1. Durchbrüche in der Herstellung hochreiner Materialien
Siliziumbasierte Materialien: Die Reinheit von Silizium-Einkristallen hat mit Hilfe des Zonenschmelzverfahrens (FZ) 13N (99,9999999999 %) überschritten, wodurch die Leistung von Hochleistungshalbleiterbauelementen (z. B. IGBTs) und fortschrittlichen Chips deutlich verbessert wurde45. Diese Technologie reduziert die Sauerstoffkontamination durch ein tiegelfreies Verfahren und integriert Silan-CVD und modifizierte Siemens-Verfahren, um eine effiziente Herstellung von Polysilizium in Zonenschmelzqualität zu erreichen47.
Germaniummaterialien: Durch optimierte Zonenschmelzreinigung konnte die Germaniumreinheit auf 13N gesteigert werden, mit verbesserten Verunreinigungsverteilungskoeffizienten, was Anwendungen in der Infrarotoptik und in Strahlungsdetektoren ermöglicht. Wechselwirkungen zwischen geschmolzenem Germanium und Gerätematerialien bei hohen Temperaturen stellen jedoch weiterhin eine große Herausforderung dar.
2. Innovationen bei Prozessen und Ausrüstung
Dynamische Parametersteuerung: Anpassungen der Schmelzzonenbewegungsgeschwindigkeit, der Temperaturgradienten und der Schutzgasumgebung – in Verbindung mit Echtzeitüberwachung und automatisierten Rückkopplungssystemen – haben die Prozessstabilität und Wiederholbarkeit verbessert und gleichzeitig die Wechselwirkungen zwischen Germanium/Silizium und der Ausrüstung minimiert.
Polysiliziumproduktion: Neuartige skalierbare Verfahren zur Herstellung von Polysilizium in Zonenschmelzqualität bewältigen die Herausforderungen der Sauerstoffgehaltskontrolle in traditionellen Verfahren, reduzieren den Energieverbrauch und steigern die Ausbeute47.
3. Technologieintegration und interdisziplinäre Anwendungen
Schmelzkristallisationshybridisierung: Niedrigenergetische Schmelzkristallisationstechniken werden integriert, um die Trennung und Reinigung organischer Verbindungen zu optimieren und die Anwendungsmöglichkeiten des Zonenschmelzens bei pharmazeutischen Zwischenprodukten und Feinchemikalien zu erweitern.
Halbleiter der dritten Generation: Das Zonenschmelzverfahren wird mittlerweile auch für Materialien mit großer Bandlücke wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) eingesetzt und ermöglicht so die Herstellung von Hochfrequenz- und Hochtemperaturbauelementen. Beispielsweise erlaubt die Flüssigphasen-Einkristallofentechnologie ein stabiles SiC-Kristallwachstum durch präzise Temperaturkontrolle.
4. Diversifizierte Anwendungsszenarien
Photovoltaik: In hocheffizienten Solarzellen wird Polysilizium in Zonenschmelzqualität verwendet, wodurch photoelektrische Umwandlungswirkungsgrade von über 26 % erreicht werden und Fortschritte bei erneuerbaren Energien vorangetrieben werden4.
Infrarot- und Detektortechnologien: Hochreines Germanium ermöglicht miniaturisierte, leistungsstarke Infrarot-Bildgebungs- und Nachtsichtgeräte für militärische, Sicherheits- und zivile Märkte23.
5. Herausforderungen und zukünftige Ausrichtung
Grenzen der Verunreinigungsentfernung: Bei den derzeitigen Methoden ist die Entfernung von Verunreinigungen durch leichte Elemente (z. B. Bor, Phosphor) unzureichend, weshalb neue Dotierungsprozesse oder dynamische Schmelzzonenkontrolltechnologien erforderlich sind.
Anlagenlebensdauer und Energieeffizienz: Die Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung hochtemperaturbeständiger, korrosionsbeständiger Tiegelmaterialien und Hochfrequenzheizsysteme, um den Energieverbrauch zu senken und die Lebensdauer der Anlagen zu verlängern. Die Vakuumlichtbogen-Umschmelztechnologie (VAR) zeigt vielversprechende Ergebnisse für die Metallraffination.47
Die Zonenschmelztechnologie entwickelt sich hin zu höherer Reinheit, geringeren Kosten und breiterer Anwendbarkeit und festigt damit ihre Rolle als Eckpfeiler in der Halbleiterindustrie, der erneuerbaren Energiewirtschaft und der Optoelektronik.
Veröffentlichungsdatum: 26. März 2025