Ist das Mobiltelefon sehr „fortgeschritten“? Tatsächlich besteht der wichtigste Teil aus Sand→→→

In der letzten Ausgabe haben wir die Funktionen von Chips, die Rolle von Halbleitern und die Vorteile von Silizium vorgestellt. Wenn Sie Chips herstellen möchten, müssen Sie Silizium-Wafer mit ausreichend hoher Reinheit herstellen. Lassen Sie uns heute weiter darüber sprechen, wie man Silizium-Wafer herstellt, die rein genug sind. Dies ist eine lange Geschichte, durchdrungen von menschlicher Weisheit.

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Rohstoffreinigung

Quarzsand → Silizium

Ein guter Koch kann nicht ohne Reis kochen. Wenn Sie reine Silizium-Wafer herstellen möchten, benötigen Sie zunächst reine Silizium-Rohstoffe. Dabei wird Sand mit Koks, Kohle oder Holzspänen vermischt und die Mischung zur Hochtemperaturerhitzung in einen Graphitlichtbogenofen gegeben. Bei Temperaturen über 1900°C wird Quarzsand durch verschiedene chemische Reaktionen zu Silizium reduziert . Die wichtigsten chemischen Reaktionen sind die folgenden:

SiO2+C=Si+CO2 ↑

SiO
2+2 C=Si+2 CO ↑

Quarzsand, urheberrechtlich geschütztes Bild aus der Galerie, unerlaubte Reproduktion

Es scheint nicht schwierig zu sein, und reines Silizium kann in nur wenigen chemischen Reaktionen hergestellt werden. Tatsächlich kann die Reinheit von Silizium derzeit jedoch nur bis zu 98 % erreichen. Es ist also noch weit davon entfernt, als Rohstoff für Silizium-Wafer verwendet zu werden und muss weiter gereinigt werden.

Verflüssigung und Reinigung

Eine der am häufigsten verwendeten Methoden im Reinigungsprozess ist die Verflüssigung . Dies liegt daran, dass die Flüssigkeitsreinigung viel einfacher ist als die Feststoffreinigung und es mehr Methoden gibt. Daher besteht der nächste Schritt darin, das Rohsilizium zu chlorieren, um Chloride wie Siliziumtetrachlorid (SiCl4) oder Trichlorsilan (SiHCl3) zu bilden, die beide bei Raumtemperatur flüssig sind.

Durch mehrfache Destillation von Siliziumtetrachlorid oder Trichlorsilan und Reinigung mit anderen Flüssigkeiten können hochreine Chloridlösungen gewonnen werden. Schließlich können wir durch chemische Reduktion des hochreinen Chlorids Polysilizium in Chipqualität mit einer Reinheit von über 99,9999999 % erhalten.

SiCl4 + 2H2 → 4HCl + Si

Hochreines Polysilizium, urheberrechtlich geschütztes Bild aus der Galerie, keine Erlaubnis zum Nachdruck

Ist dies das Ende des Prozesses zur Herstellung von Silizium-Rohstoffen? Gar nicht! Obwohl hochreines polykristallines Silizium hergestellt wurde, muss das zur Herstellung von Chips verwendete Silizium einkristallines Silizium sein. Obwohl sich die beiden nur durch einen Buchstaben unterscheiden, liegen in der Anordnung ihrer inneren Atome Welten zwischen ihnen: Die Kristallgerüststruktur von einkristallinem Silizium ist gleichmäßig und die Siliziumatome sind geordnet angeordnet; während die Anordnung der Siliziumatome in polykristallinem Silizium ungeordnet ist.

Schematische Darstellung von monokristallinem Silizium (links) und polykristallinem Silizium (rechts), Zeichnung von Wang Zhihao

Dies ist vergleichbar mit dem Asphaltieren einer Straße: Bevor die Arbeiter die oberste Asphaltschicht auftragen, müssen sie zunächst den Boden mit Erde einebnen und das Fundament verdichten. Ist der Untergrund nicht eben genug, entstehen auf der oberen Asphaltstraße Schlaglöcher oder Risse. Dasselbe gilt für Siliziumwafer. Wenn die Struktur des Siliziumwafers ungeordnet ist, also Gitterdefekte aufweist, dann werden nach der Dotierung die elektrischen Eigenschaften der verschiedenen Teile sehr unterschiedlich sein und auch die obere Logikschaltung wird erhebliche Mängel aufweisen. Daher muss für die Chipherstellung einkristallines Silizium ausgewählt werden.

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Vom Polysilizium zum monokristallinen Silizium

Wie wird aus polykristallinem Silizium einkristallines Silizium? Dies erfordert eine spezielle Technologie.

Das am häufigsten verwendete Verfahren zur Umwandlung von polykristallinem Silizium in einkristallines Silizium ist die CZ-Methode (im Folgenden als CZ-Methode bezeichnet). Unter Direktziehen versteht man das Ziehen von Siliziumstäben direkt aus „Magma“. Es handelt sich um den wichtigsten Prozessschritt bei der Herstellung von Siliziumwafern und bestimmt die Qualität und Reinheit der Siliziumwafer.

Schritt 1: Schmelzen von hochreinem Polysilizium

Der erste Schritt der CZ-Straight-Pull-Methode besteht darin, hochreines Polysiliziummaterial in einen Tiegel zu geben und es in einem geschlossenen Wärmefeld auf 1420 °C zu erhitzen, um das Polysilizium zu schmelzen.

Schmelzen von Polysilizium, Bildquelle: Animation zur Simulation der Silizium-Wafer-Produktion

Schritt 2: „Impfkristalle“ hinzufügen

Bei dem sogenannten Impfkristall handelt es sich um einen kleinen Kristall, der dem Zielkristall entspricht, also den Keim des gewachsenen Siliziumstabes. Hier handelt es sich um ein kleines Stück hochreines Einkristall-Silizium. Der Impfkristall ist das „Kind“ des Siliziumstabs und stammt in der Regel aus dem qualitativ hochwertigsten Teil des Siliziumstabs. An dieser Stelle fragen Sie sich vielleicht, woher der erste Kristallsamen der Welt stammt? Was war zuerst da, der Impfkristall oder der Siliziumstab?

Das ist wie die Henne-Ei-Frage, aber sie ist einfacher zu beantworten. In einem Labor, in dem die Kosten keine Rolle spielen, können hochreine Impfkristalle leicht gewonnen werden. In einem normalen Labor kann hochreines Einkristallsilizium durch Methoden wie die chemische Dampftechnologie gewonnen werden. Daher stand bei der Frage, was zuerst da war, der Impfkristall oder der Siliziumstab, das „Ei“ an erster Stelle.

Einsetzen des Impfkristalls, Bildquelle: Animation zur Simulation der Silizium-Wafer-Produktion

Schritt 3: Herausziehen und drehen

Zurück zum dritten Schritt der CZ-Methode: Der Impfkristall wird langsam vertikal aus dem „Magma“ gezogen und gedreht. Der Kristall wächst am unteren Ende des Impfkristalls und wird beim Ziehen des Impfkristalls zu einem Kristallstab allmählich größer. Die Eigenschaften des gewachsenen Kristalls und des Impfkristalls sind dieselben, beide sind einkristallines Silizium.

Vertikale Dehnung zur Bildung eines Kristallstabes. Bildquelle: Animation zur Simulation der Silizium-Wafer-Produktion

Diese Methode klingt einfach, ist aber tatsächlich viel schwieriger als Sie denken. Um Siliziumstäbe mit extrem hoher Gleichmäßigkeit herzustellen, muss dieser große Topf mit magmaähnlicher Silizium-„Paste“ jederzeit auf einer stabilen Temperatur gehalten werden. Gleichzeitig müssen die Zug- und Rotationsgeschwindigkeit der Siliziumstäbe äußerst stabil sein. Darüber hinaus muss der gesamte Kristallziehprozess in einer Umgebung mit hoher Temperatur und Unterdruck durchgeführt werden.

Heutzutage wird der Durchmesser von Wafern immer größer, von den früheren 4 Zoll (1 Zoll = 2,54 cm) auf die aktuellen 12 Zoll und zukünftig sogar 18 Zoll. Man strebt nach größeren Durchmessern. Denn je größer der Durchmesser der Siliziumscheibe ist, desto mehr Chips können aus derselben Siliziumscheibe hergestellt werden, was die Kosten entsprechend senkt.

Allerdings führt die Vergrößerung des Durchmessers der Siliziumwafer zu einem exponentiellen Anstieg der Herstellungsschwierigkeiten. Zunächst muss der Durchmesser des Kristallstabs, der dem Siliziumwafer entspricht, dicker sein, sodass auch die Größe des zum Erhitzen verwendeten Wärmefelds entsprechend erhöht werden muss und die Konvektion des Magmas ebenfalls komplizierter wird. Gleichzeitig werden der Temperaturgradient an der Fest-Flüssig-Grenzfläche und die Sauerstoffkonzentrationsverteilung schwer kontrollierbar, was bedeutet, dass auch die Steuerungsanforderungen für das Kristallziehen komplizierter werden.

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Kluge Leute haben diese Probleme jedoch perfekt gelöst, indem sie dem herkömmlichen CZ-Gerätesystem ein Magnetfeld hinzugefügt haben. Da geschmolzenes Silizium Strom leitet, ist es Kräften ausgesetzt, die durch die Wechselwirkung des Magnetfelds und der Strömung entstehen, welche die Konvektion des „Magmas“ verändern können. Darüber hinaus kann der Kristallwachstumsprozess bei geeigneter Magnetfeldverteilung auch den Eintritt von Verunreinigungen wie Sauerstoff, Bor und Aluminium in die Siliziumschmelze durch den Tiegel reduzieren und so hochohmige Siliziumstäbe mit kontrollierbarem Sauerstoffgehalt und besserer Gleichmäßigkeit herstellen.

Dieses Verarbeitungsverfahren, bei dem dem herkömmlichen CZ-Straight-Pull-Verfahren ein Magnetfeldgerät hinzugefügt wird, wird als magnetisch gesteuertes CZ-Einkristall-Herstellungsverfahren (im Folgenden als MCZ-Verfahren bezeichnet) bezeichnet. Diese maßgeschneiderten Vorteile machen es auch zur aktuellen Mainstream-Prozesstechnologie. Die MCZ-Methode kann entsprechend den unterschiedlichen angewandten Magnetfeldern in die Methode des longitudinalen Magnetfelds, die Methode des transversalen Magnetfelds und die Methode des Cusp-Magnetfelds unterteilt werden. Wie der Name schon sagt, sind die Richtungen der angelegten Magnetfelder unterschiedlich. Sie können unterschiedliche Funktionen erfüllen und unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.

Schematische Darstellung der longitudinalen Magnetfeldmethode, der transversalen Magnetfeldmethode und der Cusp-Magnetfeldmethode

(Bildquelle: Global Wafers Japan)

Der Kristallstabziehprozess ist ein komplexer systematischer Kontrollprozess mit hohem technischen Schwierigkeitsgrad, der eine lange Zeit der Erfahrungssammlung und Optimierung erfordert. Derzeit gibt es neben dem CZ-Verfahren auch das Floating Zone Melting-Verfahren (nachfolgend FZ-Verfahren genannt) zur Herstellung von Einkristall-Silizium. Bei der Methode des suspendierten Zonenschmelzens wird Wärmeenergie verwendet, um an einem Ende des Stabs eine geschmolzene Zone zu erzeugen und dann den Impfkristall zu schmelzen. Durch die Anpassung der Temperatur bewegt sich die geschmolzene Zone langsam zum anderen Ende des Stabes, durchläuft dabei den gesamten Stab und wächst in der gleichen Richtung wie der Impfkristall zu einem Einkristall heran.

Die CZ-Methode und die FZ-Methode haben jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile:

Die Vorteile des Direktziehverfahrens liegen darin, dass das erzeugte Silizium einen höheren Sauerstoffgehalt und eine größere mechanische Festigkeit aufweist und sich größere Siliziumstäbe leichter herstellen lassen. Gleichzeitig ist die Czochralski-Methode kostengünstiger und ermöglicht schnellere Kristallwachstumsraten. Daher werden heute etwa 85 % der Einkristall-Siliziumwafer mit der Czochralski-Methode hergestellt.

Allerdings hat die FZ-Methode auch ihre eigenen Vorteile. Beispielsweise ist der spezifische Widerstand von Einkristall-Silizium, das mit der FZ-Methode hergestellt wurde, sehr hoch , was es besonders für Hochleistungsgeräte wie Detektoren und Gleichrichter geeignet macht. Da beim FZ-Floating-Zone-Schmelzverfahren zudem Verunreinigungen durch den Tiegel vermieden werden, kann die Reinheit des Einkristall-Siliziums höher sein . Der Nachteil besteht jedoch darin, dass die hergestellten Siliziumstäbe klein sind – die größten sind nur 20 cm lang – und dass es schwierig ist, sie noch größer herzustellen.

Schematische Darstellung der FZ-Methode, Quelle: Global Wafers Japan

Nach Abschluss der oben genannten Produktionsprozesse haben wir schließlich nahezu reine Siliziumstäbe erhalten. Als nächstes treten wir in die nächste Verarbeitungsphase ein.

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Schneiden und Schleifen von Siliziumstäben

Anschließend werden Kopf und Schwanz der Siliziumstäbe abgeschnitten und die Siliziumstäbe guter Qualität werden für das nächste Wachstum in „Keimkristalle“ geschnitten. Da die gerade herausgezogenen Siliziumstäbe keine perfekten Zylinder sind, werden die verbleibenden Siliziumstäbe in geeignete Größen geschnitten, in eine Maschine gelegt und langsam gerollt und an den Seiten poliert, um den erforderlichen Radius und die gewünschte Form zu erhalten.

Siliziumstabschneiden, urheberrechtlich geschütztes Bild, unerlaubte Reproduktion

Anschließend werden die gemahlenen Siliziumstäbe in Scheiben geschnitten . Früher war das Schneiden von Siliziumstäben wie das Schneiden von Lammscheiben zu Hause, eine Scheibe nach der anderen. Obwohl die Schnittfläche glatt war, war die Effizienz zu gering. Heutzutage werden mehr Diamantdraht-Mehrdraht-Schneidemaschinen verwendet, und die Anzahl der bei jedem Schnitt geschnittenen Scheiben hängt von der Anzahl der Diamantdrähte ab. Obwohl die Schnittfläche nicht so glatt ist wie bei der vorherigen Innenkreisschneidemaschine, ist sie effizienter.

Mehrdrahtschneiden, Bildquelle: Global Wafers Japan

Die geschnittenen Siliziumscheiben werden einer mechanischen Politur unterzogen, um ihre Oberfläche glatter zu machen. Einige Silizium-Wafer müssen außerdem eine raue Rückseite haben, um künstlich Defekte zu erzeugen, sodass in nachfolgenden Prozessen hinzugefügte Verunreinigungen auf der Rückseite abgefangen werden können, um das Gerät zu schützen. Darüber hinaus müssen die Kanten des Silizium-Wafers bogenförmig poliert werden, um Kantenrisse zu vermeiden und die nachfolgende Fotolithografie zu erleichtern.

Nach dem Polieren wird es zum chemischen Ätzen in Salpetersäure oder Flusssäure gelegt, um die mechanischen Schäden zu entfernen, die sich während des vorherigen Poliervorgangs auf dem Siliziumwafer angesammelt haben, sowie das in die Oberfläche des Siliziumwafers eingemischte Schleifmittel.

Nach einer Reihe von Prozessen wie Polieren und Ätzen ist die Oberfläche des Silizium-Wafers zwar spiegelglatt, für die Chipherstellung reicht das aber noch nicht aus.

Schleifen und Ätzen, Bildquelle: Global Wafers Japan

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Polieren und Reinigen von Silizium-Wafern

Obwohl die Oberfläche des Siliziumwafers nun so glatt wie eine Linse ist, muss sie noch einer chemisch-mechanischen Politur unterzogen werden, einem Schritt, bei dem physikalische und chemische Poliermethoden kombiniert werden. Der Siliziumwafer wird zunächst auf ein rotierendes Polierinstrument gelegt. Die dünne Schicht auf der Oberfläche wird durch die Schleifflüssigkeit chemisch oxidiert und dann mit dem Polierpad physikalisch poliert, bis die Siliziumscheibe eine nahezu perfekte Spiegeloberfläche aufweist.

Chemisch-mechanisches Polieren und Reinigen, Bildquelle: Global Wafers Japan

Nach diesem Schritt erreicht die Ebenheit des Siliziumwafers ein sehr hohes Niveau. Die Ebenheit eines 12-Zoll-Silizium-Wafers muss auf 51 Nanometer genau kontrolliert werden. Die meisten Menschen verstehen diese Flachheit vielleicht nicht, aber wenn wir sie millionenfach vergrößern, entspricht sie der maximalen Schwankung innerhalb eines Kreises mit der Entfernung von Peking nach Shanghai als Durchmesser von nicht mehr als 25 Zentimetern .

Anschließend muss der Siliziumwafer mit deionisiertem Wasser und verschiedenen chemischen Lösungsmitteln gereinigt werden, um verschiedene Staubpartikel und Verunreinigungen zu entfernen, die während des Herstellungsprozesses an der Oberfläche des Siliziumwafers haften. Diese Partikel können den Chipherstellungsprozess beeinträchtigen und leicht Kurzschlüsse oder Unterbrechungen in Geräten verursachen.

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Abschließend müssen die Siliziumscheiben geprüft werden. Einerseits muss die kritische Ebenheit und Oberflächenreinheit (keine Partikel) des Wafers gewährleistet sein. Andererseits müssen Indikatoren wie Verzug, Sauerstoffgehalt und Metallrückstände den Standards entsprechen, um die Qualität der Wafer sicherzustellen. Nachdem die Silizium-Wafer verschiedene Tests wie Elektronenmikroskopie und optische Streuung bestanden haben, werden sie in eine saubere Transportbox gelegt, in einem speziellen feuchtigkeitsdichten Beutel versiegelt und für weitere Prozesse sicher an die nächste Fabrik geschickt.

Angesichts dessen kann jeder erleichtert aufatmen. Der Vorbereitungsprozess der Siliziumwafer ist endlich abgeschlossen. Doch leider entsteht dabei nur ein leeres Blatt Papier. Der Siliziumwafer muss noch eine Reihe von Vorgängen wie Lithografie, Epitaxie und Ätzen durchlaufen, bevor er zu einem Wafer mit Hunderten von Chips werden kann. Anschließend müssen sie geschnitten und verpackt werden, bevor sie zu eigenständigen Chips werden und auf den Markt kommen können.

Sie werden vielleicht schockiert sein, dass ein scheinbar unbedeutender Siliziumchip einem so komplexen Herstellungsprozess unterliegt. Aber gleichzeitig sind Sie vielleicht auch neugierig auf die Entwicklung der Silizium-Wafer-Herstellungstechnologie in meinem Land? Wie hoch ist der Anteil der Silizium-Wafer-Industrie meines Landes? Weitere Einzelheiten erfahren Sie in der nächsten Folge.

Produziert von | Wissenschaftspopularisierung China

Autor: Wang Zhihao (Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Produzent｜China Science Expo

Eingereicht von: Computer Information Network Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

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