Siliziumkarbid-Kristallzüchtung So entsteht ein SiC-Wafer

Gitterfehler ausmerzen

Welche Mechanismen führen zu Gitterfehlern, und was kann man dagegen tun?

Wie bei allen Halbleitermaterialien gibt es einen ganzen »Zoo« von spezifischen Defekten. Wir hatten ja schon vom Umschlagen in eine andere Modifikation gesprochen, wenn der Prozess nur ein wenig instabil wird. Selbst wenn wir annehmen, das geschähe an einer unkritischen Stelle, dann besteht trotzdem die Gefahr, dass »Kinder« in Form von Mikroröhren oder Versetzungen entstehen, die sich dann wiederum durch den gesamten Kristall ziehen können. Des Weiteren können sich durch die hohe Wärmebelastung Partikel von kristallnahen Oberflächen lösen, auf den Kristall gelangen und dort eingebaut werden. An einem solchen Einschluss können dann ebenfalls Versetzungen und Mikroröhren entstehen. Aber angenommen nichts von dem oben genannten passiert, dann haben wir immer noch das Problem, dass der Temperaturunterschied z. B. zwischen dem Zentrum und dem Rand des Kristalls zu groß werden kann. Dann verspannt sich der Kristall und beim Abbau der Verspannungen entstehen Versetzungen. Damit habe ich ein doppeltes Problem: Versetzungen sind schlecht für die Bauelemente, und die Verspannungen führen dazu, dass sich der Wafer durchbiegt. Das kann beim Kunden beispielsweise in dessen Fotolithografie zu Fokussierungsproblemen führen.

Die Mikroröhren, Polytypenstabilität und Einschlüsse haben wir sehr gut im Griff. Wo sich das Material in den nächsten Jahren weiter deutlich verbessern wird, ist die Versetzungsdichte. Das überrascht jedoch in keiner Weise. Die Verringerung der Versetzungsdichte ist ja bei allen Halbleitermaterialien ein kontinuierlicher Arbeitspunkt.

Ich könnte mir vorstellen, dass das Problem mit dem Temperaturgradienten mit zunehmendem Scheibendurchmesser noch größer wird.

Wir kennen diese Herausforderung sehr gut und haben bei dem 6-Zoll-Wafer die Lösung bereits gefunden. Lösungsansätze für 8-Zoll-Wafer sind bereits vorhanden und unsere Entwickler arbeiten bereits daran, das Thema anzugehen.

Wie hat sich die Produktion von SiC-Wafern über die letzten Jahre verändert bzw. verbessert?

Aus meiner Sicht gab es zwei große Veränderungen: zum einen generell die Zielsetzung der Produktion, zum anderen, eher augenscheinlich, die Vergrößerung des Kristall- bzw. Waferdurchmessers.

Als wir anfingen, bestand die Zielsetzung darin, zunächst überhaupt qualitativ akzeptables Material verfügbar zu machen; die Kosten waren eher sekundär, d. h., aus heutiger Sicht wurden abenteuerliche Preise gezahlt. Die vergleichsweise vielen Kristalldefekte waren damals teilweise mit bloßem Auge zu erkennen. Mitunter akzeptierten es die Kunden sogar, wenn auf dem Wafer andere Kristallmodifikation vertreten waren.

Heute dagegen wird Qualität zu Recht als selbstverständlich vorausgesetzt. Dafür wird natürlich um so intensiver über das Thema Preis gesprochen. Diese Entwicklung ist völlig nachvollziehbar, denn letztendlich entfällt ja heute ein großer Anteil der Bauteilkosten auf das Substrat. Man könnte diese Veränderung vielleicht folgendermaßen zusammenfassen: Damals hieß es: »Zeigt zunächst, dass es überhaupt geht«, während es heute heißt: »Zeigt, dass es immer kostengünstiger geht«.

Die zweite Veränderung war, wie gesagt, die Vergrößerung des Waferdurchmessers. Wir haben über lange Zeit 2-Zoll-Wafer für die Optoelektronik gefertigt, jetzt sind wir im Volumen bei hundert Millimeter und vollziehen den Wandel auf 150 Millimeter. Und die Kunden beginnen schon nach einer Perspektive für 200 Millimeter zu fragen. Darin spiegelt sich letzten Endes der Kostenaspekt wider, denn je größer der Wafer, desto kos¬tengünstiger können Halbleiterfirmen ihre Bauelemente produzieren.

In welchen Bereichen muss sich die SiC-Waferfertigung noch verändern?

Neben dem Scheibendurchmesser sind es natürlich die bereits erwähnten Kosten. Wenn Sie sich überlegen, wo heute SiC-Wafer hergestellt werden – vor allem in den USA und in Europa –, dann sind das keine Billiglohnländer. Und die Herstellungsprozesse sind so komplex, dass sich diese nicht so einfach woandershin verlagern lassen. Unsere Mitarbeiter haben jahrelange Erfahrung in der Kristallzüchtung und Scheibenherstellung; auch dieses Know-how lässt sich nicht so einfach transferieren. Zudem ist zu bedenken, dass man zu jedem Zeitpunkt aus den hergestellten Kristallen unter anderem auch wieder die Keime für die nächste Kristallgeneration gewinnen muss; das ist letztlich ein geschlossener Kreislauf den man am besten an einem Standort abbildet.

Als ein Fazit hat man als Hersteller von Siliziumkarbid-Wafern ganz erhebliche Personalkosten, die sich natürlich in den Waferkosten niederschlagen. Daher glaube ich, dass das Thema Automatisierung – wo immer im Prozess möglich – äußerst wichtig wird. Auch die größeren Volumina, die kommen werden und teilweise schon kommen, werden die Preise senken – Stichpunkt Fixkosten-Degression. Wir sehen uns da gut vorbereitet, denn unser Standort hier in Nürnberg ist schon so ausgelegt, dass wir viel höhere Volumina produzieren können. Zu guter Letzt sei erwähnt: Steigenden Qualitätsanforderungen zu genügen ist selbstverständlich.

Seit 2009/2010 ist SiCrystal eine Tochter des japanischen Halbleiterherstellers Rohm Semiconductor. Was hat sich für Ihr Unternehmen seither verändert?

Die Zugehörigkeit zu einem auf Leistungselektronik focussierten Bauelemente- und Modulhersteller hat uns in die Lage versetzt, die Produktspezifikationen permanent und nachhaltig zu verbessern, um die hohen Kundenanforderungen zufriedenzustellen. Dies hat zu einer noch höheren Qualität der Bauelemente geführt.

Was begeistert Sie persönlich bei Thema SiC und der Herstellung solcher Wafer?

Was mich fasziniert, ist, im wahrsten Sinn des Wortes, »Material herzustellen«, es aus der Gasphase, also quasi aus dem Nichts, zu erschaffen. Was wäre, wenn es kein Kupfer oder Eisen gäbe? Was wäre, wenn es kein Siliziumkarbid gäbe? Es geht um die Machbarkeit von bisher nicht Möglichem. Den Tiegel erwartungsvoll zu öffnen und dann einen Kristall zu sehen, der eine vollkommen blanke Oberfläche hat wie ein Spiegel – dieser Schöpfungsprozess ist das, was uns antreibt.

Vielen Dank für das Gespräch.

Das Interview führte Ralf Higgelke.

Zeittafel zu Siliziumkarbid: http://www.tu-ilmenau.de/mne-nano/forschung/sic/