Freiburger Experimente auf Texus 47: Kristallzüchtung in der Schwerelosigkeit des Weltraums

01.12.2009: Am Sonntag wurde mit dem Start der unbemannten Raketenmission TEXUS 47 des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) die TEXUS Forschungskampagne von Esrange bei Kiruna in Nordschweden erfolgreich durchgeführt. TEXUS steht für Technologische Experimente unter Schwerelosigkeit. Der Lehrstuhl für Kristallographie des Instituts für Geowissenschaften der Universität Freiburg, unter Leitung von Prof. Dr. Arne Cröll, nimmt seit 1983 an den Raketenexperimenten auf TEXUS teil, bei denen für sechs Minuten ballistische Raketen für wissenschaftliche Kurzzeitexperimente unter Mikrogravitation, das heißt „Schwerelosigkeit“, verwendet werden. Das Experiment der Freiburger Wissenschaftler beschäftigte sich mit der Züchtung von Silizium-Kristallen, dem technisch wichtigsten Halbleiter.

Das Ziel dieser Untersuchungen ist die Quantifizierung von Transportvorgängen in Schmelzen und deren Einfluss auf Züchtung von technisch interessanten Kristallmaterialien. Die weitgehende Vermeidung von Schwerkrafteinflüssen zum Beispiel bei der Auftriebskonvektion, ermöglicht genauere Aussagen zu den komplexen Vorgängen bei der Kristallzüchtung und soll letztendlich zu besseren Kristallen mit weniger Baufehlern auf der Erde führen. An Bord von TEXUS 47 wurde in den sechs Minuten unter Mikrogravitation ein Siliciumkristall nach dem Floating-Zone-Verfahren gezüchtet. Bei diesem Verfahren wird eine Schmelzzone mit freier Oberfläche zwischen dem wachsenden Kristall und einem Nährstab etabliert. Die Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannung treibt eine schwerkraftunabhängige Strömung in dieser Schmelzoberfläche an, die so genannte Marangonikonvektion, die die Schmelzoberfläche von heiß nach kalt, in einer Kristallzüchtungsanordnung zum Kristall hin, bewegt. Um diese Konvektion ungestört untersuchen zu können, ist es notwendig, die unter 1g ebenfalls vorhandene Auftriebskonvektion auszuschalten. Frühere Experimente unter Mikrogravitation auf TEXUS und Spacelab hatten bewiesen, dass diese Konvektion in freien Siliciumschmelzzonen zeitabhängig und damit für mikroskopische Ungleichmäßigkeiten des Kristalls, die so genannten Dotierstoffstreifen, verantwortlich ist. In weiteren Flügen wurde bereits eine Möglichkeit, diese Konvektion zu unterdrücken und zu beeinflussen, erfolgreich getestet, dies war der Einsatz von rotierenden Magnetfeldern.

Die Züchtung wurde während des Raketenfluges von Prof. Arne Cröll direkt vor Ort durch Video in Realzeit überwacht und durch Telekommando gesteuert. Gleichzeitig zeichnete eine Hochgeschwindigkeitskamera die Bewegungen der Zone auf. Nach dem Experiment wird der erhaltene Kristall im Labor auf Dotierstoffstreifen untersucht und die Ergebnisse mit den gemessenen Vibrationsamplituden und Hochgeschwindigkeitsbildern abgeglichen. Hierdurch sollen die Parameter für eine möglichst gute Unterdrückung der reinen Marangonikonvektion bei der Float-Zone-Züchtung von Silicium durch Vibration bestimmt werden. Die durch die Auswertung der Kristalle gewonnenen neuen Daten und Informationen können dann in die Kristallzüchtung auf der Erde einfließen.