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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung eines einkristallinen SiC-Substrats sowie ein einkristallines SiC-Substrat.
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Das Halbleitermaterial Siliziumcarbid (= SiC) wird aufgrund seiner herausragenden physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften unter anderem auch als Substratmaterial für elektronische Bauelemente, für optische Bauelemente und für Hochfrequenzbauelemente eingesetzt. Zur Herstellung dieser Bauelemente werden einkristalline SiC-Substrate verwendet, die verschiedenen Bauelemente-Prozessierungsschritten unterzogen werden. So wird z.B. oft auf eine Hauptoberfläche des einkristallinen SiC-Substrats zunächst mindestens eine epitaktische Schicht aufgebracht. Weitere Bauelemente-Prozessierungsschritte folgen. Die Qualität der verwendeten einkristallinen SiC-Substrate spielt dabei eine wichtige Rolle für die später erzielbare Qualität der auf dieser Basis hergestellten Bauelemente. Die einkristallinen SiC-Substrate werden vor ihrer Verwendung im Rahmen der Bauelemente-Herstellung von einem SiC-Volumeneinkristall abgesägt und danach Bearbeitungsschritten zur Erzielung einer hohen Oberflächengüte, insbesondere Schleif- und/oder Polierschritten, unterzogen. Am Ende erfolgt eine Reinigung der Hauptoberfläche.
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In der
JP 2014 086 709 A wird ein Verfahren zur nasschemischen Reinigung eines SiC-Substrats beschrieben, bei dem zumindest eine Säure als Reinigungssuspension zum Einsatz kommt.
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In der
CN 104 167 351 A wird ein anderes Reinigungsverfahren für SiC-Substrat beschrieben, bei dem eine spezielle Reinigungsbürste verwendet wird.
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Die vor der epitaktischen Weiterbearbeitung durchgeführte nasschemische Reinigung von Halbleiter-Substraten unter Verwendung starker Laugen und/oder Säuren ist auch in der Silizium-Technologie bekannt. So wird beispielsweise in der
JP 2001 326 209 A ein Verfahren zur Reinigung eines Silizium-Substrats mittels einer Lösung aus Wasserstoffperoxid und Ammoniumhydroxid offenbart. In der
JP H10 335 375 A wird ein Reinigungsverfahren für zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen bestimmten Substraten beschrieben, bei dem der zur reinigenden Hauptoberfläche des Substrats Reinigungswasser zugeführt wird.
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Obwohl Reinigungsverfahren für Halbleiter-Substrate und insbesondere auch für SiC-Substrate bereits seit geraumer Zeit bekannt sind, besteht nach wie vor Verbesserungsbedarf im Hinblick auf den Reinheitsgrad an der Hauptoberfläche, auf die bei der folgenden Bauelemente-Herstellung eine epitaktische Schicht aufgebracht wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein gegenüber den bekannten Lösungen verbessertes Verfahren zur Reinigung eines SiC-Substrats sowie ein verbessertes einkristallines SiC-Substrat anzugeben.
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Zur Lösung der das Verfahren betreffenden Aufgabe wird ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein solches, bei dem das SiC-Substrat nach einem vorangegangenen Bearbeitungsschritt, bei dem das SiC-Substrat entweder direkt oder indirekt mit einer metallhaltigen Substanz oder mit einer Metallkomponente einer zur Durchführung des Bearbeitungsschritts verwendeten Bearbeitungsmaschine in Kontakt gekommen ist, einer nachgeordneten Reinigung unterzogen wird, und die nachgeordnete Reinigung eine thermisch unterstütze Reinigung ist, bei der das SiC-Substrat auf eine Reinigungstemperatur von mindestens 1000°C erhitzt wird, um im Rahmen des vorangegangenen Bearbeitungsschritts auf eine Hauptoberfläche des SiC-Substrats aufgebrachte metallische Verunreinigungen wieder zu entfernen.
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Es wurde erkannt, dass sich die Qualität des Reinigungsverfahrens erheblich verbessern lässt, wenn anstelle der bekannten nasschemischen Verfahren oder zumindest zusätzlich zu den bekannten nasschemischen Verfahren ein thermisch unterstütztes, also insbesondere ein physikalisches, Verfahren durchgeführt wird. Dieses thermisch unterstützte Reinigungsverfahren ist dabei insbesondere der letzte Bearbeitungsschritt im Rahmen der Herstellung bzw. Bereitstellung eines SiC-Substrats, das danach im Rahmen der Bauelemente-Herstellung weiter verwendet wird.
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Weiterhin wurde erkannt, dass nach Durchführung der bekannten (insbesondere nasschemischen) Reinigungsverfahren auf der Hauptoberfläche des SiC-Substrats nach wie vor ein erheblicher Anteil metallischer Verunreinigungen vorhanden ist. Die Ursache für diese metallischen Verunreinigungen ist in den vorherigen Bearbeitungsschritten des SiC-Substrats, und insbesondere sogar auch in den bislang zum Einsatz kommenden Reinigungsverfahren, zu sehen. So kommen bei diesen Bearbeitungsschritten, bei denen es sich beispielsweise um das Absägen des SiC-Substrats von einem SiC-Volumeneinkristall oder auch um das chemo-mechanische Polieren der Hauptoberfläche handeln kann, oftmals Metall-Werkzeuge und/oder metallhaltige Suspensionen (englisch: Slurry) zum Einsatz. Außerdem werden bei bisher bekannten Reinigungsverfahren zumindest teilweise auch Metallbürsten verwendet. Dies alles führt dazu, dass nach Abschluss der bisherig üblichen Bearbeitungs- und Reinigungsschritte die dann vorliegenden SiC-Substrate an ihren Hauptoberflächen metallische Verunreinigungen haben, die insbesondere ungebunden, d. h. nicht in das SiC-Kristallgitter eingebettet, auf der Hauptoberfläche des SiC-Substrats aufliegen.
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Es wurde außerdem erkannt, dass derartige metallische Verunreinigungen bei der nachfolgenden Bauelemente-Herstellung nachteilige Auswirkungen haben. Sie können beispielsweise die Ursache für Defekte in der auf dieser Hauptoberfläche aufzubringenden epitaktischen Schicht sein. Außerdem ist es auch möglich, dass diese metallischen Verunreinigungen durch die üblicherweise sehr dünne epitaktische Schicht hindurch diffundieren und die elektrische Funktionsfähigkeit der in die epitaktische Schicht eingebrachten Bauelemente-Struktur beeinträchtigen. Deshalb ist es für eine effiziente und möglichst ausschussarme Bauelemente-Herstellung sehr vorteilhaft, wenn der Anteil an metallischen Verunreinigungen auf der Hauptoberfläche des SiC-Substrats weiter reduziert und im Idealfall sogar komplett beseitigt wird.
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Eine weitere Erkenntnis liegt darin, dass sich die auf der Hauptoberfläche des SiC-Substrats befindenden metallischen Verunreinigungen sehr günstig und effizient mittels einer Erhitzung des SiC-Substrats auf eine Reinigungstemperatur von mindestens 1000°C entfernen oder zumindest erheblich reduzieren lassen. Durch diese starke Erhitzung erfolgt eine thermische Aktivierung dieser metallischen Verunreinigungen, so dass sie von der Hauptoberfläche des SiC-Substrats abdampfen. Die metallischen Verunreinigungen werden zumindest zu einem erheblichen Teil entfernt. Es ergibt sich eine vorteilhafte Reinigungswirkung.
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Die Reinigungstemperatur, auf die das SiC-Substrat erhitzt wird, liegt insbesondere unterhalb von 2200°C, vorzugsweise unterhalb von 1800°C. Dadurch ist ein guter Kompromiss zwischen der erreichbaren Oberflächenreinheit einerseits und der Unversehrtheit der Oberfläche des SiC-Materials (= Oberflächenqualität) andererseits zu erreichen. Im Hinblick auf ein Abdampfen der auf der Hauptoberfläche des SiC-Substrats befindlichen metallischen Verunreinigungen ist insbesondere eine möglichst hohe Reinigungstemperatur wünschenswert. Dagegen kann es bei sehr hohen Temperaturen auch zu einem unerwünschten Abdampfen von SiC-Komponenten aus dem Kristallgitter des SiC-Substrats kommen, was dann zu einer Reduzierung der Oberflächenqualität führen würde. Bei Einhaltung der vorstehend genannten bevorzugten Temperaturobergrenzen lassen sich insbesondere beide Vorgaben, nämlich sowohl eine hohe Oberflächenreinheit als auch eine hohe Oberflächenqualität, sehr gut erreichen.
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Jedenfalls kann mit dem erfindungsgemäßen Reinigungsverfahren ein erheblich niedrigerer Anteil an metallischen Verunreinigungen auf der Hauptoberfläche des SiC-Substrats erzielt werden, als dies mit den bisher bekannten Reinigungsverfahren für SiC-Substrate möglich ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
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Günstig ist eine Ausgestaltung, bei der die nachgeordnete Reinigung in einem Reaktor durchgeführt wird, wobei ein Innenraum des Reaktors mit metallfreiem Material umgeben ist. Dadurch wird verhindert, dass das SiC-Substrat während des Reinigungsvorgangs erneut mit metallischen Substanzen in Kontakt kommt und wieder mit Metall verunreinigt wird. Insbesondere besteht zumindest eine Reaktorinnenwand aus metallfreiem Material oder ist eine Reaktorwand innen mit einer Verkleidung oder Beschichtung aus metallfreiem Material versehen. Vorzugsweise wird dabei Graphit oder Glas als metallfreies Material verwendet. Diese Materialien sind sehr temperaturbeständig und eignen sich deshalb besonders gut für einen Einsatz bei der thermischen Reinigungsbehandlung des SiC-Substrats.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung wird das SiC-Substrat auf eine Reinigungstemperatur von mindestens 1400°C erhitzt. Dadurch dampfen noch mehr metallische Verunreinigungen ab.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung wird das SiC-Substrat während der nachgeordneten Reinigung mindestens einmal auf eine Ruhetemperatur abgekühlt und danach wieder auf die Reinigungstemperatur erhitzt. Insbesondere erfolgt die Abkühlung und Wiedererhitzung genau einmal. Es kann aber auch ein wiederholtes sukzessives Abkühlen und Wiedererhitzen, vorzugsweise ein bis zu fünfmaliges Abkühlen und Wiedererhitzen, stattfinden. Die von der Hauptoberfläche abgedampften metallischen Verunreinigungen scheiden sich vorteilhafterweise z.B. an einer Reaktorinnenwand ab, die insbesondere kälter ist als das zu Reinigungszwecken erhitzte SiC-Substrat. Durch die zwischenzeitliche Abkühlung lässt sich dieser günstige Abscheidungseffekt verstärken, wodurch dann auch ein höherer Reinigungseffekt an der Hauptoberfläche des SiC-Substrats resultiert. Als Ruhetemperatur wird dabei insbesondere ein Temperaturwert von etwa 500 °C eingestellt. Aber auch noch niedrigere Temperarturwerte bis hin zur Raumtemperatur sind grundsätzlich möglich.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung wird eine siliziumhaltige Gasphase erzeugt, die das SiC-Substrat während der nachgeordneten Reinigung umgibt. Durch den sich daraus ergebenden Silizium-Partialdruck vor der Hauptoberfläche des SiC-Substrats wird ein Abdampfen von Silizium-Atomen aus dem Kristallgitter des SiC-Substrats während der thermischen Reinigungsbehandlung zumindest weitgehend unterdrückt. Die Abdampfung von Silizium beginnt bei niedrigeren Temperaturen als die von Kohlenstoff, weshalb es besonders vorteilhaft ist, eine siliziumhaltige Gasphase zu verwenden. Sie ist wirksamer als eine grundsätzlich ebenfalls mögliche kohlenstoffhaltige Gasphase. Vorzugsweise wird dabei die siliziumhaltige Gasphase dadurch erzeugt, dass einem Reaktorinnenraum, innerhalb dessen sich das SiC-Substrat während der nachgeordneten Reinigung befindet, Silan (SiH4) oder ein anderes siliziumhaltiges Gas zugeführt wird. Silan ist leicht verfügbar. Insbesondere kann die Dosierung z.B. über eine Gaszuführung sehr exakt eingestellt und/oder geregelt werden. Bei der Reinigungstemperatur von mindestens 1000°C zersetzt sich das Silan und es entstehen unter anderem Wasserstoff-Ionen, die zu einem weiteren Reinigungseffekt führen. Wasserstoffhaltige Gase reagieren nämlich sehr gut mit den Metallen, die sich als Verunreinigungen auf der Hauptoberfläche befinden.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung wird einem Reaktorinnenraum, innerhalb dessen sich das SiC-Substrat während der nachgeordneten Reinigung befindet, ein Schutzgas zugeführt. Bei dem Schutzgas kann es sich insbesondere um Argon oder Stickstoff handeln. Durch die Schutzgaszuführung wird vor der zu reinigenden Hauptoberfläche des SiC-Substrats ein Gasdruck erzeugt, der einerseits einem unerwünschten Abdampfen von SiC-Komponenten aus dem Kristallgitter des SiC-Substrats entgegenwirkt, andererseits aber das erwünschte Abdampfen der ungebunden auf der Hauptoberfläche liegenden metallischen Verunreinigungen zulässt.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung wird einem Reaktorinnenraum, innerhalb dessen sich das SiC-Substrat während der nachgeordneten Reinigung befindet, zumindest zeitweise ein wasserstoffhaltiges Prozessgas, insbesondere Silan (SiH4) und/oder reiner Wasserstoff (H2), zugeführt. Dabei kann der Reaktorinnenraum mit dem wasserstoffhaltigen Prozessgas insbesondere einmalig vor der nachgeordneten Reinigung gefüllt oder vorzugsweise laufend während der nachgeordneten Reinigung gespült werden. Die Zuführung des wasserstoffhaltigen Prozessgases kann außerdem vorzugsweise auch wiederholt, insbesondere zyklisch wiederholt werden. Wie vorstehend ausgeführt reagieren wasserstoffhaltige Gase sehr gut mit den auf der Hauptoberfläche des SiC-Substrats befindlichen metallischen Verunreinigungen. Die so entstandenen metallhaltigen Wasserstoff-Gase scheiden sich dann, wie ebenfalls vorstehend ausgeführt, z.B. an einer kalten Reaktorinnenwand oder an einer anderen kalten Innenfläche des Reaktors ab.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung wird die Hauptoberfläche des SiC-Substrats während der nachgeordneten Reinigung zumindest zeitweise durch reaktives Ionenätzen (englisch: Reactive Ion Etching, abgekürzt durch RIE) behandelt. Dadurch werden auf der Hauptoberfläche des SiC-Substrats befindliche metallische Verunreinigungen abgetragen. Auch die RIE-Behandlung kann vorzugsweise wiederholt werden, insbesondere zyklisch. Wird der Ionenbeschuss abgebrochen, befinden sich noch Metalle in der Gasphase über der Hauptoberfläche des SiC-Substrats. Geringe Mengen werden sich nach einer Unterbrechung der RIE-Behandlung wieder auf der Hauptoberfläche des SiC-Substrats abscheiden. Durch eine (zyklische) Wiederholung der RIE-Behandlung kann dann ausgehend von einem niedrigeren Verunreinigungsgrad eine höhere finale Oberflächenreinheit erreicht werden. Bei der RIE-Behandlung werden vorzugsweise Tetrafluorkohlenstoff (CF4) und Sauerstoff (O2) als Prozessgase zugeführt. Sauerstoff ist ein oft verwendetes Oxidationsmittel. Er bewirkt eine Oxidation insbesondere der auf der Hauptoberfläche des SiC-Substrats befindlichen metallischen Verunreinigungen. Es werden Metalloxide (MeO) gebildet. Um nach Möglichkeit zu vermeiden, dass sich aus diesen Metalloxiden (MeO) ein Belag auf der Hauptoberfläche bildet, wird der Sauerstoff der Metalloxide (MeO) durch Fluor, das insbesondere aus dem weiteren zugeführten Prozessgas Tetrafluorkohlenstoff (CF4) stammt und das eine sehr hohe, und insbesondere verglichen mit Sauerstoff höhere Elektronegativität hat, substituiert. Das so entstandene fluorhaltige Gas (MeFx) kann dann ohne weiteres gasförmig abgeführt werden. Das Gasgemisch aus Tetrafluorkohlenstoff (CF4) und Sauerstoff (O2) reagiert insbesondere sehr gut mit unedlen Metallen, wie z.B. Eisen.
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Zur Lösung der das SiC-Substrat betreffenden Aufgabe wird ein SiC-Substrat entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 12 angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen einkristallinen SiC-Substrat handelt es sich um ein solches, an oder auf dessen Hauptoberfläche eisenhaltige Verunreinigungen mit einem Eisen-Verunreinigungsgrad von kleiner als 1010 cm–2 vorhanden sind.
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Die eisenhaltigen Verunreinigungen sind dabei insbesondere eine Art von metallischen Verunreinigungen. Sie können beispielsweise in Form von Eisen-Partikeln vorliegen, wobei es sich aber auch nur um einzelne Eisen-Atome handeln kann. Diese Eisen (Fe) enthaltenden Verunreinigungen sind wiederum insbesondere nicht in das SiC-Kristallgitter des SiC-Substrats eingebunden. Sie liegen insbesondere mehr oder weniger lose auf der Hauptoberfläche auf. Der Eisen-Verunreinigungsgrad gibt insbesondere die Anzahl der auf der Hauptoberfläche befindlichen Eisen-Atome pro Fläche an.
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Es wurde erkannt, dass vor allem eisenhaltige Verunreinigungen in nennenswertem Umfang als metallische Verunreinigung auf der Hauptoberfläche von SiC-Substraten nach deren Herstellung vorhanden sind. Weiterhin wurde erkannt, dass derartige eisenhaltige Verunreinigungen bei der sich anschließenden Bauelemente-Herstellung besonders störend sind. Deshalb ist das erfindungsgemäße SiC-Substrat, das sich durch einen besonders niedrigen Verunreinigungsgrad an eisenhaltigen Verunreinigungen auszeichnet, besonders gut für die Weiterverwendung in der Bauelemente-Herstellung geeignet. Die Erfassung des Metall- bzw. Eisen-Verunreinigungsgrads erfolgt nach an sich bekannten Messmethoden. Eine aus der Silizium-Technologie bekannte derartige physikalische Messmethode ist insbesondere die z.B. in der
JP H10 307 087 A beschriebene Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse (englisch: total reflection x-ray fluorescence, abgekürzt durch TXRF). Eine ebenfalls bekannte chemische Messmethode ist insbesondere die z.B. in dem
Fachaufsatz „Enrichment of metal ions in virgin Si-surfaces" von Meißner, D. et al., Energy Procedia 27 (2012) 27–32 beschriebene Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (englisch: inductively coupled plasma mass spectrometry, abgekürzt durch ICP-MS).
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Der niedrige Eisen-Verunreinigungsgrad von kleiner als 1010 cm–2 lässt sich insbesondere durch ein Reinigungsverfahren erzielen, bei dem das SiC-Substrat auf eine Reinigungstemperatur von mindestens 1000°C erhitzt wird. Das vorteilhafte Abdampfen der metallischen Verunreinigungen, insbesondere der eisenhaltigen Verunreinigungen, ab dieser Reinigungstemperatur ist vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Reinigungsverfahren erläutert worden. Nach einer derartigen Reinigung liegt das erfindungsgemäße SiC-Substrat mit der sehr günstigen hohen Oberflächenreinheit, gekennzeichnet durch den genannten niedrigen Eisen-Verunreinigungsgrad, vor.
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Das erfindungsgemäße SiC-Substrat erfüllt die industriellen Anforderungen bezüglich eines Einsatzes zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen. Eine senkrecht zur Hauptoberfläche gemessene Substratdicke eines solchen SiC-Substrats liegt insbesondere im Bereich zwischen etwa 100 µm und etwa 1000 µm und vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 200 µm und etwa 500 µm, wobei die Substratdicke eine über die komplette Hauptoberfläche betrachtete globale Dickenschwankung von vorzugsweise höchstens 20 µm aufweist. Eine beispielhafte Substratdicke beträgt etwa 350 µm. Weiterhin hat die Hauptoberfläche insbesondere eine niedrige Oberflächenrauigkeit, welche durch die folgenden Rauigkeitswerte Rt, Ra und Sa definiert ist. Der Rt-Wert, der den Unterschied zwischen höchstem und niedrigstem Messpunkt angibt, ist insbesondere kleiner als 2 nm. Der Ra-Wert, der gemessen auf einer Linie mit einer Länge von 0,1 mm die mittlere Abweichung von einem Mittelwert angibt, ist insbesondere kleiner als 0,5 nm. Der Sa-Wert, der gemessen auf einer Fläche von 1 mm2 die mittlere Abweichung von einem Mittelwert angibt, ist insbesondere kleiner als 0,5 nm. Das SiC-Substrat hat eine gewisse mechanische Stabilität und ist insbesondere selbsttragend. Es hat bevorzugt eine im Wesentlichen runde Scheibenform, d.h. die Hauptoberfläche ist praktisch rund. Gegebenenfalls kann aufgrund mindestens einer am Umfangsrand vorgesehenen Kennzeichnungsmarkierung eine geringfügige Abweichung von der exakt kreisrunden Geometrie vorliegen. Die im Wesentlichen runde Hauptoberfläche hat einen Durchmesser von insbesondere mindestens 7,62 cm, und vorzugsweise von bis zu 10 cm oder bevorzugt von bis zu 15 cm. Auch noch größere Durchmesser sind möglich.
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Ansonsten bieten das erfindungsgemäße SiC-Substrat und seine günstigen Varianten im Wesentlichen die gleichen Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Reinigungsverfahren und dessen günstigen Varianten beschrieben worden sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen SiC-Substrats ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 12 abhängigen Ansprüche.
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Günstig ist eine Ausgestaltung, bei der der Eisen-Verunreinigungsgrad kleiner als 109 cm–2 ist. Die Oberflächenreinheit ist dann noch höher, so dass mit einem solchen SiC-Substrat noch hochwertigere Bauelemente hergestellt werden können. Dieser niedrige Verunreinigungsgrad lässt sich insbesondere durch eine thermische Reinigung erreichen, bei der das SiC-Substrat auf eine Reinigungstemperatur von mindestens 1400°C erhitzt wird.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist ein Verunreinigungsgrad mit jedem der Metalle aus der Gruppe von Titan (Ti), Chrom (Cr), Nickel (Ni), Kupfer (Cu) und Tantal (Ta) jeweils kleiner als 1010 cm–2. Diese Metalle kommen – neben Eisen (Fe) – ebenfalls als metallische Verunreinigungen auf oder an der Hauptoberfläche des SiC-Substrats in Betracht. Auch sie können die Qualität von und/oder die Ausbeute an Bauelementen verschlechtern, wenn sie sich in nennenswertem Umfang auf oder an der Hauptoberfläche des SiC-Substrats befinden, das zur Herstellung der Bauelemente verwendet wird. Deshalb ist es vorteilhaft, dass bei dem SiC-Substrat in dieser Ausgestaltung für jedes dieser Metalle der genannte sehr niedrige Verunreinigungsgrad gegeben ist. Der Verunreinigungsgrad gibt wiederum insbesondere die Atomanzahl des jeweiligen Metalls pro Fläche an.
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Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist ein Verunreinigungsgrad mit jedem der Metalle aus der Gruppe von Lithium (Li), Natrium (Na), Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Kalium (K), Calcium (Ca), Titan (Ti), Vanadium (V), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Arsen (As), Strontium (Sr), Molybdän (Mo), Cadmium (Cd), Barium (Ba), Wolfram (W), Blei (Pb), Bismut (Bi), Tantal (Ta) jeweils kleiner als 1010 cm–2. Der Begriff Metalle soll hierbei insbesondere auch Halbmetalle mit umfassen. All diese Metalle können sich – neben Eisen (Fe) – als metallische Verunreinigungen auf oder an der Hauptoberfläche des SiC-Substrats befinden und sich nachteilig bei der Bauelemente-Herstellung auswirken. Insofern ist der jeweils für jedes dieser Metalle geltende genannte sehr niedrige Verunreinigungsgrad sehr günstig. Der Verunreinigungsgrad gibt wiederum insbesondere die Atomanzahl des jeweiligen Metalls pro Fläche an.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 ein SiC-Substrat während einer durch thermische Aktivierung unterstützten Reinigung,
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2 das SiC-Substrat gemäß 1 während einer zusätzlich durch ein Wasserstoff-Plasma unterstützten Reinigung,
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3 das SiC-Substrat gemäß 1 während einer zusätzlich durch ein Fluor-Plasma unterstützten Reinigung, und
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4 einen Reinigungsreaktor zur Durchführung einer thermisch unterstützten Reinigung mehrerer SiC-Substrate.
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Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch Einzelheiten der im Folgenden näher erläuterten Ausführungsbeispiele können für sich genommen eine Erfindung darstellen oder Teil eines Erfindungsgegenstands sein.
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In 1 wird ein Ausführungsbeispiel eines einkristallinen SiC-Substrats 1 mit einer Hauptoberfläche 2 gezeigt. Das SiC-Substrat 1 ist zur Weiterverwendung in der Herstellung von SiC-Bauelementen bestimmt. Im Rahmen der Bauelemente-Herstellung wird später unter anderem eine dünne einkristalline epitaktische SiC-Schicht auf die Hauptoberfläche 2 des SiC-Substrats 1 aufgebracht. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn diese Hauptoberfläche 2 eine hohe Oberflächenreinheit und insbesondere auch eine hohe Oberflächenqualität aufweist.
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Eine hohe Oberflächenqualität bedeutet, dass das SiC-Kristallgitter an der Hauptoberfläche 2 insbesondere möglichst ungestört und defektfrei ist. Außerdem sollte eine Oberflächenrauigkeit an der Hauptoberfläche 2 vorzugsweise einen Rt-Wert von kleiner als 2 nm, einen Ra-Wert von kleiner als 0,5 nm und einen Sa-Wert von kleiner als 0,5 nm haben.
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Eine hohe Oberflächenreinheit bedeutet, dass sich an der Hauptoberfläche 2 insbesondere möglichst wenige metallische Verunreinigungen 3 befinden. Es hat sich gezeigt, dass ungebunden an der Hauptoberfläche 2 eines SiC-Substrats 1 vorhandene metallische Verunreinigungen 3 einen nachteiligen Einfluss bei der Bauelemente-Herstellung ausüben können.
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Deshalb wird das SiC-Substrat 1 vor seiner Verwendung im Rahmen der Bauelemente-Herstellung einer Reinigung unterzogen. In 1 ist eine thermisch unterstützte Reinigung des SiC-Substrats 1 schematisch dargestellt. Dabei wird das SiC-Substrat 1 auf eine Reinigungstemperatur von mindestens 1000°C erhitzt. Es handelt sich also um eine thermisch unterstützte Reinigung. Durch diese Erhitzung werden metallische Verunreinigungen 3, die sich ungebunden an der Hauptoberfläche 2 befinden, thermisch aktiviert und abgedampft, wodurch ein erheblicher Reinigungseffekt eintritt.
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Gemäß der in 2 gezeigten Ausgestaltung kann die in 1 gezeigte thermische Reinigung durch ein Wasserstoff-Plasma 4 unterstützt werden. Hierzu wird einem (in den 1 bis 3 nicht gezeigten) Reaktorinnenraum, innerhalb dessen sich das SiC-Substrat 1 während der Reinigung befindet, ein wasserstoffhaltiges Prozessgas zugeführt. Aus diesem Prozessgas wird das Wasserstoff-Plasma 4 erzeugt, das die Reinigungswirkung unterstützt.
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Gemäß der in 3 gezeigten Ausgestaltung kann die Reinigungswirkung außerdem auch durch ein zusätzliches Fluor-Plasma 5 unterstützt werden. Dies kann beispielsweise im Rahmen einer RIE-Behandlung erfolgen. Die Hauptoberfläche 2 wird dabei zusätzlich einer reaktiven Ionenätzung unterzogen. Bei der RIE-Behandlung werden dem Reaktorinnenraum CF4 und O2 als Prozessgasse zugeführt. Die zugeführten Gase werden durch das Plasma ionisiert, und es bildet sich das in 3 gezeigte Fluor-Plasma 5. Die ionisierten Gase unterstützen eine Reaktion mit den auf der Hauptoberfläche 2 befindlichen metallischen Verunreinigungen 3, wodurch dann auch eine Reinigungswirkung erzielt wird.
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Die zusätzliche Verwendung des in 2 gezeigten Wasserstoff-Plasmas 4 und des in 5 gezeigten Fluor-Plasmas 5 ist optional. Sie kann außerdem nur zeitweise und insbesondere sequentiell vorgesehen sein. Die in den 1 bis 3 schematisch gezeigten Reinigungsmechanismen, also die thermische Aktivierung gemäß 1, das Wasserstoff-Plasma 4 gemäß 2 und das Fluor-Plasma 5 gemäß 3, sind jeweils physikalische Verfahren, deren Ziel darin besteht, metallische Verunreinigungen 3 von der Hauptoberfläche 2 des SiC-Substrats 1 zu entfernen. Diese Reinigungswirkung gelingt mit den in den 1 bis 3 angedeuteten Mechanismen sehr gut.
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In 4 wird ein Ausführungsbeispiel eines Reinigungsreaktors 6 gezeigt, der zur Durchführung einer der anhand von 1 bis 3 erläuterten Reinigungsmechanismen zum Einsatz kommt. Insbesondere wird also eine thermisch unterstützte Reinigung von mehreren innerhalb eines Reaktorinnenraums 7 des Reinigungsreaktors 6 angeordneten SiC-Substraten 1 durchgeführt. Der Reinigungsreaktor 6 ist doppelwandig ausgeführt. Er umfasst eine äußere Reaktorwand 8 und eine innere Reaktorwand 9, die den Reaktorinnenraum 7 umschließt. Die innere Reaktorwand 9 besteht aus einem metallfreien Wandmaterial, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere aus Graphit. Dadurch wird verhindert, dass zufällig aus der inneren Reaktorwand 9 austretendes Material sich als unterwünschte metallische Verunreinigung 3 auf den gerade diesbezüglich zu reinigenden SiC-Substraten 1 erneut niederschlägt.
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Bei den zu entfernenden metallischen Verunreinigungen 3 handelt es sich insbesondere um Eisen, aber auch um Lithium, Natrium, Magnesium, Aluminium, Kalium, Calcium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Arsen, Strontium, Molybdän, Cadmium, Barium, Wolfram, Blei, Bismut und/oder Tantal. Nach Abschluss des thermisch und gegebenenfalls zusätzlich durch das Wasserstoff-Plasma 4 und/oder das Fluor-Plasma 5 unterstützten Reinigungsverfahrens haben die SiC-Substrate 1 an der jeweiligen Hauptoberfläche 2 einen erheblich reduzierten Verunreinigungsgrad in Bezug auf sämtliche der vorstehend genannten Metalle. Insbesondere die Reduzierung des Eisen-Verunreinigungsgrads wirkt sich sehr vorteilhaft auf die nachfolgende Bauelemente-Herstellung aus.
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Der jeweilige Verunreinigungsgrad liegt für jedes der genannten Metalle insbesondere unterhalb von 1010 cm–2. Der Eisen-Verunreinigungsgrad kann beispielsweise bei einer Anhebung der Reinigungstemperatur auf Werte von mehr als 1400°C sogar auf unter 109 cm–2 reduziert werden. So niedrige metallische Verunreinigungsgrade lassen sich mit den bisher bekannten Reinigungsverfahren nicht erzielen. Demnach sind auch SiC-Substrate, die bislang zur Bauelemente-Herstellung verwendet werden und mittels der bisherigen Reinigungsverfahren gereinigt worden sind, in ihrem metallischen Verunreinigungsgrad an der Hauptoberfläche nicht vergleichbar mit den mittels der hier beschriebenen physikalischen Reinigungsverfahren gereinigten SiC-Substraten. Die metallischen Verunreinigungsgrade (= Anteile an metallischen Verunreinigungen 3) sind bei den hier beschriebenen SiC-Substraten 1 deutlich niedriger.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2014086709 A [0003]
- CN 104167351 A [0004]
- JP 2001326209 A [0005]
- JP 10335375 A [0005]
- JP 10307087 A [0025]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Fachaufsatz „Enrichment of metal ions in virgin Si-surfaces“ von Meißner, D. et al., Energy Procedia 27 (2012) 27–32 [0025]
