DE102009016132B4

DE102009016132B4 - Verfahren zur Herstellung eines langen Volumeneinkristalls aus SiC oder AlN und langer Volumeneinkristall aus SiC oder AlN

Info

Publication number: DE102009016132B4
Application number: DE200910016132
Authority: DE
Inventors: Dr. Straubinger Thomas; Martin Kölbl
Original assignee: Sicrystal AG
Current assignee: Sicrystal GmbH
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2029-04-04
Also published as: DE102009016132A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Volumeneinkristalls (2) aus SiC oder AlN, wobei a) in einem Kristallwachstumsbereich (5) eines Züchtungstiegels (3; 23) ein Keimkristall (8; 18) mit einer Anfangswachstumsfläche und einer zentralen Mittenlängsachse (14) angeordnet wird, wobei ein Keimdurchmesser des Keimkristalls (8; 18) höchstens um 10% kleiner als ein Einkristalldurchmesser des herzustellenden Volumeneinkristalls (2) ist, b) in dem Kristallwachstumsbereich (5) eine Wachstumsgasphase (9) erzeugt wird und der Volumeneinkristall (2) mittels Abscheidung aus der Wachstumsgasphase (9) aufwachst, c) die Wachstumsgasphase (9) zumindest teilweise aus einem pulverförmigen Quellmaterial (6) aus SiC oder AlN, das sich in einem Vorratsbereich (4) des Züchtungstiegels (3; 23) befindet, gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass d) vor dem Züchtungsbeginn ein quasi gasdichter Volumenzwischenblock (7; 19; 26) aus SiC oder AlN in den Züchtungstiegel (3; 23) eingesetzt wird, e) Quellmaterialanteile des Quellmaterials (6) mittels des zwischen dem Vorratsbereich (4) und dem Kristallwachstumsbereich (5) angeordneten und...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Volumeneinkristalls aus SiC oder AlN und nach diesem Verfahren hergestellte Kristalle.
Die Halbleitermaterialien Siliziumcarbid (= SiC) und Aluminiumnitrid (= AlN) werden aufgrund ihrer herausragenden physikalischen, chemischen, elektrischen und optischen Eigenschaften unter anderem auch als Ausgangsmaterial für leistungselektronische Halbleiterbauelemente, für Hochfrequenzbauelemente und für spezielle Licht gebende Halbleiterbauelemente eingesetzt. Als Basis sind SiC- bzw. AlN-Volumeneinkristalle in reiner und defektfreier Qualität erforderlich.
Solche SiC- bzw. AlN-Volumeneinkristalle werden in der Regel mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, insbesondere mittels eines Sublimationsverfahrens, hergestellt. Als Quellmaterial kann dabei grundsätzlich entweder polykristallines Volumenmaterial oder Pulver jeweils aus SiC oder AlN zum Einsatz kommen. Bei der kommerziellen Herstellung solcher Volumeneinkristalle wird derzeit üblicherweise pulverförmiges Quellmaterial verwendet, da dann der separate und durchaus aufwändige vorbereitende Prozessschritt zur Herstellung eines polykristallinen Volumenmaterials entfällt. Beispielsweise in der US 6,773,505 B2 und in der DE 199 31 332 C2 sind Sublimationsverfahren zur Züchtung eines SiC-Volumeneinkristalls beschrieben.
Bei einem solchen Sublimationszüchtungsverfahren ist die erzielbare Länge des aufwachsenden Volumeneinkristalls begrenzt. Das pulverförmige Quellmaterial sublimiert während der Züchtung nicht von der dem aufwachsenden Volumeneinkristall zugewandten Oberfläche des Pulvervorrats, sondern aus dem Inneren, insbesondere zunächst vom untersten Bereich des Pulvervorrats. Während der Züchtung bleibt die Lage der ursprünglichen Oberfläche des Pulvervorrats im Wesentlichen unverändert, sodass der anfängliche Abstand zwischen dem Pulvervorrat und dem Keimkristall die maximal zu erzielende Länge des aufwachsenden Volumeneinkristalls vorgibt. Dieser Abstand kann aber nicht beliebig vergrößert werden, da ansonsten eine zu niedrige Anfangswachstumsrate, ein nicht ausreichender Materialtransport zur Wachstumsgrenzfläche, eine nicht ideale Zusammensetzung der Wachstumsgasphase, eine nicht optimale Kristallisationskinetik an der Wachstumsgrenzfläche und/oder ein zu großer Anteil der Tiegelinnenwand an der Gesamtoberfläche des Kristallwachstumsbereichs resultieren könnte.
Außerdem lässt sich bei den bekannten Sublimationszüchtungsanordnungen die Wachstumsrate nicht beliebig anheben, da zur Steigerung des Materialtransports zur Wachstumsgrenzfläche der Temperaturgradient zwischen dem Vorratsbereich und der Wachstumsgrenzfläche angehoben werden müsste. Dies ist aber nur in engen Grenzen möglich, die in den aufwachsenden Volumeneinkristall eingebaut werden.
Weiterhin kann es bei den bekannten Sublimationszüchtungsanordnungen zu unerwünschten Fremdphaseneinschlüssen innerhalb des aufwachsenden Volumeneinkristalls kommen. Ursachen hierfür sind aus dem Quellmaterial und/oder aus der Tiegelinnenwand herausgelöste und zur Wachstumsgrenzfläche transportierte nicht stöchiometrische Materialanteile.
In der nicht vorveröffentlichten europäischen Patentanmeldung EP 2 075 356 A1 wird eine Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung eines Volumeneinkristalls aus einem Gruppe III-Nitrid, insbesondere aus AlN, beschrieben. Zwischen einem Quellmaterial und dem aufwachsenden Volumeneinkristall ist ein Hitzeabschirmbereich mit zwei gasdurchlässigen Hitzebarrieren vorgesehen, die aus einem hochschmelzenden Metall, wie zum Beispiel Tantal oder Wolfram, bestehen. Bei einer Ausgestaltung werden während des Züchtungsprozesses Quellmaterialanteile des Quellmaterials zunächst an einer dieser Hitzebarrieren abgeschieden und bilden dort einen Volumenzwischenblock aus dem betreffenden Gruppe III-Nitrid-Material. Aus diesem Volumenzwischenblock wird das eigentliche Wachstum des Volumeneinkristalls gespeist.
Aus der DE 699 16 093 T2 , der WO 2009/075 935 A1 , der US 5 683 507 A , der US 5 985 024 A und der DE 697 05 545 T2 sind Volumeneinkristalle aus SiC oder AlN bekannt, die einen relativ großen Querschnittdurchmesser und eine relativ große Kristalllänge aufweisen. So wird beispielsweise in der DE 699 16 093 T2 ein AlN-Volumeneinkristall mit einem Querschnittsdurchmesser von etwa 50 mm und einer Kristalllänge von bis zu 48 mm beschrieben.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines SiC- oder AlN-Volumeneinkristalls anzugeben. Ferner besteht die Aufgabe darin, entsprechende Volumeneinkristalle zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein solches zur Herstellung eines Volumeneinkristalls aus SiC oder AlN, wobei in einem Kristallwachstumsbereich eines Züchtungstiegels ein Keimkristall mit einer Anfangswachstumsfläche und einer zentralen Mittenlängsachse angeordnet wird. Ein Keimdurchmesser des Keimkristalls ist höchstens um 10% kleiner als ein Einkristalldurchmesser des herzustellenden Volumeneinkristalls. In dem Kristallwachstumsbereich wird eine Wachstumsgasphase erzeugt. Der Volumeneinkristall wächst mittels Abscheidung aus der Wachstumsgasphase auf. Die Wachstumsgasphase wird zumindest teilweise aus einem pulverförmigen Quellmaterial aus SiC oder AlN, das sich in einem Vorratsbereich des Züchtungstiegels befindet, gespeist. Vor dem Züchtungsbeginn wird ein quasi gasdichter Volumenzwischenblock aus SiC oder AlN in den Züchtungstiegel eingesetzt. Quellmateralanteile des Quellmaterials werden mittels eines zwischen dem Vorratsbereich und dem Kristallwachstumsbereich angeordneten und als Gasbarriere wirkenden Volumenzwischenblocks aus SiC oder AlN zum Kristallwachstumsbereich transferiert. Die Quellmaterialanteile werden an einer dem Vorratsbereich zugewandten Unterseite des Volumenzwischenblocks abgeschieden und später an einer dem Kristallwachstumsbereich zugewandten Oberseite des Volumenzwischenblocks wieder sublimiert.
Mittels dieses Verfahrens lassen sich insbesondere sehr lange Volumeneinkristalle herstellen. Dies liegt vor allem an dem erfindungsgemäß vorgesehenen Volumenzwischenblock, der den Vorratsbereich, in dem das pulverförmige Quellmaterial untergebracht ist, von dem eigentlichen Kristallwachstumsbereich trennt. Dabei kann der Kristallwachstumsbereich deutlich kleiner sein als der davon abgetrennte übrige Innenraum des Züchtungstiegels inklusive des darin aufgenommenen Vorratsbereichs. Obwohl die Wachstumsgasphase innerhalb des Kristallwachstumsbereichs indirekt über das pulverförmige Quellmaterial im Vorratsbereich gespeist wird, ist die unmittelbare Quelle der Wachstumsgasphase der Volumenzwischenblock. An der dem Vorratsbereich zugewandten Unterseite des Volumenzwischenblocks werden Quellmaterialanteile, die aus dem pulverförmigen Quellmaterial sublimiert sind und in Richtung des Keimkristalls transportiert worden sind, abgeschieden. An der dem Keimkristall zugewandten Oberseite des Volumenzwischenblocks erfolgt dagegen eine Sublimation von Materialanteilen aus dem Volumenzwischenblock, die dann die eigentliche Wachstumsgasphase bilden. Dieser an Unter- und Oberseite des Volumenzwischenblocks gleichzeitig stattfindende Vorgang kann auch als Umsublimation bezeichnet werden.
Aufgrund der vorzugsweise geringen Größe des Kristallwachstumsbereichs, der sich im Übrigen insbesondere mit der Wachstumsgrenzfläche in Richtung des Vorratsbereichs bewegt, ist der durch die Tiegelinnenwand gebildete Anteil an der Begrenzungsfläche des Kristallwachstumsbereichs relativ klein. Dieser Anteil beträgt insbesondere höchstens 30%. Dadurch kommt es auch nur in deutlich reduziertem Umfang zu einer Wechselwirkung zwischen der Wachstumsgasphase und der Tiegelinnenwand, sodass die Stöchiometrie der Wachstumsgasphase insbesondere an der Wachstumsgrenzfläche praktisch ideal ist. Außerdem führt die räumliche Trennung des Kristallwachstumsbereichs von dem Vorratsbereich zu einer reduzierten Anzahl an Fremdphaseneinschlüssen innerhalb des aufwachsenden Volumeneinkristalls. Aus dem Quellmaterial stammende nicht stöchiometrische Materialpartikel können nicht in den Kristallwachstumsbereich gelangen. Abgesehen von der nur einen verhältnismäßig kleinen Anteil ausmachenden Tiegelinnenwand bestehen sämtliche den Kristallwachstumsbereich begrenzenden Flächen aus dem Material des aufwachsenden Volumeneinkristalls. Letzterer wird somit äußerst defektarm gezüchtet. Aufgrund des sich mit der Wachstumsgrenzfläche dynamisch mitbewegenden Kristallwachstumsbereichs kann außerdem auch eine deutlich größere Länge erzielt werden als bei konventionell hergestellten Volumeneinkristallen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird für den Volumenzwischenblock eine in einer parallel zur Mittenlängsachse orientierten Wachstumsrichtung des aufwachsenden Volumeneinkristalls gemessene Dicke von höchstens 10 mm vorgesehen. Der Züchtungsprozess wird so geführt bzw. kontrolliert, dass diese Dicke während der gesamten Züchtungsdauer den Wert von 10 mm nicht überschreitet. Dies erleichtert die Einstellung und Kontrolle des Temperaturgradienten innerhalb des Züchtungstiegels in axialer Richtung, d. h. in Wachstumsrichtung. Solange die Dicke des Volumenzwischenblocks den genannten Wert nicht überschreitet, wird dieser Temperaturgradient durch den zusätzlich eingebrachten Volumenzwischenblock nicht maßgeblich beeinflusst. Der Züchtungstiegel wird dann mit einer einheitlichen Heizeinrichtung betrieben.
Gemäß einer alternativen besonderen Ausgestaltung wird für den Zwischenblock dagegen eine Dicke von zwischen 10 mm und 50 mm vorgesehen. Dadurch erreicht man eine stärkere (thermische) Entkopplung des Kristallwachstumsbereichs von dem unterhalb des Volumenzwischenblocks liegenden Teil des Tiegelinnenraums. Dabei werden der Kristallwachstumsbereich und der Vorratsbereich unabhängig voneinander beheizt. Vorzugsweise besteht die Heizeinrichtung also aus zwei getrennt steuerbaren Teilheizungen. Die thermische Kontrolle des Tiegelinnenraums kann dadurch weiter verfeinert werden.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird für den Volumenzwischenblock eine polykristalline Materialstruktur vorgesehen. Polykristallin lässt sich der Volumenzwischenblock vergleichsweise einfach herstellen. Dies gilt sowohl für die Anfangsherstellung vor dem eigentlichen Züchtungsprozess als auch für die Dauer des Züchtungsprozesses, während dessen der Volumenzwischenblock aufgrund der beschriebenen Umsublimation immer wieder neu gebildet und abgetragen wird. Um sicherzustellen, dass sich der Volumenzwischenblock während des Züchtungsprozesses nicht auflöst, sollte an dessen dem Vorratsbereich zugewandter Unterseite mindestens soviel Material angelagert werden, wie an der der Wachstumsgrenze zugewandten Oberseite in den Kristallwachstumsbereich abgegeben wird. Um das unterseitige Wachstum des Volumenzwischenkristalls einzustellen, kann ein vergleichsweise hoher axialer Temperaturgradient vorgesehen werden, insbesondere wenn das Wachstum polykristallin erfolgen darf. Dann darf an der Unterseite des Volumenzwischenblocks eine vergleichsweise hohe Übersättigung in der sich dort ausbildenden Wachstumsgasphase eingestellt werden. Grundsätzlich kann der Volumenzwischenblock aber auch eine andere morphologisch gestörte, d. h. eine von einem perfekten Einkristall abweichende, Materialstruktur aufweisen. Prinzipiell ist es natürlich auch möglich, eine einkristalline Materialstruktur auch für den Volumenzwischenblock vorzusehen.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird der Volumenzwischenblock während des Züchtungsvorgangs in etwa konstantem Abstand zu einer Wachstumsgrenzfläche des aufwachsenden Volumeneinkristalls gehalten. Dieser etwa konstante Abstand liegt insbesondere zwischen ungefähr 3 mm und ungefähr 20 mm, vorzugsweise bei etwa 10 mm. Dadurch werden die Züchtungsbedingungen innerhalb des insbesondere vergleichsweise kleinen Kristallwachstumsbereichs während der ganzen Züchtungsdauer praktisch konstant gehalten. Der Volumenzwischenblock wandert während des Züchtungsvorgangs mit zunehmender Länge des aufwachsenden Volumeneinkristalls in Richtung des Quellmaterials, sodass die Wachstumsbedingungen am aufwachsenden Keimkristall im Wesentlichen konstant bleiben.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird der Volumenzwischenblock gegenüber einem Abrutschen in Richtung des Quellmaterials gesichert. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass sich der Tiegelinnenraum zumindest unterhalb der Anfangsposition des Volumenzwischenblocks in Richtung des Quellmaterials verjüngt. Dies dient der Prozesssicherheit.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird ein Volumenzwischenblock mit einer an eine Wachstumsgrenzfläche des aufwachsenden Volumeneinkristalls angepassten Oberfläche bzw. Form verwendet. Diese kann insbesondere eben oder auch gekrümmt ausgebildet sein. Dementsprechend kann auch der Volumenzwischenblock als ebene oder gekrümmte Scheibe ausgebildet sein. Auch diese Maßnahme dient der Konstanthaltung der Wachstumsbedingungen innerhalb des Kristallwachstumsbereichs.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird die Anfangswachstumsfläche des Keimkristalls an eine sich zu Beginn des Wachstums des Volumeneinkristalls einstellende Flächenverteilung einer Triebkraft für das Wachstum des Volumeneinkristalls angepasst. Die Anfangswachstumsfläche fällt vorzugsweise ausgehend von einem zentralen um die Mittenlängsachse angeordneten Bereich zu einem Randbereich hin in der Wachstumsrichtung betrachtet ab. Sie ist insbesondere gekrümmt ausgebildet. Vorzugsweise kann der Keimkristall mit einer radialsymmetrisch oder rotationssymmetrisch ausgestalteten Anfangswachstumsfläche ausgestaltet sein. Mögliche Ausführungsformen sind beispielsweise eine konvexe, kegelförmige, kegelstumpfförmige oder auf die Mittenlängsachse pyramidenförmig zulaufende Anfangswachstumsfläche. Dadurch stellen sich sofort nach dem Züchtungsbeginn bereits an der Anfangswachstumsfläche die für ein möglichst ideales Kristallwachstum benötigten Züchtungsbedingungen ein.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird eine Wachstumsrate, mit der der Volumeneinkristall aufwachst, auf mindestens 1 mm/h (h = hour = Stunde), insbesondere auf mindestens 2 mm/Stunde eingestellt. Der erfindungsgemäße Volumenzwischenblock ermöglicht diese relativ hohe Wachstumsrate, da er die eigentliche Quelle zur Speisung der Wachstumsgasphase innerhalb des Kristallwachstumsbereichs darstellt und dabei in (konstant) nahem Abstand zu der Wachstumsgrenzfläche angeordnet ist. Insbesondere aufgrund des geringen Abstands lassen sich die genannten hohen Wachstumsraten erzielen. Außerdem wird auf diese Weise auch die Züchtung eines sehr langen Volumeneinkristalls ermöglicht.
Mittels des erfindungsgemäßen Sublimationsverfahrens lässt sich ein Volumeneinkristall aus SiC oder AlN herstellen, der eine zentrale Mittenlängsachse, eine senkrecht zur Mittenlängsachse orientierte Querschnittsfläche, eine in Richtung der Mittenlängsachse, d. h. in axialer Richtung, gemessene Kristalllänge sowie einen Querschnittsdurchmesser der Querschnittsfläche umfasst, wobei ein Verhältnis der Kristalllänge zu dem Querschnittsdurchmesser mindestens 1:2,5 beträgt und die Kristalllänge mindestens 30 mm beträgt.
Dieser Volumeneinkristall hat also eine außergewöhnlich große Kristalllänge. Darüber hinaus kann der Volumeneinkristall bei größeren Querschnittsdurchmessern auch mit einer größeren Kristalllänge vorliegen. So sind unabhängig von dem jeweiligen Querschnittsdurchmesser Kristalllängen von deutlich über 30 mm möglich. Insbesondere bei einem Querschnittsdurchmesser von mehr als 100 mm sind auch Kristalllängen von über 40 mm möglich.
Der wirtschaftliche Nutzen des Volumeneinkristalls steigt mit der Kristalllänge, da dann aus diesem Volumeneinkristall mehr Substrate z. B. für eine Verwendung bei der Fertigung von Halbleiterbauelementen gewonnen werden können. Insofern ist der Volumeneinkristall aufgrund seiner außergewöhnlich großen Kristalllänge besonders vorteilhaft. So günstige Volumeneinkristalle aus SiC oder AlN mit einer so großen Kristalllänge lassen sich besonders gut mittels des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens züchten.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung beträgt die Kristalllänge des Volumeneinkristalls mindestens 40 mm, insbesondere sogar mindestens 50 mm. Je größer die Kristalllänge ist, umso mehr Substrate können aus ihm gewonnen werden. Die Weiterverwendbarkeit beispielsweise bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen steigt mit zunehmender Kristalllänge.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung beträgt der Querschnittsdurchmesser mindestens 50 mm, insbesondere mindestens 75 mm, insbesondere mindestens 100 mm und vorzugsweise mindestens 200 mm. Je größer die Querschnittsfläche ist, umso effizienter können der Volumeneinkristalls und daraus gewonnene einkristalline Substrate beispielsweise für die Herstellung von Halbleiterbauelementen weiterverwendet werden. Dadurch sinken die Herstellungskosten für die Halbleiterbauelemente.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung hat der Volumeneinkristall eine Fremdphaseneinschlussdichte von höchstens 100 cm^–3. Bei den Fremdphaseneinschlüssen handelt es sich insbesondere um Kohlenstoffeinschlüsse, die sich beispielsweise aufgrund von aus der Tiegelinnenwand herausgelösten Materialpartikeln bilden können. Der Züchtungstiegel besteht üblicherweise aus Graphit. Der bei der Herstellung des Volumeneinkristalls vorgesehene Kristallwachstumsbereich wird nur zu einem vergleichweise geringen Anteil durch diese Tiegelinnenwand begrenzt, sodass sich im aufwachsenden Volumeneinkristall nur sehr wenige dieser Fremdphaseneinschlüsse, insbesondere Kohlenstoffeinschlüsse, ausbilden. Daraus ergibt sich die genannte niedrige Fremdphaseneinschlussdichte. Fremdphasen stellen eine Störung des idealen Kristallgitters dar. Sie können zu einer Beeinträchtigung der Weiterverwendbarkeit des von dem Fremdphaseneinschluss betroffenen Kristallbereichs führen. Aufgrund der niedrigen Fremdphaseneinschlussdichte haben auf Basis des Volumeneinkristalls hergestellte Halbleiterbauelemente eine sehr niedrige Ausschussrate.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 und 2 ein Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls mit ebener Wachstumsgrenzfläche mittels eines quasi gasdichten SiC-Volumenzwischenblocks zu Beginn bzw. nach Ablauf der Züchtung,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls mit gekrümmter Wachstumsgrenzfläche mittels eines quasi gasdichten gekrümmten SiC-Volumenzwischenblocks,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls mittels eines gegen Abrutschen gesicherten SiC-Volumenzwischenblocks,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls mit einem seitlich vergrößerten Vorratsbereich, und
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls mittels eines dicken SiC-Volumenzwischenblocks.
Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 6 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung 1 zur Herstellung eines Volumeneinkristalls, bei dem es sich beispielhaft um einen SiC-Volumeneinkristall 2 handelt, dargestellt. Anstelle des SiC-Volumeneinkristalls 2 kann alternativ auch ein anderer Volumeneinkristall, z. B. ein AlN-Volumeneinkristall, hergestellt werden. Die nachfolgend erläuterte Sublimationszüchtung des SiC-Volumeneinkristalls 2 ist also nur beispielhaft zu verstehen. Die Grundprinzipien lassen sich ebenso auf einen AlN-Volumeneinkristall und dessen Herstellung übertragen.
Die Züchtungsanordnung 1 gemäß 1 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. Zischen dem SiC-Vorratsbereich 4 und dem Kristallwachstumsbereich 5 ist ein scheibenförmiger ebener SiC-Volumenzwischenblock 7 angeordnet, der den SiC-Vorratsbereich 4 und den Kristallwachstumsbereich 5 voneinander trennt.
An einer dem SiC-Vorratsbereich 4 gegenüberliegenden Innenwand des Züchtungstiegels 3 ist im Kristallwachstumsbereich 5 ein defektfreier oder zumindest äußerst defektarmer Keimkristall 8 aus SiC angebracht (siehe 1). Auf diesem Keimkristall 8 wächst der zu züchtende SiC-Volumeneinkristall 2 mittels Abscheidung aus einer im Kristallwachstumsbereich 5 sich ausbildenden SiC-Wachstumsgasphase 9 auf (siehe 2). Der aufwachsende SiC-Volumeneinkristall 2 und der Keimkristall 8 haben in etwa den gleichen Durchmesser. Wenn überhaupt, ergibt sich eine Abweichung von höchstens 10%, um die der Durchmesser des Keimkristalls 8 kleiner als der Durchmesser des SiC-Volumeneinkristalls 2 ist.
Der Züchtungstiegel 3 besteht bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 aus einem elektrisch und thermisch leitfähigen Graphit-Tiegelmaterial mit einer Dichte von mindestens 1,75 g/cm³. Um ihn herum ist eine thermische Isolationsschicht 10 angeordnet. Letztere besteht z. B. aus einem schaumartigen Graphit-Isolationsmaterial, dessen Porosität deutlich höher ist als die des Graphit-Tiegelmaterials.
Der thermisch isolierte Züchtungstiegel 3 ist innerhalb eines rohrförmigen Behälters 11 platziert, der beim Ausführungsbeispiel als Quarzglasrohr ausgeführt ist und einen Autoklaven oder Reaktor bildet. Zur Beheizung des Züchtungstiegels 3 ist um den Behälter 11 ist eine induktive Heizeinrichtung in Form einer Heizspule 12 angeordnet. Die Heizspule 12 koppelt einen elektrischen Strom induktiv in eine elektrisch leitfähige Tiegelwand 13 des Züchtungstiegels 3 ein. Dieser elektrische Strom fließt im Wesentlichen als Kreisstrom in Umfangsrichtung innerhalb der hohlzylindrischen Tiegelwand 13 und heizt dabei den Züchtungstiegel 3 auf. Die relative Position zwischen der Heizspule 12 und dem Züchtungstiegel 3 kann axial, d. h. in die Richtung einer Mittenlängsachse 14 des aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls 2, verändert werden, insbesondere um die Temperatur bzw. den Temperaturverlauf innerhalb des Züchtungstiegels 3 einzustellen und bei Bedarf auch zu verändern. Der Züchtungstiegel 3 wird mittels der Heizspule 12 auf Temperaturen von mehr als 2000°C erhitzt.
Im Folgenden werden die Funktionsweise sowie besondere Eigenschaften und Vorteile der Züchtungsanordnung 1 näher erläutert.
Die SiC-Wachstumsgasphase 9 im Kristallwachstumsbereich 5 wird indirekt durch das SiC-Quellmaterial 6 gespeist. Die SiC-Wachstumsgasphase 9 enthält zumindest Gasbestandteile in Form von Si, Si₂C und SiC₂ (= SiC-Gasspezies). Der Transport vom SiC-Quellmaterial 6 zur Wachstumsgrenzfläche erfolgt längs eines Temperaturgradienten. Die Temperatur innerhalb des Züchtungstiegels 3 nimmt zu dem aufwachsenden SiC-Volumeneinkristall 2 hin ab. Der SiC-Volumeneinkristall 2 wächst in einer Wachstumsrichtung 15, die im in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel von oben nach unten, also von der oberen Wand des Züchtungstiegels 3 zu dem unten angeordneten SiC-Vorratsbereich 4, orientiert ist. Die Wachstumsrichtung 15 verläuft parallel zu der zentralen Mittenlängsachse 14. Da der aufwachsende SiC-Volumeneinkristall 2 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel konzentrisch innerhalb der Züchtungsanordnung 1 angeordnet sind, kann die zentrale Mittenlängsachse 14 auch der Züchtungsanordnung 1 insgesamt zugeordnet werden.
Der senkrecht zur Mittenlängsachse 14 angeordnete und den Tiegelinnenraum des Züchtungstiegels 3 vollständig überspannende SiC-Volumenzwischenblock 7 wirkt als Gasbarriere. Er ist so dicht, dass SiC-Gasphasenspezies nicht durch ihn hindurch gelangen können. Seine Dichte liegt bei mehr als 90% der theoretischen Dichte (= 3,2 g/cm³) von einkristallinem SiC. Der SiC-Volumenzwischenblock 7 ist also quasi gasdicht, wobei ein Druckausgleich zwischen den beiden Bereichen 4 und 5 aber trotzdem noch möglich ist. Ein direkter Gastransfer vom SiC-Vorratsbereich 4 in den Kristallwachstumsbereich 5 wird folglich durch den SiC-Volumenzwischenblock 7 praktisch vollständig unterbunden.
Vielmehr erfolgt der Materialtransport vom SiC-Vorratsbereich 4 in den Kristallwachstumsbereich 5 indirekt mittels einer Umsublimation, indem an einer dem SiC-Vorratsbereich 4 zugewandten Unterseite des SiC-Volumenzwischenblocks 7 eine Abscheidung und an einer dem Kristallwachstumsbereich 5 zugewandten Oberseite des SiC-Volumenzwischenblocks 7 eine Sublimation stattfindet. Die an der Oberseite des SiC-Volumenzwischenblocks 7 absublimierten SiC-Gasphasenspezies bilden die SiC-Wachstumsgasphase 9 innerhalb des Kristallwachstumsbereichs 5, aus der der SiC-Volumeneinkristall 2 aufwachst.
Der auf dem Keimkristall 8 aufwachsende SiC-Volumeneinkristall 2 (siehe 2) hat eine sehr große in Richtung der Mittenlängsachse 14 gemessene Kristalllänge, deren Verhältnis zu einem Querschnittsdurchmesser einer senkrecht zur Mittenlängsachse 14 orientierten Querschnittsfläche des SiC-Volumeneinkristalls 2 mindestens 1:2,5 beträgt. Die Kristalllänge liegt. insbesondere deutlich über 30 mm. Sie kann auch Werte von über 50 mm annehmen.
Die große Kristalllänge wird insbesondere durch den verglichen mit herkömmlichen Züchtungsanordnungen relativ kleinen Kristallwachstumsbereich 5 bedingt, innerhalb dessen während des ganzen Züchtungsprozesses weitgehend einheitliche Wachstumsbedingungen herrschen. Der SiC-Volumenzwischenblock 7 wandert nämlich im Laufe der Züchtung ausgehend von seiner Anfangsposition in Richtung des SiC-Quellmaterials 6. Der SiC-Volumenzwischenblock 7 wird als vorgefertigte Scheibe, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 als ebene Scheibe ausgeführt ist, vor Züchtungsbeginn in eine hierfür an der Tiegelinnenwand vorgesehene Aufnahmenut 16 eingesetzt (siehe 1). Im Zuge des andauernd an der Oberseite des SiC-Volumenzwischenblocks 7 stattfindenden Materialabtrags und der an der Unterseite stattfindenden Materialanlagerung bewegt sich der SiC-Volumenzwischenblock 7 axial nach unten, d. h. in Richtung des SiC-Quellmaterials 6. Dadurch bleibt der Kristallwachstumsbereich 5 vor der Wachstumsgrenzfläche des aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls 2 stets in etwa gleich groß. Der SiC-Volumenzwischenblock 7 bewegt sich in etwa synchron mit dem axialen Voranschreiten der Wachstumsgrenzfläche des aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls 2.
Aufgrund der vor allem in axialer Richtung geringen Abmessung ist der Kristallwachstumsbereich 5 nur zu einem geringen Anteil von dem graphithaltigen Material der Tiegelinnenwand begrenzt. Den weitaus größeren Anteil der Begrenzungsfläche bilden SiC-haltige Komponenten, nämlich der SiC-haltige Volumenzwischenblock 7 und der aufwachsende SiC-Volumeneinkristall 2 selbst. Dies wirkt sich günstig auf die SiC-Wachstumsgasphase 9 innerhalb des Kristallwachstumsbereichs 5 aus. Die Verhältnisse im Kristallwachstumsbereich 5 sind aufgrund des vorgesehenen SiC-Volumenzwischenblocks 7 stets im Wesentlichen stöchiometrisch, sodass der SiC-Volumeneinkristall 2 unter praktisch idealen Bedingungen und damit weitgehend defektfrei aufwachsen kann.
Der axiale Abstand zwischen der Wachstumsgrenzfläche des aufwachsenden Volumeneinkristalls 2 und dem SiC-Volumenzwischenblock 7 beträgt typischerweise etwa 10 mm. Er kann aber auch im Bereich zwischen 3 mm und 20 mm liegen. Dieser axiale Abstand bleibt während des ganzen Züchtungsvorgangs im Wesentlichen konstant. Außerdem beträgt die in Richtung der Mittenlängsachse 14 gemessene Dicke des SiC-Volumenzwischenblocks 7 während des ganzen Züchtungsvorgangs bei dem in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel höchstens 10 mm. Diese geringe Dicke beeinflusst einen zwischen dem SiC-Quellmaterial 6 und dem aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls 2 eingestellten Temperaturgradienten praktisch nicht, sodass die Züchtungsanordnung 1 mittels einer einzigen Heizeinrichtung, nämlich der Heizspule 12, beheizt werden kann.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung 17 zur Herstellung des SiC-Volumeneinkristalls 2 dargestellt. Der Unterschied zur Züchtungsanordnung 1 besteht in einem anders ausgestalteten Keimkristall 18 und einem anders ausgestalteten SiC-Volumenzwischenblock 19. Eine Anfangswachstumsfläche des Keimkristalls 18 ist in Wachstumsrichtung 15 gesehen konvex gekrümmt ausgebildet. Ebenso ist der SiC-Volumenzwischenblock 19 als gekrümmte Scheibe ausbildet. Die Krümmung der Anfangswachstumsfläche des Keimkristalls 18 und diejenige des SiC-Volumenzwischenblocks 19 sind jeweils an die im Kristallwachstumsbereich 5 der Züchtungsanordnung 17 herrschenden Züchtungsverhältnisse angepasst. Während die Züchtungsbedingungen in der Züchtungsanordnung 1 so eingestellt sind, dass sich eine ebene Wachstumsphasengrenze bildet, liegen bei der Züchtungsanordnung 17 andere Züchtungsbedingungen vor, wodurch sich eine gekrümmte Wachstumsgrenzfläche ausbildet.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung 20 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der Züchtungsanordnung 1 durch eine oberhalb des SiC-Vorratsbereichs 4 konisch ausgebildete Tiegelinnenwand 21, so dass sich der Tiegelinnenraum oberhalb des SiC-Vorratsbereichs 4 in der Wachstumsrichtung 15 gesehen verjüngt. Der Querschnittsdurchmesser dieses sich verjüngenden Teils des Tiegelinnenraums nimmt in der Wachstumsrichtung 15 ab.
Die konisch zulaufende Tiegelinnenwand 21 verhindert ein Abrutschen des SiC-Volumenzwischenblocks 7 während des Züchtungsverlaufs. Der SiC-Züchtungsblock 7 ist zwar zu Beginn der Züchtung in der Aufnahmenut 16 gesichert. Aufgrund der Bewegung in Richtung des SiC-Quellmaterials 6 verlässt der SiC-Volumenzwischenblock 7 diese Aufnahmenut 16 und wird danach nur durch eine Kontaktkraft, die sich zwischen seinem Umfangsrand und der Tiegelinnenwand 21 ausbildet, gehalten. Die Haltewirkung wird durch das konische Zulaufen der Tiegelinnenwand 21 verstärkt, sodass ein Abstürzen, ein Abrutschen oder auch nur eine unkontrollierte Abwärtsbewegung des SiC-Volumenzwischenblocks 7 verhindert wird. Die konische Tiegelinnenwand 21 fixiert den SiC-Volumenzwischenblock 7 also in seiner axialen Position.
Bei dem in 5 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung 22 ist ein anders ausgestalteter Züchtungstiegel 23 vorgesehen. Er umfasst einen verglichen mit den Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 4 radial vergrößerten SiC-Vorratsbereich 24. Dadurch kann eine größere Menge an SiC-Quellmaterial 6 aufgenommen werden, sodass der SiC-Volumeneinkristall 2 mit einer größeren axialen Kristalllänge gezüchtet werden kann.
Bei dem in 6 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung 25 ist ein SiC-Volumenzwischenblock 26 vorgesehen, der eine größere Dicke als die SiC-Volumenzwischenblöcke 7 und 19 der vorhergehenden Ausführungsbeispiele aufweist. Die axiale Ausdehnung dieses SiC-Volumenzwischenblocks 26 erstreckt sich in Richtung der Mittenlängsachse 14 über typischerweise etwa 30 mm. Dadurch wird eine deutlichere thermische Entkopplung zwischen dem Kristallwachstumsbereich 5 und dem Teil des Tiegelinnenraums, der auch den SiC-Vorratsbereich 4 umfasst, bewirkt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auch eine zweigeteilte Heizeinrichtung 27 mit einer unteren Teilheizspule 28 und einer oben Teilheizspule 29 vorgesehen, die beide getrennt angesteuert werden können. Damit kann die Temperatur innerhalb des Kristallwachstumsbereichs 5 unabhängig vom übrigen Tiegel 3 eingestellt und beeinflusst werden, sodass sich die Züchtungsbedingungen an dieser Stelle sehr genau vorgeben lassen.
Mittels der Züchtungsanordnungen 1, 17, 20, 22 und 25 lassen sich jeweils sehr lange SiC-Volumeneinkristalle 2 herstellen. Jedenfalls ist deren Kristalllänge deutlich größer als die mittels konventioneller Züchtungsanordnungen hergestellter Volumeneinkristalle. Darüber hinaus können die SiC-Volumeneinkristalle 2 auch eine vergleichsweise große Querschnittsabmessung haben. Ihr Querschnittsdurchmesser kann bei mehr als 50 mm, insbesondere mehr als 100 mm und ggf. auch mehr als 200 mm liegen. Weiterhin zeichnen sich die so gezüchteten SiC-Volumeneinkristalle 2 aufgrund der nahezu idealen Wachstumsbedingungen im Kristallwachstumsbereich 5 durch eine äußerst niedrige Defektdichte und insbesondere durch eine sehr niedrige Fremdphaseneinschlussdichte von unter 100 cm^–3 aus.
Bezugszeichenliste

1: Züchtungsanordnung
2: SiC-Volumeneinkristall
3: Züchtungstiegel
4: SiC-Vorratsbereich
5: Kristallwachstumsbereich
6: SiC-Quellmaterial
7: SiC-Volumenzwischenblock
8: Keimkristall
9: Wachstumsgasphase
10: thermische Isolationsschicht
11: rohrförmiger Behälter
12: Heizspule
13: Tiegelwand
14: Mittenlängsachse
15: Wachstumsrichtung
16: Aufnahmenut
17: Züchtungsanordnung
18: Keimkristall
19: SiC-Volumenzwischenblock
20: Züchtungsanordnung
21: konische Tiegelinnenwand
22: Züchtungsanordnung
23: Züchtungstiegel
24: SiC-Vorratsbereich
25: Züchtungsanordnung
26: SiC-Volumenzwischenblock
27: Heizeinrichtung
28: untere Teilheizspule
29: obere Teilheizspule

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Volumeneinkristalls (2) aus SiC oder AlN, wobei a) in einem Kristallwachstumsbereich (5) eines Züchtungstiegels (3; 23) ein Keimkristall (8; 18) mit einer Anfangswachstumsfläche und einer zentralen Mittenlängsachse (14) angeordnet wird, wobei ein Keimdurchmesser des Keimkristalls (8; 18) höchstens um 10% kleiner als ein Einkristalldurchmesser des herzustellenden Volumeneinkristalls (2) ist, b) in dem Kristallwachstumsbereich (5) eine Wachstumsgasphase (9) erzeugt wird und der Volumeneinkristall (2) mittels Abscheidung aus der Wachstumsgasphase (9) aufwachst, c) die Wachstumsgasphase (9) zumindest teilweise aus einem pulverförmigen Quellmaterial (6) aus SiC oder AlN, das sich in einem Vorratsbereich (4) des Züchtungstiegels (3; 23) befindet, gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass d) vor dem Züchtungsbeginn ein quasi gasdichter Volumenzwischenblock (7; 19; 26) aus SiC oder AlN in den Züchtungstiegel (3; 23) eingesetzt wird, e) Quellmaterialanteile des Quellmaterials (6) mittels des zwischen dem Vorratsbereich (4) und dem Kristallwachstumsbereich (5) angeordneten und als Gasbarriere wirkenden Volumenzwischenblocks (7; 19; 26) aus SiC oder AlN zum Kristallwachstumsbereich (5) transferiert werden, f) wobei die Quellmaterialanteile an einer dem Vorratsbereich (4) zugewandten Unterseite des Volumenzwischenblocks (7; 19; 26) abgeschieden und später an einer dem Kristallwachstumsbereich (5) zugewandten Oberseite des Volumenzwischenblocks (7; 19; 26) wieder sublimiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Volumenzwischenblock (7; 19) eine in einer parallel zur Mittenlängsachse (14) orientierten Wachstumsrichtung (15) des aufwachsenden Volumeneinkristalls (2) gemessene Dicke von höchstens 10 mm vorgesehen wird, und dass der Züchtungstiegel (3; 23) mit einer einheitlichen Heizeinrichtung (12) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Volumenzwischenblock (26) eine in einer parallel zur Mittenlängsachse (14) orientierten Wachstumsrichtung (15) des aufwachsenden Volumeneinkristalls (2) gemessene Dicke von zwischen 10 mm und 50 mm vorgesehen wird, und dass der Kristallwachstumsbereich (5) und der Vorratsbereich (4) unabhängig voneinander beheizt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Volumenzwischenblock (7; 19; 26) eine polykristalline Materialstruktur vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenzwischenblock (7; 19; 26) während des Züchtungsvorgangs in etwa in konstantem Abstand zu einer Wachstumsgrenzfläche des aufwachsenden Volumeneinkristalls (2) gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenzwischenblock (7; 19; 26) gegenüber einem Abrutschen in Richtung des Quellmaterials (6) gesichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumenzwischenblock (19) mit einer an eine Wachstumsgrenzfläche des aufwachsenden Volumeneinkristalls (2) angepassten Oberfläche verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangswachstumsfläche des Keimkristalls (18) an eine sich zu Beginn des Wachstums des Volumeneinkristalls (2) einstellende Flächenverteilung einer Triebkraft für das Wachstum des Volumeneinkristalls (2) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den aufwachsenden Volumeneinkristall (2) eine Wachstumsrate von mindestens 1 mm/h, insbesondere von mindestens 2 mm/h, eingestellt wird.