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Mikrotechnologie und Halbleiterfertigung – Wafer und Substrate einordnen

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Einleitung

Mikrotechnologie und Halbleiterfertigung – Wafer und Substrate einordnen

Zielgruppe: Ausbildung zur Mikrotechnologin bzw. zum Mikrotechnologen und verwandte technische Ausbildungsberufe.

Lernziel: Du unterscheidest Wafer und Substrat, erkennst geeignete Werkstoffe und erklärst ihre Trägerfunktion in der Halbleiterfertigung.

Lernweg: Vier kurze Lerneinheiten, ein Ausbildungsfall, gestufte Hilfen, interaktive Übungen und ein praxisbezogener Lernnachweis.

Merksatz: Wafer bezeichnet vor allem die Scheibenform. Substrat beschreibt die Funktion als Grundlage für weitere Fertigungsschritte.

Bildimpuls: Was erkennst Du an der Oberfläche? Weshalb ist die Oberfläche für die Fertigung wichtig?

Lerneinheit 1: Wafer und Substrat unterscheiden

Lernzeit: etwa 6 Minuten

Wafer: die geometrische Form

Ein Wafer ist eine dünne Scheibe, die in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik für Fertigungsprozesse eingesetzt wird. Häufig besteht sie aus einkristallinem Silizium. Auch andere Werkstoffe können als Wafer vorliegen.

Einkristalliner Siliziumkörper: Aus geeignetem Ausgangsmaterial werden Wafer hergestellt.

Detailbild: Die Oberfläche eines Siliziumwafers ist eine Grundlage für präzise Mikrostrukturen.

Substrat: die Trägerfunktion

Ein Substrat ist das Ausgangs- oder Trägermaterial, auf dem Schichten, Strukturen oder Bauelemente hergestellt werden.

Wichtig: Ein Wafer kann gleichzeitig ein Substrat sein. Ein Substrat muss aber nicht scheibenförmig sein.

Begriff	Entscheidend ist	Beispiel
Wafer	Scheibenförmige Gestalt	Siliziumscheibe
Substrat	Funktion als Materialgrundlage	Siliziumwafer oder Glasplatte
Schicht	Aufgebrachtes Material	Metallschicht auf Glas

Mini-Aufgabe: Erkläre in zwei Sätzen, weshalb eine rechteckige Glasplatte ein Substrat sein kann, ohne ein Wafer zu sein.

Feedback: Entscheidend ist nicht die elektrische Leitfähigkeit der Glasplatte, sondern ihre Funktion als Grundlage für weitere Schichten.

Prozessvideo: Von Silizium zum Mikrochip

Bosch Global: The Semiconductor Production Process Explained Clearly. Herstellerüberblick, englischsprachig. Beobachtungsauftrag: Finde den Übergang vom Ausgangsmaterial zur Waferfertigung.

Lerneinheit 2: Werkstoffe richtig zuordnen

Lernzeit: etwa 7 Minuten

Silizium, Siliziumkarbid und Glas

Material	Werkstoffeigenschaft	Typischer Einsatz
Silizium (Si)	Halbleiter, für integrierte Schaltungen gut etabliert	Mikroelektronische Schaltungen und Sensoren
Siliziumkarbid (SiC)	Halbleiter mit großer Bandlücke	Leistungsbauelemente, beispielsweise für hohe Spannungen
Glas	Elektrisch isolierend und häufig transparent	Trägersubstrate für Dünnschichten, optische Systeme oder Packaging

Zwei SiC-Wafer in einer Transportbox. Auch Siliziumkarbid kann als Substrat für Halbleiterbauelemente dienen.

Bearbeiteter Siliziumwafer mit 200 mm Durchmesser. Die sichtbaren Strukturen gehören bereits zur Fertigungsstufe.

Merke: Die Materialwahl richtet sich nach den Anforderungen des Bauelements und nach der freigegebenen Prozesskette. Farbe oder Glanz allein reichen zur Materialidentifikation nicht aus.

Medienvergleich: Vergleiche den SiC-Wafer mit dem bearbeiteten Siliziumwafer. Welche Unterschiede kannst Du sehen? Welche Materialeigenschaften lassen sich aus den Bildern nicht sicher bestimmen?

Fachquelle für Glas: Fraunhofer IZM: Glassubstrate und -schichten. Die dortigen Fachabbildungen werden nur verlinkt, nicht ohne gesonderte Freigabe übernommen.

Lerneinheit 3: Die Trägerfunktion im Fertigungsprozess

Lernzeit: etwa 7 Minuten

Vom Rohwafer zu den Bauelementen

Ein typischer Ablauf beginnt bei Silizium mit einem geeigneten Einkristall. Daraus entstehen durch Sägen und Oberflächenbearbeitung Wafer. Darauf folgen viele aufeinander abgestimmte Fertigungsschritte.

Prozessüberblick:

Fertigungsschritt	Ergebnis oder Zweck
Kristallherstellung	Geeignetes Ausgangsmaterial
Sägen und Polieren	Wafer mit bearbeiteter Oberfläche
Schichtabscheidung	Zusätzliche Materialschichten
Fotolithografie	Strukturmuster für weitere Bearbeitungsschritte
Ätzen und weitere Verfahren	Selektiv strukturierte Bereiche
Prüfen und Vereinzeln	Getestete und getrennte Bauelemente

Dies ist ein vereinfachtes Lernmodell. In realen Fertigungslinien werden zahlreiche Schritte wiederholt. Die Prozessfolge hängt vom Produkt ab.

Fachschema der Fotolithografie: Untersuche, welche Rolle die Oberfläche des Substrats spielt.

Aufnahme eines Wafers mit 90 integrierten Schaltungen. Mehrere Chips entstehen gemeinsam auf einem Träger.

Wafer auf einer Sägefolie nach der Vereinzelung. Einige Chips wurden bereits entnommen.

Prozessvideo: Schichten und Strukturierung

ASML Nanoland: How are microchips made? Episode 6. Herstellererklärung. Beobachtungsauftrag: Unterscheide den Wafer als Träger von den darauf erzeugten Strukturen.

Kontrollfrage: Warum kann eine kleine Oberflächenverunreinigung die Funktion eines späteren Chips beeinträchtigen?

Feedback: Kleine Partikel können lokale Fertigungsschritte oder Strukturen stören. Ob daraus tatsächlich ein Defekt entsteht, hängt unter anderem von Partikelgröße, Position und Prozess ab.

Lerneinheit 4: Reinraum, Sicherheit und Entsorgung

Lernzeit: etwa 7 Minuten

Sicherer Umgang mit Wafern

Geschlossener SMIF-Transportbehälter für 6-Zoll-Wafer. Er unterstützt den Schutz vor Verunreinigungen.

Mikroskopische Aufnahme einer Trennfläche in Silizium nach einem industriellen Vereinzelungsverfahren. Bearbeitung und Bruch können scharfe Kanten erzeugen.

In der Fertigung zählen Sauberkeit, Materialidentifikation, mechanischer Schutz und Rückverfolgbarkeit.

Ein Reinraumanzug schützt in erster Linie die Prozessumgebung vor Verunreinigung durch Menschen. Er ist kein allgemeiner Ersatz für eine auf Gefahrstoffe abgestimmte persönliche Schutzausrüstung.

Gefahrstoffe und Staub

Beim Sägen, Schleifen oder Trennen können Partikel, Stäube und Bearbeitungsrückstände entstehen. Die gesundheitliche Gefährdung ist material- und prozessabhängig. Siliziumstaub darf nicht pauschal mit kristallinem Quarzstaub gleichgesetzt werden.

In der Halbleiterfertigung können zudem gefährliche Chemikalien wie Flusssäure sowie reaktive Gase und Lösemittel vorkommen.

Sicherheitsregeln für Deine Ausbildung:

Gefährdungsbeurteilung: Informiere Dich vor einer Tätigkeit über die freigegebene Gefährdungsbeurteilung und Betriebsanweisung.
Reinraum: Öffne Transportbehälter oder Anlagen nur, wenn Du dafür eingewiesen und berechtigt bist.
Staub: Entferne Bearbeitungsrückstände nicht eigenmächtig durch Abblasen oder trockenes Kehren; nutze ausschließlich freigegebene Verfahren.
Gefahrstoff: Berühre oder untersuche unbekannte Rückstände nicht selbstständig.
Arbeitsschutz: Melde Bruch, beschädigte Verpackungen, Freisetzungen oder unklare Kennzeichnungen unmittelbar der zuständigen Fachperson.

Keine gefährlichen Eigenversuche: Ätz-, Reinigungs-, Abscheide- und andere reale chemische Prozesse dürfen nur in geeigneten Betrieben unter Fachaufsicht und nach freigegebenen Anweisungen durchgeführt werden.

Fachquellen: OSHA: Substrate Manufacture, OSHA: Device Fabrication, BAuA: TRGS 500 Schutzmaßnahmen.

Abfälle richtig einordnen

Waferbruchstücke, kontaminierte Verbrauchsmaterialien, Bearbeitungsmedien und chemische Rückstände müssen anhand ihrer tatsächlichen Eigenschaften und der betrieblichen Vorgaben beurteilt werden.

Entscheidend: Keine unbekannten oder möglicherweise gefährlichen Rückstände in den Ausguss, den Restmüll oder beliebige Sammelbehälter geben. Die verantwortliche Fachstelle bestimmt die vorgesehenen, geeigneten und gekennzeichneten Entsorgungswege.

Die TRGS 520 regelt besondere Anforderungen an Sammelstellen und Zwischenlager für Kleinmengen gefährlicher Abfälle. Sie ersetzt nicht die betriebsspezifische Abfallklassifizierung.

Quellen: BAuA: TRGS 520, DGUV Regel 109-003.

Video: Waferhandling in einer Fertigungsumgebung

Texas Instruments: 300mm wafer fab virtual tour. Beobachtungsauftrag: Suche Transport- und Automatisierungssysteme und erkläre deren Nutzen für die Prozesssauberkeit.

Ausbildungsfall: Drei Materialien im Wareneingang

Situation: Du arbeitest als Auszubildende oder Auszubildender in einer fiktiven Fertigung für mikroelektronische Schaltungen und Sensoren. Drei Materiallose sollen anhand ihrer Dokumentation eingeordnet werden. Du arbeitest ausschließlich mit den Auftragsdaten und Bildmaterial, nicht an realen Materialien.

Los	Begleitdokumentation	Fertigungsauftrag
A	Polierter Siliziumwafer, 200 mm, ohne gemeldete Abweichung	Ausgangsmaterial für integrierte Schaltungen
B	Rechteckige Glasplatte, 100 × 100 mm, freigegeben	Träger für eine optische Dünnschichtstruktur
C	SiC-Wafer, 150 mm, unklarer Rückstand gemeldet	Ausgangsmaterial für ein Leistungsbauelement

Arbeitsauftrag: Entscheide, welche Lose Wafer sind, welche als Substrate dienen und welches Los vor der Weitergabe geklärt werden muss.

Gestufte Hilfen

Hilfe 1 – Orientierung: Unterscheide Material, geometrische Form und Funktion.

Hilfe 2 – Struktur: Trage für jedes Los die Antworten auf drei Fragen ein: Welcher Werkstoff? Welche Form? Welche Trägerfunktion?

Hilfe 3 – Entscheidung: Prüfe anschließend Dokumentation und gemeldete Abweichungen. Eine fachlich geeignete Materialart allein bedeutet noch keine Prozessfreigabe.

Modellaufgabe Basis

Aufgabe: Ordne Los A und B den Begriffen Wafer und Substrat zu.

Musterlösung: A ist ein Siliziumwafer und dient als Substrat. B ist eine rechteckige Glasplatte und dient als Substrat, ist in der beschriebenen Form jedoch kein typischer scheibenförmiger Wafer.

Begründetes Feedback: Richtig ist die Lösung, wenn Form und Trägerfunktion getrennt beurteilt werden. Die Aussage „Jedes Substrat ist ein Wafer“ wäre falsch.

Modellaufgabe Anwendung

Aufgabe: Begründe, weshalb Glas für Los B und Silizium für Los A sinnvoll sein können.

Musterlösung: Silizium ist ein etablierter Halbleiterwerkstoff für integrierte Schaltungen. Glas kann wegen seiner isolierenden und optischen Eigenschaften als Träger für bestimmte Dünnschichtstrukturen dienen.

Begründetes Feedback: Eine gute Entscheidung nennt Materialeigenschaften und den konkreten Fertigungszweck. Die bloße Unterscheidung „teuer oder billig“ reicht nicht aus.

Modellaufgabe Transfer

Aufgabe: Soll Los C trotz unklarem Rückstand direkt weitergegeben werden?

Musterlösung: Nein. Das Los muss gemäß betrieblichem Abweichungsverfahren gesperrt beziehungsweise zurückgehalten und durch zuständige Fachpersonen bewertet werden. Erst nach dokumentierter Klärung darf eine Freigabe erfolgen.

Begründetes Feedback: Die Eignung von SiC für Leistungsbauelemente beweist nicht die Sicherheit oder Prozessfähigkeit eines konkreten Loses. Unbekannte Rückstände sind nicht durch eigenständiges Berühren, Reinigen oder chemische Versuche zu untersuchen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was unterscheidet Wafer und Substrat am treffendsten? (Wafer bezeichnet die Scheibenform und Substrat die Trägerfunktion) (!Wafer bezeichnet immer Glas und Substrat immer Silizium) (!Ein Substrat muss grundsätzlich elektrisch leitend sein) (!Wafer und Substrat bezeichnen ausschließlich fertige Chips)

Welcher Werkstoff wird häufig für integrierte Siliziumschaltungen verwendet? (Silizium) (!Holz) (!Gips) (!Papier)

Welches Material ist besonders für viele leistungsfähige Hochspannungsbauelemente interessant? (Siliziumkarbid) (!Pappe) (!Kochsalz) (!Polyethylenfolie)

Welche Aussage über eine Glasplatte als Substrat ist richtig? (Sie kann als Träger für funktionale Schichten dienen) (!Sie muss immer selbst ein Halbleiter sein) (!Sie ist grundsätzlich ein Siliziumwafer) (!Sie darf keine Beschichtung tragen)

Was entsteht beim Zerteilen eines geeigneten Siliziumeinkristalls in dünne Scheiben? (Wafer) (!Fertige Prozessoren) (!Kabel) (!Leiterplattengehäuse)

Wozu dient die Oberflächenpolitur bei der Waferherstellung? (Zur Erzeugung einer geeigneten glatten Oberfläche) (!Zum Einbau eines Chipgehäuses) (!Zur Programmierung der Schaltungen) (!Zum Aufbringen eines Etiketts auf jeden Transistor)

Welche Hauptaufgabe hat die Fotolithografie? (Übertragung von Strukturmustern) (!Verpackung fertiger Chips) (!Lagerung von Chemikalien) (!Zerteilung des Kristalls in große Blöcke)

Was bedeutet das Vereinzeln nach der Waferbearbeitung? (Trennen einzelner Bauelemente oder Dies) (!Herstellen von Quarzsand) (!Zusammenschmelzen aller Wafer) (!Entfernen sämtlicher Transistoren)

Was ist bei einem Wafer mit unbekanntem Rückstand richtig? (Den Vorgang stoppen und die zuständige Fachperson informieren) (!Den Rückstand ohne Freigabe abwischen) (!Den Rückstand mit einer Säure testen) (!Den Wafer zur Kontrolle zerbrechen)

Welche Aussage zu Staub aus der Waferbearbeitung stimmt? (Seine Gefährdung hängt von Material und Bearbeitungsverfahren ab) (!Jeder Staub aus Silizium ist automatisch Quarzstaub) (!Alle Bearbeitungsstäube sind gesundheitlich harmlos) (!Staub darf immer mit Druckluft weggeblasen werden)

Memory

Wafer	Dünne Scheibe für die Fertigung
Substrat	Grundlage für Bauelemente und Schichten
Siliziumkarbid	Halbleiter für viele Leistungsanwendungen
Fotolithografie	Strukturübertragung mithilfe von Licht
SMIF-Pod	Geschützter Wafertransportbehälter
Dicing	Vereinzeln von Bauelementen

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Funktion im Fertigungsablauf
Kristallziehen	Einkristall erzeugen
Sägen	Scheiben abtrennen
Polieren	Oberfläche glätten
Fotolithografie	Strukturmuster übertragen
Vereinzeln	Einzelne Bauelemente trennen

Kreuzworträtsel

Wafer	Wie heißt eine dünne Scheibe für die Halbleiterfertigung?
Substrat	Wie heißt die Grundlage für Schichten und Bauelemente?
Silizium	Welcher Halbleiterwerkstoff wird häufig für integrierte Schaltungen verwendet?
Einkristall	Wie heißt ein Kristall mit durchgehend einheitlicher Kristallstruktur?
Reinraum	Wie heißt ein kontrollierter Arbeitsbereich mit besonders geringer Partikelbelastung?
Polieren	Welches Bearbeitungsverfahren dient dem Glätten einer Waferoberfläche?

LearningApps

Lückentext

Ein

ist eine dünne Scheibe für mikrotechnologische Fertigungsprozesse.

Der Begriff

beschreibt die Grundlage für weitere Schichten oder Bauelemente.

Für viele integrierte Schaltungen wird

eingesetzt.

Bei der Waferherstellung kann ein

als Ausgangskörper dienen.

Das Material

ist für viele Leistungsbauelemente geeignet.

Eine rechteckige

kann als Träger für optische Dünnschichten verwendet werden.

Beim

wird eine geeignete glatte Oberfläche hergestellt.

Die

ermöglicht die Übertragung von Strukturmustern.

Ein kleiner

kann einen Fertigungsschritt beeinträchtigen.

Unbekannte Rückstände dürfen nur nach betrieblicher

untersucht oder behandelt werden.

Offene Aufgaben

Bearbeite alle Aufgaben ohne gefährliche Eigenversuche. Verwende Zeichnungen, digitale Modelle, Fotos frei lizenzierter Medien und freigegebene Betriebsdokumente.

Leicht

Wafer: Markiere auf einer frei lizenzierten Waferaufnahme Scheibenrand, Oberfläche und erkennbare Strukturen. Schreibe zu jeder Markierung einen kurzen Satz.
Substrat: Zeichne einen Wafer und eine rechteckige Glasplatte. Erkläre anhand der Zeichnung ihre mögliche Trägerfunktion.
Silizium: Gestalte drei Materialkarten für Silizium, Siliziumkarbid und Glas mit jeweils einem typischen Anwendungsbeispiel.
Kristall: Erstelle eine Bildfolge vom Siliziumeinkristall zum fertig bearbeiteten Wafer. Nutze geprüfte Quellen.

Standard

Materialprüfung: Entwickle für die drei Lose des Ausbildungsfalls eine Zuordnungstabelle und begründe Deine Entscheidungen.
Schichtabscheidung: Zeichne ein einfaches Schichtmodell eines Sensors und kennzeichne Substrat, Funktionsschicht und deren Aufgaben.
Reinraumtechnik: Erstelle anhand einer Fachquelle eine Checkliste für die sichere, dokumentierte Weitergabe eines Waferloses.
Berufsorientierung: Führe ein vorbereitetes Interview mit einer Fachkraft über Materialidentifikation und Waferhandling. Betritt keine gesperrten Anlagenbereiche.

Schwer

Werkstoffauswahl: Entwickle eine begründete Entscheidungsmatrix für Silizium, SiC und Glas bei drei unterschiedlichen Fertigungsaufträgen.
Qualitätsmanagement: Analysiere anhand eines fiktiven Partikelfehlers, wie sich ein Material- oder Handhabungsproblem auf Prozess und Ergebnis auswirken kann.
Arbeitsschutz: Erstelle eine schriftliche Gefährdungsbetrachtung für einen fiktiven beschädigten Waferbehälter unter Verwendung von OSHA-, BAuA- und DGUV-Quellen. Keine praktische Durchführung.
Medienkompetenz: Produziere ein 90-sekündiges Erklärvideo zur Unterscheidung von Wafer und Substrat. Verwende ausschließlich selbst erstellte oder rechtmäßig nutzbare Medien und dokumentiere die Bildrechte.

Lernkontrolle

Die Lernkontrolle prüft vor allem Deine Fähigkeit, fachlich begründete Entscheidungen zu treffen.

Transferlernen: Ein Betrieb soll einen optischen Dünnschichtsensor entwickeln. Begründe, unter welchen Voraussetzungen ein Glassubstrat geeignet sein könnte und welche Angaben noch fehlen.
Fehleranalyse: Bei einer optischen Prüfung werden zusätzliche Partikel gemeldet. Beschreibe mögliche Folgen für die Fertigung und wie eine sichere Qualitätsentscheidung organisiert werden sollte.
Werkstoffkunde: Vergleiche zwei Bauelemente mit unterschiedlichen Anforderungen an Spannung und Schaltungskomplexität. Erkläre, warum die Wahl des Substratmaterials variieren kann.
Prozesskette: Stelle dar, welche Folgen eine ungeeignete Oberfläche für spätere Schicht- und Strukturierungsprozesse haben kann.
Arbeitssicherheit: Ein Los wird mit beschädigter Transportverpackung angeliefert. Entwickle eine sichere Melde- und Entscheidungsfolge.
Quellenkritik: Ein Onlinebeitrag behauptet, sämtlicher Staub aus der Siliziumbearbeitung sei gesundheitlich unbedenklich. Bewerte die Aussage anhand geeigneter Arbeitsschutzquellen.

Bewertungsmaßstab: Eine überzeugende Antwort benennt die Ausgangslage, verwendet zutreffende Fachbegriffe, begründet die Entscheidung, berücksichtigt Unsicherheiten und beachtet Sicherheitsgrenzen.

Lernnachweis

Für Deinen Lernnachweis erstellst Du eine digitale Ausbildungsmappe „Wafer und Substrate“ mit folgenden Bestandteilen:

Eine beschriftete Gegenüberstellung von Wafer, Substrat und Funktionsschicht.
Eine fachlich korrekte Materialübersicht zu Silizium, Siliziumkarbid und Glas.
Eine schematische Darstellung der Trägerfunktion in einer Fertigungsprozesskette.
Die dokumentierte Bearbeitung des Ausbildungsfalls mit drei begründeten Entscheidungen.
Eine schriftliche Sicherheitsentscheidung bei unbekannter Kontamination.
Eine Quellen- und Medienliste mit Urhebern und Nutzungsrechten.

Bestehensanforderung: Fachbegriffe müssen richtig angewendet, Materialentscheidungen nachvollziehbar begründet und sicherheitskritische Situationen fachgerecht eingeordnet werden.

OERs zum Thema

Wikipedia: Wafer

Weitere frei zugängliche Fachartikel:

Geprüfte Fachquellen

SEMI: Compilation of Terms – Technische Begriffsdefinitionen, insbesondere „substrate“.
OSHA: Substrate Manufacture – Herstellung von Siliziumsubstraten und zugehörige Gefährdungen.
OSHA: Device Fabrication – Fertigungsverfahren und betriebliche Schutzmaßnahmen.
Fraunhofer IZM: Glassubstrate und -schichten – Glas als Material und Träger.
Infineon: SiC-Wafer und Leistungshalbleiter – Technischer Anwendungsbezug.
BAuA: TRGS 500 – Betriebliche Schutzmaßnahmen bei Gefahrstoffen.
BAuA: TRGS 520 – Anforderungen an bestimmte Sammelstellen für gefährliche Abfälle.
DGUV Regel 109-003 – Gefährdungsbeurteilung bei Tätigkeiten mit Bearbeitungsmedien.

Quellenstand: Oktober 2026. Normen, Schutzmaßnahmen und betriebliche Freigaben müssen vor einer realen Tätigkeit auf ihre aktuelle Gültigkeit überprüft werden.

Bildnachweise und Medienrechte

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Si wafer.jpg – 2x910, CC BY-SA 4.0.
Monocrystalline silicon ingot.jpg – ArticCynda, CC0 1.0.
Silicon wafer close view.jpg – Le hollandais volant, CC BY 4.0.
SiC wafers 6inch.jpg – FDominec, CC BY-SA 4.0.
200mm Si Wafer.png – Goldenvu, CC BY-SA 4.0.
Photolithography process.png – Deatharmony, CC BY-SA 4.0.
Wafer mit 90 Uc61000 chips.jpg – Eclipse, CC BY-SA 3.0.
Wafer auf Sägefolie – Khpsoi, CC BY-SA 4.0.
6 inch SMIF POD.jpg – 邱銘乾, CC BY-SA 3.0.
Stealth diced Si wafer – MBirkholz, CC BY 3.0.

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