Hochohm / FZ-Wafer
FZ-Wafer mit ultrahohem Widerstand (>10 kΩ·cm), extreme Reinheit — O₂ und C <5×10¹⁵ Atome/cm³.
Was ist Float-Zone-(FZ-)Silizium?
Silizium nach dem Zonenschmelzverfahren (FZ) wird durch ein tigelfreies Kristallzuchtverfahren hergestellt, bei dem eine Hochfrequenz-(HF-)Spule einen polykristallinen Siliziumstab durchläuft und eine schmale Zone aufschmilzt, die beim Weiterbewegen der Spule zu einem Einkristall rekristallisiert. Da die Siliziumschmelze nie mit einem Tiegel in Berührung kommt — anders als beim Czochralski-(CZ-)Verfahren, bei dem Silizium in einem Quarztiegel schmilzt — ist FZ-Silizium im Wesentlichen frei von der Sauerstoff- und Kohlenstoffkontamination, die bei CZ-Material unvermeidlich ist. Diese Reinheit führt zu außergewöhnlichen elektrischen Eigenschaften: spezifischer Widerstand über 30 kΩ·cm, Minoritätsladungsträgerlebensdauern über 1 Millisekunde und das vollständige Fehlen von Sauerstoffpräzipitaten.
Während CZ-Silizium aufgrund seiner Kosteneffizienz bei 300mm und seiner Fähigkeit, vorteilhaften Sauerstoff für die interne Getterung einzubauen, den globalen Wafermarkt dominiert (~95% aller Siliziumwafer), ist FZ-Silizium für Anwendungen unersetzlich, bei denen Substratverluste, Ladungsträgerrekombination und verunreinigungsbedingte Leckströme die primären Leistungsgrenzen darstellen. Das RF-Frontend jedes 5G-Smartphones, die optischen Transceiver in jedem Rechenzentrum und die Teilchendetektoren am CERN hängen alle von der einzigartigen Kombination aus ultrahohem Widerstand und ultrageringem Verunreinigungsgehalt des FZ-Siliziums ab.
Bei GINECHIP liefern wir FZ-Siliziumwafer mit Durchmessern von 100mm bis 200mm und spezifischen Widerständen von 10 kΩ·cm bis > 30 kΩ·cm. Erhältlich sind sowohl N-Typ (phosphordotiert, einschließlich NTD) als auch P-Typ (bordotiert). Wir bieten FZ-Wafer außerdem als Trägersubstrate für die kundenspezifische SOI-Fertigung sowie als Ausgangsmaterial für die GaN-on-Si-Epitaxie an, bei der die mechanische Integrität des Substrats bei MOCVD-Temperaturen entscheidend ist.
FZ vs. CZ-Silizium: Ein detaillierter Vergleich
Die Wahl zwischen FZ- und CZ-Silizium ist keine Frage von „besser“ oder „schlechter“ — sie wird von der Anwendung bestimmt. Die folgende Tabelle bietet einen direkten technischen Vergleich, um zu ermitteln, welche Substrattechnologie für Ihre Prozessanforderungen optimal ist.
| Parameter | Float Zone (FZ) | Czochralski (CZ) |
|---|---|---|
| Kristallzuchtverfahren | HF-beheizte wandernde Schmelzzone durch einen polykristallinen Siliziumstab. Kein Tiegel erforderlich — null Kontakt mit Fremdmaterialien. | Polykristallines Silizium wird in einem Quarz-(SiO₂-)Tiegel geschmolzen. Impfkristall wird unter Rotation langsam aus der Schmelze gezogen. Tiegelauflösung ist unvermeidlich. |
| Sauerstoffkonzentration | < 5×10¹⁵ atoms/cm³ — praktisch sauerstofffreies Silizium | 5–20×10¹⁷ atoms/cm³ — während des Wachstums aus den Quarztiegelwänden gelöst |
| Kohlenstoffkonzentration | < 5×10¹⁵ atoms/cm³ — kein Kontakt mit heißen Graphitofenteilen | 1×10¹⁶ – 5×10¹⁷ atoms/cm³ — aus Graphitsuszeptor und Heizelementen |
| Maximaler spezifischer Widerstand | > 30 kΩ·cm — nahezu eigenleitendes Silizium erreichbar (undotiertes FZ) | ~1–3 kΩ·cm — begrenzt durch Hintergrunddotierung aus Tiegelauflösung und Umgebungskontamination |
| Minoritätsladungsträgerlebensdauer | > 1 ms — keine Rekombinationszentren durch Sauerstoffpräzipitate oder mit Schwermetallen dekorierte Defekte | 10–100 μs — Sauerstoffpräzipitate und zugehörige Versetzungsringe wirken als Rekombinations-Generationszentren |
| Sauerstoffpräzipitate | Keine — ohne gelösten Sauerstoff ist keine Ausscheidung möglich. Keine interne Getterfähigkeit. | Reichlich — durch Thermocycling gezielt eingestellt, um interne Getterzonen für Metallverunreinigungen zu schaffen |
| Mechanische Festigkeit bei hoher Temperatur | Überlegen — sauerstofffreies Silizium weist oberhalb 800°C eine höhere Streckgrenze auf. Bevorzugt für GaN-MOCVD-Epitaxie. | Geringer — gelöster Sauerstoff heftet Versetzungen bei niedriger Temperatur, bewirkt oberhalb 800°C jedoch eine geringere Verfestigung |
| Maximaler Waferdurchmesser | 200mm (8″) — begrenzt durch die Stabilität der Schmelzzone. 300mm FZ nur im F&E-Stadium. | 300mm (12″) — Standard-Großserienproduktion. 450mm-Pilotlinie nachgewiesen. |
| Relative Kosten | $$ – $$$$ — Premium-Substrat, geringerer Durchsatz, kleinere Ingotdurchmesser | $ — Standardmaterial, extrem hohes Volumen, vollautomatisierte 300mm-Fabs |
| Hauptanwendungen | RF/mmWave-ICs, Silizium-Photonik, Hochspannungsleistung (> 3.3 kV), Strahlungsdetektoren, THz-Komponenten, GaN-on-Si-Epitaxie | CMOS-Logik, DRAM, NAND-Flash, Bildsensoren, universelle Analog-/Mixed-Signal-ICs |
Neutronentransmutationsdotierung (NTD)
Für Anwendungen, die die höchstmögliche Dotierungsgleichmäßigkeit erfordern, bietet GINECHIP neutronentransmutationsdotiertes (NTD) FZ-Silizium an. Bei diesem Verfahren wird ein undotierter FZ-Siliziumingot in einem Kernreaktor mit thermischen Neutronen bestrahlt. Ein Teil der ³⁰Si-Isotope (3.1% natürliche Häufigkeit) fängt ein Neutron ein und wandelt sich über die folgende Reaktion in ³¹P (Phosphor) — ein Donatoratom — um:
³⁰Si (n,γ) → ³¹Si → ³¹P + β⁻ (t₁/₂ = 2.62 hours)
Da der Neutronenfluss über das gesamte Ingotvolumen gleichmäßig ist, ist die resultierende Phosphordotierungskonzentration über den gesamten Kristall auf ±3% genau — dramatisch besser als die ±15–25%, die für herkömmliche Schmelzedotierungsverfahren typisch sind. Diese Gleichmäßigkeit ist entscheidend für Hochspannungs-Leistungsbauelemente, bei denen die Durchbruchspannung empfindlich von der Dotierungskonzentration in der Driftzone abhängt.
Technische Spezifikationen
| Parameter | Verfügbarer Bereich / Werte |
|---|---|
| Crystal Growth Method | Float Zone (FZ) — crucible-free, RF-heated molten zone |
| Wafer Diameter | 100mm (4″), 150mm (6″), 200mm (8″) |
| Resistivity Range | > 10 kΩ·cm (standard), up to > 30 kΩ·cm (premium) — P-type / N-type |
| Dopant Type | P-type (Boron), N-type (Phosphorus); NTD-Phosphorus for ultra-uniform doping |
| Oxygen Concentration | < 5×10¹⁵ atoms/cm³ (FTIR) — essentially oxygen-free vs CZ (5–20×10¹⁷) |
| Carbon Concentration | < 5×10¹⁵ atoms/cm³ (FTIR) — no graphite crucible contact |
| Orientation | 〈100〉, 〈111〉, 〈110〉 (off-cut on request) |
| Thickness | Standard SEMI spec per diameter (e.g. 725μm for 200mm); custom on request |
| TTV / Bow / Warp | < 5μm TTV, < 20μm Bow, < 30μm Warp (200mm); tighter on request |
| Surface Finish | Single-side polished (SSP) or double-side polished (DSP), Epi-Ready |
| Lifetime (Minority Carrier) | > 1 ms (μ-PCD) — orders of magnitude above CZ material |
| NTD Doping Option | Neutron Transmutation Doping for resistivity uniformity ±3% (vs ±15% conventional) |
Anwendungen & Marktsegmente
RFICs & 5G/mmWave Front-Ends
FZ high-resistivity silicon (> 10 kΩ·cm) minimizes substrate-induced insertion loss in RF switches, LNAs, and phase shifters operating above 6 GHz. At mmWave frequencies (28–60 GHz), CZ substrates become prohibitively lossy due to finite substrate resistivity and parasitic surface conduction; FZ-Si with a trap-rich interface is the substrate of choice for 5G beamformer ICs.
Silicon Photonics
SOI waveguides on FZ handle wafers eliminate free-carrier absorption at 1310nm and 1550nm telecom wavelengths. The absence of oxygen precipitates removes scattering centers. Required for high-Q ring resonators, Mach-Zehnder modulators, and photonic integrated circuits (PICs) in datacom transceivers and LIDAR.
High-Voltage Power Devices
IGBTs, PiN diodes, and thyristors rated above 3.3 kV rely on FZ silicon for its wide depletion region capability. The near-intrinsic resistivity (> 30 kΩ·cm) of undoped FZ-Si enables blocking voltages exceeding 10 kV in a single device. NTD doping delivers the precise, uniform phosphorus concentration required for symmetric blocking characteristics.
Radiation Detectors
FZ silicon is the detector-grade material for particle physics experiments (CERN, Fermilab, KEK), medical PET/CT scanners, and X-ray synchrotron sensors. The ultra-low oxygen content eliminates trapping centers that would otherwise degrade charge collection efficiency. NTD-FZ provides the doping uniformity essential for large-area strip and pixel detectors.
Terahertz & Sub-mmWave Components
Frequencies above 100 GHz demand substrates with effective resistivity exceeding 10 kΩ·cm to suppress dielectric loss and mode conversion. FZ-Si substrates are used for THz waveguide components, metamaterial arrays, and on-chip antennas for 6G research and security imaging.
Substrate for GaN-on-Si Epitaxy
GaN HEMT epitaxy on silicon requires a substrate that survives the high-temperature MOCVD process (> 1000°C) without slip-line generation. FZ-Si with its superior mechanical strength at elevated temperature and absence of oxygen-precipitate-induced warpage is the preferred 200mm platform for RF GaN-on-Si power amplifiers and power-switching HEMTs.
Messtechnik & Qualitätssicherung
Die entscheidende Eigenschaft von FZ-Silizium — extrem hohe Reinheit — erfordert Messtechnik, die Verunreinigungen in Konzentrationen nachweisen kann, die um Größenordnungen unter den Nachweisgrenzen standardmäßiger Halbleitercharakterisierungsgeräte liegen. Unser Qualifizierungsprotokoll für FZ-Wafer kombiniert elektrische, optische und chemische Verfahren, um jeden Parameter zu zertifizieren.
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