Hightech aus Sand – Die Basis moderner Technologie
Mikrochips sind das Herzstück moderner Technik, unverzichtbar in Computern, Autos und Smartphones. Doch wie genau entsteht aus einfachem Sand diese hochkomplexe Technologie?
- Silizium aus Quarzsand: Silizium wird aus Quarzsand gewonnen und bildet die Basis für Mikrochips.
- Komplexe Produktionsprozesse: Die Herstellung von Mikrochips umfasst hochpräzise Prozesse, von der Wafer-Produktion bis zur Transistorschaltung.
- Technologie und Know-how: Die Mikrochip-Entwicklung erfordert teure Maschinen und das Fachwissen zahlreicher Ingenieure.
Mikrochips: Schlüsseltechnologie der Moderne
Mikrochips sind die Schlüsseltechnologie der modernen Welt. Sie sind nicht nur in Computern, Autos, Smartphones oder Waschmaschinen verbaut, sondern finden sich auch regelmäßig unbewusst in unseren Händen, beispielsweise in Kreditkarten, Autoschlüsseln oder Reisepässen. Mikrochips fungieren dabei als essenzielle Bausteine, die die Grundlage für die Entwicklung und Funktionsweise künstlicher Intelligenz bilden. Der Bedarf an ihnen wächst rasant und ihre Herstellung ist hochkomplex und kapitalintensiv. Dabei ist die Grundzutat in den meisten Fällen ganz einfach: Sand.
Silizium: Der Halbleiter aus Quarzsand
Gewöhnlicher Quarzsand besteht im Wesentlichen aus Siliziumdioxid. Nach Sauerstoff und Eisen ist Silizium das dritthäufigste Element auf der Erde. Es zählt zu den sogenannten Halbleitern. Das heißt, dass es im Periodensystem der Elemente zwischen den elektrisch leitfähigen Metallen und den Nichtleitern steht. Das Besondere an solchen Halbleitern ist, dass sie je nach Situation elektrisch leitfähig sein können als auch isolierend und dass diese Eigenschaften gezielt gesteuert werden können.
Die Erfindung des Transistors im Jahr 1948 beruht auf dieser Eigenschaft der Halbleiter. Er ist eine Art steuerbarer Widerstand und regelt wie ein Schalter, ob Strom fließen darf oder nicht. Aus Transistoren lassen sich komplexe Schaltkreise erstellen, wodurch erst elektronische Geräte wie Radios, Fernseher oder Computer entwickelt werden konnten.
Während die ersten einzelnen Transistoren noch handtellergroß waren, passen inzwischen mehrere Milliarden kleinste Transistoren auf einen einzigen Mikrochip. Zum Größenvergleich: mehr als 30.000 solcher Mini-Transistoren würden auf den Querschnitt eines menschlichen Haares passen. Die hochkomplexen integrierten Schaltkreise (IC) sind also extrem minimiert.
Vom Quarzsand zum Silizium-Wafer
Grundlage bei der Chipproduktion sind die sogenannten Wafer, die meist aus Silizium bestehen. Für die Gewinnung wird Quarzsand bei rund 2000 °C geschmolzen und in mehreren chemischen und mechanischen Prozessen verfeinert. Am Ende bleibt eine perfekte, regelmäßige Kristallstruktur in Zylinderform übrig. Diese bis zu 2 Meter langen Siliziumstäbe werden in dünne Scheiben geschnitten, die sogenannten Wafer. Diese Wafer werden anschließend gereinigt und geschliffen und poliert, ihre Reinheit ist entscheidend. Alle Siliziumatome müssen perfekt im Kristallgitter ausgerichtet sein.
Vom Silizium-Wafer zum Mikrochip
In Reinräumen werden die Wafer mit Fotolack beschichtet und die gewünschten Schaltpläne darauf mit Licht projiziert. Die belichteten Flächen werden anschließend weggeätzt. Diese Schritte werden etliche Male wiederholt, bis die einzelnen kleinen Transistoren fertig sind. Anschließend werden sie mit Kupferleiterbahnen miteinander verschaltet. So entstehen integrierte Schaltkreise mit teilweise mehr als hundert übereinander liegenden Schichten. Je nach Größe passen einige Hundert bis einige Tausend Chips auf einen Wafer. Sie werden zunächst auf ihre Funktion getestet, anschließend zerteilt eine Säge den Wafer in die Chips.
Zum Schluss erhält der Chip je nach Verwendungszweck ein schützendes Gehäuse oder eine Unterlage.
Technologie und Know-how in der Mikrochip-Herstellung
Nur mit Hochtechnologie können auf so kleinem Platz so komplexe Strukturen untergebracht werden. Die dafür nötigen Maschinen sind sehr teuer. Hochkomplex ist auch das Design der Schaltkreise. Bis zu hundert Ingenieure arbeiten jahrelang am Entwurf für einen Prozessor.
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