Warum sind Chips quadratisch und Waffeln rund?

In der öffentlichen Wahrnehmung ist ein Wafer ein dünner, runder, hochreiner Siliziumwafer. Auf diesem hochreinen Siliziumwafer lassen sich verschiedene Schaltungskomponentenstrukturen herstellen, sodass integrierte Schaltkreise mit spezifischen elektrischen Funktionen entstehen. Die dicht gepackten Komponenten sind ordentlich auf dem monokristallinen Siliziummaterial angeordnet und bilden eine geordnete, quadratische Oberfläche. In der Praxis werden Wafer nach wie vor quadratisch zugeschnitten.

Warum sind Siliziumwafer rund? Warum heißt es „Wafer“ und nicht „Quadratkristall“? Warum fehlt bei manchen Wafern der Chip im äußeren Ring, während bei anderen die Schaltkreise den gesamten Wafer bedecken und im äußeren Ring unvollständige Chips entstehen? Kenner der Halbleiterfertigung wissen, dass der gesamte Fertigungsprozess auf dem Wafer stattfindet, bevor der Chip geschnitten und verpackt wird. Die Chips, die wir kennen, sind jedoch alle quadratisch. Bei der Chipfertigung auf einem runden Wafer bleiben immer Bereiche ungenutzt. Warum also nicht quadratische Wafer verwenden, um die Ausnutzung zu erhöhen? Da Wafer (ursprünglich Siliziumwafer) aus zylindrischen Siliziumstäben geschnitten werden, kann ihr Querschnitt nur kreisförmig sein.

Wafer eignen sich besser zur Herstellung von Chips als „Kristallquadrate“.

Die Herstellung von Siliziumwafern lässt sich in drei grundlegende Schritte zusammenfassen: Siliziumraffinierung und -reinigung, Wachstum von monokristallinem Silizium, Waferformung.

Der erste Schritt ist die Reinigung und das Schmelzen von Quarzsand. In dieser Phase wird Polysilizium hauptsächlich durch eine Reihe von Verfahren wie Auflösen, Reinigen und Destillieren gewonnen.

Als Nächstes folgt das Wachstumsverfahren für monokristallines Silizium. Dabei wird monokristallines Silizium aus einer Siliziumschmelze gezüchtet. Hochreines Polysilizium wird in einen Quarztiegel gegeben und unter Schutzgasatmosphäre auf hohe Temperaturen erhitzt, um es zu schmelzen. Ein monokristalliner Siliziumblock mit großem Durchmesser kann mithilfe eines kleinen Impfkristalls, der langsam aus der rotierenden Schmelze aufsteigt, vertikal gezogen werden.

Der letzte Schritt ist das Wafer-Formen. Monokristalline Siliziumblöcke sind in der Regel zylindrisch und haben einen Durchmesser von 3 bis über 10 Zoll. Nach dem Schneiden und Polieren der Siliziumblöcke erhält man einen monokristallinen Siliziumwafer, auch Wafer genannt.

Derzeit ist das Czochralse-Verfahren das am häufigsten verwendete Verfahren zur Waferherstellung. Daneben wird auch das Zonenschmelzen häufig eingesetzt. Im Allgemeinen ist der monokristalline Siliziumstab zylindrisch, und der so hergestellte monokristalline Siliziumwafer ist naturgemäß rund. Tatsächlich kann der Siliziumstab vor dem Schneiden quaderförmig zugeschnitten werden, sodass beim späteren Schneiden direkt „Kristallquadrate“ entstehen. Die zur Chipherstellung verwendeten Siliziumstäbe lassen sich jedoch aus verschiedenen Gründen nicht so verarbeiten:

Erstens eignet sich die runde Form besser für die Fotolackbeschichtung. Zweitens ist die strukturelle Festigkeit runder Wafer aufgrund von Kantenspannungen höher als die quadratischer Wafer. Siliziumwafer müssen vor ihrer Herstellung mehrere Fotolithografie-, Ätz-, chemische Schleif- und andere Prozesse durchlaufen, wodurch sich im äußeren Bereich des Wafers mehr Spannungen ansammeln. Daher führt der scharfe Winkel quadratischer Wafer zu Kantenspannungskonzentrationen, die im Produktionsprozess leicht beschädigt werden und die Gesamtausbeute beeinträchtigen.

Im Allgemeinen sind runde Wafer für die Chipherstellung praktischer und erzielen höhere Ausbeuten. Wenn die zur Chipherstellung verwendeten Wafer nicht praktikabel quadratisch hergestellt werden können, warum können Chips dann nicht rund gefertigt werden?

Runde Chips sind schwieriger herzustellen

Nach der Beschichtung des Siliziumwafers, Lithographie, Ätzung, Ioneninjektion und weiteren Schritten wird ein Chip hergestellt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Chip jedoch noch „lang“ auf dem Wafer und muss ausgeschnitten werden, um ein separater Chip zu werden.

Der quadratische Chip lässt sich mit wenigen Schnitten abtrennen. Runde Chips hingegen benötigen um ein Vielfaches mehr Zeit. Vor allem aber lösen runde Chips das Problem der verschwendeten Siliziumfläche nicht.

Tatsächlich ist die Einsparung von Waferfläche stets ein wichtiges Thema. Je mehr Chips auf einem Wafer produziert werden können, desto höher ist die Produktionseffizienz und desto niedriger sind die Kosten pro Chip. Derzeit ist die Vergrößerung der Waferfläche der beste Weg, die Produktionseffizienz zu steigern – eine altbekannte Rechnung.

Quadratischer Photovoltaik-Siliziumwafer

Neben der Herstellung von Chips sind Siliziumwafer auch ein äußerst wichtiger Bestandteil des Photovoltaikbereichs.

Aufbau eines Solarmoduls (die Zelle besteht aus Silizium)

Die frühe Phase der Herstellung von monokristallinem Silizium für Photovoltaikzellen verläuft analog zur Herstellung von monokristallinem Siliziumchips. Der Grund für die quadratische Form ist ebenfalls einfach: Wären die Photovoltaikzellen rund, entstünden in der Mitte des Solarmoduls Lücken, die den Wirkungsgrad verringern würden. Im Vergleich zu Chips sind die Anforderungen an die Siliziumreinheit bei der Herstellung von Photovoltaikmodulen etwas geringer. Der Reinheitsgrad von 99,9999 % genügt, kann aber nicht die für Chips erforderlichen 99,9999999 % erreichen.

***ZUSAMMENFASSEN***

Warum sind Chips quadratisch? Runde Chips lassen sich schwer schneiden, die nachfolgende Verpackung ist schwieriger zu kontrollieren, und vor allem lösen runde Chips nicht das Problem der verschwendeten Waferfläche. Warum sind Wafer rund? Bei der Chipherstellung sind runde Wafer aus mechanischen Gründen einfacher herzustellen und die Ausbeute ist höher. Siliziumstäbe sind von Natur aus zylindrisch, und Wafer sind daher von Natur aus rund. Im Bereich der Photovoltaik hingegen verschwendet der quadratische Siliziumwafer beim Verpacken der Batterie keinen Platz, weshalb Photovoltaik-Siliziumwafer quadratisch sind.

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