{"id":270,"date":"2023-01-05T10:16:00","date_gmt":"2023-01-05T09:16:00","guid":{"rendered":"https:\/\/main.sitrading.com\/?p=270"},"modified":"2024-01-31T11:17:31","modified_gmt":"2024-01-31T10:17:31","slug":"vom-sand-zum-mikrochip","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/si-group.com\/de\/vom-sand-zum-mikrochip\/","title":{"rendered":"Vom Sand zum Mikrochip"},"content":{"rendered":"\n

Das Voranschreiten der Digitalisierung h\u00e4ngt von einem der kleinsten Teile unseres Planeten ab, dem Sandkorn. Aus ihm entstehen die hei\u00dfbegehrten Halbleiter, auf die moderne Technologie angewiesen ist. Wir werfen einen genauen Blick auf die Herstellung der Chips.<\/em><\/p>\n\n\n\n

Er ist das neue Gold der Wirtschaft und einer der Bausteine unserer Zivilisation: Laut den Vereinten Nationen gilt Sand nach Wasser als begehrtester nat\u00fcrlicher Rohstoff<\/a>. Kein Wunder, denn er wird unter anderem zu Glas, Beton, Gummi, Fliesen und Porzellan weiterverarbeitet<\/a>. Auch die Technologiebranche setzt auf den Rohstoff. Smartphones, Laptops, selbst Autos nutzen gerade im Bereich Automatisierung und k\u00fcnstliche Intelligenz kleine, ultraleistungsf\u00e4hige Mikrochips, die wir auch als Halbleiter kennen. Und diese bestehen in ihrer Grundform aus hochreinem Quarzsand.<\/p>\n\n\n\n

Entscheidend ist f\u00fcr die Chipherstellung allerdings nicht der Sand an sich, sondern das darin enthaltene Siliziumdioxid. Um reines Silizium daraus zu gewinnen, wird dem Sand unter gro\u00dfer Hitze und der Zugabe von Kohlenstoff der Sauerstoff entzogen. Nach weiteren chemischen und physikalischen Prozessen entsteht ein hochreiner Siliziumrohling \u2013 das Material, aus dem die Mikrochips gemacht werden.<\/p>\n\n\n\n

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\n Die Chipherstellung ist auf hochreines Silizium angewiesen: Hier kommt auf 10 Millionen Siliziumatome nur ein einziges Fremdatom. <\/div>\n \n \n \n <\/div>\n\n<\/div>\n\n\n

Warum Silizium?<\/h2>\n\n\n\n

Dass die Begriffe Halbleiter und Mikrochips h\u00e4ufig synonym verwendet werden, r\u00fchrt von der Eigenschaft des Materials her, aus dem die Chips gefertigt sind. Denn Silizium kann unter bestimmten Bedingungen sowohl Strom weitergeben als auch den Stromfluss unterbrechen. Das liegt an seiner atomaren Struktur.<\/p>\n\n\n\n

Ein reiner Silizium-Einkristall ist bei Raumtemperatur nicht leitend, denn er verf\u00fcgt \u00fcber vier Au\u00dfenelektronen und hat somit keine freien Ladungstr\u00e4ger. Durch die sogenannte Dotierung wird er gezielt leitf\u00e4hig gemacht: Dabei werden in das Siliziumkristallgitter kleine Mengen von Fremdatomen (meist Bor oder Phosphor) eingebaut, die je ein Au\u00dfenelektron mehr oder weniger besitzen. Kombiniert mit einer isolierenden Schicht Siliziumoxid und einer Schicht aus elektrisch leitendem Polysilizium entstehen so die Transistoren. Sie steuern die elektrischen Spannungen und Str\u00f6me und sind somit der wichtigste Bestandteil des Mikrochips.<\/p>\n\n\n\n

Komplexe Produktion<\/h2>\n\n\n\n

In den leistungsst\u00e4rksten Halbleitern sind Milliarden von Transistoren verbaut und miteinander verschaltet. Auf diese Weise k\u00f6nnen auf nur wenigen Quadratmillimetern hochkomplexe Schaltungen untergebracht werden. Doch damit diese funktionieren, m\u00fcssen Layout und Design jedes Chips gut durchdacht sein. Daf\u00fcr gibt es spezielle Designtools: Sie machen es m\u00f6glich, die integrierten Schaltungen in einer dreidimensionalen Architektur digital zu entwerfen. So kann jede Schicht f\u00fcr sich betrachtet, aber auch das Zusammenspiel untereinander simuliert werden. Dieser digitale Bauplan wird dann in Form von Fotomasken als eine Art Schablone f\u00fcr die Chipherstellung genutzt.<\/p>\n\n\n\n

Um bei der Produktion h\u00f6chstm\u00f6gliche Qualit\u00e4t zu gew\u00e4hrleisten, werden in allen Schritten modernste Technologien zur \u00dcberpr\u00fcfung angewendet. Au\u00dferdem darf die Herstellung der Chips nur unter strengsten Bedingungen im sogenannten Reinraum erfolgen: einer staubfreien Umgebung, in der Temperatur und Luftfeuchtigkeit stabil sind. In etwa zehn Litern Luft darf sich maximal ein einziges Staubpartikel befinden, das gr\u00f6\u00dfer ist als 0,5 Mikrometer. Bel\u00fcftung und Filterung sind entsprechend aufwendig. Doch nur mit solch hoher Pr\u00e4zision und Qualit\u00e4t k\u00f6nnen die komplexen Mikrochips entstehen.<\/p>\n\n\n\n

So viel zu den Voraussetzungen. Doch wie genau entsteht nun der Mikrochip?<\/p>\n\n\n\n

Ein vielschichtiges Verfahren<\/h2>\n\n\n\n

Ist das Silizium aus dem Quarzsand extrahiert und gereinigt, werden die Siliziumst\u00e4be mit einer speziellen S\u00e4getechnik in hauchd\u00fcnne Scheiben geschnitten. Diese sogenannten Wafer bilden die Basis f\u00fcr ein komplexes Beschichtungsverfahren.<\/p>\n\n\n\n

Zuerst wird auf dem Wafer bei etwa 1.000 Grad Celsius eine nicht leitende Oxidschicht erzeugt, auf der dann lichtempfindlicher Fotolack verteilt wird. Spezielle Ger\u00e4te beleuchten den Wafer durch eine Fotomaske: Dadurch werden Teile der zuvor digital erstellten Schablone auf die Siliziumscheibe \u00fcbertragen. Der belichtete Teil wird entwickelt, freigelegt und wegge\u00e4tzt; die unbelichteten Bereiche bleiben stehen und sch\u00fctzen die darunterliegende Schicht.<\/p>\n\n\n\n

Dieser Prozess \u2013 Oxidschicht, Fotolack, Maske, Belichtung und Herausl\u00f6sen \u2013 wird bei der Chipherstellung mehrmals wiederholt, bis die gew\u00fcnschte integrierte Schaltung komplett aufgebaut ist. Zwischendurch erfolgen au\u00dferdem noch das Auftragen einer elektrisch leitenden Schicht aus Polysilizium und die Dotierung, bei der Fremdatome in das offenliegende Silizium eingebracht werden, um seine Leitf\u00e4higkeit zu beeinflussen.<\/p>\n\n\n\n

Im letzten Schritt werden noch Kontaktl\u00f6cher ge\u00e4tzt, die den Zugang zu den leitenden Schichten frei machen. Die Chip-Oberfl\u00e4che wird anschlie\u00dfend mit einem chemisch-mechanischen Verfahren mikrometergenau poliert. Die fertigen Chips m\u00fcssen dann nur noch aus den Wafern herausges\u00e4gt werden. Je nach Durchmesser entstehen so pro Scheibe einige Dutzend bis mehrere Tausend Chips, die jeweils nur wenige Quadratmillimeter bis -zentimeter gro\u00df sind. Diese Miniaturchips werden im letzten Schritt, der Montage, in ein Geh\u00e4use eingebracht und kontaktiert. Die fertigen Halbleiterprodukte k\u00f6nnen nun \u00fcber unterschiedliche Anschlussarten auf Platinen angebracht werden.<\/p>\n\n\n\n

Bedarfssteigerungen auch in Zukunft absehbar<\/h2>\n\n\n\n

Die Anforderungen an moderne Technologie steigen Jahr f\u00fcr Jahr. Sie soll mehr leisten, weniger verbrauchen und f\u00fcr alle verf\u00fcgbar sein \u2013 daf\u00fcr ist die Mikroelektronik essenziell. Der Bedarf nach Halbleitern hat sich daher in den letzten Jahren enorm erh\u00f6ht und wird in Zukunft noch zunehmen<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Hinzu kommt die Tatsache, dass Sand als nat\u00fcrlicher Rohstoff nicht endlos verf\u00fcgbar ist. Zwar bilden sich pro Jahr auch gro\u00dfe Mengen Sand<\/a> an den K\u00fcsten dieser Welt, doch \u00fcbersteigt der globale Bedarf<\/a> bei Weitem die Menge, die durch Verwitterung entsteht.<\/p>\n\n\n\n

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\n \u201eDie Masse an Sand, die gebraucht wird, hat sich in den vergangenen 20 Jahren verdreifacht. [\u2026] Wir sch\u00e4tzen den derzeitigen Verbrauch auf 50 Milliarden Tonnen pro Jahr \u2013 das sind 18 Kilogramm t\u00e4glich f\u00fcr jeden Einwohner der Erde.\u201c <\/div>\n \n
\n Pascal Peduzzi <\/div>\n \n
\n Direktor der Genfer Global Resource Information Database (GRID-Geneva), UN-Umweltprogramm (UNEP) <\/div>\n \n <\/div>\n\n<\/div>\n\n\n

Der Mangel an Halbleitern wird uns also voraussichtlich noch viele Jahre begleiten. Das liegt neben der zunehmenden Sandknappheit auch daran, dass die Chipproduktion so komplex und aufwendig ist. Nur wenige Firmen weltweit haben das n\u00f6tige Know-how und die Fertigungsm\u00f6glichkeiten, qualitativ hochwertige Halbleiter herzustellen. Um dennoch die Versorgung sicherzustellen, braucht es eine stringente Sourcing-Strategie, die Planung erm\u00f6glicht und zugleich auf unvorhergesehene Marktentwicklungen reagieren kann.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Wie entsteht aus Quarzsand einer der komplexesten Bestandteile moderner Technologie? Der aufwendige Prozess der Halbleiterproduktion.<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":271,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[18],"tags":[],"class_list":["post-270","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-si-electronics"],"aioseo_notices":[],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/si-group.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/270","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/si-group.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/si-group.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/si-group.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/si-group.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=270"}],"version-history":[{"count":2,"href":"https:\/\/si-group.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/270\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":506,"href":"https:\/\/si-group.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/270\/revisions\/506"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/si-group.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/271"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/si-group.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=270"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/si-group.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=270"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/si-group.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=270"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}