Oktober 2014 - Silizium

In der Schule habe ich ein Fach mit dem Namen "Funktionsweise elektronischer und digitaler Baugruppen verstehen". In diesem Fach behandeln wir nun das Thema Silizium (Dioden und Transistoren). Ich finde Silizium ein interessantes Thema, weshalb ich diesen Monat etwas darüber schreibe.

Silizium

Silizium (auch Silicium geschrieben) ist ein chemisches Element, genauer ein Halbmetall. Ein Halbmetall weist sowohl Eigenschaften von Metallen wie auch Nichtmetallen auf. Silizium ist zudem ein Halbleiter, das bedeutet, abhängig von seiner Temperatur ist es ein elektrischer Leiter oder nicht.

Reines Silizium hat eine grau-schwarze Farbe und einen bronzenen bis bläulichen Glanz.
Im menschlichen Körper befinden sich ungefähr 20 mg/kg (Körpermasse) Silizium.

Entdeckung 

Als Element wurde Silizium zum ersten Mal im Jahre 1787 hergestellt, wurde jedoch zuerst für eine Verbindung gehalten. Erst 1824 wurde bekannt, dass Silizium ein eigenständiges Element ist.

Die erstmalige Herstellung von reinem, kristallinem Silizium gelang einem französischen Chemiker im Jahre 1854 (Zur Herstellung später mehr).

Vorkommen

Silizium ist das zweithäufigste Element auf der Erde nach Sauerstoff. Die Erdkruste besteht zu etwa 26% aus Silizium. Im Wesentlichen tritt Silizium als Siliziumdioxod auf, natürlich vorkommendes reines Silizium gibt es nicht.

Unter anderem besteht Sand vorwiegend aus Siliziumdioxid.

Siliziumdioxid (Quarz)
(besteht aus Silizium und Sauerstoff)

Herstellung von reinem Silizium

Da reines Silizium, das später für Prozessoren verwendet wird, die heutzutage in beinahe jedem Gerät zu finden sind, kein natürliches Vorkommen hat, muss man es chemisch herstellen. Reines Silizium wird aus Siliziumdioxid (Quarz) gewonnen. Hierbei muss der Sauerstoff entfernt werden. Das geschieht, indem man das Siliziumdioxid in Öfen bei 1`460°C (Schmelzpunkt von Silizium: 1`414°C) unter Verwendung von Kohlenstoff schmilzt. Durch diese hohen Temperaturen spaltet sich der Sauerstoff vom Silizium ab, reagiert mit dem Kohlenstoff und wird so zu Kohlenstoffmonoxid.

Das reine Silizium enthält noch zu 5% Fremdstoffe, was aber immer noch zu viel ist. Gereinigt wird das Silizium anschließend mit verschiedenen chemischen Trennverfahren.

Am Ende dieser Prozesse hat das Silizium eine Reinheit von über 99.9999999%. Das entspricht weniger als einem Fremdatom auf einer Milliarde Siliziumatomen.

Zum Schluss wird das Silizium als Ingot aus dem flüssigen Zustand gezogen.

Ingot
(aus monokristallinem Silizium)

Silizium Wafer

Die Herstellung von Wafern beginnt mit dem Silizium-Ingot. Wenn das Ingot, wie oben im Bild zu sehen, zylinderförmig ist, wird es in Scheiben zersägt. Die Wafer werden in einem sogenannten "Reinraum" hergestellt, damit das Silizium seine hohe Reinheit auch beibehält. Zudem müssen für die meisten Anwendungen die Oberflächen der Wafer spiegelnd poliert sein

Anschließend wird Fotolack auf die Wafer aufgetragen. Dieser wird durch eine Maske belichtet. Nun werden, je nach Lack, entweder die belichteten oder unbelichteten Teile mit Hilfe von Natronlauge entfernt. Der verbleibende Lack dient als "Ätzmaske", Da die Säure dem verbleibenden Lack nichts macht, schützt der das darunterliegende Silizium, während an den ungeschützten Stellen das Silizium weggeätzt wird. Dann wird der Fotolack wieder entfernt. Dies wird mehrere Male wiederholt. Dann wird wieder belichtet, aber diesmal nur Kontaktpunkte. An diesen Punkten wird das Silizium zu Kontaktlöchern geätzt. Auf dem gesamten Wafer wird jetzt Aluminium oder Kupfer als Leiter bis in die Kontaktlöcher abgeschieden und durch einen weiteren Prozess zu Leiterbahnen geätzt.
Zuletzt werden aus den Wafern die einzelnen Prozessoren "ausgeschnitten".

Damit wäre der Herstellungsprozess des Prozessors abgeschlossen. Abhängig von der Grösse des Prozessors und des Wafers können aus einem Wafer mehrerer Dutzend Prozessoren hergestellt werden.

Wafer von verschiedenen Grössen
mit fertigen Prozessoren (Mikrocontrollern)