Silicium (Si)
Silicium (Si) He
H Li Be
B C N O F Na Mg Al Si P S Cl K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
Ne Ar Kr
Xe
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac 28,086
14
Si
Silicium
Dichte (20°C): Fp: Kp:
2,336 g/cm³ 1415°C 2.680°C
Schmelzwärme: 1.800 J/g Normalpotential: - 0,857 V El. Leitfähigkeit: Halbleiter
An Luft Korrosionsbeständigkeit durch Bildung von Oberflächen-Oxidschicht (Passivierung).
Silicium bildet das Kernstück eines großen Teils der modernen Technologie ... (Beton, Ton, Keramik, Silicate, Gläser, Glasuren, Silicon-Polymere, Halbleiter).
Silicium (Si) - Geschichtliche Daten Silicium (lat. Ursprung): silex, silicis (Kiesel): Verweis auf einfache Werkzeuge aus dem Paläolithikum (vor ca. 500.000 a) und Neolithikum (vor ca. 20.000 a).
J. J. Berzelius (1779 - 1848)
1771
C.W. Scheele: Darstellung von SiF4 durch Lösen von SiO2 in Fluorwasserstoffsäure.
1823
J.J. Berzelius: Si aus Reduktion von K2SiF6 mit geschmolzenem K.
1823
J.J. Berzelius: Darstellung von SiCl4.
1831
T. Thomson: Vorschlag des engl. Namens "silicon" zur Hervorhebung der Ähnlichkeit des Elements mit Bor ("boron") und Kohlenstoff ("carbon").
1857 1858
F. Wöhler: Synthese von SiHCl3 und F. Wöhler: Synthese von SiCl4.
1863
C. Friedel und J.M. Crafts: Synthese von SiEt4.
1940
E.G. Rochow: Synthese von Methylchlorsilanen (Begründer der modernen Silicon-Chemie).
Elektrische Eigenschaften von Reinst-Silicium Halbleiter
Silicium (Si) Produktionszahlen Welt [t/a]
Metallurgisches Silicium:
1985: 1995: Schätzung: 2005:
Polykristallines Silicium ("Polysilicium"):
ca. 490.000 ca. 790.000 1.300.000
1995:
ca. 10.000
METALLURGISCHES SILICIUM: Legierungsbestandteil für Aluminium, Einsatzstoff für Silane, Silicone, pyrogene Kieselsäuren und polykristallines Reinst-Silicium.
REINST-SILICIUM-PRODUKTE:
Bildquelle: VCI Foliensatz "Chemie - Grundlagen der Mikroelektronik"
1 2 3 4 5
Polysiliciumstücke Si-Einkristall Si-Scheiben, poliert Si-Scheiben in Verpackung Halbleiter-Bauelemente
Silicium (Si) - Vorkommen (Auswahl) SILICIUMDIOXID:
Seesand, Kieselstein, Quarz, Bergkristall, Amethyst, ... Gemengebestandteil von Granit, Gneis, Sandstein, Quarzsand, ... Kieselgur oder Infusorienerde.
SILICATE:
Olivin Zirkon Spodumen
(Mg, Fe)2[SiO4] Zr[SiO4] LiAl[SiO3]2
FELDSPÄTE:
Kalifeldspat (Orthoklas) Natronfeldspat (Albit) Kalkfeldspat (Anorthit)
K[AlSi3O8] Na[AlSi3O8] Ca[Al2Si2O8]
GLIMMER:
Kaliglimmer (Muskovit) Magnesiaglimmer (Biotit) Lithionglimmer (Lepidolith)
TONE:
Talk Pyrophyllit Kaolinit
Montmorillonit
KAl2(OH,F)2[AlSi3O10] K(Mg,FeII)3(OH,F)2[AlSi3O10] (K,Li)Al2(OH,F)2[AlSi3O10] Mg3(OH)2[Si2O5]2 Al2(OH)2[Si2O5]2 Al2(OH)4[Si2O5] oder "Al2O3·2 SiO2·2 H2O" Na0,33{(Al1,67Mg0,33)(OH)2[Si4O10]} oder "Al2O3·4 SiO2· H2O"
Herstellung von Silicium und Weiterverarbeitung zu Reinst-Silicium für Halbleiter
Halbleiter-Technologie Vom Roh-Silicium zum Reinst-Silicium Stufe 1
Stufe 2
Stufe 3
Stufe 4
ROH - SILICIUM ca. 99 % TRICHLORSILAN (TCS) (Synthese und Destillation)
POLYKRISTALLINES REINST - SILICIUM (99,999 999 9 %)
SILICIUM EINKRISTALLE
SiO2 + 2 C
Si + 3 HCl
1.800°C
300°C
4 SiHCl3 + 2 H2
1.100°C
1.000 kg
Si + 2 CO DH2100K = + 695 kJ SiHCl3 + H2 DH298K = - 218 kJ
3 Si + SiCl4 + 8 HCl 155 kg + 314 kg
DH1400K = + 964 kJ
"Grenzreaktion": 4 SiHCl3
Si + 3 SiCl4 + 2 H2
1.000 kg
52 kg + 941 kg
Herstellung von metallurgischem Silicium Reduktion von Quarz mit Kohlenstoff Rohstoff ist Quarz (Felsquarz oder Kieselquarz) hoher Reinheit (> 99 % SiO2) in Mischung mit verschiedenen Kohlesorten, Koksarten, Holzkohle und Holzschnitzel. Der Verbrauch an elektr. Energie ist sehr hoch: 14 kWh / kg Si. Produktionsmenge: 800.000 t/a (1996) Quelle: VCI Foliensatz "Chemie - Grundlagen der Mikroelektronik"
Typische Analysendaten von Roh-Silicium Si
ca. 99 Gew.-% Mn
20 - 150
ppmw
Fe
0,20 - 0,40
Gew.-% O
20 -
60
ppmw
Al
0,15 - 0,25
Gew.-% S
20 -
60
ppmw
Mg
0,02 - 0,15
Gew.-% P
20 -
60
ppmw
Ca
0,01 - 0,1
Gew.-% V
20 -
40
ppmw
C
0,015 - 0,04
Gew.-% Cr
5 -
50
ppmw
Ti
0,002 - 0,004 Gew.-% Ni
5 -
50
ppmw
B
30
ppmw
Cu
20
ppmw
Zn
20
ppmw
Sn
5
ppmw
Pb
5
ppmw
Vom Roh-Silicium zum Reinst-Silicium Herstellung von Trichlorsilan (TCS) Reaktionsgleichungen: Si + 3 HCl
300°C
SiHCl3 + H2
Trichlorsilan (z. Flüssigkeit kondensierb.)
Nebenreaktion (ca. 10 %): Si + 4 HCl
300°C
SiCl4 + 2 H2
Trockenes Chlorwasserstoff-Gas
Fein gemahl. Roh-SiliciumPulver ( 0,1 mm)
Reinstsilicium Herstellung
Vom Roh-Silicium zum Reinst-Silicium Trichlorsilan(TCS)-Anlage mit Produktdestillation TCS (Kp: 32°C) wird durch wiederholte Destillation von anderen Silanverbindungen (SiH2Cl2, SiCl4) und den Verunreinigungen des Roh-Siliciums befreit. Das hochgereinigte TCS ist Rohstoff für Produktion von polykristallinem ReinstSilicium ("Polysilicium").
Quelle: VCI Foliensatz "Chemie - Grundlagen der Mikroelektronik"
Vom Roh-Silicium zum Reinst-Silicium Abscheidung von polykristallinem Reinst-Silicium Reinst-Silicium-Herstellung durch Umsetzung v. Trichlorsilan mit Wasserstoff an elektrisch beheizten Siliciumstäben; das gebildete Silicium scheidet sich polykristallin auf den Si-Stäben ab.
Quelle: VCI Foliensatz "Chemie - Grundlagen der Mikroelektronik"
Vom Roh-Silicium zum Reinst-Silicium Einkristall-Herstellung mit Tiegelziehverfahren Beim Tiegelziehverfahren nach Czochralski wird Polysilicium nach Zugabe von Dotierstoff(en) in einem Quarz-Tiegel geschmolzen (Fp: 1415°C). In die Schmelze wird ein dünner Impfkristall mit vorgegeb. Orientierung eingetaucht und langsam herausgezogen. An dem (langsam rotierenden) Impfkristall erstarrt die Schmelze zu einem Einkristall (Bilder 3 bis 6). Auf diese Weise lassen sich Si-Einkristalle mit Gewichten von mehr als 100 kg bei Durchmessern von 20 cm (und darüber) herstellen. Quelle: VCI Foliensatz "Chemie - Grundlagen der Mikroelektronik"
Vom Roh-Silicium zum Reinst-Silicium Einkristall-Herstellung durch Zonenziehen Beim Zonenziehverfahren wird ein Polysiliciumstab am unteren Ende induktiv geschmolzen. Nach dem Anschmelzen eines Impfkristalls wird der Si-Stab langsam gesenkt und die Schmelzzone vom Impfkristall weg nach oben verschoben. Unterhalb der Schmelzzone erstarrt der Si-Stab in der durch den Impfkristall vorgegebenen Orientierung als Einkristall. Durch Zonenziehen werden Einkristalle von 15 cm Durchmesser und 40 kg Gewicht hergestellt.
Quelle: VCI Foliensatz "Chemie - Grundlagen der Mikroelektronik"
Weiterverarbeitung von Reinstsilicium-Einkristallen zum IC-Bauelement.
Vom Silicium-Einkristall zum IC-Bauelement Schneiden von (monokristallinen) Siliciumscheiben Für die Herstellung von Halbleiterbauelelementen werden Si-Scheiben benötigt. Diese werden von den stabförmigen Si-Einkristallen mit Hilfe einer Innenloch-Diamantsäge abgetrennt. Es kommt dabei darauf an, möglichst präzise und materialsparend zu schneiden.
Quelle: VCI Foliensatz "Chemie - Grundlagen der Mikroelektronik"
Vom Silicium-Einkristall zum IC-Bauelement Bearbeitung der Siliciumscheiben-Oberfläche Nach dem Schneiden werden die Si-Scheiben geläppt, d.h. zwischen parallelen, gegeneinander rotierenden Stahlplatten geschliffen (mit Schleifmittel).
Nach Abätzen der Oberflächenschicht (Laugen oder HNO3/HF) zur Entfernung der durch die mechanische Bearbeitung verursachten Kristallstörungen werden die Si-Scheiben einseitig sehr sorgfältig und vorsichtig poliert. Quelle: VCI Foliensatz "Chemie - Grundlagen der Mikroelektronik"
Vom Silicium-Einkristall zum IC-Bauelement Wafer mit integrierten Schaltkreisen (IC's) Die polierte einkristalline Si-Scheibe wird anschließend zu Chips weiterverarbeitet. Je nach Wafer- u. Chipgröße können bis zu mehreren hundert integrierten Schaltkreisen/ IC's aus einer SiScheibe gefertigt werden.
Quelle: VCI Foliensatz "Chemie - Grundlagen der Mikroelektronik"
Vom Silicium-Einkristall zum IC-Bauelement Prozeß-Schritte der IC-Technologie
Quelle: VCI Foliensatz "Chemie - Grundlagen der Mikroelektronik"
