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außergewöhnliche Silizium-Wafer, Typ P N，2inch 4inch 6inch 8inch, einseitig poliert Epi bereit (anpassbar)

Silicon Wafer's Zusammenfassung

Siliziumwafer sind in der Halbleiterherstellung für elektronische Geräte unverzichtbar. Ihre Vielseitigkeit in der Form und ihre große Verfügbarkeit machen sie zu einer bevorzugten Wahl. In dieser Studie werden die Vorteile der Herstellung von Siliziumwafern untersucht, bei der sie in verschiedene Formen wie Zylinder oder Quadrate geformt werden. Der Prozess umfasst mehrere Schritte, die qualitativ hochwertige Ergebnisse gewährleisten.

Die primäre Ebene eines Siliziumwafers, die so genannte primäre Ebene, bestimmt die Kristallorientierung, wobei sekundäre und quartäre Ebenen durch Dotierungsniveaus und Orientierungen gekennzeichnet sind. In Silizium wird der kleinste Kristall als (100) bezeichnet, wobei die Primärebene die längste und größte ist. Die in der R-Ebene geschnittenen Sekundärfacetten geben den Dotierungsgrad an.

Die Eigenschaften von Siliziumwafern werden nach Typen klassifiziert, wobei intrinsische Wafer reines Silizium sind und P-Typen durch Elektronen gekennzeichnet sind. Diese Eigenschaften haben einen erheblichen Einfluss auf das elektrische Verhalten von Geräten. Darüber hinaus wirkt sich die Polarität eines Siliziumblocks auf Halbleiterverarbeitungstechniken wie Ätzen und Ionenimplantation aus. Das Polieren folgt auf die Formgebung des Barrens im Herstellungsprozess.

Schaufenster des Siliziumwafers

Silizium-Wafer
Silizium-Wafer

Eigenschaften des Siliziumwafers (teilweise)

  1. Reinheit: Siliziumwafer werden in der Regel aus hochreinem Silizium hergestellt, so dass Verunreinigungen, die die Leistung der Geräte beeinträchtigen könnten, minimal sind.
  2. Kristallstruktur: Siliziumwafer haben eine kristalline Struktur, wobei die Ausrichtung des Kristallgitters ihre elektrischen Eigenschaften beeinflusst.
  3. Doping: Unter Dotierung versteht man das absichtliche Einbringen von Verunreinigungen in das Siliziumgitter, um dessen elektrische Leitfähigkeit zu verändern. Siliziumwafer können mit bestimmten Elementen dotiert werden, um P-Typ- (positiv geladene) oder N-Typ- (negativ geladene) Bereiche zu erzeugen, was die Herstellung verschiedener Halbleiterbauelemente ermöglicht.
  4. Größe und Form: Silizium-Wafer gibt es in verschiedenen Größen, in der Regel mit einem Durchmesser von 2 bis 12 Zoll. Sie können in verschiedene Formen gegossen werden, z. B. rund oder quadratisch, um verschiedene Herstellungsverfahren zu ermöglichen.
  5. Oberflächenbehandlung: Die Oberfläche von Siliziumwafern wird in der Regel poliert, um ein hohes Maß an Ebenheit und Glätte zu erreichen und so die Einheitlichkeit bei der Herstellung von Bauelementen zu gewährleisten.
  6. Dicke: Silizium-Wafer sind in verschiedenen Dicken erhältlich, die je nach den spezifischen Anforderungen der Anwendung von einigen Mikrometern bis zu mehreren hundert Mikrometern reichen.
  7. Wärmeleitfähigkeit: Siliziumwafer weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, die eine effiziente Ableitung der beim Betrieb der Geräte entstehenden Wärme ermöglicht.
  8. Optische Eigenschaften: Siliziumwafer sind durchlässig für Infrarotstrahlung und eignen sich daher für den Einsatz in Infrarotsensoren und -detektoren.

Anwendung des Siliziumwafers

  1. Integrierte Schaltungen (ICs): Siliziumwafer sind das Ausgangsmaterial für die Herstellung von ICs, die wesentliche Komponenten in elektronischen Geräten wie Computern, Smartphones und Automobilelektronik sind.
  2. Solarzellen: Siliziumwafer werden für die Herstellung von Solarzellen für Photovoltaikanlagen verwendet, die Sonnenlicht in Strom für Privathaushalte, Gewerbe und Industrie umwandeln.
  3. MEMS-Geräte: Für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) wie Beschleunigungsmesser, Gyroskope und Drucksensoren werden aufgrund ihrer Kompatibilität mit Halbleiterfertigungsprozessen häufig Siliziumwafer als Substrat verwendet.
  4. Optoelektronik: Siliziumwafer werden für die Herstellung von optoelektronischen Bauelementen wie Leuchtdioden (LEDs), Fotodioden und optischen Schaltern verwendet, die in der Telekommunikation, Beleuchtung und Sensorik zum Einsatz kommen.
  5. Stromversorgungsgeräte: Siliziumwafer dienen als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen wie Dioden, Thyristoren und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), die in der Leistungselektronik wie Motorantrieben, Wechselrichtern und Stromversorgungen eingesetzt werden.
  6. Mikrofluidik: Siliziumwafer werden in mikrofluidischen Geräten für biomedizinische Anwendungen eingesetzt, z. B. in Lab-on-a-Chip-Systemen für die Verabreichung von Medikamenten, DNA-Analysen und Point-of-Care-Diagnosen.
  7. Wafer-Bonden: Siliziumscheiben werden mit verschiedenen Techniken mit anderen Materialien (z. B. Glas, Polymere) verbunden, um fortschrittliche Strukturen für Anwendungen in der Mikroelektronik, Optik und mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) zu schaffen.
  8. Halbleiter-Wafer-Test: Siliziumwafer werden als Substrate für die Prüfung von Halbleiterbauelementen während des Herstellungsprozesses verwendet, um ihre Qualität und Funktionalität vor der Integration in elektronische Systeme sicherzustellen.
  9. Halbleiter-Packaging: Siliziumwafer werden als Trägersubstrat für die Verpackung von Halbleiterchips in verschiedenen Formen wie Flip-Chip-, Wire-Bond- und Ball-Grid-Array (BGA)-Gehäusen verwendet und ermöglichen deren Integration in elektronische Produkte.
  10. Forschung und Entwicklung: Siliziumwafer sind ein wichtiges Material für die Forschung und Entwicklung in Hochschulen, staatlichen Labors und in der Industrie. Sie ermöglichen die Erforschung neuer Technologien und den Fortschritt in der Halbleiterwissenschaft und -technik.

Herstellungsprozess

Siliziumwafer sind entscheidende Komponenten im Herstellungsprozess von elektronischen Geräten wie Handys, Fernsehern, Computern und intelligenten Lautsprechern.

Bei diesen Wafern handelt es sich um dünne Scheiben aus reinem kristallisiertem Silizium, die oft als undotierte oder intrinsische Siliziumwafer bezeichnet werden. Einer der Hauptgründe für die Verwendung von Siliziumwafern in der Halbleiterindustrie ist das reichliche Vorkommen von Silizium in der Natur. Es ist eines der am häufigsten vorkommenden Materialien auf der Erde und kommt normalerweise in Form von SiO2 vor. Ein weiterer Grund für die Verwendung von Silizium sind seine kontrollierbaren elektrischen Eigenschaften durch die Zugabe von Dotierstoffen. Durch Dotierung mit Verunreinigungen wie Bor entstehen P-Typ-Wafer, während durch Dotierung mit Arsen oder Phosphor N-Typ-Wafer entstehen. P-Typ-Wafer enthalten positiv geladene Löcher, während N-Typ-Wafer negativ geladene Elektronen enthalten.

Die Geschichte der Herstellung elektronischer Geräte/Bauteile geht auf Vakuumröhren zurück, die schließlich durch Festkörpertransistoren aus Germanium ersetzt wurden. Der erste integrierte Schaltkreis (IC) wurde 1959 von Jack Kilby bei Texas Instruments entwickelt und basierte auf Germanium. Moderne ICs auf Siliziumbasis wurden jedoch von Robert Noyce bei Fairchild Camera entwickelt, der die Vorteile von Silizium nutzte, z. B. die Verwendung von SiO2 als isolierende/dielektrische Schicht zur Herstellung von MOSFETs und von aufgedampftem Aluminium für die elektrischen Verbindungen, was zur Entwicklung monolithischer ICs führte, bei denen sich alle elektronischen Komponenten auf demselben Wafer befinden.

Im Laufe der Jahrzehnte wurden bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen Verbesserungen in der Prozesstechnologie erzielt, die zu kleineren Strukturen (z. B. 10nm, 7nm, 5nm) und strukturellen Verbesserungen führten, wie z. B. der Übergang von der planaren zur Tri-Gate-Transistorarchitektur für höhere Leistung. Außerdem hat sich die Größe der Siliziumscheiben von 50 mm in den 1970er Jahren auf heute 300 mm erhöht, was eine dichtere Integration (VLSI) ermöglicht, aber auch eine Aufrüstung der Fertigungsanlagen erfordert.

Der IC-Herstellungsprozess lässt sich grob in die Bereiche Materialaufbereitung (von Sand zu Polysilicium), Waferaufbereitung (von Polysilicium zu Siliciumwafer), Waferherstellung und Sortierung integrierter Schaltungen, Verpackung und elektrische Prüfung unterteilen. Die ersten Schritte umfassen die Gewinnung von reinem einkristallinem Silizium aus Quarzit durch einen Reduktionsprozess in einem Lichtbogenofen mit getauchter Elektrode, wodurch Silizium in metallurgischer Qualität mit geringen Verunreinigungen gewonnen wird.

Die Reinheit und die kristalline Struktur von Siliziumwafern spielen eine entscheidende Rolle für die Leistung und Zuverlässigkeit elektronischer Geräte und sind daher in der modernen Technologie unverzichtbar.

SiC + SiO2 ---> Si + SiO + CO

Die Prozesstemperatur ist hoch genug, um Silizium in geschmolzener Form zu erhalten, die sich leicht abtrennen lässt. Dieses Silicium, das normalerweise als metallurgisches Silicium bezeichnet wird, ist 98% reines Silicium mit geringen Verunreinigungen durch Aluminium und Eisen.

Abbildung 1: Extraktion von Silizium in metallurgischer Qualität

In einem nächsten Schritt wird das gewonnene Silizium durch eine fraktionierte Destillation gereinigt. Bei diesem Verfahren reagiert das Silizium in einem Reaktor bei etwa 300 Grad Celsius mit Salzsäure.

Si + 3HCl → SiHCl3 + H2

Das SiHCl3-Gas wird dann durch fraktionierte Destillation abgetrennt und mit Wasserstoffgas reduziert.

2SiHCl3 + 2H2 → 2Si + 6HCl

Dieser Prozess kann mehrfach wiederholt werden, um eine reinere Form von Silizium zu erhalten, die als Silizium für die Elektronikindustrie bekannt ist. Elektronisches Silizium ist jedoch nach wie vor polykristallin und kein Silizium-Einkristall. Daher besteht der nächste Schritt darin, dieses gereinigte Silizium in einen einkristallinen Wafer umzuwandeln.

Eine der vorherrschenden Methoden zur Herstellung von einkristallinem Silizium aus polykristallinem Silizium ist das Czochralski-Wachstumsverfahren. Auf dieses Verfahren entfallen 80-90% der in Fertigungslabors verwendeten Wafer.

Bei der Czochralski-Wachstumsmethode wird reines Silizium in einem Ofen geschmolzen, der durch HF-Spulen auf etwa 1500 Grad Celsius erhitzt wird. Ein Keimkristall mit der richtigen Ausrichtung wird dann auf einen Rotor gesetzt und in die Siliziumschmelze getaucht. Das Keimsilizium wird unter Rotation langsam aus der Siliziumschmelze herausgezogen. Beim Herausziehen des Impfkristalls haftet das geschmolzene Silizium an ihm und nimmt beim Abkühlen die gleiche Ausrichtung wie der Impfkristall an. Durch die Rotation während des Herausziehens entsteht ein gleichmäßiges zylindrisches Siliziumstück.

Abbildung 2: Czochralski-Methode

Nachdem das einkristalline Silizium hergestellt ist, wird es geformt und geschnitten. Zu diesem Zweck werden industrielle Diamantwerkzeuge verwendet. Der Impfkristall wird aus dem erzeugten einkristallinen Silizium entfernt, und die Oberfläche wird geschliffen, um die Glätte zu erhöhen. Anschließend werden auf das Silizium entlang der Waferlängen Flächen geschliffen. Diese Abflachungen, die als primäre oder sekundäre Abflachung bezeichnet werden, sind mit der Kristallorientierung verbunden und dienen der Identifizierung und Sortierung.

Verschiedene Arten von Siliziumwafern werden mit unterschiedlichen Flächen geschliffen. So hat beispielsweise ein P-Typ-Wafer mit der Ausrichtung 111 nur eine primäre Fläche, während ein N-Typ-Wafer mit derselben Ausrichtung eine primäre und eine sekundäre Fläche hat. Ebenso haben sowohl P[100]- als auch N[100]-Wafer primäre und sekundäre Flächen, wenn auch in unterschiedlichen Winkeln zueinander.

Abbildung 3: Silizium-Wafer-Flachtypen

Nach dem Schleifprozess wird das Silizium geschnitten, um Siliziumwafer herzustellen, wobei zum Schneiden Diamantwerkzeuge in Industriequalität verwendet werden. Anschließend werden die erzeugten Wafer einem chemischen Ätzprozess unterzogen, um Beschädigungen und kontaminierte Bereiche auf der Oberfläche zu beseitigen.

Anschließend werden die Wafer poliert, entweder einseitig oder beidseitig, wobei das einseitige Polieren häufiger vorkommt. Nach dem Polieren sind die Wafer für den Einsatz im Fertigungslabor bereit.

FRAGEN UND ANTWORTEN

Welchen Si-Wafer sollte ich für meine Forschung verwenden?

Ein Si-Wafer ist ein wichtiges Halbleitermaterial, das vor allem bei der Herstellung von Mikrochips für elektronische Geräte verwendet wird. Da Silizium im Überfluss vorhanden ist, wird es bevorzugt für die Herstellung dieser Bauteile verwendet. Die Herstellung von Si-Wafern bietet mehrere Vorteile. Diese Wafer sind äußerst vielseitig und können in verschiedene Formen gebracht werden, z. B. in zylindrische oder quadratische. Der Herstellungsprozess umfasst mehrere komplizierte Schritte, aber das Ergebnis rechtfertigt den Aufwand.

Die Primärfläche eines Siliziumwafers, die so genannte Primärfläche, spielt eine entscheidende Rolle. Ihre Ausrichtung bestimmt die Polarität der Kristallstruktur. Sekundäre und quartäre Ebenen werden durch ihre Dotierung und Ausrichtung unterschieden. Bei Silizium wird der kleinste Kristall als (100) bezeichnet, wobei die primäre Ebene die längste und größte ist. Sekundärfacetten werden in der R-Ebene geschnitten und geben Aufschluss über den Dotierungsgrad.

Siliziumwafer weisen je nach Typ unterschiedliche physikalische und elektrische Eigenschaften auf. Intrinsische Wafer bestehen aus reinem Silizium, während P-Typ-Wafer durch Elektronen gekennzeichnet sind. Diese Eigenschaften wirken sich erheblich auf das elektrische Verhalten von Geräten aus. Die Polarität eines Siliziumbarrens beeinflusst die Halbleiterverarbeitungstechniken, wie Ätzen und Ionenimplantation. Nach der Formung des Barrens wird der Wafer im nächsten Schritt poliert, um Glätte und Gleichmäßigkeit zu gewährleisten.

Wofür wird ein Silizium-Wafer verwendet?

Siliziumwafer sind die Halbleiter, die für die Herstellung von Halbleitern verwendet werden. Herstellung von Mikrochips und Chips in elektronischen Geräten. Integrierte Schaltkreise werden von diesen Halbleitern aufgrund der Eigenschaften des Stroms durch Siliziumscheiben aufgebaut.

Welche 3 Arten von Siliziumwafern gibt es?

UniversityWafer, Inc. führt alle Arten von Siliziumwafern. Einschließlich undotiert, Bor, Gallium, Arsen und Antimon dotiert.

Wie wird ein Silizium-Wafer zu einem Chip?

Mikrochips sind gemacht Schicht für Schicht auf einem Silizium-Wafer durch ein Verfahren namens Photolithographie. Licht, Gase und Chemikalien werden eingesetzt, um die Chipschichten zu erzeugen. Der Wafer wird dann mit Atomen beschossen, um seine Leitfähigkeit einzustellen. Mit Aluminiumfolie werden dann Leiterbahnen im Wafer erzeugt.

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