Wafer

    Als Wafer ['weɪfə(r)] (engl. „Waffel“ oder „Oblate“) wird in der Halbleiter-, Photovoltaikindustrie und Mikromechanik die kreisrunde oder quadratische, ca. 1 mm dicke Scheibe bezeichnet, die das Substrat (Grundplatte) darstellt, auf dem elektronische Bauelemente, vor allem integrierte Schaltkreise (IC, "Chip") oder mikromechanische Bauelemente oder photoelektrische Beschichtungen durch verschiedene technische Verfahren hergestellt werden.

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Diese Scheibe besteht in den meisten Fällen aus monokristallinem Silicium, es werden aber auch andere Materialien wie Siliciumcarbid, Gallium-Arsenid und Indium-Phosphid verwendet. In der Mikrosystemtechnik werden auch Glaswafer mit einer Dicke im 1-mm-Bereich verwendet.

Die Scheiben werden in verschiedenen Durchmessern gefertigt. Die zur Zeit hauptsächlich verwendeten Waferdurchmesser unterscheiden sich je nach Halbleiterwerkstoff und vorgesehenem Verwendungszweck (Silicium: 150 mm, 200 mm und 300 mm (450 mm sind in der Diskussion); Gallium-Arsenid: 2 Zoll, 3 Zoll, 100 mm, 125 mm und 150 mm (200 mm technisch machbar). Je größer der Wafer, desto mehr integrierte Schaltkreise (auch Chips genannt) können darauf untergebracht werden. Da bei größeren Wafern der geometrische Verschnitt kleiner wird, können die ICs kostengünstiger produziert werden (siehe Ausbeute (Halbleitertechnik)).

Für die meisten Anwendungen müssen die Oberflächen der Wafer optisch spiegelnd poliert sein. Hinsichtlich der Ebenheit der Wafer, der Perfektion der Politur und der Reinheit der Oberfläche gelten extreme Anforderungen. So sind beispielsweise nur Unebenheiten von wenigen Nanometern über die gesamte Waferfläche zulässig. Die Untersuchung der Oberfläche erfolgt z. B. mittels XPS.

Hergestellt werden die monokristallinen oder teilweise polykristallinen Scheiben nach verschiedenen Verfahren:

• Zonenschmelzverfahren
• Czochralski-Verfahren (Ziehen aus der Schmelze, Liquid Encapsulated Czochralski, LEC)
• Bridgman-Stockbarger-Verfahren
• Vertical Gradient Freeze (VGF)

Alle diese Verfahren liefern im Endeffekt mehr oder weniger zylinderförmige oder quadratische Ein- oder Polykristalle, die quer zu ihrer Längsachse in Scheiben, die Wafer, zersägt werden müssen. Um die Präzision für diesen speziellen Schnitt bei möglichst wenig Verschnitt zu optimieren, wurde das Innenlochtrennen entwickelt. Die Schneidblätter tragen dabei die Schneidzähne (ggf. Schneiddiamanten) auf der Innenseite einer Innenbohrung, die etwas größer als der Rohlingsdurchmesser sein muss. Mittlerweile hat sich jedoch auch das Sägen mit Drahtsägen, das ursprünglich nur für Solarwafer entwickelt wurde, mehr und mehr etabliert.

Kennzeichnung

Da für die Verarbeitung der Wafer die exakte Position in der bearbeitenden Maschine wichtig ist, wurden die Wafer früher (bei GaAs bis 125 mm Durchmesser auch heute noch) mit sogenannten Flats (flache Abschnitte) gekennzeichnet. Dabei wird mit Hilfe eines primären und eventuell eines sekundären Flats angezeigt, welche Winkelorientierung vorliegt und welche Kristallorientierung die Oberfläche hat (siehe Abbildung). Heute werden statt der Flats sogenannte Notches (Kerben) eingesetzt. Sie bieten den Vorteil der genaueren Positionierung und verursachen vor allem weniger Verschnitt.

Heutzutage wird außerdem eine eindeutige Waferkennzeichnung als Barcode, OCR-lesbarer Text und/oder Double dot matrix per Laser auf eine Stelle am Rand oder die Unterseite des Wafers geschrieben.

In der Photovoltaik

Die Rohmaterial-Blöcke (aus Silicium) werden als Ingot bezeichnet. Diese können monokristalline oder polykristalline Struktur besitzen. Die Form der Ingots und damit auch die der daraus hergestellten Wafer ist für Solarzellen meist quadratisch. Monokristalline Solarzellen gibt es daneben „pseudoquadratisch“, d. h. mit runden Ecken, die vom Einkristallstab stammen, und in Halbmondform (geteilte runde Wafer). Die Waferdicke ist meist wesentlich dünner als in der Halbleiterindustrie; bis herab auf 200 µm in der aktuellen Massenproduktion. Inzwischen spricht man auch von sogenannten Dünnschichtwafern (ca. 100 µm). Sie befinden sich allerdings noch im Erprobungsstadium. Die Wafer, die mehrere Bearbeitungsschritte durchlaufen, um zu fertigen Solarzellen zu werden, werden teilweise einzeln verbaut, meist aber zu Solarmodulen zusammengelötet. Dabei werden die Wafer in Reihe geschaltet, wodurch sich die elektrische Spannung erhöht.

Siehe auch

• Mikroelektronik