AT524251A1

AT524251A1 - Vorrichtung zum Züchten von Einkristallen

Info

Publication number: AT524251A1
Application number: ATA50820/2020A
Authority: AT
Inventors: Ariyawong Kanaparin; Barbar Ghassan; ebner Robert; Hsiung Chih-Yung
Original assignee: Ebner Ind Ofenbau
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2022-04-15
Also published as: CN116324053A; EP4217528A1; AT524251B1; TW202219332A; US20230357952A1; WO2022061387A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (501) zum Züchten von Einkristallen, insbesondere von Einkristallen aus Siliziumcarbid, umfassend einen Tiegel (502), welcher Tiegel (502) eine äußere Mantelfläche (503) definiert und weiters einen Aufnahmeraum (504) mit einer Axialerstreckung zwischen einem Bodenabschnitt (505) und einem Öffnungsabschnitt (506) umgrenzt, wobei der Aufnahmeraum (504) zum Züchten der Kristalle ausgebildet ist, wobei in dem Öffnungsabschnitt (506) zumindest eine Keimkristallschicht (507) angeordnet ist, wobei die Keimkristallschicht (507) an einer dem Aufnahmeraum (504) abgewandten Seite mittels einer Beschwerungsmasse (508) beschwert und, insbesondere nur, durch die Gewichtskraft der Beschwerungsmasse (508) in ihrer Position gegen zumindest einen in dem Öffnungsabschnitt angeordneten Halteabschnitt (509) fixiert ist.

Description

die Vorrichtung zumindest eine Keimkristallschicht aufweist.

Für viele technische Anwendungen werden heute Einkristalle in industriellem Maßstab künstlich hergestellt. Nach den Phasenübergängen, die zu dem Kristall führen, können dabei die Züchtung aus der Schmelze, aus der Lösung und aus der Gasphase unterschieden werden. Bei der Züchtung aus der Gasphase können weiters die Herstellungsmethoden der Sublimation bzw. der physikalischen Gasphasenabscheidung sowie die Methode der chemischen Gasphasenabscheidung unterschieden werden. Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung wird die zu züchtende Substanz durch Erhitzen verdampft, sodass sie in die Gasphase übergeht. Das Gas kann unter geeigneten Bedingungen an einem Keimkristall resublimieren, wodurch ein Wachstum des Kristalls erfolgt. Das üblicherweise polykristallin vorliegende Rohmaterial (Pulver oder Granulat) erfährt auf diese Weise eine Umkristallisation. Ähnlich funktioniert die chemische Gasphasenabscheidung. Bei dieser wird der Übergang der zu züchtenden Substanz in die Gasphase erst durch eine Hilfssubstanz, an die die Substanz chemisch bindet, möglich, da sonst der Dampfdruck zu gering wäre. In Verbindung mit der Hilfssubstanz wird so eine hö-

here Transportrate hin zu dem Keimkristall erreicht.

An Siliziumcarbid-Einkristallen besteht insbesondere wegen ihrer Halbleiter-Eigen-

schaften großes Interesse. Ihre Herstellung wird in Öfen mit einem Tiegel, in dem

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Keimkristall direkt an einem Deckel eines das Rohmaterial enthaltenden Tiegels.

Ein Problem, welches bei bekannten Verfahren auftritt, ist es, den bei Heranzucht der Kristalle entstehenden Ingot von dem Deckel zu lösen, da der Ingot bei den herkömmlichen Verfahren mit dem Deckel verwachsen ist. Hierzu kommen üblicherweise Schneide oder Sägeverfahren zum Einsatz. Darüber hinaus wird durch die herkömmlichen Lösungen das Entstehen von Störstellen in einem Übergangsbereich zwischen Deckel und Randbereichen des Keimkristall begünstigt, da Ablagerungen an nicht für das Kristallwachstum vorgesehenen Seitenkanten des

Keimkristalls bei den bekannten Lösungen vorkommen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Tech-

nik zu überwinden und die Herstellung von Einkristallen zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Keimkristallschicht an einer dem Aufnahmeraum abgewandten Seite mittels einer Beschwerungsmasse beschwert und, insbesondere nur, durch die Gewichtskraft der Beschwerungsmasse in ihrer Position gegen zumindest einen Halteabschnitt des Tiegels

fixiert ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es auf einfache Weise, den Ingot aus dem Tiegel zu entfernen, ohne hierfür den Ingot von dem Deckel abschneiden

bzw. ablösen zu müssen.

Um nicht der Kristallisation dienende Bereiche abzudecken kann es vorgesehen sein, dass die Keimkristallschicht mit zumindest einem äußeren Randbereich an

dem zumindest einen Halteabschnitt anliegt.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass der zumindest eine Halteab-

schnitt um eine Öffnung des Öffnungsabschnittes umlaufend ausgebildet ist.

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schnitt von dem Grundkörper absteht.

Eine besonders zuverlässige Positionierung der Halterung in dem Tiegel sieht vor,

dass die Halterung in den Tiegel eingeschraubt ist.

Gemäß einer bevorzugten Variante kann es hierbei vorgesehen sein, dass die Halterung an einer Mantelfläche des Grundkörpers ein Außengewinde aufweist, wobei eine die Öffnung begrenzende Mantelfläche ein mit dem Außengewinde

korrespondierendes Innengewinde aufweist.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Beschwerungsmasse zwischen der Keimkristallschicht und einem Deckel des Tiegels angeordnet, wobei Beschwe-

rungsmasse und Deckel getrennt voneinander ausgebildet sind.

Als besonders günstig hat sich herausgestellt, dass die Beschwerungsmasse lose

zwischen Deckel und Keimkristallschicht angeordnet ist.

Eine Variante der Erfindung besteht darin, dass die zumindest eine Keimkristallschicht auf einem Trägersubstrat aufgebracht ist und die Beschwerungsmasse an

dem Trägersubstrat aufliegt. Vorteilhafterweise kann das Trägersubstrat aus Graphit gebildet sein.

Die Beschwerungsmasse und/oder die Halterung kann aus Metall, Keramik, Mineral oder Kunststoff hergestellt ist, insbesondere aus feuerfesten Materialien, Carbi-

den, Oxiden oder Nitriden.

Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Tiegel in einer Kammer eines induktiv ge-

heizten Ofens angeordnet ist.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden

Figuren näher erläutert.

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Fig. 1 eine Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen mittels physikalischer Gasphasenabscheidung mit einer herkömmlichen Anbringung eines

Keimkristalls;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Tiegel einer ersten Variante einer erfindungs-

gemäßen Vorrichtung;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Tiegel einer zweiten Variante einer erfin-

dungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Tiegel einer zweiten Variante einer erfin-

dungsgemäßen Vorrichtung.

Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lage-

angaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

Die Fig. 1 zeigt einen Ofen 401 zur Herstellung von Einkristallen mittels physikalischer Gasphasenabscheidung. Der Ofen 401 umfasst eine evakuierbare Kammer 402 mit einem darin aufgenommenen Tiegel 403. Der Tiegel 403 ist im Wesentlichen topfförmig ausgebildet, wobei ein oberer Endbereich durch einen Deckel 404 abgeschlossen wird. Eine Unterseite des Deckels 404 des Tiegels 403 ist dabei üblicherweise zur Befestigung eines Keimkristalls 405 ausgebildet. In einem Bodenbereich 406 des Tiegels 403 befindet sich ein Ausgangsmaterial 407 das als Rohstoff für das Kristallwachstum an dem Keimkristall 405 dient und das während

des Herstellungsprozesses allmählich aufgebraucht wird.

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meverteilung in dem Inneren des Tiegels 403 erreicht.

Als Material für die Kammer 402 dient vorzugsweise ein Glaswerkstoff, insbesondere ein Quarzglas. Der Tiegel 403 als auch die diesen umgebende Isolierung 409 bestehen vorzugsweise aus Graphit, wobei die Isolierung 409 durch einen Gra-

phit-Filz gebildet wird.

Indem durch Erhitzen des Ausgangsmaterials 407 Atome bzw. Moleküle davon in die Gasphase übergehen, können diese in dem Innenraum des Tiegels 403 zu dem Keimkristall 405 diffundieren und sich daran ablagern, wodurch das Kristall-

wachstum erfolgt.

Gemäß Fig. 2 umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung 501 zum Züchten von Einkristallen, insbesondere von Einkristallen aus Siliziumcarbid, einen Tiegel 502. Der Tiegel 502 definiert eine äußere Mantelfläche 503 und umgrenzt weiters einen Aufnahmeraum 504 mit einer Axialerstreckung zwischen einem Bodenabschnitt 505 und einem Öffnungsabschnitt 506. Der Aufnahmeraum 504 ist zum Züchten der Kristalle ausgebildet, wobei in dem Öffnungsabschnitt 506 zumindest eine Keimkristallschicht 507 angeordnet ist. Der Tiegel 502 kann in einer Kammer, wie sie der Kammer 402 entspricht angeordnet sein und ebenfalls induktiv erhitzt wer-

den.

In Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird die Keimkristallschicht 507 erfindungsgemäß an einer dem Aufnahmeraum 504 abgewandten Seite mittels einer Beschwerungsmasse 508 beschwert und durch die Gewichtskraft der

Beschwerungsmasse 508 in ihrer Position gegen zumindest einen in dem Öff-

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ausgebildet sein.

Wie aus Fig. 2 weiters ersichtlich ist kann die die Keimkristallschicht 507 mit zumindest einem äußeren Randbereich an dem zumindest einen Halteabschnitt 509

anliegen.

Der Halteabschnitt 509 kann um eine Öffnung 510 des Öffnungsabschnittes 506

umlaufend ausgebildet sein.

Gemäß den Figuren 3 und 4 kann der Halteabschnitt 509 zumindest einen durch einen einer Längsmittelachse des Tiegels zugewandten Abschnitt einer Halterung 510 mit einem ring- oder rohrförmigen Grundkörper 511 gebildet sein, wobei der der Halteabschnitt 509 von dem Grundkörper 511 absteht. Die Halterung 510 kann in den Tiegel 502 eingeschraubt sein, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist oder einge-

steckt sein, wie in Fig. 4 gezeigt.

Gemäß der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform kann die Halterung 510 an einer Mantelfläche des Grundkörpers 511 ein Außengewinde 512 aufweisen, wobei eine die Öffnung begrenzende Mantelfläche ein mit dem Außengewinde korres-

pondierendes Innengewinde 513 aufweisen kann.

Gemäß Fig. 4 kann sich die in den Tiegel eingesteckte Halterung 510 an einem Vorsprung 514 des Tiegel 502 abstützen. Der Vorsprung 514 kann beispielsweise

um die Öffnung des Öffnungsabschnittes 506 umlaufend ausgebildet sein.

Die Beschwerungsmasse 508 kann zwischen der Keimkristallschicht 507 und einem Deckel 515 des Tiegels 502 angeordnet sein, wobei die Beschwerungsmasse 508 und Deckel 515 getrennt voneinander ausgebildet sind. Bevorzugt ist die Beschwerungsmasse 508 lose zwischen Deckel 515 und Keimkristallschicht 507 an-

geordnet.

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masse 508 an dem Trägersubstrat aufliegen. Als besonders geeignet für das Trä-

gersubstrat hat sich Graphit herausgestellt.

Die Beschwerungsmasse 508 und/oder die Halterung 510 können aus Metall, Keramik, Mineral oder Kunststoff hergestellt sein. Als besonders geeignet haben sich

beispielsweise feuerfeste Materialien, Carbide, Oxide oder Nitride erwiesen.

Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert

und/oder verkleinert dargestellt wurden.

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401 Ofen

402 Kammer

403 Tiegel

404 Deckel

405 Keimkristall

406 Bodenabschnitt 407 Ausgangsmaterial 408 Heizung

409 Isolierung

501 Vorrichtung

502 Tiegel

503 Mantelfläche

504 Aufnahmeraum 505 Bodenabschnitt 506 Öffnungsabschnitt 507 Keimkristallschicht 508 Beschwerungsmasse 509 Halteabschnitt 510 Halterung

511 Grundkörper

512 Außengewinde 513 Innengewinde

514 Vorsprung

515 Deckel

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Claims

1. Vorrichtung (501) zum Züchten von Einkristallen, insbesondere von Einkristallen aus Siliziumcarbid, umfassend einen Tiegel (502), welcher Tiegel (502) eine äußere Mantelfläche (503) definiert und weiters einen Aufnahmeraum (504) mit einer Axialerstreckung zwischen einem Bodenabschnitt (505) und einem Öffnungsabschnitt (506) umgrenzt, wobei der Aufnahmeraum (504) zum Züchten der Kristalle ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung zumindest eine Keimkristallschicht (507) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimkristallschicht (507) an einer dem Aufnahmeraum (504) abgewandten Seite mittels einer Beschwerungsmasse (508) beschwert und, insbesondere nur, durch die Gewichtskraft der Beschwerungsmasse (508) in ihrer Position gegen zumindest einen Halteabschnitt (509) des Tiegels fixiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimkristallschicht (507) mit zumindest einem äußeren Randbereich an dem zumindest

einen Halteabschnitt (509) anliegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Halteabschnitt (509) um eine Öffnung (510) des Öffnungsabschnittes (506) umlaufend ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Halteabschnitt (509) zumindest einen durch einen einer Längsmit-

telachse des Tiegels zugewandten Abschnitt einer Halterung (510) mit einem ringoder rohrförmigen Grundkörper (511) gebildet ist, wobei der zumindest eine Halteabschnitt (509) von dem Grundkörper (511) absteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halte-

rung (510) in den Tiegel (502) eingeschraubt ist.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (510) an einer Mantelfläche des Grundkörpers (511) ein AuRengewinde (512) aufweist, wobei eine die Öffnung begrenzende Mantelfläche ein mit dem Außen-

gewinde korrespondierendes Innengewinde (513) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschwerungsmasse (508) zwischen der Keimkristallschicht (507) und einem Deckel (514) des Tiegels (502) angeordnet ist, wobei Beschwerungs-

masse (508) und Deckel (514) getrennt voneinander ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschwerungsmasse (508) lose zwischen Deckel (514) und Keimkristallschicht (507)

angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Keimkristallschicht (507) auf einem Trägersubstrat aufgebracht ist und die Beschwerungsmasse (508) an dem Trägersubstrat auf-

liegt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich-

net, dass das Trägersubstrat aus Graphit gebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschwerungsmasse (508) und/oder die Halterung (510) aus Metall, Keramik, Mineral oder Kunststoff hergestellt ist, insbesondere aus feuerfesten Ma-

terialien, Carbiden, Oxiden oder Nitriden.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (502) in einer Kammer eines induktiv geheizten Ofens ange-

ordnet ist.

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