DE4310745C2

DE4310745C2 - Method for producing SiC single crystals and device for carrying out the method

Info

Publication number: DE4310745C2
Application number: DE4310745A
Authority: DE
Inventors: Rene Stein; Roland Dipl Ing Dr Rupp
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Sicrystal AG
Priority date: 1993-04-01
Filing date: 1993-04-01
Publication date: 1999-07-08
Anticipated expiration: 2013-04-02
Also published as: DE4310745A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Einkristallen aus Siliciumcarbid (SiC) gemäß dem Oberbe griff des Anspruches 1, das beispielsweise aus der US-4 866 005 bekannt ist, und eine Vorrichtung zur Durch führung des Verfahrens.The invention relates to a method for producing Single crystals of silicon carbide (SiC) according to the Oberbe handle of claim 1, for example from the US-4 866 005 is known, and an apparatus for through conduct of the procedure.

Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von SiC-Einkristallen durch Sublimieren von SiC in Pulverform und Aufwachsen dieses SiC aus der Gasphase auf einem ein kristallinen SiC-Keimkristall bekannt.They are methods and devices for making SiC single crystals by sublimation of SiC in powder form and growing this SiC from a gas phase on a crystalline SiC seed crystal known.

Bei einer ersten bekannten Ausführungsform ist in einer Vakuumanlage ein zylindrisches Reaktionsgefäß vorgesehen, dessen Außenwand eine hohlzylindrische Heizwand und eine obere und untere Heizplatte umschließt. Die Heizwand und die Heizplatten bestehen aus Elektrographit und sind mit einer außerhalb der Vakuumanlage angeordneten Hochfre quenz(HF)-Heizspule induktiv gekoppelt. Innerhalb der Heizwand ist konzentrisch zur Heizwand eine hohlzylindri sche Zylinderwand aus porösem Graphit angeordnet. Diese Zwischenwand trennt einen ebenfalls hohlzylindrischen Vor ratsraum zwischen der Zwischenwand und der Heizwand von einem zylindrischen Reaktionsraum innerhalb der Zwischen wand. In dem unteren Teil des Reaktionsraumes ist symme trisch zur Zylinderachse ein flacher SiC-Keimkristall an geordnet. Durch die Heizwand und die Heizplatten wird ein in den Vorratsraum gefüllter SiC-Vorrat auf eine Tempera tur von etwa 2000°C bis etwa 2500°C erhitzt, und das feste SiC wird sublimiert. Das dabei entstehende Gasgemisch aus den hauptsächlichen Komponenten Si, Si₂C und SiC₂, das im folgenden auch "SiC in der Gasphase" genannt wird, diffun diert durch die Poren des Graphits in den oberen Teil des Reaktionsraumes und von dort zu dem Keimkristall, der auf einer Kristallisationstemperatur von etwa 1900°C bis 2200°C gehalten wird. Auf dem Keimkristall kristallisiert nun SiC aus. Der Temperaturgradient zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil des Reaktionsraumes wird auf höchstens 20°C/cm eingestellt, indem für die obere Heiz platte eine zusätzliche Wärmedämmung und/oder eine zusätz liche Heizung und für den Keimkristall eine zusätzliche Kühlung vorgesehen werden. Außerdem wird ein Schutzgas, vorzugsweise Argon (Ar), in den Reaktionsraum eingeleitet zum Einstellen eines Druckes von etwa 1 bis 5 mbar, der dem Dampfdruck des SiC in der Gasphase entgegenwirkt. Mit einer solchen Vorrichtung können SiC-Einkristalle von wenigstens 30 mm Länge und mit einem Durchmesser von bis zu 40 mm hergestellt werden (DE-C-32 30 727).In a first known embodiment, a cylindrical reaction vessel is provided in a vacuum system, the outer wall of which encloses a hollow cylindrical heating wall and an upper and lower heating plate. The heating wall and the heating plates are made of electrographite and are inductively coupled to a high-frequency (HF) heating coil arranged outside the vacuum system. A hollow cylindrical cylinder wall made of porous graphite is arranged concentrically to the heating wall within the heating wall. This intermediate wall separates a likewise hollow cylindrical front space between the intermediate wall and the heating wall of a cylindrical reaction space within the intermediate wall. In the lower part of the reaction chamber, a flat SiC seed crystal is arranged symmetrically to the cylinder axis. Through the heating wall and the heating plates, a SiC supply filled in the storage space is heated to a temperature of about 2000 ° C. to about 2500 ° C., and the solid SiC is sublimed. The resulting gas mixture of the main components Si, Si ₂ C and SiC ₂ , which is also called "SiC in the gas phase" below, diffuses through the pores of the graphite into the upper part of the reaction space and from there to the seed crystal, which is kept at a crystallization temperature of about 1900 ° C to 2200 ° C. SiC now crystallizes on the seed crystal. The temperature gradient between the upper part and the lower part of the reaction space is set to a maximum of 20 ° C / cm by providing additional heat insulation and / or an additional heating for the upper heating plate and additional cooling for the seed crystal. In addition, a protective gas, preferably argon (Ar), is introduced into the reaction space to set a pressure of about 1 to 5 mbar, which counteracts the vapor pressure of the SiC in the gas phase. With such a device, SiC single crystals of at least 30 mm in length and with a diameter of up to 40 mm can be produced (DE-C-32 30 727).

In einer weiteren bekannten Ausführungsform sind anstelle einer gemeinsamen HF-Spule außerhalb des Vakuumgefäßes zwei Widerstandsheizungen innerhalb des Vakuumgefäßes an geordnet. Eine dieser beiden Widerstandsheizungen ist zum Erhitzen eines pulverförmigen SiC-Vorrats in einem Vor ratsraum auf eine Sublimationstemperatur von typischerwei se etwa 2300°C vorgesehen, und die andere Widerstandshei zung ist zum Erhitzen der Kristallisationsfläche an einem in einem Reaktionsraum angeordneten Keimkristall auf eine Kristallisationstemperatur von typischerweise 2200°C vor gesehen. Der Reaktionsraum ist dabei oberhalb des Vorrats raums angeordnet und von diesem durch eine Trennwand aus porösem Graphit getrennt.In a further known embodiment are instead a common RF coil outside the vacuum vessel two resistance heaters inside the vacuum vessel orderly. One of these two resistance heaters is for Heating a powdery SiC supply in a supply council room to a sublimation temperature of typically se provided about 2300 ° C, and the other resistance tongue is for heating the crystallization surface on one arranged in a reaction chamber seed crystal on a Crystallization temperature of typically 2200 ° C before seen. The reaction space is above the supply arranged and from this through a partition porous graphite separated.

Durch die beiden, voneinander unabhängigen Widerstands heizungen können bei dem Herstellungsprozeß die Temperatur des SiC-Pulvers und die Temperatur an der Kristallisa tionsfläche unabhängig voneinander geregelt werden. Der Temperaturgradient zwischen dem SiC-Pulver im Vorratsraum und der Kristallisationsfläche im Reaktionsraum bildet sich dann bei Vorgabe dieser beiden Temperaturen in Ab hängigkeit von den thermischen Eigenschaften des Systems, insbesondere den thermischen Übergangskoeffizienten der Materialien und seiner Geometrie, von selbst aus. Durch diese unabhängige Einstellung der Sublimationstemperatur und der Kristallisationstemperatur kann der Wachstumspro zeß des auf den Keimkristall aufwachsenden Einkristalls positiv beeinflußt werden. Um während des Kristallwachs tums einen zeitlich annähernd konstanten Temperaturgra dienten zwischen der Kristallisationsfläche am wachsenden Einkristall und dem während des Prozesses an Volumen ab nehmenden SiC-Pulver einzustellen, sind der Keimkristall und der aufwachsende Einkristall auf einem Schaft axial zur SiC-Pulveroberfläche hin- oder wegbewegbar angeordnet. Dieser Schaft ist außerdem rotierbar, so daß ein rota tionssymmetrisches Aufwachsen erreicht wird und räumliche Fluktuationen im Gasfluß herausgemittelt werden. Mit einer solchen Vorrichtung wurden SiC-Kristalle der 6H-Modifika tion mit 12 mm Durchmesser und 6 mm Höhe hergestellt (US 4 866 005).Through the two independent resistance Heaters can be the temperature in the manufacturing process of the SiC powder and the temperature at the crystallisa tion area can be regulated independently of each other. Of the Temperature gradient between the SiC powder in the storage room and forms the crystallization surface in the reaction space then given these two temperatures in Ab dependence on the thermal properties of the system, in particular the thermal transition coefficient of Materials and its geometry, by itself. By this independent setting of the sublimation temperature and the crystallization temperature, the growth pro zeß of the single crystal growing on the seed crystal be positively influenced. To during the crystal wax an almost constant temperature graph over time served growing between the crystallization area Single crystal and the volume decreases during the process to take the SiC powder is the seed crystal and the growing single crystal on a shaft axially arranged to move to or away from the SiC powder surface. This shaft is also rotatable, so that a rota tionally symmetrical growth is achieved and spatial Fluctuations in the gas flow are averaged out. With a such a device became SiC crystals of the 6H-Modifika tion with a diameter of 12 mm and a height of 6 mm (US 4,866,005).

Mit diesem zuletzt beschriebenen, bekannten Verfahren können zwar die Temperatur des SiC-Vorrats und der Kristallisationsfläche während des Aufwachsprozesses unabhängig voneinander geregelt und damit ein Temperatur gradient zwischen dem Sublimationsbereich am SiC-Vorrat und der Kristallisationsfläche am aufwachsenden SiC-Ein kristall eingestellt werden. Wenn nun jedoch die Tempera tur lokal an den Wänden des Gastransportbereichs zwischen Vorratsraum und Kristallisationsfläche unter der Gleich gewichtstemperatur für den dort herrschenden Dampfdruck des SiC in der Gasphase liegt, kommt es zu unerwünschten Auskristallisationen von im allgemeinen polykristallinem SiC an diesen Wänden und zu einer entsprechend einge schränkten Kristallausbeute. Ein zweiter kritischer Be reich ist der Teil des Gastransportbereichs unmittelbar vor der Kristallisationsfläche. Durch Fehlanpassungen des Temperaturfeldes kann dort eine lokale Übersättigung des SiC in der Gasphase entstehen. Dies kann ein unerwünschtes dendritisches Wachstum an der Kristallisationsfläche und entsprechend Defekte im Einkristall zur Folge haben. Schließlich darf auch der Temperaturgradient innerhalb des SiC-Einkristalls nicht zu groß sein, weil sonst zu hohe mechanische Spannungen im Kristallgitter auftreten, die Defekte und im ungünstigsten Fall die Zerstörung des SiC- Einkristalls zur Folge haben.With this known method described last can indeed the temperature of the SiC supply and Crystallization surface during the growth process regulated independently of each other and thus a temperature gradient between the sublimation area at the SiC supply and the crystallization area on the growing SiC-Ein can be set crystal. However, if the tempera tur locally on the walls of the gas transportation area between Storage room and crystallization area under the same weight temperature for the prevailing vapor pressure of the SiC is in the gas phase, undesirable effects occur Crystallizations of generally polycrystalline SiC on these walls and turned on accordingly limited crystal yield. A second critical point the part of the gas transport sector is immediately rich in front of the crystallization surface. By mismatching the Temperature field there may be a local supersaturation of the SiC arise in the gas phase. This can be an undesirable one dendritic growth on the crystallization surface and accordingly result in defects in the single crystal. Finally, the temperature gradient within the SiC single crystal should not be too large, because otherwise too high mechanical stresses occur in the crystal lattice Defects and, in the worst case, the destruction of the SiC Single crystal result.

Außerdem ist aus der JP 03-80197 A ein CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition) bekannt, bei dem chemische Reaktionen der Ausgangsprodukte eine wesentliche Rolle spielen. Insbesondere erfolgt die Reaktion: SiO₂+ C → SiC + CO.In addition, JP 03-80197 A discloses a CVD (Chemical Vapor Deposition) process in which chemical reactions of the starting products play an important role. In particular, the reaction takes place: SiO ₂ + C → SiC + CO.

Bei der weiterhin bekannten EP 0 510 259 A1 geht es um ein Verdampfen von Molekülen aus der Gasphase, bei dem die Gasspezies aus einer sogenannten Knudsen-Zelle heraus strömen und in einem direkten Molekularstrahl auf ein Substrat gebracht werden. EP 0 510 259 A1, which is also known, is concerned with Evaporation of molecules from the gas phase, in which the Gas species from a so-called Knudsen cell flow in and in a direct molecular beam Bring substrate.

Mit der GB 1 432 240 A wird ein Verfahren zum Züchten von Einkristallen aus der Vakuumphase offenbart. Dabei wird sublimiertes Material zur Deposition gebracht und als Ein kristall aufgewachsen. Dieses Verfahren wird hier spezi fisch für Metallchalkogenide aus der Gruppe IIB des Perio densystems angewandt, wobei die im einzelnen beschriebenen Verfahrensschritte auf die angegebenen chemischen Stoffe spezifiziert sind.GB 1 432 240 A describes a method for growing Single crystals from the vacuum phase disclosed. Doing so sublimed material brought to deposition and as an grown up crystal. This procedure is speci fish for metal chalcogenides from group IIB of Perio densystems applied, the described in detail Process steps on the specified chemical substances are specified.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren zum Herstellen von SiC-Einkristallen und Vor richtungen zur Durchführung dieser Verfahren hinsichtlich einer erhöhten Einkristallausbeute und zugleich einer Ver ringerung von Kristalldefekten zu verbessern.The invention has for its object the known Process for producing SiC single crystals and pre directions for performing these procedures with regard to an increased single crystal yield and at the same time a ver to improve the reduction of crystal defects.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 6.This object is achieved according to the invention with the Features of claim 1 and claim 6.

Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, daß die drei erwähnten Probleme, die Auskristallisation an den Wänden, das dendritische Wachstum und die thermisch indu zierten mechanischen Spannungen im Einkristall bei den bekannten Verfahren nicht alle zugleich gelöst werden können. Erhöht man nämlich die Temperaturen im Gastrans portbereich, insbesondere an den Wänden und direkt vor der Kristallisationsfläche, durch Einstellen einer höheren Sublimationstemperatur, so stellt sich unvermeidlich im aufwachsenden SiC-Einkristall auch ein unerwünschter höherer Temperaturgradient ein. Außerdem verändern sich das Konzentrationsgefälle und damit die Dampfdruckvertei lung wegen der vermehrten Sublimation und die stöchiome trische Zusammensetzung des SiC-Gasgemisches. Dies beein flußt wiederum sowohl die Transporte und damit die Wachs tumsrate als auch die Kristallisation am SiC-Einkristall.The invention is based on the consideration that three mentioned problems, the crystallization on the Walls, dendritic growth and thermal indu graced mechanical stresses in the single crystal known methods can not all be solved at the same time can. You increase the temperature in the gas transmission port area, especially on the walls and directly in front of the Crystallization area, by setting a higher one Sublimation temperature, so inevitably arises in growing SiC single crystal also an undesirable higher temperature gradient. Also change the concentration gradient and thus the vapor pressure distribution lung due to increased sublimation and stoichioma tric composition of the SiC gas mixture. This affects in turn flows both the transports and thus the wax as well as the crystallization on the SiC single crystal.

Gemäß der Erfindung wird zur Verbesserung des Temperatur feldes außer der Heizeinrichtung zum Sublimieren des SiC- Vorrats und der Heizeinrichtung zum Erhitzen der Kristal lisationsfläche wenigstens eine weitere Heizeinrichtung vorgesehen. Diese zusätzliche Heizeinrichtung bringt einen weiteren Freiheitsgrad neben den beiden anderen einstell baren Temperaturen, der Sublimationstemperatur und der Kristallisationstemperatur, zum Einstellen des Temperatur feldes und seines Gradienten in dem gesamten System. Damit sind insbesondere der Temperaturgradient in dem Gastrans portbereich zwischen dem SiC-Vorrat und der Kristallisa tionsfläche einerseits und der Temperaturgradient in dem SiC-Einkristall andererseits unabhängig voneinander wäh rend des Abscheideprozesses einstellbar.According to the invention is used to improve the temperature field except for the heating device for subliming the SiC Supply and the heater for heating the crystal lization area at least one further heating device intended. This additional heating device brings you set another degree of freedom next to the other two temperatures, the sublimation temperature and the Crystallization temperature, for setting the temperature field and its gradient in the entire system. In order to are in particular the temperature gradient in the gas transmission port area between the SiC supply and the Kristallisa tion area on the one hand and the temperature gradient in the On the other hand, SiC single crystal is selected independently of one another adjustable during the deposition process.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vor richtung zur Durchführung des Verfahrens ergeben sich aus den entsprechenden Unteransprüchen. Advantageous embodiments of the method and the front direction for carrying out the procedure result from the corresponding subclaims.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich nung Bezug genommen, in derenTo further explain the invention, reference is made to the drawing reference, in whose

Fig. 1 und 2 jeweils eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit drei Heizeinrichtungen, Fig. 1 and 2 respectively to an apparatus for carrying out the process with three heaters,

Fig. 3 eine Vorrichtung mit vier Heizeinrichtungen und Fig. 3 shows a device with four heaters and

Fig. 4 eine Vorrichtung mit einem massiven SiC-Körper als Vorrat und einer Zieheinrichtung für den Keim kristall Fig. 4 shows a device with a solid SiC body as a supply and a pulling device for the seed crystal

schematisch dargestellt sind. Entsprechende Teile der Vor richtung sind mit denselben Bezugszeichen versehen.are shown schematically. Corresponding parts of the pre direction are provided with the same reference numerals.

In Fig. 1 sind ein Vorrat aus SiC-Pulver mit 2, ein Vor ratsraum für diesen Vorrat 2 mit 28, ein Keimkristall mit 4, ein darauf aufwachsender SiC-Einkristall mit 5, dessen Kristallisationsfläche mit 3, ein Keimkristallhalter mit 6, ein Reaktionsraum mit 38, ein Prozeßgefäß mit 10, drei Heizeinrichtungen mit 20, 23 bzw. 30, eine Trennwand vor zugsweise aus porösem Graphit mit 25 und ein Gastransport bereich mit 32 bezeichnet. Das Prozeßgefäß 10 ist vorzugs weise zylindrisch ausgebildet mit einem Deckel und einem Boden und umfaßt die vorzugsweise hohlzylindrische und konzentrisch zum Prozeßgefäß 10 angeordnete Trennwand 25. Die Trennwand 25 trennt den außen liegenden Vorratsraum 28, der mit dem SiC-Vorrat 2 wenigstens teilweise gefüllt ist, von dem innen liegenden zylindrischen Reaktionsraum 38. Dem SiC-Vorrat 2 sind als erste Heizeinrichtung 20 bezeichnete Heizmittel zugeordnet, mit denen der obere Bereich des Vorrats 2 auf eine Sublimationstemperatur T_S erhitzt wird. Dadurch sublimiert ein Teil des SiC-Pulvers und es bildet sich SiC in der Gasphase. Dieses SiC in der Gasphase ist ein Gasgemisch mit den drei Hauptkomponenten Si, Si₂C und SiC₂. Die Partialdrücke und damit auch das stöchiometrische Verhältnis dieser drei gasförmigen Kompo nenten hängen von der eingestellten Sublimationstemperatur T_S im Vorratsraum 28 ab. Die Sublimationstemperatur T_S wird im allgemeinen zwischen 1200 und 2700°C eingestellt und vorzugsweise zwischen 2000 und 2300°C. Zum Einstellen des Druckes p im Prozeßgefäß 10 ist vorzugsweise ein nicht dargestelltes Zuführungssystem zum Einleiten von Schutz gas, vorzugsweise Argon, vorgesehen. Dieser Druck p wird im allgemeinen zwischen 0,01 und 1000 mbar und vorzugswei se zwischen 0,1 und 10 mbar eingestellt. Das sublimierte gasförmige SiC diffundiert durch die Poren der Trennwand 25 aus Graphit in den oberen Teil des Reaktionsraumes 38. Im unteren Teil des Reaktionsraumes 38 ist der Keimkri stallhalter 6 mit dem darauf befestigten Keimkristall 4 angeordnet. Die Kristallisationsfläche 3 wird zu Beginn des Abscheideprozesses von der Oberfläche dieses Keimkri stalls 4 und während des Abscheideprozesses von der dem SiC-Gasstrom zugänglichen Oberfläche des aufwachsenden SiC-Einkristalls 5 gebildet.In Fig. 1 are a supply of SiC powder with 2 , an on-board space for this supply 2 with 28 , a seed crystal with 4 , a growing on it SiC single crystal with 5 , the crystallization area with 3 , a seed crystal holder with 6 , a reaction space with 38 , a process vessel with 10 , three heating devices with 20 , 23 and 30 , a partition wall preferably made of porous graphite with 25 and a gas transport area designated 32 . The process vessel 10 is preferably cylindrical with a lid and a bottom and includes the preferably hollow cylindrical and arranged concentrically to the process vessel 10 partition 25th The partition wall 25 separates the external storage space 28 , which is at least partially filled with the SiC reservoir 2 , from the internal cylindrical reaction space 38 . The SiC supply 2 is assigned heating means designated as the first heating device 20 , with which the upper region of the supply 2 is heated to a sublimation temperature T _S. As a result, part of the SiC powder sublimes and SiC is formed in the gas phase. This SiC in the gas phase is a gas mixture with the three main components Si, Si ₂ C and SiC ₂ . The partial pressures and thus also the stoichiometric ratio of these three gaseous components depend on the set sublimation temperature T _S in the storage space 28 . The sublimation temperature T _S is generally set between 1200 and 2700 ° C and preferably between 2000 and 2300 ° C. To adjust the pressure p in the process vessel 10 , a supply system, not shown, for introducing protective gas, preferably argon, is preferably provided. This pressure p is generally set between 0.01 and 1000 mbar and preferably between 0.1 and 10 mbar. The sublimed gaseous SiC diffuses through the pores of the graphite partition 25 into the upper part of the reaction space 38 . In the lower part of the reaction chamber 38 , the Keimkri stallhalter 6 with the seed crystal 4 attached thereon. The crystallization surface 3 is formed at the beginning of the deposition process from the surface of this seed crystal 4 and during the deposition process from the surface of the growing SiC single crystal 5 accessible to the SiC gas stream.

Zwischen dem Sublimationsbereich am Vorrat 2 und der Kristallisationsfläche 3 bildet sich in dem von dem oberen Bereich des Vorratsraums 28 und dem Bereich oberhalb der Kristallfläche 3 im Reaktionsraum 38 gebildeten Gastrans portbereich 32 ein Diffusionsgasstrom von Si-, Si₂C- und SiC₂-Molekülen aus, die als einkristallines SiC auf der Kristallisationsfläche 3 auskristallisieren. An der Kri stallisationsfläche 3 wird mit Hilfe der als zweite Heiz einrichtung 30 bezeichneten Heizmittel eine Kristalli sationstemperatur T_C eingestellt, die unter der Sublima tionstemperatur T_S liegt und im allgemeinen aus einem Bereich zwischen 1800 und 2600°C und vorzugsweise zwi schen 1900 und 2250°C gewählt wird. Die Transportrate des durch den Gastransportbereich 32 diffundierenden SiC-Gas stromes ist abhängig von den geometrischen Abmessungen im Prozeßraum 10, vom Temperaturgradienten grad_DT für diesen Teilchendiffusionsstrom, vom Druck p sowie von der Porosi tät der Trennwand 25.A diffusion gas stream of Si, Si ₂ C and SiC ₂ molecules forms between the sublimation area at the supply 2 and the crystallization area 3 in the gas transport area 32 formed by the upper area of the storage area 28 and the area above the crystal area 3 in the reaction area 38 from which crystallize out as single-crystal SiC on the crystallization surface 3 . On the Kri installation surface 3 with the aid of the heating means referred to as a heating device 30 , a crystallization temperature T _{C is} set which is below the sublimation temperature T _S and generally from a range between 1800 and 2600 ° C. and preferably between 1900 and 2250 ° C is selected. The transport rate of the SiC gas stream diffusing through the gas transport region 32 is dependent on the geometric dimensions in the process space 10 , on the temperature gradient degree _D T for this particle diffusion flow, on the pressure p and on the porosity of the partition 25 .

Mit einer dritten Heizeinrichtung 23 wird nun das Tempe raturfeld T_D(x) und damit auch sein Gradient grad_DT im Gastransportbereich 32 so eingestellt, daß die Temperatu ren lokal, insbesondere an der Innenseite der Trennwand 25 im Reaktionsraum 28, nicht unter die dem jeweils herr schenden Druck entsprechende Kristallisationstemperatur fallen und sich damit keine störenden SiC-Ablagerungen bilden können. Unter einem Temperaturfeld versteht man dabei die räumliche Verteilung der Temperatur T in Abhän gigkeit von einem Ortsvektor x mit drei Ortskoordinaten x₁, x₂ und x₃ und unter dem Gradienten grad T dieses Temperaturfeldes seine örtliche im allgemeinen dreidimen sionale Ableitung im entsprechenden Koordinatensystem. In den rotationssymmetrischen Ausführungsformen des Prozeß gefäßes 10 und der Heizeinrichtungen 20, 23 und 30 ist das Temperaturfeld T(x) ebenfalls weitgehend rotationssymme trisch, so daß im allgemeinen nur die Koordinate entlang der Symmetrieachse betrachtet werden muß. Die Temperaturen im Gastransportbereich 32 werden im allgemeinen über den jenigen Temperaturen eingestellt, die sich bei nur zwei Heizeinrichtungen 20 und 30 und dem daraus folgenden Tem peraturfeld im Gastransportbereich 32 von selbst einstel len würden, und liegen vorzugsweise zwischen der Sublima tionstemperatur T_S und der Kristallisationstemperatur T_C. Gleichzeitig wird durch eine Abstimmung der Heizleistungen der drei Heizeinrichtungen 20, 23 und 30 auch der Tempera turgradient grad_CT des Temperaturfeldes T_SC(x) im Einkri stall 5 so flach gehalten, daß keine zu starken mechani schen Spannungen im Kristall auftreten.With a third heating device 23 , the temperature field T _D (x) and thus also its gradient degree _D T in the gas transport area 32 is set such that the temperatures locally, in particular on the inside of the partition 25 in the reaction chamber 28 , not below that each prevailing pressure corresponding crystallization temperature fall and thus no annoying SiC deposits can form. A temperature field is understood to mean the spatial distribution of the temperature T as a function of a location vector x with three location coordinates x ₁ , x ₂ and x ₃ and the gradient degree T of this temperature field is its local, generally three-dimensional, derivative in the corresponding coordinate system. In the rotationally symmetrical embodiments of the process vessel 10 and the heating devices 20 , 23 and 30 , the temperature field T (x) is also largely rotationally symmetrical, so that generally only the coordinate along the axis of symmetry has to be considered. The temperatures in the gas transport area 32 are generally set above those temperatures which would set themselves with only two heating devices 20 and 30 and the resulting temperature field in the gas transport area 32 by themselves, and are preferably between the sublimation temperature T _S and the crystallization temperature T _C. At the same time, by coordinating the heating powers of the three heating devices 20 , 23 and 30 , the temperature gradient grad _C T of the temperature field T _SC (x) in the single cry stall 5 is kept so flat that no excessive mechanical stresses occur in the crystal.

Um die beiden Temperaturgradienten grad_DT und grad_CT kon tinuierlich regeln zu können, sind in einer besonders vor teilhaften Ausführungsform Temperatursensoren, vorzugs weise Pyrometer, zum Messen der drei Temperaturen T_C, T_D und T_S und ein mit diesen Temperatursensoren und mit den Heizeinrichtungen 20, 23 und 30 jeweils verbundener Regler vorgesehen. Ein entsprechender Regelkreis kann in an sich bekannter Weise ausgeführt werden und ist daher nicht gesondert dargestellt.In order to be able to continuously regulate the two temperature gradients grad _D T and grad _C T, temperature sensors, preferably pyrometers, for measuring the three temperatures T _C , T _D and T _S and one with these temperature sensors and with are in a particularly advantageous embodiment the heaters 20 , 23 and 30 each connected controller. A corresponding control loop can be carried out in a manner known per se and is therefore not shown separately.

In einer Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist die dritte Heiz einrichtung 23 für den Gastransportbereich 32 glocken förmig um den oberen Teil des Prozeßgefäßes 10 ausgebil det. Damit erreicht man eine gleichmäßigere Beheizung des Gastransportbereichs 32. Die anderen beiden Heizeinrich tungen 20 und 30 sind vorzugsweise wieder zylindrisch um die Zylinderwand des Prozeßgefäßes 10 ausgebildet.In an embodiment according to FIG. 2, the third heating device 23 for the gas transport area 32 is bell-shaped in the shape of the upper part of the process vessel 10 . This achieves more uniform heating of the gas transport area 32 . The other two heating lines 20 and 30 are preferably cylindrical again around the cylinder wall of the process vessel 10 .

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit vier Heizeinrichtun gen 21, 22, 31 und 41. Es ist ein Prozeßgefäß 11 vorge sehen, das einen oberen zylindrischen Teil 11A und einen unteren zylindrischen Teil 11B enthält. Die hohlzylind rische Außenwand des oberen Teils 11A umfaßt die konzen trisch angeordnete, ebenfalls hohlzylindrische Trennwand 25, die wieder aus porösem Graphit besteht. Oben ist der obere Teil 11A des Prozeßgefäßes 11 mit einem Deckel abge schlossen, der mit der Außenwand und der Trennwand 25 verbunden ist, und unten mit einem Boden 13, der von der Außenwand bis zur Trennwand 25 reicht und ebenfalls mit beiden verbunden ist. Deckel, Boden 13, Außenwand und Trennwand 25 umschließen den Vorratsraum 29, in dem der SiC-Vorrat 2 angeordnet ist. Die hohlzylindrische Außenwand des unteren Teils 11B hat vorzugsweise einen kleineren Durchmesser als die Außenwand des oberen Teils 11A und einen größeren Durchmesser als die Trennwand 25 und ist in einer konzentrischen Anordnung mit dem Boden 13 des oberen Teils 11A verbunden. In dem unteren Teil 11B ist vorzugsweise symmetrisch zur Zylinderachse 11C des Prozeßgefäßes 11 der Keimkristall 4 auf seinem Keimkri stallhalter 7 angeordnet. Der Keimkristallhalter 7 ist als bewegbarer Schaft ausgebildet, der mit einer Positionier einrichtung 52 in Wirkverbindung steht. Die Zieheinrich tung 52 ist zum axialen Verschieben des Keimkristalls 4 mit dem aufwachsenden Einkristall 5 und vorzugsweise zusätzlich auch zum Drehen des Keimkristalls 4 um die Zylinderachse 11C vorgesehen. Durch diese Rotationsbe wegung können Asymmetrien im Temperaturfeld der der Kristallisationsfläche 3 zugeordneten zweiten Heizein richtung 31 ausgeglichen werden. Durch das axiale Ver schieben des Einkristalls 5 kann die Kristallisations fläche 3 als Wachstumsphasengrenze in demselben Tempera turbereich um die Kristallisationstemperatur T_C gehalten werden. Zusätzlich kann auch der Vorratsraum 29 und vor zugsweise das gesamte Prozeßgefäß 11 um die Zylinderachse 11C rotiert werden, um eine besonders gleichmäßige, rota tionssymmetrische Verdampfungsrate am SiC-Vorrat 2 einzu stellen. Der Drehsinn dieser Rotationsbewegung kann gleich- oder gegensinnig zur Rotationsbewegung des Schaf tes sein. Außerdem kann ein symmetrisch zur Zylinderachse 11C gebildetes Rohr 15 in dem unteren Teil 11B des Prozeß gefäßes angeordnet sein, dessen Durchmesser der Trennwand 25 entspricht und das vorzugsweise mit der Trennwand 25 oder auch mit dem Boden 13 vorhanden ist. In diesem Rohr 15 ist der Keimkristall 4 angeordnet und es bildet somit den unteren Teil des Gastransportbereiches 32. Fig. 3 shows an embodiment with four Heizeinrichtun conditions 21 , 22 , 31 and 41st It is a process vessel 11 seen easily, which contains an upper cylindrical part 11 A and a lower cylindrical part 11 B. The hollow cylindrical outer wall of the upper part 11 A comprises the concentrically arranged, also hollow cylindrical partition 25 , which again consists of porous graphite. Above the upper part closed 11 A of the process vessel 11 abge with a lid, which is connected to the outer wall and the partition wall 25 and below by a bottom 13, which extends from the outer wall to the partition wall 25 is also connected to both. Lid, bottom 13 , outer wall and partition 25 enclose the storage space 29 , in which the SiC supply 2 is arranged. The hollow cylindrical outer wall of the lower part 11 B preferably has a smaller diameter than the outer wall of the upper part 11 A and a larger diameter than the partition wall 25 and is connected in a concentric arrangement to the bottom 13 of the upper part 11 A. In the lower part 11 B is preferably symmetrical to the cylinder axis 11 C of the process vessel 11 of the seed crystal 4 on its Keimkri stallhalter 7 arranged. The seed crystal holder 7 is designed as a movable shaft which is in operative connection with a positioning device 52 . The Zieheinrich device 52 is provided for the axial displacement of the seed crystal 4 with the growing single crystal 5 and preferably also for rotating the seed crystal 4 about the cylinder axis 11 C. As a result of this rotation, asymmetries in the temperature field of the second heating device 31 assigned to the crystallization surface 3 can be compensated for. By pushing the single crystal 5 axially, the crystallization surface 3 can be kept as a growth phase boundary in the same temperature range around the crystallization _temperature T _C. In addition, the storage space 29 and preferably the entire process vessel 11 can also be rotated about the cylinder axis 11 C in order to set a particularly uniform, rotationally symmetrical evaporation rate at the SiC reservoir 2 . The direction of rotation of this rotational movement can be in the same or opposite direction to the rotational movement of the shaft. In addition, a tube 15 formed symmetrically to the cylinder axis 11 C can be arranged in the lower part 11 B of the process vessel, the diameter of which corresponds to the partition 25 and which is preferably provided with the partition 25 or with the bottom 13 . The seed crystal 4 is arranged in this tube 15 and thus forms the lower part of the gas transport region 32 .

Es sind vier Heizeinrichtungen vorgesehen zum Beheizen von vier entsprechenden Zonen im Prozeßgefäß 11. Eine erste Heizeinrichtung 21 schließlich wird zum Beheizen des oberen Teils 11A und damit zum Einstellen einer für den Sublimationsprozeß notwendigen Sublimationstemperatur T_S verwendet. Dem aufwachsenden Einkristall 5 ist neben der zweiten Heizeinrichtung 31 für seine Kristallisations fläche 3 eine dritte Heizeinrichtung 41 zugeordnet, mit der das Temperaturfeld T_SC(x) im unteren Bereich des Einkristalls 5 nahe dem Keimkristall 4 und vorzugsweise auch im Keimkristall 4 selbst abgestellt werden. Dadurch ist der Temperaturgradient grad_CT im SiC-Einkristall 5 genau und vorzugsweise möglichst flach einstellbar und thermische Ausdehnungsunterschiede im SiC-Einkristall 5 können klein gehalten werden. Dem durch das Rohr 15 ge bildeten Bereich des Gastransportbereichs 32 und dem Boden 13 des oberen Teils 11A des Prozeßgefäßes 11 ist die vierte Heizeinrichtung 22 zugeordnet.Four heating devices are provided for heating four corresponding zones in the process vessel 11 . Finally, a first heating device 21 is used to heat the upper part 11 A and thus to set a sublimation temperature T _S necessary for the sublimation process. The growing single crystal 5 is next to the second heater 31 for its crystallization surface 3, a third heater 41 is assigned, with which the temperature field T _SC (x) in the lower region of the single crystal 5 near the seed crystal 4 and preferably also in the seed crystal 4 itself are turned off. As a result, the temperature gradient _C T T in the SiC single crystal 5 can be set precisely and preferably as flatly as possible, and thermal expansion differences in the SiC single crystal 5 can be kept small. The ge formed by the tube 15 area of the gas transport area 32 and the bottom 13 of the upper part 11 A of the process vessel 11 , the fourth heating device 22 is assigned.

Es können wieder Temperatursensoren zum Messen der Tempe raturen in den vier Heizzonen und ein mit allen Heizein richtungen 21, 22, 31 und 41 elektrisch verbundener Regler zum Regeln der Temperaturfelder vorgesehen sein.There can again be temperature sensors for measuring the temperatures in the four heating zones and with all heating devices 21 , 22 , 31 and 41 electrically connected controllers for regulating the temperature fields.

In der Fig. 4 ist eine Ausführungsform veranschaulicht, bei der als Vorrat 2' ein massiver SiC-Körper vorgesehen ist. Dieser SiC-Körper wird beispielsweise durch Heiß pressen oder Sintern und vorzugsweise durch einen Sub limationsprozeß aus SiC-Pulver hergestellt und weist daher eine hohe Rohdichte und eine im Vergleich zum SiC-Pulver wesentlich höhere Reinheit auf. Da außerdem der Quer schnitt des SiC-Körpers etwa gleich dem Querschnitt des aufwachsenden SiC-Einkristalls 5 gewählt werden kann, ist eine kompakte Bauform möglich. Der SiC-Körper ist im oberen Teil eines vorzugsweise wieder zylindrischen Pro zeßgefäßes 12 befestigt und dem Keimkristall 4 beabstandet gegenüber angeordnet. Wegen der in etwa gleichen Material dichte des SiC-Körpers und des SiC-Einkristalls 5 bleibt der Abstand zwischen beiden während des Prozesses prak tisch konstant. Der Gastransportbereich 32 ist in dieser Ausführungsform vergleichsweise kurz und von kleinem Volumen. Außerdem kann beim Befüllen kein SiC-Pulver auf den Keimkristall 4 fallen. Das Prozeßgefäß 12 kann mit einem vergleichsweise kleinen Durchmesser ausgelegt wer den, der nur so groß sein muß, daß der SiC-Körper hinein paßt. Der Keimkristall 4 ist vorzugsweise wieder auf einem schaftförmigen Keimkristallhalter 7 angeordnet, der wieder um die Symmetrieachse des Prozeßgefäßes 12 drehbar und entlang dieser Achse verschiebbar ausgebildet sein kann. Es sind drei Heizeinrichtungen 26, 33 und 42 vorgesehen. Die erste Heizeinrichtung 26 ist dem Vorrat 2' zum Sub limieren zugeordnet, die zweite Heizeinrichtung 33 der Kristallisationsfläche 3 und die dritte Heizeinrichtung 24 dem Keimkristall 4 und unteren Bereich des Einkristalls 5.In FIG. 4, an embodiment is illustrated, is provided in the stock as a 2 ', a solid SiC body. This SiC body is produced, for example, by hot pressing or sintering and preferably by a sublimation process from SiC powder and therefore has a high bulk density and a significantly higher purity than the SiC powder. In addition, since the cross section of the SiC body can be chosen to be approximately equal to the cross section of the growing SiC single crystal 5 , a compact design is possible. The SiC body is fastened in the upper part of a preferably cylindrical process vessel 12 and the seed crystal 4 is spaced apart. Because of the roughly the same material density of the SiC body and the SiC single crystal 5 , the distance between the two remains practically constant during the process. In this embodiment, the gas transport area 32 is comparatively short and of small volume. In addition, no SiC powder can fall onto the seed crystal 4 during filling. The process vessel 12 can be designed with a comparatively small diameter, who only has to be large enough that the SiC body fits into it. The seed crystal 4 is preferably again arranged on a shaft-shaped seed crystal holder 7 , which can again be designed to be rotatable about the axis of symmetry of the process vessel 12 and to be displaceable along this axis. Three heaters 26 , 33 and 42 are provided. The first heating device 26 is assigned to the supply 2 'for sublimation, the second heating device 33 the crystallization surface 3 and the third heating device 24 the seed crystal 4 and the lower region of the single crystal 5 .

Die Heizeinrichtungen 20 bis 24, 26, 30, 31, 41 und 42 können mit HF-Spulen oder Widerstandsheizungen oder einer Kombination dieser beiden Heizsysteme ausgebildet sein. Die HF-Spulen werden im allgemeinen außerhalb des Prozeß gefäßes angeordnet, während die Widerstandsheizungen vor zugsweise innerhalb des Prozeßgefäßes angeordnet werden. The heating devices 20 to 24 , 26 , 30 , 31 , 41 and 42 can be designed with RF coils or resistance heaters or a combination of these two heating systems. The RF coils are generally placed outside the process vessel, while the resistance heaters are preferably placed inside the process vessel.

Die Widerstandsheizungen bestehen vorzugsweise aus Elek trographit.The resistance heaters are preferably made of elec trographite.

Claims

1. Method for producing single crystals ( 5 ) from silicon carbide (SiC) with the following method steps:

a) There are a stock ( 2 ) of solid SiC and a seed crystal ( 4 ) for growing an SiC single crystal ( 5 );
b) the SiC supply ( 2 ) is brought to a sublimation temperature (T _S ) with the aid of a first heating device ( 20 , 21 , 26 ), and SiC is generated in the gas phase by sublimation;
c) the crystallization surface ( 3 ) on the seed crystal ( 4 ) or on the growing SiC single crystal ( 5 ) is brought with the aid of a second heating device ( 30 , 31 , 33 ) to a crystallization _temperature (T _C ) which is below the sublimation _temperature (T _S ) lies;
d) a gas stream of SiC is generated in the gas phase in a gas transport area ( 32 ) from the supply ( 2 ) to the crystallization area ( 3 ),

characterized in that the temperature field (T _D (x)) in the gas transport region ( 32 ) on the one hand and the temperature field T _SC (x) in the growing SiC single crystal ( 5 ) on the other hand are set independently of one another by at least one further heating device ( 22 , 23 , 41 , 42 ) is provided.

2. The method according to claim 1, characterized in that the crystallization surface ( 3 ) in the temperature field of the associated Heizein direction ( 30 , 31 , 33 ) is moved axially.

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the crystallization surface ( 3 ) is rotated in the SiC gas stream.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that SiC in powder form is used as the supply ( 2 ).

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a solid SiC body is used as the stock ( 2 ).

6. Device for performing a method according to one of claims 1 to 5, characterized in that a storage space ( 28 ) for the supply ( 2 ), a reaction space ( 38 ) for the germination stall ( 5 ), a first heating device ( 20 , 21 , 26 ) for the supply ( 2 ), a second heating device ( 30 , 31 , 33 ) for the crystallization surface ( 3 ) on the seed crystal ( 4 ) or on the growing SiC single crystal ( 5 ) and at least one further heating device ( 22 , 23 , 41 , 42 ) are provided.

7. The device according to claim 6, characterized in that the storage space ( 28 ) and the reaction space ( 38 ) form a common process space in a process vessel ( 10 , 11 , 12 ).

8. The device according to claim 6, characterized in that the reaction space ( 38 ) and the storage space ( 28 ) are separated by a partition ( 25 ) made of porous graphite.

9. Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the white tere heating device ( 22 , 23 ) is assigned to the gas transport area ( 32 ).