Vom Quarzsand zum Reinst-Silicium für Si-Wafer

Vorkommen von Silizium

An der von Wasserstoff und Helium dominierten sichtbaren Materie im  Universum bildet Silizium weniger als 0,1 % der Gesamtmasse. Si entsteht
hauptsächlich im Inneren massereicher Sterne bei Temperaturen oberhalb 109 K aus der Fusion zweier Sauerstoff-Kerne (2 16O -> 28Si + 4 He).
In der gesamten Erdkugel ist Silizium mit ca. 17 % das nach Eisen und  Sauerstoff dritthäufigste Element, dicht gefolgt von Magnesium. Im vorwiegend aus Eisen bestehenden Erdkern steht Silizium mit ca. 7 % an zweiter Stelle.
Die ca. 40 km dicke Erdkruste enthält als nach Sauerstoff zweithäufigstes Element etwa 28 % Silizium in Form silikatischer Minerale oder als SiO2 (z. B. Quarz). Diese Verbindung stellt den Rohstoff zur Gewinnung von Silizium dar.

Herstellung von Roh-Silizium

Quarzsand (SiO2) wird in Lichtbogenöfen bei ca. 2000°C mit Kohlenstoff zu Rohsilizium (Reinheit ca. 98 %) reduziert. Der größte Teil der Weltproduktion (2008: ca. 6 Mio. Tonnen) findet als Legierungsbestandteil und Desoxidant für Stähle sowie als Ausgangsstoff zur Herstellung von Silikonen Verwendung.
Für die Herstellung von Si Wafern wurden in 2010 knapp 200.000 Tonnen Roh-Silizium zu Reinst-Silizium aufbereitet, wovon ca. 90 % zur Herstellung von Si Solarzellen dienten. Der Rest diente zur Herstellung von Si-Wafern für
den Halbleiter-Sektor verwendet was einer Wafer-Fläche von ca. 5 km2 entspricht.

Aufbereitung zu Reinst-Silizium

Für die Herstellung von Kristallen als Material für Silizium-Wafer ist die Konzentration von Verunreinigungen im Roh-Silizium sowohl für einen Einsatz in Solarzellen als auch in der Mikroelektronik noch um viele Größenordnungen zu hoch.
Das für die Wafer-Herstellung angedachte Rohsilizium wird bei ca. 300°C mit HCl in das ab 32°C gasförmige Trichlorsilan (HSiCl3) über Si + 3 HCl -> HSiCl3 + H2 umgewandelt, wobei bereits viele Verunreinigungen wie z. B. Eisen abtrennt werden, welche keine bei diesen Temperaturen flüchtigen Chlor-Verbindungen bilden.

Das mit anderen Chlorverbindungen verunreinigte Trichlorsilan wird durch mehrfache Destillation auf einen Reinheitsgrad bis 99,9999999 % („9N“) gebracht und anschließend thermisch zu polykristallinem Silizium zersetzt.
Dies geschieht im sogenannten Siemens-Prozess (Abb. rechts): Dabei wird das hochreine Trichlorsilan zusammen mit Wasserstoff an einem auf ca. 1100°C erhitzten Si-Stab („Silizium-Seele“) via HSiCl3 + H2 -> Si + 3 HCl zu polykristallinem Silizium und HCl zersetzt, was der Umkehrreaktion der Trichlorsilan-Bildung entspricht.
Aus diesem „electronic-grade“ (Fremdatomkonzentration < 1014 cm-3 ) Poly-Silizium können über verschiedene, im folgenden Kapitel beschriebene, Verfahren Einkristalle als Ausgangsmaterial für Si-Wafer hergestellt werden.

Die Häufigkeit (in Massen-%) von Silizium im gesamten Universum, der Erdkugel, der Erdkruste und dem Erdkern.
Reduktion von SiO2 mit Kohlenstoff zu Rohsilizium im Lichtbogenofen.
Umwandlung von Trichlorsilan zu polykristallinem Silizium an erhitzten Si-Stäben im sog. Siemens-Prozess.

Unsere Wafer-Broschüre

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