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SILIZIUM

Ein reichlich vorhandenes Element

Silizium ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 14 und dem Symbol Si. Es gehört zur Familie der Halbmetalle. Nach Sauerstoff ist es das zweithäufigste Element in der Erdkruste und macht 27,72 % der Masse aus. Im Jahr 2023 waren die Hauptproduzenten von Silizium China (80 % der weltweiten Produktion), Russland und Brasilien*.

In seiner natürlichen Form kommt Silizium nicht als reines Element vor. Es tritt in Verbindung mit Sauerstoff als Siliziumdioxid (SiO2) auf, das aus mineralischen oder sogar biogenen Erzen extrahiert wird. Verschiedene chemische Methoden ermöglichen es, relativ reines Silizium zu isolieren.

Synthese von monokristallinem Silizium

Die Czochralski-Methode ist ein Verfahren zur monokristallinen Kristallisation, das 1916 entwickelt wurde und heute verwendet wird, um das reinste Silizium herzustellen. Die Komponenten einer Uhrbewegung (normalerweise Teile des Hemmsmechanismus und der Spiralen) werden aus monokristallinem Silizium hergestellt, das nach der Czochralski-Methode produziert wird. Dieses Verfahren erzeugt zylindrische Barren mit einer Länge von 2 m und einem Durchmesser von 20 bis 45 cm.

Produktion von Bauteilen durch Tiefenreaktions-Ionenätzung (DRIE)

Diese Barren werden dann in Scheiben geschnitten: die Wafer. Die Bauteile werden aus den Wafern mithilfe der gleichen Methode hergestellt, die auch für die Produktion von integrierten Schaltungen verwendet wird: Die DRIE-Ätzung.

Einzigartige Eigenschaften

Monokristallines Silizium besitzt besonders interessante Eigenschaften. Es ist hart und drei Mal leichter als Stahl (2,33 g/cm³). Es ist elastisch, hat einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ist amagnetisch. Schließlich benötigen die aus Silizium hergestellten Hemmsmechanismen keine Schmierung.

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Silizium wurde zu Beginn des 19. Jahrhunderts entdeckt. Seitdem haben sich die Raffinationsmethoden für Silizium ständig verbessert.

Siliziumkarbid (SiC) wurde 1824 möglicherweise zufällig entdeckt. Es wurde ab 1890 unter dem Namen Carborundum (bekannt bei Uhrmachern) kommerzialisiert. Während die Uhrmacherei industrialisiert und standardisiert wird, werden die in der Uhrmacherei verwendeten Schneidwerkzeuge (Meißel, Fräser, Bohrer) häufig aus Siliziumkarbid oder Legierungen, die es enthalten, hergestellt.

Silizium erlebte seinen echten Aufschwung mit der schnellsten technologischen Entwicklung in der Geschichte der Menschheit: den integrierten Schaltkreisen. 1955 wurde der erste Silizium-IC (integrierter Schaltkreis) durch DRIE-Ätzung produziert. Seitdem werden integrierte Schaltkreise immer kleiner und preiswerter, während ihre Leistung steigt.

Ab 2006 tauchte Silizium in der Herstellung von Uhrenteilen auf, die nach der gleichen Methode wie in der Elektronik hergestellt werden. Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Silizium führten zu einer schnellen Revolution in der Herstellung von Hemmsmechanismen und Spiralen. Sein Produktionsverfahren (DRIE-Ätzung) ermöglicht es, in kleinen oder großen Serien zu wettbewerbsfähigen Kosten zu produzieren. Die Reproduzierbarkeit ist langfristig garantiert, mit absoluter Maßgenauigkeit, ohne Werkzeugabnutzung oder Maschinenfehler. Dieses Verfahren bietet zudem eine Designfreiheit, die keine andere Produktionsmethode ermöglicht.

Die in der Uhrmacherei verwendeten Bearbeitungswerkzeuge werden manchmal aus Siliziumkarbid hergestellt oder enthalten dieses.

Monokristallines Silizium und die DRIE-Ätzmethode werden hauptsächlich für die Herstellung von Bewegungsbestandteilen verwendet, insbesondere für den Hemmmechanismus. Auf diese Weise werden hauptsächlich Flucht-Radplatten, Anker und Spiralfedern aus Silizium nach dieser Methode hergestellt. Natürlich können auch viele andere Komponenten aus diesem Material nach dieser Methode gefertigt werden. Bis heute ist die Dicke der Komponenten auf 1-1,20 mm begrenzt. Die DRIE-Ätzung schneidet die Konturen der Komponente. Daher können im Design der Komponente nur zwei verschiedene vertikale Ebenen erscheinen.