Züchtung von neuartigen Kristallen für die Halbleitertechnik

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1 Züchtung von neuartigen Kristallen für die Halbleitertechnik Dr.-Ing. Matthias Bickermann

2 1. Was haben Kristalle mit Halbleitertechnik zu tun? 2. Anforderungen an ein Substrat 3. Halbleitertechnik, das ist doch Silizium! 4. Wie Siliziumkristalle hergestellt werden 5. Was Silizium nicht kann Neuartige Kristalle schmelzen nicht! 7. PVT das Kochtopf-Prinzip 8. Wie sehen solche Kristalle aus und wofür braucht man sie?

3 1. Was haben Kristalle mit Halbleitertechnik zu tun? Elektronische Bauelemente sind aus einem sehr dünnen Film aufgebaut: Gesamtdicke des Bauelements: (dort, wo Strom durch Schaltungen fließt) μm Gesamtdicke der Unterlage: μm Die Unterlage ( Substrat ) besitzt keine elektrische Funktionalität!

4 2. Anforderungen an ein Substrat Abbildung: Infineon AG, München Elektronische Bauelemente brauchen ein Substrat als mechanische Unterlage Wärmeableitung perfekte Wachstumsunterlage für die Bauelementschichten

5 2. Anforderungen an ein Substrat Bauelementschicht Defekt! Defekt! Defekt! Defekt! Defekt! Substrat Gute Bauelementschichten müssen auf einem Substrat aus dem gleichen Material hergestellt werden, sonst treten Defekte auf! Beispiel: Material A (Substrat) hat 1% größeren Atomabstand als Material B (Schicht) Atome/cm² auf der Oberfläche Defekte/cm² Einige Defekte wachsen nach oben aus und führen zu Störungen im Bauelement.

6 3. Halbleitertechnik, das ist doch Silizium! Über 95% aller Halbleiterbauelemente sind aus Silizium (und auf einem Siliziumkristall aufgebracht) nur 1 Element (Verunreinigungen und Zusammensetzungsprobleme werden vermieden) Züchtung wird seit 40 Jahren erforscht: praktisch frei von Kristalldefekten, dadurch werden sehr kleine Strukturen möglich (z.b. RAM, Intel Pentium etc.) billig (100 kg kosten im Einkauf etwa 50, eine Substratscheibe kostet etwa 30 ) Abbildungen: U.S. Department of Labor (

7 4. Wie Siliziumkristalle hergestellt werden Wie werden Siliziumkristalle hergestellt? Czochralski-Verfahren Si-Granulat wird geschmolzen ein Si-Keim wird eingetaucht Abbildung: Siltronic AG, Burghausen der Kristall wird langsam aus der Schmelze gezogen (einige mm/h) Ein Kristall ist bis zu 40 cm dick, 150 cm lang und 700 kg schwer. Daraus stellt man ca Substrate her.

8 5. Was Silizium nicht kann... Leider können auch Siliziumbauelemente nicht alles: Power 1GW MW kW 100 Thyristor GTO GTO IGBT Si IGBT SiC MOSFET MOSFET GaAs SiGe MESFET GaN SiC MESFET HBT 10 Hz khz MHz GHz Frequency Hohe Leistungen (> 100 MW) Hohe Frequenzen (> 2 GHz) Hohe Temperaturen (> 70 C) Strahlende Umgebungen Leuchtdioden und Laser Hier sind andere Materialien (z.b. SiC, GaN, AlN) besser (auch wenn sie teurer und nicht so perfekt herzustellen sind)

9 6. Neuartige Kristalle schmelzen nicht! Beispiel Siliziumkarbid (SiC): fast so hart wie Diamant (Schleifpulver!) chemisch sehr inert SiC zersetzt sich bei 2800 C, ohne vorher zu schmelzen. Wie werden hier Kristalle hergestellt? strahlungsresistent hochtemperaturfest für hohe Frequenzen und hohe Leistungen geeignet Für das neuartige Material Aluminiumnitrid (AlN) gelten die gleichen Überlegungen.

10 7. PVT das Kochtopf-Prinzip Abbildung: Keim SiC-Pulver

11 8. Wie sehen SiC-Kristalle aus und wozu braucht man sie? Züchtung bei ca C Schutzgasatmosphäre induktive Beheizung (ca. 10 kw) Graphittiegel Graphitisolation 20 mm in 72 Std. ( μm/h) Durchmesser bis zu 10 cm Abbildung: SiC-Einkristall Aus einem Kristall erhält man ca. 15 Substrate. Das Sägen und Polieren dieser Substrate ist sehr aufwändig. Substrate guter Qualität kosten etwa 500 /Stück.

12 8. Wie sehen SiC-Kristalle aus und wozu braucht man sie? Siliziumkarbid (SiC): Schottkydioden (Netzteile) Bauteile für Handymasten Sensoren, die bei hohen Temperaturen arbeiten Substrat für blaue LEDs / Laser Abbildung: Infineon AG, München Aktueller Stand: Firma SiCrystal (Ausgründung des Lehrstuhls 1996) verkauft SiC-Substrate als einziger Hersteller in Europa

13 8. Wie sehen AlN-Kristalle aus und wozu braucht man sie? 1cm Abbildung: AlN-Substrate, am Lehrstuhl hergestellt (die größten in Europa!) Sehr komplizierte Züchtung, da kein Material den entstehenden Aluminiumdampf bei ca C lange aushält. Wolframtiegel und -isolation 8 mm in 72 Std. (ca. 90 μm/h) Durchmesser bis 2,5 cm Aus einem Kristall erhält man ca. 5 Substrate. Das Polieren dieser Substrate ist chemisch sehr schwierig. AlN-Substrate gibt es weltweit (noch) nicht zu kaufen.

14 8. Wie sehen AlN-Kristalle aus und wozu braucht man sie? Aluminiumnitrid (AlN): Hochleistungs-Hochfrequenz- Bauteile (z.b. Radar) UV Leuchtdioden und Laser Substrat für Leuchtdioden im gesamten Spektralbereich (AlGaInN) AlN GaN InN nm