Growth of SiC by High Temperature CVD and Application of Thermo-gravimetry for an In-situ Growth Rate Measurement

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Kurzfassung: Siliziumkarbid (SiC) ist ein seit langem bekannter Halbleiter mit vielversprechenden physikalischen Eigenschaften. Aufgrund seiner herausragenden Wärmeleitfähigkeit findet es insbesondere in der modernen Hochtemperatur- und Hochleistungselektronik ein zukunftsträchtiges Anwendungsfeld, welches jedoch die Entwicklung großer und hochreiner Einkristalle erfordert. Das zur Zeit wichtigste Verfahren zur Herstellung von SiC Einkristallen ist die Physikalische Gasphasenabscheidung(Physical Vapor Transport-Deposition, PVT), das auf der Herstellung von SiC-Pulver, der nachfolgenden Sublimation des Pulvers und der anschließenden homoepitaktischen Abscheidung von SiC aus der Gasphase auf SiC-Impfkristallen beruht. Die dazu notwendigen, extrem hohen Sublimations- und Schmelztemperaturen (2500-2600°C) bilden allerdings ein großes Hindernis für die Herstellung größerer Einkristalle geringer Defektdichte; zudem benötigt der Gesamtprozeß ein hohes Maß an zuzuführender Energie, u.a. für die zusätzliche Bereitstellung des SiC-Pulvers. Hier erstmalig vorgestellt wird nun ein neuartiges Verfahren, das auf der homoepitaktischen Chemischen Gasphasenabscheidung von SiC auf SiC-Impfkristallen bei Temperaturen um etwa 1900-2300°C (High Temperature Chemical Vapor Deposition, HTCVD) besteht. Als Vorläufer dieses Prozesses dienen Silan (SiH4) und Propan C3H8. Im Gegensatz zum herkömmlichen PVT-Verfahren wird das SiC direkt unter einmaligem Aufheizen der Vorläufer gebildet; so kann ein großer Teil der für den Prozeß benötigten Energie eingespart werden. Die vorgelegte Arbeit beschreibt zum einen die Konstruktion, Entwicklung und Inbetriebnahme eines induktiv beheizten Heißwandreaktorsystems für reine Silanvorläufer und extreme Prozesstemperaturen (< 2100°C), zum anderen wurde die epitaktische Kristallzucht durch Variation der Prozessparameter (Druck, Temperatur, Vorläuferkonzentrationen) detailliert untersucht und bzgl. einer hohen Abscheiderate hochreiner Einkristalle optimiert. Um dieses Ziel zu erreichen wurde der Reaktor u.a. mit einer speziellen gravimetrischen Meßvorrichtung zur in-situ Analyse der Wachstumsraten ausgestattet. Dieses erlaubt die schnelle Umsetzung von Parameterstudien in eine gezielte Steuerung des Wachstumsprozesses. Die durchgeführten Experimente folgten einer straffen Reihenfolge: Parallel zur Auslegung des Reaktors wurden zunächst Testexperimente zur Abscheidung polykristalliner SiC-Filme auf größeren Graphitsubstraten durchgeführt, um die genaue Reaktor- und Probengeometrie sowie den für ein erfolgreiches SiC-Wachstum notwendigen Parameterbereich (Druck, Temperatur, etc.) einzugrenzen. Die dabei gefundenen Resultate dienten dann als Ausgangslage der nachfolgenden homoepitaktische Abscheidung von SiC auf einkristallinen SiC-Keimkristallen. Abgeschieden wurde dabei u.a. auf einkristallinen 6H-SiC-Keimkristallen unter "on-axis"-Orientierung. . Hier konnte bei 800 mbar Gesamtdruck im Reaktor und einer Substrattemperatur von 1955°C erfolgreich SiC-Einkristalle gezüchtet werden. Die erreichte Wachstumsrate betrug dabei 31 µm/h bei einer Vorläuferkonzentration von 0,132 mol/m3 für Kohlenwasserstoff (Propan) und 0.996 mol/m3für Silan. Höhere Wachstumsraten wurden nur bei höheren Substrattemperaturen und auf 6H-SiC-Keimkristallen mit 3.5° "off-axis"-Orientierung erzielt: 100 µm/h bei 2060°C, der maximal zulässigen Temperatur des verwendeten Reaktors. Nach erfolgreicher längerer Abscheidedauer (bis zu 3 Stunden) konnten größere Einkristalle mit Schichtdicken von etwa 150 µm beobachtet werden. Das resultierte Wachstum wurde gravimetrisch sowie mittels optischer Mikroskopie, XRD, SEM, EDX und LEED analysiert.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Verbrennung und Gasdynamik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Stichwörter:
HTCVD, SiC, Induction Heating, Hot-wall Reactor
Beitragende:
Prof. Dr. Atakan, Burak [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. Winterer, Markus [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Englisch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
02.08.2010
Dokument erstellt am:
11.01.2011
Promotionsantrag am:
06.10.2008
Dateien geändert am:
11.01.2011
Medientyp:
Text