Silizium ist das zweithäufigste Element der Erde und spielt eine tragende Rolle in der Halbleiterindustrie.
Wien. Sie sind überall. Auf der Bankomatkarte, im Handy, im PC, im Auto, in der Waschmaschine: Ohne Mikrochips wäre der moderne Mensch ziemlich aufgeschmissen. So komplex die winzigen Plättchen auch aufgebaut sind, ihr Rohstoff ist - ganz vereinfacht gesagt - Sand. Konkret Quarzsand, der das für die Mikrochip-Produktion benötigte Silizium in Form von Siliziumdioxid enthält.
"Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erde, unsere Erdkruste besteht zu 25 Prozent aus Silizium", weiß Günter Schagerl, Senior Director Frontend Technology bei der Infineon Technologies Austria AG. Physikalisch gesehen gehört Silizium zu den Halbleitern. Das sind Stoffe, die sowohl Eigenschaften von Isolatoren, die keine elektrischen Ströme leiten (etwa Glas und Keramik), als auch von Leitern (Metallen) besitzen.
Bis aus Siliziumdioxid ein Mikrochip entsteht, ist es ein langer Weg. Der Sand wird zunächst in chemischen, sehr aufwendigen Prozessen gereinigt, bis fast 100 Prozent reines Silizium in Form von Klumpen übrig bleibt. Diese "nuggets" werden eingeschmolzen, aus der Schmelze werden dicke Stäbe gezogen. Die Stäbe werden mit technisch großem Aufwand in dünne Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten. Es folgen viele weitere Veredelungsschritte. Die Wafer werden poliert und beschichtet, um die perfekte Oberfläche zu erhalten.
Um ein Vielfachesdünner als ein Haar
"Aus einer Tonne Sand kann man rund 5000 Stück 200-Millimeter-Wafer - das sind Siliziumscheiben mit einem Durchmesser von 200 Millimetern - herstellen", so Schagerl. Infineon stellt wie andere Halbleiterproduzenten Silizium-Rohscheiben nicht selbst her, sondern bezieht sie von unterschiedlichen Lieferanten weltweit, die darauf spezialisiert sind.
Die Wafer fungieren als Träger- und Ausgangsmaterial für Mikrochips. Schagerl erklärt: "Durch das Aufbringen und Strukturieren von mehreren isolierenden und leitenden dünnen Schichten werden in vielen hundert Prozessschritten Transistoren hergestellt und verbunden, die dann die Mikrochips bilden. Auf einem Wafer können sich nach dem Fertigungsprozess - je nach Art und Größe der Bauteile - bis zu rund 200.000 Chips befinden. Diese werden am Ende des Fertigungsprozesses durch Sägen voneinander getrennt." Bei Infineon Austria wurden 2017 rund 14,3 Milliarden Chips hergestellt.
Je dünner die Chips sind, desto effizienter. "Unsere dünnsten Chips werden aktuell auf 40 Mikrometern (0,04 Millimeter) Silizium gedünnt, was um ein Vielfaches dünner als ein menschliches Haar ist", so der Experte.
Silizium ist nicht der einzige Rohstoff, aus dem Mikrochips hergestellt werden können. Grundsätzlich können alle Halbleitermaterialien wie Germanium oder Verbindungshalbleiter wie Galliumnitrid, Galliumarsenid, Siliziumkarbid, etc. verwendet werden. "Infineon Austria arbeitet als das Kompetenzzentrum für neue Halbleitermaterialien im Infineon-Konzern bereits an der nächsten Generation von Chips mit den neuen Trägermaterialien Siliziumkarbid und Galliumnitrid", sagt Schagerl. Die allermeisten Mikrochips, mehr als 95 Prozent, basieren allerdings auf Silizium.
Mikrochips sind nicht die einzige Anwendung von Halbleitern. Aus Silizium werden zum Beispiel auch Solarzellen und optische Bauelemente wie LEDs und Laser erzeugt, darüber hinaus MEMS (Mikro-elektromechanische Systeme) für Sensoren wie Mikrofone oder Drucksensoren mithilfe der Mikro- und Nanotechnologie.
Know-howaus dem "Silizium-Tal"
Silizium heißt auf Englisch übrigens "silicon". Daher rührt auch der Name "Silicon Valley" für jenen berühmten Forschungs- und Industriekomplex an der US-Westküste, in dem über tausend IT-Unternehmen werken. Gründungsmythen gibt es viele, als inoffizieller Vater des "Silizium-Tals" gilt Physiker William Shockley. Er gründete 1956 eine Silizium-Halbleiterfabrik nahe Palo Alto. Dort befindet sich noch heute die Garage, in der Bill Hewlett und Dave Packard den Grundstein für die Erfolgsstory von Hewlett-Packard (HP) legten.