Experiment zu Strömungen in Halbleiterschmelzen



Technisch wichtige Halbleiterkristalle wie Silizium oder Germanium werden normalerweise aus der Schmelze gezüchtet. Bei diesen Züchtungsverfahren ist oftmals eine freie Schmelzoberfläche vorhanden. Frühere Experimente unter Schwerelosigkeit haben gezeigt, dass die Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannung eine schwerkraftunabhängige Strömung in dieser Schmelzoberfläche antreibt, die so genannte thermische Marangonikonvektion. Diese Konvektion beeinflusst die Verteilung von Fremdstoffen und damit auch die Kristallqualität erheblich.

Für bestimmte Anwendungen werden aber nicht nur Halbleiter aus einer Substanz, sondern Mischkristalle zweier oder mehrerer Halbleiter benötigt, so etwa aus dem System Germanium-Silizium. Hier existiert neben der thermischen Marangonikonvektion noch eine weitere Konvektion, die durch Konzentrationsunterschiede bei der Züchtung angetrieben wird. Diese so genannte solutale Marangonikonvektion wurde bislang kaum untersucht.

Sie ist im System Germanium-Silizium stark ausgeprägt, da die Oberflächenspannung von Silizium gut 30 Prozent höher ist als die von Germanium. In diesem System verläuft die Strömungsrichtung entgegengesetzt zur thermischen Marangonikonvektion. Das Zusammenspiel beider Konvektionsarten beeinflusst das Kristallwachstum stark, wie etwa die Form der Grenze zwischen dem festen und dem flüssigen Anteil.

In dem Parabelflugexperiment soll diese solutale Marangonikonvektion unbeeinflusst von Auftriebskonvektion untersucht werden. Hierzu werden Schmelzen unterschiedlicher Zusammensetzung in einer dünnen Schicht teilweise kristallisiert. Gleichzeitig wird die Strömung über Tracerpartikel sichtbar gemacht und mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Die durch Auswertung der Bilder und Temperaturdaten gewonnenen neuen Daten und Informationen können dann in die Kristallzüchtung einfließen.


Kontakt
Prof. Dr. Arne Cröll
Universität Freiburg
, Kristallographie, Institut für Geowissenschaften
Tel: +49 761 203-6440

Fax: +49 761 203-6434

E-Mail: arne.croell@krist.uni-freiburg.de
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