Schwebende Kristalle
Fraunhofer CSP perfektioniert Verfahren zur Herstellung hochreiner Siliziumkristalle
In der Leistungselektronik und der Photovoltaik besteht großer Bedarf an hochreinen Siliziumkristallen. Mit dem im Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP perfektionierten Float-Zone-Verfahren sind hochreine Siliziumkristalle jetzt preisgünstiger und energiesparender herzustellen.
Beim Float-Zone-Verfahren wird im Gegensatz zum traditionellen Czochralski-Verfahren der Kristall nicht an einem Kristallisationskeim aus der Siliziumschmelze gezogen. Stattdessen wird ein Vorratsstab von oben durch eine Hochfrequenzspule geführt, die im Stab selber eine Schmelzzone erzeugt, die nur wenige Zentimeter hoch ist und keinen Kontakt zu einem Schmelztiegel hat, wie beim Czochralski-Verfahren. Weil der aus Quarz bestehende Tiegel fehlt, muss er nicht mit erhitzt werden, was erheblich Energie einspart und es entfällt mit ihm die Hauptquelle für kristalline Sauerstoffverunreinigungen.
Bislang war es sehr preis- und zeitintensiv, hinsichtlich Geometrie, Rissfreiheit und Oberflächenqualität die geforderten engen Vorgaben für Vorratsstäbe aus Silizium einzuhalten. Professor Peter Dold und seine Kollegen am CSP haben jetzt eine Methode entwickelt, mit der sie den Vorratsstab direkt in einer Kristallisationsanlage heranzüchten können, ohne ihm in mehreren mechanischen Schritten zu Leibe rücken zu müssen. »Jeder Bearbeitungsschritt, beispielsweise das Schleifen, ist nicht nur zeitraubend, sondern kann auch wieder Verunreinigungen und Risse mit sich bringen«, sagt Dold.
Aufgrund der mehr als hundertfach geringeren Sauerstoffkonzentration werden die Kristalle aus Halle auch für neue Anwendungen interessant. Insbesondere in der Leistungselektronik, wo immer höhere Ströme auf immer kleineren Flächen gehandhabt werden, wird händeringend nach durchschlagsfesten und damit verlustärmeren Materialien gesucht. In der Photovoltaikindustrie garantieren Float-Zone Wafer eine langfristig bessere Effizienz, da Sauerstoffeinschlüsse hauptverantwortlich sind für die Abnahme der Leistung nach längerem Betrieb.
Wie die hohe Reinheit genau erzielt werden kann, stellt Zobel am Mittwoch auf der Deutschen Kristallzüchtungstagung (DKT) vor. Zum ersten Mal findet diese Veranstaltung unter der Leitung von Peter Dold am CSP in Halle statt. Vom 12.-14.03.2014 treffen sich dort Wissenschaftler und Forscher aus unterschiedlichen Disziplinen und Branchen wie der Photovoltaik- oder der Halbleiterindustrie. Thematisch ist die DKT eine Plattform für alle Themen der experimentellen, theoretischen und angewandten Kristallisation, der Epitaxie, der Wachstumskinetik, der Kristallisation neuer Materialien, der Entwicklung neuer Kristallisationsverfahren und der Methoden zum verbesserten Verständnis von Kristalleigenschaften, von Kristalldefekten und von Transport-mechanismen. Der Schwerpunkt in diesem Jahr ist Silizium als Ausgangsstoff für die Photovoltaikbranche. Weitere Themen sind Halbleiter mit breiter Bandlücke und Graphen als Transistormaterial der Zukunft.
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