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1. Hintergrund und Branchenkontext

Rasante technologische Fortschritte und die steigende Nachfrage nach hocheffizienten intelligenten Produkten haben die Industrie für integrierte Schaltkreise (IC) als strategische Säule der nationalen Entwicklung weiter gefestigt. Als Grundlage des IC-Ökosystems ist monokristallines Silizium in Halbleiterqualität von zentraler Bedeutung für technologische Innovation und Wirtschaftswachstum.

Laut der International Semiconductor Industry Association verzeichnete der globale Siliziumwafermarkt einen Umsatz von $12,6 Milliarden bei einem Absatz von 14,2 Milliarden Quadratzoll. Die Nachfrage steigt stetig weiter.

Die Branche ist hochkonzentriert: Die fünf größten Lieferanten machen über 85% des globalen Marktanteils aus—Shin-Etsu Chemical (Japan), SUMCO (Japan), GlobalWafers, Siltronic (Deutschland), und SK Siltron (Südkorea)—was Chinas starke Abhängigkeit von importierten monokristallinen Siliziumwafern unterstreicht. Diese Abhängigkeit ist ein wichtiger Engpass, der die IC-Entwicklung des Landes einschränkt. Die Stärkung der heimischen Forschung und Entwicklung sowie der Produktionskapazität ist daher unerlässlich.

2. Monokristallines Silizium: Materialübersicht

Monokristallines Silizium ist die Grundlage der modernen Mikroelektronik; über 90% der IC-Chips und elektronischen Geräte werden auf Silizium hergestellt. Seine Dominanz beruht auf mehreren Eigenschaften:

• Fülle und Umweltverträglichkeit: Silizium ist in der Erdkruste reichlich vorhanden, ungiftig und umweltfreundlich.

• Elektrische Isolierung und natives Oxid: Silizium bietet von Natur aus elektrische Isolierung; durch thermische Oxidation bildet es SiO₂, ein hochwertiges Dielektrikum, das Ladungsverluste verhindert.

• Ausgereifte Fertigungsinfrastruktur: Jahrzehntelange Prozessentwicklung haben ein hochveredeltes, skalierbares Wachstums- und Wafer-Fertigungs-Ökosystem hervorgebracht.

Strukturell ist monokristallines Silizium ein kontinuierliches, periodisches Gitter aus Siliziumatomen—das wesentliche Substrat für die Chipherstellung.

Prozessablauf (auf hohem Niveau): Siliziumerz wird raffiniert, um polykristallines Silizium herzustellen, das dann geschmolzen und in einem Kristallwachsofen zu einem monokristallinen Barren gezüchtet wird. Der Barren wird geschnitten, geläppt, poliert und gereinigt, um Wafer für die Halbleiterverarbeitung zu erhalten.

Waferklassen:

• Halbleiterqualität: Ultrahohe Reinheit (bis zu 99,999999999%, „11 Neunen“) und streng monokristallin, mit strengen Anforderungen an Kristallqualität und Oberflächenreinheit.

• Photovoltaikqualität: Geringere Reinheit (99,99%–99,9999%) und weniger anspruchsvolle Spezifikationen für Kristallqualität und Oberfläche.

Wafer in Halbleiterqualität erfordern außerdem überlegene Ebenheit, Oberflächenglätte und Sauberkeit, was sowohl die Prozesskomplexität als auch den Endnutzenwert erhöht.

Durchmesserentwicklung und Wirtschaftlichkeit: Industriestandards haben sich von 4 Zoll (100 mm) und 6 Zoll (150 mm) zu 8 Zoll (200 mm) und 12 Zoll (300 mm) Wafern entwickelt. Größere Durchmesser liefern mehr nutzbare Chipfläche pro Prozessdurchlauf, was die Kosteneffizienz verbessert und Randverluste reduziert—eine Entwicklung, die durch das Mooresche Gesetz und die Fertigungswirtschaft angetrieben wird. In der Praxis wird die Wafergröße an die Anwendung und die Kosten angepasst: Beispielsweise werden für Speicher häufig 300 mm verwendet, während viele Leistungshalbleiter auf 200 mm verbleiben.

Durch präzise Prozesse—Photolithographie, Ionenimplantation, Ätzen, Abscheidung und thermische Behandlungen—ermöglichen Siliziumwafer eine breite Palette von Bauelementen: Hochleistungs-Gleichrichter, MOSFETs, BJTs und Schaltkomponenten, die KI, 5G, Automobilelektronik, IoT und Luft- und Raumfahrt antreiben—Kernmotoren für Wirtschaftswachstum und Innovation.

3. Technologie des monokristallinen Siliziumwachstums

Die Czochralski (CZ)-Methode

Vorgeschlagen von Jan Czochralski im Jahr 1917, produziert die CZ-Methode (Kristallziehen) effizient große, hochwertige Einkristalle aus der Schmelze. Heute ist sie der dominierende Ansatz für Silizium: Etwa 98% der elektronischen Bauteile basieren auf Silizium, und ~85% davon basieren auf CZ-gezogenen Wafern. CZ wird aufgrund seiner Kristallqualität, des kontrollierbaren Durchmessers, der relativ schnellen Wachstumsraten und des hohen Durchsatzes bevorzugt.

Prinzip und Ausrüstung: Der CZ-Prozess arbeitet bei hoher Temperatur unter Vakuum-/Inertbedingungen in einem Kristallwachsofen. Polykristallines Silizium wird in einen Tiegel gefüllt und geschmolzen. Ein Impfkristall berührt die Schmelzoberfläche; durch präzise Steuerung von Temperatur, Ziehgeschwindigkeit und der Rotation von Impfkristall und Tiegel erstarren Atome an der Grenzfläche Schmelze–Festkörper zu einem Einkristall mit der gewünschten Orientierung und dem gewünschten Durchmesser.

Typische Prozessschritte:

1. Werkzeugvorbereitung & Beladung: Zerlegen, reinigen und neu laden des Ofens; Entfernen von Verunreinigungen aus Quarz, Graphit und anderen Komponenten.

2. Evakuierung, Nachfüllen & Schmelzen: Evakuieren auf Vakuum, Einleiten von Argon und Erhitzen, um die Siliziumladung vollständig zu schmelzen.

3. Impfung & Initiales Wachstum: Senken des Impfkristalls in die Schmelze und Herstellung einer stabilen Festkörper–Flüssigkeits-Grenzfläche.

4. Schulterbildung & Durchmesserregelung: Auf den Zieldurchmesser erweitern und durch Temperatur- und Ziehgeschwindigkeitsrückmeldung eine enge Kontrolle aufrechterhalten.

5. Stetiges Ziehen: Gleichmäßiges Wachstum bei eingestelltem Durchmesser aufrechterhalten.

6. Beendigung & Abkühlen: Den Kristall fertigstellen, herunterfahren und den Barren entladen.

Bei korrekter Ausführung liefert die CZ-Methode monokristallines Silizium mit großem Durchmesser und geringen Defekten, das für die fortschrittliche Halbleiterherstellung geeignet ist.

4. Produktionsherausforderungen und -richtungen

Die Skalierung auf größere Durchmesser unter Beibehaltung der Kristallperfektion stellt erhebliche Herausforderungen dar, insbesondere bei der Defektvorhersage und -kontrolle:

• Qualitätsvariabilität und Ausbeuteverluste: Mit zunehmendem Durchmesser werden die thermischen, Strömungs- und Magnetfelder im Ofen komplexer. Die Bewältigung dieser gekoppelten Mehrphysik-Effekte ist schwierig, was zu Inkonsistenzen in der Kristallqualität und geringeren Ausbeuten führt.

• Einschränkungen des Steuerungssystems: Aktuelle Strategien betonen makroskopische Parameter (z. B. Durchmesser, Ziehgeschwindigkeit). Die Feinskala-Defektkontrolle hängt immer noch stark von menschlicher Expertise ab, die für die Anforderungen der Mikro-/Nano-Skala-IC zunehmend unzureichend ist.