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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
Einkristall-SiC, das als Substrat-Wafer für eine lichtemittierende Diode
und eine elektronische Vorrichtung oder dergl. benutzt wird.
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Der Erfindung zugrundeliegender
allgemeiner Stand der Technik
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SiC
(Siliziumkarbid) hat eine überlegene Wärmebeständigkeit
und mechanische Stärke
und hat auch eine gute Strahlenbeständigkeit. Zusätzlich ist
es leicht, die Steuerung der Wertigkeit der Elektronen und Löcher durch
Dotieren einer Unreinheit durchzuführen. Ferner weist SiC einen
breiten Bandabstand auf (z. B. hat Einkristall-6H-SiC einen Bandabstand
von etwa 3,0 eV, und Einkristall-4H-SiC hat einen Bandabstand von
3,26 eV).
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die
mit herkömmlichen
Halbleitermaterialien wie Si (Silizium) und GaAs (Galliumarsenid)
nicht realisiert werden können.
Aus diesen Gründen
fand Einkristall-SiC allgemein Beachtung und man erwartet, es als
Halbleitermaterial bei Stromvorrichtungen der nächsten Generation einsetzen
zu können.
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Als
Verfahren zum Aufwachsenlassen (Erzeugen) von Einkristall-SiC dieses
Typs ist ein Verfahren bekannt, bei dem Einkristall-SiC durch eine Sublimierungs-
und Rekristallisierungsmethode unter Verwendung eines Impfkristalls
aufwachsen kann, sowie ein Verfahren, in dem bei Hochtemperatur
epitaxiales Aufwachsen auf einem Siliziumsubstrat durch Anwenden
des chemischen Abscheidens aus der Gasstufe (CVD-Methode) durchgeführt wird,
wobei kubisches Einkristall-SiC
(β-SiC)
aufwächst.
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Bei
den oben beschriebenen herkömmlichen Produktionsmethoden
ist die Kristall-Aufwachsrate jedoch mit 1 μm/hr sehr niedrig. Ferner bringt
die Sublimierungs- und Rekristallisierungsmethode ein Problem mit
sich, daß Fadenlunker
mit einem Durchmesser von einigen Mikrometern, die den Kristall
in Aufwachsrichtung durchdringen, mit einer Größe von etwa 100 bis 1000/cm2 bleiben. Solche Fadenlunker heißen Mikrolunkerfehler
und bewirken bei der Herstellung einer Halbleitervorrichtung einen
Leckstrom. Diese Probleme verhindern eine praktische Anwendung von
Einkristall-SiC, das im Vergleich zu anderen, herkömmlichen
Halbleitermaterialien wie z. B. Si und GaAs, wie oben beschrieben, überlegene
Merkmale aufweist.
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Bei
der Hochtemperatur-CVD-Methode beläuft sich die Substrat-Temperatur auf 1.700
bis 1.900°C,
und das ist erforderlich, um eine hochreine reduzierende Atmosphäre zu erzeugen.
Somit tritt bei diesem Verfahren ein Problem auf, daß es schwierig
ist, das Verfahren von einem Installations-Gesichtspunkt aus durchzuführen. Ferner
weist dieses Verfahren noch ein Problem auf, nämlich daß wegen des epitaxialen Wachstums
die Wachstumsrate natürlich
begrenzt ist.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
Erfindung wurde gemacht in Hinblick auf die obigen Umstände auf
dem Stand der Technik. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren
auszuarbeiten, bei dem die Wachstumsrate des Einkristall-SiC gesteigert
wird, so daß der
Bereich des Einkristalls hinreichend gesichert ist, und das die
praktische Anwendung des Einkristalls als Halbleitermaterial erleichtern
kann, und ferner ein Einkristall-SiC
hoher Qualität
zu produzieren, bei dem Gitterfehlstellen und Mikrolunkerfehler
weitgehend reduziert sind.
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Das
Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Einkristall-SiC ist gekennzeichnet durch
Aufbringen einer polykristallinen Platte, bestehend aus Si- und
C-Atomen, auf ein Einkristall-SiC-Substrat durch ein thermochemisches
Ablagern aus der Dampfphase in einem Temperaturbereich von 1300
bis 1900°C
zum Fertigen eines Komplexes (M) durch Anwenden einer Wärmebehandlung
auf das Einkristall-SiC-Substrat
und die beschichtete polykristalline SiC-Platte unter einer gesättigten
SiC-Dampf-Atmosphäre
in einem Temperaturbereich von 1900 bis 2400°C, wobei die polykristalline
Platte in den Einkristall festphasen-umgewandelt wird, der mit dem
Einkristall-SiC-Substrat integriert ist. Ein solcher Einkristall
ist in der gleichen Richtung ausgerichtet wie die Kristallachse
des Einkristall-SiC-Ausgangsmaterials,
auf dem es integral aufwächst.
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Gemäß der so
konfigurierten Erfindung wird der Komplex, bestehend aus dem Einkristall-SiC-Ausgangsmaterial
und der auf der Oberfläche
des Ausgangsmaterials aufgebrachten polykristallinen Platte einer
Wärmebehandlung
mit hoher Temperatur unterworfen, wobei die Polykristalle der polykristallinen
Platte phasentransformiert werden, während Verunreinigungen von
außen
am Eindringen zwischen das Einkristall-SiC-Ausgangsmaterial und
die polykristalline Platte gehindert werden, und der Kristall in
der gleichen Richtung ausgerichtet wird, wie die Kristallachse des
Einkristall-SiC-Ausgangsmaterials, und mit dem Einkristall des Ausgangsmaterials
integriert wird, und dadurch ermöglicht,
daß ein
Einkristall hoher Qualität,
der eine sehr stark reduzierte Anzahl Gitterfehlstellen und Mikrolunkerfehler
aufweist, im Flächenbereich
breit aufwachsen kann. Als Ergebnis ist es möglich, die Wirkung der Beschleunigung
der praktischen Anwendung von Einkristall-SiC zu erreichen, das
an großer Kapazität, hoher
Frequenz, hoher Überschlagfestigkeit
und hohem Widerstand gegenüber
dem Umfeld überlegen
ist gegenüber
Halbleitermaterialien wie Si (Silizium) und GaAs (Galliumarsenid),
und das als Halbleitermaterial für
eine Leistungsvorrichtung erwartet wird.
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Die
Erfindung erzielt die Wirkung, daß Einkristall-SiC hoher Reinheit
und hoher Qualität
erhalten werden kann während
das Eindringen von Verunreinigungen zwischen das Einkristall-SiC-Ausgangsmaterial
und die polykristalline Platte auf deren Oberfläche und die Diffusion der Verunreinigungen
unterdrückt
wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist ein Diagramm, das
einen Komplex vor der Wärmebehandlung
des erfindungsgemäßen Einkristall-SiC
zeigt;
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2 ist eine vergrößerte Ansicht
eines Hauptteils vor der Wärmebehandlung
des erfindungsgemäßen Einkristall-SiC;
und
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3 ist eine vergrößerte Ansicht
eines Hauptteils nach der Wärmebehandlung
des erfindungsgemäßen Einkristall-SiC.
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Beste Weise
zur Ausführung
der Erfindung
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Hier
nachstehend wird eine Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. 1 zeigt
schematisch einen Komplex M vor der Wärmebehandlung des Einkristall-SiC.
Der Komplex M wird gebildet durch Aufwachsen einer polykristallinen
kubischen β-SiC-Platte 2 auf
der Oberfläche
eines einkristallinen sechseckigen α-SiC-Ausgangsmaterials 1 (Typ 6H
oder Typ 4H) durch das Verfahren der thermochemischen Dampfabscheidung
(nachstehend thermisches CVD-Verfahren genannt) im Temperaturbereich
von 1.300 bis 1.900°C.
Wie in einer Mikrophotographie eines geätzten Abschnitts der 2 deutlich gezeigt wird,
wachsen in der Aufwachsstufe der polykristallinen β-SiC-Platte 2 Polykristalle 4 der
polykristallinen β-SiC-Platte
2 auf der Oberfläche
des Einkristall-α-SiC-Ausgangsmaterials 1 auf,
die Gitterfehlstellen enthalten, und das Einkristall-α-SiC-Ausgangsmaterial 1 und
die polykristalline β-SiC-Platte 2 berühren sich
an Kristallflächen
unterschiedlicher Kristallformen, so daß sich eine eindeutige lineare Schnittstelle 3 zeigt.
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Anschließend wird
der gesamte Komplex M unter einem gesättigten SiC-Dampfdruck und
in einem Temperaturbereich von 1.900 bis 2.400°C, vorzugsweise 2.000 bis 2.200°C, wärmebehandelt.
Als Ergebnis werden Polykristalle 4 der polykristallinen β-SiC-Platte 2 zu α-SiC phasen-umgeformt,
in die gleiche Richtung ausgerichtet wie die Kristallachse des Einkristall-α-SiC-Ausgangsmaterials 1,
und mit dem Einkristall des Einkristall-α-SiC-Ausgangsmaterials 1 integriert,
so daß ein
großer
Einkristall 5 aufwächst.
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Wenn
der Komplex M, in dem Polykristalle 4 der polykristallinen β-SiC-Platte
2 auf der Oberfläche des
Einkristall-α-SiC-Ausgangsmaterials 1 durch
das thermische CVD-Verfahren gebildet werden, einer Wärmebehandlung
wie oben gesagt unterzogen werden, entsteht ein Kristallwachstum,
das in der Hauptsache aus einem Wachstum in der festen Phase besteht,
so daß in
der Schnittstelle 3 eine Gitterschwingung entsteht, die
die Atomausrichtung verändert. Als
Ergebnis, wie in einer Mikrophotographie eines geätzten Abschnitts
in 3 deutlich gezeigt
wird, läßt sich
ein Einkristall-SiC hoher Qualität
erzeugen, der im wesentlichen frei von Gitterfehlstellen und Mikrolunkerfehlern
(10 oder weniger je 1 cm2) in einem Zustand
erzeugt werden kann, in dem auch eine hinreichend große Breite,
auch als Fläche,
gesichert ist.
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In
der Ausführungsform
wird das Einkristall-α-SiC-Ausgangsmaterial 1 als
das Einkristall-SiC-Ausgangsmaterial benutzt. Als Alternative kann
z. B. ein α-SiC
Sinterglied oder ein Einkristall-β-SiC-Glied
benutzt werden. In der Ausführungsform
wird die polykristalline kubische β-SiC-Platte 2, die
auf der Oberfläche
des Einkristall-α-SiC-Ausgangsmaterials 1 durch
das thermische CVD-Verfahren aufgewachsen ist, als die polykristalline
Platte benutzt. Als Alternative kann z. B. eine polykristalline kubische α-SiC-Platte,
ein hochreines SiC-Sinterglied, oder eine amorphe Platte hoher Reinheit (1014atm/cm3 oder weniger)
benutzt werden, und es ist möglich,
ein Einkristall-SiC hoher Qualität
auf gleiche Weise wie bei der Ausführungsform zu erhalten.
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Als
das Einkristall-α-SiC-Ausgangsmaterial 1 in
der Ausführungsform
kann entweder der 6H-Typ oder der 4H-Typ benutzt werden. Wenn der
6H-Typ benutzt wird, läßt sich
ein Einkristall, der von Polykristallen der polykristallinen β-SiC-Platte 2 in α-IC umgewandelt
wird, leicht in die gleiche Form wie die des Einkristalls des 6H-Typs
aufwachsen lassen. Wenn das Einkristall-α-SiC-Ausgangsmaterial 1 des 4H-Typs
benutzt wird, läßt sich
ein Einkristall der gleichen Form wie die eines Einkristalls des
4H-Typs leicht umwandeln und aufwachsen lassen.
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Vorzugsweise
werden die Temperaturbedingungen der Wärmebehandlung des Komplexes
M auf 1.900 bis 2.400°C
festgelegt und die Prozeßzeit beträgt 1 bis
3 Stunden. Wenn die Temperatur der Wärmebehandlung geringer als
1.900°C
ist, kann sich die kinetische Energie der Atome nicht auf so viele
SiC auswirken, die die Schnittstelle ausmachen. Wenn die Temperatur
höher ist
als 2.400°C,
wird thermische Energie angeliefert, die viel höher ist, als die Zersetzungsenergie
des SiC, und Kristalle des SiC selbst würden zerlegt werden.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit
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Wie
oben beschrieben, betrifft die Erfindung eine Technik, die einen
Komplex, in dem eine aus Si- und C-Atomen bestehende polykristalline
Platte auf die Oberfläche
eines Einkristall-SiC-Ausgangsmaterial aufgeschichtet ist, einer
Wärmebehandlung
unterzogen wird, so daß ein
Einkristall, der in der gleichen Richtung ausgerichtet ist wie die
Kristallachse des Einkristall-SiC-Ausgangsmaterials, integral zu
einer breiten Größe aufwachsen
kann, wobei ein Einkristall hoher Qualität, der in Wärmefestigkeit und mechanischer
Stärke überlegen
ist und der eine hohe Kapazität,
eine hohe Frequenz, eine hohe Überschlagfestigkeit
und einen hohen Widerstand gegenüber
dem Umfeld verwirklichen kann, wie sie durch die herkömmlichen
Halbleitermaterialien nicht realisiert werden können, wirksam und stabil als
Fläche sowie
auch als Menge geliefert werden kann.