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Siliziumkarbid-Kristallzüchtung

So entsteht ein SiC-Wafer

19. April 2017, 12:00 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Vom Rohmaterial zum Ingot

Beschreiben Sie uns bitte, wie aus dem Rohmaterial zunächst der Ingot, also die monokristalline Säule, und daraus dann die Wafer entstehen.

Wie gerade schon angedeutet, nutzen wir kein Schleifmittelpulver als Ausgangsmaterial, sondern kaufen hochreines Silizium und hochreinen Kohlenstoff ein. Dieses lassen wir in einem sogenannten Syntheseprozess bei hohen Temperaturen unter Schutzgas miteinander reagieren. Das Ergebnis ist pulverförmiges Siliziumkarbid von ebenfalls höchster Reinheit. Hört sich recht einfach an, es dauerte aber dennoch eine gewisse Zeit, um den Syntheseprozess auf das heute äußerst stabile und auf unsere Anwendung abgestimmte Niveau zu entwickeln.

Dieses Pulver hat bestimmte Eigenschaften, beispielsweise dessen Korngröße. Pulver mit einer kleinen Korngröße hat im Vergleich zu grobkörnigerem Pulver eine größere effektive Oberfläche. Das wiederum beeinflusst stark, wie das Pulver bei der Kristallzüchtung verdampft. Die Verteilung der Korngröße im Ausgangsmaterial ist äußerst wichtig, denn Pulver von exakt nur einem Korndurchmesser gibt es ja nicht. Neben diesen beiden Parametern sowie der chemischen Zusammensetzung – mal hat man ein bisschen mehr oder weniger Kohlenstoff – und der Reinheit des Pulvers gibt es noch eine Reihe weiterer Einflussgrößen. Das alles herauszufinden und auf den Züchtungsprozess abzustimmen, war sehr wichtig.

Zu Beginn hatten wir das noch nicht so eingeschätzt, aber heute wissen wir, dass wir nicht irgendein SiC-Pulver verwenden können, sondern ein auf unseren Prozess abgestimmtes Quellmaterial. Aus diesem Grund stellen wir das SiC-Pulver auch im eigenen Haus her. Nur so können wir zuverlässig die Einhaltung aller Prozessparameter und der internen Spezifikation gewährleisten.

Und dann kommt noch der eigentliche Züchtungsprozess…

… mit all den Details, die man dort falsch machen kann. Wie entsteht nun aus diesem Pulver und dem Keim ein einkristalliner Ingot? In einem Tiegel aus Grafit wird das SiC-Pulver eingefüllt. An der oberster Stelle des Tiegels wird der Keim befestigt. Um den Tiegel herum ist zunächst eine Isolationsschicht, dann folgt eine Induktionsspule. Diese verursacht in dem Grafit des Tiegels Ringströme, die wiederum das Material aufheizen – ähnlich wie bei einem Induktionsherd. Das Isolationsmaterial ist dazu da, dass nicht so viel Wärme nach Außen abgegeben wird, sondern der Großteil ins Innere des Tiegels gelangt und das Pulver auf Temperaturen zwischen 2200 und 2500 Grad Celsius erhitzt. Bei diesen hohen Temperaturen und niedrigen Drücken von wenigen Millibar verdampft das SiC-Pulver und kristallisiert am Keim; man spricht hier also von einer Gasphasenabscheidung. So wächst ausgehend vom Keim der Ingot. Zum Dotieren nutzen wir Stickstoff.

Ist das Pulver verbraucht, wird die Anlage und damit der Tiegel kontrolliert abgekühlt. Wir entnehmen den Kristall, röntgen diesen und schleifen ihn zu einem kristallografisch exakt ausgerichteten Zylinder mit seitlichen Abflachungen, welche ebenfalls eine definierte kristallographische Orientierung anzeigen. Danach sägen wir daraus Kristallscheiben und bearbeiten diese weiter. Es erfolgt die Laserbeschriftung jeder einzelnen Scheibe aus Gründen der Nachverfolgbarkeit. Die nächsten Schritte sind das Anfasen der Scheibenkanten und das Polieren der Oberflächen. Danach wird die Scheibe mit diversen Reinigungsverfahren gesäubert und einer abschließenden Qualitätskontrolle unterzogen. Nun ist der Wafer »Epi-ready«.

Wie lange dauern dieser Kristallwachstumsprozess bei SiC im Vergleich zu Silizium?

Beim klassischen Czochralski-Verfahren, bei dem Siliziumkristalle aus der Schmelze hergestellt werden, liegt die Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls bei etwa hundert Millimeter pro Stunde, bei der Siliziumkarbid-Gasphasenzüchtung sind es üblicherweise nur etwa hundert Mikrometer pro Stunde, also drei Dekaden langsamer. Das bedeutet, dass ein SiC-Ingot im Verlauf vieler Tage entsteht.

Die Qualität des Keims ist bei SiC wesentlich wichtiger als bei Silizium. Können Sie uns das bitte erläutern?

Beim Czochralski-Verfahren beginnt die Züchtung mit einem Keim von vergleichsweise kleinem Durchmesser. Der daran aus der Schmelze gezogene Kristall ist anfänglich ebenfalls von geringem Durchmesser, man spricht von dem Dünnhals, und wird erst später im Zuge des sogenannten Schulterwachstums auf den deutlich größeren Zieldurchmesser gebracht. In der Anfangsphase können bei noch kleinem Durchmesser Defekte wie Versetzungen effektiv verringert werden, sodass ideale Startbedingungen für den eigentlichen Kristall gegeben sind.

Diese Möglichkeit haben wir bei Siliziumkarbid nicht. Wir benötigen einen Keim, der bereits mindestens den gleichen Durchmesser wie der zu züchtende Kristall hat. Alles das, was am Anfang der Züchtung an Kristalldefekten durch den »Schock« des Ankeimens entsteht, müssen wir dann durch eine aufwändige Prozessführung abpuffern. Auch jeglicher Kristalldefekt, der schon im Keim selbst vorhanden ist, kann sich in dem gezüchteten Kristall fortsetzen.

Ich würde es so zusammenfassen – auch wenn die Siliziumleute dem widersprechen würden: Bei Silizium kommt es sehr auf die Prozessführung an, aber weniger auf die Qualität des Keims. Bei SiC ist auch der Keim von enormer Bedeutung, denn alles, was in dem Keim drinsitzt hat das Potenzial, den gesamten Kristall unbrauchbar zu machen.

Die Keime sind also die Kronjuwelen eines SiC-Waferherstellers.

Genau, die gibt’s nicht zu kaufen, die müssen Sie sich kontinuierlich selber fertigen. Auch sind diese Keime das beste Material, das ein Hersteller hat, denn sie garantieren in der Produktion Kristalle und Wafer auf höchstem Qualitätsniveau. Wir müssen also zusehen, dass wir immer genug gute Keime in unserem »Safe« haben. Und deshalb haben wir einen speziellen Prozess, der nur darauf abzielt, den Nachschub an Keimen stets sicherzustellen.

Auch das Erhöhen des Scheibendurchmessers ist bei SiC wesentlich schwieriger als bei Silizium. Warum?

Wir hatten ja schon den Abriss vom Czochralski-Verfahren. Über die Prozessführung, also die verwendeten Rotationsgeschwindigkeiten sowie die Geschwindigkeit, mit welcher der Kristall aus der Schmelze gezogen wird , wird der Kristalldurchmesser eingestellt. Bei Siliziumkarbid ist das komplett anders: Der Durchmesser des Keims gibt den Durchmesser des späteren Kristalls vor. Der maximal mögliche Aufweitungswinkel ist gering. Daher müssen wir über viele Prozessiterationen den Kristall langsam und schrittweise auf einen größeren Zieldurchmesser bringen. Das erklärt auch, warum man Jahre braucht, um auf einen größeren Scheibendurchmesser bei in der Regel verbesserter Qualität zu kommen.