1953: Der erste Silicium-Einkristall

| Redakteur: Kristin Rinortner

Silicium-Halbleiter: In Pretzfeld wurde das Verfahren und die Anlagentechnik zur Herstellung von Reinst-Silicium entwickelt. Im Bild zu sehen die Zonenziehanlage VZA 2.
Silicium-Halbleiter: In Pretzfeld wurde das Verfahren und die Anlagentechnik zur Herstellung von Reinst-Silicium entwickelt. Im Bild zu sehen die Zonenziehanlage VZA 2. (Bild: Historisches Archiv Infineon)

Neben der Erfindung des Transistors ist die Herstellung und Entwicklung von Silicium-Leistungshalbleitern prägend für die aufkommende Elektronikindustrie gewesen. Eine der bahnbrechenden Entwicklungen war die Herstellung von einkristallinem Reinst-Silicium.

Eberhard Spenke gilt als der Vater der Silicium-Leistungshalbleiter. Unter seiner Leitung entstanden im Labor der Siemens-Schuckert-Werke im fränkischen Pretzfeld bahnbrechende Erfindungen, zu denen auch das Siemens-Verfahren zählt.

Mit dem Siemens-Verfahren wurde es möglich, Reinstsilicium herzustellen, das die Basis für neue Leistungshalbleiter wie Silicium-Gleichrichterdioden, Silicium-Transistoren und Silicium-Thyristoren bildete.

Welchem Halbleiterwerkstoff gehört die Zukunft?

Das war Anfang der 1950er Jahre eine entscheidende Frage. Hier wurden Bleiglanz, Selen und – bedingt durch die Erfindung des Transistors – Germanium diskutiert. Germanium schien um 1950 der Werkstoff der Zukunft für die Halbleitertechnik zu sein.

So wurden im Herbst 1952 auch in Pretzfeld erste Versuche mit dem Halbleiter Germanium durchgeführt. Dafür entwickelte Dr. Reimer Emeis ein tiegelfreies Ziehverfahren und Dr. Hubert Patalong stellte daraus die ersten legierten Leistungsgleichrichter her.

Schon damals erkannten die Pretzfelder unter der Leitung von Spenke, dass Silicium wegen des größeren Bandabstands wesentlich besser für die Leistungselektronik geeignet ist und forschten auf diesem Gebiet.

Vom einkristallinen Silicium zum Reinstsilicium

Im Herbst 1953 gelang es Emeis, den ersten Silicium-Einkristall zu ziehen, was aufgrund der höheren Schmelztemperatur von Silicium (im Vergleich zu Germanium) damals eine Herausforderung war. Allerdings gab es noch kein Verfahren, um einkristallines Silicium in ausreichender Reinheit herzustellen.

Aufbauend auf dem von F. Bischoff (Siemens Werkstoffhauptlaboratorium, WHL) entwickelten C-Verfahren ersann Emeis in Pretzfeld eine Praktik, die später unter dem Namen Siemens-Verfahren bekannt wurde. Dabei wird polykristallines Silicium aus der Gasphase an einen durch Stromfluss erhitzten dünnen Silicium-Stab abgeschieden.

Emeis reinigte den Silicium-Stab in einem tiegelfreien Ziehverfahren, bei dem der senkrecht angeordnete Silicium-Stab mit einer HF-Spule in einer schmalen Zone aufgeschmolzen wird.

Durch gleichmäßiges Verfahren der Spule bewegt sich die aufgeschmolzene Zone über den Stab. Verunreinigungen, die sich in der Schmelze sammeln, werden so zum Stabende transportiert.

Schließlich wird in einem weiteren tiegelfreien Ziehvorgang mithilfe eines einkristallinen Impfkristalls der gereinigte polykristalline Stab in einkristallines Silicium umgewandelt, das für die Herstellung von Halbleitern geeignet ist.

Das tiegelfreie Zonenschmelzverfahren wurde etwa gleichzeitig bei Siemens (Karl Siebertz, Heinz Henker, Reimer Emeis) und der Süddeutschen Apparate-Fabrik (Siegfried Müller) sowie bei Western Electric (Henry C. Theuerer) und der US-Army (P.H. Heck, M.J.E. Golay) entwickelt.

Das Siemens-Verfahren zur Herstellung von Reinst-Silicium

Die Besonderheit des Siemes-Verfahrens bestand in der Kombination des senkrechten, tiegelfreien Zonenziehens mit der Silicium-Abscheidung aus der Gasphase nach dem C-Verfahren. Das Verfahren wurde durch eine Methode zum Ziehen von dünnen Silicium-Stäben mit einem Durchmesser von etwa 5 mm vervollständigt. Im Jahr 1955 konnte man in Pretzfeld Silicium-Stäbe mit einem Durchmesser von 12 mm, 1961 mit 25 mm und 1964 mit 33 mm herstellen.

Das Siemens-Verfahren wurde von Laborleiter Spenke 1956 auf einer Halbleitertagung in Garmisch der internationalen Fachwelt vorgestellt und in den folgenden Jahren von den Siemens-Schuckert-Werken weltweit lizenziert (an Merck, Dow Corning, Monsanto, Shin-Etsu, Wacker Chemie, Montecatini, Lonza). Im Jahr 1957 wurde die Serienfertigung von vollautomatischen Zonenziehanlagen aufgenommen. Die Zonenziehanlage VZA 2 ist am Anfang des Artikels zu sehen.

Nach Unterlagen aus dem Historischen Archiv von Infineon / Jörg Berkner.

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