Wie werden elektronische Schaltkreise (Mikrochips) hergestellt?

Aus Sand werden Mikrochips - ein kurzer Überblick über die Hableitertechnologie

Wie werden elektronische Schaltkreise (Mikrochips) hergestellt?

Siliziumeinkristalle (Ingots)

Wie werden elektronische Schaltkreise (Mikrochips) hergestellt?

Ein Siliziumwafer

Wie werden elektronische Schaltkreise (Mikrochips) hergestellt?

Eine Fertigungsanlage in einer Halbleiterfabrik

Wie werden elektronische Schaltkreise (Mikrochips) hergestellt?

Ein fertig produzierter Schaltkreis

Wir sind ständig von elektronischen Geräten umgeben, die wir im Alltag als nichts besonderes empfinden - viele Menschen tragen sogar mehrere kleine, elektronische Gebrauchsgegenstände mit sich herum (z.B Handy, digitale Armbanduhr, Chipkarten, elektronische Autoschlüssel). Noch vor 60 Jahren wäre so etwas undenkbar gewesen - bis zum Ende der 40er Jahre des vorigen Jahrhunderts bedeutete "Elektronik" den Einsatz von großen, beheizten Elektronenröhren als aktive elektronische Bauelemente. 1947 wurde mit der Erfindung des Transistors als verstärkendes, elektronisches Bauelement eine neue Ära der Technik eingeleitet. Der Transistor - klein, energiesparend und langlebig - trat in den 50er Jahren des vorigen Jahrhunderts einen ungeheuren Siegeszug an. Zunächst war er als einzelnes elektronisches Bauelement (als "diskret" bezeichnet) im Einsatz (z.B. in "Transistorradios"), neben diskreten Widerständen, Kondensatoren, Spulen u.a. Der Transistor wurde zusammen mit anderen elektronischen Bauelementen erstmalig 1959 auf einem einzigen Stück Halbleitermaterial (Germanium) zu einer kleinen elektronischen Schaltung kombiniert. Dies war die Geburtsstunde des Integrierten Schaltkreises (Integrated Circuit, IC, oder Chip genannt).

In den folgenden Jahren gelang es, immer mehr und immer kleinere Bauelemente auf einem Integrierten Schaltkreis unterzubringen. Dabei hat das Halbleitermaterial Silizium das Germanium verdrängt und kommt heute am häufigsten zum Einsatz. Die Dichte an Bauelementen auf einem Chip erhöht sich stetig, diese Miniaturisierung ist ein großer Wachstumstreiber in der Industrie und folgt dabei annähernd dem "Mooreschen Gesetz" (Moore’s Law), nach welchem die Komplexität (Dichte von Bauelementen - Anzahl der Bauelemente pro Fläche) der integrierten Schaltungen sich in wenigen Monaten immer wieder verdoppelt.

Herstellung des Grundmaterials
Ausgangspunkt der Herstellung von Silizium ist Sand - Siliziumdioxid (SiO2). In einem Reaktor wird bei hoher Temperatur gasförmiges SiO erzeugt und bei dessen Reaktion mit ebenfalls vorhandenem Kohlenstoff entsteht CO2 und Rohsilizium. Dieses Rohsilizium wird gereinigt und zu einem Block polykristallinem (aus Einzelkristallen bestehend) Siliziums gegossen.

Kristallwachstum und Waferherstellung
Für die Chipherstellung wird aus einem einzigen Kristall bestehendes (einkristallines) Silizium benötigt, welches durch Einschmelzen des polykristallinen Siliziums und anschließendes, sehr langsames Kristallwachstum entsteht. Dadurch bleiben alle Verunreinigungen in der Schmelze und es entsteht ein hochreiner Silizium-Einkristall (wird auch "Ingot" genannt). Dieser hat die Form eines Zylinders. Mit einer Säge (z.B. einer Drahtsäge) werden nun dünne, weniger als 1mm dicke Scheiben von diesem Ingot gesägt. Dabei werden Scheibendurchmesser von 100, 150, 200 oder 300mm hergestellt. Je größer der Scheibendurchmesser, desto höher die Anzahl der integrierten Schaltkreise pro Scheibe, aber desto aufwendiger und teurer ist auch deren Herstellung. Die Scheiben werden auch "Wafer" genannt. Sie müssen nach dem Sägen gereinigt, geläppt und poliert werden. Ab diesem Zeitpunkt müssen die Wafer ständig in staubfreier, sauberer Umgebung belassen werden.

Chipherstellung - Schichtwachstum, Strukturierung
Die Herstellung integrierter Schaltkreise erfolgt in Halbleiterfabriken unter äußerst sauberen Bedingungen (Reinraum). Auf dem Wafer werden elektronische Bauelemente und Schaltungen erzeugt, indem kleinste Strukturen durch das Aufbringen von leitenden oder isolierenden Schichten (Schichtwachstum) und deren teilweise Entfernung erzeugt werden. Das Schichtwachstum kann durch physikalische oder chemische Prozesse stattfinden, bei denen z.B. eine Schicht aus einem Gas abgeschieden wird. Das partielle Entfernen von Schichten wird auch "Strukturierung" (engl. "Patterning") genannt, bei dem verschiedene Ätzverfahren eingesetzt werden. Welche Teil der Schichten dabei entfernt werden, wird durch Fotolithografie bestimmt. Dabei wird der Wafer mit einer dünnen Schicht aus Fotolack bedeckt. Mit einer Glasmaske werden Bereiche des belackten Wafers belichtet und andere abgeschattet. Durch eine photochemische Reaktion bei Belichtung verändern sich die Eigenschaften der Lackschicht. Durch das anschließende Entwickeln lösen sich bestimmte Bereiche des Lackes, so dass am Ende ein strukturierter Wafer entsteht.

Chipherstellung - Metallisierung, Vereinzelung, Verpackung
Die so entstandenen elektronischen Bauelemente müssen durch Leiterbahnen entsprechend des Schaltkreisentwurfs elektrisch miteinander verbunden werden. Dies geschieht durch Metallisierung. Anschließend werden die fertigen Schaltkreise auf ihre Funktion getestet. Dies geschieht automatisiert durch das Kontaktieren der Schaltkreise mit einem Prüfgerät. Nicht funktionierende Schaltkreise werden dabei markiert und zu Ausschuß. Die Chips müssen nun aus dem Wafer herausgetrennt, vereinzelt werden. Auch dies geschieht in Anlagen mit voller Automatisierung. Anschließend werden die Schaltkreise in Gehäuse verpackt und mit den äußeren Anschlüssen elektrisch kontaktiert (engl. "Bonden").


Foto 1:  © frog - Fotolia.com (Siliziumeinkristall)
Foto 2:  © Björn Wylezich - Fotolia.com (Wafer, Hand)
Foto 3:  © Christian Delbert - Fotolia.com (Chipfertigung)
Foto 4:  © science photo - Fotolia.com (Einbau eines Chip)



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