DE102014114220A1

DE102014114220A1 - Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten und Träger zum Aufwachsen von Halbleiterschichten

Info

Publication number: DE102014114220A1
Application number: DE102014114220.9A
Authority: DE
Inventors: Alexander Behres; Hans-Jürgen Lugauer; Jürgen Moosburger; Thomas Bleicher; Harald Laux; Matthias Sabathil
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-03-31
Also published as: WO2016050605A2; WO2016050605A3

Abstract

Es wird ein Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten angegeben. Dabei wird in einem Schritt A ein Träger (1) bereitgestellt. In einem Schritt B wird zumindest ein Substrat (2) auf den Träger (1) aufgebracht. Ferner wird in einem Schritt C ein Aufwachsprozess ausgeführt, bei dem eine Halbleiterschichtenfolge (20) auf eine dem Träger (1) abgewandte Hauptseite des Substrats (2) aufgewachsen wird. Die fertig gewachsene Halbleiterschichtenfolge (20) emittiert im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetischer Strahlung. In einem weiteren Schritt D wird ein Temperaturmessprozess durchgeführt, bei dem ein Temperaturprofil (3) des Substrats (2), welches während des Aufwachsprozesses in dem Substrat (2) auftritt, bestimmt wird. Zusätzlich wird ein Schritt E ausgeführt, bei dem der Träger (1) und/oder das Substrat (2) vor oder während des Aufwachsprozesses gezielt bearbeitet werden. Dadurch wird die Temperatur in ausgesuchten Bereichen des Substrats (2) verändert und ein Emissionssprofil der fertig gewachsenen Halbleiterschichtenfolge (20) geglättet.

Description

Es wird ein Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten angegeben. Darüber hinaus wird ein Träger für das Aufwachsen von Halbleiterschichten angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Aufwachsen von Halbleiterschichten anzugeben, bei dem Inhomogenitäten in der Materialzusammensetzung und der Materialstruktur der Halbleiterschichten reduziert werden können. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Träger anzugeben, mit dem ein solches Aufwachsen möglich ist.
Diese Aufgaben werden durch das Verfahren und den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten einen Schritt A, in dem ein Träger bereitgestellt wird. Bei dem Träger handelt es sich insbesondere um einen Substratträger, auf dem Aufwachssubstrate für Halbleiterschichten bevorzugt reversibel montiert und/oder befestigt werden können. Der Träger weist dazu beispielsweise Halterungsstrukturen auf, die ein Verrutschen der Substrate während des Aufwachsprozesses verhindern.
Der Träger weist insbesondere eine hohe Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel von zumindest 50 W/(m·K) oder 100 W/(m·K) oder 150 W/(m·K) auf. Dazu weist der Träger beispielsweise ein Siliziumcarbid, wie SiC, oder ein beschichtetes Graphit, zum Beispiel ein mit SiC beschichtetes Graphit, auf oder besteht daraus. Ferner ist der Träger zum Beispiel in Form einer kreisförmigen Scheibe mit zumindest einer Hauptseite ausgebildet und weist beispielsweise einen Durchmesser entlang der Hauptseite von mindestens 10 cm oder mindestens 30 cm oder mindestens 50 cm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden in einem Schritt B ein oder mehrere Substrate auf den Träger aufgebracht. Bei dem Substrat handelt es sich insbesondere um ein Aufwachssubstrat für zum Beispiel Halbleiterschichten. Das Substrat kann insbesondere eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen oder daraus bestehen: Si, GaAs, GaN, GaP, Saphir, SiC, AlN.
Das Substrat ist beispielsweise als Scheibe, insbesondere kreisförmige Scheibe, mit zumindest einer Hauptseite ausgebildet. Der Durchmesser entlang der Hauptseite beträgt zum Beispiel zumindest 5 cm oder ≥ 10 cm oder ≥ 15 cm. Alternativ oder zusätzlich ist der Durchmesser des Substrats ≤ 30 cm oder ≤ 20 cm oder ≤ 10 cm. Nach dem Schritt B verläuft die Hauptseite des Substrats bevorzugt parallel oder annähernd parallel zu der Hauptseite des Trägers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in einem Schritt C ein Aufwachsprozess durchgeführt. Bei dem Aufwachsprozess wird eine Halbleiterschichtenfolge bevorzugt auf einer dem Träger abgewandten Hauptseite des Substrats aufgewachsen. Während des Aufwachsprozesses befindet sich das Substrat also zwischen dem Träger und der auf dem Substrat aufgewachsenen Halbleiterschichtenfolge. Insbesondere kann es sich bei der auf dem Substrat aufgewachsenen Halbleiterschichtenfolge um Halbleiterschichten auf GaN oder GaAs oder GaP oder Si Basis handeln. Nach dem Aufwachsprozess ist die fertig gewachsene Halbleiterschichtenfolge zum Beispiel dazu eingerichtet, im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise sichtbare Strahlung, zu emittieren. Aus der fertig gewachsenen Halbleiterschichtenfolge können also insbesondere einzelne lichtemittierende Halbleiterbauteile, wie LEDs, hergestellt werden.
Während des Aufwachsprozesses ist der Träger zum Beispiel in einer Reaktionskammer angeordnet. Das hier beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere für Prozesse, in denen die Halbleiterschichten in einer chemischen Gasphasenabscheidung, wie einer metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung, kurz MOCVD, aufgebracht werden. Auch ist es möglich, die Halbleiterschichten mittels einer Molekularstrahlepitaxie oder mittels eines Sputter-Prozesses aufzuwachsen.
Bevorzugt wird die Halbleiterschichtenfolge ganzflächig auf die Hauptseite des Substrats aufgebracht, sodass zumindest 90 % oder ≥ 95 % oder ≥ 98 % der Hauptseite des Substrats mit der Halbleiterschichtenfolge bedeckt werden. Die Dicke der dabei entstehenden Halbleiterschichtenfolge ist im Vergleich zur Dicke des Aufwachssubstrats bevorzugt gering. Beispielsweise ist die Dicke der Halbleiterschichtenfolge nach Vollendung des Aufwachsprozesses höchstens 20 µm oder höchstens 10 µm. Die Dicke des Substrats kann dagegen ≥ 100 µm, insbesondere ≥ 200 µm sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in einem Schritt D ein Temperaturmessprozess durchgeführt. Bei dem Temperaturmessprozess wird bevorzugt ein Temperaturprofil des Substrats bestimmt, welches während des Aufwachsprozesses in dem Substrat auftritt. Das Temperaturprofil wird dabei bevorzugt als ortsabhängige Temperaturverteilung entlang der Hauptseite des Substrats bestimmt. Insbesondere ist das Temperaturprofil also eine dreidimensionale Funktion oder ein dreidimensionales Histogramm, bei dem die Temperatur des Substrats als Funktion von x und y angegeben ist, wobei x und y die Ortskoordinaten entlang der Hauptseite des Substrats sind.
Hier und im Folgenden wird unter der Temperatur des Substrats zum Beispiel die gemittelte Temperatur über die gesamte Dicke, also Ausdehnung in z-Richtung, des Substrats oder die Oberflächentemperatur auf der dem Träger abgewandten Hauptseite des Substrats oder die Temperatur der aufgewachsenen Halbleiterschichtenfolge beziehungsweise der in Entstehung befindlichen Halbleiterschichtenfolge verstanden. Da das Substrat bevorzugt wesentlich dicker als die Halbleiterschichtenfolge ist, sind die Temperatur der Halbleiterschichtenfolge und des Substrats nahezu identisch.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in einem Schritt E eine gezielte Bearbeitung des Trägers und/oder des Substrats vorgenommen. Die Bearbeitung kann dauerhaft oder reversibel sein. Reversibel heißt hier, dass Änderungen, die am Substrat oder am Träger vorgenommen werden, später wieder rückgängig gemacht werden können ohne das Substrat oder den Träger zu zerstören oder zu beschädigen oder zu verformen. Ferner ist es denkbar, dass die Änderungen mit der Zeit von selbst verschwinden oder sich auflösen. Dauerhaft bedeutet zum Beispiel, dass die durch die Bearbeitung am Träger hervorgerufene Veränderung nicht rückgängig gemacht wird oder gemacht werden kann. Unter einer gezielten Bearbeitung wird hier verstanden, dass die Bearbeitung des Trägers und des Substrats beabsichtigt und kontrolliert geschieht. Beispielsweise wird der Träger oder das Substrat dabei nur lokal in bewusst ausgesuchten Bereichen bearbeitet oder verändert.
Bevorzugt wird durch die gezielte und reversible Bearbeitung des Trägers die Temperatur in ausgesuchten Bereichen entlang der Hauptseite des Substrats während des Aufwachsprozesses verändert, insbesondere kontrolliert verändert. Das heißt zum Beispiel, dass in diesen Bereich die Temperatur um vorbestimmte Werte erhöht oder verringert werden kann. Die Bearbeitung kann vor oder während des Aufwachsprozesses erfolgen. Bevorzugt wird durch diese Bearbeitung ein Emissionsprofil der fertig gewachsenen Halbleiterschichtenfolge geglättet.
Unter dem Emissionsprofil wird dabei insbesondere das durch Elektrolumineszenz oder Photolumineszenz emittierte Wellenlängenspektrum der fertig gewachsenen Halbleiterschichtenfolge als Funktion des Ortes entlang einer Strahlungshauptseite der Halbleiterschichtenfolge verstanden. Die Strahlungshauptseite verläuft dabei bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Hauptseite des Substrats. Beispielsweise wird über die Strahlungshauptseite ein Großteil der von der Halbleiterschichtenfolge erzeugten Strahlung ausgekoppelt. Insbesondere ist das Emissionsprofil also eine dreidimensionale Funktion oder ein dreidimensionales Histogramm, bei dem das Emissionspektrum der Halbleiterschichtenfolge als Funktion von x und y angegeben ist, wobei x und y die Ortskoordinaten entlang der Strahlungshauptseite der Halbleiterschichtenfolge sind. Die Glättung des Emissionsprofils hat also zur Folge, dass die Halbleiterschichtenfolge entlang der gesamten Strahlungshauptseite ein homogenes, also im Wesentlichen gleiches, Emissionsspektrum aufweist.
Beispielsweise kann durch die Bearbeitung des Trägers oder des Substrats das im Schritt D bestimmte Temperaturprofil geglättet werden und dadurch eine Glättung des Emissionsprofils erreicht werden. Temperaturschwankungen entlang der Hauptseite des Substrats können dann durch die Bearbeitung ausgeglichen werden, sodass insbesondere nach der Bearbeitung in allen Bereichen entlang der Hauptseite des Substrats nur geringe Temperaturschwankungen, beispielsweise Temperaturschwankungen von weniger als 5 K oder weniger als 1 K oder weniger als 0,5 K auftreten. Alternativ können die Temperaturen des Temperaturprofils nach der Bearbeitung auch höchstens 1 % oder höchstens 0,5 % oder höchstens 0,1 % um eine Maximaltemperatur des Temperaturprofils schwanken.
Jedoch ist es auch möglich, dass durch die Bearbeitung gezielt Inhomogenitäten in das Temperaturprofil eingebracht werden. Mit diesen Temperaturinhomogenitäten können andere Effekte beim Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge, die zu Inhomogenitäten im Emissionsprofil führen, ausgleichen werden, wodurch die Herstellung einer Halbleiterschichtenfolge mit einem glatteren Emissionsprofil erreicht wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Schritte A bis E in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten einen Schritt A, bei dem ein Träger bereitgestellt wird. In einem Schritt B wird zumindest ein Substrat auf den Träger aufgebracht. Ferner wird in einem Schritt C ein Aufwachsprozess ausgeführt, bei dem eine Halbleiterschichtenfolge auf eine dem Träger abgewandten Hauptseite des Substrats aufgewachsen wird. Die fertig gewachsene Halbleiterschichtenfolge emittiert im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetischer Strahlung. In einem weiteren Schritt D wird ein Temperaturmessprozess durchgeführt, bei dem ein Temperaturprofil des Substrats, welches während des Aufwachsprozesses in dem Substrat auftritt, bestimmt wird. Zusätzlich wird ein Schritt E ausgeführt, bei dem der Träger und/oder das Substrat vor oder während des Aufwachsprozesses gezielt bearbeitet werden. Dadurch wird die Temperatur in ausgesuchten Bereichen des Substrats verändert und das Emissionssprofil der fertig gewachsenen Halbleiterschichtenfolge geglättet.
Die hier beschriebene Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, dass die Wellenlänge von Licht emittierenden LEDs, wie InGaN-LEDs, im Wesentlichen durch die Temperatur der Halbleiterschichten während des Aufwachsprozesses bestimmt wird. Beispielsweise verschiebt sich bei gebräuchlichen LEDs bei einer Erhöhung der Wachstumstemperatur von 1 K die Wellenlänge der erzeugten LEDs um 0,5 nm bis 2 nm. Bei dem Aufwachsprozess von Halbleiterschichten auf einem Aufwachssubstrat weicht das Temperaturprofil entlang der Hauptseite des Substrats aufgrund einer Vielzahl von Einflussgrößen, wie zum Beispiel dem Abstand des Wafers vom Träger, der lokalen thermischen Leitfähigkeit des zwischen Träger und Substrat befindlichen Gasgemisches, des Emissionsgrads des Trägers, der Kühlung der verwendeten Prozessgase oder der geometrischen Besonderheiten am Substratrand, von einem idealen homogenen Temperaturprofil ab. Eine solche Temperaturinhomogenität und die damit verbundene Inhomogenität in der Lichtemission beziehungsweise im Emissionsprofil haben aber unter Umständen große Auswirkungen auf die Ausbeute von LED-Chips und die Logistik bei der LED-Herstellung. Zum Beispiel können die am Rand des Substrats hergestellten LED-Chips aufgrund der dort auftretenden großen Temperaturverschiebung nicht verkauft werden.
Die hier beschriebene Erfindung macht unter anderem von der Idee Gebrauch, den Träger oder das Substrat während des Aufwachsprozesses übergezielte reversible oder dauerhafte Bearbeitungsprozesse so zu verändern, dass es zu einer Homogenisierung beziehungsweise Glättung des Emissionssprofils der fertig gewachsenen Halbleiterschichtenfolge kommt. Dies wir beispielsweise durch die Glättung des beim Aufwachsen entstehenden Temperaturprofils erreicht. Im Vergleich mit üblichen Aufwachsprozessen wird dadurch ein homogeneres Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge mit weniger Schwankungen in der Materialzusammensetzung und Materialstruktur entlang der gesamten Hauptseite des Substrats ermöglicht. Der bei der Produktion entstehende Ausschuss an LED-Chips kann damit verringert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt E während des Aufwachsprozesses ein Laserstrahl aus einem Laser auf das Substrat, insbesondere auf die dem Träger abgewandte Hauptseite des Substrats, gerichtet. Mit dem Laserstrahl werden dann ausgesuchte, also bewusst bestimmte Bereiche des Substrats, gezielt aufgeheizt. Bevorzugt werden dabei die Bereiche des Substrats aufgeheizt, die im Temperaturprofil kühlere Stellen des Substrats bilden. Alternativ oder zusätzlich wird im Schritt E nicht das Substrat, sondern der Träger mit Hilfe des Laserstrahls in gezielt ausgesuchten Bereichen aufgeheizt. Der Laserstrahl kann ferner auf eine dem Substrat zugewandte Oberseite des Trägers oder einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite des Trägers gerichtet werden, wobei die Oberseite und die Unterseite jeweils Hauptseiten des Trägers bilden. Die durch den Laserstrahl in Bereichen des Trägers erzeugte Wärme überträgt sich dann auf korrespondierende, zum Beispiel angrenzende oder gegenüberliegende, Bereiche des Substrats. Auch ist es möglich, zum Beispiel mittels eines auf die Oberseite gerichteten Lasers, wie eines UV-Lasers, dass die Laserstrahlung direkt in der Halbleiterschichtenfolge absorbiert wird und damit die Halbleiterschichtenfolge direkt aufgeheizt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Laserstrahl im Betrieb während des Aufwachsprozesses mit Hilfe einer Abtasteinheit gezielt auf ausgesuchte Bereiche des Substrats ausgerichtet. Die Abtasteinheit kann den Laserstrahl über die Hauptseite des Substrats oder des Trägers insbesondere mit konstanter Geschwindigkeit, beispielsweise mit mindestens 20 m/s oder mindestens 40 m/s oder mindestens 80 m/s bewegen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn dabei die Intensität und/oder die Leistung der Laserstrahlung moduliert werden. Ist der Laserstrahl auf einen Bereich gerichtete, der erhitzt werden soll, werden die Leistung und/oder die Intensität erhöht. In den Bereichen, die nicht erhitzt werden sollen, werden die Leistung und/oder die Intensität reduziert.
Alternativ ist es aber auch möglich, dass der Laserstrahl eine zeitlich konstanten Leistung und/oder Intensität aufweist. Die Abtasteinheit bewegt den Laserstrahl dann bevorzugt sprunghaft über die Hauptseite des Substrats oder des Trägers. Wie stark das Substrat in den ausgesuchten Bereichen aufgeheizt wird, wird dann über die Bestrahlungsdauer in dem jeweiligen Bereich reguliert.
Bevorzugt ist die Abtasteinheit so eingerichtet, dass der Laserstrahl auf alle Bereiche der Hauptseite des Substrats oder Trägers gerichtet werden kann. Dazu kann die Abtasteinheit den Laserstrahl beispielsweise zweidimensional ausrichten. Insbesondere kann die Abtasteinheit den Laserstrahl unabhängig entlang zweier Basisvektoren, die die Hauptseite des Substrats oder des Trägers aufspannen, bewegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Träger während des Aufwachsprozesses um eine Rotationsachse senkrecht zur Hauptseite des Trägers rotiert. Die Abtasteinheit kann den Laserstrahl dann während des Aufwachsprozesses zum Beispiel in einer radialen Richtung, senkrecht zur Rotationsache bewegen. Eine eindimensionale Bewegung entlang einer Geraden kann dabei ausreichend sein. Bei jeder Rotation wird in Draufsicht auf die Hauptseite des Trägers eine von dem Laserstrahl überstrichene Linie auf der Hauptseite des Trägers von dem Substrat vollständig durchkreuzt, so dass mit Hilfe des Laserstrahls alle Bereiche des Substrats gezielt aufgeheizt werden können. Auch hier ist es wiederum möglich, dass der Laserstrahl mit konstanter Geschwindigkeit entlang der radialen Richtung bewegt wird oder sprunghaft ausgerichtet wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Laserstrahlen entlang einer radialen, senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Richtung angeordnet. Die Laserstrahlen sind dabei bevorzugt so dicht zueinander angeordnet, dass die Projektion der Laserstrahlen auf die Hauptseite des Substrats oder des Trägers eine durchgehende Linie ohne Unterbrechungen auf der Hauptseite bildet. Dies lässt sich beispielsweise durch einen Barrenlaser realisieren. In Draufsicht auf die Hauptseite des Trägers durchkreuzt bevorzugt das Substrat dann bei jeder Rotation des Trägers diese Linie vollständig, sodass jeder Bereich des Substrats einen der Laserstrahlen durchkreuzt und dadurch gezielt aufgeheizt werden kann. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform müssen die Laserstrahlen nicht über eine Abtasteinheit bewegt werden. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn die Leistung und/oder die Intensität jedes einzelnen Laserstrahls moduliert werden. Beim Durchkreuzen des Substrats durch die Laserstrahlen kann dadurch gezielt beeinflusst werden, welcher Bereich auf dem Substrat stärker und welcher weniger stark aufgeheizt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Temperaturmessprozess des Schritts D das Temperaturprofil des Substrats während des Aufwachsprozesses bestimmt. Dabei wird beispielsweise für den Temperaturmessprozess eines oder mehrere der folgenden Messmittel eingesetzt: Thermoelement, emissionsgrad-korrigiertes Pyrometer, Wärmebildkamera, Infrarotdiode. Das emissionsgrad-korrigierte Pyrometer kann beispielsweise dann eingesetzt werden, wenn der Träger mit dem Substrat während des Aufwachsprozesses schnell rotiert wird. Eine Wärmebildkamera bietet sich zum Beispiel an, wenn der Träger langsam oder gar nicht rotiert. Werden Infrarotdioden verwendet, so ist es vorteilhaft, eine ganze Reihe von Infrarotdioden zu verwenden, die beispielsweise bei jeder Umdrehung des Trägers die gesamte Hauptseite des Substrats oder Trägers abtasten und so die Temperatur des Substrats oder Trägers bestimmen.
Die Ortsauflösung des Temperaturmessprozesses ist bevorzugt besser als 10 mm oder besser als 5 mm oder besser als 1 mm. Alternativ oder zusätzlich ist die Ortsauflösung des Temperaturmessprozesses ≥ 0,5 mm oder ≥ 1 mm oder ≥ 3 mm.
Der Temperaturmessprozesse kann beispielsweise mit einer Rate von ≥ 1Hz oder ≥ 100 Hz oder ≥ 10 kHz durchgeführt werden. Das heißt, für die Bestimmung der Temperatur in einem Bereich oder zur Bestimmung des gesamten Temperaturprofils mit obiger Ortsauflösung werden höchstens 1 s oder höchstens 1/100 s oder höchstens 1·10^–4 s benötigt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Temperaturmessprozess erst nach dem Aufwachsprozess durchgeführt. Dazu kann beispielsweise solange abgewartet werden, bis das Substrat mit der aufgebrachten Halbleiterschichtenfolge auf Raumtemperatur abgekühlt ist. Anschließend wird dann zum Beispiel eine ortsaufgelöste Wellenlängenmessung des Photolumineszenz-Spektrums der Halbleiterschichtenfolge durchgeführt. Ortsaufgelöst bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die von der Halbleiterschichtenfolge emittierte Wellenlänge als Funktion des Ortes auf der Hauptseite des Substrats, zum Beispiel als Funktion einer x-y-Koordinate, gemessen wird. Mit Hilfe des aufgenommenen Photolumineszenz-Spektrums kann auch nach Abkühlung des Substrats und/oder der Halbleiterschichtenfolge auf das während des Aufwachsprozesses vorhandene Temperaturprofil rückgeschlossen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine Steuereinheit eingesetzt. Die Steuereinheit ist insbesondere dazu eingerichtet, anhand von Messwerten des Temperaturmessprozesses die Abtasteinheit und/oder die Laserleistung des Lasers und/oder die Intensität der Laserstrahlung und/oder die Pulsdauer des Laserstrahls und/oder den Durchmesser des Laserstrahls zu steuern. Eine solche Steuereinheit ermöglicht es zum Beispiel, die Bereiche des Substrats, die zur Glättung des Temperaturprofils mit Hilfe der Laserstrahlung aufgeheizt werden sollen, zu bestimmen, anzusteuern und die auf diese Bereiche aus der Laserstrahlung übertragene Energie einzustellen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Temperaturmessprozess während des Aufwachsprozesses der Halbleiterschichtenfolge mehrfach durchgeführt. Mehrfach heißt insbesondere, dass eine Temperaturmessung über das gesamte Substrat spätestens nach jeder Sekunde oder spätestens nach jeder zehnten Sekunde oder spätestens nach jeder Minute erfolgt. Andererseits ist es auch möglich, dass das Temperaturprofil des Substrats kontinuierlich während des Aufwachsprozesses aufgenommen wird.
Bevorzugt wird die Steuereinheit dann so betrieben, dass die Steuereinheit nach jedem Temperaturmessprozess die Abtasteinheit und/oder die Laserleistung des Lasers und/oder die Pulsdauer des Laserstrahls und/oder den Durchmesser des Laserstrahls nachregelt, sodass das Temperaturprofil geglättet wird. So können auch zeitlich variierende Temperaturprofile ausgeglichen werden. Wird die Temperaturmessung kontinuierlich durchgeführt, kann auch die Nachregelung über die Steuereinheit kontinuierlich erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Laserstrahl eine Leistung von mindestens 5 kW oder mindestens 10 kW oder mindestens 20 kW auf. Ein solcher Laserstrahl kann sowohl im kontinuierlichen Modus als auch im modulierten Modus betrieben werden. Der Laserstrahl wird dann insbesondere nicht nur zur Glättung des während des Aufwachsprozesses auftretenden Temperaturprofils des Substrats verwendet, sondern für die gesamte Beheizung des Substrats während des Aufwachsprozesses. Eine zusätzliche Heizquelle, die das Substrat beheizt und ein Aufwachsen der Halbleiterschichten ermöglicht, ist in diesem Fall nicht nötig. Typische Temperaturen, auf die ein Substrat für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gebracht werden muss, liegen im Bereich zwischen 1000 K und 2000 K. Durch die Verwendung eines Lasers mit einer Leistung im kW Bereich kann eine solche Temperatur auch ohne externe Heizquelle erreicht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das Substrat während des Aufwachsprozesses neben dem Laser noch über eine zusätzliche Heizquelle geheizt. Die Heizquelle kann zum Beispiel an der dem Substrat abgewandten Unterseite des Trägers angeordnet sein und während des Aufwachsens den Träger beheizen. Über Wärmetransport und Wärmestrahlung überträgt sich die Wärme zum Beispiel von der Heizquelle auf den Träger und dann auf das Substrat, wobei das Substrat auf eine zum Aufwachsen erforderliche Temperatur gebracht wird.
Im Falle einer solchen zusätzlichen Heizquelle reicht es beispielsweise aus, wenn der Laser eine Leistung von mindestens 100 W oder mindestens 200 W oder mindestens 500 W aufweist. Alternativ oder zusätzlich ist die Leistung des Lasers ≤ 2000 W oder ≤ 1000 W oder ≤ 500 W. Der Laserstrahl wird dann bevorzugt überwiegend zum Glätten des Emissionsprofils oder Temperaturprofils eingesetzt und nicht zum vollständigen Beheizen des Substrats. Ein Laserstrahl mit einer solchen Leistung kann beispielsweise Temperaturerhöhungen in ausgesuchten Bereichen des Substrats von bis zu 10 K oder bis zu 20 K oder bis zu 30 K erzielen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird für den Laser ein Infrarotlaser, beispielsweise ein Nd:YAG oder ein CO₂-Laser verwendet. Auch die Verwendung eines grünen Lasers, wie eines frequenzverdoppelten Nd:YAG Lasers oder eines frequenzverdoppelten Nd:YLF Lasers ist möglich. Auch können Laser im blauen oder UV-Bereich eingesetzt werden. Geeignete Laser sind insbesondere Farbstofflaser oder Halbleiterlaser oder Faserlaser, wie halbleitergepumpte Faserlaser, oder diskrete Diodenlaser.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge für die von dem Laser emittierte Laserstrahlung transparent, das heißt zumindest 90 % oder 95 % oder 99 % der auf die Halbleiterschichtenfolge treffenden Intensität der Laserstrahlung gelangt durch die Halbleiterschichtenfolge zum Substrat. Vorteilhafterweise wird auf diese Weise eine Beschädigung der Halbleiterschichtenfolge durch den Laser vermieden. Die Beheizung der Halbleiterschichten erfolgt also bevorzugt indirekt über das Substrat. Zur Beheizung des Substrats kann der Laser in Bereichen außerhalb oder innerhalb des Substrats fokussiert werden. Insbesondere werden die Laserleistung und die Laserfokussierung so angepasst, dass es während des Aufwachsprozesses zu keinen Beschädigungen im Substrat kommt, die beim Aufwachsen zu Defekten in der Halbleiterschichtenfolge führen.
Denkbar ist hier auch, dass auch das Substrat und/oder der Träger transparent im obigen Sinne sind. Zur Beheizung des Substrats mit Hilfe des Lasers kann dann auf der Unterseite des Trägers und/oder Substrats beispielsweise eine Absorptionsschicht aus zum Beispiel einem Metall angebracht sein, die zumindest einen Teil, insbesondere einen Großteil, der auf sie treffenden Laserstrahlung absorbiert. Wird die Absorptionsschicht aufgeheizt, kann die entstehende Wärme auf die Halbleiterschichtenfolge übertragen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der auf das Substrat projizierte Laserstrahl einen Durchmesser von zumindest 0,5 mm oder zumindest 1 mm oder zumindest 3 mm auf. Alternativ oder zusätzlich ist der Durchmesser des Laserstrahls auf dem Substrat ≤ 10 mm oder ≤ 5 mm oder ≤ 1 mm.
Das Substrat und/oder Träger hat zum Beispiel eine Wärmeleitfähigkeit von ≥ 1,5 W/(m·K) oder ≥ 5 W/(m·K) oder ≥ 10 W/(m·K) ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Wärmeleitfähigkeit des Substrats ≤ 200 W/(m·K) oder ≤ 100 W/(m·K) oder ≤ 80 W/(m·K). Durch die Wahl einer geeigneten, bevorzugt geringen, Wärmeleitfähigkeit des Substrats und/oder Trägers, kann erreicht werden, dass die durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl aufgeheizten Bereiche auf dem Substrat und/oder Träger über den Durchmesser des Laserstrahls definiert werden, was eine örtlich gezielte Beheizung des Substrats und/oder Trägers mit einer scharf-definierten örtlichen Abgrenzung erlaubt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei dem Verfahren zum Aufwachsen von Halbleiterschichten der Temperaturmessprozess im Schritt D vor dem Aufwachsprozess im Schritt C ausgeführt. Der Temperaturmessprozess wird zum Beispiel während eines vorhergehenden Aufwachsprozesses bestimmt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt B das Substrat vorzugsweise so auf dem Träger aufgebracht, dass ein Hohlraum zwischen Substrat und dem Träger auftritt. Dieser Hohlraum ist beispielsweise während des anschließenden Aufwachsprozesses im Schritt C teilweise oder vollständig mit einem Gas gefüllt.
Ferner kann vor dem Schritt C, bevorzugt auch vor dem Schritt B, im Bereich des Hohlraums zwischen dem Träger und dem Substrat eine Beschichtung lokal auf den Träger aufgebracht werden. Insbesondere füllt die Beschichtung dabei den Hohlraum aber nicht vollständig aus, das heißt während des Aufwachsprozesses im Schritt C ist die Beschichtung von dem Träger zum Beispiel durch den Hohlraum beabstandet. Die Beschichtung ist zum Beispiel so beschaffen, dass sie jederzeit, zum Beispiel nach dem Aufwachsprozess im Schritt C, vom Träger teilweise oder vollständig entfernt werden kann und beispielsweise durch eine neue Beschichtung ersetzt werden kann. Es kann die Beschichtung aber auch nicht entfernbar sein und dauerhaft auf dem Träger verbleiben.
In Querschnittsansicht, bei einem Schnitt durch das Substrat oder den Träger senkrecht zu den entsprechenden Hauptseiten, weist der Hohlraum beispielsweise eine rechteckige Querschnittsform auf. Der Hohlraum erstreckt sich dabei bevorzugt entlang der gesamten oder nahezu gesamten lateralen Ausdehnung des Substrats und ist zwischen parallel oder nahezu parallel verlaufenden Hauptseiten des Substrats und des Trägers angeordnet. Die laterale Ausdehnung ist dabei die Ausdehnung parallel zu den Hauptseiten. Die Dicke des Hohlraums, also der Abstand zwischen Substrat und Träger beträgt im Mittel zum Beispiel zumindest 0,05 mm oder ≥ 0,1 mm oder ≥ 1 mm. Alternativ oder zusätzlich ist der mittlere Abstand ≤ 2 mm oder ≤ 1,5 mm ≤ 1 mm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Beschichtung einen anderen Emissionsgrad als der Träger, insbesondere einen anderen Emissionsgrad als eine dem Substrat zugewandte Oberseite des Trägers, auf. Dabei ist die Beschichtung bevorzugt so gewählt, dass das im Schritt D gemessene Temperaturprofil des Substrats während des Aufwachsprozesses im Schritt C geglättet wird. Insbesondere weist die Beschichtung einen kleineren Emissionsgrad als der Träger beziehungsweise als die Oberfläche des Trägers auf.
Während des Aufwachsprozesses entstehen zwischen dem Träger und dem Substrat Bereiche, über die Wärme vom Träger besonders effizient zum Substrat geleitet werden können. Wird beispielsweise der Träger von einer Unterseite her beheizt, kann es im Bereich von Auflagepunkten, auf denen das Substrat auf dem Träger aufliegt, zu einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit kommen. In diesen Bereichen wird das Substrat stärker erwärmt als in Bereichen, in denen die Wärmeleitfähigkeit reduziert ist. Dadurch kann ein inhomogenes Temperaturprofil entlang der Hauptseite des Substrats entstehen. Wird in den Bereichen der erhöhten Wärmeleitfähigkeit zwischen Träger und Substrat eine Beschichtung aufgebracht, deren Emissionsgrad zum Beispiel kleiner als der des Trägers ist, wird die von diesen Bereichen während des Aufwachsprozesses emittierte Wärmestrahlung reduziert. Die reduzierte Wärmestrahlung kann dann die erhöhte Wärmeleitfähigkeit in diesen Bereichen zum Teil oder vollständig kompensieren, wodurch die Temperaturschwankungen entlang der Hauptseite des Substrats geglättet werden können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Beschichtung graduell auf dem Träger aufgebracht, sodass eine Flächenbelegungsdichte der Beschichtung auf dem Träger entlang der Hauptseite des Trägers variiert. In Bereichen des Trägers, die laut dem Temperaturmessprozess zu wärmeren Bereichen auf dem Substrat korrespondieren, wird die Beschichtung zum Beispiel mit einer höheren Flächenbelegungsdichte aufgebracht, in Bereichen, die zu kühleren Bereichen des Substrats korrespondieren, wird die Flächenbelichtungsdichte der Beschichtung dann beispielsweise geringer eingestellt. Die Flächenbelegungsdichte der Beschichtung auf dem Träger nimmt dann also von wärmeren Bereichen des Substrats zu kälteren Bereichen des Substrats ab.
Korrespondierende Bereiche zwischen Träger und Substrat sind dabei zum Beispiel Bereiche, die sich direkt gegenüber liegen, also zwischen denen der Abstand zwischen Träger und Substrat am geringsten ist.
Die Beschichtung muss nicht graduell verlaufen. Es kann sich bei der Beschichtung auch um eine durchgehende, zusammenhängende und unstrukturierte Schicht handeln, wie zum Beispiel einer ringförmigen Schicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Beschichtung eines der folgenden Materialien auf oder besteht daraus: Molybdän, chromfreier Stahl, Wolfram, Keramik, Titan. Die Beschichtung wird dabei beispielsweise mit einer Schichtdicke von wenigstens 0,2 µm oder wenigstens 1 µm oder wenigstens 3 µm aufgebracht. Alternativ oder zusätzlich ist die Schichtdicke ≤ 50 µm oder ≤ 20 µm oder ≤ 10 µm. Der Emissionsgrad der Beschichtung beträgt dabei bevorzugt höchstens 0,7 oder höchstens 0,4 oder höchstens 0,2. Insbesondere weicht der Emissionsgrad der Beschichtung bevorzugt um mindestens 0,2 oder mindestens 0,4 oder mindestens 0,9 von dem Emissionsgrad des Trägers ab.
Alternativ oder zusätzlich kann analog zu der oben beschriebenen Ausführung die Beschichtung auch auf eine dem Träger zugewandte Unterseite des Substrats aufgebracht werden. Beispielsweise unterscheidet sich dann der Reflexionsgrad oder Absorptionsgrad der Beschichtung für Wärmestrahlung vom Reflexionsgrad oder Absorptionsgrad des Substrats. In Bereichen erhöhter Temperatur im gemessenen Temperaturprofil kann dann zum Beispiel ein höherer Reflexionsgrad beziehungsweise niedrigerer Absorptionsgrad eingestellt werden als in kühleren Bereichen, was ebenfalls zu einer Glättung des Temperaturprofils führen kann.
Darüber hinaus wird ein Träger zum Aufwachsen von Halbleiterschichten angegeben. Der Träger kann für das oben beschriebene Verfahren eingesetzt werden. Merkmale des oben beschriebenen Verfahrens sind daher auch für den Träger offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Träger zum Aufwachsen von Halbleiterschichten eine Ausnehmung, in die beim bestimmungsgemäßen Aufwachsen von Halbleiterschichten ein Substrat eingebracht wird. Die Ausnehmungen dienen dabei beispielsweise zur mechanischen Fixierung und Stabilisierung des Substrats während des Aufwachsprozesses. Beispielsweise ist die Ausnehmung so gestaltet, dass beim Einlegen des Substrats in die Ausnehmung das Substrat bündig mit der Oberseite des Trägers abschließt. Auch ist es möglich, dass das Substrat während des Aufwachsprozesses vollständig in der Ausnehmung eingebettet ist. Über Verschlussvorrichtungen am Träger kann das Substrat während des Aufwachsens gegen ein Herauslösen aus der Ausnehmung gesichert sein. Ein Herausnehmen des Substrats nach dem Aufwachsen erfolgt dann zum Beispiel über ein Pick-and-Place Verfahren.
Die Beschichtung ist beispielsweise wie weiter oben für das Verfahren angegeben ausgeführt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Beschichtung aber auch auf der Unterseite des Trägers, gegenüber der Ausnehmung aufgebracht sein, wobei die Beschichtung beispielsweise ebenfalls graduell verläuft. Die Beschichtung ist dann zum Beispiel so gewählt, dass sie einen höheren Reflexionsgrad oder niedrigeren Absorptionsgrad für Wärmestrahlung als der Träger aufweist. Wird der Träger von einer Heizquelle auf der Unterseite des Trägers beheizt, so wird im Bereich der Beschichtung die auftreffende Wärmestrahlung stärker reflektiert beziehungsweise weniger absorbiert als im Bereich des Trägers. Die Bereiche des Substrats, die der Beschichtung gegenüberliegen, werden dann mittels des Trägers weniger stark beheizt als Bereiche des Substrats, denen keine Beschichtung gegenüberliegt.
Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten und ein hier beschriebener Träger zum Aufwachsen von Halbleiterschichten unter Bezugnahme auf Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 bis 4 verschiedene Verfahrensschritte eines hier beschriebenen Verfahrens in Seitenansicht auf die Verfahrensvorrichtung,
5 ein Verfahrensschritt eines hier beschriebenen Verfahrens in Draufsicht auf die Verfahrensvorrichtung,
6 und 9 Simulationsergebnisse für das hier beschriebene Verfahren,
7 und 8 Ausführungsbeispiele eines hier beschriebenen Trägers für die Verfahrensvorrichtung in Seitenansicht und Draufsicht.
1 zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung, die beispielsweise für das Aufwachsen von Halbleiterschichten in metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung, kurz MOCVD, verwendet wird. Die Vorrichtung umfasst einen Träger 1 mit einer Oberseite und einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite und ist beispielsweise aus SiC gebildet. In die Oberseite des Trägers 1 sind Ausnehmungen 12 eingebracht, die sich von der Oberseite in Richtung Unterseite erstrecken, den Träger 1 aber nicht durchbrechen. Der Träger 1 ist achsensymmetrisch zu einer Rotationsachse 10 ausgebildet, wobei hier beidseitig der Rotationsachse 10 jeweils zwei der Ausnehmungen 12 in den Träger 1 eingebracht sind. In den Ausnehmungen 12 des Trägers 1 ist jeweils ein Substrat 2 eingebracht, das vorliegend als Aufwachssubstrat dient und beispielsweise aus GaN oder Saphir oder Silizium gebildet ist. Die Substrate 2 liegen innerhalb der Ausnehmungen 12 auf Auflagepunkten 13 auf. Die Auflagepunkte 13 sind dabei vorzugsweise klein gewählt, ihre laterale Ausdehnung entlang der Hauptseite des Trägers beträgt zum Beispiel maximal 5 % der lateralen Ausdehnung der Ausnehmungen 12. In 1 ist zwischen dem Substrat 2 und dem Träger 1 im Bereich der Ausnehmungen 12 jeweils ein Hohlraum 14 gebildet, der beispielsweise mit einem Prozessgas gefüllt ist.
Die 1 zeigt einen Schritt C des Verfahrens, bei dem eine Halbleiterschichtenfolge 20 jeweils auf die dem Träger 1 abgewandten Hauptseiten der Substrate 2 aufgewachsen wird. Für ein gleichmäßiges Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge 20 wird der Träger in 1 um eine Rotationsachse 10 rotiert. Die Rotationsgeschwindigkeit beträgt dabei beispielsweise zwischen 30 und 2000 Umdrehungen pro Minute. Aufgrund der Rotation und der damit einhergehenden Zentrifugalkraft auf die Substrate 2 werden die Substrate 2 teilweise verschoben und durchbogen, sodass im mittleren Bereich der Substrate 2, zwischen den Auflagepunkten 13, der Abstand zum Träger 1 verringert ist. Das Durchbiegen kann aber auch zumindest teilweise aufgrund von Verspannungen im Substrat während eines Aufwachsprozesses entstehen. Dabei durchbiegt sich das Substrat beispielsweise zwischen 50 µm und 200 µm.
1 zeigt außerdem, dass die Vorrichtung zum Aufwachsen von Halbleiterschichten einen Heizkörper 6 aufweist, der auf der Unterseite des Trägers 1 angebracht ist. Durch die Rotation des Trägers 1 um die Rotationsachse 10 wird der Träger 1 während des Aufwachsprozesses vorzugsweise gleichmäßig beheizt.
1 zeigt gleichzeitig auch einen Verfahrensschritt D, bei dem ein Temperaturmessprozess durchgeführt wird. Für den Temperaturmessprozess ist eine Temperaturmessvorrichtung 8 auf der Oberseite des Trägers 1 angebracht. Die Temperaturmessvorrichtung 8 ist dabei von dem Träger 1 und den Substraten 2 beabstandet und misst ein Temperaturprofil 3 entlang von Hauptseiten der Substrate 2. Dazu umfasst die Temperaturmessvorrichtung 8 beispielsweise ein oder mehrere emissionsgrad-korrigierte Pyrometer, die die Temperatur auf den Hauptseiten der Substrate 2 mit einer Ortsauflösung von ≤ 3 mm messen.
Die Temperaturmessvorrichtung 8 ist im Beispiel der 1 an eine Steuereinheit 7 angeschlossen, wobei die Steuereinheit 7 wiederum mit einem Laser 4 und einer Abtasteinheit 5, die vorliegend als Spiegel ausgebildet ist, verbunden ist. Im Beispiel der 1 ist der Laser 4 zunächst außer Betrieb.
Ein Schnitt durch ein durch den Temperaturmessprozess bestimmtes Temperaturprofil 3 der Substrate 2 ist beispielhaft in 2 gezeigt. 2 zeigt ein Diagramm mit der Temperatur T auf der y-Achse und dem Radius r beziehungsweise dem Abstand r von der Rotationsachse auf der x-Achse. Dabei ist ersichtlich, dass das Temperaturprofil 3 im Bereich der Auflagepunkte 13 sowie im mittleren Bereich der Substrate 2 erhöhte Temperaturen T aufweist. Zwischen dem mittleren Bereich und den Auflagepunkten 13 sind Temperaturminima zu erkennen. Die erhöhte Temperatur T im mittleren Bereich zwischen den Auflagepunkten resultiert aus der in 1 gezeigten Durchbiegung der Substrate 2. Der reduzierte Abstand in diesen mittleren Bereichen ermöglicht eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit über das im Hohlraum 14 befindliche Prozessgas.
3 zeigt einen Verfahrensschritt E, der beispielsweise auf den Temperaturmessprozess des Schritts D der 1 und 2 folgt. Die in 3 gezeigte Vorrichtung entspricht dabei der Vorrichtung in 1. Der Träger 1 wird weiterhin um die Rotationsachse 10 gedreht, die Halbleiterschichtenfolge 20 wird weiterhin auf die Substrate 2 aufgewachsen.
3 zeigt im Unterschied zur 1, dass der Laser 4 betrieben wird. Bei dem Laser 4 handelt es sich zum Beispiel um einen Nd:YAG-Laser, der infrarote Laserstrahlung 40 auf die Abtasteinheit 5 projiziert. Die Abtasteinheit 5 ist vorliegend als Spiegel ausgebildet, wobei der Spiegel beispielsweise an einen Motor angeschlossen ist. Der Einstellwinkel des Spiegels kann durch den Motor variiert werden. Der Spiegel reflektiert den auf ihn treffenden Laserstrahl 40 in Richtung Träger 1 und wird dabei auf ausgesuchte Bereiche des Substrats 2 gerichtet. Durch die Bestrahlung des ausgesuchten Bereichs des Substrats 2 mit der Laserstrahlung 40 wird dieser ausgesuchte Bereich lokal, gezielt aufgeheizt. Die Abtasteinheit 5 kann beispielsweise den Laserstrahl 40 eindimensional entlang der radialen Richtung r bewegen. Aufgrund der zusätzlichen Rotation des Trägers können dabei alle Bereiche der Substrate 2 mit dem Laserstrahl 40 bestrahlt werden und ausgesuchte Bereiche auf den Substraten 2 können gezielt aufgeheizt werden.
4 zeigt wie 2 einen Schnitt durch ein mögliches Temperaturprofil 3 der Substrate 2. Allerdings ist hier das Temperaturprofil 3 gezeigt, nachdem der Laserstrahl 40 bestimmte Bereiche auf den Substraten 2 aufgeheizt hat. Ersichtlich aus 4 ist, dass durch die Laserstrahlung 40 das Temperaturprofil 3 der 4 gegenüber dem Temperaturprofil 3 der 2 geglättet oder homogenisiert ist. Die Temperaturschwankungen auf dem Substrat 2 sind also entlang der Hauptseite der Substrate 2 reduziert.
In 5 ist die in den 1 und 3 gezeigte Vorrichtung in einer Draufsicht auf die Hauptseite der Substrate 2 beziehungsweise auf die Oberseite des Trägers 1 gezeigt. Anders als in den 1 und 3 ist in 5 aber kein einzelner Laser verwendet, dessen Laserstrahlung 40 über eine Abtasteinheit 5 auf die Substrate 2 gelenkt wird, vielmehr ist in 5 ein Laserdioden-Array, zum Beispiel in Form eines Laserbarrens, über dem Träger 1 angeordnet. Bei dem Laserdioden-Array ist eine Mehrzahl von Lasern 4 in Reihe nebeneinander angeordnet. Die von den Lasern 4 emittierte Strahlung 40 bildet in Projektion auf den Träger 1 eine durchgehende Linie, die beispielsweise von der Rotationsachse 10 bis zum äußeren Rand des Trägers 1 reicht. Durch die Rotation des Trägers 1 wird dabei erreicht, dass jeder Bereich auf den Substraten 2 zumindest einen Laserstrahl 40 durchkreuzt. Durch Modulation der von den Lasern 4 emittierten Laserleistung und/oder Lasterintensität kann dann ein gezieltes Aufheizen bestimmter Bereiche auf den einzelnen Substraten 2 erreicht werden.
6 zeigt Ergebnisse für ein wie in Zusammenhang mit den 1 bis 5 beschriebenes Verfahren. Dabei wurde ein Träger 1 mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten Ω rotiert. Die Rotationsgeschwindigkeiten sind in Einheiten von Umdrehungen pro Minute in der ersten Spalte der Tabelle aufgelistet. Für jede Rotationsgeschwindigkeit ist außerdem die Umlaufzeit des Trägers τ in Sekunden in der zweiten Spalte der Tabelle angegeben. Ferner wurden die Laserintensitäten variiert. In der dritten Spalte der Tabelle sind Laserintensitäten P von 0,1 kW bis 1 kW gezeigt. Die rechte Spalte der Tabelle gibt den Durchmesser d der Laserstrahlung 40 in Zentimetern an.
Die Graphen auf der rechten Seite der 6 zeigen die Ergebnisse bei Verwendung der in der Tabelle gezeigten Parameter. Dabei wurde folgendermaßen vorgegangen: Ein bestimmter Bereich auf dem Substrat 2 wurde kurzzeitig beim Durchqueren eines Laserstrahl 40 aufgeheizt. Dieses kurze Aufheizen ist in den Graphen als das rapide Ansteigen der Temperatur um ΔT im Bereich t ≈ 0 s zu erkennen. Anschließend hat der aufgeheizte Bereich den Laserstrahl 40 verlassen und ist daraufhin, wie in den Graphen ersichtlich, als Funktion der Zeit abgekühlt. Die Graphen enden jeweils bei 0,05 beziehungsweise 0,06 Sekunden, was den Umlaufzeiten des Trägers 1 aus der Tabelle entspricht. Nach dieser Umlaufzeit würde der erhitzte Bereich erneut den Laserstrahl 40 durchkreuzen und erneut aufgeheizt werden.
Wie aus den Graphen der 6 ersichtlich ist, kühlt nach einem vollständigen Umlauf des Trägers 1 der erhitzte Bereich nicht wieder auf seine Ausgangstemperatur ab. Dies zeigt, dass bei mehrmaligem Aufheizen des Bereichs auf dem Substrat 2 der bestrahlte Bereich dauerhaft auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden kann.
Der Unterschied zwischen dem oberen Bild und dem unteren Bild auf der rechten Seite in 6 besteht darin, dass für die Aufnahme der Graphen im oberen Bild der Träger 1 mithilfe des Lasers 4 aufgeheizt wurde, was zu einem indirekten Aufheizen des Substrats 2 führt. Die Graphen im unteren Bild wurden dagegen bei Laserbestrahlung des Substrats 2 aufgenommen, das Substrat 2 wurde also direkt, und nicht über den Träger 1 aufgeheizt.
In 7 ist eine Seitenansicht eines wie im Zusammenhang mit 1 und 3 beschriebenen Trägers 1 gezeigt. Im Unterschied zu den 1 und 3 ist in 7 auf der dem Substrat 2 zugewandten Seite des Trägers 1 im Bereich des Ausnehmung 12 eine Beschichtung 11 aufgebracht. Die Beschichtung 11 ist dabei graduell aufgebracht, sodass eine Flächenbelegungsdichte entlang der Hauptseite des Substrats 2 variiert. Im vorliegenden Beispiel ist die Flächenbelegungsdichte der Beschichtung 11 im Bereich der Auflagepunkte 13 und im mittleren Bereich, in dem der Abstand zwischen Substrat 2 und Träger 1 reduziert ist, erhöht. Vorliegend ist die Beschichtung 11 beispielsweise aus chromfreiem Stahl gebildet und weist einen um zumindest 0,6 kleineren Emissionsgrad als der Träger 1 auf.
Die graduell aufgebrachte Beschichtung 11 mit dem kleineren Emissionsgrad hat dabei folgende technische Wirkung. Im Bereich der Auflagepunkte 13 und im mittleren Bereich der Ausnehmung 12 findet zwischen dem Träger 1 und dem Substrat 2 eine erhöhte Wärmeleitung statt. Dadurch entstehen Temperaturschwankungen entlang der Hauptseite des Trägers 2, wodurch sich beispielsweise ein wie in 2 gezeigtes Temperaturprofil 3 der Substrate 2 ergibt. Um dieses Temperaturprofil 3 während des Aufwachsprozesses zu glätten, ist die graduelle Beschichtung 11 auf den Träger 1 aufgebracht. Im Bereich einer hohen Flächenbelegungsdichte der Beschichtung 11 findet eine geringere Emission von Wärmestrahlung in Richtung Substrat 2 statt als in Bereichen mit geringerer Flächenbelegungsdichte. Diese verringerte Emission von Wärmestrahlung kann dann den Effekt der erhöhten Wärmeleitung teilweise oder vollständig kompensieren und so zu einer Glättung des Temperaturprofils 3 während des Aufwachsprozesses beziehungsweise zur Glättung des Emissionsprofils führen, so wie es zum Beispiel im Zusammenhang mit 3 gezeigt ist.
Im Ausführungsbeispiel der 8 ist der Träger 1 mit der Ausnehmung 12 und der graduell aufgebrachten Beschichtung 11 in Draufsicht auf die Hauptseite des Trägers 1 gezeigt. Vorliegend bedeckt die Beschichtung 11 zum Beispiel zumindest 1 % oder 5 % oder 10 % des Trägers 1 im Bereich der Ausnehmung 12.
In 9 sind Ergebnisse gezeigt, die mit Hilfe einer wie im Zusammenhang mit den 7 und 8 beschriebenen Beschichtung 11 erreicht werden können. Dabei zeigt der Graph auf der rechten Seite ein Temperaturprofil 3 des Substrats 2 als Abstand r von der Rotationsachse des Trägers. Die schwarze Kurve zeigt dabei die Ergebnisse, falls keine Beschichtung 11 verwendet wird. Diese Ergebnisse korrespondieren zu dem Tabelleneintrag „std“, als Kurzform für Standard. Aufgrund der Durchbiegung des Substrats sind im Zentrum des Wafers, bei r = 0 mm, die Temperaturen T höher als im äußeren Bereich des Wafers bei r ≈ 75 mm. Wird nun eine Beschichtung 11 aufgebracht, deren Flächenbelegungsdichte im mittleren Bereich des Substrats 2 größer ist als im äußeren Bereich des Substrats 2 und weist diese Beschichtung 11 einen kleineren Emissionsgrad als der Träger 1 auf, so kann die Temperatur im Zentrum des Substrats 2 während des Aufwachsprozesses reduziert werden, wodurch die homogenere, in grau dargestellte Temperaturverteilung erzeugt wird. Vorliegend wurde der Emissionsgrad des Trägers 1 zu 0,8 gewählt, der Emissionsgrad der Beschichtung 11 wurde zu 0,2 gewählt. Der entsprechende Tabelleneintrag ist mit „v1“ gekennzeichnet.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen aufgeführt ist.
Bezugszeichenliste

1: Träger
2: Substrat
3: Temperaturprofil
4: Laser
5: Spiegel
6: Heizkörper
7: Steuereinheit
8: Temperaturmessvorrichtung
10: Rotationsachse
11: Beschichtung
12: Ausnehmung
13: Auflagepunkt
14: Hohlraum
20: Halbleiterschichtenfolge
40: Laserstrahl

Claims

Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten umfassend die Schritte: A) Bereitstellen eines Trägers (1); B) Aufbringen zumindest eines Substrats (2) auf den Träger (1); C) Ausführen eines Aufwachsprozesses, bei dem eine Halbleiterschichtenfolge (20) auf eine dem Träger (1) abgewandten Hauptseite des Substrats (2) aufgewachsen wird, wobei die fertig gewachsene Halbleiterschichtenfolge (20) im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetischer Strahlung emittiert; D) Durchführen eines Temperaturmessprozesses, bei dem ein Temperaturprofil (3) des Substrats (2), welches während des Aufwachsprozesses in dem Substrat (2) auftritt, bestimmt wird; E) gezielte Bearbeitung des Trägers (1) und/oder des Substrats (2) vor oder während des Aufwachsprozesses, wodurch die Temperatur in ausgesuchten Bereichen des Substrats (2) während des Aufwachsprozesses verändert wird und damit ein Emissionssprofil der fertig gewachsenen Halbleiterschichtenfolge (20) geglättet wird.
Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die Bearbeitung des Trägers (1) und/oder des Substrats (2) reversibel ist, sodass Änderungen, die beim Bearbeiten am Substrat (2) oder am Träger (1) vorgenommen werden, später wieder rückgängig gemacht werden können ohne das Substrat (2) oder den Träger (1) zu zerstören oder zu beschädigen.
Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei im Schritt E) während des Aufwachsprozesses ausgesuchte Bereiche das Substrat (2) mit Hilfe von zumindest einem Laserstrahl (40) aus zumindest einem Laser (4) gezielt aufgeheizt werden.
Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei eine Abtasteinheit (5) den Laserstrahl (40) im Betrieb während des Aufwachsprozesses gezielt auf ausgesuchte Bereiche des Substrats (2) ausrichtet.
Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei – der Träger (1) während des Aufwachsprozesses um eine Rotationsachse (10) senkrecht zu einer Hauptseite des Trägers (1) rotiert wird, – die Abtasteinheit (5) den Laserstrahl (40) während des Aufwachsprozesses über das Substrat (2) in einer radialen Richtung, senkrecht zur Rotationsachse (10) bewegt.
Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gemäß mindestens Anspruch 3, wobei – der Träger (1) während des Aufwachsprozesses um eine Rotationsachse (10) senkrecht zur Hauptseite des Trägers (1) rotiert wird, – eine Reihe von Laserstrahlen (40) entlang einer radialen, senkrecht zur Rotationsachse (10) verlaufenden Richtung angeordnet ist, – bei jeder Rotation des Trägers (1) jeder Bereich des Substrats (2) zumindest einen der Laserstrahlen (40) durchkreuzt.
Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei – im Temperaturmessprozess des Schritts D) das Temperaturprofil (3) des Substrats (2) während des Aufwachsprozesses bestimmt wird, – wobei für den Temperaturmessprozess eines oder mehrere der folgenden Messmittel eingesetzt werden: Thermoelement, emissionsgrad-korrigiertes Pyrometer, Wärmebildkamera, Infrarotdiode.
Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei – der Temperaturmessprozess nach dem Aufwachsprozess durchgeführt wird, – das Temperaturprofil (3) des Substrats (2) durch ortsaufgelöste Wellenlängenmessung des Photolumineszenz-Spektrums der Halbleiterschichtenfolge (20) bestimmt wird.
Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gemäß mindestens Anspruch 3, wobei – eine Steuereinheit (7) eingesetzt wird, – die Steuereinheit (7) anhand von Messwerten des Temperaturmessprozesses die Abtasteinheit (5) und/oder eine Laserleistung des Lasers (4) und/oder eine Pulsdauer des Laserstrahls (40) und/oder den Durchmesser des Laserstrahls (40) steuert.
Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei – der Temperaturmessprozess mehrfach während des Aufwachsprozesses der Halbleiterschichtenfolge (20) durchgeführt wird, – nach jedem Temperaturmessprozess die Steuereinheit (7) die Abtasteinheit (5) und/oder die Laserleistung des Lasers (4) und/oder die Pulsdauer des Laserstrahls (40) und/oder den Durchmesser des Laserstrahls (40) nachregelt, so dass das Emissionssprofil der fertig gewachsenen Halbleiterschichtenfolge (20) geglättet wird.
Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gemäß mindestens Anspruch 3, wobei – der zumindest eine Laserstrahl (40) eine Leistung von mindestens 5 kW hat, – der Laserstrahl (40) zur Beheizung des Substrats (2) verwendet wird, sodass für den Aufwachsprozess keine weitere Heizquelle als der Laser (4) benötigt wird.
Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gemäß mindestens Anspruch 3, wobei – das Substrat (2) während des Aufwachsprozesses neben dem Laser (4) über eine zusätzlich Heizquelle (6) geheizt wird, – der Laser (4) eine Leistung zwischen 100 W und 2000 W hat, – der Laserstrahl (40) lokale Temperaturerhöhungen auf dem Substrat (2) von bis zu 10 K bewirkt.
Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gemäß mindestens Anspruch 3, wobei – der Laserstrahl (40) in einem kontinuierlichen oder gepulsten Modus betrieben wird, – der Laserstrahl (40) eine Wellenlänge im grünen oder blauen oder UV Spektralbereich hat, – die Halbleiterschichtenfolge (20) transparent für den Laserstrahl (40) ist, so dass über 90 % der auf die Halbleiterschichtenfolge (20) treffenden Intensität der Laserstrahlung (40) durch die Halbleiterschichtenfolge (20) gelangt.
Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gemäß mindestens Anspruch 3, wobei – ein Durchmesser des Laserstrahls (40) zwischen 0,5 mm und 10 mm beträgt, – die Wärmeleitfähigkeit des Substrats (2) zwischen einschließlich 1,5 W/(m·K) und 200 W/(m·K) liegt, – die laterale Ausdehnung des aufgeheizten Bereichs des Substrats (2) durch den Durchmesser des Laserstrahls (40) definiert ist.
Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei – der Schritt D) vor dem Schritt C) ausgeführt wird, – im Schritt B) das Substrat (2) so auf den Träger (1) aufgebracht wird, dass ein Hohlraum (14) zwischen Substrat (2) und Träger (1) auftritt, – vor dem Aufwachsprozess im Schritt C) im Bereich des Hohlraums (14) zwischen den Träger (1) und das Substrat (2) eine Beschichtung (11) lokal auf den Träger (1) aufgebracht wird, – die Beschichtung (11) einen anderen Emissionsgrad als der Träger (1) aufweist, – die Beschichtung (11) so gewählt ist, dass das Emissionssprofil der fertig gewachsenen Halbleiterschichtenfolge (20) geglättet wird.
Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei – die Beschichtung (11) einen kleineren Emissionsgrad als eine dem Substrat zugewandte Oberfläche des Trägers (1) aufweist, – die Beschichtung (11) graduell aufgebracht wird, sodass eine Flächenbelegungsdichte der Beschichtung (11) auf dem Träger (1) von beim Temperaturmessprozess bestimmten wärmeren Bereichen des Substrats (2) zu kühleren Bereichen des Substrats (2) abnimmt.
Verfahren für das Aufwachsen von Halbleiterschichten gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei – die Beschichtung (11) eines der folgenden Materialien aufweist oder daraus besteht: Mo, chromfreier Stahl, W, Keramik, Titan, – die Beschichtung (11) mit einer Schichtdicke zwischen einschließlich 1 µm und 1 mm aufgebracht wird, – der Emissionsgrad der Beschichtung (11) höchstens 0,7 beträgt.
Träger (1) zum Aufwachsen von Halbleiterschichten, aufweisend, – eine Ausnehmung (12), in die bei einem bestimmungsgemäßen Aufwachsprozess von Halbleiterschichten ein Substrat (2) eingebracht wird, – eine graduell verlaufende Beschichtung (11) auf dem Träger (1) innerhalb der Ausnehmung (12), wobei die Beschichtung (11) einen niedrigeren Emissionsgrad als der Träger (1) aufweist.