Bessere Trennung von Siliziumkristallen reduziert Materialverluste
Bei der Herstellung von Wafern aus Siliziumkristallen entsteht viel Abfall. Ein Drittel des Kristalls geht beim Zersägen verloren. Mit neuen, extrem dünnen Drähten, die Forscher aus Freiburg und Australien entwickelt haben, lassen sich Siliziumkristalle deutlich besser teilen.
Neuartige Nanoröhrchen, beschichtet mit Diamantsplittern, könnten traditionellen Stahldrähten bei der Teilung von Siliziumkristallen in der Solarfertigung überlegen sein. Aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit sind die Nanodrähte weitaus dünner und reduzieren den Schnittverlust um bis zu 30 Prozent.
Foto: Fraunhofer IWM
Siliziumkristalle werden mit hohem Energie- und Zeitaufwand hergestellt. Ein Gutteil davon landet gleich wieder im Abfall und muss recycelt werden: Siliziummehl, das beim Zersägen des Kristalls herunterrieselt, um hauchdünne Wafer zu erhalten. Zwar sind die Sägedrähte im Laufe der Jahre immer feiner und die Wafer immer dünner geworden. Trotzdem gehen beim Sägen noch bis zu ein Drittel des Materials verloren.
Jetzt haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik in Freiburg zusammen mit Kollegen der australischen Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation eine Technik entwickelt, mit der sich extrem dünne Sägedrähte herstellen lassen, die den Abfall um mehrere Zehnerpotenzen reduzieren könnten. Statt feiner Fäden aus Stahl setzen sie noch viel feinere Nanoröhrchen ein. Beide werden mit Diamantpartikeln beschichtet, die die eigentliche Sägearbeit übernehmen.
Dass die Beschichtung mit Diamantpartikeln die richtige Lösung ist, war nicht nur den Freiburgern und ihren australischen Partnern klar. Die Beschichtung der Fäden aus Nanoröhrchen, die nur Mikrometer dick, mit Diamant war allerdings die große Hürde, die bisher niemand in der Welt genommen hat. Denn Diamant wächst in einer stark kohlenstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von 900 Grad Celsius. Schlimmer noch: Außer extrem hartem Diamant scheidet sich auf den Nanoröhrchen butterweicher Graphit ab. Den ätzten die Freiburger Wissenschaftler mit Wasserstoff erfolgreich weg, schädigten aber gleichzeitig die Nanoröhrchen. Ihre so dringend benötigte Festigkeit war dahin.
Eine Verunreinigung brachte die Forscher auf die richtige Spur
Da kam ihnen der Zufall zu Hilfe. Bei einem ihrer Beschichtungsversuche gab es eine Verunreinigung mit Quarzglas. Das legte sich, wie sich bei einer späteren Analyse mit einem Transmissionselektronenmikroskop der australischen Partner herausstellte, wie eine hauchdünne Schutzschicht über die Nanoröhrchen. Wasserstoff konnte ihnen nichts mehr anhaben. Außerdem erwies sich die Schutzhülle als idealer Nährboden für Diamantpartikel.
Derart geschützt musste nur noch ein Weg gefunden werden, aus den kurzen Nanoröhrchen, die wie ein winziger Wald auf einer Unterlage (Substrat) wachsen, einen Faden zu spinnen. Das ist eine Spezialität der australischen Forscher. Es gelang ihnen, Fäden mit einem Durchmesser von 10 bis 20 Mikrometer herzustellen. Stahldrähte, die zum Zerteilen von Siliziumkristallen verwendet werden, sind bis zu zehnmal so dick, aber trotzdem nicht so fest.
Nanodrähte sind Stahldrähten überlegen
Beschichtet mit Diamant sind die Nanoröhrchen die Sägen der Zukunft, glaubt der Freiburger Physiker Manuel Mee, der die Forschungsgruppe leitet. „Die neuen Sägedrähte könnten traditionellen Stahldrähten überlegen sein, weil sie sich aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit weitaus dünner herstellen lassen und somit deutlich weniger Schnittverlust erzeugen.“ Jetzt muss nur noch die Industrie überzeugt werden, beispielsweise die Unternehmen der Solarbranche. Dass mittlerweile patentierte Verfahren wird derzeit für Sägeversuche genutzt, um der Industrie zu beweisen, dass es ein hohes Einsparpotenzial hat.
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