen Halbleiterchip vor mechanischen und elektrischen Einflüssen und stellt die Verbindung zu den äußeren Kontakten her, sodass der Chip in elektronischen Schaltungen verwendet werden kann.

Funktionen des Packagings

• Mechanischer Schutz: Der Chip wird durch das Package vor äußeren Einflüssen wie Staub, Feuchtigkeit und mechanischer Belastung geschützt.
• Elektrische Verbindung: Die winzigen internen Verbindungen auf dem Chip müssen mit den äußeren Anschlüssen des Packages verbunden werden, um später in einer Leiterplatte verwendet werden zu können. Diese Verbindungen werden durch feine Drähte oder spezielle Kontaktflächen hergestellt.
• Wärmeableitung: Besonders bei Hochleistungschips wie Mikroprozessoren ist es entscheidend, dass die entstehende Wärme effektiv abgeführt wird. Viele Packages integrieren deshalb spezielle Wärmesenken oder Materialien, die die thermische Leitfähigkeit erhöhen.

Packaging-Prozess

Der Verpackungsprozess umfasst mehrere Schritte:

• Die Attach (Chip-Montage): Der Chip (Die) wird auf eine Trägerstruktur montiert. Dies kann durch Kleben oder durch eine Lotverbindung erfolgen.
• Wire Bonding (Drahtbonden): Feine Golddrähte oder Kupferdrähte verbinden die Kontaktpads des Chips mit den Anschlüssen des Packages. Alternativ können auch Flip-Chip-Technologien verwendet werden, bei denen die Kontaktflächen direkt mit den Lötpunkten des Packages verbunden werden.
• Encapsulation (Verguss): Der Chip und seine Verbindungen werden meist durch einen schützenden Kunststoff oder ein anderes Vergussmaterial umhüllt, um ihn vor äußeren Einflüssen zu schützen.
• Markierung und Trimmen: Der verpackte Chip wird gekennzeichnet, damit er später identifiziert werden kann. Bei einigen Packages müssen zudem überflüssige Teile, wie zum Beispiel Haltevorrichtungen, entfernt werden.