Vom Sandkorn zum Mikrochip

Mikrochips sind das Herzstück vieler moderner Elektronikartikel. Umso erstaunlicher ist es, dass der Mikrochip Herstellungsprozess mit etwas so Alltäglichem wie Sand beginnt. In diesem Fachartikel werden wir den faszinierenden Weg von der Gewinnung des Rohmaterials bis zur Fertigung eines hochkomplexen Mikrochips beleuchten und dabei wichtige Schritte und Technologien erklären.

Die Herstellung eines Mikrochips beginnt mit der Gewinnung von Silizium, einem der häufigsten Elemente der Erdkruste. Es liegt hier als Siliziumdioxid (SiO2) vor, das reichlich in Quarzsand vorkommt. Quarzsand besteht zu etwa 95 % aus reinen Quarzkörnern, die einen hohen SiO2-Anteil aufweisen.

1. Siliziumreduktion: Vom Quarzsand zum reinen Silizium
   Der Prozess der Umwandlung von Siliziumdioxid in reines Silizium wird als Siliziumreduktion bezeichnet. Hierbei wird dem Quarzsand Kohlenstoff zugeführt und mit einem elektrothermischen Verfahren der Sauerstoff abgespaltet. Das Ergebnis ist Rohsilizium, das allerdings eines weiteren Reinigungsschrittes bedarf, um als Ausgangsmaterial für die Chipproduktion dienen zu können. 
   
   Im Folgenden finden Sie die weiteren Schritte zur Gewinnung und Verarbeitung von Silizium für die Mikrochip-Herstellung.
   
   
2. Hochreines Silizium: Reinigung und Kristallbildung
   Das mit obigem Verfahren gewonnene Rohsilizium wird einer weiteren Reinigungsstufe unterzogen, um letzte Verunreinigungen zu entfernen und die für die Chipproduktion erforderliche Reinheit zu gewährleisten. Anschließend wird das Silizium in Kristallform gebracht, indem es geschmolzen und in einem kontrollierten Prozess zu einem langen Kristallstab gezogen wird. Dieser Stab (Abb. 1 - Bild 1) wird dann in dünne Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten, die als dann Basis für die Chipproduktion dienen. Übliche Größen für diese Wafer sind 100 mm, 150 mm, 200 mm und 300 mm. Je größer der Wafer, desto effizienter ist die Produktion, da mehr Chips auf einem Wafer Platz finden.

   

3. Fotolithografie und Ätzung: Mustererzeugung auf dem Wafer
   Die Wafer werden nun in einem komplexen Prozess mittels Fotolithografie und Ätzung strukturiert (Abb. 1 - Bild 2, 3). Bei der Fotolithografie wird ein fotoempfindlicher Lack, der Fotolack, auf den Wafer aufgetragen und belichtet. So entsteht ein spezifisches Muster. Anschließend wird der belichtete Lack entwickelt, um das Muster zu fixieren. Durch Ätzen werden dann die ungeschützten Bereiche des Wafers entfernt und die gewünschten Strukturen erzeugt.
   
   
4. Dotierung und Diffusion: Erzeugung von Halbleiterbereichen
   Um bestimmte elektrische Eigenschaften zu erzielen, werden die Chips durch Dotierung mit Fremdatomen modifiziert. Dies geschieht durch Einbringen von gezielten Verunreinigungen in die Kristallgitterstruktur des Siliziums durch Diffusion oder Ionenimplantation, wodurch dann die gewünschten Halbleiterbereiche (p- oder n-dotierte Bereiche) erzeugt werden (Abb. 1 - Bild 4). Der Erfolg dieses Prozesses wird anschließend mit unterschiedlichen Testverfahren überprüft (Abb. 1 - Bild 5).
   
   
   
   
5. Metallisierung und Verpackung der Mikrochips
   Nach der Erzeugung der Halbleiterstrukturen werden die Mikrochips metallisiert, um elektrische Verbindungen herzustellen. Dazu werden dünnste Schichten aus Metallen wie Aluminium oder Kupfer auf den Chip aufgetragen und durch Ätzen in die gewünschten Leiterbahnen gebracht. Abschließend werden die Chips in einem Schutzgehäuse verpackt (Packaging), welches sie vor äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit und mechanischen Belastungen schützt (Abb. 1 - Bild 6).
   

Vom Sandkorn zum Mikrochip – dieser Weg ist ein faszinierendes Beispiel für die Leistungsfähigkeit moderner Technologie. Die Herstellung von Mikrochips erfordert ein Zusammenspiel von hochkomplexen Prozessen und Technologien, die es ermöglichen, winzige Strukturen mit hoher Präzision zu erzeugen. Die fortlaufende Weiterentwicklung in der Siliziumverarbeitung trägt dazu bei, die Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit elektronischer Geräte kontinuierlich zu verbessern und innovative Anwendungen zu ermöglichen.