DE10043587B4

DE10043587B4 - Verfahren zur Herstellung eines Substrats, nach diesem Verfahren hergestelltes Substrat

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Publication number: DE10043587B4
Application number: DE10043587A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Prof. Dr. Gösele; Andreas Dr. Plößl
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2020-09-06
Also published as: DE10043587A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Substrats (1H, 2F, 2G, 3D, 4, 5, 6) für das anschließende Wachstum einer einkristallinen Diamantschicht (32; 32A; 32B), gekennzeichnet durch die nachfolgenden Schritte:
a) Auswahl eines Substrats (10; 110; 210; 310; 410) aus monokristallinem Silizium mit einer festgelegten Gitterkonstante (a_Si) oder mit einer aus monokristallinem Silizium bestehenden Schicht (12),
b) Herstellung entweder einer verspannten Siliziumschicht (18; 118; 218; 318; 418) mit eingebauten Kohlenstoffatomen auf substitutionellen Gitterplätzen auf dem monokristallinen Silizium des Substrats, oder eines Schichtsystems (12, 18, 20; 112, 118, 120; 312, 318, 320; 412, 418, 420), das eine solche verspannte Siliziumschicht Si(C) einschließt,
c) Versetzung der verspannten Schicht (18; 118; 218; 318; 418) oder des Schichtsystems (12, 18, 20; 112, 118, 120; 312, 318, 320; 412, 418, 420) durch eine Abtrennung der verspannten Schicht (18; 118; 218; 318; 418) vom Substrat (10; 110; 210; 310; 410) in einen zumindest teilweise entspannten Zustand,...

Description

Verfahren zur Herstellung eines geeigneten Substrates für das anschließende Wachstum einer einkristallinen Diamantschicht und zur Herstellung einer einkristallinen Diamantschicht und eines Substrats.
Einkristalline Diamantschichten sind für Anwendungen in der Hochtemperaturelektronik besonders erstrebenswert. Diamant ist eine kristalline Hochdruckphase des Kohlenstoffs, die unter Normalbedingungen metastabil ist. Die stabile Phase ist der Graphit. Neben den natürlich vorkommenden Diamanten gibt es auch künstlich in einem Hochdruckverfahren hergestellte Diamanten, die üblicherweise sehr klein sind und wegen der Härte der Diamanten für Schleifzwecke eingesetzt werden. Für elektronische Anwendungen von Diamanten sind hauptsächlich dünne einkristalline Diamantschichten von Interesse. Dabei stehen Hochtemperaturanwendungen, die durch die hohe Bandlücke des Diamants von etwa 5 eV ermöglicht werden, im Zentrum des Interesses. Im Prinzip läßt sich Diamant epitaktisch auf einkristallinem Diamant mittels "chemical-vapor-deposition" (CVD) in einer entsprechenden Wasserstoffatmosphäre abscheiden. Die Anwesenheit des Wasserstoffs dient dabei dazu, die sich ebenfalls abscheidende stabile Gleichgewichtsphase Graphit bevorzugt abzuätzen. Für praktische Anwendungen ist die Epitaxie von Diamantschichten auf einkristallinen Diamantkristallen nicht von großer Bedeutung, da nur sehr kleine einkristalline Diamantsubstrate zur Verfügung stehen und es großflächige Substrate anderer Materialien mit gleicher Gitterkonstante wie Diamant nicht gibt. Im Fall der Mikroelektronik und Optoelektronik gibt es hingegen Halbleiterscheiben, die zum Teil kommerziell bis zu einem Durchmesser von 30 cm verfügbar sind. Da keine großflächigen einkristallinen Diamantsubstrate zur Verfügung stehen, gibt es zahlreiche Bestrebungen, einkristalline Diamantschichten auf anderen leicht verfügbaren Substraten herzustellen. Die bislang besten Erfolge wurden dabei mit (100) orientierten Siliziumsubstraten erzielt, auf denen mittels geeigneter CVD-Verfahren unter Anwendung einer elektrischen Spannung an das Siliziumsubstrat stark texturierte, ebenfalls nahe (100) orientierte Diamantschichten abgeschieden werden können. Diese Diamantschichten bestehen aus einzelnen einkristallinen Diamantkörnern im Mikrometerbereich, die gegen das Siliziumsubstrat verdreht und verkippt sind, wobei die Verdrehungs- und Verkippungswinkel in der Größenordnung von etwa einem Grad sind. Dadurch entstehen an den Stellen, an denen individualle Diamantkörner zusammenstoßen, sogenannte Korngrenzen, welche die elektronischen Eigenschaften des Diamantfilms stark beeinträchtigen. Es wäre deswegen wünschenswert, diese Korngrenzen zu vermeiden, um tatsächlich eine einkristalline Diamantschicht zu erzeugen. Diese Diamantschichten sind im Aufsatz von X.Jiang et al., Appl. Phys.Lett. 62 (1993) 3438 beschrieben.

Die EP 1 006 567 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterwafers, bei welchem eine Halbleiterschicht auf einem ersten Halbleitersubstrat hergestellt wird. Ein zweites Substrat wird auf die Halbeiterschicht aufgebracht, und durch Abtrennen der Halbleiterschicht von dem ersten Substrat wird diese Schicht auf das zweite Substrat übertragen. Durch Dotierung der Halbleiterschicht mit Fremdstoffatomen ist die Majoritätsladungsträgerdichte in der Schicht einstellbar.

In der DE 44 15 601 A1 ist beschrieben, dass durch Einbau von Fremdatomen die Gitterkonstante eines Substrats beziehungsweise einer darauf abgeschiedenen Zwischenschicht derart modifizierbar ist, dass darauf gitterangepasst kristalline Diamantschichten hergestellt werden können. Dabei muss die Gitterkonstante der Substratoberfläche nicht unbedingt gleich der von Diamant sein, sondern es reicht aus, wenn ein ganzzahliges Vielfaches der einen Gitterkonstante einem ganzzahligen Vielfachen der anderen Gitterkonstante entspricht.

Die DE 196 31 107 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinen Diamantschichten auf kristallinen Platinschichten mit (001)- oder (111)-Kristallflächen, bei dem eine Platinschicht auf einem Substrat aus z.B. SrTiO₃ abgeschieden wird. Danach wird eine Mo-Folie auf die Platinschicht gepresst und die Platinschicht mechanisch von dem Substrat getrennt. Auf der freigelegten Oberfläche der Platinschicht wird schließlich durch Gasphasensynthese ein Einkristall-Diamantfilm ausgebildet.

Die US 5,665,607 A beschreibt die Herstellung von Dünnschicht-Bauelementen, insbesondere von Solarzellen. Eine dünne Zwischenschicht wird auf ein Substrat aufgebracht, und auf dieser Zwischenschicht wird das eigentliche Bauelement hergestellt. Um das Bauelement vom Substrat zu lösen, werden Löcher ausgebildet, die durch das Bauelement zur Zwischenschicht reichen, und die Zwischenschicht wird aufgelöst, indem eine Ätzflüssigkeit durch die Löcher an die Zwischenschicht herangeführt wird.

Die US 5,882,786 A befasst sich mit der Herstellung von Silizium-Carbid-Kristallen (SiC), welche sich in ihren physikalischen Eigenschaften (insbesondere: Transparenz, thermische Ausdehnung und Härte) möglichst wenig von Diamant unterscheiden sollen. Dabei werden Kerne für Edelsteine ("gemstone cores") aus SiC hergestellt, welche dann mit Diamant beschichtet werden.

Die JP 11-001399 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen GaN-Schicht, bei dem eine erste GaN-Schicht auf einem Substrat aufgebracht wird, danach eine zweite GaN-Schicht auf der ersten aufgebracht wird und die erste GaN-Schicht anschließend von dem Substrat abgetrennt wird.

Der Vollständigkeit halber soll auch auf den Aufsatz von Jean-FranÇois Damlencourt, Jean-Louis Leclercq, Michel Gendry, Michel Garrigues, Nabil Aberkane und Guy Hollinger mit der Bezeichnung "Paramorphic Growth: A New Approach in Mismatched Heteroepitaxy to Prepare Fully Relaxed Materials", in Jap. J. Appl. Phys., Heft 38, (1999), Seiten 996 bis 999, hingewiesen werden.

Das dort beschriebene Verfahren befaßt sich mit der Vorbereitung einer dünnen, entspannten Starterschicht ("seed membrane") (im konkreten Fall In_0.65Ga_0.35As) mit einer festgelegten Gitterkonstante auf ein monokristallines Substrat (im konkreten Fall aus InP) mit einer unterschiedlichen Gitterkonstante, um dann auf der dünnen, entspannten Starterschicht dickere Lagen des gleichen Materials (In_0.65Ga_0.35As) ohne Verspannung weiter aufwachsen zu können.

Zu diesem Zweck wurde zuerst die Starterschicht in Form einer dünnen, pseudomorphischen, verspannten Schicht, deren Zusammensetzung der der gewünschten Schicht entspricht, auf eine sich auf dem Substrat befindliche Opferschicht epitaktisch aufgewachsen. Die Starterschicht wurde anschließend vom Substrat nach Entfernung der Opferschicht durch chemisches Ätzen getrennt und im entspannten Zustand nach der hierdurch erfolgten Entspannung wieder mit dem Substrat gebondet.

Im konkreten Beispiel wurde die Opferschicht auf eine sich auf dem Substrat befindliche Pufferschicht aus AlInAs aufgewachsen. Es wurden für das chemische Ätzen der Opferschicht Gräben durch die Starterschicht und die Opferschicht in die Pufferschicht geätzt, um quadratische Bereiche der Starterschicht von 40 × 40 μm² bis 300 × 300 μm² zu definieren, die über Trampolinarme direkt mit dem Substrat verbunden waren. Die Trampolinarme sollen einerseits die Entspannung der quadratischen Bereiche der Starterschicht ermöglichen, andererseits aber die Beibehaltung der kristallographischen Ausrichtung dieser Bereiche mit dem Substrat sicherstellen.

Das dort beschriebene Verfahren ist auch weiterentwickelt worden, wie im nicht-vorveröffentlichten Aufsatz "High-quality fully relaxed In_0.65Ga_0.35As layers growth on InP using the paramorphic approach" von J.F. Damlencourt, J.L. Leclercq, M. Gendry, P. Regrany und G. Hollinger in Appl.

Phys. Letter, 75, Heft 23, vom 6.12.99, Seiten 3638 bis 3640, nachzulesen ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats für das Wachstum einkristalliner Diamantschichten sowie entsprechende Substrate zu schaffen, die es ermöglichen, ausgedehnte einkristalline Diamantschichten durch Epitaxie möglichst ohne störende Korngrenzen zu erzeugen und darauf aufbauend Diamanten für elektronische und/oder andere Zwecke wie industrielle Schneid- und Schleifverfahren oder in Form von Schmuckdiamanten zu erzeugen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Substrats für das anschließende Wachstum einer einkristallinen Diamantschicht zeichnet sich durch die nachfolgenden Schritte aus:

a) Auswahl eines Substrats aus monokristallinem Silizium mit einer festgelegten Gitterkonstante (a_Si) oder mit einer aus monokristallinem Silizium bestehenden Schicht,
b) Herstellung einer verspannten Siliziumschicht mit eingebauten Kohlenstoffatomen auf substitutionellen Gitterplätzen auf dem monokristallinen Silizium des Substrats,
c) Versetzung der verspannten Schicht durch eine Abtrennung der verspannten Schicht vom Substrat in einen zumindest teilweise entspannten Zustand, in dem es durch Relaxation und durch die gewählte Fremdstoffkonzentration eine Gitterkonstante (a_Si(C)) annimmt, welche die Bedingung n·aSi(C) = m·aD mit einer Abweichung von dem Verhältnis n:m = 2:3 von weniger als 1,5% erfüllt, wobei a_D die Gitterkonstante von Diamanten ist und wobei die relaxierte Schicht das Substrat, beispielsweise die Substratoberfläche, für das epitaxiale Wachstum der Diamantschicht bildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Grundüberlegung, daß die beinahe epitaktische Ausrichtung der Diamantschichten, die auf (100) Siliziumscheiben gewachsen werden können, damit zusammenhängt, daß die Gitterkonstante des Diamants a_D zur Gitterkonstante des Siliziums a_Si zwar annähernd in einem rationalen Verhältnis steht, so daß man in etwa schreiben kann 2aSi ≅ 3aD

Die Bedingungen 2aSi = 3aD (1)jedoch nicht exakt erfüllt wird. Weiterhin wurde erfindungsgemäß spekuliert, daß wenn das entsprechende Verhältnis exakt erfüllt wäre, man direktes epitaktisches Wachstum ohne Fehlorientierung und ohne Korngrenzen erwarten könnte.

In der Realität ist 2a_Si etwa näherungsweise 1½ % größer als 3a_D. Dies wird nunmehr als der Grund dafür gesehen, daß eine Anpassung mit einer gewissen Fehlorientierung (Verdrehung und Verkippung) im 1-Grad-Bereich auftritt.

Die Grundüberlegung der vorliegenden Erfindung ist, daß wenn man die Gitterkonstante des Siliziumsubstrats um etwa 1 % verkleinern könnte, so daß 2a_Si = 3a_D, d.h. die Bedingung (1) exakt erfüllt ist, das Wachstum einkristalliner Diamantschichten ohne wesentliche Texturierung auf einem solchen Siliziumsubstrat möglich sein sollte.

Weiterhin wurde mit der Erfindung erkannt, daß die erwünschte Verkleinerung der Gitterkonstante von Silizium durch den Einbau von Kohlenstoffatomen auf substitutionellen Gitterplätzen des kristallinen Siliziums erreichbar ist. Es ist beispielsweise bekannt, daß Kohlenstoff als Gruppe-IV-Element in kristallinem Silizium elektrisch neutral auf substitutionellen Gitterplätzen eingebaut wird. Da Kohlenstoffatome erheblich kleiner als Siliziumatome sind, führt der Einbau von Kohlenstoff zu einer Volumenabnahme des Siliziumkristalls. Vereinfachend kann man dies so formulieren, daß das Volumen eines Siliziumkristalls für jedes substitutionell eingebautes Kohlenstoffatom um ein Atomvolumen ΩSi des Siliziums in einem Siliziumkristall abnimmt. Dies ist näher erläutert im Aufsatz von U.Gösele in MRS-Proc. Vol. 59 (1986) Seite 419 bis 431.

Damit geht eine entsprechende Verkleinerung der mittleren Gitterkonstante a_Si(C) in Abhängigkeit von der Konzentration C_c des eingebauten Kohlenstoffs einher.

Es gilt näherungsweise folgende Beziehung aSi(C)(Cc) ≅ aSi(1 – αCc)wobei α den Wert von etwa 6,9 × 10^–24cm^–3 hat. Damit läßt sich ausrechnen, daß eine Kohlenstoffkonzentration von etwa 2 × 10²¹ cm^–3 (entsprechend etwa 1,5 %) nötig wäre, um die Beziehung (1) weitgehend exakt zu erfüllen. Da die Diamantabscheidung bei erhöhten Temperaturen im Bereich um 800°C erfolgt, sollte auch noch die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Diamant und Silizium berücksichtigt werden, so daß Beziehung (1) bei der Abscheidetemperatur gilt und nicht notwendigerweise bei Zimmertemperatur. Die Berücksichtigung der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten führt aber nur zu einer kleinen Modifikation der benötigten Kohlenstoffkonzentration.

Die Löslichkeit von Kohlenstoff in Silizium im thermischen Gleichgewicht ist bekannt und außerordentlich klein (max. etwa 10¹⁷cm^–3) verglichen mit der zur erwünschten Gitterverkleinerung erforderlichen Kohlenstoffkonzentration von etwa 2 × 10²¹ cm^–3. Es hat sich jedoch gezeigt, daß es sowohl mittels CVD Verfahren als auch mittels Molekularstrahlepitaxie möglich ist, Kohlenstoff in diesen hohen Konzentrationen (entsprechend einer Gitterkontraktion von ca. 2,5 % und mehr) in einer metastabilen Form in epitaktische Siliziumschichten einzuwachsen, wie der Literatur zu entnehmen ist. In diesem Zusammenhang wird auf folgende Literaturstellen verwiesen:

C. Guedj et al., J. Appl. Phys. 84 (1998) 4631,
W. Faschinger et al., Appl. Phys. Lett. 67 (1995) 2630,
A.R. Powell et al., J. Vac. Sci. Technol. Bll (1993:) 1064

Bei höheren Temperaturen und entsprechend langen Temperzeiten scheidet sich der substitutionell gelöste Kohlenstoff in Form von Siliziumkarbidausscheidungen aus. Für die Handhabung bei epitaktischen Wachstumsprozessen werden die epitaktischen Siliziumschichten mit Kohlenstoffgehalt auf Siliziumkristallen gewachsen und es tritt ein Problem auf, in dem die kohlenstoffreichen Siliziumschichten parallel zur Wachstumsebene die Gitterkonstante des Siliziums annehmen und nicht die durch die Beziehung (2) zu erwartende Gitterkonstante.

Die kohlenstoffreiche Schicht steht dabei auch unter einer hohen Zugspannung, sie stellt eine verspannte Schicht dar. Ein Abbau der Zugspannung und ein damit verbundenes Relaxieren der Gitterkonstante der Schicht durch Fehlpassungsversetzungen tritt praktisch nicht ein, da die entsprechenden Versetzungen nur eine vernachlässigbare Beweglichkeit in dem kohlenstoffreichen Material haben. Bei höheren Temperaturen tritt bevorzugt Siliziumkarbidausscheidung statt Relaxation über Fehlpassungsversetzungen auf. Um auch diese Problematik zu überwinden sieht die Erfindung vor, daß die verspannte kohlenstoffreiche Siliziumschicht in einem zumindest teilweise entspannten Zustand versetzt werden muß, in dem es durch Relaxation und aufgrund der gewählten Fremdstoffkonzentration die erwünschte Gitterkonstante (a_Si(C)) annimmt. Dies kann realisiert werden, wenn die kohlenstoffreiche Schicht nicht mehr mechanisch fest mit dem Siliziumsubstrat, auf dem sie gewachsen wurde, verbunden ist und dadurch eine einfache Relaxation möglich ist.

Da großflächige, freitragende dünne Schichten (mit Dicken von typischerweise unter einem Mikrometer) technologisch nicht leicht zu handhaben sind, ist es erstrebenswert, die entsprechend relaxierten Schichten (mit der nun erwünschten kleinen Gitterkonstante) wieder mit einem entsprechenden Trägersubstrat zu verbinden. Bevorzugt ist hierbei wieder Silizium, da es praktisch den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat wie die hoch kohlenstoffdotierte Siliziumschicht.

Aus den oben gemachten Erläuterungen ist ersichtlich, wie man zur Herstellung eines geeigneten Substrats für das anschließende Wachstum einer einkristallinen Diamantschicht eine zunächst verspannte kohlenstoffreiche Siliziumschicht herstellen kann und diese verspannte Schicht anschließend in einem entspannten Zustand versetzen kann, so daß sie eine Gitterkonstante (a_Si(C)) annimmt, welche die Bedingung 2a_Si(C) = 3a_D erfüllt und die relaxierte Schicht das Substrat oder mindestens die wirksame Oberfläche eines Substrats für das epitaxiale Wachstum der Diamantschicht bildet.

Eine Möglichkeit, die Abtrennung der verspannten Schicht vom Substrat herbeizuführen, besteht darin, daß Gräben in einem vorgegebenen Muster in die verspannte Schicht geätzt werden und durch ein anschließendes Ätzverfahren durch die Gräben hindurch eine unterhalb der verspannten Schicht angeordnete Schicht mittels einer geeigneten Ätzflüssigkeit weggeätzt wird. Dabei sind die Gräben vorzugsweise so ausgebildet, daß quadratische oder rechteckige Bereiche der verspannten Schicht entstehen.

Besonders günstig ist es, wenn nach der Abtrennung der verspannten Schicht vom Substrat durch die Ätzflüssigkeit das Substrat mit der noch schwach über die Ätzflüssigkeit angekoppelte nunmehr entspannte Schicht aus der Ätzflüssigkeit entnommen wird und die sich zwischen der bisher verspannten und nunmehr entspannten Schicht und dem Substrat vorhandene Ätzflüssigkeit entfernt wird, wodurch die entspannte Schicht direkt benachbart zum verbleibenden Substrat zu liegen kommt und sich mit diesem im entspannten Zustand bondet, beispielsweise durch die Ausbildung kovalenten Bindungen, wodurch das verbleibende Substrat zum Trägersubstrat wird.

Konkret kann man so vorgehen, daß man als Substrat ein SOI-Substrat nimmt, bei dem eine monokristalline Siliziumschicht über eine Siliziumdioxidschicht mit einem Isolator gekoppelt, beispielsweise gebondet ist, daß die Dicke der Siliziumschicht gegebenenfalls durch geeignete thermische Oxidation und dann ein Ablösen des thermischen Oxids beispielsweise durch Flußsäure auf eine erwünschte Schichtdicke d_SOI reduziert wird, daß eine verspannte kohlenstoffreiche Schicht epitaktisch mit einer Schichtdicke d_Si(C) auf der Siliziumschicht aufwachsen wird, daß die Gräben durch die Si(C)-Schicht und die darunterliegende Si-Schicht durch ein an sich bekanntes Trockenätzverfahren erzeugt werden, das hochselektiv an der Siliziumdioxidschicht des SOI Substrats gestoppt wird und daß die Abtrennung der verspannten Schicht vom Isolator dadurch herbeigeführt wird, daß die vergrabene Siliziumdioxidschicht des SOI Substrates in ein Bad mit verdünnter Flußsäure aufgelöst wird.

Bevorzugterweise wird vor dem Ätzen der Gräben eine Siliziumschicht epitaktisch auf die Si(C)-Schicht aufgewachsen, und zwar mit einer Dicke, die im wesentlichen der Dicke der darunterliegenden Si-Schicht entspricht, wobei sowohl die Dicke der darunterliegenden Siliziumschicht als auch die Dicke der Deckschicht aus Silizium wesentlich kleiner als die Dicke der Si(C)-Schicht, beispielsweise mindestens zehnmal kleiner und vorzugsweise Größenordnungen kleiner gewählt wird. Dadurch, daß die Si(C)-Schicht zwischen zwei zumindest im wesentlichen gleich dicken Si-Schichten angeordnet ist, ist die Verspannung, die von diesen Si-Schichten ausgeht, relativ klein, da die Schichten dünn sind. Weiterhin stellt die Anwesenheit von zwei Si-Schichten gleicher Dicke auf beiden Seiten der Si(C)-Schicht sicher, daß keine Durchbiegung des Schichtpakets erfolgt, was der mechanischen Stabilität und dem anschließenden Bondverfahren abträglich wäre.

Insbesondere soll die Auflösung der Siliziumdioxidschicht bei einer waagerechten Anordnung der Struktur in dem Bad mit verdünnter Flußsäure durchgeführt werden, weil hierdurch die dünne abgetrennte Schicht vollflächig und schonend abgestützt wird und eine etwaige Neigung der abgetrennten Schicht, vom darunterliegenden Substrat unter Schwerkrafteinwirkung wegzurutschen, vermieden wird.

Eine alternative Möglichkeit, die kohlenstoffreiche Siliziumschicht vom SOI-Substrat zu trennen, geht aus Anspruch 9 hervor. Eine weitere Alternative ist in Anspruch 11 angegeben.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, ein SOI-Substrat für das epitaxiale Wachstum der kohlenstoffreichen verspannten Si(C)-Schicht zu nehmen, sondern man kann diese Schicht direkt auf eine monokristalline Siliziumscheibe als Substrat aufwachsen, wie in Anspruch 12 näher angegeben.

Die Erfindung sieht weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen Diamantschicht vor, daß sich dadurch auszeichnet, daß man diese auf eine entspannte Schicht aufwächst, die nach einem der oben erläuterten Verfahren hergestellt wurde.

Nach der Herstellung einer epitaxialen Diamantschicht ohne ausgeprägte Korngrenzen kann diese entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung vervielfältigt werden. Zu diesem Zweck wird entsprechend den Ansprüchen 16 bis 19 vorgegangen.

Mit anderen Worten wird nach Wachstum einer entsprechend dicker einkristallinen Diamantschicht auf eine entspannte kohlenstoffdotierte Siliziumsubstrat ein dünner Film dieser Diamantschicht durch ein geeignetes Wasserstoffimplantationsverfahren von dem Rest der Diamantschicht abgetrennt und durch ein Waferbondverfahren mit einer Trägerscheibe gebondet. Dieses Verfahren läßt sich mehrfach wiederholen, so daß sich eine Vielzahl von Trägerscheiben mit angebondeten Diamantschichten aus der ursprünglichen Diamantschicht herstellen lassen. Auf jeder Trägerscheibe mit angebondeter Diamantschicht kann eine weitere Diamantschicht epitaktisch gewachsen werden und das Wasserstoffimplantationsverfahren und Waferbondverfahren wiederholt angewendet werden, um noch mehr Trägerscheiben mit angebondeten Diamantschichten herzustellen. Auch das ursprüngliche Substrat mit der entspannten kohlenstoffreichen Siliziumschicht kann mehrfach verwendet werden, bzw. für das Wachstum weiterer Diamantschichten wiederverwendet werden, die dann ebenfalls mittels des Wasserstoffimplantationsverfahrens und des Waferbondverfahrens auf Trägerscheiben übertragen werden können.

Das Verfahren kann auch so ausgeführt werden, daß eine epitaktische einkristalline Diamantschicht im Schichtdickenbereich oberhalb von etwa 1 mm über Flächen erzeugt wird, die größer als etwa ein Quadratmillimeter sind, um die Herstellung von Schmuckdiamanten zu realisieren.

Die Trennung der Diamantschicht im Bereich der wasserstoffreichen vergrabenen Schicht wird vorzugsweise entsprechend Anspruch 22 durchgeführt und die epitaktische Erzeugung der Diamantschicht wird vorzugsweise durch einen an sich bekannten CVD-Prozeß herbeigeführt.

Weiterhin umfaßt die vorliegende Erfindung ein Substrat, das nach einem der oben angegebenen Verfahren hergestellt wurde und insbesondere ein Substrat, das geeignet ist für das anschließende Wachstum einer einkristallinen Diamantschicht auf mindestens einer seiner Oberflächen mit dem besonderen Kennzeichen, daß auf der genannten Oberfläche des Substrats eine Schicht vorliegt, die durch Relaxation und einer gewählten Fremdstoffkonzentration eine Gitterkonstante (a_Si(C)) aufweist, welche die Bedingung n·a_Si(C) = m·a_D mit einer Abweichung von dem Verhältnis n:m = 2:3 von weniger als 1,5% erfüllt, wobei a_D die Gitterkonstante von Diamant ist, wobei die relaxierte Schicht das Substrat für das epitaxiale Wachstum bildet.

Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in welcher zeigen:

1A-1I eine Reihenfolge von Skizzen zur Erläuterung einer ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von epitaktischen, monokristallinen Diamantschichten ohne ausgeprägte Korngrenzen und

2A-2G eine weitere Reihenfolge von Skizzen zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Möglichkeit zur Vervielfältigung von Diamantschichten,

3A-3D eine weitere Reihenfolge von Skizzen zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Anwendung von Federstrukturen,

4 eine Darstellung entsprechend dem Querschnitt der 3A jedoch von einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform,

5 eine Darstellung entsprechend dem Querschnitt der 3A, jedoch von einer weiteren alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform, und

6 eine Draufsicht auf eine Halbleiterscheibe, um eine weitere mögliche erfindungsgemäße Ausbildung der Federstrukturen zu verdeutlichen.

Im folgenden werden verschiedene Methoden näher beschrieben wie eine kohlenstoffreiche Siliziumschicht hergestellt und vom ursprünglichen Substrat abgetrennt werden kann, so daß eine elastische Relaxation auf die gewünschte Gitterkonstante eintritt. In einem zweiten Schritt wird dann die so hergestellte entspannte Schicht mittels eines Waferbondverfahrens wieder auf einem Siliziumsubstratwafer gebondet, wobei dieser Substratwafer auch der ursprüngliche Siliziumwafer sein kann, auf dem die kohlenstoffreiche epitaktische Schicht gewachsen wurde.

Bei der Ausführungsform gemäß 1 wird als Ausgangsmaterial ein sogenanntes SOI-Substrat 10 genommen, das in diesem Beispiel aus einer einkristallinen Siliziumschicht 12 besteht, die über eine Siliziumdioxidschicht 14 mit einem Insulator 16 verbunden ist. Solche SOI-Substrate sind kommerziell in Durchmessern bis 300 mm erhältlich. Die kommerzi ell erhältliche Siliziumschicht 12 von 100 bis 300 nm Dicke ist jedoch für die vorliegende Erfindung zu dick und wird zunächst auf etwa 10 nm bis 100 nm reduziert. Dies läßt sich durch geeignete thermische Oxidation der Siliziumschicht und Ablösen des thermischen Oxids durch Flußsäure erreichen. Die Reduzierung der Dicke der Siliziumschicht 12 ist schematisch in der Querschnittzeichnung gemäß 1B gezeigt, wo die Schicht 12 deutlich dünner ist als in der entsprechenden Querschnittzeichnung des Ausgangssubstrats gemäß 1A.

Auf das Substrat 10 gemäß 1B, d.h. auf die Siliziumschicht 12, wird nun zuerst epitaktisch eine kohlenstoffreiche Si(C)-Schicht 18 mit einer Schichtdicke d_Si(C) von typischerweise einigen 100 nm gewachsen. Wie aus der 1C ersichtlich ist. Das epitaktische Wachstum dieser kohlenstoffreichen Schicht kann entsprechend den genannten Literaturstellen vorgenommen werden. Auf diese Schicht 18 wird dann entsprechend 1D epitaktisch zur späteren mechanischen Spannungskompensation eine Siliziumdeckschicht 20 (ohne Kohlenstoffdotierung) gewachsen, deren Dicke d_Deck der reduzierten Schichtdicke d_SOI der Siliziumschicht 12 des SOI-Substrats 10 entspricht. Die Kohlenstoffkonzentration in der kohlenstoffreichen Schicht 18 wird dabei so eingestellt, daß das Sandwich aus den beiden Siliziumschichten 20, 12 und der kohlenstoffdotierten Schicht 18 die gewünschte Gitterkonstante nach Beziehung (1) haben wird, wenn dieses Sandwich vom Insulator 16 durch Entfernung der Siliziumdioxidschicht 14 abgetrennt ist und sich entspannt hat. Um die Kohlenstoffkonzentration in einem technologisch verfügbaren Bereich zu halten, ist es deswegen erforderlich, daß dSOI + dDeck << dSi(C) d.h. d_SOI + d_Deck soll vorzugsweise eine Größenordnung oder mehr kleiner sein als d_Si(C).

Die so gewachsene Struktur nach 1D wird nun mittels photolithographischer Methoden geeignet strukturiert, und zwar so, daß Gräben 22 in einem vorgegebenen Muster in das Si/Si(C)/Si-Schichtsandwich 20, 18, 12 geätzt werden. Die 1E zeigt die Scheibe 10 mit diesen Gräben 22 in einem quadratischen Muster. Für das Ätzen der Gräben 22 bieten sich bevorzugt Trockenätzverfahren an, die hochselektiv an der vergrabenen Oxidschicht 14 des SOI-Substrats stoppen.

Als Muster für die Gräben können wie gezeigt Quadrate oder Rechtecke bis zu einer Kantenlänge von etwa 1 cm gewählt werden. Die gesamte Siliziumscheibe wäre dann mit solchen voneinander durch Gräben getrennten Quadrate oder Rechtecke 24 überdeckt.

Als nächster Schritt wird die so strukturierte Scheibe möglichst waagerecht in ein Bad 26 mit verdünnter Flußsäure 28 gelegt, die die Oxidschicht 14 auch unterhalb des epitaktischen Schichtsandwiches 20, 18, 12 auflöst. In der Darstellung der 1F ist diese Auflösung bereits vollendet. Wegen der Oberflächenspannung der Flüssigkeit bleiben die epitaktischen Schichten jedoch auf dem Substratwafer über eine Flüssigkeitsschicht 30 der Ätzflüssigkeit haften. Da die Ankopplung über die Flüssigkeitsschicht 30 sehr schwach ist, wird sich das elastisch verspannte, epitaktische Schichtsandwich 20, 18, 12 auf seine natürliche Gitterkonstante zusammenziehen.

In einem nächsten Schritt wird die Scheibe aus der Flußsäurelösung genommen, wie in der 1G dargestellt. Der Darstellung halber ist in 1G nur ein Abschnitt der Scheibe und in einem zu 1F vergrößerten Maßstab gezeigt.

Bei entsprechend langem Warten bei Zimmertemperatur oder entsprechend kurzem Warten bei leicht erhöhter Temperatur (unterhalb der Siedetemperatur der aus Flußsäure bestehenden Ätzflüssigkeit) verdampft diese Flüssigkeit 30 und verschwindet auch von den Bereichen unterhalb der abgelösten kohlenstoffreichen, epitaktischen Schichten 18, wie in 1H gezeigt.

Eine Erhöhung der Temperatur nach der Verdunstung der Flüssigkeit auf einige 100°C (typischerweise 400 – 600°C) führt zu einer innigen, kovalenten Verbindung zwischen dem abgelösten, epitaktischen Schichtsandwich 20, 18, 12 und dem ursprünglichen Substrat in Form des Isolators 16.

Jetzt hat man eine Sandwichstruktur vorliegen, bei der auf einem Isolator 16, der selbst ein Siliziumwafer sein kann, viele getrennte, quadratische Bereiche 24 existieren, innerhalb deren ein dünnes Si/Si(C)/Si-Schichtsandwich 20, 18, 12 mit der gewünschten kleineren Gitterkonstante entsprechend Beziehung (1) kovalent auf das Siliziumsubstrat gebondet ist. Die 1H ist auch für diese gebondete Struktur als repräsentativ zu betrachten, da durch das Bondverfahren die Struktur gegenüber dem Verfahrensschritt der Verdampfung der Ätzlösung sich nicht geändert hat.

Auf diesen epitaktischen Schichten der gewünschten Gitterkonstanten lassen sich nun entsprechend dem Grundsatz dieser Erfindung einkristalline Diamantschichten 32 nach üblichen CVD-Verfahren bei erhöhten Temperaturen abscheiden wie in 1I schematisch dargestellt ist. Dabei ist darauf zu achten, daß die Abscheidung möglichst bei Temperaturen erfolgt, bei denen der Vorgang der Siliziumkarbidausscheidung so langsam abläuft, daß keine wesentliche Zunahme der Gitterkonstante der kohlenstoffdotierten Siliziumschicht während der Diamantabscheidung eintritt.

Als Ausführungsvariante ist es auch möglich die Schicht 20 zu entfernen und die Diamantschicht direkt auf die Si(C)-Schicht 18 aufzuwachsen. Diese Variante soll aber erst nach dem Bonden auf ein Substrat erfolgen. Vorher hat diese Si-Schicht 20 die Aufgabe mechanische Spannungen, die von der unteren Si-Schicht 12 ausgehen zu kompensieren. Sonst verbiegt sich die Schicht und das Bonden wird erschwert und evtl. verhindert. Nach dem Bonden könnte man jedoch (wie gesagt) die Schicht 20 entfernen (muß es aber nicht), was vielleicht sogar Vorteile hätte.

Aus den oben gemachten Ausführungen ist zu entnehmen, daß die Herstellung eines geeigneten Substrats, beispielsweise nach 1H, zum Wachstum einkristalliner Diamantschichten durchaus einen erheblichen technischen Aufwand erfordert. Es wäre deswegen wünschenswert, wenn dieses Substrat vielfach verwendet werden könnte. Im folgenden wird dazu, mit Bezug auf die 2A-2G ein entsprechendes Verfahren angegeben. Für viele Anwendungen ist es ausreichend, eine einkristalline dünne Diamantschicht (typischerweise unter einem Mikrometer Dicke) auf einem geeigneten Substrat zu haben, das eine möglichst gute thermische Leitfähigkeit und einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizient wie Diamant hat. Ausgangspunkt für die vorliegende Weiterentwicklung der Erfindung ist ein Substrat entsprechend der 1I mit einer bereits abgeschiedenen epitaktischen, einkristallinen Diamantschicht von vielen Mikrometern, beispielsweise 10 μm. Diese Diamantschicht 32 wird nun entsprechend 2B mit Wasserstoffionen 34 implantiert, wobei das Implantationsverfahren, das an sich bekannt ist, durch die Pfeile 36 dargestellt ist. Die Implantation erfolgt mit Wasserstoffionen im Dosisbereich von 10¹⁶–10¹⁷ cm^–2 und mit typischen Energien von 20keV – 200keV, so daß sich die wasserstoffreiche vergrabene Schicht 38 in Diamantschicht 32 in einer Tiefe bildet, die sich aus der Implantationsenergie ergibt. Es lassen sich leicht Implantationstiefen im Bereich von 100 nm – 1000 nm realisieren. Vor oder nach der Wasserstoffimplantation, wird auf der Diamantschicht eine dünne Bondschicht 40 abgeschieden, die in 2C zu sehen ist, wobei in 2C die Bondschicht nach der Wasserstoffimplantation abgeschieden wurde. Diese Bondschicht kann z.B. aus Polysilizium, CVD-Siliziumdioxid, oder CVD-Siliziumnitrid bestehen und sollte entsprechend der vorgesehenen Anwendung der Diamantschicht gewählt werden. Diese Bondschicht wird mit einer entsprechender chemomechanischen Politur so vorbereitet, daß anschließend eine Trägerscheibe 42, beispielsweise in Form eines Siliziumsubstrats oder eines SOI-Substrats mit der so vorbereiteten freien Oberfläche der Bondschicht 40 und daher mit der Diamantschicht 32 gebondet werden kann. Dieses Bondverfahren ist schematisch in 2D angedeutet. Das Ergebnis ist in 2E zu sehen.

Das Hochheizen der so gebondeten Struktur auf über etwa 800°C für eine genügend lange Zeit, wie beispielsweise in der Literaturstelle Q.-Y. Tong et al., Appl.Phys. Lett. 70 (1997)1390 und dem U.S. Patent 5,877,070 (1999) Goesele et al., beschrieben ist, führt dann zu Mikrorißbildung in der wasserstoffreichen Schicht 38 und schließlich zu einem Absprengen eines der Scheiben entlang der Mikrorisse und parallel zur Bondgrenzfläche, wie dies als "smart-cut" für den Fall des Siliziums bekannt ist, wie in der Literaturstelle M. Bruel, Electronics Lett. 31 (1995) 1201 beschrieben ist.

Damit ist dann eine einkristalline Diamantschicht 32A über die dünne Bondschicht 40 auf ein geeignetes Substrat in Form der Trägerscheibe 42 übertragen worden. Die Oberfläche der übertragenen Schicht 32A kann nun, falls erforderlich, noch chemo-mechanisch fein poliert werden. Entsprechende Polierrezepte sind in der Literatur angegeben und diskutiert worden, beispielsweise im Aufsatz von Haisma et al., Philips J.Res. 49 (1995) 23.

Die Trägerscheibe 42 mit der Diamantschicht 32A kann nun für verschiedene Zwecke verwendet werden. Einerseits kann diese Struktur für elektronische Zwecke benutzt werden – andererseits kann die Diamantschicht 32A durch weitere epitaktische Ablagerungen von Diamantmaterial mittels des an sich bekannten CVD-Verfahrens in der Dicke vergrößert werden, so daß beispielsweise Schmuckdiamanten für industrielle Zwecke entstehen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, weiteres Diamantmaterial epitaktisch auf die Diamantschicht 32A aufzuwachsen und durch Wasserstoffimplantation weitere Trägerscheiben 42 mit angebondeter Diamantschicht 32A gemäß 2F herzustellen. Auch das ursprüngliche Substrat 16 mit dem Rest der Diamantschicht 32B kann weiterverwendet werden. Beispielsweise kann der Prozeß des wasserstoffimplantationsinduzierten Übertragens einkristalliner Diamantschichten mit diesen Substrat entsprechend mehrfach wiederholt werden, so daß aus der Ausgangsstruktur gemäß 2A mehrere Trägerscheiben 42 mit angebondeter Diamantschicht 32A hergestellt werden können. Auch kann das ursprüngliche Substrat 16 mit der Diamantschicht 32B gemäß 2G gegebenenfalls nach einer entsprechenden Feinpolitur für das Wachstum einer dicken Diamantschicht benutzt werden und erneut als Ausgangssubstrat gemäß 2A verwendet werden. Es kann auch für die weite ren Anwendungen benutzt werden, die im Zusammenhang mit der Struktur von 2F beschrieben worden sind.

Anstelle der quadratischen und getrennten Einzelbereiche kohlenstoffreicher epitaktischer Siliziumschichten ist es auch möglich, den inneren Teil der Siliziumscheibe mit einer zusammenhängenden kohlenstoffreichen Schicht zu belassen und nur am Randbereich (mit wohlbekannten Methoden aus der Siliziummikromechanik) geeignet bemessene Federstrukturen zu ätzen. Nach Abätzen der ganzflächigen Siliziumscheibe von der Rückseite (bis auf einen ringförmigen Randbereich, der als Halterung dient) erlauben es diese Federstrukturen, daß sich die innere abgelöste kohlenstoffreiche Epitaxieschicht entspannen kann. Dabei dient die vergrabene Oxidschicht des SOI-Substrates als Ätzstoppschicht, die wiederum mittels verdünnter Flußsäure leicht abgelöst werden kann. Danach folgt wieder ein geeigneter Waferbondschritt (siehe Literatur; Gösele und Tong 1998) zur Verankerung der entspannten, kohlenstoffreichen Siliziumschicht auf einem Siliziumsubstrat. Statt des großflächigen Ablösens des Grundsubstrates ist es auch möglich, im inneren Scheibenbereich die kohlenstoffreiche Epitaxieschicht mit einer Anzahl von Löchern zu versehen, die es erlauben, das darunterliegende Oxid mit Flußsäure wegzuätzen.

Die Ausführungsform mit Federstrukturen wird nunmehr mit Bezug auf die 3A bis 3D näher erläutert.

Bei den nachfolgenden Ausführungsformen werden Bestandteile, die Bestandteilen der bisherigen Zeichnungen entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, jedoch zur Differenzierung der jeweiligen Ausführungsformen um eine Grundzahl, wie 100, 200, 300 bzw. 400, erhöht. Die bisherige Beschreibung der einzelnen Bestandteile gilt auch für die entsprechend numerierten Bestandteile bei den weiteren Ausführungsformen, es sei denn, etwas Gegenteiliges wird zum Ausdruck gebracht.

Das Bezugszeichen 110 deutet auf ein SOI-Substrat, das ursprünglich die Form einer durchgehenden, in Draufsicht zumindest im wesentlichen kreisförmigen Scheibe, entsprechend den gestrichelten Linien 111 aufwies. Das SOI-Substrat besteht auch hier aus einem Isolator 116, einer Oxid-Schicht 114 und einer monokristallinen Si-Schicht 112, die auch hier in der Dicke auf etwa 10nm bis 100nm reduziert worden ist. Auf der Si-Schicht 112 befindet sich bei diesem Ausführungsbeispiel eine dickere Si(C)-Schicht 118 deren Dicke mindestens etwa zehn mal großer ist als die Dicke der Si-Schicht 112. Diese Si(C)-Schicht 118, d.h. Si mit Kohlenstoffdotierung, wurde nach einem der eingangs genannten Verfahren epitaktisch auf die Schicht 112 aufgewachsen, so daß sich die Kohlenstoffatome auf substitutionellen Gitterplätzen befinden. Eine weitere dünne monokristalline Si-Schicht 120 mit der gleichen Dicke wie die der Schicht 112 befindet sich auf der Si(C)-Schicht 118. Das Si-Si(C)-Si Schichtpaket 112, 118, 120 ist in den 3A, 3C und 3D mit 121 bezeichnet und der Darstellung halber nur am rechten Rand der jeweiligen Figur gezeigt. Die Struktur 121 erstreckt sich jedoch über der gesamten Flache der Scheibe.

In der Draufsicht gemäß 3B ist nur ein Streifen der Scheibe gezeigt. Es versteht sich jedoch, daß die dort gezeigte Struktur sich kreisförmig um den Mittelpunkt C erstreckt.

Die 3A, 3C und 3D sind als Querschnitte zu verstehen, die entsprechend der Schnittebene III-III in 3B gezeigt sind.

Die in 3A dargestellte Struktur umfaßt im Randbereich Federstrukturen 117, die in 3B in Draufsicht gezeigt und in diesem Beispiel durch die Erzeugung von geeignet angeordneten und dimensionierten Löchern 119 realisiert sind. Mit anderen Wörtern werden die Federstrukturen 117 durch die Bereiche der Scheibe gebildet die zwischen den Löchern verbleiben.

Diese Art der Strukturierung kann durch ein Ätzverfahren erfolgen. Beispielsweise kann es sich bei den Löchern 119 um in Draufsicht elliptische Löcher handeln, die mittels Photolithographie und chemischem Ätzen oder Plasmaätzen hergestellt sind.

Nach Abätzen der mittleren Bereiche 123 des SOI-Substrates unterhalb der Si-Schicht 112 verbleibt vom ursprünglichen Substrat 110 ein ringförmiger Bereich 125, der als Halterung für den membranförmigen mittleren Bereich des Schichtpakets 121, der aus dem zusammenhängenden mittleren Teil 127 und dem ringförmigen, die Federstruktur 117 aufweisenden Bereich 129 besteht, wobei der mittlere Teil 127 nunmehr zumindest im wesentlichen entspannt ist, nachdem die Federstruktur 117 aufgrund der bisher herrschenden Zugspannung in vorher verspannten mittleren Teil gedehnt ist, d.h. elastisch nachgegeben hat.

Die Kohlenstoffkonzentration in der kohlenstoffreichen Si-Schicht 118 ist auch hier so eingestellt worden, daß der zentrale Teil 127 nach der Entspannung die gewünschte Gitterkonstante nach der Beziehung (1) hat.

Es wird nun bspw. von unten ein Trägersubstrat 142, beispielsweise aus Si, an den mittleren Teil 127 angebondet, wie in 3C schematisch ge zeigt. Es kann nunmehr entweder der mittlere Bereich 144, bestehend aus dem auf dem Trägersubstrat 142 gebondeten, mittleren Teil 127 von der ringförmigen Halterung 125 getrennt und der weiteren Verwendung zugeführt werden, wie in 3D gezeigt, oder die Halterung 125 kann beibehalten werden und der Handhabung des mittleren Bereichs bei der weiteren Verwendung desselben dienen.

Es sind viele Varianten denkbar.

Eine weitere Möglichkeit der Anbringung des Trägersubstrats 142 besteht bspw. darin dieses nicht von unten sondern auf die Oberseite der Scheibe (bezogen auf die zeichnerische Darstellung gemäß 3C) anzubringen. Dies ist vom praktischen Standpunkt einfacher weil es keinen überstehenden Rahmen gibt, da der Rahmen, d.h. die Halterung 125, in der gezeigten Orientierung der Scheibe sich nach unten erstreckt. Die Si(C)-Schicht 118 bzw. das Si-Si(C)-Si-Schichtpaket 121 ist weitgehend symmetrisch, so daß es keinen Unterschied macht, ob man später Diamant von der Unterseite oder der Oberseite aufwächst. Nach dem Bonden des Trägersubstrats auf der Oberseite der Scheibe, was über die gesamte Fläche und nicht nur über den mittleren Membranbereich 127 erfolgen kann, kann auch der überstehende Rahmen 125 entfernt werden.

Wenn, wie oben beschrieben, ein SOI-Substrat 110 zur Anwendung gelangt, ist der Einschluß der Si(C)-Schicht 118 zwischen zwei Si-Schichten 112 und 120 erforderlich. Die untere Si-Schicht 112 braucht man als einkristalline epitaktische Unterlage, da man auf dem amorphen, nicht kristallinen Oxid keine einkristalline Schicht wachsen kann. Hier dient die Oxidschicht 114 der Ätzstop. Nach anschliesende Entfernung der Oxid- Schicht 114 könnten danach noch die beiden Si-Schichten entfernt werden und die Diamantschicht direkt auf die Si(C)-Schicht 118 aufgewachsen werden. Die Entfernung der Si-Schichten 112 und 120 ist aber nicht unbedingt nötig.

Als weiteres Beispiels kann ein Silizium-Substrat 210 anstelle des SOI-Substrats 110 verwendet werden wie in der 4 gezeigt. In dieser Variante wird die Si(C)-Schicht 218 direkt auf das Si-Substrat epitaktisch aufgewachsen. Die Si(C)-Schicht 218 wirkt dann direkt als Ätzstop.

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß für bestimmte wohlbekannte Siliziumätzlösungen eine hochkohlenstoffdotierte Siliziumschicht einen hervorragenden Ätzstopp darstellt (siehe Literatur; V. Lehmann et al., J. Electrochem.Soc. 138 (1991) L3. Deswegen ist es auch möglich, die oben erwähnte angegebene eingeätzte Federstruktur am Rande eines Wafers, in Kombination mit dem Abätzen des Siliziumwafers, von der Rückseite des Wafers her auch ohne SOI-Substrat zu verwirklichen. In diesem Fall dient die kohlenstoffreiche Siliziumepitaxieschicht direkt als Ätzstoppschicht, wohingegen in der vorherigen Beschreibung dies die vergrabene Oxidschicht des verwendeten SOI-Substrates war. Die weiteren Schritte (Entspannung der abgelösten kohlenstoffreichen Schicht über die Federstruktur am Rande der Schicht, Waferbonden der Schicht auf ein Siliziumträgersubstrat und Diamantschicht Wachstum) sind analog, wie oben schon beschrieben, durchzuführen. Das heißt, die Oxidschicht 114 kann weggelassen werden.

Die oben beschriebene Variante der Verwendung eines Siliziumsubstrats anstelle eines SOI-Substrats könnte auch so realisiert werden wie in 5 gezeigt. Hier wird die kohlenstoffreiche Siliziumschicht 318 auf das Si- Substrat 310 epitaktisch aufgewachsen und mit einer Deckschicht 320 aus Silizium versehen, analog zur Ausführungsvariante gemäß 1. Bei der Entfernung des mittleren Bereichs 323 des Si-Substrats 310 wird aber jetzt eine dünne Schicht 312 des aus Si bestehenden Substrats 310 unterhalb des mittleren Bereichs 327 der mit Kohlenstoff dotierten Si-Schicht 318 belassen, so daß sich dieser Bereich 327 nunmehr zwischen zwei verhältnismäßig dünnen Si-Schichten 312, 320 befindet, ähnlich der Sandwichanordnung bestehend aus den Schichten 12, 18, 20 bei der Ausführungsform gemäß 1.

Bei einer solchen Anordnung können die Federstrukturen 317 durch die Ausbildung von geeigneten Löchern 319 in den drei Schichten 312, 318, 320 erzeugt werden.

Die Federstrukturen können auch in verschiedener Weise realisiert werden. Eine Alternative ist in 6 gezeigt, wo die Federstrukturen 417 durch leicht verformbare Speichen 448 gebildet sind, die sich zwischen dem mittleren Teil 427 und der Halterung 425 erstrecken und voneinander durch entsprechende Öffnungen 419 getrennt sind. Bei diesem Beispiel kann der mittlere Bereich 427 entsprechend der 3A nur aus Si(C) oder aus einem Schichtsystem aus Si-Si(C)-Si-Schichten 412, 418, 420 bestehen

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Substrats (1H, 2F, 2G, 3D, 4, 5, 6) für das anschließende Wachstum einer einkristallinen Diamantschicht (32; 32A; 32B), gekennzeichnet durch die nachfolgenden Schritte: a) Auswahl eines Substrats (10; 110; 210; 310; 410) aus monokristallinem Silizium mit einer festgelegten Gitterkonstante (a_Si) oder mit einer aus monokristallinem Silizium bestehenden Schicht (12), b) Herstellung entweder einer verspannten Siliziumschicht (18; 118; 218; 318; 418) mit eingebauten Kohlenstoffatomen auf substitutionellen Gitterplätzen auf dem monokristallinen Silizium des Substrats, oder eines Schichtsystems (12, 18, 20; 112, 118, 120; 312, 318, 320; 412, 418, 420), das eine solche verspannte Siliziumschicht Si(C) einschließt, c) Versetzung der verspannten Schicht (18; 118; 218; 318; 418) oder des Schichtsystems (12, 18, 20; 112, 118, 120; 312, 318, 320; 412, 418, 420) durch eine Abtrennung der verspannten Schicht (18; 118; 218; 318; 418) vom Substrat (10; 110; 210; 310; 410) in einen zumindest teilweise entspannten Zustand, in dem es durch Relaxation und durch die gewählte Fremdstoffkonzentration eine Gitterkonstante (a_Si(C)) annimmt, welche die Bedingung n·aSi(C) = m·aD mit einer Abweichung von dem Verhältnis n:m = 2:3 von weniger als 1,5% erfüllt, wobei an die Gitterkonstante von Diamant ist und wobei die relaxierte Schicht bzw. das relaxierte Schichtsystem das Substrat bzw. die Substratoberfläche für das epitaxiale Wachstum der Diamantschicht bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest teilweise entspannte Schicht (18; 118; 218; 318; 418) oder das zumindest teilweise entspannte Schichtsystem (12, 18, 20; 112, 118, 120; 312, 318, 320; 412, 418, 420) auf einem Trägersubstrat (42) gebondet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung der verspannten Schicht vom Substrat dadurch erreicht wird, daß Gräben (22) oder Löcher (119; 319) in einem vorgegebenen Muster in die verspannte Schicht geätzt werden und durch ein anschließendes Ätzverfahren durch die Gräben hindurch eine unterhalb der verspannten Schicht bzw. des verspannten Schichtsystems angeordnete Schicht (14; 114; 314) mittels einer geeigneten Ätzflüssigkeit weggeätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gräben so ausgebildet werden, daß quadratische oder rechteckige Bereiche (24) der verspannten Schicht (18) bzw. des verspannten Schichtsystems (12, 18, 20) entstehen.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Abtrennung der verspannten Schicht (18) (oder des schichtsystems (12, 18, 20)) vom Substrat (10) durch die Ätzflüssigkeit das Substrat (10) mit der noch schwach über die Ätzflüssigkeit (30) angekoppelten nunmehr entspannten Schicht (18) (oder dem Schichtsysystem (12, 18, 20)) aus der Ätzflüssigkeit entnommen wird und die zwischen der bisher verspannten und nunmehr entspannten Schicht (oder Schichtsystem) und dem Substrat vorhandene Ätzflüssigkeit (30) entfernt wird, wodurch die entspannte Schicht (18) bzw. das entspannte Schichtsystem (12, 18, 20) direkt benachbart zum verbleibenden Substrat (10) zu liegen kommt und sich mit diesem im entspannten Zustand bondet, wodurch das verbleibende Substrat (10) zum Trägersubstrat wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Substrat (10, 110, 310, 410) ein SOI-Substrat nimmt, bei dem eine monokristalline Siliziumschicht (12; 112; 312; 412) über eine Siliziumdioxidschicht (14; 114; 314) mit einem Isolator gekoppelt, daß die Dicke der Siliziumschicht (12; 12; 312; 412) gegebenenfalls durch geeignete thermische Oxidation und dann ein Ablösen des thermischen Oxids auf eine erwünschte Schichtdicke d_SOI reduziert wird, daß eine verspannte kohlenstoffreiche Schicht (18; 118; 318; 418) epitaktisch mit einer Schichtdicke d_Si(C) auf der Siliziumschicht aufgewachsen wird, daß Gräben (22) oder Löcher (119; 319; 419) durch die Si(C)-Schicht (18; 118; 318; 418) und die darunterliegende Si-Schicht (12; 112; 312; 412) durch ein an sich bekanntes Trockenätzverfahren erzeugt werden, das hochselektiv an der Siliziumdioxidschicht (14; 114; 314) des SOI Substrats gestoppt wird und daß die Abtrennung des verspannten Schichtsystems (12, 18; 112, 118; 312, 318; 412, 418) vom Isolator dadurch herbeigeführt wird, daß die vergrabene Siliziumdioxidschicht (14; 114; 314) des SOI Substrates (10; 110; 310; 410) in einem Bad mit verdünnter Flußsäure aufgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ätzen der Gräben (22) oder Löcher (119; 319; 419) eine Siliziumschicht (20; 120; 320; 420) epitaktisch auf die Si(C)-Schicht (18; 118; 318; 418) aufgewachsen wird, und zwar mit einer Dicke, die im wesentlichen der Dicke der darunterliegenden Si-Schicht (12; 112; 312; 412) entspricht, wobei sowohl die Dicke der darunterliegenden Siliziumschicht (12; 112; 312; 412) als auch die Dicke der Deckschicht (20; 120; 320; 420) aus Silizium wesentlich kleiner als die Dicke der Si(C)-Schicht gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung der Siliziumdioxidschicht (14; 114; 314) bei einer waagerechten Anordnung der Struktur in dem Bad (26) mit verdünnter Flußsäure (28; 30) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (110; 210; 310; 410) mit der verspannten Schicht (18; 118; 218; 318; 418) eine Scheibe bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Gräben oder Löcher (119; 219; 319; 419) so ausgeführt werden, daß der innere Teil (127; 227; 327; 427) der Scheibe mit der zusammenhängenden, kohlenstoffreichen Si(C)-Schicht (118; 218; 318; 418) belassen wird und geeignete Federstrukturen (117; 217; 317; 417) im Randbereich der Scheibe geätzt werden, daß die Scheibe ganzflächig von der Rückseite bis auf einen als Halterung (125; 225; 325; 425) dienenden Bereich abgeätzt wird, wodurch die entspannte kohlenstoffreiche Siliziumschicht (118; 218; 318; 418) bzw. das entspannte Schichtsystem (12, 18, 20; 112, 118, 120; 312, 318, 320; 412, 418, 420) entsteht, die bzw. das gegebenenfalls auf einem Trägersubstrat (42) gebondet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine vergrabene Siliziumdioxidschicht (114; 314) des SOI-Substrats (110; 310) als Ätzstoppschicht dient und mittels verdünnter Flußsäure abgelöst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Löchern (119; 219; 319; 419) in der kohlenstoffreichen Si(C)-Epitaxieschicht oder in dem die Si(C)-Epitaxieschicht enthaltenden Schichtsystem (12, 18, 20; 112, 118, 120; 312, 318, 320; 412, 418, 420) vorgesehen werden und daß die darunterliegende Siliziumdioxidschicht mit Flußsäure durch die Löcher hindurch weggeätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffreiche verspannte Si(C)-Schicht (218; 418) auf eine monokristalline Siliziumscheibe (210; 410) epitaktisch aufgewachsen wird, daß eine Federstruktur (217; 417) am Rande der Si(C)-Schicht erzeugt wird und daß das Siliziumsubstrat von der Rückseite unter Anwendung der kohlenstoffreichen Si(C)-Schicht als Ätzstoppschicht weggeätzt wird
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die bisher verspannte und nunmehr über die Federstruktur (217; 417) entspannte kohlenstoffreiche Si(C)-Schicht (218; 418) auf ein neues Trägersubstrat gebondet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Bonden des entspannten Schichtsystems (12, 18, 20; 112, 118, 120; 312, 318, 320; 412, 418, 420) auf ein Trägersubstrat die freiliegende Si-Schicht (20; 120; 320; 420) entfernt wird und die Diamantschicht auf der freigelegten entspannten Si(C)-Schicht (18; 118; 318; 418) aufgewachsen wird.
Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen Diamantschicht, dadurch gekennzeichnet, daß man diese auf eine Schicht (18; 118; 218; 318; 418) oder ein Schichtsystem (12, 18, 20; 112, 118, 120; 312, 318, 320; 412, 418, 420) aufwächst, die bzw. das nach einem der vorherigen Ansprüche hergestellt wurde.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet daß eine epitaktische Diamantschicht mit einer Dicke von mehreren Mikrometern abgeschieden wird, daß diese Diamantschicht mit Wasserstoffionen (34) implantiert wird, so daß eine wasserstoffreiche vergrabene Schicht (38) in der Diamantschicht (32) in einer Tiefe gebildet wird, die sich durch die Implantationsenergie ergibt, daß die Diamantschicht (32; 32A; 32B) mit einer Trägerscheibe (42) gebondet wird und daß die Diamantschicht im Bereich der wasserstoffreichen vergrabenen Schicht (38) geteilt wird, wodurch sich die Trägerscheibe (42) mit angebondeter Diamantschicht (32A) einerseits und das Substrat (10) mit dem Rest der Diamantschicht (32B) andererseits ergeben.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder nach der Wasserstoffimplantation eine dünne Bondschicht (40) auf der freiliegenden Diamantschicht abgeschieden wird, daß diese Bondschicht gegebenenfalls chemisch-mechanisch poliert wird und daß die Diamantschicht über die Bondschicht (40) mit der Trägerscheibe (42) gebondet wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß es wiederholt wird unter Anwendung des ursprünglichen Substrats (10) mit dem Rest (32B) der ursprünglichen Diamantschicht (32), um weitere Trägerscheiben (42) mit angebondeter Diamantschicht (32A) herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Trägerscheibe (42) mit angebondeter Diamantschicht (32A) eine weitere Diamantschicht epitaktisch gewachsen wird und das Verfahren nach Anspruch 17 wiederholt wird, um mindestens eine weitere Trägerscheibe (42) mit angebondeter Diamantschicht (32A) zu erhalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19 zur Herstellung von Schmuckdiamanten, dadurch gekennzeichnet, daß eine epitaktische einkristalline Diamantschicht (32) im Schichtdickenbereich oberhalb von einem Millimeter auf einer Fläche (24) erzeugt wird, die mehr als ein Quadratmillimeter groß ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bondschicht (40) aus der Gruppe bestehend aus Polysilizium, CVD-Siliziumdioxid oder CVD-Siliziumnitrid gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung der Diamantschicht (32) im Bereich der wasserstoffreichen vergrabenen Schicht (38) dadurch herbeigeführt wird, daß die gebondete Scheibe bei einer Temperatur von etwa 800°C für eine ausreichende Zeit gehalten wird, um eine Mikrorißbildung in der wasserstoffreichen Schicht (38) und ein anschließendes Absprengen der Trägerscheibe (42) mit angebondeter Diamantschicht (32A) entlang der Mikrorisse und parallel zur Substratoberfläche herbeizuführen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktische Erzeugung der Diamantschicht durch einen CVD-Prozeß herbeigeführt wird.
Substrat, hergestellt nach einem der bisherigen Ansprüche 1 bis 14.
Substrat nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß auf der entspannten Schicht mit der Gitterkonstante (a_Si(C)) eine epitaktische einkristalline Diamantschicht vorliegt.