Elektronik-Bausteine effizient herstellen / 04.03.2015

Energieeffizientes Kristallisationsverfahren für Halbleiter

Die GaAs-Kristalle werden zu Wafern gesägt, anschließend werden diese in einem chemisch-physikalischen Prozess poliert. © Freiberger Compound Materials
Blick in die Züchtungstiegel bei der 9 x 100 mm Kristallzüchtung © Freiberger Compound Materials
Schematische Darstellung der Kristallisationsverfahren. Links: LEC (Liquid Encapsulated Czochralski), rechts: VGF (Vertical Gradient Freeze) © Freiberger Compound Materials
Vergleich des klassischen VGF-Verfahrens mit dem VGF-Verfahren mit Plattenheizkörpern und mehreren Tiegeln © Freiberger Compound Materials

Moderne Kommunikationstechniken wie Mobiltelefone, PC und Sendeanlagen funktionieren dank hochwertiger, hochreiner Kristalle. Die elektronischen Schaltkreise und Mikroprozessoren in den Geräten basieren auf monokristallinen Halbleitern aus Silizium, Germanium oder Galliumarsenid.
Das Halbleiter-Material wird in Form monokristalliner Säulen energieintensiv aus der Schmelze gezogen.
Ein Freiberger Halbleiterhersteller hat ein neues Verfahren entwickelt, mit dem gleichzeitig bis zu neun Kristalle parallel gezüchtet werden. Es senkt den spezifischen Energieverbrauch für die Herstellung auf ein Drittel. Das neue technologische Prinzip ist auf die Züchtung anderer Halbleitersubstrate übertragbar.

Halbleiter-Einkristalle wie Silizium, Germanium oder Galliumarsenid (GaAs) gehören zu den reinsten Werkstoffen unserer Zeit. Im Einkristall sind die Atome nahezu perfekt nach einem Gitter ausgerichtet, nur etwa jedes Millionste ist ein Fremdatom. Durch die zusätzliche Einbringung von Fremdatomen (Dotierung) werden diese gezielt kompensiert und die gewünschten Halbleitereigenschaften erzeugt.
Neben Silizium, das die Halbleitertechnologie dominiert, hat sich Galliumarsenid zu einem Grundstoff der Mikroelektronik entwickelt. Durch die hohe Elektronenbeweglichkeit und den direkten Bandübergang eignet sich das Material sehr gut für Anwendungen in der Hochfrequenzübertragung sowie der Optoelektronik. Mit GaAs können zum Beispiel Verstärker für Mobiletelefone und Laptops hergestellt werden, um die drahtlose Kommunikation zu ermöglichen – oder auch Solarzellen, Leuchtdioden und Laser für infrarotes, rotes und orangenes Licht.

Die Verfahren der Kristallzüchtung werden leistungsfähiger

Die Technologie der Einkristallzüchtung hat sich in den letzten 70 Jahren rasant entwickelt. Anfangs erreichten die Kristalle gerade einmal ein Gewicht von einigen Gramm und wenige Zentimeter Durchmesser. Heute kann man Silizium-Einkristalle mit Massen von mehreren hundert Kilogramm und Durchmessern von bis zu 45 cm herstellen. Die meisten Halbleiterkristalle werden bei Temperaturen von etwa 900 °C – 1.500 °C aus der Schmelze gezüchtet. Die Prozesse sind energieintensiv.
Für die Züchtung der Galliumarsenid- Einkristalle wurde in den sechziger Jahren des 20. Jahrhunderts das Liquid Encapsulated Czochralski-Verfahren (LEC) entwickelt. Aufgrund des Zersetzungsdruckes am Schmelzpunkt ist die Züchtung nur unter einer Abdeckschmelze möglich. Der Kristall wird mit einer Geschwindigkeit von etwa 7 mm/h aus dem Schmelztiegel herausgezogen. Dieser Prozess dauert 2 bis 3 Tage: Während dieser Zeit muss die Schmelze auf Temperaturen von bis zu 1.300 °C gehalten werden.
Zur Jahrtausendwende setzte sich die Vertical Gradient Freeze-Technologie (VGF) durch. Mit diesem Verfahren können Kristalle mit höherer Perfektion hergestellt werden. Es hat den Nachteil, dass der Kristall nur etwa halb so schnell erstarrt wie bei der LEC-Methode. Dadurch steigt der Energiebedarf pro Prozess.
Um eine möglichst ungestörte defektfreie kristallographische Struktur zu erreichen, müssen die Temperaturen beim Züchtungsverfahren möglichst konstant bleiben. Außerdem darf es keine Rückschmelzerscheinungen bei der Kristallisation geben.

Parallele Züchtung mehrerer Kristalle spart Energie

Die Freiberger Entwickler hatten bereits um die Jahrtausendwende ein neues Multikristallzüchtungsverfahren für GaAs erprobt, in dem gleichzeitig mehrere Einkristalle in einer Anlage gezüchtet werden können. Die Idee, langsame Prozesse zu parallelisieren, wurde hierbei erstmals auf die Züchtung von Halbleiter-Einkristallen mit Durchmessern von 150 bis 200 mm angepasst. Bei diesem sogenannten Hutofen-Verfahren stehen die Tiegel zwischen zwei horizontalen Heizplatten, diese werden von seitlichen Heizern unterstützt.
Dieses Verfahren entwickelte FCM unter produktionsnahen Bedingungen im Projekt EcoCrys weiter, die Baugruppen sowie eine Kristallzüchtungs-Software wurden auf den fünffachen Parallelbetrieb zugeschnitten. Dadurch konnte der spezifische Energiebedarf für die Herstellung von GaAs-Kristallen bzw. -Substraten wesentlich gesenkt werden: pro Quadratzentimeter Waferfläche von 0,2 kWh auf 0,05 kWh. Er liegt heute sogar deutlich unter dem des schnelleren LEC-Verfahrens.
Die Entwickler vergrößerten den Aufbau der inneren Kristallisationszone schrittweise von 3 über 5 bis auf 9 Kristalle. Im Gegensatz zu einer Einzelanlage entstehen dabei zwischen Mitte und Randbereichen der Anlage Temperaturunterschiede, die den Prozess der Kristallbildung beeinträchtigen. Um das auszugleichen, änderte FCM die Wärmeversorgung: Für mehr als drei Tiegel wird die Energie hauptsächlich von oben zu- und nach unten abgeführt, die Steuerung des Temperaturfeldes optimiert. Den Entwicklern gelang es, gleichzeitig die Erstarrungsgeschwindigkeit und die Ausbeute sowie die Einsatzmassen je Einzelkristall auf bis zu 18 kg zu erhöhen, sodass die Gesamteinsatzmasse gegenwärtig bis zu 90 kg beträgt.
Die Anlage braucht für drei, fünf oder neun Kristalle nur unwesentlich mehr Energie (ca.10 %) als für die Züchtung von einem Kristall. Mit dem veränderten Züchtungsaufbau und angepassten Prozesszeiten verbesserte sich die Energieeffizienz um den Faktor 2,9.
Dr. Berndt Weinert, R&D Manager bei FCM: „Das Verfahren hat sich in der Praxis bewährt, die Produktion wurde nahezu vollständig darauf umgestellt. Im Jahre 2014 wurden schätzungsweise 4.000 MWh eingespart.“

Mehr zum Projekt

Entwicklung eines energiesparenden Herstellungsverfahrens für Halbleiter – EcoCrys

Abschlussbericht ist erhältlich als externer Download von der TIB Hannover.

Projektbeteiligte:

Projektleitung:
Freiberger Compound Materials

Grundlagenuntersuchungen:
Institut für Kristallzüchtung Berlin

Förderkennzeichen:
0327437A

Laufzeit:
2007-2012

Weitere Informationen

BINE Projektinfo 1/2015

Energie von tausend Sonnen
BINE-Projektinfo 02/2014

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.