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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
Schicht aus Material, das wenigstens teilweise entspannt ist, für
Elektronik, Optoelektronik oder Photovoltaik, das die Bereitstellung
einer Struktur, die eine Schicht aus gespanntem Material umfasst,
die sich zwischen einer Reflow-Schicht und einer Versteifungsschicht
befindet, und die Anwendung einer Wärmebehandlung einschließt,
mit der die Reflow-Schicht auf eine Temperatur gebracht wird, die
der Glasübergangstemperatur der Reflow-Schicht entspricht
oder höher als diese.
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Die
Erfindung betrifft des Weiteren die Herstellung von Halbleitervorrichtungen
aus der Schicht aus Material, das wenigstens teilweise entspannt
ist.
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Stand der Technik
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Wenn
Substrate in massiver Form nicht verfügbar sind oder sehr
teuer sind, können sie durch epitaxiales Aufwachsen auf
Impfsubstraten gewonnen werden. Die Eigenschaften dieser Impfsubstrate entsprechen
jedoch nicht immer den Materialien, von denen das Wachstum ausgeführt
werden soll. Impfsubstrate können vielmehr einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
und einen Gitterparameter aufweisen, die sich von denen der Materialien
unterscheiden, von denen das Wachstum ausgeführt werden
soll, was eine bestimmte Anzahl von Defekten in der ausgebildeten
Schicht verursacht, so beispielsweise Risse, die während
des Aufwachsens oder des Abkühlens der Struktur entstehen
können, oder das Vorhandensein von Gitterdefekten, durch
die die Effektivität der später ausgebildeten
Vorrichtungen verringert wird, oder auch die Druckspannung oder
Zugspannung der Schicht.
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Es
sind Methoden zum Entspannen derartiger Schichten aus gespanntem
Material bekannt, insbesondere das Einfügen einer Reflow-Schicht
zwischen die gespannte Schicht und ein Trägersubstrat. Dies
Methoden zeitigen jedoch keine vollständig zufriedenstellenden
Ergebnisse, d. h., die gespannte Schicht wird nicht immer oder vollständig
elastisch entspannt. Die Struktur, die aus einem Schichtstapel besteht,
kann auch beeinträchtigt werden, und die zu entspannende
Schicht kann vom Rest der Struktur gelöst werden. Des Weiteren kann,
wenn das Material unter Druck gespannt wird, diese elastische Entspannung
zu Wölbung des Materials führen, wobei die Rauhigkeit
und die Amplitude zwischen den Spitzen und Tälern der gewölbten
Schicht nicht mit den gewünschten Einsatzzwecken in Übereinstimmung gebracht
werden können. Wenn das Material unter Zug gespannt wird,
führt die Entspannung häufig zu Rissen und zu
einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit.
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Der
Artikel "Buckling suppression of SiGe islands an
compliant substrates" von H. Yin et al. (im Journal of
Applied Physics, Vol. 94, Nummer 10, veröffentlicht am
15. November 2003) beschreibt die elastische Entspannung,
Entspannung in Querrichtung und Wölbungs-Entspannung von
unter Druck gespannten Materialien als Umsetzung zweier widerstreitender
Erscheinungen. Gemäß diesem Dokument besteht eine
erste Erscheinung aus der Entspannung in Querrichtung des gespannten
Materials, wobei diese Entspannung dann von den Rändern des
Films oder Inseln, die in dem Film ausgebildet sind, zur Mitte des
Films bzw. der Insel verläuft. Es wird erläutert,
dass die Entspannung in Querrichtung umso schneller abläuft
(wobei sie durch die Dicke der gespannten Materialschicht verstärkt
wird), je kleiner die Insel ist. Diese Entspannung in Querrichtung
ermöglicht es, einen Film aus im Wesentlichen flachen entspannten
Material mit geringer Oberflächenrauhigkeit zu gewinnen.
Beispielsweise entsteht bei der Entspannung in Querrichtung von
60 × 60 μm großen SiGe-Inseln aus Epitaxie
auf einem Ausgangs-Siliziumsubstrat mit einem Germaniumgehalt von
30% ein flacher Film, dessen Rauhigkeit rms weniger als 2 nm beträgt.
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Die
zweite Erscheinung ist, wie in dem erwähnten Artikel erläutert,
Entspannung durch Wölbung, bei der die Geschwindigkeit
nicht von der Oberfläche des Films oder der Insel, der/die
entspannt werden soll/sollen, abhängt, sondern von der Belastung
in dem Material. Durch Wölbung entsteht ein Film, der wenigstens
teilweise entspannt, jedoch sehr rau ist, und es kommt sogar zu
Bruchbildung des Films, wenn die Rauhigkeit einen kritischen Wert übersteigt.
Diese Erscheinung wird durch relativ dünne Filme weiter
gefördert, die einfache Krümmung ermöglichen.
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Um
ein entspanntes Material mit der besten Morphologie zu gewinnen,
schlägt H. Yin vor, das Wölbungsphänomen
zu verlangsamen und das Phänomen Entspannung in Querrichtung
zu fördern. Dazu wird vorgeschlagen, eine Schicht aus nicht
gespanntem Material auf dem zu entspannenden Film aus Material abzuscheiden.
Durch diese Schicht kann die Gesamtdicke des Materials auf der Reflow-Schicht
erhöht werden, indem eine Doppelschicht (gespannte Materialschicht
und Abdeckschicht) ausgebildet wird, so dass die Geschwindigkeit
der Entspannung in Querrichtung erhöht werden kann. Die
Abscheidung dieser Ab deckschicht ermöglicht auch eine zweischichtige
Struktur, die mechanisch steifer ist und die eine geringere Neigung
zur Krümmung aufweist. Des Weiteren ist, da die mittlere Spannung
in der Doppelschicht aufgrund des freien Abscheidens der Abdeckschicht
geringer ist, die Wölbungskraft geringer. Jedoch bleibt
es bei Wärmebehandlung bei nur teilweiser Entspannung in
dem anfangs gespannten Material. Das heißt, die Entspannung
wird unterbrochen, wenn die Spannungen in der Doppelschicht im Gleichgewicht
sind. Daher wird ein Mehrfachzyklusverfahren vorgeschlagen, um Entspannung
in Querrichtung auf Kosten von Wölbungsentspannung zu fördern.
Dies bedeutet, dass Wärmebehandlung der Doppelschicht ausgeführt wird,
bis die durch das neue Spannungsgleichgewicht ermöglichte
Entspannung erreicht ist, dann wird die Abdeckschicht auf eine vorgegebene
Dicke verringert, die ein neues Spannungsgleichgewicht und die Herstellung
einer neuen Teilentspannung am Ende der zweiten Entspannungs-Wärmebehandlung ermöglicht,
während gleichzeitig das Phänomen der Wölbungsentspannung
reduziert wird. Diese Schritte der Verdünnungs-/Wärmebehandlung
werden wiederholt, bis die Abdeckschicht vollständig entfernt
ist. Die Dicke der zu entfernenden Abdeckschicht kann bei jedem
Zyklus identisch sein oder kann variabel sein und kann so definiert
sein, dass sie die Hälfte der Dicke der Abdeckschicht aus
dem vorhergehenden Zyklus ist. Optimierung der Zyklen, die diese zwei
Varianten kombinieren, ist ebenfalls vorgesehen, aber die Umsetzung
des Entspannungsverfahrens dauert relativ lang.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die erwähnten Nachteile
zu beheben und ein Verfahren zum Herstellen einer Schicht aus Material,
das wenigstens teilweise entspannt ist, für Elektronik,
Optoelektronik oder Photovoltaik vorzuschlagen, das schnell, effektiv
und praktisch umzusetzen ist.
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Gemäß der
Erfindung wird diese Aufgabe durch die Tatsache erfüllt,
dass das Verfahren eine zunehmende Verringerung der Dicke der Versteifungsschicht
während der Anwendung der Wärmebehandlung umfasst.
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Auf
besonders vorteilhafte Weise umfasst das Herstellungsverfahren zusätzlich
einen Schritt des Ausbildens von Inseln, insbesondere durch Ätzen
oder elektromagnetische Bestrahlung der gespannten Materialschicht
vor dem Anwenden der Wärmebehandlung.
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Gemäß einer
speziellen Ausführungsform der Erfindung wird die gespannte
Materialschicht über die folgenden aufeinanderfolgenden
Schritte ausgebildet:
- a) Abscheiden der monokristallinen
oder polykristallinen gespannten Materialschicht auf einem Keimbildungssubstrat
- b) Zusammensetzen der gespannten Materialschicht und eines Trägersubstrats über
eine Reflow-Schicht
- c) wenigstens teilweise Entfernung des Keimbildungssubstrats.
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Gemäß einer
anderen speziellen Ausführungsform der Erfindung wird das
Keimbildungssubstrat teilweise entfernt, und die Versteifungsschicht wird
wenigstens teilweise durch den Rest des Keimbildungssubstrats gebildet.
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Gemäß einem
speziellen Aspekt der Erfindung besteht die Reflow-Schicht aus wenigstens
einem Material mit niedriger Viskosität, d. h., das Material
ist ein Borphosphorsilikat-Glas, das zwischen 3 und 7% und vorzugsweise
zwischen 3 und 5% Bor umfasst.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Versteifungsschicht
aus GaN, die gespannte Materialschicht besteht aus InGaN, und das Ätzen
der Versteifungsschicht wird in einer Atmosphäre durchgeführt,
die HCl umfasst.
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Die
Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen von
Halbleitervorrichtungen, das die Bereitstellung einer Schicht aus
einem Material, das wenigstens teilweise entspannt ist, gemäß der
Erfindung und die Ausbildung wenigstens einer aktiven Schicht auf
der wenigstens teilweise entspannten Materialschicht umfasst. Diese
aktiven Schichten sind die aktiven Schichten von Laser-Komponenten,
Photovoltaik-Komponenten oder Elektrolumineszenzdioden.
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Gemäß einem
speziellen Verfahren der Erfindung besteht die wenigstens teilweise
entspannte Materialschicht aus einem III/N-Material, die aktive Schicht
bzw. Schichten besteht/bestehen aus einem III/N-Material, und die
Ausbildung der aktiven Schicht oder Schichten wird durch Epitaxie
an der Außenfläche des III-Elementes des Materials
aus der wenigstens teilweise entspannten Materialschicht ausgeführt.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Andere
Eigenschaften, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der
folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei:
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1 und 2 eine
erste Ausführungsform gemäß der Erfindung
darstellen.
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3 und 4 eine
andere Ausführungsform gemäß der Erfindung
darstellen.
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5 bis 8 die
verschiedenen Schritte der Herstellung eines Substrats zum Entspannen
einer gespannten Schicht gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung darstellen.
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9 bis 11 eine
Abwandlung zum Herstellen eines Substrats zum Entspannen einer gespannten
Schicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
darstellen.
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12 bis 14 die
Herstellung aktiver Schichten auf einer Schicht aus Material darstellen, das
wenigstens teilweise entspannt ist, die gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung erzeugt wurde,.
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15 bis 17 ein
Beispiel der Umsetzung des Verfahrens zum Herstellen eines Substrats zum
Entspannen einer gespannten Schicht gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung darstellen.
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18 bis 20 ein
Beispiel der Umsetzung des Verfahrens zum Entspannen der Inseln
der gespannten Materialschicht gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung und der Übertragung von Inseln zum Freilegen
der gewünschten Polarität des Materials darstellen.
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Ausführliche Beschreibung
der Erfindung
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1 stellt
eine Struktur dar, die eine Schicht aus gespanntem Material 3 umfasst,
die sich zwischen einer Reflow-Schicht 2 und einer Versteifungsschicht 4 befindet.
Vorzugsweise umfasst Struktur 10 auch ein Trägersubstrat 1,
auf dem die Reflow-Schicht 2 liegt. Dadurch wird die Steifigkeit der
Struktur 10 während der Anwendung der Wärmebehandlung
verstärkt.
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Die
Wärmebehandlung wird angewendet, um die Reflow-Schicht 2 auf
eine Temperatur zu bringen, die seiner Glasübergangstemperatur
entspricht oder darüber liegt, wobei dabei die Dicke der
Versteifungsschicht 4 zunehmend verringert wird, wie dies
in 2 dargestellt ist.
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Es
wurde angemerkt, dass ein Material als durch Zug oder Druck an der
Grenzflächenebene mit dem Material, auf dem es liegt, gespannt
bezeichnet wird, wenn sein Gitterparameter größer
oder kleiner ist als sein Soll-Gitterparameter, d. h. sein Gitterparameter
im natürlichen Zustand. Es wird auch darauf hingewiesen,
dass der Begriff ”Schicht” im weitesten Sinne
zu verstehen ist, d. h., dass die Schicht durchgehend oder nicht
durchgehend sein kann.
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Unter
Reflow-Schicht ist eine Schicht aus einem amorphen Material zu verstehen,
das fließt und viskos wird, wenn es auf eine Temperatur
jenseits seiner Glasübergangstemperatur gebracht wird.
Vorzugsweise wird eine Reflow-Schicht mit niedriger Viskosität
für die Erfindung eingesetzt, d. h. eine Schicht, deren
Glasübergangstemperatur relativ niedrig ist. Die Glasübergangstemperatur
eines Oxids mit hoher Viskosität liegt beispielsweise in
der Größenordnung von 1000°C oder auch
unterhalb von 1200°C, und die Glasübergangstemperatur
eines Oxids mit niedriger Viskosität liegt zwischen 600°C und
1000°C.
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Das
amorphe Material der Reflow-Schicht gemäß der
Erfindung kann ein Glas, wie beispielsweise ein Glas auf Siliziumbasis,
oder ein Oxid, wie beispielsweise SiO2,
sein, das mit Bor oder mit Bor und Phosphor dotiert ist, um ein
Borsilikatglas oder Borphosphorsilikat-Glas auszubilden. Da der
Anteil an Bor die Glasübergangstemperatur des Oxids bestimmt,
ist es damit möglich, die Oxidzusammensetzung so festzulegen,
dass sie bei der gewünschten Temperatur viskos wird. Beispielsweise
beträgt die Glasübergangstemperatur einer Schicht
aus Borphosphorsilikat-Glas, das 4,5% Bor enthält, ungefähr 650°C.
Das Material der Reflow-Schicht 2 kann so ausgewählt
werden, dass die Wärmebehandlung zwischen 750°C
und 1050°C ausgeführt werden kann, und vorzugsweise
zwischen 850°C und 950°C.
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Gemäß einer
speziellen Ausführungsform der Erfindung besteht die Reflow-Schicht 2 aus
Borphosphorsilikat-Glas, und der Borgehalt des Oxids liegt vorzugsweise
zwischen 7% und 3%. Wenn bei einer Temperatur über 850°C
gearbeitet werden soll, beträgt der Borgehalt vorzugsweise
4% oder weniger.
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So
kann, wenn die Reflow-Schicht 2 der Struktur 10 über
die Glasübergangstemperatur hinaus erhitzt wird, bei der
das Material der Schicht in den viskosen Zustand übergehen
kann, die gespannte Materialschicht 3 wenigstens teilweise
entspannt werden, so dass eine Schicht 5 aus Material entsteht, das
wenigstens teilweise entspannt ist. Diese Entspannung wird durch
elastische Verformung erreicht, die aufgrund des Vorhandenseins
der Versteifungsschicht 4 an der Oberfläche hauptsächlich
in Querrichtung stattfindet. Die Versteifungsschicht 4 trägt dazu
bei, die Geschwindigkeit der Verformung durch Wölben, durch
Ausbilden von Rissen oder durch Vergrößern von
Oberflächenrauhigkeit zugunsten von Verformung in Querrichtung
zu begrenzen. Das Versteifungsmittel 4, das im Kontakt
mit der gespannten Materialschicht 3 ist, wirkt jedoch
der Entspannung des gespannten Materials entgegen. Solange die durch
das Versteifungsmittel ausgeübte Gegenwirkung, die teilweise
von der Dicke des letzteren abhängt, im Vergleich mit der
Kraft, die Entspannung fördert, nicht unerheblich ist,
findet die Entspannung des gespannten Materials nur teilweise statt.
Daher wird die Dicke des Versteifungsmittels 4 zunehmend verringert,
während gleichzeitig die Reflow-Schicht 2 auf
einer Temperatur über der Glasübergangstemperatur
gehalten wird und so die wirkenden Kräfte kontinuierlich
wieder ins Gleichgewicht gebracht werden und eine vollständige
oder wenigstens teilweise Entspannung in Querrichtung des gespannten
Materials erreicht werden kann.
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Vorzugsweise
wird die Reflow-Schicht 2 über ihre Glasübergangstemperatur
hinaus erwärmt, indem die gesamte Struktur 10 in
einer Erwärmungsvorrichtung so erwärmt wird, dass
alle Schichten, die die Struktur 10 bilden, ebenfalls ewärmt
werden. Es kann jedoch auch geplant werden, eine lokale Wärmebehandlung
an der Reflow-Schicht 2 durchzuführen.
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Die
Versteifungsschicht 4 kann auch aus einem Material bestehen,
das so abgeschieden wird, dass es nicht gespannt ist, oder vorzugsweise
mit einer Druck- oder Zugspannung, wenn die Schicht aus Material 3 Druck-
oder Zugspannung aufweist. Die eingesetzten Abscheidungsverfahren
können aus chemischer Abscheidung aus der flüssigen
Phase, chemischer Abscheidung aus der Gasphase oder Molekularstrahl-Abscheidung
ausgewählt werden.
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Das
Material der Versteifungsschicht 4 kann monokristallin,
polykristallin oder amorph sein. Es sollte thermomechanischn Eigenschaften
aufweisen, die so angepasst sind, dass ausreichende Steifigkeit bei
den betreffenden Temperaturen gewährleistet ist und die
gewünschte Versteifungswirkung erzielt wird. Das Material
kann Germanium oder Silizium sein oder aus einem III/N-Material
bestehen. Wenn Silizium ausgewählt wird, ist das Silizium
vorzugsweise polykristallin, da es weniger kostenaufwändig
auszubilden ist. Seine Dicke kann zwischen 50 nm und 1 μm
betragen.
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Das
Verfahren zum zunehmenden Reduzieren der Dicke der Versteifungsschicht 4 kann
Trockenätzen oder plasmagestütztes Trockenätzen sein,
oder Trockenätzen durch chemische Reaktion in der Gasphase.
Die verwendete Ätzmethode muss kompatibel mit der Temperatur
der Wärmebehandlung sein, die auf die Struktur angewendet
wird.
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Die
Dicke der Versteifungsschicht 4 kann reduziert werden,
bis die Schicht vollständig entfernt ist. Obwohl die Dauer
der Wärmebehandlung vom Ende des Ätzens abhängt,
ist es möglich, dass das gespannte Material von Schicht 3 nicht
vollständig oder ausreichend entspannt ist. In diesem Fall
kann die Wärmebehandlung über mehrere Stunden
fortgesetzt werden, beispielsweise um die Entspannung des gespannten
Materials abzuschließen und eine Schicht 5 aus
Material zu erhalten, das vollständig oder wenigstens teilweise,
hauptsächlich in Querrichtung, entspannt ist.
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Entsprechend
den thermomechanischen Eigenschaften des gespannten Materials aus
Schicht 3 und insbesondere seines Elastizitätsmoduls
und des Volumens des zu entspannenden Materials kann der Fachmann
leicht die erforderlichen Anpassungen vornehmen, um die Verringerung
der Versteifungsschicht so zu optimieren, dass die Schicht aus Material 3 wenigstens
teilweise, vorzugsweise in Querrichtung, entspannt wird, während
gleichzeitig die Ausbildung von Wölbung, Rissen und Oberflächenrauhigkeit
vermieden wird.
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Die
Schicht 3 aus gespanntem Material besteht vorzugsweise
aus einem polykristallinen oder monokristallinen Material. Gemäß einer
Ausführungsform entsprechend der Erfindung ist das gespannte
Material ein III/N-Material, das Materialien aus Elementen der Gruppe
III sowie binäre, ternäre oder quaternäre
Legierungen auf Stickstoffbasis umfasst. Vorzugsweise ist das III/N-Material
monokristallines InGaN mit einem Indiumgehalt zwischen 3 und 35%.
Noch besser hat das InGaN einen Indiumgehalt zwischen 5 und 10%.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung kann die Schicht 3 aus gespanntem
Material in Inseln aus Materialien 3a, 3b geschnitten
sein, wie dies in 3 dargestellt ist. Diese Inseln
ermöglichen es, die Entspannung durch Wölben oder
Ausbilden von Rissen einzuschränken, während Entspannung in
Querrichtung gefördert wird. Es wird so möglich, die
Geschwindigkeit der Dickenverringerung der Versteifungsschicht 4 zu
beschleunigen, wäh rend gleichzeitig die hauptsächlich
in Querrichtung stattfindende Entspannung beibehalten wird, durch
die ein Material entsteht, das wenigstens teilweise in Querrichtung
entspannt ist, wie es in 4 mit 5a und 5b dargestellt
ist. Diese Inseln können jede beliebige Form und Größe
haben. Quadratisch geformte Inseln werden aus praktischen Gründen
bezüglich ihrer Herstellung bevorzugt. Ihre Größen
können entsprechend der Anfangsspannung des Materials von 100 μm × 100 μm
bis 3 mm × 3 mm variieren. Sie können durch elektromagnetische
Strahlung mit einer Strahlungsquelle ausgebildet werden, deren Wellenlänge
den absorbierenden Eigenschaften des Materials entspricht. Beispielsweise
kann ein Laser die Ausbildung von Inseln in einem III/N-nitrierten
Material ermöglichen, und zwar ermöglicht insbesondere ein
Laser mit einer Wellenlänge von weniger als 400 nm das Ätzen
von Gräben zum Ausbilden von GaN-Inseln. Die Inseln können
auch durch Maskieren und Ätzen ausgebildet werden, wie
dies dem Fachmann bekannt ist.
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Gemäß einer
Abwandlung der Erfindung werden Muster 2a, 2b,
die auf die Inseln des gespannten Materials 3a, 3b ausgerichtet
sind, in wenigstens einem Teil der Dicke der Reflow-Schicht 2 ausgebildet,
um den Wölbungsvorgang oder die Ausbildung von Rissen weiter
zu verringern, wenn sich das gespannte Material entspannt. Je nach
den Umständen werden die Muster der gesamten Dicke der Reflow-Schicht 2 ausgebildet,
bis separate Inseln entstanden sind, wie dies in 3 dargestellt
ist. Vorzugsweise haben diese Inseln 2a, 2b die
gleiche Größe wie Inseln 3a, 3b des
gespannten Materials.
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Gemäß der
Ausführungsform zum Ausbilden dieser Inseln 3a, 3b wird
die Versteifungsschicht 4 ebenfalls in Form von Inseln 4a, 4b geschnitten,
die auf die Inseln aus gespanntem Material 3a, 3b ausgerichtet
sind, wie dies in 3 dargestellt ist, um die Entspannung
in den Inseln 5a, 5b zu optimieren, wie dies in 4 dargestellt
ist.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen der Struktur 10.
Die gespannte Materialschicht 3 wird, wie in 5 dargestellt,
zuerst beispielsweise mittels Epitaxie auf einem Keimbildungssubstrat 11 abgeschieden,
bei dem sich der Gitterparameter des Materials von dem des Material
von Schicht 3 unterscheidet. Die Epitaxie kann entsprechend
einem bekannten Verfahren, wie beispielsweise MOVPE (Metal Organic
Vapor Phase Epitaxy) oder MBE (Molecular Beam Epitaxy) ausgeführt
werden, und so entsteht eine Schicht 3, die durchgehend aus
einem monokristallinen oder polykristallinen gespannten Material
besteht. Eine Schicht 3 aus polykristallinen Material kann
auch durch einfaches Abscheiden erzeugt werden. Die Dicke dieser
gespannten Materialschicht 3 ist vorzugsweise begrenzt,
um zu verhindern, dass die akkumulierte Belastung zu plastischer
Verformung führt und dadurch die kristallografische Qualität
des Materials von Schicht 3 verändert wird. Sie
kann entsprechend der Art der eingesetzten Materialien zwischen
50 nm und 2 μm variieren, ohne dass während des
Aufwachsens Defekte in Form von Versetzung oder Rissen entstehen.
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Wenn
die Epitaxie mit einer auf dem Keimbildungssubstrat ausgebildeten
Maske ausgeführt wird, kann eine diskontinuierliche Schicht 3 erzeugt
werden, die Inseln 3a, 3b mit einer Größe
umfassen kann, die von 50 μm × 50 μm
bis 3 mm × 3 mm reicht. Sie können darüber
hinaus jede beliebige Form haben. Das Keimbildungssubstrat 11 kann
aus massivem oder aus Verbundmaterial bestehen. Ein Verbundsubstrat 11,
das eine Impfschicht 15, auf der die Schicht 3 ausgebildet
wird, und einen mechanischen Träger 16 (in den
Figuren nicht dargestellt) umfasst, weist den Vorteil auf, dass
die Impfschicht 15 und der mechanische Träger 16 aufgrund
des Wärmeausdehnungskoeffizienten individuelle Gitterparameter und
Spannung aufweisen können und beispielsweise die Kosten
für das Substrat begrenzt werden können, wenn
der mechanische Träger 16 polykristallin ist oder
wenn er wiederverwendet werden kann.
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Eine
Reflow-Schicht 2, 2a, 2b wird, wie unter Bezugnahme
auf 6 zu sehen ist, auf der gespannten Materialschicht 3, 3a, 3b oder
auf der gespannten Materialschicht, 3, 3a, 3b und
dem Trägersubstrat 1 abgeschieden. Die Außenflächen
von Schicht 3, 3a, 3b und von Trägersubstrat 1 werden dann über
die Reflow-Schicht 2, 2a, 2b zusammengesetzt,
wie dies in 7 dargestellt ist. Dieses Zusammensetzen
kann Bonden durch Molekularadhäsion umfassen. Die Reflow-Schicht 2, 2a, 2b kann dann
in einer Dicke von 0,1 μm bis 5 μm vorhanden sein.
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Das
Keimbildungssubstrat 11 wird dann wenigstens teilweise
von der Schicht 3 entfernt. Wenn die Entfernung, beispielsweise
durch mechanisches oder chemisches Verdünnen oder durch
elektromagnetische Bestrahlung an der Grenzfläche mit Schicht 3,
abgeschlossen ist, wird die Versteifungsschicht 4, 4a, 4b direkt
auf der freiliegenden Fläche der gespannten Materialschicht 3, 3a, 3b abgeschieden,
bis die gewünschte Dicke erreicht ist, so dass die in 8 dargestellte
Struktur 10 entsteht.
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Teilweises
Entfernen des Keimbildungssubstrats 11 kann durch mechanisches
und/oder chemisches Verdünnen oder durch Abspalten, beispielsweise
an einer Versprödungszone 13 in dem Substrat 11,
erzielt werden, wie dies in 9 und 10 dargestellt
ist. Diese Versprödungszone ist zuvor in dem Substrat 11 ausgebildet
worden, indem Ionenverbindungen eingefügt werden, beispielsweise
entsprechend der sogenannten Smart CutTM-Methode,
wie dies in 9 dargestellt ist. Der Rest 14 des
Keimbildungssubstrats 11, das in 11 dargestellt
ist, kann dann wenigstens einen Teil der Versteifungsschicht 4 bilden.
Eine Schicht aus Material kann auch auf diesem Rest 14 abgeschieden
werden, um die Ausbildung der gewüschten Versteifungsschicht 4 abzuschließen.
Als Alternative dazu kann der Rest 14 vor der Ausbildung
der Versteifungsschicht 4 entfernt werden. Die Dicke des
Restes 14 variiert entsprechend der Energie der implantierten
Ionenverbindungen und der Dicke der Schichten aus Material, über die
sich diese Verbindungen erstrecken. Sie kann zwischen 50 nm und
1 μm betragen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird, wenn die Wärmebehandlung
angewendet wird und eine Schicht 5, 5a, 5b aus
Material, die wenigstens teilweise, vorzugsweise in Querrichtung,
entspannt ist, wie dies in 12 dargestellt
ist, erzeugt worden ist, der mögliche Rest der Versteifungsschicht 4, 4a, 4b entfernt,
und Epitaxie einer oder mehrerer Schichten aus Material wird durchgeführt, um
eine oder mehrere aktive Schichten 6, 6a, 6b auszubilden,
wie dies in 13 dargestellt ist. Die Materialien
der Schichten 5, 5a, 5b werden vorzugsweise so
gewählt, dass sie, wenn sie wenigstens teilweise in Querrichtung
entspannt sind, einen Gitterparameter aufweisen, der identisch mit
dem des Materials der gewünschten aktiven Schichten 6, 6a, 6b oder diesem
sehr nahe ist. Da diese Schichten 5, 5a, 5b als
Impfschichten verwendet werden, haben die so erzeugten aktiven Schichten 6, 6a, 6b sehr
gute kristallografische Qualität. Bei einer vollständig
entspannten Schicht 5, 5a, 5b aus InGaN,
dessen Indium-Gehalt zwischen 5 und 10% beträgt, besteht
das Material wenigstens einer der aktiven Schichten 6 vorzugsweise
aus InGaN, das Indium in einem Bereich von 5 bis 10% umfasst. Die
aktiven Schichten 6 werden so entspannt und weisen eine
Durchstoßversetzungsdichte (threading dislocation density)
von 5,10e8/cm2 oder
weniger auf. Sie können eine kumulative Dicke von 100 nm
bis 2 μm aufweisen. Diese Schichten haben die erforderlichen
kristallografischen Eigenschaften für den Einsatz als Laser-
oder Photovoltaik-Komponenten oder Elektrolumineszensdioden.
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Des
Weiteren ist, wenn die Epitaxie der aktiven Schichten 6, 6a, 6b direkt
auf Struktur 10 ausgeführt wird, die Temperatur
der Wärmebehandlung, die Entspannung ermöglicht,
vorzugsweise größer als die Epitaxietemperatur
der aktiven Schichten. Wenn Epitaxie von InGaN bei 800°C
ausgeführt wird, hat das eingesetzte Borphosphosilikat-Glas
vorzugsweise einen Bor-Gehalt von weniger als 4%.
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Bei
polaren III/N-Materialien ist Epitaxie bekanntermaßen einfacher
an der Polaritätsfläche des Elementes der Gruppe
III, d. h. Gallium bei InGaN, als an einer N-Polaritätsfläche.
Es kann dann notwendig sein, die wenigstens teilweise in Querrichtung
entspannte Schicht 5, 5a, 5b aus Material
auf ein abschließendes Substrat 18, wie es in 14 dargestellt
ist, über eine Bonding-Schicht 17 zu übertragen,
damit sie die Außenfläche des Elementes der Gruppe
III für Epitaxie der aktiven Schichten aufweist.
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Ein
erstes Beispiel einer Ausführungsform gemäß der
Erfindung wird im Folgenden beschrieben. Wie unter Bezugnahme auf 15 zu
sehen ist, wird eine Schicht aus Indium-Nitrid und Gallium (InGaN) 3,
die 10% Indium enthält und eine Dicke von 50 nm hat, durch
Epitaxie auf einem Keimbildungssubstrat 11 abgeschieden,
das aus einem mechanischen Träger 16 aus Saphir
besteht, der von einer Impfschicht 15 aus Galliumnitrid
GaN abgedeckt wird.
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Diese
Schicht aus InGaN weist eine Differenz des Gitterparameters von
ungefähr 1% zu der Impfschicht 15 aus Galliumnitrid
auf, auf der sie ausgebildet ist. Sie weist eine Versetzungsdichte
von 5,108/cm2 oder
weniger und vorzugsweise eine Dichte von 1,108/cm2 oder weniger auf.
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Eine
Reflow-Schicht 2 aus Borphosphorsilikat, dessen Borgehalt
4,5% beträgt, wird dann, wie in 16 dargestellt,
auf der Schicht 3 InGaN mit einer Dicke von ungefähr
500 nm abgeschieden. Wahlweise wird eine vergrabene Schicht aus
SiO2 von 50 nm (in dem Schema nicht dargestellt)
auf der Gallium-Fläche von InGaN abgeschieden, um die Haftung des
Material an dem Substrat 1 zu verbessern.
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Wasserstoffionen
oder Wasserstoff- und Heliumionen werden dann in einer Gesamtdosis
von 2,5 bis 6,1017 Atome/cm2 über
die Schicht aus InGaN und die Schicht aus Borphosphorsilikat-Glas
in dem GaN implantiert, um eine Versprödungszone 13 auszubilden.
Diese Versprödungszone begrenzt einerseits ein Negativ 12,
das den mechanischen Träger aus Saphir und den Rest der
Galliumschicht umfasst, und andererseits einen Rest 14,
der aus GaN mit einer Dicke von 150 nm besteht, wie dies in 16 dargestellt
ist.
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Eine
Schicht aus Borphosphorsilikat-Glas wird mit einer Dicke von 1 μm
auf dem Trägersubstrat 1 abgeschieden, dann werden
die freiliegenden Flächen der Schichten aus Borphosphorsilikat-Glas,
die auf dem Träger 1 und auf der Schicht 3 aus
InGaN abgeschieden sind (in den Figuren nicht dargestellt), beispielsweise
mittels eines CMP (Chemical Mechanical Polishing)-Verfahrens poliert,
bevor sie in engen Kontakt gebracht werden. Die so ausgebildete
Reflow-Schicht 2 aus Borphosphorsilikat-Glas weist aufgrund
des Entfernens von 500 nm des Materials beim Polieren eine Dicke
von ungefähr 1 μm auf.
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Eine
abspaltende Wärmebehandlung wird dann angewendet, um den
Rest 14 von dem Negativ 12 in der Versprödungszone 13 zu
trennen, die auf dem Keimbildungssubstrat 11 ausgebildet
ist. Diese Wärmebehandlung kann durch das Wirken mechanischer
oder jeder beliebigen anderen Energie ergänzt werden. Die
Schicht 3 aus InGaN, die auf das Trägersubstrat 1 übertragen
ist, wird, wie unter Bezugnahme auf 17 zu
sehen ist, über die Reflow-Schicht 2 erzeugt,
und der Rest 14, der aus GaN besteht, wird dann als die
Versteifungsschicht 4 verwendet.
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Der
Rest 14, die gespannte Schicht 3 aus InGaN und
die Reflow-Schicht 2 werden, wie unter Bezugnahme auf 18 zu
sehen ist, optional mit einem standardgemäßen
Lithografie-/Ätzverfahren geätzt, um quadratische
Inseln zu erzeugen, die jeweils Versteifungsschichten 4a, 4b,
die gespannten Materialschichten 3a, 3b und die
Reflow-Schichten 2a, 2b umfassen und eine Abmessung
von 1 mm × 1 mm haben. Da sie an der Versteifungsschicht 4 assimiliert ist,
die vom Rest 14 ausgeht, wird sie mit 4 gekennzeichnet,
wie auch die Inseln 14a und 14b mit 4a und 4b gekennzeichnet
sind.
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Eine
Wärmebehandlung in einer neutralen Gasatmosphäre,
die HCl enthält, wird auf die Struktur angewendet, um die
Reflow-Schicht 2a, 2b über ihre Glasübergangstemperatur
hinaus zu erwärmen, so beispielsweise über 4 Stunden
auf 850°C. Die Versteifungsschicht 4a, 4b wird
während der Wärmebehandlung durch die Ätzwirkung
der Atmosphäre verdünnt, die HCl enthält.
Die Wärmebehandlung in einer neutralen Gasatmosphäre
wird über die totale Entfernung der Versteifungsschicht 4, 4a, 4b hinaus fortgesetzt,
um vollständige Entspannung in Querrichtung zu erzielen,
d. h. ohne Wölbung oder andere Beeinträchtigung
der kristallinen Qualität des Materials der Schicht 3, 3a, 3b aus
InGaN in der Schicht 5, 5a, 5b aus InGaN,
wie dies in 19 dargestellt ist.
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Die
freiliegende Fläche der Schicht aus InGaN 5, 5a, 5b weist
aufgrund ihrer Übertragung auf Substrat 1 eine
Polarität N auf. Sie wird dann über eine Bondschicht 17,
wie sie in 20 dargestellt ist, durch Zusammensetzen
der in 19 dargestellten Struktur und
Entfernung von Substrat 1 und Schichten 2a, 2b wieder
auf einen Substratträger 18 übertragen.
So weist die Schicht 5, 5a, 5b aus InGaN-Material 4, 4a, 4b eine
freiliegende Gallium-Polaritätsfläche auf. Aktive
Schichten 6, 6a, 6b, die eine oder mehrere
Schichten aus III/N-Material umfassen, so beispielsweise 10% InGaN
oder mit einem vergleichbarem Indium-Gehalt, können dann
durch Epitaxie auf der Galliumfläche der Schicht 5, 5a, 5b aus
InGaN abgeschieden werden, die vollständig und in Querrichtung
entspannt ist.
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Gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Schicht 3 aus
InGaN mit einem Indium-Gehalt von 5% unter Verwendung einer Maske
diskontinuierlich auf dem Keimbildungssubstrat 11 abgeschieden.
Die Dicke dieser Schicht beträgt 100 nm, und die so ausgebildeten
Inseln 3a und 3b haben eine Größe
von 1 mm × 1 mm.
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Die
Reflow-Schicht 2a, 2b wird ebenfalls diskontinierlich
abgeschieden und auf Inseln 3a, 3b ausgerichtet.
Das Material der Reflow-Schicht ist Borphosphorsilikat-Glas mit
4,5% Bor. Die Schicht 2a, 2b wird mit einer Dicke
von 2 μm abgeschieden. Dann werden die Schicht 3a, 3b und
das Trägersubstrat 1 über die Reflow-Schicht 2a, 2b zusammengesetzt, nachdem
ein Schritt des CMP-Polierens auf die Schicht angewendet wurde,
der Teil der Entfernung von 1 μm ihrer Dicke ist.
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Das
Keimbildungssubstrat 11 wird durch mechanisches Verdünnen
vollständig entfernt, und eine diskontinuierliche Versteifungsschicht 4a, 4b aus
polykristallinem Silizium wird auf Inseln 3a, 3b mit
einer Dicke von 200 nm abgeschieden und so abgeschieden, dass sie
auf Inseln 3a, 3b ausgerichtet wird.
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Eine
Wärmebehandlung in einem neutralen Gas und einer HCl-Atmosphäre
wird über 4 Stunden bei 950°C auf die Struktur
angewendet, um die Versteifungsschicht 4, 4a, 4b aus
Silizium zu verdünnen. Das Silizium kann bei dieser Temperatur
durch eine Atmosphäre geätzt werden, die HCl enthält,
wodurch gleichzeitig Entspannung erzielt werden kann. Die Wärmebehandlung
wird 2 Stunden lang über die vollständige Entfernung
der Versteifungsschicht 4a, 4b hinaus fortgesetzt,
um wenigstens teilweise Entspannung der Schicht 3a, 3b aus
InGaN in der Schicht 5a, 5b aus InGaN zu erzielen.
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Anschließende
Schritte zum Übertragen der Schicht 5a, 5b zum
Ausbilden aktiver Schichten 6a, 6b entsprechend
den in dem ersten Beispiel beschriebenen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ”Buckling
suppression of SiGe islands an compliant substrates” von
H. Yin et al. (im Journal of Applied Physics, Vol. 94, Nummer 10,
veröffentlicht am 15. November 2003) [0005]