Ein Chip entsteht. Vom Sand zum Mikrochip
Erfahren Sie, mit welch komplexen Verfahren moderne Halbleiter – Grundlage der heutigen Gesellschaft – hergestellt werden.

Halbleiter – Grundlage der modernen Gesellschaft. Ihre Bedeutung, ihre Entstehung

Mikroelektronik ist für den Menschen meist unsichtbar – in unserem täglichen Leben ist sie jedoch ein ständiger Begleiter. Sie leistet einen entscheiden Beitrag zur fortschreitenden Entwicklung und Digitalisierung unserer Welt. Aber was steckt eigentlich hinter dieser Technologie?

Zu allererst einmal Sand – doch das ist längst nicht alles. Die Herstellung von Halbleiterchips ist ein komplexes und sehr aufwendiges Verfahren. Angefangen beim Rohmaterial Sand bedarf es vieler weiterer Herstellungsschritte bis das Endprodukt entsteht. In diesem Video wird ein Einblick in die Halbleiterproduktion und deren Teilschritte gegeben.

Sehen Sie sich das Video an und erfahren Sie mehr über den komplexen Fertigungsprozess.

(Dauer: ca. 15 Minuten)

Summary of the video

Infineon Technologies ist ein weltweit führender Anbieter von Halbleiterlösungen, die das Leben einfacher, sicherer und umwelt-freundlicher machen. Rund um den Globus arbeiten Experten in Forschungs- und Entwicklungsteams an innovativen Lösungen, um Antworten zu geben auf die globalen Herausforderungen unserer Zeit: das starke Wachstum der Weltbevölkerung, die Entstehung immer neuer Megacities und die gleichzeitige Verknappung der Ressourcen.  Mikroelektronik leistet einen entscheidenden Beitrag, um die immer zahlreicheren Menschen mit Energie zu versorgen, ihnen einen höheren Lebensstandard zu ermöglichen und dabei die Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren. Die Mikroelektronik ermöglicht intelligente Mobilität, effizientes Energiemanagement und sichere Erfassung und Übertragung von Daten. Täglich erlebt der Mensch somit bewusst oder unbewusst Abläufe, die von hochkomplexen mikro-elektronischen Systemen gesteuert werden. Klein, kaum wahrnehmbar sind Mikrochips unverzichtbare Begleiter unsers täglichen Lebens.

Der Rohstoff, aus dem Chips gemacht werden, ist Sand. Es sind aufwendige chemische und physikalische Prozesse notwendig, damit aus dem Sand ein einkristalliner Siliziumrohling von höchster Reinheit entsteht. Mit einer speziellen Säge-Technik werden hauchdünne Scheiben aus den Siliziumstäben geschnitten. Die entstehenden Scheiben, die sogenannten Wafer, bilden die Basis für die spätere Chipproduktion. Siliziumrohlinge werden in verschiedenen Durchmessern gefertigt. Die gängigen Größen betragen 150, 200 oder 300 mm. Je größer der Durchmesser, desto mehr Chips können darauf untergebracht werden. Silizium ist ein Halbleiter. Es kann somit hinsichtlich seiner elektrischen Leitfähigkeit sowohl als Leiter als auch als Nichtleiter betrachtet werden. Um ihn gezielt leitfähig zu machen, müssen geringe Mengen von bestimmten Fremdatomen eingebaut werden, die entweder über ein Außenatom mehr oder weniger verfügen. Je nach Anzahl der Außenelektronen wird das Material p-leitend oder n-leitend. Transistoren, die kleinsten Schalteinheiten der Mikrochips und der weitaus wichtigste Bestandteil elektronischer Schaltungen, basieren auf diesen p- und n-leitenden Schichten. Doch wie entstehen diese Schichten auf einem Wafer?

Layout und Design stehen am Anfang der Chipherstellung. In hochkomplexten Chips sind Milliarden von Transistoren verbaut und miteinander verschaltet. So können auch hochkomplexe Schaltungen wie Mikrokontroller und Kryptochips auf wenigen Quadratmillimeter kleinen Halbleiterplättchen untergebracht werden. Die hohe Zahl der Bauelemente erfordert einen aufwändigen Entwurfsprozess, der die Funktionen des Chips definiert. Während dieses Prozesses werden auch die technischen und physikalischen Eigenschaften des Chips simuliert, seine Funktionen getestet und die einzelnen Verbindungen der Transistoren errechnet.

Zuerst wird im Hochtemperaturofen bei etwa 1.000 Grad Celsius eine nichtleitende Schicht auf dem Wafer erzeugt. Diese entsteht durch die Oxidation der Oberfläche. Auf dieser nichtleitenden Oxidschicht wird Fotolack mit Zentrifugalkraft gleichmäßig verteilt, und so eine lichtempfindliche Schicht erzeugt. Nun wird der Wafer in speziellen Belichtungsgeräten durch eine Fotomaske belichtet. Dabei werden etwa bierdeckelgroße Bereiche der reprografischen Schablone des Chips Stück für Stück auf die Siliziumscheibe übertragen. Der belichtete Teil wird entwickelt und so die darunter liegende Oxidschicht freigelegt. Der unbelichtete Teil bleibt stehen und schützt entsprechend die Oxidschicht. Anschließend wird die freiliegende Oxidschicht an den entwickelten Stellen weggeätzt. Dann wieder Fotolack, Maske, Belichten und Herauslösen des belichteten Lacks. Nun wird sowohl das Polysilizium als auch die dünne Oxydschicht weggeätzt. Beides bleibt nur in der Mitte unter dem Lackschutz erhalten.

Im nächsten Schritt werden bei der Dotierung Fremdatome in das offen liegende Silizium eingebracht. Ein Ionenimplanter schießt dabei die Fremdatome in das Silizium. Im Bereich von Bruchteilen von Mikrometern verändert er die Leitfähigkeit der offen liegenden Siliziumflächen. Nachdem der Restlack entfernt wurde, wird wieder eine Oxidschicht erzeugt. Es folgt nochmals Fotolack, Maske, Belichten, Herauslösen. Kontaktlöcher werden geätzt, die den Zugang zu den leitenden Schichten frei machen, denn die Kontakte und Verbindungsleitungen müssen aufgebracht werden. Zu diesem Zweck werden in so genannten Sputteranlagen Metalllegierungen auf den Wafer gestäubt. Wieder folgen Fotolack und Maske. Die nicht belichteten Streifen bleiben nach dem Ätzen stehen und stellen den Kontakt zu den tiefer liegenden Schichten her. Da die Isolationsschicht über den Leiterbahnen eine glatte Oberfläche aufweisen muss, werden beim so genannten chemisch-mechanischen Polierverfahren Überstände im Mikrometerbereich abpoliert. In der Produktionslinie können diese einzelnen Arbeitsschritte mehrere Male ausgeführt werden, bis die integrierte Schaltung eines Bauteils fertig aufgebaut ist. Auf dem Wafer sind nun – je nach Größe und Art der Chips - einige Dutzend bis viele Tausend Chips entstanden.

Im letzten Arbeitsschritt, der sogenannten Montage, werden die einzelnen Chips in ein Gehäuse eingebracht und kontaktiert. Das Resultat sind die fertigen Halbleiterprodukte. Diese können über unterschiedliche Anschlussarten auf Platinen montiert werden. Es können über Tausend Anschlusskontakte realisiert werden. Um eine höchstmögliche Qualität und Ausbeute der produzierten Chips zu gewährleisten, werden in allen Herstellungsschritten modernste Technologien zur Überprüfung angewendet. Forscher und Entwickler kontrollieren die Chips immer wieder an verschiedenen Stellen des Fertigunsprozesses am Rasterelektronenmikroskop. Doch nur mit solch hoher Präzision und Qualität in der Fertigung - vom Siliziumrohling, über den Reinraum bis hin zur Qualitätskontrolle, können diese wichtigen Bauelemente entstehen, die unser tägliches Leben so umfangreich beeinflussen – heute und in Zukunft.