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Transferbeispiele

Elektromagnetische Prozesskontrolle ermöglicht die industrielle Produktion von größeren Wafern

Dresden ist einer der größten Mikroelektronik-Standorte Europas. Hier wurde von der Halbleiter-Industrie unter anderem in die Produktion von größeren Wafern aus Silizium investiert. Wafer sind dünne Scheiben, auf denen die Chips für die vielen elektronischen Geräte, die wir alle ganz selbstverständlich nutzen, angeordnet sind. Je größer der Wafer, desto günstiger kann jeder einzelne Chip produziert werden. Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf hat maßgeblich dazu beigetragen, dass die Mikroelektronik-Industrie Silizium-Wafer mit einem Durchmesser von 300 Millimetern statt den bis dahin möglichen 200 Millimetern in ihre Produktionsketten integrieren konnte. Damit geht ein erheblicher Kostenvorteil einher.

Einkristalle aus Silizium werden in der Halbleiter-Industrie vor allem mit der so genannten Czochralski-Methode hergestellt. Dabei wächst der Einkristall, der nach oben aus der Schmelze gezogen wird, ausgehend von einem auf die Schmelze aufgesetzten Impfkristall. Aus dem erstarrten Siliziumkristall werden anschließend die Wafer gesägt. Die Qualität der Wafer hängt in besonderem Maße davon ab, dass bei dem Fertigungsprozess die flüssige Schmelze kontrolliert wird. Turbulenzen in der Strömung können zu Defekten im Einkristall führen – und damit zu Ausschuss. Der Schritt hin zu größeren Wafern mit einem Durchmesser von 300 Millimetern war vor diesem Hintergrund besonders kritisch.

Die Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf setzten zur Kontrolle der Schmelze magnetische Felder ein, mit denen sich Strömungen in leitfähigen Flüssigkeiten in der Metallurgie, bei Gießprozessen oder eben in der Kristallzüchtung gezielt beeinflussen lassen. So können von außen angelegte Magnetfelder die noch flüssigen Halbleiter-Schmelzen rühren, bremsen oder beruhigen. Als vor etlichen Jahren die Firma Wacker in Burghausen (heute: Siltronic AG) die Helmholtz-Wissenschaftler in Dresden ansprach, begann eine vielversprechende Zusammenarbeit. Es ging darum, die turbulenten Strömungen beim Czochralski-Prozess zu unterdrücken und die Schmelze berührungslos mit Hilfe von Magnetfeldern zu steuern. Dies gelang mit aufwändigen Berechnungen und Experimenten und so haben 300-Millimeter-Wafer erfolgreich Einzug in die Produktion gehalten.

Gleichzeitig entwickelten die Dresdner Wissenschaftler ein berührungsloses tomographisches Verfahren, das es ihnen erlaubt, quasi in die Schmelze hinein zu schauen. Dabei geholfen haben ihnen die Forschungen zu Magnetfeldern im Kosmos. So können Magnetfelder nicht nur leitfähige Strömungen beeinflussen, sondern solche Strömungen wirken auch auf Magnetfelder, indem sie diese verzerren. Diese Magnetfeld-Änderungen sind relativ klein, können aber mit Magnetfeld-Sensoren außerhalb der Schmelze gemessen werden. Das tomographische Verfahren ist mittlerweile patentiert und verspricht für die Zukunft eine völlig neue Möglichkeit zur Online-Überwachung der Strömung in der Schmelze. Im Rahmen eines vom HZDR koordinierten EU-Projektes, an dem unter anderem die Siltronic AG beteiligt war, konnten kürzlich erste Messungen an industriellen Züchtungsanlagen erfolgreich realisiert werden. Eine bessere Strömungskontrolle wird nicht nur für Mikroelektronik-Wafer, sondern auch für die Czochralski-Züchtung von Silizium für die Photovoltaik von Nutzen sein.

Kontakt: Dr. Gunter Gerbeth

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Institut für Sicherheitsforschung

Tel.: +49 351 260 3484 | E-Mail: g.gerbeth@hzdr.de


Mit Nanopartikeln auf der Suche nach Krebsmetastasen

In Kooperation mit einer Firma arbeitet das HZDR an einem verbesserten Diagnoseverfahren

Bei Tumorerkrankungen wie Brustkrebs oder dem malignen Melanom ist es für eine optimale Therapieplanung entscheidend zu wissen, ob Lymphknoten von Metastasen befallen sind. Heute steht dafür mit der Wächterlymphknoten-Szintigraphie ein vielversprechendes Verfahren zur Verfügung. Es gibt Auskunft darüber, ob ein Krebspatient Tochtergeschwülste (oder: Metastasen) hat oder nicht. Das Problem: Bislang  gibt es für die Wächterlymphknoten-Szintigrafie kein maßgeschneidertes Marker-Präparat. Deshalb arbeiten Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der ROTOP Pharmaka AG an einer neuen Generation radioaktiv markierter Nanopartikel. Sie sollen die Aussagekraft der Wächterlymphknoten-Szintigrafie wesentlich erhöhen.

Die Zusammenarbeit zwischen HZDR und ROTOP ist so eng, dass die Firma mit ihren 35 Mitarbeitern vor kurzem sein neues Büro- und Produktionsgebäude auf dem HZDR-Gelände errichtet hat. Diese Nähe ist für beide Seiten gewinnbringend: Beispielsweise vermarktet ROTOP das im HZDR hergestellte Arzneimittel „GlucoRos“ – eine mit einem kurzlebigen Radionuklid markierte Glucose, mit deren Hilfe sich Tumoren diagnostizieren und erforschen lassen. Dank dieser Kooperation kann das HZDR seine Labors besser auslasten und zusätzliche Forschungsgelder akquirieren.


Seltene Fälle von Insulin-Überproduktion im Säuglingsalter genau diagnostizieren

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) stellt ein radioaktives Arzneimittel her, das zur Untersuchung von Säuglingen und Kleinkindern genutzt wird. Diese Patienten leiden an einer lebensbedrohlichen Überproduktion von Insulin in der Bauchspeicheldrüse. Durch die Kombination von Differentialdiagnose mit Hilfe des Rossendorfer Diagnostikums mit anschließender Operation lässt sich bei einem Teil der Kinder eine Heilung erzielen. Dies erfolgt in Kooperation mit der Charité Berlin und einer Praxis für Nuklearmedizin.

Eine Überproduktion von Insulin ist eine sehr ernste Erkrankung für Säuglinge und Kleinkinder. Wachstum und Entwicklung können stark gestört werden und ein normales Leben ist kaum möglich. Diese Erkrankung kommt in zwei unterschiedlichen Typen vor: während der diffuse Typ schwer therapierbar ist, lässt sich der fokale kongenitale Hyperinsulinismus durch einen operativen Eingriff an der Bauchspeicheldrüse heilen, denn hier ist die Insulin-Überproduktion auf einzelne Bezirke der Bauchspeicheldrüse beschränkt.

Etwa ein Drittel der erkrankten Kinder sieht so einem normalen Leben entgegen, allerdings gilt es, den Erkrankungstyp vor der Operation genauestens zu diagnostizieren. Das Diagnostikum mit Namen [18F¬]FDOPA ist die einzige etablierte Möglichkeit, den Erkrankungstyp ohne operativen Eingriff zu diagnostizieren. [18F¬]FDOPA aus dem HZDR wird an der Charité seit nunmehr zehn Jahren für Kinder aus dem In- und Ausland eingesetzt.

Das radioaktive Arzneimittel [18F¬]FDOPA funktioniert im Körper als molekulare Sonde. Es reichert sich gezielt im erkrankten Gewebe an und die Radioaktivität kann von außen mit Hilfe des modernen bildgebenden PET-Verfahrens sichtbar gemacht. Dabei sind Sensitivität und Spezifität des Verfahrens so hoch, dass der Chirurg ein genaues Bild der kranken Areale erhält. So ist es möglich, nur das kranke Gewebe zu entfernen und genügend gesundes Gewebe im Körper zu belassen, damit das Kind nicht dem Risiko einer jahrelangen Diabetes-Erkrankung ausgesetzt wird.

Sowohl für die Operation als auch für die Diagnose sind sehr viele Erfahrungen erforderlich. Jährlich werden rund 50 Kleinkinder aus ganz Europa mit [18F¬]FDOPA untersucht, das im Helmholtz-Zentrum in Dresden in pharmazeutischer Qualität hergestellt wird. Für die Herstellung erzielten Wissenschaftler im HZDR zwei wesentliche Fortschritte: Zum einen tauschten sie eine Ozonschicht zerstörende Chemikalie aus und verbesserten so auch die Ausbeute. Zum anderen erhöhten sie die chemische und radiochemische Reinheit des radioaktiven Arzneimittels durch ein derzeit zum Patent angemeldetes Verfahren. Diese Innovationen verdanken sich den langjährigen Erfahrungen auf dem Gebiet der radiopharmazeutischen Grundlagenforschung im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und so verwundert es nicht, dass seit mehr als zehn Jahren das Diagnosemittel [18F¬]FDOPA für Berlin bereitgestellt wird, wo es zur Heilung von Säuglingen und Kleinkindern beiträgt.

Kontakt: Dr. Frank Füchtner

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Institut für Radiopharmazie

Tel.: +49 351 260 2804

E-Mail: f.fuechtner@hzdr.de


Leichtbau-Legierungen halten auch hohen Temperaturen stand

Auch in der Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie im Turbinenbau kann man von den Vorteilen von Leichtbau-Legierungen auf Basis von Titan und Aluminium profitieren und beispielsweise Gewicht einsparen. Turbolader-Rotoren, Turbinenschaufeln und andere Bauteile müssen dabei hohen Temperaturen standhalten – für Leichtbau-Legierungen bisher ein Problem. Dies lässt sich nun auch für solche komplex geformten Bauteile mit einem Verfahren, das am Ionenstrahlzentrum des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf entwickelt wurde, überwinden. Damit eröffnet sich ein neues Anwendungsfeld für Leichtbau-Legierungen auch im Hochtemperaturbereich.

Neue Konzepte für Antriebe in der Luftfahrt- und Automobilindustrie sind vor allem darauf ausgerichtet, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Die Verwendung leichterer Materialien hilft dabei, dieses Ziel zu erreichen. Leichtere Turbinen, Turbolader und andere Bauteile haben außerdem den Vorteil, hohe Rotationsgeschwindigkeiten effizienter zu erzielen.

Metallische Legierungen aus Titan und Aluminium (TiAl-Legierungen) haben ein spezifisches Gewicht von rund 4 g/cm³, sind also nur etwa halb so schwer wie die heute normalerweise verwendeten Hochtemperatur-Materialien, die meist aus auf Eisen oder Nickel basierten Legierungen bestehen. Obwohl Titanaluminide deutlich leichter sind, haben sie die gleiche Festigkeit wie herkömmliche Materialien. Deshalb verwundert es auch nicht, dass ein namhafter deutscher Autobauer plant, ab dem Jahr 2013 Turbolader aus Titanaluminiden einzusetzen.

Bisher war die Anwendung von solchen Leichtbau-Legierungen durch ihre schlechte Langzeit-Oxidationsbeständigkeit bei Temperaturen oberhalb von 800°C eingeschränkt. Wie im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf gezeigt werden konnte, lässt sich dieses Problem durch geringe Mengen von Halogenen – wie beispielsweise Fluor –  in der Oberfläche der Bauteile überwinden. Dazu wird die Oberfläche mit Fluor-Ionen beschossen bzw. dotiert. Für Turbolader-Rotoren oder Turbinenschaufeln, die komplex geformte Oberflächen haben, wird dabei ein spezielles Verfahren, die Plasma-Immersions-Ionenimplantation eingesetzt.

Besonders Fluor, so stellten die HZDR-Wissenschaftler fest, eignet sich sehr gut, um die Temperaturbeständigkeit von Bauteilen aus Titanaluminiden zu verbessern. Bisher konnte die Stabilität dieses Effektes über einen Zeitraum von einem Jahr und bei Temperaturen von 900°C unter zyklischen Wärmebedingungen nachgewiesen werden. Alle Tests wurden im Temperaturbereich zwischen 700 bis 1050 °C an unbehandelten Oberflächen, an Proben aus Titanaluminiden, die mit Fluor behandelt wurden, sowie an realen Bauteilen durchgeführt.

Ohne die Dotierung mit Fluor wurden die Proben bei der Hochtemperatur-Behandlung stark zerstört, während die mit Fluor veränderten Proben noch voll intakt waren. Untersuchungen zeigten, dass sich bei den mit Fluor dotierten Bauteilen nach der Hochtemperatur-Oxidation eine dünne Schutzschicht aus Aluminiumoxid gebildet hatte – ein Beweis für die Wirkung des Fluors.

Kontakt: Prof. Dr. Andreas Kolitsch

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung

Tel.: +49 351 260 3348 | E-Mail: a.kolitsch@hzdr.de