DE102009048868B4

DE102009048868B4 - Herstellungsverfahren für einen SiC-Volumeneinkristall mittels einer thermischen Behandlung und niederohmiges einkristallines SiC-Substrat

Info

Publication number: DE102009048868B4
Application number: DE102009048868A
Authority: DE
Inventors: Dr. Straubinger Thomas; Dr. Vogel Michael; Dr. Wohlfart Andreas
Original assignee: Sicrystal AG
Current assignee: Sicrystal GmbH
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2013-01-03
Anticipated expiration: 2029-10-10
Also published as: US20110086213A1; DE102009048868A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls (2), wobei a) der SiC-Volumeneinkristall (2) bei einer Züchtungstemperatur von bis zu 2200°C mittels eines Sublimationszüchtungsverfahrens hergestellt wird, b) der SiC-Volumeneinkristall (2) nach der Sublimationszüchtung thermisch nachbehandelt wird, wobei er auf eine Nachbehandlungstemperatur, die höher ist als die Züchtungstemperatur, gebracht wird, und c) der SiC-Volumeneinkristall (2) vor der thermischen Nachbehandlung innerhalb eines SiC-Pulvers (19) platziert wird, und während der thermischen Nachbehandlung vollständig von dem SiC-Pulver (19) umgeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls sowie ein einkristallines SiC-Substrat.
Das Halbleitermaterial Siliziumcarbid (SiC) wird aufgrund seiner herausragenden physikalischen, chemischen, elektrischen und optischen Eigenschaften unter anderem auch als Ausgangsmaterial für leistungselektronische Halbleiterbauelemente, für Hochfrequenzbauelemente und für spezielle lichtgebende Halbleiterbauelemente eingesetzt. Für diese Bauelemente werden SiC-Substrate (= SiC-Wafer) mit möglichst großem Substratdurchmesser, mit möglichst hoher Qualität und auch möglichst niedrigem elektrischen Widerstand benötigt. Basis hierfür sind hochwertige SiC-Volumeneinkristalle.
Solche SiC-Volumeneinkristalle werden in der Regel mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, insbesondere mittels eines z. B. in der US 6,773,505 B2 und in der DE 199 31 332 C2 beschriebenen Sublimationsverfahrens, hergestellt. Aus diesen SiC-Volumeneinkristallen werden die scheibenförmigen einkristallinen SiC-Substrate herausgeschnitten, die dann im Rahmen der Bauelementefertigung mit mindestens einer insbesondere auch aus SiC bestehenden Epitaxieschicht versehen werden. In der Regel werden Defekte aus dem SiC-Substrat in die aufgebrachte Epitaxieschicht vererbt und führen damit zu einer Verschlechterung der Bauelementeeigenschaften. Die Qualität der Bauelemente hängt also wesentlich von der des gezüchteten SiC-Volumeneinkristalls und der daraus gewonnenen SiC-Substrate ab.
Um ein SiC-Substrat mit niedrigem elektrischen Widerstand herzustellen, wird während der Gasphasenabscheidung zur Herstellung des SiC-Volumeneinkristalls der SiC-Wachstumsgasphase ein Dotierstoffgas, beispielsweise Stickstoff (N₂), zugesetzt. Mit steigendem Stickstoffgehalt in der SiC-Wachstumsgasphase erniedrigt sich der elektrische Widerstand des aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls. Dem sind aber Grenzen gesetzt. Nach Abschluss der Sublimationszüchtung entstehen aufgrund des im aufgewachsenen SiC-Volumeneinkristall zwangsläufig vorhandenen axialen Temperaturgradienten mechanische Spannungen, die während der Abkühlphase nur teilweise über Versetzungsbildungen und/oder Versetzungsbewegungen ausgeglichen werden. Mit steigendem Stickstoffanteil werden diese ausgleichenden Versetzungsbewegungen immer stärker behindert, so dass die Neigung zur Rissbildung bei der nachfolgenden Weiterbearbeitung des SiC-Volumeneinkristalls bzw. der daraus hergestellten SiC-Substrate mit dem Stickstoffgehalt steigt. Um diese unerwünschte Rissbildung zu vermeiden, haben derzeitige SiC-Substrate einen Stickstoffgehalt, der zu einem spezifischen elektrischen Widerstand von etwa mindestens 24 mΩcm führt.
In der WO 2006/041 660 A2 , JP 2004 131 328 A , JP 2008 103 650 A , JP 2006 290 705 A und WO 2009/003 100 A1 werden jeweils Verfahren zur thermischen Nachbehandlung eines sublimationsgezüchteten SiC-Volumeneinkristalls bzw. von Substratscheiben, die von einem derartigen SiC-Volumeneinkristall heruntergesägt worden sind, beschrieben. Die Temperaturen dieser thermischen Nachbehandlungen liegen jeweils um etwa 2.000°C oder darüber. Damit sind diese Nachbehandlungstemperaturen zumindest teilweise auch höher als die während der Sublimationszüchtung herrschende Züchtungstemperatur.
In dem Fachartikel von H.-J. Rost et al. „Influence of nitrogen doping an the properties of 4H-SiC single crystals grown by physical vapor transport”, Journal of Crystal Growth 257, 2003, Seiten 75 bis 83 wird eine Untersuchung an 4H-SiC-Einkristallen beschrieben, die eine starke Stickstoffdotierung aufweisen. Als nachteilig wird die bei derartigen Konzentrationen vergrößerte Welligkeit des SiC-Substrats und auch eine verhältnismäßig starke Anisotropie des spezifischen elektrischen Widerstands angegeben.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls sowie ein verbessertes einkristallines SiC-Substrat anzugeben.
Zur Lösung der das Verfahren betreffenden Aufgabe wird ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein solches zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls, bei dem der SiC-Volumeneinkristall bei einer Züchtungstemperatur von bis zu 2200°C mittels eines Sublimations züchtungsverfahrens hergestellt wird, und der SiC-Volumeneinkristall nach der Sublimationszüchtung thermisch nachbehandelt wird, wobei er auf eine Nachbehandlungstemperatur, die höher ist als die Züchtungstemperatur, gebracht wird. Der SiC-Volumeneinkristall wird vor der thermischen Nachbehandlung innerhalb eines SiC-Pulvers platziert. Er ist während der thermischen Nachbehandlung vollständig von dem SiC-Pulver umgeben.
Es wurde erkannt, dass sich die Qualität des gezüchteten SiC-Volumeneinkristalls erheblich verbessern lässt, wenn der SiC-Volumeneinkristall nach Abschluss der Sublimationszüchtung und insbesondere vor einer Weiterbearbeitung einer thermischen Nachbehandlung in einem insbesondere weitgehend isothermen Temperaturfeld unterzogen wird, wobei die dabei vorgesehene Nachbehandlungstemperatur bevorzugt auf einen Wert von mehr als 2200°C eingestellt wird. Oberhalb dieser Züchtungstemperatur werden ggf. im SiC-Volumeneinkristall vorhandene mechanische Spannungen besonders gut durch thermisch aktivierte Versetzungsbewegungen abgebaut. Ein weiterer Effekt der thermischen Nachbehandlung ist die Verringerung der Versetzungsdichte, die sich ebenfalls durch die thermisch aktivierten Versetzungsbewegungen und/oder eine gegenseitige Auslöschung von (komplementären) Versetzungen ergibt. Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen thermischen Nachbehandlung oberhalb der Züchtungstemperatur werden also sowohl die mechanischen Spannungen als auch die globale Versetzungsdichte innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls reduziert. Versetzungen im Kristallgitter sind bei der SiC-Sublimationszüchtung auftretende Defekte, die ebenfalls unerwünscht sind. Dank der thermischen Nachbehandlung erhält man also eine erheblich besser Kristallqualität. Außerdem ist es möglich, den SiC-Volumeneinkristall mit einem Stickstoffanteil zu dotieren, der insbesondere höher liegt als bei den bisher bekannten SiC-Volumeneinkristallen. Die Stickstoffdotierung im so hergestellten SiC-Volumeneinkristall liegt insbesondere bei mindestens 1·10¹⁹ cm^–3 und vorzugsweise so hoch, dass der SiC-Volumeneinkristall einen spezifischen elektrischen Widerstand von insbesondere höchstens 20 mΩcm hat. Die sich ggf. aufgrund dessen einstellenden mechanischen Spannungen werden während der thermischen Nachbehandlung wieder vollständig eliminiert oder zumindest erheblich reduziert, so dass eine Weiterbearbeitung ohne nennenswerte Gefahr von Rissbildung ohne weiteres möglich ist.
Bei hohen Temperaturen, insbesondere bei solchen über der Züchtungstemperatur, besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass an der Oberfläche des thermisch nachbehandelten SiC-Volumeneinkristalls Si- und C-Atome abdampfen oder absublimieren. Dies kann insbesondere unstöchiometrisch erfolgen. Silizium verlässt das Kristallgitter leichter und schneller als Kohlenstoff. Dadurch kann sich die Oberflächenqualität des SiC-Volumeneinkristalls verschlechtern. Um ein solches unstöchiometrisches Abdampfen oder Absublimieren von der Oberfläche zu verhindern, wird der SiC-Volumeneinkristall während der thermischen Nachbehandlung in SiC-Pulver eingebettet. Dann erfolgt das (unstöchiometrische) Abdampfen oder Absublimieren primär aus dem SiC-Pulver. Insbesondere wird so auch ein Silizium-Gegendruck erzeugt, der einem unstöchiometrischen Abdampfen oder Absublimieren von der Oberfläche des eingebetteten SiC-Volumeneinkristalls entgegenwirkt. Somit kann der SiC-Volumeneinkristall länger zum Abbau mechanischer Spannungen thermisch nachbehandelt werden.
Insgesamt lassen sich mit dem erfidungsgemäßen Züchtungsverfahren also mechanisch sehr spannungs- und defektarme sowie elektrisch sehr niederohmige SiC-Volumeneinkristalle herstellen. Insbesondere können die so hergestellten SiC-Volumeneinkristalle mit einem deutlich niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand dimensioniert werden als konventionell hergestellte SiC-Volumeneinkristalle. Erfindungsgemäß hergestellte SiC-Volumeneinkristalle zeichnen sich durch eine höhere Qualität aus und lassen sich flexibler weiterverwenden, insbesondere zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird ein globaler Temperaturunterschied innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls während der thermischen Nachbehandlung auf höchstens 10 K, insbesondere auf höchstens 5 K, eingestellt. Innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls beträgt der Temperaturunterschied dann also maximal 10 K, bzw. 5 K, wobei die Bereiche mit den beiden Temperaturextremwerten an beliebiger Stelle innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls liegen können. Während der thermischen Nachbehandlung liegt im SiC-Volumeneinkristall also ein vorzugsweise weitgehend isothermes oder homogenes Temperaturfeld mit Temperaturschwankungen von insbesondere höchstens 5‰, vorzugsweise höchstens 2,5‰, vor. Unter diesen weitgehend isothermen Bedingungen gleichen sich die mechanischen Spannungen innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls besonders gut aus.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wachst der SiC-Volumeneinkristall in Richtung einer Mittenlängsachse auf. Hierbei handelt es sich also um die Wachstumsrichtung des SiC-Volumeneinkristalls, die auch dessen axiale Richtung ist. Während der thermischen Nachbehandlung wird ein in Richtung der Mittenlängsachse gemessener axialer Temperaturunterschied innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls auf höchstens 2 K, insbesondere auf höchstens 1 K, eingestellt. Während der Sublimationszüchtung ist wegen des Materialtransports von der SiC-Quelle zu dem aufwachsenden SiC-Volumeneinkristall in axialer Richtung ein vergleichsweise hoher Temperaturgradient vorgesehen, so dass es in dieser Richtung vermehrt zur Bildung von mechanischen Spannungen kommen kann. Insofern ist es vorteilhaft, während der thermischen Nachbehandlung in axialer Richtung besonders niedrige Temperaturunterschiede von insbesondere höchstens 1‰, vorzugsweise höchstens 0,5‰, vorzusehen, um einen Ausgleich der mechanischen Spannungen in dieser Richtung besonders zu begünstigen, und um Spannungsneubildungen gerade in dieser Richtung möglichst zu unterbinden.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird eine Abkühlrate am Ende der thermischen Nachbehandlung auf höchstens 5 K/min, insbesondere auf höchstens 1 K/min, eingestellt. Auch das Abkühlen erfolgt insbesondere unter weitgehend isothermen Verhältnissen, also mit einem lokal weitgehend homogenen Temperaturfeld. Mittels der sehr geringen Abkühlrate wird verhindert, dass sich nach Abschluss der thermischen Nachbehandlung während der Abkühlphase erneut mechanische Spannungen bilden.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird für die thermische Nachbehandlung eine Nachbehandlungsdauer von mindestens 24 Stunden und von insbesondere höchstens 72 Stunden vorgesehen. Je länger die thermische Nachbehandlung dauert, umso besser gleichen sich die mechanischen Spannungen aus. Nach 24 Stunden ist bereits ein großer Teil dieses Ausgleichs abgeschlossen. Eine Nachbehandlungsdauer von 48 Stunden ist besonders effizient. Sie stellt einen guten Kompromiss zwischen dem Ausgleich möglichst vieler mechanischer Spannungen und einem möglichst geringen Zeitaufwand dar. Außerdem steigt bei einer zu langen Nachbehandlungsdauer die Gefahr, dass es zu einem unerwünschten Abdampfen oder Absublimieren von Si- und C-Atomen von der Oberfläche des SiC-Volumeneinkristalls kommt.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird ein solches SiC-Pulver verwendet, das sich zumindest vor der thermischen Nachbehandlung aus SiC-Körnern zusammensetzt, von denen 50 Gew.-% (= Gewichtsprozent) eine Korngröße mit einem maximalen Korndurchmesser von höchstens 500 μm, insbesondere von höchstens 100 μm, haben. Dann haben alle SiC-Körner zusammen genommen eine vorteilhaft große Gesamtoberfläche, wodurch das (unstöchiometrische) Abdampfen oder Absublimieren aus dem SiC-Pulver und damit der Aufbau des erwünschten Silizium-Gegendrucks begünstigt werden.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird ein solches SiC-Pulver verwendet, das zumindest vor der thermischen Nachbehandlung ein molares Verhältnis eines Kohlenstoff (C)-Anteils zu einem Silizium (Si)-Anteil im Bereich zwischen 0,9 und 1,1, vorzugsweise von 1, hat. Das SiC-Pulver hat dann eine elementare Zusammensetzung die dem stöchiometrischen Verhältnis der Elemente im SiC-Volumeneinkristall gleicht oder dem zumindest sehr nahe kommt. So wird gewährleistet, dass der SiC-Volumeneinkristall aufgrund seiner Einbettung in das SiC-Pulver während der thermischen Nachbehandlung nicht beeinträchtigt wird, zumindest nicht maßgeblich. Außerdem bewirkt das SiC-Pulver dann insbesondere genau den Silizium-Gegendruck, der ein unstöchiometrisches Abdampfen oder Absublimieren von der Oberfläche des eingebetteten SiC-Volumeneinkristalls sehr gut verhindert.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird der SiC-Volumeneinkristall für die thermische Nachbehandlung in einem vollständig von einem thermischen Isolationsmaterial umgebenen Tiegel untergebracht. Dadurch wird erreicht, dass sich der SiC-Volumeneinkristall während der thermischen Nachbehandlung in einem weitgehend isothermen bzw. homogenen Temperaturfeld befindet. Lokale Temperaturschwankungen – auch sehr kleine – werden durch die thermische Isolation sehr gut unterbunden. Optional kann die thermische Isolation zumindest eine kleine Aussparung zur Messung der Temperatur im Inneren aufweisen.
Zur Lösung der das einkristalline SiC-Substrat betreffenden Aufgabe wird ein SiC-Substrat entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 9 angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen einkristallinen SiC-Substrat handelt es sich um ein solches mit einer Substrathauptoberfläche und mit einer Substratdicke, wobei ein für eine beliebige 4 mm² große insbesondere quadratische Teilfläche der Substrathauptoberfläche und bezogen auf die Substratdicke ermittelter spezifischer elektrischer Widerstand kleiner als 20 mΩcm ist.
Insbesondere kann der niedrige spezifische Widerstandswert auch in Bezug auf die Substrathauptoberfläche insgesamt gelten. Das erfindungsgemäße SiC-Substrat hat also einen besonders niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand und eignet sich hervorragend für Anwendungen, bei denen ein niederohmiges Substratverhalten gefordert wird. Bislang kamen für solche Anwendungen u. a. aufgrund des zu hohen Widerstands SiC-Substrate oft nicht in Frage. Das erfindungsgemäße Substrat kann folglich mit besonderem Vorteil eingesetzt werden, beispielsweise als Substrat zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen. Einkristalline SiC-Substrate mit einem so niedrigen elektrischen Widerstand gab es bislang nicht. Sie lassen sich erst aus SiC-Volumeneinkristallen erzeugen, die gemäß dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dessen Ausgestaltungen hergestellt worden sind.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung beträgt der spezifische Widerstand höchstens 15 mΩcm. Das einkristalline SiC-Substrat weist dann also einen noch niedrigeren elektrischen Widerstand auf. Dadurch wird die Qualität und Weiterverwendbarkeit des SiC-Substrats zusätzlich verbessert.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung hat die Substrathauptoberfläche einen Durchmesser von mindestens 100 mm, und vorzugsweise von mindestens 150 mm. Je größer der Substratdurchmesser ist, umso effizienter kann das einkristalline SiC-Substrat beispielsweise für die Herstellung von Halbleiterbauelementen weiterverwendet werden. Dadurch sinken die Herstellungskosten für die Halbleiterbauelemente. Ein SiC-Substrat mit einem so großen Durchmesser kann mit Vorteil auch zur Herstellung von relativ großen Halbleiterbauelementen, die z. B. eine Grundfläche von etwa 1 cm² haben, verwendet werden. Da die Gefahr von mechanischen Spannungen und Rissbildungen mit zunehmendem Substratdurchmesser steigt, ist es gerade bei großen SiC-Substraten, die zur Erzielung eines niedrigen elektrischen Widerstands zusätzlich eine vergleichsweise hohe Dotierstoffkonzentration haben, besonders günstig, wenn während des Herstellungsprozesses die oben beschriebene thermische Nachbehandlung durchgeführt wird.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung hat die Substrathauptoberfläche einen Durchmesser von mindestens 150 mm und zusätzlich beträgt die Substratdicke höchstens 500 μm. Je niedriger die Substratdicke ist, umso mehr Substrate können aus einem SiC-Volumeneinkristall gewonnen werden. Auch dadurch wird die Effizienz bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen gesteigert und es sinken die Herstellungskosten für die Halbleiterbauelemente. So große und dünne SiC-Substrate lassen sich insbesondere aus einem sehr spannungsarmen SiC-Volumeneinkristall gewinnen. Andernfalls kann es gerade bei einer sehr geringen Substratdicke zu Rissen und/oder zur vollständigen Zerstörung des SiC-Substrats kommen. Insofern begünstigt die oben beschriebene thermische Nachbehandlung zur Spannungsreduktion auch die Herstellung dünner SiC-Substrate.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung hat die Substrathauptoberfläche einen Durchmesser von mindestens 150 mm und zusätzlich beträgt eine für die gesamte Substrathauptoberfläche ermittelte globale Versetzungsdichte höchstens 10⁴ cm^–2. Die globale Versetzungsdichte gibt dabei insbesondere die in dem Kristallaufbau des einkristallinen SiC-Substrats vorhandenen und an der Substrathauptoberfläche insgesamt erfassbaren Versetzungen an, und zwar z. B. für Versetzungen eines Typs oder aber für sämtliche Versetzungen unabhängig vom jeweiligen Typ. Die Versetzungsdichte ist hier also eine flächenbezogene Größe. Das SiC-Substrat hat trotz des großen Substratdurchmessers aufgrund der thermischen Nachbehandlung des SiC-Volumeneinkristalls nur sehr wenige solcher die Weiterverwendbarkeit beeinträchtigenden Versetzungen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls mittels Sublimationszüchtung,
2 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur thermischen Nachbehandlung eines mittels der Züchtungsanordnung gemäß 1 hergestellten SiC-Volumeneinkristalls, und
3 ein Ausführungsbeispiel eines niederohmigen einkristallinen SiC-Substrats, das aus einem mittels der Züchtungsanordnung gemäß 1 gezüchteten und mittels der Anordnung gemäß 2 thermisch nachbehandelten SiC-Volumeneinkristall hergestellt ist, in einer Querschnittsdarstellung.
Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 3 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung 1 zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls 2 mittels Sublimationszüchtung dargestellt. Die Züchtungsanordnung 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.
An einer dem SiC-Vorratsbereich 4 gegenüberliegenden Innenwand des Züchtungstiegels 3 ist im Kristallwachstumsbereich 5 ein in 1 nicht explizit dargestellter defektfreier oder zumindest äußerst defektarmer Keimkristall angebracht. Auf diesem Keimkristall wächst der zu züchtende SiC-Volumeneinkristall 2 mittels Abscheidung aus einer im Kristallwachstumsbereich 5 sich ausbildenden SiC-Wachstumsgasphase 7 auf. Der aufwachsende SiC-Volumeneinkristall 2 und der Keimkristall haben in etwa den gleichen Durchmesser. Wenn überhaupt, ergibt sich eine Abweichung von höchstens 10%, um die der Durchmesser des Keimkristalls 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 z. B. mindestens 1,75 g/cm³. Um ihn herum ist eine thermische Isolationsschicht 8 angeordnet. Letztere besteht z. B. aus einem schaumartigen Graphit-Isolationsmaterial, dessen Porosität insbesondere deutlich höher ist als die des Graphit-Tiegelmaterials.
Der thermisch isolierte Züchtungstiegel 3 ist innerhalb eines rohrförmigen Behälters 9 platziert, der beim Ausführungsbeispiel als Quarzglasrohr aus geführt ist und einen Autoklaven oder Reaktor bildet. Zur Beheizung des Züchtungstiegels 3 ist um den Behälter 9 ist eine induktive Heizeinrichtung in Form einer Heizspule 10 angeordnet. Die Heizspule 10 koppelt einen elektrischen Strom induktiv in eine elektrisch leitfähige Tiegelwand 11 des Züchtungstiegels 3 ein. Dieser elektrische Strom fließt im Wesentlichen als Kreisstrom in Umfangsrichtung innerhalb der kreis- und hohlzylindrischen Tiegelwand 11 und heizt dabei den Züchtungstiegel 3 auf. Bei Bedarf kann die relative Position zwischen der Heizspule 10 und dem Züchtungstiegel 3 axial, d. h. in die Richtung einer Mittenlängsachse 12 des aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls 2, verändert werden, insbesondere um die Temperatur bzw. den Temperaturverlauf innerhalb des Züchtungstiegels 3 einzustellen und ggf. auch zu verändern. Der Züchtungstiegel 3 wird mittels der Heizspule 10 auf Züchtungstemperaturen von mehr als 2000°C, insbesondere auf etwa 2200°C, erhitzt.
Die SiC-Wachstumsgasphase 7 im Kristallwachstumsbereich 5 wird durch das SiC-Quellmaterial 6 gespeist. Die SiC-Wachstumsgasphase 7 enthält zumindest Gasbestandteile in Form von Si, Si₂C und SiC₂ (= SiC-Gasspezies). Der Transport vom SiC-Quellmaterial 6 zur Wachstumsgrenzfläche am aufwachsenden SiC-Volumeneinkristall 2 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 13, 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. Die Wachstumsrichtung 13 verläuft parallel zu der zentralen Mittenlängsachse 12. Da der aufwachsende SiC-Volumeneinkristall 2 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel konzentrisch innerhalb der Züchtungsanordnung 1 angeordnet ist, kann die zentrale Mittenlängsachse 12 auch der Züchtungsanordnung 1 insgesamt zugeordnet werden.
Außerdem enthält die SiC-Wachstumsgasphase 7 auch in der Darstellung gemäß 1 nicht näher gezeigte Dotierstoffe, bei denen es sich im Ausführungsbeispiel um Stickstoff (N₂) handelt. Die Zuführung erfolgt entweder gasförmig oder über das dann dementsprechend vorbehandelte SiC-Quellmaterial 6. Der Stickstoffanteil in der SiC-Wachstumsgasphase 7 wird dabei so eingestellt, dass die Stickstoffdotierung des aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls 2 so groß ist, dass der aufwachsende SiC-Volumeneinkristall 2 einen sehr niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand von nur etwa 15 mΩcm hat.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Nachbehandlungsanordnung 14 dargestellt, die sehr ähnlich wie die Züchtungsanordnung 1 aufgebaut ist. Sie enthält ebenfalls einen Tiegel 15, der aus einem Graphitmaterial besteht und der mit einer thermischen Isolation 16, ähnlich der thermischen Isolationsschicht 8, umgeben ist. Der so thermisch isolierte Tiegel 15 ist wiederum in dem rohrförmigen Behälter 9 (= Autoklav) angeordnet, der von der induktiven Heizspule 10 umgeben ist. Die thermische Isolation 16 enthält zwei Pyrometerkanäle 17, die zur Erfassung einer Temperatur im Inneren der thermischen Isolation 16 bestimmt sind. Um das Temperaturfeld innerhalb der thermischen Isolation 16 möglichst wenig zu beeinflussen und um ein möglichst isothermes Temperaturfeld zu gewährleisten, sind die im thermischen Isolationsmaterial zur Ausbildung der Pyrometerkanäle 17 vorgesehenen Aussparungen nur sehr klein ausgeführt. Sie haben einen Durchmesser von maximal 15 mm.
Diese Pyrometerkanäle 17 sind aber nur optional. Bei Bedarf können sie auch entfallen. Dann ist der Tiegel 15 vollständig von thermischem Isolationsmaterial umgeben und die Temperatureinstellung und -kontrolle erfolgt indirekt über die Leistungsregelung der Heizspule 10.
Im Inneren des Tiegels 15 ist der mittels der Züchtungsanordnung 1 hergesellte SiC-Volumeneinkristall 2 angeordnet. Im Gegensatz zur Züchtungsanordnung 1 befindet sich der SiC-Volumeneinkristall 2 aber bei der Nachbehandlungsanordnung 14 nicht in unmittelbarem Kontakt mit der Tiegelwand 18, auch nicht mittelbar über einen Keimkristall. Stattdessen ist der SiC-Volumeneiskristall 2 überall beabstandet zu der Tiegelwand 18 bei ansonsten in etwa gleicher Ausrichtung wie in der Züchtungsanordnung 1, d. h. mit im Wesentlichen paralleler Orientierung der Mittenlängsachse 12 zur zentralen Achse der Heizspule 10 und auch konzentrisch zur Heizspule 10, angeordnet. Der SiC-Volumeneinkristall 2 ist innerhalb eines in den Tiegel 15 eingefüllten SiC-Pulvers 19 platziert und vollständig von diesem SiC-Pulver 19 umgeben. Insofern sind die Querabmessungen, d. h. die bezogen auf die Mittenlängsachse 12 radialen Abmessungen, des Tiegels 15 größer als diejenigen des Züchtungstiegels 3.
Das SiC-Pulver 19 hat ein molares Verhältnis zwischen Kohlenstoff zu Silizium (C:Si) von in etwa 1 entsprechend dem stöchiometrischen Verhältnis von Kohlenstoff und Silizium in dem SiC-Volumeneinkristall 2. Außerdem setzt sich das SiC-Pulver 19 aus Pulverkörnern zusammen, von denen 50 Gew.-% einen maximalen Korndurchmesser von höchstens 100 μm haben.
Der SiC-Volumeneinkristall 2 wird in der Nachbehandlungsanordnung 14 thermisch nachbehandelt, wobei er für eine Behandlungsdauer von typischerweise 48 Stunden einer Temperatur von über 2200°C, also einer Temperatur oberhalb der Züchtungstemperatur, ausgesetzt wird. Dabei werden mechanische Spannungen, die sich innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls 2, beispielsweise während der Abkühlphase nach Abschluss der Sublimationszüchtung in der Züchtungsanordnung 1 ergeben haben, durch thermisch aktivierte Versetzungsbewegungen wieder ausgeglichen. Zugleich reduziert sich auch die Versetzungsdichte. Während der thermischen Nachbehandlung befindet sich der SiC-Volumeneinkristall 2 in einem möglichst homogenen, d. h. möglichst isothermen Temperaturfeld, mit einem bezogen auf den kompletten SiC-Volumeneinkristall 2 maximalen Temperaturunterschied von typischerweise 5 K und bezogen auf die axiale Richtung, also die Wachstumsrichtung 13, axialen Temperaturunterschied von typischerweise 1 K. Nach Abschluss der thermischen Behandlung erfolgt die Abkühlphase vergleichsweise langsam mit einer Abkühlrate von typischerweise 1 K/min.
Aufgrund dieser thermischen Nachbehandlung hat sich die Qualität des SiC-Volumeneinkristalls 2 erheblich verbessert. Er ist dann sehr spannungs- und versetzungsarm.
Aus einem mittels der Züchtungsanordnung 1 hergestellten und danach mittels der Nachbehandlungsanordnung 14 thermisch behandelten SiC-Volumeneinkristalls 2 lassen sich einkristalline SiC-Substrate 20 erzeugen, die ebenfalls sehr günstige mechanische und elektrische Eigenschaften haben. Sie sind groß und dünn und ebenso wie der SiC-Volumeneinkristall sehr spannungs- und defektarm. Außerdem sind sie mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 15 mΩcm vergleichsweise niederohmig. Alle derartigen einkristallinen SiC-Substrate 20, von denen ein Ausführungsbeispiel in einer Querschnittsdarstellung gemäß 3 gezeigt ist, werden aus dem SiC-Volumeneinkristall 2 dadurch gewonnen, dass sie axial sukzessive als Scheiben senkrecht zur Wachstumsrichtung 13 bzw. zur Mittenlängsachse 12 abgeschnitten bzw. abgesägt werden. Diese SiC-Substrate 20 haben neben dem bereits erwähnten niedrigen elektrischen Widerstand auch eine sehr niedrige Versetzungsdichte von höchstens 10⁴ cm^–2. Außerdem hat ihre jeweilige Substrathauptoberfläche 21 einen großen Substratdurchmesser D von 150 mm, wohingegen eine Substratdicke t bei dem niedrigen Wert von nur etwa 500 μm liegt.
Bezugszeichenliste

1: Züchtungsanordnung
2: SiC-Volumeneinkristall
3: Züchtungstiegel
4: SiC-Vorratsbereich
5: Kristallwachstumsbereich
6: Pulverförmiges SiC-Quellmaterial
7: SiC-Wachstumsgasphase
8: Thermische Isolationsschicht
9: Rohförmiger Behälter (Autoklav)
10: Heizspule
11: Tiegelwand
12: Mittenlängsachse
13: Wachstumsrichtung
14: Nachbehandlungsanordnung
15: Tiegel
16: Thermische Isolation
17: Pyrometerkanal
18: Tiegelwand
19: SiC-Pulver
20: SiC-Substrat
21: Substrathauptoberfläche

Claims

Verfahren zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls (2), wobei a) der SiC-Volumeneinkristall (2) bei einer Züchtungstemperatur von bis zu 2200°C mittels eines Sublimationszüchtungsverfahrens hergestellt wird, b) der SiC-Volumeneinkristall (2) nach der Sublimationszüchtung thermisch nachbehandelt wird, wobei er auf eine Nachbehandlungstemperatur, die höher ist als die Züchtungstemperatur, gebracht wird, und c) der SiC-Volumeneinkristall (2) vor der thermischen Nachbehandlung innerhalb eines SiC-Pulvers (19) platziert wird, und während der thermischen Nachbehandlung vollständig von dem SiC-Pulver (19) umgeben ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein globaler Temperaturunterschied innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls (2) während der thermischen Nachbehandlung bei höchstens 10 K, insbesondere bei höchstens 5 K, liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der SiC-Volumeneinkristall (2) in Richtung einer Mittenlängsachse (12) aufgewachsen ist, und ein in Richtung der Mittenlängsachse (12) gemessener axialer Temperaturunterschied innerhalb des SiC-Volumeneinkristalls (2) während der thermischen Nachbehandlung bei höchstens 2 K, insbesondere bei höchstens 1 K, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abkühlrate am Ende der thermischen Nachbehandlung bei höchstens 5 K/min, insbesondere bei höchstens 1 K/min, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die thermische Nachbehandlung eine Nachbehandlungsdauer von mindestens 24 Stunden und von insbesondere höchstens 72 Stunden vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das SiC-Pulver (19) zumindest vor der thermischen Nachbehandlung aus SiC-Körnern zusammensetzt, von denen 50 Gew.-% eine Korngröße mit einem maximalen Korndurchmesser von höchstens 500 μm, insbesondere von höchstens 100 μm, haben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das SiC-Pulver (19) zumindest vor der thermischen Nachbehandlung ein molares Verhältnis eines C-Anteils zu einem Si-Anteil im Bereich zwischen 0,9 und 1,1, vorzugsweise von 1, vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SiC-Volumeneinkristall (2) für die thermische Nachbehandlung in einem vollständig von einem thermischen Isolationsmaterial (16) umgebenen Tiegel (15) untergebracht wird.
Einkristallines SiC-Substrat mit einer Substrathauptoberfläche (21) und einer Substratdicke (t), wobei ein für eine beliebige 4 mm² große insbesondere quadratische Teilfläche der Substrathauptoberfläche (21) und bezogen auf die Substratdicke (t) ermittelter spezifischer elektrischer Widerstand kleiner als 20 mΩcm ist.
SiC-Substrat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand kleiner als 15 mΩcm ist.
SiC-Substrat nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrathauptoberfläche (21) einen Durchmesser (D) von mindestens 100 mm, und vorzugsweise von mindestens 150 mm, hat.
SiC-Substrat nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrathauptoberfläche (21) einen Durchmesser (D) von mindestens 150 mm hat und die Substratdicke (t) höchstens 500 μm beträgt.
SiC-Substrat nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrathauptoberfläche (21) einen Durchmesser (D) von mindestens 150 mm hat und eine für die gesamte Substrathauptoberfläche (21) ermittelte globale Versetzungsdichte höchstens 10⁴ cm^–2 beträgt.