HZDR entdeckt 1_2012

TITEL// Das Forschungsmagazin aus dem HZDR WWW.Hzdr.DE 12 13 ze. Im Rahmen eines vom HZDR koordinierten EU-Projektes, an dem unter anderem die Siltronic AG beteiligt war, konnten bereits erste Messungen an industriellen Züchtungsanlagen erfolgreich realisiert werden. Eine bessere Strömungskon- trolle wird nicht nur für Mikroelektronik-Wafer der nächsten Generation, sondern auch für die Czochralski-Züchtung von Silizium für die Photovoltaik-Industrie von Nutzen sein. Magnetfelder und Flüssigmetalle Mit der Neugründung des Instituts für Fluiddynamik im HZDR am 1. Januar 2012 erhält das Arbeitsgebiet der Magneto- hydrodynamik (MHD) einen höheren Stellenwert. Wie der Name schon ausdrückt, geht es um das Zusammenspiel von Magnetfeldern und elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten. Das Spannende: ausgesprochene Grundlagenforschung trifft in der MHD auf sehr industrienahe Themen, sodass die Spanne von kosmischen Schwarzen Löchern bis hin zur Gießerei- technik in Sachsen reicht. Intelligente Messverfahren und ausgeprägtes Know-how prägen und befruchten beide Seiten, die anwendungsnahe wie die grundlegende Forschung. Die Grundlagenforschung selbst wird im HZDR in zwei Richtungen unterteilt. Erstens spielt hier das Thema Turbu- lenz eine wesentliche Rolle. Turbulente Strömungen werden auch in vielen Jahren noch nicht mit Computersimulationen erfassbar sein – dazu sind die Computersysteme zu langsam bzw. die Grundgleichungen in der Fluiddynamik zu komplex. Deshalb kommt es durchaus immer wieder zu Überraschun- gen, wenn die MHD-Forscher im Experiment reale Szenarien ausmessen. Das zweite große Thema sind geo- und astrophysikalische Strömungen. Auch hier gilt, dass die Wirkungen von Magnet- feldern im Kosmos nicht nur berechnet, sondern auch im Experiment nachgewiesen werden sollten. Der erstmalige Nachweis des Geodynamos – damit ist das selbsterregte Magnetfeld der Erde gemeint – gelang den Rossendorfer Forschern gemeinsam mit Kollegen aus Riga, und in einer Gemeinschaftsaktion mit dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam konnte die so genannte Magnetorotations-Insta- bilität im Labor nachgestellt werden. Diese Instabilität, die durch Magnetfelder im Kosmos getriggert wird, liefert einen Schlüssel dafür, warum Sterne und Planeten überhaupt entstehen oder Schwarze Löcher anwachsen können. Die Mikroelektronik-Firmen stehen einerseits durch den harten internationalen Markt unter erheblichem Preisdruck, andererseits erfordert die Umstellung auf eine neue Technolo- gie enorme Investitionssummen. Heutige Werke produzieren auf 200- oder 300-mm-Basis, der Schritt zum 450-mm-Werk könnte trotz der hohen Kosten und der damit verbundenen Risiken schon in den nächsten Jahren erfolgen. Ausschuss vermeiden Wafer werden aus einkristallinem Silizium bzw. anderen Halbleiter-Materialien hergestellt, und zwar meist mit der so- genannten Czochralski-Methode. 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. Ihre Qualität hängt in besonderem Maße davon ab, dass beim Fertigungsprozess die flüssige Schmelze kontrol- liert 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 Milli- metern 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 Flüs- sigkeiten in der Metallurgie, bei Gießprozessen oder eben in der Kristallzüchtung gezielt beeinflussen lassen. So können von außen angelegte Magnetfelder die 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 konnten 300-Milli- meter-Wafer erfolgreich Einzug in die Produktion halten. 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. Denn Magnetfelder können 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 tomogra- phische Verfahren ist mittlerweile paten- tiert und verspricht für die Zukunft eine völlig neue Möglichkeit zur Online-Über- wachung der Strömung in der Schmel- Foto: © Scanrail –Fotolia.com

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