Einkristalle

Für den Einsatz in Optiken von Wafersteppern fertigt SCHOTT LITHOTEC Calciumfluorid-Kristalle. Das Kristalllabor Erlangen entwickelt in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen spezielle Öfen zur Züchtung des Materials.
Prof. Georg Müller, Dr. Jochen Friedrich,
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg


„Juwelen“ für Innovationen

In Form von Juwelen üben Einkristalle seit Jahrhunderten eine ungebrochene Faszination aus. Neue Analysemethoden ermöglichen deren Züchtung für anspruchsvolle Anwendungen, beispielsweise in der Lithographie.

Neben ihrer rein ästhetischen Funktion kommt den Einkristallen eine äußerst wichtige technische Bedeutung zu. Viele umwälzende Neuerungen der vergangenen 50 Jahre wären ohne Einkristalle nicht möglich gewesen. Für eine ganze Reihe moderner Technologien ist deren Einsatz unverzichtbar: Ohne Einkristallhalbleiter gäbe es beispielsweise die Mikroelektronik und die Informationstechnologie in ihrer heutigen Form nicht. In der Optik werden Einkristalle zum Beispiel in Form von Fenstern und Linsen in hochentwickelte optische Systeme integriert. Mit Laserkristallen bestückte Geräte erlauben die Entwicklung von neuartigen Behandlungsmethoden in der Medizin. Auch in der modernen Messtechnik und in der Materialverarbeitung gehören Laserwerkzeuge mittlerweile zum Standard.

Die enorme Bedeutung von Einkristallen spiegelt sich in den Produktionszahlen wider: die Weltjahresproduktion von großen Einkristallen ist von 5.000 Tonnen im Jahr 1979 auf etwa 20.000 Tonnen im Jahr 1999 angestiegen.

Defekt-Engineering, eine moderne Lösungsstrategie

Stand der Technik: Kristallzüchtungsanlage zur Herstellung von Siliziummonokristallen mit einem Durch- messer von 300 Millimeter bei Wacker Siltronic AG.
Mit Hilfe des sogenannten Defekt-Engineerings versuchen Forscher und Entwickler, größere Kristalle zu züchten und gleichzeitig deren Qualität im mikroskopischen oder sogar atomistischen Bereich zu verbessern. Dies wird durch eine genau kontrollierte Wahl der Wachstumsbedingungen erreicht. Die Fehlerbildung ist in den meisten Fällen direkt an das Temperaturfeld während des Wachstums gekoppelt. Die Lösungsstrategie ist deshalb zweigleisig. Zum einen wird der Kristallzuchtprozess sorgfältig analysiert, um die Beziehung zwischen den wichtigen Zuchtbedingungen zu finden und mit diesen Informationen ein Fehlermodell zu erstellen. Zum anderen wird ein Prozessmodell benötigt, das die Wachstumsparameter (also jene Elemente des Züchtungsprozesses, die direkt manipuliert werden können) zu den Wachstumsbedingungen – meist das Temperaturfeld – in Beziehung setzt. Dies erreicht man durch die kombinierte Anwendung von experimenteller Analyse und Computersimulation.

Herausragende Resultate

Das Kristalllabor Erlangen ist ein weltweit anerkanntes Kompetenzzentrum für Kristallzüchtung. Es verfügt sowohl über die notwendige experimentelle Infrastruktur als auch über leistungsstarke Simulationswerkzeuge, um innovative Methoden zu entwickeln und anzuwenden. Die Erfolge sind beeindruckend. Das Kristalllabor war maßgeblich an der Entwicklung des VGF-Prozesses für die industrielle Produktion von GaAs- und InP-Einkristallen beteiligt und hat solche Kristalle mit extrem niedriger Fehlerdichte gezüchtet.

In Zusammenarbeit mit der SCHOTT LITHOTEC AG entwickelte das Kristalllabor spezielle Öfen für die Züchtung von Calciumfluorid- (CaF2-)Kristallen, die als Linsenmaterial in der Lithographie eingesetzt werden. Die Produktionsanlagen von SCHOTT LITHOTEC sind mittlerweile die größten der Welt. Außerdem hat das Kristalllabor einen neuen Ofen-Prototyp entwickelt und gebaut, mit dem wertvolle Erkenntnisse für die Züchtung von CaF2-Kristallen gewonnen werden können.