Bericht Chipfertigung: Innovationen gestern, heute und morgen

[DeadMan666]

@Beitrag hier mal ein paar Kennzahlen aus meiner Branche, Sensorik und Optoelektronik Industrie. Die Daten basieren auf 6", 8" und Oled Erfahrungen:

• Si Wafer Rohmaterial ab ca. 10 - 15 Eur pro Stück
• GaN Wafer (GaN epitaxiert auf Saphir) ab 100 Eur pro Wafer
• ALD Oxide ab 1 Eur pro 10nm, Prozesszeit ca. 1 Stunde pro 10nm
• Metallstapel stark Rohmaterialabhängig. Billige Metalle im einstelligen Euro Bereich pro Wafer. Goldhaltige Stapel ab ca. 15 Eur pro Wafer. Prozesszeit bei Sputtern wenige Minuten pro Wafer. Bedampfen dauert einige Stunden aber dafür werden große Batches von ca. 30 Wafern parallel beschichtet.
• CVD Prozesse ab ca. 1 Eur pro 100nm, Prozesszeit ca. 1 Minute pro 100nm
• Einfache Messungen wie Justage, Schichtdicke, Schichtspannung, Schichtwiderstand, Durchbruchfeldstärke, Defektdiche ab ca. 0,5 Eur pro Wafer
• Komplexe Messungen wie z.B. 100% elektrische Messung eines Wafers ab 10 Eur pro Wafer. Messdauer im Stundenbereich möglich.

- Lithografie ab 30 Eur pro Ebene (Lack + Belichtung + Reinigung). Belichtung in der Regel deutlich kleiner als 1 Minute pro Wafer.

Wafer testen und frühzeitige Defekterkennung ist vielschichtig. Es gibt die elektronischen Vollautomaten wie du sie ansprichst. Aber die meisten Test finden nicht am direkten Chip statt. Auf den Wafern sind meistens Teststrukturen aller Art, für Schichtdicken, Schichtwiderstand, Ätzraten, Justage, Durchbruchfeldstärke etc. die stichprobenartig kontrolliert werden.
Weiterhin wird in den Fabs in aller Regel eine Anlagenkontrollstrategie gefahren, sprich regelmäßig werden an den Anlagen Dummywafer prozessiert und extrem genau charakterisiert. Z.B. Verspannung, Pinholes, Dicke, optische und elektrische Materialparameter etc.
Und dann gibt es noch eine dritte Säule der Kontrollstrategien, Selbstüberwachung der Anlagen durch interne Sensorik, beliebte Beispiele sind Schwingquarze bei Metallisieren, Restgasüberwachung im Vakuum, Endpunkterkennung in Plasmaanlagen, ...

 

[derlorenz]

Toller Bericht - gerne mehr davon. Allein dafür zahle ich (weiterhin) gerne CB Pro 👌🏼🤓

 

[BaserDevil]

Und dann gibt es noch eine dritte Säule der Kontrollstrategien, Selbstüberwachung der Anlagen durch interne Sensorik, beliebte Beispiele sind Schwingquarze bei Metallisieren, Restgasüberwachung im Vakuum, Endpunkterkennung in Plasmaanlagen, ...

Nicht das man das wieder verwechselt. Endpunkterkennung hat nichts mit Selbstüberwachung zu tun im Sinne von Anlagendefekterkennung. Das dient rein dazu den eigentlichen Ätzprozess zu kontrollieren damit nicht über- und nicht unterätzt wird. Was ist Endpunkterkennung? Dabei wird die Farbe des Plasmas (die ionisierte Gaswolke) angeschaut und dessen Spektrum überwacht. An Hand der Farbänderung weiß man das sich die Zusammensetzung der Gaswolke geändert hat und man die zu ätzende Schicht fertig "durchgeätzt" hat.

Nur was du mit Schwingquarz beim Metallisieren meinst ist mir ein Rätsel. Du redest bestimmt von PVD. Was genau soll dabei ein Schwingquarz machen?

Und mit den Zahlen kann sowieso niemand was anfangen. Das ist viel zu abstrakt. Niemand weiß wieviel Ebenen von allen ein Wafer bekommt, weil das wiederum Produktabhängig ist. Ich halte dieses um sich werfen mit paar Zahlen für Unsinn.

 

[DeadMan666]

Endpunkterkennung hat nichts mit Selbstüberwachung zu tun im Sinne von Anlagendefekterkennung.

Kommt ganz drauf an. Über kluge Auswertung von Endpunktkurven kann man z.B. auf On Wafer Homogenitäten der Ätzung schließen und frühzeitig drifts erkennen. So kann man in seine Prozesse oder Maschinen Eingreifen bevor überhaupt probleme im Chip bzw. auf dem Wafer entstehen.

Bei CVD hat sich meiner Erfahrung bewährt die Reflektierte Power zu Monitoren, die gibt oft Rückmeldung zu Partikelentstehung im Plasma.

Und bei PVD z.B. kann man Schwingquarze in die Kammern einbauen um die Wachstumsraten unter Kontrolle zu halten. Baut man an mehreren Positionen innerhalb der Kammer diese Quarze ein dann kann man wieder auf die Homogenität zurückrechnen.

Solche Überwachungsstrategien auf Maschinenlevel sind meiner Ansicht nach das Grundgerüst um frühzeitig Probleme zu erkennen und Verwurf zu vermeiden.

 

[PusteBlume0815]

Lesenswerter Artikel. Für mich als Laie natürlich mit vielen böhmischen Dörfern auch wenn das Grundwissen, wie ein Transistor funktioniert noch vorhanden ist.
Die Leute, die solche Technologien entwickeln und in solche winzigen Dimension vorstoßen oder Gerätschaften entwickeln verdienen von mir den höchsten Respekt.

 

[Tzk]

Ich hätte auch ne Frage zum Belichtungsprozess. Wafer werden ja zwangsläufig mehrfach belichtet und dazwischen geschliffen, gereinigt und bestimmt noch tausend andere Sachen.

Wie schafft man es den Wafer so exakt zu positionieren, das im nächsten Arbeitsgang die Maske nicht versetzt zur darunter liegenden Schicht ist und so verschoben belichtet wird? Wir reden immerhin über Versatz im Nanometer Bereich.

 

[PS828]

@Tzk Dafür gibt es an bestimmten Positionen Markierungen welche die Geräte Ansteuern. Das klappt auch Nanometer-genau (im Fachjargon auch als Alignment Marks bezeichnet)

Geschliffen/ poliert wird übrigens nur ganz am Anfang beim wafer Hersteller. Danach sind bürsten und DI Wasser das einzige was noch an die Oberfläche kommt hinsichtlich Reinigung.

 

[ComputerJunge]

So, gelesen, es bleibt dabei: Genau passend, damit ich mit meiner moderaten Vorbildung ausreichend folgen kann. 👍

Als ich noch praktizierender Naturwissenschaftler war, fand ich es immer sehr herausfordernd, die Inhalte meiner Arbeit mit „wenigen Worten“ den interessierten Laien zu vermitteln.

 

[PS828]

Es ist steht's eine Gradwanderung genug zu sagen aber nicht zu tief ins Detail zu gehen um den Zugang nicht zu verlieren.

Zu wenig Tiefgang birkt auf der anderen Seite das Risiko für Missverständnisse.

In diesem Artikel ist der Zugang gut gelungen finde ich.

 

[Nagilum99]

Erst neulich ein paar Dokus zu ASML und Zeiss geschaut. Es ist echt nicht zu fassen dass das überhaupt funktioniert.

Solltest du was zum Laser von Trumpf finden: Auch höchst interessant! ;-)

 

[Colindo]

So, ich sitze im heißen Frankreich und konnte endlich die Bezeichnungen für die Transistoranschlüsse, wie von @Jurij angemekrt, gerade ziehen. Vielen Dank an @Caspian DeConwy für die Vorschläge.

Ich freue mich auch sehr über die Diskussion hier, da brauch ich gar nichts hinzuzufügen. Wie so oft gibt es Leute, die einfach mehr von der Materie verstehen als ich. Meine Aufgabe hier war das verständliche Schreiben, und dass das augenscheinlich auch geklappt hat, freut mich ganz besonders. Von daher: Schönes Wochenende euch allen!

 

[Smeany]

Jaja, EUV, ASML, Zeiss, Trumpf aber habt ihr schon mal einen Chip in eurer Garage gefertigt?
Darf ich vorstellen, der erste DIY Maskless Stepper:

YouTube

An dieser Stelle steht ein externer Inhalt von YouTube, der den Forumbeitrag ergänzt. Er kann mit einem Klick geladen und auch wieder ausgeblendet werden.

YouTube-Embeds laden

Ich bin damit einverstanden, dass YouTube-Embeds geladen werden. Dabei können personen­bezogene Daten an YouTube übermittelt werden. Mehr dazu in der Datenschutzerklärung.

YouTube-Embeds laden

Datenschutzerklärung

 

[Caspian DeConwy]

Geschliffen/ poliert wird übrigens nur ganz am Anfang beim wafer Hersteller

Poliert wird aber auch noch - bei der Herstellung der STI-Gebiete und bevor es zum Backend geht, um die Oberfläche zu planarisieren und die ersten Kontakte herzustellen.

und dazwischen geschliffen

Geätzt, nicht geschliffen, wird nach vielen Maskenschritten.

 

[PS828]

Hier ist halt die Frage was man noch als schleifen bezeichnet. Letztlich sind gerade am Anfang immer kleine Partikel drin um Unebenheiten rauszubringen^^

 

[BaserDevil]

Planarisiert, also geschliffen, wird auch zwischendurch und das mit einer Art Schleifmilch bzw. Schleifpads und und einer Art Milch. Nennt sich CMP. Ohne plane Oberfläche braucht man gar nicht erst Fotolack auftragen.

Und bei PVD z.B. kann man Schwingquarze in die Kammern einbauen um die Wachstumsraten unter Kontrolle zu halten. Baut man an mehreren Positionen innerhalb der Kammer diese Quarze ein dann kann man wieder auf die Homogenität zurückrechnen.

Und wieviel davon habt ihr verbaut? Wafergröße?

 

[Skysnake]

Und wieviel davon habt ihr verbaut? Wafergröße

Naja, sowas fällt ja normal unter das Produktionswissen. Also wie fahre ich die Maschinen damit es am Ende klappt. Da hat jeder Hersteller seine eigenen Kniffe aus der Hexenküche.

Der Artikel ist nett geschrieben, allerdings sind zumindest mir ein paar Dinge aufgestoßen. Mal schauen ob ich mich hinsetze und das auseinander nehme oder nicht. Man macht damit halt gleich richtige Fässer auf.

Ich sag mal niedrigere Spannung und Anschalten. Oder hohe Schaltfrequenz etcpp. Bipolartransistoren sind auch nicht zwingend Analog im Einsatz. Überhaupt Analog vs Digital ist ne reine Näherungssache. So Sachen wie Setup und Hold Times, über die man im Digitaldesign spricht sind einfach nur Vereinfachungen Plus Designmarge für das analoge Verhalten der Schaltung. Das funktioniert halt bei "niedrigen" Frequenzen für die Schaltung/Prozess. Wenn man das Zeug tritt, muss man auch ein billiges FliFlip oder nen Inverter analog designen.

Wenn Interesse besteht, dann sagt Bescheid. Ansonsten spare ich mir die Arbeit.

EDIT
Also zwei Sachen will ich jetzt doch los werden. Es gibt viele Logikfamilien. RTL TTL ECL usw usf. In ASICs hat man auch nicht nur CMOS Logik sondern oft alles mögliche, weil man z.b. auch ne Bandgap oder nen Oszillator für die Clock. Oder die ganzen externen Interfaces. Da kommt man auch nicht sehr weit mit CMOS Logik. Das ist auch nicht effizient.

CML nimmt man z.b. wenn CMOS einfach zu langsam wird oder man bei sehr großen Frequenzen Strom sparen will. Der volle Swing von CMOS ist nämlich schon ein Problem. Wenn man sehr oft schaltet, dann verbringt man viel Zeit in den Signalflanken bei denen halt P und NMOS offen sind. Daher muss CMOS Logik an sich auch immer "langsam" sein.
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Current-mode_logic

Aber da geht es dann z.b. schon weiter. Wenn man CML macht, fängt man mal mit RTL an. Also oben an VCC Widerstände. Dann merkt man aber hey, da kann ich vielleicht doch nen Transistor nehmen. Das geht auch durchaus, aber reduziert halt den Swing und hat seine ganz eigenen neuen Probleme und kommt dann wieder zum BiPolar zurück. Also BiCMOS. Das bekommt man nur nicht in neuen Nodes. Selbst wenn es technisch die beste Lösung wäre. Und selbst wenn man es bekommt, kostet das halt wieder mehr Geld. Da nimmt man dann am Ende wahrscheinlich die schlechtere Lösung weil es einfach billiger ist und sich damit rechnet. Man will das ja nicht nur für ne Hand voll Schaltungen nehmen wenn man es schon nehmen muss. BiCMOS ist dann aber eben nochmals nen Freiheitsgrad mehr und irgendwann will man ja auch fertig werden. Da isst ja heute eh meistens so. Irgendwann tut das Design und ist gut genug. Dann lässt man es sein, auch wenn man nochmals 10 oder 20% raus holen könnte. Es ist den Aufwand einfach nicht wert. Deswegen nimmt man ja die Standardzellen...

 

[andi_sco]

Wir kommen an die Grenzen des "unfassbaren" - cool

Outer Limits

Ich kann mich noch dran erinnern, das einer die Abwärme eines Thunderbird genutzt hatte, um ein Spiegelei zu braten (keine Ahnung, ob das Bild gestellt war).

Man ging davon aus, das man pro cm^2 mehr Wärme abgibt, als eine Herdplatte, dabei hatten wir schon eine höhere Abgabe als im Atomreaktor erreicht ( Los Alamos hatte dazu mal eine Studie veröffentlicht :

Das ist aus einer Pdf des Los Alamos National Laboratory (LA-UR-05-0936)

 

[Beitrag]

Schon schade, dass diese Unmengen an Abwärme, die dabei entstehen, kaum genutzt werden. Fernwärme von Rechenzentren gibt es, dürfte aber ziemlich selten sein. Wahrscheinlich lohnt sich der Aufwand dafür in den meisten Fällen schlichtweg nicht - es gibt zwar viel Abwärme, aber auf einem niedrigen Temperaturniveau, da die Chips ja nicht zu heiß werden dürfen. Entsprechend müsste z.B. für Fernwärme immer erstmal eine Wärmepumpe ran - man kann die Wasserkühlung ja schlecht mit fast kochendem Wasser laufen lassen. ^^

Hier wären sogenannte Wide-Bandgap-Halbleiter interessant, zu denen u.a. auch die von @Colindo angesprochenen III-V-Halbleiter zählen. Solche Materialien erlauben höhere Chiptemperaturen, was zum einen die Kühlung einfacher macht (jedenfalls solange die Wärmeleitfähigkeit nicht wesentlich schlechter als bei Silizium ist) und eben auch eine tatsächliche Nutzung der Abwärme vereinfachen würde.

Für Leistungshalbleiter verwendet man mittlerweile ja zum Teil SiC und GaN. Welchen Weg man wohl für Logikschaltungen einschlagen wird? Auf jeden Fall wird man hier sicher so lange wie nur irgendwie sinnvoll möglich mit reinen Si-Halbleitern weiterarbeiten.

 

[Atkatla]

Der Artikel ist nett geschrieben, allerdings sind zumindest mir ein paar Dinge aufgestoßen. Mal schauen ob ich mich hinsetze und das auseinander nehme oder nicht. Man macht damit halt gleich richtige Fässer auf.

Jeder der naturwissenschaftlich studiert hat, hat es doch schon mehrfach erlebt: man lernt bestimmte Dinge / Regeln, mit denen man bestimmte Sachen erklären, analysieren oder durchführen kann. Und dann kommt ein paar Klassen / Semester / Arbeitsjahre später jemand und sagt: jahaha, das stimmt schon, ABER im Detail gibt es da noch ein paar Faktoren, die das Ganze wieder komplexer machen, manchmal bestehendes revidieren oder ergänzen und nur für diejenigen erfassbar sind, welche möglichst nah an ein möglichst vollständiges Wissen dieses Gebietes kommen wollen oder müssen.

Das fängt z.B. in der Schule damit an, das einem am Anfang gesagt wird, man kann keine Wurzel von z.B. -1 ziehen und später dann jahaha, ABER es gibt da ja noch die imaginären Zahlen und schau dir mal "i" an. Ohne welches in der Elektrotechnik mal überhaupt gar nichts geht.

Es geht halt immer etwas komplexer und die Schwierigkeit ist es, das richtige Maß für die Zielgruppe zu finden. Wenn man davon ausgeht, dass die Realität immer noch ein bisschen komplexer ist, als man gerade annimmt und dass es immer irgendwelche Ausnahmen von Ausnahmen und Regeln gibt, dann liegt man wenigstens in diesem Punkt meistens richtig. Würde man solche Artikel auf CB inhaltlich vollumfänglich schreiben, würde der größte Teil der Zielgruppe dem Inhalt wahrscheinlich irgendwann nicht mehr folgen können oder wollen. Bis auf die paar Leute, die das dann aber schon wissen. Dann lieber die goldene Mitte treffen und ggf. aufeinander aufbauende Ergänzungsartikel oder -serien verfassen.

 

[Chapsaai]

Ich konnte mit dem Handy den Artikel kaum scrollen, totales geruckel, was ist da los? p30 pro