Rein, reiner, WACKER-Poly

Ein aktuelles Beispiel, in welche Performance-Dimensionen die Mikroelektronik mittlerweile vorgestoßen ist, stellt der A17-Chip von Apple dar, der in den neuesten iPhones verbaut ist. Er baut auf der fortschrittlichsten 3nm-Technologie auf, enthält 19 Milliarden Transistoren und ist in der Lage, 35 Milliarden Rechenoperationen pro Sekunde durchzuführen. Solche modernen Chips ermöglichen nicht nur immer höhere Rechengeschwindigkeiten und Anwendungen, die noch vor wenigen Jahrzehnten als Science-Fiction abgetan worden wären – etwa künstliche Intelligenz und autonomes Fahren. Sie verbrauchen auch weniger Energie und leisten damit einen Beitrag zum Klimaschutz.

Chips wie der A17 schreiben die von Moore vor fast sechs Jahrzehnten beschriebene Entwicklung fort. Möglich werden solche Performance-Steigerungen, weil die Halbleiterindustrie einen immensen technologischen Aufwand betreibt und ihren Qualitätsanspruch auf die gesamte Lieferkette richtet. Auch von ihren Zulieferern verlangen die Halbleiterhersteller, dass diese ihre Produkte und Prozesse permanent bis ins kleinste Detail optimieren, weiterentwickeln und sie bis zur Perfektion beherrschen.

Denn gestiegene Leistungsanforderungen haben Auswirkungen auf das Ausgangsmaterial der meisten Chips: polykristallines, hochreines Silicium. Ohne dieses Silicium gäbe es keine Chip-, aber auch keine Photovoltaik-Industrie. Es muss reiner sein als rein – kritische Fremdatome werden in ppt („parts per trillion“= ein Fremdatom auf eine Billion Silicium-Atome) gemessen und spezifiziert. Die Experten sprechen von der sogenannten 12N-Reinheit – also einer Reinheit von 99,9999999999%. Um das anschaulich zu machen: Ein ppt entspricht einer Konzentration von drei Zuckerwürfel in zehn Milliarden Litern Wasser – so viel wie eine Millionen Tanklaster fassen können. Und diese Reinheit muss in jedem einzelnen Beutel, in jeder Lieferung von Polysilicium an unsere Kunden gewährleistet sein.

Wir Menschen können derart geringe Konzentrationen nicht wahrnehmen. WACKER POLYSILICON verfügt jedoch über eine herausragende Analytik, die selbst in diesem extremen Spurenbereich noch verlässliche Aussagen treffen kann – ein echtes Alleinstellungsmerkmal in der Industrie. Und einer von mehreren Faktoren, warum WACKER POLYSILICON als der weltweit führende Spezialist für derart hochreines Silicium gilt.

An den Standorten Burghausen und Nünchritz in Deutschland sowie in Charleston im US-amerikanischen Tennessee betreibt der Konzern Anlagen, um diesen Grundstoff herzustellen. Zu den über 2.400 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern dieses Geschäftsbereiches der Wacker Chemie AG gehört Michaela Waldhör, die als stellvertretende Schichtführerin in der Polysiliciumreinigung in Burghausen tätig ist. Der hohe Qualitätsanspruch fasziniert sie: „Wir betreiben hier eine aufwändige Infrastruktur, um die Vorgaben der Chipindustrie erfüllen zu können. Die geforderte Qualität bekommen wir nur gemeinsam hin“, erklärt Michaela Waldhör. Rund 60 Kollegen sind derzeit in einer Schicht beschäftigt. Der Betrieb läuft vollkontinuierlich, rund um die Uhr, sieben Tage die Woche.

WACKER verfügt über fast 70 Jahre Erfahrung mit der Herstellung von Polysilicium. Bereits Mitte der 1950er-Jahre hatte der Konzern mit der Herstellung dieses Materials für die aufkommende mikroelektronische Industrie begonnen. In den Anlagen von WACKER POLYSILICON entsteht aus Rohsilicium mit einem Halbmetallgehalt von 98 bis 99 Prozent das hochreine Silicium mit eben jener 12N-Reinheit, wie sie von der Halbleiterindustrie gefordert wird.

Das Rohsilicium für diesen Prozess stammt unter anderem aus einer WACKER-eigenen Produktion im norwegischen Holla und geht anschließend zur Weiterverarbeitung an die Standorte Burghausen, Nünchritz und Charleston. Dort wird es mit gasförmigem Chlorwasserstoff bei 300 bis 350 Grad Celsius in einem Wirbelschichtreaktor zu flüssigem Trichlorsilan umgesetzt. Dieses Trichlorsilan geht dann zur Destillation, um Verunreinigungen zu entfernen. Danach wird das jetzt extrem reine Trichlorsilan im Abscheidereaktor nach dem sogenannten Siemens-Verfahren auf über 1.000 Grad erhitzt und über dünne, U-förmige Silicium-Stäbe geleitet. Dort zerfällt das Trichlorsilan, das Silicium wird auf der Staboberfläche abgeschieden und der dabei entstandene Chlorwasserstoff wieder in den Prozess zurückgeführt. Dieses Prinzip heißt bei WACKER Verbundproduktion.
Allerdings können die Wafer-Hersteller in dieser Form aus dem polykristallinen Material noch nicht die hochreinen monokristallinen Siliciumscheiben herstellen, die als Wafer das Vorprodukt der Chips bilden. Sie benötigen kleinere Siliciumstücke, die leichter aufgeschmolzen und dann zu einem perfekten Kristall gezogen werden können. Deshalb wird das Material gebrochen.

Die Brechwerkzeuge führen allerdings wiederum zu einer (geringen) Kontamination mit Fremdatomen. Und jedes Fremdatom stört die notwendige Reinheit des Einkristalls und verändert dessen physikalische Eigenschaften. Insbesondere Phosphor und Bor müssen möglichst vollständig eliminiert werden. Denn diese Elemente werden später zum Teil für die Chipproduktion in genau definierten Spurenkonzentrationen eingesetzt, um die Leistungseigenschaften der Halbleiterbauelemente gezielt zu verändern. Aber auch Natrium, Eisen, Kohlenstoff und andere Elemente, die in der Natur im Verbund mit Silicium vorkommen oder mit denen das Silicium in der Herstellung in Kontakt kommt, müssen entfernt werden. Sie würden die elektrischen Eigenschaften der Chips empfindlich stören.

Daher muss die Oberfläche des in der Halbleiterindustrie verwendeten Polysiliciums nach dem Brechen noch einmal separat gereinigt werden. Die Perfektion, in der WACKER POLYSILICON diese Prozesse beherrscht, ist eine Kernkompetenz des Geschäftsbereichs und ein wesentlicher Grund für seine starke Marktposition.

Durch ihre Ausbildung zur Chemikantin und Industriemeisterin Chemie bringt Michaela Waldhör hierfür das notwendige Know-how mit. Bei der Polysiliciumreinigung geht es um chemische und verfahrenstechnische Prozesse.

In den Aufbau der neuen Reinigungslinie in Burghausen fließt das gesamte, in Jahrzehnten erworbene Know-how des Geschäftsbereichs: „Verfahrenstechnik, Chemie und Maschinenbau müssen wir selbst beherrschen – für die Reinheit, die von unserem Produkt gefordert wird, gibt es keine Anlage von der Stange, die man kaufen könnte“, betont Armin Sandner, Leiter Halbleiter-Poly bei WACKER.

Und das gilt auch für die Beschäftigten. So ausgereift und automatisiert die Prozesse bei WACKER POLYSILICON sind – die Qualität des Produkts hängt nicht zuletzt am erfahrenen und engagierten Personal. Durch die Erweiterung der Polysiliciumreinigung schafft WACKER in Burghausen mehr als 100 neue und attraktive Arbeitsplätze. Und auch der Standort Charleston profitiert von der Erweiterung. Denn der Ausbau schafft die Möglichkeit, in den USA hergestelltes, hochreines Polysilicium in Deutschland weiter zu veredeln – und trägt damit zu einer weiteren Vernetzung und stärkeren Zusammenarbeit über den Atlantik bei.

Michaela Waldhör, die stellvertretende Schichtführerin aus der Polysiliciumreinigung in Burghausen, beeindruckt und begeistert diese enorme Bedeutung des Halbleitersiliciums immer wieder aufs Neue. „Jede und jeder von uns nutzt täglich unweigerlich Technik, die erst durch unser Silicium möglich wird“, sagt sie.

Auch wenn auf den Endprodukten nicht WACKER draufsteht, so ist doch das Know-how und die Kompetenz des Konzerns nötig, um unser tägliches Leben mit Smartphones, Computern und Internet am Laufen zu halten.