Modellbildung zur Simulation der Züchtung von Siliziumkarbid (SiC)-Einkristallen aus der Gasphase und deren experimentelle Verifizierung

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Siliziumkarbidm (SiC) Halbleiterkristalle für kommerzielle Anwendungen als Substrate für Hochleistungs-, Hochfrequenz- und optoelektronische Bauelemente werden heute nach dem sogenannten PVT (physical vapor transport) Verfahren aus der Gasphase hergestellt [1,2]. In den ersten drei Projektjahren konnte eine deutliche Verbesserung der SiC-Kristallqualität durch die Homogenisierung des Temperaturfeldes im Züchtungsreaktor erzielt werden. Eine wesentliche Hilfestellung stellte dabei die numerische Simulation des Temperaturfeldes dar, mit deren Hilfe der Tiegelaufbau optimiert werden konnte (Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhlh für Strömungsmechanik der Universität Erlangen, DFG Projekt Du 101/47). Der radiale Temperaturgradient konnte von 10K/cm auf 1K/cm reduziert werden, was z.B. eine Verringerung der Mikroröhren (defekt) dichte von ca. 500cm-2 aif 200cm-2 zur Folge hatte. Die Modellbildung konnte dahingehend verbessert werden, daß jetzt der Stofftransport vom SiC-Quellenmaterial zum wachsenden Kristall, unter Berücksichtigung dabei autretender heterogener chemischer Wandreaktionen, berechnet werden kann [5]. Als nächster Meilenstein der Modellentwicklung für die Verbesserung des SiC-Kristallwachstumsprozesses wird die numerische Simulation des Stofftransportes in der SiC-Pulverquelle und der chemischen Prozesse in der Gasphase angesehen. Zur experimentellen Verifikation stehen zwei neuartige Entwicklungen am Institut für Werkstoffwissenschaften 6 zur Verfügung. Zum einen wurde im 1.-3. Projektjahr ein digitales bildgebendes Röntgenverfahren entwickelt [7,8], mit dessen Hilfe es erstmals möglich ist, insitu den Verlauf des PVT-Züchtungsprozesses zu verfolgen. Mit diesem Verfahren kann die Form der Phasengrenze des wachsenden Kristalls beobachtet werden, und es ermöglicht erstmals die Erfassung und Analyse der im SiC-Pulver Quellenmaterial stattfindenden Vorgänge. Zum anderen wurde ein PVT-Züchtungsreaktor mit einer Sondergasversorgung mit Silan und Propan erweitert, um dadurch erstmals die chemische Zusammensetzung der Gasphase beim PVT-Verfahren zu variieren. Durch Zugabe von Silan bzw. Propan kann die Zusammensetzung der Gasphase in Richtung silizium- oder kohlenstoffreich eingestellt werden. Dadurch soll z. B., die Ursache für die Entstehung von unerwünscht Si- und C-Einschlüssen im wachsenden SiC-Kristall untersucht werden.