-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Züchtung eines SiC:Ge-Volumenmischkristalls.
-
Derzeit
existieren nur wenige Substratmaterialien für Anwendungen auf dem Gebiet
der Hochleistungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperaturelektronik.
Beispiele sind Galliumnitrid (GaN), Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliziumkarbid
(SiC). Letzteres lässt sich
mittlerweile in guter Größe und Qualität herstellen.
Die kommerzielle Nutzung hat begonnen. SiC weist aber eine verhältnismäßig niedrige
Ladungsträgerbeweglichkeit
insbesondere der Löcher
auf. Dies begrenzt bei Hochfrequenzanwendungen die erzielbare Grenzfrequenz.
-
Mittels
Mischkristallen, wie beispielsweise Siliziumkarbid-Germanium (SiC:Ge)-Mischkristallen, kann
die Ladungsträgerbeweglichkeit
verbessert werden. SiC:Ge eignet sich außerdem aufgrund der Gitterkompatibilität zu reinem
SiC für
die Herstellung von SiC:Ge/SiC-Heterostrukturen.
-
Bislang
ist kristallines SiC:Ge aufgrund von Löslichkeitsproblemen und wegen
der thermischen Instabilität
des Si-C-Ge-Systems nur in Form vergleichsweise dünner Schichten
hergestellt worden. Aus dem Fachaufsatz von G. Katulka et al. „The electrical
characteristics of silicon carbide alloyed with germanium", Applied Surface
Science 175-176, 2001, Seiten 505 bis 511 sowie aus der WO 00/62331
A2 sind Herstellungsverfahren mit einer Ionenstrahlimplantation
von Ge-Atomen in ein SiC-Substrat und anschließender thermischer Nachbehandlung
bekannt. In der JP 06-310440 A wird außerdem ein MOCVD-Verfahren
(metal organic chemical vapour deposition) zur Herstellung einer SiC:Ge-Schicht
beschrieben.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren der eingangs
bezeichneten Art anzugeben, das die Züchtung eines Volumenmischkristalls
aus SiC:Ge erlaubt.
-
Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
handelt es sich um ein solches, bei dem
- a)
eine Si:C:Ge-Gasphase aus mindestens einem Quellmaterial, das die
Elemente Silizium, Kohlenstoff und Germanium enthält, mittels
mindestens eines Prozesses aus Sublimation und Verdampfung erzeugt
wird,
- b) in der Si:C:Ge-Gasphase eine Gasphasen-Temperatur von mindestens
1800°C eingestellt
wird,
- c) der SiC:Ge-Volumenmischkristall mittels Abscheidung aus der
Si:C:Ge-Gasphase gezüchtet wird,
wobei die Temperatur einer Wachstumsfläche so eingestellt wird, dass
die Geschwindigkeit einer Anlagerung die einer zugehörigen Rückreaktion überwiegt.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist nicht nur wie beim Stand der Technik die Herstellung von dünnen SiC:Ge-Mischkristallschichten
möglich. Vielmehr
erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren
auch, SiC:Ge-Volumenmischkristalle
mit einer Länge
von insbesondere mindestens 3 mm herzustellen. Im Unterschied zu
den bekannten und bislang eingesetzten Verfahren arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren
gleichgewichtsnah, also in der Nähe
des thermodynamischen Gleichgewichts. Die gleichgewichtsnahe Abscheidung
aus der Si:C:Ge-Gasphase zeichnet sich dabei insbesondere dadurch
aus, dass nach spontaner Keimbildung oder bei Keimvorgabe Elemente
vom Typ Si:C:Ge aus der Si:C:Ge-Gasphase an der Wachstumsfläche anlagern,
und gleichzeitig eine Rückreaktion
erfolgt, bei der Elemente vom Typ Si:C:Ge von der Wachstumsfläche beispielsweise
mittels Sublimation in die Si:C:Ge-Gasphase übergehen. Die Bezeichnung Elemente
vom Typ Si:C:Ge steht dabei für
Si, C und Ge in elementarer Form und/oder in Form gasförmiger Moleküle. Vorzugsweise
wird das Reaktionsleichgewicht durch eine geeignete Wahl von Prozessparametern,
wie beispielsweise Temperatur, Temperaturgradient und/oder Druck,
so eingestellt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit der Anlagerung
die der Rückreaktion übersteigt.
Dann ergibt sich netto eine Anlagerung von Elementen vom Typ Si:C:Ge
an der Wachstumsfläche
und der gewünschte
SiC:Ge-Volumenmischkristall wächst
auf. Während
dieses Wachstumsprozesses werden die Germaniumatome unmittelbar
und substitutionell in das SiC-Atomgitter eingebaut. Vorzugsweise
geschieht dies jeweils anstelle eines Siliziumatoms.
-
Die
beschriebene Abscheidung aus der Si:C:Ge-Gasphase bei Temperaturen
von mindestens 1800°C
ermöglicht
das Wachstum eines sehr großen
SiC:Ge-Volumenmischkristalls. Die dagegen fernab des thermodynamischen
Gleichgewichts durchgeführten
bekannten Verfahren erlauben stattdessen lediglich die Herstellung
dünner
Schichten.
-
Die
erfindungsgemäß herstellbaren
großen Kristalle
lassen sich mit Vorteil zur Herstellung von Substraten für elektronische
Bauelemente der Hochleistungs-, Hochfrequenz- oder Hochtemperaturelektronik
einsetzen. Die erzielbare Kristallgröße erhöht die Ausbeute und senkt damit
die Fertigungskosten für
die elektronischen Bauelemente. Außerdem ist es auch möglich, die
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
gezüchteten
SiC:Ge-Volumenmischkristalle zu
Schmuckzwecken, also als Schmucksteine einzusetzen. Im Gegensatz
dazu weisen die bislang gefertigten SiC:Ge- Mischkristallschichten aufgrund ihrer geringen
Dicke diese Verwendungsoption nicht auf.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich
aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
-
Günstig ist
eine Variante, bei der ein einziges Quellmaterial verwendet wird.
Dadurch resultieren ein geringer Aufwand und eine einfache Prozessführung. Bei
dem Quellmaterial kann es sich insbesondere um einen vorgefertigten
Ausgangsstoff handeln, der als Materialblock oder als Pulver, insbesondere jeweils
in polykristalliner Form, vorliegen kann. Im Quellmaterial sind
die Elemente Silizium (Si), Kohlenstoff (C) und Germanium (Ge) vorzugsweise
bereits in dem Mengen- oder Mischungsverhältnis vorhanden, in dem sie
später
während
des Züchtungsprozesses
in das Kristallgitter des aufwachsenden Volumenmischkristalls eingebaut
werden. Die Vorfertigung des Quellmaterials kann sowohl gesondert
vom eigentlichen Züchtungsprozess
oder auch unmittelbar vor dem Züchtungsprozess,
beispielsweise in der gleichen Züchtungsvorrichtung,
erfolgen. Letzteres hilft unerwünschte
Verunreinigungen zu vermeiden.
-
Weiterhin
können
ein erstes Quellmaterial, das die Elemente Silizium und Kohlenstoff
enthält, und
ein zweites Quellmaterial, das das Element Germanium enthält, verwendet
werden. Dies erlaubt eine sehr gezielte Auswahl und variable Zuführung der
für die
Züchtung
benötigten
Stoffe. Außerdem
können die
Temperaturen beider Quellmaterialmaterialien insbesondere unterschiedlich
und unabhängig
voneinander eingestellt werden. Beide Quellmaterialien können wiederum
als vorgefertigte Ausgangsstoffe in Pulver- oder Blockform vorliegen.
Das Ge-haltige zweite Quellmaterial schmilzt während der Erhitzung auf, so
dass der gasförmige
Germanium- Anteil
der Si:C:Ge-Gasphase mittels Verdampfung aus der Schmelze entsteht.
Dagegen werden die Si-, C- oder/und SiC-haltigen Bestandteile der
Si:C:Ge-Gasphase üblicherweise
mittels Sublimation aus dem festen ersten Quellmaterial gewonnen.
-
Gemäß einer
anderen bevorzugten Variante wird für die Gasphasen-Temperatur ein Wert
zwischen 1900°C
und 2550°C
vorgesehen. In diesem Temperaturbereich haben die in der Si:C:Ge-Gasphase
vorhandenen Elemente vom Typ Si:C:Ge Partialdrücke, die eine Einstellung der
Si:C:Ge-Gasphase
in der Gestalt erlauben, dass eine für die Abscheidung besonders
günstige
Konzentration von Elementen vom Typ Si:C:Ge in der Si:C:Ge-Gasphase vorliegt.
Dies begünstigt
das Kristallwachstum.
-
Vorzugsweise
kann weiterhin die Einstellung der Temperatur mittels induktiver
Erwärmung
vorgenommen werden. Damit lässt
sich die jeweils benötigte
Temperatur in weiten Grenzen und auch mit der erforderlichen Genauigkeit
variieren. Dies gilt gleichermaßen
für die
Erwärmung
des Quellmaterials oder der Quellmaterialien und auch für die Temperatureinstellung
in der Si:C:Ge-Gasphase und an der Wachstumsfläche.
-
Bei
einer anderen günstigen
Ausgestaltung ist ein Germanium-Gehalt des SiC:Ge-Volumenmischkristalls
von zwischen 0,1 % und 6 % vorgesehen. Hierbei handelt es sich insbesondere
um Angaben in Atomprozenten. Mit derartigen Germanium-Anteilen lässt sich
ein praktisch ausscheidungsfreier SiC:Ge-Volumenmischkristall erzeugen.
-
Günstig ist
weiterhin eine Variante, bei der dem mindestens einen Quellmaterial
mindestens ein Zusatzelement aus der Gruppe von Scandium (Sc) und
Chrom (Cr) zugesetzt wird. Diese Zusetzung erfolgt insbesondere
vor ab im Rahmen der Vorfertigung des Quellmaterials. Dann kann während der Züchtung auf
eine gesonderte Zufuhr der Zusatzelemente von außen, beispielsweise mittels
Gas, verzichtet werden. Dies stabilisiert den Züchtungsvorgang. Die Zusatzelemente
tragen mit dazu bei, dass insbesondere bei höheren Ge-Anteilen, d.h. bei
mehr als 0,5 at%, die Bildung von Ge-Ausscheidungen zumindest reduziert wird.
Bei geringem Ge-Gehalt führen
die Zusatzelemente zu einem vollständig ausscheidungsfreien SiC:Ge-Volumenmischkristall.
Je höher
die Zugabe von Sc und/oder Cr ist, umso geringer ist die Neigung
zur Bildung von Ge-Ausscheidungen. Allerdings ist es günstig, wenn
die Konzentration von Sc und/oder Cr einen Wert von 1·1018/cm3 nicht überschreitet.
Andernfalls beginnt die Neigung zu Sc- bzw. Cr-haltigen Ausscheidungen.
-
Bei
einer anderen bevorzugten Ausgestaltung wird zum Starten der Züchtung des
SiC:Ge-Volumenmischkristalls ein Keimkristall aus SiC oder aus SiC:Ge
verwendet. Dadurch wird eine definierte und gewünschte Kristallstruktur vorgegeben,
an der zu Beginn des Züchtungsvorgangs
die erste Abscheidung aus der Si:C:Ge-Gasphase stattfindet, und
die sich im weiteren Verlauf des Wachstums reproduziert. Die Oberfläche des
Keimkristalls ist die erste, also die zu Beginn des Züchtungsvorgangs,
vorliegende Wachstumsfläche
des SiC:Ge-Volumenmischkristalls.
-
Bei
einer besonders vorteilhaften Variante kann der Keimkristall so
orientiert werden, dass seine {11-23}-Fläche die anfängliche Wachstumsfläche bildet.
Dann resultiert ein besonders ausscheidungsfreier und großer SiC:Ge-Volumenmischkristall.
So kann unter Verwendung einer {11-23}-Fläche
und bei einem Ge-Gehalt von beispielsweise zwischen 0,1 und 0,5
at% ein SiC:Ge-Volumenmischkristall mit einem Durchmesser von bis zu
2 Zoll und einer Wachstumslänge
von bis zu 15 mm und mehr hergestellt werden, ohne dass der aufwachsende
Kristall Ausscheidungen aufweist. Die Längsrichtung des so gezüchteten
SiC:Ge-Volumenmischkristalls verläuft im Wesentlichen senkrecht
zur {11-23}-Wachstumsfläche.
Sie ist also in etwa gleich der <11-23>-Kristallorientierung.
-
Weiterhin
ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Si:C:Ge-Gasphase in einem
Züchtungstiegel
erzeugt wird, dessen Tiegelmaterial im Wesentlichen durch Graphit
gebildet ist. Graphit ist ein stabiles und hochtemperaturfestes
Material. Es kann deshalb sehr gut bei den hohen Züchtungstemperaturen von über 1800°C eingesetzt
werden. Sollten doch einige Atome des Tiegelwandmaterials in die Si:C:Ge-Gasphase
gelangen, sind diese keine die Qualität des aufwachsenden SiC:Ge-Volumenmischkristalls
mindernden Verunreinigungen. Vielmehr bildet dieser aus der Tiegelwand
ausdiffundierte Kohlenstoff dann einen kleinen Teil des ohnehin
vorhandenen und benötigten
C-Gehalts.
-
Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. Es zeigt:
-
1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Züchtung
eines SiC:Ge-Volumenmischkristalls mit einem Vorratsbereich zur
Aufnahme eines Quellmaterials,
-
2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Züchtung
eines SiC:Ge-Volumenmischkristalls mit zwei Vorratsbereichen zur
Aufnahme eines ersten und eines zweiten Quellmaterials, und
-
3 ein
Diagramm mit Zeitverläufen
der Temperaturen beider Quellmaterialien und eines Drucks innerhalb
der Vorrichtung gemäß 2.
-
Einander
entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen
versehen.
-
In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung 1 zur Züchtung eines Siliziumkarbid-Germanium(SiC:Ge)-Volumenmischkristalls 2 gezeigt. Sie
enthält
einen Züchtungstiegel 3 aus
Graphit, der einen Vorratsbereich 4 und einen Kristallbereich 5 aufnimmt.
Grundsätzlich
kann der Züchtungstiegel 3 ebenso
wie andere in 1 nicht dargestellte Komponenten
der Vorrichtung 1, die sich in direkter Umgebung des Züchtungstiegels 3 befinden,
auch aus einem anderen, vorzugsweise hoch schmelzenden Material,
wie beispielsweise Wolfram, Wolframkarbid, Tantal oder Tantalkarbid,
bestehen.
-
Im
Vorratsbereich 4 befindet sich ein pulverförmiges polykristallines
Quellmaterial 6. Es enthält Silizium (Si), Kohlenstoff
(C) und Germanium (Ge), wobei die in etwa gleichen Si- und C-Materialanteile den
Ge-Materialanteil deutlich überwiegen.
Im Ausführungsbeispiel
ist die Zusammensetzung des Quellmaterials 6 so bemessen,
dass der SiC:Ge-Volumenmischkristall 2 mit einem Ge-Gehalt
von etwa 0,5 at% aufwächst.
Das Quellmaterial 6 ist ein vorgefertigtes Ausgangsmaterial,
das vor Beginn der Züchtung
in den Vorratsbereich 4 des Züchtungstiegel 3 eingefüllt wird.
-
An
einer dem Vorratsbereich 4 gegenüberliegenden Innenwand des
Züchtungstiegels 3 ist
im Kristallbereich 5 ein Keimkristall 7 aus SiC:Ge
angebracht. Im Ausführungsbeispiel
ist der Keimkristall 7 mit einer {11-23}- Fläche dem
Vorratsbereich 4 zugewandt. Diese Fläche ist besonders gut als Wachstumsfläche für den zu
züchtenden
SiC:Ge-Volumenmischkristall 2 geeignet. Grundsätzlich sind
aber auch andere Orientierungen des SiC:Ge-Keimkristalls 7 möglich. Außerdem kann
alternativ auch ein SiC-Keimkristall ohne Ge-Anteil zum Einsatz
kommen.
-
Außerhalb
des Züchtungstiegels 3 ist
eine Induktionsspule 8 angeordnet, mittels derer die Vorrichtung 1 auf
Temperaturwerte von über
1800°C aufgeheizt
werden kann. Dies erfolgt mittels induktiver Stromeinkopplung in
die elektrisch leitfähigen
Wände des
Züchtungstiegels 3.
Anstelle der Induktionsbeheizung kann auch eine Widerstandsbeheizung
vorgesehen sein. Ebenso ist eine Kombination beider Beheizungsarten
möglich.
-
Im
Folgenden wird die Funktionsweise der Vorrichtung 1 und
der Züchtungsvorgang
des SiC:Ge-Volumenmischkristalls 2 beschrieben.
-
Das
Quellmaterial 6 wird mittels der Induktionsspule 8 auf
eine Temperatur oberhalb derjenigen aufgeheizt, ab der die thermische
Sublimation des Quellmaterials 6 einsetzt. Aufgrund der
dann einsetzenden Sublimation bildet sich im Kristallbereich 5 eine
Si:C:Ge-Gasphase 9 aus, die die Elemente Si, C und Ge in
elementarer Form und/oder in Form gasförmiger Moleküle enthält. Eine
Gasphasen-Temperatur der Si:C:Ge-Gasphase 9 liegt typischerweise
im Bereich zwischen 1900°C
und 2550°C.
-
Die
Temperatur einer Wachstumsfläche 10, die
anfangs am SiC:Ge-Keimkristall 7 und im späteren Verlauf
der Züchtung
am bereits aufgewachsenen SiC:Ge-Volumenmischkristall 2 jeweils
an der dem Vorratsbereich 4 zugewandten Seite liegt, wird mindestens
auf 1800°C
gehalten, um die zur Bildung eines Einkristalls erforderliche Oberflächenbeweglichkeit
der sich anlagernden Elemente vom Typ Si:C:Ge zu gewährleisten.
Es wird ein Temperaturgradient vom Vorratsbereich 4 zur
Wachstumsfläche 10 eingestellt.
Insbesondere wird die Temperatur der Wachstumsfläche 10 um etwa 100°K unterhalb
der des sublimierenden Quellmaterials 6 gehalten. So ergibt
sich eine Netto-Anlagerung aus der Si:C:Ge-Gasphase 9 an
der Wachstumsfläche 10. Die
Geschwindigkeit der Anlagerung übersteigt
dann diejenige der parallel ablaufenden Rückreaktion.
-
Die
leicht voneinander abweichenden Temperaturen im Vorratsbereich 4,
in der Si:C:Ge-Gasphase 9 und an der Wachstumsfläche 10 lassen
sich beispielsweise durch eine geeignete Relativpositionierung des
Züchtungstiegels 3 und
der Induktionsspule 8 einstellen. So kann der Züchtungstiegel 3 nur über eine
bestimmte und insbesondere im Verlauf des Züchtungsvorgangs veränderbare
Länge in
die Induktionsspule 8 eintauchen. Alternativ kann auch eine
mehrteilige Induktionsspule 8 verwendet werden, deren Teilspulen
unterschiedlich angesteuert werden. Auf diese Weise bildet sich
ein erwünschtes Temperaturgefälle vom
Vorratsbereich 4 zur Wachstumsfläche 10 aus.
-
Innerhalb
des Züchtungstiegels 3 wird
in der Si:C:Ge-Gasphase 9 ein Züchtungsdruck zwischen etwa
0,1 mbar und 600 mbar eingestellt. Dieser Züchtungsdruck wird außer durch
die Si-, C- und Ge-haltigen Gasspezies der Si:C:Ge-Gasphase 9 auch
durch ein Trägergas
bestimmt. In Frage kommen hierfür
Inertgase wie Argon (Ar), Helium (He) oder Xenon (Xe), die chemisch
nicht-reaktiv sind und die insbesondere den Wachstumsvorgang nicht
unmittelbar beeinflussen. Die Wände
des Züchtungstiegels 3 sind
durchlässig
für das
Trägergas.
Es gelangt also insbesondere mittels Diffusion durch die porösen Tiegelwände in das
Innere des Züchtungstie gels 3.
Alternativ können
aber auch gesonderte Zuführungen
für das
Trägergas
vorgesehen sein.
-
Nachdem
die Züchtungsbedingungen
für Temperatur
und Druck wie vorstehend beschrieben eingestellt worden sind, startet
das Wachstum des SiC:Ge-Volumenmischkristalls 2. Es beruht
auf einer Abscheidung aus der Si:C:Ge-Gasphase 9 an der
etwas kälteren
Wachstumsfläche 10.
Der Materialtransport folgt dem Temperaturgefälle vom Vorratsbereich 4 zum
aufwachsenden SiC:Ge-Volumenmischkristall 2, wobei die
Prozessbedingungen so eingestellt sind, dass der Züchtungsvorgang
als Hochtemperatur-Syntheseverfahren
in der Nähe
des thermodynamischen Gleichgewichts abläuft. Dadurch ist es möglich, einen
sehr defektfreien und auch sehr großen SiC:Ge-Volumenmischkristall 2 herzustellen.
Der Züchtungsvorgang
basiert auf einem PVD-Verfahren, nämlich auf einem Sublimations-Abscheide-Verfahren.
Chemische Reaktionen spielen dagegen keine wesentliche Rolle. Im
Gegensatz zu einem CVD-Verfahren erfolgt die Materialzufuhr nicht
von außerhalb
mittels eines reaktiven Gases. Vielmehr befindet sich das Quellmaterial 6,
aus dem der SiC:Ge-Volumenmischkristall 2 aufwächst, bereits
von Anfang an im Züchtungstiegel 3.
Dies ermöglicht
eine sehr kostengünstige
Herstellung des SiC:Ge-Volumenmischkristalls 2. Sowohl
das verwendete Ausgangsmaterial als auch die eingesetzte Anlagentechnik
sind deutlich günstiger
als bei einem CVD-Verfahren.
-
Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel hat
das Quellmaterial 6 einen höheren Ge-Gehalt, so dass der
SiC:Ge-Volumenmischkristall 2 mit einem Ge-Gehalt von etwa
6 at% aufwächst.
Außerdem
ist im Quellmaterial 6 zusätzlich ein Scandium(Sc)-Anteil
vorgesehen. Der gezüchtete
SiC:Ge-Volumenmischkristall 2 enthält also
auch Scandium mit einer Konzentrati on von etwa 8·1017/cm3. Dieser Sc-Anteil ermöglicht auch bei dem relativ
hohen Ge-Gehalt ein ausscheidungsfreies Wachstum des SiC:Ge-Volumenmischkristalls 2.
Ohne die Sc-Zugabe kann es dagegen zur Bildung von unerwünschten
Ge-Ausscheidungen kommen.
-
In 2 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung 11 zur Züchtung
eines SiC:Ge-Volumenmischkristalls 12 gezeigt. Die Vorrichtung 11 unterscheidet
sich von der Vorrichtung 1 gemäß 1 vor allem
durch einen gesonderten Vorratstiegel 13, der mit einem
Züchtungstiegel 14 mittels
eines Verbindungskanals 15 gekoppelt ist. Ähnlich wie bei
der Vorrichtung 1 ist im Züchtungstiegel 14 ein erster
Vorratsbereich 16 zur Aufnahme eines sublimierenden SiC-haltigen
Quellmaterials 17 vorgesehen. Daneben enthält der Vorratstiegel 13 einen zweiten
Vorratsbereich 18 zur Aufnahme eines aufschmelzenden und
verdampfenden Ge-haltigen Quellmaterials 19. Dem Züchtungstiegel 14 und
dem Vorratstiegel 13 sind eine Induktionsspule 20 bzw. 21 zugeordnet,
so dass die Vorratsbereiche 16 bzw. 18 gezielt
und unabhängig
voneinander beheizbar sind. Der Verbindungskanal 15 beginnt
mit seinem einen Ende oberhalb des Vorratsbereichs 18 im
Vorratstiegel 13, passiert den Vorratsbereich 16 im
Züchtungstiegel 14 und
endet mit seinem anderen Ende im Kristallbereich 5 des
Züchtungstiegels 14.
-
Im
Folgenden wird auch unter Bezugnahme auf 3 die Funktionsweise
der Vorrichtung 11 und der Züchtungsvorgang des SiC:Ge-Volumenmischkristalls 12 beschrieben.
-
Im
Züchtungstiegel 14 wird ähnlich wie
bei der Vorrichtung 1 das SiC-haltige Quellmaterial 17 auf
eine Temperatur oberhalb des Grenzwerts für die thermische Sublimation
von SiC, also auf eine Wert zwischen 1900°C und 2550°C, erhitzt, und ein Züchtungsdruck
mittels Zuführung
eines inerten Trägergases
auf einen Wert zwischen etwa 0,1 mbar und 600 mbar eingestellt.
-
Auch
das Ge-haltige Quellmaterial 19 wird erhitzt. Bei Germanium
erfolgt der Übergang
in die gasförmige
Phase üblicherweise
aus der Schmelze und nicht, wie bei SiC, aus dem festen Aggregatszustand.
Die Germanium-Phasenübergänge finden darüber hinaus
bei Temperaturen statt, die deutlich niedriger als diejenigen liegen,
auf die das SiC-haltige Quellmaterial 17 zur thermischen
Sublimation erhitzt werden. Typischerweise erfolgen die genanten Ge-Phasenübergänge in einem
Temperaturbereich zwischen 1250°C
und 1750°C.
Die gesonderte Induktionsspule 21 erlaubt eine gezielte
und von der Erwärmung
des SiC-haltigen Quellmaterials 17 unabhängige Erwärmung des
Ge-haltigen Quellmaterials 19. Anstelle der induktiven
Beheizung mittels der Induktionsspule 21 kann insbesondere
der das Ge-haltige Quellmaterial 19 aufnehmende Vorratsbereich 18 auch
mittels einer Widerstandsheizung erwärmt werden. Jedenfalls wird
das anfangs feste Germanium des Quellmaterials 19 zunächst geschmolzen.
Bei weiterer Erhitzung kommt es zum Übergang in die Gasphase, also
zur Verdampfung von Germanium aus der Schmelze. Das gasförmige Germanium
gelangt mittels des Verbindungskanals 15 in den Kristallbereich 5 und
bildet dort zusammen mit dem aus dem Quellmaterial 17 sublimierten
SiC die Si:C:Ge-Gasphase 9.
-
Die
Vorrichtung 11 gestattet aufgrund des gesonderten und unabhängig beheizbaren
Vorratstiegels 13 eine gezielte Einstellung des Ge-Partialdrucks.
Dadurch kann der Ge-Gehalt in der Si:C:Ge-Gasphase 9 und
damit auch des aufwachsenden SiC:Ge-Volumenmischkristalls variiert
werden, ohne dass dazu ein anders zusammengesetztes Quellmaterial 17 oder 19 eingefüllt werden
müsste.
Die Vorrichtung 11 ist diesbezüglich also sehr flexibel einsetzbar
und erlaubt unter anderem auch, den Ge-Gehalt in der Si:C:Ge-Gasphase 9 gezielt
als Funktion des Züchtungsfortschritts
zu steuern. So kann es beispielsweise erforderlich sein, die Temperatur
im Vorratstiegel 13 während
des Züchtungsverlaufs
zu variieren, um den Ge-Gehalt
in der Si:C:Ge-Gasphase 9 stabil zu halten.
-
In 3 ist
ein Diagramm dargestellt, in dem Temperaturen T der beiden Quellmaterialien 17 und 19 sowie
der Druck p im Züchtungstiegel 14 über der Zeit
t aufgetragen sind. Die durchgezogene und mit dem Bezugszeichen 22 versehene
Kurve gibt den Druckverlauf wieder. Die gestrichelte und mit dem Bezugszeichen 23 versehene
Kurve zeigt den Temperaturverlauf des SiC-haltigen Quellmaterials 17, die
strichpunktierte und mit dem Bezugszeichen 24 versehene
Kurve den Temperaturverlauf des Ge-haltigen Quellmaterials 19.
Bei der Vorrichtung 1 würde der
Temperaturverlauf des SiC- und Ge-haltigen Quellmaterials 6 im
Wesentlichem dem der Kurve 23 entsprechen.
-
Der
Züchtungsvorgang
läuft im
Wesentlichen in fünf
Teilphasen I bis V ab, die auch in 3 eingetragen
sind. Während
der Phase I werden die Quellmaterialien 17 und 19 unter
Atmosphärendruck vorgeheizt.
In der folgenden Reinigungsphase II wird in der Vorrichtung 11 ein
Hochvakuum erzeugt, um Verunreinigungen zu entfernen. Es folgt in
Phase III das Erhitzen auf die jeweiligen Prozesstemperaturen, die
wie vorstehend beschrieben unterschiedliche Werte in den Vorratsbereichen 16 und 18 annehmen. Der
Druck wird während
der Phase III wieder angehoben, allerdings nur auf einen Wert, der
immer noch unterhalb des atmosphärischen
Drucks liegt. In der folgenden Phase IV findet die eigentliche Züchtung statt.
Um letztere in Gang zu setzen, wird der Druck in der auf die Prozesstemperaturen
aufgeheizten Vorrichtung 11 auf den Züchtungsdruck abgesenkt. Diese
erneute Druckabsenkung geschieht vorzugsweise mit einem sanften
Abfall, da es andernfalls und vor allem bei einem abrupten Druckabfall
zu einer unerwünschten
spontanen Keimbildung kommen könnte.
Nach Abschluss der Züchtung
wird die Vorrichtung 11 in der letzten Phase V wieder abgekühlt und auf
Atmosphärendruck
gebracht.
-
Mit
den Vorrichtungen 1 und 11 und dem beschriebenen
Züchtungsverfahren
lassen sich sehr große
SiC:Ge-Volumenmischkristalle 2 bzw. 12 herstellen,
die einen Durchmesser von 2 Zoll und mehr sowie eine Länge von
bis zu 15 mm aufweisen. Auch noch größere Kristalllängen sind
erzielbar. Auch ansonsten sind die so gezüchteten SiC:Ge-Volumenmischkristalle 2 und 12 von
hoher Qualität.
So lassen sie sich praktisch ausscheidungsfrei herstellen. Diese
SiC:Ge-Volumenmischkristalle 2 und 12 eignen sich
damit sehr gut für
elektronische Anwendungen, aber auch als Schmucksteine.