1. Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen SiC-Einkristall und
ein Verfahren zum Herstellen desselben, genauer gesagt, einen
SiC-Einkristall, der als Halbleitersubstrat-Wafer für eine
lichtemittierende Diode, eine optische
Röntgenstrahlvorrichtung, wie z. B. einen monochromatischen Sortierer, ein
elektronisches Hochtemperatur-Halbleiter-Element, und eine
Leistungsvorrichtung Verwendung findet, sowie ein Verfahren
zur Herstellung des SiC-Einkristalls.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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SiC (Siliziumcarbid) ist an Wärmebeständigkeit und
mechanischer Stärke überlegen und weist ferner einen guten
Widerstand gegen Strahlung auf. Zusätzlich ist es leicht, die
Wertigkeit der Elektronen und Defektelektronen durch Dotieren
mit einem Fremdstoff zu steuern. Ferner hat SiC einen breiten
Energiebandabstand (zum Beispiel hat der 6H-SiC-Einkristall
einen Energiebandabstand von etwa 3,0 eV, und der 4H-SiC-
Einkristall hat einen Energiebandabstand von 3,26 eV). Somit
ist es möglich, eine hohe Kapazität, eine hohe Frequenz, eine
hohe Durchschlagfestigkeit und einen hohen Widerstand gegen
Umgebungen zu erzielen, die durch herkömmliche
Halbleitermaterialien wie z. B. Si (Silizium) und GaAs (Galliumarsenid)
nicht realisiert werden können. Aus diesen Gründen finden
SiC-Einkristalle ein immer größeres Interesse, und
voraussichtlich wird man diese als Halbleitermaterial für
Leistungsvorrichtungen der nächsten Generation nutzen.
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Als Verfahren zum Ziehen (Erzeugen) eines SiC-Einkristalls
dieses Typs werden die Achison-Methode und die Sublimation-
und Umkristallisierungsmethode angewandt, die allgemein als
ein gewerbliches Verfahren zum Produzieren eines SiC-
Abschleifmaterials bekannt sind. Im Achison-Verfahren wird
ein Impfkristallsubstrat vom Außenumfang her durch Anwenden
einer Hochfrequenzelektrode aufgeheizt, um viele Kerne in
zentraler Lage des Impfkristall-Substrats zu generieren,
Wobei sich eine Vielzahl von spiralförmigen
Kristallaufwachsstellen entwickeln, die sich im Mittelteil des
Impfkristallsubstrats zentrieren. In der Sublimations- und
Umkristallisierungsmethode wird SiC-Pulver, das nach dem
Achison-Verfahren produziert wird, als Rohmaterial benutzt,
und ein Kristall wird auf einem einzigen Kristallkern
gezogen.
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Im Achison-Verfahren unter den oben beschriebenen
herkömmlichen Produktionsmethoden wächst jedoch ein Einkristall
langsam über eine lange Zeit auf, so daß die
Kristallwachstumsrate nur etwa 1 mm/Std. beträgt. Zusätzlich werden in
einer Anfangsaufwachsstufe eine große Anzahl Kristallkerne
generiert, und diese verbreiten sich im Lauf des
Kristallaufwachsens über, den oberen Teil des Kristalls. Somit ist es
schwierig, einen einzigen großen Einkristall zu erhalten.
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Im Sublimierungs- und Umkristallisierungsverfahren wird ein
Hochgeschwindigkeitswachstum von etwa 1 mm/Std. angewandt,
hauptsächlich aus wirtschaftlichen Gründen
(Produktionskosten), so daß Verunreinigungen und Nadellöcher im
Durchmesser von einigen Mikrometern, die den Kristall in
Aufwachsrichtung durchdringen, voraussichtlich mit etwa 100 bis
1000/cm² in einem aufwachsenden Kristall verbleiben. Solche
Nadellöcher werden Mikrolunker-Defekte genannt und bewirken
einen Kriechstrom, wenn dann eine Halbleitervorrichtung
daraus hergestellt wird. Dementsprechend besteht das Problem,
daß sich kein SiC-Einkristall hinreichend guter Qualität
erzielen läßt. Beim Achison-Verfahren und bei der
Sublimierungs- und Umkristallisierungsmethode ist es vom technischen
Gesichtspunkt aus sehr schwer, eine saubere Atmosphäre in der
Umgebung eines aufwachsenden Kristalls beizubehalten, was zu
dem Problem führt, daß die Qualität auch durch Kontamination
von außen in der Nähe eines Einkristalls verschlechtert wird.
Diese Probleme verhindern die praktische Anwendung eines SiC-
Einkristalls, der eine überlegene Charakteristik im Vergleich
zu anderen existierenden Halbleitermaterialien, wie z. B. Si
und GaAs, hätte, wie oben beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung wurde angesichts der obigen Umstände gemacht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen großen
SiC-Einkristall, in dem Verunreinigungen, Mikrolunker-Defekte und
dergl. nicht verbleiben, in dem die Kontaminierung von außen
auf ein Minimum reduziert wird, und der eine hohe Qualität
aufweist, sowie eine Produktionsmethode für einen
SiC-Einkristall vorzusehen, der groß ist und eine hohe Qualität
aufweist und der die praktische Anwendung von SiC als
Halbleitermaterial beschleunigt.
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Die für die Lösung der obigen Aufgabe erforderlichen
wesentlichen Merkmale des Verfahrens zum Herstellen des
erfindungsgemäßen SiC-Einkristalls sind in Anspruch 1 definiert.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den
abhängigen Ansprüchen 2 und 3 definiert.
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Die Tatsache, daß die Oberflächen der polykristallinen
Dünnschichten glatt geschliffen werden und die glatten
Oberflächen aufeinander befestigt werden, reduziert die
Kontaminierung, die durch Haften von Schwebstoffen und dergl. an den
Oberflächen der polykristallinen Dünnschichten verursacht
wird, auf ein Minimum. Ferner, auch wenn die umgebende
Atmosphäre während der Wärmebehandlung verändert wird, so daß das
Phänomen, daß die Veränderung der umgebenden Atmosphäre
bewirkt, daß sich ein Teil der Oberfläche der
polykristallinen Dünnschichten zersetzt, verschwindet, oder daß sich in
die Umgebung absetzende Kristalle an den Oberflächen der
polykristallinen Schichten haften, kann auf ein Minimum
unterdrückt werden. Damit bleiben im wesentlichen keine
Verunreinigungen, Mikrolunker-Defekte und dergl. Ferner kann
die Kontaminierung von außerhalb und die Wirkung der
Veränderung der umgebenden Atmosphäre während der
Wärmebehandlung auf ein Minimum unterdrückt werden, so daß ein
großer SiC-Einkristall, der eine sehr hohe Qualität stabil
hat, mit hoher Produktivität erzielt wird. Somit ist es
möglich, die Wirkung der praktischen Anwendung eines SiC-
Einkristalls, der mit großer Kapazität, hoher Frequenz, hoher
Durchschlagsfestigkeit und hohem Widerstand gegen die
Umgebung, bestehendem Halbleitermaterial wie Si (Silizium) und
GaAs (Galliumarsenid) überlegen ist, und der als
Halbleitermaterial für eine Leistungsvorrichtung erwartet wird, zu
erreichen.
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Weitere Aufgaben und Wirkungen der Erfindung werden in
Ausführungsformen klargestellt, die nachsehend beschrieben
werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die einen Zustand
zeigt, wenn der erste Schritt (Schritt zum Aufwachsenlassen
einer Dünnschicht durch thermochemische Ablagerung) des
Verfahrens des Herstellens eines SiC-Einkristalls gemäß der
vorliegende Erfindung abgeschlossen ist;
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Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die einen Zustand
zeigt, in dem ein zweiter Schritt (Schritt des Abschleifens
der Oberfläche der auf gewachsenen Dünnschicht) des
Produktionsverfahren abgeschlossen ist;
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Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die den Zustand vor
einem dritten Schritt (Schritt der Wärmebehandlung) des
Produktionsverfahrens zeigt; und
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Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die den Zustand zeigt,
in dem der dritte Schritt (der Schritt der Wärmebehandlung)
der Produktionsmethode abgeschlossen ist.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Anschließend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand
der Zeichnungen beschrieben.
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Die Fig. 1 bis 4 sind schematische Ansichten, die das
Verfahren der Produktion eines SiC-Einkristalls gemäß der
vorliegenden Erfindung schrittweise illustrieren. In Fig. 1
bezeichnet 1 ein sechseckiges α-SiC-Einkristall-Substrat (Typ
H6 oder Typ H4). Das sechseckige α-SiC-Einkristall-Substrat 1
wird produziert durch die Sublimierungs- und
Umkristallisierungsmethode d. i. die Achison-Methode. Eine polykristalline
kubische β-SiC-Dünnschicht 2 wird durch thermochemisches
Ablagern im Bereich von 1.300 bis 1.900ºC hochgezogen, um
einen Endteil 2e über der gesamten Peripherie der
Seitenfläche des α-SiC-Einkristall-Substrats 1 auszubilden.
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Unmittelbar nach dem Aufwachsen der Dünnschicht ist die
Oberfläche 2a der polykristallinen β-SiC-Dünnschicht 2 in
einem Rohflächenzustand, in dem kleine Unregelmäßigkeiten
überall verteilt sind, wie in Fig. 1 gezeigt wird. Die
Oberfläche 2a der polykristallinen β-SiC-Dünnschicht 2 im
Rohzustand wird geschliffen, so daß die Glätte 200 Å RMS
(quadratischer Rauhtiefenmittelwert) oder weniger,
vorzugsweise 100 bis 50 Å RMS, beträgt und so einen Komplex M
erzeugt. Wie in Fig. 2 gezeigt wird, hat die polykristalline
β-SiC-Dünnschicht 2, die eine glattgeschliffene Oberfläche
2a' ohne Unregelmäßigkeiten, und eine Dicke t aufweist, die
sich gleichmäßig über die gesamte Fläche erstreckt.
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Wie dann als nächstes in Fig. 3 gezeigt wird, werden zwei so
konfigurierte Komplexe M über die sauberen glattgeschliffenen
Oberflächen 2a' der polykristallinen β-SiC-Dünnschichten 2
eng aufeinander befestigt, so daß die Kristallausrichtungen
der α-SiC-Einkristall-Substrate 1 der Komplexe M in die
gleiche Richtung gerichtet sind.
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Anschließend wird eine Wärmebehandlung durchgeführt in der
die Gesamtheit der zwei Komplexe M, die eng aneinander
befestigt sind, wie oben beschrieben wird, für ein paar
Stunden in der Atmosphäre eines gesättigten SiC-Dampfdrucks
und einer Temperatur im Bereich von 2,000ºC, vorzugsweise
2,200 bis 2.400ºC gehalten wird. Gemäß dem Kristallziehen der
α-SiC-Einkristall-Substrate 1 der Komplexe M wird jeder der
polykristallinen kubischen β-SiC-Dünnschichten 2
umkristallisiert, so daß, wie in Fig. 4 gezeigt wird, die
polykristalli
nen β-SiC-Dünnschichten 2 zu Einkristallteilen 2' umgeformt
werden, die in der gleichen Richtung ausgerichtet sind wie
die Kristallausrichtungen der α-SiC-Einkristall-Substrate 1.
Die Einkristallteile 2' sind mit Einkristallen 1' der
Substrate 1 integriert, mit dem Ergebnis, daß ein Einkristall 5,
aufgezogen wird, der breit d. i. nämlich dick ist. Nach der
Wärmebehandlung, wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird die
Schnittstelle, die vor der Wärmebehandlung zwischen den
geschliffenen Oberflächen 2a der polykristallinen
β-SiC-Dünnschichten 2 eindeutig existiert, verschmolzen und integriert,
so daß sie verschwindet.
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Wie oben beschrieben, werden die zwei Komplexe M, in jedem
von welchen die Oberfläche 2a der polykristallinen kubischen
β-SiC-Dünnschicht 2, die auf dem α-SiC-Einkristall-Substrat 1
aufgezogen wird, durch thermochemische Zersetzung
spiegelglatt poliert, so daß die Glätte eine Rauhtiefe von 2 · 10¹ nm
(200 Å) RMS oder kleiner, vorzugsweise 1 · 10¹ bis 0,5 · 10¹ nm
(100 bis 50 Å) RMS aufweist, wärmebehandelt, während die
Kristallausrichtungen der α-SiC-Einkristall-Substrate 1 der
Komplexe in gleicher Richtung ausgerichtet werden, und die
glattgeschliffenen Dünnschichten 2a' eng aufeinander
befestigt sind. Daher kann die Kontaminierung, die durch
Haftung von Schwebestoffen und dergl. in der Nähe der
Oberflächen 2a' der polykristallinen β-SiC-Dünnschichten 2
bewirkt wird auf minimale Höhe unterdrückt werden. Sogar wen
eine Veränderung der umgebenden Atmosphäre, zum Beispiel eine
Veränderung des gesättigten SiC-Dampfdrucks während der
Wärmebehandlung auftritt, ferner auch ein Phänomen, daß die
Veränderung der umgebenden Atmosphäre bewirkt, daß Teile der
Oberflächen 2a' der polykristallinen β-SiC-Dünnschichten 2
zersetzt werden und verschwinden, oder Kristalle sich in der
Nähe absetzen, so daß sie an den Flächen 2a', der
polykristallinen β-SiC-Dünnschichten 2 haften, auf eine minimale Höhe
herunterdrückt werden. Somit wird verhindert, daß Überreste
von Verunreinigungen, Mikrolunker-Defekten und dergl.,
Kontaminierung von außerhalb, und Ausbildung von Korngrenzen in
der Schnittstelle: der Komplexe M verhindert werden. Als
Ergebnis wird ein großer SiC-Einkristall mit stabiler hoher
Qualität mit hoher Produktivität erreicht.
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In der oben beschriebenen Ausführungsform werden als
polykristalline Dünnschichten die polykristallinen
β-SiC-Dünnschichten 2 benutzt. Alternativ können auch Komplexe, in
jedem von welchen ein polykristallines hexagonales (6H) α-
SiC-Einkristall-Substrat hoher Verunreinigung (10¹&sup4;/cm³ oder
weniger) auf der Oberfläche eines α-SiC-Einkristall-Substrats
1 aufgezogen wird, wärmebehandelt werden. Als Alternative ist
es möglich, große SiC-Einkristalle mit höherer Produktivität
im Vergleich zum oben beschriebenen Fall zu erhalten, wo die
polykristallinen β-SiC-Dünnschichten 2 benutzt werden.