DD224886A1

DD224886A1 - METHOD OF CONSERVING SILICON CARBIDE CRYSTALS

Info

Publication number: DD224886A1
Application number: DD25392083A
Authority: DD
Inventors: Gunnar Suchaneck; Wladimir I Levin; Jurij M Tairov; Valerij F Tsvetkov
Original assignee: Univ Dresden Tech
Priority date: 1983-06-30
Filing date: 1983-08-12
Publication date: 1985-07-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuechtung von SiC-Einkristallen und kann in der Halbleitertechnik zur Herstellung von Bauelementen auf SiC-Basis eingesetzt werden. Aufgabe der Erfindung ist es, in einem Hochtemperaturofen mit einem Graphitheizrohr mehrere Einkristalle mit einer ebenen Wachstumsfront in einem Prozess zu zuechten. Es wurde gefunden, dass bei einer Anordnung der Keimkristalle auf einer Ebene, die in der Naehe der hoechsten Wachstumsrate entlang der Achse des Graphitrohrs liegt, Siliciumcarbid-Einkristalle mit ebener Wachstumsfront entstehen. Insbesondere tritt dieser Effekt dann auf, wenn die Keime in einer Ebene angeordnet werden, die im langsam ansteigenden Ast der Wachstumsrate kurz vor dem Erreichen des Maximums liegt.The invention relates to a method for culturing SiC monocrystals and can be used in semiconductor technology for the production of SiC-based components. The object of the invention is to breed in a high-temperature furnace with a Graphitheizrohr several single crystals with a planar growth front in a process. It has been found that when seed crystals are arranged on a plane that is close to the highest growth rate along the axis of the graphite tube, flat growth front silicon carbide single crystals are formed. In particular, this effect occurs when the germs are arranged in a plane which lies in the slowly rising branch of the growth rate shortly before reaching the maximum.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Züchtung von SiC-Einkristallen und kann in der Halbleitertechnik zur Herstellung von Bauelementen auf SiC-Basis eingesetzt werden.The invention relates to a method for growing SiC single crystals and can be used in semiconductor technology for the production of SiC-based devices.

Characteristic of the known technical solutions

Eine notwendige Bedingung zur Züchtung homogen legierter Einkristalle hoher Qualität ist eine ebene Wachstumsfront. Im Falle konkaver Wachstumsfront führt die Koaleszenz verschiedener Keime zur Bildung von Fehlern im Kristallaufbau und zum Einbau von Fremdatomen über die Gleichgewichtskonzentration hinaus. Eine konvexe Wachstumsfront ist Ursache einer ungleichmäßigen radialen Verteilung von Fremdatomen infolge der unterschiedlichen Adsorption von Fremdatomen an Stellen verschiedener kristallographischer Orientierung. Außerdem führt eine unebene Wachstumsfront zur Bildung thermoelastischer Spannungen, die eine charakteristische Versetzungsverteilung zur Folge haben.A necessary condition for growing homogeneously alloyed single crystals of high quality is a flat growth front. In the case of a concave growth front, the coalescence of different nuclei leads to the formation of defects in the crystal structure and the incorporation of impurities beyond the equilibrium concentration. A convex growth front is the cause of an uneven radial distribution of impurities due to the different adsorption of impurities at sites of different crystallographic orientation. In addition, an uneven growth front leads to the formation of thermoelastic stresses, which result in a characteristic dislocation distribution.

Beim Ziehen von Einkristallen aus der Schmelze wird die Form der Wachstumsfront durch die Optimierung der kinetischen Züchtungsbedingungen und des Temperaturfeldes beeinflußt. So hängt z. B. die Form der Wachstumsfront von Siliciumeinkristallen von der Ziehrate, der Rotationsgeschwindigkeit und dem Temperaturgradienten in der Nähe der Wachstumsfront ab. (Schaschkov, Ju. M.: Züchtung von Einkristallen durch Ziehverfahren/russ./. Moskau, Metallurgija, 1982,When pulling single crystals from the melt, the shape of the growth front is influenced by the optimization of the kinetic growth conditions and the temperature field. So hangs z. For example, the shape of the growth front of silicon single crystals depends on the rate of pull, the rate of rotation, and the temperature gradient near the growth front. (Shashkov, Ju. M .: Breeding of single crystals by drawing process / Russian.) Moscow, Metallurgija, 1982,

Einkristalle aus Siliciumcarbid werden nach Levin, W. J. u.a. (Neorg. Mat, 1978,14, Nr.6, S. 1062-1066/russ./) durch Abscheidung aus der Dampfphase in einem Temperäturgradienten von ca. 30 Grad/cm auf Keimkristalle aus SiC bei Temperaturen von 1800-2700°C hergestellt.Single crystals of silicon carbide are described by Levin, W.J. (Neorg Mat, 1978, 14, No. 6, pp. 1062-1066 / russ. /) By deposition from the vapor phase in a temperature gradient of about 30 degrees / cm on seed crystals of SiC at temperatures of 1800-2700 ° C. manufactured.

Soll eine große Zahl von Einkristallen in einem Prozeß gezüchtet werden und werden hierzu die Keimkristalle an der Peripherie des Züchtungsgefäßes angeordnet, dann haben die verschiedenen Stellen eines Einkristalls unterschiedliche Wachstumsraten.If a large number of single crystals are to be grown in one process and, for this purpose, the seed crystals are arranged at the periphery of the culture vessel, then the different locations of a single crystal have different growth rates.

Dabei tritt sowohl eine größere Wachstumsrate in Richtung der Peripherie als auch in Richtung Zentrum des Züchtungsgefäßes auf, je nachdem, an welcher Stelle das Züchtungsgefäß im Graphitheizrohr angeordnet ist. Das führt zu den bereits genannten Fehlern und erschwert die Einführung von Gruppentechnologien zur Fertigung von Halbleiterbauelementen.In this case, both a greater growth rate occurs in the direction of the periphery and in the direction of the center of the cultivation vessel, depending on where the cultivation vessel is arranged in the graphite heating tube. This leads to the aforementioned errors and complicates the introduction of group technologies for the manufacture of semiconductor devices.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, in einem Prozeß eine größere Zahl von Siliciumcarbid-Einkristailen hoher Qualität zu züchten.The aim of the invention is to grow in a process a larger number of silicon carbide Einkristailen high quality.

Explanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, in einem Hochtemperaturofen mit einem Graphitheizrohr mehrere Einkristalle mit einer ebenen Wachstumsfront in einem Prozeß zu züchten.The object of the invention is to grow in a high temperature furnace with a Graphitheizrohr several single crystals with a planar growth front in a process.

Es wurde gefunden, daß bei einer Anordnung der Keimkristalle auf einer Ebene, die in der Nähe der höchsten Wachstumsrate entlang der Achse des Graphitrohrs liegt, Siliciumcarbid-Einkristalle mit ebener Wachstumsfront entstehen. Insbesondere tritt dieser Effekt dann auf, wenn die Keime in einer Ebene angeordnet werden, die im langsam ansteigenden Ast der Wachstumsrate kurz vor dem Erreichen des Maximums liegt.It has been found that when seed crystals are arranged on a plane that is close to the highest growth rate along the axis of the graphite tube, flat growth front silicon carbide single crystals are formed. In particular, this effect occurs when the germs are arranged in a plane which lies in the slowly rising branch of the growth rate shortly before reaching the maximum.

embodiment

In der Fig. sind nebeneinander und parallel zur Achse χ des Graphitheizrohrs der Temperaturverlauf T, die Wachstumsrate V_p (logarithmisch) und Züchtungsgefäße 1 auf verschiedenen Höhen des Heizrohres gezeigt.In the figure, the temperature profile T, the growth rate V _p (logarithmic) and cultivation vessels 1 are shown at different heights of the heating tube next to each other and parallel to the axis χ of the graphite heating tube.

Das Züchtungsgefäß 1 besteht aus Graphit und weist mehrere Kanäle 4 auf, in denen sich das Siiiciumcarbid-Ausgangsmaterial 2 befindet. Auf das Züchtungsgefäß werden die Siliciumcarbid-Keime 3 geklebt. Die Siliciumcarbid-Einkristalle wachsen in den Kanälen 4. Der Kanal kann verschiedene geometrische Formen haben, z.B. rund, quadratisch, rechteckig, kegelförmig, je nach der gewünschten Einkristallform.The cultivation vessel 1 is made of graphite and has a plurality of channels 4, in which the Siiiciumcarbid starting material 2 is located. The silicon carbide seeds 3 are glued to the culture vessel. The silicon carbide single crystals grow in the channels 4. The channel may have various geometric shapes, e.g. round, square, rectangular, conical, depending on the desired single crystal shape.

Zunächst wurde der Verlauf der Wachstumsrate im Graphitheizrohr mit Züchtungsgefäßen aus Graphit gemessen. Über dem Ausgangsmaterial, SiC-Pulver mit einer Körnung von 1—2mm, befand sich in einem quasi abgeschlossenem Graphitvolumen mit einem Abstand von 10mm zum Ausgangsmaterial eine Graphitscheibe. Die Graphitzüchtungsgefäße wurden in verschiedenen Höhen des Graphitheizrohres angeordnet. Die Temperaturmessung erfolgte mit einem Pyrometer durch eine Strahlenaustrittsöffnung. Sie betrug 1850 ± 30°C. Der Partialdruck des Inertgases, z.B. Argon, entsprach dem Druck beim Züchtungsprozeß und betrug 2Pa. Nach einem zweistündigen Hochtemperaturprozeß wurde die Dicke der polykristallinen Schichten auf den Graphitscheiben mit einem Mikrometer gemessen und entlang der Heizerachse χ aufgetragen. Nach einem relativ langsamen Anstieg der Wachstumsrate, etwa zwischen den Punkten x₃ und X₁ folgt das Maximum und nach dem Maximum ein rascher Abfall der Wachstumsrate bis etwa zum Punkt x₂. Bei der vorhandenen Ausrüstung befand sich das Maximum 85 mm unterhalb der oberen Kante des Heizers. Zwischen 70-90 mm unterhalb der oberen Kante wurde eine schwache Abhängigkeit der Wachstumsrate von der Koordinate beobachtet.First, the course of the growth rate in the graphite heating tube was measured with graphite growth vessels. Above the starting material, SiC powder with a grain size of 1-2 mm, a graphite disk was located in a quasi-closed graphite volume with a distance of 10 mm to the starting material. The graphite growth vessels were placed at different heights of the graphite heating tube. The temperature measurement was carried out with a pyrometer through a radiation outlet opening. It was 1850 ± 30 ° C. The partial pressure of the inert gas, eg argon, corresponded to the pressure during the cultivation process and was 2 Pa. After a two-hour high-temperature process, the thickness of the polycrystalline layers was measured on the graphite discs with a micrometer and applied along the heater axis χ. After a relatively slow increase in the growth rate, for instance between the points x ₃ and X ₁ , the maximum and after the maximum a rapid decrease of the growth rate follows up to about the point x ₂ . With the existing equipment, the maximum was 85 mm below the upper edge of the heater. Between 70-90 mm below the upper edge, a weak dependence of the growth rate on the coordinate was observed.

Zur Züchtung von Siliciumcarbid-Einkristailen wurde ein Züchtungsgefäß aus Graphit mit runden und kegelförmigen Kanälen und einem Durchmesser von 100 mm eingesetzt. Die Temperatur in der Nähe der Keimkristalle lag bei 1850 ± 30⁰C. Ausgangsmaterial war wiederum gekörntes Siliciumcarbid mit einer Korngröße von 1-2 mm. Es wurden 30 Keimkristalle, die im Sublimationsverfahren hergestellt waren, auf der oberen Fläche des Züchtungsgefäßes angeordnet und dabei die Kanäle dicht verschlossen. Die Keime wurden mit einem Gemisch aus Graphitpulver und einem organischen Bindemittel, z. B. einer Lösung von Nitrocellulose im Isoamylester der Essigsäure, festgeklebt. Die Einkristalle waren in den (0001) Si- und (000I)-C-Richtungen orientiert. Um Einkristalle mit einer Länge von 8mm zu züchten, wurden die Keimkristalle 75-80 mm unterhalb der Oberkante des Heizers angeordnet. Die Wachstumsrate lag bei den verschiedenen Experimenten zwischen 0,2-0,4mm/h. DieFor growth of silicon carbide Einkristailen a growth vessel made of graphite was used with round and conical channels and a diameter of 100 mm. The temperature in the vicinity of the seed crystals was 1850 ± 30 ⁰ C. Starting material was again granular silicon carbide with a grain size of 1-2 mm. Thirty seed crystals made by the sublimation process were placed on the upper surface of the culture vessel, sealing the channels. The seeds were treated with a mixture of graphite powder and an organic binder, e.g. As a solution of nitrocellulose in the isoamyl ester of acetic acid, stuck. The single crystals were oriented in the (0001) Si and (000I) C directions. To grow single crystals 8mm in length, the seed crystals were placed 75-80mm below the top of the heater. The growth rate in the various experiments was between 0.2-0.4 mm / h. The

Streuung der Wachstumsrate im Zentrum und an der Peripherie des Züchtungsgefäßes lag unterhalb 10%. Experimente verschiedener Länge zeigten, daß die Einkristalle eine glatte spiegelnde Oberfläche sowohl im Zentrum als auch an der Peripherie des Züchtungsgefäßes während des ganzen Prozesses beibehielten.Scattering of the growth rate in the center and at the periphery of the culture vessel was below 10%. Experiments of various lengths showed that the monocrystals retained a smooth specular surface both in the center and at the periphery of the culture vessel throughout the process.

Claims

Invention claims: ~~ -

1. A method for growing Siliziumcarbid Einkristailen by sublimation of the granular or polycrystalline silicon carbide and its deposition on seed crystals in vacuo or under inert gas at a temperature of 1 800 to 2700 ⁰ C, characterized in that the seeds on a plane in the vicinity of highest growth rate along the axis of the graphite heater can be arranged.

2. The method according to item 1, characterized in that the level is in the slowly rising branch of the growth rate shortly before reaching the maximum.