Technologie GaAs Wafer Herstellung

Das nachfolgende technologische Schema verdeutlicht die Abfolge der technologischen Prozesse zur Herstellung unserer GaAs Wafer. Die Entwicklung und ständige Vervollkommnung dieser Prozesse sind das Ergebnis umfangreicher Untersuchungen, Testreihen und Erprobungen. Unser Team hochqualifizierter Mitarbeiter erhält dabei zusätzliche Unterstützung durch die Kooperation mit zahlreichen Forschungseinrichtungen in ganz Deutschland und die enge Zusammenarbeit mit unseren Kunden.

Jeder einzelne Prozessschritt wird sorgfältig überwacht und alle Prozessdaten werden automatisch aufgezeichnet. Der technologische Fluss lässt sich in 4 Hauptabschnitte unterteilen: 1. Synthese, 2. Kristallzüchtung (Kopf des Fertigungsprozesses) und 3. mechanische Bearbeitung und 4. Endreinigung (Ende des Fertigungsprozesses).

1 Synthese

Gallium und Arsen 1.1

1.1 Gallium und Arsen

In der Synthese erfolgt die chemische Verbindung von Gallium und Arsen zu polykristallinem GaAs, welches dann in einem streng kontrollierten Prozess geschmolzen wird. Daraus werden Einkristalle in Form von Stäben, sogenannte Ingots gezüchtet, die dann zu Wafern verarbeitet werden können.

Hochdruck Synthese GaAs 1.2

1.2 Hochdruck Synthese GaAs

Die Ausrüstung für die Synthese besteht aus einem Hochdruckbehälter und einem Graphitheizer mit Wärmeisolation zum Schutz der wassergekühlten Wände. Strom und Inertgas werden über druckdichte Zuleitungen eingespeist. Die Temperatur wird mit Thermoelementen überwacht. In einem pyrolitischen Bornitrid-Tiegel (pBN) befinden sich zunächst Gallium und Arsen und am Ende des Prozesses der GaAs-Ingot. Die Charge wird mit flüssigem Boroxid verkapselt, um zu vermeiden dass während der Aufheizphase Arsen austritt. Auf diese Weise können GaAs-Ingots von bis zu 10 Zoll hergestellt werden.

Der Syntheseprozess beginnt mit Abpumpen zur Herstellung des Vakuums, gefolgt durch Ausspülen mit Inertgas. Während der Aufheizphase bei Temperaturen zwischen 400 und 600° C schmilzt der Boroxidzylinder und deckt die Charge ab, um Verdampfung zu vermeiden. Bei ca. 817° C schmilzt das Arsen und verbindet sich in einer exothermischen Reaktion mit dem Gallium. Der Inertgasdruck im Behälter muss höher als 35,8 bar sein (As Druck am Tripelpunkt). Das gebildete GaAs wird bis über den Schmelzpunkt (1238° C) erhitzt und homogenisiert. Der Inertgasdruck steigt bis auf über 100 bar. Anschließend kühlt der polykristalline GaAs Ingot langsam ab. Am Ende der Synthese wird der Tiegel aus dem Behälter ausgebaut, auf den Kopf gestellt, um den Ingot zu entfernen und Boroxid und synthesiertes Material voneinander zu trennen. Nach dem darauffolgenden Ätzen können aus dem polykristallinen Material Einkristalle gezogen werden.

Ein sauberer Arbeitsplatz und eine strukturierte und geordnete Abwicklung sind wichtige Bestandteile von FCMs überschaubarem Produktionssystem, das als Endergebnis qualitativ hochwertige Produkte für unsere Kunden liefert.

Andreas Szautner, Mehrfunktionswerker

2 Kristallzüchtung

Freiberger ist der einzige Anbieter von GaAs Wafern aus Kristallen, die nach zwei unterschiedlichen Technologien hergestellt werden. Da das Material, je nach Züchtungstechnologie, andere Eigenschaften aufweist, können wir jeweils den Prozess auswählen, der den technischen Anforderungen des Kunden am besten gerecht wird.

Unser VGF (Vertical Gradient Freeze) - Prozess liefert versetzungsarmes Material, das sich besonders gut für die Herstellung von Bauelementen mit hoher Stromdichte (HBTs, LEDs, Laser usw.) eignet, während das nach der LEC-Technologie (Liquid Encapsulated Czochralski) hergestellte Material bevorzugt für großflächige Bauelemente mit geringerer Stromdichte (ionenimplantierte MESFETs, pHEMTs usw.) eingesetzt werden kann.

VGF Prozess 2.1

2.1 VGF Prozess

In die VGF Anlage wird ein mit polykristallinem GaAs und Boroxid gefüllter pBN-Tiegel (pyrolytisches Bornitrid) eingesetzt. Bei der Anlage handelt es sich um einen Ofen, der aus mehreren getrennt steuerbaren Heizzonen besteht.

Dadurch können 2 nahezu temperaturkonstante Zonen über und unterhalb der Schmelztemperatur und ein kontrollierter (kleiner) Temperaturgradient zwischen den Zonen erzeugt werden.

Der Züchtungsprozess, der meistens durch einen im unteren Teil des Tiegels fixierten Keim mit <100> Orientierung eingeleitet wird, setzt sich dann mit einer sich nach oben bewegenden Erstarrungsfront fort.

Das Temperaturfeld wird durch die genaue Steuerung des Heizsystems eingestellt, wodurch die vorgegebene Wachstumsgeschwindigkeit und Phasengrenzform
gewährleistet werden. Der niedrige axiale Temperaturgradient von typischerweise kleiner 5 K/cm ermöglicht es, Kristalle mit sehr niedriger Versetzungsdichte zu züchten.

LEC Prozess 2.2

2.2 LEC Prozess

Die LEC Anlage besteht aus einem wassergekühlten Hochdruckbehälter mit druckdichten Durch-führungen zur Translation und Rotation von Kristall bzw. Tiegel, in den ein Graphitheizersystem mit Wärmeisolierung installiert ist.
Der Tiegel aus pyrolytischem Bornitrid (pBN) enthält die GaAs Schmelze, die mit flüssigem Boroxid abgedeckt ist, um Arsenverluste zu vermeiden. Anhand dieser Methode werden Kristalle mit einem Durchmesser bis zu 150 mm (6 Zoll) gezüchtet.

Die Multi-Heizer-Systeme ermöglichen die günstige Einstellung der Erstarrungsfront sowie die Temperaturregelung des aus dem Boroxid herauswachsenden Kristalls; dadurch wird die selektive Verdampfung von As vermieden und die mechanischen Restspannungen im Kristall reduziert. Die Ziehmaschinen sind mit einem Gasflusssystem zur Kontrolle der Kohlenstoff- bzw. Sauerstoffpotentiale und einem vollständig computergesteuerten Prozess- und Durchmesserkontrollsystem ausgestattet.

Die Züchtung erfolgt gewöhnlich mit gegenläufig rotierendem Keim (<100> Orientierung) und Tiegel bei einer Wachstumsgeschwindigkeit von 5-10 mm/h in einer Stickstoff- und CO-haltigen Atmosphäre bei einem Druck von mehr als 0,2 MPa.

Tempern 2.3

2.3 Tempern

Zwecks Spannungsabbau (nur bei LEC Kristallen), Einstellung der EL2-Konzentration und Verbesserung der makroskopischen und mesoskopischen Homogenität der elektrischen und optischen Eigenschaften werden die Kristalle getempert. Das Tempern beeinflusst außerdem die Größenverteilung und die Anordnung der As-Ausscheidungen.

Kristallanalyse 2.4

2.4 Kristallanalyse

Nach der Züchtung werden die Kristalle einer umfassenden Charakterisierung unterzogen. Dafür steht Freiberger eine aufwendige Analyse- und Messtechnik zur Verfügung, die es gestattet die Qualität des Materials anhand entsprechender Messwerte zu belegen.

Vom Kopf- und Fußende eines jeden Kristalls werden Proben entnommen und für unterschiedliche Analysen vorbereitet.

Dies geschieht durch Eintauchen der Probe in geschmolzenes KOH. Dort, wo eine Versetzung die Probenoberfläche durchschneidet, hinterlässt das KOH eine kleine Ätzgrube. Die Dichte dieser Ätzgruben (EPD) ist ein Maß für die strukturelle Perfektion des Kristalls. Mit einem optischen System (EPD scan) wird jede Ätzgrube auf der Probe gezählt. Die elektrischen Parameter der Keime und Fußenden werden ebenfalls für jeden Kristall mit Standard Hall-/van der Pauw-Messungen bestimmt. Außerdem kann der ohmsche Widerstand über den Wafer mit einem COREMA-Gerät ortsaufgelöst und berührungslos gemessen werden.

Verschiedene Parameter in Kombination bestimmen die elektrischen Eigenschaften von GaAs. Die zwei wichtigsten sind die Kohlenstoffkonzentration und EL2-Konzentration (EL2 ist ein elektrisch aktiver intrisischer Punktdefekt: Arsen-auf-Gallium-Antisite). Der Kohlenstoff wird mittels FTIR, lokaler Modenspektroskopie nachgewiesen und EL2 mittels Infrarotabsorptionsspektroskopie. Infrarotabsorptionsspektroskopie und Photolumineszenz dienen auch zur Messung der Verteilung der Dotierstoffe bzw. der Ladungsträger im GaAs.

Vom Rohstoff bis zum Wafer hat Freiberger im Vergleich zur Konkurrenz eine hohe Produktionsgeschwindigkeit. Unsere Technologie ist auf Effizienz, Stabilität und Qualität ausgelegt – dies wird ermöglicht durch die enge Verbindung zwischen Forschung/Entwicklung und Fertigung.

Michael Rosch, Ingenieur Kristallzüchtung

3 Mechanische Bearbeitung

Die Herstellung von Wafern aus einem GaAs Kristall erfordert eine ganze Reihe von Schritten. Die ersten Prozesse laufen in einer auf den ersten Blick anmutenden Hightech-Version einer mechanischen Werkstatt ab. Halbleiter-Wafer lassen nur ganz enge geometrische Toleranzen zu. Daher muss jeder Schritt sorgfältig programmiert und weitest möglich automatisiert sein.

Kristallschleifen 3.1

3.1 Kristallschleifen

Der Kristall wird an den Stirnseiten in eine Zylinder-Schleifmaschine eingespannt. Dazu sind an den Frontseiten spezielle Stifte angebracht, mit denen der Kristall in der Schleifmaschine zentriert wird. Als Schleifwerkzeug dient eine Diamantschleifscheibe.

Nach der Bestimmung der <110> Richtungen wird der Kristall in der Schleifmaschine je nach der gewünschten Flat/Notch-Richtung positioniert und der Flat/Notch wird in der erforderlichen Orientierung zu den <110> Richtungen geschliffen.

Kristallsägen 3.2

3.2 Kristallsägen

Innenlochsäge (ID Säge)

Die zylindrisch geschliffenen Kristalle werden auf einem Träger befestigt. Nach der Orientierung in die <110>-Richtung zur Stirnseite wird der Kristall entsprechend der gewünschten Orientierung in der Innenlochsäge positioniert. Mit einem Diamantsägeblatt werden einzelne Wafer geschnitten.

Drahtsägen

Das Drahtsägen ist eine zum Innenlochsägen alternative Trennmethode. Der Trennvorgang erfolgt durch die Bewegung eines Slurry-führenden Drahtes durch den Kristall. Im Vergleich zum Innenlochsägen werden die Wafer eines Kristalls in einem Schritt gesägt, was die Sägeleistung erhöht.

Kantenverrunden

Nach dem Sägen erfolgt das Kantenverrunden. Die Kanten werden rundgeschliffen, um die in vorausgegangenen Schleifschritten verursachten Kristallstörungen zu beseitigen. Beim Kantenverrunden wird der Kristall auf den endgültigen Durchmesser geschliffen. Die Flat-/Notch-Position wird gemessen und in der geforderten Orientierung eingeschliffen.

Ätzen und Reinigen 3.3

3.3 Ätzen und Reinigen

Nach dem Sägen, Kantenverrunden und Schleifen der Oberfläche werden die Wafer in zwei Schritten geätzt. Im ersten Schritt erfolgen Ultraschallreinigung und Kurzzeitätzen. Die Reinigung dient zur Entfernung von Partikeln und organischen/anorganischen dünnen Schichten von der Waferoberfläche.

Im zweiten Schritt (Abtragsätzen) wird die Waferdicke um 12 µm reduziert. Dieser nasschemische Schritt entfernt die durch das Sägen, Kantenverrunden, Oberflächenschleifen und Lasermarkieren geschädigten Schichten

Bei Freiberger hat man die Möglichkeit sich einzubringen und weiterzubilden. Wir haben ein gutes Kollektiv und legen Wert auf hohe Qualität in der Firma.

Steffi Grond, Vorarbeiterin Routinemesstechnik

4 Politur und Reinigung

Für die meisten der heutigen GaAs-basierten Bauelemente ist die Oberflächenbeschaffenheit des GaAs-Substrats die entscheidende Eigenschaft des Wafers. Ebenheit, Anzahl und Typ der Verunreinigungen und selbst Dicke und Zusammensetzung des Oxids können ausschlaggebend sein für die Leistungsfähigkeit des Bauelements. Folglich ist es außerordentlich wichtig, wie die Oberfläche hergestellt wird und wie gut es gelingt, die Oberflächenbearbeitung auf alle Wafer aus allen Kristallen zu kopieren.

Polieren 4.1

4.1 Polieren

Das Polieren erfolgt in einem chemisch-mechanischen Prozess. Die Oberfläche wird mittels einer der Polierflüssigkeit zugesetzten chemischen Reagenz oxidiert. Das Reaktionsprodukt wird durch die mechanische Komponente der Polierflüssigkeit und das Poliertuch entfernt. Die Wafer werden in zwei Schritten poliert:

Vorpolieren (Abtragsschritt) und Endpolieren. Diese beiden Schritte unterscheiden sich hinsichtlich der zu erreichenden Oberflächenqualität und der eingesetzten Poliermittel (Tücher, Flüssigkeiten, Druck). Deshalb werden für beide Polierschritte unterschiedliche Maschinen eingesetzt.

Doppelseitiges Polieren

Nach dem Ätzen und der Dickenmessung werden die Wafer vorpoliert (Abtragsschritt), um aus vorangegangenen Arbeitsschritten herrührende Defekte auf und unter der Oberfläche zu entfernen und die geforderten geometrischen Eigenschaften der Wafer zu erzeugen.

Die Abb. zeigt den technologischen Prozess. Zwischen dem unteren und oberen rotierenden, mit Polier­tüchern bestückten Polierteller rotieren die Wafer in Carriern, die durch einen Zahnkranz und ein zentrales Ritzel angetrieben werden.

Die Polierflüssigkeit besteht aus einer chemischen Reagenz und einer mechanischen Suspension, die dem rotierenden Polierteller durch Öffnungen im oberen Teller zugeführt werden.

Wafer mit größeren Durchmessern, die die höchsten Anforderungen an die Ebenheit erfüllen, werden doppelseitig poliert.

Einseitiges Polieren

Die Abb. zeigt die Technologie zum einseitigen Polieren, welche eine Alternative zum doppelseitigen Polieren darstellt. Sie wird als Vorpolierstufe (Abtrag) für Kunden eingesetzt, die eine gesägte/geätzte Wafer-Rückseite bevorzugen und generell im Endpolieren.

Zum Polieren der Vorderseite werden die Wafer auf keramische Polierplatten geklebt. Die Platten rotieren kopfüber auf dem rotierenden mit einem Poliertuch bestückten Polierteller. Zur Erreichung eines guten Polierergebnisses sind mehrere Faktoren entscheidend: definierte Menge an Polierflüssigkeit, Oberflächendruck und die Bewegung der Wafer.

Reinigung 4.2

4.2 Reinigung

Nach dem Polieren durchlaufen die Wafer einen Reinigungsprozess. In diesem Schritt werden nicht nur alle Partikel entfernt, sondern auch das auf der Oberfläche vorhandene Oxid „wieder hergestellt“. Da die Oberflächenqualität der Wafer so überaus wichtig ist, erfährt jeder Wafer eine sorgfältige Prüfung.

Qualitäts­kontrolle 4.3

4.3 Qualitäts­kontrolle

Die Oberfläche jedes Wafers, der die Reinigungslinie verlässt, wird von einem hochqualifizierten Mitarbeiter unter einer hellen Lichtquelle sorgfältig nach sichtbaren Defekten untersucht.

Nach dieser Eingangsprüfung werden alle Wafer mit einem Surfscan auf Partikel getestet. Danach wird die Ebenheit mit einem Ultrasort bestimmt.

Zahlreiche andere Oberflächeneigenschaften können ebenfalls gemessen werden. Die Konzentration von Restverunreinigungen auf der Oberfläche kann mittels TXRF (Totalreflektions-Röntgenstrahllumineszenz) gemessen werden. Die Beschaffenheit der Oxidschicht prüfen wir anhand der Ellipsometrie (Candela Diagramm). Die mikroskopische Rauheit der Oberfläche kann durch Weißlichtinterferometrie oder Rasterkraftmikroskopie gemessen werden. Das Durchlaufen dieser Vielzahl von Tests stellt sicher, dass jeder Wafer die Spezifikation erfüllt, die seiner Herstellung zugrunde liegt.

Verpackung und Zertifizierung 4.4

4.4 Verpackung und Zertifizierung

Der letzte Schritt im Prozess ist die Verpackung der Wafer in Kassetten, die in einer Verbundfolie hermetisch eingeschlossen werden. Die Kassetten werden dann entsprechend etikettiert und mit den erforderlichen Begleitpapieren versehen.

Dank der Gewährleistung der Nachverfolgbarkeit über den gesamten Produktionszyklus kann Freiberger für jeden gelieferten Wafer alle Informationen bereitstellen.

Die Menschen bei Freiberger sind sehr vielfältig, es macht Spaß mit ihnen zusammen zu arbeiten und gemeinsam Probleme zu lösen, um die Firma weiter nach vorn zu bringen.

Romy Krautwald, Vorarbeiterin