Einsatz von Vibrationen und Ultraschall in der Züchtung von Halbleiterkristallen für die Photovoltaikindustrie

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz von Ultraschall und niederfrequenten Vibrationen in der Kristallzüchtung. Das Ziel ist die optimierte Herstellung von Halbleitermaterial für die Photovoltaikindustrie. Der zukünftige Bedarf an industriell gefertigten Kristallen ist fokussiert auf die Steigerung des Ertrages bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Kristallqualität. Dies erfordert die Kontrolle des Stofftransports innerhalb des Schmelzvolumens, welche durch den Einsatz von externen Kraftfeldern erreicht werden kann. Die verfügbare Bandbreite reicht dabei von Magnetfeldern über elektrische Felder bis hin zu mechanischen Kraftfeldern, zu denen auch der Einsatz von Ultraschall und Vibrationen gehört. Die Aufgabe dieser beiden Kraftfelder ist neben der Dämpfung von negativen Strömungsschwankungen insbesondere auch die Reduzierung der Dicke der schädlichen Diffusionsgrenzschicht, die zu morphologischen Instabilitäten führt. Resultierend kann die Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls erhöht werden und es wird die Gefahr des Einbaus von Fremdatomen reduziert. In dieser Arbeit wurde die Wirkungsweise des Ultraschalls auf die Züchtung von Germanium im VGF-Verfahren analysiert. Dazu wurden sowohl numerische Simulationen als auch praktische Experimente durchgeführt. Mit den Softwareprogrammen ANSYS und FLUENT konnte die Schmelzenströmung simuliert werden. Hierbei wurde insbesondere auf die einsetzende Schlichtingströmung eingegangen, die an der Kristallisationsfront wirkt. Dabei wurde der Einfluss der beiden Parameter, Ultraschallfrequenz und Schallleitergeometrie, untersucht. Des Weiteren wurde auch die Überlagerung eines Ultraschallfeldes mit einemWandermagnetfeld analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von Ultraschall ein wirkungsvolles Mittel zur Reduzierung der Diffusionsgrenzschichtdicke ist. Der Einsatz von niederfrequenten Vibrationen wurde mit dem Program FLUENT numerisch simuliert. Untersucht wurde die Wirkungsweise auf die globale Strömung von Galliumarsenid im VGF-Verfahren. Es zeigte sich, dass die Konvektion im Bereich zwischen Vibratorstempel und Phasengrenze stark erhöht werden kann. Der Einsatz von Vibrationen ist somit ebenfalls als Instrument zur Reduzierung der Dicke der Diffusionsgrenzschicht geeignet.