Wafer

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Als Wafer ['weɪfə(r)] (engl. „Waffel“ oder „Oblate“) wird in der Halbleiter-, Photovoltaikindustrie und Mikromechanik die kreisrunde oder quadratische, ca. 1 mm dicke Scheibe bezeichnet, die das Substrat (Grundplatte) darstellt, auf dem elektronische Bauelemente, vor allem integrierte Schaltkreise (IC, „Chip“) oder mikromechanische Bauelemente oder photoelektrische Beschichtungen durch verschiedene technische Verfahren hergestellt werden.

Wafer von 2 Zoll bis 8 Zoll

Ein multikristalliner Wafer, wie er für Solarzellen verwendet wird

Germanium Hall-Effekt Wafer

[Bearbeiten] Aufbau

Diese Scheibe besteht in den meisten Fällen aus monokristallinem Silicium, es werden aber auch andere Materialien wie Siliciumcarbid, Gallium-Arsenid und Indium-Phosphid verwendet. In der Mikrosystemtechnik werden auch Glas-Wafer mit einer Dicke im 1-mm-Bereich verwendet.

Die Scheiben werden in verschiedenen Durchmessern gefertigt. Die zur Zeit hauptsächlich verwendeten Wafer-Durchmesser unterscheiden sich je nach Halbleiterwerkstoff und vorgesehenem Verwendungszweck (Silicium: 150 mm, 200 mm und 300 mm (450 mm sind in der Diskussion); Gallium-Arsenid: 2 Zoll, 3 Zoll, 100 mm, 125 mm und 150 mm (200 mm technisch machbar). Je größer der Wafer, desto mehr integrierte Schaltkreise (auch Chips genannt) können darauf untergebracht werden. Da bei größeren Wafern der geometrische Verschnitt kleiner wird, können die ICs kostengünstiger produziert werden (siehe Ausbeute (Halbleitertechnik)).

Maße von Standard-Wafern
Angelsächsische Bezeichnung	Wirklicher Durchmesser in mm	Durchschnittliche Dicke von Standard-Wafern in µm
1-Zoll-Wafer	–	−
2-Zoll-Wafer	50,8	275
3-Zoll-Wafer	76,2	375
4-Zoll-Wafer	100	525
5-Zoll-Wafer	125	625
6-Zoll-Wafer	150	675
8-Zoll-Wafer	200	725
12-Zoll-Wafer	300	775
18-Zoll-Wafer	450	?

Hergestellt werden die monokristallinen oder teilweise polykristallinen Scheiben nach verschiedenen Verfahren:

Zonenschmelzverfahren
Czochralski-Verfahren (Ziehen aus der Schmelze, Liquid Encapsulated Czochralski, LEC)
Bridgman-Stockbarger-Verfahren
Vertical Gradient Freeze (VGF)
Pedestalverfahren

Alle diese Verfahren liefern im Endeffekt mehr oder weniger zylinderförmige oder quadratische Ein- oder Polykristalle, die quer zu ihrer Längsachse in Scheiben, die Wafer, zersägt werden müssen. Um die Präzision für diesen speziellen Schnitt bei möglichst wenig Verschnitt zu optimieren, wurde das Innenlochtrennen entwickelt. Die Schneidblätter tragen dabei die Schneidzähne (ggf. Schneiddiamanten) auf der Innenseite einer Innenbohrung, die etwas größer als der Rohlingsdurchmesser sein muss. Mittlerweile hat sich jedoch auch das Sägen mit Drahtsägen, das ursprünglich nur für Solar-Wafer entwickelt wurde, mehr und mehr etabliert.

Für die meisten Anwendungen müssen die Oberflächen der Wafer optisch spiegelnd poliert sein. Dazu werdern die Wafer zunächst geläppt und anschließend mittels einer chemisch-mechanischen Politur behandelt, bis die geforderte Oberflächenrauigkeit (wenige Nanometer) erreicht ist. Weitere wichtige Geometrieparameter von Wafern sind die globale Dickenschwankungen (englisch total thickness variation, TTV), die Art und Größe der Verwölbung (engl. wafer warp) bzw. Verbiegung (engl. wafer bow) uvm..^[1]

[Bearbeiten] Kennzeichnung

Konventionen für die Kennzeichnung von Wafern (1–4″)

Da für die Verarbeitung der Wafer die exakte Position in der bearbeitenden Maschine wichtig ist, wurden die Wafer früher (bei GaAs bis 125 mm Durchmesser auch heute noch) mit sogenannten „Flats“ (engl. für »Abflachung«) gekennzeichnet. Dabei wird mit Hilfe eines primären und eventuell eines sekundären Flats angezeigt, welche Winkelorientierung vorliegt und welche Kristallorientierung die Oberfläche hat (siehe Abbildung). Heute werden statt der Flats sogenannte „Notches“ (Kerben) eingesetzt. Sie bieten den Vorteil der genaueren Positionierung und verursachen vor allem weniger Verschnitt.

Heutzutage wird außerdem eine eindeutige Waferkennzeichnung als Barcode, OCR-lesbarer Text und/oder Double dot matrix per Laser auf eine Stelle am Rand oder die Unterseite des Wafers geschrieben.

[Bearbeiten] In der Photovoltaik

Die Rohmaterial-Blöcke (aus Silicium) werden als Ingot bezeichnet. Diese können monokristalline oder multikristalline (andere Bezeichnung: polykristalline) Struktur besitzen. Die Form der Ingots und damit auch die der daraus hergestellten Wafer ist für Solarzellen meist quadratisch. Monokristalline Solarzellen gibt es daneben „pseudoquadratisch“, d. h. mit runden Ecken. Dadurch fällt bei der Erzeugung aus den stets runden monokristallinen Ingots weniger Verschnitt an. Die Waferdicke ist meist wesentlich dünner als in der Halbleiterindustrie, circa 200 µm in der aktuellen Massenproduktion. Es werden keine Polierverfahren verwendet. Aus den Wafern werden in mehreren nachfolgenden Bearbeitungsschritten Solarzellen und hieraus wiederum Solarmodule hergestellt.