EffTiSi - Verbundvorhaben: Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur Herstellung von CFC-Tiegeln zur Silizium-Einkristallzucht; Teilvorhaben: Entwicklung eines Verfahrens zur Erzeugung von tiegelförmigen Carbonfaserpreformen mit optimierten Infiltrationseigenschaften

Motivation und Ziel

Ziel dieses Projektes ist es, einen Prozess sowie eine Versuchsanlage zu Hestellung der nötigen textilen Halbzeuge (3D-Preformen) für Prozesstiegel in der Halbleiterindustrie zu entwickeln. Darauf aufbauend sollen die nachfolgenden Infiltrationsverfahren gezielt optimiert werden. Aufgrund des steigenden Bedarfs an Silizium-Einkristallen durch das stetige Wachstum von Photovoltaik als Energielieferant, ist eine effizientere Gestaltung der gesamten Prozesskette bis zu den fertigen Solarzellen erforderlich. Dabei bezeichnen die Carbonfaserverstärkten Kohlenstoff-Tiegel (CFC) einen essenziellen Bestandteil von Czochralski-Pullern für die Silizium-Wafer-Produktion. Die aktuelle, bei Schunk angewendete Standardroute zur Herstellung eines solchen Tiegels bedarf mehreren energieintensiven Hochtemperaturprozessen. Es wurde eine neue Projektroute erdacht. Dabei werden die Preformen nach dem Drapieren auf einer Vernadelungsform und der 3D-Vernadelung durch einen Roboter direkt durch chemischer Gasphaseninfiltration (CVI) zu ihrer endgültigen Form gebracht. Durch Einbringen von pyrolytischem Kohlenstoff mittels CVI wird die für die weitere Verwendung des Tiegels benötigte Dichte erreicht. Durch Eliminierung mehrerer Hochtemperaturprozesse wird es möglich sein, bis zu 40 % der ursprünglich benötigten Energie einzusparen. Zusätzlich können die Tiegellebensdauer und damit die Prozesssicherheit während der Waferherstellung erhöht werden.

Im Folgenden ist die im Projekt entwickelte Route zu sehen

Projektfortschritt

• Entwicklung eines Bandmaterials aus Carbongewebe und –Vliesstoff, das die Vernadelung von Carbonfasern zu einem Rohr mit Innendurchmesser 400 mm ermöglicht (Abb. 3) → Dies stellt eine Innovation und ein Alleinstellungsmerkmal der Rundvernadelungsanlage am ifm dar
• Herstellung rundvernadelter Rohre aus Carbonmaterial
• Konstruktion, Programmierung des 3D-Vernadelungsroboters (Abb. 2) durch Fa. Schunk und Aufstellung und Inbetriebnahme des Geräts bei Tenowo GmbH
• Herstellung mehrerer 3D-vernadelten Preforms in kleinem und großem Maßstab
• Infiltration und Charakterisierung der 3D-vernadelten Preforms durch Fa. Schunk

Rolle des ifm (Hochschule Hof)

Das Institut für Materialwissenschaften (ifm) der Hochschule Hof übernimmt im Rahmen des Projekts die textiltechnische Umsetzung sowie die Entwicklung geeigneter Preformen unter Einsatz eines neuartigen 3D-Vernadelungsverfahrens. Zunächst wurden Vorversuche zur Auslegung und Optimierung des Strukturaufbaus der Preforms im zweidimensionalem Bereich durchgeführt. Aufbauend auf diesen Untersuchungen erfolgte anschließend die Entwicklung eines geeigneten Bandmaterials. Dieses wird auf einer entsprechend ausgelegten Gegenform zu einer Tiegel-Preform geformt und anschließend durch das 3D-Vernadelungsverfahren verfestigt.