{"id":29729,"date":"2025-04-29T09:00:00","date_gmt":"2025-04-29T07:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/fmd-insight.de\/?p=29729"},"modified":"2025-06-11T12:47:03","modified_gmt":"2025-06-11T10:47:03","slug":"ionenimplantation-verfahren-halbleiterherstellung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/news\/interviews\/ionenimplantation-verfahren-halbleiterherstellung\/","title":{"rendered":"Ionenimplantation<\/strong> | \u00dcber ein Verfahren, das die Halbleiterherstellung revolutioniert hat"},"content":{"rendered":"\n
©<\/span>Adobe Stock | Vitte Yevhen <\/div><\/div><\/div>\n
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Im Interview: Dr. Andreas Thies vom Leibniz FBH
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Die Entwicklung der Ionenimplantation in den 60er Jahren war eine der grundlegenden Voraussetzungen daf\u00fcr, dass hochintegrierte Schaltkreise, wie wir sie heutzutage kennen, hergestellt werden k\u00f6nnen. Das Verfahren wird eingesetzt, um Fremdatome in einen Halbleiter einzubringen und auf diese Weise z. B. dessen Leitf\u00e4higkeit zu ver\u00e4ndern (Dotierung). Am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut f\u00fcr H\u00f6chstfrequenztechnik (Leibniz FBH<\/a>) besch\u00e4ftigt sich Dr. Andreas Thies, Leiter der Arbeitsgruppe \u00bbBackend\u00ab, u. a. mit der Frage, wie die Ionenimplantation weiter verbessert werden kann. Wir haben mit ihm \u00fcber seinen Arbeitsalltag, Herausforderungen und Innovationen im Halbleiterprozess gesprochen.<\/strong><\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n \n <\/div>\n\n\n

Herr Thies, Sie arbeiten am Leibniz FBH in der Abteilung f\u00fcr Prozesstechnologie und leiten dort die Arbeitsgruppe Backend. Mit welchen Prozessen besch\u00e4ftigen Sie sich konkret?<\/p>\n<\/div>

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Die Aufgabe unserer Arbeitsgruppe ist es, aus Bauelementen, die noch auf einem kompletten Wafer sind, Einzelelemente herzustellen, sogenannte Chips. Nachdem die Chips beispielsweise durch S\u00e4gen oder Lasern aus dem Wafer herausgetrennt wurden, m\u00fcssen sie alle einzeln weiterverarbeitet werden. Dieser Schritt markiert den \u00dcbergang vom Frontend zum Backend. W\u00e4hrend also beim Frontend alle Prozesse auf einem Wafer ablaufen, werden im Backend Einzelchips bearbeitet. Es gibt zus\u00e4tzlich zwei Bereiche, die klassisch zum Backend geh\u00f6ren: Das ist einmal die Implantation \u2013 keine besonders saubere Technologie \u2013 und die Galvanik.<\/p>\n<\/div>

Was bedeutet nicht besonders sauber<\/em> in diesem Zusammenhang?<\/p>\n<\/div>

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Wir arbeiten in einem Reinraum und der ist absolut partikelfrei. Wobei: Absolut als Generalisierung stimmt nat\u00fcrlich nicht ganz. Es gibt verschiedene Partikelklassen und je nachdem, in welchem Reinraum gearbeitet wird und wie klein die Strukturen sind, die hergestellt werden, m\u00fcssen unterschiedliche Partikelklassen eingehalten werden. Wenn im Backend etwas zers\u00e4gt oder zerteilt wird, entsteht Abrieb, also kleine Partikel. Bei der Definition, wie rein der Raum ist, geht es letztendlich um die Partikelanzahl bzw. die Partikelgr\u00f6\u00dfe. Verglichen mit einem medizinischen oder biologischen Reinraum ist das Backend nat\u00fcrlich immer noch sehr rein. Die Qualit\u00e4tskriterien des Frontends allerdings sind noch h\u00f6her.<\/p>\n<\/div>

Werfen wir nun einen Blick auf die Implantation und Ihre t\u00e4gliche Arbeit. Mit welchen Aufgaben sind Sie aktuell besch\u00e4ftigt und vor welchen Herausforderungen stehen Sie dabei?<\/p>\n<\/div>

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Aktuell arbeiten wir daran, unsere Ionenimplantation weiter voranzutreiben. Klassischerweise ist ein Ionenimplanter ein recht komplexes Ger\u00e4t. Mit unserem Implanter bringen wir sehr viele unterschiedliche Ionen ein. Es gibt viele Parameter, die man anpassen kann, um den Implantationsprozess zu steuern. Allerdings gibt es auch Bereiche, in denen wir eingeschr\u00e4nkt sind, z. B. bei der Beschleunigungsspannung. Diese Beschleunigungsspannung ist f\u00fcr die Tiefe der implantierten Ionen im Material verantwortlich. Sie beeinflusst nicht nur die Eindringtiefe der Ionen, sondern auch deren Geschwindigkeit und Energie, was wiederum Auswirkungen auf die Wechselwirkungen mit dem Material hat. Bei uns betr\u00e4gt die Spannung max. 500.000 Volt. H\u00f6here Spannungen k\u00f6nnen wir nicht einstellen, zum einen, weil es aus Strahlenschutzgr\u00fcnden verboten ist und zum anderen, weil das mit unserem Implanterraum platztechnisch gar nicht m\u00f6glich ist.<\/p>\n

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Was wir zum Beispiel tun k\u00f6nnen, um die gew\u00fcnschten elektrischen Eigenschaften gezielt einzustellen, ist, viele verschiedene Ionen zu implantieren. Das ist ein wesentlicher Unterschied zu Industrieimplantationen. Da stehen meist Dutzende von Ionenimplantern, von denen jeder f\u00fcr eine spezielle Aufgabe beschafft wurde. Der eine wird f\u00fcr Phosphorimplantationen genutzt, der andere f\u00fcr Arsen- oder Antimonimplantationen. Anders als in der Siliziumindustrie haben wir am FBH einen Implanter, mit dem wir alles implantieren k\u00f6nnen und m\u00fcssen.<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n

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©<\/span>FBH | Matthias Baumbach<\/div><\/div>\n<\/div><\/div>\n

Partner k\u00f6nnen mit Metallen, Gasen oder Fl\u00fcssigkeiten zu uns kommen \u2013 und wir kriegen alles in die Gasphase. Zuerst ionisieren wir die Stoffe, beschleunigen die Ionen und schie\u00dfen sie dann in unser Werkst\u00fcck. Viele Materialeigenschaften, die in der Siliziumtechnologie mit Implantation eingestellt werden, werden in der III\/V-Halbleitertechnologie durch Epitaxie erreicht. Dazu gibt es am FBH eine eigene Abteilung, die Materialtechnologie<\/a>, die die speziellen Schichten herstellt. Diese Schichten modifizieren wir dann nur noch mit der Ionenimplantation, indem wir sie beispielsweise lokal wieder zerst\u00f6ren und so die Leitf\u00e4higkeit reduzieren.<\/p>\n

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Des Weiteren \u00fcberlegen wir uns aktuell Techniken, mit denen wir unseren Implanter so weiterentwickeln k\u00f6nnen, dass trotz sehr kleiner Dosen noch implantiert werden kann. Die Dosis ist immer das Produkt aus Zeit und Strom (Anzahl der Ionen, die pro Sekunde auf das Zielmaterial geschossen werden). Wenn die Str\u00f6me klein werden, sind sie schwer zu messen. Sobald der Strom an die Grenze der Messbarkeit st\u00f6\u00dft, k\u00f6nnen wir ihn nicht weiter verringern, auch wenn nur eine kleine Dosis implantiert werden soll. Die Zeit kann aber auch nicht beliebig kurz werden. Daf\u00fcr brauchen wir eine L\u00f6sung. Dieses Aust\u00fcfteln von neuen Ideen und Ans\u00e4tzen bereitet mir viel Spa\u00df und macht meine Arbeit abwechslungsreich.<\/p>\n<\/div><\/div><\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n\n\n\n

Wie lange dauert es, bis solche Prozesse verbessert bzw. weiterentwickelt werden?<\/p>\n<\/div>

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Mit dem letzten Beispiel besch\u00e4ftige ich mich seit ungef\u00e4hr sechs Monaten. Das ist tats\u00e4chlich ein recht komplexer Prozess. Zun\u00e4chst m\u00fcssen Ideen entwickelt und geplant werden. Dann werden Komponenten bestellt, deren Lieferung oft drei bis vier Monate dauert. Anschlie\u00dfend m\u00fcssen die Teile eventuell noch von unserer Werkstatt angepasst werden, bevor sie zusammengesetzt werden. Nachdem die Funktionsf\u00e4higkeit im normalen Betrieb getestet wurde, werden die Bauteile schlie\u00dflich in den Implanter eingebaut, um zu sehen, ob auch im Ultrahochvakuum alles funktioniert. Denn Ionenimplantation findet immer in einem sehr hohen Vakuum statt, also einem sehr kleinen Druck.<\/p>\n<\/div>

Die Ionenimplantation ist von zentraler Bedeutung f\u00fcr die Dotierung von Halbleitern, also den Prozess, bei dem Fremdatome in den Halbleiter eingebracht werden, um dessen Leitf\u00e4higkeit zu regulieren. Fr\u00fcher erfolgte das durch einen thermischen Prozess bzw. Diffusion. Dieses Verfahren ist aber sehr empfindlich gegen\u00fcber Oberfl\u00e4chenverunreinigung. Warum hat sich die Ionenimplantation als Verfahren durchgesetzt und welche Vorteile bietet sie?<\/p>\n<\/div>

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Implantation ist eine Standardtechnik, die die Siliziumtechnologie erst gro\u00df gemacht hat, weil das Einbringen von Ionen eben nicht mehr vom Zustand der Oberfl\u00e4che abh\u00e4ngig ist. Ob auf der Oberfl\u00e4che minimale Schichten Verunreinigungen sind oder nicht, spielt keine Rolle. Die Teilchen werden so beschleunigt und mit einer relativ hohen Energie auf die Oberfl\u00e4che geschossen, dass die Schichten gleichm\u00e4\u00dfig durchdrungen werden k\u00f6nnen. Daher ist die Ausbeute bei der Ionenimplantation so hoch. Die Ionenimplantation hat auch die ber\u00fchmte explosionsartige Steigerung hinsichtlich St\u00fcckzahl und Integrationsgrad m\u00f6glich gemacht. Das war eine der Voraussetzungen, um die aktuell verf\u00fcgbaren, hochintegrierten Schaltkreise \u00fcberhaupt herstellen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n<\/div>

Die Wahl der Ionen h\u00e4ngt also davon ab, welcher Werkstoff verwendet wird?<\/p>\n<\/div>

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Richtig, das h\u00e4ngt immer vom Werkstoff ab und von dem, was unsere Kunden oder Kolleg:innen am Institut selbst an Aufgaben an uns herantragen. Man muss die Art, wie implantiert wird \u2013 den Ionentyp, die Energie oder die Dosis \u2013 an den Werkstoff anpassen. Das hei\u00dft, die Kolleg:innen teilen mir mit, welchen Schichtaufbau sie haben wollen und gerne ver\u00e4ndert h\u00e4tten, und ich simuliere das. Daf\u00fcr gibt es etablierte Software-Tools. Bei einer komplexen Epitaxie dauert das Programmieren zwei bis drei Stunden. Danach werden verschiedene Energien und Tiefen simuliert. Ich w\u00fcrde sagen, das Bearbeiten eines normalen Auftrages ben\u00f6tigt ungef\u00e4hr einen halben Tag. Vielleicht dauert es auch mal einen Tag. Insgesamt ist das aber kein Hexenwerk.<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n

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Ausblick:<\/strong> Neben der Ionenimplantation haben wir mit Dr. Andreas Thies auch \u00fcber Galvanik und die Bedeutung dieses Verfahrens f\u00fcr die Halbleiterherstellung gesprochen. Mehr dazu k\u00f6nnen Sie in Teil zwei<\/a> des Gespr\u00e4chs lesen.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n \n <\/div>\n\n\n

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©<\/span>FBH | Matthias Baumbach<\/div><\/div>\n <\/div>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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