Einkristall

Monokristallines Silicium (Ingot) für die Wafer-Herstellung

EinEinkristalloderMonokristallist ein makroskopischerKristall,dessen Bausteine (Atome,IonenoderMoleküle) ein durchgehendes einheitliches,homogenesKristallgitterbilden. Dies unterscheidet Einkristalle vonpolykristallinenAggregaten,verzwillingtenKristallen oderamorphenSubstanzen (Gläsern).

Chemische Einteilung

Analog zurEinteilung aller chemischen Stoffekann man Einkristalle nach ihrem chemischen Aufbau in zwei fundamentale Gruppen einteilen:

• Chemische Elemente:Einkristalle derHalbleiterelementeSiliciumund (heute seltener)Germaniumwerden – meist in Form vonWafern– in großer Zahl für elektronische Geräte verwendet. Große Einkristalle werden durch Animpfen von geschmolzenem Ausgangsmaterial mit einem kleinen Einkristall (Impfkristall) imCzochralski-Verfahren(Tiegelziehen) hergestellt. Eine andere Möglichkeit stellt dasZonenschmelzverfahrendar.

Einkristalle zu Schmuckzwecken, hier Diamanten mit Brillantschliff

Die KohlenstoffmodifikationDiamantwird oft als Einkristall verwendet, nicht nur in Form desBrillantenals Schmuck, sondern auch beim Einsatz als Schneidwerkzeug, beispielsweise bei manchenGlasschneidern.

• Chemische Verbindungen:Verschiedene Einkristalle aus mehr oder weniger komplexen Verbindungen werden technisch verwendet, zum BeispielGalliumarsenidin der Elektronik oder der Hochfrequenztechnik,Lithiumniobatin der nichtlinearen Optik oderSaphirals hochstabiles Fenster.

Anwendung zur Analyse

DieKristallstrukturanalysezur Aufklärung von Kristall- bzw. Molekülstrukturen ist heute eine Standardmethode der Chemie und der Biochemie. Hierfür ist jedoch dieKristallisationVoraussetzung, was insbesondere bei biologischen Molekülen sehr schwierig sein kann. Idealerweise wird die Untersuchung an einem Einkristall durchgeführt. Manchmal ist dies unmöglich, da nicht genügend große Einkristalle einer Substanz zur Verfügung stehen. Heutzutage ist es zwar möglich, selbst dasBeugungsmustervon Kristallpulvern im Rahmen einer Kristallstrukturanalyse auszuwerten, allerdings geht hierbei durch Überlagerung von Beugungsmaxima Information verloren, sodass die Ergebnisse von geringerer Qualität sind. Doch selbst aufwendig gezüchtete Einkristalle besitzen nochGitterfehler.

Zur Strukturaufklärung von chemischen Verbindungen unter Anwendung vonRöntgenstrahlen(die auch mittelsSynchrotronerzeugt werden können) oderNeutronenstrahlenwerden Einkristalle benötigt, um unter anderem die genauenBindungslängenund die Anordnung der Atome in einem Molekül zu ermitteln. Die dafür verwendeten Kristalle sind dabei meistens kleiner als ein Millimeter. Auch beiMakromolekülen,makrocyclischen VerbindungenundNaturstoffen,einschließlich derProteine,derDNAund derRNA,kann die Einkristall-Strukturanalyse zur Bestimmung der dreidimensionalen Strukturen bis hin zu atomarer Auflösung angewandt werden, wenn Einkristalle erhalten werden können.

Mechanisch-technische Anwendung

In der Technik werden Einkristalle wegen ihrer reproduzierbaren Eigenschaften eingesetzt. Da sie nahezu keineKorngrenzenoder andere Strukturfehler besitzen, erhöht sich beispielsweise die mechanische Belastbarkeit des Materials. So werden z. B. Turbinenschaufeln aus einer einkristallinenNickelbasis-Superlegierunggefertigt.Dabei haben diese Einkristalle eine einheitliche Ausrichtung der Gitterstruktur, können aber durchaus mehrerePhasenbesitzen.

Einkristalline Oberflächen und zweidimensionale Kristalle

Auch die Oberflächen von anorganischen Einkristallen sind einkristallin. Sie können als zweidimensionaler Einkristall verstanden werden, wenn man nur die oberste Schicht betrachtet, und sind Gegenstand der Forschung im Bereich derOberflächenchemieund -physik. Niedrig indizierte Einkristalloberflächen sind z. B. Si(111), Ag(100) oder Au(110). Auf diesen Oberflächen sind die Atome auf ebenen Terrassen angeordnet, die durch meist monoatomare Stufen unterbrochen sind. An diesen Stufen zeigen Adsorbate ein anderes Verhalten als auf atomar glatten Bereichen.Bringt man eine einzelne Schicht organischer Moleküle auf einkristalline Oberflächen auf, erhält man bei niedriger Bedeckung meistSelbstorganisierende Monoschichten.Diese nur eine Moleküllage hohen organischen Schichten können analog zu anorganischen einkristallinen Oberflächen als zweidimensionale Einkristalle bezeichnet werden. Wie bei aus Atomen aufgebauten Einkristallen sind die Moleküle auch hier hochgeordnet.Graphen,eine freistehende Schicht ausKohlenstoffatomen,fehlt ohne ebene Unterlage erwartungsgemäß die kristalline Fernordnung und bildet eine wellige Defektstruktur.

Siehe auch

• Kristallorientierung

Literatur

Siehe auch:HalbleiterundFestkörperphysik

Fachartikel und Kapitel

• Burkhard Altekrüger, Martin Gier:Züchtung von Silizium-Einkristallen mit 300 mm Durchmesser.In:Vakuum in Forschung und Praxis.Band11,Nr.1,1999,S.31–36,doi:10.1002/vipr.19990110110.
• Jens Götze, Matthias Göbbels:Kristallzüchtung.In:Einführung in die Angewandte Mineralogie.Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2017,ISBN 978-3-662-50264-8,S.179–192,doi:10.1007/978-3-662-50265-5_10.

Fachbücher

• Cor Claeys, Eddy Simoen:Metal Impurities in Silicon- and Germanium-Based Technologies: Origin, Characterization, Control, and Device Impact(=Springer Series in Materials Science.Band270). Springer International Publishing, Cham 2018,ISBN 978-3-319-93924-7,doi:10.1007/978-3-319-93925-4(englisch).
• Imin Kao, Chunhui Chung:Wafer Manufacturing: Shaping of Single Crystal Silicon Wafers.1. Auflage. Wiley, 2021,ISBN 978-0-470-06121-3,doi:10.1002/9781118696224(englisch).

Ältere Werke

• Alexander Smakula:Einkristalle: Wachstum, Herstellung und Anwendung.Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1961,ISBN 978-3-642-86530-5,doi:10.1007/978-3-642-86529-9.