Der Prozess der Silizium-Wafer-Produktion

Zuletzt aktualisiert am 7. Februar 2023 von Lars Weidmann

Die Herstellung von Siliziumwafern ist ein komplexer und hochtechnischer Prozess, bei dem eine Vielzahl von Spezialwerkzeugen und -techniken zum Einsatz kommt, um das Endprodukt herzustellen – ein dünnes, rundes Stück Silizium, das die Grundlage vieler moderner elektronischer Bauteile bildet. Er beginnt mit der Auswahl des Rohsiliziums und setzt sich über die verschiedenen Stufen der Kristallisation, des Schneidens, Schleifens, Polierens und Dotierens fort. Wenn man den gesamten Produktionsprozess versteht, kann man die winzige, aber immens wichtige Rolle, die diese Wafer in unserem täglichen Leben spielen, besser einschätzen – von der Stromversorgung von Smartphones und Laptops bis hin zu medizinischen Geräten und vielem mehr. In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick auf die verschiedenen Schritte, die an der Herstellung von Siliziumwafern beteiligt sind, und erläutern, was jeder einzelne Schritt beinhaltet und wie wichtig er für den Prozess ist.

Einleitung

Einfach ausgedrückt ist Silizium der wichtigste Bestandteil bei der Herstellung von Solarzellen, Solarmodulen und anderen solarbetriebenen und solaraktivierten Produkten. Die Siliziumscheiben werden in einem Prozess hergestellt, der als “Siliziumscheibenproduktion” bezeichnet wird und mit der Auswahl des Siliziumerzes beginnt. Das Erz, besser bekannt als “Siliziumkristalle”, wird zerkleinert und gereinigt, um die reinste Form von Silizium, die so genannten “Siliziumblöcke”, herzustellen. Die Siliziumblöcke werden dann in die spezifische Form eines Siliziumwafers geschnitten, bevor sie zu einer spezialisierten Anlage geschickt werden, wo sie weiter veredelt werden.

Was ist ein Silizium-Wafer?

Ein Silizium-Wafer ist die Grundlage aller elektronischen Geräte, darunter Smartphones, Tablets, Laptops, Kameras, Fahrräder und viele andere Produkte. Diese Wafer werden aus gereinigtem Silizium hergestellt und dienen als Substrat für die Produktion aller Halbleiter, die die Schlüsselkomponenten in drahtlosen Geräten und vielen anderen modernen Technologien sind. Die Siliziumscheiben sind extrem dünn und flach und messen 0,5-2,5 mm in der Breite und 0,5-5 mm in der Dicke. Aufgrund ihrer flachen und breiten Form werden sie auch häufig als Montagefläche für Halbleiter verwendet.

Überblick über den Herstellungsprozess von Siliziumwafern

Das Verfahren zur Herstellung von Siliziumwafern beginnt mit der Auswahl des Siliziumerzes. Siliziumerz ist ein siliziumreiches Material, das an vielen Orten der Welt gefunden werden kann, z. B. in Marokko, Südafrika, Kanada, China und den Vereinigten Staaten. Das Siliziumerz wird dann verarbeitet, um die reinste Form von Silizium, die so genannten “Siliziumkristalle”, zu gewinnen, die das Rohmaterial für die Siliziumwafer darstellen. Anschließend werden die Siliziumkristalle zu Siliziumstaub” zerkleinert, der eine Partikelgröße von weniger als 200 Mikrometern hat und in der nächsten Phase des Prozesses verwendet wird.

Sobald der Siliziumstaub hergestellt ist, wird er abgesaugt und durchläuft einen Prozess, der als “Reinigung” bezeichnet wird, bei dem Verunreinigungen wie Eisen, Schwefel und andere Mineralien im Siliziumkristall entfernt werden. Der Siliziumstaub wird dann zur Herstellung von “Siliziumblöcken” (Ingots) verwendet, die die endgültige Form der Siliziumscheiben vor der Produktion darstellen.

Die Siliziumblöcke werden anschließend mit einer Schneidemaschine in eine bestimmte Form geschnitten, die als “Wafer” bezeichnet wird. In der Schneidemaschine werden die Wafer auch poliert, so dass eine glatte Oberfläche entsteht, die keine Fehler oder Kratzer aufweist. Nach dem Schneiden und Polieren werden die Siliziumscheiben in einen temperaturgeregelten Raum gebracht, wo sie auf 1000 Grad Celsius oder weniger als den Schmelzpunkt von Eisen erhitzt werden, bevor sie in einen Ofen gebracht werden.

Anschließend werden die Siliziumscheiben einer Reihe von Prozessen unterzogen, die als “anodische Oxidation”, “Galvanisierung” und “Ausglühen” bezeichnet werden, bei denen Verunreinigungen entfernt und Sauerstoff entfernt wird. Die Siliziumscheiben werden auch mit Dotierstoffen wie Bor und Phosphor dotiert, um Halbleiter herzustellen. Je nach Endprodukt werden die Dotierstoffe durch weniger unreine Formen desselben Elements ersetzt. Schließlich werden die Siliziumscheiben poliert und geprüft, bevor sie zur Verwendung in den Produkten verschickt werden.

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Schritt 1: Auswahl des Siliziums

Bei der Auswahl des Siliziums wählt ein Lieferant das Siliziumerz aus einem großen Vorrat an Siliziumkristallen aus. Dieses Siliziumlager wird in der Regel von einer Quelle irgendwo auf der Welt produziert und an verschiedene Lieferanten verteilt. Die Lieferanten wählen dann das Siliziumerz aus, das die höchste Qualität aufweist. Die Lieferanten schicken das Siliziumerz dann zu einer Quarzsandanlage, die Siliziumstaub produziert. Der Siliziumstaub wird dann abgesaugt und gereinigt, um Verunreinigungen zu entfernen, und anschließend an eine Siliziumstaubanlage weitergeleitet.

Schritt 2: Silizium-Kristallisation

Siliziumkristalle sind gereinigtes Silizium, das gemahlen oder “kristallisiert” wurde. Die Siliziumkristalle werden in einem Ofen erhitzt, wobei die Verunreinigungen in den Kristallen verdampfen und reines Silizium zurückbleibt. Das gereinigte Silizium wird dann zu einer Quarzsandanlage transportiert, wo es durch Waschen weiter gereinigt wird. Das gereinigte Silizium wird dann in einen Schmelzofen geleitet, wo es geschmolzen und mit Kohlenstoff versetzt wird. Anschließend wird das Silicium in einen Rotationsverdampfer geleitet, wo der Kohlenstoff und der Wasserstoff vom Silicium getrennt werden. Anschließend wird das Silicium in einen Tiegel geleitet, wo es durch Ausheizen bei hohen Temperaturen gereinigt wird. Das gereinigte Silicium wird dann in einen Flotationstank geleitet, wo es weiter gereinigt und mit Sauerstoff versetzt wird. Das gereinigte Silicium wird dann in eine Flotationsanlage überführt, wo es durch Beaufschlagung mit Hydroxyl-Ionen weiter gereinigt wird. Nach dem Flotationsverfahren wird das gereinigte Silicium in einen Flotationstank geleitet, wo es durch Aufladung mit Elektronen weiter gereinigt wird. Das gereinigte Silicium wird dann in einen Ofen geleitet, wo es durch Aufladung mit Wasserstoffionen weiter gereinigt wird. Das gereinigte Silicium wird dann in einen Kalzinierofen überführt, wo es durch das Aufladen mit Kohlenstoff weiter gereinigt wird. Das gereinigte Silicium wird dann in einen Elektroofen überführt, wo es durch die Beschickung mit Elektrizität weiter gereinigt wird. Das gereinigte Silicium wird dann in einen Lagertank befördert und ist bereit für die Verwendung in Produkten.

Schritt 3: Schneiden des Wafers

In der nächsten Phase der Siliziumwaferherstellung werden die Siliziumblöcke in Wafer geschnitten. Der Siliziumblock wird mit einer Diamantsäge geschnitten, einer Art diamantbeschichteter Säge mit diamantimprägnierten Zähnen. Die Säge wird mit hoher Geschwindigkeit gedreht, wodurch ein Sägemehl entsteht, das aus sehr kleinen Siliziumpartikeln besteht. Das Sägemehl wird zu einer Sinteranlage transportiert, wo es durch Aufladung mit Kohlenstoff weiter gereinigt wird. Das aufgeladene und gereinigte Sägemehl wird dann in einen Reaktor geleitet, wo es durch Aufladung mit Wasserstoff weiter gereinigt wird. Die reinen und beschickten Sägespäne werden dann in einen Kalzinierofen überführt, wo sie weiter kalziniert werden. Die kalzinierten Sägespäne werden dann in einen Lagertank befördert, bevor sie zur Verwendung in Produkten weitergeleitet werden.

Schritt 4: Schleifen

Die letzte Stufe des Schneidprozesses ist das Schleifen der Wafer. Die Wafer werden in eine Mühle gebracht, wo sie zu feinem Mehl gemahlen werden. Das Mehl wird dann in eine Mischmaschine gegeben, wo es mit einer Chemikalie, dem so genannten “Flux”, vermischt wird. Die Mischmaschine wird durch ein Programm gesteuert, das es ihr ermöglicht, die verschiedenen chemischen Bestandteile präzise und gleichmäßig zu mischen. Die Mischmaschine wird anschließend von einem Computer gesteuert, der die Geschwindigkeit und die Menge des Mischvorgangs kontrolliert. Die Mischmaschine wird durch ein Programm gesteuert, das die Geschwindigkeit und die Menge des Mischvorgangs regelt. Das Mischgut wird dann in einen Lagertank befördert, wo es für die Verwendung in Produkten bereitsteht.

Schritt 5: Dotierung

Der letzte Schritt des Schneidprozesses ist die Dotierung der Wafer mit Dotierstoffen. Ein Dotierstoff ist ein chemisches Element, das einem Wafer zusätzliche Eigenschaften verleiht, z. B. Leitfähigkeit oder lichtemittierende Eigenschaften. Die Wafer werden in einen Quarzofen gebracht, wo sie auf 1180 Grad Celsius erhitzt werden, also auf mehr als den Schmelzpunkt von Eisen. Die Wafer werden dann in einen Quarzofen gebracht, in dem sie auf 1180 Grad Celsius oder mehr als den Schmelzpunkt von Eisen erhitzt werden. Der Quarzofen wird dann von einem Programm gesteuert, das die Temperatur regelt. Die Wafer werden dann in einen Elektroofen überführt, wo sie durch Aufladung mit Strom weiter gereinigt werden. Anschließend werden die Wafer in ein Lagerbecken transportiert, wo sie für die Herstellung von Produkten bereitstehen.

Schritt 6: Polieren

Das Polieren von Siliziumwafern ist ein wichtiger Prozess in der Waferproduktion. Es hat das Ziel, die Oberfläche des Wafers glatt und ebene zu machen, um die Leistung und Effizienz der Wafer zu verbessern. Dieser Prozess erfordert eine hohe Präzision und Fähigkeit, da jede Unebenheit auf der Oberfläche des Wafers die Leistung beeinträchtigen kann.

Das Polieren wird mit speziellen Werkzeugen und Materialien durchgeführt, um eine gleichmäßige Oberfläche zu erreichen. Es ist wichtig, dass das Polieren sorgfältig und genau durchgeführt wird, um Fehler zu vermeiden und eine gleichmäßige Oberfläche zu gewährleisten.

Nach dem Polieren wird die Oberfläche des Wafers überprüft, um sicherzustellen, dass die Anforderungen an Glätte und Flachheit erfüllt werden. Wenn nötig, wird das Polieren erneut durchgeführt, um die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit zu erreichen.

Schlussfolgerung

Die Herstellung von Siliziumscheiben ist ein komplexer und hochtechnischer Prozess, bei dem eine Vielzahl von Spezialwerkzeugen und -techniken zum Einsatz kommt, um die endgültigen