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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls
sowie ein einkristallines SiC-Substrat.
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Das
Halbleitermaterial Siliziumcarbid (= SiC) wird aufgrund seiner herausragenden
physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften unter
anderem auch als Substratmaterial für leistungselektronische
Halbleiterbauelemente eingesetzt.
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SiC-Volumeneinkristalle
werden in der Regel mittels physikalischer Gasphasenabscheidung
hergestellt. Verfahrensbedingt können während
dem Wachstumsprozess in dem SiC-Volumeneinkristall Fremdphaseneinschlüsse
entstehen. Fremdphaseneinschlüsse können aus wenigen
Atomen bestehen oder makroskopische Dimensionen, d. h. eine Größe von
einigen μm bis zu einigen cm, annehmen.
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Fremdphaseneinschlüsse
lassen sich einteilen in erstens Modifikationswechsel innerhalb
des SiC-Kristallgitters, d. h. Bereiche mit zwar stöchiometrischer
Zusammensetzung von Si:C = 1:1, aber unterschiedlicher Kristallstruktur
(Polytypie), zweitens Siliziumeinschlüsse/-ausscheidungen,
drittens Kohlenstoffeinschlüsse/-ausscheidungen und viertens Einschlüsse/Ausscheidungen
von Fremdelementen, d. h. von anderen Elementen als Silizium und
Kohlenstoff.
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Da
ein zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls eingesetzter Züchtungstiegel
meistens aus Kohlenstoff (Graphit) besteht und ein stöchio metrisches
SiC-Quellmaterial verwendet wird, bildet sich im Kristallwachstumsbereich
des Züchtungstiegels oftmals eine SiC-Wachstumsgasphase
mit Kohlenstoffüberschuss, also eine SiC-C Gasphase. Dadurch
entstehen bei moderaten Wachstumsgeschwindigkeiten von z. B. kleiner
1 mm/h keine Silizium-Einschlüsse/-Ausscheidungen in dem
aufwachsenden SiC-Volumeneinkristall.
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Die
Bildung von Modifikationswechseln kann mittels Verwendung eines
Temperaturfeldes mit niedrigem axialen Temperaturgradienten und
mittels einer ebenen Phasengrenze ebenfalls vollständig
unterdrückt werden.
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Da
in der in der Regel hochreine Quell- und Tiegelmaterialen verwendet
werden, spielen auch Einschlüsse/Ausscheidungen aus Fremdatomen
hinsichtlich der Bildung struktureller Defekte keine wesentliche
Rolle. Elektrisch neutrale Fremdatome ob einzeln oder in Form von
im Nanometerbereich liegenden Ausscheidungen/Einschlüssen
haben keinen Einfluss auf die strukturellen Defekte des aufwachsenden
SiC-Volumeneinkristalls. Elektrisch aktive Fremdatome ob einzeln
oder in Form von im Nanometerbereich liegenden Ausscheidungen/Einschlüssen
haben ebenfalls keinen Einfluss auf die strukturellen, wohl aber
auf die elektrischen Eigenschaften des aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls.
Dies wird ausgenützt, indem solche elektrisch aktiven Fremdatome
bei Bedarf zur Dotierung gezielt in den aufwachsenden SiC-Volumeneinkristall
eingebracht werden.
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Kohlenstoffeinschlüsse,
die als Ausscheidungen und/oder als in das Kristallgitter direkt
aus der SiC-Wachstumsgasphase eingebaute Kohlenstoffpartikel ausgebildet
sein können, stellen allerdings maßgebliche Fremdphaseneinschlüsse
dar, die unerwünscht sind und die die Qualität
des gezüchteten SiC-Volumeneinkristalls erheblich mindern können.
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Die
eingebauten Kohlenstoffpartikel können z. B. aus einem
nicht vollständig durchreagierten SiC-Quellmaterial oder
aus einem SiC-Quellmaterial mit nicht stöchiometrischer
Zusammensetzung stammen. Um einen Transport von Kohlenstoffpartikeln aus
solchen SiC-Quellmaterialen zu der Wachstumsfläche des
aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls zu verhindern, hat man gemäß dem
in der
JP 10 291 899
A und in der
EP
1 026 290 A1 beschriebenen Verfahren die Oberfläche
dieser SiC-Quellmaterialen mittels einer porösen Graphitscheibe
abgedeckt. Trotzdem und auch bei Verwendung von vollständig durchreagierten
SiC-Quellmaterialen enthalten die gezüchteten SiC-Volumeneinkristalle
solche Kohlenstoffeinschlüsse.
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Gemäß der
US 2002/0083891 A1 werden auch
Züchtungstiegel aus einem anderen Tiegelmaterial als dem
ansonsten üblichen Graphit, nämlich aus Tantal
oder Niob, verwendet. Diese alternativen Tiegelmaterialien sind
aber sehr teuer und außerdem verschleißanfällig,
so dass sie sich nicht für die Herstellung kostengünstiger
SiC-Volumeneinkristalle bzw. SiC-Substrate eignen. Außerdem
lassen sich diese Materialien nur für vergleichsweise kleine
Tiegel einsetzen. Aufgrund einer während des Züchtungsprozesses
auftretenden Karbidisierung der Tantal-/Niob-Tiegelwände
kommt es bei größeren Tiegeln zu inakzeptabel
hohen mechanischen Spannungen. Dies betrifft vor allem Tiegel zur
Herstellung von SiC-Volumeneinkristallen bzw. SiC-Substraten einer Größe
von mehr als etwa 50 mm (= mehr als 2 Zoll). Mit Tantal-/Niob-Tiegeln
können also keine großen SiC-Volumeneinkristalle
bzw. SiC-Substrate hergestellt werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Verfahren
zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls sowie ein verbessertes einkristallines
SiC-Substrat anzugeben.
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Zur
Lösung der das Verfahren betreffenden Aufgabe wird ein
Verfahren entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es
sich um ein solches zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls
bei dem in einem Kristallwachstumsbereich eines Züchtungstiegels
eine SiC-Wachstumsgasphase erzeugt wird und der SiC-Volumeneinkristall
mittels Abscheidung aus der SiC-Wachstumsgasphase aufwachst, die
SiC-Wachstumsgasphase aus einem SiC-Quellmaterial, das sich in einem
Vorratsbereich des Züchtungstiegels befindet, gespeist
wird, wobei für den Züchtungstiegel zumindest
teilweise ein feinkörniges Tiegelmaterial verwendet wird,
das aus Graphit mit einer Dichte von mindestens 1,75 g/cm3 und mit einer offenen Porosität
von höchstens 15% besteht und eine Kornstruktur mit Körnern
aufweist, von denen mindestens 90% eine Korngröße
von höchstens 50 μm haben.
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Aus
dem erfindungsgemäß als Tiegelmaterial vorgesehenen
feinkörnigen Graphit gelangen keine großen Kohlenstoffpartikel
in die SiC-Wachstumsgasphase, da ein Herauslösen üblicherweise
längs der Korngrenzen erfolgt. In der SiC-Wachstumsgasphase
befinden sich dann also allenfalls Kohlenstoffpartikel mit einer
Größe entsprechend der Korngröße des
Tiegelmaterials. So kleine Kohlenstoffpartikel lösen sich
aber entweder noch in der SiC-Wachstumsgasphase oder zumindest an
der Wachstumsfläche vor einem Einbau in das Kristallgitter
des aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls auf.
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Außerdem
steigt die freie Oberfläche der Tiegelinnenwand mit sinkender
Materialdichte des verwendeten Tiegelmaterials. Bei einer geringeren
Materialdichte und einer hohen offenen Porosität steht also
eine größere Angriffsfläche für
die SiC-Wachstumsgasphase zur Verfügung und es können
mehr Kohlenstoffpartikel/Körner aus dem Tiegelmaterial heraus
gelöst werden. Deshalb ist es erfindungsgemäß auch
vorgesehen, dass die Dichte des verwendeten feinkörnigen
Graphits möglichst hoch ist und das Tiegelmaterial außerdem
eine niedrige Porosität aufweist. Die Dichte liegt insbesondere
bei mindestens 1,75 g/cm3, vorzugsweise
zwischen 1,8 g/cm3 und 1,9 g/cm3.
Die offene Porosität ist insbesondere kleiner als 15% und
liegt typischerweise bei etwa 10%. Unter offener Porosität
ist dabei der auf das Gesamtvolumen des Materials bezogene Volumenanteil der
Hohlräume, die eine Verbindung zur Oberfläche aufweisen,
zu verstehen.
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Insgesamt
lässt sich aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen
Maßnahmen die Anzahl der Kohlenstoffeinschlüsse
in dem SiC-Volumeneinkristall erheblich reduzieren. Bei Verwendung
des Graphit-Tiegelmaterials, dessen Körner zu mindestens
90% eine Korngröße von höchstens 50 μm
haben bzw. dessen mittlere oder maximale Korngröße höchstens
50 μm beträgt, erreicht man eine niedrige Kohlenstoffeinschlussdichte
von nur noch höchstens 10 cm–3.
Vergleichbares ist mit den bekannten Züchtungsverfahren
und -anordnungen nicht einmal ansatzweise möglich. Das
dabei als Tiegelmaterial verwendete feinkörnige Graphit
ist außerdem deutlich preiswerter und robuster als die
alternativen Tiegelmaterialien Niob und Tantal. Dadurch sinken die
Herstellungskosten des SiC-Volumeneinkristalls und der daraus gefertigten
Folgeprodukte.
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Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung wird als das feinkörnige Tiegelmaterial
ein Graphit verwendet, dessen Körner zu mindestens 90%
eine Korngröße von höchstens 10 μm
haben. Dadurch lässt sich in dem aufwachsenden SiC-Volumeneinkristall
die Kohlenstoffeinschlussdichte noch weiter reduzieren. Es kann
eine besonders günstige Kohlenstoffeinschlussdichte von
höchstens 1 cm–3 erzielt werden.
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Gemäß einer
weiteren besonderen Ausgestaltung wird das feinkörnige
Tiegelmaterial nur im Kristallwachstumsbereich, insbesondere nur
an einer seitlichen Innenwand im Kristallwachstumsbereich, vorgesehen.
Dies verhindert einerseits, dass große Kohlenstoffpartikel
aus der Tiegelinnenwand heraus gelöst werden und in die
SiC-Wachstumsgasphase gelangen. Andererseits wird der Züchtungstiegel
nur an den Stellen mit dem besonderen Tiegelmaterial versehen, die überhaupt
mit der SiC-Wachstumsgasphase in Kontakt kommen. Dies ist effizient
und kostengünstig.
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Zur
Lösung der das SiC-Substrat betreffenden Aufgabe wird ein
SiC-Substrat entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 5 angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen einkristallinen SiC-Substrat
handelt es sich um ein solches mit einem durch eine Substrathauptoberfläche
und eine senkrecht dazu orientierte Substratdicke bestimmten Substratvolumen, wobei
eine für das gesamte Substratvolumen ermittelte globale
Kohlenstoffeinschlussdichte höchstens 10 cm–3 beträgt,
und die Kohlenstoffeinschlussdichte die Dichte an Kohlenstoffeinschlüssen
mit einem Einschlussdurchmesser von mindestens 500 nm angibt.
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Bei
Kohlenstoffeinschlüssen mit einem Einschlussdurchmesser
von mindestens 500 nm handelt es sich hauptsächlich um
solche, die durch den Einbau von Kohlenstoffpartikeln hervorgerufen
werden. Ausscheidungsbedingte Kohlenstoffeinschlüsse sind demgegenüber
deutlich kleiner und demnach bei der Weiterberarbeitung des SiC-Substrats
auch bei weitem weniger störend. Erfindungsgemäß hat
das SiC-Substrat gerade bezüglich der größeren
durch den Einbau von Kohlenstoffpartikeln bedingten Kohlenstoffeinschlüsse
eine äußerst vorteilhafte niedrige globale, d.
h. für das komplette SiC-Substart ermittelte, Kohlenstoffeinschlussdichte
von nur 10 cm–3.
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So
vorteilhafte SiC-Substrate mit einer so niedrigen Anzahl der maßgeblichen
großen Kohlenstoffeinschlüsse gab es bislang nicht.
Sie lassen sich erst aus den mittels des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen
Verfahrens gezüchteten SiC-Volumeneinkristallen herstellen.
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Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung beträgt die globale Kohlenstoffeinschlussdichte
sogar nur höchstens 1 cm–3.
Das SiC-Substrat ist also hinsichtlich der großen Kohlenstoffeinschlüsse
noch defektärmer ausgebildet.
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Gemäß einer
weiteren besonderen Ausgestaltung gibt die Kohlenstoffeinschlussdichte
die Dichte an Kohlenstoffeinschlüssen an, deren mittels Division
einer Einschlussoberfläche des jeweiligen Kohlenstoffeinschlusses
durch ein Einschlussvolumen des jeweiligen Kohlenstoffeinschlusses
gebildetes Oberfläche/Volumen-Verhältnis mindestens
das Zwanzigfache des Kehrwerts des Einschlussdurchmessers beträgt.
Die durch den Einbau von Kohlenstoffpartikeln hervorgerufenen Kohlenstoffeinschlüsse
haben im Gegensatz zu den ausscheidungsbedingten Kohlenstoffeinschlüssen,
die zum einen kleiner sind und zum anderen im Wesentlichen eine
Kugelform aufweisen, eine sehr zerklüftete Oberflächenstruktur,
so dass das Oberfläche/Volumen-Verhältnis einen
vergleichsweise großen Wert annimmt. Das SiC-Substrat hat
vor allem auch von den Kohlenstoffeinschlüssen mit großem
Oberfläche/Volumen-Verhältnis nur eine geringe
Anzahl.
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Gemäß einer
weiteren besonderen Ausgestaltung weicht eine für ein beliebiges
Teilvolumen ermittelte lokale Kohlenstoffeinschlussdichte höchstens
um den Faktor zwei von der für das gesamte Substratvolumen
ermittelten globalen Kohlenstoffeinschlussdichte ab, wobei das Teilvolumen
durch eine beliebige, insbesondere quadratische, 1 cm2 große Teilfläche
der Substrathauptoberfläche und senkrecht dazu durch die
Substratdicke definiert ist. Die Kohlenstoffeinschlüsse,
von denen erfindungsgemäß in dem SiC-Substrat
ohnehin nur noch äußerst wenige vorhanden sind,
sind außerdem weitestgehend gleichmäßig
verteilt. Insbesondere gibt es keine Bereiche mit einer lokalen
Häufung dieser Kohlenstoffeinschlüsse. Dadurch
sinkt der Ausschuss. Das SiC-Substrat kann dann sehr effizient zur
Herstellung von Halbleiterbauelementen weiter verwendet werden.
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Gemäß einer
weiteren besonderen Ausgestaltung hat die Substrathauptoberfläche
einen Substratdurchmesser von mindestens 50 mm, insbesondere von
mindestens 100 mm, und vorzugsweise von mindestens 200 mm. Je größer
die Substrathauptoberfläche ist, umso effizienter kann
das SiC-Substrat für Herstellung von Halbleiterbauelementen
weiter verwendet werden. Dadurch sinken die Herstellungskosten für
die Halbleiterbauelemente. Die erfindungsgemäße
niedrige Kohlenstoffeinschlussdichte lässt sich also insbesondere
auch bei vergleichsweise großen SiC-Substraten erreichen.
So große SiC-Substrate mit einer so niedrigen Kohlenstoffeinschlussdichte
konnten bislang nicht hergestellt werden. Aufgrund der Karbidisierung
und der daraus resultierenden hohen mechanischen Spannungen eignen
sich andere Tiegelmaterialien als das erfindungsgemäß vorgesehene
(feinkörnige und sehr dichte) Graphit, wie z. B. Tantal
und/oder Niob, nicht zur Herstellung großer SiC-Substrate.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung
zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls mit einem Züchtungstiegel
aus feinkörnigem Graphit,
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2 eine
Aufnahme von zerklüfteten Kohlenstoffeinschlüssen
in einem SiC-Kristall,
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3 eine
Aufnahme von kleinen kugelförmigen ausscheidungsbedingten
Kohlenstoffeinschlüssen in einem SiC-Kristall, und
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4 ein
zweites Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung
zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls mit einem innen teilweise
aus feinkörnigem Graphit bestehenden Züchtungstiegel.
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Einander
entsprechende Teile sind in 1 bis 4 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung 1 zur
Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls 2 dargestellt.
Sie enthält einen Züchtungstiegel 3,
der einen SiC-Vorratsbereich 4 sowie einen Kristallwachstumsbereich 5 umfasst. In
dem SiC-Vorratsbereich 4 befindet sich beispielsweise pulverförmiges
SiC-Quellmaterial 6, das als vorgefertigtes Ausgangsmaterial
vor Beginn des Züchtungsprozesses in den SiC-Vorratsbereich 4 des
Züchtungstiegels 3 eingefüllt wird.
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An
einer dem SiC-Vorratsbereich 4 gegenüberliegenden
Innenwand des Züchtungstiegels 3 ist im Kristallwachstumsbereich 5 ein
nicht näher dargestellter Keimkristall angebracht. Auf
diesem Keimkristall wachst der zu züchtende SiC-Volumeneinkristall 2 mittels
Abscheidung aus einer im Kristallwachstumsbereich 5 sich
ausbildenden SiC-Wachstumsgasphase 7 auf.
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Die
SiC-Wachstumsgasphase 7 entsteht durch Sublimation des
SiC-Quellmaterials 6 und Transport der sublimierten, gasförmigen
Teile des SiC-Quellmaterials 6 in Richtung einer Wachstumsfläche
des SiC-Volumeneinkristalls 2. Die SiC-Wachstumsgasphase 7 enthält
zumindest Gasbestandteile in Form von Si, Si2C
und SiC2. Der Transport vom SiC-Quellmaterial 6 zur
Wachstumsfläche erfolgt längs eines Temperaturgradienten.
Die Temperatur innerhalb des Züchtungstiegels 3 nimmt zu
dem aufwachsenden SiC-Volumeneinkristall 2 hin ab. Der
SiC-Volumeneinkristall 2 wachst in einer Wachstumsrichtung 8,
die im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
von oben nach unten, also von der oberen Wand des Züchtungstiegels 3 zu
dem unten angeordneten SiC-Vorratsbereich 4, orientiert
ist.
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Um
den Züchtungstiegel 3 ist eine thermische Isolationsschicht 9,
beispielsweise aus porösem Graphit, angeordnet. Der thermisch
isolierte Züchtungstiegel 3 ist innerhalb eines
rohrförmigen Behälters 10 platziert,
der beim Ausführungsbeispiel als Quarzglasrohr ausgeführt
ist und einen Autoklaven bildet. Zur Beheizung des Züchtungstiegels 3 ist um
den Behälter 10 ist eine Heizspule 11 angeordnet. Die
relative Position zwischen der Heizspule 11 und dem Züchtungstiegel 3 kann
in Wachstumsrichtung 8 verändert werden, insbesondere
um die Temperatur bzw. den Temperatur verlauf innerhalb des Züchtungstiegels 3 einzustellen
und bei Bedarf auch zu verändern. Der Züchtungstiegel 3 wird
mittels der Heizspule 11 auf Temperaturen von mehr als
2000°C erhitzt.
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Der
Züchtungstiegel 3 besteht bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 vollständig aus einem besonderen
Tiegelmaterial, nämlich aus feinkörnigem Graphit.
Dessen Kornstruktur setzt sich aus Körnern zusammen, von
denen mindestens 90% einen Korndurchmesser bzw. eine Korngröße
von höchstens 10 μm haben. Außerdem hat
das als Tiegelmaterial verwendete feinkörnige Graphit eine
Dichte von etwa 1,85 g/cm3 und eine offene
Porosität von etwa 10%.
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Die
SiC-Wachstumsgasphase 7 kommt mit einer Innenwand 12 des
Züchtungstiegels 3 in Kontakt. Aufgrund einer
Reaktion der SiC-Wachstumsgasphase 7 mit dem Tiegelmaterial
können Kohlenstoffpartikel aus der Innenwand 12 heraus
gelöst und anschließend durch konvektive bzw.
advektive Gasströme zur Wachstumsfläche des aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls 2 transportiert
werden. Dort werden die aus der Innenwand 12 des Züchtungstiegels 3 heraus
gelösten Kohlenstoffpartikel als Kohlenstoffeinschlüsse 13 in
den aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls 2 eingebaut.
Diese Kohlenstoffeinschlüsse 13 stellen unerwünschte
Defekte im Kristallgitter dar.
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In 2 ist
eine mikroskopische Aufnahme eines Ausschnitts aus einem nicht erfindungsgemäß hergestellten
SiC-Kristall gezeigt, der beispielhaft solche Kohlenstoffeinschlüsse 13 aufweist.
Sie sind vergleichsweise groß und haben einen Einschlussdurchmesser
D1, der größer als 500 nm ist und insbesondere
im Bereich von etwa 20 μm liegt. Außerdem ist
ihre Oberflä che typischerweise zerklüftet. Damit
ist ein Oberfläche/Volumen-Verhältnis, also das
mittels Division der Oberfläche des Kohlenstoffeinschlusses 13 durch
das Volumen des Kohlenstoffeinschlusses 13 gebildete Verhältnis,
ebenfalls relativ groß, jedenfalls größer
als bei einem unzerklüfteten kugelähnlichen Kohlenstoffeinschluss 18,
wie er sich z. B. durch Ausscheidung bilden kann (siehe 3). Die
durch aus der Innenwand 12 heraus gelöste Kohlenstoffpartikel
hervorgerufenen Kohlenstoffeinschlüsse 13 sind
größer und haben ein größeres Oberfläche/Volumen-Verhältnis
als ausscheidungsbedingte im Wesentlichen kugelförmige
Kohlenstoffeinschlüsse. Das Oberfläche/Volumen-Verhältnis der
Kohlenstoffeinschlüsse 13 ist insbesondere größer
als 20·D1–1, also das
Zwanzigfache des Kehrwerts des Einschlussdurchmessers D1. Hierbei
ist der Einschlussdurchmesser D1 allgemein zu verstehen. Bei den
von der Kugelform deutlich abweichenden zerklüfteten Kohlenstoffeinschlüssen 13 gibt
er jeweils die größte geometrische Abmessung des
betreffenden Kohlenstoffeinschlusses 13 an.
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Der
SiC-Volumeneinkristall 2 hat neben den in nur sehr geringer
Anzahl vorhandenen zerklüfteten Kohlenstoffeinschlüssen 13 aber
noch eine andere Art von ebenfalls kohlenstoffhaltigen Einschlüssen
in seiner Gitterstruktur. Diese zweite in 3 dargestellte
Art von Kohlenstoffeinschlüssen 18 unterscheidet
sich von den zerklüfteten Kohlenstoffeinschlüssen 13 gemäß 2 in
der Art und Weise ihrer Entstehung sowie in ihrer Anzahl, Gestalt
und Dimension. Bei den Kohlenstoffeinschlüssen 18 handelt sich
um Ausscheidungen.
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Solche
Ausscheidungen entstehen während des Züchtungsprozesses
aufgrund der dabei vorgesehenen Prozessparameter. Durch die Einstellung niedriger
Temperaturgradienten und niedriger Wachstumsgeschwindigkei ten befindet
sich das System des aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls 2 und
der SiC-Wachstumsgasphase 7 nahe am thermodynamischen Gleichgewicht.
Kleine Fluktuationen der Temperatur an der Wachstumsoberfläche
des SiC-Volumeneinkristalls 2 können zum unstöchiometrischen
Abdampfen vor allem von Si-Atomen an der Wachstumsoberfläche
und als Folge davon im verbleibenden SiC-C-System zur Bildung von
Kohlenstoffanhäufungen (= Cluster) führen. Diese
Kohlenstoffanhäufungen sind gerade die die Kohlenstoffeinschlüsse 18 bildenden
Ausscheidungen. Sie sind relativ klein, d. h. insbesondere deutlich
kleiner als die Kohlenstoffeinschlüsse 13, die
durch die aus der Innenwand 12 heraus gelösten
Kohlenstoffpartikel hervorgerufen werden. Ein Anteil von etwa 90%
dieser Kohlenstoffeinschlüsse 18 ist kleiner als
5 μm. Sie haben außerdem eine nahezu kugelförmige
Gestalt und eine glatte Oberfläche. Ihr Oberfläche/Volumen-Verhältnis
ist demnach deutlich kleiner als das der zerklüfteten Kohlenstoffeinschlüsse 13.
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Wird
während des Züchtungsprozesses eine ausreichend
stabile Regelungstechnik zur Einstellung der Prozessparameter verwendet,
kann die Dichte der mit typischen Lichtmikroskopieanordnungen nachweisbaren,
d. h. einen Ausscheidungsdurchmesser D2 von größer
als 500 nm aufweisenden, Kohlenstoffeinschlüsse 18 auf
Werte von unter 1 cm–3 reduziert
werden. Da sich aber kleine Fluktuationen in realen Züchtungsanordnungen
nicht vollständig vermeiden lassen, liegt die Dichte von
kugelförmigen Kohlenstoffeinschlüssen 18 (=
Kohlenstoffausscheidungen), die einen besonders kleinen Ausscheidungsdurchmesser
D2 von weniger als 500 nm haben, immer noch oberhalb von 103 cm–3.
Wegen der geringen geometrischen Ausdehnung spielen diese stets
vorhandenen kleinen Kohlenstoffeinschlüsse 18 aber
keine entscheidende Rolle. Insbesondere beeinträchtigen
sie in keiner Weise die Eignung eines aus dem SiC-Volumeneinkristall 2 hergestellten
Substrats zur Herstellung von Halbleiterbauelementen.
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Die
unterschiedliche Größe und Gestalt der Kohlenstoffeinschlüsse 13 und
der Kohlenstoffeinschlüsse 18 geht deutlich aus
den Aufnahmen gemäß 2 und 3 hervor,
wobei die unterschiedlichen Maßstäbe zu beachten
sind. Der in 2 mit eingetragene Maßstab
entspricht einer Länge von 100 μm, wohingegen
der in 3 mit eingetragene Maßstab nur 20 μm
lang ist.
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Im
Folgenden wird in erster Linie auf die Kohlenstoffeinschlüsse 13 eingegangen,
die durch die aus der Innenwand 12 heraus gelösten
Kohlenstoffpartikel entstehen. Diese wirken sich besonders ungünstig
auf die Eigenschaften des SiC-Volumeneinkristalls 2 aus.
Das für den Züchtungstiegel 3 verwendete
feinkörnige Tiegelmaterial ist insofern besonders günstig,
als aus der Innenwand 12 des Züchtungstiegels 3 heraus
gelöste Kohlenstoffpartikel zu klein sind, um die ungünstigen
großen zerklüfteten Kohlenstoffeinschlüsse 13 überhaupt
oder zumindest in nennenswertem Umfang hervorrufen zu können.
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Graphit,
das als Tiegelmaterial zum Einsatz kommt, wird in der Regel durch
Verpressen von Kohlenstoffgranulaten und anschließende
thermische Nachbehandlung hergestellt. Auf diese Weise erhält man
die bislang verwendeten Graphitblöcke mit einer Kornstruktur,
bei der die Körner einen Korndurchmesser von bis zu 100 μm
haben. Es wurde nun erkannt, dass das Herauslösen von Kohlenstoffpartikeln
aus der Innenwand 12 des Züchtungstiegels 3 überwiegend
an den Korngrenzen des Tiegelmaterials erfolgt. Die Größe
der heraus gelösten Kohlenstoffpartikel hängt
also hauptsächlich von der Korngröße
bzw. dem Korndurchmesser des Tiegelmaterials ab.
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Außerdem
wurde erkannt, dass auch die Dichte des Tiegelmaterials eine Rolle
spielt. Bei Verwendung von feinkörnigem Graphit mit einer
relativ hohen Dichte von mindestens 1,75 g/cm3 und
mit einer relativ niedrigen offenen Porosität von höchstens 15%
sinkt die Angriffsfläche für die SiC-Wachstumsgasphase 7 und
es werden weniger Kohlenstoffpartikel aus dem Tiegelmaterial heraus
gelöst.
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Weiterhin
wurde erkannt, dass sehr kleine heraus gelöste Kohlenstoffpartikel
während des Transports zur Wachstumsfläche des
aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls 2 oder während
ihrer noch nicht eingebauten Verweildauer an der Wachstumsfläche
vollständig aufgelöst werden, wohingegen es bei
großen heraus gelösten Kohlenstoffpartikeln nicht
zu dieser günstigen vollständigen Auflösung
kommt. Sie werden vielmehr zur Wachstumsfläche transponiert
und dort als die unerwünschten großen zerklüfteten
Kohlenstoffeinschlüsse 13 in den aufwachsenden
SiC-Volumeneinkristall 2 integriert.
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Aufgrund
des als Tiegelmaterial verwendeten feinkörnigen Graphits,
dessen Körner zu mindestens 90% einen Korndurchmesser von
höchstens 10 μm haben, wird erreicht, dass der
gezüchtete SiC-Volumeneinkristall 2 eine Kohlenstoffeinschlussdichte von
höchstens 1 cm–3 aufweist,
wobei mit der Kohlenstoffeinschlussdichte die Dichte der genannten
großen und zerklüfteten Kohlenstoffeinschlüsse 13 gemeint
ist. Verwendet man bei einem nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel
als Tiegelmaterial ein anderes feinkörniges Graphit, dessen
Körner zu mindestens 90% einen Korndurchmesser von höchstens
50 μm haben, erreicht man bei dem so gezüchteten
SiC-Volumeneinkristall 2 eine immer noch günstige
Kohlenstoffeinschlussdichte von höchstens 10 cm–3. Die Verwendung eines Tiegelmaterials
aus Graphit mit einem mittleren oder maximalen Korndurchmesser von
höchstens 50 μm bzw. von höchstens 10 μm
führt also zu einem besonders defektarmen SiC-Volumeneinkristall 2,
der eine extrem niedrige Kohlenstoffeinschlussdichte aufweist.
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Darüber
hinaus sind die wenigen verbleibenden Kohlenstoffeinschlüsse 13 weitgehend
homogen innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls 2 angeordnet. Es
gibt innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls 2 insbesondere
keine Teilvolumina mit besonders hoher Kohlenstoffeinschlussdichte,
wodurch sich diese Teilvolumina nicht für eine Weiterverarbeitung
zu SiC-Substraten und zu daraus gefertigten SiC-Halbleiterbauelementen
eignen würden. Aufgrund der weitgehend homogenen Verteilung
der wenigen verbleibenden Kohlenstoffeinschlüsse 13 innerhalb
des SiC-Volumeneinkristalls 2 hat letzterer in axialer Richtung,
d. h. in der Wachstumsrichtung 8 betrachtet, an jeder Stelle
im Wesentlichen die gleichen günstigen (kristallographischen)
Eigenschaften, die maßgeblich durch die niedrige Kohlenstoffeinschlussdichte
bestimmt sind. Alle einkristallinen SiC-Substrate, die aus diesem
SiC-Volumeneinkristall 2 gewonnen werden, indem sie axial
sukzessive als Scheiben senkrecht zur Wachstumsrichtung 8 abgeschnitten
bzw. abgesägt werden, haben dann jeweils praktisch die
gleichen Eigenschaften.
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Weiterhin
ist auch innerhalb der so hergestellten SiC-Substrate eine homogene
Verteilung der Kohlenstoffeinschlüsse 13 gegeben.
Eine für ein beliebiges Teilvolumen des SiC-Substrats ermittelte
lokale Kohlenstoffeinschlussdichte weicht insbesondere höchstens
um den Faktor zwei von der für das gesamte Substratvolumen
des SiC-Substrats ermittelten globalen Kohlenstoffeinschlussdichte
ab. Dabei ist das Teilvolumen durch eine beliebige, insbesondere
quadratische, 1 cm2 große Teilfläche
einer Substrathauptoberfläche und senkrecht dazu durch
eine Substratdicke definiert ist. Die für das SiC-Substrat ermittelte
globale Kohlenstoffeinschlussdichte liegt dabei insbesondere auch
bei den vorstehend für den SiC-Volumeneinkristall 2 genannten
Werten, also je nach Korngröße des verwendeten
Tiegelmaterials bei höchstens 10 cm–3 oder
bei höchstens 1 cm–3.
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In 4 ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung 14 dargestellt.
Sie enthält im Unterschied zu der Züchtungsanordnung 1 gemäß 1 einen
etwas anders aufgebauten Züchtungstiegel 15. Letzterer
ist nur im Kristallwachstumsbereich 5 und dort an seiner
seitlichen Innenwand 16 mit einem Einsatz 17 aus
dem besonders feinkörnigen Graphit versehen. Diese Ausgestaltung ist
kostengünstiger als der komplett aus diesem speziellen
Graphit bestehende Züchtungstiegel 3 gemäß 1.
Trotzdem wird auch mit dem Züchtungstiegel 15 die
gleiche vorteilhafte Wirkung hinsichtlich der Reduzierung der Kohlenstoffeinschlüsse 13 im
aufwachsenden SiC-Volumeneinkristall 2 erreicht. An den
Stellen, an denen die SiC-Wachstumsgasphase 7 mit der Innenwand 12 des
Züchtungstiegels 15 in Kontakt kommt, ist der
Einsatz 17 aus dem feinkörnigen Graphit vorgesehen.
Somit wird wiederum ein maßgebliches Herauslösen
großer Kohlenstoffpartikel aus der Innenwand 16 praktisch
unterbunden, so dass sich in dem aufwachsenden SiC-Volumeneinkristall 2,
wenn überhaupt, nur sehr wenige der relativ großen
und zerklüfteten Kohlenstoffeinschlüsse 13 bilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 10291899
A [0009]
- - EP 1026290 A1 [0009]
- - US 2002/0083891 A1 [0010]