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1.Warum Silizium für Chips?Gibt es Materialien, die es in Zukunft ersetzen können?
Der Rohstoff für Chips sind Wafer, die aus Silizium bestehen.Es gibt ein Missverständnis, dass „Sand zur Herstellung von Spänen verwendet werden kann“, aber das ist nicht der Fall.Der chemische Hauptbestandteil von Sand ist Siliziumdioxid, und der chemische Hauptbestandteil von Glas und Wafern ist ebenfalls Siliziumdioxid.Der Unterschied besteht jedoch darin, dass Glas polykristallines Silizium ist und das Erhitzen von Sand bei hohen Temperaturen polykristallines Silizium ergibt.Wafer hingegen bestehen aus monokristallinem Silizium, und wenn sie aus Sand hergestellt werden, müssen sie weiter von polykristallinem Silizium in monokristallines Silizium umgewandelt werden.

Was genau Silizium ist und warum man daraus Chips herstellen kann, das verraten wir der Reihe nach in diesem Artikel.

Das erste, was wir verstehen müssen, ist, dass Siliziummaterial kein direkter Sprung zum Chip-Schritt ist, Silizium wird aus Quarzsand aus dem Element Silizium raffiniert, wobei die Protonenzahl des Elements Silizium um eins höher ist als die des Elements Aluminium und um eins weniger als die des Elements Phosphor Es ist nicht nur die materielle Grundlage moderner elektronischer Computergeräte, sondern auch Menschen, die nach außerirdischem Leben suchen, eines der grundlegenden möglichen Elemente.Wenn Silizium gereinigt und raffiniert ist (99,999 %), kann es normalerweise zu Siliziumwafern verarbeitet werden, die dann in Scheiben geschnitten werden.Je dünner der Wafer, desto geringer sind die Herstellungskosten des Chips, desto höher sind jedoch die Anforderungen an den Chipprozess.

Drei wichtige Schritte bei der Umwandlung von Silizium in Wafer

Konkret kann die Umwandlung von Silizium in Wafer in drei Schritte unterteilt werden: Siliziumveredelung und -reinigung, Einkristall-Siliziumwachstum und Waferformung.

In der Natur kommt Silizium im Allgemeinen in Form von Silikat oder Siliziumdioxid in Sand und Kies vor.Das Rohmaterial wird in einen Elektrolichtbogenofen bei 2000 °C und in Gegenwart einer Kohlenstoffquelle gegeben und die hohe Temperatur wird genutzt, um Siliziumdioxid mit Kohlenstoff (SiO2 + 2C = Si + 2CO) zu reagieren, um Silizium in metallurgischer Qualität zu erhalten ( Reinheit etwa 98 %).Für die Herstellung elektronischer Bauteile reicht diese Reinheit jedoch nicht aus, sodass eine weitere Reinigung erforderlich ist.Das zerkleinerte Silizium in metallurgischer Qualität wird mit gasförmigem Chlorwasserstoff chloriert, um flüssiges Silan zu erzeugen, das dann durch ein Verfahren destilliert und chemisch reduziert wird, das hochreines Polysilizium mit einer Reinheit von 99,9999999999 % als Silizium in Elektronikqualität ergibt.

Wie erhält man aus polykristallinem Silizium monokristallines Silizium?Die gebräuchlichste Methode ist die Direktziehmethode, bei der Polysilizium in einen Quarztiegel gegeben und bei einer Temperatur von 1400 °C am Rand erhitzt wird, wodurch eine Polysiliziumschmelze entsteht.Natürlich wird zuvor ein Impfkristall hineingetaucht und mit der Ziehstange in die entgegengesetzte Richtung getragen, während er langsam und vertikal aus der Siliziumschmelze nach oben gezogen wird.Die polykristalline Siliziumschmelze haftet am Boden des Impfkristalls und wächst nach oben in Richtung des Impfkristallgitters, das nach dem Herausziehen und Abkühlen zu einem Einkristallstab mit der gleichen Gitterorientierung wie der innere Impfkristall wächst.Schließlich werden die einkristallinen Wafer getrommelt, geschnitten, geschliffen, abgeschrägt und poliert, um die so wichtigen Wafer herzustellen.

Abhängig von der Schnittgröße können Siliziumwafer in 6", 8", 12" und 18" eingeteilt werden.Je größer der Wafer ist, desto mehr Chips können aus jedem Wafer herausgeschnitten werden und desto geringer sind die Kosten pro Chip.
2. Drei wichtige Schritte bei der Umwandlung von Silizium in Wafer

Konkret kann die Umwandlung von Silizium in Wafer in drei Schritte unterteilt werden: Siliziumveredelung und -reinigung, Einkristall-Siliziumwachstum und Waferformung.

In der Natur kommt Silizium im Allgemeinen in Form von Silikat oder Siliziumdioxid in Sand und Kies vor.Das Rohmaterial wird in einen Elektrolichtbogenofen bei 2000 °C und in Gegenwart einer Kohlenstoffquelle gegeben und die hohe Temperatur wird genutzt, um Siliziumdioxid mit Kohlenstoff (SiO2 + 2C = Si + 2CO) zu reagieren, um Silizium in metallurgischer Qualität zu erhalten ( Reinheit ca. 98 %).Für die Herstellung elektronischer Bauteile reicht diese Reinheit jedoch nicht aus, sodass eine weitere Reinigung erforderlich ist.Das zerkleinerte Silizium in metallurgischer Qualität wird mit gasförmigem Chlorwasserstoff chloriert, um flüssiges Silan zu erzeugen, das dann durch ein Verfahren destilliert und chemisch reduziert wird, das hochreines Polysilizium mit einer Reinheit von 99,9999999999 % als Silizium in Elektronikqualität ergibt.

Wie erhält man aus polykristallinem Silizium monokristallines Silizium?Die gebräuchlichste Methode ist die Direktziehmethode, bei der Polysilizium in einen Quarztiegel gegeben und bei einer Temperatur von 1400 °C am Rand erhitzt wird, wodurch eine Polysiliziumschmelze entsteht.Natürlich wird zuvor ein Impfkristall hineingetaucht und mit der Ziehstange in die entgegengesetzte Richtung getragen, während er langsam und vertikal aus der Siliziumschmelze nach oben gezogen wird.Die polykristalline Siliziumschmelze haftet am Boden des Impfkristalls und wächst nach oben in Richtung des Impfkristallgitters, das nach dem Herausziehen und Abkühlen zu einem Einkristallstab mit der gleichen Gitterorientierung wie der innere Impfkristall wächst.Schließlich werden die einkristallinen Wafer getrommelt, geschnitten, geschliffen, abgeschrägt und poliert, um die so wichtigen Wafer herzustellen.

Abhängig von der Schnittgröße können Siliziumwafer in 6", 8", 12" und 18" eingeteilt werden.Je größer der Wafer ist, desto mehr Chips können aus jedem Wafer herausgeschnitten werden und desto geringer sind die Kosten pro Chip.

Warum ist Silizium das am besten geeignete Material für die Herstellung von Chips?

Theoretisch können alle Halbleiter als Chipmaterialien verwendet werden, aber die Hauptgründe, warum Silizium das am besten geeignete Material für die Herstellung von Chips ist, sind folgende.

1, entsprechend der Rangfolge des Elementgehalts der Erde, in der Reihenfolge: Sauerstoff > Silizium > Aluminium > Eisen > Kalzium > Natrium > Kalium ... Sie können sehen, dass Silizium an zweiter Stelle steht und der Gehalt riesig ist, was auch ermöglicht Chip verfügt über einen nahezu unerschöpflichen Rohstoffvorrat.

2. Die chemischen Eigenschaften und Materialeigenschaften des Siliziumelements sind sehr stabil. Der früheste Transistor wurde aus dem Halbleitermaterial Germanium hergestellt. Da die Temperatur jedoch 75 ° C überschreitet, ändert sich die Leitfähigkeit stark und wird nach der Umkehrung in einen PN-Übergang umgewandelt Der Leckstrom von Germanium ist größer als der von Silizium, daher ist die Auswahl eines Siliziumelements als Chipmaterial angemessener.

3. Die Technologie zur Reinigung von Siliziumelementen ist ausgereift und kostengünstig. Heutzutage kann die Reinigung von Silizium 99,9999999999 % erreichen.

4, Siliziummaterial selbst ist ungiftig und harmlos, was auch einer der wichtigen Gründe ist, warum es als Herstellungsmaterial für Chips gewählt wird.