AT524249A1 - Verfahren zum Züchten von Einkristallen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Züchten von Einkristallen, insbesondere aus Siliziumcarbid, umfassend einen Tiegel, welcher Tiegel eine äußere Mantelfläche definiert und weiters einen Aufnahmeraum mit einer Axialerstreckung zwischen einem Bodenabschnitt und einem Öffnungsabschnitt umgrenzt, wobei der Aufnahmeraum zum Züchten der Einkristalle ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung zumindest eine Keimkristallschicht (507) aufweist, wobei die Keimkristallschicht (405, 507) aus mehreren Keimkristallplatten (507a, 507b, 507c) mosaikartig zusammengesetzt ist.
Description
Vorrichtung zumindest eine Keimkristallschicht aufweist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Keimkris-
tallschicht, insbesondere aus Siliziumcarbid.
Für viele technische Anwendungen werden heute Einkristalle in industriellem Maßstab künstlich hergestellt. Nach den Phasenübergängen, die zu dem Kristall führen, können dabei die Züchtung aus der Schmelze, aus der Lösung und aus der Gasphase unterschieden werden. Bei der Züchtung aus der Gasphase können weiters die Herstellungsmethoden der Sublimation bzw. der physikalischen Gasphasenabscheidung sowie die Methode der chemischen Gasphasenabscheidung unterschieden werden. Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung wird die zu züchtende Substanz durch Erhitzen verdampft, sodass sie in die Gasphase übergeht. Das Gas kann unter geeigneten Bedingungen an einem Keimkristall resublimieren, wodurch ein Wachstum des Kristalls erfolgt. Das üblicherweise polykristallin vorliegende Rohmaterial (Pulver oder Granulat) erfährt auf diese Weise eine Umkristallisation. Ähnlich funktioniert die chemische Gasphasenabscheidung. Bei dieser wird der Übergang der zu züchtenden Substanz in die Gasphase erst durch eine Hilfssubstanz, an die die Substanz chemisch bindet, möglich, da sonst der Dampfdruck zu gering wäre. In Verbindung mit der Hilfssubstanz wird so eine hö-
here Transportrate hin zu dem Keimkristall erreicht.
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Keimkristall direkt an einem Deckel eines das Rohmaterial enthaltenden Tiegels.
Ein Problem, welches bei bekannten Verfahren auftritt, ist es, dass die Größe der Fläche der Keimkristalle üblicherweise begrenzt ist, weshalb sich nur Ingots aus
Einkristalle mit beschränktem Durchmesser herstellen lassen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und die Herstellung von Ingots und in weiterer Folge von Wafern grö-
Rerem Durchmessers zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Keimkristallschicht aus mehreren Keimkristallplat-
ten mosaikartig zusammengesetzt ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die Herstellung von Barren und in wei-
terer Folge von Wafern aus Siliziumcarbid mit beliebigen Durchmessern.
Um Einkristalle sehr hoher Qualität zu erhalten, ist es von besonderem Vorteil, wenn die Kristallorientierungen der Keimkristallplatten in der Keimkristallschicht
gleich ausgerichtet sind.
Ein Zusammensetzen der Keimkristallschicht, wird dadurch wesentlich erleichtert, dass die Keimkristallplatten je eine polygonale, insbesondere hexagonale, Um-
fangskontur aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Keimkristallplatten mit einem Deckel des Tiegels mit oder ohne zwischen den Keimkristallplatten und dem Deckel angeordnete Zwischenschichten verbunden
sind.
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strat aufgebracht sein.
Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass das Substrat aus Graphit gebildet ist.
Um eine gute mechanische Stabilität und eine selbsttragende Keimkristallschicht zu erzielen, kann es vorgesehen sein, dass die Keimkristallschicht eine Dicke zwischen 350 — 2000um aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Keimkristallschicht ein Flächengewicht von 2,20 kg/m? bis 3,90 kg/m? auf-
weist.
Weiters hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Keimkristallschicht zumindest
eine polierte und/oder geschliffene und/oder trockengeätzte Oberfläche aufweist.
Als besonders günstig hinsichtlich der Qualität der gezüchteten Einkristalle hat sich herausgestellt, dass die Keimkristallschicht einen flächenbezogenen Rau-
heitswert zwischen 10 nm und 0,01 nm aufweist.
Weiters kann die Keimkristallschicht mit zumindest einem Material dotiert sein, insbesondere SiC oder AIN.
Die oben genannte Aufgabe lässt sich auch mit einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch lösen, dass die Keimkristallschicht aus
mehreren Keimkristallplatten mosaikartig zusammengesetzt wird.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass die einzelnen Keimkristall-
platten aus Wafern hergestellt sind.
Die Keimkristallplatten können auf ein Substrat mit oder ohne Anordnung zumindest einer Zwischenschicht zwischen Substrat und Keimkristallplatten aufgebracht
werden.
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xie-Schicht zusammengehalten werden.
Als besonders vorteilhaft hat sich auch erwiesen, dass die einzelnen Keimkristallplatten einen flächenbezogenen Rauheitswert zwischen 10 nm und 0,01 nm aufweisen. Durch die Ausbildung sehr glatte Oberflächen können die Keimkristallplatten auch ohne weitere Zwischenschichten, insbesondere Haftvermittlerschichten,
an einem Substrat, beispielsweise einem Deckel des Tiegels anhaften.
Weiters kann die Keimkristallschicht trockengeätzt, geschliffen und/oder poliert
werden.
Um eventuelle Defektstellen zu beseitigen kann die zusammengesetzte Keimkris-
tallschicht einer Wärmebehandlung unterzogen werden.
Weiters kann es vorgesehen sein, die Keimkristallschicht mit zumindest einem Material, insbesondere SiC oder AIN, unter einer Sublimationsatmosphäre zu ver-
sehen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden
Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:
Fig. 1 eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Keimkristallschicht;
Fig. 3 eine zweite Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 4 eine dritte Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 5 eine vierte Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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kristallschicht.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lage-
angaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 401 in Form eines Ofens zur Herstellung von Einkristallen mittels physikalischer Gasphasenabscheidung. Der Ofen umfasst eine evakuierbare Kammer 402 mit einem darin aufgenommenen Tiegel 403. Der Tiegel 403 ist im Wesentlichen topfförmig ausgebildet, wobei ein oberer Endbereich durch einen Deckel 404 abgeschlossen wird. Eine Unterseite des Deckels 404 des Tiegels 403 ist dabei üblicherweise zur Befestigung eines Keimkristalls 405 ausgebildet. In einem Bodenbereich 406 des Tiegels 403 befindet sich ein Ausgangsmaterial 407 das als Rohstoff für das Kristallwachstum an dem Keimkristall 405 dient und das während des Herstellungsprozesses allmäh-
lich aufgebraucht wird.
Der Übergang des Ausgangsmaterials 407 in die Gasphase wird durch Erhitzen mithilfe einer Heizung 408 erreicht. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erfolgt das Aufheizen des Ausgangsmaterials 407 und des Tiegels 403 durch die Heizung 408 induktiv. Der in der Kammer 402 angeordnete Tiegel 403 ist außerdem zur thermischen Dämmung von einer Isolierung 409 umhüllt. Durch die Isolierung 409 werden gleichzeitig Wärmeverluste aus dem Tiegel 403 vermieden und wird eine für den Wachstumsprozess des Kristalls an dem Keimkristall 405 günstige Wär-
meverteilung in dem Inneren des Tiegels 403 erreicht.
Als Material für die Kammer 402 dient vorzugsweise ein Glaswerkstoff, insbeson-
dere ein Quarzglas. Der Tiegel 403 als auch die diesen umgebende Isolierung 409
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phit-Filz gebildet wird.
Indem durch Erhitzen des Ausgangsmaterials 407 Atome bzw. Moleküle davon in die Gasphase übergehen, können diese in dem Innenraum des Tiegels 403 zu dem Keimkristall 405 diffundieren und sich daran ablagern, wodurch das Kristall-
wachstum erfolgt.
Gemäß Figur 2 ist die Keimkristallschicht 507 aus mehreren Keimkristallplatten 507a, 507b, 507c mosaikartig zusammengesetzt. Die einzelnen Keimkristallplatten 507a, 507b, 507c werden hierbei bevorzugt so zusammengesetzt, dass die Kristallorientierungen der Keimkristallplatten 507a, 507b, 507c gleichartig ausgerichtet sind und sich eine geschlossene ebene Fläche ergibt. Als günstig hat sich hierbei
erweisen, dass die einzelnen Keimkristallplatten aus Wafern hergestellt sind.
Auf die Keimkristallplatten 507a, 507b, 507c kann mindestens eine EpitaxieSchicht aus einkristallinem Siliziumcarbid, insbesondere mittels eines CVD-Verfahrens, aufgebracht werden. Das Aufbringen der Epitaxie-Schicht stellt, neben der Anordnung und Verbindung der einzelnen Keimkristallplatten 507a, 507b, 507c auf einem Substrat eine Möglichkeit dar die einzelnen Keimkristallplatten 507a, 507b, 507c miteinander zu verbinden. Die zusammengesetzte Keimkristallschicht 507 kann einer Wärmebehandlung unterzogen werden um etwaige Defekte zu beseitigen. So kann die Keimkristallschicht 507 beispielsweise auf eine Temperatur von über 1200°C erhitzt werden und diese Temperatur zwischen 10min und 3h gehalten werden. Hierauf kann ein Abkühlen und thermisches Ausheilen von Defekten bei einer Temperatur von weniger als 800°C erfolgen. Die
Wärmebehandlung kann beispielsweise in einer Schutzgasatmosphäre erfolgen.
Weiters kann die Keimkristallschicht 507 mit einem Material, insbesondere SiC oder AIN, in einer Sublimationsatmosphäre versehen werden. Insbesondere kann
die Keimkristallschicht mit dem Material dotiert werden.
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sen.
Die Keimkristallplatten 507a, 507b, 507c können mit dem Deckel 404 des Tiegels 403 mit oder ohne mit oder ohne zwischen den Keimkristallplatten und dem Deckel angeordnete Zwischenschichten verbunden sein, wie dies beispielsweise in Fig. 1 gezeigt ist. Die Keimkristallplatten 507a, 507b, 507c können aber auch auf ein von dem Deckel 403 getrenntes Substrat aufgebracht werden, wie dies in Fig.
6 gezeigt ist.
Die Keimkristallschicht 507 weist eine bevorzugte Dicke zwischen 350 —2000um auf sowie ein bevorzugtes Flächengewicht zwischen 2,20 kg/m? und 3,90 kg/m?
auf.
Darüber hinaus kann die Keimkristallschicht 507 eine oder zwei polierte und/oder geläppte Oberflächen aufweisen. Als besonders günstig hat sich herausgestellt, dass die Keimkristallschicht einen flächenbezogenen Rauheitswert zwischen 10 nm und 0,01 nm aufweist. Der flächenbezogene Rauheitswert ist beispielswiese In der Norm EN ISO 25178 Norm definiert.
Zur Herstellung der Keimkristallschicht 507 werden die Keimkristallplatten 5073,
507b, 507c mosaikartig zusammengesetzt.
Gemäß Fig. 3 umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung 501 zum Züchten von Einkristallen, insbesondere von Einkristallen aus Siliziumcarbid, einen Tiegel 502. Der Tiegel 502 definiert eine äußere Mantelfläche 503 und umgrenzt weiters einen Aufnahmeraum 504 mit einer Axialerstreckung zwischen einem Bodenabschnitt 505 und einem Öffnungsabschnitt 506. Der Aufnahmeraum 504 ist zum Züchten der Kristalle ausgebildet, wobei in dem Öffnungsabschnitt 506 zumindest eine Keimkristallschicht 507 angeordnet ist. Der Tiegel 502 kann in einer Kammer, wie sie der Kammer 402 entspricht angeordnet sein und ebenfalls induktiv erhitzt wer-
den.
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kann die Vorrichtung 501 wie der Ofen aus Fig. 2 ausgebildet sein.
Wie aus Fig. 3 weiters ersichtlich ist kann die die Keimkristallschicht 507 mit zumindest einem äußeren Randbereich an dem zumindest einen Halteabschnitt 509
anliegen.
Der Halteabschnitt 509 kann um eine Öffnung 510 des Öffnungsabschnittes 506
umlaufend ausgebildet sein.
Gemäß den Figuren 4 und 5 kann der Halteabschnitt 509 zumindest einen durch einen einer Längsmittelachse des Tiegels zugewandten Abschnitt einer Halterung 510 mit einem ring- oder rohrförmigen Grundkörper 511 gebildet sein, wobei der der Halteabschnitt 509 von dem Grundkörper 511 absteht. Die Halterung 510 kann in den Tiegel 502 eingeschraubt sein, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist oder einge-
steckt sein, wie in Fig. 5 gezeigt.
Gemäß der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform kann die Halterung 510 an einer Mantelfläche des Grundkörpers 511 ein Außengewinde 512 aufweisen, wobei eine die Öffnung begrenzende Mantelfläche ein mit dem Außengewinde korres-
pondierendes Innengewinde 513 aufweisen kann.
Gemäß Fig. 5 kann sich die in den Tiegel eingesteckte Halterung 510 an einem Vorsprung 514 des Tiegel 502 abstützen. Der Vorsprung 514 kann beispielsweise
um die Öffnung des Öffnungsabschnittes 506 umlaufend ausgebildet sein.
Die Beschwerungsmasse 508 kann zwischen der Keimkristallschicht 507 und ei-
nem Deckel 515 des Tiegels 502 angeordnet sein, wobei die Beschwerungsmasse
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geordnet.
Die Keimkristallschicht 507 kann als mechanisch selbsttragende Schicht ausgebildet oder aber auch auf einem Trägersubstrat 516 aufgebracht sein, wie dies in
Fig. 6 dargestellt ist. Falls die Keimkristallschicht 507 auf ein Trägersubstrat aufgebracht ist, kann die Beschwerungsmasse 508 an dem Trägersubstrat 516 aufliegen. Als besonders geeignet für das Trägersubstrat hat sich Graphit herausge-
stellt.
Die Beschwerungsmasse 508 und/oder die Halterung 510 können aus Metall, Keramik, Mineral oder Kunststoff hergestellt sein. Als besonders geeignet haben sich
beispielsweise feuerfeste Materialien, Karbide, Oxide oder Nitride herausgestellt.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert
und/oder verkleinert dargestellt wurden.
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Bezugszeichenliste
401 Vorrichtung 510 Halterung 402 Kammer 511 Grundkörper 403 Tiegel 512 Außengewinde 404 Deckel 513 Innengewinde 405 Keimkristall 514 Vorsprung 406 Bodenabschnitt 515 Deckel
407 Ausgangsmaterial
408 Heizung
409 Isolierung
410 Klumpen
411 Pulver
412 Höhe
413 Pressling
414 Silizium
415 Achse
416 Lager
417 Vorratsbehälter
418 Zuleitung
501 Vorrichtung
502 Tiegel
503 Mantelfläche
504 Aufnahmeraum
505 Bodenabschnitt
506 Öffnungsabschnitt 507 Keimkristall
507a-c Keimkristallplatten 508 Beschwerungsmasse 509 Halteabschnitt
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Claims (18)
1. Vorrichtung (401, 501) zum Züchten von Einkristallen, insbesondere aus Siliziumcarbid, umfassend einen Tiegel (403, 502), welcher Tiegel (403, 502) eine äußere Mantelfläche (503) definiert und weiters einen Aufnahmeraum (504) mit einer Axialerstreckung zwischen einem Bodenabschnitt (406, 505) und einem Öffnungsabschnitt (506) umgrenzt, wobei der Aufnahmeraum (504) zum Züchten der Einkristalle ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung zumindest eine Keimkristallschicht (507) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimkristallschicht (405, 507) aus mehreren Keimkristallplatten (507a, 507b, 507c) mosaikartig zusammen-
gesetzt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallorientierungen der Keimkristallplatten (507a, 507b, 507c) in der Keimkristall-
schicht gleich ausgerichtet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimkristallplatten (507a, 507b, 507c) je eine polygonale, insbesondere hexago-
nale, Umfangskontur aufweisen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimkristallplatten (507a, 507b, 507c) mit einem Deckel (404) des Tiegels (403) mit oder ohne mit oder ohne zwischen den Keimkristallplatten und
dem Deckel angeordnete Zwischenschichten verbunden sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimkristallplatten (507a, 507b, 507c) auf ein von dem Deckel (403, 515) getrenntes Substrat (516) aufgebracht sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich-
net, dass das Substrat aus Graphit gebildet ist.
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7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich-
net, dass die Keimkristallschicht eine Dicke zwischen 350 -2000um aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimkristallschicht ein Flächengewicht von 2,20 kg/m? bis 3,90 kg/m?
aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimkristallschicht zumindest eine polierte und/oder trockengeätzte
und/oder geschliffene Oberfläche aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimkristallschicht einen flächenbezogenen Rauheitswert zwischen
10 nm und 0,01 nm aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimkristallschicht (507) mit zumindest einem Material dotiert ist, insbesondere SiC oder AIN.
12. Verfahren zur Herstellung einer Keimkristallschicht, insbesondere aus Siliziumcarbid, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimkristallschicht (507) aus mehreren Keimkristallplatten (507a, 507b, 507c) mosaikartig zusammengesetzt
wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die einzel-
nen Keimkristallplatten (507a, 507b, 507c) aus Wafern hergestellt sind.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimkristallplatten (507a, 507b, 507c) auf ein Substrat mit oder ohne Anordnung zumindest einer Zwischenschicht zwischen Substrat und Keimkristallplatten
aufgebracht werden.
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15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Keimkristallplatten (507a, 507b, 507c) zumindest eine EpitaxieSchicht aus Einkristallinem Siliziumcarbid, insbesondere mittels eines CVD-Ver-
fahrens, aufgebracht wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeich-
net, dass die Keimkristallschicht geschliffen, poliert und/oder trockengeätzt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengesetzte Keimkristallschicht (507) einer Wärmebehand-
lung unterzogen wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimkristallschicht (507) mit zumindest einem Material, insbeson-
dere SiC oder AIN, in einer Sublimationsatmosphäre versehen wird.
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