Mehrere Hundert Millionen Transistoren, die durch feine Drähte miteinander verbunden sind und nach einem komplizierten Schema zusammenwirken, um Daten zu speichern oder zu manipulieren: Mikrochips zählen zu den komplexesten Gebilden, die sich mit den heutigen technischen Möglichkeiten fertigen lassen. Um die integrierten Schaltkreise auf einem Prozessor herzustellen, werden unterschiedliche Materialien schichtweise auf eine dünne runde Scheibe aus Silizium, einen „Wafer”, aufgetragen. Zu dessen Fertigung wird das Silizium gereinigt, geschmolzen und als langer zylindrischer Kristall aus der Schmelze gezogen. Der Siliziumkristall wird in etliche Wafer – mit jeweils einigen Hundert Chips – zersägt und deren Oberfläche extrem eben poliert.
Zur Chipherstellung trägt man nach und nach dünne Schichten von Materialien nach einem bestimmten Muster auf den blanken Wafer auf. Die komplexen Muster der Schaltkreise werden per Software erstellt. Auf dem Wafer sind die Strukturen so klein, dass es unmöglich ist, die aufzutragenden Substanzen exakt dort zu platzieren, wo sie sein sollen. Stattdessen wird zunächst der ganze Wafer mit einer Schicht des Materials überzogen – und diese anschließend dort wieder abgetragen, wo sie nicht benötigt wird. Übrig bleibt die gewünschte Struktur. Insgesamt sind zur Fertigung eines Mikroprozessors rund 300 Einzelschritte erforderlich, bei denen sich jedoch wenige Abläufe ständig wiederholen.
Die Fertigung des Chips beginnt mit dem „Wachsen” einer Lage aus Siliziumdioxid auf dem Wafer. Die Oxidschicht dient als „Gate” : eine Schicht, die den elektrischen Strom im Inneren des Mikrochips steuert. Das Wachsen des Siliziumdioxids auf die Wafer-Oberfläche geschieht im Ofen bei über 800 Grad Celsius.
Anschließend folgt die Photolithographie – ein Prozess, durch den die Leiterstrukturen der Chips auf die Oberfläche des Wafers geschrieben werden. Dazu überzieht man den mit Oxid bedeckten Wafer zunächst mit einer dünnen Schicht aus einem lichtempfindlichen Material, dem so genannten Photolack. Ultraviolettes Licht eines Lasers scheint dann durch die durchlässigen Bereiche einer „Maske” und belichtet so bestimmte Teile des Photolacks. Die Maske enthält das Muster der Schicht, das durch die Belichtung verkleinert auf den Chip übertragen wird. Insgesamt 30 bis 40 Masken werden für die Herstellung eines Mikrochips benötigt, von denen jede das Muster einer Materialschicht trägt.
Durch die Einwirkung des UV-Lichts verändern sich die belichteten Regionen des Photolacks chemisch. Sie werden mit Hilfe eines Lösungsmittels entfernt, wodurch Teile des Siliziumdioxids darunter freigelegt werden. Durch Ätzen trägt man auch dieses ab. Schließlich wird der verbliebene Lack beseitigt. Übrig bleibt eine feine Struktur von Siliziumdioxid über dem Silizium des Wafers. Durch Wiederholen der Abfolge von Belichten und Ätzen werden weitere Materialien aufgetragen, beispielsweise elektrisch leitendes Polysilizium. Alle Materiallagen zusammen formen den kompletten dreidimensionalen Aufbau des Chips.
Durch so genanntes Dotieren werden in einzelne Bereiche des Siliziums elektrisch positiv oder negativ geladene Fremdatome eingebracht. Dazu beschießt man den Wafer mit Ionen unterschiedlicher chemischer Elemente. Die elektrischen Ladungen verändern die Art und Weise, wie das Silizium einen Strom leitet und erlauben es dadurch, den Transistor ein- und auszuschalten.
So entstehen Schritt für Schritt etwa 25 unterschiedlich dicke Schichten auf dem Wafer. Darunter sind vier bis sechs Schichten, die mit den kleinstmöglichen Strukturen versehen werden müssen. Um die einzelnen Materialschichten miteinander zu verknüpfen, werden „Fenster” geformt, die mit Metall gefüllt werden und so elektrisch leitende Verbindungen zwischen den einzelnen Materiallagen bilden. Bis vor einigen Jahren diente allgemein Aluminium als Material für die Leiterbahnen. Mit Einführung der Generation von Mikroprozessoren, die mit dem 130-Nanometer-Prozess gefertigt werden, ersetzten die meisten Hersteller das Aluminium durch Kupfer, das eine bessere elektrische Leitfähigkeit besitzt – und daher weniger Verlustwärme erzeugt.
Die Chipfertigung läuft in Reinräumen mit einem extrem geringen Gehalt an Schwebstoffen in der Luft ab. Denn schon winzige Verunreinigungen wie Staubpartikel, Rauch oder der Abrieb von menschlicher Haut könnten die feinen Strukturen auf dem Chip beschädigen.
Nach der Fertigung der Chips schließen sich mehrere Stufen von Tests an, um deren Funktionstüchtigkeit zu prüfen. Danach werden die Wafer in die einzelnen rechteckigen Mikrochips zersägt und die Chips vor ihrer Auslieferung von speziellen Hüllen ummantelt und mit elektrischen Anschlüssen versehen.
Ralf Butscher
