Spezialchemikalien für die
Chipherstellung

Ohne polykristallines Silicium wäre die Digitalisierung undenkbar. Das silbern glänzende Material, eines der reinsten vom Menschen hergestellten Stoffe, ist der wichtigste Rohstoff für die Halbleiterindustrie. Jeder zweite Computerchip wird mittlerweile aus Polysilicium made by WACKER gefertigt. Aber das ist längst nicht unser einziger Beitrag. Neben Polysilicium spielen auch unsere Prozesschemikalien eine maßgebliche Rolle. Die Anforderungen an Reinheit und Qualität sind dabei immens.

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Reinheit ist das A und O

Der Weg von der als Wafer bezeichneten Siliciumscheibe zum einsatzfertigen Chip umfasst mehrere hundert Arbeitsschritte. Die Herstellung dauert bis zu mehreren Monate und findet in technisch extrem anspruchsvollen Prozessen und Anlagen statt. Entsprechend kostspielig ist der Bau einer Chipfabrik. Damit sich solche Investitionen rechnen, müssen Chiphersteller eine möglichst hohe Ausbeute an funktionsfähigen Chips erreichen.

Erschwerend kommt hinzu, dass die Funktionstüchtigkeit der Halbleiterbauteile erst am Schluss des Produktionsprozesses geprüft werden kann. Kein Wunder also, dass die Chipindustrie höchste Ansprüche an die Qualität der zugelieferten Rohstoffe und Prozesschemikalien stellt und mit Argusaugen über die Verlässlichkeit ihrer Zulieferer wacht.

„Der Chiphersteller muss sich vollständig auf seinen Prozess, seine Anlagen und die zur Produktion benötigen Materialien und Chemikalien verlassen können.“

Arne Meier, Senior Business Development Manager

Jeder zweite Chip besteht aus Polysilicium von WACKER

Ausgangspunkt für die Chipherstellung sind Reinstsiliciumscheiben. Rohstoff für solche Wafer ist fast immer polykristallines Silicium, kurz Polysilicium. WACKER ist der einzige Hersteller von halbleitertauglichem Polysilicium in Europa. Was Menge, Qualität und Materialreinheit betrifft, sind wir sogar weltweit führend. Jeder zweite Computerchip wird aus unserem „Poly“ gefertigt.

Was viele nicht wissen: Neben ultrareinem Polysilicium produzieren wir auch wichtige Spezialchemikalien für die Herstellung von Computerchips. Unsere Silane erlauben beispielsweise das Abscheiden von Silicium- oder Isolatorschichten auf der Waferoberfläche. In der Chipfertigung wird unsere hochdisperse Kieselsäure genutzt, um die aufgebrachten Schichten zu polieren und einzuebnen. Sogar beim Reinigen der Beschichtungskammern ist ein WACKER-Produkt unverzichtbar: Chlorwasserstoff.

Alle Funktionschemikalien von WACKER sind exakt auf die Prozesse und Anforderungen der Halbleiterindustrie abgestimmt. So wird die Produktion solcher Chemikalien fortlaufend per statistischer Prozesskontrolle überwacht. Die Reinheit der Produkte muss stets innerhalb eines schmalen mit dem Chiphersteller festgelegten Korridors liegen. Hinzu kommt ein rigides Risikomanagement. Es sorgt dafür, dass auch bei Abweichungen bestimmter Prozessparameter während der Produktion wie Temperatur oder Druck oder bei Änderungen an den Produktionsanlagen die Produktqualität immer stimmt.

Die für solche Chemikalien benötigten Vorprodukte produzieren wir größtenteils selbst. Das reduziert die Abhängigkeit von externen Zulieferern. Unsere hauseigene Analytik ist außerdem in der Lage, selbst kleinste Spuren von Verunreinigungen verlässlich zu detektieren und zu quantifizieren.

„Mit diesem Maßnahmenbündel stellen wir sicher, dass der Kunde unsere Produkte stets termingerecht und genau in der geforderten Qualität erhält.“

Sigrid Rothenhäusler, Business Development Managerin

Anwendungsbereiche für Funktionschemikalien:

Gasphasenabscheidung

Zur Beschichtung von Reinstsiliciumwafern nutzen Chiphersteller bevorzugt
SEMICOSIL^® TEOS und andere Spezialsilane von WACKER. Sie zersetzen sich auf der Oberfläche des Wafers. Dabei entsteht eine feste isolierende Schicht (Detailbild).

Auf den Chips sind elektrisch leitende Strukturen durch dünne isolierende Schichten voneinander getrennt. Solche Isolatorschichten sind hauchdünn: Ihre Dicke liegt bei einigen Nanometern. Damit es nicht zum elektrischen Durchschlag kommt und der Chip versagt, muss die isolierende Schicht hochrein sein und überall die gleiche Dicke besitzen.

Im Fertigungsprozess der Chips entstehen isolierende Schichten meist in einem Prozess, der in der Fachwelt als plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung bekannt ist. Bei dieser Beschichtungsmethode wird der Wafer unter Reinraumbedingungen mit Hilfe eines Plasmas auf Temperaturen zwischen 500 und 1200 Grad Celsius aufgeheizt. Auf der erhitzten Wafer-Oberfläche zersetzt sich zugeführtes Silan in einer chemischen Reaktion, wobei eine feste isolierende Schicht entsteht.

Um eine hohe Produktivität zu erreichen, wird eine möglichst schnelle Abscheidung angestrebt. Ein schnelles Aufheizen und hohe Temperaturen setzen allerdings den Wafer unter Stress. Defekte in der Kristallstruktur des Siliciums und Ausschuss wären die Folge. Um das zu vermeiden, benötigen Chiphersteller ein Silan, das bereits bei moderat hoher Temperatur eine möglichst schnelle Abscheidung ermöglicht.

Unsere Spezialsilane spielen hier eine entscheidende Rolle. Mit Tetraethoxysilan, kurz TEOS, bieten wir das passende Silan zur Erzeugung einer quarzglasähnlichen Schicht aus amorphem Siliciumdioxid an. Es ermöglicht einen guten Kompromiss zwischen der angestrebten hohen Abscheidungsgeschwindigkeit und der notwendigen Defektfreiheit.

Für viele Chiphersteller sind unsere Spezialsilane inzwischen das Material der Wahl. Sie schätzen die hohe und gleichbleibende Qualität unserer Produkte.

„Dank statistischer Prozesskontrolle können wir eine mittlere Reinheit von mindestens 99,995 Prozent garantieren. In der Praxis erreichen wir aber mit unserem Herstellprozess sogar Reinheitsgrade von 99,999 Prozent. Damit sind wir Qualitätsführer und einer der weltweit wichtigsten Anbieter für diese unentbehrliche Prozesschemikalie.“

Alena Kalyakina, Business Development Managerin

Prozesskammer-Reinigung

Die Prozesskammern für die Chipherstellung müssen regelmäßig mit Chlorwasserstoff gereinigt werden. Zur Herstellung nutzen wir ausschließlich Steinsalz aus unserem Salzbergwerk in Stetten.

Bei der Gasphasenabscheidung setzen sich Feststoffe auf den Wänden der Prozesskammer ab. Mit der Zeit wachsen diese Ablagerungen so stark an, dass sich Partikel ablösen und auf die Waferoberflächen gelangen können. Die Folge: Chips, die aus derartigen Wafern hergestellt werden, sind unbrauchbar.

Um das zu verhindern, muss die Prozesskammer regelmäßig gereinigt werden. Chiphersteller setzen dazu hochreinen Chlorwasserstoff ein. Das Gas ätzt die Ablagerungen von den Wänden ab. Allerdings muss der verwendete Chlorwasserstoff ebenfalls hochrein sein, damit keine neuen Verunreinigungen auf die Kammerwände und von dort wieder auf die Wafer gelangen.

Mit SEMICOSIL^® HCl 5.5 bieten wir Chlorwasserstoff mit einem Reinheitsgrad von 99,999 Prozent. „Damit übertreffen wir sogar die aktuellen Reinheitsanforderungen der Chiphersteller“, sagt Business Development Managerin Sigrid Rothenhäusler. „Wir sind also für zukünftige Anforderungen bestens gerüstet.“

Zur Herstellung des Chlorwasserstoffs nutzen wir Steinsalz aus dem eigenen WACKER-Bergwerk. Die Zusammensetzung und Reinheit des dort geförderten Salzes eignen sich besonders gut für die Produktion des hochreinen Gases.

Chemisch-mechanisches Polieren

Beim chemisch-mechanischen Polieren erhalten Halbleiterwafer den letzten Schliff. Polierslurries mit HDK^® hochdisperser Kieselsäure erzielen hohen Materialabtrag und makellose Flächen.

Um die übereinanderliegenden Strukturen im Chip zu realisieren, muss die Oberfläche des Wafers absolut plan und glatt sein, bevor die nächste Schicht abgeschieden werden kann. Dies erreichen die Chiphersteller dadurch, dass sie die zuletzt aufgebrachte Schicht planpolieren und dadurch Unebenheiten ausgleichen. Mit hoher Präzision gelingt dies durch sogenanntes chemisch-mechanisches Polieren – ein Verfahren, das mechanischen Abrieb mit einer chemischen Ätzwirkung kombiniert.

Hochdisperse Kieselsäure ist prädestiniert für das chemisch-mechanische Polieren. Wie die Körnchen beim Gesichtspeeling trägt das flockige Pulver überschüssiges Material ab. „Polierslurries mit unserem Material sind abrasiver als das in der Halbleiterbranche häufig genutzte Kieselsol“, sagt Arne Meier. „Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Chiphersteller einen starken Materialabtrag anstrebt.“

Neben der hohen Reinheit ist die enge Größenverteilung der abrasiv wirkenden Teilchen eine herausragende Eigenschaft des WACKER-Produkts. Der Herstellprozess wird so gesteuert, dass keine großen Partikel entstehen. „Kratzer als Folge des Polierens sind daher ausgeschlossen“, betont Meier.

Silane für die Chips von morgen

Digitale Geräte arbeiten von Generation zu Generation mit immer höheren Schaltfrequenzen und kleineren Strukturen. Sie werden dadurch schneller und leistungsfähiger, ohne größer zu werden. Möglich wird das durch eine fortschreitende Miniaturisierung der in den Chips erzeugten Strukturen.

Diese werden allerdings von Chipgeneration zu Chipgeneration immer komplizierter. Auf einem aktuellen Chip sind mehr als einhundert Schichten übereinandergestapelt. Strukturbreiten von fünf Nanometern – zehntausendmal dünner als ein menschliches Haar – sind bereits Stand der Technik. Bei solch kleinen Dimensionen stoßen Chiphersteller allmählich an physikalische Grenzen.

Probleme entstehen beispielsweise dann, wenn die Leiterbahnen auf dem Chip und die isolierenden Schichten immer enger zusammenliegen. Durch die hohen Schaltfrequenzen werden die elektrischen Ladungen in den Leiterbahnen heftig beschleunigt, sodass sie vergleichsweise starke elektrische Felder aufbauen. „Im Bereich zwischen den Leiterbahnen stören sich die Felder gegenseitig und bremsen die Ladungen ab“, erläutert Arne Meier. Je dünner die isolierende Schicht und je höher die Frequenz, desto größer ist die Bremswirkung. Im Extremfall kommen die Ladungen nicht rechtzeitig ans Ziel und der Chip versagt.

Abhilfe schaffen isolierende Materialien mit kleinerer Dielektrizitätskonstante, in der Halbleiterbranche kurz als "k" bezeichnet. WACKER arbeitet an der Entwicklung von Silanen, aus denen sich Materialien mit besonders niedrigen Dielektrizitätskonstanten abscheiden lassen. Sie könnten künftig eine Schlüsselrolle in der Halbleiterindustrie spielen. Laut Arne Meier stehen die Entwicklungsarbeiten an solchen Ultra-low-k-Materialien kurz vor dem Abschluss. „Mit diesen Silanen tragen wir dazu bei, die neueste Generation von Computerchips möglich zu machen.“

Mikrochip

Ein Mikrochip ist ein elektronisches Halbleiterbauteil, das einen vollständigen elektrischen Schaltkreis aus Tausenden bis Milliarden winziger Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und anderer elektronischer Bauelemente enthält. Alle diese Elemente sind als mikroskopisch kleine Strukturen in Form dünner Schichten in mehreren Ebenen auf einem Halbleiterplättchen angeordnet. Die erzeugten Schichten sind fest auf dem Substrat verankert.

Jede Schicht hat eine Funktion: Sie kann zum Beispiel die Rolle einer Leiterbahn übernehmen, Komponente eines Transistors sein oder als Widerstand fungieren. Von Chipgeneration zu Chipgeneration werden die Strukturen immer kleiner, zugleich steigt die Zahl der übereinanderliegenden Ebenen und damit auch die Anzahl der Transistoren. Je mehr Transistoren enthalten sind, desto leistungsfähiger ist der Chip.

Ultrareines Polysilicium

Polysilicium ist das wichtigste Vorprodukt für die Waferherstellung. Hier dreht sich alles um die Reinheit. Im Halbleitermaterial enthaltene Fremdatome wie Bor oder Phosphor würden die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters verändern, was letztlich zum Versagen der aus dem Wafer erzeugten Chips führt. Höchste Reinheit ist daher das A und O.

Das Polysilicium, das WACKER für Halbleiteranwendungen produziert, besitzt eine Reinheit von 12N. Damit wird ein Material bezeichnet, das höchstens ein kritisches Fremdatom pro einer Billion Siliciumatome enthält, was einer Reinheit von 99,9999999999 Prozent entspricht. Damit ist Polysilicium von WACKER der reinste von Menschenhand hergestellte Stoff.

WACKER liefert Reinstsilicium in Form von unregelmäßig geformten Bruchstücken an die Waferhersteller, die aus dem polykristallinen Material große zylindrische Einkristalle erzeugen und diese in dünne Scheiben zersägen. Die Scheiben werden planarisiert, gereinigt und poliert. Sie sind die Wafer, also die Substrate, auf denen die Strukturen des elektrischen Schaltkreises erzeugt werden. Je nach Chipdesign und Größe der Siliciumscheibe entstehen aus einem einzigen Wafer oft Hunderte von Chips, die zunächst wie Briefmarken auf dem Wafer nebeneinander liegen und erst nach Abschluss der Strukturierung vereinzelt werden.