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Die
Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Herstellung von Halbleiterbauelementen
und betrifft ein Verfahren zum thermischen Ausheilen und elektrischen
Aktivieren implantierter Siliziumcarbidhalbleiter.
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Aus
Siliziumcarbid (SiC) hergestellte Halbleiterbauelemente können
beispielsweise für Anwendungen im Bereich der Leistungselektronik
nutzbringend eingesetzt werden. Grund hierfür sind die
vorteilhaften physikalischen Eigenschaften von Siliziumcarbid, ein
Halbleitermaterial, das eine große elektronische Bandlücke
und einen relativ geringen flächenspezifischen elektrischen
Widerstand miteinander verbindet. SiC-Bauelemente, wie Feldeffekttransistoren
und Schottky-Dioden, zeichnen sich durch niedrige Durchlassverluste
und eine hohe Spannungsfestigkeit im Sperrfall aus.
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Ein
Hindernis für die industrielle Serienfertigung von Halbleiterbauelementen
aus Siliziumcarbid war lange Zeit dessen vergleichsweise schwierige Dotierung,
bei der aufgrund der erforderlichen hohen Temperaturen die bei Silizium übliche
Technik einer Diffusion von Dotierstoffen nicht geeignet ist. Eine Möglichkeit
der Dotierung von Siliziumcarbid ist durch die Zugabe von Dotierstoffen
während der Wachstums- bzw. Züchtungsphase eines
Siliziumcarbid-Einkristalls gegeben. Eine laterale Variation der
Dotierstoffkonzentration zur Ausbildung spezifischer Halbleiterstrukturen
ist durch eine Implantation von Dotierstoffen (Ionen) in eine beispielsweise
epitaktisch abgeschiedene Siliziumcarbidschicht ermöglicht.
Ein wesentlicher Nachteil der Implantation von Dotierstoffen liegt
in der Erzeugung von Gitterdefekten im Kristallgitter aufgrund der
mit einer hohen kinetischen Energie auf der Oberfläche
des Halbleiters auftreffenden Dotierstoffe. Darüber hinaus
ist eine elektrische Aktivierung der implantierten Dotierstoffe erforderlich,
da sich diese meist nicht genau in das Kristallgitter einfügen.
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Um
die Gitterdefekte auszuheilen und die Dotierstoffe elektrisch zu
aktivieren, werden implantierte Siliziumcarbidhalbleiter einer speziellen
Wärmebehandlung unterzogen, bei der sie in einem Ausheilofen
für einen bestimmten Zeitraum auf eine geeignete Ausheiltemperatur
erwärmt werden. Siehe hierzu beispielsweise die internationale
Patentanmeldung
WO 99/17345 .
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Den
bislang eingesetzten thermischen Ausheil- und Aktivierungsprozessen
ist gemeinsam, dass die bei Siliziumcarbid eingesetzten Temperaturen deutlich
oberhalb der Schmelztemperatur von Silizium liegen sollten, um einerseits
eine möglichst gute Ausheilung der Defekte und Fehlordnungen
im Kristallgitter und andererseits eine wenigstens nahezu vollständige
elektrische Aktivierung der implantierten Dotierstoffe zu erreichen.
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Wie
die Praxis jedoch zeigt, werden durch die Erwärmung eines
Siliziumcarbidhalbleiters auf derart hohe Temperaturen Atome von
der Oberfläche des Siliziumcarbidhalbleiters abgedampft,
was eine Umlagerung oberflächennaher Atome zur Folge hat. Auf
der Oberfläche des Siliziumcarbidhalbleiters wird auf diese
Weise eine tiefe Rillen aufweisende, streifenartige Struktur erzeugt,
so dass die Dotierstoffverteilung an der Oberfläche nicht
mehr homogen ist. Besonders nachteilig wirkt sich dieser Effekt
bei Halbleiterbauelementen aus, deren Funktion und Leistung wesentlich
von der Oberflächenbeschaffenheit abhängt, wie
bei Schottky-Dioden und durch Feldeffekt steuerbare Bauelemente,
beispielsweise Feldeffekttransistoren.
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Um
eine Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit
der Siliziumcarbidschicht durch den thermischen Ausheil- und Aktivierungsprozess
zu vermeiden, ist in Negoro et al. ”Electronic behaviours of
high-dose phosphorus-ion implanted 4H-SiC (0001)”, Journal
of Applied Physics, Vol. 96, No. 1, 2004, pp. 224–228,
eine Methode beschrieben, bei dem eine SiC-Epitaxieschicht nach
dem Implantieren von Phosphorionen mit einer Graphitdeckschicht
versehen wurde, die durch Graphitisieren eines aufgeschleuderten
Photolacks erzeugt worden ist. In dem dort beschriebenen Verfahren
wurde nach einer rasterelektronenmikroskopischen Bestimmung der Schichtdicke
der Graphitdeckschicht in einem CVD-Reaktor eine Wärmebehandlung
der SiC-Expitaxieschicht bei 1700°C in einer Argon-Atmosphäre durchgeführt,
um die Gitterdefekte auszuheilen und die Dotierstoffe elektrisch
zu aktivieren. Anschließend wurde die Graphitdeckschicht
in einer Sauerstoff-Atmosphäre bei 900°C entfernt.
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Zwar
kann durch die Graphitdeckschicht ein Abdampfen von Atomen während
des Ausheil- und Aktivierungsprozesses unterbunden werden, wie jedoch
Versuche der Anmelderin gezeigt haben, gasen während der
Umwandlung des Photolacks zu Graphit organische Verbindungen aus
dem Photolack aus, welche die Zusammensetzung und Struktur der erzeugten
Graphitdeckschicht beeinträchtigen und eine einfache Entfernung
der Graphitdeckschicht beispielsweise durch Abbrennen erheblich
erschweren können. Zudem können sich die ausgegasten
Stoffe als Verunreinigungen im Ofen niederschlagen, welche umfangreiche
Reinigungsarbeiten erforderlich machen und/oder die SiC-Epitaxieschicht
erheblich verunreinigen. Zudem wird ein zweimaliges Aufheizen der
Epitaxieschicht durchgeführt, einerseits zum Graphitisieren
des Photolacks und andererseits zum Ausheilen der Gitterdefekte,
wodurch die SiC-Epitaxieschicht unnötig thermisch belastet
und die Prozessdauer und -kosten erhöht werden.
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Demgegenüber
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum thermischen Ausheilen und elektrischen Aktivieren einer implantierten
Siliziumcarbidschicht anzugeben, durch das eine Beeinträchtigung
der Oberflächenbeschaffenheit der implantierten Siliziumcarbidschicht zuverlässig
vermieden werden kann, eine möglichst geringe thermische
Belastung der Siliziumcarbidschicht auftritt und eine möglichst
reine Graphitdeckschicht auf der Siliziumcarbidschicht erzeugt werden kann.
Zudem soll das Verfahren in wirtschaftlicher Weise in der industriellen
Serienfertigung einsetzbar sein.
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Diese
und weitere Aufgaben werden nach dem Vorschlag der Erfindung durch
ein Verfahren zum thermischen Ausheilen von Gitterdefekten und elektrischen
Aktivieren von Dotierstoffen eines implantierten Siliziumcarbidhalbleiters
mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche
angegeben.
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Erfindungsgemäß ist
ein Verfahren zum thermischen Ausheilen von Gitterdefekten und elektrischen
Aktivieren von Dotierstoffen eines durch Implantation von Dotierstoffen
dotierten Siliziumcarbidhalbleiters, beispielsweise eine epitaktisch
abgeschiedene Siliziumcarbidschicht, gezeigt. Das Verfahren umfasst
die folgenden sukzessiven Schritte:
Zunächst wird
auf wenigstens eine zur Ausbildung von aktiven Strukturen vorgesehene
Oberfläche des Siliziumcarbidhalbleiters eine diese (wenigstens
teilweise oder vollständig) bedeckende Deckschicht aus einem
graphitisierbaren Material aufgebracht. Hierbei handelt es sich
in der Regel um ein kohlenstoff- bzw. kohlenwasserstoffhaltiges
Material, beispielsweise einen in der Halbleiterfertigung typischer
Weise eingesetzten Photolack (Photo-Resist). Das graphitisierbare
Material kann beispielsweise durch Aufschleudern mittels eines Spin-Coating-Verfahrens auf
den Siliziumcarbidhalbleiter aufgebracht werden.
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Anschließend
wird eine erste Wärmebehandlung während einer
ersten Behandlungsdauer bei einer (oder mehreren) ersten Behandlungstemperatur(en)
durchgeführt, wobei die erste Behandlungsdauer und die
wenigstens eine erste Behandlungstemperatur so gewählt
sind, dass hierdurch eine Graphitisierung der Deckschicht zur Erzeugung einer
Graphitdeckschicht erreicht wird. Beispielsweise erfolgt die erste
Wärmebehandlung bei einer ersten Behandlungstemperatur
im Bereich von 700–1000°C für einen Behandlungszeitraum
von 15–60 min.
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Nach
Erzeugen der Graphitdeckschicht wird eine zweite Wärmebehandlung
während einer zweiten Behandlungsdauer bei einer (oder
mehreren) zweiten Behandlungstemperatur(en) durchgeführt. Die
zweite Behandlungsdauer und die wenigstens eine zweite Behandlungstemperatur
sind so gewählt, dass hierdurch eine Ausheilung von Gitterdefekten und
zugleich eine elektrische Aktivierung von Dotierstoffen im Siliziumcarbidhalbleiter
erreicht werden kann. Beispielsweise erfolgt die zweite Wärmebehandlung
bei einer zweiten Behandlungstemperatur im Bereich von 1600–1900°C
für einen Behandlungszeitraum von 5 bis 30 min.
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Die
zweite Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise in einer Schutzatmosphäre
aus reinem Schutzgas, das heißt einem inerten Gas, das
weder mit der Graphitdeckschicht noch mit dem Siliziumcarbidhalbleiter
und dem im Ofen befindlichen Material reagiert, beispielsweise Argon
oder Helium. Durch die Schutzatmosphäre können
insbesondere von der Graphitdeckschicht nicht bedeckte Oberflächen
des Siliziumcarbidhalbleiters vor Verunreinigung geschützt
werden.
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Anschließend
erfolgt ein Entfernen der Graphitdeckschicht von dem Siliziumcarbidhalbleiter, was
beispielsweise durch Oxida tion bei ca. 900°C in einer Sauerstoffatmosphäre
oder ohne weiteres Heizen durch Entfernen (”Veraschen”)
in einem Sauerstoff-Mikrowellenplasma erfolgen kann.
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In
dem erfindungsgemäßen Verfahren ist wesentlich,
dass die erste und zweite Wärmebehandlung in einem selben
Ofen durchgeführt werden. Die Umgebung des Siliziumcarbidhalbleiters,
beispielsweise ein den Siliziumcarbidhalbleiter enthaltender Behandlungsraum
des Ofens zum Durchführen der ersten Wärmebehandlung,
wird während der ersten Wärmebehandlung evakuiert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht
ein thermisches Ausheilen von Gitterdefekten und zugleich elektrisches
Aktivieren von implantierten Dotierstoffe in implantierten Siliziumcarbidhalbleitern,
wobei eine Beeinträchtigung der Oberflächenbeschaffenheit
der Siliziumcarbidschicht durch die Graphitdeckschicht zuverlässig
vermieden werden kann. Durch Evakuieren der Umgebung des Siliziumcarbidhalbleiters
kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass Bestandteile des
graphitisierbaren Materials, insbesondere organische Verbindungen, während
der ersten Wärmebehandlung aus der Umgebung des Siliziumkarbidhalbleiters
entfernt werden. Auf diese Weise kann eine Graphitdeckschicht aus
reinem (nicht durch ausgegaste Verbindungen verunreinigtem) Graphit
erzeugt werden, welche problemlos beispielsweise durch Abbrennen
in einer Sauerstoffatmosphäre oder durch Umspülen
mit einem Sauerstoffplasma entfernt werden kann. Zudem kann in vorteilhafter
Weise eine Verunreinigung des Ofens mit den aus dem graphitisierbaren
Material ausgegasten Verbindungen und/oder eine Verunreinigung des
Siliziumcarbidhalbleiters vermieden werden. Dadurch, dass die beiden
Wärmebehandlungen in einem selben Ofen durchgeführt
werden, kann eine Verunreinigung des Siliziumcarbidhalbleiters durch
dessen Überführen zwischen zwei Öfen
vermieden werden.
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Während
der ersten Wärmebehandlung kann über eine Temperatursteuerung
der Gasdruck in der Umgebung des Siliziumcarbidhalbleiters in einem
gewünschten Bereich gehalten werden. Besonders vorteilhaft
erfolgt hierbei eine Evakuierung bis zu einem Gasdruck im Bereich
von 1 × 10–3 bis 1 × 10–5 mbar, um hierdurch ein sanftes
Ausgasen des graphitisierbaren Materials ohne die Gefahr einer unerwünschten
Blasenbildung zu ermöglichen.
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Für
den Fall, dass der Gasdruck durch die ausgasenden Bestandteile auf
einen Wert oberhalb des gewünschten Gasdruckbereichs (z.
B. 1 × 10–3 bis 1 × 10–5 mbar) steigt, wird die Temperatur
nicht weiter erhöht, bis der Gasdruck wieder im gewünschten
Bereich liegt. Ist die gewünschte Endtemperatur erreicht,
kann über den Wert des Gasdrucks die Reinheit des graphitisierbaren
Materials überprüft werden. Beispielsweise wird
die zweite Wärmebehandlung erst dann begonnen, wenn ein
Gasdruck von z. B. 8 × 10–5 mbar
vorliegt.
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Besonders
vorteilhaft können auch Verunreinigungen in der Umgebung
des Siliziumcarbidhalbleiters, beispielsweise Schmutz auf der Ofenwand, der
durch einen Monteur eingebracht wurde, durch Evakuieren während
der ersten Wärmebehandlung entfernt werden. Würden
solche Verunreinigungen nicht entfernt, könnten diese ansonsten
die Graphitdeckschicht und/oder den Siliziumcarbidhalbleiter verunreinigen.
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Durch
Evakuieren kann somit in vorteilhafter Weise die Reinheit des graphitisierbaren
Materials sowie der gesamten Umgebung des Siliziumcarbidhalbleiters
hergestellt und durch den Wert des Gasdrucks überprüft
werden.
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In
vorteilhafter Weise werden die beiden Wärmebehandlungen
so durchgeführt, dass zwischen der ersten Wärmebehandlung
und der zweiten Wärmebehandlung im Wesentlichen keine Abkühlung
des Siliziumcarbidhalbleiters stattfindet. Vorzugsweise schließt
sich die zweite Wärmebehandlung der ersten Wärmebehandlung
zu diesem Zweck unmittelbar an. Falls ein Zeitintervall zwischen
der ersten und zweiten Wärmebehandlung liegt, so wird, gegebenenfalls
durch Heizen verhindert, dass die Temperatur des Siliziumcarbidhalbleiters
sinkt. Hierdurch kann eine unnötige thermische Belastung
des Siliziumcarbidhalbleiters vermieden werden. In der industriellen
Serienfertigung kann das Verfahren wirtschaftlich effizient durchgeführt
werden.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert, wobei Bezug auf die beigefügte 1 genommen
wird.
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1 zeigt
eine schematische Schnittansicht durch einen Ausheilofen zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem implantierten
Siliziumcarbidhalbleiter.
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Der
in 1 gezeigte Ausheilofen 1 dient zur Wärmebehandlung
eines durch Implantieren dotierten Siliziumcarbidhalbleiters und
ist Teil einer nicht dargestellten Ausheilanlage.
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Der
Ausheilofen 1 umgibt mit einer Ofenwand 10 einen
gasdichten Behandlungsraum 9, der mit einem beispielsweise
aus Graphit bestehenden Heizelement 2 zum Zwecke einer
Ohm'schen Heizung (Widerstandsheizung) versehen ist. Die Ofenwand 10 ist
gegenüber dem Heizelement 2 mit nicht gezeigten
Strahlungsschilden oder einem Isolator aus Wärme dämmendem
Material thermisch abgeschirmt. Alternativ wäre es beispielsweise
auch möglich, den Behandlungsraum 9 durch eine
Hochfrequenz-Induktionspule zu heizen, wobei die Widerstandsheizung
durch einen Suszeptor aus einem durch Induktion gut heizbaren Material
ersetzt wird.
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Innerhalb
des Behandlungsraums 9 ist ein durch eine nicht dargestellte
Halterung an der Ofenwand 10 befestigter Träger 3 aufgenommen,
auf dessen Oberseite sich ein implantierter Siliziumcarbidhalbleiter 11 befindet.
Der Siliziumcarbidhalbleiter 11 besteht aus einem beispielsweise
durch einen Sublimationszüchtungsprozess hergestellten
einkristallinen Siliziumcarbidsubstrat 4, auf das beispielsweise durch
chemische Gasphasenabscheidung (CVD = Chemical Vapor Deposition)
eine Siliziumcarbidschicht 5 epitaktisch abgeschieden wurde.
Die Siliziumcarbidschicht 5 wurde durch mehrmaliges Implantieren
von Dotierstoffionen (beispielsweise Phosphor, Stickstoff- oder
Aluminiumionen) dotiert. Die Dotierstoffionen wurden zu diesem Zweck
in einer nicht dargestellten Implantationsanlage mit einer Energie
von beispielsweise bis zu einigen 100 keV auf eine in 1 horizontale
(Haupt-)Oberfläche 12 der Siliziumcarbidschicht 5 geschossen,
wodurch Gitterdefekte und Fehlordnungen im Kristallgitter des Siliziumcarbids
erzeugt wurden.
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Die
Oberfläche 12 der Siliziumcarbidschicht 5 ist
mit einer Graphitdeckschicht 6 vollständig bedeckt.
Die Erzeugung der Graphitdeckschicht 6 ist Teil des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum thermischen Ausheilen und elektrischen Aktivieren
der implantierten Siliziumcarbidschicht 5.
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Die
Graphitdeckschicht 6 wird erzeugt, indem ein in der Halbleitertechnik
beispielsweise zur Formung einer Ätzmaske eingesetzter
kohlenwasserstoffhaltiger Photolack (Photo-Resist) mittels eines
Spin-Coating-Verfahrens in einer nicht dargestellten Spin-Coating-Anlage
auf die Oberfläche 12 aufgeschleudert wird. Nach
Aufbringen des Photolacks auf die Oberfläche 12 wird
der Siliziumcarbidhalbleiter 11 im Behandlungsraum 9 des
Ausheilofens 1 auf den Träger 3 platziert,
wobei für eine Graphitisierung (Graphitumwandlung) des
Photolacks zur Erzeugung der Graphitdeckschicht 6 eine
erste Wärmebehandlung im Ausheilofen 1 durchgeführt wird.
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Zu
diesem Zweck wird der Siliziumcarbidhalbleiter 11 auf eine
erste Behandlungstemperatur von beispielsweise 1000°C erwärmt.
Zudem erfolgt während der ersten Wärmebehandlung
eine kontinuierliche Evakuierung des Behandlungsraums 9.
Während der Erwärmung auf die erste Behandlungstemperatur
wird der Gasdruck im Behandlungsraum 9 kontrolliert und
die Erwärmung so geregelt, das ein bestimmter Maximaldruck,
hier beispielsweise 1 × 10–3 mbar
nicht überschritten wird. Dadurch wird erreicht, dass der
Photolack allmählich ausgasen kann und beispielsweise Blasenbildung
des Photolacks durch heftiges Ausgasen vermieden wird. Bei der ersten
Behandlungstemperatur wird der Siliziumcarbidhalbleiter für
mindestens eine erste Behandlungsdauer von beispielsweise 15 Minuten
gehalten und des Weiteren so lange auf dieser Temperatur gehalten,
bis ein vorgegebener Grenzwert des Gasdrucks, beispielsweise 8 × 10–5 mbar unterschritten wird.
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Für
eine Evakuierung des Behandlungsraums 9 ist dieser über
ein Evakuierungsrohr 7 mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe
verbunden. In 1 ist durch den eingezeichneten
Pfeil das Entfernen der Luft aus dem Behandlungsraum 9 symbolisch
dargestellt.
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Durch
die Evakuierung kann erreicht werden, dass während der
ersten Wärmebehandlung aus dem Photolack ausgasende Bestandteile,
beispielsweise organische Verbindungen, aus dem Behandlungsraum 9 entfernt
werden, so dass eine reine Graphitdeckschicht 6 erzeugt
und eine Kontamination, beispielsweise des Schutzgases, für
nachfolgende Prozessschritte vermieden wird.
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Nach
Erzeugen der Graphitdeckschicht 6 wird eine zweite Wärmebehandlung
zum Ausheilen von Gitterdefekten und Fehlordnungen der Siliziumcarbidschicht 5 und
elektrischen Aktivieren der implantierten Dotierstoffionen im selben
Ausheilofen 1 durchgeführt. Die zweite Wärmebehandlung
wird unmittelbar im Anschluss an die erste Wärmebehandlung
durchgeführt, so dass die Temperatur des Siliziumcarbidhalbleiters 11 nicht
fällt. Zu diesem Zweck wird der Siliziumcarbidhalbleiter 11 ausgehend
von seiner Temperatur während der ersten Wärmebehandlung
(beispielsweise 1000°C) beispielsweise für einen
Zeitraum von 30 Minuten auf eine Temperatur von 1700°C
erwärmt. Zu Beginn der zweiten Wärmebehandlung
wird gasförmiges Argon über die Schutzgaszuleitung 8 in
den Behandlungsraum 9 geleitet, wobei der Gasdruck im Behandlungsraum 9 zu
Beginn der zweiten Wärmebehandlung beispielsweise 0,5–1
bar beträgt. In 1 ist durch den eingezeichneten
Pfeil das Einleiten des Schutzgases in den Behandlungsraum 9 symbolisch
dargestellt.
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Falls
zwischen der ersten Wärmebehandlung und dem Beginn der
zweiten Wärmebehandlung ein Zeitintervall liegt, wird – gegebenenfalls
durch Einsatz der elektrischen Widerstandsheizung – verhindert,
dass die Temperatur des Siliziumcarbidhalbleiters 11 gegenüber
der bei der ersten Wärmebehandlung eingesetzten Temperatur
sinkt. Beispielsweise kann ein solches Zeitintervall genutzt werden, um
das Schutzgas in den Behandlungsraum 9 einzuleiten.
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Nach
Beendigung der zweiten Wärmebehandlung wird die Graphitdeckschicht 6 vorzugsweise
durch Veraschen in einem Sauerstoffplasma entfernt.
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- 1
- Ausheilofen
- 2
- Heizelement
- 3
- Träger
- 4
- SiC-Substrat
- 5
- Siliziumcarbidschicht
- 6
- Graphitdeckschicht
- 7
- Evakuierungsrohr
- 8
- Schutzgaszuleitung
- 9
- Behandlungsraum
- 10
- Ofenwand
- 11
- Siliziumcarbidhalbleiter
- 12
- Oberfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Journal of
Applied Physics, Vol. 96, No. 1, 2004, pp. 224–228 [0007]