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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Herstellen eines kristallachsenorientierten Saphir-Substrats
sowie ein Saphir-Substrat und ein Halbleitersubstrat.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Saphirsubstrate
werden als Substrate für
die metallorganische Gasphasenepitaxie (metalorganical chemical
vapor deposition; MOCVD) zur Herstellung von mikroelektronischen
oder optoelektronischen Halbleiterbauelementen, beispielsweise von
Hochleistungstransistoren oder von Leuchtdioden, verwendet. An die Rauhigkeit
und die Ebenheit (flatness) der Oberflächen der in epitaktischen Beschichtungsprozessen
eingesetzten Saphir-Wafer
werden hohe Anforderungen gestellt. Zusätzlich muss die Flächennormale
auf die Oberfläche
der Saphir-Wafer parallel oder in einem definierten Winkel zur c-Achse
des Saphirkristalls verlaufen.
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Um
solche Wafer herzustellen, werden gemäß dem Stand der Technik die
gezüchteten
Kristalle rondiert, geflätet
und senkrecht zur kristallographischen c-Achse in sogenannte Blanks
geschnitten. In einem darauf folgenden Läpp- und Polier-Prozess werden
die Blanks zum Teil unter Reinraumbedingungen zu fertigen Wafern
prozessiert.
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Gemäß dem Stand
der Technik werden die Blanks üblicherweise
durch Sägen
von Saphirboules senkrecht zur kristallographischen c-Achse getrennt.
Dazu werden die Saphirboules vor dem Trennvorgang mit Hilfe eines
Röntgenbeugungsverfahrens
exakt gegenüber
dem Trenndraht oder der Trennscheibe der Säge ausgerichtet. Die Blanks
von c-achsengezogenen
Saphirkristallen zeigen jedoch nach dem Trennen häufig große Verformungen
und Unebenheiten. Je größer diese
prozessabhängigen
Verformungen und Unebenheiten eines Saphirblanks sind, desto mehr
Material muss bei größerer Ausgangsdicke
der Blanks in einem anschließenden
Läpp- oder
Schleifprozess abgetragen werden. Die mechanische Nachbearbeitung
durch Läppen und/oder
Schleifen führt
jedoch aufgrund von längeren
Prozesszeiten zu höheren
Herstellungskosten. Da durch das Läppen und/oder Polieren Material
von den Saphirblanks abgetragen wird, müssen gemäß dem Stand der Technik auch
dickere Saphirblanks geschnitten werden, was einen zusätzlichen Materialverlust
bedeutet und die Waferausbeute aus den gezüchteten Saphirkristallen mindert.
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JP 2003-320521 A offenbart
ein Verfahren zum Herstellen eines kristallachsenorientierten Saphir-Substrats
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Bei diesem Verfahren wird ein Saphir-Kristall in
der c-Achsenrichtung gezogen und ein Trennvorgang mittels einer
Mehrdraht-Kristallsäge
entlang der kristallographischen a-Achse ausgeführt, um das kristallachsenorientierte
Saphir-Substrat auszubilden. Offenbart werden Abmessungen des Saphir-Kristalls
und Parameter des Trennvorgangs. Der Einfluss einer geeigneten Dotierung
der Schmelze auf das Verhalten des Saphir-Kristalls während des
Trennvorgangs sowie auf die zu erzielende Ebenheit der Saphir-Substrate
ist jedoch nicht offenbart. Es ist davon auszugehen, dass die Substrate
vor einer Weiterverwendung in der üblichen Weise sowohl geläppt als
auch poliert werden müssen.
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DE 37 12 669 A1 offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Züchtung von Kristallen nach
der Czochralski-Methode. Offenbart ist die Verwendung zur Züchtung von
Saphir-Kristallen, die auch titandotiert sein können. Der Einfluss einer geeigneten
Dotierung der Schmelze auf das Verhalten des Saphir-Kristalls während des
Trennvorgangs sowie auf die zu erzielende Ebenheit der Saphir-Substrate
ist jedoch nicht offenbart. Es ist davon auszugehen, dass die Substrate
vor einer Weiterverwendung in der üblichen Weise sowohl gekippt
als auch poliert werden müssen.
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DE 693 18 976 T2 offenbart
ein Verfahren zum Abscheiden eines Dünnfilms aus ferroelektrischen
Materialien mit einer Perovskitstruktur für Anwendungen in der Mikroelektronik
und Optoelektronik.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitzustellen, womit sich kristallachsenorientierte Saphir-Substrate
von hoher Oberflächengüte, insbesondere
geringer Oberflächenrauhigkeit
und hoher Oberflächenebenheit,
noch kostengünstiger
und materialsparender herstellen lassen. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt
der vorliegenden Erfindung soll ein Saphir-Substrat und Halbleitersubstrat
von hoher Oberflächengüte zur kostengünstigen
Herstellung von mikroelektronischen bzw. optoelektronischen Halbleiter-Bauelementen
bereitgestellt werden.
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Diese
und weitere Aufgaben werden gemäß der vorliegenden
Erfindung durch ein Verfahren nach Anspruch 1, durch eine Vorrichtung
nach Anspruch 15, durch ein Saphir-Substrat nach Anspruch 21 sowie durch ein
Halbleitersubstrat nach Anspruch 31 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der rückbezogenen
Unteransprüche.
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Die
vorliegende Erfindung geht somit von einem Verfahren zum Herstellen
eines kristallachsenorientierten Saphir-Substrats gemäß der gattungsbildenden
JP 2003-320521 A aus,
bei dem ein Saphir-Kristall aus einer Schmelze in der kristallographischen
c-Achse gezüchtet
wird und das Saphir-Substrat so von dem Saphir-Kristall getrennt
wird, dass eine Normale auf eine Oberfläche des Saphir-Substrats parallel
zu einer kristallographischen c-Achse des Saphir-Substrats ist oder
unter einem definiertem Winkel relativ zu dieser orientiert ist,
wobei der Trennvorgang entlang einer kristallographischen a-Achse
bzw. einer Schwerpunktlage der kristallographischen a-Achse des
Saphir-Kristalls ausgeführt
wird.
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Erfindungsgemäß wird die
zum Züchten
des Saphir-Kristalls verwendete Schmelze mit zumindest einem Element
dotiert, das aus einer Gruppe von Elementen umfassend Titan (Ti),
Chrom (Cr) und Eisen (Fe) ausgewählt
wird, wobei die Schmelze mit zumindest 10 ppm Titan dotiert wird.
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Aufwändige Versuchsreihen
der Erfinder haben nämlich
ergeben, dass der Vorschubrichtung des Trennvorgangs zum Trennen
des Saphir-Substrats von einem entlang der kristallographischen
c-Achse gezogenen Saphir-Kristall und der Dotierung der Schmelze
zum Züchten
des Saphir-Kristalls bisher nicht in genügendem Maße Rechnung getragen worden
ist. Herkömmlich
wurde lediglich darauf geachtet, dass der Trennvorgang so ausgeführt wird,
dass nach dem Trennvorgang die Normale auf die Oberfläche eines
abgetrennten Saphir-Substrats parallel oder nahezu parallel zu der
kristallographischen c-Achse ist. Wie nachfolgend noch ausführlicher
dargelegt werden wird, haben die Versuchsreihen der Erfinder jedoch überraschenderweise
ergeben, dass die Saphir-Substrate nur dann vergleichsweise wenig
verformt waren bzw. relativ eben waren, wenn die Vorschubrichtung
des Trennvorgangs mit einer kristallographischen a-Achse des Saphir-Kristalls bzw.
Saphir-Substrats übereinstimmt
und die beanspruchte Mindestdotierung mit Titan vorliegt. Die Versuchsreihen
haben ferner ergeben, dass die Verformung und Unebenheit umso großer ist,
je stärker
die Vorschubrichtung des Trennvorgangs von der kristallographischen
a-Achse abweicht.
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Aufgrund
dieser überraschend
einfachen Maßnahmen
lassen sich erfindungsgemäß Saphir-Substrate bereitstellen,
die mit vergleichsweise einfachen Polierverfahren zu Saphir-Substraten von hoher
Oberflächengüte weiterverarbeitet
werden können.
Aufgrund des erfindungsgemäß erheblich
geringeren Aufwands zur Nachbearbeitung des von einem Saphir-Kristall bzw. Saphirboule
abgetrennten Saphir-Substrats lassen sich erfindungsgemäß Bearbeitungskosten
in erheblichem Umfange einsparen und ist auch der Materialschwund beim
Läppen
und/oder Polieren des abgetrennten Saphir-Substrats geringer.
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Ferner
lassen sich durch die überraschend
einfachen erfindungsgemäßen Maßnahmen
Saphir-Substrate
mit deutlich weniger Verspannungen herstellen, die nicht oder im
Vergleich zum Stand der Technik deutlich weniger verbogen sind.
Ferner lassen sich erfindungsgemäß deutlich
spannungsärmere
Saphir-Substrate mit radialsymmetrischem Spannungsverlauf herstellen,
was zu einer erhöhten
Formstabilität
und somit zu einer besseren Qualität von mikro- oder optoelektronischen Halbleiterbauelementen
führt,
die mittels erfindungsgemäß herge stellter
Saphir-Substrate ausgebildet werden. Die erfindungsgemäß erzielbare
Spannungsarmut führt
insbesondere nicht nur zu einer besseren Performance der mikro-
oder optoelektronischen Bauelementen, sondern ermöglicht bei
deren Herstellung auch eine höhere
Prozess-Ausbeute.
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Wenngleich
erfindungsgemäß der Trennvorgang
grundsätzlich
möglichst
exakt entlang einer kristallographischen a-Achse des Saphir-Kristalls
ausgeführt
werden sollte, so lassen sich auch bei Einhaltung vergleichsweise
großer
Toleranzen während
des Trennvorgangs noch Saphir-Substrate mit ausreichender Oberflächenqualität erzielen. Überraschenderweise
haben vergleichsweise aufwendige Untersuchungen der Erfinder ergeben,
dass Saphir-Substrate mit ausreichender Oberflächenqualität sich auch dann noch erzielen
lassen, wenn die maximale Abweichung der Vorschubrichtung des Trennvorgangs
zur kristallographischen a-Achse des Saphir-Substrats ±2°, bevorzugter ±1° und noch
bevorzugter ±0,5° beträgt. Solche
Toleranzen bei der Ausrichtung des Saphir-Kristalls bzw. der Trennvorrichtung
zum Abtrennen des Saphir-Substrats lassen sich ohne weiteres einhalten.
Die so erzielbaren Saphir-Substrate weisen zwar grundsätzlich eine
schlechtere Oberflächenqualität auf, können jedoch
mit akzeptablem Bearbeitungsaufwand zu hochqualitativen Saphir-Substraten
weiter verarbeitet werden.
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Erfindungsgemäß wird zum
Ausführen
des Trennvorgangs zumindest eine der drei gleichwertigen kristallographischen
a-Achsen des Saphir-Kristalls bestimmt und der Trennvorgang in Anpassung
an die Orientierung der jeweils bestimmten kristallographischen
Achse(n) so ausgeführt,
dass der Trennvorgang exakt entlang einer so bestimmten kristallographischen
a-Achse des Saphir-Kristalls
ausgeführt
werden kann. Selbstverständlich
kann zusätzlich
auch die kristallographische c-Achse des Saphir-Kristalls bestimmt
werden, sodass gewährleistet
ist, dass die Normale auf die Oberfläche des Saphir-Substrats nach
dem Trennvorgang exakt parallel zu der kristallographischen c-Achse
ist oder unter einem definierten Winkel relativ zu dieser ausgerichtet
bzw. orientiert ist. Selbstverständlich
kann aufgrund der Symmetriebeziehungen auch alternativ eine der
drei kristallographisch gleichwertigen b-Achsen bestimmt werden
und der Trennvorgang entlang einer dieser Achsen erfolgen. Zur Bestimmung
der Orientierung der Kristallachsen eignen sich erfindungsgemäß grundsätzlich sämtliche
aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren, insbesondere Röntgenstrahlbeugungsverfahren.
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Selbstverständlich kann
zumindest eine auf solche Weise bestimmte kristallographische Achse
des Saphir-Kristalls mittels einer Markierung, insbesondere mittels
eines Flats, markiert werden, wobei eine Vorschubrichtung des Trennvorgangs
auf der Grundlage der Markierung gewählt wird. Eine solche Markierung dient
somit erfindungsgemäß zur Festlegung
der Vorschubrichtung des Trennvorgangs zum Abtrennen des Saphir-Substrats
von dem Saphir-Kristall.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann der Saphir-Kristall
durch Czochralski-Ziehen aus der Schmelze in der kristallographischen
c-Richtung gezüchtet
werden. Als Rohstoffe können
hierzu hochreine Aluminiumoxidrohstoffe, beispielsweise in Form
von Pulvern, Kügelchen,
den sog. Microbeads, oder Bruchstücke aus Saphirkristallen der
Verneuil-Zucht, den sog. Crackels, verwendet werden. Bevorzugt liegt
der Reinheitsgrad der Rohstoffe zur Ausbildung der Schmelze bei
zumindest etwa 99,995 Gewichtsprozent und liegen etwaige Verunreinigungen
allenfalls im ppm-Bereich.
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Erfindungsgemäß beträgt die Titandotierung
der Schmelze zumindest 10 ppm. Aufwändige Versuchsreihen der Erfinder
haben gezeigt, dass die Dotierung des Rohstoffs der Schmelze bzw.
der Schmelze mit einem oder mehreren der vorstehend bezeichneten
Elemente den Einfluss von Vorgängen
mindert, die ein erwünschtes
einkristallines Wachstum des Saphir-Kristalls bei der c-Richtungszucht
beeinträchtigen,
wie beispielsweise die Bildung von Korngrenzen und Kleinwinkelkorngrenzen
in dem Saphir-Kristall, und zwar insbesondere bei Durchmessern des
Saphir-Kristalls oberhalb von etwa 2 Inch (1 Inch = 25,4 mm), beispielsweise bei
Kristalldurchmessern von etwa 3 oder 4 Inch. So haben die Versuchsreihen
der Erfinder ergeben, dass bei Kristalldurchmessern ab etwa 3 Inch
ohne Titan-Dotierung kein korngrenzenfreier Saphir-Kristall mehr
hergestellt werden kann. Dieselben Versuchsreihen der Erfinder haben,
wie nachfolgend noch dargelegt werden wird, überraschenderweise gezeigt,
dass die Dotierung des Schmelzen-Rohstoffs bzw. der Schmelze mit
einem oder mehreren der vorstehend bezeichneten Elemente auch einen
vorteilhaften Einfluss auf die mechanische Bearbeitbarkeit des Saphir-Kristalls
hat. Insbesondere haben die Versuchsreihen gezeigt, dass Saphir-Substrate,
die von dotierten und durch Temperung entspannten Saphir-Kristallen
abgetrennt wurden, eine deutlich höhere Oberflächenqualität, insbesondere hinsichtlich
der Ebenheit, aufweisen als Saphir-Substrate, die von vergleichbar behandelten,
undotierten Saphir-Kristallen abgetrennt wurden.
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Als
weiter vorteilhaft hat sich eine Titan-Dotierung von mindestens
15 ppm erwiesen. Ein korngrenzenfreies Wachstum des Saphir-Kristalls
konnte auch für
Kristalldurchmesser ab etwa 3 Inch bis Titan-Dotierungen von etwa
50 ppm festgestellt werden. Ab einer Titan-Dotierung von etwa 10 bis 15 ppm wurde
beobachtet, dass die Ebenheit (flatness) der abgetrennten Saphir-Substrate
in etwa proportional mit der Titan-Dotierung abnimmt.
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Vorzugsweise
ist dabei die Summe der Verunreinigungen der Elemente Eisen (Fe)
und Chrom (Cr) kleiner oder gleich 5 ppm.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wurde die Schmelze mit zumindest
5 ppm Chrom, bevorzugter mit zumindest 10 ppm Chrom, dotiert. Während noch
höhere
Dotierungen durchaus zu einer ggf. unerwünschten rosa Färbung der
Saphir-Substrate führten,
hatten Chrom-Dotierungen in den oben angegebenen Grenzen einen vorteilhaften
Einfluss auf die Oberflächenqualität der Saphir-Substrate.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wurde die Schmelze
bevorzugt mit zumindest 50 ppm Eisen (Fe), bevorzugter mit zumindest
100 ppm Eisen (Fe) dotiert, weil dies einen signifikant vorteilhaften
Einfluss auf die Oberflächenqualität der Saphir-Substrate
hatte. Durch geeignete Kombination der Dotierstoffe Titan (Ti),
Chrom (Cr) und Eisen (Fe) konnten signifikant bessere Kristallqualitäten vor
allem für Kristalldurchmesser
oberhalb von etwa 2 Inch erzielt werden. Die vorgenannten Elemente
werden bevorzugt in Form von Oxiden, beispielsweise in Form von
Titanoxid, Chromoxid oder Eisenoxid, zu dem Schmelzen-Rohstoff bzw.
der Schmelze zudotiert.
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Bevorzugt
wird der Saphir-Kristall vor dem Trennvorgang getempert, was zu
vorteilhaft spannungsarmen Saphir-Substraten mit bevorzugt radialsymmetrischem
Spannungsverlauf führte.
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Bevorzugt
wird der Trennvorgang mechanisch mittels eines Trenndrahts oder
einer Trennscheibe in einem Einzel- oder Mehrfachschnitt vor allem
beim Draht ausgeführt,
wenngleich auch beliebige andere Trennverfahren erfindungsgemäß eingesetzt
werden können,
wie dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird. Insbesondere
beim Trennen mittels eines Trenndrahts oder einer Trennscheibe beträgt die Schnittgeschwindigkeit
bevorzugt etwa 0,1 bis etwa 0,5 mm/min.
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Gemäß einem
ganz besonders bevorzugten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung
werden somit die Oberflächen
des abgetrennten Saphir-Substrats direkt poliert, d. h. insbesondere
ohne vorheriges Ausführen
eines Läpp-
oder Schleifprozesses. Dies führt
erfindungemäß zu einer
erheblichen Ersparnis an Bearbeitungskosten und Materialschwund.
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Bevorzugt
ist die Ebenheit eines erfindungsgemäß hergestellten Saphir-Substrats
mit einem Durchmesser von etwa zwei Inch besser als etwa 8 μm.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zum Herstellen eines kristallachsenorientierten Saphir-Substrats
bereitgestellt, mit einer Kristall-Züchtvorrichtung
zum Bereitstellen eines Saphir-Kristalls durch Züchten entlandg der kristallographischen
c-Achse, einer Halterung zum Halten eines Saphir-Kristalls und einer
Trennvorrichtung zum Trennen eines Saphir-Substrats von dem Saphir-Kristall,
wobei die Trennvorrichtung so ausgelegt ist, dass eine Normale auf
eine Oberfläche
des Saphir-Substrats parallel zu einer kristallographischen c-Achse
des Saphir-Substrats ist oder unter einem definierten Winkel relativ
zu dieser orientiert bzw. ausgerichtet ist und der Trennvorgang
entlang einer kristallographischen a-Achse des Saphir-Kristalls
ausgeführt
wird. Mit anderen Worten, bei der Vorrichtung werden der Saphir-Kristall
und die Trennvorrichtung so relativ zueinander ausgerichtet, beispielsweise
durch Drehen des Saphir-Kristalls um dessen kristallographische
c-Achse, dass die Vorschubrichtung des Trennvorgangs im Wesentlichen
exakt mit der kristallographischen a-Achse übereinstimmt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung dotiert die Kristall-Züchtvorrichtung
die Schmelze mit zumindest einem Element aus einer Gruppe von Elementen,
die Titan (Ti), Chrom (Cr) und Eisen (Fe) umfasst, wobei die Mindestdotierung
des Titans erfindungsgemäß 10 ppm
beträgt.
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Zum
geeigneten Ausführen
des Trennvorgangs kann die Vorrichtung eine Kristallachsen-Bestimmungseinrichtung
umfassen, beispielsweise ein Röntgendiffraktometer,
um zumindest eine kristallographische a-Achse und/oder kristallographische
b-Achse des Saphir-Kristalls zu bestimmen, wobei die Trennvorrichtung ausgelegt
ist, um den Trennvorgang in Anpassung an die Orientierung der jeweils
bestimmten kristallographischen Achse(n) auszuführen.
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Damit
c-achsengezogene Saphir-Kristalle auch zu einem beliebigen anderen
Zeitpunkt geschnitten werden können,
ohne dass eine nochmalige Bestimmung der kristallographischen a- oder b-Achse des
Saphir-Kristalls erforderlich ist, kann die Vorrichtung ferner eine
Kristallachsen-Markierungseinrichtung umfassen, um zumindest eine
kristallographische Achse des Saphir-Kristalls, die bestimmt wurde,
mittels einer Markierung, insbesondere mittels eines Flats, zu markieren,
wobei die Trennvorrichtung so ausgelegt ist, dass eine Vorschubrichtung
des Trennvorgangs auf der Grundlage der Markierung gewählt wird.
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Bevorzugt
wird der Saphir-Kristall dabei durch Czochralski-Ziehen aus einer
Schmelze gezüchtet, ganz
besonders bevorzugt dergestalt, dass die kristallographische c-Achse
exakt entlang der Längsachse
des Saphirboules verläuft.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ferner ein
Saphir-Substrat
bereitgestellt, insbesondere zur Verwendung in der metallorganischen
Gasphasenepitaxie (MOCVD) zur Herstellung von mikro- oder optoelektronischen
Halbleiterbauelementen, wobei eine Normale auf eine Oberfläche des Saphir-Substrats
parallel bzw. nahezu parallel zu einer kristallographischen c-Achse
des Saphir-Substrats ist oder unter einem definierten Winkel relativ
zu dieser ausgerichtet ist. Das Saphir-Substrat ist entlang einer
kristallographischen a-Achse des Saphir-Substrats von dem Saphir-Kristall
in der vorstehend beschriebenen Weise abgetrennt ist, wobei der
Saphir-Kristall in der vorstehend beschriebenen Weise gezüchtet ist.
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Dabei
beträgt
eine maximale Abweichung einer Vorschubrichtung eines Trennvorgangs
zum Trennen des Saphir-Substrats von dem Saphir-Kristall zur kristallographischen
a-Achse des Saphir-Substrats bevorzugt etwa ±2°, bevorzugter etwa ±1° und noch
bevorzugter etwa ±0,5°. Für ein solches
Saphir-Substrat lässt sich
durch direkte Politur der geschnittenen Oberflächen ohne kostenintensive Läpp- oder
Schleifprozesse eine Ebenheit von besser als etwa 8 μm erzielen.
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Überraschenderweise
konnten die guten Eigenschaftswerte der Blanks und Wafer auch bei
Sägeprozessen
erreicht werden, bei denen das Werkstück Saphirboule zur Verbesserung
der Wirtschaftlichkeit des Prozesses mit Auslenkungen von ±10°, bevorzugt ±5° zur a-Achse
um die c-Achse relativ zum Schneidwerkzeug bewegt wurde. Die Taktfrequenz
liegt dabei im Bereich 10 s–1 bis etwa 20 s–1.
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Die
Oberflächengüte der geschnittenen
Saphir-Substrate lässt
sich dabei erfindungsgemäß durch
geeignete Wahl der Dotierungen der Elemente Titan (Ti), Chrom (Cr)
und Eisen (Fe) vorteilhaft beeinflussen, wie vorstehend ausgeführt.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ferner ein
Halbleitersubstrat zur Herstellung von Halbleiterbauelementen bereitgestellt,
dass eine Schicht aus einem Halbleitermaterial umfasst, die durch
metallorganische Gasphasenepitaxie (MOCVD) auf ein erfindungsgemäßes Substrat
abgeschieden ist. Bei dem Halbleitermaterial kann es sich beispielsweise
um GaN handeln. Bei dem Halbleitermaterial kann es sich beispielsweise
auch um GaAs handeln, wobei als Gaskomponenten in dem Reaktor dann insbesondere
Arsin (AsH3) und Trimethylgallium (Ga(CH3)3) mit H2 als Trägergas
verwendet werden können.
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Eine
vorteilhaft geringe Gitterfehlanpassung lässt sich dabei dadurch erzielen,
dass das Halbleitersubstrat zusätzlich
eine Nukleationsschicht umfasst, insbesondere z. B. aus Aluminiumnitrid
(AlN), die zwischen dem Substrat und der Halbleitermaterial-Schicht
aufgebracht ist.
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FIGURENÜBERSICHT
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Nachfolgend
wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile und zu
lösende
Aufgaben ergeben werden und worin:
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1 in
einer schematischen Seitenansicht ein Verfahren und eine Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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2 in
einer schematischen Draufsicht die Topographie eines erfindungsgemäß geschnittenen
Saphir-Substrats darstellt; und
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3 in
einer schematischen Schnittansicht ein Halbleitersubstrat gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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In
den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder
im Wesentlichen gleichwirkende Elemente oder Elementgruppen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Nachfolgend
wird anhand der 1 ein Verfahren und eine Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben werden. Gemäß der 1 ist der
Saphir-Kristall (Al2O3) 1 entlang
der kristallographischen c-Achse gezogen, bevorzugt durch Czochralski-Ziehen
aus einer geeignet dotierten Schmelze, wie nachfolgend beschrieben.
In der 1 ist die kristallographische c-Achse durch einen
Pfeil schematisch angedeutet. Nahe einem axialen Ende des Saphir-Kristalls 1 ist
eine Trennvorrichtung 4, beispielsweise ein Trenndraht
im Einfachschnitt oder eine Trennscheibe, vorgesehen. Durch geeignete
Relativverschiebung von Kristall 1 und Trennvorrichtung 4 entlang
der Längsachse 3 des
Kris talls 1 kann so die Stärke des abzutrennenden Saphir-Substrats 2 geeignet
vorgegeben werden.
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In
der Vorrichtung oder in einer separaten Vorrichtung (nicht gezeigt)
können
ferner die kristallographischen Achsen des Saphir-Kristalls 1 bestimmt
werden, beispielsweise durch Röntgenbeugung.
Bekanntermaßen
weist ein Saphir-Kristall eine dreizählige Punktsymmetrie um die
c-Achse auf, sodass die kristallographischen a- und b-Achsen des
Saphir-Kristalls unter einem Winkelabstand von 30° angeordnet
sind und der Winkelabstand zwischen den a-Achsen bzw. den b-Achsen
jeweils 60° beträgt. Wie
in der 1 durch das Bezugszeichen 6 angedeutet,
kann die Orientierung der kristallographischen a-Achse durch eine
Markierung, beispielsweise durch ein Flat, in der bekannten Weise
markiert werden, sodass der Kristall 1 auch ohne erneute Bestimmung
der Kristallachsenorientierungen geeignet zugeschnitten werden kann.
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Während eines
Trennvorgangs frisst sich der rotierende Trenndraht bzw. die Trennscheibe
entlang einer durch die relative Orientierung von Trennvorrichtung 4 und
Saphir-Kristall 1 vorgegebenen Richtung (Vorschubrichtung)
immer mehr in das Material des Saphir-Kristalls hinein. Dabei muss
die Ausrichtung von Saphirkristall und Trennwerkzeug nicht fix vorgegeben
sein. Bevorzugt kann sich der Saphirkristall auch um die c-Achse
in einer gleichförmigen
Schaukelbewegung um die a-Achse bei eingeschränkter Auslenkung drehen, beispielsweise
mit einer Auslenkung von ±10°, bevorzugt
von etwa ±5° zur Achse
um die c-Achse relativ
zum Schneidwerkzeug. Die Taktfrequenz kann dabei im Bereich von
etwa 10 s–1 bis
etwa 20 s–1 liegen.
Erfindungsgemäß werden
nun, wie durch den Drehpfeil 5 angedeutet, die Trennvorrichtung 4 und
der Saphir-Kristall 1 so relativ zueinander ausgerichtet,
dass die Vorschubrichtung im Schwerpunkt der Schaukelbewegung exakt
parallel zu einer der drei äquivalenten
kristallographischen a-Achsen des Saphir-Kristalls 1 verläuft.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
1
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Saphir-Substrate
wurden jeweils mit wechselnder Schnittrichtung, relativ zu der kristallographischen a-Achse,
mit einer Kristallsäge
(sog. Multiwire Saw = Drahtsäge
mit Mehrfachschnitt) aus einem Saphir-Kristall gesägt, der
mit einer Auslenkung von ±5° um die a-Achse
schaukelnd bewegt wurde. Die Vorschubgeschwindigkeiten des Diamantdrahts
waren jeweils identisch. Ebenheitswerte TIR in Mikrometer wurden
für die
Saphir-Substrate mit einem Messgerät der Fa. Fries Research & Technology, Bergisch
Gladbach, Germany gemessen. Die TIR-Werte sind in der nachfolgenden
Tabelle 1 zusammengefasst.
| Probe | Abweichung
der Schnittrichtung gegenüber
kristallographischer a-Achse | TIR
[μm] |
| Blank
1 | 30° | 102.6 |
| Blank
2 | 30° | 73.9 |
| Blank
3 | 25° | 43.1 |
| Blank
4 | 15º | 60.0 |
| Blank
5 | 10º | 41.2 |
| Blank
6 | 10° | 44.4 |
| Blank
7 | 0° | 12.9 |
| Blank
8 | 0° | 23.1 |
Tabelle
1: Abhängigkeit
der TIR-Werte von der Schnittrichtung.
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Es
zeigt sich, dass Saphirboules, die exakt in Richtung einer kristallographischen
a-Achse geschnitten werden,
sehr geringe Verformungen aufweisen. Schnitte in Richtungen, die
stark von der a-Achsenrichtung abweichen, zeigen hingegen deutliche
Verbiegungen bzw. Unebenheiten. Die Beispiele gemäß der Tabelle
1 zeigen, dass je geringer die Abweichung der Schneidrichtung von
der kristallographischen a-Achserrichtung ist, der TIR Wert als
Maß der
Probenunebenheit um das bis zu 5-fache abnimmt.
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Der
Tabelle 1 kann ferner entnommen werden, dass bereits geringe Abweichungen
der Schnittrichtung bzw. der Vorschubrichtung des Trennvorgangs
zu einer signifikanten Verschlechterung der Ebenheit der Saphir-Substrate
führen.
Bevorzugt sollte deshalb diese Abweichung maximal etwa ±2°, bevorzugter
maximal etwa ±1° und noch
bevorzugter maximal ±0,5° betragen.
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Die 2 zeigt
beispielhaft ein Topographiebild eines Saphir-Substrats gemäß der vorliegenden
Erfindung. Erkennbar sind die drei kristallographischen a-Achsen,
um die herum sich die Höhenlinien
in der Topographie des Saphir-Substrats regelmäßig anordnen.
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Damit
wird bei der folgenden Weiterverarbeitung dieser Oberflächen durch
Läppen
und/oder Schleifen und Polieren ein gleichmäßigerer Krafteintrag in das
einkristalline und nicht durch Fehler wie Kleinwinkelkorngrenzen
beaufschlagte Werkstück
erreicht und damit eine große
Endebenheit garantiert.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
2
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In
diesem Ausführungsbeispiel
soll der Einfluss der Dotierung des Schmelzen-Rohstoffs bzw. der
zum Züchten
des Saphir-Kristalls verwendeten Schmelze erläutert werden. Als Rohstoffe
werden möglichst
hochreine Aluminiumoxidrohstoffe in Form von Pulvern, Kügelchen,
den sogenannten Microbeads, oder Bruckstücke aus Saphirkristallen der
Verneuil-Zucht, sogenannte Crackels, verwendet. Der Reinheitsgrad
der Rohstoffe liegt bei mindestens 99,995 Gewichts-%, sodass der
Verunreinigungsgrad im ppm Bereich liegt. Diese Reinheit wird für das ungestörte einkristalline
Wachstum von Saphir in c-Achsenrichtung
benötigt.
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Beispiele
für den
Verunreinigungsgrad sind beispielhaft:
Fe < 3 ppm
Ti < 1 ppm
Cr < 1 ppm
Na < 10 ppm
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Bei
Dotierungen des Rohstoffs durch Ti in den Grenzen von zwischen etwa
1 ppm und etwa 50 ppm wurde völlig
unerwartet bis zu den Grenzen von 25 ppm bei 2 Inch Kristalldurchmesser
und vor allem für
Kristalldurchmesser von 3 Inch und 4 Inch ein Rückgang der Beeinträchtigung
des einkristallinen Wachstums durch die Bildung von Korngrenzen
und Kleinwinkelkorngrenzen beobachtet. Ohne Titanoxid-Dotierung
konnte überhaupt
kein korngrenzenfreies Material ab einem Kristalldurchmesser von
etwa 3 Inch erzielt werden.
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Überraschenderweise
zeigte das Saphir-Material auch beim mechanischen Bearbeiten, insbesondere beim
mechanischen Trennen von durch Temperung entspannten Saphirzylindern,
ein anderes Verhalten als ein undotiertes Saphir-Material, insbesondere
was die Ebenheit der geschnittenen dünnen Saphirscheiben, der sog.
Blanks, anbelangt.
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Zum
Schneiden der Saphir-Substrate aus dem Saphir-Kristall wurde eine
Multiwire Diamantdrahtsäge RTD
420 des Herstellers Diamond Wire Technology (USA) verwendet, deren
wichtigste Prozessparameter für den
vergleichenden Test wie folgt konstant gehalten wurden:
- – Rohkristalldurchmesser
2 Inch
- – Rohkristalllänge 60 mm
- – Schnittrichtung:
entlang a-Achse
- – Schnittbreite:
220 μm
- – Drahtgeschwindigkeit:
7 m/sec
- – Drahtlänge 3 km;
(der Schneidedraht wurde nach jedem Schnitt ersetzt)
- – Drahtvorschub
automatisch der Schnittlänge
beim runden Zylinder angepasst; Mittelwert etwa 0,3 und 0,1 mm/min
-
Folgende
TIR-Werte für
die Ebenheit der Saphir-Substrate wurden mit dem Messgerät der Fa.
Fries Research & Technology,
Bergisch Gladbach, Germany, bestimmt, wobei zwei verschiedene Vorschubgeschwindigkeiten
des Diamantdrahtes in den Saphirzylinder zur Anwendung kamen.
| Dotierung
Titan (ppm) (Gehalt Fe + Cr = < 5
ppm) | Drahtvorschub
0,3 mm/min TIR (μm) | Drahtvorschub
0,1 mm/min TIR (μm) |
| < 1 | 47 | 31 |
| 5 | 39 | 23 |
| 10 | 13 | 9 |
| 15 | 8 | 6 |
| 20 | 7 | 6 |
| 25 | 9 | 7 |
Tabelle
2
-
Wie
der Tabelle 2 entnommen werden kann, ist die Ebenheit der Blanks
bis zur Dotierungsgrenze von 15 ppm Titan, zudotiert als Titandioxid,
proportional zur Konzentration der Dotierung und zeigt oberhalb
der Grenze von etwa 15 ppm im Wesentlichen keine Abhängigkeit
mehr. Wird die mittlere Vorschubgeschwindigkeit des Diamantdrahtes
in den Saphirzylinder um den Faktor 3 erniedrigt und somit die Prozesszeit
in etwa um den Faktor 3 erhöht,
so ist auch eine Abhängigkeit
der Ebenheit der geschnittenen Saphir-Substrate von der Dotierung erkennbar.
Die besten erzielbaren Werte bei Dotierungen um 15 ppm sind jedoch
nahezu unabhängig
von der Vorschubgeschwindigkeit des Diamantdrahts.
-
In
Tabelle 1 sind zum Vergleich nur Materialien verwendet worden, die
Titankonzentrationen < 1
ppm aufzeigen. Die Vorschubgeschwindigkeit des Sägedrahtes betrug 0,1 mm/min.
-
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
3
-
Wird
statt Titanoxid Chromoxid in den Grenzen 2–15 ppm zudotiert, so zeigt
sich auch hier überraschenderweise
vor allem bei der Zucht Kristallen mit Durchmessern von 55–110 mm
eine rückläufige Tendenz zur
Bildung von Korngrenzen und Kleinwinkelkorngrenzen mit der Dotierkonzentration.
Wie der Tabelle 3 ferner entnommen werden kann, zeigt sich überraschenderweise
auch eine ähnliche
Abhängigkeit
der Flatness bzw. Ebenheit der geschnittenen Wafer von der Chromdotierung
wie bei der Abhängigkeit
von der Titandotierung gemäß der Tabelle
2.
-
Eine
Dotierung mit Chromoxid führt
allerdings häufig
schon bei Dotierkonzentrationen von etwa 1 bis 3 ppm zu einer erkennbaren
schwachen Rotfärbung,
sodass Dotierungen über
15 ppm damit für
praktische Anwendungen der Substrate in der Epitaxie zumeist nicht
in Betracht kommen dürften.
| Dotierung
Chrom (ppm) (Gehalt Fe + Ti = < 4
ppm) | Drahtvorschub
0,3 mm/min TIR (μm) | Drahtvorschub
0,1 mm/min TIR (μm) |
| < 1 | 61 | 49 |
| 2 | 49 | 41 |
| 5 | 28 | 22 |
| 10 | 19 | 21 |
| 12 | 18 | 20 |
| 15 | 18 | 21 |
Tabelle
3
-
Bei
einer Chrom-Dotierung von größer als
etwa 5 ppm werden die Kristalle schon etwas rosa gefärbt, sodass
beim Optimum für
die erreichbare Flatness der mit 10 ppm dotierte Saphir-Kristall
eine deutliche Färbung
annimmt.
-
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
4
-
Auch
durch die Kombination der Dotierstoffe Titan, Chrom und Eisen konnten überraschenderweise auffallend
bessere Kristallqualitäten
vor allem für
Kristalldurchmesser von mehr als etwa 2 Inch erreicht werden. Die
Flatnesswerte von Saphirblanks mit einem Durchmesser von 2 Inch
zeigen auch hier die Tendenz wie bei einer Dotierung mit jeweils
einer Spezies aus Chromoxid, Titanoxid oder Eisenoxid. Insbesondere
kann der nachfolgenden Tabelle 4 entnommen werden, dass die Ebenheit
der Saphir-Substrate wiederum bei einer Titan-Dotierung von mehr
als etwa 10 bis 15 ppm minimal wird.
| Dotierung
(ppm) (Gehalt Fe + Ti + Cr) | Drahtvorschub
0,3 mm/min TIR (μm) | Drahtvorschub
0,1 mm/min TIR (μm) |
| < 5 | 59 | 45 |
| 5
Ti + 3 Cr | 38 | 33 |
| 10
Ti + 3 Cr | 15 | 10 |
| 15
Ti + 3 Cr | 7 | 6 |
| 50
Fe | 22 | 7 |
| 50
Fe + 10 Ti | 15 | 13 |
| 50
Fe + 10 Ti + 3 Cr | 10 | 8 |
| 100
Fe + 10 Ti + 3 Cr | 8 | 8 |
Tabelle
4
-
Für gewisse
Anwendungen der Saphir-Substrate zur Herstellung mikroelektronischer
oder optoelektronische Halbleiterbauelemente besteht die Anforderung
an die Ebenheit der Saphir-Substrate von besser als etwa 8 μm. Für solche
Anwendungen kann im Hinblick auf die Prozesskosten die direkte Politur
der geschnittenen Oberflächen
der Saphir-Substrate ohne einen kostenintensiven Läpp- oder
Schleifprozess notwendig werden.
-
Wie
der vorstehenden Beschreibung ohne weiteres entnommen werden kann,
können
diese Anforderungen ohne weiteres durch eine Kombination der beiden
vorgenannten Lösungsansätze erfüllt werden,
nämlich
a) durch die Festlegung der Schnittrichtung im Wesentlichen entlang
einer kristallographischen a-Achse des Saphir-Kristalls und b) durch
geeignetes Dotieren des Saphir-Kristallmaterials während der
Schmelze mit Ti und/oder Cr und/oder Fe.
-
Nachfolgend
soll anhand der 3 ein beispielhaftes Halbleitersubstrat
beschrieben werden, das zur Herstellung von mikroelektronischen
und/oder optoelektronischen Halbleiterbauelementen durch metallorganische
Gasphasenepitaxie sowie für
andere geeignete Anwendungen verwendet werden kann. Gemäß der 3 umfasst
das insgesamt mit 10 bezeichnete Halbleitersubstrat ein
Saphir-Substrat 11, das, wie vorstehend beschrieben so
aus einem Saphir-Kristall geschnitten ist, dass eine Normale auf
die Oberfläche
des Saphir-Substrats 11 parallel
zu der kristallographischen c-Achse des Saphir-Substrats 11 ist.
Das Halbleitersubstrat 10 umfasst ferner eine Schicht 13 aus
einem Halbleitermaterial, das mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie
abgeschieden ist. Bei dem Halbleitermaterial kann es sich beispielsweise
um GaAs oder GaN oder um Heterostruktur-Schichtsysteme aus Ga, As
und geeigneten Dotieratomen in geeigneter stöchiometrischer Zusammensetzung
handeln.
-
Zur
Verbesserung der Gitterfehlanpassung kann in der dem Fachmann bekannten
Weise zwischen dem Saphir-Substrat 11 und der Schicht 13 aus
dem Halbleitermaterial eine Nukleationsschicht 12 vorgesehen sein,
beispielsweise aus AlN.
-
Wie
dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich werden
wird, können
zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich,
wie dieser durch die beigefügten
Patentansprüche
festgelegt wird, oder den allgemeinen Lösungsgedanken der vorliegenden
Erfindung, wie dieser vorstehend beschrieben wurde, zu verlassen.
Es sei deshalb ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass sämtliche solcher
Modifikationen von dem Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche mit
umfasst sein sollen, sofern im Wesentlichen gleichwirkende Lösungsmittel
verwendet werden.
-
Die
vorliegende Anmeldung steht in einem unmittelbaren Zusammenhang
mit den folgenden anhängigen
Patentanmeldungen der Anmelderin, deren Inhalte hiermit ausdrücklich im
Wege der Bezugnahme zu Offenbarungszwecken mit in der vorliegenden
Anmeldung mit aufgenommen sein:
DE
10 2004 010 379.8 (Anmeldetag: 3. März 2004),
US 10/646,207 (Anmeldetag: 22. August
2003),
DE 10 2004 010 377.3-43 (Anmeldetag:
3. März
2004) und
DE 103 06 801.5-43 (Anmeldetag:
18. Februar 2003).
-
- 1
- Saphir-Kristall
- 2
- Abzutrennendes
Saphir-Substrat
- 3
- Längsachse
des Saphir-Kristalls
- 4
- Trennvorrichtung
- 5
- Rotation
des Saphir-Kristalls um die Längsachse 3
- 6
- Markierung
- 10
- Halbleitersubstrat
- 11
- Saphir-Substrat
- 12
- Nukleationsschicht
- 13
- Halbleitermaterial-Schicht