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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein einkristallines SiC-Verbundmaterial
zur Herstellung einer Halbleiteranordnung und ein Verfahren zur
Herstellung desselben, und insbesondere ein einkristallines SiC-Verbundmaterial
zur Herstellung beispielsweise einer Hochtemperatur- oder Hochfrequenzanordnung
oder einer strahlungsresistenten Anordnung wie z. B. einer Licht
emittierenden Diode, eines optischen Röntgenelements, eines Schaltelements,
eines Verstärkungselements
oder eines optischen Sensors, und ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen einkristallinen SiC-Verbundmaterials.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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SiC
(Siliziumkarbid) weist ausgezeichnete Wärmebeständigkeit und mechanische Festigkeit
sowie gute Strahlungsresistenz auf. Daneben ist die Valenzsteuerung
von Elektronen und Löchern
durch Dotieren mit einem Fremdstoffleicht zu bewerkstelligen. Außerdem weist
SiC einen breiten Bandabstand auf (beispielsweise hat einkristallines
6H-SiC einen Bandabstand von ca. 3,0 eV, und einkristallines 4H-SiC
hat einen Bandabstand von 3,26 eV). Daher ist es möglich, eine
Hochtemperatureigenschaft, eine Hochfrequenzeigenschaft, eine dielektrische
Eigenschaft und eine Strahlungsresistenzseigenschaft zu erzielen,
die mit vorhandenen Halbleitermaterialien wie z. B. Si (Silizium)
und GaAs (Galliumarsenid) nicht erzielt werden können. Für eine Halbleiteranordnung
der nächsten
Generation wird SiC als Material erwartet, und es werden intensive
Studien zur praktischen Verwendung von SiC durchgeführt.
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Als
Mittel zur effizienten Verwendung solcher ausgezeichneter Eigenschaften
von SiC als Material zur Herstellung einer Halbleiteranordnung ist
herkömmlicherweise
ein Verfahren bekannt, bei dem ein einkristallines kubisches SiC
(β-SiC)
im chemischen Dampfabscheidungsverfahren (heteroepitaxialen Züchtungsverfahren)
auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat epitaktisch aufgezüchtet wird,
wodurch ein einkristallines SiC-Material zur Herstellung einer Halbleiteranordnung
erzielt wird.
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Hinsichtlich
eines einkristallinen SiC-Materials, das unter Verwendung von einkristallinem Silizium
als Substrat und durch epitaktisches Aufzuchten von einkristallinem
SiC auf der Oberfläche
des Substrates im heteroepitaxialen Züchtungsverfahren erzeugt wird,
wie oben beschrieben, kann ein einkristallines SiC-Material mit
größerer Fläche leicht
in großer Menge
und auf kostengünstige
Weise erzielt werden, verglichen mit einem Material, das in einem
anderen herkömmlichen
Herstellungsverfahren wie z. B. dem Sublimations-Umkristallisierungsverfahren oder dem verbesserten
Sublimations-Umkristallisierungsverfahren hergestellt wird. Das
Herstellungsverfahren ist daher rationell und kostengünstig. Andererseits
hat einkristallines Silizium, das als Substrat für ein solches einkristallines
SiC-Material verwendet wird, einen Schmelzpunkt von nur 1.400°C. Das Substrat
ist daher instabil. In einem Anbringungsverfahren für eine Halbleiteranordnung,
das bei einer hohen Temperatur von 1.500°C oder darüber durchgeführt wird, z.
B. Hochtemperaturglühen
bei der Dotierung mit P- oder
N-Fremdstoffen, verschwindet ein Siliziumsubstrat beispielsweise;
oder es wird, selbst wenn ein Siliziumsubstrat nicht verschwindet,
die Dicke extrem verringert. Die bei der Verwendung und Handhabung eines
Materials zur Herstellung einer Halbleiteranordnung erforderliche
Dicke und Festigkeit sind somit schwer sicherzustellen. Daher ergibt
sich der Nachteil, dass es in einer aus einem einkristallinen SiC-Material
hergestellten Halbleiteranordnung leicht zu Verwerfungen oder Verformungen
kommt.
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Die
meisten im heteroepitaxialen Züchtungsverfahren
auf Siliziumsubstraten erzeugten einkristallinen SiC-Filme sind
dünn bzw.
weisen eine Dicke von einigen um oder darunter auf. Die Dicke eines solchen
einkristallinen SiC-Films reicht nicht aus, um eine Verwendung des
Films wie bei der Herstellung einer Halbleiteranordnung zu ermöglichen.
Für die Verwendung
eines solchen dünnen,
einkristallinen SiC-Films bei der Herstellung einer Halbleiteranordnung
muss der auf einem Siliziumsubstrat aufgezüchtete einkristalline SiC-Film
daher von dem Siliziumsubstrat abgeschnitten werden, und der abgeschnittene,
dünne,
einkristalline SiC-Film muss auf ein anderes Substrat übertragen
werden, das stabile Dicke und Festigkeit aufweist, und dann zu einer
vorgegebenen Halbleiteranordnung ausgebildet werden. Das Abschneiden
eines dünnen,
einkristallinen SiC-Films mit einer Dicke von höchstens einigen μm von einem
Siliziumsubstrat und die Übertragung
des abgeschnittenen, dünnen,
einkristallinen SiC-Films auf ein anderes Substrat führen jedoch
zu einer Vermehrung der Produktionsschritte und sind eigentlich undurchführbar.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist angesichts der oben genannten Umstände gemacht worden. Es ist
eine Aufgabe der Erfindung, ein einkristallines SiC-Verbundmaterial
zur Herstellung einer Halbleiteranordnung bereitzustellen, bei dem
die zur Herstellung einer Halbleiteranordnung erforderliche Dicke
und Festigkeit sichergestellt werden können und Gitter- sowie Mikroleitungs-Defekte
durch Dotierung mit Fremdstoffen selten auftreten, so dass die Herstellung
einer hochwertigen und präzisen
Halbleiteranordnung ermöglicht
wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen
SiC-Verbundmaterials für
die Herstellung einer Halbleiteranordnung, mit dem ein solches Material
mit sehr hoher Effizienz hergestellt werden kann.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird in einem einkristallinen SiC-Verbundmaterial
für eine
Halbleiteranordnung gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ein einkristalliner SiC-Film über eine
filmartige SiO2-Schicht auf eine Oberfläche einer
polykristallinen Platte, die aus Si- und C-Atomen besteht, in eng aneinander anliegender
Weise gestapelt und gebondet, und einkristallines SiC wird durch
eine auf dem Verbundelement vorgenommene Hitzebehandlung auf der
polykristallinen Platte gezüchet.
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In
einem Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Verbundmaterials
für eine
Halbleiteranordnung gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein einkristalliner SiC-Film über eine
filmartige SiO2-Schicht auf eine Oberfläche einer
polykristallinen Platte, die aus Si- und C-Atomen besteht, eng aneinander
anliegend gestapelt und gebondet, und das Verbundelement wird dann
hitzebehandelt, wodurch einkristallines SiC, in dem der Kristall
in dieselbe Orientierung überführt ist
wie der Einkristall des einkristallinen SiC-Films, integral auf
der polykristallinen Platte aufgezüchtet wird.
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Gemäß dem ersten
und dem zweiten Apekt der Erfindung in der oben genannten, charakteristischen
Ausgestaltung werden die polykristalline Platte, die aus Si- und
C-Atomen besteht und eine Wärmebeständigkeit ähnlich derjenigen
von einkristallinem SiC aufweist, und der dünne, einkristalline SiC-Film
eng aneinander anliegend gestapelt und gebondet, während die
SiO2-Schicht mit niedriger thermischer Leitfähigkeit
zwischen der Platte und dem Film angeordnet wird, und das Verbundelement wird
dann hitzebehandelt. Daher wird in einem thermischen Behandlungsverfahren
und auch in einem bei hoher Temperatur durchgeführten Herstellungsverfahren
einer Halbleiteranordnung wie zum Beispiel einem Hochtemperaturglühen ein
Verschwinden bzw. ein Dünnerwerden
der polykristallinen Platte, die als Substrat für die Anordnung dient, verhindert,
so dass die für
ein Material zur Herstellung einer Halbleiteranordnung erforderliche
Dicke und Festigkeit sichergestellt werden können. Infolgedessen kann eine
präzise
und hochwertige Halbleiteranordnung hergestellt werden, die frei
von Verwerfungen und Verformungen ist.
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Während durch
die SiO2 Zwischenschicht ein Eintreten von
Fremdstoffen aus der Atmosphäre
in die Verbondungs-Grenzfläche
während
der Hitzebehandlung verhindert wird, wird die SiO2-Zwischenschicht im
Verlauf der Hitzebehandlung thermisch zu Si und O2 gespalten.
Das thermisch abgespaltene O2 entweicht
unter schwebender Diffusion in der Zwischenschichtregion nach außen. Andererseits
kann einkristallines SiC auf der polykristallinen Platte integral
durch das Festphasenwachstum gezüchtet
werden, wobei die thermisch abgespaltenen Si-Atome sowie Si- und
C-Atome, die von der Oberfläche
der polykristallinen Platte sublimieren, rasch zu dem auf niedrigerer
Temperatur gehaltenen einkristallinen SiC-Film diffundiert und bewegt
werden, um entsprechend der Einkristallorientierung des einkristallinen SiC-Films
neu angeordnet zu werden. Gemäß dieser Ausgestaltung
ist es möglich,
die Wirkungen zu erzielen, dass ein einkristallines SiC-Verbundmaterial
zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, die dick ist und hohe
Qualität
aufweist, effizient hergestellt werden kann und dass die Qualität einer
Halbleiteranordnung, die unter Verwendung des Materials hergestellt wird,
verbessert werden kann.
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Bei
dem einkristallinen SiC-Verbundmaterial für eine Halbleiteranordnung
gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung und dem Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen
SiC-Verbundmaterials
für eine
Halbleiteranordnung gemäß dem zweiten
Aspekt der Erfindung wird als Vebundelement ein Element verwendet,
das hergestellt wird durch Stapeln eines in einem heteroepitaxialen
Züchtungsverfahren auf
einem Si-Substrat hergestellten einkristallinen SiC-Films über die
SiO2-Schicht auf die Oberfläche der
polykristallinen Platte in eng aneinander anliegender Weise, Bonden
des einkristallinen SiC-Films an die polykristalline Platte durch
eine Hitzebehandlung auf dem Verbundmaterial und Entfernen des Si-Substrates
im gebondeten Zustand durch wenigstens einen der Stoffe Fluorwasserstoffsäure und
Salpetersäure.
Gemäß dieser
Ausgestaltung kann ein einkristalliner SiC-Film selbst, der eine
große
Fläche aufweisen
soll, um ein Verbundmaterial zu erzielen, das für die Herstellung von Halbleiteranordnungen verschiedener
Größen verwendbar
ist, leicht in großer
Menge und kostengünstig
hergestellt werden. Daher können
die Größe eines
einkristallinen Verbundmaterials zur Herstellung einer Halbleiteranordnung,
die ein Endprodukt ist, erhöht
werden und ihre Herstellungskosten verringert werden.
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Am
vorteilhaftesten wird als polykristalline Platte, die in dem einkristallinen
SiC-Verbundmaterial für eine Halbleiteranordnung
gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung verwendet wird, eine polykristalline SiC-Platte
verwendet, die durch ein thermisches, chemisches Dampfabscheidungsverfahren
(im Folgenden als thermisches CVD-Verfahren bezeichnet) zu einer
plattenartigen Form ausgebildet ist, wobei die Mischung von Fremdstoffen
in dem Herstellungsverfahren auf minimalem Niveau erfolgt, sowie
das Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Verbundmaterials
für eine
Halbleiteranordnung gemäß dem zweiten
Aspekt der Erfindung verwendet. Alternativ kann ein gesintertes
SiC-Element mit einer Wärmebeständigkeit ähnlich derjenigen
von einkristallinem SiC verwendet werden, so dass es während eines
thermischen Behandlungsverfahrens mit dem Verbundmaterial (in einem
Temperaturbereich von 1.850 bis 2.000°C) und auch in einem Herstellungsverfahren
einer Halbleiteranordnung nicht zu Verschwinden und Dünnerwerden
kommt.
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Als
in dem Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Verbundmaterials
für eine
Halbleiteranordnung gemäß dem zweiten
Aspekt der Erfindung verwendete SiO2-Schicht
kann ein Element eingesetzt werden, das entweder durch Anwendung
von SiO2-Pulver oder einer Siliziumverbindung,
die Siliziumöl,
Siliziumharz oder Siliziumfett enthält, oder durch thermische Oxidation
des einkristallinen SiC-Films und/oder der Oberfläche der
polykristallinen Platte zu einer filmartigen Form ausgebildet ist. Von
diesen Mitteln werden bevorzugt Mittel zur Anwendung von Pulver
oder dergleichen verwendet, für die
eine geringere Anzahl Produktionsschritte erforderlich ist und die
durch einfache Arbeiten durchgeführt
werden können.
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Weitere
Aufgaben und Wirkungen der Erfindung werden in einer Ausführungsform
verdeutlicht, die unten beschrieben wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Schnittansicht, die einen ersten Schritt von Produktionsschritten
für ein
einkristallines SiC-Verbundmaterial zur Herstellung einer Halbleiteranordnung
gemäß der Erfindung veranschaulicht;
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2 ist
eine schematische Schnittansicht, die einen zweiten Schritt der
Produktionsschritte veranschaulicht;
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3 ist
eine schematische Schnittansicht eines Verbundelementes, das als
Ergebnis eines dritten und eines vierten Schrittes der Produktionsschritte
erzielt wird; und
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4 ist
eine schematische Schnittansicht eines einkristallinen SiC-Verbundmaterials
zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, die in einem fünften Schritt
der Produktionsschritte erzielt wird.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Im
Folgenden wird eine Ausführungsform der
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 bis 4 sind
Ansichten, die Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines solchen
einkristallinen SiC-Verbundmaterials zur Herstellung einer Halbleiteranordnung
gemäß der Erfindung
veranschaulichen. In einem ersten, in 1 gezeigten Schritt
wird ein einkristalliner SiC-Film 2, dessen Dicke t2 ca.
1 μm beträgt, durch
das heteroepitaxiale Züchtungsverfahren
auf einem einkristallinen Si-Substrat 1 ausgebildet, dessen
Dicke t1 ca. 0,5 cm beträgt.
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In
einem zweiten, in 2 gezeigten Schritt wird dann
der auf dem Si-Substrat 1 ausgebildete einkristalline SiC-Film 2 über eine
filmartige SiO2-Schicht 4 in eng
aneinander anliegender Weise auf eine auf Hochglanz polierte Oberfläche 3a einer polykristallinen
Platte 3 gestapelt, die im thermischen CVD-Verfahren zu
einer flachen, plattenartigen Form mit einer Dicke t3 von ca. 0,7
cm ausgebildet ist. Als SiO2-Schicht 4 kann
entweder ein durch Anwendung von SiO2-Pulver
oder eine Siliziumverbindung, welche Siliziumöl, Siliziumharz, Siliziumfett
oder dergleichen enthält,
ausgebildetes Element mit einer Dicke von 1.000 Angström oder mehr
verwendet werden, oder ein solches, das durch thermische Oxidation
der auf Hochglanz polierten Oberfläche 3a der polykristallinen
Platte 3 zu einer filmartigen Form ausgebildet ist.
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Als
Nächstes
wird in einem dritten Schritt das gestapelte Element 5 mit
der in 2 gezeigten Struktur in beispielsweise einen Widerstandsofen (nicht
dargestellt) eingebracht und angeordnet, woraufhin es erwärmt wird,
um für
einen vorgegebenen Zeitraum bei einer Temperatur von 1.100 bis 1.500°C gehalten
zu werden, wodurch die polykristalline Platte 3 und der
einkristalline SiC-Film 2 miteinander verbondet werden.
Infolge dieser Hitzebehandlung zum Bonden ist bereits ein Teil des
einkristallinen Si-Substrats 1 verschwunden.
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Danach
wird in einem vierten Schritt das restliche Si-Substrat 1 in
dem gestapelten Element 5 unter Verwendung einer Mischsäure aus
Fluorwasserstoffsäure
(HF) und Salpetersäure
(HNO3) aufgelöst, um vollständig entfernt
zu werden, so dass ein Verbundelement 6 erzielt wird, bei
dem, wie in 3 gezeigt, nur der einkristalline
SiC-Film 2 über
die SiO2-Schicht 4 an die Oberfläche 3a der
polykristallinen Platte 3 gebondet ist.
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Das
so erzielte Verbundelement 6 wird in dem Widerstandsofen
angeordnet, ein Edelgas wie z. B. Ar wird in den Ofen eingeleitet,
und die mittlere Ofentemperatur wird auf ca. 1.850 bis 2.000°C erhöht und dann
für ca.
ein bis zwei Stunden beibehalten. Auf diese Weise wird eine thermische
Behandlung (ein fünfter
Schritt) in einer Edelgasatmosphäre und
unter einem gesättigten
SiC-Dampfdruck durchgeführt. Als
Ergebnis wird, wie in 4 gezeigt, die SiO2-Schicht 4 thermisch
aufgespalten, so dass sie diffundiert und verschwindet, und es wird
ein einkristallines SiC-Verbundmaterial 8 zur
Herstellung einer Halbleiteranordnung erzeugt, bei welchem einkristallines
SiC 7, in dem der Kristall in dieselbe Orientierung überführt ist
wie der Einkristall des einkristallinen SiC-Films 2, integral
auf der polykristallinen Platte 3 aufgezüchtet wird.
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Das
Basismaterial des Verbundelementes 6, das die in 4 gezeigte
Struktur aufweist und das in dem Hitzebehandlungsschritt (dem fünften Schritt) aus
den oben beschriebenen Produktionsschritten verwendet wird, ist
die polykristalline Platte 3, die ursprünglich hohe Wärmebeständigkeit
(einen hohen Schmelzpunkt) aufweist. Daher besteht nicht das Risiko,
dass die als Substrat für
die Anordnung dienende polykristalline Platte 3 verschwindet
oder dünner wird,
und zwar nicht nur in dem Hitzebehandlungsverfahren in einem Temperaturbereich
von 1.850 bis 2.000°C,
sondern auch in einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung
unter Verwendung des einkristallinen SiC-Verbundmaterials 8,
das als Ergebnis des fünften
Schrittes erzeugt wird, beispielsweise einem Verfahren zur Herstellung
einer Halbleiteranordnung, das bei einer hohen Temperatur von 1.500°C oder darüber durchgeführt wird,
z. B. Hochtemperaturglühen
bei der Dotierung mit P- oder N-Fremdstoffen. Daher ist es möglich, das
einkristalline SiC-Verbundmaterial 8 zur Herstellung einer Halbleiteranordnung
zu erzielen, bei dem die für
ein Material zur Herstellung einer Halbleiteranordnung erforderliche
Dicke und Festigkeit auf stabile Weise sichergestellt werden können.
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Trotz
des oben Gesagten liegen die Oberfläche 3a der polykristallinen
Platte 3 und die Oberfläche 2a des
einkristallinen SiC-Films 2, die das Verbundelement 6 mit
der in 3 gezeigten Struktur bilden, über die SiO2-Schicht 4 eng
aneinander an, ohne einen Zwischenraum zu bilden. Während ein Eindringen
von Fremdstoffen aus der Atmosphäre
in die Verbondungsgrenzfläche 9 zwischen
der polykristallinen Platte 3 und dem einkristallinen SiC-Film 2 während der
Hitzebehandlung verhindert wird, wird daher die SiO2-Zwischenschicht 4 im
Verlauf der Hitzebehandlung thermisch in Si und O2 gespalten.
Das thermisch abgespaltene O2 entweicht
unter schwebender Diffusion in der Zwischenschichtregion nach außen. Andererseits
erfolgt das Festphasenwachstum, wobei die thermisch abgespaltenen
Si-Atome sowie Si- und C-Atome, die von der Oberfläche der polykristallinen
Platte 3 sublimieren, rasch zu dem auf niedrigerer Temperatur
gehaltenen einkristallinen SiC-Film 2 diffundiert und bewegt
werden, und der Abschnitt, der sich um eine Dicke t4 von ca. 200 μm von der
Verbondungsgrenzfläche 9 der
polykristallinen Platte 3 erstreckt, wird entsprechend
der Einkristallorientierung des einkristallinen SiC-Films 2 neu angeordnet.
Als Ergebnis kann das einkristalline SiC-Verbundmaterial 8 erzielt werden,
bei dem ein dicker, einkristalliner SiC Abschnitt 10 von
hoher Qualität
integral auf der polykristallinen Platte 3 aufgezüchtet wird.
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Gemäß der Ausführungsform
wird ein im thermischen CVD-Verfahren zu einer flachen, plattenartigen
Form ausgebildetes Element als polykristalline Platte 3 verwendet,
die durch Si- und
C-Atome ausgestaltet ist. Alternativ kann ein Element verwendet
werden, das eine Wärmebeständigkeit ähnlich derjenigen
von einkristallinem SiC aufweist, wie z. B. ein hochreines gesintertes
SiC-Element, ein amorphes SiC oder eine polykristalline α-SiC-Platte,
so dass es bei einem thermischen Behandlungsverfahren (in einem
Temperaturbereich von 1.850 bis 2.000°C) und auch in einem Herstellungsverfahren einer
Halbleiteranordnung nicht zu einem Verschwinden und Dünnerwerden
kommt, wodurch ein einkristallines SiC-Verbundmaterial zur Herstellung
einer Halbleiteranordnung erzielt werden kann, bei dem die für ein Material
zur Herstellung einer Halbleiteranordnung erforderliche Dicke und
Festigkeit auf stabile Weise sichergestellt sind.