DE102008021706A1 - Auf einem Nitrid der Gruppe III basierenden Halbleitersubstrates mit einem vordefinierten Krümmungsradius und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Christian Hennig
Markus Dr. Weyers
Günther Prof. Dr. Tränkle
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines auf einem Nitrid der Gruppe III basierenden Halbleitersubstrates mit vordefinierter Krümmung aus zwei gekrümmten Halbleiterschichten 1, 1' angegeben, wobei die gekrümmten Halbleiterschichten 1, 1' mittels eines Klebers 2 unter Druck und einer Temperatur unterhalb der Temperatur, bei der sich die Halbleiteroberfläche zersetzt, verbunden werden. Entsprechend wird eine Halbleiterschichtstruktur und eine Verwendung eines Klebers angegeben.

Description

  • Feld der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitersubstrat mit vordefinierter Krümmung bestehend aus einem Nitrid der Gruppe III mit und ein Verfahren zu dessen Herstellung, insbesondere für die Homoepitaxie von Bauelementen oder als Ausgangssubstrat für die Herstellung von Volumenkristallen.
  • Stand der Technik
  • Nitride der Gruppe III, also Galliumnitrid GaN, Indiumnitrid InN, Aluminiumnitrid AlN und deren ternäre Legierungen Indiumgalliumnitrid InGaN, Aluminiumgalliumnitrid AlGaN und Indiumaluminiumnitrid InAlN, sind Halbleiter, die durch Verbindung von Materialien der chemischen Hauptgruppen III und V entstehen. III-V-Verbindungshalbleiter sind von großer Bedeutung für technische Anwendungen in der Halbleiterindustrie. Sie lassen sich für Laserdioden, LEDs oder Solarzellen einsetzen. So ist GaN ein III-V Halbleiter mit großer Bandlücke, der in der Optoelektronik insbesondere für blaue, weiße und grüne Leuchtdioden und für Hochleistungs-, Hochtemperatur- und Hochfrequenzfeldeffekttransistoren oder in der Sensorik Verwendung findet.
  • III-V Halbleiter werden durch epitaktisches Wachstum auf einem Basissubstrat hergestellt. Da jedoch kein Basissubstrat existiert, welches eine Gitterkonstante aufweist, die zu der Nitridhalbleiterschicht passt, entstehen beim Wachstum Kristallbaufehler.
  • Es ist daher vorgeschlagen worden, das Substrat selbst aus den gleichen Halbleiterverbindungen herzustellen. Dabei werden freistehende Nitrid-Schichten mit einer Dicke von einigen Hundert μm in Homoepitaxie mit Nitrid-Schichten mit einigen Millimetern bis Zentimetern Dicke überwachsen. Eine solche freistehende Nitrid-Schicht hat aber oft den Nachteil, dass sie bzw. ihre Gitterebenen eine Krümmung aufweist. Die Verkrümmung der Ausgangssubstrate spielt dabei eine wichtige nachteilige Rolle, da verkrümmte Substrate eine schlechte und inhomogene thermische Ankopplung an den Substrathalter haben, was lokal zu stark unterschiedlichen Wachstumsbedingungen auf der Wachstumsseite des Substrats führt und damit letztlich auch zu inhomogenen Bauelementstrukturen, vor allem Quantenstrukturen. Insbesondere besteht beim Wachstum von Bauelementen in der MOVPE das Problem, dass der Verspannungszustand des epitaxierten Schichtpakets einen Einfluss auf die Verkrümmung des Wafers hat, die sich auch während des Wachstums ändert und letztlich auch nach dem Abkühlen zur einer relativ stark verkrümmten Schicht führen kann, wenn das Ausgangssubstrat planar oder eben war.
  • Es werden daher für die Herstellung von Volumenkristallen bzw. Bauelementstrukturen insbesondere krümmungsreduzierte bzw. mit einer vordefinierten Krümmung versehene Halbleitersubstrate benötigt, die auf einem Nitrid der Gruppe III wie GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN oder InAlGaN basieren. So kann z. B. die Verkrümmung, die vor dem Wachstum der temperaturempfindlichen Bauelementstrukturen, z. B. Quantenstrukturen, entsteht, so angepasst werden, dass sich an diesem Punkt der Epitaxie ein planares Substrat ergibt.
  • Aus der DE 103 13 062 A1 ist zur Krümmungsreduktion von GaN-Wafern bekannt, die Wafer bei sehr hohen Temperaturen bis ca. 1600°C zu tempern, wobei die GaN-Schicht entweder durch eine vorher aufgebrachte Schutzschicht, z. B. aus SiO2, oder durch Bereitstellen einer stabilisierenden NH3-Atmosphäre vor der Zersetzung geschützt wird.
  • Ferner ist bekannt, Wafer bei hohen Temperaturen von ca. 1400°C und sehr hohem Druck von einigen Kilobar bei gleichzeitiger Stabilisierung der Oberfläche unter einer Stickstoffatmosphäre zu tempern.
  • Auch kann eine Krümmungsreduktion durch einen Abtrag der defektreichen Rückseite durch trocken- oder nasschemisches Ätzen erreicht werden. Ferner ist bekannt, mittels Lappen und Polieren der verkrümmten Wafer die Verkrümmung durch Materialabtrag zu reduzieren.
  • Die bekannten Verfahren zur Krümmungsreduktion weisen den Nachteil auf, dass z. B. hohe Temperaturen über einen langen Zeitraum bereitgestellt werden müssen. Dies erfordert eine aufwändige Apparatur und gegebenenfalls zusätzlich die Bereitstellung eines sehr hohen Drucks und zusätzlicher Schutzgase zum Schutz der GaN-Oberfläche, die sich ohne diese Schutzgase an Luft ab ca. 850°C zersetzen würde. Somit ist bei den bekannten Verfahren ein zusätzlicher Prozessschritt zur Erzeugung einer Schutzschicht, z. B. aus SiO2 oder anderen Beschichtungen, und ein weiterer Prozessschritt zur nachträglichen Entfernung dieser Schutzschicht von Nöten, wenn keine stabilisierende Schutzatmosphäre vorhanden ist.
  • Ferner erfolgt die Reduktion der Verkrümmung nur unvollständig, eine vollständige Reduktion der Restverkrümmung ist nicht erreichbar. Beim Polieren wird zudem Material abgetragen und somit muss die Ursprungsschicht hinreichend dick ausgebildet sein. Auch entstehen ortsabhängige Vizinalflächen, die das Epitaxieergebnis beeinflussen können.
  • Aus dem Stand der Technik ist des Weiteren auch das Waferbonding bekannt. Waferbonding ist ein industriell etabliertes Verfahren zur Verbindung oder zum Aufbringen von Halbleiterschichten auf einem Fremdsubstrat. Dabei geht es herkömmlicherweise um die Verbindung unterschiedlicher Materialien, etwa beim Aufbau eines Bauelementes, wie etwa eines Drucksensors. Beim Waferbonding wird das bekannte Phänomen ausgenutzt, dass zwei Festkörper mit ausreichend glatten Oberflächen aneinander haften bleiben, wenn sie nah genug zusammen gebracht werden. Dieses Phänomen beruht auf der Van der Waals-Kraft oder Wasserstoffbindungen und ist reversibel. Durch Erhitzung der so verbundenen Oberflächen kann eine permanente Verbindung erreicht werden.
  • Aufgabe und erfindungsgemäße Lösung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleitersubstrat auf Basis eines Nitrides der Gruppe III sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen, welches eine vordefinierte Krümmung aufweist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 23 und 27.
  • Die erfindungsgemäße Lösung besteht in der Verwendung von freistehenden Nitridschichten der Gruppe III, die aufgrund ihrer Elastizität flach gedrückt werden können, um sie rückwärtig miteinander zu verbinden, wobei sich die Kräfte infolge der Krümmungsradien der idealerweise ähnlich verkrümmten Wafer kompensieren und nach der Verbindung ein flaches, stabiles Halbleiter-Schichtpaket entsteht. Bevorzugt sind die Nitridschichten dünn, und weisen eine ungefähre Dicke von 50 μm bis 200 μm auf.
  • Dementsprechend wird ein Verfahren zur Herstellung eines auf einem Nitrid der Gruppe III basierenden Halbleitersubstrates mit vordefinierter Krümmung aus zwei gekrümmten Halbleiterschichten bestehend aus einem Nitrid der Gruppe III vorgeschlagen, umfassend die folgenden Schritte: Auswählen zweier zu verbindender Oberflächen der Halbleiterschichten; Auftragen eines Klebstoffes auf die zu verbindende Oberfläche mindestens einer der Halbleiterschichten; Anordnen der zweiten Halbleiterschicht auf der mit Klebstoff versehen Oberfläche der ersten Halbleiterschicht; Zusammendrücken und Erhitzen der Halbleiterschichten auf eine erste vordefinierte Temperatur unterhalb derer sich die Oberflächen der Halbleiterschichten zersetzen, wobei der Druck derart verteilt ist, dass ein planparalleles Halbleiterschichtsubstrat gebildet und eine vordefinierte Krümmung des Substrats erreicht wird; Halten der ersten vordefinierten Temperatur für einen vordefinierten Zeitraum; und Abkühlen des erhaltenen Halbleiterschichtsubstrats mit vordefinierter Krümmung. Aus diesem Herstellungsverfahren ergeben sich einige Vorteile. Die Klebeverbindung erlaubt eine Verwendung von niedrigen Temperaturen von bis ca. 500°C. Dadurch ist das Verfahren deutlich einfacher durchführbar und benötigt keine zusätzlichen Maßnahmen zum Schutz der Verbindungshalbleiteroberfläche, da diese sich erst bei deutlich höheren Temperaturen zersetzt.
  • Bevorzugt erfolgt das Erhitzen zweistufig. Der Schritt des Zusammendrückens und Erhitzens auf eine erste vordefinierte Temperatur umfasst dann die folgenden Schritte: Erhitzen der Halbleiterschichten auf eine zweite vordefinierte Temperatur unterhalb der ersten vordefinierten Temperatur die derart ausgebildet ist, dass der Klebstoff schmilzt, und Zusammendrücken der Halbleiterschichten; Erhöhen der Temperatur auf die erste vordefinierte Temperatur unterhalb derer sich die Oberflächen der Halbleiterschichten zersetzen. Der Klebstoff wird beim zweistufigen Verfahren zunächst weichgemacht und zum Schmelzen gebracht um dann im zweiten Temperaturschritt eine Verbindung herzustellen. Dies ist z. B. bei Verwendung von Saccharose als Klebstoff angezeigt. Andere Kleber wiederum benötigen nur einen Heizschritt auf die erste Temperatur.
  • Das Auswählen zweier zu verbindender Oberflächen der Halbleiterschichten erfolgt bevorzugt derart, dass die zu verbindenden Oberflächen entgegengesetzt gekrümmt sind. Bevorzugt wird eine Presse verwandt und das Verfahren umfasst dann die weiteren Schritte: Bereitstellen einer Presse, deren Pressflächen eine vordefinierte Krümmung derart aufweisen, dass sie passgenau zusammengefügt werden können; Anordnen der Halbleiterschichten in der Presse, wobei die nicht mit Klebstoff versehene Oberfläche der ersten Halbleiterschicht auf einer Pressfläche der Presse aufliegt; Zusammendrücken der beiden Halbleiterschichten mittels der Presse; Erhöhen des Anpressdrucks der Presse bis beide planparallelen Halbleitersubstrate ein planparalleles Halbleiterschichtsubstrat bilden und die den Pressflächen zugewandten Oberflächen der Halbleiterschichten an diesen anliegen.
  • Vorteilhafterweise genügt es eine einfache Apparatur, z. B. beheizte Pressen mit Stempel und Unterlage einzusetzen, um die beiden Wafer plan zu verbinden. Ferner kann ein Materialabtrag durch Polieren vermieden werden. Es kommt dann auch nicht zur Entstehung von Vizinalflächen an der Oberfläche durch die Politur. Bevorzugt wird das Erhitzen durch Beheizen mindestens einer der Pressflächen der Presse erreicht.
  • Bevorzugt sind die Pressflächen der Presse, z. B. Stempel und Unterlage, eben und parallel zueinander ausgebildet sind, so dass die erhaltene Schichtstruktur eine geringere Krümmung als die Ausgangskrümmungen der Halbleiterschichten aufweist, besonders bevorzugt eine Krümmung von Null.
  • Die Krümmungsradien der mindestens zwei planparallelen Halbleiterschichten sind bevorzugt im wesentlichen gleich, weil sich dann bei der Verbindung der einzelnen Halbleiterschichten die Kräfte an der Klebstoffschicht kompensieren. Die Krümmungsradien der mindestens zwei planparallelen Halbleiterschichten können sich auch um weniger als 10% unterscheiden, bevorzugt um weniger als 5%, noch bevorzugter um weniger als 2%. Die Halbleiterschichten können auch in gleicher Richtung gekrümmt sein.
  • Der Krümmungsradius der gekrümmten Halbleiterschichten liegt bevorzugt zwischen 20 cm und 100 cm, aber auch stärker und schwächer gekrümmte Schichten können verwendet werden. Die Halbleiterschichten weisen bevorzugt eine Schichtdicke von 50 μm bis 200 μm, bevorzugter von 100 μm bis 150 μm auf. Besonders dünne Schichten weisen eine hohe Elastizität und Stabilität auf, die das Zusammendrücken der Halbleiterschichten und das Verkleben besonders einfach und ohne Bildung zusätzlicher Risse oder Brüche ermöglicht, also ohne Erzeugung von Defekten.
  • Mindestens die erste mit Klebstoff versehene Halbleiterschicht wird zunächst auf eine Temperatur zwischen 100°C und 200°C, bevorzugt, zwischen 100°C und 180°C, noch bevorzugter auf etwa 160°C aufgeheizt. Diese Erhitzung ermöglicht es dem Klebstoff zu schmelzen. Da der bevorzugte Klebstoff Saccharose bzw. eine Saccharoselösung ist, karamellisiert diese bei den genannten Temperaturen und dieser Aggregatzustand kann zum Verkleben verwendet werden. Mit anderen Worten, die entsprechende Halbleiterschicht wird auf eine Temperatur erhitzt, bei der der Klebstoff eine erhöhte Klebkraft aufweist bzw. besonders bevorzugt, seine maximale Klebkraft aufweist. Aber auch andere Kleber wie z. B. keramische Hochtemperaturkleber können verwendet werden.
  • Vor dem Zusammendrücken der Halbleiterschichten können sich die Schichten bevorzugt nur in ihrer jeweiligen Mitte berühren, noch bevorzugter in ihrem jeweiligen Extremum, definiert dadurch, dass die Tangente an die Oberfläche in dem Punkt eine Steigung von Null aufweist.
  • Im Verfahren kann die weitere Erhöhung der Temperatur der Halbleiterschichten auf eine Temperatur unterhalb von 800°C, bevorzugt unterhalb von 500°C erfolgen. Bei diesen Temperaturen zersetzt sich die Halbleiteroberfläche nicht. Mit anderen Worten, die Erhöhung erfolgt auf eine Temperatur, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der sich die Halbleiteroberfläche zersetzt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Temperatur weit von der Zersetzungstemperatur entfernt liegt, also unterhalb von 500°C.
  • Der Schritt der weiteren Erhöhung der Temperatur kann auf eine Temperatur zwischen 200°C und 300°C, bevorzugt zwischen 230°C und 270°C, noch bevorzugter auf etwa 250°C erfolgen.
  • Die erhöhte Temperatur wird bevorzugt für einige Minuten gehalten, damit sich der Klebstoff zwischen den Halbleiterschichten gut verteilen kann und eine feste Klebverbindung zwischen den Schichten erreicht wird.
  • Die Erhöhung der Temperatur wird bevorzugt mittels einer beheizbaren Pressunterlage erreicht. Der Stempel der Presse kann ebenfalls beheizbar sein, wodurch das Verfahren schneller und die Temperaturerhöhung homogener ausgeführt werden kann. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Wärme auch von Außen zugefügt werden, z. B. dadurch, dass das Verfahren in einem Ofen ausgeführt wird.
  • Die Temperatur des beheizbaren Stempels kann der Temperatur der Unterlage entsprechen, wobei wiederum die Homogenität der Temperatur verbessert wird und die Klebeverbindung besonders gleichförmig ausgebildet wird.
  • Als Kleber wird bevorzugt Saccharose, noch bevorzugter eine gesättigte Saccharoselösung verwendet.
  • Der Schritt des Bereitstellens einer gekrümmten, planparallelen Halbleiterschicht kann ferner die Schritte umfassen: Beschichten der nicht zum späteren Wachstum zu verwendenden Oberfläche einer Halbleiterstartschicht mit einem Klebstoff; Kleben der mit Klebstoff versehenen Oberfläche auf eine Unterlage; Lappen und Polieren der ersten Halbleiterstartschicht derart, dass eine Inhomogenität der Schichtdicke ausgeglichen wird, wodurch eine planparallele Halbleiterschicht erhalten wird; Ablösen der planparallelen Halbleiterschicht von der Unterlage. Dieser Vorschritt ermöglicht es planparallele Halbleiterschichten aus beliebigen Schichten herzustellen.
  • Ferner wird eine Halbleiterschichtstruktur vorgeschlagen, umfassend: eine erste planparallele Halbleiterschichtstruktur aus einem Nitrid der Gruppe III; eine zweite planparallele Halbleiterschichtstruktur aus einem Nitrid der Gruppe III; und eine Klebstoffschicht oder Zerfallsprodukte einer Klebstoffschicht zwischen der ersten planparallelen Halbleiterschichtstruktur und der zweiten planparallelen Halbleiterschichtstruktur.
  • Der Klebstoff ist bevorzugt Saccharose und das Zerfallsprodukt Kohlenstoff. Der Klebstoff kann aber auch ein keramischer Hochtemperaturkleber sein, der aus keramischen Fasern besteht.
  • Die einzelnen, durch Klebstoff getrennten Halbleiterschichten, können eine Schichtdicke von 50 μm bis 200 μm aufweisen, bevorzugt 100 μm bis 150 μm.
  • Die beiden Halbleiterschichten bestehen bevorzugt aus dem gleichen Nitrid der Gruppe III.
  • Ferner wird die Verwendung von Saccharose als Klebstoff zur Klebverbindung zweier freistehender Halbleiterschichten basierend auf Nitriden der Gruppe III angegeben. Die Saccharose wird bevorzugt als gesättigte Saccharoselösung verwendet.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert werden.
  • Figuren
  • Es zeigen:
  • 1 Ein dünnes, verkrümmtes Startsubstrat;
  • 2 Zwei dünne, verkrümmte Startsubstrate mit einer dazwischenliegenden Klebstoffschicht in einer Vorrichtung zur Verbindung der Schichten vor der Verbindung mit planaren Oberflächen von Unterlage und Stempel;
  • 3 Zwei dünne verkrümmte Startsubstrate mit einer dazwischenliegenden Klebstoffschicht in einer Vorrichtung zur Verbindung der Schichten nach der Verbindung;
  • 4 Das erfindungsgemäße Substrat nach der Herstellung der Verbindung außerhalb der Vorrichtung zum Verbinden;
  • 5: Zwei dünne, verkrümmte Startsubstrate mit einer dazwischenliegenden Klebstoffschicht in einer Vorrichtung zur Verbindung der Schichten vor der Verbindung mit gekrümmten Oberflächen von Unterlage und Stempel;
  • Detaillierte Beschreibung der Figuren
  • Ausgangsmaterial sind mindestens zwei dünne Halbleiterschichten aus Galliumnitrid GaN, AlN, oder InN etc., die durch ein geeignetes Klebeverfahren miteinander verbunden werden. Die Dicke beträgt bevorzugt ca. 50 μm bis 250 μm, wodurch die Schichten genug Elastizität und Stabilität aufweisen, um sie auf eine flache Unterlage drücken zu können, ohne dass Risse oder Brüche im Ausgangsmaterial generiert werden.
  • Wenn im folgenden von Krümmung gesprochen wird, so gibt es zum einen die Anfangskrümmung der Ausgangshalbleiterschichten, zum anderen die zu erreichende, vordefinierte Krümmung des herzustellenden Schichtpaketes.
  • Die Ausgangs-Halbleiterschichten haben bevorzugt typische Krümmungsradien zwischen 50 und 100 cm, aber auch geringere und stärkere Verkrümmungen sind möglich. Die zu verbindenden Oberflächen der Schichten können gleich oder entgegengesetzt gekrümmt sein. Beide Schichten werden mit der Rückseite bzw. der zu verbindenden Oberfläche zusammen in eine beheizbare Presse gelegt, wobei ein geeignetes Haftmittel zwischen den Schichten aufgetragen wird. Das Haftmittel kann sehr dünn aufgetragen werden und sollte resistent gegen Temperaturen bis 1500°C und Gase wie Ammoniak (NH3) und HCl sein. D. h., unter letztgenannten Bedingungen werden dann keine Fremdstoffe freigesetzt. Optional können vorher noch Schritte zur Glättung und Reinigung der zu verbindenden Oberflächen angewendet werden. Bei Temperaturen bis maximal 800°C, also bei Temperaturen unterhalb der Temperatur, bei der sich die Halbleiteroberfläche zersetzt, werden die Schichten dann unter Druck zusammengefügt.
  • Der Krümmungsradius des Ausgangsmaterials ist im Sinne dieser Erfindung üblicherweise, aber nicht zwangsläufig kleiner als der des Endprodukts, da die Herstellung von Substraten mit definierter Verkrümmung aus geringer verkrümmten Ausgangssubstraten ebenso denkbar ist.
  • Die Krümmungsradien der mindestens zwei Ausgangsschichten können sich um lediglich 10% unterscheiden, bevorzugt um lediglich 5%, noch bevorzugter um weniger als 2% oder können besonders bevorzugt im Rahmen der Toleranzen gleich sein. Dies bewirkt, dass bei der Verbindung der mindestens zwei gekrümmten Schichten zu einem krümmungsreduzierten Schichtpaket gleiche Kräfte auf beiden Seiten der Klebefläche in entgegengesetzter Richtung wirken, die sich kompensieren.
  • Beschrieben wird im Folgenden anhand der 1 bis 4 die Herstellung eines unverkrümmten GaN-Halbleitersubstrats aus zwei freistehenden, konkav verkrümmten Startschichten des gleichen Materials. Das Verfahren kann aber für andere Nitride der Gruppe III ebenso verwendet werden und ist nicht auf GaN beschränkt.
  • Bevorzugt werden zwei Halbleiterschichten eines gleichen Nitrides der Gruppe III verwendet, die verbunden werden. Dies hat den Vorteil, dass die Schichten einen gleichen Ausdehnungskoeffizienten während des Erhitzens aufweisen. Jedoch können die zu verbindenden Halbleiterschichten auch aus unterschiedlichen Materialien bestehen, die dann in bevorzugter Ausführungsform derart ausgewählt werden, dass sie einen gleichen oder nur leicht unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Leicht unterschiedlich bedeutet hierbei, dass sich die Ausdehnungskoeffizienten bevorzugt lediglich um 10% unterscheiden, noch bevorzugter um lediglich 5%. Zum Zusammendrücken wird dabei wird eine mechanische Presse verwendet, aber auch andere Einrichtungen zum Erzeugen eines Druckes auf die Halbleiteroberflächen können verwendet werden.
  • Die GaN-Startschichten weisen eine Dicke von ungefähr 150 μm auf und werden durch frühzeitige Selbstablösung an der Grenzfläche zu einem strukturierten GaN/Saphir-Fremdsubstrat während des HVPE-Wachstums hergestellt. Der Krümmungsradius dieser selbstabgelösten GaN-Startschichten ist von den Wachstumsbedingungen abhängig und beträgt typisch zwischen 40 cm und 100 cm, noch bevorzugter zwischen 60 und 80 cm, aber auch kleinere und größere Radien sind möglich.
  • Vor Verbindung der Schichten miteinander werden optional die einzelnen so erhaltenen GaN-Startschichten 1, 1' vorbehandelt. Sie werden separat voneinander unter Druck mit der Rückseite auf eine geeignete, möglichst plane Unterlage aufgeklebt.
  • Die Vorderseite ist dabei die später zu verwendende Wachstumsoberfläche, also die für die spätere Epitaxie bevorzugte Oberfläche des resultierenden Halbleitersubstrats, die entsprechend terminiert ist. So kann die Rückseite hier eine Stickstoff terminierte Oberfläche sein, die Vorderseite eine Gallium terminierte. Der zum Aufkleben nötige Druck ist von der Dicke und der Verkrümmung der Ausgangssubstrate abhängig und wird so eingestellt sein, dass die Rückseite plan auf der Unterlage liegt und die Startschicht unter dem Druck nicht zerbricht.
  • Anschließend wird die Wachstumsseite der so fixierten Startschicht mechanisch geläppt und poliert, um eine gegenbenenfalls vorhandene Inhomogenität der Schichtdicke auszugleichen, wodurch planparallele Startschichten 1, wie in 1 gezeigt, entstehen. Die planparallelen Startschichten 1 geringerer Dicke werden anschließend wieder von der für die Politur benötigten Unterlage abgelöst.
  • Zur eigentlichen Herstellung des unverkrümmten Halbleitersubstrats 5 werden zwei planparallele Startsubstrate 1, 1' verwendet, deren Oberflächen – im Ausführungsbeispiel mit entgegengesetzter Krümmung, aber nicht darauf beschränkt – miteinander verbunden werden, also entweder jeweils mit der Rückseite zueinander oder jeweils mit der Vorderseite. Die konkav verkrümmte Vorderseite, also die Wachstumsoberfläche, ist die für die spätere Epitaxie bevorzugte Oberfläche des resultierenden Halbleitersubstrats, weshalb die Rückseiten vorzugsweise als Klebefläche verwendet werden.
  • 2 zeigt die beiden planparallelen Schichten 1, 1' vor dem Verkleben in einer Vorrichtung zum Verkleben der Schichten 1, 1' bestehend aus einer unteren beheizbaren Unterlage 3 und einem oberen Stempel 4, der ebenfalls beheizbar sein kann. Dabei ist die jeweilige Temperatur von Unterlage und Stempel sowie deren Abstand zueinander veränderbar. Wie in 2 gezeigt, wird ein Startsubstrat 1 mit der Vorderseite nach unten auf die plane, beheizbare Unterlage 3 gelegt und möglichst homogen auf ungefähr 150°C aufgeheizt. Dazu wird die Unterlage 3 beheizt.
  • Als Klebemittel wird eine gesättigte Saccharoselösung verwendet, die zuvor gleichmäßig auf die Substratrückseite aufgebracht wurde. Dabei wurde eine bei Raumtemperatur gesättigte Lösung verwendet, die mit einer Pipette auf die Oberfläche getropft wurde, bis die Lösung die Oberfläche vollständig benetzt war. Vorteilhafterweise kann über den Zuckeranteil, wobei eine Sättigung nicht nötig ist, die Dicke der karamelisierten Schicht eingestellt werden. Beim Aufheizen verdampft der Wasseranteil der Saccharoselösung und es bildet sich eine gleichmäßige, dünne Saccharoseschicht, die mit steigender Temperatur karamellisiert. Andere Kleber könne auch eingesetzt werden. Es ist jeder Kleber geeignet, der bei hohen Temperaturen stabil ist, sich also chemisch nicht verändert, und sich beim Aufheizen auf Wachstumstemperatur nicht weiter zusammenzieht und unter aggressiver Gasatmosphäre mit z. B. HCl, NH3 und H2 chemisch stabil ist. Beispielsweise ist die Verwendung von keramischen Hochtemperaturklebern denkbar.
  • Mittels eines Stempels 4 wird die Rückseite des zweiten Startsubstrats 1' auf die Rückseite des ersten Startsubstrats 1 gedrückt. Dabei kann der Stempel 4 auch beheizt werden, wobei die Temperatur des Stempels 4 bevorzugt der Temperatur der beheizten Unterlage 3 entspricht.
  • Durch die konkave Form berühren sich die beiden Substrate zunächst nur in der Mitte bzw. in ihrem jeweiligen Extremum, wie in 2 gezeigt. Bei konstanter Temperatur wird dann der Anpressdruck des Stempels 4 langsam erhöht und die Krümmung der Startsubstrate 1, 1' entsprechend kontinuierlich verringert. Die Kontaktfläche der Startsubstrate 1, 1' wird von der Mitte zum Rand hin vergrößert und dadurch der Einschluss von Luftblasen zwischen den beiden Schichten 1, 1' verhindert. Dies hat den Vorteil, dass die Klebefläche homogen ausgebildet wird.
  • Der maximale Anpressdruck des Stempels 4 ist erreicht, wenn beide planparallele Startsubstrate 1, 1' zusammen ein planparalleles Schichtpaket 5 bilden, siehe 3. Der Anpressdruck wird dann konstant gehalten und die Temperatur von Unterlage und Stempel gleichmäßig auf ungefähr 250°C erhöht. Diese Temperatur wird für einige Minuten konstant gehalten, während die Saccharose in Wasser und Kohlenstoff zerfällt. Nach dem Abkühlen bilden beide Schichten ein fest zusammenhängendes, planparalleles Schichtpaket 5.
  • Zusammenfassend wird die Herstellung eines krümmungsreduzierten auf einem Nitrid der Gruppe III basierenden Halbleitersubstrates 5 mit vordefinierter Krümmung aus zwei gekrümmten Halbleiterschichten 1, 1' also durch folgende Schritte erreicht: Bereitstellen einer ersten und einer zweiten gekrümmten, planparallelen Halbleiterschicht 1, 1' bestehend aus dem gleichen Nitrid der Gruppe III; Bereitstellen einer Presse mit ebenen, parallelen Anpressflächen; Auswählen zweier zu verbindender Oberflächen der Halbleiterschichten 1, 1' derart, dass die zu verbindenden Oberflächen entgegengesetzt gekrümmt sind; Auftragen eines Klebstoffes 2 auf die zu verbindende Oberfläche mindestens eines der Halbleiterschichten 1, 1'; Anordnen der Halbleiterschichten 1, 1' in der Presse, wobei die nicht mit Klebstoff versehene Oberfläche der Halbleiterschicht 1, 1' auf einer Pressfläche der Presse aufliegt und die zu verbindenden Flächen Halbleiterschichten 1, 1' aufeinander liegen; Erhitzen mindestens einer Halbleiterschicht 1, 1' und Zusammendrücken der Halbleiterschichten 1, 1' mittels der Presse bis beide planparallelen Halbleiterschichten 1, 1' ein planparalleles Halbleiterschichtsubstrat 5 bilden; Erhöhen der Temperatur in der Presse auf eine Temperatur, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der sich die Oberflächen der Halbleiterschichten 1, 1' zersetzen; Halten der Temperatur für einen vordefinierten Zeitraum; und Abkühlen des erhaltenen krümmungsreduzierten Halbleiterschichtsubstrats 5.
  • 5 zeigt nun, wie eine vordefinierte Krümmung eines Schichtpaketes 5, bestehend aus erster Halbleiterschicht 1, Klebstoff 2 auf der zu verklebenden Seite der ersten Halbleiterschicht 1 und zweiter Halbleiterschicht 1', erreicht werden kann. Dazu sind die Oberflächen von Stempel 4 und Unterlage 3 mit einer vordefinierten Krümmung ausgebildet, derart, dass bei Zusammenführung von Stempel 4 und Unterlage 3 diese passgenau miteinander abschließen. Die vordefinierte Krümmung des Schichtpaketes soll dabei konvex sein. Hierbei ist die Oberseite der zweiten, oberen Halbleiterschicht 1' die Wachstumsoberfläche für den zu wachsenden Volumenkristall. Es kann dann also ein konvexer Wafer durch Epitaxie erhalten werden. Dazu ist die Oberfläche der Unterlage 3 konvex gekrümmt ausgebildet, mit einer Krümmung entsprechend der zu erreichenden vordefinierten Krümmung. Dabei kann die gesamte Oberfläche der Unterlage 3 gekrümmt ausgebildet sein, oder nur ein Bereich, auf dem die erste Halbleiterschicht 1 aufliegt, wie in 5 gezeigt. Der Rest der Oberfläche der Unterlage ist in 5 planar ausgebildet. Durch den gekrümmten Bereich, auf den die Halbleiterschicht 1 aufliegt, und den planaren Bereich der Oberfläche der Unterlage 3 wird z. B. ein Verrutschen der Halbleiterschicht 1 auf der Unterlage 3 erschwert. Die Oberfläche der Unterseite des Stempels 4 ist, wie in 5 gezeigt, entsprechend der Krümmung der Unterlage 3 und somit entsprechend der zu erreichenden vordefinierten Krümmung des Schichtpakets 5 gekrümmt ausgebildet, so dass die Unterseite des Stempels 4 und die Oberseite der Unterlage 3 passgenau zusammengefügt werden können.
  • Das Verfahren zur Herstellung des Halbleiterschichtpakets mit vordefinierter Krümmung läuft dann wie oben beschrieben ab. Mit anderen Worten, dass zu den 2 bis 4 beschriebene Verfahren entspricht dem Fall, dass die vordefinierte Krümmung Null ist.
  • Wiederum wird ein Startsubstrat 1 mit der Vorderseite nach unten auf die plane, beheizbare Unterlage 3 gelegt und möglichst homogen auf ungefähr 150°C durch die Unterlage 3 aufgeheizt. Als Klebemittel wird eine gesättigte Saccharoselösung verwendet, die zuvor gleichmäßig auf die Substratrückseite aufgebracht wurde. Beim Aufheizen verdampft der Wasseranteil der Saccharoselösung und es bildet sich eine gleichmäßige, dünne Saccharoseschicht, die mit steigender Temperatur karamellisiert.
  • Mittels eines Stempels 4 wird die Rückseite des zweiten Startsubstrats 1' auf die Rückseite des ersten Startsubstrats 1 gedrückt, wobei zuvor die zweite Halbleiterschicht 1' mit ihrer Rückseite auf der mit Klebstoff versehenen Rückseite der ersten Halbleiterschicht 1 angeordnet wurde. Dabei kann der Stempel 4 auch beheizt werden, wobei die Temperatur des Stempels 4 bevorzugt der Temperatur der beheizten Unterlage 3 entspricht.
  • Durch die konkave Form berühren sich die beiden Substrate zunächst nur in der Mitte bzw. in ihrem jeweiligen Extremum, wie in 5 gezeigt. Bei konstanter Temperatur wird dann der Anpressdruck des Stempels 4 langsam erhöht und die Krümmung der Startsubstrate 1, 1' entsprechend kontinuierlich verringert. Die Kontaktfläche der Startsubstrate 1, 1' wird von der Mitte zum Rand hin vergrößert und dadurch der Einschluss von Luftblasen zwischen den beiden Schichten 1, 1' verhindert. Dies hat den Vorteil, dass die Klebefläche homogen ausgebildet wird.
  • Der maximale Anpressdruck des Stempels 4 ist erreicht, wenn beide planparallele Startsubstrate 1, 1' zusammen ein planparalleles Schichtpaket 5 bilden und die Oberflächen des Schichtpakets die vordefinierte Krümmung von Stempel und Unterlage angenommen haben. Der Anpressdruck wird dann konstant gehalten und die Temperatur von Unterlage und Stempel gleichmäßig auf ungefähr 250°C erhöht. Diese Temperatur wird für einige Minuten konstant gehalten, während die Saccharose in Wasser und Kohlenstoff zerfällt. Nach dem Abkühlen bilden beide Schichten ein fest zusammenhängendes, planparalleles Schichtpaket 5.
  • Zusammenfassend wird die Herstellung eines auf einem Nitrid der Gruppe III basierenden Halbleitersubstrates 5 mit vordefinierter Krümmung aus zwei gekrümmten Halbleiterschichten 1, 1' also durch folgende Schritte erreicht: Bereitstellen einer ersten und einer zweiten gekrümmten, planparallelen Halbleiterschicht 1, 1' bestehend aus dem gleichen Nitrid der Gruppe III; Bereitstellen einer Presse, deren Pressflächen eine vordefinierte Krümmung derart aufweisen, dass sie passgenau zusammengefügt werden können; Auswählen zweier zu verbindender Oberflächen der Halbleiterschichten 1, 1' derart, dass die zu verbindenden Oberflächen entgegengesetzt gekrümmt sind; Auftragen eines Klebstoffes 2 auf die zu verbindende Oberfläche mindestens einer der Halbleiterschichten 1, 1'; Anordnen einer mit Klebstoff 2 versehenen Halbleiterschicht 1, 1' in der Presse, wobei die nicht mit Klebstoff 2 versehene Oberfläche der Halbleiterschicht 1, 1' auf einer Pressfläche der Presse aufliegt; Erhitzen der in der Presse befindlichen Halbleiterschicht 1, 1' und Anordnen der zweiten Halbleiterschicht 1', 1 auf der ersten Halbleiterschicht 1, 1' in der Presse, wobei die zweite zu verbindende Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 1', 1 auf die erste zu verbindende, mit Klebstoff versehene Oberfläche der ersten Halbleiterschicht 1, 1' gelegt wird, und wobei die Schritte Erhitzen und Anordnen auch in ihrer Reihenfolge ausgetauscht werden können; Zusammendrücken der Halbleiterschichten 1, 1' mittels der Presse; Erhöhen des Anpressdrucks der Presse bis beide planparallelen Halbleitersubstrate 1, 1' ein planparalleles Halbleiterschichtsubstrat 5 bilden und die den Pressflächen zugewandten Oberflächen der Halbleiterschichten 1, 1' an diesen anliegen; Erhöhen der Temperatur in der Presse auf eine Temperatur, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der sich die Oberflächen der Halbleiterschichten 1, 1' zersetzen; Halten der Temperatur für einen vordefinierten Zeitraum; und Abkühlen des erhaltenen Halbleiterschichtsubstrats 5 mit vordefinierter Krümmung.
  • Das Zusammenpressen der Oberflächen wurde mit einer Presse beschrieben. Es kann aber auch durch eine andere Vorrichtung erfolgen, die einen vordefinierten und örtlich veränderbaren Druck auf die Flächen der Oberflächen der Halbleiterschichten 1, 1' ausübt, so dass eine vordefinierte Krümmung erreicht wird.
  • In den Ausführungsbeispielen kann auch auf beide zu verbindenden Oberflächen der Halbleiterschichten der Klebstoff aufgebracht werden. Es kann natürlich auch ein Schichtpaket 5 aus mehreren verkrümmten Halbleiterschichten hergestellt werden.
  • Die Erfindung wurde unter Einbeziehung von Figuren und Ausführungsbeispielen beschrieben, ist aber nicht auf diese beschränkt.
  • 1
    erste Ausgangs-Halbleiterschicht
    1'
    zweite Ausgangs-Halbleiterschicht
    2
    Klebstoff
    3
    Beheizbare Unterlage
    4
    Beheizbarer Stempel
    5
    Schichtpaket
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10313062 A1 [0006]

Claims (28)

  1. Verfahren zur Herstellung eines auf einem Nitrid der Gruppe III basierenden Halbleitersubstrates (5) mit vordefinierter Krümmung aus zwei gekrümmten Halbleiterschichten (1, 1') bestehend aus einem Nitrid der Gruppe III, umfassend die folgenden Schritte: – Auswählen zweier zu verbindender Oberflächen der Halbleiterschichten (1, 1'); – Auftragen eines Klebstoffes (2) auf die zu verbindende Oberfläche mindestens einer der Halbleiterschichten (1, 1'); – Anordnen der zweiten Halbleiterschicht (1', 1) auf der mit Klebstoff (2) versehen Oberfläche der ersten Halbleiterschicht (1, 1'); – Zusammendrücken und Erhitzen der Halbleiterschichten (1, 1') auf eine erste vordefinierte Temperatur unterhalb derer sich die Oberflächen der Halbleiterschichten (1, 1') zersetzen, wobei der Druck derart verteilt ist, dass ein planparalleles Halbleiterschichtsubstrat (5) gebildet und eine vordefinierte Krümmung des Substrats (5) erreicht wird; – Halten der ersten vordefinierten Temperatur für einen vordefinierten Zeitraum; und – Abkühlen des erhaltenen Halbleiterschichtsubstrats mit vordefinierter Krümmung (5).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Zusammendrückens und Erhitzens auf eine erste vordefinierte Temperatur die folgenden Schritte umfasst: – Erhitzen der Halbleiterschichten (1, 1') auf eine zweite vordefinierte Temperatur unterhalb der ersten vordefinierten Temperatur die derart ausgebildet ist, dass der Klebstoff schmilzt und Zusammendrücken der Halbleiterschichten (1, 1'); – Erhöhen der Temperatur auf die erste vordefinierte Temperatur unterhalb derer sich die Oberflächen der Halbleiterschichten (1, 1') zersetzen;
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das Auswählen zweier zu verbindender Oberflächen der Halbleiterschichten (1, 1') derart erfolgt, dass die zu verbindenden Oberflächen entgegengesetzt gekrümmt sind.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend die weiteren Schritte: – Bereitstellen einer Presse, deren Pressflächen eine vordefinierte Krümmung derart aufweisen, dass sie passgenau zusammengefügt werden können; – Anordnen der Halbleiterschichten (1, 1') in der Presse, wobei die nicht mit Klebstoff (2) versehene Oberfläche der ersten Halbleiterschicht (1, 1') auf einer Pressfläche der Presse aufliegt; – Zusammendrücken der beiden Halbleiterschichten (1, 1') mittels der Presse; – Erhöhen des Anpressdrucks der Presse bis beide planparallelen Halbleitersubstrate (1, 1') ein planparalleles Halbleiterschichtsubstrat (5) bilden und die den Pressflächen zugewandten Oberflächen der Halbleiterschichten (1, 1') an diesen anliegen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die vordefinierte Krümmung der herzustellenden Halbleiterstruktur (5) null ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pressflächen der Presse eben und parallel zueinander ausgebildet sind, sodass die erhaltene Schichtstruktur (5) eine geringere Krümmung als die Ausgangskrümmungen der Halbleiterschichten (1, 1') aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Presse aus einer beheizbaren Unterlage (3) und einem Stempel (4) besteht.
  8. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Saccharose als Kleber (2) oder ein keramischer Hochtemperaturkleber verwendet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine gesättigte Saccharoselösung als Kleber (2) verwendet wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Krümmungsradien der mindestens zwei planparallelen Halbleiterschichten (1, 1') im wesentlichen gleich sind.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei sich die Krümmungsradien der mindestens zwei planparallelen Halbleiterschichten (1, 1') sich um weniger als 10% unterscheiden, bevorzugt um weniger als 5%, noch bevorzugter um weniger als 2%
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Krümmungsradius der gekrümmten Halbleiterschichten (1, 1') zwischen 20 cm und 100 cm liegt.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschichten (1, 1') eine Schichtdicke von 50 μm bis 200 μm aufweisen, bevorzugt 100 μm bis 150 μm aufweisen.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite vordefinierte Temperatur zwischen 100°C und 200°C, bevorzugt zwischen 100°C und 180°C, noch bevorzugter bei etwa 160°C liegt.
  15. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste vordefinierte Temperatur unterhalb von 800°C, bevorzugt unterhalb von 500°C liegt.
  16. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste vordefinierte Temperatur zwischen 200°C und 300°C, bevorzugt zwischen 230°C und 270°C, noch bei etwa 250°C liegt.
  17. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Schichten (1, 1') vor dem Zusammendrücken nur in ihrem jeweiligen Extremum berühren.
  18. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste vordefinierte Temperatur für einen Zeitraum von einigen Minuten gehalten wird.
  19. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stempel (4) ebenfalls beheizbar ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Temperatur des beheizbaren Stempels (4) der Temperatur der Unterlage (3) entspricht.
  21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und zweite Halbleiterschicht (1, 1') aus dem gleichen Nitrid der Gruppe III bestehen.
  22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ferner der Schritt des Bereitstellens einer gekrümmten, planparallelen Halbleiterschicht (1, 1') die Schritte umfasst: – Beschichten der nicht zum späteren Wachstum zu verwendenden Oberfläche einer Halbleiterstartschicht (1, 1') mit einem Klebstoff; – Kleben der mit Klebstoff versehenen Oberfläche auf eine Unterlage; – Lappen und Polieren der ersten Halbleiterstartschicht derart, dass eine Inhomogenität der Schichtdicke ausgeglichen wird, wodurch eine planparallele Halbleiterschicht (1, 1') erhalten wird; – Ablösen der planparallelen Halbleiterschicht (1, 1') von der Unterlage;
  23. Halbleiterschichtstruktur, umfassend: – eine erste planparallele Halbleiterschicht (1) aus einem Nitrid der Gruppe III; – ein zweite planparallele Halbleiterschicht (1') aus einem Nitrid der Gruppe III; und – eine Klebstoffschicht (2) oder Zerfallsprodukte einer Klebstoffschicht (2) angeordnet zwischen der ersten planparallelen Halbleiterschichtstruktur (1) und der zweiten planparallelen Halbleiterschichtstruktur (1').
  24. Halbleiterschichtstruktur nach Anspruch 23, wobei der Klebstoff (2) Saccharose ist und das Zerfallsprodukt Kohlenstoff ist.
  25. Halbleiterstruktur nach Anspruch 23 oder 24, wobei die einzelnen durch Klebstoff (2) getrennten Halbleiterschichten (1, 1') eine Schichtdicke von 50 μm bis 200 μm aufweisen, bevorzugt 100 μm bis 150 μm aufweisen.
  26. Halbleiterschichtstruktur nach Anspruch 23, wobei die erste und zweite Halbleiterschicht (1, 1') aus dem gleichen Nitrid der Gruppe III bestehen.
  27. Verwendung von Saccharose als Klebstoff (2) zur Verbindung zweier Halbleiterschichten (1, 1') bestehend aus Nitriden der Gruppe III.
  28. Verwendung nach Anspruch 23, wobei die Saccharose als bei Raumtemperatur gesättigte Saccharoselösung verwendet wird.
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