Silizium ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente in der Erdkruste: mehr als 90 % der Erdkruste besteht aus Silikatmineralien. Sein Namensvetter, das Silicon Valley in Kalifornien, verweist auf die Bedeutung des Siliziums (engl. Silicon) als Grundstoff für moderne Mikroprozessoren.
Doch wie entsteht aus leblosen Sandkörnern und Quarzbrocken etwas, das menschliche Anweisungen in Maschinen überträgt, die einen Schachgroßmeister schlagen können?
Von Gestein zu Robotern
Silizium zu finden, ist nicht schwer. Sie müssen lediglich an den nächstgelegenen Strand gehen und werden dort Silizium im Überfluss finden. Allerdings ist die Beschaffung von Silizium, das rein genug für die Anforderungen der Computertechnik ist, schwieriger. Ein Großteil des weltweiten Siliziums wird heutzutage aus einer einzigen Mine gewonnen: einem Quarzsteinbruch in Spruce Pine, North Carolina (USA).
Sobald das Silizium gewonnen wurde (oft in Form von Quarzkies), wird es zerkleinert und zu einem feinen Pulver gemahlen, mit Wasser und Chemikalien gereinigt und zur Verarbeitung weitergegeben.
Im nächsten Schritt wird dieses Siliziumpulver in einem Elektrolichtbogenofen eingeschmolzen und mit Kohlenstoff vermischt. In dieser Umgebung mit hohen Temperaturen bindet sich der Kohlenstoff an die Sauerstoffmoleküle in dem geschmolzenen Gemisch, wodurch eine hochreine Form von Siliziummetall entsteht, das sogenannte metallurgische Silizium, das zu 98 % aus Silizium besteht. Allerdings ist es immer noch zu unrein, um in der Elektrotechnik verwendet zu werden. Daher wird das Silizium einer weiteren chemischen Reinigung unterzogen, um Silizium in elektronischer Qualität zu erhalten, das weniger als 1 Fremdpartikel in einer Milliarde enthält.
Vom Polysilizium zu Ingots
Eine der wichtigsten Eigenschaften von Silizium bei der Herstellung von Chips ist seine elektrische Leitfähigkeit. Bei Silizium in elektronischer Qualität handelt es sich jedoch um sogenanntes polykristallines Silizium, auch Polysilizium genannt. Das bedeutet, dass es zwar wie ein einziger Block aus festem Silizium aussieht, aber in Wirklichkeit aus vielen kleinen, nebeneinander angeordneten Kristallen besteht. Die daraus resultierende Variation der kristallinen Strukturen beeinträchtigt die leitfähigen Eigenschaften.
Es wird ein einziger, riesiger Siliziumkristall benötigt, in dem identische, replizierte chemische Strukturen eine viel höhere elektrische Leitfähigkeit ermöglichen. Dies wird als monokristallines Silizium bezeichnet und mit einem Verfahren namens Czochralski-Verfahren hergestellt.
Das Verfahren wurde 1915 zufällig von dem polnischen Chemiker Jan Czochralski entdeckt, als dieser seine Schreibfeder versehentlich in geschmolzenes Zinn tauchte, anstatt in sein Tintenfass. Als er den Zinn-Wafer, der sich um seinen Stift gebildet hatte, untersuchte, stellte er fest, dass er nur eine einzige Kristallstruktur aufwies.
Dieser Prozess kann folgendermaßen auf Silizium angewendet werden. Zunächst wird das Polysilizium in einem Schmelztiegel bei Temperaturen von über 1200 Grad Celsius eingeschmolzen. In dieser Phase werden dem Gemisch zusätzliche Elemente wie Bor oder Phosphor hinzugefügt, die das Material „dotieren“ und ihm so die spezifischen elektrischen Eigenschaften verleihen, die es zu einem Halbleiter werden lassen.
Dann wird ein sogenannter Impfkristall in das Gemisch abgesenkt, bis dieser die Oberfläche knapp berührt. Dieser Kristall, der etwa so groß wie eine Schreibfeder ist, weist dieselbe innere Struktur auf, die auch für den fertigen Wafer benötigt wird.
Sehr langsam (ca. 90 mm pro Stunde) wird der Impfkristall aus dem Gemisch entfernt. Beim Herausnehmen bildet sich durch die Oberflächenspannung zwischen dem Impfling und dem Gemisch ein dünner Film um den Impfling, der seine kristallinen Eigenschaften teilt. Wie bei einer Kerze, die aus dem Wachs herausgenommen wird, bildet sich nach und nach ein großer, zylindrischer Kristall. Dies ist der fertige Silizium-Ingot.
Dicing und Reinigung
Nachdem dieser massive Silizium-Ingot hergestellt wurde, muss er auf die für Mikrochips benötigte Breite zugeschnitten werden, die etwa 1 mm beträgt. Mit einer Kreissäge wird der Ingot der Länge nach in runde Wafer geschnitten.
Diese werden etwas dicker zugeschnitten als erforderlich, da Sägespuren und Oberflächenmängel durch Schleifen und Polieren entfernt werden. Schließlich werden sie einer chemischen Behandlung mit Natriumhydroxid und Salpetersäure unterzogen, um jegliche verbleibenden Risse oder Mängel in der Oberfläche zu beseitigen. Die Oberfläche muss so eben und glatt wie möglich sein.
Und voilà! Ein Silizium-Wafer wurde hergestellt. Diese Wafer werden dann an die Produktionsstätten weitergereicht, wo die Chipdesigns durch einen Prozess namens Photolithographie in sie hineingeätzt werden. Weitere Informationen über die Photolithographie erhalten Sie hier.