Material der Extreme: Warum Quarzglas für die Chips von morgen unverzichtbar wird
Strukturen von Mikrochips werden in feinsten Nanometern gemessen. Ihre Herstellung hängt dabei von Materialien ab, die härtesten Umgebungen in der Fertigung standhalten.
Plasmageschmolzenes Quarzglas kann Chipherstellern helfen, Reinheit und Stabilität zu steuern, wenn Halbleiterprozesse extremer werden.
- Bei der Herstellung von Mikrochips werden Materialien immer wieder extremer Hitze, aggressiven Chemikalien und Plasma ausgesetzt.
- Quarzglas kann dazu beitragen, kontrollierte Umgebungen zu schützen, in denen Chips hergestellt werden.
- Beim Plasmaätzen können Verunreinigungen, Mikrodefekte oder Instabilität die Prozesskonsistenz und den Ertrag beeinflussen.
- Das Quarzglas Ilmasil™ gewährleistet hohe Reinheit, Maßflexibilität und eine wiederholbare Leistung.
Ein fertiger Mikrochip wirkt sauber und nahezu unvorstellbar klein. Doch seine Herstellung bedeutet, Materialien immer wieder extremer Hitze, Chemikalien und Plasma auszusetzen. Es ist eine der härtesten Produktionsumgebungen in der modernen Fertigung. Für Hartmut Zahel-Mahlberg, Managing Director des Geschäftsfelds Quarzglas bei SCHOTT, gehören diese Extreme zum Arbeitsalltag.
„Quarzglas ist ein Werkstoff der Extreme“, sagt er. „Es ist als Material sehr rein, hitzebeständig und chemisch zuverlässig.“
In der Halbleiterfertigung haben diese Eigenschaften praktische Folgen. Sie können beeinflussen, ob ein Prozess stabil läuft oder ob Verunreinigungen, Instabilität oder Materialversagen zu Defekten führen.
Walk the Talk – Hartmut Zahel-Mahlberg Pt 1
Moderne Mikrochips bestehen aus Strukturen, die in Nanometern gemessen werden. Je kleiner diese Strukturen werden, desto weniger Raum bleibt für Fehler. Ein Partikel, der zu klein ist, um ihn mit bloßem Auge zu sehen, eine Spur Verunreinigung an der falschen Stelle oder ein Bauteil, das sich unter Hitze und chemischer Belastung unvorhersehbar verhält, kann die Präzision des Prozesses beeinflussen.
Hartmut erklärt diesen Reinheitsgrad anhand eines vertrauten Bildes „Um die Reinheit zu verstehen, stellen Sie sich 1.000 Kilogramm vor, also eine Tonne Material“, sagt er. „Darin entspricht die maximale Menge an tolerierbarer Verunreinigung etwa der Größe eines Zuckerwürfels.“
In vielen Branchen wäre dieser Reinheitsgrad außergewöhnlich. In der fortschrittlichen Halbleiterfertigung wird er zunehmend zur Grundvoraussetzung.
Wo Quarzglas auf den Mikrochip trifft
Bevor ein Chip etwas leisten kann, muss er die Fertigung überstehen. Wafer werden strukturiert, beschichtet, geätzt, gereinigt, erhitzt, geprüft und immer wieder weiterverarbeitet. Jeder Schritt ist auf Anlagenmaterialien angewiesen, die anspruchsvollsten Bedingungen standhalten, ohne den Wafer selbst zu beeinträchtigen.
„Jeder produzierte Chip kommt während seiner Herstellung mehrfach mit Quarzglas in Berührung“, sagt Hartmut. „Und das liegt an der Widerstandsfähigkeit des Materials.“
Ein Beispiel ist das Plasmaätzen. Dieser Schritt in der Halbleiterfertigung nutzt energiereiche Gase, um Material mit extremer Präzision von einem Wafer abzutragen. Vereinfacht gesagt hilft dieser Prozessschritt dabei, winzige Strukturen im Wafer herauszuarbeiten und integrierte Schaltkreise funktionsfähig zu machen.
„Es ist eine sehr aggressive chemische Umgebung, die keine Verunreinigungen zulässt“, erklärt Hartmut, „weil genau dort die winzigen Mikrostrukturen integrierter Schaltkreise entstehen.“
Enthält ein Quarzglasbauteil Verunreinigungen, können diese zu einer Kontaminationsquelle werden. Enthält ein Material Mikrodefekte, können diese beeinflussen, wie es auf aggressive Plasmaexposition reagiert. Fehlt einem Bauteil die mechanische Stabilität, kann ein ohnehin empfindlicher Prozess schwerer wiederholt werden.
Im Nanometerbereich ist eine kleine Abweichung nicht mehr klein. Ausschuss, also der Anteil nutzbarer Chips, der die Fertigung erfolgreich durchläuft, hängt davon ab, den Prozess von einem Durchlauf zum nächsten stabil zu halten. Materialien, die härteste Fertigungsumgebungen überstehen, ohne neue Risiken einzubringen, sind Teil dieser Stabilität.
Material der Extreme
SCHOTTs Ilmasil™ Quarzglas wird in einem plasmabasierten Schmelzverfahren hergestellt, das für anspruchsvolle Hochtemperatur- und Halbleiteranwendungen entwickelt wurde. Reinheit ist wichtig. Doch ebenso wichtig ist, wie das Material hergestellt wird.
„Das Besondere liegt wirklich im Schmelzprozess“, sagt Hartmut. „Es ist ein Verfahren, das quasi niemand sonst auf der Welt beherrscht.“
Dieses Schmelzverfahren ermöglicht es SCHOTT, dickwandige Hohlzylinder, sogenannte „Billets“, in einem einzigen Schritt herzustellen. Anschließend kann das Material zu Rohren, Zylindern oder kundenspezifischen Quarzglasbauteilen weiterverarbeitet werden.
Die Anforderungen an Komponenten in der Halbleiterfertigung sind von Prozess zu Prozess unterschiedlich. Eine Kammerkomponente kann je nach Anwendung andere Dimensionen, Geometrien oder Materialeigenschaften benötigen. Entscheidend ist, dass das Material den hohen Belastungen im Betrieb standhält und gleichzeitig präzise auf die Anforderungen des jeweiligen Prozesses zugeschnitten ist.
„Für unsere Kunden liegt der Vorteil in der Flexibilität, insbesondere bei den Abmessungen“, sagt Hartmut. „Wir können Außendurchmesser, Innendurchmesser und Wandstärke an individuelle Anforderungen anpassen.“
Diese Flexibilität hat einen praktischen Effekt. „Wir müssen für Kunden kein überdimensioniertes Material herstellen“, fährt er fort. „Übermaß bedeutet Ausschuss. Und Ausschuss bedeutet zusätzliche Kosten.“
In der Halbleiterfertigung können kleine Unterschiede im großen Maßstab entscheidend sein. Wenn näher an der benötigten Form produziert wird, lassen sich unnötige Nachbearbeitungen reduzieren. Ein konsistenteres Material kann also dazu beitragen, Ausschuss zu reduzieren und Zuverlässigkeit sicherzustellen.
Das Möglichmacher-Material
In der Welt von Advanced Computing und KI-Chips stehen meist Transistorzahlen und Computing Power im Mittelpunkt. High-Tech-Materialien dagegen selten.
Quarzglas wird nicht Teil des fertigen Chips. Doch es hilft dabei, die Fertigungsumgebung stabil zu halten, während der Chip entsteht. Wenn Plasmaprozesse anspruchsvoller werden, reicht es nicht mehr aus, dass Materialien einfach nur standhalten. Materialien in der Anlage müssen stabil bleiben und gleichzeitig Kontamination verhindern. Auch nach wiederholter Belastung durch Hitze, Chemie und Plasma.
Walk the Talk – Hartmut Zahel-Mahlberg Pt 2
Das plasmageschmolzene Quarzglas ist von Anfang an auf diese Anforderungen ausgelegt. Es wird für Reinheit und Stabilität hergestellt. Aber auch für die Abmessungen und die Reproduzierbarkeit, die Halbleiteranlagen erfordern.
Die meisten Menschen werden das Quarzglas, das an der Herstellung ihrer Chips beteiligt ist, nie sehen. Doch wenn Halbleiterprozesse anspruchsvoller und präziser werden, lassen sich bestehende Materialien nicht einfach immer weiter ausreizen. Sie müssen für die Bedingungen der Zukunft neu gedacht werden.
„Neue Materialien zu entwickeln, die ein höchstes Maß an Reinheit, Stabilität und Zuverlässigkeit bieten – diesem Anspruch möchten wir gerecht werden. Auch, wenn die Halbleiterfertigung immer weiter in extreme Prozessbedingungen vordringt, soll Quarzglas eine entscheidende Rolle als Möglichmacher spielen.“
