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Silizium: Ein Element präsentiert sich überraschend vielseitig |
| 20.04.2016 10:16:51 |
Die Erde ist voll von Elementen, die in verschiedenen Bereichen vorkommen und vielfältig genutzt werden können. Eines der vielseitigsten Elemente überhaupt ist Silizium. Es ist ein Halbmetall, das in der Erdkruste vorkommt und in den verschiedensten Bereichen Verarbeitung findet. Ein Alleskönner stellt sich vor:
Silizium ist ein Bestandteil der Erdkruste – neben Sauerstoff sogar der größte Bestandteil. Mehr als 25 Prozent der Erdkruste bestehen aus Silizium. Ein so hohes Vorkommen konnte bei keinem anderen bekannten Element nachgewiesen werden. Silizium geht häufig eine Verbindung mit anderen Elementen ein. Besonders häufig ist eine Kombination aus Silizium und Sauerstoff zum so genannten Siliziumdioxid, das als Quarz bekannt ist. Ob in Reinform oder in Verbindung mit anderen Elementen, Silizium ist ein besonders vielseitiger Stoff, der in den unterschiedlichsten Bereichen zur Verarbeitung herangezogen wird. Besonders häufig ist Silizium in diesen Werkstoffen und Zwischenprodukten zu finden:
- Glas
- Porzellan
- Silikon
- Halbleiter
- Transistoren
- Computerchips
- Solarzellen
Die Bandbreite, die Silizium als Werkstoff damit einnimmt, ist enorm und vor allem im Hinblick auf die Verwendung im Bereich der Computer- und Umwelttechnologie äußerst zukunftsweisend. In den meisten Fällen wird Quarz, also die Verbindung aus Silizium und Sauerstoff, weiterverarbeitet. Da Siliziumdioxid aber eine besonders harte Konsistenz hat, ist die Weiterverarbeitung gar nicht so einfach. In der Industrie wurden deshalb Fertigungstechniken entwickelt, die speziell auf die Be- und Verarbeitung von Silizium und Siliziumverbindungen ausgerichtet sind.
Ein interessanter Blick hinter die Kulissen der Siliziumbearbeitung:
1. Siliziumgewinnung
Wie bereits erwähnt wurde, ist Silizium in der Erdkruste besonders reichhaltig vorhanden. Die häufigste Form ist grobkörniger Quarzsand. In Form von Bergkristall werden auch größere zusammenhängende Brocken aus Siliziumdioxid gewonnen. Diese Vorkommen bestehen zunächst aus Quarz, also Silizium in Verbindung mit Sauerstoff. Vor allem im Bereich der Halbleiter, Transistoren, Computerchips und Solarzellen wird Rohsilizium oder sogar Reinstsilizium für die Weiterverarbeitung benötigt. Eine Trennung des Siliziums vom Sauerstoff ist deshalb erforderlich, bevor es an die Weiterverarbeitung gehen kann.
2. Gewinnung von Rohsilizium
Die Trennung des Siliziums vom Sauerstoff erfolgt über eine Oxidation, ähnlich der in einem Hochofen. Dazu wird dem Quarz Kohlenstoff hinzugefügt. Unter enormen Temperaturen von ungefähr 1.800 °C oxidiert der Kohlenstoff und trennt dadurch den Sauerstoff vom Silizium ab. Das Ergebnis ist Silizium mit einem Reinheitsgehalt von bis zu 99 %.
3. Gewinnung von Reinstsilizium
Im Bereich der Computer- und Solartechnologie ist ein Reinheitsgehalt von 99 % meist nicht ausreichend. Deshalb wird das Rohsilizium noch einmal bearbeitet, um einen noch höheren Reinheitsgehalt von mehr als 99,9 % zu erreichen. Die nachfolgenden Schritte zeigen das Reinigungsverfahren in stark vereinfachter Form:
Für die weitere Reinigung wird dem Silizium Chlorwasserstoffgas hinzugefügt. Das Gemisch wird kondensiert, damit der Wasserstoff wieder abgetrennt werden kann. Durch Destillation werden die Reststoffe gereinigt. Polykristallines Reinstsilizium ist das Ergebnis des Reinigungsvorganges. Es setzt sich an u-förmigen Stäben ab und kann anschließend für die Weiterverarbeitung entnommen werden.
4. Silizium schneiden und sägen
Da Silizium ein extrem hartes Material ist, sind für die Be- und Weiterverarbeitung spezielle Techniken und Hilfsmittel erforderlich. Besonders häufig finden Diamantdrahtsägen und Bandsägen Verwendung. Eine gebräuchliche Methode ist auch das Schneiden und Sägen von Silizium mittels eines Wasserstrahlschneiders. Werden besonders präzise Zuschnitte benötigt, liefert einen Innenlochsäge kristallographisch genaue Ergebnisse, die vor allem im Bereich der Computer- und Solartechnologie unverzichtbar sind. Mit einer Innenlochsäge können auch kleinste Siliziumpartikel konturgenau ausgeschnitten und damit für die Weiterverarbeitung in technischen Bereichen vorbereitet werden. Außerdem produzieren Innenlochsägen einen sehr geringen Schnittverlust, der vor allem bei der Verarbeitung von Reinstsilizium mit hohen Kosten verbunden ist.
5. Silizium schleifen
Für die Weiterverarbeitung wird Silizium in den meisten Fällen nach dem Sägen und Schneiden geschliffen. Dadurch können Siliziumpartikel besonders flach geschliffen werden. Auch das Rundschleifen von Kanten oder die Anpassung von Kristallen und Keimen an eine ebenmäßige Schleiffläche ist in diesem Arbeitsschritt möglich. Moderne Schleifmaschinen sind außerdem in der Lage, aus dem vorgeschnittenen oder vorgesägten Material bestimmte Formen herauszuschleifen. Besonders häufig werden Keile oder Prismen für die Weiterverarbeitung vorbereitet.
Eine so genaue Vorbereitung erfolgt mithilfe von speziellen Schleifmaschinen. Rundschleifmaschinen und die CNC Drehbank gehören zu den modernsten Geräten im Bereich der Siliziumbearbeitung. Für besonders flache und glatte Ergebnisse werden die Siliziumstücke meist mit einer Flachschleifmaschine behandelt.
6. Der letzte Schliff: Silizium polieren
Damit das bearbeitete Silizium für die Verarbeitung in Computerchips geeignet ist, muss es eine besonders feine Oberfläche besitzen. Deshalb folgt auf das Schleifen meist noch das Polieren des vorbereiteten Materials. Beim Polieren werden die Oberflächen des Siliziums noch einmal ebener gemacht. Dabei lässt sich eine besonders hohe Dichte erreichen und auch die Gesamtdicke des Materials kann noch einmal leicht angeglichen werden. Kleinere Unebenheiten im Bereich der Kanten werden ebenfalls ausgeglichen. Das Polieren ist damit der wichtige letzte Schritt zur Vorbereitung eines Zwischenproduktes oberster Güte, das in hochsensiblen technischen Einsatzbereichen genutzt werden kann.
Das Polieren erfolgt in technisch hochspezialisierten Maschinen, die mithilfe von unterschiedlichen Poliertüchern und Diamantpoliermitteln speziell für die Bearbeitung von Roh- und Reinstsilizium entwickelt wurden.
Silizium durchläuft bis zur Weiterverarbeitung zum Endprodukt bereits zahlreiche Bearbeitungsschritte. Nicht immer sind alle Vorarbeiten notwendig, damit das Silizium zur Weiterverarbeitung geeignet ist. Den außergewöhnlichen Reinheitsgehalt von über 99,9 %, den das Reinstsilizium aufweist, benötigen nur Endprodukte aus der Computerbranche. Soll das Silizium in Computerchips verbaut werden, ist der Reinheitsgehalt von enormer Wichtigkeit.
Im Bereich der Solarzellen, der Halbleiter und Transistoren reicht auch bereits der vorhergehende Schritt der Reinigung zum Rohsilizium aus. Ist dem Quarz der Sauerstoff entzogen worden, kann das daraus entstehende Produkt in den meisten Fällen bereits zurechtgeschnitten werden. Verunreinigungen im Rohsilizium sind vielfach sogar erwünscht, da die Leitfähigkeit des Materials so noch erhöht wird. Wird Rohsilizium in Halbleitern und Transistoren verbaut, kann außerdem die Weiterleitung des Stroms über verschiedene Formen der Verunreinigung bewusst gesteuert werden.
Auch für die Verarbeitung in Solarzellen reicht in den meisten Fällen die Reinigung zum Rohsilizium aus. Solarzellen beinhalten gleich zwei Siliziumschichten, die meist eine etwas unterschiedliche Form der Verunreinigung aufweisen. Aufgrund der immer größeren Verbreitung von Solartechnologie ist das für diesen Bereich aufbereitete Silizium besonders begehrt und häufig übersteigt die Nachfrage sogar die Kapazitäten der Produktionsstätten.
Die Vielseitigkeit des Siliziums macht dieses Halbmetall zu einem enorm wichtigen Werkstoff der modernen Industrie. Dank hochentwickelter Verarbeitungsmöglichkeiten werden die Einsatzmöglichkeiten von Silizium immer umfangreicher und vor allem im Bereich der Halbleiter- und Solartechnologie konnte Silizium als Werkstoff bisher durch kein anderes Element ersetzt werden. Mehr zum Thema
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