Ein bunter Maschinenpark

Nachdem der Fotolack belichtet und entwickelt ist, bringt ein Roboter die Box mit den Wafern in einen der anderen Abschnitte. Sie sind kaltweiß beleuchtet, was deutlich angenehmer für die Augen ist. Hier stehen die Maschinen für die nicht lichtempfindlichen Prozesse: Sie verändern die nicht vom Fotolack geschützten Bereiche des Wafers. Das kann das Einbringen von Fremdatomen zur Herstellung der Transistoren sein – die Dotierung mittels Ionenimplantation, die das Silizium erst halbleitend macht – oder ein gezieltes Wegätzen von Teilen der Oberfläche, wobei sowohl Nass- als auch Trockenätzprozesse genutzt werden.

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Beim Ätzen werden Strukturen wie Leiterbahnen und Löcher zur Kontaktierung der einzelnen Leiterebenen herausgearbeitet. Zwischen den einzelnen Schritten, die die Struktur des Wafers verändern, wird der Wafer immer wieder gereinigt – wie auch die Reinraumkleidung nicht mit Leitungswasser, sondern mit speziell aufbereitetem, hochreinem Wasser. Davon wird bei der Halbleiterfertigung viel benötigt, ebenso wie elektrische Energie. Beim Wasser hat die Fab eine Recyclingquote von 75 Prozent, die elektrische Energie stammt aus dem eigenen Gaskraftwerk, das zudem die Gebäude heizt. Daneben benötigt die Fab diverse Chemikalien, eine niedrige dreistellige Zahl, wie Karin Raths später ergänzt.

Der riesige Maschinenpark umfasst neben den Anlagen für Lithografie und zum Ätzen Prozessschritte für Kristallwachstum (Epitaxie), Gasphasen- und Atomlagenabscheidung und zum Aufbringen der Fotomaske. Immer wieder werden die Wafer auch chemisch-mechanisch poliert (CMP), um die Oberfläche zu ebnen. Das ist erforderlich, da die Prozesse, die neue Schichten aufbringen, eher eine Hügellandschaft als eine glatte Oberfläche erzeugen. Die einzelnen Schritte durchläuft jeder Wafer mehrfach, bis alle Leiterebenen, jeweils getrennt durch ein isolierendes Dielektrikum, hergestellt sind. Komplexe Chips können bis zu 14 Ebenen mit Kupferleitern enthalten, die galvanisch im Damascene-Prozess hergestellt werden.

Messen, messen, messen

Zwischen den Prozessschritten werden die Wafer immer wieder gemessen, um Fehler möglichst schnell zu finden. Außerdem werden sie regelmäßig umsortiert, so lässt sich besser eingrenzen, wann ein Fehler auftrat, um die betroffene Maschine ausfindig zu machen. Sobald die erste Leiterschicht aufgebracht ist, erfolgt ein erster elektrischer Test, die einzelnen Logikgatter und Transistoren funktionieren dann bereits.

  • Zum Transport sind die Wafer in FOUP genannte Boxen sortiert. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Ein FOUP fasst 25 Wafer mit einem Durchmesser von 300 mm. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Mehr als 900 dieser Transportroboter sind an der Decke der Hallen unterwegs. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Einfach rumstehen darf nichts, zum Abstellen gibt es ausgewiesene Bereiche. Außerdem muss immer abgesperrt werden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Die Maschinen kommen ohne Menschen zurecht, nur selten sitzt jemand davor. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Am Übergang vom gelb beleuchteten Lithografiebereich zum weiß beleuchteten Abschnitt (hier blau durch Weißabgleich) gibt es automatische Türen für die Transportroboter. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Zwischen den einzelnen Hallen gibt es Brücken, die die Reinräume verbinden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Fenster gibt es in den Reinräumen eigentlich kaum, die wenigen sind mit Folie abgeklebt, um schädliche Spektren auszusperren. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Gelegentlich gibt es unter der Decke Stau. Rechts sind die Deckenlagerplätze sowie ein Stocker zu sehen, in denen die Transportroboter FOUPs zwischenlagern. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • In der Bump Test Facility transportiert ein Roboter die FOUPs am Boden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Einige Beispiele von Chips aus der Dresdner Fab. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Im Labor für Materialanalyse dürfen wir auch einen Wafer in die Hand nehmen. Darauf befinden sich verschiedene Teststrukturen. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Geübte Augen erkennen anhand der Muster, was sich auf dem Wafer befindet. Ich muss nachfragen.  (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Im Reinraum ist nur Papier für Notizen erlaubt. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
Die Maschinen kommen ohne Menschen zurecht, nur selten sitzt jemand davor. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
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Für den Test enthält jeder Wafer feste Teststrukturen zwischen den einzelnen Chips, in den sogenannten Scribe Lines, an denen der Wafer später zersägt wird. Auch die Tests erfolgen automatisch durch meist optische Inspektionssysteme, doch Karin Raths sagt: "Erfahrene Ingenieure erkennen an der Oberfläche, ob etwas nicht stimmt." Daher sind auch Entwicklungsingenieure im Reinraum oft anzutreffen, wenn ein neuer Prozess oder eine neue Variante erprobt wird, um die Ergebnisse gleich in Augenschein zu nehmen. Der Großteil der überraschend vielen Menschen, die uns begegnen, sind allerdings Techniker.

Sie sind größtenteils mit Wartungsarbeiten beschäftigt, jede Maschine wird regelmäßig überprüft, Teile werden getauscht, um kostspielige Ausfälle zu vermeiden. Da im Reinraum nichts einfach herumstehen darf, kommen wir gelegentlich an großen Rollwagen vorbei, die in abgegrenzten Bereichen abgestellt sind und auf denen die von den Technikern benötigten Teile liegen. So müssen sie nicht jedes Mal zum – ebenfalls im Reinraum befindlichen – Materiallager. Das Werkzeug befindet sich ordentlich sortiert in beschrifteten Rollschränken.

  • Zum Transport sind die Wafer in FOUP genannte Boxen sortiert. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Ein FOUP fasst 25 Wafer mit einem Durchmesser von 300 mm. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Mehr als 900 dieser Transportroboter sind an der Decke der Hallen unterwegs. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Einfach rumstehen darf nichts, zum Abstellen gibt es ausgewiesene Bereiche. Außerdem muss immer abgesperrt werden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Die Maschinen kommen ohne Menschen zurecht, nur selten sitzt jemand davor. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Am Übergang vom gelb beleuchteten Lithografiebereich zum weiß beleuchteten Abschnitt (hier blau durch Weißabgleich) gibt es automatische Türen für die Transportroboter. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Zwischen den einzelnen Hallen gibt es Brücken, die die Reinräume verbinden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Fenster gibt es in den Reinräumen eigentlich kaum, die wenigen sind mit Folie abgeklebt, um schädliche Spektren auszusperren. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Gelegentlich gibt es unter der Decke Stau. Rechts sind die Deckenlagerplätze sowie ein Stocker zu sehen, in denen die Transportroboter FOUPs zwischenlagern. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • In der Bump Test Facility transportiert ein Roboter die FOUPs am Boden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Einige Beispiele von Chips aus der Dresdner Fab. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Im Labor für Materialanalyse dürfen wir auch einen Wafer in die Hand nehmen. Darauf befinden sich verschiedene Teststrukturen. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Geübte Augen erkennen anhand der Muster, was sich auf dem Wafer befindet. Ich muss nachfragen.  (Bild: Martin Wolf/Golem.de)
  • Im Reinraum ist nur Papier für Notizen erlaubt. (Bild: Johannes Hiltscher/Golem.de)
Einfach rumstehen darf nichts, zum Abstellen gibt es ausgewiesene Bereiche. Außerdem muss immer abgesperrt werden. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

In der Fab ist noch Platz

Neben den Wartungsarbeiten sind auch immer mal neue Maschinen aufzubauen und anzuschließen: Wir kommen an ein paar noch freien Standplätzen vorbei. Bevor neue Maschinen an ihren Standort kommen, werden Metallplatten auf dem Boden ausgelegt, um die teils mehreren Tonnen Last besser zu verteilen. Der Fußboden ruht nämlich nicht auf einem festen Fundament - wir laufen gerade durch die zweite Etage eines dreistöckigen Gebäudes. Unter uns befinden sich die Versorgungsleitungen für Strom, Wasser und Gase, über uns das Lüftungssystem – das übrigens die Luft in jeder der 90 x 200 Meter großen Hallen alle 90 Sekunden komplett austauscht.

Um neue Maschinen auf möglichst kurzen Wegen an ihren Standort bringen zu können, verfügt jede Halle über einen eigenen Lastenaufzug. Vor dem Auspacken wird die Verpackung erst einmal gereinigt, die Maschinen selbst sind sauber, da sie in Reinräumen montiert werden. Steht eine neue Maschine an ihrem Platz, verbinden die Techniker sie mit den im Boden vorbereiteten Anschlüssen. Hierzu lassen sich die Bodenplatten entfernen. Wo noch keine Maschine steht, geben stellenweise Acrylglasscheiben den Blick auf die unter dem Boden verlaufenden Leitungen frei.

An das Modul 2, die älteste Halle, schließt noch die Bump Test Facility an, eine eigene Halle in der der elektrische Endtest der Wafer und Vorbereitungen für Weiterverarbeitung und Transport stattfinden. Hier endet sowohl unser Rundgang als auch die Reise der Wafer durch die Fabrik.

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 Auf in den ReinraumHalbleiterfertigung ist wie kochen 
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JouMxyzptlk 21. Sep 2022 / Themenstart

Wird dem "IT-New für Profis" wieder gerecht. Es bräuchte mehr von diesem Niveau...

Kaeptn Quasar 21. Sep 2022 / Themenstart

Ich war echt überrascht von der Größe dieser automatisierten Anlage und wieviele Schritte...

Netzweltler 21. Sep 2022 / Themenstart

Bei so teuren Reinräumen gibt es einige Redundanzen bei Energie-/Medienversorgung, der...

jhi (Golem.de) 21. Sep 2022 / Themenstart

Das stimmt, aber das Labor nicht ;)

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