Herstellung von Einkristallen aus Silizium für die Halbleiterbranche

Ohne Halbleiter ist unsere moderne Welt undenkbar: Computer, Smartphones, autonome Autos und unzählige weitere Produkte fußen auf der Technologie. Basis vieler Halbleiter ist Silizium. Das Halbmetall wird zu Einkristallen gezüchtet, in ca. 1 Millimeter dünne Wafer-Scheiben geschnitten und anschließend zu winzigen mikroelektrischen Systemen verarbeitet.

Spezielle Hochtemperaturöfen heizen das gereinigte Silizium zunächst auf etwa 1.450 Grad Celsius auf. Nun fährt von oben ein Stab, der sogenannte Impfkristall (1), in die Schmelze (2) hinab, die sich im Quarztiegel (3) befindet. Stab und Tiegel drehen sich dabei in entgegengesetzte Richtungen. Sobald der Keimling in die Siliziumschmelze eingetaucht ist, fährt der Stab bei permanenter Drehung langsam wieder aus der Schmelze heraus. Da die Oberflächentemperatur der Schmelze nur wenig über dem Schmelzpunkt des Siliziums liegt, lagert sich Silizium am Keim an, erstarrt und übernimmt dabei dessen kristalline Struktur – der Einkristall (4) wächst bis zu einem Durchmesser von 60 Zentimetern und einer Länge von über 2 Metern an.

Die gleichbleibende Temperatur der Siliziumschmelze, die Dreh- sowie Zuggeschwindigkeit des Impfkristalles bestimmen Durchmesser und Länge des Kristalls. Einen maßgeblichen Einfluss auf die Kristallqualität haben Reinheit und die Kontinuität der Materialeigenschaften aller installierten Graphitbauteile. Die SGL Carbon fertigt komplette Hot Zone Systeme aus höchstreinen Graphit und Faser-Verbundwerkstoffen, je nach Anforderung auch Oberflächen beschichtet. In enger Zusammenarbeit mit unseren Partnern designen und modellieren wir in dynamischen Systemen komplexe Anlagen für die individuellen, spezifikationsabhängigen Fertigungstechnologien und Prozesse. Dies beinhaltet unter anderem  Komponenten hochreine hitze- und korrosionsbeständige Stütztiegel (5), Heizer (6), Hitzeschilde (7) und Isolationsbauteile (8) aus Graphit. Graphit ist das Material der Wahl, denn es hält die extremen Temperaturen und die chemischen Prozesse problemlos aus. Da es hochrein ist, beugt es zudem Verunreinigungen der Siliziumschmelze vor. Beste Bedingungen für beste Qualität also.

Die Züchtung der Einkristalle ist einer der wichtigsten Produktionsschritte. Hier entsteht eine möglichst perfekte Gitterstruktur, und das ist die Basis für die Qualität und Leistungsfähigkeit daraus hergestellter Chips.

Dirk Mützenich, Technical Marketing Manager bei der SGL Carbon

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