Halbleitermaterial der Zukunft Der Entstehungsprozess von SiC

Siliziumkarbid, das Halbleitermaterial der Zukunft.
Siliziumkarbid, das Halbleitermaterial der Zukunft.

Das Potenzial von SiC für Anwendungen in der Leistungs- und Hochfrequenzelektronik ist riesig. Doch bis ein Prozess gefunden wurde, um konkurrenzfähige SiC-Substrate herzustellen, war es ein weiter Weg. Und auch heute muss den steigenden Anforderungen an Qualität und Durchmesser nachgekommen werden.

Wenngleich Siliziumkarbid (SiC) verglichen mit anderen etablierten Halbleitern wie Silizium oder Galliumarsenid ein eher junges Basismaterial der Halbleiterelektronik ist, so beginnt seine Geschichte als Werkstoff bereits Ende des 19. Jahrhunderts. Edward Acheson entwickelt bereits zu diesem frühen Zeitpunkt ein Verfahren zur Herstellung von kristallinem SiC als Schleifmaterial, das bis heute Anwendung findet. In diese Zeit etwa fallen auch die ersten mineralogischen Untersuchungen des „second hardest mineral occuring in nature“ durch H. Moissan. Nach dem französischen Chemiker wird SiC manchmal heute noch als Moissanit bezeichnet.

Als Mitte des 20. Jahrhunderts mit der Einführung des Bipolar-Transistors die Zeit der Halbleiter anbrach, wurde schon gleich das enorme Potenzial des Siliziumkarbids für bestimmte Anwendungen erkannt. Den Überlegungen von E. Johnson zufolge kann man von dem Produkt aus Durchbruchsfeldstärke und Sättigungs-Driftgeschwindigkeit auf die Eignung eines Materials als Transistor-Basiswerkstoff für Hochfrequenz- und Leistungsanwendungen schließen. Bei diesem Vergleich lässt SiC sowohl Silizium als auch Galliumarsenid deutlich hinter sich.

Doch in der Praxis konnte das Halbleitermaterial den Beweis für seine Überlegenheit nicht sofort antreten. Damals existierte noch kein Prozess zur Herstellung von ausreichend großen und gleichzeitig defektarmen Siliziumkarbid-Substraten, um aussagekräftige Teststrukturen zu fertigen. Ausgehend vom Acheson-Prozess über die Zwischenstufe des sogenannten Lely-Prozesses wird erst Ende der 1970er Jahre mit dem „modifizierten Lely-Prozess“ die Grundlage für die moderne Herstellung von SiC-Substraten geschaffen. Als diese Weiterentwicklung des Herstellungsprozesses im universitären und später auch im industriellen Rahmen zunehmend bessere und größere Siliziumkarbid-Substrate lieferte, konnte der Halbleiter Siliziumkarbid mit seinen Eigenschaften vollständig überzeugen.

Voraussetzungen für die Herstellung

Vor der Herstellung, unter Fachleuten Züchtung genannt, eines Siliziumkarbid-Kristalls gilt es zunächst, die grundlegenden Komponenten bereit- bzw. herzustellen. Neben der Kristallzüchtungsanlage, dem Züchtungsprozess und verschiedensten Medien sind hier vor allem das Quellmaterial und der Keim zu nennen.
Als Quell- oder Ausgangsmaterial bezeichnet man jenes Siliziumkarbid, welches als Rohstoff in den Züchtungsprozess eingebracht wird und den wachsenden Kristall während des Prozesses kontinuierlich speist. In der Regel wird pulverförmiges Quellmaterial verwendet, welches in einem vorangehenden, streng kontrollierten Hochtemperaturprozess aus den hochreinen Komponenten Silizium und Kohlenstoff gewonnen wird. Durch die genaue Aussteuerung wird sichergestellt, dass stets Ausgangsmaterial mit intern spezifizierter Reinheit, Stöchiome¬trie, Korngröße bzw. Korngrößenverteilung und anderen, intern festgelegten Parametern zum Einsatz kommt.

Der sogenannte Keim ist eine einkristalline, runde Siliziumkarbid-Scheibe, welche das Wachstum eines einzelnen großen Einkristalls initiiert und in gewisser Weise auch weiterhin steuert. Die Bezeichnung Keim kommt somit nicht von ungefähr. Wie der Keim für die daraus entstehende Pflanze, so vererbt auch der Keim maßgebliche „genetische“ Informationen an den zu züchtenden Kristall. Gerade die strukturelle Perfektion des Keims bestimmt in hohem Maße die Defektabsenz im Kristall. Bei SiCrystal wird durch einen vielstufigen Auswahlprozess sichergestellt, dass nur die bestmögliche Materialqualität aus den reinsten eigenen Kristallen wieder zu Keimen verarbeitet wird. Diese ständige interne Auswahl wirkt wie ein Destillationsprozess, bei dem Keimqualität und somit auch Produktqualität kontinuierlich verbessert werden.

Abgrenzung zur Silizium-Kristallzüchtung

Kristallzüchtungsanlage, Züchtungsprozess, Medien, Quellmaterial und Keim – all diese Faktoren spielen natürlich auch bei den Verfahren zur Herstellung anderer Halbleiter, beispielsweise Silizium, eine wichtige Rolle. Dennoch ist Siliziumkarbid anders.

Bedingt durch das spezielle SiC-Züchtungsverfahren aus der Gasphase (davon später mehr) sollte beispielsweise der verwendete Keim in seinem Durchmesser mindestens dem Zieldurchmesser des zu züchtenden Kristalls entsprechen. Es genügt also nicht, wie beim Silizium einen Kristall mit großem Durchmesser an einem Keimstäbchen mit vergleichsweise winzigem Durchmesser wachsen zu lassen (Bild 1). Da sich jedoch augrund der bereits beschriebenen „Genetik“ mögliche Defekte aus dem Keim in den zu züchtenden Kristall vererben würden, ist beim Siliziumkarbid ein makelloser und gleichzeitig auch großflächiger Keim erforderlich.

Unter anderem sind es damit auch die Keime, die eine Grundlage für den gesicherten Betrieb eines Unternehmens darstellen können. SiC ist kommerziell nirgends erhältlich, was eine Art Kopierschutz darstellt. Es liegt bei SiCrystal zu jedem Zeitpunkt in ausreichender Stückzahl und streng abgesichert durch interne Prozesse vor.

 

Kasten: SiCrystal
Das Unternehmen SiCrystal AG ist einer der führenden Hersteller von Siliziumkarbid-Halbleitersubstraten. Die 1996 gegründete, hundertprozentige Tochter von Rohm Co. Ltd beliefert von ihrem Standort in Nürnberg aus ihre Kunden weltweit.Das Unternehmen hat alle Produktionsschritte von der Herstellung des Ausgangsmaterials bis hin zur Verpackung des Epi-ready-Substrats im Reinraum im eigenen Haus. Ergänzend zu den Resultaten der eigenen Analyseverfahren hat SiCrystal direkten Zugriff auf die Ergebnisse von Bauelemente-Tests innerhalb des Rohm-Konzerns. Dadurch ist es möglich, die Materialoptimierung