DD224886A1 - Verfahren zur zuechtung von siliciumcarbid-einkristallen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuechtung von SiC-Einkristallen und kann in der Halbleitertechnik zur Herstellung von Bauelementen auf SiC-Basis eingesetzt werden. Aufgabe der Erfindung ist es, in einem Hochtemperaturofen mit einem Graphitheizrohr mehrere Einkristalle mit einer ebenen Wachstumsfront in einem Prozess zu zuechten. Es wurde gefunden, dass bei einer Anordnung der Keimkristalle auf einer Ebene, die in der Naehe der hoechsten Wachstumsrate entlang der Achse des Graphitrohrs liegt, Siliciumcarbid-Einkristalle mit ebener Wachstumsfront entstehen. Insbesondere tritt dieser Effekt dann auf, wenn die Keime in einer Ebene angeordnet werden, die im langsam ansteigenden Ast der Wachstumsrate kurz vor dem Erreichen des Maximums liegt.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Züchtung von SiC-Einkristallen und kann in der Halbleitertechnik zur Herstellung von Bauelementen auf SiC-Basis eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Eine notwendige Bedingung zur Züchtung homogen legierter Einkristalle hoher Qualität ist eine ebene Wachstumsfront. Im Falle konkaver Wachstumsfront führt die Koaleszenz verschiedener Keime zur Bildung von Fehlern im Kristallaufbau und zum Einbau von Fremdatomen über die Gleichgewichtskonzentration hinaus. Eine konvexe Wachstumsfront ist Ursache einer ungleichmäßigen radialen Verteilung von Fremdatomen infolge der unterschiedlichen Adsorption von Fremdatomen an Stellen verschiedener kristallographischer Orientierung. Außerdem führt eine unebene Wachstumsfront zur Bildung thermoelastischer Spannungen, die eine charakteristische Versetzungsverteilung zur Folge haben.

Beim Ziehen von Einkristallen aus der Schmelze wird die Form der Wachstumsfront durch die Optimierung der kinetischen Züchtungsbedingungen und des Temperaturfeldes beeinflußt. So hängt z. B. die Form der Wachstumsfront von Siliciumeinkristallen von der Ziehrate, der Rotationsgeschwindigkeit und dem Temperaturgradienten in der Nähe der Wachstumsfront ab. (Schaschkov, Ju. M.: Züchtung von Einkristallen durch Ziehverfahren/russ./. Moskau, Metallurgija, 1982,

Einkristalle aus Siliciumcarbid werden nach Levin, W. J. u.a. (Neorg. Mat, 1978,14, Nr.6, S. 1062-1066/russ./) durch Abscheidung aus der Dampfphase in einem Temperäturgradienten von ca. 30 Grad/cm auf Keimkristalle aus SiC bei Temperaturen von 1800-2700°C hergestellt.

Soll eine große Zahl von Einkristallen in einem Prozeß gezüchtet werden und werden hierzu die Keimkristalle an der Peripherie des Züchtungsgefäßes angeordnet, dann haben die verschiedenen Stellen eines Einkristalls unterschiedliche Wachstumsraten.

Dabei tritt sowohl eine größere Wachstumsrate in Richtung der Peripherie als auch in Richtung Zentrum des Züchtungsgefäßes auf, je nachdem, an welcher Stelle das Züchtungsgefäß im Graphitheizrohr angeordnet ist. Das führt zu den bereits genannten Fehlern und erschwert die Einführung von Gruppentechnologien zur Fertigung von Halbleiterbauelementen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, in einem Prozeß eine größere Zahl von Siliciumcarbid-Einkristailen hoher Qualität zu züchten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, in einem Hochtemperaturofen mit einem Graphitheizrohr mehrere Einkristalle mit einer ebenen Wachstumsfront in einem Prozeß zu züchten.

Es wurde gefunden, daß bei einer Anordnung der Keimkristalle auf einer Ebene, die in der Nähe der höchsten Wachstumsrate entlang der Achse des Graphitrohrs liegt, Siliciumcarbid-Einkristalle mit ebener Wachstumsfront entstehen. Insbesondere tritt dieser Effekt dann auf, wenn die Keime in einer Ebene angeordnet werden, die im langsam ansteigenden Ast der Wachstumsrate kurz vor dem Erreichen des Maximums liegt.

Ausführungsbeispiel

In der Fig. sind nebeneinander und parallel zur Achse χ des Graphitheizrohrs der Temperaturverlauf T, die Wachstumsrate V_p (logarithmisch) und Züchtungsgefäße 1 auf verschiedenen Höhen des Heizrohres gezeigt.

Das Züchtungsgefäß 1 besteht aus Graphit und weist mehrere Kanäle 4 auf, in denen sich das Siiiciumcarbid-Ausgangsmaterial 2 befindet. Auf das Züchtungsgefäß werden die Siliciumcarbid-Keime 3 geklebt. Die Siliciumcarbid-Einkristalle wachsen in den Kanälen 4. Der Kanal kann verschiedene geometrische Formen haben, z.B. rund, quadratisch, rechteckig, kegelförmig, je nach der gewünschten Einkristallform.

Zunächst wurde der Verlauf der Wachstumsrate im Graphitheizrohr mit Züchtungsgefäßen aus Graphit gemessen. Über dem Ausgangsmaterial, SiC-Pulver mit einer Körnung von 1—2mm, befand sich in einem quasi abgeschlossenem Graphitvolumen mit einem Abstand von 10mm zum Ausgangsmaterial eine Graphitscheibe. Die Graphitzüchtungsgefäße wurden in verschiedenen Höhen des Graphitheizrohres angeordnet. Die Temperaturmessung erfolgte mit einem Pyrometer durch eine Strahlenaustrittsöffnung. Sie betrug 1850 ± 30°C. Der Partialdruck des Inertgases, z.B. Argon, entsprach dem Druck beim Züchtungsprozeß und betrug 2Pa. Nach einem zweistündigen Hochtemperaturprozeß wurde die Dicke der polykristallinen Schichten auf den Graphitscheiben mit einem Mikrometer gemessen und entlang der Heizerachse χ aufgetragen. Nach einem relativ langsamen Anstieg der Wachstumsrate, etwa zwischen den Punkten x₃ und X₁ folgt das Maximum und nach dem Maximum ein rascher Abfall der Wachstumsrate bis etwa zum Punkt x₂. Bei der vorhandenen Ausrüstung befand sich das Maximum 85 mm unterhalb der oberen Kante des Heizers. Zwischen 70-90 mm unterhalb der oberen Kante wurde eine schwache Abhängigkeit der Wachstumsrate von der Koordinate beobachtet.

Zur Züchtung von Siliciumcarbid-Einkristailen wurde ein Züchtungsgefäß aus Graphit mit runden und kegelförmigen Kanälen und einem Durchmesser von 100 mm eingesetzt. Die Temperatur in der Nähe der Keimkristalle lag bei 1850 ± 30⁰C. Ausgangsmaterial war wiederum gekörntes Siliciumcarbid mit einer Korngröße von 1-2 mm. Es wurden 30 Keimkristalle, die im Sublimationsverfahren hergestellt waren, auf der oberen Fläche des Züchtungsgefäßes angeordnet und dabei die Kanäle dicht verschlossen. Die Keime wurden mit einem Gemisch aus Graphitpulver und einem organischen Bindemittel, z. B. einer Lösung von Nitrocellulose im Isoamylester der Essigsäure, festgeklebt. Die Einkristalle waren in den (0001) Si- und (000I)-C-Richtungen orientiert. Um Einkristalle mit einer Länge von 8mm zu züchten, wurden die Keimkristalle 75-80 mm unterhalb der Oberkante des Heizers angeordnet. Die Wachstumsrate lag bei den verschiedenen Experimenten zwischen 0,2-0,4mm/h. Die

Streuung der Wachstumsrate im Zentrum und an der Peripherie des Züchtungsgefäßes lag unterhalb 10%. Experimente verschiedener Länge zeigten, daß die Einkristalle eine glatte spiegelnde Oberfläche sowohl im Zentrum als auch an der Peripherie des Züchtungsgefäßes während des ganzen Prozesses beibehielten.

Claims (2)

1. Erfindungsansprüche: ~~ -

   1. Verfahren zur Züchtung von Siliciumcarbid-Einkristailen durch Sublimation des körnigen oder polykristallinen Siliciumcarbids und dessen Abscheidung auf Keimkristalle im Vakuum oder unter Schutzgas bei einer Temperatur von 1 800 bis 2700⁰C, gekennzeichnet dadurch, daß die Keime auf einer Ebene in der Nähe der höchsten Wachstumsrate entlang der Achse des Graphitheizers angeordnet werden.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Ebene im langsam ansteigenden Ast der Wachstumsrate kurz vor dem Erreichen des Maximums liegt.