Perfekte Scheiben aus Silizium

Aus Quarzsand muss zunächst das Element gewonnen werden, das die Basis der meisten Mikrochips bildet: Silizium. Um das zunächst noch sehr verschmutzte Silizium zu reinigen, setzen es Techniker mit Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan um. Die klare Flüssigkeit lässt sich durch mehrfaches Destillieren gut reinigen. Das anschließend zurückgewonnene, viel sauberere Silizium ist bereit für den nächsten Schritt: Im so genannten Czochralski-Verfahren züchten Spezialisten daraus Kristalle: bis zu zwei Meter hoch, silberglänzend und von perfektem innerem Aufbau.

Spezielle Sägen schneiden diese Kristalle dann in hauchdünne Scheiben, die als so genannte Wafer die Grundlage für die Chips bilden. Zuvor müssen sie jedoch geglättet, und auf Hochglanz poliert werden. Auch hier kommen, etwa als Schleif- oder Reinigungsmittel, zahlreiche hochreine Chemikalien der BASF wie Salpeter-, Schwefel- oder Salzsäure zum Einsatz. Die fertigen Wafer sind runde Scheiben mit einem Durchmesser von bis zu dreißig Zentimetern. Ihre Oberfläche darf nur Unebenheiten von wenigen Nanometer Größe besitzen.

Mit einem Fotolithografie genannten Verfahren, werden Transistoren in die Wafer hineingeätzt. Hierzu tragen Spezialisten zuerst eine Lackschicht auf das Silizium auf, die sie mit Hilfe einer Maske belichten. An den belichteten Stellen lässt sich der Lack dann ablösen, und die darunter liegende Siliziumschicht wird angeätzt. Die Chiphersteller behandeln die angeätzten Stellen mit Chemikalien und wiederholen das Verfahren mehrfach, so dass sie die Transistoren Schicht für Schicht aufbauen.

Sämtliche Arbeitsschritte der Chipherstellung finden in peinlich sauber gehaltenen Reinräumen statt. Deren Einrichtung besteht vollständig aus Kunststoff, Filter entziehen hier der Frischluft auch das letzte Staubkorn. Jeder, der diese Räume betritt, muss eine komplette Schutzmontur, von den Handschuhen bis zur Gesichtsmaske, anlegen. „Da die fertigen Mikrochips keinerlei Verunreinigungen haben dürfen, müssen auch die genutzten Chemikalien besonders sauber sein“, erklärt Dr. Karl-Rudolf Kurtz, Leiter der Geschäftseinheit Electronic Materials der BASF. „Die BASF bietet zurzeit rund dreißig Chemikalien an, die den notwendigen Reinheitsgrad „electronic grade“ aufweisen.“ Um deren Reinheit vor der Auslieferung an die Chiphersteller zu überprüfen, werden Reinraumlabors unterhalten. „Hier können wir Spuren von Verunreinigungen nachweisen, die weniger als ein Mikrogramm pro Tonne Produkt ausmachen, das entspricht in etwa einer Nadel in 100.000 Heuhaufen. Der Nachweis solch winziger Konzentrationen ist nur mit modernsten spektrometrischen Methoden möglich.“

EPP 415

Die Perspektive

Im Jahr 1965 leitete Gordon Moore, Mitbegründer von Intel, aus Marktbeobachtungen ein Gesetz ab: Jedes Jahr, so seine These, würde sich die Zahl der Transistoren auf den modernsten Mikrochips verdoppeln. Im Großen und Ganzen hat dieses Gesetz bis heute seine Gültigkeit behalten, wobei die Transistoren immer kleiner wurden. Hält dieser Trend an, wird auch der Anspruch an die Qualität der eingesetzten Chemikalien weiter steigen.

Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element in der Erdkruste, wo es Bestandteil der meisten Minerale ist. Elementares Silizium ist ein Halbleiter, wodurch sich seine elektronischen Eigenschaften durch Einlagerung von Fremdatomen, das so genannte Dotieren, gezielt verändern lassen. Daher findet es eine weite Anwendung in der Mikroelektronik und in Solarzellen.

Czochralski-Verfahren heißt die Methode, mit der die großen Kristalle für die Chipindustrie hergestellt werden. Hierbei wird ein winziger, aber perfekt gebauter Kristall in eine Schmelze des gereinigten Siliziums getaucht, die nur wenig wärmer als ihre Schmelztemperatur ist. Zieht man den Kristall vorsichtig wieder aus der Schmelze, so bleiben Siliziumatome daran hängen. Die mitgezogenen Atome richten sich dabei genau an dem Aufbau des kleinen Impfkristalls aus. Dadurch entstehen ideal gebaute Einkristalle von bis zu zwei Meter Länge. Das Verfahren wurde nach dem polnischen Wissenschaftler Jan Czochralski benannt, der es 1916 entdeckte, als er versehentlich seine Schreibfeder statt in Tinte in eine Metallschmelze tauchte.

Hydroxylamin ist ein farbloser, kristalliner Stoff, hergestellt aus Nitraten und Wasserstoff. BASF bietet als einziges Unternehmen reines Hydroxylamin in Form einer 50%igen wässrigen Lösung an. Die Produktionskapazität in Ludwigshafen liegt bei 7000 t. Genug, um eine Versorgung der weltweiten Mikrochipindustrie zu gewährleisten, wo die Substanz zur Reinigung der Chips nach dem Ätzen eingesetzt wird.

Transistoren schalten elektrischen Strom zwischen zwei Anschlüssen ein oder aus, je nach Spannung, die an einem dritten Anschluss des jeweiligen Transistors anliegt. Zusätzlich können sie die durchfließenden Ströme auch verstärken. Die auf Silizium basierenden Transistoren der Mikrochips schalten schnell, sind sparsam und winzig klein.