EMZETT.Wafer
Bild: German Wikipediabiatch, original upload 7. Okt 2004 by Stahlkocher de:Bild:Wa…, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons
Kurz: Eine dünne, runde Scheibe aus hochreinem Silizium, auf der in der Chipfertigung gleichzeitig viele identische Chips (“Dies”) belichtet und geätzt werden.
Genauer: Nach der Fertigung wird der Wafer in einzelne Dies zersägt. Je größer der Wafer (heute meist 300 mm Durchmesser) und je kleiner der einzelne Die, desto mehr Chips lassen sich aus einem Wafer gewinnen — ein zentraler Kostenfaktor in der Halbleiterproduktion.
Im Detail
Die Fertigung eines Wafers beginnt mit hochreinem, in einem Kristall gezüchtetem Silizium, das in dünne Scheiben gesägt und poliert wird. Auf dieser Scheibe werden dann in vielen aufeinanderfolgenden Schritten (Belichtung mit UV-/Röntgenlicht durch feinste Masken, chemisches Ätzen, Dotierung mit anderen Elementen zur gezielten Veränderung der elektrischen Eigenschaften) die eigentlichen Schaltkreisstrukturen der einzelnen Dies Schicht für Schicht aufgebaut — ein moderner Chip kann dabei aus mehreren Dutzend übereinanderliegenden Strukturschichten bestehen.
Nicht jeder Die auf einem Wafer funktioniert am Ende fehlerfrei — Fertigungsfehler treten meist zufällig verteilt über die Waferfläche auf (“Yield”, der Anteil brauchbarer Dies pro Wafer). Größere Dies haben dabei statistisch eine höhere Wahrscheinlichkeit, von einem Fehler getroffen zu werden, als kleinere — ein Grund, warum sehr große, komplexe Chips (z. B. High-End-Grafikprozessoren) im Vergleich zu ihrer Chipfläche überproportional teurer sind als kleinere Chips. Chiphersteller sortieren funktionsfähige, aber leicht fehlerhafte Dies teils in günstigere Produktvarianten mit reduzierter Kernzahl oder niedrigerem Takt ein, statt sie zu verwerfen (“Binning”).
Waferfoundries als eigenständiges Geschäftsmodell
Nicht jedes Unternehmen, das Chips entwirft, fertigt sie auch selbst — spezialisierte “Foundries” (Auftragsfertiger) besitzen die extrem teuren Fertigungsanlagen und produzieren Wafer im Auftrag verschiedenster Chip-Designfirmen, die selbst über keine eigene Fabrik verfügen (“fabless”). Eine moderne Chipfabrik kostet mittlerweile mehrere Milliarden Euro/Dollar an Investition, weshalb sich dieses Auftragsmodell für die meisten Chip-Designer wirtschaftlich mehr lohnt, als eine eigene Fertigung zu betreiben und dauerhaft auf dem neuesten technologischen Stand zu halten.
Belichtungsschritte und Fertigungsdauer
Die Herstellung eines fertigen Wafers durchläuft hunderte einzelne Fertigungsschritte über mehrere Wochen hinweg — jede der vielen übereinanderliegenden Chipschichten braucht eine eigene, hochpräzise Belichtung mit speziellen Masken, gefolgt von Ätzen, Reinigen und Prüfen, bevor die nächste Schicht aufgebracht werden kann. Ein einzelner Fertigungsfehler früh im Prozess kann sich auf alle nachfolgenden Schichten auswirken, weshalb die Fertigungsumgebung (Reinräume mit extrem geringer Partikelbelastung) zu den anspruchsvollsten industriellen Umgebungen überhaupt zählt.
Siehe auch: Die (Halbleiter), Silizium-Chip