Die Züchtung von Siliziumkristallen nach dem Floating-Zone-Verfahren (FZ) gehört zu den langjährigen Erfahrungen des IKZ. Das tiegelfreie FZ-Verfahren zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, Siliziumkristalle von höchster Reinheit und kristalliner Perfektion zu erzeugen. In der Halbleiterindustrie wird das FZ-Verfahren zur Herstellung von Substraten für Hochleistungsbauelemente verwendet, die für die Energiewende entscheidend sind, einschließlich Anwendungen in der Elektromobilität und bei erneuerbaren Energien. Für die ET-Spiegel würde FZ-Silizium aufgrund seiner hohen Reinheit und des Fehlens struktureller Defekte, wie z. B. Versetzungen, eine hervorragende optische Qualität und eine geringe Absorption bieten. Allerdings kann mit dem FZ-Verfahren derzeit nicht der für ET-Spiegel erforderlichen Durchmesser erreicht werden. Der größte FZ-Kristalldurchmesser, der derzeit erreicht werden kann, beträgt 200 mm.
Für die Züchtung großer Siliziumkristalle verfügt das IKZ-Labor über eine hochmoderne FZ-Kristallzüchtungsanlage PVA-TePla FZ30M, eine Investition von 2,8 Mio. € im Jahr 2020. Siliziumkristalle mit einem großen Durchmesser von 150 mm und ultrahoher Reinheit (spezifischer elektrischer Widerstand > 10 kΩ×cm) wurden für Testmassenspiegel an ET-Pathfinder geliefert, eine F&E-Infrastruktur zum Testen und Prototyping innovativer Konzepte und Technologien für das Einstein-Teleskop.
In Zukunft will das IKZ in Zusammenarbeit mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft, wie dem neu gegründeten Deutschen Zentrum für Astrophysik (DZA), die Entwicklung von Silizium-Spiegelmaterial weiter unterstützen.
Für das ET-Spiegelaufhängungssystem werden dünne und lange Siliziumfasern mit einem Durchmesser von etwa 3 mm benötigt. Im Rahmen des BMBF-Verbundprojekts 3G-GWD wurde am IKZ ein Versuchsaufbau entwickelt, der die stabile Herstellung solcher monokristallinen Siliziumfasern ermöglicht. Mit dem FZ-Verfahren und einem ähnlichen Ansatz, dem so genannten Pedestal-Verfahren, wurden Siliziumfasern mit einem homogenen Durchmesser von 3 mm und einer Länge von bis zu 1 m erfolgreich gezüchtet. Diese Fasern wurden an ET Pathfinder, die Universität Glasgow und die Universität Camerino für Tests zur mechanischen Festigkeit und Materialcharakterisierung geliefert.
Kontakt
Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ)
https://www.ikz-berlin.de
Dr.-Ing. Robert Menzel
Tel.: +49 (0) 30 / 246-499-404
E-Mail: robert.menzelikz-berlin.de
