Planartechnik

Herangehensweise bei der Planartechnik

Ausgangspunkt für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen sind sehr dünne Einkristall-Silicium-Scheiben (Wafer). Sie werden aus Einkristallen hergestellt, die zumeist mit dem Zonenschmelzverfahren gewonnen werden. Mit diesem Verfahren erhält man hochreine Einkristalle. Hochrein heißt, dass auf ${10}^9{\text{ bis 10}}^{\text{12}}$ Silicium-Atome ein verunreinigendes Atom entfällt.
Bei dem Zonenschmelzverfahren wird ein polykristalliner Silicium-Stab in einem evakuierten oder mit Schutzgas versehenen Quarzrohr senkrecht eingespannt. Dann wird mehrmals eine Hochfrequenz-Heizspule von unten nach oben geführt. Im Bereich der Spule schmilzt jeweils nur eine sehr schmale Zone. In dieser wandernden Schmelzzone reichern sich die Verunreinigungen an, während sie im wieder erstarrenden Silicium abnehmen.
Bereits beim Zonenschmelzverfahren können Einkristalle entstehen, meist sind aber weitere Schritte erforderlich.

Einkristallstäbe von 100 mm und mehr Durchmesser erhält man, wenn ein Kristallkeim in die Schmelze des gereinigten Halbleitermaterials gebracht und im Vakuum oder unter Schutzgas erschütterungsfrei und unter ständiger langsamer Drehung um eine senkrechte Achse langsam aus der Schmelze gezogen wird. Diese Einkristalle können bereits dotiert sein.
Einkristalle kann man auf diese Weise nicht nur aus Silicium, sondern z. B. auch aus Germanium, Galliumarsenid oder anderen Stoffen herstellen.

Maskentechnik

Zur Herstellung der sehr kleinen Fenster nutzt man die aus der Filmlithografie stammende Maskentechnik. Dabei geht man folgendermaßen vor:

• Sämtliche Fenster, die bei einem Arbeitsgang auf einer Silicium-Scheibe angebracht werden sollen, sind auf einer Fotoschablone festgehalten, die durch Verkleinerung einer Vorlage entsteht. Bei einem Chip sind das feinste Strukturen, die nur noch unter dem Mikroskop erkennbar sind.
• Auf die n-leitende Silicium-Scheibe (Wafer) wird eine für Dotierungsstoffe undurchlässige Siliciumdioxid-Schicht gebracht. Dann wird die Silicium-Scheibe mit lichtempfindlichem Fotolack überzogen.
• Durch die Fotoschablone hindurch erfolgt eine Belichtung. An den belichteten Stellen härtet der Lack aus, an den unbelichteten Stellen nicht.
• Die nicht belichteten Teile der Lackschicht werden ausgewaschen, die frei gewordene Siliciumdioxid-Schicht wird weggeätzt.
• Nach Beseitigung des Lackes ist die Silicium-Scheibe mit einer Maske aus Siliciumdioxid entsprechend der Fotoschablone versehen.
• Durch die Fenster können Dotierungen eingebracht werden, wobei die Dotierung meist bei hohen Temperaturen bis 1500 °C erfolgt und dabei Dotierungsatome aus einem Trägergas in das Silicium eindringen. Man bezeichnet dieses Verfahren als Dotieren durch Diffusion.
• Für den nächsten Diffusionsvorgang wird das Verfahren mit einer anderen Fotoschablone wiederholt. Das erfolgt so oft wie notwendig. Dadurch erhält man insgesamt feinste und komplexe Strukturen mit Millionen von Bauelementen auf einem Quadratzentimeter.
• Zum Schluss werden Kontakte und Verbindungen aufgebracht. Das erfolgt meist so, dass auf die bearbeitete Silicium-Scheibe durch großflächige Bedampfung eine etwa 1 Mikrometer (ein Tausendstel Millimeter) dünne Aluminium-Schicht aufgebracht wird und die gewünschte Struktur durch die Abätzung nicht benötigter Aluminium-Flächen erreicht wird.

Durch Zersägen der Silicium-Scheibe erhält man einzelne Chips. Sie werden dann mit äußeren Anschlüssen versehen. Dieses Verfahren wird als Bonden (engl.: to bond = verbinden) bezeichnet. Zum Schutz dient ein Gehäuse aus Metall, Glas oder Plastik.