Halbleitertechnologie von A bis Z

Alles über Halbleiter und die Waferfertigung

Die Elemente

Ein Element besteht aus mehreren gleichen Atomen (das bedeutet, mit derselben Anzahl an Protonen = Kernladungszahl) und ist ein Stoff, der mit chemischen Mitteln nicht weiter zerlegt werden kann. Die Masse von Elementen wird nur durch die Anzahl von Protonen und Neutronen bestimmt, da die Elektronenmasse vernachlässigbar gering ist. Wasserstoff mit einem Proton und keinem Neutron hat die Massenzahl 1, das nächst schwerere Element, Helium, besitzt die Massenzahl 4 (2 Protonen + 2 Neutronen). Die Massenzahl gibt die Anzahl der Teilchen im Atomkern an. Multipliziert mit der atomaren Masseneinheit u = 1,660·10-27 kg erhält man in etwa die Masse eines Atoms, für Helium 6,64·10-27 kg.

Die chemischen Elemente werden meist mit den Anfangsbuchstaben ihrer lateinischen oder griechischen Namen benannt (Wasserstoff [H] von lat. hydrogenium, Lithium [Li] von gr. lithos).

Das Periodensystem der Elemente

Das Periodensystem der Elemente (kurz PSE) stellt alle chemischen Elemente mit steigender Protonenanzahl (Kernladung, Ordnungszahl) und entsprechend ihrer chemischen Eigenschaften eingeteilt in Perioden sowie Haupt- und Nebengruppen dar.

Die Periode gibt dabei die Anzahl der Elektronenschalen an, die Hauptgruppe die Anzahl der Elektronen auf der äußersten Schale (1 bis 8 Elektronen). Gruppe 1 und 2 sowie 13-18 bilden die Hauptgruppen, die Gruppen 3-12 die Nebengruppen.

Das erste Element mit einer Schale (Periode 1) und einem Außenelektron (Gruppe 1) ist Wasserstoff H. Das nächste Element, Helium He, besitzt wie Wasserstoff nur eine Elektronenschale und befindet sich somit ebenfalls in Periode 1. Da die erste Schale mit zwei Elektronen bereits vollständig gefüllt ist, steht Helium Nicht in Gruppe 2, sondern in Gruppe 18 (Gruppe der Edelgase).

Um weitere Elektronen aufnehmen zu können, muss eine neue Schale begonnen werden. Somit findet man Lithium in Gruppe 1, Periode 2 (zwei Elektronen auf der ersten Schale, ein Valenzelektron auf der zweiten Schale). Eine Schale kann maximal 2n2 Elektronen aufnehmen, wobei n für die Periode steht.

Nachdem in Gruppe 1 und 2 die ersten beiden Valenzelektronen auf der äußersten Schale besetzt wurden, werden ab der vierten Periode zunächst weiter innenliegende Schalen mit Elektronen vervollständigt, bevor die jeweils äußerste Schale der Gruppen 13 bis 18 vollständig mit Elektronen aufgefüllt wird.

Das Periodensystem der Elemente

  Gruppe
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
   
P
e
r
i
o
d
e
1 HElement 1: Wasserstoff (H), Nichtmetall HeElement 2: Helium (He), Edelgas
2 LiElement 3: Lithium (Li), Alkalimetall BeElement 4: Beryllium (Be), Erdalkalimetall BElement 5: Bor (B), Halbmetall CElement 6: Kohlenstoff (C), Nichtmetall NElement 7: Stickstoff (N), Nichtmetall OElement 8: Sauerstoff (O), Nichtmetall FElement 9: Fluor (F), Halogen NeElement 10: Neon (Ne), Edelgas
3 NaElement 11: Natrium (Na), Alkalimetall MgElement 12: Magnesium (Mg), Erdalkalimetall AlElement 13: Aluminium (Al), Metall SiElement 14: Silicium (Si), Halbmetall PElement 15: Phosphor (P), Nichtmetall SElement 16: Schwefel (S), Nichtmetall ClElement 17: Chlor (Cl), Halogen ArElement 18: Argon (Ar), Edelgas
4 KElement 19: Kalium (K), Alkalimetall CaElement 20: Calcium (Ca), Erdalkalimetall ScElement 21: Scandium (Sc), Übergangsmetall TiElement 22: Titan (Ti), Übergangsmetall VElement 23: Vanadium (V), Übergangsmetall CrElement 24: Chrom (Cr), Übergangsmetall MnElement 25: Mangan (Mn), Übergangsmetall FeElement 26: Eisen (Fe), Übergangsmetall CoElement 27: Cobalt (Co), Übergangsmetall NiElement 28: Nickel (Ni), Übergangsmetall CuElement 29: Kupfer (Cu), Übergangsmetall ZnElement 30: Zink (Zn), Übergangsmetall GaElement 31: Gallium (Ga), Metall GeElement 32: Germanium (Ge), Halbmetall AsElement 33: Arsen (As), Halbmetall SeElement 34: Selen (Se), Nichtmetall BrElement 35: Brom (Br), Halogen KrElement 36: Krypton (Kr), Edelgas
5 RbElement 37: Rubidium (Rb), Alkalimetall SrElement 38: Strontium (Sr), Erdalkalimetall YElement 39: Yttrium (Y), Übergangsmetall ZrElement 40: Zirkonium (Zr), Übergangsmetall NbElement 41: Niob (Nb), Übergangsmetall MoElement 42: Molybdän (Mo), Übergangsmetall TcElement 43: Technitium (Tc), Übergangsmetall RuElement 44: Ruthenium (Ru), Übergangsmetall RhElement 45: Rhodium (Rh), Übergangsmetall PdElement 46: Palladium (Pd), Übergangsmetall AgElement 47: Silber (Ag), Übergangsmetall CdElement 48: Cadmium (Cd), Übergangsmetall InElement 49: Indium (In), Metall SnElement 50: Zinn (Sn), Metall SbElement 51: Antimon (Sb), Halbmetall TeElement 52: Tellur (Te), Halbmetall IElement 53: Iod (I), Halogen XeElement 54: Xenon (Xe), Edelgas
6 CsElement 55: Cäsium (Cs), Alkalimetall BaElement 56: Barium (Ba), Erdalkalimetall LaElement 57: Lanthan (La), Übergangsmetall HfElement 72: Hafnium (Hf), Übergangsmetall TaElement 73: Tantal (Ta), Übergangsmetall WElement 74: Wolfram (W), Übergangsmetall ReElement 75: Rhenium (Re), Übergangsmetall OsElement 76: Osmium (Os), Übergangsmetall IrElement 77: Iridium (Ir), Übergangsmetall PtElement 78: Platin (Pt), Übergangsmetall AuElement 79: Gold (Au), Übergangsmetall HgElement 80: Quecksilber (Hg), Übergangsmetall TlElement 81: Thallium (Tl), Metall PbElement 82: Blei (Pb), Metall BiElement 83: Bismuth (Bi), Metall PoElement 84: Polonium (Po), Halbmetall AtElement 85: Astat (At), Halogen RnElement 86: Radon (Rn), Edelgas
7 FrElement 87: Francium (Fr), Alkalimetall RaElement 88: Radium (Ra), Erdalkalimetall AcElement 89: Actinium (Ac), Übergangsmetall RfElement 104: Rutherfordium (Rf), Übergangsmetall DbElement 105: Dubnium (Db), Übergangsmetall SgElement 106: Seaborgium (Sg), Übergangsmetall BhElement 107: Bohrium (Bh), Übergangsmetall HsElement 108: Hassium (Hs), Übergangsmetall MtElement 109: Meitnerium (Mt), Übergangsmetall DsElement 110: Darmstadtium (Ds), Übergangsmetall RgElement 111: Roentgenium (Rg), Übergangsmetall CnElement 112: Copernicium (Cn), Übergangsmetall UutElement 113: Ununtrium (Uut), Metall FlElement 114: Flerovium (Fl), Metall UupElement 115: Ununpentium (Uup), Metall LvElement 116: Livermorium (Lv), Metall UusElement 117: Ununseptium (Uus), UuoElement 118: Ununoctium (Uuo), Edelgas
 
CeElement 58: Cer (Ce), Lanthanoid PrElement 59: Praseodym (Pr), Lanthanoid NdElement 60: Neodym (Nd), Lanthanoid PmElement 61: Promethium (Pm), Lanthanoid SmElement 62: Samarium (Sm), Lanthanoid EuElement 63: Europium (Eu), Lanthanoid GdElement 64: Gadolinium (Gd), Lanthanoid TbElement 65: Terbium (Tb), Lanthanoid DyElement 66: Dysprosium (Dy), Lanthanoid HoElement 67: Holmium (Ho), Lanthanoid ErElement 68: Erbium (Er), Lanthanoid TmElement 69: Thulium (Tm), Lanthanoid YbElement 70: Ytterbium (Yb), Lanthanoid LuElement 71: Lutetium (Lu), Lanthanoid
ThElement 90: Thorium (Th), Actinoid PaElement 91: Protactinium (Pa), Actinoid UElement 92: Uran (U), Actinoid NpElement 93: Neptunium (Np), Actinoid PuElement 94: Plutonium (Pu), Actinoid AmElement 95: Americium (Am), Actinoid CmElement 96: Curium (Cm), Actinoid BkElement 97: Berkelium (Bk), Actinoid CfElement 98: Californium (Cf), Actinoid EsElement 99: Einsteinium (Es), Actinoid FmElement 100: Fermium (Fm), Actinoid MdElement 101: Mendelevium (Md), Actinoid NoElement 102: Nobelium (No), Actinoid LrElement 103: Lawrencium (Lr), Actinoid
 
 
Alkalimetalle Metalle Halogene Lanthanoide
Erdalkalimetalle Halbmetalle Edelgase Actinoide
Übergangsmetalle Nichtmetalle

Bedeutende Elemente in der Halbleitertechnologie

Element Teilchen Hinweis
B: Bor 5p, 6n, 5e 3 Außenelektronen: Zur p-Dotierung von Silicium
N: Stickstoff 7p, 7n, 7e Stabiles N2-Molekül: Schutz- und Spühlgas, Schutzschichten auf dem Wafer
O: Sauerstoff 8p, 8n, 8e Sehr reaktionsfreudig: Oxidation von Silicium, Isolationsschichten (SiO2) u.a.
F: Fluor 9p, 10n, 9e Reaktionsfreudigstes Element: Wird in Verbindung mit anderen Stoffen zum Ätzen verwendet (z.B. HF, CF4)
Si: Silicium 14p, 14n, 14e Grundmaterial in der Halbleitertechnik
P: Phosphor 15p, 16n, 15e 5 Außenelektronen: Zur n-Dotierung von Silicium

Elemente, die sich links im Periodensystem befinden, sind Metalle. Diese haben das Bestreben, Valenzelektronen abzugeben um so eine stabile Elektronenkonfiguration (die Edelgaskonfiguration) zu erreichen. Rechts im Periodensystem stehen die Nichtmetalle, die zum Erreichen der Edelgaskonfiguration zusätzliche Elektronen aufnehmen. Dazwischen befinden sich die Halbmetalle wie Silicium und Germanium.