IV/11: Vom Quarzkies zum Mikrochip

Bruchstück Rohsilizium, übergeben an die Lagerstättensammlung der BGR von der Siltronic AG in Freiburg

Was auf den ersten Blick wie ein Brocken Graphit aussieht, ist ein Bruchstück von künstlich angereichertem Silizium (Rohsilizium), welches uns von der Siltronic AG in Freiberg als Belegexemplar für unsere Lagerstättensammlung übergeben wurde. Silizium (Si) ist mit einer Häufigkeit von 27,5 % nach Sauerstoff (O₂) das zweithäufigste Element der Erdkruste. In der Natur tritt es allerdings fast nur in Verbindung mit anderen Elementen auf, zum Beispiel mit Sauerstoff als Quarz (SiO₂). Deshalb steht hochreiner Quarzkies auch am Anfang des Weges zum reinen Silizium, das als Rohstoff unverzichtbar ist für die

• Herstellung von Solarsilizium zur Produktion von Mikrochips und Solarzellen
• Herstellung von Siliconen für Form- und Dichtungsmaterialien, Lacke und Farben
• Veredlung von Aluminium (Legierung).

Quarzkies und Quarzsand wird in mehreren Regionen Deutschlands abgebaut, wobei die Siltronic AG ihren Bedarf vor allem aus der Region um Burghausen in Ostbayern bezieht.

Die Herstellung von reinem Silizium beginnt mit dem Erhitzen eines Gemischs aus Quarzkies, Holz und Kohle in einem elektrischen Lichtbogenofen. In mehreren chemischen Reaktionen wird dem Quarz Sauerstoff entzogen. Über eine gasförmige Zwischenphase entsteht das harte und sehr spröde dunkelgraue Rohsilizium mit einer Reinheit von 98-99 %.

Für die Herstellung von Solarzellen und Mikrochips reicht dies aber noch nicht aus. In weiteren chemischen Verfahren wird die Reinheit des Rohsiliziums auf nahezu 100 % gebracht, das heißt auf 10 Milliarden Siliziumatome kommt dann nur noch ein Fremdatom. Zudem ist es dringend nötig, dass die einzelnen Atome ein Kristallgitter mit gleichmäßigen Abständen und Winkeln bilden, den sogenannten Siliziumeinkristall.

Siliziumeinkristall (Ingot) von etwa 2 m Länge, 30 cm Durchmesser und 265 kg Masse Quelle: Evers et al. 2003

Heute ist es möglich, solche Einkristalle in Form von zylinderförmigen Stäben - Ingots genannt - wachsen zu lassen. Bei der Firma Siltronic in Freiberg werden Einkristallstäbe hergestellt, die bis zu 2 m lang sind, einen Durchmesser von 30 cm und ein Gewicht von 265 kg besitzen. Anschließend werden die Stäbe mit technisch großem Aufwand in dünne Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten, welche die Grundlage für unsere Solarzellen und Mikrochips bilden.

Quellen:

Evers et al. 2003: Czochralskis schöpferischer Fehlgriff: ein Meilenstein auf dem Weg in die Gigabit-Ära; Angewandte Chemie, Vol. 115 (46), p. 5862-5877.

Wacker Polysilicon 2011: 50 Jahre Wacker Polysilicium, p. 1-21.

Eintrag zur Herstellung von Rohsilizium der Firma Euroquarz, abgerufen am 04.09.2011.

Text: Ulrike Gruhl und Angela Ehling

Übrigens: Die BGR unterhält Sammlungen in Berlin und Hannover, hier in Zusammenarbeit mit dem Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG). Sie gehören zu den großen geowissenschaftlichen Sammlungen in Deutschland.

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