-
Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der thermischen Behandlung von Halbleiterbauelementen und betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung insbesondere ein Verfahren zum thermischen Ausheilen und/oder zur thermischen Aktivierung von Siliziumcarbid-Wafern oder allgemein von Siliziumcarbidsubstraten.
-
Aus Siliziumcarbid (SiC) hergestellte Halbleiterbauelemente oder Siliziumcarbid-Wafer können in diversen technischen Anwendungen eingesetzt werden. Grund hierfür sind die vorteilhaften physikalischen Eigenschaften von Siliziumcarbid. SiC ist ein Halbleitermaterial, das eine große elektronische Bandlücke und einen relativ geringen flächenspezifischen elektrischen Widerstand miteinander verbindet. Es ist bei hohen Temperaturen und im Bereich ionisierender Strahlung einsetzbar.
-
Im Stand der Technik ist bekannt, dass Siliziumcarbid-Wafer auf unterschiedliche Weise dotiert werden, um diskrete technische und elektrische Eigenschaften zu erzielen. Ein Hindernis für die effiziente Serienfertigung von Siliziumcarbid war lange Zeit dessen vergleichsweise schwierige Dotierung, aufgrund der erforderlichen hohen Temperaturen. Die Zugabe von Dotierstoffen während der Wachstums- bzw. Züchtungsphase eines Siliziumcarbid-Einkristalls ist eine beispielhafte Möglichkeit, Siliziumcarbid zu dotieren.
-
Eine weitere Möglichkeit ist die Implantation von Dotierstoffen. Hierbei werden häufig Gitterdefekte im Kristallgitter erzeugt, die später ausgeheilt werden müssen, um die Dotierstoffe elektrisch zu aktivieren. Auch bei undotierten Siliziumcarbid-Wafern deren Oberfläche mechanisch bearbeitet wurde, beispielsweise dadurch, dass diese poliert wurde, treten Gitterdefekte und Fehler im Kristallaufbau auf, die wieder ausgeheilt werden müssen.
-
Im Stand der Technik ist dazu bekannt, dass die Siliziumcarbid-Wafer zur Ausheilung von Gitterdefekten einer thermischen Behandlung bei hohen Temperaturen über 1500°C und in der Regel um 1700°C oder höher unterzogen werden. Bei der thermischen Behandlung werden die Siliziumcarbid-Wafer daher üblicherweise in einer Ofenkammer eines Ausheilofens für einen bestimmten Zeitraum auf eine geeignete Behandlungstemperatur erwärmt.
-
Den bekannten thermischen Behandlungsverfahren ist gemeinsam, dass die bei Siliziumcarbid-Wafern benötigten Temperaturen deutlich oberhalb der Schmelztemperatur von reinem Silizium liegen, um eine möglichst optimale Ausheilung der Defekte und Fehlordnungen im Kristallgitter und im Falle von dotierten Siliziumcarbid-Wafern eine wenigstens nahezu vollständige elektrische Aktivierung der implantierten Dotierstoffe zu erzielen.
-
Nachteilig ist dabei, dass bei der Erwärmung eines Siliziumcarbidsubstrats oder eines Siliziumcarbid-Wafers auf die gewünschten Prozesstemperatur von typischerweise mehr als 1500°C Atome von der Oberfläche des Substrats oder Wafers durch Sublimation abdampfen, was eine Umlagerung oberflächennaher Atome nach sich zieht. An der Oberfläche des Siliziumcarbidhalbleiters wird auf diese Weise eine unerwünschte Kristallstruktur erzeugt. Besonders nachteilig wirkt sich dieser Effekt bei Halbleiterbauelementen und Wafern aus, deren Funktion und technische Leistungsfähigkeit wesentlich von der Oberflächenbeschaffenheit und Kristallstruktur an der Oberfläche abhängt.
-
Um eine Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit der Siliziumcarbidschicht durch den thermischen Ausheil- und Aktivierungsprozess zu vermeiden, ist es bekannt, die Siliziumcarbidschicht vor der thermischen Behandlung mit einer kohlenstoffreichen Schicht beispielsweise einer Graphitdeckschicht zu versehen. Nachteilig ist dabei, dass anschließend die Graphitdeckschicht wieder aufwendig zum Beispiel mit Hilfe eines Plasmaverfahrens entfernt werden muß.
-
Eine weitere im Stand der Technik bekannte Methode ist der Versuch den Siliziumpartialdruck in der Ofenkammer des Ausheilofens beispielsweise durch Zugabe von Silan zu erhöhen, so dass ein Abdampfen des Siliziums aus den Siliziumcarbid-Wafern reduziert wird. Da sich in der Ofenkammer allerdings ein Temperaturgefälle von den Bereichen mit den Siliziumcarbid-Wafern in Richtung zur Heizquelle hin einstellt, führt die Verwendung von Silan zu Problemen. Es hat sich gezeigt, dass es zur nahezu vollständigen Abscheidung von Silan bei Temperaturen von ca. 1000°C kommt, so dass das eingebrachte Silan bereits niederschlägt bevor es die „heißeren” Bereiche mit den Siliziumcarbid-Wafern erreicht.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur thermischen Behandlung und insbesondere zum thermischen Ausheilen und elektrischen Aktivieren einer implantierten Siliziumcarbidschicht anzugeben, durch das ein Abdampfen von Silizium und damit eine Beeinträchtigung der Oberflächenbeschaffenheit der thermisch zu behandelnden Siliziumcarbidschicht vermieden oder zumindest reduziert werden kann. Zudem soll das Verfahren in wirtschaftlicher Weise in der industriellen Fertigung einsetzbar sein.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.
-
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Siliziumcarbid-Substraten mit wenigstens einer zu behandelnden Oberfläche vorgesehen, welches das Aufheizen einer Vielzahl von in einer Behandlungskammer angeordneten Siliziumcarbid-Substraten und wenigstens einem in der Behandlungskammer angeordneten, Silizium enthaltenden Opfersubstrat auf eine Behandlungstemperatur, und das Erhöhen eines Siliziumpartialdrucks benachbart zu wenigstens einer zu behandelnden Oberfläche der Siliziumcarbid-Substrate durch Ausgasen von Silizium aus dem wenigstens einen Opfersubstrat aufweist. Dabei ist das wenigstens eine Opfersubstrat so gewählt, dass es bei der Behandlungstemperatur pro Flächeneinheit wenigstens die gleiche, oder eine größere Menge an Silizium ausgast als die zu behandelnde Oberfläche der Siliziumcarbid-Substrate pro Flächeneinheit bei der Behandlungstemperatur. Hierbei bezieht sich der Begriff pro Flächeneinheit auf eine projizierte Flächeneinheit auf der Oberfläche des Opfersubstrats/Siliziumcarbid-Substrats. Durch dieses Verfahren kann der Siliziumpartialdruck wenigstens lokal benachbart zu einer zu behandelnden Oberfläche des Siliziumcarbid-Substrats erhöht werden, wodurch ein Ausgasen von Silizium aus der Siliziumcarbid-Oberfläche verhindert oder wenigstens reduziert werden kann. Vorzugsweise ist eine Vielzahl von Opfersubstraten vorgesehen, die sich deutlich von den Siliziumcarbid-Substraten dadurch unterscheiden, dass sie pro Flächeneinheit eine größere Menge an Silizium ausgasen als die zu behandelnde Oberfläche der Siliziumcarbid-Substrate, um eine deutliche Verbesserung gegenüber der Verwendung von nur Siliziumcarbid-Substraten vorzusehen. Die Siliziumcarbid-Substrate und die Opfersubstrate werden auf im Wesentlichen dieselbe Temperatur (max. ±10%, vorzugsweise max. ±5%) erwärmt, um ein Absetzen von Silizium auf dem einen oder anderen „kühleren” Substrat zu vermeiden. Vorzugsweise sollte im Bereich der zu behandelnden Oberfläche des Siliziumcarbid-Substrats ein lokaler Siliziumpartialdruck erzeugt werden, der größer ist als der Sublimationsdruck für Silizium an der zu behandelnden Oberfläche, um ein Sublimieren von Silizium aus der Siliziumcarbid-Oberfläche zu verhindern oder zumindest zu verringern.
-
Vorzugsweise ist jeder zu behandelnden Oberfläche der Siliziumcarbid-Substrate in der Behandlungskammer wenigstens ein Opfersubstrat gegenüberliegend angeordnet, um eine sichere wenigstens lokale Erhöhung des Siliziumpartialdrucks benachbart zu jeder zu behandelnden Oberfläche vorzusehen.
-
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das wenigstens eine Opfersubstrat so gewählt ist, dass wenigstens ein Oberflächenbereich des wenigstens einen Opfersubstrats bei der Behandlungstemperatur einen höheren Sublimationsdruck für Silizium aufweist als die zu behandelnden Oberfläche des Siliziumcarbid-Substrats. Hierüber kann unter anderem erreicht werden, dass das Opfersubstrat mehr Silizium ausgast als das Siliziumcarbid-Substrat. Alternativ oder auch zusätzlich kann wenigstens ein Oberflächenbereich des wenigstens einen Opfersubstrats pro Flächeneinheit eine gegenüber der zu behandelnden Oberfläche des Siliziumcarbid-Substrats größere wirksame Substratoberfläche aufweisen. Dies kann durch eine größere Rauheit der Oberfläche oder auch eine sonstige Strukturierung erreicht werden. Durch die größere wirksame Substratoberfläche kann wiederum mehr Silizium ausgegast werden. Für eine einfache Handhabung der Substrate und der Opfersubstrate weisen sie vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Form und Größe auf.
-
Vorzugsweise sind die Opfersubstrate und die Siliziumcarbid-Substrate scheibenförmig und werden außerhalb des Behandlungsraums stapelförmig in einem Halter angeordnet und dann in dieser Form in den Behandlungsraum eingebracht. Der Halter kann beispielsweise in einer sich ein- oder mehrfach wiederholenden Stapelfolge mit Opfersubstraten und übereinander angeordneten Siliziumcarbid-Substraten bestückt werden. Bei einer Stapelfolge können zum Beispiel die Opfersubstrate und die Siliziumcarbid-Substrate jeweils abwechselnd im Halter angeordnet sein. Bei einer alternativen Stapelfolge können zum Beispiel jeweils zwei Siliziumcarbid-Substrate derart benachbart zueinander angeordnet sein, dass eine nicht zu behandelnde Rückseite (Back) des einen Siliziumcarbid-Substrats zur einer Back des benachbarten Siliziumcarbid-Substrats weist. Somit weisen die zu behandelnden Vorderseiten (Front) der Siliziumcarbid-Substrate voneinander weg. Benachbart zu jeder Front kann dann ein Opfersubstrat vorgesehen sein. Bei einer mehrfachen Wiederholung dieser Stapelfolge kann die Anzahl der Opfersubstrate für den Fall reduziert werden, dass jeder Front ein Opfersubstrat gegenüberliegend vorgesehen ist. Dabei können die Backs einander kontaktieren, was unschädlich wäre soweit nur die Front in der späteren Anwendung technisch von Bedeutung ist, was beispielsweise bei Verwendung in Solar-Modulen üblicherweise der Fall ist.
-
In vorteilhafter Weise sind beim Anordnen der Siliziumcarbid-Substrate und der Opfersubstrate die relevanten Abstände dazwischen klein und liegen üblicherweise in einem Bereich von ca. 3–5 mm. Hierdurch wird einerseits eine gute Packungsdichte in der Ofenkammer erzielt und andererseits steht ein kompaktes, d. h. nicht zu großes Raumvolumen zur Verfügung, so dass sich ein ausreichend konstanter Siliziumpartialdruck im Zwischenraum ausbilden kann.
-
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das wenigstens eine Opfersubstrat Teil einer einen Aufnahmeraum für ein Siliziumcarbid-Substrat bildenden Einheit bestehend aus einem Träger und einer Trägerabdeckung. Die Bildung Aufnahmeraums ermöglicht das Vorsehen einer sehr kontrollierten Prozeßatmosphäre und insbesondere eines hohen Siliziumpartialdrucks benachbart zur zu behandelnden Oberfläche des Siliziumcarbid-Substrats.
-
Um einerseits Verunreinigungen durch das Opfersubstrat zu vermeiden und anderseits eine ausreichende thermische Stabilität vorzusehen, kann das wenigstens eine Opfersubstrate im Wesentlichen aus Siliziumcarbid bestehen. In vorteilhafter Weise kann für das Opfersubstrat kostengünstiges polykristallines Siliziumcarbid verwendet werden. Diese kann zum Beispiel insbesondere an der Oberfläche mit Silizium angereichert sein und eine rauhe Oberfläche aufweisen. Opfersubstrate können bevorzugt mehrfach eingesetzt werden, wobei sie zwischen den Einsätzen behandelt werden können, um einer Verarmung von Silizium entgegenzuwirken.
-
Insbesondere für eine Ausheilung von Gitterdefekten an wenigstens einer Oberfläche der Siliziumcarbid-Substrate kann das Verfahren bei einer Behandlungstemperatur im Bereich oberhalb von 1500°C, insbesondere oberhalb 1600°C durchgeführt werden. Vorzugsweise wird die thermische Behandlung bei einem atmosphärischen Druck oder geringem Unterdruck durchgeführt, um eine Rückdiffusion und damit einen Verlust von Si-material in Bereich mit geringeren Temperaturen, wo es sich niederschlagen würde, zu vermeiden.
-
Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Verwendung als Opfersubstrat in einem obigen Verfahren weist einen Träger und eine Trägerabdeckung auf, die gemeinsam einen geschlossenen Aufnahmeraum zur Aufnahme eines scheibenförmigen Siliziumcarbid-Substrats bilden, wobei wenigstens der Träger oder die Trägerabdeckung als ein siliziumhaltiges Opfersubstrat ausgebildet ist. Insbesondere können der Träger und/oder die Trägerabdeckung aus Siliziumcarbid ausgebildet sein.
-
Mit Vorteil wird bei der Durchführung des Verfahrens ein Opfersubstrat verwendet, welches als ein im Wesentlichen flaches, scheibenförmiges Substrat ausgebildet ist. Hierdurch lassen sich eine Vielzahl von scheibenförmigen Siliziumcarbid-Wafern und Opfersubstrate in kompakter Weise übereinander und zueinander beabstandet anordnen. In einer vorzugsweise parallelen Anordnung der Oberflächen der übereinander angeordneten Wafern und Opfersubstrate könne bedingt durch gleichmäßige Zwischenräume auch gleichartige Umgebungsbedingungen erzeugt werden.
-
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, den Figuren, der Beschreibung und der Figurenbeschreibung wiedergegeben, wobei die Figuren folgendes zeigen:
-
1 eine schematische Schnittansicht durch eine Ofenkammer eines Ausheilofens zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an mehreren übereinander angeordneten Siliziumcarbid-Substraten;
-
2 eine schematische Schnittansicht durch eine Stapelfolge von mehreren bereinander angeordneten Siliziumcarbid-Substraten und Opfersubstraten;
-
3 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausführen Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren.
-
Der in 1 gezeigte Ausheilofen 1 dient zur Wärmebehandlung von scheibenförmigen Siliziumcarbid-Substraten, die nachfolgend auch als Siliziumcarbid-Wafer 2 bezeichnet werden, und ist Teil einer nicht dargestellten Ausheilanlage.
-
Die Siliziumcarbid-Wafer 2 sind als flache, scheibenförmige Wafer ausgebildet und verfügen über eine thermisch zu behandelnde Vorderseite 9 (auch als Front bezeichnet) und eine Rückseite 10 (auch als Back bezeichnet). Die Vorderseite 9 eines jeden Siliziumcarbid-Wafers 2 soll die Seite des Siliziumcarbid-Wafers 2 bezeichnen, die später technisch genutzt wird, d. h. deren Halbleitereigenschaften verwendet werden. An die Kristallqualität der Vorderseite 9 werden höhere Anforderungen gestellt als an die der Rückseite 10, und daher ist insbesondere im Bereich der Vorderseite 9 auf eine vorteilhafte Einstellung von Prozeßbedingungen zu achten.
-
Der Ausheilofen 1 besitzt eine rohrförmige, an einem oberen Ende geschlossene Ofenwand 3, die eine Ofenkammer 4 bildet. In der Ofenkammer 4 sind Graphit-Auskleidungen, die auch als Graphit-Liner 5 bezeichnet werden, angeordnet. Die Liner können als Isolation, zum Leiten einer Gasströmung in der Ofenkammer 4 und/oder als Quelle von Silizium dienen. Die Ofenwand 3 ist beispielsweise aus einem Graphitrohr gebildet. Am unteren, offenen Ende der Ofenwand 3 ist ein mit isolierender Quarzwolle gefüllter Sockel 6, der auch als Pedestal bezeichnet wird, vorgesehen. Der Sockel 6 dient zur thermischen Isolation der Ofenkammer 4. Die Ofenwand 3 und der Sockel 6 sind zum Öffnen und Schließen der Ofenkammer 4 relativ zueinander bewegbar.
-
Die Ofenwand 3 ist von nicht dargestelltem wärmedämmendem Material umgeben, um sie thermisch gegenüber der Umgebung abzuschirmen. Als Heizquelle kann beispielsweise ein nicht dargestelltes aus Graphit bestehendes Element als Widerstandsheizung vorgesehen sein. Es kann aber auch eine andere geeignete Heizquelle, die eine Aufheizung auf die erforderlichen Ausheiltemperaturen erlaubt, vorgesehen sein.
-
Innerhalb der Ofenkammer 4 befindet sich oberhalb des Sockels 6 ein nicht dargestellter Träger zur stapelförmigen Aufnahme einer Vielzahl von Plattenelementen. Der Träger kann zum Beispiel ebenfalls aus Graphit oder auch aus Siliziumcarbid bestehen. In dem Träger sind von unten nach oben gesehen zunächst mehrere Plattenelemente, die nachfolgend als Baffleplatten 7 bezeichnet werden, aufgenommen. Diese können beispielsweise aus Graphit bestehen und sie dienen im Wesentlichen als weiter Isolierung, bzw. als Wärmeausgleichselemente. Es sind hier nur beispielhaft sieben Baffleplatten 7 dargestellt. Alternativ kann je nach Bestückung des Ofens auch eine auf das Verfahren abgestimmte Stapelmenge eingesetzt werden. Die Anzahl der Baffleplatten 7 sollte so gewählt sein, dass im Betrieb des Ausheilofens 1 oberhalb der Baffleplatten 7 eine im Wesentlichen gleiche Behandlungstemperatur herrscht.
-
Oberhalb der Baffleplatten 7 sind im Träger eine Vielzahl von Siliziumcarbid-Wafern 2 und eine Vielzahl von scheibenförmigen Opfersubstraten, die auch als Opferwafer 8 bezeichnet werden, angeordnet. Die Opferwafer weisen jeweils Oberflächen 12 auf, die im Wesentlichen parallel zu den Vorder- und Rückseiten 9, 10 der Siliziumcarbid-Wafer angeordnet sind. Die Opfersubstrate 8 besitzen im Wesentlichen die gleiche Form und Größe wie die zu behandelnden Siliziumcarbid-Wafer 2 und bestehen aus einem siliziumhaltigen Material oder sind wenigstens im Bereich ihrer Oberflächen 12 mit Silizium angereichert. Beispielsweise können die Opferwafer 8 aus polykristallinem Siliziumcarbid bestehen, das inhärent Silizium enthält, oder aus Graphit, das speziell im Bereich der Oberflächen 12 mit Silizium infiltriert oder angereichert ist. Dabei ist das Material der Opferwafer 8 bzw. der Oberflächen 12 so gewählt, dass es bei einer Behandlungstemperatur T in der Ofenkammer 4 pro Flächeneinheit (Projektionsfläche) eine größere Menge an Silizium ausgast als eine Vorderseite 9 der Siliziumcarbid-Wafer 2. Dies kann, wie der Fachmann erkennen wird, auf unterschiedlichste Weise erreicht werden, wie beispielsweise die Materialwahl der Opferwafer, die Menge an infiltriertem Silizium, die Oberflächenbeschaffenheit der Oberflächen 12 etc. So könnten die Opferwafer 8 zum Beispiel aus dem gleichen Material bestehen wie die Siliziumcarbid-Wafer 2, aber die Oberflächen 12 könnten eine größere Oberflächenrauhigkeit als die Vorderseiten 9 der Siliziumcarbid-Wafer 2 aufweisen, um pro Flächeneinheit eine größere Oberfläche für das ausgasen von Silizium zur Verfügung zu stellen. Dies kann zum Beispiel auch durch eine Strukturierung der Oberflächen 12 erreicht werden. Auch kann wenigstens im Bereich der Oberflächen 12 der Opfersubstrate 8 ein Material gewählt werden, das bei einer Behandlungstemperatur einen höheren Sublimationsdruck für Silizium aufweist als der Sublimationsdruck der Vorderseiten 9 der Siliziumcarbid-Wafer 2 und somit leichter und in größerer Menge Silizium abgibt.
-
Die Siliziumcarbid-Wafer 2 sind so angeordnet, dass ihre Vorderseiten 9 jeweils nach oben weisen, obwohl sie auch anders herum angeordnet sein können. Die Siliziumcarbid-Wafer 2 bzw. Opferwafer 8 sind mit einem festen Pitch bzw. Abstand, der durch den Träger vorgegeben wird, zueinander angeordnet. Ein vorteilhafter Pitch liegt zwischen 3 bis 5 mm und liegt üblicherweise bei ca. 4,7 mm. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwischen den Siliziumcarbid-Wafer 2 jeweils Opfersubstrate 8 angeordnet, so dass sich eine alternierende Stapelfolge von Siliziumcarbid-Wafer 2 und Opfersubstraten 8 ergibt. Bei dieser alternierenden Stapelfolge ist benachbart zu jeder Seite des Siliziumcarbid-Wafers jeweils ein Opferwafer 8 zur Bildung eines Zwischenraums 11 angeordnet. Als Zwischenraum 11 werden nur solche Zwischenräume zwischen benachbarten Substraten angesehen, die einerseits durch einen Siliziumcarbid-Wafer 2 und andererseits durch ein Opfersubstrat begrenzt werden.
-
Es sind aber auch andere Stapelfolgen denkbar, zum Beispiel ein Opfersubstrat 8 nach jeweils einer bestimmten Anzahl von Siliziumcarbid-Wafern 2 unter Ausbildung entsprechender Zwischenräume 11. Alternativ wäre auch eine wie in 2 gezeigte Stapelfolge von Siliziumcarbid-Wafer 2 und Opfersubstraten 8 denkbar, bei der jeweils zwei Siliziumcarbid-Wafer 2 paarweise derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass ihre Rückseiten 10 zueinander weisen, oder sich gar kontaktieren. Hierzu müßte der Träger gegebenenfalls entsprechend angepaßt sein, um eine solche Anordnung zu erlauben. Somit weisen die Vorderseiten 9 eines solchen Paars von Siliziumcarbid-Wafern 2 jeweils voneinander weg. Jeder dieser Vorderseiten 9 ist dann einem Opfersubstrat 8 unter Bildung eines Zwischenraumes 11 gegenüberliegend angeordnet. Hierbei werden Zwischenräume 11 nur zwischen den Vorderseiten 9 der Siliziumcarbid-Wafer 2 und den benachbarten Substratoberflächen 12 benachbarter Opfersubstrate 8 ausgebildet. In dem Beispiel nach 2 ist ersichtlich, dass durch die gewählte Stapelfolge eine geringere Anzahl an Opfersubstraten 8 benötigt wird, um Zwischenräume 11 benachbart zu jeder Vorderseite 9 der Siliziumcarbid-Wafer vorzusehen.
-
Bei beiden Ausführungsbeispielen wird somit jeweils wenigstens zwischen den thermisch zu behandelnden Vorderseiten 9 der Siliziumcarbid-Wafer 2 und den Substratoberflächen 12 der benachbarten Opfersubstrate 8 ein Zwischenraum 11 ausgebildet. Bei einer thermischen Behandlung wird wenigsten in diesen Zwischenräumen 11 beim Aufheizen ein erhöhter Siliziumpartialdruck ausgebildet, da insbesondere die Opfersubstrate 8 Silizium abgeben. Dieser Siliziumpartialdruck ist vorzugsweise wenigstens benachbart zu den Vorderseiten 9 der Siliziumcarbid-Wafer 2 höher als der Sublimationsdruck der Siliziumcarbid-Wafer 2. Hierdurch kann ein Verlust von Silizium an den Vorderseiten 9 der Siliziumcarbid-Wafer 2 gegenüber einer Stapelfolge, die nur aus Siliziumcarbid-Wafern 2 besteht wenigstens verringert werden. Wenn der Siliziumpartialdruck ausreichend hoch ist, kann der Verlust von Silizium an den Vorderseiten 9 der Siliziumcarbid-Wafer 2 im Wesentlichen vollständig vermieden werden. Vorzugsweise sind die Opferwafer 8 so ausgewählt sind, dass sie über die thermische Behandlung hinweg einen ausreichend großen Siliziumpartialdruck benachbart zu den Vorderseiten 9 der Siliziumcarbid-Wafer 2 aufrecht erhalten können.
-
Im Betrieb des Ausheilofens 1 wird dieser zunächst in der oben beschriebenen Weise mit einem Stapel aus Baffleplatten 7, Siliziumcarbid-Wafern 2 und Opferwafern 8 beladen. Anschließend wird die Ofenkammer 4 mit den darin aufgenommenen Elementen über die nicht gezeigte Heizquelle auf eine geeignete Behandlungstemperatur T, beispielsweise eine Temperatur von mehr als 1500°C, insbesondere von mehr als 1600°C aufgeheizt, die geeignet ist, ein Ausheilen von Gitterdefekten in den Siliziumcarbid-Wafern 2 zu bewirken. Dabei kann die Temperatur wenigstens der unteren Baffleplatten 7 unter der eigentlichen Behandlungstemperatur liegen, da sich im Bereich der Baffleplatten 7 ein nach oben ansteigender Temperaturgradient ergibt. Im Bereich oberhalb der Baffleplatten sollte sich jedoch ein Bereich mit im Wesentlichen gleicher Temperatur (Abweichung vorzugsweise maximal ±10°C, vorzugsweise maximal ±5°C) einstellen.
-
Bei der Behandlungstemperatur T erfolgt der Ausheilprozess, der über eine Behandlungsdauer t bei der Behandlungstemperatur T fortgesetzt wird. Während der Aufheizphase und bei der Behandlungstemperatur T wird primär durch Ausgasen von Silizium aus den Opferwafern 8 ein erhöhter Siliziumpartialdruck im Zwischenraum 11 ausgebildet, der ein (weiteres) Ausgasen von Silizium aus den Vorderseiten 9 der Siliziumcarbid-Wafer 2 unterdrückt. Je nach Beschaffenheit der Opfersubstrate 8 kann der erhöhte Siliziumpartialdruck im Wesentlichen vollständig durch Ausgasen von Silizium aus den Opfersubstraten 8 erreicht werden. Es ist aber auch möglich dass der Siliziumpartialdruck auch geringfügig durch Ausgasen von Silizium aus den Vorderseiten 9 der Siliziumcarbid-Wafer 2 erhöht wird und dadurch Silizium in geringer Menge aus den Siliziumcarbid-Wafern 2 entweicht. Jedenfalls sind die Opferwafer 8 so gewählt, dass sie an ihren Oberflächen 12 pro Flächeneinheit (Projektionsfläche) eine größere Menge an Silizium abgeben wie die Vorderseiten der Siliziumcarbid-Wafer 2.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Opfersubstrat 8 verwendet, dessen Sublimationsdruck bei der Behandlungstemperatur höher ist, als der Sublimationsdruck des benachbarten Siliziumcarbid-Wafers 2. Folglich sublimiert Silizium infolge des höheren Sublimationsdruckes beim Aufheizen primär aus der Substratoberfläche 12 des Opfersubstrates 8 in den Zwischenraum 11 und bildet dort den gewünschten Siliziumpartialdruck aus. Auf diese Weise wird eine Sublimation von Silizium aus der Vorderseite 9 der Siliziumcarbid-Wafer 2 effektiv minimiert bis verhindert.
-
In einer weiteren Ausführungsform kann ein „Face to Face”-Prozessieren von Siliziumcarbidwafern erfolgen. Dies bedeutet, dass die zu behandelnden Oberflächen zweier benachbarter Silizimcarbid-Substrate so dicht beieinander liegen, oder dass deren zu behandelnden Oberflächen sich sogar flächig so berühren, dass das Ausgasen einer Komponente (beispielsweise des Siliziums) aus einer der zu behandelnden Oberflächen praktisch vermieden wird.
-
Um ein Ausdampfen von Silizium aus der zu behandelnden Siliziumcarbidoberfläche des SiC-Wafers und eine dadurch verursachte Siliziumverarmung dieser Oberfläche zu verhindern, kann alternativ oder zusätzlich zu den bereits erwähnten Ausführungsformen auch ein Siliziumtiegel (beispielsweise ein Silizium oder Siliziumpulver aufweisendes Schiffchen) als lokale Siliziumquelle in den Ofen, vorzugsweise benachbart zu den zu behandelnden Siliziumcarbidoberflächen aufgenommen werden. Dies bewirkt, dass bei der Behandlungstemperatur T ein etwas höherer Si-Partialdruck im gesamten Boot vorhanden ist, wodurch eine Verarmung der zu behandelnden Siliziumcarbidoberflächen an Silizium vermieden werden kann.
-
In 3 ist eine Aufnahmevorrichtung 15 für Siliziumcarbid-Wafer 2 dargestellt, die in dem Ausheilofen 1 gemäß 1 eingesetzt werden kann, wie nachfolgend näher erläutert wird. Die Aufnahmevorrichtung 15 weist einen Träger 16 und eine Trägerabdeckung 17 auf, die in einem aufeinanderliegenden Zustand, wie dargestellt, einen geschlossenen Aufnahmeraum 18 zur Aufnahme eines scheibenförmigen Siliziumcarbid-Wafers 2 ausbilden. Der Träger 16 ist bei der dargestellten Ausführungsform ein flaches Plattenelement und besitzt eine Auflagefläche, die größer ist als ein aufzunehmender Siliziumcarbid-Wafer 2. Die Trägerabdeckung 17 ist ein Plattenelement, das eine Vertiefung mit einer Abmessung aufweist, die zur Aufnahme eines Siliziumcarbid-Wafer 2 ausreicht. Natürlich könnte auch der Träger eine entsprechende Vertiefung aufweisen und die Trägerabdeckung 17 ein flaches Plattenelement sein, oder beide könnten entsprechende Vertiefungen aufweisen. Die Trägerabdeckung 17 ist jedenfalls so bemessen, dass sie zur Bildung des Aufnahmeraums 18 auf den Träger 16 aufgesetzt werden kann. Dabei ist der Aufnahmeraum so bemessen, dass bei aufgenommenem Siliziumcarbid-Wafer 2 ein Spalt zwischen seiner Oberseite, insbesondere seiner Vorderseite 9 und einer Unterseite der Trägerabdeckung verbleibt.
-
Wenigstens die Trägerabdeckung 17 ist als ein siliziumhaltiges Opfersubstrat ausgebildet, dessen zum Aufnahmeraum weisende Oberfläche bei einer Behandlungstemperatur pro Flächeneinheit (Projektionsfläche) eine größere Menge an Silizium abgeben kann als eine Vorderseite 9 eines zu behandelnden Siliziumcarbid-Wafers 2. Hierdurch kann bei einer thermischen Behandlung primär über das Opfersubstrat ein ausreichender Siliziumpartialdruck im Inneren des Aufnahmeraums 18 ausgebildet werden, der ein Ausgasen von Silizium aus dem Siliziumcarbid-Wafer 2 unterdrückt.
-
Eine Vielzahl solcher Aufnahmevorrichtung 15 kann zum Beispiel jeweils mit einem aufgenommenen Siliziumcarbid-Wafer 2 anstelle der Opfersubstrate 8 und Siliziumcarbid-Wafer 2 in der Vorrichtung gemäß 1 vorgesehen sein, wobei gegebenenfalls der nicht dargestellte Träger angepaßt werden müßte.
-
Vorzugsweise sind sowohl der Träger 16 als auch die Trägerabdeckung 17 als Opfersubstrate ausgebildet, und bestehen beispielsweise aus Siliziumcarbid, dessen zum Aufnahmeraum weisenden Oberflächen zum Beispiel eine größer Rauheit aufweisen als die Vorderseite eines aufzunehmenden Siliziumcarbid-Wafer 2. Sie können aber auch wieder aus Graphit oder einem anderen geeigneten Material bestehen, dessen Oberflächen mit Silizium infiltriert sind. Dies kann beispielsweise durch Erwärmen der jeweiligen Elemente im Beisein von Silizium enthaltendem Material, insbesondere reinem Silizium auf eine Temperatur, erreicht werden, bei der das Silizium verdampft und sich auf den Elementen absetzt. Auch ist ein Implantieren mit Silizium oder ein anderes Verfahren zum Vorsehen von Silizium an/in dem Grundmaterial des Opfersubstrats denkbar. Das Opfersubstrat kann gegebenenfalls mehrfach eingesetzt werden, wobei es zwischen thermischen Behandlungsschritten mit Silizium angereichert werden kann, um jeweils eine ausreichende Menge an Silizium bereitstellen zu können. Die Erfindung wurde anhand einiger Ausführungsformen näher erläutert, ohne auf die konkreten Ausführungsformen beschränkt zu sein. So können zum Beispiel zusätzlich zu den Opfersubstraten 8 auch die Liner 5 und/oder nach innen weisenden Ofenwände 3 eine Oberfläche aufweisen, die geeignet ist bei der Behandlungstemperatur Silizium abzugeben. Insbesondere könne sie auch so ausgebildet sein, dass sie als Opfersubstrate bezeichnet werden können. Insbesondere hinsichtlich der Form und der Materialien für die Opfersubstrate werden sich dem Fachmann zahlreiche alternativen zu den konkret genannten ergeben.
