Perfekte Scheiben aus Silizium

Mikrochiphersteller setzen auf hochreine Chemikalien der BASF

In modernen Computern wird es eng: Auf ihren Prozessoren und Speicherchips drängeln sich bis zu eine Milliarde Transistoren auf jedem Quadratzentimeter – das ist so, als würde die Gesamtbevölkerung Indiens auf der Insel Sylt Urlaub machen. Möglich wird das, weil die Transistoren winzig klein sind – und genau hier liegt das größte Problem bei ihrer Herstellung. Denn schon Partikel kleiner als ein Grippevirus legen derart miniaturisierte Schaltkreise lahm, jedes falsch eingebaute Atom kann den Chip unbrauchbar machen.

Die Herstellung von Mikrochips ist kompliziert: Über sechshundert Arbeitsschritte sind erforderlich, bis aus dem Rohmaterial Quarzsand ein moderner Prozessor entstanden ist. Und bei den meisten dieser Schritte werden spezielle Chemikalien eingesetzt, etwa zum Reinigen und Ätzen der Silizium Chips. „Die BASF ist einer der führenden Hersteller solcher Elektronikchemikalien“, sagt Claus Poppe, Leiter des Globalen Business Managements für Elektronikchemikalien der BASF. „Für jeden heute gefertigten Mikrochip wurde mindestens ein Produkt der BASF genutzt.“

Aus simplem Quarzsand muss zunächst das Element gewonnen werden, das die Basis der meisten Mikrochips bildet: Silizium. Um das zunächst noch sehr verschmutzte Silizium zu reinigen, setzen Techniker es mit Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan um. Die klare Flüssigkeit lässt sich durch mehrfaches Destillieren gut reinigen. Das anschließend zurückgewonnene, viel sauberere Silizium ist bereit für den nächsten Schritt: Im so genannten Czochralski Verfahren (siehe Infokasten) züchten Spezialisten daraus beeindruckend aussehende Kristalle: bis zu zwei Meter hoch, silberglänzend und von perfektem innerem Aufbau.

Spezielle Sägen schneiden diese Kristalle dann in hauchdünne Scheiben, die als so genannte Wafer die Grundlage für die Chips bilden. Zuvor müssen sie jedoch geglättet und auf Hochglanz poliert werden. Auch hier kommen, etwa als Schleif- oder Reinigungsmittel, zahlreiche hochreine Chemikalien der BASF wie Salpeter-, Schwefel- oder Salzsäure zum Einsatz. Die fertigen Wafer sind runde Scheiben mit einem Durchmesser von bis zu dreißig Zentimetern. Ihre Oberfläche muss absolut perfekt sein und darf nur Unebenheiten von wenigen Nanometer Größe besitzen – wären sie so groß wie Fußballfelder, entspräche dies weniger als einem zehntel Millimeter.

Während Techniker die Transistoren für die ersten Computer noch mit der Hand löten konnten, müssen sie für die Herstellung der winzigen modernen Schaltkreise anders vorgehen. Mit einem Fotolithografie genannten Verfahren werden diese in die Wafer hineingeätzt. Hierzu tragen Spezialisten zuerst eine Lackschicht auf das Silizium auf, die sie mit Hilfe einer Maske belichten. An den belichteten Stellen lässt sich der Lack dann ablösen, und die darunter liegende Siliziumschicht wird angeätzt. Die Chiphersteller behandeln die angeätzten Stellen mit Chemikalien und wiederholen das Verfahren mehrfach, so dass sie die Transistoren wie Häuser aus Bauklötzen Schicht für Schicht aufbauen.

Die fertigen Transistoren funktionieren nur dann, wenn sich unter einer Million ihrer Atome höchstens ein falsches befindet. Doch der Schmutz lauert überall – Arbeitsgeräte aus Metall geben fast immer unerwünschte Atome ab, und auch der Mensch überträgt Verunreinigungen durch Berührungen oder durch bloßes Atmen. Nicht zuletzt schwirren in einem normalen Raum etwa eine halbe Milliarde Staubteilchen umher. Deshalb finden sämtliche Arbeitsschritte der Chipherstellung in peinlich sauber gehaltenen Reinräumen statt. Deren Einrichtung besteht vollständig aus Kunststoff, und Filter entziehen hier der Frischluft auch das letzte Staubkorn. Jeder, der diese Räume betritt, muss eine komplette Schutzmontur, von den Handschuhen bis zur Gesichtsmaske, anlegen.

„Da die fertigen Mikrochips keinerlei Verunreinigungen haben dürfen, müssen auch die genutzten Chemikalien besonders sauber sein“, erklärt Dr. Karl-Rudolf Kurtz, Leiter der Geschäftseinheit Electronic Materials der BASF. „Die BASF bietet zurzeit rund dreißig Chemikalien an, die den notwendigen Reinheitsgrad ,electronic grade‘ aufweisen.“ Um deren Reinheit vor der Auslieferung an die Chiphersteller zu überprüfen, unterhält auch die BASF Reinraumlabors. „Hier können wir Spuren von Verunreinigungen nachweisen, die weniger als ein Mikrogramm pro Tonne Produkt ausmachen, das entspricht in etwa einer Nadel in 100.000 Heuhaufen. Der Nachweis solch winziger Konzentrationen ist nur mit modernsten spektrometrischen Methoden möglich.“

Die Perspektive

Im Jahr 1965 leitete Gordon Moore, Mitbegründer von Intel, aus Marktbeobachtungen ein Gesetz ab: Jedes Jahr, so seine These, würde sich die Zahl der Transistoren auf den modernsten Mikrochips verdoppeln. Im Großen und Ganzen hat dieses Gesetz bis heute seine Gültigkeit behalten, wobei die Transistoren immer kleiner wurden. Hält dieser Trend an, wird auch der Anspruch an die Qualität der eingesetzten Chemikalien weiter steigen.

Die BASF ist einer der führenden Anbieter von Chemikalien für die Halbleiter-Industrie. Mit dem Erwerb des weltweiten Elektronikchemikaliengeschäfts der Merck KGaA Anfang 2005 hat die BASF ihre Marktposition deutlich gestärkt. Ihr Vertrieb ist im Globalen Business Management zusammengefasst, um Bestellwege zu vereinfachen und Lieferzeiten zu verkürzen. Für die zuverlässige Qualität ihrer Elektronikgase Chlorwasserstoff und Ammoniak bekam die BASF im Jahr 2004 den Supplier Quality Award des britischen Gasherstellers BOC Edwards verliehen. Zudem ist sie der weltweit einzige Anbieter von Hydroxylamin in Form der freien Base – einem hochwirksamen Lösemittel zur Reinigung von Mikrochips.

Der Infokasten

Vom Strandsand zum Computerchip

Silizium (von lat. silex = Kieselstein) ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element in der Erdkruste, wo es Bestandteil der meisten Minerale ist. Elementares Silizium ist ein Halbleiter, wodurch sich seine elektronischen Eigenschaften durch Einlagerung von Fremdatomen, das so genannte Dotieren, gezielt verändern lassen. Daher findet es eine weite Anwendung in der Mikroelektronik und in Solarzellen.

Czochralski-Verfahren heißt die Methode, mit der die großen Kristalle für die Chipindustrie hergestellt werden. Hierbei wird ein winziger, aber perfekt gebauter Kristall in eine Schmelze des gereinigten Siliziums getaucht, die nur wenig wärmer als ihre Schmelztemperatur ist. Zieht man den Kristall vorsichtig wieder aus der Schmelze, so bleiben Silizium Atome daran hängen. Die mitgezogenen Atome richten sich dabei genau an dem Aufbau des kleinen Impfkristalls aus. Dadurch entstehen ideal gebaute Einkristalle von bis zu zwei Meter Länge. Das Verfahren wurde nach dem polnischen Wissenschaftler Jan Czochralski benannt, der es 1916 entdeckte, als er versehentlich seine Schreibfeder statt in Tinte in eine Metallschmelze tauchte.

Hydroxylamin ist ein farbloser, kristalliner Stoff, hergestellt aus Nitraten und Wasserstoff. Die BASF bietet als weltweit einziges Unternehmen reines Hydroxylamin in Form einer 50-prozentigen wässrigen Lösung an. Die Produktionskapazität in Ludwigshafen liegt bei 7.000 Tonnen. Genug, um eine Versorgung der weltweiten Mikrochipindustrie zu gewährleisten, wo die Substanz zur Reinigung der Chips nach dem Ätzen eingesetzt wird.

Transistoren schalten elektrischen Strom zwischen zwei Anschlüssen ein oder aus, je nach der Spannung, die an einem dritten Anschluss des jeweiligen Transistors anliegt. Zusätzlich können sie die durchfließenden Ströme auch verstärken. Die auf Silizium basierenden Transistoren der Mikrochips schalten sehr schnell, sind sparsam und winzig klein – ihre Entwicklung machte den Aufbau moderner Computer erst möglich.