Wie SiC-Einkristalle wachsen: Lely-Verfahren, PVT-Züchtung und warum es Tage dauert

Siliciumcarbid · Von der Redaktion von Kerf & Korn · Veröffentlicht am 2026-11-13

Bevor ein Siliciumcarbid-Wafer gesägt, geläppt und poliert werden kann, muss es einen Kristall geben. Und genau dort liegt der teuerste und langsamste Schritt der ganzen SiC-Kette. Anders als Silicium lässt sich SiC nicht schmelzen und aus der Schmelze ziehen; Halbleiterkristalle werden über die Gasphase gezüchtet, in geschlossenen Graphittiegeln bei Temperaturen, die sich von außen kaum messen lassen. Dieser Artikel erklärt, wie das funktioniert und warum es so lange dauert.

Warum man SiC nicht aus der Schmelze zieht

Siliciumkristalle für die Halbleiter- und Solarindustrie entstehen fast immer aus einer Schmelze: Beim Czochralski-Verfahren wird ein Keimkristall in flüssiges Silicium getaucht und langsam herausgezogen, wie im Artikel Vor dem Sägen beschrieben. Bei Siliciumcarbid geht das nicht ohne Weiteres. SiC hat bei normalem Druck keinen nutzbaren Schmelzpunkt; beim Erhitzen zersetzt es sich, bevor es flüssig wird, und geht bei sehr hohen Temperaturen in die Gasphase über. Diese Eigenschaft, die beim Schleifkorn ein Vorteil ist, macht die Kristallzucht zu einer eigenen Disziplin.

Daraus folgt auch, dass das Acheson-SiC aus dem Widerstandsofen, das seit über einem Jahrhundert als Schleifmittel hergestellt wird, für Halbleiterzwecke nicht genügt. Im Acheson-Verfahren entstehen Kristallbrocken unterschiedlicher Reinheit und Struktur. Für Leistungshalbleiter braucht man dagegen einen großen, fehlerarmen Einkristall eines einzigen Polytyps, heute fast immer 4H-SiC.

Vom Lely-Verfahren zur Keimzüchtung

Den ersten Schritt machte Jan Anthony Lely bei Philips. Er beschrieb 1955 ein Sublimationsverfahren, bei dem SiC-Pulver in einem Graphitbehälter so erhitzt wird, dass es verdampft und sich im Inneren als Kristallplättchen wieder abscheidet. Die so gewonnenen Kristalle waren von hoher Qualität, aber klein, unregelmäßig und in Größe und Polytyp kaum steuerbar. Für eine industrielle Waferfertigung reichte das nicht.

Den Durchbruch brachte 1978 die Arbeit der sowjetischen Forscher Juri Tairow und Waleri Zwetkow (in der Literatur meist Tairov und Tsvetkov) im Journal of Crystal Growth (Band 43, S. 209–212). Sie setzten einen Keimkristall ein, auf dem der Dampf gezielt aufwächst, und steuerten das Wachstum über ein Temperaturgefälle zwischen Quelle und Keim. Dieses „modifizierte Lely-Verfahren“ ist die Grundlage dessen, was heute unter dem Namen PVT (Physical Vapor Transport, physikalischer Gasphasentransport) die SiC-Substratfertigung beherrscht.

So funktioniert die PVT-Züchtung

Eine 2024 erschienene Übersichtsarbeit in der Zeitschrift Materials beschreibt die PVT-Züchtung als das erfolgreichste Verfahren für SiC-Einkristalle und gliedert es in drei Vorgänge (Kamiński et al., Materials 18, 2025):

Sublimation der Quelle. Hochreines SiC-Pulver liegt im unteren, heißeren Teil eines Graphittiegels und geht dort in die Gasphase über.
Stofftransport. Die verdampften Teilchen, vor allem Silicium und siliciumhaltige Kohlenstoffverbindungen, wandern durch das Temperaturgefälle nach oben.
Oberflächenreaktion und Kristallisation. Am etwas kühleren Keimkristall, der im Deckel des Tiegels befestigt ist, scheiden sie sich wieder ab, Atomlage für Atomlage in der Struktur des Keims.

Die Temperaturen sind extrem. Nach einer 2024 veröffentlichten Studie läuft die Züchtung in einem geschlossenen Graphittiegel, der induktiv auf über 2000 °C erhitzt wird; weil sich das System während des Prozesses von außen praktisch nicht beobachten lässt, ist die Optimierung der Prozessparameter langwierig und beruht weitgehend auf Versuch und Irrtum (Sun et al., Materials 17, 2024). Andere Arbeiten nennen Wachstumstemperaturen von über 2100 °C. Gearbeitet wird unter Schutzgas bei niedrigem Druck; in der genannten Studie waren es rund 4 kPa Argon.

Warum es Tage dauert

Die Wachstumsrate ist niedrig. Kamiński und Kollegen halten fest, dass es mehrere Tage dauert, bis ein SiC-Kristall fertig ist, der dann in Wafer geschnitten wird. Und anders als ein aus der Schmelze gezogener Siliciumkristall ist ein SiC-Kristall am Ende oft nur wenige Zentimeter dick; eine 2025 in ACS Omega veröffentlichte Arbeit berichtet als Ergebnis einen 8-Zoll-Kristall von über 20 mm Dicke.

Schneller zu wachsen ist nicht einfach eine Frage der Leistung. Ein zu steiles Temperaturgefälle erzeugt Spannungen im Kristall, ein ungleichmäßiges Temperaturfeld begünstigt Fremdpolytypen und Defekte. Entsprechend aufmerksam wird jede Beschleunigung verfolgt: Sun und Kollegen verweisen auf Versuche, bei denen Bruchstücke von CVD-SiC-Blöcken als Quellmaterial eingesetzt wurden, gebrauchte Bauteile aus Halbleiteranlagen, und Wachstumsraten von etwa 1,5 mm pro Stunde erreicht wurden. Für eine Website, die sich mit Rückgewinnung beschäftigt, ist das bemerkenswert: Hochreines Alt-SiC aus der Chipfertigung kann so wieder zum Rohstoff für neue Kristalle werden. Ob sich das im industriellen Maßstab durchsetzt, ist offen.

Kristallfehler: das eigentliche Qualitätsmerkmal

Ein SiC-Substrat wird weniger nach seiner Reinheit beurteilt als nach seinen Kristallfehlern. Besonders beachtet werden Basalebenen-Versetzungen (BPD, basal plane dislocations). Sie können SiC-Dioden mit pn-Übergang nach langem Betrieb in Durchlassrichtung verschlechtern oder den Leckstrom von SiC-MOSFETs im Sperrbetrieb erhöhen und gelten deshalb als einer der wichtigsten Fehler überhaupt.

Wie stark die Prozessführung hier wirkt, zeigt eine 2024 in Materials veröffentlichte Studie an 8-Zoll-Kristallen aus n-dotiertem 4H-SiC (Sun et al., Materials 17, 2192). Die Autoren verringerten die BPD-Dichte in drei Schritten: Eine schnellere Abkühlung nach dem Wachstum senkte sie von 4689 auf 2925 pro Quadratzentimeter, eine geänderte Befestigung des Keimkristalls auf 1560, und ein Graphittiegel, dessen Wärmeausdehnung der des SiC-Kristalls näher kommt, schließlich auf 704 pro Quadratzentimeter. Die Fehler entstehen also nicht nur beim Wachsen, sondern auch beim Abkühlen, wenn Kristall und Tiegel unterschiedlich schrumpfen.

Von 150 auf 200 Millimeter

Lange war 150 mm (6 Zoll) der Standarddurchmesser für SiC-Wafer. Der Übergang auf 200 mm (8 Zoll) gilt als wichtiger Hebel, um die Kosten von SiC-MOSFETs zu senken, schreiben Kamiński und Kollegen. Mit dem Durchmesser wachsen aber die Schwierigkeiten: Je größer der Kristall, desto schwerer ist ein gleichmäßiges Temperaturfeld über den ganzen Querschnitt zu halten.

Ein Ansatz ist die Heizung. Die oben genannte Arbeit in ACS Omega hält fest, dass induktiv beheizte PVT-Anlagen für Kristalle unter 6 Zoll geeignet sind, bei größeren Durchmessern aber den radialen Temperaturverlauf schwer beherrschen. Widerstandsbeheizte Anlagen gelten daher als vielversprechender Weg zu größeren und dickeren Kristallen (Liu et al., ACS Omega 10, 2025). Dieselbe Arbeit nennt einen Anteil des Substrats von fast 47 % an den gesamten Bauelementkosten, was erklärt, warum so viel Forschung in diesen einen Schritt fließt.

Neben PVT gibt es weitere Verfahren, die Hochtemperatur-Gasphasenabscheidung (HTCVD) und die Lösungszüchtung mit Keim von oben (TSSG). Für die Massenfertigung ist PVT jedoch bis heute das dominierende Verfahren.

Was danach kommt

Der fertige Kristall, die Boule, wird rundgeschliffen, orientiert und in Scheiben geteilt. Weil er so kurz und teuer ist, zählt dabei jeder Mikrometer Schnittfuge; die drei heute üblichen Wege, Diamantdraht, Laser-Trennung und Cold Split, vergleicht der Artikel SiC-Kristalle in Wafer zerlegen. Auf das polierte Substrat werden anschließend die eigentlich aktiven Schichten epitaktisch aufgewachsen. Warum gerade der Polytyp 4H für hohe Spannungen geeignet ist und wo die Schwachstellen von SiC-Transistoren liegen, behandelt der Artikel Siliciumcarbid in der Leistungselektronik.

Kurz zusammengefasst

SiC für Halbleiter wird über die Gasphase gezüchtet, nicht aus der Schmelze gezogen.
Das heutige PVT-Verfahren geht auf Lely (1955) und die Keimzüchtung von Tairov und Tsvetkov (1978) zurück.
Die Züchtung läuft bei über 2000 °C in geschlossenen Graphittiegeln und dauert mehrere Tage; die Kristalle sind nur wenige Zentimeter dick.
Qualität bemisst sich vor allem an Kristallfehlern wie Basalebenen-Versetzungen, die auch beim Abkühlen entstehen.
Der Übergang auf 200 mm senkt die Kosten pro Bauelement, verlangt aber gleichmäßigere Temperaturfelder und neue Ofenkonzepte.

Quellen: M. Kamiński et al., „The Overview of Silicon Carbide Technology: Status, Challenges, Key Drivers, and Product Roadmap“, Materials 18 (2025), 12; Sun et al., „Growths of SiC Single Crystals Using the Physical Vapor Transport Method with Crushed CVD-SiC Blocks“, Materials 17 (2024), 5789; Liu et al., „Thermal Field Simulation and Optimization for 8 in. SiC Crystal Growth via Novel Resistance Furnace Design“, ACS Omega 10 (2025), 40492–40500; Sun et al., „The Numerical Simulations and Experimental Study of an 8-Inch SiC Single Crystal with Reduced BPD Density“, Materials 17 (2024), 2192 (doi:10.3390/ma17102192); Yu. M. Tairov, V. F. Tsvetkov, „Investigation of growth processes of ingots of silicon carbide single crystals“, Journal of Crystal Growth 43 (1978), 209–212. Alle abgerufen am 13. November 2026.