Die moderne Elektronik verdankt ihren Fortschritt hauptsächlich den nützlichen Eigenschaften hoch gereinigter Halbleiterwerkstoffe. Bevor nicht Germanium mit einer bis dahin unbekannten Reinheit hergestellt werden konnte, mussten zunächst die Versuche scheitern, daraus einen Transistor herzustellen. Die Leitfähigkeit des Siliziums wird in der Hauptsache durch eingelagerte Fremdstoffe bestimmt. Nur unter extremen Laborbedingungen gelingt es, so reines Silizium zu erzeugen, dass die Störstellenleitung gegenüber der Eigenleitung zu vernachlässigen ist. Das in der Produktion eingesetzte Silizium ist ausreichend rein, um durch bewusst eingebrachte Fremdstoffe neue und nützliche Eigenschaften zu erreichen. So können der Leitmechanismus und die Größe des spezifischen Widerstandes gezielt beeinflusst werden (Abb. 1). Hier können schon geringe Konzentrationen starke Auswirkungen zeigen. Daher darf das Ausgangsmaterial von vornherein nur wenig Fremdstoffe enthalten. Ihr Anteil konnte heute auf 10^-6 bis 10^-8 Prozent (bzw. auf 10^-8 bis 10 ^-10) gesenkt werden. Als Vergleich: 10^-8 Prozent (bzw. 10^-10) entsprechen dem Verhältnis des Rauminhaltes eines glasumhüllten Stecknadelkopfes zu dem eines Wohnzimmers.

Czochralski-Verfahren

Die beim Erstarren entstehende vielen kleinen Kristalle erhöhen die Leitfähigkeit selbst. bei äußerst reinem Silizium. Strukturfehler an den Korngrenzen, Ausbildung von Leerstellen sowie Versetzungen von Atomen an Zwischengitterplätze wirken wie eingebrachte Fremdstoffe. Sie verringern die Zahl der freien Elektronen. Daher zeigt polykristallines Silizium bei höchster Reinheit meist einen p-Leitungsmechanismus. Weiterhin vermindern sie die Lebensdauer und die Beweglichkeit der Ladungsträger Von der Vollkommenheit des Kristallgitters hängt aber auch die gleichmäßige Verteilung der Dotierungsatome ab. Das erfordert die Züchtung eines möglichst fehlerfreien Einkristalls. Die Kristallzüchtung lässt sich mit dem Schwebezonenverfahren koppeln. Nachdem der Mittel-Bereich gereinigt ist, Kann dieser in einem kontrollierten Prozess einen Einkristall übergeführt werden. Das Wachstum beginnt am Impfkristall, der an der unteren Halterung anzubringen ist, und der seine Orientierung auf die nachwachsenden Schichten überträgt. Die flüssige Zone wird durch die sehr hohe Oberflächenspannung des flüssigen Siliziums zusammengehalten, di ein Ausfließen durch die Schwer kraft verhindert. Aber bei größeren Scheibendurchmessern reicht diese nicht mehr aus.
Daher ist es bei diesem Verfahren schwierig, den Querschnitt des Barrens zu erhöhen und damit die Wirtschaftlichkeit der Fertigung weiter zu verbessern. Der Vorteil ist die hohe Reinheit des Einkristalls, da jede Berührung mit einem Tiegelmaterial vermieden wird.
Dagegen lassen sich nach dem Tiegelziehverfahren (Czochralski-Verfahren) leichter größere Querschnitte erreichen (Abb. 4). Hier wird der Einkristall aus (durch induktive Hochfrequenzheizung) geschmolzenem Silizium mittels eines Impfkristalls durch Drehen und langsames Hochziehen gezüchtet. Bei sorgfältiger Prozessführung erhält man weniger Strukturfehler.

Der Einkristall wird in einem Trennschleifverfahren mit einem schnell rotierenden und mit Diamantpulver beschichteten Schleifblatt in Scheiben zerlegt (Dicke 400 bis 625 µm bei einem Scheibendurchmesser von 75 bis - 100 mm). Die Innenbordschleife Scheibe kann besonders dünn gehalten werden, da sie am Umfang eingespannt ist, während der Trennvorgang innen am kreisrunden Loch erfolgt (Abb. 5). Der Materialverlust beträgt hierbei nur etwa 250 µm.
Das nachfolgende Läppen (Abb. 6) ermöglicht das Einhalten der geforderten Dickentoleranz, Planparallelität und Ebenheit der Scheibe. Dabei befindet sich zwischen der Kristallscheibe und der Läppplatte eine Läppsuspension, die Korund oder Siliziumkarbid mit einer Korngröße von 5 bis 40 µm in Wasser mit Zusätzen aufgeschwemmt enthält. Da die Körner nicht gebunden sind, gibt es keine Vorzugsrichtung der Abtragung. Die Oberfläche ist homogen rauh und ohne Rillen und Riefen. Die - Abtragung wird solange fortgesetzt, bis die genauen Abmaße der Scheibe erreicht sind.
Beim Ätzen werden alle durch das Trennen und Läppen erzeugten Oberflächendefekte entfernt. Es verschlechtern sich jedoch in geringem Maße die Dickentoleranz und Planparallelität. Dabei wird die Oberfläche in einem naß-chemischen Vorgang oxydiert und anschließend das Oxydationsprodukt entfernt (Einsatz von Salpeter- und Flusssäure).
Ziel des anschließenden Polierens ist eine ebene, schleierfreie spiegelglatte Oberfläche ohne Störung des Kristallgitters. Mechanisch kann die Scheibe durch eine Art Feinstläppen, z. B. mit Diamant in der Korngröße von 0,25 bis 1 µm, poliert werden. Die Oberfläche ist aber dann nicht frei von Kristallschäden, so dass vordem Aufwachsen einer weiteren einkristallinen Schicht eine chemische Gasphasenätzung, z. B. mit Chlorwasserstoff, notwendig wird. Günstiger ist das chemischmechanische Polieren, wobei zunächst ein chemisches Reaktionsprodukt entsteht, das weicher als der Substratwerkstoff ist und daher, ohne Oberflächendefekte hervorzurufen, mechanisch entfernt werden kann.

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist

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