Silicium (Si) He Li. Ne Na. Ar K Rb. Ni Pd. Fe Ru. Kr Xe Cs. Cu Ag. Co Rh. Rn Fr
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1 Silicium (Si)
2 Silicium (Si) H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Rb Ca Sr Sc Y Ti Zr V Cr Mn Nb Mo Tc Fe Ru Co Rh Ni Pd Cu Ag Zn Cd Ga In Ge Sn As Sb Se Te Br I Kr Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac 28, Si Silicium Dichte (20 C): 2,336 g/cm³ Schmelzwärme: J/g Fp: 1415 C Normalpotential: - 0,857 V Kp: C 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).
3 Silicium (Si) - Geschichtliche Daten Silicium (lat. Ursprung): silex, silicis (Kiesel): Verweis auf einfache Werkzeuge aus dem Paläolithikum (vor ca a) und Neolithikum (vor ca a). J. J. Berzelius ( ) 1771 C.W. Scheele: Darstellung von SiF 4 durch Lösen von SiO 2 in Fluorwasserstoffsäure J.J. Berzelius: Si aus Reduktion von K 2 SiF 6 mit geschmolzenem K J.J. Berzelius: Darstellung von SiCl T. Thomson: Vorschlag des engl. Namens "silicon" zur Hervorhebung der Ähnlichkeit des Elements mit Bor ("boron") und Kohlenstoff ("carbon") F. Wöhler: Synthese von SiHCl 3 und 1858 F. Wöhler: Synthese von SiCl C. Friedel und J.M. Crafts: Synthese von SiEt E.G. Rochow: Synthese von Methylchlorsilanen (Begründer der modernen Silicon-Chemie).
4 Elektrische Eigenschaften von Reinst-Silicium - Halbleiter
5 Produktionszahlen Welt [t/a] Silicium (Si) Metallurgisches Silicium: Polykristallines Silicium 1985: ca ("Polysilicium"): 1995: ca : ca Schätzung: 2005: METALLURGISCHES SILICIUM: Legierungsbestandteil für Aluminium, Einsatzstoff für Silane, Silicone, pyrogene Kieselsäuren und polykristallines Reinst-Silicium. Bildquelle: VCI Foliensatz "Chemie - Grundlagen der Mikroelektronik" REINST-SILICIUM-PRODUKTE: 1 Polysiliciumstücke 2 Si-Einkristall 3 Si-Scheiben, poliert 4 Si-Scheiben in Verpackung 5 Halbleiter-Bauelemente
6 Silicium (Si) - Vorkommen (Auswahl) SILICIUMDIOXID: Seesand, Kieselstein, Quarz, Bergkristall, Amethyst,... Gemengebestandteil von Granit, Gneis, Sandstein, Quarzsand,... Kieselgur oder Infusorienerde. SILICATE: Olivin (Mg, Fe) 2 [SiO 4 ] Zirkon Zr[SiO 4 ] Spodumen LiAl[SiO 3 ] 2 FELDSPÄTE: Kalifeldspat (Orthoklas) K[AlSi 3 O 8 ] Natronfeldspat (Albit) Na[AlSi 3 O 8 ] Kalkfeldspat (Anorthit) Ca[Al 2 Si 2 O 8 ] GLIMMER: Kaliglimmer (Muskovit) KAl 2 (OH,F) 2 [AlSi 3 O 10 ] Magnesiaglimmer (Biotit) K(Mg,Fe II ) 3 (OH,F) 2 [AlSi 3 O 10 ] Lithionglimmer (Lepidolith) (K,Li)Al 2 (OH,F) 2 [AlSi 3 O 10 ] TONE: Talk Mg 3 (OH) 2 [Si 2 O 5 ] 2 Pyrophyllit Al 2 (OH) 2 [Si 2 O 5 ] 2 Kaolinit Al 2 (OH) 4 [Si 2 O 5 ] oder "Al 2 O 3 2 SiO 2 2 H 2 O" Montmorillonit Na 0,33 {(Al 1,67 Mg 0,33 )(OH) 2 [Si 4 O 10 ]} oder "Al 2 O 3 4 SiO 2 H 2 O"
7 Herstellung von Silicium und Weiterverarbeitung zu Reinst-Silicium für Halbleiter
8 Halbleiter-Technologie - Vom Roh-Silicium zum Reinst-Silicium Stufe 1 ROH - SILICIUM ca. 99 % SiO C C Si + 2 CO DH 2100K = kj Stufe 2 TRICHLORSILAN (TCS) (Synthese und Destillation) 300 C Si + 3 HCl SiHCl 3 + H 2 DH 298K = kj Stufe 3 Stufe 4 POLYKRISTALLINES REINST - SILICIUM (99, %) SILICIUM - EINKRISTALLE 4 SiHCl H 2 3 Si + SiCl HCl kg 155 kg kg "Grenzreaktion": C DH 1400K = kj 4 SiHCl 3 Si + 3 SiCl H kg 52 kg kg
9 Herstellung von metallurgischem Silicium - Reduktion von Quarz mit Kohlenstoff Rohstoff ist Quarz (Felsquarz oder Kieselquarz) hoher Reinheit (> 99 % SiO 2 ) in Mischung mit verschiedenen Kohlesorten, Koksarten, Holzkohle und Holzschnitzel. Der Verbrauch an elektr. Energie ist sehr hoch: 14 kwh / kg Si. Produktionsmenge: t/a (1996) Quelle: VCI Foliensatz "Chemie - Grundlagen der Mikroelektronik"
10 Typische Analysendaten von Roh-Silicium Si ca. 99 Gew.-% Mn ppmw Fe 0,20-0,40 Gew.-% O ppmw Al 0,15-0,25 Gew.-% S ppmw Mg 0,02-0,15 Gew.-% P ppmw Ca 0,01-0,1 Gew.-% V 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
11 Vom Roh-Silicium zum Reinst-Silicium - Herstellung von Trichlorsilan (TCS) Reaktionsgleichungen: 300 C Si + 3 HCl SiHCl 3 + H 2 Nebenreaktion (ca. 10 %): 300 C Si + 4 HCl SiCl H 2 Trichlorsilan (z. Flüssigkeit kondensierb.) Trockenes Chlorwasserstoff-Gas Fein gemahl. Roh-Silicium- Pulver ( 0,1 mm)
12 Reinstsilicium - Herstellung
13 Vom Roh-Silicium zum Reinst-Silicium - Trichlorsilan(TCS)-Anlage mit Produktdestillation TCS (Kp: 32 C) wird durch wiederholte Destillation von anderen Silanverbindungen (SiH 2 Cl 2, SiCl 4 ) und den Verunreinigungen des Roh-Siliciums befreit. Das hochgereinigte TCS ist Rohstoff für Produktion von polykristallinem Reinst- Silicium ("Polysilicium"). Quelle: VCI Foliensatz "Chemie - Grundlagen der Mikroelektronik"
14 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"
15 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"
16 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"
17 Weiterverarbeitung von Reinstsilicium-Einkristallen zum IC-Bauelement.
18 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"
19 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 HNO 3 /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"
20 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"
21 Vom Silicium-Einkristall zum IC-Bauelement - Prozeß-Schritte der IC-Technologie Quelle: VCI Foliensatz "Chemie - Grundlagen der Mikroelektronik"
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