Magnetfelder verbessern Kristalle

Bessere Halbleiterkristalle ohne explodierende Kosten soll ein neues Züchtungsverfahren mit beweglichen Magnetfeldern liefern.

Handys, Laser und Computer stecken voller Halbleiterbauelemente. Halbleiterkristalle hoher Reinheit und hoher Regelmäßigkeit. Silizium, Germanium oder Galliumarsenid sind der Ausgangsstoff für diese Halbleiterkristalle. Solche Kristalle werden in großem Maßstab in recht aufwändigen Verfahren aus einer Schmelze gezüchtet.

Das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) meldet einen beachtlichen Fortschritt für diese Technik. Forscher des Instituts konnten diese Züchtungsverfahren um einen entscheidenden Schritt verbessern. Sie nutzten innerhalb der Anlagen erzeugte wandernden Magnetfelder, um mit ihrer Hilfe die Strömungsintensität in der Schmelze zu verringern. In einer Schmelze entstehen auf Grund der unterschiedlichen Wärmeverteilung beachtliche Strömungen. Das ist im heimischen Kochtopf nicht anders. Nun wurde festgestellt, dass bewegliche Magnetfelder diesen Strömungskräften entgegenwirken können. Wird dies genutzt, dann kann die Schmelze gleichmäßiger kristallisieren.

Die Umsetzung des Prinzips

Das Prinzip ist eigentlich nicht neu. Aber nicht so ganz einfach zu nutzen. Die Forschungsgruppe um Prof. Peter Rudolph setzte es im Rahmen des Projektes „Kristallisation im Magnetfeld“ in den vergangenen drei Jahren in die Tat um. An dem Projekt waren neben dem IKZ weitere Forschungseinrichtungen beteiligt. Darunter das Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik, die Leibniz-Universität Hannover sowie die Industriepartner Steremat Elektrowärme GmbH aus Berlin und Auteam Industrie-Elektronik GmbH Brandenburg aus Fredersdorf-Vogelsdorf bei Berlin beteiligt,

Sie hatten, anders als andere Kristallzüchter, die entscheidende Verbesserungsidee: Die Generatoren für das Magnetfeld wurden nicht mehr außen um die Schmelzöfen gebaut. Sondern es wurden Heizspulen konzipiert, mit denen gleichzeitig die gewünschten Magnetfelder erzeugt werden. „Da das Magnetfeld unmittelbar in den Schmelztiegel eingekoppelt wird, brauchen wir nur noch relativ geringe Feldstärken. Äußere Magnetfelder müssten sehr stark sein, um bis nach innen zu dringen und würden die Kosten für eine Züchtungsanlage etwa verdoppeln“, so Peter Rudolph. Im Rahmen des Projektes entwickelten Partner aus der Industrie ein ausgefeiltes Leistungs- und Steuerungssystem. Das macht es möglich, dass die Heizelemente mit Gleichstrom die Schmelzwärme erzeugen und ein überlagerter Wechselstrom generiert die gewünschten wandernden Magnetfelder.

Halbleiterkristalle in Magnet-Heizanordnungen züchten

Die Resultate des Projektes präsentierten die Forscher auf einem abschließenden Statusseminar. Sechs Patente schützen die bisherige Arbeitsleistung des Projektes. „Die Ergebnisse seien in jeder Hinsicht sehr zufriedenstellend“ sagte Projektkoordinator Peter Rudolph. Es wurde gezeigt, dass sich in solchen Magnet-Heizanordnungen Halbleiterkristalle züchten lassen. Und das eine bessere Qualität wahrscheinlich erreichbar ist. Und das ohne explodierende Kosten und bei vertretbarem Energieverbrauch. Ein erstes Modul in dieser Technik ist an eine Berliner Firma geliefert worden.

Trotzdem bleibt aus der Sicht von Peter Rudolph noch viel zu tun. „Wir haben die Machbarkeit gezeigt, was wir nun brauchen ist die Entwicklung der Technologie für den industriellen Maßstab“, sagte er. Das Interesse an verbesserten Kristallisationsverfahren sei besonders in der Solarindustrie sehr groß. „Wir können uns vor Anfragen kaum retten“, so Peter Rudolph weiter.

Die Mittelgeber steckten bisher rund 3 Millionen Euro in das Projekt. Sie sind hinsichtlich des Erfolgs recht zuversichtlich. Dr. Christian Hammel von der TSB Technologiestiftung Berlin, die das Vorhaben aus Mitteln des Zukunftsfonds des Landes Berlin und des Europäischen Fonds für Regionalentwicklung (EFRE) gefördert hat, sagte: „Durch die enge Kooperation mit den Industriepartnern entstanden bereits im Projekt mit den Heizern und der dazu gehörenden Steuerung neue Produkte der beteiligten Unternehmen. Industriellen Anwendern wird die neue Technologie überhaupt erst dadurch zugänglich, dass man die benötigten Komponenten auch kaufen kann. Aus diesem Technologietransfer kann ein Nutzen für die Region entstehen, der über den Erkenntnisgewinn der Institute deutlich hinausgeht.“

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