Die abgebildete dünne Scheibe wird Silizium-Wafer genannt und dient als Basis für die Herstellung von Computerchips. Es sind auf Siliziumsubstart mittels photolithographischer Verfahren aufgebrachte elektronische Schaltungen. Diese kleinen Teile finden sich praktisch in allen modernen elektronischen Geräten wie Computern oder Smartphones. Ohne Silizium wären viele technische Anwendungen nicht möglich. Wir leben heute in einem Zeitalter von Silizium.
Ein kleines Tal in Kalifornien heißt Silicon-Valley also Silizium-Tal. Es ist sehr berühmt und wirtschaftlich einer der bedeutendsten Standorte der Hightech-Industrie weltweit. Die Namensgebung belegt die heutige Bedeutung des Siliziums.
Unsere Erde – Felsen, Sand, Ton – besteht zum Großteil aus Siliziummineralen, das heißt aus Verbindungen von Silizium und Sauerstoff mit kleineren Mengen von Aluminium, Eisen, Calcium u.a. Vorkommen von Silizium ist unbegrenzt. Mit fast 25% Massenanteil ist es nach Sauerstoff das zweithäufigste Element in der Erdrinde.
Silizium kommt in der Natur nur an Sauerstoff gebunden vor und die Si-O-Bindung ist sehr stabil. Es hat also relativ lange gedauert, bis Silizium erstmals hergestellt wurde. Der schwedische Chemiker Jakob Berzelius erkannte als erster 1824 die elementare Natur des Siliziums und gab ihm seinen Namen.
Trotz seiner Häufigkeit spielte Silizium bis Anfang des 20. Jahrhunderts als Werkstoff keine Rolle, denn es ist nur schwierig und teuer herzustellen und auch nicht leicht zu verarbeiten.
Abb. 1 Silizium a) Rohsilizium, b) Ingots und Wafer
Die wichtigste Eigenschaft von Silizium für technische Anwendung ist seine elektrische Leitfähigkeit, die jedoch niedrig ist. Silizium ist ein typischer Halbleiter. Allerdings kann seine Leitfähigkeit durch Zusatz geringer Mengen anderer Elemente (z. B. Bor oder Phosphor) deutlich gesteigert werden (Doping), während bei den besten metallischen Leitern die Zugabe anderer Elemente einen Abfall der Leitfähigkeit bewirkt.
Computerchips fangen als gewöhnlicher Sand an, der in fast perfekte, superreine Siliziumkristalle umgewandelt werden muss. Die Herstellung von reinem elementarem Silicium ist aufwendig. Zuerst wird der Ausgangsstoff Siliziumdioxid (Quarzsand) mit Kohlenstoff bei Temperaturen von rund 2000 °C im Lichtbogenofen reduziert. Dieses Rohsilizium (Abb. 1a) enthält etwa 98% Silicium. Es wird hauptsächlich Aluminiumlegierungen zugesetzt, um ihre Schwindung und Fließeigenschaften positiv zu beeinflussen.
Für die meisten industriellen Anwendungen wird allerdings hochreines Silizium benötigt. Zur Veredelung wird Rohsilicium mit Chlorwasserstoff in flüssiges Trichlorsilan umgewandelt und anschließend destilliert. Das entstehende Produkt ist polykristallin und wird deshalb kurz Polysilizium genannt. Es besitzt eine Reinheit von mindestens 99,9999 %. Für die Halbleiterindustrie ist dieser Reinheitsgrad jedoch noch zu gering. Er muss 99,999999999 % betragen; das bedeutet weniger als ein Fremdatom auf 100 Mrd. Siliziumatome.
Dafür sind mehrere Verfahren ausgearbeitet worden. Das Czochralski-Verfahren hat die größte technische Bedeutung. Dabei wird ein Stab von 10-30 cm Durchmesser gewonnen, der einen einzigen Kristall darstellt (Abb. 1b). Dieser stab (englisch: ingot) wird danach in dünne Scheiben gesägt, in die besagten Wafer. Die technische Anwendung der Halbleitereigenschaften von Silizium erfolgt fast immer über die Produktion von Wafern, die entsprechend ihrem weiteren Einsatz modifiziert werden. Für viele technische Anwendungen werden aus Wafern kleine quadratische oder rechteckige Chips mit elektronischen Schaltkreisen (s. Foto oben) ausgeschnitten.
Allerdings finden nur etwa 10 % des produzierten Siliziums in der Computerindustrie Anwendung. Der größte Anteil geht in die Herstellung von Solarzellen (unser Link: Materialien für Solarzellen). Doch das Material hat seine Grenzen, denn Silizium ist sehr spröde. Ein Siliziumwafer zerbricht wie eine Glasscheibe schon bei geringen Belastungen.
Silizium ist das 14. chemische Element und gehört zur Gruppe des Kohlenstoffes. Die beiden Elemente haben viele gemeinsame Eigenschaften. Deswegen wird gerne in der Science-Fiction-Literatur über Lebensformen auf Siliziumbasis spekuliert. Die Bildung von langkettigen Molekülen ist jedoch bei Silicium deutlich schwächer als bei Kohlenstoff. Zudem ist Silicium in Gegenwart von wässrigen Lösungen oder von Sauerstoff nicht stabil. Leben auf Basis von Silicium ist daher nach aktuellem Wissenstand äußerst unwahrscheinlich.
Übrigens: Zu den wenigen Wesen, die nicht viel Silizium enthalten, gehört der Mensch. Während einige Schwämme Skelette aus Quarz bilden, bestehen unsere Knochen aus Calciumphosphat in Form von steifen Hydroxyapatit, der fast kein Silizium enthält.<<
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