Wafer
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Aufbau
Eine Scheibe besteht in den meisten Fällen aus monokristallinem Silicium (Si oder mono-Si), es werden aber auch andere Materialien wie Siliciumcarbid (SiC), Galliumarsenid (GaAs) und Indiumphosphid (InP) verwendet. In der Mikrosystemtechnik werden auch Glas-Wafer mit einer Dicke im 1-mm-Bereich verwendet.
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- Si-Wafer: Standard: 150 mm, 200 mm und 300 mm; Entwicklung: 450 mm
- GaAs-Wafer: Standard 2 Zoll, 3 Zoll, 100 mm, 125 mm und 150 mm; Entwicklung: 200 mm
Je größer eine Waferscheibe, desto mehr ICs können darauf untergebracht werden. Da bei größeren Wafern der geometrische Verschnitt kleiner wird, können die ICs kostengünstiger produziert werden. Um die Ausbeute zu maximieren und wegen der extremen Anforderungen an die Reinheit der Produkte, werden Wafer in Reinräumen produziert.
Wafer Evolution
| ) | de | 1}}}}| ; | {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}}}{{#if:http://www.virginiasemi.com/pdf/semi%20specificationsoverview71002.pdf%7C{{#if:{{#invoke:URLutil%7CisResourceURL%7C1=http://www.virginiasemi.com/pdf/semi%20specificationsoverview71002.pdf}} | }}}}{{#if:Your Guide to SEMI Specifications for Si Wafers|{{#if:{{#invoke:WLink|isValidLinktext|1=Your Guide to SEMI Specifications for Si Wafers|lines=0}} | }}}}{{#if: | In: {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{{werk}}}}}}}{{#if: Virginia Semiconductor| Virginia Semiconductor{{#if: 2002-06|,|{{#if: 2010-09-20 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||,}}}}}}}}{{#if: 2002-06| {{#if:{{#invoke:DateTime|format|2002-06|noerror=1}} | format|2002-06|T._Monat JJJJ}} | failure|1=Fehler bei Vorlage:Internetquelle, datum=2002-06|class=Zitationswartung}} }}{{#if: |,|{{#if: 2010-09-20 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||,}}}}}}}}{{#if: | S. {{{seiten}}}{{#if: |,|{{#if: 2010-09-20 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||,}}}}}}}}{{#if: {{#invoke:TemplUtl|faculty|}}| {{#if:2002-06Virginia Semiconductor|{{#if:|archiviert|ehemals}}|{{#if:|Archiviert|Ehemals}}}} {{#if:|vom|im}} Vorlage:Referrer{{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}| (nicht mehr online verfügbar)}}{{#if: | am {{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}|{{{archiv-datum}}}{{#if:25087 |
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| Bezeichnung | Dicke | Einführung | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| mm | Zoll | µm | Jahr | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| - | 1" | ? | 1960 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 50,8 mm | 2" | 275 | 1971 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 76,2 mm | 3" | 375 | 1973 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 100 mm | 4" | 525 | 1976 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 125 mm | 5" | 625 | 1982 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 150 mm | 6" | 675 | 1988 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 200 mm | 8" | 725 | 1990 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 300 mm | 12" | 775 | 1997 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 450 mm | 18" | 925 (lt. Spez.<ref>Mark LaPedus: Industry Agrees on first 450-mm wafer standard. EETimes.com, 22. Oktober 2008.</ref>) | ? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
-
Galliumarsenid-Wafer mit Micro-LED-Feldern
-
Optisch teilweise transparente Siliciumcarbid-Wafer
-
300-mm-Silicium-Wafer in einer Wafertransportbox
-
450-mm-Silicium-Wafer
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Produktion
{{#invoke:Vorlage:Siehe auch|f}} Die Waferherstellung beginnt mit einem Block aus einem Halbleitermaterial, der Ingot genannt wird. Ingots können monokristallin oder polykristallin aufgebaut sein und werden zumeist mit einem der folgenden Verfahren hergestellt:
- Zonenschmelzverfahren
- Czochralski-Verfahren, u. a. das {{#invoke:Vorlage:lang|flat}}-Verfahren (LEC-Verfahren)
- Bridgman-Stockbarger-Methode
- Vertical Gradient Freeze (VGF)
- Pedestalverfahren
- Blockgussverfahren oder Bridgman-Verfahren mit einem kontrollierten Schmelz- und Abkühlungsverlauf, für polykristallines Silicium<ref>Eintrag Multikristalliner Ingot = Multisilizium im <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20110811002312
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}} zur Silicium-Wafer-Herstellung der Firma Swiss Wafers, abgerufen am 16. April 2010.</ref>
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 Drahtsägen, das ursprünglich nur für Solar-Wafer entwickelt wurde, mehr und mehr etabliert.
In der Literatur finden sich spezielle Wafer-Bezeichnungen, die unter anderem angeben, welches Herstellungsverfahren genutzt wurde. So werden beispielsweise Wafer, die mit dem Czochralski-Verfahren hergestellt wurden, als CZ-Wafer bezeichnet. Analog dazu wird die Bezeichnung FZ-Wafer, für Wafer, die mit dem Zonenschmelzverfahren (engl. {{#invoke:Vorlage:lang|flat}}) hergestellt wurden, verwendet.
Für die meisten Anwendungen müssen die Oberflächen der Wafer optisch spiegelnd poliert sein. Dazu werden 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 globalen Dickenschwankungen (englisch {{#invoke:Vorlage:lang|flat}}, TTV), die Art und Größe der Verwölbung (engl. {{#invoke:Vorlage:lang|flat}}) bzw. Verbiegung (engl. {{#invoke:Vorlage:lang|flat}}) uvm.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref><ref>Thickness, Shape and Flatness Measurement of Semiconductor Wafers (PDF; 44 kB). MTI Instruments Inc. (Übersicht über die Wafer-Geometriecharakteristiken).</ref>
Kennzeichnung
Da für die Verarbeitung der Wafer die exakte Position in der bearbeitenden Maschine wichtig ist, werden die Wafer (bei Galliumarsenid bis 125 mm Durchmesser, bei Silicium bis 150 mm Durchmesser<ref name="Fruehauf60">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>) 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). Bei größeren Wafern (für Silicium ab 150 mm Durchmesser<ref name="Fruehauf60" />) 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 Strichcode, OCR-lesbarer Text und/oder Datamatrixcode per Laser an eine Stelle nahe der Notch am Rand der Waferunterseite geschrieben.
Wafer-Markt
Hersteller
Wafer werden von spezialisierten Unternehmen der Halbleiterindustrie hergestellt. Ein Halbleiterhersteller bezieht sie im Rahmen einer Zulieferer-Hersteller-Beziehung. Auch in Europa werden Wafer gefertigt, jedoch verliert der Kontinent seit Jahrzehnten den Anschluss. Etwa 75 % der weltweiten Wafer-Produktion erfolgt im asiatisch-pazifischen Raum, davon 16 % in China.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Sebastian Gerstl|Sebastian Gerstl: }}{{#if:|{{#if:China hält 16 Prozent der weltweiten Wafer-Kapazitäten|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=China hält 16 Prozent der weltweiten Wafer-Kapazitäten}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.elektronikpraxis.de/china-haelt-16-prozent-der-weltweiten-wafer-kapazitaeten-a-1095195/%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=China hält 16 Prozent der weltweiten Wafer-Kapazitäten}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.elektronikpraxis.de/china-haelt-16-prozent-der-weltweiten-wafer-kapazitaeten-a-1095195/}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=China hält 16 Prozent der weltweiten Wafer-Kapazitäten}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:Elektronikpraxis2022-02-14{{#if: 2026-02-05 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Herstellungskosten
Die anfänglichen Kosten für die Produktion von größeren Silicium-Wafern liegen üblicherweise bei den Halbleiter-Equipment-Herstellern (vgl. Halbleiterindustrie), da sie die Maschinen zum Hantieren und Bearbeiten der Wafer entwickeln müssen. Da aktuelle EUV-Lithographiemaschinen zur Bearbeitung von ultrakleinen Strukturen bereits mehrere Millionen bis Milliarden Euro kosten, gibt es seit c. den 2000er Jahren kaum noch Bestrebungen, zusätzlich die Wafergröße zu erhöhen.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Our history|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Our history}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.asml.com/en/company/about-asml/history%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Our history}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.asml.com/en/company/about-asml/history}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Our history}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:ASML{{#if: 2025-12-24 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Die Herstellungskosten von unstrukturierten Wafern hängen vom Durchmesser und dem Material (Silicium, Germanium, Galliumarsenid usw.) sowie dem Herstellungsverfahren (siehe unten) ab. Die Kosten für bearbeitete Wafer – sogenannte strukturierte Wafer – steigen mit der Anzahl der Prozessschritte erheblich an. Schon nach der Herstellung von STI-Strukturen haben sich die Kosten gegenüber unstrukturierten Wafern mindestens verdoppelt. Neben der Anzahl der durchgeführten Prozessschritte hängen die Kosten auch erheblich von der verwendeten Strukturgröße ab. Computerchips auf einem durchschnittlichen 200-mm-Wafer mit einer Strukturgröße von 90 nm (90-nm-Technologie) lagen Mitte 2008 bei ca. 850 Euro je Wafer. Die Produktionskosten von Spitzenprodukten (auf 300-mm-Wafern), bei AMD-Grafikkarten in 28-nm-Technologie, bei Intel-Prozessoren in 22-nm-Technologie, liegen jedoch deutlich höher. Je nach Chip-Größe lassen sich auf so einem Wafer einige Dutzend bis einige Hundert Chips herstellen. Nicht in diesen Kosten enthalten sind Aufwendungen, die nach der Chipherstellung entstehen, beispielsweise das Verpacken der Chips in Gehäuse.<ref>TSMC 2008 Second Quarter Investor Conference, 31. Juli 2008 (PDF)</ref>
Wafer in der Photovoltaik
In der Photovoltaik werden im Allgemeinen zwei Typen von Wafern unterschieden: polykristalline (auch multikristallin genannt) und monokristalline Wafer. Die Herstellung erfolgt für beide Typen durch Sägen von entsprechenden Ingots. Polykristalline Ingots werden aus quaderförmigen polykristallinen Silicium-Blöcken hergestellt, woraus sich die Form der Wafer ergibt (meist quadratisch). Monokristalline Wafer werden hingegen aus zylinderförmigen monokristallinen Ingots geschnitten, wie sie auch für mikroelektronische Anwendungen genutzt werden. Sie besitzen in der Regel eine „pseudoquadratische“ Form, d. h. mit abgerundeten Ecken. Im Unterschied zu quadratisch geschnittenen Wafern fällt bei der Erzeugung aus den runden monokristallinen Ingots weniger Verschnitt an. Ineffiziente, verschnittreiche Verfahren sind kostensteigernd und verschlechtern die Umweltbilanz. Außerdem ist der Verschnitt durch die Schneidhilfsmittel und den Drahtabrieb verunreinigt (und bildet eine Suspension) und kann nur schwer wieder zurückgewonnen werden. Andere Verfahren wie „{{#invoke:Vorlage:lang|flat}}“ (EFG) der Schott Solar oder „{{#invoke:Vorlage:lang|flat}}“ (SR) der Firma Evergreen Solar ermöglichen es, sehr dünne Wafer direkt aus der Schmelze zu ziehen.<ref>Jörn Iken: Ziehen oder Sägen – ein Systemvergleich solarenergie.com. 4. Dezember 2006, abgerufen am 16. August 2010.</ref> Das abwasser-, energie- und abfallintensive Drahtsägen entfällt hierbei.<ref name="VMS1">{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Nicole Vormann|Nicole Vormann: }}{{#if:|{{#if:Nachhaltigkeit und Social Responsibility in der Photovoltaik-Industrie|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Nachhaltigkeit und Social Responsibility in der Photovoltaik-Industrie}}]{{#if:Studie| (Studie)}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://www.greencapital.de/index.php?id=228%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Nachhaltigkeit und Social Responsibility in der Photovoltaik-Industrie}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www.greencapital.de/index.php?id=228}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Nachhaltigkeit und Social Responsibility in der Photovoltaik-Industrie}}}}]}}{{#if:Studie| (Studie{{#if:Murphy&Spitz2010-01{{#if: 2010-03-04 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Pseudoquadratische Solarzelle aus monokristallinem Silicium
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Ein polykristalliner Wafer, wie er für Solarzellen verwendet wird
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Quadratische Silicium-Wafer bei der Solarzellen-Produktion
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Literatur
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Weblinks
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Einzelnachweise
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