Recycling von Siliziumscheiben spart Kosten

Reines Silizium ist ein teurer Grundstoff für die Chip-Industrie, besonders beim Übergang auf 300-mm-Scheiben. Das Recycling von Wafern kann erhebliche Kosten einsparen.

Nach der Roadmap der Sematech ist mit dem Übergang von 256-Megabit-Speichern auf ein Gigabit im Jahr 2001 auch eine Vergrößerung der Siliziumscheiben von 200 auf 300 mm Durchmesser verbunden. Und ab dem Jahr 2009 ist der nächste Sprung auf 450 mm zu erwarten, um dann den 64-Gigabit-Chip wirtschaftlich fertigen zu können. Die erste Pilot-Chipproduktion mit 300-mm-Wafern entstand bereits 1998 in Dresden durch ein Joint Venture von Infineon und Motorola. Ende Mai wurde der Grundstein für ein neues Fertigungsmodul mit 300-mm-Scheiben gelegt, dahinter steht ein Investitionsvolumen von mehr als 1 Mrd. Euro über die nächsten drei Jahre.
Die Firma Isiltec GmbH, eine Ausgründung aus dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen, baut nun gemeinsam mit Forschern des Instituts eine Pilotlinie für das sogenannte Wafer-Reclaiming von 300-mm-Siliziumwafern auf. Ziel ist es, gebrauchte Wafer wieder einsatztauglich zu machen. „Auf Basis einer Lizenzvereinbarung mit der Firma Wacker Siltronic werden Prozesse, die für Neuwafer entwickelt wurden, für die Wiederverwendung angepasst und optimiert. Diese Kooperation und die Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut sichert die weltweite Vermarktung“, unterstreicht Lothar Pfitzner, Projektverantwortlicher beim IIS. „Reclaim-Wafer stehen nicht in Konkurrenz zu neuen Produktions-Wafern. In der Chipfertigung werden jedoch viele Test-Wafer für elektrische Tests oder für die Qualitätssicherung benötigt, die dann nach einem Durchlauf nicht mehr verwertbar sind. Uns geht es nun darum, diese Test-Wafer wiederaufzubereiten, und zwar nach einem besseren Verfahren als es derzeit beispielsweise in Japan eingeführt ist. Normalerweise wird die Scheibe um 25 mm bis 10 mm abpoliert, wir haben nach unserer Meinung nun Prozessansätze mit erheblich weniger Verschleiß entwickelt, entsprechend höher fällt die Anzahl der recyclebaren Zyklen aus“.

Oberfläche bearbeiteter Wafer wird schichtweise gesäubert

Wafer Reclaim setzt sich aus einer Reihe von Prozessen zusammen, mit denen die Oberflächenschichten von teilweise oder vollständig bearbeiteten Wafern entfernt werden. „Um das Verfahren optimal abstimmen zu können, ist es wichtig, die Lebensgeschichte des Wafers zu kennen. Diese gibt Auskunft über die sich auf der Oberfläche befindlichen Materialschichten und Schichtdicken. Zunächst müssen diese Oberflächenschichten entfernt werden. Je nach Art der Schicht gibt es dafür unterschiedliche Verfahren, vom mechanischen Schleifen über das chemisch-mechanische Polieren bis hin zum Ätzen“, erklärt Isiltec-Mitgründer Hans-Martin Dudenhausen. Die darauf folgenden Arbeitsschritte, die verschiedene Reinigungs- und Polierprozesse umfassen, seien für alle Wafer identisch. Am Ende habe der Wafer wieder eine exakte und fast partikelfreie Oberfläche.
Frisch aus der Fabrik sind die Wafer 800 mm dick. Das Reclaiming kann mehrfach wiederholt werden. Einzige Einschränkung ist, dass eine bestimmte Dicke nicht unterschritten werden darf. „Je nach Chip-Hersteller liegt diese Grenze zwischen 720 mm bis 750 mm, erst dann ist es vorbei mit dem neuen Leben für gebrauchte Wafer“, so Dudenhausen.

Wiederverwendung bis zur Mindestdicke der Scheiben

Derzeit liegt der Preis für einen 300-mm-Wafer aufgrund des hohen Angebotes und der relativ geringen Nachfrage bei 500 Dollar, diese Situation dürfte sich jedoch im Lauf des nächsten Jahres bei Anziehen der Nachfrage rapide ändern. „Test-Wafer kosten etwa die Hälfte, Reclaim-Wafer müssen daher entsprechend günstiger sein“, konzediert Pfitzner. Eine Pilotproduktion ist bereits im IIS angelaufen, wo für 300-mm-Wafer Prozessschritte wie Oxydation und Reinigung durchgeführt werden können. „Wir haben intensive Verbindungen zu den großen Chipherstellern. Sowohl bei der Einsparung von Waferkosten als auch in der Analytik arbeiten wir mit diesen Firmen in der Auftragsforschung zusammen und bringen unsere Erfahrungen ein“, so Pfitzner. ACHIM SCHARF
Chipproduktion auf 300-mm-Wafern kann preiswerter werden, wenn Testscheiben mehrfach verwendet werden können. Eine neues Verfahren erlaubt jetzt deutlich mehr Recycling-Zyklen.