Planartechnik

Die Planartechnik ist eine Form der Halbleitertechnologie und hat gegenwärtig die größte Bedeutung für die Fertigung von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltkreisen. Ausgangspunkt sind meist Einkristall-Silicium-Scheiben (Wafer), auf denen mithilfe der Maskentechnik in Verbindung mit der Fotolithografie Bauelemente und Verbindungen aufgebracht werden. Bild 1 zeigt einen solchen Wafer.
Die Planartechnik wurde zuerst nur bei der Herstellung von Silicium-Transistoren angewendet. Gegenwärtig wird sie vorrangig bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen genutzt.

Herangehensweise bei der Planartechnik
Ausgangspunkt für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen sind sehr dünne Einkristall-Silicium-Scheiben (Wafer, Bild 1). Sie werden aus Einkristallen (Bild 2) hergestellt, die zumeist mit dem Zonenschmelzverfahren gewonnen werden. Mit diesem Verfahren erhält man hochreine Einkristalle. Hochrein heißt, dass auf Silicium-Atome ein verunreinigendes Atom entfällt.
Bei dem Zonenschmelzverfahren wird ein polykristalliner Silicium-Stab in einem evakuierten oder mit Schutzgas versehenen Quarzrohr senkrecht eingespannt. Dann wird mehrmals eine Hochfrequenz-Heizspule von unten nach oben geführt. Im Bereich der Spule schmilzt jeweils nur eine sehr schmale Zone. In dieser wandernden Schmelzzone reichern sich die Verunreinigungen an, während sie im wieder erstarrenden Silicium abnehmen.
Bereits beim Zonenschmelzverfahren können Einkristalle entstehen, meist sind aber weitere Schritte erforderlich.

Einkristallstäbe von 100 mm und mehr Durchmesser erhält man, wenn ein Kristallkeim in die Schmelze des gereinigten Halbleitermaterials gebracht und im Vakuum oder unter Schutzgas erschütterungsfrei und unter ständiger langsamer Drehung um eine senkrechte Achse langsam aus der Schmelze gezogen wird. Diese Einkristalle können bereits dotiert sein.
Einkristalle kann man auf diese Weise nicht nur aus Silicium, sondern z. B. auch aus Germanium, Galliumarsenid oder anderen Stoffen herstellen.

Zur Vereinfachung betrachten wir die Herstellung einer einzelnen Struktur, eines npn-Transistors, in der Planartechnik. Dabei wird in folgenden Schritten vorgegangen, die in Bild 3 anschaulich dargestellt sind:

• Die Einkristall-Silicium-Scheibe mit einer Dicke von etwa 0,1 mm aus n-leitendem oder aus p-leitendem Silicium wird mit einer Schutzschicht aus sehr widerstandsfähigem und nicht leitendem Siliciumdioxid überzogen (Bild 3a).
• In diese Siliciumdioxid-Schicht wird ein Fenster eingeätzt (Bild 3b). Durch dieses Fenster diffundieren bei entsprechender Temperatur z.B. Bor-Atome (Bor ist dreiwertig). Dadurch entsteht ein p-leitender Bereich. Zwischen p-leitendem und n-leitendem Bereich bildet sich eine Grenzschicht (pn-Übergang) aus.
• Das Fenster wird durch eine Siliciumdioxid-Schicht wieder geschlossen (Bild 3c).
• In diese neue Siliciumdioxid-Schicht wird ein weiteres, kleineres Fenster geätzt, durch das z.B. fünfwertige Phosphoratome diffundieren. Dadurch entsteht ein n-leitender Bereich (Bild 3d).
• Auch dieses Fenster wird wieder durch eine Siliciumdioxid-Schicht verschlossen (Bild 3e).
• In die Deckschicht werden abschließend nochmals kleine Fenster geätzt und auf die darunter liegende Basis und den Emitter metallische Anschlüsse gedampft. An diese werden die nach außen führenden Anschlüsse angebracht (Bild 3f).

Maskentechnik
Zur Herstellung der sehr kleinen Fenster nutzt man die aus der Filmlithografie stammende Maskentechnik. Dabei geht man folgendermaßen vor (Bild 4a-f):

• Sämtliche Fenster, die bei einem Arbeitsgang auf einer Silicium-Scheibe angebracht werden sollen, sind auf einer Fotoschablone festgehalten, die durch Verkleinerung einer Vorlage entsteht. Bei einem Chip sind das feinste Strukturen, die nur noch unter dem Mikroskop erkennbar sind.
• Auf die n-leitende Silicium-Scheibe (Wafer) wird eine für Dotierungsstoffe undurchlässige Siliciumdioxid-Schicht gebracht (Bild 4a). Dann wird die Silicium-Scheibe mit lichtempfindlichem Fotolack überzogen (Bild 4b).
• Durch die Fotoschablone hindurch erfolgt eine Belichtung (Bild 4c). An den belichteten Stellen härtet der Lack aus, an den unbelichteten Stellen nicht.
• Die nicht belichteten Teile der Lackschicht werden ausgewaschen, die frei gewordene Siliciumdioxid-Schicht wird weggeätzt (Bild 4d).
• Nach Beseitigung des Lackes ist die Silicium-Scheibe mit einer Maske aus Siliciumdioxid entsprechend der Fotoschablone versehen (Bild 4e).
• Durch die Fenster können Dotierungen eingebracht werden, wobei die Dotierung meist bei hohen Temperaturen bis 1500 °C erfolgt und dabei Dotierungsatome aus einem Trägergas in das Silicium eindringen (Bild 4f). Man bezeichnet dieses Verfahren als Dotieren durch Diffusion.
• Für den nächsten Diffusionsvorgang wird das Verfahren mit einer anderen Fotoschablone wiederholt. Das erfolgt so oft wie notwendig. Dadurch erhält man insgesamt feinste und komplexe Strukturen mit Millionen von Bauelementen auf einem Quadratzentimeter.
• Zum Schluss werden Kontakte und Verbindungen aufgebracht. Das erfolgt meist so, dass auf die bearbeitete Silicium-Scheibe durch großflächige Bedampfung eine etwa 1 Mikrometer (ein Tausendstel Millimeter) dünne Aluminium-Schicht aufgebracht wird und die gewünschte Struktur durch die Abätzung nicht benötigter Aluminium-Flächen erreicht wird.

Durch Zersägen der Silicium-Scheibe erhält man einzelne Chips. Sie werden dann mit äußeren Anschlüssen versehen. Dieses Verfahren wird als Bonden (engl.: to bond = verbinden) bezeichnet. Zum Schutz dient ein Gehäuse aus Metall, Glas oder Plastik.