Ausarbeitung

Bestandteile integrieter Schaltkreise

Das Grundmaterial von integrierten Schaltkreisen (Chips) ist (zu 99%) einkristallines Silizium. Es gibt in speziellen Fällen auch Chips aus Galliumarsenid oder Silizium auf Saphir. Die Chips werden auf dünnen Scheiben (sogenannten Wafern größe: 15, 20 oder 30 cm dicke: 1-1,5 mm) gefertigt, die in Zylindern (Ingot) gezüchtet werden und dann zersägt werden.

Auf den Wafern werden Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und Induktionen durch verschiedene Prozesse erzeugt. Dies geschieht im Reinraum, da die Chips sehr empfindlich sind und schon kleinste Partikel sie stören können. Auf die Wafer werden Leiterbahnen geätzt, Atome Implantiert, Metallische Schichten aufgetragen und Bauteile Isoliert.

Diese Prozesse werde ich nun im Folgenden erleutern.

Bearbeitung der Silizium Wafer

Fotolithografie

Als erstes wird auf den Wafer ein Fotolack (Fotoresist) aufgetragen, der unter Licht reagiert. Danach wird eine Maske mit den Strukturinformationen aufgelegt, und belichtet. Danach wird die Maske wieder entfernt und die Struktur wird in den Wafer geätzt, wobei entwerder nur der belichtete Teil oder der unbelichtete Teil auf die Säure reagiert. Danach wird der Fotolack entfernt und ein neuer aufgetragen. nun wird das Ganze mit einer anderen Maske wiederholt, solange bis alle Strukturen mit der gewünschten Tiefe in den Wafer geätzt wurden.

Chemisch-mechanisches Polieren

Durch die verschieden Verarbeitungsprozesse wird der Wafer uneben und ist so zur Weiterverarbeitung nicht geeignet. Deswegen wird er chemisch mechanisch Poliert und wieder geebnet.

Im ersten Schritt wird der Wafer von einem Träger (Carrier oder Chuck) aufgenommen und durch ein Vakuum festegehalten. zwishen den Wafer und den Träger wird ein weiches Tuch (Backingfilm) gelegt, das die unebenheiten des Wafers ausgleicht.

Als nächstes wird der Wafer auf ein rotierendes Poliertuch gelegt, auf dass ein chemisches Mittel (Slurry) aufgetragen wird. Das chemische Mittel greift die Oberfläche des Wafers zusätzlich an und erleichtert damit sehr das Polieren.

Nach dem Polieren wird der Wafer vom Tuch genommen und mit deionisiertem Wasser gereinigt. Das Poliertuch wird ebenso gereinigt.

Vor dem chemisch-mechanischen Polieren

Nach dem chemisch-machanischen Polieren

Die Dotierung

In den Wafer werden an bestimmten Stellen Fremdatome eingefügt, mit dem Ziel die Leitfähigkeit zu verändern, es wird jedoch auch die Kristallstruktur verändert. Es gibt zwei Arten von Dotierung, die p-Dotierung und die n-Dotierung

p-Dotierung	n-Dotierung
Es werden stellenweise die IV-wertigen Siliziumatome durch III-wertigen Atomen (Akzeptoren) ersetzt.	Es werden stellenweise die IV-wertigen Siliziumatome durch V-wertigen Atomen (Donatoren) ersetzt.
Im Wafer fehlt nun an der dotierten Stelle ein Elektron in Kristallgitter. Wenn eine Spannung angelegt wird springt ein benachbartes Elektron nun von seinem Paltz zu dem dotierten Atom. Der neu entstandene Platz wird wieder von einem Elektron gefüllt, dass von seinem Platz springt usw.	Im Wafer ist nun an der dotierten Stelle ein Elektron in Kristallgitter freibeweglich, da es kein Bindungselektron hat. Wenn eine Spannung angelegt wird, spring das überschüssige Elektron zum nächsten Atom. Da dort auch kein freies Bindungselektron ist, springt es immer weiter.
Bei dem implantierten Atom entsteht eine dauerhafte negative Ladung. Die positive Ladung spring immer weiter.	Bei dem implantierten Atome entsteht eine dauerhafte positive Ladung. Die negative Ladung springt immer weiter.

Aufbringen metallischer Schichten durch Sputtern

Das Metall. dass auf den Wafer aufgetragen werden soll wird mit Ionen beschossen. Durch den Beschuss werden einzelne Atome des Metalls herausgelöst und fliegen dann auf den Wafer. Das Material wird gleichmäßig auf dem Wafer verteilt.

Es gibt auch noch andere Techniken wie das Galvanisieren, bei dem der Wafer an einer Elektrode angeschlossen wird. Das aufzutragende Metall wird an die andere Elektrode angeschlossen und die Ionen wandern auf den Wafer. Eine weitere Technik ist das Bedampfen. Es wird Der Wafer mit dem Metall bedampft. Diese zwei Methoden sind jedoch nicht so genau, da sich das Metall nicht gleichmäsig ablagert und bei Legierungen sich die Materialien nicht gleich schnell lösen.

Siliziumdioxid als Isolator

Zwischen den Einzelnen Leiterbahnen und Bauteilen wird Siliziumdioxid (SiO₂) eingefügt, um die einzelnen Bauteile zu isolieren.

Abscheiden von polykristallinem Silizium und isolierten Schichten

Polykristalines Silizium wird abgeschieden. Ebenfalls wird überschüssige Isolation entfernt.

Der Wafer ist jetzt fertig für den Test, die Zersägung und die Verpackung

Test und Packaging

Nach der Herstellung der Chips auf dem Wafer wird jeder einzelne Chip auf seine Funktionalität und Zuverlässigkeit getestet. Dann wird der Wafer in die einzelnen Chips zersägt.

Die Chips werden in ihr Gehäuse verpackt. Die Anschlüsse der Chips im Inneren werden durch Golddrähte mit den Anschlüssen am Gehäuse verbunden (Bonding). Die hochempfindlichen Chips sind jetzt vor Staub geschützt.

Nach einem weiteren Test der Chips, auf mögliche Fehler beim Verpacken bzw. Veränderungen durch das Gehäuse, sind die Chips nun fertig.