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HalbleitertechnologieDie Halbleitertechnologie definiert sich historisch und aufgrund der Verwendung der Produkte als Schlüsselkomponenten in elektrotechnischen Erzeugnissen als Teilgebiet der Elektrotechnik. Trifft man die Zuordnung aufgrund der eingesetzten Methoden und Verfahren und materialtechnischen Eigenschaften der hergestellten Produkte, so ist auch eine Zuordnung zu den Bereichen Chemietechnik und Keramik möglich und folgerichtig. Die Halbleitertechnologie befasst sich mit der technischen Herstellung mikroelektronischer Bauelemente und mikroelektronischer Baugruppen (Integrierte Schaltungen) vorwiegend aus Halbleitermaterialien (siehe auch: Mikroelektronik). Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
EinleitungDie von der Halbleitertechnologie eingesetzten Verfahren sind weitgehend chemischer Natur. Physikalische Methoden werden unterstützend eingesetzt (Lithographie, Implantation, Planarisieren, Messtechnik) Der überwiegende Teil der Bauelemente wird derzeit im Planarverfahren (Jean Hoerni – Realisierung mehrerer Schaltungsbestandteile in einem Substrat durch selektive Dotierung) hergestellt. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf dieses Verfahren. Die Funktion des mikroelektronischen Bauelements wird meist auf der Oberfläche eines Einkristalls aus Halbleitermaterial realisiert, indem man in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten auf das Basismaterial Schichten mit spezifischen elektrischen Eigenschaften (Schichten mit bestimmter Leitfähigkeit, Isolierschichten und Leiterbahnen) übereinander aufbringt. Durch die unterschiedlichen Eigenschaften der Einzelschichten entstehen in der Schichtfolge Transistorfunktionen, Kondensatoren, Widerstände und auch andere Bauelemente. Aus der Kleinheit, d.h. der Strukturgröße mikroelektronischer Bauelemente resultieren spezielle Anforderungen an das Fertigungsverfahren. So wird Partikelfreiheit im eigentlichen Herstellungsprozess und Staubfreiheit in der Fertigungsumgebung gefordert (Reinraumherstellung). In der Praxis wird häufig mit zwei verschiedenen Sichtweisen auf die Halbleitertechnologie geschaut:
HerstellungsprozesseDie einzelnen Elemente der mikroelektronischen Schaltungen werden auf einem Halbleitersubstrat, meist einem sogenannten Wafer, durch Dotierung/Legierung des Substratmaterials und durch gezieltes Aufbringen funktionaler Materialschichten erzeugt. Vorbereitung des AusgangsmaterialsIm engeren Sinn wird die Herstellung des Ausgangsmaterials nicht unter Halbleitertechnologie gefasst, soll hier aber zur Vollständigkeit beschrieben werden: Bei der Gewinnung von Halbleitermaterialien (Silizium, Germanium, Verbindungshalbleiter wie Gallium-Arsenid und Siliziumgermanium) werden durch chemische und chemisch-metallurgische Verfahren hochreine Einkristallsubstrate erzeugt (in wenigen Fällen, z. B. für Solarzellen, sind auch polykristalline Substrate im Einsatz). Um die einwandfreie Funktion der später zu realisierenden Bauteile zu gewährleisten, ist ein qualitativ sehr hochwertiges Substratmaterial erforderlich. Angestrebt wird ein möglichst fehlerfrei kristallisiertes, reines, homogenes Basismaterial. Sind diese Anforderungen nicht erfüllt, so können z. B. bei einzelnen Transistoren zufällig erhöhte Leckströme oder veränderte Arbeitspunkte auftreten. Auf Metallverunreinigungen liegt ein besonderes Augenmerk. Verunreinigungsniveaus im ppb- und ppt- Bereich sind hier typisch. Im Fall von Silizium wird aus einer mehrfach gereinigten Schmelze ausgehend von einem Keimkristall ein Zylinder von heute (2007) bis zu 300 mm Durchmesser und mehr als einem Meter Länge gezogen (siehe Czochralski-Verfahren und Zonenschmelzverfahren). Der Zylinder wird in unter 1 mm dicke Scheiben (Wafer) zersägt, die Wafer werden geschliffen und poliert. In dieser Form findet das Halbleitermaterial üblicherweise Eingang in die eigentliche Fertigung der Bauelemente Zu den weltweit größten Herstellern von Siliziumwafern zählt das deutsche Chemieunternehmen Wacker/Siltronic. Definition der StrukturenUm auf dem Substrat verschiedene Bauteile und Schaltungselemente realisieren zu können, müssen auf dem Ausgangsmaterial Gebiete definiert werden, die vom folgenden Prozessschritt betroffen sind und solche, die nicht betroffen sind. Dazu wird die Fotolithografie – ein fotografisches Verfahren – eingesetzt (vereinfachte Darstellung):
Beim Scanner wird anstatt der gesamten Fotomaske nur ein schmaler Steifen im optischen Linsensystem abgebildet. Durch eine synchronisierte Bewegung von Fotomaske und Wafer wird die gesamte Fotomaske auf den Wafer belichtet.
Damit sind die Teile des Wafers durch den Fotolack abgedeckt, die durch die folgenden Prozessschritte unverändert bleiben.
Die Strukturübertragung mittels Fotolithografie – einer der teuersten Prozessschritte in der Halbleiterherstellung – ist eine entscheidende Herausforderung in der traditionellen, auf Steigerung der Integrationsdichte durch Verkleinerung setzenden Planarhalbleitertechnik. Die Gesetze der Optik begrenzen hier schon heute die Möglichkeit zur weiteren Strukturverkleinerung. Daneben stößt man inzwischen aber auch bei anderen Prozessschritten an z. B. materialbedingte Grenzen. So erlauben z. B. die dielektrischen Eigenschaften bestimmter im Halbleiterprozess eingesetzter Standardmaterialen keine weitere Strukturverkleinerung. Auch die Querschnittsverkleinerung der Leiterbahnen führt zu Materialproblemen (Diffusion, Migration u.v.m.) Einen temporären Ausweg bietet die Verwendung neuer Strukturmaterialien wie z. B. der Einsatz spezieller Legierungen im Leiterbahnbereich oder der Einzatz modifizierter Dielektrika (low-k- und high-k-Materialien), da hierdurch grundsätzliche Veränderungen in der Technologie zunächst vermeidbar sind. Langfristig erscheint jedoch der Übergang von der planaren zur 3-dimensionalen Technologie (vertikale und horizontale Positionierung einzelner Bauelemente) unabdingbar, da hierdurch im Prinzip bei gleicher Bauteildimensionierung höhere Bauteilpackungsdichten realisierbar sind. Erste Schritte in Richtung 3D-Technologie werden derzeit gemacht (siehe z. B. DRAPA). Dotieren des AusgangsmaterialsUm die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters in bestimmten Regionen zu ändern, werden lokal Fremdatome in das Material eingebracht (Dotierung). Dies geschieht durch Ionenimplantation oder Diffusion. Die Fremdatome werden dabei in verschiedenen Tiefen und in unterschiedlichen regionalen Konzentrationen eingelagert.
Nach einer Implantation schließt sich immer ein Ofenprozess an (Temperung), um die implantierten Fremdatome, die sich auf Zwischengitterplätzen befinden, gleichmäßig in das Kristallgitter einzubauen und die im Kristallgitter entstandenen Schäden auszuheilen. (Das Kristallgitter des Substrats wird durch den Beschuss mit Ionen mechanisch geschädigt) Abscheiden und Aufwachsen von SchichtenSchichten aus isolierenden und leitenden Materialien werden für viele Zwecke auf dem Halbleitersubstrat aufgebracht.
Strukturieren von SchichtenUm im Grundmaterial Bereiche zu entfernen oder aus abgeschiedenen Schichten bestimmte Bereiche herauszulösen werden Ätzverfahren eingesetzt. Man unterscheidet zwischen anisotropen (richtungsabhängig) und isotropen (richtungsunabhängig) Ätzverfahren.
Planarisieren, Reinigen, MessenDadurch dass z. B. Leiterbahnen ein gewisses strukturelles Muster auf der Oberfläche des Substrates erzeugen, kommt es zu störenden Unebenheiten (z. B. Störung der Lithographie durch Schrägreflexion, Ungleichmäßigkeiten in folgenden Abscheidungen). Daher wird an mehreren Stellen im Fertigungsablauf der Wafer wieder planarisiert. Das kann durch selektives Zurückätzen oder durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) erfolgen. Nicht nur das Polieren hinterlässt Partikel auf der Oberfläche, die für den nächsten Lithografieschritt völlig rein und eben sein muss. Auch z. B. Ätzprozesse hinterlassen Rückstände von unerwünschten Reaktionsprodukten. Im ersten Fall werden die Wafer mechanisch durch Bürsten und Ultraschallbad gereinigt, im zweiten Fall durch nasschemische Verfahren und ebenfalls Ultraschall. Um die feinen Strukturen und dünnen Schichten mit Toleranzen von wenigen Nanometern zuverlässig erzeugen zu können, braucht man weiterhin sehr leistungsfähige Messverfahren zur Prozesskontrolle. An die Produktionssteuerung werden erhebliche Ansprüche gestellt. Es liegt keine Fließfertigung vor, sondern eine so genannte Werkstattfertigung. Die Produktionsdauer für ein Los (i. allg. 25 Wafer) in einer typischen Halbleiter-Fabrik bei kontinuierlicher Fertigung (7 Tage pro Woche, 24 Stunden pro Tag) liegt zwischen einigen Tagen und einigen Monaten, abhängig von der Komplexität des Produktes. HalbleiterstrukturenDurch die Abfolge der Einzelprozesse werden auf (bzw. in) dem Halbleitersubstrat Wannen unterschiedlicher Leitfähigkeit, Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, Leiterbahnen und vieles mehr realisiert. Exemplarisch wird das Zusammenwirken der Prozesse an der Struktur eines Transistortyps erklärt. TransistorstrukturZur Herstellung einer Transistorebene auf einem Halbleitersubstrat ist eine Vielzahl der oben erklärten Prozessschritte notwendig.
Der heute übliche Fertigungsablauf für Transistoren enthält noch eine Vielzahl weiterer Prozesse, z. B. diverse Hilfsdotierungen oder dickere Gatedielektrika für Dickoxidtransistoren. Status und AusblickIn weniger als einem Jahrzehnt hat sich Halbleitertechnik zur Schlüsseltechnologie des 20. Jahrhunderts entwickelt. Der Kalte Krieg und die daraus resultierenden militär- und informationstechnischen Bedürfnisse waren Geburtshelfer, Katalysator und sind bis heute entscheidende Triebfeder der Entwicklung (siehe z. B. neuste Entwicklungen in der Prozessortechnik, Datenspeicherung, Signalverarbeitung, Optoelektronik etc.). Der Aufbau eines stabilen produktionstechnologischen Gerüsts wurde erst durch die kommerzielle Fertigung mikroelelektronischer Schaltungen im großindustriellen Maßstab, z. B. für die ersten Taschenrechner, erzwungen. Die Rolle des technologischen Vorreiters, den die Halbleitertechnik über Jahrzehnte innehatte, beginnt langsam zu verblassen. Andere Technologien wie die Biotechnologie haben begonnen, die Stafette zu übernehmen. Die Halbleitertechnik befindet sich heute im Übergang von einer jungen Technologie zu einer gereiften und sich konsolidierenden Technologie (Technologielebenszyklus). In Zukunft werden in erster Linie kleine, aus rein technischer Sicht durchaus herausfordernde Innovationsschritte und evolutionäre Detailverbesserungen die Szene bestimmen. Das Ziel ist und wird es sein, die Möglichkeiten der bestehenden Technologie auszuschöpfen. Diskontinuitäten in der Entwicklung (Quantensprünge), ohnehin bei großtechnischen Produktionstechnologien kaum zu erwarten, werden dagegen unwahrscheinlicher. Das bekannte Mooresche Gesetz beschreibt diesen konservativ-monodirektionalen Prozess mit großer Präzision. Wann das zu erwartende Abknicken oder Abbrechen der Mooreschen Geraden und damit das Ende der stetig-evolutionären Entwicklung beginnt, bleibt abzuwarten. Kennzeichnend für das Reifestadium, das die Halbleitertechnik inzwischen erreicht hat, sind auch die exponentiell steigenden Kosten, die die Weiterentwicklung der existierenden Technologie verursacht. Die nicht mehr zufriedenstellende Kostenstruktur und der traditionell hohe bzw. weiter steigende Subventionsbedarf sind deutliche Indikatoren für "Entwicklungsaltlasten" und für die Spannungen, die der Wechsel von Technologie- zu Kostenorientierung erzeugt. Eine auch technologisch eher pragmatische Sichtweise wird daher in Zukunft Platz greifen und wie bei früheren Wegbereiterbranchen (Montanindustrie, Chemie, Maschinenbau und Automobilindustrie) zu Rationalisierung, Kostensenkungen und Modernisierungsdruck führen. Politische Instanzen werden trotz zu erwartender Widerstände die geeigneten Bedingungen hierfür schaffen müssen. Gerade die mikroelektronische Industrie hat wie wohl keine andere Industrie seit den ersten Anfängen konsequent die Subventionskarte gespielt, nationale Förderprogramme und die Möglichkeiten des globalen Standortwettbewerb zur nachhaltigen Kostenminderung genutzt. Den hierdurch entstandenen globalen, eng vernetzten, z.T. monopolartigen Strukturen, die auch den Zulieferbereich umfassen, gilt es aufzulösen, hierdurch kreative Prozesse zu fördern und innovationsschädliche Abhängigkeiten zu verringern. Die wirtschaftwissenschaftliche/industriepolitische Forschung ist aufgerufen, hier einen Betrag zu leisten und Lösungsansätze zu erarbeiten, deren Relevanz über das in Rede stehende Industriesegment hinausgeht. Letztendlich liegt es jedoch im Eigeninteresse der Industrie, sich frühzeitig auf die sich klar abzeichnenden Entwicklungen einzustellen und neue Wege zu beschreiten – für manch etablierten Marktteilnehmer ein sicherlich schwieriger und schmerzhafter Prozess. UmweltschutzZu Beginn der Massenfertigung von Halbleiterbauelementen wurde den Umweltschutzaspekten recht wenig Beachtung geschenkt. Vor allem im Silicon Valley kam es in den späten 1960er und frühen 1970er Jahren zu großflächigen Grundwasserverschmutzungen. Diese Vorfälle brachten erstmalig die Kehrseite einer bislang als besonders fortschrittlich geltenden Industrie zum Vorschein. In der Tat werden im Zusammenhang mit der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente umweltgefährdende Substanzen produziert, eingesetzt und emittiert. Hierzu zählen u. a. zahlreiche Schwer- und Halbmetalle, ozonschichtzerstörende Substanzen und Treibhausgase. Rückstände fallen – ggf. in umgewandelter und vermischter Form – als Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase an. Viele der Einsatzstoffe werden aus technischen oder ökonomischen Gründen nicht recycled. Seit Mitte der 1980er Jahre traten in vielen Industrieländern gesetzliche Regeln in Kraft, die die Industrie veranlasst haben, Maßnahmen zur lokalen Reduzierung des Umweltgefährdungspotentials zu implementieren. In den Boomregionen Asiens werden Unweltschutzaspekte jedoch oft ökonomischen Interessen untergeordnet. Freiwillige Regularien wie die seit Mitte der 1990er Jahre einsetzende internationale Standardisierung z. B. nach ISO 14001 (Environmental Management Systems) greifen dort naturgemäß wenig, solange sie nicht von nationalem Recht unterstützt werden. (Hier wäre ein Link zu einem Artikel der die weltweiten Umweltauswirkungen von Grundstoffindustrie, Agrochemie, Energiewirtschaft, Verkehr etc. vergleicht ganz hilfreich) Kategorien: Festkörperphysik | Halbleitertechnologie |
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