Die Bedeutung von Silizium für die Mikroelektronik | Einführung in die Mikroelektronik – Teil 3
Silizium ist das Material der Wahl für die Herstellung von Wafern, wie im zweiten Teil der Videoreihe zur Einführung in die Mikroelektronik angedeutet wurde. Doch warum ist das so und was macht Silizium so geeignet für den Herstellungsprozess von Halbleitern? Das ist Thema unseres dritten Videos mit FMD-Experte Dr. Michael Töpper.
Viele Menschen werden schon einmal unbewusst mit Siliziumdioxid in Kontakt gekommen sein – beim Tragen von spezieller Outdoor-Kleidung zum Beispiel. Denn Siliziumdioxid wird häufig in der Textilindustrie eingesetzt, um Materialien schmutz- und wasserabweisend zu machen. Diese Eigenschaft macht das Material unter anderem so interessant für die Mikroelektronik. Denn die Materialkombination aus Silizium und Siliziumdioxid ist äußerst stabil gegenüber Wasser und hat einen sehr hohen Schmelzpunkt. Aufgrund der Anwendung vieler nasschemischer Beschichtungs- und Strukturierungsverfahren sowie hoher Temperaturen in der Halbleiterherstellung sind diese Eigenschaften äußerst hilfreich. Für das Herstellen von Wafern gelten jedoch hohe Anforderungen an die Reinheit des verwendeten Siliziums. Um diese Reinheit zu erreichen, sind aufwendige und energieintensive Prozesse nötig.
Die Bedeutung der Wafer wird bei einem Blick auf die Zahlen zur weltweiten Produktion deutlich: 2022 entsprach die weltweit produzierte Waferfläche etwa 9,5 Quadratkilometern und war somit etwa doppelt so groß wie die Fläche des Tiergartens in Berlin. Seit 1997 gilt für die Wafergröße ein Industriestandard von 300 Millimetern. Für die Zukunft ist davon auszugehen, dass die Zahl produzierter Wafer weiter steigen wird. Dabei werden zunehmend Fragen nach dem Einfluss der Halbleiterkomponenten auf die Umweltbilanz wichtiger (siehe dazu auch Green ICT @ FMD).
Zu den anderen Teilen der Videoreihe
Teil 1: Einführung in die Thematik
Teil 2: Was ist die Mikroelektronik?
Teil 3: Warum ist das Silizium für die Mikroelektronik so wichtig?
Teil 4: Wie wird aus Halbleiterbauelementen ein mikroelektronisches System?
Teil 5: Was sind Halbleiterfirmen?
Teil 8: Prozesstechniken: Beispiel Wafer Bumping
Teil 9: Mikroelektronik ein weites Thema: Von Sensoren bis Quantencomputer
Exkurs: Wie wird reines Silizium gewonnen?
Silizium wird gewonnen, indem Siliziumoxid mit Kohlenstoff bei sehr hohen Temperaturen reagiert und in diesem Prozess den Sauerstoff abgibt (Reduktion). Das so entstehende Roh-Silizium muss danach in einem sehr energieintensiven Prozess gereinigt werden (mehrfache Destillation), damit es zur Herstellung von Wafern verwendet werden kann. Damit Silizium für die Waferherstellung genutzt werden kann, muss das Element bestimmte Anforderungen erfüllen – z. B. eine defektfreie Oberfläche haben. Dazu wird ein sogenannter Einkristall benötigt, der garantiert, dass alle Atome des Siliziums an der richtigen Stelle sitzen und das Bauteil am Ende fehlerfrei funktionsfähig ist. Im letzten Schritt und zur Herstellung des Einkristalls wird ein kleiner Kristall in die Siliziumschmelze eingetaucht und anschließend herausgezogen. Das Ergebnis ist ein Silizium-Barren (englisch: ingot), aus dem die finalen Wafer gefertigt werden. Diese hochreinen Siliziumscheiben sind die Grundlage für den Halbleiterprozess.
