Wie wird das begehrte hochreine Silicium für die Halbleiterindustrie in Waffelform (Wafer) hergestellt - die Basis für die Chips? Sauber allein genügt hier nicht - oder wie hieß der Werbespruch? Selbst rein genügt den Anforderungen der Mikroelektronik noch lange nicht. Das Silicium muß ein völlig gleichmäßiges Kristallgitter bilden, in dem alle Atome exakt die gleichen Abstände und Winkel zueinander haben. Solche Eigenschaften besitzt nur ein Kristall, das aus einem Stück gewachsen ist. Aber wie?
Man erhält anfangs durch Reduktion von Siliciumtetrachlorid, SiCl4, mit Wasserstoff ein Vielkristallgebilde, das zunächst eingeschmolzen wird. Dann taucht man in die Schmelze wie einen Finger, einen dünnen Impfkristall. Dieser „Fingerzeig“ bestimmt, wo es mit der Kristallorientierung hingeht. Beim Ziehen des Einkristalls werden gleichzeitig gezielt kleine Dosen von Fremdatomen, wie Bor oder Phosphor zugesetzt, um die geforderte Leitfähigkeit der späteren Chips oder der späteren Solarzelle zu erzielen. Der Kristall wächst und wird innerhalb von einigen Tagen langsam drehend herausgezogen. Die Schmelze um den „Impffinger“ erstarrt zu monokristallinem Silicium: ein etwa 2 m langer Kristallzylinder von 30 cm Dicke entsteht. Nach dem Rundschleifen schneidet man den Kristallstab in dünne Scheiben, in so genannte Wafer. Sie bilden das Rohmaterial zur Herstellung von Mikrochips. Auch in der Photovoltaik ist Silicium Ausgangsprodukt für die Solarzellen.
Wer käme auf die Idee, dass hochreines Silicium selbst bei der Neudefinition des guten alten Urkilogramms eine Rolle spielt? Während alle anderen Grundeinheiten wie Meter und Sekunde über Naturkonstanten definiert sind, ist das Urkilogramm der Dinosaurier unter den Einheiten. Dieses internationale Standardmaß, ein 1-kg-Zylinder aus einer Platin-Iridium-Legierung, lagert seit 1889 in Sèvres bei Paris. Beim jährlichen Vergleich mit dem Urkilogramm wichen Kopien immer mehr vom Original ab.
Experten vermuten, dass aus dem Urkilogramm eingeschlossene Gase diffundieren: Oh Schreck, ein jährlicher Gewichtsverlust von 0,000.0005 Gramm. Ein Erbsenzählertrauma! Mit einer verblüffend neuen Referenz versuchen es jetzt die Wissenschaftler an der PTB in Braunschweig, und zwar mit einer hochreinen Kugel aus einem Silicium-28-Einkristall. Es geht dabei um die Anzahl der Atome, die zusammen präzise 1 kg wiegen sollen. Die Crux dieser aus 21 Quadrillionen Si-Atomen (eine 26stellige Zahl) bestehenden Kugel: Sie läßt sich trotz Laservermessung noch nicht genügend präzise herstellen. Allein die „Oberfächenrauhigkeit“ ist noch zu groß. Übertragen auf die Erdkugel, hätte der Mount Everest die Größe eines Termitenhüges.
Die virtuose, lebendige Natur nutzt seit Urzeiten Silicium als Baumaterial. Eine Reihe von Lebewesen erzeugen siliciumdioxidhaltige Strukturen. Viele Pflanzen stützen ihre Stengel und Blätter mit einem Gerüst aus Siliciumdioxid. Aber auch der Schutzmechanismus der Brennesel nutzt Silicium. Die Wände dieser wundersamen hohlen Brennhaare mit eingebauter Sollbruchstelle enthalten im oberen Teil eingelagerte Kieselsäure; sie sind dadurch hart und spröde. Schon beim leichten Berühren brechen die Haare ab; sie hinterlassen eine schräge, scharfe Bruchstelle, gleich der einer medizinischen Spritzkanüle, aus der Ameisensäure tritt.
Auch in der Fauna bilden viele Schwämme und Radiolarien Außenskelette aus Siliciumdioxid. Am bekanntesten sind die Kieselalgen (Diatomeen). Die Biochemiker sind auf der Suche nach der Biomineralisation in Kieselalgen. Diese und andere Meeresorganismen verarbeiten in den Weltmeeren jährlich etwa 6,7 Gigatonnen Silicium zum Aufbau von Siliciumdioxid-Biomineralen. Das wäre ein ungeheuer großer Würfel von 14,2 Kilometer.
Die Zellwände der Einzeller haben faszinierende geometrische Strukturen, die Species-spezifisch sind, also genetisch kontrolliert entstehen. Diese nanostrukturierten Biomineralien wirken als Verbundwerkstoffe mit Proteinen und langkettigen Polyaminen. Alle organischen Komponenten haben offenbar Einfluss auf die Strukturen der Zellwände. Gerade ist man dabei, aus der Biochemie der Kieselalgen zu lernen. Die Grundlagenforscher interessieren vor allem die faszinierenden Strukturen und Bindungsverhältnisse neuartiger siliciumorganischer Verbindungen, die Ausgangspunkte neuer Materialien für neue Anwendungen sein könnten.
Auch wir Menschen benötigen Silicium für das Wachstum der Knochen Nägel und Haare. Ein Mangel führt zu Wachstumsstörungen. Unser Körper enthält etwa 20 mg pro Kilogramm davon, gebunden als organische Kieselsäure. Im Blut befinden sich drei Formen von Silicium: 10% ist wasserlöslich, 60% ist mit Eiweißkörpern gebunden und 30% ist an Fette gebunden. Silicium kann aber mehr: Es ist ein wirksames biologisches Heilmittel, das die Verkalkungssymptome nicht nur unterdrückt, sondern auch die Folgen von Arteriosklerose verbessert. Silicium verbessert die Elastizität des Bindegewebes.
Bei der Arterienverkalkung ist ja die Gefäßinnenhaut der Arterienwand degenerativ verändert. Arteriosklerotisch belastete „alte“ Arterien enthalten vierzehn mal weniger Silicium als gesunde Arterien. Französische Forscher stellten nun fest, dass bei Arteriosklerose eine Erhöhung von Silicium im Blut eine "Verjüngung" des Proteins der Gefäßwand hervorruft. Der Blutdruck ging herunter, Lymphozyten und Phagozyten wurden stark vermehrt. Mit einer Siliciumtherapie normalisiert sich der erhöhte Blutdruck, da die Gefäßwände elastischer werden; sie können sich wieder ihrer Aufgabe der rhythmischen Gefäßwandausdehnung und -verengung, nämlich im Rhythmus des Herzschlags, anpassen.
Silicium-Kohlenstoff-Bindungen gewinnen für chemisch beschleunigende Prozesse immer mehr an Bedeutung. Riesenmoleküle, so genannte Polymere, die Silicium und Übergangsmetalle enthalten, haben höchst interessante physikalische und chemische Eigenschaften. Die bekanntesten sind die Silicone (Weltjahresproduktion im Megatonnenbereich). Deren Gerüst besteht abwechselnd aus Silicium- und Sauerstoff-Atomen. Diese als Öle, Kautschuke oder Harze hergestellten Polymere haben sich bereits etabliert in Hydraulik-Flüssigkeiten, Shampoos, Weichspülern, Fugendichtmassen und plustern selbst Brustimplantate auf.
Oberflächlich mit Wasserstoff bedecktes, poröses Silicium kann unter Lasereinstrahlung und Beigabe von Sauerstoff hochexplosiv sein. Damit sind Sprengungen im Mikrometerbereich möglich. Geschwindigkeit und Energie der Detonation sind höher als bei TNT. Da gibt es aber einen Haken: um poröses Silicium reaktionsfähig zu machen, sind Temperaturen von unter -180°C erforderlich. Mögliche Einsatzgebiete lägen im Bereich des absoluten Nullpunkts, also im Weltraum. Durch die hohe Sprengpräzision ließen sich z. B. Satelliten vom Raumschiff abtrennen.
Silicium gehört zum Leben; es ist ein gewichtiger, vielseitiger Bestandteil unseres Mutterraumschiffs Erde mit ihrem Gewicht von fast sechs Trilliarden, also ausgeschrieben 6.000.000.000.000.000.000.000 Tonnen.
Wer sich in ein Silicium-Zertifikat ohne Laufzeitbegrenzung einkaufen möchte, dem bietet die Raiffeisen Centrobank in Wien ein Investment auf das Silicium-Basket WKN RCB4S6. Der Aktienkorb bildet mit einem Anteil von je 16,66% die Aktien der sechs weltweit führenden Siliciumhersteller Wacker Chemie, Solarworld, REC, MEMC, Tokuyama und Mitsubishi Materials ab. Das Zertifikat ist an den Börsen in Wien und Stuttgart gelistet.
