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Feld der Erfindung
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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.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 SiO
2, oder durch
Bereitstellen einer stabilisierenden NH
3-Atmosphäre
vor der Zersetzung geschützt wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aufgabe und erfindungsgemäße
Lösung
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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.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche
1, 23 und 27.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Als
Kleber wird bevorzugt Saccharose, noch bevorzugter eine gesättigte
Saccharoselösung verwendet.
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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.
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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.
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Der
Klebstoff ist bevorzugt Saccharose und das Zerfallsprodukt Kohlenstoff.
Der Klebstoff kann aber auch ein keramischer Hochtemperaturkleber sein,
der aus keramischen Fasern besteht.
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Die
einzelnen, durch Klebstoff getrennten Halbleiterschichten, können
eine Schichtdicke von 50 μm bis 200 μm aufweisen,
bevorzugt 100 μm bis 150 μm.
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Die
beiden Halbleiterschichten bestehen bevorzugt aus dem gleichen Nitrid
der Gruppe III.
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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.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher
erläutert werden.
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Figuren
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Es
zeigen:
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1 Ein
dünnes, verkrümmtes Startsubstrat;
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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;
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3 Zwei
dünne verkrümmte Startsubstrate mit einer dazwischenliegenden
Klebstoffschicht in einer Vorrichtung zur Verbindung der Schichten
nach der Verbindung;
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4 Das
erfindungsgemäße Substrat nach der Herstellung
der Verbindung außerhalb der Vorrichtung zum Verbinden;
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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;
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Detaillierte Beschreibung
der Figuren
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wurde unter Einbeziehung von Figuren und Ausführungsbeispielen
beschrieben, ist aber nicht auf diese beschränkt.
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- 1
- erste
Ausgangs-Halbleiterschicht
- 1'
- zweite
Ausgangs-Halbleiterschicht
- 2
- Klebstoff
- 3
- Beheizbare
Unterlage
- 4
- Beheizbarer
Stempel
- 5
- Schichtpaket
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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