Begriffe rund um Halbleiter

Halbleiter – mal so, mal so

Bei Halbleitern handelt es sich um chemische Stoffe, die sowohl die Eigenschaften von elektrischen Leitern als auch von Nichtleitern aufweisen – daher auch Halbleiter. Als Mikrochips sind sie in nahezu allen elektrischen Systemen eingebaut. Sie zählen als Schlüsseltechnologie der vernetzten Welt.

Silizium – das Rohmaterial der vernetzten Welt

Silizium (Si) ist der Stoff, der High-Tech-Träume wahrmacht. In der Natur findet man ihn so häufig wie Sand am Meer – denn Sand besteht zum Großteil aus Siliziumdioxid. Um hochreines, monokristallines Silizium zu erhalten – wie es für die Chipproduktion erforderlich ist – wird dem Sand in einem aufwändigen Prozess der Sauerstoff entzogen. Aus einer Tonne Sand lassen sich etwa 3 000 Wafer mit einem Durchmesser von 300 Millimetern herstellen.

Wafer – die Halbleiterwelt in Scheiben

Übersetzt aus dem Englischen bedeutet Wafer so viel wie Waffel oder Oblate. In der Halbleiterwelt bezeichnet der Begriff kreisrunde Scheiben aus beispielsweise Silizium. Aus hocherhitztem, flüssigen Silizium wird im sogenannten Ziehverfahren ein runder Silizium-Monokristall mit beispielsweise 300 Millimeter Durchmesser und mehr als einem Meter Länge gezogen, der sogenannte Ingot. Dieser Zylinder wird anschließend in Scheiben – die Rohwafer – gesägt. Diese sind jeweils dünner als ein Millimeter. In einem Fertigungsprozess von teilweise bis zu mehreren Monaten entstehen daraus Halbleiterchips.

Halbleiterchips – und was sie mit Hochhäusern gemeinsam haben

Ein Mikrochip besteht aus zahlreichen Ebenen, die übereinander liegen – wie die Etagen in einem Hochhaus. Rund 30 Ebenen werden in einem Mikrochip aufeinandergestapelt. Davon hat jede eine bestimmte Funktion, etwa den Strom zu leiten oder elektrische Widerstände aufzubauen. Um diese Ebenen zu erzeugen, muss der Wafer mehrere hundert Prozessschritte durchlaufen. Dabei werden zusätzliche, dünne Schichten auf den Wafer aufgetragen und strukturiert. Zunächst werden einzelne Schichten auf den Rohwafer aufgebracht, mit lichtempfindlichem Fotolack beschichtet und anschließend durch eine Maske hindurch belichtet. Nur der belichtete Fotolack härtet aus, der weich gebliebene Lack wird mit einer Ätzlösung wieder entfernt. Die so freigelegten Flächen werden nun physikalischen Prozessen ausgesetzt, wodurch das Material an diesen Stellen die gewünschten elektrischen Eigenschaften annimmt. Anschließend wird auch der noch verbliebene Fotolack durch Reinigung entfernt. Auf die so behandelte Waferebene wird eine neue Schicht aufgebracht und der Vorgang wiederholt sich – mit der Belichtungsmaske der nächsten Ebene und dem dazugehörigen Prozess. Je mehr Ebenen erzeugt werden, desto komplexer und leistungsfähiger ist der Chip. Auf diese Weise entstehen auf dem Wafer aktive sowie passive Bauelemente, die über Leiterbahnen aus Metall zu einer Schaltung verbunden sind. Bis ein Wafer alle seine Prozessschritte durchlaufen hat, vergehen teilweise mehrere Monate. Alle so entstandenen Schaltkreise werden anschließend auf dem Wafer auf volle Funktion überprüft. Fertigungspartner übernehmen nun das Vereinzeln des Wafers in einzelne Schaltungsplättchen und das Verpacken in die typischen Kunststoffgehäuse. Nach einem erneuten Funktionstest der Mikrochips sind sie bereit für den Einsatz in zahlreichen elektronischen Bauteilen, Komponenten und Systemen.

MEMS – Sehen, Fühlen, Riechen

Kleiner als ein Stecknadelkopf, rechteckig oder quadratisch und zwischen einem und vier Millimetern hoch – die winzigen MEMS-Sensoren sind in der vernetzten Welt wahre Alleskönner. MEMS steht dabei für mikroelektromechanische Systeme. Sie kommen quasi als Sinnesorgane in verschiedensten Anwendungen in Fahrzeugen zum Einsatz und versorgen die Steuergeräte mit wichtigen Informationen, beispielsweise, ob sich das Auto auf glatter Fahrbahn dreht. Auch aus der Konsumenten- und Unterhaltungselektronik sind MEMS-Sensoren nicht mehr wegzudenken. Sie machen beispielsweise aus einem einfachen Mobiltelefon ein Smartphone, das wackelfreie Fotos schießt. MEMS-Sensoren bestehen im Wesentlichen aus einem MEMS-Element und einem ASIC auf einer winzigen Leiterplatte. Das Ganze ist von einer Schutzhülle umgeben.

ASICs – Chips mit eingebauter „Intelligenz“

Sind MEMS-Sensoren die Sinnesorgane der vernetzten Welt, übernehmen anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, sogenannte ASICs, die Rolle des Denkers. Sie verarbeiten die Informationen der MEMS-Sensoren und stoßen weitere Aktionen an. Beispielsweise lösen sie die Airbags im Fahrzeug zum exakt richtigen Zeitpunkt aus. Auf den nur wenigen Quadratmillimeter großen Siliziumchips verbergen sich komplexe Schaltungen mit bis zu mehreren Millionen elektronischen Einzelfunktionen.

Leistungshalbleiter – sie strotzen vor Kraft

Die speziellen Halbleiterbauelemente übernehmen das Steuern und Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen. Damit sind sie mit besonderen Schalt- und Leitungseigenschaften ausgestattet, da die hohen Ströme und Spannungen normale Halbleiterbauelemente zerstören würden. In Elektro- und Hybridfahrzeugen regeln sie beispielsweise in den Leistungselektroniken den Energiefluss zwischen Batterie und E-Motor und sorgen dafür, dass der Strom möglichst effizient genutzt wird.

Reinräume – nicht nur sauber, sondern rein

Halbleiter bestehen aus sehr feinen Strukturen, die etwa 50 Mal dünner sind als ein menschliches Haar. Daher muss in den Fertigungsräumen der Halbleiterproduktion sichergestellt sein, dass keinerlei Staub- oder sonstige Verunreinigungspartikel in der Umgebungsluft vorhanden sind. Bereits kleinste Partikel können Halbleiterbauteile zerstören. Daher wird die Luft mit spezieller Absaug- und Filtertechnik sauber gehalten. Es gibt verschiedene Reinraumklassen. Die empfindliche Chipfertigung verlangt nach der reinsten Klasse 1. Für die Arbeitskleidung bedeutet das: Ganzkörperanzug, Handschuhe, Haube und Mundschutz. Und: Weder Make-up oder Lippenstift noch Lidschatten sind erlaubt.

Gelblicht – die Sonne muss draußen bleiben

Die Beleuchtung des Reinraums besteht aus speziellem Gelblicht, das keine UV-Strahlen enthält. Dadurch wird verhindert, dass die mit Fotolack beschichteten Wafer unbeabsichtigt belichtet werden.