18.06.2018

Kristalle aus der Schwerelosigkeit

Einbau von unverwünschten Störstellen in Siliziumkristallen soll vermieden werden.

Um die Entstehung von Defekten bei der Her­stellung von Kristallen besser zu verstehen, führten Forscher vom Fraun­hofer IISB gemeinsam mit Kollegen von der Univer­sität Freiburg das Weltraum­experiment „ParSiWal“ durch. Als Träger­rakete diente die unbe­mannte Forschungs­rakete TEXUS 55 des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR. TEXUS 55 startete am 31. Mai 2018 vom Raumfahrt­zentrum Esrange bei Kiruna in Nord­schweden. Dieses Experiment unter Schwere­losigkeit zielt auf eine optimierte Produktion von Silizium-Kristallen für Photo­voltaik-Anwendungen auf der Erde ab.

Abb.: Start der Forschungsrakete TEXUS-55 am 31. Mai 2018 in Esrange bei Kiruna in Nordschweden. (Bild: DLR)

Das Weltraum­experiment mit der Kurzbe­zeichnung ParSiWal – Bestimmung der kritischen Einfang­geschwindigkeit von Partikeln bei der gerichteten Erstarrung von Solar­silizium im Weltall – dient zur Erforschung der Herstellung von Silizium­kristallen, die zum Beispiel für Solarzellen in Photo­voltaik­anlagen benötigt werden. Das Experi­ment untersucht speziell den uner­wünschten Einbau von Silizium­karbid- und Silizium­nitrid-Partikeln, die bei der Erstarrung von Silizium­kristallen aus einer Silizium­schmelze auftreten können. Der Einbau derartiger Partikel vermindert die Ausbeute und die spätere Qualität der Solar­zellen. Es gilt heraus­zufinden, wie sich dies in der Produktion zukünftig vermeiden lässt. Mit TEXUS 55 erwarten die Forscher eine Bestätigung früherer Experi­mente, wonach die Strömung in der mehr als 1400 °C heißen Silizium­schmelze einen entschei­denden Einfluss auf das Einbau­verhalten der Partikel ausübt. Allerdings wurden die experi­mentellen Rahmen­bedingungen in diesem Weltraum­experiment diesmal deutlich komplexer ausgelegt. Die Ergebnisse lassen sich so besser auf die Bedingungen der indus­triellen Produktion auf der Erde anwenden.

Um die Mechanismen zum Partikel­einbau noch genauer sowie das Wachstum von bestimmten Kristall­bereichen bei der Kristall­züchtung besser zu verstehen, hat das Forscher­team vom Fraun­hofer IISB und der Univer­sität Freiburg Anfang des Jahres mit der Vor­bereitung weiterer Schwere­losigkeits­experimente begonnen. Vor einigen Monaten starteten im Projekt InSituKris – In-situ Beobach­tung von Fremdphasen­partikeln in Fluiden, ihrer Bewegungs­profile und ihrer Inter­aktion mit der Kristall­front – die Vorbe­reitungen für ein Weltraum­experiment, bei dem der kritische Partikel­einbau während der Erstarrung des Kristalls in-situ in einer optisch trans­parenten Schmelze beobachtet werden kann.

Parallel wird im Projekt SaFari – Einfluss der Stabi­lität des Facetten­wachstums auf die Entstehung von Kristall­defekten bei der Halbleiter­kristall­züchtung – ein Effekt untersucht, durch den sich in einzelnen, lokal stark begrenzten Bereichen das Kristal­lisations­verhalten vom Rest des erstar­renden Kristalls unter­scheidet. Dieses Facetten­wachstum beeinflusst sowohl die Stabilität des Kristall­züchtungs­prozesses als auch die Kristall­qualität und kommt besonders bei der indus­triellen Herstellung von Halbleiter­kristallen für High-End-Anwen­dungen zum Tragen. Als Beispiele sind Indium­phospid-Kristalle für Hochfrequenz­bauelemente für den nächsten Mobilfunk­standard, hochreine Germanium-Kristalle für Detektor­anwendungen oder hoch­dotierte Silizium­kristalle für energie­effiziente leistungs­elektronische Bau­elemente zu nennen.

Die TEXUS-Flüge mit den Experi­menten zu InSituKris und SaFari an Board werden frühestens im Jahr 2020 stattfinden. Bis dahin müssen die Forscher noch die theo­retischen Modelle weiter­entwickeln, verschiedene Vorunter­suchungen und Referenz­experimente durchführen, Mess­methoden verfeinern und die Auswertung der späteren Experi­mente vorbereiten.

Fh.-IISB / JOL

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