Silizium
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Seite 1 von 20 Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (HTW) Belegarbeit Thema: Verfahren zur Herstellung von metallurgischem und gereinigtem Silizium. Verwendungsmöglichkeiten in der Elektronikindustrie und bei Solarzellen. Perspektiven. Bearbeiter: Stefan Bosse ,02/054 UmT Erstellt am: Unterschrift: Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 2 von 20 Inhaltsverzeichnis: Tabellen und Abbildungsverzeichnis: 1. Einleitung 1.1. Allgemein 1.2. Zielstellung 2. Darstellung von technischem Silizium 3. Darstellung von Reinsilizium 3.1. Trichlorsilanpyrolyse 3.2. Silanpyrolyse 3.3. Zonenreinigung 4. Einkristallzüchtung 4.1. Czochralski-Verfahren 4.2. Tiegelfreies Zonenziehen 5. Verwendung 5.1. Elektrotechnik 5.1.1 Silizium als Basismaterial 5.1.2. Dotierungen 5.1.3 Elektronische Bauelemente 5.1.4. Herstellung von komplizierten Schaltungen 5.2. Solarzellen 6. Perspektiven 7. Fazit Quellenverzeichnis Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 03 04 04 04 05 07 07 08 08 10 10 11 13 13 13 15 15 16 17 19 19 20 Seite 3 von 20 Tabellen und Abbildungsverzeichnis: Tabellen: Seite Tabelle 1: Spezifikationen von Quarz für die Herstellung von techn. Si. 05 Abbildungen: Seite Abbildung 1: Abbildung 2: Abbildung 3: Quarzsand SiO2 Lichtbogenofen für die Siliziumherstellung Reaktor zu Herstellung polykristalliner Si-Stäbe aus SiHCl3 Abbildung 4: Prinzip des Czochralski-Verfahren Abbildung 5: Aufbau eines Reaktors zur Einkristallzüchtung nach Czochralski Abbildung 6: Tiegelfreies Zonenziehen Abbildung 7,8: Siliziumeinkristalle Abbildung 9: Aufbau einer Diode Abbildung 10: Ablauf der Planartechnik zur Erzeugung lokaler Dotierungen an der Oberfläche einer homogenen Siliziumscheibe. Abbildung 11: Aufbau einer Solarzelle Abbildung 12: Monokristalline Solarzellen Abbildung 13: Polykristalline Solarzellen Abbildung 14: Pilotprojekt für Solar-Wasserstofftechnologie Technische Chemie 5.Semester Beleg 04 06 07 10 11 12 14 15 16 17 18 18 18 Seite 4 von 20 1.Einleitung: 1.1. Allgemein In unserer modernen Gesellschaft ist heute ein Leben ohne elektronische Hilfsmittel schier undenkbar sei es nun eine lebenswichtige Maschine zum Überwachen von Lebensfunktionen im Krankhaus oder einfach nur der Fernseher bei jedem daheim. All diese Errungenschaften sind nur möglich gewesen weil Wissenschaftler sich intensiv mit dem Phänomenen Elektrizität auseinnandergesetzt haben. So kam es das ausgehend von einfachen Schaltungen die Entwicklung voranschritt bis zu Computern die Aufgaben lösen können für die Menschen Jahre brauchen würden. All diese Fortschritte verdanken wir zu einem großen Teil der Halbleitertechnik, welche immer komplexere Schaltungen auf kleinsten Raum ermöglichte. Halbleitertechnik das bedeutet heute zumeist Silizumtechnik, weil es als zweithäufigstes Element in der Erdkruste reichlich vorhanden und leicht zu bearbeiten ist. Silizium besitzt einen Schmelzpunkt von ca. 1413°C und besitzt eine große Affinität zum Sauerstoff, daher liegt es in der Natur oft in Form von Silikaten oder als SiO2(Sanden) vor. Halbleitereigenschaften besitzt Silizium nur bei sehr großer Reinheit daher kommt der Aufbereitung von Silizium zum Nutzbarmachen der Halbleitereigenschaften ein großer Stellenwert zu. Abbildung 1: Quarzsand SiO2 (/1/) 1.2. Zielstellung Zielstellung dieses Belegs ist es, den Prozess der Herstellung von Reinsilizium zu erläutern und die zurzeit gängigen Verfahren dafür vorzustellen. Des Weiteren werden die grundlegenden Verwendungsmöglichkeiten von Reinstsilizium beschrieben, wobei besonderes Augenmerk auf die Elektrotechnik und den Bau von Solarzellen gelegt wird. Den Abschluss bildet ein Ausblick auf zukünftige Verwendungsmöglichkeiten. Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 5 von 20 2. Darstellung von technischem Silizium: Technisches Silizium meist auch als metallurgisches Silizium bezeichnet wird durch Reduktion von Quarziten mit Koks im Lichtbogenofen dargestellt. Bruttogleichung: SiO2 2C Si Co Der SiO2 Gehalt der verwendeten Quarzite sollte min 98% betragen. Für die Herstellung von Ferrosilizium, einer Siliziumlegierung mit Eisen, genügt eine 96% Reinheit zur Darstellung des Siliziums. Tabelle 1: Spezifikationen von Quarz für die Herstellung von techn. Si. (/2/,S. 280) Bestandteil Gehalt: (%) SiO2 min. 98 Fe2O3 max. 1,5 Al2O3 max. 1,0 CaO max. 0,2 MgO max. 0,2 Schwefel-, Phosphor- und Arsengehalte können giftige Ofenabgase entwickeln und sind daher unerwünscht. Ein zu hoher Anteil von Al2O3 kann zur Bildung klebriger Schlacken führen welche das Endprodukt verunreinigen könnten. Bei der Produktion von Ferrosilizium wird Schreddermaterial oder Alteisen dem Möller zugesetzt. Für die Gewinnung des Silizium werden Elektroniederschachtöfen mit 8-40 MW Leistung eingesetzt, welche mit Dreiphasenstrom betrieben werden der über 2 Elektroden (bei techn. Silizium Graphit) zugeführt wird. Zur Vermeidung der Bildung von SiC rotiert der und oszilliert der Ofen welcher mit Kohlesteinen ausgekleidet ist ständig. Für die Herstellung von 1t Si werden ca. 11-14MWh elektrische Energie benötigt. Die Ausbeute bezogen auf das in den Quarziten vorliegende Silizium beträgt 80%. Die Herstellkosten von techn. Silizium belaufen sich somit zu 28% nur auf den Einsatz von elektrischer Energie. Schema des Ofens: a) Ofengehäuse b) Elektroden b) sekundäre Energieversorgung f) Chargierrohre g) Stochermaschine i) Aufnahmepfanne c)Transformatoren e) Rohstoffbunker h) Absticheinheit Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 6 von 20 Abbildung 2: Lichtbogenofen für die Siliziumherstellung (/2/,S.279) Die Reduktion selbst erfolgt in den Teilschritten: SiO2 C SiO CO SiO C SiC CO SiC SiO 2Si CO Für diese Reaktion sind Temperaturen oberhalb von 2000°C nötig. Der Abstich erfolgt nach ca. 1-2h durch eine Hilfselektrode in Auffangbehälter für das flüssige Silizium. Im weiteren Verlauf können sich weitere metallurgische Verfahren zur Aufbereitung(z.B. Schlackeextraktion) anschließen bis das Silizium in brüchigblockiger Form erstarrt. (/2/,S279-281) Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 7 von 20 3. Darstellung von Reinsilizium Technisches Silizium besitzt eine Reinheit von maximal bis 98,99 % (technisch machbar). Verunreinigungen sind hauptsächlich Kohlenstoff, Eisen, Aluminium, Bor und Phosphor. Der spez. Widerstand des Siliziums sinkt bereits bei kleinsten Verunreinigungen, d.h. das Silizium verliert seine Halbleitereigenschaften. Um diese Fremdstoffe aus dem Silizium zu entfernen werden heute 2 pyrolitische Verfahren angewandt. 3.1. Trichlorsilanpyrolyse Dieses Verfahren wurde 1953-56 bei Siemens entwickelt und deckt heute ca. 78% der Produktion(Stand 1999, /2/, S.281) Die Trichlorsilanpyrolyse beruht auf der Reaktion des technischen Siliziums mit HCl in einem Wirbelbettreaktor zu Trichlorsilan. Si 3HCl SiHCl 3 H 2 (300°C) Trichlorsilan hat einen Siedepunkt von ca. 31,8°C und kondensiert damit eher als die meisten gebildeten Chlorverbindungen der Verunreinigungen und kann somit destillativ (fraktionierte Destillation) von diesen abgetrennt werden. Die Chlorverbindungen von Verunreinigungen welche einen geringeren Siedepunkt als Trichlorsilan besitzen werden durch Verdampfung bei ca. 30°C (Siedepunkt SiHCl3 31,8°C) entfernt. Die noch verbleibenden Hauptverunreinigungen sind Bor und Phosphor sowie Kohlenstoff in Pentanform aufgrund ihrer Siedetemperaturen die der des Trichlorsilans sehr nah sind. Durch Umkehrung dieses Prozesses lässt sich aus dem so gereinigten SiHCl3 das Silizium zurückgewinnen. Abbildung 3: Reaktor zu Herstellung polykristalliner Si-Stäbe aus SiHCl3 (/3/, S.8) Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 8 von 20 Ein Gasgemisch aus dem gereinigten SiHCl3 und H2 wird in eine Quarzglocke (inertes Material, Abbildung 3) geleitet. Dort befinden sich dünne Siliziumstäbe (ca. 1500mm Länge, 2-5mm Durchmesser) die so genannten Siliziumseelen welche widerstandbeheizt auf ca. 1100°C erhitzt werden. Dabei zersetzt sich das Trichlorsilan und dissoziiert bei einem eingesetzten Verhältnis von SiHCl3 zu H2 von 1:10 (bessere Ausbeute) zu Silizium und HCl. SiHCl 3 H 2 Si 3HCl (1100°C) Nebenreaktion: 4SiHCl 3 Si 3SiCl 4 2H 2 Das entstehende Silizium setzt sich in polykristalliner Form an der Siliziumseele nieder, welche dabei auf bis 150 mm anwachsen kann. Das gewonnene Silizium weist einen Borgehalt von unter 5*1012 *cm-3 und eine Phosphordotierung von weniger als 1*1013*cm-3 auf. Die Reinheit des Siliziums ist für die Herstellung von Bauelementen allerdings nur bedingt ausreichend. Das entstehende Begleitprodukt SiCl4 wird mit dem HCl ausgeschleust und zu pyrogener Kieselsäure sowie Kieselsäureestern weiterverarbeitet. Als Alternative zu den Siliziumstäben im Reaktor kann auch Siliziumgranulat in einer Wirbelschicht eingesetzt werden, wobei polykristalline Kugeln entstehen. (/3/, S. 7-9),(/2/, S. 281-S. 282) 3.2. Silanpyrolyse Das zur Pyrolyse benötigte Silan wird durch Umsetzung von SiF4 mit Natriumaluminiumhydrid dargestellt. 3SiF4 2 Na3 AlH 6 3SiH 4 2 Na3 AlF6 Das als Begleitprodukt erzeugte Na3AlF6 (Kryolith) wird an die Aluminiumindustrie abgegeben. Das Silan wird nach Feinstreinigung in einem Wirbelbettreaktor an vorgelegten Keimen aus elementaren Silizium pyrolytisch zu Reinstsilizium und H2 zersetzt. SiH 4 Si 2H 2 (800°C) Es entstehen Kugeln von Reinstsilizium welche ca. 1-3mm groß und gut schüttund dosierfähig sind. Die Prozesstemperaturen sind niedriger als bei der Trichlorsilanpyrolyse und die korrosiven Begleitprodukte fallen weg. Aufgrund der Selbstentzündlichkeit des Silans erfordert dieses Verfahren jedoch einen hohen sicherheitstechnischen Aufwand. (Produktion Stand 1997: ca. 1500t Reinstsilizium) (/2/, S. 283) 3.3. Zonenreinigung Die Zonenreinigung dient der zusätzlichen Entfernung von Verunreinigungen im Silziumkristall. Dazu wird entlang des Kristalls eine Hochfrequenzspule bewegt welche den Kristall lokal durch Wirbelsröme bis über den Schmelzpunkt aufheizt. Das Silizium außerhalb der Spule bleibt fest, das in der Schmelzzone Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 9 von 20 fließt aufgrund der geringen Dicke und der damit verbundenen Oberflächenspannung nicht herraus. Dieser Prozess findet im Hochvakuum statt um eine Anreicherung von Verunreinigungen durch Gefäßwände zu vermeiden. Wegen der hohen Schmelztemperaturen (Fp. Si bei 1413°C) dampfen bereits viele Verunreinigungen aus der Schmelzzone ab. Des weiteren sind viele metallische Verunreinigungen sowie Bor und Phosphor in der Schmelze besser löslich als im Feststoff und wandern so mit der Schmelze bei der Abwärtsbewegung der HF-Spule mit. So lässt sich die Gesamtkonzentration der Verunreinigung bei mehrmaligen Zonenreinigen unterhalb der Eigenleitkonzentration ( 5*10*cm-3) senke. (/3/, S. 9-10) Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 10 von 20 4. Einkristallzüchtung Um in der Halbleiterindustrie Verwendung zu finden muss das Silizium in einkristalliner Form vorliegen, d.h. die Atomstruktur muss regelmäßig sein. Das Gitter von elementaren einkristallinen Silizium ist kubisch flächenzentriert und entspricht daher der Diamantstruktur. Die Ausrichtung des Kristalls hat eine wichtige Bedeutung für die spätere Bearbeitung des Siliziums, z.B. auf die Dichte der Oberflächenladungen und auf die Ladungsträgerbeweglichkei an der Kristalloberfläche als Parameter möglicher Halbleiterschaltungen. Das Züchten von Einkristallen aus den polykristallinen Ausgangsstoff des gereinigtem Silizium ist daher ein wichtiger Schritt auf den Weg zum Wafer für die Chip Herstellung.(/3/, S. 10-12) 4.1. Czochralski-Verfahren Mit dem Czochralski-Verfahren ist das Züchten von Einkristallen mit einem Durchmesser bis zu 300mm derzeit möglich. Dafür wird das polykristalline Silizium in einem drehbaren Quarztiegel aufgeschmolzen zunächst bei 1440°C um Kristallisationskeime zu zerstören. Die Temperatur wird danach dann geringfügig über den Schmelzpunkt des Siliziums gehalten.(ca. 1425°C). Von oben wird ein Stab in die Schmelze getaucht an dessen Spitze sich ein Siliziumeinkristall(Impfkristall) befindet, welcher durch seine Ausrichtung in der Halterung die spätere Ausrichtung des Einkristalls festlegt. Beim Eintauchen wird die Schmelze um den Keim herum aufgrund der nur geringfügig über der Schmelztemperatur liegenden Prozesstemperatur unterkühlt, wodurch der Keim zu wachsen beginnt. Der Stab mit dem Impfkristall wird nun langsam nach oben herrausgedreht, wobei der Kristall ständig in Kontakt mit der Schmelze bleibt und so weiter wächst. Das Endprodukt ist ein stabförmiger Einkristall(„Ingot“), dessen Durchmesser durch die Ziehgeschwindigkeit maßgeblich bestimmt wird. Sie beträgt ca. 3-20cm/h, je schneller desto dünner. Abbildung 4: Prinzip des Czochralski-Verfahren (/5/) Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 11 von 20 Abbildung 5: Aufbau eines Reaktors zur Einkristallzüchtung nach Czochralski (/4/) Für fehlerfreie Einkristalle ist eine exakt kontrollierte Temperaturstabilisierung nötig um eine möglichst konstante Temperatur in der Wachstumszone einzuhalten, wobei bereits kleinste Differenzen zu Spannungen und somit Gitterfehler führen können. Deshalb wird zur Homogenisierung der Temperaturverteilung der Tiegel entgegen der Drehrichtung des Zugstabes gedreht. Des weiteren wird dieser mit zunehmenden Verbrauch der Schmelze angehoben um die Kontaktfläche Kristall-Schmelze möglichst konstant zu halten. Für eine Verhinderung der Oxidation der Schmelze wird unter einer Schutzgasatmosphäre bzw. Hochvakuum gearbeitet. Der Nachteil des Czochralski Verfahrens ist das aus den Tiegelwänden Verunreinigungen in die Schmelze und somit in den Kristall gelangen können. (O2,B,C) Zur Einstellung gewünschter elektrischer Eigenschaften des Einkristalls (n,pTyp Substratmaterial) können die gewünschten Dotierstoffe zur Schmelze zugegeben und so beim Ziehen eingebaut werden. Typische Widerstandswerte liegen im Bereich von 50 Ohm*cm bis zu 0,01Ohm*cm. 4.2. Tiegelfreies Zonenziehen Das auch als Float-Zone bezeichnete Verfahren dient der Züchtung von Einkristallen ohne den Nachteil des Verunreinigens des Kristalls durch den Schmelztiegel. Es ist der oben angesprochenen Zonenreinigung ähnlich ,weil bereits dort brauchbare Einkristall entstehen können. Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 12 von 20 Für höhere Ansprüche jedoch ist ein Keim zur Vorgabe der Kristallorientierung unbedingt nötig. Hiefür wird ein polykristalliner Stab vertikal so gehaltert, das sein oberes Ende einen Impfling an einem Zugstab fast berührt. Durch Herrabführen einer Hochfrequenzspule entlang des Kristalls schmilzt dieser dort auf wobei sich die Schmelze etwas auf wölbt und den Impfkristall berührt, weshalb diese unterkühlt und am Kristall je nach Ausrichtung zu wachsen beginnt. Während die Spule sich langsam nach unten bewegt. (ca. 1020cm/h) wächst der Einkristall in der Schmelzzone mit. Wie beim Czochralski Verfahren rotieren Zugstab und Kristallhalterung zur Homogenisierung der Temperaturverteilung gegensinnig. (Drehzahl ca. 25-75U/min) Die Länge der Schmelzzone beträgt abhängig von der Dicke des Kristalls nur wenige Milimeter. Durch ein Beimischen von Dotierstoffen in Form von z.B. Phosphin (PH3) bzw. Diboran(B2H6) zum Schutzgas können diese in der Schmelzzone durch pyrolitische Zersetzung direkt eingebaut werden. Wie bei der Zonenreinigung lösen sich eventuell vorhandene Verunreinigungen besser in der Schmelze als im Feststoff womit diese mit der Schmelzzone mittransportiert werden und sich erst im Endbereich anreichern. Dadurch können mit dem tiegelfreien Zonenziehen extrem reine SiliziumEinkristalle gezüchtet werden. (>1000 Ohm*cm). Da der Polykristall aus der Pyrolyse mit maximal 150mm Durchmesser für dieses Verfahren benutzt wird können auch nur Einkristalle mit ca. 150mm Durchmesser gezüchtet werden. (/3/, S. 14-16) Abbildung 6: Tiegelfreies Zonenziehen (/4/) Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 13 von 20 5. Verwendung 1997 wurden weltweit ca. 1,8*106t Ferro-, 0,92*106t Technischens- und ca. 20.000t Reinstsilizium produziert. Das Ferrosilizium wird in großen Mengen als Desoxydationsmittel in der Stahlerzeugung eingesetzt. Als Legierungsbestandteil (Si 10 bis Si 90) verleiht es dem Eisen weichmagnetische Eigenschaften (z.B. für die Herstellung von Dynamo- und Transformatorenblechen).Es dient zur Herstellung von Werkzeugund Federstählen sowie von korrosionsbeständigen Gusslegierungen.(/2/, S.287) Zusätze von technischem Silizium(Si 98,99) bei der Aluminiumherstellung verbessern die Gießbarkeit bei der Herstellung von Gussteilen. Es spielt zudem eine große Rolle als Legierungsbestandteil in Aluminiumwerkstoffen. Des weiteren dient es der Reinstsiliziumherstellung sowie der Synthese von Siliconen nach dem Rochow-Verfahren.(/2/,S.287) Reinstsilizium(Si>99,999%) wird zur Herstellung von Mikro- und Leistungselektronik verwendet. Es beherrscht heute mehr als 90% des Halbleitermarktes. Grundlage ist hierfür die große Verfügbarkeit des Rohstoffes sowie die Eigenschaft des Siliziums mit Sauerstoff ein stabiles Oxid zu bilden welches aber relativ leicht mittels Ätzen oder anderer Methoden zu entfernen ist. So können auf den Silizium mit Oxidierung, Ätz- und Dotiertechniken relativ einfach komplexe Schaltungen erzeugt werden Ein weiterer Anwendungszweig des Reinstsiliziums ist die der Solarzellentechnik sei aus nun aus poly- oder einkristallinen Silizium, welche als regenerative Energieerzeugungsmethode immer stärker an Bedeutung zunimmt. Der Preis für 1kg polykristallines Reinstsilizium aus der Pyrolyse von Trichlorsilan betrug 1997 ca. 80DM(39 Euro), Siliziumeinkristalle ca. 60 DM/kg und eine für die Halbleitertechnik hergestellte Siliziumscheibe („Wafer“) ca. 1700DM/kg. (/2/, S. 279) 5.1. Elektrotechnik 5.1.1 Silizium als Basismaterial: Andere Halbleitermaterialien wie zum Beispiel Germanium und insbesondere Gallium-Arsenid weisen weitaus höhere Ladungsträgerbeweglichkeiten auf als Silizium. (3900[Ge] bzw. 8500[Ga-As] Elektronenbeweglichkeit in cm2Vs zu 1350 für Silizium) und wären somit aus diesem Gesichtspunkt besser geeignet. Was ist also der Vorteil von Silizium? Das ist erstens das Silizium im Vergleich zu anderen Halbleitern fast unbegrenzt als eines der häufigsten Elemente der Erde vorhanden ist. Daher ist es ein kostengünstiges Ausgangsmaterial was erst durch die nötigen Aufarbeitungsschritte so teuer wird. Das vom Silizium bereits bei Zimmertemperatur gebildete SiO2 ist ein hochwertiger, mechanisch und elektrisch stabiler Isolator, welches als Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 14 von 20 Passivschutzschicht wirkt und sich gezielt und reproduzierbar durch Temperaturbehandlungen auf den Halbleiter aufbringen lässt. Dieses „arteigene“ Oxid ist besonders geeignet für die Isolation und zur lokalen Maskierung von Silizium während der Herstellung von integrierten Schaltungen. Im Gegensatz ist es relativ schwierig und kostenintensiv, auf den anderen benannten Materialien einen hochwertigen Isolator aufzubringen, da deren Oxide entweder von geringer Qualität oder nicht herstellbar sind. Die meisten Schaltungen werden heutzutage meist auf planaren Oberflächen von Silizium aufgetragen. Dazu werden aus den gezüchteten Einkristallen Siliziumscheiben durch Innenloch- bzw. Drahtsägen geschnitten, welche nach dem Abrunden der spröden Außenkante auf eine planare Oberfläche von max. 3nm geläppt, geätzt und poliert werden. Bei der Herstellung eines Wafers ist ungefähr die gleiche Menge als Verlust bei den Bearbeitungsschritten anzunehmen. Abbildung 7 und 8: Siliziumeinkristalle (/6/) Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 15 von 20 5.1.2. Dotierungen Im reinsten Zustand besitzt Silizium einen elektrischen Widerstand irgendwo zwischen dem eines schlechten Leiters und eines Isolators. Der Widerstand lässt sich durch gezielte Verunreinigungen(Dotierungen) mit Fremdatomen über mehrere Größenordnungen hinweg beeinflussen. Dazu werden in das Atomgitter des Siliziums mit jeweils 4 Außenelektronen (Tetraeder/Diamantstruktur) 3 bzw. 5-wertige Atome eingebracht wodurch entweder ein Elektronenmangel oder ein Elektronenüberschuss im Gitter erzeugt wird. Diese Elektronenlöcher bzw. freien Elektronen können dann im Leitungsband wandern. Werden 3-wertige Atome(z.B. Bor) eingebracht, wodurch ein Bindungselektron unbesetzt bleibt(„Loch“) spricht man von Akzeptoren d.h. durch die leere Stelle kann ein Elektron aus dem Leitungsband aufgenommen werden.(positiv[p]leitend). Bei einer Dotierung mit 5-wertigen Atomen(z.B. Phosphor, As, Sb) fließt ein Elektron von ihnen das nicht zur Bindung beiträgt in das Leitungsbad ein. Man spricht hierbei von Donatoren und negativ(n)-leitenden Charakter. 5.1.3 Elektronische Bauelemente Bereits das aneinnanderfügen von einer p und einer n-leitenden Schicht stellt ein einfache Schaltung dar nämlich die der Diode. Abbildung 9: Aufbau einer Diode (/7/) Ein ankommender Strom(Elektronen) in der n-Schicht kann durch Transport des Ladungsträgers zur p-Schicht bzw. der Wanderung de „Löcher“ der p-Schicht zur n-Schicht fließen. Tritt der Strom jedoch zuerst in die p-Schicht ein so werden die „Löcher“ der p-Schicht und die Elektronen des Stromes rekombiniert und können aufgrund der Sperrwirkung der n-Schicht nicht weiterfließen. Es ist somit ein Weg des Stromes von der negativen in die positive Schicht festgelegt Der Strom wird gleichgerichtet mit dieser Diode. Mit Ergänzung einer weiteren p. bzw. n-Schicht zu einer pnp bzw. npn Schicht Anordnung erzeugt man dann Transistoren mit einem Fluss und einem Steuerstrom. So können mit immer neuer Kombination von Schichten und Überlappungen auch komplizierteste Schaltungen produziert werden. So hergestellte Bauelemente sind z.B. Transistoren, Thyristoren, MOSFETs, IC’s etc. Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 16 von 20 5.1.4. Herstellung von komplizierten Schaltungen Komplizierte Schaltungen von IC’s bis hin zu Hochleistungsprozessoren werden durch Aufdampfen von verschiedenen Dotierungen mittels Maskierung hergestellt. Dies lässt sich wie folgt vereinfacht darstellen. Abbildung 10: Ablauf der Planartechnik zur Erzeugung lokaler Dotierungen an der Oberfläche einer homogenen Siliziumscheibe. (A)- Erzeugen einer Oxidschicht auf der Siliziumscheibe; (B)- Aufbringen eines lichtempfindlichen Lackes; (C)- Belichten des Fotolackes über eine Maske mit der Struktur einer Entwurfsebene der integrierten Schaltung; (D)- Entwicklung d.h. Entfernen des belichteten Fotolacks; (E)- Ätzendes Oxids mit dem Fotolack als Maskierschicht; (F)- Entfernen des restlichen Fotolacks in einem Ätzschritt; (G)- Diffusion zur lokalen Dotierung der Siliziumscheibe mit Oxid als Maskierschicht; Diese Bearbeitungsfolge wird im Prozess mehrmals wiederholt, um die Scheibendotierung lokal unterschiedlich und gezielt zu verändern. Beendet wird dieses Verfahren mit der Verdrahtung zur Herstellung der elektrischen Verbindungen.: Ganzflächiges Aufdampfen von Aluminium zur Erzeugung von Leiterbahnen und Kontaktstellen. Strukturierung der Metallebene mittels Ätzen über eine Fotolackmaske. Die hier dargestellte Technik ist die des Positiv-Verfahrens, d.h. beim NegativVerfahren wird die unbelichtete Fotoschicht entfernt im Gegensatz zur Positivtechnik. Die Negativlacke besitzen meist eine größere chemische Stabilität und thermische Belastbarkeit, jedoch ist die minimale Linienweite in der Negativ-Lacktechnik auf 1,5µm begrenzt, weil die Strukturen während des Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 17 von 20 Entwickelns aufquellen. Derzeit dominiert in der Serienfertigung die Positivtechnik. (/3/, S. 37-41) 5.2. Solarzellen Solarzellen nehmen heutzutage vor allem durch immer neue Fortschritte in ihrer Entwicklung einen hohen Stellenwert in der Energieerzeugung durch regenerative Energiequellen ein. Eine Solarzelle hat folgenden Aufbau: Abbildung 11: Aufbau einer Solarzelle (/8/, /basiswissen/sb.110.htm) Die auf der Solarzelle auftreffenden Photonen des Sonnenlichtes bewirken einen Elektronenüberschuss bzw. Mangel in den beiden Schichten und somit eine Ladung. Durch die oben erklärte Funktionsweise einer solchen np-Schicht wird ersichtlich das ein Ladungsausgleich an der np-Sperrschicht nicht erfolgt und damit ein Gleichstrom an den jeweiligen Schichten abgegriffen werden kann. Dabei ist zu beachten das die obere Schicht min. so dünn sein muss das die Photonen auch die untere Schicht erreichen können. Für den Wirkungsgrad einer Silizium-Solarzelle ,dem derzeit am besten geeigneten Halbleitermaterial zum Solarzellenbau ist auch die Reinheit und die Kristallstruktur entscheidend. So gibt es Solarzellen aus amorphen(ca. 7% Wirkungsgrad), polykristallinen(1013%) und monokristallinen(12 bis 15%) Silizium. Zum Vergleich der Wirkungsgrad der Photosynthese von Pflanzen liegt bei ca. 2%. Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 18 von 20 Amorphes Silizium weist keine Kristallstruktur auf, sondern besteht aus ungeordneten Silizium-Atomen, die auf Glas oder ein anderes Substrat aufgedampft werden. Solche Zellen werden zum Beispiel in Taschenrechnern eingebaut. Abbildung 12: Monokristalline Solarzellen (/8/, /basiswissen/sb-110mono.jpg) Abbildung 13: Polykristalline Solarzellen (/8/, /basiswissen/sb-110poly.jpg) Der von den Forschern des Max-Planck Institutes für Festkörperforschung in Stuttgart maximale theoretisch erreichbare wirkungsgrad beträgt ca. 43%. Die Praxis zeigt im günstigsten Fall einen Wirkungsgrad von 18% unter speziellen Bedingungen derzeit. Entscheidend für die abgegebene Stromstärke ist die Fläche auf die das Sonnenlicht einstrahlen kann. Daher zielen neuere Entwicklungen darauf ab die Zellendicke herab zusenken um die Materialkosten bei gleicher Leistungsfähigkeit zu senken. (/8/,/basiswissen/sb-110-002.htm) Abbildung 14: Pilotprojekt für Solar-Wasserstofftechnologie 1990-1999 in Neunburg vorm Wald (Oberpfalz) 6000 Module ca. 280kW bei guten Wetter (/8/, /basiswissen/sb110-002.htm) Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 19 von 20 6. Perspektiven Das Halbleitermaterial Silizium wird auch weiterhin seine dominante Rolle als Ausgangsmaterial behalten. Die Entwicklung beim Verfahren der Reinsiliziumherstellung werden vor allem auf Kostensenkung und Züchtung größerer Einkristalle zielen. Weitere Entwicklungsbeispiele: Elektronikindustrie: Infineon arbeitet an Elektronikbausteinen in einer GermaniumBipolar-Technologie mit ca. 110 GHz (derzeit Si-CMOS ca. 4 GHz) Entwicklung von Halbleitermaterialien aus Polymeren (Nobelpreis der Chemie 2000) Ersatz von metallischen Leitungskontakten durch Optische Leiter SiC als Halbleitermaterial Solarzellentechnologie: Verwendung anderer Halbleitermaterialien wie z.B. KupferindiumDiselenid oder Cadmiumtellurit Dünnschicht-Solarzellen (Beidseitige Nutzung einer Solarzelle) Organischer Anstrich der Photosynthese nachahmt Waffeltechnik für superdünne Schichten (/9/) 7. Fazit: Silizium ist durch seine herausragenden Eigenschaften und seines großen Vorkommens das derzeit idealste Material für die Halbleitertechnologie. Fast alle derzeit produzierten elektronischen Bauteile oder Solarzellen basieren auf Silizium in seiner reinsten Form. Die derzeitigen Forschungen streben nach immer kosteneffizienteren Methoden der Reinsiliziumherstellung in immer größeren Einkristallzüchtungen. Auch wird der Einsatz von neuen Halbleitermaterialien bis hin zu organischen Halbleitern bzw. neuartige Legierungen von Silizium eine wichtige Rolle in nächster Zukunft spielen. Technische Chemie 5.Semester Beleg Seite 20 von 20 Quellenverzeichnis: /1/ www.quarzwerke.com Firmenseite /2/ Wiley-VCH Verlag GmbH, D-69469 Weinheim K.H. Büchel et al, Industrielle anorganische Chemie, 3.Auflage 1998 /3/ B.G.Teubner Verlag Stuttgart/Leipzig/Wiesbaden Ulrich Hilleringmann, Silizium-Halbleitertechnologie, 3.Auflage 2002 /4/ B.G.Teubner Verlag Stuttgart/Leipzig/Wiesbaden W. von Münch, Einführung in die Halbleitertechnologie, Stuttgart 1993 /5/ B.G.Teubner Verlag Stuttgart/Leipzig/Wiesbaden H. Beneking, Halbleitertechnologie Stuttgart 1991 /6/ http://de.wikipedia.org/wiki Freie Internetenzyklopädie /7/ http://www.elektronikinfo.de/ strom/dioden.htm Informationsseite /8/ http://www.udo-leuschner.de Private Homepage /9/ http://www.innovations-report.de Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft Technische Chemie 5.Semester Beleg
