Kupfer in der Halbleiterfertigung

Halbleiterherstellung

Die Schwierigkeit und die Vorteile beim Einsatz von Kupfer lassen sich erst im Detail erkennen, wenn man den aufwendigen Herstellungsprozess moderner Halbleiterelemente betrachtet. Die Fertigung komplexer Bausteine wie Prozessoren benötigt bis zu 1500 Bearbeitungsschritte und erstreckt sich über eine Zeitdauer von bis zu drei Monaten. Das gebräuchlichste Halbleitermaterial für die Fertigung elektronischer Bauelemente ist Silizium. Quarzsand wird bei Temperaturen von über 1400 Grad Celsius mehrmals geschmolzen und von Verunreinigungen befreit. Aus der Schmelze des so entstandenen reinen Siliziums (unter 10 Milliarden Atomen befindet sich ein einziges Fremdatom) wird ein runder Kristallstab mit einem Durchmesser von 150, 200 oder für die neueste Technologiegeneration sogar 300 Millimeter und einer Länge von bis zu zwei Metern gezogen. Dieser, aus einem einzigen Kristall bestehende Stab wird in dünne Scheiben zersägt. Die Oberflächen werden sehr aufwendig poliert. Die so entstandenen Wafer dienen als Basismaterial für fast alle elektronischen Bauelemente.

Moderne Hochleistungsprozessoren in CMOS-Technologie bestehen aus einer Lage Transistoren und bis zu sechs metallischen Verbindungslagen (Layer). Zur Herstellung wird zu Beginn jedes einzelnen Fertigungsschrittes ein Fotolack (Resist) auf die Oberfläche des Wafers aufgebracht und Schritt für Schritt mit einem Stepper belichtet. Jedes Dia entspricht hierbei der Struktur der jeweiligen Lage. Nach der Entwicklung des Fotolacks entstehen freie Stellen, an denen die Materialeigenschaften mit chemischen und physikalischen Prozessen gezielt manipuliert werden.

Bei den heutigen Strukturgrößen von Bruchteilen eines Mikrometers stößt man jedoch immer mehr an die Grenzen der Fertigungstechnologien. Da bei diesen kleinen Strukturen Effekte wie die Lichtbeugung bereits eine große Rolle spielen, muss die Wellenlänge der Lichtquelle, die Fotomasken, der Aufbau und die Empfindlichkeit der Fotolacke und Entwickler optimal aufeinander abgestimmt sein. Beim Übergang auf kleinere Strukturen sind jedes mal neue, teure Maschinen, Fotolacke und Fertigungsverfahren erforderlich.