Lektion 13.1Mikro & NanoKapitel 13 · Mikro- und Nanofertigung

Czochralski-Kristallzüchtung (Siliziumwafer)

Zieht einen riesigen Silizium-Einkristall langsam aus einer Schmelze

Das Czochralski-Verfahren (ausgesprochen „tscho-HRAL-ski“) erzeugt einen riesigen Silizium-Einkristall: ein festes Stück, in dem jedes Atom im selben perfekten Gitter sitzt. Ein kleiner Keim wird in geschmolzenes Silizium getaucht und sehr langsam hochgezogen, und das Silizium erstarrt an ihm. In dünne Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten, sind diese Kristalle die Basis fast jedes Computerchips und vieler Solarzellen.

Foto: ArticCynda, CC0, via Wikimedia Commons

Czochralski-Ziehanlage im Querschnitt · 6 SchritteDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten. Das obere Bild ist ein Schnitt durch den Ofen (die Ziehanlage); das untere zeigt den fertigen Kristall.

So funktioniert es

Das Silizium schmelzen. Stücke von ultrareinem Silizium werden in einem Quarztiegel (einer hitzebeständigen Schale) bei etwa 1.420 °C geschmolzen. Eine abgemessene Prise Bor oder Phosphor (ein Dotierstoff, der bestimmt, wie das Silizium Strom leitet) kommt ebenfalls hinein, und Argongas hält die Luft von der Schmelze fern.
Den Keim eintauchen. Ein kleiner Keimkristall, so geschnitten, dass sein Atomgitter in eine gewählte Richtung zeigt, wird abgesenkt, bis er die Schmelze gerade berührt. Siliziumatome erstarren an ihm und übernehmen sein Gitter.
Einen dünnen Hals ziehen. Der Keim wird zuerst schnell hochgezogen, wodurch ein Hals von nur wenigen Millimetern Breite entsteht. Defekte (Versetzungen, Fehler im Atomgitter) wachsen durch den Hals hinaus, statt sich im Kristall auszubreiten.
Schulter und Körper wachsen lassen. Das Ziehen verlangsamt sich, sodass der Kristall sich zu einem Kegel (der Schulter) verbreitert und dann mit vollem Durchmesser wächst, meist 200 oder 300 mm. Keim und Tiegel drehen sich gegenläufig, um die Schmelze gleichmäßig zu halten, und der Kristall steigt mit etwa einem Millimeter pro Minute.
Den Schwanz verjüngen und abkühlen. Am Ende wird der Durchmesser zu einem Kegel verengt, damit der Kristall die Schmelze ohne Thermoschock (einen plötzlichen Temperaturwechsel, der sein Gitter schädigen würde) verlässt. Der fertige Kristall, Ingot genannt, wird herausgehoben und langsam abgekühlt.
Schleifen und schneiden. Der Ingot wird zu einem exakten Zylinder geschliffen und mit einer Kerbe versehen, die seine Kristallrichtung markiert. Ein diamantbeschichteter Draht schneidet ihn in Wafer von unter 1 mm Dicke, die dann auf Hochglanz poliert werden.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Meist Silizium; auch Germanium und einige Oxidkristalle für Laser und Optik
Typische Teile: Zylindrische Ingots (auch Boules genannt), in Wafer geschnitten
Bauteilgröße: Meist 200–300 mm Durchmesser, bis etwa 2 m lang und mehrere hundert kg schwer
Präzision: Ein durchgehendes Atomgitter ohne Versetzungen; Durchmesser vor dem Schleifen auf etwa einen Millimeter gehalten; fertige Wafer auf etwa einen Mikrometer (ein Tausendstel Millimeter) eben
Oberfläche: Wie gewachsen: glänzend metallisch grau mit schwachen Rillen der Länge nach; fertige Wafer sind spiegelpoliert
Geeignete Losgröße: Massenfertigung: Jede Ziehanlage züchtet einen Ingot nach dem anderen, rund um die Uhr
Werkzeug- und Maschinenkosten: Eine Ziehanlage kostet in der Größenordnung einer Million Dollar; der Quarztiegel ist ein Verbrauchsteil, der nach einem oder wenigen Ingots ersetzt wird
Geschwindigkeit: Etwa 1 mm Kristall pro Minute, sodass ein Ingot einen Tag oder mehr braucht

Stärken und Grenzen

Stärken

Riesige, nahezu perfekte Einkristalle
Exakte Dotierung bestimmt das elektrische Verhalten
Ausgereift und hochautomatisiert, bis zu 300-mm-Wafern
Der Standardausgangspunkt für Chips und viele Solarzellen

Grenzen

Sauerstoff aus dem Quarztiegel löst sich im Silizium
Langsam: Ein Ingot kann Tage dauern
Verbraucht viel Energie und Tiegel
Der Dotierstoffgehalt driftet von einem Ende des Ingots zum anderen

Wo es eingesetzt wird

ElektronikProzessoren und Speicherchips, auf 300-mm-Wafern gefertigt
SolarenergieMonokristalline Solarzellen
LeistungselektronikLeistungstransistoren und Dioden in Ladegeräten, Autos und Zügen
Sensoren und MEMS (winzige, in Silizium geätzte Maschinen)Bildsensoren von Handykameras, Bewegungssensoren (Beschleunigungssensoren)
Optik und LaserGermanium für Infrarotoptik, Laserkristalle wie Nd:YAG

So erkennen Sie es

Meistens nicht. Der Kristall steckt unsichtbar in jedem Chip: ein kleines Quadrat, aus einem Wafer geschnitten, in einem schwarzen Gehäuse auf der Platine Ihres Handys oder Laptops versiegelt.
Solarmodule. Monokristalline Zellen sehen gleichmäßig dunkel aus, ohne Schuppenmuster, und haben oft leicht abgeschnittene Ecken: Sie wurden aus einem runden Ingot quadratisch zugeschnitten.
Blanke Wafer. Eine spiegelglatte graue Scheibe, meist mit einer kleinen Kerbe oder Abflachung am Rand, die die Kristallrichtung markiert.
Ganze Ingots sehen auf Fabrikfotos oder in Museen aus wie riesige graue Geschosse mit schwachen geraden Rillen, die das innere Gitter des Kristalls verraten.

Im Vergleich mit

Einkristallguss1.8züchtet ebenfalls einen Kristall aus einem Keim, lässt aber ein geformtes Metallteil in einer Form erstarren, statt einen freien Zylinder zu ziehen.Molekularstrahlepitaxie13.3fügt auf einem fertigen Wafer neue Kristallschichten hinzu, einige Atome auf einmal, statt den Volumenkristall zu züchten.Fotolithografie13.2der nächste Schritt für die meisten Wafer, bei dem Schaltungsmuster aufgedruckt werden.

Ansehen

Linton Crystal Technologies · Ansetzen, Halsziehen und Ziehen, animiert im Inneren einer Ziehanlage

Intel · Wo der Ingot auf dem Weg vom Sand zum fertigen Chip steht

Linton Crystal Technologies · Echte Ziehanlagen und fertige Ingots in einer Fabrik

Linton Crystal Technologies · Wie ein Ingot in Wafer geschnitten wird

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Czochralski-Verfahren — Prozessillustrationen und Fotos von Siliziumingots
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

Ein Keim, der langsam aus geschmolzenem Silizium gezogen wird, wächst zu einem makellosen Kristall von bis zu etwa 2 m Länge.
Ein dünner Hals, langsames Ziehen, gegenläufige Drehungen und Argongas halten diesen Kristall perfekt und sauber.
Fast jeder Chip und viele Solarzellen beginnen als Scheibe eines solchen Ingots.