DE102005042587A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines auf Galliumnitrid basierenden Einzelkristallsubstrats - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines auf Galliumnitrid basierenden Einzelkristallsubstrats Download PDF

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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats beschrieben. Das Verfahren umfasst das Platzieren eines vorläufigen Substrats auf einer Aufnahme, die in einer Reaktionskammer angeordnet ist; Wachsenlassen einer Nitrideinzelkristallschicht auf dem vorläufigen Substrat und Bestrahlen mit einem Laserstrahl, um die Nitrideinzelkristallschicht von dem vorläufigen Substrat zu trennen, während das vorläufige Substrat in der Reaktionskammer platziert ist.

Description

  • Prioritätsanmeldung
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf und beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 2005–000265, eingereicht am 03.01.2005, auf deren Inhalt hier vollständig Bezug genommen wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines auf Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats, bei dem eine Verschlechterung der Ausbeute, die durch Risse verursacht wird, die durch ein Laserabhebeverfahren erzeugt werden, verringert ist.
  • In jüngster Zeit ist ein Halbleiterelement, das Licht bei einem niedrigen Wellenlängenband emittiert, in einem Beleuchtungsfeld einer neuen Generation entwickelt worden, ebenso wie ein Feld einer optischen Disk, die für die Aufnahme und Wiedergabe von Daten eine hohe Dichte und eine hohe Auflösung erfordert. Ein Einzelkristallsubstrat, das auf Nitrid basiert und aus GaN hergestellt ist, wird weithin zur Herstellung des Halbleiterelements benutzt, das Licht bei dieser niedrigen Wellenlänge emittiert. Ein Einzelkristall aus Galliumnitrid (GaN) hat beispielsweise eine Energiebandlücke bei 3,39 eV, es ist daher geeignet, um blaues Licht zu emittieren, das eine geringe Wellenlänge aufweist.
  • Im Allgemeinen wird ein Einzelkristall aus Galliumnitrid durch Aufdampfen (vapor growth) hergestellt, beispielsweise durch metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) oder hydrid vapor phase epitaxy (HVPE), oder durch molecular beam epitaxy (MBE). Dabei wird ein Saphirsubstrat (α-Al2O3) oder ein SiC-Substrat benutzt als Substrat, das aus einem anderen Material als GaN hergestellt ist. Da der Unterschied der Gitterkonstanten von Saphir und Galliumnitrid beispielsweise näherungsweise 13% beträgt und der Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Saphir und Galliumnitrid 43% beträgt, wird eine Spannung an einer Zwischenfläche zwischen dem Saphirsubstrat und dem Einzelkristall aus Galliumnitrid erzeugt, dadurch entstehen Gitterdefekte und Risse in dem Kristall. Diese Defekte und Risse führen zu Schwierigkeiten beim Wachsen eines Nitridkristalls mit hoher Qualität, somit verschlechtern sie die Zuverlässigkeit eines Halbleiterelements, das aus dem Einzelkristall aus Galliumnitrid hergestellt ist und sie verringern die Lebensdauer des Halbleiterelements.
  • Um das oben erwähnte Problem zu lösen, ist eine Technologie, bei der man ein Nitrid basierendes Halbleiterelement direkt auf einem Einzelkristallsubstrat, das auf Nitrid basiert, wachsen lässt, vorgeschlagen worden. Dafür ist ein freistehendes Nitrid basierendes Einzelkristallsubstrat erforderlich.
  • Ein solches freistehendes Nitrid basierendes Einzelkristallsubstrat wird erhalten durch wachsenlassen einer Einzelkristallmasse aus Nitrid auf einem vorläufigen Substrat, wie ein Saphirsubstrat, und Entfernen des vorläufigen Substrats von der Einzelkristallmasse aus Nitrid. Dabei wird ein Laserabhebeverfahren benutzt, um das Saphirsubstrat von der Einzelkristallmasse aus Nitrid zu entfernen.
  • Bei dem Laserabhebeverfahren wird mit einem Laserstrahl bestrahlt, so dass das Saphirsubstrat von einer auf GaN basierenden Einzelkristallmasse entfernt wird durch Zerlegen der auf GaN basierenden Einzelkristallmasse in Gallium (Ga) und Nitrid (1/2N2) auf einer Zwischenfläche zwischen dem Saphirsubstrat und der auf GaN basierenden Einzelkristallmasse.
  • Wenn ein Kristall mit einer kleinen Dicke auf einem Wafer, der einen kleinen Durchmesser von weniger als 2 Zoll aufweist, wächst, wird das herkömmliche Laserabhebeverfahren eingesetzt ohne eine chemische Verformung oder Risse zu verursachen. Da jedoch das vorläufige Substrat aus einem anderen Material als der Einzelkristall aus Nitrid hergestellt ist, sind das vorläufige Substrat und der Kristall verformt und Risse (C) werden von der Zwischenfläche her erzeugt wegen der Differenz der Gitterkonstanten zwischen dem vorläufigen Substrat und der GaN basierenden Einzelkristallmasse, und wegen des Unterschieds der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem vorläufigen Substrat und der GaN basierenden Einzelkristallmasse, wenn der Wafer einen Durchmesser von mehr als 2 Zoll aufweist oder der Kristall, der eine festgelegte Dicke oder mehr aufweist, auf dem Wafer wächst, wie in 1 gezeigt ist.
  • Insbesondere erzeugt thermische Spannung, die durch den Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten erzeugt wird, eine übermäßige Spannungskonzentration in dem Nitridkristall, der bei einer hohen Temperatur von 900–1200 °C wächst, bei Abkühlung auf normale Temperatur zur Durchführung des Laserabhebeverfahrens.
  • Dementsprechend löst ein Verfahren zur Herstellung eines Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats von hoher Qualität, das die Erzeugung von Spannungen zwischen einer Nitrid-Einzelkristallmasse und einem Wachstumssubstrat, wie ein Saphirsubstrat, verhindert, und eliminiert insbesondere das Spannungsproblem, das durch den Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Nitrid-Einzelkristallmasse und dem Wachstumssubstrat verursacht wird, und es besteht Bedarf an einer Vorrichtung, die davon Gebrauch macht.
  • Zusammenfassung der Erfindung
    •
  • Dementsprechend wurde die vorliegende Erfindung im Hinblick auf die oben erwähnten Probleme gemacht, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats zu schaffen, bei dem ein Laserabhebeverfahren kontinuierlich in einer Kammer durchgeführt wird, die bei derselben Temperatur gehalten wird, wenn oder nachdem ein Nitrid-Einzelkristall auf einem vorläufigen Substrat wächst, wie ein Saphirsubstrat oder ein SiC-Substrat, wodurch die Entstehung von Spannungen durch einen Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Nitrid-Einzelkristall und dem vorläufigen Substrat vermieden wird.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Herstellung eines Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats zu schaffen, die entsprechend mit dem oben beschriebenen Verfahren benutzt werden kann.
  • Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung können die obigen und weitere Ziele erreicht werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats, umfassend die folgenden Schritte: Platzieren eines vorläufigen Substrats auf einer Aufnahme, angeordnet in einer Reaktionskammer; Wachsenlassen einer Nitrideinzelkristallschicht auf dem vorläufigen Substrat; und Bestrahlen mit einem Laserstrahl um die Nitrideinzelkristallschicht von dem vorläufigen Substrat zu trennen, während das vorläufige Substrat in der Reaktionskammer platziert ist.
  • Vorzugsweise wird die Bestrahlung mit dem Laserstrahl in-situ durchgeführt, somit wird sie bei einer Temperatur in dem Bereich von 800–1200°C durchgeführt, bei der die Nitrideinzelkristallschicht wächst. Vorzugsweise kann die Bestrahlung mit dem Laserstrahl im Wesentlichen bei derselben Temperatur durchgeführt werden wie die Temperatur, bei der die Nitrideinzelkristallschicht wächst. Dabei ist es möglich, die Entstehung von Spannungen wegen des Unterschieds der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Nitrideinzelkristallschicht und dem vorläufigen Substrat zu minimieren, somit werden Risse oder Krümmungen des Substrats und der Nitrideinzelkristallschicht, die durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl verursacht werden, vermieden.
  • Die Nitrideinzelkristallschicht kann eine Einzelkristallschicht sein, die der folgenden Zusammensetzung entspricht: AlxInyGa1-x-yN, dabei ist 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, und 0 ≤ x + y ≤ 1. Das vorläufige Substrat kann aus der folgenden Gruppe ausgewählt werden: Saphir, SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2 und LiGaO2.
  • Wenn das vorläufige Substrat ein Siliziumsubstrat ist, kann das Verfahren vorzugsweise, um den Unterschied der Gitterkonstanten zwischen dem vorläufigen Substrat und der Nitrideinzelkristallschicht zu verringern, vorzugsweise das Wachsenlassen einer Niedertemperaturpufferschicht umfassen, die der folgenden Zusammensetzung entrspricht: AlXInyGa1-x-y'N, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, und 0 ≤ x + y ≤ 1, auf dem vorläufigen Substrat, vor dem Wachsen der Nitrideinzelkristallschicht.
  • Vorzugsweise kann ein transparentes Fenster an einer oberen Fläche der Reaktionskammer gebildet sein, um das vorläufige Substrat, das auf der Aufnahme platziert worden ist, mit dem Laserstrahl zu bestrahlen.
  • In diesem Fall, wenn das vorläufige Substrat aus einem Material wie Saphir hergestellt ist, das eine Energiebandlücke besitzt, die breiter ist als die der Nitrideinzelkristallschicht, umfasst die Bestrahlung durch den Laserstrahl: Bewegen des vorläufigen Substrats, so dass der Laserstrahl auf eine untere Fläche des vorläufigen Substrats fällt, auf der die Nitrideinzelkristallschicht gebildet ist; und Bestrahlen der unteren Fläche des vorläufigen Substrats mit dem Laserstrahl.
  • Wenn das vorläufige Substrat aus einem Material wie Silizium hergestellt ist, das eine Energiebandlücke besitzt, die schmaler ist als die der Nitrideinzelkristallschicht, umfasst die Laserbestrahlung die Bestrahlung der Nitrideinzelkristallschicht, die auf einer oberen Fläche des vorläufigen Substrats gebildet ist, mit dem Laserstrahl.
  • Vorzugsweise kann das Wachsen der Nitrideinzelkristallschicht umfassen: erstes Wachsen des Nitrideinzelkristallfilms mit einer festgelegten Dicke; und zweites Wachsen des Nitrideinzelkristalls auf dem zuerst gewachsenen Nitrideinzelkristallfilm; und die Bestrahlung mit dem Laserstrahl kann zwischen dem ersten Wachsen und dem zweiten Wachsen durchgeführt werden.
  • Alternativ kann das Verfahren vorzugsweise zusätzlich das Bestrahlen mit dem Laserstrahl zwischen dem ersten Wachsen und dem zweiten Wachsen umfassen, um die Nitrideinzelkristallschicht partiell von dem vorläufigen Substrat zu trennen, und die Bestrahlung mit dem Laserstrahl, um die Nitrideinzelkristallschicht vollständig von dem vorläufigen Substrat zu trennen, kann nach dem zweiten Wachsen durchgeführt werden.
  • Die Bestrahlung mit dem Laserstrahl, die durchgeführt wird zwischen dem ersten Wachsen und dem zweiten Wachsen, verringert die Entstehung von Spannungen, verursacht durch einen Unterschied der Gitterkonstanten zwischen dem vorläufigen Substrat und der Nitrideinzelkristallschicht. Das heißt, um die Entstehung von Spannungen zu verringern, die wegen der Zunahme der Dicke der gewachsenen Nitrideinzelkristallschicht erhöht sind, wird mit dem Laserstrahl bestrahlt, um die Nitrideinzelkristallschicht teilweise oder vollständig von dem vorläufigen Substrat zu trennen, nachdem der Nitrideinzelkristallfilm mit einer festgelegten Dicke zuerst gewachsen ist, wobei Spannungen, die während des zweiten Wachsens des Nitrideinzelkristalls erzeugt werden, minimiert werden.
  • In dem Fall, wenn die Bestrahlung mit dem Laserstrahl zum teilweisen oder vollständigen Trennen der Nitrideinzelkristallschicht von dem vorläufigen Substrat eingesetzt wird zwischen dem ersten Wachsen des Nitrideinzelkristallfilms und dem zweiten Wachsen des Nitrideinzelkristalls, wenn das vorläufige Substrat ein Siliziumsubstrat ist, kann die Dicke des zuerst gewachsenen Nitrideinzelkristallfilms vorzugsweise 0,1–1 μm betragen.
  • Andererseits, wenn das vorläufige Substrat ein Saphirsubstrat ist, beträgt die Dicke des zuerst gewachsenen Nitrideinzelkristallfilms vorzugsweise 5–100 μm.
  • Bei der Bestrahlung mit dem Laserstrahl zum teilweisen Trennen der Nitrideinzelkristallschicht von dem vorläufigen Substrat kann mit dem Laserstrahl derart bestrahlt werden, dass die mit dem Laserstrahl bestrahlten Bereiche voneinander durch einen festgelegten Abstand getrennt sind.
  • Das Wachsen der Nitrideinzelkristallschicht kann durch hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), oder molecular beam epitaxy (MBE) durchgeführt werden.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Herstellung einer Nitrideinzelkristallschicht geschaffen, umfassend: eine Reaktionskammer zum Wachsen eines Nitrideinzelkristalls; eine Aufnahme, die in der Reaktionskammer angeordnet ist zum Befestigen eines vorläufigen Substrats; und ein transparentes Fenster, ausgebildet an einer oberen Fläche der Reaktionskammer zum Bestrahlen einer oberen Fläche des auf der Aufnahme fixierten vorläufigen Substrats mit einem Laserstrahl.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Bestrahlung mit dem Laserstrahl zum Trennen der Nitrideinzelkristallschicht von dem vorläufigen Substrat in der Reaktionskammer durchgeführt, in der das Wachsen der Nitrideinzelkristallschicht durchgeführt wird, dadurch wird die Entstehung von Spannungen wegen des Unterschieds der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Nitrideinzelkristallschicht und dem vorläufigen Substrat minimiert. Das vorläufige Substrat ist aus Saphir, SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2 und LiGaO2 hergestellt. Die Richtung der Strahlung des Laserstrahls variiert gemäß der Energiebandlücke des vorläufigen Substrats. Wenn das vorläufige Substrat beispielsweise aus einem Material wie Saphir hergestellt ist, das eine Energiebandlücke aufweist, die breiter ist als die der Nitrideinzelkristallschicht, wird ein Laserstrahl mit einer mittleren Wellenlänge von beispielsweise 266 nm oder 355 nm auf eine untere Fläche des vorläufigen Substrats gestrahlt. Andererseits, wenn das vorläufige Substrat aus einem Material wie Silizium hergestellt ist, das eine Energiebandlücke aufweist, die schmaler ist als die der Nitrideinzelkristallschicht, wird ein Laserstrahl, der eine mittlere Wellenlänge von beispielsweise 532 nm oder 1054 nm aufweist, auf eine obere Fläche der Nitrideinzelkristallschicht gestrahlt.
  • Die oben genannten und weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben, wobei:
  • 1 ist eine geschnittene Ansicht und zeigt den Verfahrensschritt des Trennens eines Nitrideinzelkristalls von einem Saphirsubstrat gemäß dem Stand der Technik;
  • 2A–2D sind geschnittene Ansichten und zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3A–3D sind geschnittene Ansichten und zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4A und 4B sind schematische Ansichten und zeigen die Spuren der Bestrahlung mit Laserstrahlen, die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden;
  • 5A–5E sind geschnittene Ansichten und zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 6A und 6B sind geschnittene Ansichten von Vorrichtungen zur Herstellung eines Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung.
    •
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren beschrieben.
  • 2A bis 2D sind geschnittene Ansichten und zeigen das Verfahren zur Herstellung eines Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats gemäß einem Ausführungs beispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Saphirsubstrat benutzt, das eine Energiebandlücke besitzt, die größer als diejenige einer Nitrideinzelkristallschicht ist, die wachsen soll.
  • Wie in 2A gezeigt ist, beginnt das Verfahren dieses Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mit der Herstellung eines Saphirsubstrats 20, das als vorläufiges Substrat dient. Das Saphirsubstrat 20 wird in einer Reaktionskammer zur Durchführung von HVPE, MOCVD oder MBE platziert. Um einen Nitrideinzelkristall mit hoher Qualität auf dem Saphirsubstrat 20 wachsen zu lassen, kann vorab eine (nicht gezeigte) Pufferschicht auf dem Saphirsubstrat 20 bei einer niedrigen Temperatur, weniger als 900°C, gebildet werden.
  • Anschließend, wie in 2B gezeigt ist, lässt man eine Nitrideinzelkristallschicht 25 auf dem Saphirsubstrat 20 wachsen. Die Nitrideinzelkristallschicht 25 entspricht der folgenden Zusammensetzung: AlxInyGa1-x-yN, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, und 0 ≤ x + y ≤ 1. Man lässt die Nitrideinzelkristallschicht 25 wachsen durch HVPE, MOCVD oder MBE, dies erfordert jedoch eine hohe Temperatur von 800–1200 °C. Die Dicke der gewachsenen Nitrideinzelkristallschicht 25 beträgt mehr als 400 μm.
  • Wie in 2C gezeigt ist, strahlt der Laserstrahl kontinuierlich auf die untere Fläche des Saphirsubstrats 20 in der Reaktionskammer. Da die Bestrahlung mit dem Laserstrahl in-situ durchgeführt wird, das heißt in der Reaktionskammer, ist es möglich, eine Temperaturabweichung, die thermische Spannungen erzeugt, zu minimieren. Die Bestrahlung mit dem Laserstrahl wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 800–1200°C durchgeführt, weiter vorzugsweise wird sie bei derselben Temperatur wie die Temperatur für das Wachsen der Nitrideinzelkristallschicht 25 durchgeführt. Wenn der Laserstrahl auf die untere Fläche des Saphirsubstrats 20 strahlt, wird die Nitrideinzelkristallschicht 25 zersetzt in Stickstoffgas und ein Metall 26 der V-Gruppe. Beispielsweise, wenn eine GaN-basierte Einzelkristallschicht auf dem Saphirsubstrat 20 gewachsen ist, wird die GaN-basierte Einzelkristallschicht zersetzt in Stickstoffgas und Ga, sofern Stickstoffgas und Ga separierbar sind.
  • Dabei wird eine Zwischenfläche zwischen der Nitrideinzelkristallschicht 25 und dem Saphirsubstrat 20 in das Metall 26 der Gruppe V durch Bestrahlen der gesamten Fläche des Saphirsubstrats 20 mit dem Laserstrahl umgewandelt. Anschließend, wie in 2D gezeigt ist, ist die Nitrideinzelkristallschicht 25 von dem Saphirsubstrat 20 getrennt durch Schmelzen des erhaltenen Metalls 26 der V-Gruppe.
  • Die Trennung der Nitrideinzelkristallschicht von dem Saphirsubstrat durch Bestrahlen mit dem Laserstrahl gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird erreicht durch Herstellen eines transparenten Fensters, ausgebildet an einem oberen Abschnitt der Reaktionskammer, um die obere Fläche der Nitrideinzelkristallschicht mit dem Laserstrahl zu bestrahlen und durch Bewegen des Saphirsubstrats, wobei ein Einstellarm für die Substratposition benutzt wird, so dass die untere Fläche des Saphirsubstrats, auf der die Nitrideinzelkristallschicht ausgebildet ist, mit dem Laserstrahl bestrahlt wird.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats zur Verfügung, bei dem ein vorläufiges Substrat benutzt wird, das eine Bandlücke aufweist, die kleiner als die Energiebandlücke der Nitrideinzelkristallschicht ist.
  • 3A bis 3D sind geschnittene Ansichten und zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats, wobei ein Siliziumsubstrat als vorläufiges Substrat benutzt wird, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 3A gezeigt ist, beginnt das Verfahren dieses Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mit dem Platzieren eines Siliziumsubstrats 30 in einer Reaktionskammer. Anschließend, wie in 3B gezeigt ist, wird eine Pufferschicht 31 auf dem Siliziumsubstrat 30 gebildet, und anschließend lässt man eine Nitrideinzelkristallschicht 35 auf der Pufferschicht 31 des Siliziumsubstrats 30 wachsen. Die Pufferschicht 31 ist eine Niedertemperaturpufferschicht die der folgenden Zu sammensetzung entspricht: AlxInyGa1-x-yN, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, und 0 ≤ x + y ≤ 1, und die Nitrideinzelkristallschicht 35 ist aus einem Einzelkristall hergestellt, der der folgenden Zusammensetzung entspricht: AlxInyGa1-x-yN, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, und 0 ≤ x + y ≤ 1 ist.
  • Anschließend, wie in 3C gezeigt ist, wird die obere Fläche des Siliziumsubstrats 30 in der Reaktionskammer mit einem Laserstrahl bestrahlt. Dabei strahlt der Laserstrahl auf die obere Fläche der Nitrideinzelkristallschicht 35, wobei das Silizium, das an der Zwischenfläche zwischen dem Siliziumsubstrat 30 und der Nitrideinzelkristallschicht 35 angeordnet ist, verdampft oder geschmolzen wird. Da die Bestrahlung mit dem Laserstrahl gemäß diesem Ausführungsbeispiel in-situ, das heißt in der Reaktionskammer durchgeführt wird, ist es ähnlich wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel möglich, eine Temperaturabweichung, die thermische Spannungen erzeugen würde, zu minimieren. Die Bestrahlung mit dem Laserstrahl wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 800–1200°C durchgeführt, und insbesondere bei derselben Temperatur wie die Temperatur für das Wachsen der Nitrideinzelkristallschicht 35.
  • Anschließend wird das Silizium, das an der Zwischenfläche zwischen der Nitrideinzelkristallschicht 35 und dem Siliziumsubstrat 30 angeordnet ist, durch Bestrahlen der gesamten Oberfläche des Siliziumsubstrats 30 mit dem Laserstrahl verdampft oder geschmolzen. Wie in 3D gezeigt ist, wird dadurch die Nitrideinzelkristallschicht 35 von dem Siliziumsubstrat 30 getrennt.
  • Die Bestrahlung mit dem Laserstrahl zum Trennen der Nitrideinzelkristallschicht von dem vorläufigen Substrat kann durch unterschiedliche Verfahren erfolgen. Beispielsweise kann die Spur der Bestrahlung mit dem Laserstrahl unterschiedliche Formen aufweisen.
  • Obwohl das obige Ausführungsbeispiel beschreibt, dass die Bestrahlung mit dem Laserstrahl dazu dient, die Nitrideinzelkristallschicht vollständig von dem vorläufigen Substrat zu trennen, kann die Bestrahlung mit dem Laserstrahl dazu dienen, die Nitrideinzelkristallschicht partiell von dem vorläufigen Substrat zu trennen durch Verändern oder Verformen der Spur der Bestrahlung mit dem Laserstrahl. Dadurch ergibt sich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei dem Spannungen, die durch unterschiedliche Gitterkonstanten zwischen dem vorläufigen Substrat und der Nitrideinzelkristallschicht erzeugt werden, während des Wachsens der Nitrideinzelkristallschicht verringert werden. Ein derartiges Ausführungsbeispiel wird detailliert unter Bezugnahme auf die 5A bis 5E beschrieben.
  • In der vorliegenden Erfindung wird die Bestrahlung mit Laserstrahlen benutzt, wobei eine Bestrahlung mit Laserstrahlen vorgesehen ist, derart, dass die Spur der Bestrahlung mit dem Laserstrahl an einem Kantenpunkt eines vorläufigen Substrats beginnt und an einem weiteren Kantenpunkt des vorläufigen Substrats endet. Der Start der Spur der Laserstrahlbestrahlung von einem Kantenpunkt des vorläufigen Substrats bewirkt die Entladung von Stickstoff, das erzeugt wird, wenn Nitrid zersetzt wird. Es werden dabei zwei Verfahren mit Laserstrahlbestrahlung vorgeschlagen. Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 4A und 4B zwei Spuren der Laserstrahlbestrahlung gemäß diesem Verfahren beschrieben.
  • 4A und 4B stellen Spuren von Laserstrahlbestrahlung auf einem Wafer 40 dar, der als vorläufiges Substrat dient.
  • Zunächst wird, wie in 4A gezeigt ist, die gesamte Oberfläche des Wafers 40 mit einem Laserstrahl bestrahlt, so dass die Spur der Laserstrahlbestrahlung eine Zickzackform aufweist und sich von einem Kantenpunkt des Wafers 40 zu einem weiteren Kantenpunkt des Wafers 40 erstreckt.
  • Anders als bei den oben beschriebenen Spuren der Laserstrahlbestrahlung kann der Laserstrahl, wie in 4B gezeigt ist, derart über die gesamte Fläche des Wafers 40 geführt werden, dass die Spur der Laserstrahlbestrahlung eine Spiralform aufweist und sich von einem Kantenpunkt des Wafers 40 zu einem anderen inneren Punkt, beispielsweise dem Mittelpunkt des Wafers 40, erstreckt.
  • Wenn der Abstand zwischen benachbarten Spurlinien mit einer festgelegten Linienbreite (W) durch G ausgedrückt wird, wird der Abstand (G) festgelegt als meh rere zehn oder mehrere hundert μm, wodurch die Nitrideinzelkristallschicht teilweise von dem vorläufigen Substrat getrennt wird. Bei Berücksichtigung der Auflösung der Strahlung des Laserstrahls wird der Abstand (G) auf einen Wert gesetzt, der nahe Null oder weniger als Null ist, das heißt die benachbarten Spurlinien überlappen einander, wodurch die Trennung der Nitrideinzelkristallschicht von dem vorläufigen Substrat abgeschlossen wird.
  • 5A bis 5E sind geschnittene Ansichten und zeigen das Verfahren zur Herstellung eines Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 5A gezeigt ist, beginnt das Verfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit dem Platzieren eines Saphirsubstrats 50, das als vorläufiges Substrat dient, in einer Reaktionskammer zur Durchführung von HVPE, MOCVD oder MBE. Damit ein Nitrideinzelkristall mit hoher Qualität auf dem Saphirsubstrat 50 wachsen kann, wird, wie oben beschrieben wurde, eine nicht gezeigte Pufferschicht vorab auf dem Saphirsubstrat 50 bei einer niedrigen Temperatur (niedriger als 900°C) ausgebildet.
  • Anschließend, wie in 5B gezeigt ist, lässt man einen Nitrideinzelkristallfilm 55 mit einer festgelegten Dicke (t1) auf dem Saphirsubstrat 50 wachsen. Der Nitrideinzelkristallfilm 55 ist aus einem Einzelkristall hergestellt, der die folgende Zusammensetzung erfüllt: AlxInyGa1-x-yN, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, und 0 ≤ x + y ≤ 1, und 0 ≤ x + y ≤ 1. Vorzugsweise hat der zuerst gewachsene Nitrideinzelkristallfilm 55 eine Dicke von 5–100 μm. Wenn die Dicke des zuerst gewachsenen Nitrideinzelkristallfilms 55 nicht mehr als 5 μm beträgt, entstehen durch den Unterschied der Gitterkonstanten zwischen dem Saphirsubstrat 50 und dem zuerst gewachsenen Nitrideinzelkristallfilm 55 äußerst geringe Spannungen, und wenn die Dicke des zuerst gewachsenen Nitrideinzelkristallfilms 55 nicht weniger als 100 μm ist, entstehen stärkere Spannungen. Dementsprechend ist der oben erwähnte Bereich der Dicke des zuerst gewachsenen Nitrideinzelkristallfilms 55 angemessen.
  • Anschließend, wie in 5C gezeigt ist, wird die untere Fläche des Saphirsubstrats 50 in der Reaktionskammer kontinuierlich bestrahlt. Die Bestrahlung mit dem Laserstrahl wird in der Reaktionskammer durchgeführt, wobei keine thermischen Spannungen erzeugt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein partieller Trennungsschritt durchgeführt und ein Bereich mit einem Metall der III-Gruppe wird auf einer Teilfläche der Zwischenfläche zwischen dem Nitrideinzelkristallfilm 55 und dem Saphirsubstrat 50 gebildet, so dass der Nitrideinzelkristallfilm 55 teilweise von dem Saphirsubstrat 50 getrennt wird. Dabei wird die Spannung, die wegen der Unterschiede der Gitterkonstanten zwischen dem Saphirsubstrat 50 und dem Nitrideinzelkristallfilm 55 entsteht, verringert. Ferner wird die Dicke der Nitrideinzelkristallschicht mit hoher Qualität durch einen weiteren Nitridwachstumsschritt erhöht. Der Schritt der teilweisen Trennung wird einfach durchgeführt durch Setzen des Intervalls (G) zwischen den Spurlinien auf einen Wert größer als 0, und vorzugsweise auf mehrere zehn oder mehrere einhundert μm, wie es in den 4A und 4B gezeigt ist.
  • Anschließend, wie in 5D gezeigt ist, wird der zusätzliche Nitridwachstumsschritt durchgeführt, dadurch wird eine Nitrideinzelkristallschicht 55' gebildet, die eine größere Dicke (t2) aufweist, während die Wirkung von Spannungen minimiert wird. Wie oben beschrieben wurde, wird das Nitridwachstum erreicht durch erste und zweite Nitridwachstumsschritte, und der Verfahrensschritt der Laserbestrahlung wird zwischen den ersten und zweiten Nitridwachstumsschritten durchgeführt, dadurch wird die Bildung der Nitrideinzelkristallschicht 55' ermöglicht, die eine Dicke von mehr als näherungsweise 400 μm aufweist.
  • Anschließend, wie in 5E gezeigt ist, wird mit dem Laserstrahl zusätzlich bestrahlt, dadurch wird die Nitrideinzelkristallschicht 55' vollständig von dem Saphirsubstrat 50 getrennt. Vorzugsweise wird der gesamte Verfahrensschritt der Trennung in der Reaktionskammer durchgeführt, um thermische Spannungen zu minimieren. Da die thermische Spannung reduziert wird, wenn die Bereiche des Nitrideinzelkristallfilms 55, die teilweise von dem Saphirsubstrat 50 getrennt sind, groß sind, kann der gesamte Schritt der Trennung außerhalb der Reaktionskammer durchgeführt werden, das heißt bei normaler Temperatur.
  • Obwohl dieses Ausführungsbeispiel die teilweise Trennung der Nitrideinzelkristallschicht von dem Saphirsubstrat bei Benutzung des Laserstrahls beschreibt, kann die vollständige Trennung der Nitrideinzelkristallschicht von dem Saphirsubstrat durchgeführt werden, da die Nitrideinzelkristallschicht, die zuerst auf dem Saphirsubstrat gewachsen ist, eine Dicke aufweist, die der Einwirkung des Laserstrahls widersteht.
  • Ferner, obwohl in diesem Ausführungsbeispiel das Saphirsubstrat als vorläufiges Substrat benutzt wird, kann ein Siliziumsubstrat benutzt werden. Das Siliziumsubstrat wird hochgradig durch unterschiedliche Gitterkonstanten des vorläufigen Substrats und der Nitrideinzelkristallschicht beeinflusst, mehr als das Saphirsubstrat. Dementsprechend, wenn das Siliziumsubstrat benutzt wird, hat die zuerst gewachsene Nitrideinzelkristallschicht vorzugsweise eine Dicke von 0,1–1 μm. In diesem Fall kann die Nitrideinzelkristallschicht, die eine Dicke von näherungsweise 3–4 μm aufweist, auf dem Siliziumsubstrat durch teilweise Trennung der zuerst gewachsenen Nitrideinzelkristallschicht von dem Siliziumsubstrat wachsen.
  • 6A und 6B sind geschnittene Ansichten von Vorrichtungen zur Herstellung eines Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Bezug nehmend auf 6A umfasst die Vorrichtung 100 eine Reaktionskammer 101, in der ein Nitrideinzelkristall gewachsen ist, eine Aufnahme 103, die in der Reaktionskammer 100 zum Fixieren eines vorläufigen Substrats 61 angeordnet ist, und ein transparentes Fenster 110, durch das die Reaktionskammer 101 mit einem Laserstrahl bestrahlt wird. Die Reaktionskammer 101 wird durch eine Heizeinheit 109 wie eine Heizspule auf einer hohen Temperatur gehalten. Wenn eine Quelle zum Wachsen von Nitrid von Quellgaszuführeinheiten 105 und 107 zugeführt wird, wächst eine Nitrideinzelkristallschicht 65 auf dem vorläufigen Substrat 61.
  • Das transparente Fenster 110 ist in der oberen Fläche der Reaktionskammer 101 gebildet, so dass der Laserstrahl auf die obere Fläche des vorläufigen Substrats 61 strahlt, das auf der Aufnahme 103 befestigt werden kann. Das transparente Fenster 110 besitzt einen Durchmesser (D), der ausreichend ist, um die gesamte obere Fläche der Nitrideinzelkristallschicht 65 mit dem Laserstrahl zu bestrahlen. Wenn das Wachstum des Nitrids abgeschlossen ist oder abläuft, wird der Laserstrahl dem vorläufigen Substrat 61 durch das transparente Fenster 110 zugeführt.
  • Alternativ, wie in 6B gezeigt ist, umfasst eine andere Vorrichtung 100 mehrere transparente Fenster. Die transparenten Fenster umfassen ein transparentes Fenster 110a zum Trennen der Nitrideinzelkristallschicht 63 von dem vorläufigen Substrat 61 durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl und ein transparentes Fenster 110c zum Messen der Dicke der Nitrideinzelkristallschicht 63, die auf dem vorläufigen Substrat 61 gewachsen ist. Die transparenten Fenster umfassen ferner ein transparentes Fenster 110b, ausgebildet an einer Position gegenüberliegend zu dem transparenten Fenster 110a. Die transparenten Fenster 110a und 110b werden als Füllräume zur Messung der Krümmung der Nitrideinzelkristallschicht 63 benutzt.
  • Wenn ein Saphirsubstrat als vorläufiges Substrat 61 benutzt wird, umfasst die Vorrichtung 100 zusätzlich einen Einstellarm 120 für die Substratposition zum Bewegen des vorläufigen Substrats 61, so dass die untere Fläche des vorläufigen Substrats 61 mit dem Laserstrahl bestrahlt wird. Der Einstellarm für die Substratposition ist mit einer Vakuumsaugeinheit 125 versehen.
  • Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats schafft, bei dem die Trennung einer Nitrideinzelkristallschicht von einem vorläufigen Substrat durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl kontinuierlich in einer Reaktionskammer durchgeführt wird, so dass thermische Spannungen minimiert werden, wobei eine Nitrideinzelkristallschicht von hoher Qualität mit hoher Dicke wächst. Ferner ermöglichen das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung die teilweise Trennung der Nitrideinzelkristallschicht von dem vorläufigen Substrat während des Wachstums der Nitrideinzelkristallschicht, dadurch wird die Entstehung von Spannungen wegen unterschiedlicher Gitterkonstanten zwischen der Nitrideinzelkristallschicht und dem vorläufigen Substrat verringert, somit werden Bedingungen für Kristallwachstum von hoher Qualität geschaffen.
  • Obwohl die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung für Darstellungszwecke offenbart wurden, ist es für einen Fachmann auf diesem Gebiet klar, dass unterschiedliche Änderungen, Ergänzungen und Ersetzungen möglich sind, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der durch die Patentansprüche festgelegt wird.

Claims (17)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Nitrid basierenden Einzelkristallsubstrats, umfassend: Platzieren eines vorläufigen Substrats auf einer in einer Reaktionskammer angeordneten Aufnahme; Wachsenlassen einer Nitrideinzelkristallschicht auf dem vorläufigen Substrat; und Bestrahlen mit einem Laserstrahl um die Nitrideinzelkristallschicht von dem vorläufigen Substrat zu trennen, während das vorläufige Substrat in der Reaktionskammer platziert ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung mit dem Laserstrahl bei einer Temperatur in einem Bereich von 800–1200 °C durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung mit dem Laserstrahl bei derselben Temperatur wie die Temperatur, bei der die Nitrideinzelkristallschicht gewachsen ist, durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrideinzelkristallschicht eine Einzelkristallschicht ist, die der Zusammensetzung AlxInyGa1-x-yN entspricht, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ x + y ≤ 1 ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vorläufige Substrat aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird: SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2 und LiGaO2.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Niedertemperaturpufferschicht wachsen lässt, die der Zusammensetzung AlxInyGa1-x-yN entspricht, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ x + y ≤ 1 ist, auf dem vorläufigen Substrat vor dem Wachsen der Nitrideinzelkristallschicht, wobei das vorläufige Substrat ein Siliziumsubstrat ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer oberen Fläche der Reaktionskammer ein transparentes Fenster ausgebildet ist zum Bestrahlen des vorläufigen Substrats, das auf der Aufnahme platziert ist, mit dem Laserstrahl.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das vorläufige Substrat aus einem Material hergestellt wird, das eine Energiebandlücke aufweist, die breiter ist als die der Nitrideinzelkristallschicht; und wobei die Bestrahlung durch den Laserstrahl umfasst: Bewegen des vorläufigen Substrats, so dass eine untere Fläche des vorläufigen Substrats, auf der die Nitrideinzelkristallschicht gebildet ist, durch den Laserstrahl bestrahlt wird; und Bestrahlen der unteren Fläche des vorläufigen Substrats mit dem Laserstrahl.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vorläufige Substrat aus einem Material hergestellt wird, das eine Energiebandlücke aufweist, die schmaler ist als die der Nitrideinzelkristallschicht; und die Bestrahlung mit dem Laserstrahl umfasst die Bestrahlung der Nitrideinzelkristallschicht mit dem Laser, die auf der oberen Fläche des vorläufigen Substrats ausgebildet ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wachsen der Nitrideinzelkristallschicht umfasst: erstes Wachsenlassen eines Nitrideinzelkristallfilms mit einer festgelegten Dicke; und zweites Wachsenlassen eines Nitrideinzelkristalls auf dem zuerst gewachsenen Nitrideinzelkristallfilm; und die Bestrahlung mit dem Laserstrahl wird zwischen dem ersten Wachsen und dem zweiten Wachsen durchgeführt.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wachsen der Nitrideinzelkristallschicht umfasst: erstes Wachsenlassen eines Nitrideinzelkristallfilms mit einer festgelegten Dicke; und zweites Wachsenlassen eines Nitrideinzelkristalls auf dem zuerst gewachsenen Nitrideinzelkristallfilm, ferner umfassend Bestrahlen mit dem Laserstrahl zwischen dem ersten Wachsen und dem zweiten Wachsen zum teilweisen Trennen der Nitrideinzelkristallschicht von dem vorläufigen Substrat.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das vorläufige Substrat ein Siliziumsubstrat ist; und die Dicke des zuerst gewachsenen Nitrideinzelkristallfilms beträgt 0,1–1 μm.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das vorläufige Substrat ein Saphirsubstrat ist; und die Dicke des zuerst gewachsenen Nitrideinzelkristallfilms beträgt 5–100 μm.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestrahlung mit dem Laserstrahl zum teilweisen Trennen der Nitrideinzelkristallschicht von dem vorläufigen Substrat mit dem Laserstrahl derart bestrahlt wird, dass von dem Laserstrahl bestrahlte Abschnitte durch einen festgelegten Abstand voneinander getrennt werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wachsen der Nitrideinzelkristallschicht durchgeführt wird durch hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) oder molecular beam epitaxy (MBE).
  16. Vorrichtung (100) zur Herstellung einer Nitrideinzelkristallschicht (63, 65), umfassend: eine Reaktionskammer (101) zum Wachsenlassen eines Nitrideinzelkristalls; eine in der Reaktionskammer (101) angebrachte Aufnahme (103) zum Fixieren eines vorläufigen Substrats (61); und ein transparentes Fenster (110), ausgebildet in einer oberen Fläche der Reaktionskammer (101) um eine obere Fläche des vorläufigen Substrats (61), das auf der Aufnahme (108) fixiert ist, mit einem Laserstrahl zu bestrahlen.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Einstellarm (120) für die Substratposition aufweist zum Bewegen des vorläufigen Substrats (61), so dass die untere Fläche des vorläufigen Substrats (61), das auf der Aufnahme (103) fixiert ist, von dem Laserstrahl bestrahlt wird.
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