Kristallwachstum & Substrate

Anders als Silizium lässt sich SiC nicht aus der Schmelze ziehen – bei den nötigen Temperaturen sublimiert SiC, statt zu schmelzen, da bei Normaldruck kein flüssiger Aggregatzustand existiert (SiC zersetzt sich oberhalb von etwa 2830 °C direkt in die Gasphase). Ein Czochralski- oder Bridgman-Verfahren wie bei Silizium scheidet damit von vornherein aus. Stattdessen kommt das PVT-Verfahren (Physical Vapor Transport, auch modifizierte Lely-Methode) zum Einsatz: Ein SiC-Pulvervorrat wird auf über 2000 °C erhitzt und sublimiert, die Gasphase – bestehend im Wesentlichen aus Si, Si₂C und SiC₂ – wandert entlang eines Temperaturgradienten zu einem kühleren SiC-Keimkristall und kristallisiert dort epitaktisch.

Der Prozess läuft über Tage bis Wochen und wächst eine zylindrische Boule, aus der anschließend Wafer gesägt werden. Die Wachstumsgeschwindigkeit liegt typischerweise nur bei wenigen hundert Mikrometern pro Stunde, was den Prozess vergleichsweise langsam und kostenintensiv macht – ein wesentlicher Grund für die bis heute höheren Substratkosten von SiC gegenüber Silizium. Die präzise Kontrolle des Temperaturgradienten im geschlossenen Graphittiegel ist entscheidend, um eine gleichmäßige, defektarme Kristallisation über den gesamten Boulendurchmesser sicherzustellen; Abweichungen führen schnell zu Mikroröhren, Versetzungen oder parasitären Polytyp-Einschlüssen. Nach dem Sägen folgen aufwendige Läpp-, Polier- und CMP-Schritte, bis eine epitaxiefähige Waferoberfläche mit atomar glatter Terrassenstruktur erreicht ist.

SiC kommt in über 200 Kristallstrukturen (Polytypen) vor, die sich nur in der Stapelfolge der Si-C-Doppellagen entlang der c-Achse unterscheiden – man spricht von Polytypismus, weil trotz identischer chemischer Zusammensetzung unterschiedliche elektronische Eigenschaften entstehen. Die gebräuchlichsten Polytypen sind 3C (kubisch), 4H und 6H (beide hexagonal), benannt nach der Anzahl der Si-C-Doppellagen in der sich wiederholenden Stapelsequenz.

Für die Leistungselektronik hat sich 4H-SiC durchgesetzt, weil es eine höhere und isotropere Elektronenbeweglichkeit bietet als etwa 6H-SiC, dessen Beweglichkeit je nach Kristallrichtung um bis zu einen Faktor drei variiert. Zudem besitzt 4H-SiC eine größere Bandlücke als 6H-SiC (3,26 eV gegenüber 3,0 eV) und damit eine höhere Durchbruchfeldstärke, was es für Hochspannungsanwendungen zusätzlich attraktiver macht. Die Wachstumsrichtung erfolgt meist off-axis (typisch 4° Fehlschnitt zur c-Achse, früher auch 8°), um beim Homoepitaxie-Wachstum stufenvermitteltes Wachstum (Step-Flow-Growth) zu erzwingen, bei dem sich Atome bevorzugt an vorhandenen Stufenkanten anlagern, statt neue Inseln zu keimen. Ohne diesen gezielten Fehlschnitt würde sich bevorzugt der thermodynamisch günstigere 3C-Polytyp bilden, was zu störenden Polytyp-Einschlüssen und lokalen Kristalldefekten im 4H-Gitter führen würde.