CN101221898A - 用于制造具有高质量表面的金属衬底的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一个实施例提供了一种用于制造高质量金属衬底的方法。在操作期间，该方法包括清洗已抛光的单晶衬底。然后在该单晶衬底的抛光表面上形成预定厚度的金属结构层。该方法还包括在不破坏该金属结构层的情况下从该金属结构层上去除该单晶衬底，以获得高质量金属衬底，其中该金属衬底的一个表面是高质量金属表面，其保留了该单晶衬底的抛光表面的光滑度和平坦度。

Description

用于制造具有高质量表面的金属衬底的方法

技术领域

本发明涉及用于半导体器件制造的技术。更具体地说，本发明涉及一种用于制造具有用于生长半导体结构的至少一个高质量表面的衬底的方法。

背景技术

半导体器件制造依赖抛光得如同镜面的衬底作为基底或支撑结构用以生长薄膜材料层和半导体结构。通常，硅(Si)单晶衬底的一个或两个表面可以被抛光到粗糙度小于几纳米。此外，这些硅衬底的表面可以制备成显示出特定的晶体取向，该晶体取向对于随后半导体结构的外延生长来说是很重要的。

近年来，越来越多的研究活动已经集中于使用金属或合金作为衬底材料。与常规的非金属衬底相比，金属衬底具有一些优良特性，这些优良特性包括极佳的导热性、导电性和光学反射性能。这些金属衬底可以用于半导体薄膜的外延生长，以及用于密封的晶片键合。

然而，金属衬底在半导体器件制造中具有相对有限的应用。这种局限性主要是由于以下事实：与诸如硅和锗之类的常规非金属衬底相比，金属衬底通常具有较差的表面质量，包括不足的光滑度和平坦度。

目前，制造金属衬底通常需要使用一种或多种抛光技术，这些抛光技术包括机械抛光、化学抛光、电化学抛光或以上几种技术的组合。例如，美国专利No.6867447公开了一种使用机械抛光制备金属衬底表面的方法，以及PCT/US2002/041453描述了一种使用化学机械抛光(CMP)工艺抛光金属衬底的技术。遗憾的是，由于金属材料的塑性和延展性，很难使用这些现有的抛光技术充分地抛光这些金属衬底以达到与硅衬底或锗衬底等同的技术指标。此外，这些金属抛光技术具有较为复杂、重复性差、成本高、容易在抛光金属表面上引起玷污等缺点。

与抛光金属衬底相关联的另一个不足之处在于块体金属材料的晶粒取向没有一致性。金属衬底通常是通过将冶炼的块体金属材料切割成薄片然后对其进行抛光而获得的。然而，这些块体金属材料是多晶体构成，这些多晶体具有随机的晶体取向。因此，即使这些衬底具有极佳的抛光表面，所得到的表面也不具有一致的晶体取向，并且其也不适于半导体结构的外延生长。

因此，需要一种方法和设备，用于在不具有上述问题的情况下，制备适于制造半导体结构的高质量金属衬底。

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种用于制造高质量金属衬底的方法。在操作期间，该方法包括清洗已抛光的单晶衬底。然后在该单晶衬底的抛光表面上形成预定厚度的金属结构层。该方法还包括在不破坏该金属结构层的情况下从该金属结构层去除该单晶衬底，以获得高质量的金属衬底，其中该金属衬底的一个表面是高质量金属表面，其保留该单晶衬底的抛光表面的光滑度和平坦度。

在该实施例的一个变型中，金属衬底包括至少一个免抛光高质量金属表面并且该免抛光高质量金属表面继承了单晶衬底的抛光表面的晶体取向。

在该实施例的一个变型中，形成金属结构层包括沉积单质金属或合金。

在该实施例的一个变型中，形成金属结构层包括：沉积多层单质金属；沉积多层合金；或者沉积单质金属层和合金层的组合。

在该实施例的一个变型中，金属结构层具有以下特性：厚度不小于10μm；表面晶轴偏角不大于3°；表面粗糙度不大于200nm；表面平坦度不大于2μm；以及曲率半径不小于0.5m。

在该实施例的一个变型中，从金属结构层去除单晶衬底以获得金属衬底包括在不腐蚀该金属结构层的情况下选择性地将该单晶衬底腐蚀掉。

在该实施例的又一个变型中，选择性地将单晶衬底腐蚀掉包括使用化学腐蚀工艺。

在该实施例的一个变型中，在单晶衬底的抛光表面上形成金属结构层包括使用以下技术中的一种或多种：多弧离子沉积；射频(RF)磁控溅射沉积；直流(DC)磁控溅射沉积；离子束溅射沉积；电子束蒸发；热阻蒸发；以及电镀。

在该实施例的一个变型中，单晶衬底是以下具有一个或两个抛光表面的衬底中的一种：硅(Si)单晶衬底；锗(Ge)单晶衬底；砷化镓(GaAs)单晶衬底；磷化镓(GaP)单晶衬底；磷化铟(InP)单晶衬底；或者任意其他半导体薄膜外延衬底。

在该实施例的一个变型中，形成金属结构层包括沉积一种或多种单质金属或合金，从而给予金属结构层预定的热膨胀系数。

在该实施例的一个变型中，该方法包括：在形成金属结构之前，在单晶衬底的抛光表面上形成一个预定高度的凸起壁结构，由此使得金属衬底获得凹印，由凹印将金属表面分成隔离的平坦区域。

在该实施例的一个变型中，该方法包括：在形成金属结构之前，在单晶衬底的抛光表面中腐蚀出一个预定深度的图形化凹槽结构，由此在金属衬底上获得凸起结构，该凸起结构将金属表面分成独立的平坦区域。

本发明的另一个实施例提供了一种用于制造高质量复合金属半导体衬底的方法。在操作期间，该方法包括清洗已抛光的单晶衬底。然后在该单晶衬底的抛光表面上沉积薄半导体层。该方法还包括在该薄半导体层上形成预定厚度的金属结构层。然后从该薄半导体层去除该单晶衬底，以获得复合金属半导体衬底，其中该复合金属半导体衬底的一个表面是半导体表面。

在该实施例的一个变型中，形成金属结构层包括沉积单质金属或合金。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于制造金属衬底的金属沉积系统的截面视图。

图2给出了示出根据本发明的一个实施例的制造金属衬底的工艺的流程图。

图3A示出了根据本发明的一个实施例的在沉积工艺之后在单晶衬底上形成的金属结构的截面视图。

图3B示出了根据本发明的一个实施例的在预先沉积有半导体过渡层的单晶衬底上形成的金属结构的截面视图。

图4A示出了根据本发明的一个实施例的在去除了图3A中的单晶衬底之后获得的金属结构的截面视图。

图4B示出了根据本发明的一个实施例的在去除了图3B中的单晶衬底之后获得的复合金属半导体衬底的截面视图。

图5A示出了根据本发明的一个实施例的在抛光单晶衬底上的图形化壁结构的截面视图。

图5B示出了根据本发明的一个实施例的在图形化单晶衬底上沉积的金属结构的截面视图。

图5C示出了根据本发明的一个实施例的印有凹槽结构，并且凹槽结构将金属衬底表面分割成独立平坦结构的金属衬底的截面视图。

图6A示出了根据本发明的一个实施例的具有被图形化凹槽将衬底表面分割成独立平坦区域的单晶衬底的截面视图。

图6B示出了根据本发明的一个实施例的在图形化单晶衬底上沉积的金属结构的截面视图。

图6C示出了根据本发明的一个实施例的在表面上形成了金属凸起结构，该金属凸起结构将衬底表面分割成独立的平坦区域的金属衬底的截面视图。

图7A示出了根据本发明的一个实施例的具有图形化槽分隔表面和半导体层的外延片的截面视图。

图7B示出了根据本发明的一个实施例的在一个被凹槽分割成独立平坦区域的外延片上沉积的金属结构的截面视图。

图7C示出了根据本发明的一个实施例的具有图形化壁结构和半导体表面层的复合金属半导体衬底的截面视图。

具体实施方式

提供以下描述，以使得本领域中的任何普通技术人员都能实现和利用本发明，并且在特定应用及其要求的环境中提供以下描述。对于本领域的普通技术人员来说，对所公开实施例的各种修改将很容易理解，并且在不偏离本发明的范围的情况下，在此定义的一般原理可以适用于其他实施例和应用。因此，不应将本发明限于所示出的实施例，而是要给予其与权利要求书一致的最广泛范围。

概述

金属和金属合金通常具有良好的导热和导电能力。因此，使用金属或合金作为用于半导体器件的外延生长的衬底材料可以改善这些半导体器件的某些特性。然而，金属衬底具有表面抛光期间技术复杂以及表面晶体取向不一致的缺点，并且因此不能达到与在硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)以及其他普通晶片衬底上同等水平的表面质量。

本发明的实施例提供了一种无需抛光金属表面而制造高质量金属衬底表面的方法。具体地说，在诸如硅衬底之类的常规衬底上沉积预定厚度的金属结构。随后通过利用化学腐蚀工艺从该金属层去除该牺牲常规衬底。因此，该牺牲衬底与金属结构之间的原始界面变成了独立金属衬底的表面。该表面具有与牺牲衬底表面基本上相同的表面粗糙度和平坦度。此外，该金属表面继承了原始外延表面的晶体取向。所描述的制造工艺可以以简单且低成本的方式进行。此外，该高质量金属表面不需要任何抛光。

金属衬底沉积系统的描述

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于制造金属衬底的金属沉积系统100的截面视图。

在沉积系统100的真空室104内放置多个外延衬底102。外延衬底102可以包括任意常规的半导体外延衬底，诸如硅衬底、锗衬底和砷化镓衬底。

外延衬底102由衬底夹具106牢固地保持住，以使该衬底在沉积工艺期间不会松动或掉落。在本发明的一个实施例中，衬底夹具106的厚度不超过外延衬底102的厚度的20倍。注意，每个外延衬底102都具有一个或两个抛光表面，并且一个抛光表面向外朝向真空室104和靶。

衬底夹具106附着到旋转衬底台108上。为了在整个外延衬底102上获得均匀层厚度，本发明的一个实施例使用速度可调的旋转电机来控制旋转衬底台108的运动。

在金属沉积工艺期间，靶材料附着到外延衬底102的表面，并且在变得结晶化的同时其释放潜热，这使得衬底的温度升高。这种衬底发热可能由于外延衬底102与金属层之间的热膨胀系数不匹配而导致金属层分层、弯曲或者甚至从外延衬底102剥落。

为了防止这种现象发生，将旋转衬底台108构造成密封的中空结构。在本发明的一个实施例中，将冷却水抽入到旋转衬底台108的中空结构中，其不断地从外延衬底102和外延衬底102周围热量所扩散到的空间带走热量。更具体地说，冷却水通过旋转衬底台108的转轴110流入和流出旋转衬底台108。冷却水的进口和出口都包含在转轴110内部，并且利用动密封装置隔离。此外，冷却水本身与真空室104的内部和外部利用动密封机构隔离。

在本发明的一个实施例中，旋转衬底台108的外部具有一个多面圆柱几何形状。每个面都被抛光到某种程度的平坦度和光滑度，这有利于在沉积工艺期间使来自外延衬底102的散热均匀。此外，旋转衬底台108的抛光外表面使得外延衬底102可以如图1所示的那样牢固地紧贴于旋转衬底台108上。

为了获得真空室104内部的真空条件，真空室104通过泵接口112连接到外部的真空泵系统。注意，在本发明中使用的真空泵系统可以是：分子泵-机械泵的级联系统、扩散泵-机械泵的级联系统、或分子泵/扩散泵与干泵的级联泵系统。

沉积靶114机械地连接到真空室104的内壁，但与该内壁电绝缘。每个沉积靶114可以由单质金属材料或合金构成。沉积靶114与外延衬底102之间的距离足够大，使得从沉积靶114上溅射出来的带电粒子和不带电粒子在到达外延衬底102之前可以具有足够长的扩散长度，由此使得形成均匀的沉积金属材料层。注意，可以在真空室104的内壁上均匀地布置两个或更多的沉积靶114，并在沉积工艺期间同时使用这些靶。还要注意，可以在沉积期间用水冷却沉积靶114。此外，可以使用任意其他的金属沉积系统或方法。

金属衬底沉积工艺

图2给出了根据本发明的一个实施例的制造金属衬底的工艺的流程图。

该工艺开始于清洗真空沉积室，以去除玷污源(步骤202)。

接着，清洗单面或双面抛光的单晶衬底。该衬底材料可以包括但不限于：单晶硅、单晶锗、单晶砷化镓(GaAs)、单晶磷化镓(GaP)、单晶磷化铟(InP)或任意其他半导体薄膜外延衬底(步骤204)。在本发明的一个实施例中，清洗衬底包括将衬底浸在热浴中。在另一个实施例中，清洗衬底包括使用超声波清洗。

然后，将清洗过的单晶衬底放置到真空沉积室中，使一个抛光表面朝向真空室(步骤206)。将真空室抽气至适合于金属沉积的真空条件(步骤208)。

接着，该工艺包括在抛光衬底表面上沉积预定厚度的金属结构(步骤210)。注意，可以利用以下技术中的一种或多种技术在抛光衬底表面上沉积该金属结构：多弧离子沉积；射频(RF)磁控溅射沉积；直流(DC)磁控溅射沉积；离子束溅射沉积；电子束蒸发；热阻蒸发；以及电镀。在本发明的一个实施例中，该工艺可以使用上述技术的组合。例如，该工艺可以首先在电子束蒸发系统中沉积一层相对较薄的单金属层或合金层。然后该工艺可以利用多弧离子沉积系统沉积一层或多层较厚的金属层。

在本发明的一个实施例中，金属结构可以具有预定的热膨胀系数。这可以通过选择材料(例如，单质金属、合金)、层数、层厚度以及其他参数的适当组合来获得。

图3A示出了根据本发明的一个实施例的在沉积工艺之后在单晶衬底304上形成的金属结构302的截面视图。注意，金属结构302可以包括单层纯质金属(例如，纯铝层或纯银层)、单一合金层(例如，铬/铂层)，或以上层的组合的多层叠置。此外，紧邻单晶衬底304的抛光表面的薄金属界面层306继承了该抛光表面的晶体择优取向。该金属界面层306的厚度典型地小于0.2μm。

在本发明的一个实施例中，在单晶衬底304上形成金属结构302之前，该工艺包括首先直接在单晶衬底304的抛光表面上生长一个薄半导体层，使得该薄半导体层继承该单晶衬底304的晶体择优取向。图3B示出了根据本发明的一个实施例的在预先沉积有半导体过渡层312的单晶衬底308上形成的金属结构310的截面视图。半导体过渡层312可以是在能够外延生长在衬底308上的半导体器件中使用的任意半导体材料。例如，半导体过渡层312可以是氮化镓层或是化铝镓氮层。注意，该半导体过渡层312的厚度典型地介于20埃到0.2μm之间。注意，界面层314是单晶衬底304与半导体过渡层312之间一层很薄的半导体层，其继承了半导体衬底304的晶体择优取向。

重新参考图2，该工艺接下来包括从沉积的金属结构上去除牺牲单晶衬底以获得金属衬底(步骤212)。在一个实施例中，去除单晶衬底包括化学腐蚀工艺，其可以是湿法腐蚀工艺或气相腐蚀工艺。理想地，该腐蚀工艺从该金属结构上均匀地去除该单晶衬底，而不腐蚀该金属结构。这可以通过选择高选择性的腐蚀剂并在完全去除单晶衬底时立即停止腐蚀工艺来实现。

在去除了牺牲单晶衬底之后，留下的金属衬底继承了至少一个高质量表面，该表面保留了单晶衬底的原始抛光表面的光滑度和平坦度。如有必要，可以利用常规的化学机械抛光或电化学抛光技术抛光该金属衬底的另一表面。

在本发明的一个实施例中，所获得的金属衬底的直径为至少20mm，厚度为至少10μm，曲率半径为至少0.5m，表面粗糙度不大于200nm，表面平坦度不大于2μm，并且表面晶轴偏角不大于3°。

图4A示出了根据本发明的一个实施例的在去除了图3A中的单晶衬底304之后获得的金属结构402的截面视图。注意，图3A中的界面层306变成了金属衬底402的表面404。除了继承了原始衬底的晶体择优取向之外，表面404还保留了原始抛光表面的光滑度和平坦度。作为结果，金属衬底402可以用作不抛光情况下的衬底。

类似地，图4B示出了根据本发明的一个实施例的在去除了图3B中的单晶衬底308之后获得的复合金属半导体衬底406的截面视图。注意，复合金属半导体衬底406包括薄半导体过渡层408和金属结构410。图3B中的界面层314变成了复合金属半导体衬底406的表面412。除了继承了原始衬底的晶体择优取向之外，表面412还保留了原始抛光表面的光滑度和平坦度。作为结果，复合金属半导体衬底406可以用作不抛光情况下的衬底。注意，当使用复合金属半导体衬底406制造半导体器件时，半导体过渡层408变成了随后生长半导体层的种子层。

注意，本发明的金属衬底可以包括多层单质金属、多层合金或单质金属层和合金层的混合叠层。对于这种多层衬底结构，薄表面层(≥100埃)理想地具有优选取向和致密纹理。多层之间的热膨胀系数可以相同或不同。然而，如上所述，金属衬底还可以具有设计好的总体热膨胀系数。

示例性应用

示例1

参考图1、图3A和图4A，开始于清洗抛光硅衬底304。然后将清洗过的硅衬底304转移到沉积系统100的真空室104中。具体地说，将衬底304放置到旋转衬底台108上并用衬底夹具106夹紧。该衬底的抛光面朝外，并且该衬底的背面紧贴于旋转衬底台108的表面。沉积靶114的一半包括纯铬(Cr)靶，并且另一半是316不锈钢靶。这些靶的空间布置有利于形成厚度和成分均匀的层。沉积系统100配备有多弧离子沉积电源，其进一步包括偏压源以及弧电源。

然后，将该系统抽成真空。当室压低于8×10^-3Pa时，向真空室通入氩(Ar)气，并使室压保持在0.5Pa。接着，在硅衬底304上沉积一层厚度大于100埃的纯铬层。注意，该铬层继承了硅衬底表面的晶体择优取向。随后，同时沉积纯铬及316L不锈钢，以形成铬/316L不锈钢合金层。具体地，在合金沉积工艺期间，控制沉积条件使得紧邻纯铬层的合金层具有相对较低的密度，并且该层密度随着层厚度的增加而逐渐增大。

在完成了金属结构沉积之后，从沉积系统100中去除衬底。接着，利用常用的硅腐蚀剂，例如硝酸(NHO₃)或氢氟酸(HF)及醋酸(AcOH)的混合液，将原始硅衬底304腐蚀掉。然后获得高质量金属衬底402。金属衬底402具有与原始硅衬底304相同的表面粗糙度和平坦度，并且因此不需要抛光。此外，金属衬底402的表面是具有优选取向的铬层。

示例2

参考图1、图3A和图4A，首先，使用多个清洗过的半导体外延衬底，其可以包括硅衬底、锗衬底、砷化镓衬底或其他常用外延衬底。在这些衬底的抛光表面上沉积一层厚度大于100埃的铂(Pt)层。接着，将这些衬底放置且固定于沉积系统100中的旋转衬底台108上。该衬底的铂表面朝外，而该衬底的背面紧贴于旋转衬底台108的表面。沉积靶114的一半包括纯铬靶，并且另一半是316不锈钢靶。这些靶的空间布置有利于形成厚度和成分均匀的层。沉积系统100配备有多弧离子沉积电源，其进一步包括偏压源以及弧电源。

然后，将该系统抽成真空。当室压低于8×10^-3Pa时，向室中注入氩气流，并使室压保持在0.5Pa。接着，同时沉积纯铬及316L不锈钢，以形成铬/316L不锈钢合金层，同时通过水冷却将真空室104内部的温度保持在400°F以下。注意，在合金沉积工艺期间，如果保持了所有的工艺参数，则紧邻纯铂层的合金层倾向于相对更加致密。然而，随着合金层的厚度增加，合金层的致密度逐渐地降低。为了防止去除原始衬底之后金属结构由于金属结构内的不同热膨胀而弯曲变形，可以随着合金变得更厚有意地增加合金中的316L不锈钢含量。这种技术可以补偿由于改变合金致密度导致的热膨胀问题，由此有利于形成平坦的金属衬底。

在完成了金属层302的沉积之后，从沉积系统100中取出衬底。接着，利用常用的衬底腐蚀剂将原始衬底腐蚀掉以获得多个高质量金属衬底402。金属衬底402具有与原始衬底相同的表面粗糙度和平坦度，并且因此不需要抛光。此外，金属衬底402是包括纯铂表面层的复合金属衬底。

示例3

参考图1、图3B和图4B，开始于清洗多个已沉积有半导体层312的硅衬底304。然后将这些衬底放置且固定于沉积系统100中的旋转衬底台108上。该衬底的半导体层表面朝外，而该衬底的背面紧贴于旋转衬底台108的表面。沉积靶114的一半包括纯铬靶，并且另一半是316不锈钢靶。这些靶的空间布置有利于形成厚度和成分均匀的层。注意，沉积系统100配备有直流磁控溅射沉积电源。

接着，将该系统抽成真空。当室压低于8×10^-3Pa时，向真空室注入氩气流，并使室压保持在0.5Pa。接着，同时沉积纯铬及316L不锈钢，形成铬/316L不锈钢合金层310，同时通过水冷却将真空室104内部的温度保持在400℃以下。注意，在合金沉积工艺期间，如果保持了所有的工艺参数，则紧邻半导体层312的合金层倾向于相对更加致密。然而，随着合金层的厚度增加，合金层的致密度逐渐地降低。为了防止去除原始衬底之后金属结构弯曲变形(由于金属结构内的不同热膨胀)，可以随着合金层310变得更厚有意地增加合金中的316L不锈钢含量。这种技术可以补偿由于改变合金致密度导致的热膨胀问题，由此有利于形成平坦的金属衬底。

当合金层310的厚度达到80μm时停止沉积工艺。然后从沉积系统100中去除衬底。接着，利用硅腐蚀剂(该腐蚀剂不腐蚀半导体层312和金属结构310)将原始硅衬底304腐蚀掉，以获得多个高质量金属衬底406。金属衬底406具有与原始硅衬底304相同的表面粗糙度和平坦度，并且因此不需要抛光。此外，金属衬底406是包括半导体表面层408的复合衬底。

关于金属衬底结构的变型

具有凹印的金属衬底

图5A-图5C示出了根据本发明的一个实施例的制造图形化金属衬底的工艺。

图5A示出了根据本发明的一个实施例的抛光单晶衬底上的图形化壁结构的截面视图。该工艺开始于接收单晶衬底502，其例如是硅衬底。接着，在单晶衬底502上制造图形化结构504。在本发明的一个实施例中，在单晶衬底502上制造图形化结构504包括使用具有设计图形的光掩膜和光刻工艺。

图5B示出了根据本发明的一个实施例的在图5A的图形化单晶衬底上沉积的金属结构506的截面视图。注意，利用上述技术在图形化结构504上形成金属结构506。

图5C示出了根据本发明的一个实施例的印有凹槽结构的独立金属衬底的截面视图。与上述获得金属衬底的技术类似，该工艺同时将单晶衬底502和图形化结构504腐蚀掉，以获得图形化金属衬底508。由于图形化结构504曾是单晶衬底502上的凸起结构，因此其转移到金属衬底508上成为凹入结构510。注意，金属衬底508的表面上的凹入结构510之间的各个区域继承了单晶衬底502的抛光质量，因此金属衬底508的表面不需要抛光。此外，用于图形化结构504的材料理想地可容易腐蚀掉，而不会导致对金属衬底508的图形化表面和未图形化表面的破坏。在一个实施例中，该材料是钛(Ti)或镍(Ni)。

注意，该工艺在不对金属衬底进行附加的掩膜和腐蚀的情况下在金属衬底上产生了凹入结构。这对于获得金属衬底508的高质量表面来说是至关重要的。

图5C的插图示出了金属衬底508的表面上的区域512的顶视图。在本实施例中，图形化网格结构510将金属衬底508的表面分成具有预定表面面积的隔离方形岛514。在一个实施例中，该预定表面面积至少为150μm×150μm，以便保持足够的平坦度。注意，图形化结构504不限于网格结构510。

上述变型的示例性应用

参考图5A-图5C，在本发明的一个实施例中，首先接收一些硅衬底。然后，在该衬底的抛光表面上沉积一层厚度在2μm至40μm之间的可腐蚀金属(例如，钛、镍等)。接着，对该金属层进行掩膜和湿法腐蚀，以获得图形化结构504，其中结构504的高度在2μm至40μm之间，并且结构504的宽度在2μm至1000μm之间。图形化结构504可以包括网格结构、菱形结构以及线状结构。

接着，沉积一层厚度在60μm至400μm之间的金属层506，其中在图1的系统中执行该沉积。金属层506是铬基抗腐蚀合金。然后，利用不与铬基合金起反应的湿法腐蚀液将硅衬底和图形化结构504腐蚀掉。留下的金属层506成为金属衬底508。

具有凸起壁结构的金属衬底

图6A-图6C示出了根据本发明的一个实施例的从图形化单晶衬底上制造结构化金属衬底的工艺。

图6A示出了根据本发明的一个实施例的具有图形化槽分隔表面的单晶衬底602的截面视图。该工艺开始于接收抛光单晶衬底602，其例如是硅衬底。接着，在单晶衬底602的抛光表面上制造图形化结构604。在本发明的一个实施例中，图形化结构604是图6A的插图中所示的网格结构605。该槽结构将原始抛光表面分成很多平坦区域606。在本发明的一个实施例中，制造图形化结构604包括利用光刻工艺和衬底腐蚀工艺。

图6B示出了根据本发明的一个实施例的在图6A的图形化单晶衬底上沉积的金属结构608的截面视图。

图6C示出了根据本发明的一个实施例的在表面上具有图形化壁结构的独立金属衬底610的截面视图。与上述获得独立金属衬底的技术类似，将单晶衬底602腐蚀掉以获得图形化金属衬底610。由于图形化结构604印入单晶衬底602中，因此其转移到金属衬底610上成为凸起壁结构612。注意，金属衬底610的表面上的凸起壁之间的区域继承了单晶衬底602的抛光质量，因此金属衬底610的表面不需要抛光。此外，凸起壁结构612将金属衬底610的表面分成多个具有预定表面面积的平坦区域。在一个实施例中，该预定表面面积至少为150μm×150μm，以便保持足够的平坦度。

所描述的工艺在不对与衬底材料不同的材料进行附加的掩膜和腐蚀的情况下在该金属衬底上产生了凸起壁结构。这确保了金属衬底和凸起结构具有相同的热膨胀系数。

上述变型的示例性应用

参考图6A-图6C，在本发明的一个实施例中，首先接收一些具有至少一个抛光表面的硅衬底。然后，在该硅衬底的一个抛光表面上制造槽结构604。注意，该槽结构604将该硅衬底表面分成很多隔离的平坦区域，这些区域具有大于100μm×100μm的表面面积。注意，槽结构604可以包括网格结构、菱形结构和线状结构。

接着，在图形化硅衬底表面上沉积厚度在60μm至400μm之间的金属层608，其中在图1的系统中执行该沉积。金属层506是铬基抗腐蚀合金。然后，利用不与铬基合金起反应的湿法腐蚀剂将该硅衬底腐蚀掉。留下的金属层608成为金属衬底610，其具有不需要抛光的衬底表面。

具有凸起壁结构的复合金属半导体衬底

图7A-图7C示出了根据本发明的一个实施例的从图形化单晶衬底制造图形化复合金属半导体衬底的工艺。

图7A示出了根据本发明的一个实施例的具有图形化槽分隔表面和半导体层的单晶衬底702的截面视图。该工艺开始于接收具有如图6A所示的图形化表面的单晶衬底702。接着，制造图形化半导体层704，其中半导体层704中的图形化凹槽结构706与单晶衬底702中的图形相符。注意，凹槽结构706将半导体层704分成很多隔离的平坦区域。

图7B示出了根据本发明的一个实施例的在半导体层704的槽分隔表面上沉积的金属结构708的截面视图。

图7C示出了根据本发明的一个实施例的具有图形化壁结构和半导体表面层的复合金属半导体衬底710的截面视图。与上述获得独立金属衬底的技术类似，将单晶衬底702腐蚀掉以获得复合金属半导体衬底710。注意，凸起金属壁712将半导体层704分成隔离区域，其中这些单独的半导体表面继承了原始单晶衬底表面的抛光质量。因此复合金属半导体衬底710的表面不需要抛光。

注意，所描述的工艺在无需对与衬底材料不同的材料进行附加的掩膜和腐蚀的情况下在金属衬底上产生了凸起壁结构。这确保了衬底材料和壁结构具有相同的热膨胀系数。

上述变型的示例性应用

参考图7A-图7C，在本发明的一个实施例中，首先接收一些在图形化衬底表面上具有嵌入的槽结构706和预先沉积的半导体层704(也已掩膜)的硅衬底。然后，在该预先沉积的半导体层上沉积厚度在60μm至400μm之间的金属层708，其中在图1的系统中执行该沉积。金属层708是铬基抗腐蚀合金。然后，利用湿法硅腐蚀剂将硅衬底腐蚀掉。留下的金属层708成为金属衬底710，其为复合金属半导体衬底。该复合金属半导体衬底具有与原始硅衬底表面相同的表面粗糙度和平坦度。该复合金属半导体衬底的表面层是原始半导体层，其被凸起金属壁712分成多个隔离的平坦区域。

已经仅出于说明和描述的目的给出了以上对本发明的实施例的描述。这些并不意图穷尽或将本发明限制为所公开的形式。相应地，很多修改和变型对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。此外，上述公开不意图限制本发明。本发明的范围由所附的权利要求书来限定。

Claims (28)

1.一种用于制造高质量金属衬底的方法，包括：

清洗已抛光的单晶衬底；

在所述单晶衬底的抛光表面上形成预定厚度的金属结构层；以及

在不破坏所述金属结构层的情况下从所述金属结构层去除所述单晶衬底，以获得所述高质量金属衬底；

其中所述金属衬底的一个表面是高质量金属表面，其保留了所述单晶衬底的所述抛光表面的光滑度和平坦度。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中所述金属衬底包括至少一个免抛光高质量金属表面；并且

其中所述免抛光高质量金属表面继承了所述单晶衬底的所述抛光表面的晶体择优取向。

3.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述金属结构层包括沉积单质金属或合金。

4.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述金属结构层包括：

沉积多层单质金属；

沉积多层合金；或者

沉积单质金属层和合金层的组合。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属结构层具有以下特性：

厚度不小于10μm；

表面晶轴偏角不大于3°；

表面粗糙度不大于200nm；

表面平坦度不大于2μm；以及

曲率半径不小于0.5m。

6.根据权利要求1所述的方法，其中从所述金属结构层去除所述单晶衬底以获得所述金属衬底包括在不腐蚀所述金属结构层的情况下选择性地将所述单晶衬底腐蚀掉。

7.根据权利要求6所述的方法，其中选择性地将所述单晶衬底腐蚀掉包括使用化学腐蚀工艺。

8.根据权利要求1所述的方法，其中在所述单晶衬底的所述抛光表面上形成所述金属结构层包括使用以下技术中的一种或多种：

多弧离子沉积；

射频(RF)磁控溅射沉积；

直流(DC)磁控溅射沉积；

离子束溅射沉积；

电子束蒸发；

热阻蒸发；以及

电镀。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述单晶衬底是以下具有一个或两个抛光表面的衬底中的一种：

硅(Si)单晶衬底；

锗(Ge)单晶衬底；

砷化镓(GaAs)单晶衬底；

磷化镓(GaP)单晶衬底；

磷化铟(InP)单晶衬底；或者

任意其他半导体薄膜外延衬底。

10.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述金属结构层包括沉积一种或多种单质金属或合金，由此给予所述金属结构层预定的热膨胀系数。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括：在形成所述金属结构层之前，在所述单晶衬底的所述抛光表面上形成一个预定高度的凸起壁结构，由此使得所得到的金属衬底被凹槽结构分割成独立的平坦区域。

12.根据权利要求1所述的方法，还包括：在形成所述金属结构层之前，在所述单晶衬底的所述抛光表面中腐蚀出一个预定深度的图形化凹槽结构，由此使得金属衬底被凸起结构分割成独立的平坦区域。

13.一种用于制造高质量复合金属半导体衬底的方法，包括：

清洗已抛光的单晶衬底；

在所述单晶衬底的所述抛光表面上沉积半导体层；

在所述薄半导体层上形成预定厚度的金属结构层；以及

从所述薄半导体层去除所述单晶衬底，以获得所述复合金属半导体衬底；

其中所述复合金属半导体衬底的一个表面是半导体表面。

14.根据权利要求13所述的方法，其中形成所述金属结构层包括沉积单质金属或合金。

15.一种高质量金属衬底，其中所述高质量金属衬底通过以下步骤制成：

清洗已抛光的单晶衬底；

在所述单晶衬底的抛光表面上形成预定厚度的金属结构层；以及

在不破坏所述金属结构层的情况下从所述金属结构层去除所述单晶衬底，以获得所述高质量金属衬底；

其中所述高质量金属衬底的一个表面保留了所述单晶衬底的所述抛光表面的光滑度和平坦度。

16.根据权利要求15所述的高质量金属衬底，

其中所述金属衬底包括至少一个免抛光高质量金属表面；并且

其中所述免抛光高质量金属表面继承了所述单晶衬底的所述抛光表面的晶体择优取向。

17.根据权利要求15所述的高质量金属衬底，其中所述高质量金属结构包括单质金属或合金。

18.根据权利要求15所述的高质量金属衬底，其中所述高质量金属结构包括：

多层单质金属；

多层合金；或者

单质金属层和合金层的组合。

19.根据权利要求15所述的高质量金属衬底，其中所述高质量金属结构具有以下特性：

厚度不小于10μm；

表面晶轴偏角不大于3°；

表面粗糙度不大于200nm；

表面平坦度不大于2μm；以及

曲率半径不小于0.5m。

20.根据权利要求15所述的高质量金属衬底，其中从所述金属结构层去除所述单晶衬底以获得所述金属衬底包括在不腐蚀所述金属结构层的情况下选择性地将所述单晶衬底腐蚀掉。

21.根据权利要求20所述的高质量金属衬底，其中选择性地将所述单晶衬底腐蚀掉包括使用化学腐蚀工艺。

22.根据权利要求15所述的高质量金属衬底，其中在所述单晶衬底的所述抛光表面上形成所述金属结构层包括使用以下技术中的一种或多种：

多弧离子沉积；

射频(RF)磁控溅射沉积；

直流(DC)磁控溅射沉积；

离子束溅射沉积；

电子束蒸发；

热阻蒸发；以及

电镀。

23.根据权利要求15所述的高质量金属衬底，其中所述单晶衬底是以下具有一个或两个抛光表面的衬底中的一种：

硅(Si)单晶衬底；

锗(Ge)单晶衬底；

砷化镓(GaAs)单晶衬底；

磷化镓(GaP)单晶衬底；

磷化铟(InP)单晶衬底；或者

任意其他半导体薄膜外延衬底。

24.根据权利要求15所述的高质量金属衬底，

其中所述高质量金属结构包括一种或多种单质金属或合金；

其中所述高质量金属结构显示出预定的热膨胀系数。

25.根据权利要求15所述的高质量金属衬底，其中制作所述高质量金属衬底还包括：在形成所述金属结构层之前，在所述单晶衬底的所述抛光表面上形成一个预定高度的凸起壁结构，由此使得所得到的所述壁结构的凹印将所述衬底表面分割成独立的平坦区域。

26.根据权利要求15所述的高质量金属衬底，其中制作所述高质量金属衬底还包括：在形成所述金属结构层之前，在所述单晶衬底的所述抛光表面中腐蚀出一个预定深度的图形化凹槽结构，由此使得与所述单晶衬底上的所述图形化凹槽结构相符的所得到的凸起壁结构将所述衬底表面分割成独立的平坦区域。

27.一种高质量复合金属半导体衬底，其中所述高质量金属半导体衬底通过以下步骤制成：

清洗已抛光的单晶衬底；

在所述单晶衬底的所述抛光表面上沉积半导体层；

在所述薄半导体层上形成预定厚度的金属结构层；以及

从所述薄半导体层去除所述单晶衬底，以获得所述复合金属半导体衬底；

其中所述复合金属半导体衬底的一个表面是半导体表面。

28.根据权利要求27所述的高质量复合金属半导体衬底，其中形成所述金属结构层包括沉积单质金属或合金。

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