Silizium: Eigenschaften und Anwendungsbereiche

Ohne Silizium sähe unser heutiger Alltag ganz anders aus. Es steckt in jedem Mikrochip, ist aber auch in Backformen, Schmierölen, Kosmetika und Kunststoffen enthalten: das Element Silizium.

Silizium – was ist das? Und wo kommt es vor?

Silizium ist ein chemisches Element und steht mit der Ordnungszahl 14 an der 14. Stelle und in der dritten Periode des Periodensystems. Mit vier Valenzelektronen gehört es der vierten Hauptgruppe an, auch Kohlenstoffgruppe genannt. Abgekürzt wird es mit dem Symbol Si.

Beide Schreibweisen – „Silizium“ und „Silicium“ – sind geläufig, wobei die Schreibweise mit „c“ vor allem in naturwissenschaftlichen Texten Verwendung findet. Die englische Bezeichnung des Elementes ist „silicon“, nicht zu verwechseln mit dem deutschen Begriff Silikon, mit dem siliziumhaltige Polymere bezeichnet werden. Diese siliziumhaltigen Silikonkautschuke werden u.a. zu Silikon-Schläuchen und Dichtungen verarbeitet.

In der Natur liegt das Element hauptsächlich in Verbindungen mit Sauerstoff vor. Wichtige Vertreter sind Siliziumdioxid, aus denen Quarz und Sand bestehen, sowie Silikate, Verbindungen von Silizium, Sauerstoff und Metallen, wie zum Beispiel in Schiefer, Sandstein, Ton, Feldspat und Glimmer.

In Ozeanen kommt es in Form gelöster Kieselsäure vor. Im Tier- und Pflanzenreich findet man Siliziumdioxid (SiO2) in Kieselalgen, Schwämmen, Strahlentierchen, Bambus und Schachtelhalmen. Nach Sauerstoff ist Silizium das zweithäufigste Element.

 Reines, amorphes Siliziumdioxid
Reines, amorphes Siliziumdioxid

Im Alltag begegnet uns Silizium nicht nur als Bestandteil von Mikrochips und Photovoltaik-Anlagen, sondern auch in Form von Silikonkautschuken, die beispielsweise zu Abdichtungsmassen, Schläuchen für Kaffeeautomaten, Kochgeschirren und Backformen verarbeitet werden.

Eigenschaften von Silizium

Das reine Element ist blau- bis dunkelgrau und glänzend. Es bildet an der Oberfläche eine passivierende Siliziumdioxidschicht. Deshalb ist es in Wasser und in den meisten Säuren unlöslich. Lediglich chlorhaltige Säuren und Flusssäure vermögen das Element aufzulösen. In heißen Alkalilaugen bilden sich Silikate.

Bei sehr hohen Temperaturen reagiert es mit Kohlenstoff zu Siliziumcarbiden (SiC), mit Stickstoff zu Siliziumnitriden (Si3N4) und mit Schwefel zu Siliziumdisulfid (SiS2). Das Element kristallisiert im sogenannten Diamantgitter, welches für die hohe Härte und Sprödigkeit verantwortlich ist.

Ist Silizium ein Halbleiter?

Das Element steht im Periodensystem zwischen den Metallen und Nichtmetallen und gehört zu den Halbmetallen. Seine Leitfähigkeit liegt mit 5·10-6 S/cm zwischen der von Metallen (>104 S/cm) und der von Nichtmetallen (<10-8 S/cm). Es wird wie Germanium als Elementhalbleiter bezeichnet, andere Halbleiter sind Verbindungshalbleiter wie zum Beispiel Galliumarsenid oder Cadmiumselenid und organische Halbleiter.

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Das Element Silizium hat gegenüber anderen Halbleitern den Vorteil, dass das Ausgangsmaterial in großen Mengen günstig verfügbar ist und sich auf einer Siliziumoberfläche leicht Oxide erzeugen lassen. Dieses Siliziumdioxid ist ein hervorragender elektrischer Isolator. Durch Einbringen von Fremdatomen, das sogenannte Dotieren, lässt sich die Leitfähigkeit des Elementes gezielt erhöhen.

Welche Reinheitsgrade für welche Anwendungen

Silizium ist ein bedeutender Ausgangsstoff in der Metallurgie, der Photovoltaik und der Mikroelektronik. Je nach Anwendung werden unterschiedliche Bedingungen an den Reinheitsgrad des Elementes gestellt.

Für metallurgische Anwendungen genügt ein Reinheitsgrad von 98 – 99 %, dieser wird als „metallurgical grade“ (abgekürzt mit Simg) bezeichnet. In der Photovoltaik wird das Element mit einer Reinheit größer als 99,99 % benötigt. Der Reinheitsgrad dieses Solarsiliziums trägt die Bezeichnung „solar grade“ (Sisg). Für mikroelektronische Anwendungen wird nur hochreines Halbleitersilizium eingesetzt mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,9999999 %. Die Bezeichnung lautet „electronic grade“ (Sieg).

Neben der hohen Reinheit muss das Element für diese Anwendung auch in einkristalliner Form, das bedeutet eine absolut regelmäßige Anordnung der Siliziumatome im Kristallgitter, vorliegen. Zudem dürfen keine Fremdatome in dem Kristallgitter vorhanden sein.

Erzeugung von Rohsilizium

Ausgangsmaterial für die Gewinnung des Elements ist Siliziumdioxid.

SiO2 wird mit Kohlenstoff im Lichtbogen bei hoher Temperatur umgesetzt. Bei +1460 °C spaltet sich der Sauerstoff ab und bildet mit dem Kohlenstoff Kohlenmonoxid. Dieses ist gasförmig und lässt sich leicht abtrennen.

Das zurückbleibende Rohsilizium kann als Legierungsbestandteil und für die Herstellung von Silikonen eingesetzt werden. Für photovoltaische Anwendungen sind weitere Reinigungsschritte notwendig.

Gewinnung von Solarsilizium

Ein gängiges Reinigungsverfahren ist der Trichlorsilanprozess. Dabei wird das Rohsilizium mit Chlorwasserstoff bei +300 °C umgesetzt und es entstehen Wasserstoff und Trichlorsilan (SiHCl3), welches anschließend durch Destillation gereinigt wird.

Bläulich glänzende, monokristalline Solarmodule
Bläulich glänzende, monokristalline Solarmodule

Das gereinigte Trichlorsilan wird in einem Quarzgefäß, in dem beheizte, dünne Siliziumstäbe angeordnet sind, mit Wasserstoff bei +1100 °C umgesetzt. Es bilden sich Chlorwasserstoff, Siliziumtetrachlorid und elementares Silizium, das sich an den Siliziumstäben abscheidet. Am Ende kann der Durchmesser der Siliziumstäbe mehr als 30 cm betragen.

Bei diesem Prozess wird polykristallines Material erhalten, das aus vielen einzelnen unregelmäßig angeordneten Einkristallen besteht. Dieses kann für die Herstellung von Solarzellen verwendet werden.

Herstellung von Halbleitersilizium

Für mikroelektronische Anwendungen werden im Vakuum Spulen um die vorgereinigten Siliziumstäbe gelegt. Beim Anlegen von hochfrequentem Wechselstrom schmilzt das Material im Inneren der Stäbe und die Verunreinigungen sinken nach unten. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die benötigte Reinheit erreicht ist.

Mit dem sogenannten Czochralski-Verfahren wird aus dem polykristallinen einkristallines Silizium gewonnen. Das polykristalline Material wird in einem Quarztiegel in Schutzgasatmosphäre geschmolzen. Zur Schmelze können Dotierstoffe wie Bor oder Phosphor zugegeben werden. Über der Schmelze wird ein rotierender Einkristall, der sogenannte Impfkristall, angebracht, der die Oberfläche berührt. Silizium aus der Schmelze scheidet sich an dem Impfkristall ab mit der gleichen Kristallstruktur wie dieser. Der Kristall wird langsam mit einer Geschwindigkeit zwischen 2 und 25 cm/h nach oben gezogen. Aus diesen bis zu zwei Metern langen Stäben werden dünne Scheiben gesägt, die sogenannten Wafer, die zu Mikrochips weiterverarbeitet werden.

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Die Herstellung von Mikrochips ist ein sehr langwieriger Prozess. Um Mikrochips auf einem 300 mm Wafer mit Leiterbahnen zwischen 28 nm bis 32 nm zu produzieren, werden etwa 1500 Prozessschritte benötigt. Die gesamte Fertigung dauert ungefähr drei Monate. Moderne Prozessoren bestehen aus mehr als einer Milliarde Transistoren und benötigen dafür die Fläche eines Daumennagels.

Verwendung in der Metallurgie

Rohsilizium ist ein wichtiger Legierungspartner in der Metallurgie. In Aluminiumgusslegierungen sorgt das Element für gute Gießeigenschaften, verbesserte Korrosions- und Verschleißbeständigkeit. Die Legierung Silumin besteht aus 87 % Aluminium und 13 % Silizium und findet Anwendung bei der Herstellung von Motoren- und Getriebegehäusen in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie.

In Eisenlegierungen erhöht es die Zunderbeständigkeit, die Zugfestigkeit und Streckgrenze und dient als Reduktionsmittel. SiMo-Legierungen, die jeweils 2 bis 3 % Silizium und Aluminium und etwa 1 % Nickel und Molybdän enthalten, sind Speziallegierungen, die bei Temperaturen bis +800 °C eingesetzt werden. Diese Legierungen werden bei der Herstellung von Turbos, Auspuffkrümmern und Abgassystemen verwendet. Ferrosilicium, das aus Eisenerz und Quarz gewonnen wird, ist eine Vorlegierung bei der Produktion von Stahl und Gusseisen.

Verwendung in der Photovoltaik

Solarzellen werden sowohl aus polykristallinem als auch einkristallinem Material hergestellt.

80 % der in Deutschland installierten Photovoltaikanlagen bestehen aus polykristallinem Material. Dieses hat zwar einen geringeren Wirkungsgrad als einkristallines, jedoch sind die Herstellungskosten deutlich niedriger, was in einem guten Preis-Leistungsverhältnis resultiert.

Polykristalline Solarzellen besitzen eine helle, bläulich glänzende Oberfläche. Einkristalline Solarzellen sind an einer einheitlich dunklen Farbe und abgerundeten Ecken zu erkennen, da sie aus Siliziumscheiben hergestellt werden. Ihr Einsatz ist sinnvoll, wenn nur eine kleine Fläche zur Stromerzeugung zur Verfügung steht.

Rohsilizium als Rohstoff für die Herstellung von Silikonkautschuken

Ausgangsstoffe für die Herstellung von Silikonen sind Rohsilizium mit einer Reinheit von mindestens 99 % und Chlormethan (CH3Cl). Bei dem sogenannten Müller-Rochow-Verfahren wird pulverförmiges Rohsilizium mit Korngrößen zwischen 50 und 500 Mikrometern zusammen mit Kupfer als Katalysator und Aktivatoren in einen Wirbelschichtreaktor gebracht. Das Chlormethan wird unten in den Reaktor eingelassen und durchströmt die Pulvermischung. Die Reaktion findet bei Temperaturen zwischen +260 °C und +320 °C und Drücken zwischen 1 bis 5 bar statt.

Bei dieser Reaktion wird eine Mischung von Chlormethylsilanen erhalten, die anschließend durch fraktionierte Destillation in ihre Bestandteile getrennt wird. Für die Silikonherstellung wichtigstes Edukt ist Dimethyldichlorsilan ((CH3)2Cl2Si). Durch Hydrolyse spaltet sich Chlorwasserstoff ab und die beiden Chloratome werden durch Hydroxylgruppen (-OH) ersetzt. Durch anschließende Polykondensation werden Wassermoleküle abgespalten und es entsteht Polydimethylsiloxan. Diese Polysiloxane können weiter vernetzt oder in weiteren Reaktionsschritten mit funktionellen Gruppen versehen werden.

Silikone sind Bestandteile von Silikonölen, Silikonharzen und Silikonkautschuken. Silikonöle bestehen aus linearen Polysiloxanketten und finden Anwendung als Gleit- und Schmiermittel, Entschäumer, Dichtungs- und Hydraulikflüssigkeiten.

Silikon-O-Ringe - metrisch Stopfen aus Silikon - platinvernetzt

Silikonkautschuke bestehen aus langkettigen, dreidimensional vernetzten Polysiloxanen. Sie kommen als Dichtungsmasse und elektrisches Isolationsmaterial zum Einsatz. Implantate, Schnuller und Sauger für Babyflaschen sowie Back- und Eiswürfelformen werden aus physiologisch unbedenklichen Silikon-Qualitäten gefertigt. Ferner werden Silikonkautschuke zu Pumpenschläuchen, Schläuchen für die Medizintechnik, Halbzeugen, Verschluss-Stopfen und Dichtungen wie O-Ringen verarbeitet.

Im Vergleich zu anderen Gummischläuchen zeichnen sich Silikonschläuche durch einen äußerst breiten Einsatztemperaturbereich von -60 °C bis +300 °C aus. Auch bei tiefen Temperaturen bleiben sie kälteflexibel und elastisch. Silikonschläuche sind physiologisch unbedenklich und für den Einsatz in der Lebensmittel- und Medizintechnik geeignet.

Silikonharze sind noch stärker vernetzt als Silikonkautschuk. Sie dienen als isolierende, temperatur- und witterungsbeständige Beschichtungen und Lacke, Pressmassen und Laminate.

Silizium auf dem Mond

1969 ließ die Besatzung der Apollo-11 eine Siliziumscheibe der Größe einer 50 US-Cent Münze auf dem Mond zurück, in einem Aluminiumgehäuse mit der Aufschrift „From Planet Earth – July 1969“. Auf dem Wafer selbst sind „Goodwill“-Nachrichten von 73 Staatsführern enthalten, darunter auch von den amerikanischen Präsidenten Richard M. Nixon, Lyndon B. Johnson und John F. Kennedy. Jede Nachricht wurde fotografiert und auf eine Größe, die viel kleiner als ein Stecknadelkopf ist, verkleinert. Es wäre ein Mikroskop nötig, um die Nachrichten auf der Scheibe lesen zu können.

Silikonscheibe, die von der Apollo-11 Besatzung auf dem Mond zurückgelassen wurde
Silikonscheibe, die von der Apollo-11 Besatzung auf dem Mond zurückgelassen wurde

Aufgrund der zunehmenden Bedeutung von elektronischen Bauteilen wurde der Begriff vom Silizium-Zeitalter geprägt. Auch die Hightech-Region in Kalifornien, die „silicon valley“ genannt wird, macht auf die Bedeutung des Elementes Silizium für die Halbleiterindustrie aufmerksam.

Bild-Quellen: 
Beitragsbild: © SweetBunFactory – stock.adobe.com
Amorphes Siliziumdioxid: LHcheM, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons
Monokristalline Solarmodule: © visdia – stock.adobe.com
Silikonscheibe der Apollo-11-Mission: © NASA, Public domain, via Wikimedia Commons