mini|Bruchstück eines hochreinen, polykristallinen Siliciumstabs, der nach dem Siemens-Verfahren hergestellt wurde. Die Weiterverarbeitung zu Silicium-Einkristallen erfolgt nach dem Czochralski-Verfahren. Siliciumhersteller sind Unternehmen aus den Bereichen Bergbau, Metallindustrie und Chemieindustrie. Sie fördern das Element Silicium (Si) in verschiedenen Formen, stellen das Metall her, veredeln es und vermarkten es an verschiedene Abnehmerindustrien. Silicium ist das zweithäufigste Element (27,5 Gew.-%) in der Lithosphäre. Es kommt nicht in elementarer Form vor, sondern nur in Oxiden und Silicaten.
Silicium oder auch Silizium geschrieben ist eines der wichtigsten Materialien in der Elektroindustrie, beispielsweise in der Halbleiter- und Solarindustrie. Rund 45 % entfallen auf die Legierung von Aluminium (AlSi), 35 % auf Silane und Silikone. Die übrigen 20 % entfallen auf die Solar- und Halbleiterindustrie sowie andere Abnehmer. Ferrosilicium (FeSi) wird dagegen von der Stahlindustrie verwendet. Außerdem verwendet die Betonindustrie Silikastaub.
Die Herstellung von Silicium ist energieintensiv. Es wird jedoch an einer Dekarbonisierung gearbeitet.
Rohstoffe Silizium wird typischerweise aus Quarz bzw. Quarzit mit geringem Verunreinigungsgehalt (oder sehr hohem Anteil SiO2) hergestellt. Ein weiteres Erz ist Feuerstein, welches einen hohen Anteil Quarz enthält. Entgegen vieler Angaben kann feiner Quarzsand hingegen nicht als Rohstoffquelle verwendet werden, da es den Ofen verstopfen würde, sondern es werden 5–100 mm Stücke eingesetzt.
Quarz oder Quarzsand, sowie Siliciummetall, ist ein nach dem Europäischen Gesetz zu kritischen Rohstoffen (Critical Raw Materials Act, CRMA) ein kritischer Rohstoff.
Verfahren
Metallherstellung mini|Herstellung von Ferrosilicium im Werk Rana Metall, einem Teil von Elkem. Hier wird auch Siliciummetall hergestellt. Für die Herstellung des Metalls gilt die übergeordnete, zusammenfassende Reaktionsgleichung:
Das erste Zwischenprodukt ist somit metallurgisches Silicium (MG-Si) mit unzureichender Reinheit für elektronische Anwendungen. In diesem Schritt wird ebenfalls Ferrosilicium (FeSi) hergestellt. Das CO wird mit Sauerstoff zu CO2 umgesetzt.
Reinigungsverfahren Zum Entfernen von Verunreinigungen in MG-Si kommt großtechnisch der weiterentwickelte Siemens-Prozess oder Silanprozess zum Einsatz, mit dem hochreines polykristallines Siliciummetall (Poly-Si oder pc-Si) hergestellt wird. Schätzungsweise werden 1,3 kg MG-Si für die Herstellung von 1 kg Poly-Si benötigt. Poly-Si ist das Ausgangsmaterial für die Herstellung von Wafern. Metalle und Halbleitermaterialien werden auch mit dem Zonenschmelzverfahren (FZ) gereinigt.
Kristallzuchtverfahren Elektronisches Silicium (EG-Si) oder Halbleiter-Silicium (SG-Si) ist ultrareines polykristallines Silicium. Es dient als Einsatzmaterial in Kristallzuchtverfahren wie dem Zonenschmelzverfahren (FZ)Das FZ-Verfahren kann zur Reinigung und Kristallzucht verwendet werden. oder dem Czochralski-Verfahren (CZ), die in der modernen Halbleitertechnik zur Herstellung von Wafern für die Mikroelektronik eingesetzt werden.
Beim CZ-Verfahren wird ein Einkristall als Grundlage für die Herstellung von Wafern gezogen. Wafer müssen frei von Gitterfehlern sein, da die halbleitertechnischen Technologieknoten immer aufwendiger werden. Ultrareine monokristalline Wafer werden von spezialisierten Unternehmen hergestellt, die über die entsprechende Kompetenz im Anlagenbau, der Prozessautomatisierung und in den Verfahren verfügen. Die Ausbeute ist eines der entscheidenden Kriterien bei der Herstellung von Mikroelektronik und hängt unmittelbar von der Qualität der Wafer und der Halbleiterverfahren ab. Produkte Die Produkte sind nach Reinheitsgraden gestaffelt. Sie werden in speziellen metallurgischen-, chemischen- und physikalischen Verfahren für die jeweiligen Zielanwendungen hergestellt. Es wird die Neun-Schreibweise für den Reinheitsgrad verwendet, d. h. 99 % = 2N, 99,9 % = 3N, 99,99 % = 4N usw.
Grundprodukte:
Siliciummetall oder metallurgisches Silicium (MG-Si) mit einer Reinheit von c. 95 % bis maximal 4N (also 99,99 %) Ferrosilicium (eine Eisen-Silicium-Legierung), mit verschieden hohen %-Anteilen Si, z. B. 75 %
MG-Si dient somit als Ausgangsstoff für weitere wichtige Si-Produkte mit höheren Reinheitsgraden.
Reinstprodukte:
Solar Silicium Poly-Si: 7N–8N Mono-Si: 9N–10N Elektronisches Silicium (EG-Si) oder Halbleiter-Silicium (SG-Si): 10N–11N
Das heißt, EG-Si hat einen Verunreinigungsgehalt im Bereich von nur 0,1–0,01 ppb. Es ist ultrareines (elementares und metallisches) Silicium.
Weitere Spezialprodukte (häufig in Zusammenhang mit speziellen Verfahren bzw. Anlagen):
Upgraded Metallurgical-Grade Solar Silicon (UMG-Si)
Kennzahlen
Laut den Berichten des SCRREEN2-Programms der EU wurden zwischen 2016 und 2020 weltweit etwa 238 Mio. Tonnen Quarzsand abgebaut. Quarzkristalle (-erze) dienen als Quelle dafür. Mit 41 % waren die USA in diesem Zeitraum der Hauptproduzent.
Die weltweite Siliciumproduktion (Ferrosilicium und Siliciummetall) belief sich im Jahr 2021 auf 8,5 Mio. Tonnen. Laut Daten des United States Geological Survey (USGS) ist die VR China mit großem Abstand weltweit der größte Produzent von Silicium als Rohstoff (Stand 2025).
Im Jahr 2016 lieferte China rund 1,9 Mio. t metallurgisches Silicium (MG-Si). Im gleichen Jahr belief sich die gesamte Polysilicium-Produktion Chinas auf 169.000 t. Dies entsprach 48 Prozent der weltweiten Gesamtproduktion.
Bei der Produktion von Siliciummetall wurden im Zeitraum 2016–2020 rund 3 Mio. Tonnen gewonnen. Davon entfielen rund 77 % auf die VR China (2224 kt pro Jahr-Äquivalent), gefolgt von Brasilien mit 7 %, Norwegen mit 6 % und Frankreich mit 4 %.
Siliciumhersteller Die unten genannten Hersteller liefern die o. g. Siliciumprodukte und firmieren als Einzelunternehmen, Ausgründungen oder Zusammenschlüsse (Joint Ventures). Die Liste unterscheidet sich von den Rankings der als „Halbleiterhersteller“ bezeichneten Unternehmen, welche Silicium als Wafer beziehen und Halbleiterprodukte entwickeln, herstellen und verkaufen.
Grundstoff-Lieferanten (Erze, Metallisches Si und Ferrosilicium) Zu den Metall-Unternehmen, die Silicium-Erze, metallurgisches Silicium und/oder Ferrosilicium (FeSi) liefern, zählen: Elkem aus Norwegen Ferroglobe, Zusammenschluss 2015 von Globe Specialty Metals, USA und Grupo Ferroatlántica, Spanien Invensil, ehem. Péchiney (Frankreich), dann Rio Tinto Alcan (Kanada) RIMA aus Brasilien China: Zhongneng Polysilicon, China Silicon, TBEA (Tebian Electric Apparatus) oder Xinjiang DAQO
Halbleitersilizium (Ultrareines, kristallines Silicium) mini|297x297px|Ein Intel-Pentium-Mikroprozessor im der Gehäuse, ein Mikroprozessor ohne Verpackung (nur das Die) sowie ein 8"-Wafer (200 mm), der für die Produktion benutzt wurde. Wafer sind dünne, brüchige Scheiben, die nur mit Handschuhen gehandhabt werden sollten.Hersteller von Wafern für integrierte Schaltkreise (ICs) bzw. Mikroelektronik werden formal zur Halbleiterindustrie gezählt, sind aber Industrieunternehmen mit Anteilen im Maschinenbau und Anlagenbau, sowie der industriellen Chemie. Zu den bekannten Wafer-Herstellern für Mikroelektronik, die auch Teil der Silicon Manufacturers Group (SMG)-Interessengemeinschaft des Branchenverbandes Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI) sind, zählen (Stand 2023):
GlobalWafers (GW), Taiwan Okmetic, Finnland Shin-Etsu, Japan SK siltron, Südkorea SUMCO, Japan Siltronic AG (Ausgründung der Wacker Chemie AG – Wacker selbst liefert ultrareines Polysilicium) Wafer Works, Taiwan Formosa Sumco, Taiwan (JV Formosa & Sumco)
Solarsilicium (Poly oder Mono-Si) mini|Kollage zu polykristallinem Silicium: Links ist eine Solarzelle zu sehen, oben rechts ein Bruchstück eines Bruchstücks aus dem Reinigungsverfahren nach Siemens und unten einzelne Brocken für die Wafer-Herstellung (poly- oder monokristallin). Gereinigtes Poly-Si dient als Ausgangsstoff für die Kristallzuchtverfahren. Für Solarzellen ist Poly-Si grundsätzlich ausreichend, da es nicht für integrierten Schaltkreise (ICs) verwendet wird. Die Liste (Stand Ende 2022) ist an die Top-10 nach dem Marktforschungsunternehmen Bernreuter Research angelehnt. Die Hersteller von polykristallinem Solar-Silicium sind nicht nach der Produktionskapazität (in MT, metrische Tonne), sondern nach der tatsächlichen Produktion im Jahr 2021 geordnet.
Tongwei (Yongxiang New Energy), China GCL Technology Holdings, China (und Hongkong) Daqo New Energy, China Wacker Chemie bzw. Siltronic (Ausgründung), Deutschland und Standorte in den USA Xinte Energy, China Xinjiang East Hope New Energy, China OCI Company, Südkorea Asia Silicon, China Hemlock Semiconductor Operations (JV aus Dow und Shin-Etsu), USA und Japan Shaanxi Non-ferrous Tian Hong REC Silicon Materials (Kurzform: TianREC), China Weitere Hersteller QSTec, Katar REC Silicon (Union Carbide Corporation 1983), Standorte in den USA Tokuyama, Japan
Ehemalige Hersteller oder Andere Dresden-Gittersee, in den 1980ern von der DDR geplantes Reinstsiliziumwerk Joint Solar Silicon (Evonik und ehem. SolarWorld), Deutschland LDK Solar SunEdison (MEMC), USA, verschiedene Standorte, Insolvenz mit Übernahme durch GlobalWafers
Silicium und Ferrosilicium-Kapazitäten
Einen Überblick über die globalen Erzeugermengen gibt folgende Tabelle:U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries 2022: SILICON. LandErzeugermengen20192020U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, Silicon 2021202120225.700.0005.600.0006.400.0006.000.000610.000576.000644.000640.000340.000404.000389.000400.000375.000345.000362.000360.000310.000277.000313.000310.000130.000112.000127.000120.000n. bek.67.000122.000120.00088.000103.000110.000110.000150.000109.00085.00092.00090.00067.00085.00085.000n. bek.n. bek.63.00063.00060.00059.00059.00059.00066.00055.00060.00057.000n. bek.42.00050.00050.00057.00047.00049.00049.000n. bek.42.00049.00049.00063.00040.00049.00019.00096.000n. bek.n. bek.n. bek.Weltweit8.410.0008.120.0009.150.0008.800.000
Wafer-Kapazitäten Bei der weltweiten Waferproduktion (für die Hersteller siehe oben) führen laut Analysen (Stand 2022) des Marktforschungsunternehmens Knometa Research die folgenden Länder:
Südkorea (23 %) Taiwan (21 %) China (16 %) Japan (15 %) Americas (11 %) Europa (5 %) ROW (Rest of world) (9 %)
Der Report kalkuliert eine Verteilung von 21,6 Mio. 200 mm-äquivalenten Wafern pro Monat. Zu bemerken ist noch, dass 50 % der chinesischen Kapazitäten von ausländischen Unternehmen kontrolliert werden. Experten schätzen, dass die weltweit installierten Wafer-Kapazitäten im Jahr 2025 bei rund 42,5 Mio. Wafer pro Quartal (gerechnet in 300-mm-Wafer-Äquivalenten) liegen werden.
Kennzahlen Im Vergleich zu den Polysilizium-Produzenten, nutzt die Gruppe der Waferhersteller andere (eigene) Kennzahlen, darunter die vierteljährlichen Auslieferungen an Silicium (ohne Solar) in Millionen-Quadratzoll (Millions of Square Inches, kurz: MSI), siehe die Details unter Halbleiter.
Die Umsätze beliefen sich im Jahr 2022 auf 12,6 Milliarden US-Dollar. Die starke Nachfrage an Wafern übertrifft (Stand Juli 2021) das Angebot. +Trend der Auslieferungen an Silicium (Summe für das 1. bis 4. Quartal in Millions of Square Inches, MSI)JahrMSIJahrMSIJahrMSIJahrMSI20005.55220078.660201410.097202114.16520013.94020088.137201510.434202214.71320024.68120096.707201610.738202312.60220035.14720109.370201711.810202412.26520046.26320119,043201812.733202512.97320056.64520129.031201911.81020067.99420139.067202012.407 Andere Halbleitermaterialien Wafer werden stets für andere Halbleiter und -verbindungen, z. B. GaAs oder für Halbleiter mit breitem Bandabstand hergestellt. In diesem Bereich gibt es spezialisierte Unternehmen, da der Markt im Vergleich zu Silicium kleiner ist.
Siehe auch
Silanmodifizierte Polymere (SMP)
Literatur