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2023 | Buch

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Handbuch energiesparende Halbleiterbauelemente – Hochintegrierte Chips

Bedeutung · Fertigung und Produktion · Technischer Fortschritt

verfasst von: Hartmut Frey, Engelbert Westkämper, Bernd Hintze

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Durch die Fähigkeit, nahezu jedes Gerät oder Produkt mit Sensoren oder Funketiketten zu verbinden, können Unternehmen intelligente Netzwerke betreiben. Daneben darf die Bedeutung der klassischen Märkte für die Möglichkeit der Umsetzung – wie schnelle Server, energiesparende Clouds usw. – nicht übersehen werden. Fast ein Fünftel des gesamten digitalen Energieverbrauchs benötigen Rechenzentren, genauso viel wie alle internetfähigen Geräte selbst. Höchstintegrierte, schnelle und energiesparende Chips werden zur Schlüsseltechnologie insbesondere für den Zukunftsmarkt Smart Mobility. Dieses Buch gibt einen umfassenden Überblick über die Möglichkeiten, Eigenschaften und Fertigungstechnologien solcher Halbleiterbauelemente.

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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einsatzgebiete schneller, höchstintegrierter Halbleiterbauelemente

Zusammenfassung

In der Fähigkeit, höchstintegrierte Chips herzustellen, steckt die Innovationskraft neuer physikalischer Erkenntnisse ebenso wie die Erfahrung und das Know-how im Umgang mit industriellen Fertigungsmethoden kombiniert mit informationstechnischen Prozessen wie der Steuerung von Fertigungsanlagen durch künstliche Intelligenz (AI) und das Internet der Dinge (IoT) (Abb. 1.1).

Hartmut Frey, Engelbert Westkämper, Bernd Hintze

Kapitel 2. Prozessierung von Chips, Basis der Digitalisierung

Zusammenfassung

Die Anzahl der Schaltelemente auf einem einzelnen Chip wurde von 2300 im Jahr 1970 auf heute über 1,3 Billionen erhöht. Vor 45 Jahren waren die kleinsten Teile dieser Billionen Transistoren noch so groß wie der Durchmesser eines menschlichen Haars, etwa 75.000 nm. Heute liegen die Abmessungen bei nur noch 5 nm.

Hartmut Frey, Engelbert Westkämper, Bernd Hintze

Kapitel 3. Chipfertigungsverfahren

Zusammenfassung

Die Strukturverkleinerung von Chips erfordert eine vakuumintegrierte Fertigung anstelle der Produktion in Reinsträumen. Um eine möglichst hohe Ausbeute an funktionierenden Chips zu erreichen, arbeiten die Menschen in den Reinsträumen bereits in „irdischen Raumanzügen“. Trotz der Raumanzüge ist das Bedienpersonal immer noch die größte Partikelschleuder. Beim Einstieg in die 3-nm-Technologie werden die Anforderungen an die Reinstraumtechnologie weiter steigen; der Mensch ist in diesem Umfeld Störfaktor.

Hartmut Frey, Engelbert Westkämper, Bernd Hintze

Kapitel 4. Siliziumwafer – Basis der Chips

Zusammenfassung

Grundwerkstoff von Chips der gegenwärtigen Generation ist Silizium (Si). Silizium ist ein graues, sprödes, tetravalentes chemisches Element. Es macht 27,8 % der Erdkruste aus und ist neben Sauerstoff das häufigste Element in der Natur.

Hartmut Frey, Engelbert Westkämper, Bernd Hintze

Kapitel 5. Beschichtungsmethoden

Zusammenfassung

Die Methoden zur Erzeugung dünner Schichten,, wie sie innerhalb der Halbleitertechnik verwendet werden, zeigt Abb. 5.1.

Hartmut Frey, Engelbert Westkämper, Bernd Hintze

Kapitel 6. Strukturierungsmethoden

Zusammenfassung

Zu den konventionellen Lithografieverfahren gehören die Foto-, EUV-, Röntgen-, Elektronenstrahl-und Ionenstrahllithografie. Foto-, EUV-, Röntgenlithografie und die Elektronenstrahlschattenwurfmetode sind parallele Verfahren, d. h., es können größere Substratflächen gleichzeitig belichtet werden.

Hartmut Frey, Engelbert Westkämper, Bernd Hintze

Kapitel 7. Ätzverfahren (Etching)

Zusammenfassung

Der Übertragung durch die Lithografie in die belichteten Strukturen der Fotolackschicht, dem Resist, auf den Wafer erfolgt nach der Entwicklung und durch Auflösung der belichteten Strukturen durch anschließendes Ätzen. Die Übertragung der durch die Resistschicht definierten Strukturen in die darunterliegende Schicht wird noch teilweise bei Mikrometerstrukturen in einem nasschemischen Prozessschritt durchgeführt. Nasschemisch bedeutet, dass die Strukturübertragungen mithilfe geeigneter Flüssigkeiten erfolgt, z. B. gepufferte Flusssäure (BHF) für das Ätzen von Siliziumdioxid (SiO₂) oder heiße Phosphorsäure für Siliziumnitridschichten (Si₃N₄).

Hartmut Frey, Engelbert Westkämper, Bernd Hintze

Kapitel 8. Dotierungsmethoden

Zusammenfassung

Zweck der Halbleiterdotierung ist, den Donatortyp innerhalb eines bestimmten Bereichs des Kristalls einzustellen, um seine lokalen elektrischen Eigenschaften zu modifizieren. Die Diffusion ist dafür eine Möglichkeit und wurde eingehend untersucht. Die Diffusion beschreibt den Prozess, durch den sich Atome (Ionen) in einem Kristallgitter bewegen.

Hartmut Frey, Engelbert Westkämper, Bernd Hintze

Kapitel 9. Mess- und Analysemethoden

Zusammenfassung

Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) ist die wichtigste und zugleich einfachste Form des Elektronenmikroskops. Das TEM ist im Prinzip ein Elektronenmikroskop, das eine direkte Abbildung von Objekten mithilfe von Elektronenstrahlen ermöglicht. Die derzeitige Auflösungsgrenze liegt bei 0,045 nm.

Hartmut Frey, Engelbert Westkämper, Bernd Hintze

Kapitel 10. Design von Halbleiterfertigungsanlagen

Zusammenfassung

Je feiner die Strukturen auf Chips werden, desto bedeutsamer wird die Ausbeute der Chips in Abhängigkeit von der Defektdichte. Quellen für Defekte können sein: Verunreinigungen in Chemikalien, Pinholes in abgeschiedenen Schichten, die Haftprobleme verursachen können. Die meisten Defekte entstehen, wenn kleine Partikel aus der Umgebung auf das Halbleitersubstrat gelangen.

Hartmut Frey, Engelbert Westkämper, Bernd Hintze

Kapitel 11. Ökologie in der Halbleiterfertigung

Zusammenfassung

Mit der weiter wachsenden Nachfrage nach Halbleiterbauelementen und deren fortschreitender Miniaturisierung erheben sich auch Fragen an die Industrie bezüglich grüner Fertigungsverfahren und gleichzeitig der Produktion von ökologisch wirksamen Bauelementen, wie zum Beispiel Schaltkreise mit geringerem Energieverbrauch.

Hartmut Frey, Engelbert Westkämper, Bernd Hintze

Titel: Handbuch energiesparende Halbleiterbauelemente – Hochintegrierte Chips
verfasst von: Hartmut Frey
Engelbert Westkämper
Bernd Hintze
Copyright-Jahr: 2023
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-39346-5
Print ISBN: 978-3-658-39345-8
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-39346-5

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