Siliziumkarbid-Kristallzüchtung So entsteht ein SiC-Wafer

Siliziumkarbid ist Halbleitermaterial mit großer Zukunft. Allerdings ist die Herstellung solcher Wafer sehr komplex und schwierig. Die DESIGN&ELEKTRONIK sprach mit Dr. Robert Eckstein, CEO des SiC-Waferherstellers SiCrystal darüber, wie eigentlich ein SiC-Wafer entsteht.

Herr Dr. Eckstein, seit 1997 produziert SiCystal bereits SiC-Wafer. Wie lange wurde vorher daran geforscht?

Dr. Robert Eckstein: Das kommt ganz darauf an, von welchem Standpunkt aus Sie das Siliziumkarbid betrachten. Der Startschuss für dessen industrielle Nutzung fiel bereits 1892. In dem nach seinem Erfinder E.G. Acheson benannten Acheson-Prozess wird bis heute SiC für die Schleifmittelindustrie hergestellt. 1904 entdeckte H. Moissan Siliziumkarbid in einem Meteoritenkrater in Arizona, dass er nach dem Diamant für das »zweithärteste natürliche Mineral« hielt. Es folgte die mineralogische Aufarbeitung. Danach dauerte es bis ins Jahr 1955, bis J.A. Lely ein Verfahren vorstellte, um kleine SiC-Kristalle mit »kontrollierter Reinheit« zu züchten. Bei dem so hergestellten Material könnte man erstmals von Halbleiterkristallen sprechen. Solchen Halbleiterkristallen wiederum wurde nach definierten Kennzahlen bereits in den 1960er Jahren ein enormes Potenzial als Basismaterial für Hochfrequenz- und Leistungselektronik vorausgesagt. Diese Prognose war ein wichtiger Treiber für die Weiterentwicklung der Prozesse zur Kristallzüchtung von SiC, welche in der heutigen Form wesentlich auf Verbesserungen aus den 1970er und 80er Jahren zurückgehen.

Die Wurzeln der SiCrystal sind die Forschungsarbeiten an der Universität Erlangen, die dort ab 1994 durchgeführt wurden. Hierauf basierend wurde im Jahr 1997 unser Unternehmen gegründet. Wir begannen damals mit der Entwicklung und dem Sampling erster Wafer. Im Jahr 2000 begannen wir mit der Klein- und ab etwa 2004 mit der Großserienfertigung. Im Jahr 2009 erwarb der Halbleiterhersteller Rohm Semiconductor alle Anteile von den damaligen Aktionären und sorgte für den entscheidenden Schub hin zur heutigen Massenproduktion der Substrate für die Leistungselektronik.

Welche Hürden galt es zu überwinden, bis die ersten echten SiC-Wafer produziert werden konnten?

Für die Züchtung solcher Wafer benötigt man neben der Anlage drei wesentliche Dinge: einen Keim, das Ausgangsmaterial und einen Prozess. Und bei jedem dieser drei Punkte waren gewisse Hürden zu überwinden.

Beginnen wir beim Keim. Wo bekomme ich meinen ersten Keim her? Die ersten Keime waren Acheson-Kristalle für die Schleifmittelproduktion. Für deren Herstellung gab es in den Niederlanden ein Werk, woher man solche Kristalle bekommen konnte. Aus diesem Rohmaterial suchte man sich ein paar besonders gute Plättchen aus, die wenigstens einen Quadratzentimeter groß waren, mit denen man dann weiterarbeiten konnte. Auf diese Plättchen ließ man dann SiC-Kristalle aufwachsen, die dann wiederum als Keime für die nächsten Kristalle dienten. Und so näherte man sich Schritt für Schritt einem Durchmesser an, der sich für die Produktion von SiC-Wafern eignete. Es gab und gibt ja keine fertigen Keime zu kaufen, sondern jeder Hersteller musste und muss sich so mühselig über unzählige Prozessiterationen seine Keimversorgung für jeden Zieldurchmesser selbst aufbauen. Heute ist das kein Thema mehr, aber anfangs war es eine große Herausforderung.

Die zweite Hürde war das Ausgangsmaterial selber, in unserem Fall Siliziumkarbidpulver. Die naheliegende Idee ist, Schleifmittelpulver dafür zu verwenden. Allerdings hat man dabei die Zusammensetzung und die Reinheit des Materials nicht in der Hand. Das bedeutete, wir mussten zunächst den heutigen Prozess entwickeln, um aus reinem Silizium und Kohlenstoff pulverförmiges Siliziumkarbid mit hoher Reproduzierbarkeit herzustellen.

Die eigentliche Prozessentwicklung selber war dann die dritte Hürde, denn es galt, verschiedenste Kristalldefekte auszumerzen. Um mit etwas Augenscheinlichem anzufangen, sollte ein Stickstoff-dotierter SiC-Wafer im Falle von 6H-Siliziumkarbid für die Optoelektronik homogen grün oder im Falle von 4H-SiC für die Leistungselektronik homogen braun sein. In der Anfangszeit mischten sich jedoch neben der beabsichtigten Kristallmodifikation mehrere dieser sognannten Polytypen, z. B. neben 6H und 4H auch 15R mit seiner gelblichen Farbe, auf einer einzigen Scheibe. Das kann ein Kunde natürlich nicht gebrauchen, denn jede dieser Kristallmodifikationen hat andere elektrische und physikalische Eigenschaften. Anfangs war es sehr schwer, Scheiben mit nur einem Polytypen herzustellen. Und wenn der Prozess nicht exakt in den entsprechenden Parametern läuft, wird das Kristallwachstum instabil, und der »Poly« schlägt plötzlich in einen anderen um. Wie Sie wissen, ist das natürlich Vergangenheit. Die heute ausgelieferten Scheiben sind natürlich »Polytypen-rein«.

Eine andere Herausforderung waren die sogenannten Mikroröhren. Hierbei handelt es sich, wie der Name bereits nahelegt, um Röhren mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich, die unter Umständen den gesamten Kristall durchwachsen können. Gerade in der Anfangszeit war dies ein Problem. Mitte der 1990er Jahre lag die Dichte der Mikroröhren noch bei einigen hundert pro Quadratzentimeter, 2003 bei zehn bis zwanzig, 2005 bei unter zehn, und mittlerweile ist dieser Wert auf unter eins pro Quadratzentimeter gefallen. Dieses Problem haben wir auch durch eine Vielzahl von Prozessoptimierungen gelöst.