Europäische Halbleiter-Rohstoffe Vom Industrieabfall zum SiC-Wafer: Europa erprobt eine eigene Rohstoffkette

Anbieter zum Thema

Infineon Technologies AG

Semi Europe

STMicroelectronics Design and Aplication GmbH

EBV Elektronik GmbH & Co. KG

CTX Thermal Solutions GmbH

mehr weniger

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

weniger

Das EU-Projekt ReSiLient will Silizium und Siliziumcarbid aus europäischen Mineralien sowie industriellen Reststoffen gewinnen. Ob daraus eine wettbewerbsfähige Rohstoffbasis für Leistungshalbleiter entstehen kann, sollen Pilotprozesse und Versuche zur Kristallzüchtung bei Infineon und STMicroelectronics zeigen.

Silizium bildet die Grundlage eines Großteils der Halbleiterindustrie, während Siliziumcarbid vor allem in Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge, Ladeinfrastruktur, erneuerbare Energien und industrielle Antriebe an Bedeutung gewinnt. Europa verfügt zwar über eine starke Bauelemente- und Anlagenindustrie, ist bei den dafür benötigten Roh- und Ausgangsmaterialien jedoch auf internationale Lieferketten angewiesen.

Das europäische Forschungsprojekt ReSiLient soll untersuchen, ob sich ein größerer Teil dieser Wertschöpfung mit heimischen Mineralien und industriellen Reststoffen abbilden lässt. Das über Horizon Europe mitfinanzierte Vorhaben läuft über 48 Monate und verfügt über ein Budget von 9,57 Millionen Euro. Beteiligt sind nach Angaben des Konsortiums 18 Partner aus neun europäischen Ländern, darunter Wacker Chemie, Infineon, STMicroelectronics, Fiven, Topsil GlobalWafers und SINTEF.

Zwei Wege zu Silizium und Siliziumcarbid

ReSiLient verfolgt zwei miteinander verbundene Produktionsrouten. Die Primärroute setzt bei europäischen Mineralquellen wie Olivin und Aplit an. In der Sekundärroute sollen siliziumreiche industrielle Nebenprodukte und Abfallströme als Ausgangsmaterial dienen.

Die Aufbereitung umfasst mehrere Verfahrensschritte. Genannt werden hydrometallurgische Laugung, Agglomeration, Reinigung mittels Wasserstoffplasma und carbothermische Umwandlung. Damit sollen im Pilotmaßstab metallurgisches Silizium, kurz MG-Si, sowie hochreines Siliziumcarbid entstehen.

Die Kombination der Verfahren ist entscheidend, denn geeignete Siliziumquellen allein ergeben noch kein Halbleitermaterial. Insbesondere metallurgisches Silizium enthält zunächst Verunreinigungen, die für die nachfolgende Kristallzüchtung und die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente problematisch sein können. Die technische Herausforderung besteht deshalb nicht nur in der Rückgewinnung des Siliziums, sondern in einer reproduzierbaren Reinigung bis zu einer für die weitere Verarbeitung geeigneten Qualität.

Kristallzüchtung als industrieller Prüfstein

Das Projekt soll nicht bei der Erzeugung der Ausgangsmaterialien enden. Das gewonnene Silizium ist für Versuche mit dem Czochralski-Verfahren vorgesehen, bei dem einkristalline Siliziumstäbe aus einer Schmelze gezogen werden. Das erzeugte Siliziumcarbid soll in die SiC-Boule-Produktion einfließen. Infineon Technologies und STMicroelectronics Silicon Carbide sollen die Materialien mit kommerziell verfügbaren Ausgangsstoffen vergleichen.

Dieser Schritt unterscheidet ReSiLient von einem reinen Rohstoff- oder Recyclingprojekt. Erst die Kristallzüchtung zeigt, ob Verunreinigungen und Schwankungen des Ausgangsmaterials so weit beherrscht werden, dass sich daraus Halbleitersubstrate herstellen lassen.

Bei Siliziumcarbid reicht eine hohe chemische Reinheit allein jedoch nicht aus. Für Leistungshalbleiter sind unter anderem Kristallstruktur, Defektdichte, Dotierung und eine reproduzierbare Boule-Qualität entscheidend. Fehler im Kristall können später die Ausbeute, Sperrfähigkeit und Zuverlässigkeit der Bauelemente begrenzen. Die Beteiligung industrieller Anwender schafft deshalb eine wichtige Verbindung zwischen der Rohstoffaufbereitung und den Anforderungen der Halbleiterfertigung.

Recycling muss sich gegen etablierte Verfahren behaupten

Die sekundäre Produktionsroute könnte siliziumreiche Reststoffe erschließen, die bisher nur eingeschränkt genutzt oder geringerwertig verwertet werden. Das würde Abfallmengen reduzieren und zugleich den Bedarf an neu gewonnenen Rohstoffen senken. Ob daraus auch wirtschaftliche Vorteile entstehen, hängt allerdings stark von Zusammensetzung, Verfügbarkeit und Aufbereitungsaufwand der jeweiligen Stoffströme ab.

Reststoffe aus unterschiedlichen Industrieprozessen können stark variierende Verunreinigungen enthalten. Eine aufwendige Trennung und Reinigung könnte den Rohstoffvorteil teilweise wieder aufzehren. ReSiLient will die neuen Prozessketten daher hinsichtlich Kosten, CO₂-Fußabdruck und Versorgungssicherheit mit konventionellen Produktionswegen vergleichen.

Semi übernimmt Kommunikation und Standardisierung

Semi Europe leitet innerhalb des Projekts das Arbeitspaket für gesellschaftliche Akzeptanz, Kommunikation, Verbreitung und Standardisierung. Der Branchenverband soll unter anderem Interessengruppen in mindestens zehn europäischen Staaten einbinden, Veranstaltungen wie die Semicon Europa nutzen und eine externe technische Beratergruppe koordinieren.

Damit liegt die Aufgabe von Semi weniger in der Entwicklung der Verfahren als in der Überführung der Ergebnisse in Industrie und Standardisierung. Das kann für eine spätere Skalierung relevant werden: Neue Rohstoffquellen werden sich nur etablieren, wenn Materialqualität, Prüfmethoden und Lieferanforderungen zwischen Rohstoffanbietern, Kristallzüchtern und Halbleiterherstellern vergleichbar definiert sind.

Noch keine Rohstoffunabhängigkeit

ReSiLient kann zeigen, ob europäische Mineralien und industrielle Reststoffe als Ausgangspunkt einer Halbleiter-Rohstoffkette geeignet sind. Von einer unabhängigen europäischen Versorgung mit Silizium oder Siliziumcarbid ist das Vorhaben jedoch noch weit entfernt. Das Budget und der Pilotmaßstab sprechen zunächst für eine technische Demonstration. Entscheidend wird sein, ob die erzeugten Materialien bei Kristallqualität, Ausbeute und Kosten mit etablierten Ausgangsstoffen mithalten können. Vor allem in einem finanziell attraktiven Maßstab. Gelingt dieser Nachweis, könnte das Projekt Grundlagen für eine stärker diversifizierte europäische Lieferkette schaffen. (mr)

(ID:50955087)